Geri Dön

Tailored indirect algorithms for efficient on-line optimization of batch and semi-batch processes

Kesikli ve yari kesikli süreçlerin çevrimiçi optimizasyonuna yönelik özel yapimli dolayli algoritmalar

PDF İndir

  1. Tez No: 822256
  2. Yazar: ERDAL AYDIN
  3. Danışmanlar: PROF. DR. KAI SUNDMACHER
  4. Tez Türü: Doktora
  5. Konular: Endüstri ve Endüstri Mühendisliği, Kimya Mühendisliği, Industrial and Industrial Engineering, Chemical Engineering
  6. Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
  7. Yıl: 2018
  8. Dil: İngilizce
  9. Üniversite: Otto von Guericke University
  10. Enstitü: Yurtdışı Enstitü
  11. Ana Bilim Dalı: Kimya ve Süreç Mühendisliği Ana Bilim Dalı
  12. Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
  13. Sayfa Sayısı: 139

Özet

Kaliteli, düşük hacimli ve yüksek katma değerli üretim eğilimi, işlemlerin esnekliğinin artması sebebiyle kesikli ve yarı kesikli süreçlere daha fazla odaklanmıştır. Dinamik optimizasyon kesikli ve yarı kesikli süreçlerin işlenmesinin iyileştirilmesinde önemli bir rol oynamaktadır. Ayrıca, doğrusal olmayan model kestirimli kontrol (NMPC), belirsizlik koşullarında kesikli ve yarı kesikli süreçlerin gerçek zamanlı optimizasyonu için önemli bir araçtır. Ancak, zamanla ilgili geçici davranış ve esnekliğin düşmesi çok zor optimizasyon sorunlarına yol açmaktadır. Kısıtlı doğrusal olmayan dinamik optimizasyon sorunlarını çözmeye yönelik tercih edilen strateji, çoğunlukla doğrudan olarak nitelendirilen yöntemi kullanmak zorundadır. Bununla birlikte, karşılaşılan sorun türüne ve kullanılan çözüm algoritmasına bağlı olarak, doğrudan yöntemler bilgisayarda karmaşıklığa yol açabilmektedir. Özellikle, kesikli ve yari kesikli süreçlerin NMPC'sinde gereken geniş kestirim ufukları, başta kesik başlangıcında olmak üzere çözüm türlerinde yüksek maliyetli matris faktörizasyonlarından dolayı gerçek zamanlı bilgisayar eforunu arttırmaktadır. Kuramsal çalışmalarda ileri kontrol yöntemleriyle bağlantılı bilgisayar gecikmesi çoğunlukla önemsiz görülmektedir. Ancak bu gecikme, gerçek zamanlı uygulamalarda standardın altında veya daha kötüsü kullanışsız operasyona katkıda bulunabilmektedir. Alternatif olarak, Pontryagin'in Minimum Prensibine (PMP) dayanan dolaylı yöntemler, kesikli ve yarı kesikli süreçlerin optimizasyonunun verjmli bir şekilde üstesinden gelebilmektedir. Gerçekte, PMP bağlamında durumlar ve müşterek durumlar arasındaki etkileşim, sayısal olarak oldukça verimli hale gelebilir. Temel dolaylı çözüm tekniği; genellikle ileride müşterek durum denklemlerinin entegrasyonun sebep olduğu yakınsama sorunlarına yol açan atış yöntemidir. Dolaylı yöntemlerin çoğunlukla alışılmadık sorunlar için ıraksak ve verimsiz olduğu iddia edilmiştir. Bu çalışma alternatif bir yakınsak ve etkili dolaylı çözüm tekniği sunmaktadır. Durumları ve müşterek durumları ileriye yönelik eş zamanlı olarak entegre etmek yerine, teklif edilen algoritma girdileri parametrelerle ifade etmekte ve teklif edilen algoritma girdileri parametrelerle ifade etmekte ve durum denklemlerini zaman içinde geriye dönük olarak entegre etmekte ve bu şekilde gradyan tabanlı optimizasyon yaklașımına yol açmaktadır. Kısıtlamalar, her yineleme adımında açıkça aktif kısıtlamaları karşılamaya olanak sağlayan Hamilton fonksiyonuna dolaylı eklemlenme ile ele alınmaktadır. Çözüm stratejisinin performansı üç farklı vaka çalışması üzerinden doğrudan yöntemlerle karşılaştırılmaktadır. Sonuçlar, önerilen PMP-bazlı yarı Newton stratejisinin karmaşık kısıtlamaların çözümünde etkili olduğunu ve sayısal olarak oldukça rekabet avantajlı olduğunu göstermektedir. Ayrıca, bu çalışma belirsizlik altında daralma bakış açısı bağlamında önerilen çözüm tekniğinin kullanılmasını önermektedir. Belirsizlikler, yol kısıtlamaları için zaman açısından değişken koşulların getirilmesiyle çözülebilir. Bunun sonucunda ortaya çikan NMPC algoritması belirsizlik durumunda 1-dodekan hidroformilleme için iki aşamalı bir yarı kesikli reaktöre uygulanmaktadır ve performansı doğrudan bir eş zamanlı optimizasyon yöntemi kullanan NMPC'nin performansına yakındır. Sonuçlar, önerilen algoritmanın (i) hem kesik içinde hem de kesikten kesiğe farklı belirsizlik gerçekleşmeleri için uygun operasyon sonucuna yol açtığını ve (ii) özellikle kesiğin başlangıcında doğrudan eş zamanlı NMPC'den çok daha hızlı olduğunu ortaya koymaktadır. Ayrıca, gerçek zamanlı sayısal eforu daha da azaltmak amacıyla aktif kısıtlamaları hayata geçirmek için PMP-bazlı NMPC şemasının bir modifikasyonu önerilmektedir. Bu tez ayrıca alternatif bir parametrelerle ifade etme şemasıyla birlikte bir dolaylı sonucun kombinasyonunun ayrıntılarını vermektedir. Bu fikir, kısıtlanmış doğrusal olmayan dinamik optimizasyon sorunlarının sayısal yükünü azaltmak amacıyla duyarlılık arayışındaki girdi arklarını parametrelerle ifade etmektedir. Önerilen yöntem, terminal saflık kısıtlamaları olan ikili bir kesik damıtma kolonuna ve karmaşık bir yol kısıtlaması ołan iki aşamalı bir yari kesikli hidroformilasyon reaktörüne benzeyen örnekler üzerinde test edilmektedir. Önerilen dolaylı tutumlu çözüm şemasının performansı tamamen parametrelerle ifade edilen PMP bazlı ve doğrudan eş zamanlı çözüm yaklaşımlarının performansı iłe karşılaştırılmaktadır. Dolaylı yaklaşımın tutumlu girdi parametreleştirilmesi ile birleşiminin sayısal zamanda önemli bir düşüşe yol açabileceği gözlemlenmektedir Son olarak, bu çalışmada, geribildirimde sayısal gecikmeyi asgari düzeye indirmek için tutumlu girdi parametreleştirmesinin daralma bakış açısı NMPC'sine uygulanması önerilmektedir. Önerilen yaklaşım belirsizlik içinde iki vaka çalışmasında gösterilmektedir, Sonuçlar, önerilen tutumlu daralma bakış açısı NMPC'sinin maliyet bakımından standard daralma bakış açısı NMPC'sine çok benzer performansa sahip olduğunu, özellikle kesik başlangıcında standard daralma bakıș açısı NMPC'sinden sayısal olarak çok daha hızlı olduğunu ve tesis-model uyumsuzluğuna karşı dirençli olduğunu ortaya koymaktadır.

Özet (Çeviri)

The trend toward high-quality, low-volume and high-added value production has put more emphasis on batch and semi-batch processing due to its increased flexibility of operations. Dynamic optimization plays an important role toward improving the operation of batch and semi-batch processes. In addition, nonlinear model predictive control (NMPC) is an important tool for the real-time optimization of batch and semi-batch processes under uncertainty. However, the fact that the transient behaviour as well as the flexibility decrease with respect to time leads to very challenging optimization problems. The preferred strategy to solve constrained nonlinear dynamic optimization problems is usually to use a so-called direct method. Nevertheless, based on the problem type at hand and the solution algorithm used, direct methods may lead to computational complexity. In particular, the large prediction horizons required in the NMPC of batch and semi-batch processes increase the real-time computational effort because of expensive matrix factorizations in the solution steps, especially at the beginning of the batch. The computational delay associated with advanced control methods is usually underestimated in theoretical studies. However, this delay may contribute to suboptimal or, worse, infeasible operation in real-life applications. Alternatively, indirect methods based on Pontryagin's Minimum Principle (PMP) could efficiently deal with the optimization of batch and semi-batch processes. In fact, the interplay between states and co-states in the context of PMP might turn out to be computationally quite efficient. The main indirect solution technique is the shooting method, which however often leads to convergence problems and instabilities caused by the integration of the co-state equations forward in time. It has been extensively argued that indirect methods are usually non-convergent and inefficient for constrained problems. This study proposes an alternative, convergent and effective indirect solution technique. Instead of integrating the states and costates simultaneously forward in time, the proposed algorithm parameterizes the inputs and integrates the state equations forward in time and the co-state equations backward in time, thereby leading to a gradient-based optimization approach. Constraints are handled by indirect adjoining to the Hamiltonian function, which allows meeting the active constraints explicitly at every iteration step. The performance of the solution strategy is compared to direct methods through three different case studies. The results show that the proposed PMP-based quasiv Newton strategy is effective in dealing with complicated constraints and is quite competitive computationally. In addition, this work suggests using the proposed indirect solution technique in the context of shrinking-horizon NMPC under uncertainty. Uncertainties can be handled by the introduction of time-varying backoff terms for the path constraints. The resulting NMPC algorithm is applied to a two-phase semi-batch reactor for the hydroformylation of 1- dodecene in the presence of uncertainty, and its performance is compared to that of NMPC that uses a direct simultaneous optimization method. The results show that the proposed algorithm (i) results in feasible operation for different uncertainty realizations both within batch or from batch to batch, and (ii) is much faster than direct simultaneous NMPC, especially at the beginning of the batch. In addition, a modification of the PMP-based NMPC scheme is proposed to enforce the active constraints to reduce the real-time computational effort further. This thesis also details the combination of an indirect solution scheme together with an alternative parameterization scheme. The idea is to parameterize the sensitivity-seeking input arcs in a parsimonious way so as to decrease the computational load of constrained nonlinear dynamic optimization problems. The proposed method is tested on the simulated examples of a batch binary distillation column with terminal purity constraints and a two-phase semi-batch hydroformylation reactor with a complex path constraint. The performance of the proposed indirect parsimonious solution scheme is compared with those of a fully parameterized PMPbased and a direct simultaneous solution approaches. It is observed that the combination of the indirect approach with parsimonious input parameterization can result in significant reduction in computational time. Finally, in this work, the application of parsimonious input parameterization to the shrinking-horizon NMPC is suggested in order to minimize the computational delay in feedback. The proposed approach is illustrated on two case studies in the presence of uncertainty. The results show that the suggested parsimonious shrinkinghorizon NMPC performs very similarly to the standard shrinking-horizon NMPC in terms of cost, is computationally much faster than the standard shrinking-horizon NMPC especially at the beginning of the batch and is robust to plant-model mismatch.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    46532

    Sincap kafesli asenkron makinenin rotor alan yönlendirmeli kontrolü

    Rotor field-orientation control of a squirrel cage induction machine

    SAFFET ALTAY

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    1995

    Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    PROF.DR. M. EMİN TACER

  2. Tez No

    39107

    Bir ve iki boyutlu ayrık kosinüs dönüşümü

    Discrete cosine transform

    HAKAN TOKAY

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    1993

    Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    DOÇ.DR. MELİH PAZARCI

  3. Tez No

    885897

    Cyber tools as foreign policy instruments in trilateral relations: Analysing cyber-attacks targeting the United Kingdom

    Üçlü ilişkilerde dış politika aracı olarak siber araçlar: Birleşik Krallık'ı hedef alan siber saldırıların analizi

    ATAKAN YILMAZ

    Doktora

    İngilizce

    İngilizce

    2024

    Siyasal BilimlerGalatasaray Üniversitesi

    Uluslararası İlişkiler Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. MENENT SAVAŞ CAZALA

  4. Tez No

    433928

    A Bayesian approach to the clustering problem with application to gene expression analysis

    Öbekleme problemine Bayesci bir yaklaşım ve gen ifadesi analizinde uygulanması

    IŞIK BARIŞ FİDANER

    Doktora

    İngilizce

    İngilizce

    2016

    Bilgisayar Mühendisliği Bilimleri-Bilgisayar ve KontrolBoğaziçi Üniversitesi

    Bilgisayar Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. ALİ TAYLAN CEMGİL

  5. Tez No

    531075

    Geniş madde kayıplı vital dişlerde direkt, indirekt ve CAD/CAM restorasyonların klinik başarısının karşılaştırmalı olarak incelenmesi

    The success of direct, indirect and CAD/CAM restorations on large sized cavities of vital teeth: A comparative clinical study

    ELİF ERCAN

    Doktora

    Türkçe

    Türkçe

    2018

    Diş HekimliğiEge Üniversitesi

    Restoratif Diş Tedavisi Bilim Dalı

    PROF. DR. TİJEN PAMİR

Geri Dön