化工系统工程MINLP方法与模糊控制理论的启发思考

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1、化工系统工程MINLP方法与模糊控制理论的启发思考摘要-I-化工系统工程作为化工过程系统的核心内容之一，是一个正在发展的尚不成熟的学科分支，特别是复杂的非线性过程系统最优综合属于近年来采用计算机技术和数学规划法进行最优设计和最优合成的新领域。本文试图以综述的方式介绍化工系统工程中数学规划法的MINLP方法，其中对最适合计算解决MINLP方法的遗传算法进行了详细的介绍，本文指出遗传算法的优缺点与不足。通过模糊控制理论所应用的模糊遗传算法与化工系统工程中应用到的模糊算法的对比，了解同一种算法在不同领域的应用方法与不足，并试图将模糊控制

2、理论中的模糊遗传算法的适应性强，高效率搜索等优点应用到化工系统工程的数学规划法中。希望通过介绍同一种算法的两种不同应用方式来启发读者。关键词：化工系统工程；MINLP；遗传算法；模糊控制-I-大连理工大学硕士学位论文目录1化工系统工程的简介41.1化工系统工程的发展41.2化工系统工程的研究现状42化工系统工程的基本研究方法52.1经验规则法52.2热力学目标法52.3数学规划法53MINLP算法介绍53.1MINLP的常用方法63.1.1分支定界法63.1.2广义Benders分解法63.1.3外逼近法63.3遗传算法求解MIN

3、LP的方法73.3.1遗传算法的介绍73.3.2遗传算法优缺点73.3.3理论支撑83.3.4遗传算法的操作94模糊控制理论与遗传算法105模糊控制理论与MINLP算法的启发11结论12参考文献13大连理工大学硕士学位论文1化工系统工程的简介1.1化工系统工程的发展随着科学技术的进步，现代化过程工业的装置日趋大型化和联合生产化，特别是在能源紧张、原材料短缺和环境污染日益加剧的情况下，以单元操作概念为基础的传统化学工程方法已不能适应现代化大型联合装置的最优设计、最优控制和最优管理的要求。在系统工程、运筹学、化学工程、过程控制、计算机

4、技术及现代数学等学科的基础上产生和发展起来一门新兴的技术学科——化工过程系统工程[1]。化工过程系统工程是一门边缘交叉学科[2]，它是从过程系统的整体目标出发，根据系统内部各个组成部分的特殊性及相互关系，确定过程系统在规划、设计、控制和管理等方面的最优策略[3]。化工过程系统工程自二十世纪六十年代开始产生，并从理论上初步形成了其研究内容和方法[4]，七十年代随着计算机技术的发展而走向实用化时期，并陆续开发和实现了化工过程通用模拟系统和大规模过程生产计算机控制系统；而自八十年代以来，化工过程系统工程学科无论在理论方法上，还是在工业实

5、践中都得到了迅速的发展和完善。1.2化工系统工程的研究现状化工系统工程的研究领域主要有以下几个方面[5]:（1）过程系统模拟：它是过程系统工程的基础部分，并占有中心地位，主要分为稳态模拟[6]动态模拟[7]两类。（2）过程系统综合：这是化工系统工程的核心内容，其主要研究方向有：反应路径与反应网络综合，分离序列综合，换热器网络综合，公用工程系统综合全流程综合及过程能量集成。（3）过程系统的操作和控制：它是对操作装置的控制参数进行校正和优化，对提高装置操作水平最具实际意义，其主要研究方向有数据的筛选和校正，过程离线操作优化于中心最优控

6、制，过程安全监控与故障诊断。（4）间歇过程和柔性系统的设计与操作优化：这是研究过程系统对条件变化适应性能的新领域，主要研究方向为间歇过程的设计和操作优化，多产品间歇过程生产安排，过程系统柔性分析与综合等。（5）化工过程专家系统与智能算法技术：它们是人工智能技术在非数值性化工问题中的应用。专家系统主要用于推理而不是计算。专家系统特别适合于解决以下两种类型的问题：①组合问题；②解释大量的数据信号。大连理工大学硕士学位论文2化工系统工程的基本研究方法2.1经验规则法它是应用一些经验积累下来的直观推断规则，剔除不可能和不合理的方案，迅速缩

7、小搜索空间，得到一个较优的可行解口。这种直观推断调优法在工程实际中应用较多，也是较为成熟的一种方法，它可以充分发挥设计者的实践经验，灵活运用定性或粗略定量的信息做出决策而不必经过复杂的数学计算，在很大的弹性范围内运用己有的知识和经验寻求解决方案。特别是当系统的物理和化学机理的解析模型越来越难以获得时，对系统的认识不足以构造清晰的数学模型时，这种基于经验的直观推断方法可以帮助、指导设计者进行过程系统综合。2.2热力学目标法这类方法是根据热力学原理和分析方法，将过程系统的能耗最少或能量利用率最大作为系统综合的一个重要目标。其中有代表性

8、的方法有Goggi等人的有效能分析法[50]和狭点设计法。特别是狭点技术法在过程系统综合中得到了广泛应用，取得了巨大成就。但是这类方法是以能量利用为目标的，不能同时考虑能耗和费用之间的同步优化权衡，需要进一步进行能量松弛和调优，因而不能保证所得到的