工业应用中的动态优化方法研究
基于0.6μm工艺的流水线模数转换器设计
基于gPROMS的流程动态模拟
基于gPROMS的自由基本体聚合过程动态建模与模拟
基于gPROMS平台的反应精馏过程模拟及醋酸甲酯水解过程分析
工业过程动态优化研究
动态优化研究及其工业应用 |
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动态优化研究及其工业应用
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随着工业生产过程要求不断地提高，面对非线性、高维和不确定等复杂动态特性问题，静态优化方法已经无法实现其应用。因此，动态优化方法的研究成为了化工过程设计、操作和控制的重要课题。本文在对动态优化算法及其研究现状进行综述的基础上，进行了基于一些优化算法的优化设计和改进的研究，并与伦敦大学动态优化博士论文结果，国际文献报道结果以及基于gPROMS的优化结果进行了详细的对比研究，主要包括如下几个方面：(1)在掌握控制变量参数化方法的基础上，引入了双层规划的思想改进该算法，将原来的优化问题转化为两个部分，提高了求解的效率。典型算例的研究结果表明，相比较于传统控制变量参数化方法，在获得的控制性能指标最优的同时，计算效率有了很大的提高。(2)正交配置法一直是动态优化领域的研究热点。本文对正交配置算法原理以及特点进行了研究，同时将其应用到化工过程，通过实际例子对算法进行了验证。另外，改变正交配置法控制变量配置方式，减少了动态优化的变量。因而在计算效率上优于传统方法。通过仿真结果进行了验证，结果表明了修正算法的良好性能。(3)针对复杂非线性化工过程的全局最优化问题，本文研究了迭代动态规划方法，掌握了算法的原理和特性。同时针对该算法计算效率低的缺点，提出了一种基于自适应优化方法的迭代动态规划算法。该算法通过自适应调整迭代过程，提高迭代效率，并典型的化工过程动态优化问题为算例，进行了详细的比较研究，结果表明了该算法的良好性能。
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工业过程动态优化研究
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在过去的十年里,随着过程性能指标以及规格限制越来越严格,运营公司面临越来越强大的市场竞争,过程工业的动态仿真也得到越来越广泛的应用。此外,随着ASPEN Custom Modeler和gPROMS等强大动态仿真商业软件的开发,动态仿真伴随着稳态部分一同被引入工业生产中。在动态仿真中,动态优化占有重要的地位,国内外对于动态仿真领域有不少的研究,然而,直接应用于动态优化仍然受限制。 动态优化算法是实现动态优化的关键因素之一,本文就工业过程的动态优化算法进行了分析和研究。主要内容及贡献如下: 1.对动态优化的基本概念及其在工业过程中的重要作用,动态优化算法及其当前的发展和应用情况进行了综述性研究,分析了这些算法各自的优缺点。 2.实现了传统的控制变量参数化方法,并对典型的工业实例进行了研究,通过分析相关的结果,得到了传统的控制变量参数化方法的缺陷。基于这一缺陷分析,进一步提出了改进的控制变量参数化方法,在保证算法精度的前提下,可以减少运算时间和迭代次数,实例研究表明了所提出的改进的控制变量参数化方法的有效性。 3.基于对控制变量参数化方法的分析,提出了将变分法和两点梯度法相结合的两点梯度动态优化算法,并进行了实例验证。为了改进两点梯度法精度和求解效率,进一步提出自适应变步长两点梯度算法。实例研究表明了所提出的自适应变步长方法在求解效率和结果精度上都有明显提高。 4.针对于边值固定的问题,在分析罚函数的缺陷的基础上,深入研究了目标优先的动态优化算法,实例研究表明了该算法的有效性。
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基于gPROMS平台的反应精馏过程模拟及醋酸甲酯水解过程分析
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近年来随着反应精馏技术的应用领域不断扩展,人们对反应精馏技术模拟精度的要求越来越高。本文为克服反应精馏平衡级模型中板效率和等板高度难以确定的缺点,结合gPROMS软件平台灵活的建模和强大的数值计算功能,开发了汽、液、固三相非平衡级反应精馏数学模型,并利用该模型对醋酸甲酯合成反应精馏过程进行模拟。通过对模拟结果的深入分析,详细论证了模型的可靠性以及反应精馏技术的优越性。基于以上工作,本文根据醋酸甲酯水解反应体系的特点,充分利用醋酸甲酯水解反应的副反应——甲醇脱水反应,将二甲醚取代甲醇作为水解反应的产物之一来进一步强化醋酸甲酯水解反应精馏过程。本文利用基于gPROMS平台建立的汽、液、固三相非平衡级反应精馏模型对醋酸甲酯水解反应精馏过程进行了模拟与优化,深入分析反应精馏塔的设计与操作参数对整个体系的影响。此外,本文还基于最优化条件建立了醋酸甲酯水解工艺流程的模拟,与传统工艺流程相比该流程不仅大幅度提高了醋酸甲酯的转化率同时还大大降低了流程的复杂性和能耗。
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基于gPROMS的流程动态模拟
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流程模拟是对复杂工业过程进行透彻分析的关键手段,更是对系统进行最优决策的前提。而在工业过程中,存在许多不稳定的变化过程,只有通过动态模拟才能更好地掌握这些过程的本质,因此对流程进行动态模拟研究意义重大。面向方程的动态建模将时间变量引入到模型系统,即系统内部的性质随着时间而变。动态模型将过程模拟、控制理论、化工单元以及热力学模型有机地结合起来,组成微分代数系统(Differential Algebraic Equations, DAEs)。 本文将动态模拟软件gPROMS作为建模工具和模拟环境,通过调用大规模DAE求解算法,对多类流程进行动态模拟,并将结果与稳态模拟结果进行比较和分析,讨论动、稳态关系。 本文的研究工作主要包括以下几个方面: ● 研究gPROMS平台下进行动态模拟的各关键问题,主要通过实例说明此环境下对物质的热力学物性调用计算的方法;分析对不同形式模型的各种求解算法;总结动态模拟过程的各影响因素。 ● 将乙烯分离流程中两个重要精馏单元脱丙烷塔和脱丁烷塔作为研究对象,对联塔的大规模系统进行动态模型搭建,在启动和工作点变换等多个动态变化过程进行模拟,并将动态模拟最终达到稳定的结果与Aspen Plus稳态模拟结果比较。 ● 提出动、稳态关系相关的4类不同问题描述,从模型的形式以及求解方法出发,深入研究动、稳态的关系。主要以几个不同类型的过程为实例,分别根据这几类不同问题描述方式进行建模,将模型及模拟结果作比较并总结。
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基于gPROMS的自由基本体聚合过程动态建模与模拟
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自由基聚合是大规模生产各种聚合物的有效办法,在工业生产中,约70％以上的聚合物都是通过自由基聚合来实现的。而本体聚合体系仅由单体和少量引发剂组成,后处理方便,是很经济的聚合方法。典型的自由基本体聚合过程包括链引发、链增长、链终止、链转移,其中链转移反应包括向单体、聚合物、引发剂转移。此类聚合过程随着反应的进行,单体转化率不断提高。
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工业应用中的动态优化方法研究
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本文在对动态优化及其方法国内外研究现状深入了解和详细研究的基础上,首先提出了改进的正交配置方法和改进的控制变量参数化方法,然后针对工业应用中的一类重要问题——边值固定问题,进一步设计出了几种新颖有效的动态优化求解算法。本文的主要工作和贡献如下:(1)针对传统正交配置方法原理和缺陷,提出了一种改进的正交配置算法。其主要思想是:通过引入有限元节点的控制变量边界约束,以及有限元长度的边界设计,提高算法的收敛性能,避免高阶约束和奇异控制轨线所导致的不稳定问题。经典动态优化工业实例的研究结果表明:与国际上相关研究报道结果相比较,所提出算法不仅具有更好的稳定性,而且在计算准确性和效率方面也有很大提高。(2)在分析在线应用控制变量参数化方法特性的基础上,提出了改进的控制变量参数化方法。首次将控制变量参数化方法与PRP~+共轭梯度法相结合,并采取强Wolfe准则进行线搜索,同时,一种特殊的变量转换策略被引入用于处理控制变量边界约束,以克服传统梯度方法的应用缺陷。经典动态优化工业实例的研究结果表明:所提出算法具有良好的求解性能,特别是在确保优化求解精度的基础上使求解效率有了很大的提高。(3)针对边值固定动态优化问题,提出了一种有效的约束优先优化求解策略。首先,采用双层规划的思想将原问题转化为两个无边值约束的等价优化问题:内层优化以满足边值固定约束为目标,外层优化是寻找使实际性能目标最优的控制策略;然后,提出了一种有效的基于PRP共轭梯度法的约束优先算法和一种有效的基于两点梯度法的约束优先算法。经典动态优化工业实例的研究结果表明:所提出的动态优化算法能够有效避免罚函数法的病态问题,收敛性能良好,特别是能以高精度来满足边值约束同时求解效率很高。
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基于0.6μm工艺的流水线模数转换器设计
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为了实现10位高性能和低功耗的流水线模拟数字转换器ADC,提出了基于0.6微米互补型金属氧化物半导体(CMOS)混合信号工艺的电路设计方法.在信号输入端设置了采样保持放大器(SHA),级电路中采用了低功耗运算跨导放大器(OTA)和动态比较器,并且使用了采样电容优化技术和数字校正技术.测试结果表明,在20MHz采样率和5 MHz输入信号频率条件下,由该方法设计的ADC可以达到58 dB的信号噪声失调比(SNDR),相当于9.38个有效位数(ENOB),并且在5 V供电电压下的功耗仅为49 mW,达到了高SNDR性能、高线性度和低功耗的设计要求.
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