一种聚丙烯生产过程多牌号调度切换混合优化方法

摘要

本发明公开了一种聚丙烯生产过程多牌号调度切换混合优化方法。本发明包括建立双环管工艺聚丙烯生产过程多牌号切换的从系统轨迹优化模型和主系统调度序列优化模型，并采用双层递阶混合整数迭代动态优化法优化主从系统模型，其中基于控制向量参数化法优化多牌号切换操作轨迹以及基于CPLEX混合整数优化器求解多牌号切换调度序列，这种混合优化方法能减小优化规模，减少多牌号总切换时间和过渡料总耗费。本发明通过寻找聚丙烯多牌号生产的最优调度序列及各牌号切换过程中操作变量和产品性能指标变化的最优轨迹来指导生产，从而使聚丙烯企业生产不仅灵活满足市场需求，而且保证聚丙烯生产装置在最少能耗和物耗下取得最大经济效益。

主权项

一种聚丙烯生产过程多牌号调度切换混合优化方法，其特征在于该方法包括以下步骤： (1)确定聚丙烯生产的产品牌号调度切换配方； 由聚丙烯生产企业根据市场需求制定生产调度计划，并在调度切换配方模块中确定待产的产品牌号，分别给出每个牌号对应质量指标的目标区域和上下界约束，以及操作变量的约束范围，同时在初始化模块中给定双环管聚丙烯动态机理数学模型和各变量初始状态，以及牌号初始调度序列； (2)建立双环管工艺聚丙烯生产过程多牌号切换的从系统轨迹优化模型F1为 subjetto: g(X(t),Y(t),U(t),B_0,X(t),B_f,X(t),t)＝0;t∈[t₀,t_f]   (3) P_i(t)＝[MI_c,R201(t),MI_c,R202(t),MI_i,R201(t),MI_i,R202(t)]   (10) U_min(t)≤U(t)≤U_max(t)   (11) Y_min(t)≤Y(t)≤Y_max(t)   (12) ΔU_min(t)≤ΔU(t)≤ΔU_max(t)   (13) 式中，t为时间变量，t₀和t_f表示整个牌号切换调度优化开始和终止时间，[t₀,t_f]表示整个切换调度优化过程时域范围，t_κ表示每个牌号切换区间点，设定每个牌号切换过程区间相等，N_t为整个时域范围的优化点数，P_i(t)表示在t时刻各种牌号聚丙烯对应的熔融指数物性值，其中i＝1,2,3,4分别表示环管反应器R201和R202累积熔融指数和瞬时熔融指数，表示各种牌号聚丙烯对应的熔融指数物性目标值，X为聚丙烯生产的各种牌号，B_0,X(t),B_f,X(t)分别表示各种牌号切换始端和终端的二元离散变量，B_I(t)表示牌号调度初始工况的二元离散变量，N_b为总的二元离散变量数，w_1,i,i＝1,2,3,4分别表示环管反应器R201和R202聚丙烯熔融指数物性归一化对应的各惩罚因子，w_2,k,k＝1,2分别表示环管反应器R201、R202过渡料输出的惩罚因子，F_out,k,w_out,k,k＝1,2分别表示环管反应器R201、R202的聚丙烯物料输出和固含率，Y_tr,k,k＝1,2表示对过渡料的判断选择，即将在牌号切换阶段合格区域外的输出物料判为过渡料，而在初始和目标牌号区域判为合格料，用下式表示式中ε_i为环管反应器R201和R202聚丙烯熔融指数物性合格区域； 此外，目标函数(1)的第一项表示质量指标物性归一化，为了保证聚丙烯质量指标以最小时间平稳切换过渡到目标牌号，第二项表示过渡废料的产生，为了保证整个切换过程过渡料总量最小；约束组中，式(2)和(3)为以微分方程组f(g)和代数方程组g(g)形式表示的聚丙烯动态机理模型，其中U(t),Y(t),X(t),分别表示操作变量、被控变量、状态变量和状态变量微分形式的集合，式(4)为微分方程组初始状态f₀(g)，式(5)和式(6)表示路径约束h_κ(g)和终端约束g_κ(g)，式(7)表示各种牌号切换始端和终端的二元离散变量为(0,1)选择，式(8)、(9)、(10)项中分别表示催化剂入口流率，环管反应器R201、R202的氢气进料流率和环管反应器R201、R202的丙烯单体入口流率，分别表示环管反应器R201、R202的氢气浓度、浆液密度和环管产率，MI_c,R201(t),MI_c,R202(t),MI_i,R201(t),MI_i,R202(t)分别表示环管反应器R201、R202的累加熔融指数和瞬时熔融指数，式(11)、(12)项中U_min(t),U_max(t)和Y_min(t),Y_max(t)分别表示控制变量和被控变量的上下限区间，式(13)项中ΔU_min(t),ΔU_max(t)表示控制增量的上下区间，以防止控制量剧烈变化，式(14)项中分别表示每个切换区间每个牌号的熔融指数物性当前值、最小值和最大值；(3)应用基于控制向量参数化动态优化法的从系统优化模块求解聚丙烯生产过程多牌号切换的从系统轨迹优化模型F1，并在最优轨迹存储模块中存储最优切换轨迹集，同时为整个牌号调度切换优化过程的解提供上界值UB，以及为聚丙烯生产过程多牌号切换的主系统调度序列优化模型F2提供始端和末端的拉格朗日乘子对偶信息ω_0,X和ω_f,X； (4)引入连续参数变量η_0,X和η_f,X，将从系统轨迹优化模型F1中的二元离 散变量化为连续变量，并构造双环管工艺聚丙烯生产过程多牌号切换的主系统调度序列优化模型F2为 minF2＝F1(t_f)+ω_0,X(η_0,X‑B_0,X)+ω_f,X(η_f,X‑B_f,X)   (15) subjetto: B_n+1,0,X＝B_n,f,X;n＝1,2,LN_X   (20) 式中，F1(t_f)表示从系统轨迹优化模型F1在优化终端时刻的目标函数值，ω_0,X,ω_f,X表示始端和末端的拉格朗日乘子对偶信息，η_0,X和η_f,X表示连续参数变量，B_n,0,X,B_n,f,X,n＝1,2,LN_X表示每个牌号切换区间始端和末端的二元离散变量，n＝1,2,LN_X，表示第n个牌号，N_X表示牌号总数，约束(16)‑(19)的引入为了使在整个牌号优化调度过程，保证每个聚丙烯牌号调度生产的唯一性，而引入约束(20)则为了确保多牌号切换时生产的前后连续； (5)在主系统优化模块中采用CPLEX混合整数优化器求解聚丙烯生产过程多牌号切换的主系统调度序列优化模型F2，并为整个优化过程的解提供下界值LB，同时在最优调度序列存储模块中存储由二元离散变量集合表示的当前最优调度切换序列B，当|UB‑LB|≤θ，即上下界之差在阈值θ范围之内，则完成整个优化过程，否则转到步骤(2)； (6)由调度切换的主从系统混合优化结果，得到聚丙烯多牌号切换的最优调度序列以及在各牌号生产区间的操作变量最优控制轨迹，进而得到各牌号 生产区间状态变量的最优状态轨迹、被控变量和质量指标的最优输出轨迹； (7)利用最优调度序列和轨迹输出模块将双环管聚丙烯多牌号切换最优调度序列作为生产调度指令，并将各牌号生产区间的优化轨迹推送到下层控制器作为参考轨迹，使聚丙烯的柔性生产满足市场需求的同时，保证生产装置在最少能耗物耗下取得最大经济效益。