CN101482898B - 一种用于修正Aspen Plus中模型缺陷的模型扩展方法 - Google Patents

一种用于修正Aspen Plus中模型缺陷的模型扩展方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种可以修正Aspen Plus中模型的缺陷的模型扩展方法。该方法针对模型中的缺陷，由用户通过一个文本文件输入需要补充的模型，利用模型解析器对模型进行解析，然后将扩展模型和原模型进行融合。优化算法通过本发明定义的接口得到完整模型的信息并进行求解，其中扩展模型的一阶导数信息是通过数值差分或自动微分技术得到。本发明弥补了Aspen Plus在建模过程中的缺陷，使得通过优化算法得到的最优解更加准确和合理，并且简单，容易操作以及方便维护。

Description

一种用于修正Aspen Plus中模型缺陷的模型扩展方法
技术领域
本发明涉及化工过程的模拟和优化技术领域，尤其涉及一种修正Aspen Plus中模型缺陷的模型扩展方法。
背景技术
Aspen Plus是七十年代后期由麻省理工学院在美国能源部的支持下研发的一套基于稳态流程模拟、优化、灵敏度分析和效益评价的大型通用流程模拟软件。Aspen Plus提供了大量的物性数据、热力学模型和单元操作模型，但是随着化工技术的发展，它并不能及时将当前最新的技术和研究成果纳入到模型中，并且由于某些化工生产过程的复杂性和具体性，模拟软件可能做不到完全与实际过程一致[原璐，吕海霞，项曙光.Aspen Plus功能扩展方法探讨[J].青岛科技大学学报，2005，26(2)：131～134]，比如在空分装备系统中的热交换过程，就要求热流的出口温度要大于冷流的出口温度，但这个限制并没有在Aspen Plus的模型中体现出来，这就需要用户根据实际生产过程来扩展原模型，并把扩展模型与原模型结合起来进行模拟和优化。
目前进行模型扩展的方法有Aspen Plus中的用户模型(User Model)[赵月红，温浩，许志宏.Aspen Plus用户模型开发方法探讨[J].计算机与应用化学，2003，20(4)：435～438]，但是这些模型的开发需要用到VB，C++或者Fortran等编程语言，这对于不善于编程的建模工程师来说是一个非常耗时和易出错的过程，并且模型维护的代价也非常高。模型扩展的还有一种方法是自定义模型(AspenCustom Modeler)，这种方法对于需要扩展的模型是非常简单的情况下(比如上面提到的空分装备系统中的热交换过程，要求热流的出口温度要大于冷流的出口温度，就只是一个不等式而已)也显得比较繁琐和复杂。本发明通过对上述两种方法存在的实现复杂、可维护性差等不足之处进行了分析了之后，提出了一种非常简单易行的有效的模型扩展方法。
发明内容
本发明的目的是为修正Aspen Plus中模型的缺陷，提供了一种用于修正Aspen Plus中模型缺陷的模型扩展方法，跟Aspen Plus中的用户模型和自定义相比更为简单易行。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种用于修正Aspen Plus中模型缺陷的模型扩展方法，该方法为：通过文本字符串模型；利用模型解析器将字符串模型进行解析；将解析后的扩展模型和Aspen Plus中的原模型进行融合后形成完整的数学模型；最后将模型信息传递给优化求解器进行求解。
进一步地，该方法具体包括以下步骤：
第一步：从文本中获取若干字符串，每一个字符串代表一个方程，从而构成一个字符串模型；
第二步：将得到的字符串模型进行解析，并通过第一接口对外提供模型的所有数值信息，这个接口包括五个函数，这些函数的功能分别为：将变量值传递给扩展模型以便进行模型计算，获取扩展模型的约束容差，获取扩展模型的雅可比矩阵中的非零元素的个数，获取扩展模型的雅可比矩阵的稀疏结构，获取扩展模型的雅可比矩阵的非零元素的值，该步骤中对字符串模型进行解析包括如下步骤：
(1)将字符串模型进行初步分解，采用逆波兰式的方式存储在堆栈当中；
(2)当外部给予扩展模型新的变量值时，根据第(1)步得到的栈，按照预先设定的求取逆波兰式的规则，求取扩展模型的约束容差；
(3)采用数值差分方法或者自动微分方法求取模型的雅可比矩阵，同时确定雅可比矩阵的稀疏结构和非零元素的个数。
第三步：通过Aspen Plus提供的开发求解器接口(Aspen Open SolversInterface)来获取Aspen Plus中的模型信息，并通过第二步中定义的第一接口来获取扩展模型的信息，将两者进行融合，通过本发明定义的第二接口对外部优化求解器提供融合后模型的信息，该接口包含十二个函数，这些函数的功能分别为：得到变量个数，得到约束的个数，获取雅可比矩阵的非零元素的个数，将变量值传递给融合模型，得到变量的值，得到变量的上下边界，得到约束的上下边界，得到目标函数，得到约束的容差，得到目标函数的梯度，获取约束方程的雅可比矩阵的稀疏结构，获取约束方程的雅可比矩阵的非零元素的值；
第四步：外部的优化求解器通过本发明定义的第二接口，进行一步迭代，并将迭代结果返回Aspen Plus和模型解析器，Aspen Plus和模型解析器根据新的变量值，再次进行模型计算，再将融合后模型信息通过第二接口传递优化求解器，优化求解器再次进行迭代计算，如此循环直到优化求解器收敛为止。
本发明的有益效果是：
(1)弥补了Aspen Plus在建模过程中的缺陷，使得通过优化算法得到的最优解更加准确和合理。
(2)本发明和Aspen Plus中的用户模型和自定义模型相比更为简单易行且便于维护和修改。
附图说明
图1是基于Aspen Plus的模型扩展方法的示意图。
具体实现方式
下面结合附图对本发明作进一步的说明，本发明的目的和效果将变得更加明显。
如图所示，本发明为了修正Aspen Plus中模型存在的缺陷，提出了一种模型扩展的方法，从模拟和优化问题求解的角度来扩展模型并进行求解，在求解过程中使用了有限差分技术和自动微分技术来计算扩展模型的雅可比矩阵。该方法包括如下步骤：
第一步：从文本中获取若干字符串，每一个字符串代表一个方程，从而构成一个字符串模型；
第二步：将得到的字符串模型进行解析，并通过本发明定义的第一接口(图中示为接口1)对外提供模型的所有数值信息，这个接口包括五个函数，这些函数的功能为：将变量值传递给扩展模型以便进行模型计算，获取扩展模型的约束容差，获取扩展模型的雅可比矩阵中的非零元素的个数，获取扩展模型的雅可比矩阵的稀疏结构，获取扩展模型的雅可比矩阵的非零元素的值，该步骤中对字符串模型进行解析包括如下步骤：
(1)将字符串模型进行初步分解，采用逆波兰式的方式存储在堆栈当中；
(2)当外部给予扩展模型新的变量值时，根据第(1)步得到的栈，按照预先设定的求取逆波兰式的规则，求取扩展模型的约束容差；
(3)采用数值差分方法或者自动微分方法求取模型的雅可比矩阵，同时确定雅可比矩阵的稀疏结构和非零元素的个数。
第三步：通过Aspen Plus提供的开发求解器接口(Aspen Open SolversInterface)来获取Aspen Plus中的模型信息，并通过第二步中定义的第一接口来获取扩展模型的信息，将两者进行融合，通过本发明定义的第二接口(图中示为接口2)对外部优化求解器提供融合后模型的信息，该接口包含十二个函数，这些函数的功能为：得到变量个数，得到约束的个数，获取雅可比矩阵的非零元素的个数，将变量值传递给融合模型，得到变量的值，得到变量的上下边界，得到约束的上下边界，得到目标函数，得到约束的容差，得到目标函数的梯度，获取约束方程的雅可比矩阵的稀疏结构，获取约束方程的雅可比矩阵的非零元素的值；
第四步：外部的优化求解器通过本发明定义的第二接口，进行一步迭代，并将迭代结果返回Aspen Plus和模型解析器，Aspen Plus和模型解析器根据新的变量值，再次进行模型计算，再将融合后模型信息通过第二接口传递优化求解器，优化求解器再次进行迭代计算，如此循环直到优化求解器收敛为止。

Claims (1)

1.一种用于修正Aspen Plus中模型缺陷的模型扩展方法，其特征在于，该方法为：通过文本字符串模型，利用模型解析器将字符串模型进行解析；将解析后的扩展模型和Aspen Plus中的原模型进行融合后形成完整的数学模型，最后将模型信息传递给优化求解器进行求解；该方法具体包括以下步骤：
(1)从文本中获取若干字符串，每一个字符串代表一个方程，从而构成一个字符串模型；
(2)将得到的字符串模型进行解析，并通过第一接口对外提供模型的所有数值信息；
(3)通过Aspen Plus提供的开发求解器接口获取Aspen Plus中的模型信息，并通过第一接口获取扩展模型的信息，将两者进行融合，通过第二接口对外部优化求解器提供融合后模型的信息；
(4)外部的优化求解器通过第二接口进行一步迭代，并将迭代结果返回AspenPlus和模型解析器，Aspen Plus和模型解析器根据新的变量值，再次进行模型计算，再将融合后模型信息通过第二接口传递优化求解器，优化求解器再次进行迭代计算，如此循环直到优化求解器收敛为止；
所述第一接口包括五个函数，分别为：将变量值传递给扩展模型以便进行模型计算的函数，获取扩展模型的约束容差的函数，获取扩展模型的雅可比矩阵中的非零元素的个数的函数，获取扩展模型的雅可比矩阵的稀疏结构的函数，获取扩展模型的雅可比矩阵的非零元素的值的函数；
所述步骤(2)中，所述将得到的字符串模型进行解析包括如下步骤：
(a)将字符串模型进行初步分解，采用逆波兰式的方式存储在堆栈当中；
(b)当外部给予扩展模型新的变量值时，根据第(a)步得到的栈，按照预先设定的求取逆波兰式的规则，求取扩展模型的约束容差；
(c)采用数值差分方法或者自动微分方法求取模型的雅可比矩阵，同时确定雅可比矩阵的稀疏结构和非零元素的个数；
所述第二接口包含十二个函数，分别为：得到变量个数的函数，得到约束的个数的函数，获取雅可比矩阵的非零元素的个数的函数，将变量值传递给融合模型的函数，得到变量的值的函数，得到变量的上下边界的函数，得到约束的上下边界的函数，得到目标函数的函数，得到约束的容差的函数，得到目标函数的梯度的函数，获取约束方程的雅可比矩阵的稀疏结构的函数，获取约束方程的雅可比矩阵的非零元素的值的函数。
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