Добавил:
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

Дворецкий С.И. и др. - Комп. моделир. и оптимизация технологич. процессов и оборуд. [2003]

.pdf
Скачиваний:
78
Добавлен:
15.08.2013
Размер:
1.63 Mб
Скачать

Величина χUi является верхней оценкой для значения функции ψ(d, θ) внутри области Ti(ν) . Поэтому

закономерно в качестве квазиоптимальной области выбрать область T (ν) , для которой величина χUi при-

 

kν

нимает наибольшее значение

 

χUk

= max χUi .

 

i

Для проведения процедуры метода ветвей и границ на каждой итерации необходимо также знать нижнюю границу значения величины χ(d) = ψ(d, θ* ) . Будем вычислять ее следующим образом [64]. Обо-

значим через θ*i решение задач (4.56) и найдем

ψ(d, θ*i ) = min max g j (d, z, θ*i ).

z j

Для этого необходимо решить задачу:

 

 

 

min α;

(4.57)

z, α

 

 

 

g j (d, z, θ*i ) ≤ α, ( j =

 

).

 

 

 

1, m

 

 

 

Вычислим ψ(d, θ*i ) для всех областей Ti(ν) ,

(i =

 

.

1, Nν )

Введем величину

 

 

 

χ(Lν) = max ψ(d, θ*j ).

j

Очевидно, что

χ(d) = max ψ(d, θ) R(ν) ,

θ T

что и определяет R(ν) как нижнюю границу для максимального значения функции ψ(d, θ) . Пусть для не-

которой области выполняется

соотношение R(ν) ≥ χUl

(ν) ,

тогда

в соответствии с неравенством

χU max ψ(d, θ) имеем R(ν) ≥ ψ(d, θ), θ T (ν) . Следовательно,

точка θ*

заведомо не принадлежит области

l

θ Ti

l

 

 

 

 

 

 

 

 

T (ν)

и в дальнейшем не рассматривается. Процедура прекращается при выполнении соотношения

l

 

 

 

 

 

R(ν) −χUkν ≤ ε ,

где ε – малая величина.

Если речь идет об оценке гибкости ХТП, а не о вычислении χ(d ) , то описанная процедура может

окончится раньше, чем выполнится последнее условие. Действительно, пусть на ν -ой итерации выполнится условие

max χi 0 ,

i

тогда

χkν 0.

Далее, на каждом шаге необходимо найти два значения χS и χq , соответствующих областям TS(ν+1) и Tq(ν+1) , на которые разбивается квазиоптимальная область Tk(νν) . Для этого потребуется два раза решить задачу (4.56) и кроме того, необходимо найти величины ψ(d, θ*S ) и ψ(d, θ*q ) , дважды решив задачу (4.57) для i = S и i = q .

Вернемся теперь к решению задачи (4.58) – (4.60):

CГ* CD*

C*

= min M

min C(d, z, θ)

 

g

j

(d, z, θ) 0,

j J

;

(В)

 

B

 

θ

 

 

 

 

 

 

 

 

d

 

z

 

 

 

 

 

 

 

 

 

χ(d) = max min max g j (d, z, θ) 0.

 

 

 

 

 

 

θ z

j

 

 

 

 

 

 

 

Используя полученные выше оценки χL (d), χU (d) , можно получить оценки оптимального значения целевой функции [64]. Действительно, рассмотрим следующие вспомогательные задачи.

CГ*

= min M θ{min C(d, z, θ)

 

 

g j (d, z, θ) 0,

j J

};

(Г)

 

 

d

z

 

 

 

 

 

 

 

 

 

χU (d) 0.

 

 

 

 

 

C*

= min M

min C(d, z, θ)

 

 

g

j

(d, z, θ) 0,

j J

;

(Д)

 

 

D

 

θ

 

 

 

 

 

 

 

d

z

 

 

 

 

 

 

 

 

χL (d ) 0.

Задачи (Г) и (Д) отличаются от задачи (В) только тем, что в них ограничение χ(d) 0 заменено соответственно на ограничения χU (d) 0 и χL (d ) 0 . Поскольку имеет место неравенство

χL (d) ≤ χ(d) ≤ χU (d) ,

то можно записать

CD* CВ* CГ* ,

где CВ* , CГ* , CD* – оптимальные значения целевой функции задач (В), (Г) и (Д), соответственно. Следует отметить, что решение задачи (Г) и (Д) проще, чем решение задачи (В). Если разность доста-

точно мала, то в качестве приближенных оптимальных значений конструктивных переменных могут быть приняты значения

dk(B)* = 0,5(dk( Г)* + dk(D)* ) ,

при условии

χ(d (B)*) 0.

Введем еще одну вспомогательную задачу, разбив область T на N областей Ti (i =1, N ) и определяя

 

 

 

χUi

(d) = min max max g j (d, z, θ).

 

 

 

 

z Z j J θ T

 

CE* = min Mθ{min C(d, z, θ)

 

g j (d, z, θ) 0, j J };

(Е)

 

d

z

 

 

 

χUi (d) 0, ... , χUN (d) 0 .

Поскольку имеет место неравенство χ(d) χU ≤ χU (d) , то

CB* CE* CГ* .

Пусть величина r(Ti ) характеризует размер подобласти Ti . При выполнении условия r(Ti ) ≤ ε , (где ε – достаточно малое число), можно получить достаточно хорошее приближение к решению задачи

(2.28) – (2.30).

Рассмотрим алгоритм решения задачи (2.28) – (2.30) с помощью задачи (Е), в которой разбиение на области Ti будет проводится более "экономичным" способом. Обозначим через Ti(ν) , i =1, N (ν) ) подобласти, на которые разбивается область T на k -ой итерации.

Алгоритм 4 [60].

Шаг 1. Положим ν = 0 . Выбрать начальное разбиение области T на подобласти Ti(ν) , i =1, N (ν) ) и начальное значение d (ν) вектора d .

Шаг 2. Решить задачу (Е). Пусть CE(ν) и d (ν) – оптимальные значения критерия и вектора d . Шаг 3. Найти множество S (ν) номеров активных ограничений:

χUi (d (ν) ) = 0, i S (ν) .

Очевидны соотношения

χUi (d (ν) ) ≥ χUj (d (ν) ), i S (ν) , j i .

Шаг 4. Если множество S (ν) – пустое, то решение задачи (2.28) – (2.30) получено. В противном случае перейти к шагу 5.

Шаг 5. Проверить условие

r(Ti ) ≤ δ, i S (ν) ,

где δ – заранее заданное малое число. Если условие выполняется, то итерационную процедуру закон-

чить, в противном случае перейти к шагу 6.

 

 

 

 

 

 

 

 

Шаг 6. Разбить каждую область T (ν) (i S (ν) ) на две подобласти T (ν+1)

и T (ν+1)

и образовать новое

 

 

i

 

i

 

 

i

2

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

разбиение, исключив из предыдущего разбиения подобласти

 

Ti(ν) (i S (ν) )

 

и добавив новые области

T (ν+1)

, T (ν +1) (i S (ν) ) .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

i

i

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Шаг 7. Положить ν = ν +1 и перейти к шагу 2. Поскольку T

(ν+1) T (ν) ,

T

(ν+1) T(ν) , χU (ν) (d) ≥ χU (ν+1) (d) ,

 

 

i

 

i

i

2

 

i

i

i

 

 

1

 

 

 

 

 

1

χUi (ν) (d) ≥ χUi2(ν+1) (d) .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Следовательно,

CE(ν) CE(ν+1) .

 

 

 

 

 

 

 

 

Приведенный алгоритм позволяет получить локальный минимум задачи (4.48) – (4.50). Особенность этого алгоритма состоит в том, что на каждой итерации выполняется операция, кото-

рая приближает ограничение (Е) к ограничению (4.48) (шаг 5, 6). Идея этой операции близка к идее метода "ветвей и границ" [63], поскольку на каждой итерации разбиению подвергаются те подобласти Ti(ν) , для которых верна оценка величины χ(d) наибольшая. Фактически поиск моно прекратить при выполнении условия

CE(ν) CE(ν+1) ≤ ε ,

где ε – достаточно малое число.

Задача 7. Формулировка этой задачи та же, что и задачи 3 за исключением того, что условие гибкости (работоспособности) проекта записывается в виде

χ(d) = min min max max g j (d, z, θ) 0 .

(4.58)

θ1 T1 z Z θ2 T 2 j J

Рассмотрим вопрос, связанный с представлением критерия оптимизации. Для фиксированного мо-

мента времени на этапе эксплуатации ХТП значение θ1 известно, а θ2

может принимать любое значение

из области T 2 . Поэтому для фиксированного момента времени будем иметь следующую постановку оп-

тимизационной задачи

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ˆ

1

 

2

 

1

2

)

 

1

, θ

2

 

 

 

C(d, θ ) = min M

θ

C(d, z, θ , θ

 

 

max g j (d, z, θ

 

) 0, j J .

 

z Z

 

 

 

 

 

 

θ2 T 2

 

 

 

i I1

В качестве критерия оптимального проектирования должно быть взято математическое ожидание

1

ˆ

1

 

 

 

по θ

от величины C(d, θ ) .

 

 

 

В результате приходим к следующей задаче

 

 

C

*

= min M

ˆ

1

(4.59)

 

 

θ1 {C(d, θ ) },

 

 

 

d

 

 

 

при ограничении (4.58).

Используя метод дискретизации критерия, получим дискретный аналог задачи (4.59), (4.58).

C* = mind , zi wilC(d, zi , θ1i , θ2l ) ,

при условиях (4.58) и

max g j (d, zi , θ1i , θ2 ) 0, j =1, m, i I1,

θ2 T 2

где wil = wi vl , wi , vl – весовые коэффициенты ( vl =1, wi =1); I1, I2 – множества индексов аппроксима-

ционных точек.

Сформулированная задача (4.59), (4.58) представляет определенный интерес для практики и может быть решена при помощи модифицированного алгоритма 4.

4.4 Оптимизация динамических режимов нелинейных технологических объектов

Сформулируем задачу оптимальной стабилизации для класса разомкнутых систем управления: требуется найти управление u*(t) U , доставляющее минимум функционалу качества вида

I (u *(t), θ1, θ2 ) = min 1 ( y(tk ) yзад(tk )), F ( y(tk ) yзад(tk )) +

u U 2

+ 12 tk ((y (t) yзад(t)), Q(t) (y(t) yзад(t)) + u(t), G(t) u(t) )dt],

t0

(4.60)

при связях в форме уравнений математической модели динамики нелинейного химического процесса

y&(t) = f ( y(t), u(t), ξ1, ξ2 );

y(t0 ) = y0 ;

(4.61

)

и ограничениях на качественные показатели переходного процесса в системе автоматического управления.

Здесь y(t), yзад(t) n -мерные векторы текущего и заданного состояния (программы изменения) процесса, соответственно; u(t) m -мерный вектор управления; f () – нелинейная по y и u векторфункция; F, Q(t) – положительно полуопределенные матрицы (n ×n) ;

f ()

G(t) – симметричная положительно определенная матрица (m ×m) ; – скалярное произведение векто-

ров.

Для решения задачи (4.60), (4.61) нами применялся метод "последовательной итерации", суть которого состоит в замене исходной нелинейной задачи сходящейся последовательностью линейных. Каждая линейная задача последовательности получается путем линеаризации нелинейной вектор-функции f () в окрестности траектории состояния ХТП и управления, полученных при решении предыдущей

линейной задачи. В первом приближении функция линеаризуется в окрестности траектории x(t) = xзад(t) , u(t) = u(0) для задачи оптимальной стабилизации. В этом случае система линеаризованных уравнений имеет вид:

&(ν+1)

(t) = A

(ν)

x

(ν+1)

(t) + B

(ν)

(t)u

(ν+1)

(t) + h

(ν)

(t);

 

x

 

 

 

 

 

 

 

(4.62)

 

 

 

 

 

 

x(ν+1) (t0 ) = y0 ,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

где

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

A(ν) (t) = f (x, u, θ1,

 

2 )

 

 

 

f (x, u, ξ1,

 

2 )

 

θ

x=x (ν) (t);

B(ν) (t) =

ξ

;

 

x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

u

x=x (ν) (t);

 

 

 

 

 

 

 

u =u (ν) (t);

 

 

 

 

 

 

 

 

u =u (ν) (t);

h(ν) (t) = f (x(ν) , u(ν) , θ1, θ2 ) A(ν) (t)x(ν) (t) B(ν) (t)u(ν) (t).

Задача (4.62) линейна по переменным x((tν)+1) , u((tν)+1) и ее решение определяется известным соотношением для оптимального управления [68]. Последовательность линейных задач решается до тех пор, пока при некотором ν = q выполняется неравенство x(q) x(q1) ≤ ε .

Приэтомвекторуправления u(q) принимается вкачестве решениязадачи(4.60), (4.61), т.е. u* = u(q) . Заметим, чтосходимостьитерацийвсильнойстепенизависитотудачноговыбораначальногоприближения u(0) .

Решение задачи синтеза оптимального управления в замкнутой системе может быть получено на базе метода АКОР по критерию обобщенной работы А.А. Красовского. В соответствии с этим методом для процесса, описываемого уравнениями

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

r

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

2

) = ϕij

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

&

 

 

 

(x, t)u j , (i =1, n),

 

 

 

 

xi + fi (x, θ , θ

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

j =1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

оптимальными в смысле минимума функционала

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

tk

 

 

 

1 tk m u2j + u

2j оп

 

 

 

 

 

I =V3 x(tk ) + Q(x, t)dt +

 

 

∫∑

 

 

 

 

 

dt

 

 

 

2

 

k

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

t0

 

 

 

t0 j =1

j

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

являются управления

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

n

 

 

 

 

V

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

u j = u j оп = −k 2j ϕk j (x, t)

,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

xk

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

k =1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

где V =V (x, t) – решение уравнения

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

V

 

n

V

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

fi

= −Q ,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

t

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

i=1

xi

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

при граничном условии V

=V ,

f

j

,

ϕ

ij

, Q, V

– заданные непрерывные функции, k 2

> 0 – заданные ко-

t =tk

з

 

 

 

з

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

j

 

эффициенты.

(4.66)
– норма этого вектора; ε – малая действитель-

На решении уравнений свободного движения

 

&

1

 

2

, t) = 0

(4.63)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

xM + f (xM , θ , θ

 

 

 

 

левая часть дифференциального уравнения обращается в полную производную по времени: V& = −Q.

 

 

 

 

 

tk

 

 

 

 

Отсюда следует: V (xM (tk )) V (xM (t0 )) = −Q(xM (t))dt .

 

 

 

 

 

 

 

 

t0

 

 

 

 

По

условию

для

 

терминальной

задачи

V (xM (tk )) =V3 (xM (tk )) .

Таким

образом,

 

 

tk

 

 

 

 

 

 

V (xM (tk )) = V3 (xM (tk )) + Q(xM ,t)dt .

 

 

 

 

t

Допустим, что текущее время и интервал оптимизации разбиты на достаточно короткие циклы длиной tц . Начало очередного цикла с точностью до tц совпадает с текущим моментом t . Предположим,

что в начале каждого цикла система контроля и оценивания реального управляемого процесса определяет вектор состояния x(t) и задает его в качестве начального значения в модель (4.63) свободного дви-

жения, обеспечивая в начале каждого цикла равенство xM (t) = x(t) . Таким образом, интегрируя уравне-

ния (4.63) свободного движения на интервале от t

до tk , можно вычислить

 

tk

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

V (x(t)) =V3 (xM (tk )) + Q(xM , t))dt .

(4.64)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

t

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Однако, оптимальные управления рассчитываются по формулам:

 

 

 

 

n

V

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

u j оп = −k 2j ϕk j

,

j =

 

,

(4.65)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1, r

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

k=1

xk

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

и конечной целью является вычисление частных производных

 

V

. Точнее, как видно из (2.53), требует-

 

x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

V

 

 

V

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ся определить r скалярных произведений вектора градиента

x

, ..., x

 

 

на векторы ϕ1 j , ... , ϕnj . Обычно

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

n

число управлений r меньше размерности пространства состояний n ,

и выгодно сразу определять про-

екции вектора градиента на

(ϕ

, ... , ϕ

nj

), а не на координатные оси (т.е.

 

V

). Применим для вычисления

 

 

 

1 j

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

xk

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

компонент и проекций градиента схему правой разности.

 

 

 

В результате получим выражение для

расчета оптимальных управлений в виде

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

k2

ujon = −ε ϕj j

V3

tk

 

 

tk

 

 

 

(xM (tk ) + Qdt)

V3(xM (tk ) + Qdt)

 

t

 

 

t

 

 

 

xM (t)=x+εϕj

 

 

xM =x(t)

где ϕj – вектор (столбец) с компонентами ϕ1 j , ... , ϕnj ; ϕ

ная величина.

Заданная функция V3 и квадратура в квадратных скобках вычисляются на траекториях свободного

движения объекта (4.63), возбуждаемого начальными условиями, которые для первой скобки соответствуют вектору x(t) + εϕj , для второй скобки – x(t) . Для определения значений всех r управлений согласно

(4.66) находим r +1 "запуск" прогнозирующей модели (4.63). Модель свободного движения объекта можно заставить работать в ускоренном времени, вводя масштаб по времени τ = t/χ, где χ = const >>1 . Тогда уравнения прогнозирующей модели имеют вид

dxdτM + χ f (xM , θ1, θ2 , χτ) = 0 .

Темп интегрирования, характеризуемый величиной χ , должен быть таков, чтобы за каждый цикл tц осуществлялось достаточное число "прогонок" свободного движения на интервале tk t , необходи-

мое для численного определения частных производных V . В этом случае

xi

τ2

=t2 / χ

V (x(τ)) =V3 (xM (τk )) + χ

Q(xM , χτ)dτ.

τ=t / χ

Сформулированные согласно (4.66) управления подаются на объект

&

 

x + f (x, t) = ϕu

и остаются неизменными в течение определенного цикла tц.

Описанный алгоритм с прогнозирующей моделью с точность до ошибок, связанных с дискретизацией во времени, ошибок интегрирования уравнений свободного движения (ошибок модели), ошибок датчиков и ошибок численного дифференцирования для определения проекций градиента является точным алгоритмом. Это означает, что если указанные ошибки стремятся к нулю, то формируемые управления стремятся к строго оптимальным в смысле минимума критерия обобщенной работы. Однако при практическом осуществлении каждая из перечисленных ошибок играет определенную роль. В частности, при больших интервалах оптимизации существенное вредное влияние могут оказывать ошибки численного интегрирования уравнения свободного движения. При этом уровень этих ошибок может сильно зависеть от того, что принимается за свободное движение и каково, стало быть, уравнение прогнозирующей модели.

В описанном варианте алгоритма за свободное движение объекта принималось движение при u = 0 , т.е. движение при нейтральных, нулевых положениях органов управления. Лучшие результаты в смысле точности моделирования свободного движения можно ожидать в том случае, когда под свободным движением понимается движение при фиксированных положениях органов управления, причем эти положения соответствуют управлениям, вычисленным на предшествующих циклах оптимизации.

Рассмотрим соответствующий вариант алгоритма оптимального управления с прогнозирующей моделью. Уравнения управляемого процесса записываются в виде

 

 

1

 

 

2

 

 

 

 

&

, ... , xn

 

) = 0,

i =1, n,

xi + fi (x1

, y1, ... , yr , θ , θ

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

&

= u j , j =1, r,

 

 

 

 

 

 

y j

 

 

 

 

 

где y = ( y1, ... , yn ) – вектор органов управления; u = (u1, ... ,ur ) – вектор управления. Таким образом, в дан-

ном случае осуществляется управление скоростями перемещения органов управления.

Отмечая, что свободное движение воспроизводится прогнозирующей моделью в ускоренном времени, записываем

dxdτM + χ f (xM , yM , θ1, θ2 ) = 0, dydτM = 0.

Вначале каждого цикла tц переменные состояния процесса вводятся в прогнозирующую модель.

Вданной задаче имеем расширенный вектор состояния (x, y) . Для численного определения частных

производных V осуществляем варьирование начальных условий по yM в каждом запуске прогнози-

y j

рующей модели.

Для преобразования данного алгоритма в алгоритм нетерминального управления необходимо осуществить переход к скользящему интервалу оптимизации, при котором tk = t + ∆T , где T – заданная

длина интервала оптимизации. При этом определение tk осуществляется из условия достижения, на-

пример, выхода целевых продуктов заданного (максимального) значения.

Наиболее трудоемкой операцией в алгоритме с прогнозирующей моделью является численное интегрирование уравнений свободного движения, выполняемое в каждом цикле r +1 раз. Предположим, что для численного интегрирования с достаточной точностью уравнений свободного движения (4.63) на начальном интервале оптимизации tk t необходимо M операций. Интервал интегрирования с каждым

тактом сокращается (при фиксированном моменте времени tk ) и среднее число операций однократного интегрирования (при достаточно большом числе циклов) будет равным 0,5M . Обозначим общее число циклов, на которые разбит интервал оптимизации (tk t) через nц . Тогда общее число операций, необхо-

димых для решения задачи синтеза оптимального управления выражается формулой ~ 12 nц(r +1)M.

4.5 Применение метода имитационного моделирования для

интегрированного проектирования технологических процессов, аппаратов и систем управления при наличии

неопределенности исходной информации

Имитационное моделирование на ЭВМ реальных объектов представляет собой метод получения необходимой информации в ходе проведения вычислительного эксперимента [8]. Основная цель имитационного моделирования заключается в возможно более глубоком изучении поведения исследуемого объекта с использованием стохастической модели при наименьших затратах. При построении стохастических имитационных моделей необходимо обеспечить возможность генерирования случайных чисел и процессов в соответствии с заданными законами распределения вероятностей случайных факторов для исследуемого процесса. Подлежащее ранжированию распределение вероятностей может быть основано на результатах эксперимента, либо представлять собой известное теоретическое распределение (нормальное, равномерное и др.).

При моделировании сложных химических процессов и аппаратов в условиях неопределенности исходной информации получить необходимый объем данных для идентификации закона распределения вероятностей неопределенных параметров крайне сложно, поскольку требует проведения большого количества экспериментов. В этом случае вывод о принятие гипотезы относительно законов распределения неопределенных параметров можно сделать только на основе экспертных оценок.

Имитационная модель химического процесса представляет собой аналитическую математическую модель со случайными параметрами θ , генерируемыми на ЭВМ в соответствии с заданными законами распределения вероятностей этих случайных параметров. Чаще всего принимается равномерный закон распределения параметров θ , для которых известен интервал их возможного изменения θL ≤ θ ≤ θU .

Рассмотрим реализацию алгоритма 2 в п. 4.3. с использованием метода имитационного моделирования. В этом алгоритме применяются две модели проектируемого ХТП: детерминированная модель –(d, z, θ) и стохастическая модель – c (d, z, θ) . Детерминированная модель используется для решения

задачи НЛП при определении оптимальных значений векторов проектных параметров d * и режимных (управляющих) переменных z* , а стохастическая модель c (d, z, θ) служит для вычисления вероятност-

ных интегралов от функций ограничений методом Монте-Карло [66]. На рис. 4.5 представлена блок схема реализации алгоритма 2 (п. 4.3) с использованием метода имитационного моделирования. Решение одно- и двухэтапных задач оптимального проектирования ХТП, аппаратов и систем управления на заключительном этапе проектирования осуществляется методом имитационного моделирования.

Известно [69 – 72], что задача многокритериального проектирования может быть либо сведена к однокритериальной методом упорядочения векторных критериев при помощи обобщенной функции цели [119], либо решена методом исследования пространства параметров, в котором осуществляется "зон-

дирование" множества искомых параметров оптимизации точками последовательности, равномерно распределенной в параллелепипеде [70, 71].

Задачи статической и динамической оптимизации проектируемого комплекса "ХТП – система управления" решаются последовательно итерационным методом (рис. 4.6).

Рассмотрим особенности применения метода имитационного моделирования для оценки эффективности функционирования автоматизированного комплекса "ХТП – система управления" в статике и динамике.

Эффективность функционирования комплекса "ХТП – автоматизированная система статической оптимизации (ССО)" оценивается векторной целевой функцией с компонентами

IiCCO (d) = Mθ{Ci (d, z*, θ)}, i =

 

,

(4.67)

1, L

где Ci (d, z* , θ) – оптимальные значения технологических и технико-экономических показателей ком-

плекса (выход целевого продукта, степень чистоты химического продукта, показатели энерго- и ресурсосбережения, экологической чистоты и т.п.); θ – вектор неопределенных параметров.

Задание начальных значений

ν =ν +1

Задание нового значения ρзад

Да

Дальнейшее снижение ρ(задν) целесообразно ?

Нет

Решение задачи (4.34)- (4.36) не может быть найдено с заданной вероятностью ρзад

ν = 0, ρ(задνν , (α1(ν) , α(2ν) , ..., α(mν) ) γk , θk , k =1, k.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Алгоритм реше-

 

 

 

 

 

 

Решение задачи НЛП (4.34) –

 

 

 

ния уравнений

(4.36) методом последователь-

 

 

 

детерминирован-

ного квадратичного програм-

 

 

 

ной модели

мирования

 

 

 

y = (d, z,

θ

)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Вычисление вероятностей

 

 

 

Алгоритм Монте-

 

 

 

ρj , j J выполнения техноло-

 

 

 

Карло с исполь-

гических ограничений

 

 

 

зованием имита-

 

 

 

ционной модели

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

y = c (d, z, θ)

Уменьшение

 

 

 

 

 

 

 

α j , j J *

 

 

 

 

 

 

 

Да

Дальнейшая коррекция α j , j J *

целесообразна ?

Условие

Нет ρ j ≥ ρ(задν) выполняется для всех j J

Да

Коррекция α j , j J ,

в соответствии с алгоритмом 2 решения задачи (4.37)

α j , j J

найдены с заданной точностью

Да

Решение задачи

(4.34)-(4.36) –dα* , zα* – получено

Рис. 4.5 Блок-схема имитационного алгоритма решения задачи (4.34) – (4.36)

1

 

 

Выбор типа аппарата a и класса (структуры)b из допустимых

 

 

множеств Aдоп , Bдоп

Алгоритм решения задачи многокритериальной опти-

мизации конструктивных и режимных параметров

2

 

 

Решение одноили двухэтапной задачи оптимизации и опреде-

ленияd * D (Aдоп ) с использованием алгоритмов 2,3 и метода

 

имитационного моделирования

3

 

 

Вычисление технико-экономических показателей, составляю-

 

щих векторный критерий I ()

4

 

 

Синтез оптимального управления или расчет оптимальных зада-

ний и настроек регуляторам АСР и вычисление показателей ка-

чества переходных процессов для различных классов систем

 

 

управления

Нет

5

Критерии

статической и динамической

 

оптимизации удовлетворяют

 

 

требованиям

 

 

ТЗ?

6

 

Да

 

 

Запоминание допустимого проекта комплекса “ХТП –

 

аппарат - система управления”

 

Нет

7

Все ли

 

альтернативы

 

 

 

 

 

исчерпаны?

8

 

 

Да

Попарное сравнение альтернатив по векторному критерию и выбор наиболее предпочтительного варианта

Рис. 4.6 Итерационная процедура многокритериальной оптимизации комплекса "ХТП – аппарат – система управления"

Вычисление IiCCO и вероятностей выполнения технологических условий Bepθ[g j (d, z, θ) 0]≥ ρзад будем осуществлять методом Монте-Карло по схеме, изображенной на рис. 4.7.

Соседние файлы в предмете Химия