基于软计算智能的精馏分离序列优化综合研究

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1、摘要摘要过程系统综合是过程系统工程范畴中最具挑战性和创造性的工作。能源短缺的现实导致能量密集型的分离过程子系统日益受到关注。分离序列综合已经成为整个过程系统节能降耗工作的重要环节。过程系统综合问题的最终解决必须实现流程结构和操作参数的同步最优化，实施流程结构和操作参数的联合寻优是完成过程系统同步最优化的一种可行方法。简单塔精馏分离序列综合是分离序列综合中的基础研究课题，这一问题的根本解决将对考虑热集成、非清晰分割和复杂塔等精馏分离序列的同步最优化提供有力支持。通常采用的各种经典方法随着问题规模的增大，

2、都将面临着时空代价难以承受等问题。针对分离序列综合问题的复杂组合爆炸特征，论文全面研究了融入软计算智能的启发方法，力求拓展解决分离序列综合问题的策略。结合简单塔精馏分离序列最优综合问题，本文着重展开了以下具体研究工作：1．简单塔精馏分离序列最优综合问题，包含若干具有组合特征的概念，其中可行分离序列方案数随组分数星组合爆炸性增长。本文通过组合数学分析，发现精馏分离序列综合问题与组合数学中的一些经典问题：凸多边形三角划分、矩阵链乘等具有同样的本质特征，其方案数随问题规模呈某种规律性关系，即著名的Catal

3、an数序列，进而运用计算复杂性理论，简明分析了精馏分离序列综合问题计算复杂性，采用枚举算法时在较小问题规模时就超出多项式有效算法。2，抽象理想的数据结构以合理表达问题的解，并构造有效的邻域结构，是设计高效的优化搜索算法的基础。本文首先系统化提出了问题的描述方法，即采用完全模式和简捷模式二叉树表达简单塔精馏分离序列。然后，运用图论方法提出基于相邻切分点变换和内外结点变换的两种邻域机制，并分别给出了完备性数学证明，从而建立演绎形式的超级结构。另外，本文采用基于简捷模式的后序遍历序列，对相邻切分点变换邻域机

4、制进行实现，提炼出后序遍历相邻变换等价规则，从而构造出离效变换邻域结构。最后，作者提出有序劈分算法，通过对初始组分群进行堆栈过程递归调用，实现简单塔精馏分离序列二叉树枚举算法。3．禁忌搜索是模仿人类具有记忆特征的全局优化算法，由于标准禁忌搜索串行的单一状态移动机制，引入自适应机制和并行技术能够明显改进算法性能。使用简捷二叉树表达方法，根据禁忌搜索算法状态可逆对称的收敛性要求，本文采用基于相邻切分点变换的邻域结构，设计并实现自适应并行禁忌搜索算法。另外，等价采用基于简捷模式后序遍历序列的高效邻域结构，从

5、根本上提高算法性能。结合10组分精馏分离序列优化综合案例，应用自适应并行禁忌搜索成功实现精馏分离序列优化综合。4．模拟退火是模仿固体退火过程特性的全局优化算法，由于标准模拟退火串行的单一状态移动机制，引入自适应机制和并行技术能够明显改进算法摘要性能。使用简捷二叉树表达方法，根据模拟退火算法状态连通可达的收敛性要求，本文采用基于内外结点变换的邻域结构，设计并实现自适应并行模拟退火搜索算法。结合10组分精馏分离序列优化综合案例，应用自适应并行模拟退火成功实现精馏分离序列优化综合5．遗传算法是借鉴生物自然选

6、择机制和基因遗传学原理的全局优化算法，设计合理的编码方案是成功实现遗传算法的基础，进而直接影响并引导交叉和变异等重组算子的设计。本文首先采用简洁模式二叉树结构编码方案以合理反映精馏分离序列的图式特性。然后，应用图论方法通过对父本二叉树进行结点删插操作实现交叉和变异等重组算子，进而实现了基于双亲和单亲遗传操作的两种遗传算法。结合10组分精馏分离序列优化综合问题案例，应用遗传算法成功实现精馏分离序列优化综合。6．模糊逻辑推理能够反映自然语言要素信息传递特性。本文首先通过抽象有效重组参数提炼if-then模

7、糊逻辑推理规则，进而根据精馏分离序列综合问题数字特征创建Sugeno模糊逻辑推理模型，提出基于模糊逻辑推理的精馏分离序列优化综合完整方法。实例结果表明，运用模糊推理进行直观推断，结果即便不是最优解通常也是满意的近优解。另外，由于自适应神经技术能够实现优化建模，从而避免主观设置带来偏颇影响，因此本文提出基于自适应神经模糊推理的精馏分离序列优化综合方法。7．运用图论方法归纳研究精馏分离序列综合问题网状超级结构，进而建立混合整数线性规划模型。本文通过程序设计自动生成物料平衡约束方程系数矩阵，进而采用分支界限

8、法成功求解10组分槽馏分离序列优化综合问题实例。由于Hopfield神经网络解算大规模线性规划问题快速有效，初步探索采用Hopfield神经网络与分支界限法相结合求解混合整数线性规划。关键词：分离序列综合，邻域(超级)结构、禁忌搜索、模拟退火、遗传算法、模糊逻辑推理、人工神经网络IIABSTRACTAbstractProcesssystemsynthesisisthemostchallengeableandcreationaryworkamongthef