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ABSTRACT-1g)目標(biāo)函數(shù)(4-1a)是由兩個(gè)部分構(gòu)成,第一部分由設(shè)備兩端出口溫度的計(jì)算值與測(cè)量值的誤差總和構(gòu)成,第二部分由設(shè)備中間層溫度的計(jì)算值和同一層有測(cè)量點(diǎn)的測(cè)量值誤差總和構(gòu)成。由于MHEX復(fù)雜的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)決定了溫度分布形式,在同一個(gè)橫截面上(圖4-1)各熱流股之間溫度接近,各冷流股之間溫度接近,熱流股與冷流股之間的溫差接近最小溫差,為了約束這些溫度,基于現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)觀察,本文假定:熱流股之間溫差為0℃;冷流股之間溫差為0℃;最小溫差為1℃。目標(biāo)函數(shù)第二部分就是由這些約束構(gòu)成。公式(4-1b~g)構(gòu)成約束方程,(4-1b)表示任一段b(Bundle)的回歸模型,其中β表示被估參數(shù)。傳遞方程(4-1c)和(4-1d)表示上一層模型的出口溫度傳遞給下一層模型的入口溫度。方程(4-1e)和(4-1f)保證同一截面上最小溫差1℃。最后,方程(4-1g)表示被估參數(shù)的結(jié)構(gòu)特征,例如當(dāng)熱流股流量增加其出口溫度隨之增大,冷流股流量增加其出口溫度減小等。復(fù)雜MHEX模型由多個(gè)Bundle的回歸模型聯(lián)立構(gòu)成,每個(gè)Bundle由一個(gè)簡(jiǎn)單MHEX模型控制(模型推導(dǎo)見2.2),單個(gè)Bundle的回歸模型只需將冷熱流股數(shù)帶入公式(2-5)擴(kuò)展得到,三個(gè)Bundle的具體回歸模型見公式(4-2),(4-3),(4-4),其中,表示熱流股i在第b個(gè)Bundle的流量,表示冷流股j在第b個(gè)Bundle的流量,表示熱流股i在第b個(gè)Bundle的進(jìn)口溫度,表示冷流股j在第b個(gè)Bundle的進(jìn)口溫度,β表示被估參數(shù)的集。表示任意流股i/j在第b個(gè)Bundle的流量,表示任意流股i/j在第b個(gè)Bundle的出口溫度。Bundle1的回歸模型由五股流股28個(gè)結(jié)構(gòu)參數(shù)組成變量組,回歸結(jié)構(gòu)如下, (4-2)Bundle2的回歸模型由六股流股39個(gè)結(jié)構(gòu)參數(shù)組成變量組,回歸結(jié)構(gòu)如下, (4-3)Bundle3的回歸模型由五股流股28個(gè)結(jié)構(gòu)參數(shù)組成變量組,回歸結(jié)構(gòu)如下, (4-4)4.2多層出口的復(fù)雜多股流換熱器模型求解與結(jié)果4.2.1多層出口的復(fù)雜多股流換熱器模型求解按上述方法對(duì)空分裝置主換熱器和過冷器建模,建立一個(gè)多Bundle聯(lián)立回歸模型來模擬冷量回收的過程。復(fù)雜MHEX在GeneralAlgebraicModelingSystem(GAMS)中建立模型,采用聯(lián)立方程法求解。回歸問題被再構(gòu)成一個(gè)二次優(yōu)化問題,搜索一組最優(yōu)的結(jié)構(gòu)參數(shù),使得出口溫度的計(jì)算與測(cè)量值誤差最小。采用CONOPT求解器求解非線性問題,具體的求解程序見第四章末尾的程序附錄。我們需要一組結(jié)構(gòu)參數(shù)的初值去搜索聯(lián)立方程的最優(yōu)解。初值很大程度上影響計(jì)算時(shí)間,而且差的初值很可能導(dǎo)致局部最優(yōu)解而非全局最優(yōu)解。因此,初值的求解是模型求解的第一步工作,這是一個(gè)迭代求解的過程見圖4-2,全部在Matlab@R2011b進(jìn)行。圖4-SEQ圖4-\*ARABIC2復(fù)雜模型初值計(jì)算過程首先將每一個(gè)Bundle的訓(xùn)練數(shù)據(jù)做簡(jiǎn)化處理,假定中間層熱流股溫度相同,冷流股溫度相同,且熱流股與冷流股溫差為1℃,利用Matlab數(shù)據(jù)庫(kù)中的Regress函數(shù)先對(duì)Bundle1進(jìn)行最小二乘回歸得到一組結(jié)構(gòu)參數(shù),用結(jié)構(gòu)參數(shù)和入口溫度重新計(jì)算Bundle1出口溫度,將熱流股溫度傳遞給Bundle2的入口溫度,同樣的方法回歸Bundle2結(jié)構(gòu),計(jì)算Bundle2熱流股出口溫度傳遞熱流給Bundle3,回歸Bundle3結(jié)構(gòu)參數(shù)計(jì)算冷流股出口溫度傳遞回Bundle2,依次按照?qǐng)D4-2的順序迭代。值得一提的是與其讓迭代達(dá)到局部最優(yōu)解,不如僅僅只迭代最主要的5次,得到三個(gè)Bundle模型的結(jié)構(gòu)參數(shù)作為聯(lián)立方程求解的初值。在求解初值時(shí),對(duì)于沒有測(cè)量的數(shù)據(jù),根據(jù)MHEX傳熱結(jié)構(gòu)的特征,假定在MHEX同一截面上沒有測(cè)量點(diǎn)的熱流股溫度近似等于有測(cè)量點(diǎn)的熱流股溫度,同理冷流股亦是,熱流股的溫度近似比冷流股高1℃,流股流量由一個(gè)Bundle傳遞到另一個(gè)Bundle,只要流股沒有變化,流量也等于前一個(gè)Bundle的流量。初值求解的結(jié)果包括每一個(gè)Bundle中每一股流股的結(jié)構(gòu)參數(shù),進(jìn)口溫度,出口溫度和流量。4.2.2多層出口的復(fù)雜多股流換熱器模型求解結(jié)果與討論將初值傳遞給GAMS,開始聯(lián)立模型的求解,主換熱器的回歸模型計(jì)算如表4-1所示,復(fù)雜模型包含了39,423個(gè)變量,100,501個(gè)約束(其中等式約束為37,500個(gè)),用時(shí)253分鐘在1500訓(xùn)練樣本中搜索到最優(yōu)的結(jié)構(gòu)參數(shù),Bundle1由兩股熱流股和三股冷流股組成,回歸得到5組,每組28結(jié)構(gòu)參數(shù)。Bundle2由三股熱流股和三股冷流股組成,回歸得到6組,每組39結(jié)構(gòu)參數(shù)。Bundle1由兩股熱流股和三股冷流股組成,回歸得到5組,每組28結(jié)構(gòu)參數(shù)。表4-SEQ表4-\*ARABIC1模型計(jì)算統(tǒng)計(jì)變量約束回歸時(shí)間計(jì)算時(shí)間計(jì)算精度多層出口復(fù)雜MHEX模型39,423100,501253分鐘17秒2%簡(jiǎn)單MHEX模型5070.12秒0.00138秒1%然后再用結(jié)構(gòu)參數(shù)求解1000組測(cè)試樣本的出口溫度,此過程亦是一個(gè)聯(lián)立計(jì)算的過程,用時(shí)17秒。將出口溫度的計(jì)算值與測(cè)試值比較來檢驗(yàn)?zāi)P凸浪愕臏?zhǔn)確性。對(duì)于訓(xùn)練樣本,最優(yōu)結(jié)構(gòu)參數(shù)在多Bundle模型中被固定去測(cè)試出口溫度的計(jì)算值和測(cè)量值。當(dāng)結(jié)構(gòu)參數(shù)在測(cè)試模型中被固定,則模型自由度為0,變成一個(gè)線性模擬問題。雖然多層出口的復(fù)雜模型在計(jì)算上確實(shí)比第二章的簡(jiǎn)單模型要費(fèi)時(shí)的多,在計(jì)算進(jìn)度上也不如簡(jiǎn)單模型,但是多層出口的復(fù)雜模型更合乎流股換熱的內(nèi)在關(guān)系,更能反映實(shí)際換熱過程,且能夠處理某些流股缺乏儀表測(cè)量的情況。用CPLEX求解器只需要幾秒鐘就能求解出線性模型的解,訓(xùn)練樣本和測(cè)試樣本的誤差見圖4-3。圖4-3畫出了七個(gè)流股訓(xùn)練數(shù)據(jù)出口溫度的回歸誤差與測(cè)試數(shù)據(jù)出口溫度的模擬誤差,圖中上層實(shí)線表示出口溫度的誤差,對(duì)應(yīng)左邊Y軸坐標(biāo),下層實(shí)線表示主流空氣H3的進(jìn)口溫度(記TMinH3),對(duì)應(yīng)右邊Y軸坐標(biāo),圖中虛線左邊是訓(xùn)練樣本,右邊是測(cè)試樣本。從圖中可以看出,訓(xùn)練樣本的誤差基本分布在-2℃到2℃之間,個(gè)別誤差大于2℃,最大最對(duì)誤差小于3℃。誤差較為均勻的分布在0軸的兩側(cè),表明回歸模型得到了很好的訓(xùn)練。其次我們發(fā)現(xiàn)訓(xùn)練樣本的大誤差大多發(fā)生在主流空氣H3的進(jìn)口溫度劇烈波動(dòng)時(shí),其原因同樣是分子篩周期性切換引起。當(dāng)空分換熱系統(tǒng)偏離正常穩(wěn)態(tài)操作的一段時(shí)間內(nèi)或者說面臨工況切換時(shí),會(huì)導(dǎo)致了回歸模型的不準(zhǔn)確性。如果只考慮穩(wěn)態(tài)模擬,就不應(yīng)該將這些變負(fù)荷工況動(dòng)態(tài)切換過程的操作數(shù)據(jù)納入回歸范圍,這將明顯提高多層出口的復(fù)雜MHEX模型的回歸精度,若是考慮變負(fù)荷操作動(dòng)態(tài)切換過程,則出于對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確性的考慮,應(yīng)該對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)做標(biāo)定預(yù)處理。圖4-SEQ圖4-\*ARABIC3回歸結(jié)果誤差分析復(fù)雜MHEX模型回歸和測(cè)試的平均相對(duì)誤差和最大絕對(duì)誤差見表4-2。從圖4-3和表4-2中可以發(fā)現(xiàn),雖然考慮多層出口的復(fù)雜MHEX模型訓(xùn)練結(jié)果和測(cè)試結(jié)果的最大誤差和平均誤差都比第二章考慮單層出口的MHEX模型要大一些,一方面是由于目前模型的約束條件做了簡(jiǎn)化處理還不夠完善,缺乏多股流傳熱結(jié)構(gòu)的約束,另一方面是模型缺乏一個(gè)更高級(jí)的算法。但是考慮多層出口的復(fù)雜MHEX模型應(yīng)用性更普遍,是對(duì)只考慮單層出口模型的簡(jiǎn)單MHEX模型的擴(kuò)展,若模型只有單層出口對(duì)應(yīng)復(fù)雜模型只有一個(gè)Bundle的情況,若模型流股數(shù)眾多,有多層出口,且某些流股缺乏測(cè)量數(shù)據(jù)時(shí),考慮單層出口模型的簡(jiǎn)單MHEX模型將不再適用,但是由于考慮多層出口的復(fù)雜MHEX模型是一個(gè)優(yōu)化命題,可以通過條件約束來解決。表4-SEQ表4-\*ARABIC2訓(xùn)練與測(cè)試誤差分析H1H2H3C1C2C3C4TrainingdataMean*0.2910.0900.1330.1350.1470.3680.135Max*1.9220.5280.6330.9460.9182.9721.199CheckingdataMean0.4990.1550.2180.1450.1410.5870.172Max2.5250.5480.7231.1470.9362.9851.502*Intable1,“Mean”referstomeanabsoluteerror,“Max”referstomaxabsoluteerror.4.3小結(jié)本章考慮流股常常從MEHX中間進(jìn)入或離開,改進(jìn)建立了考慮多層出口的復(fù)雜MHEX聯(lián)立捷算模型,這個(gè)模型不再用傳統(tǒng)處理黑箱的方法將整個(gè)MHEX看成一個(gè)黑箱,而是將MHEX在中間進(jìn)出的位置分成多段,每一段記一個(gè)Bundle,每個(gè)Bundle是一個(gè)黑箱由一個(gè)模型控制。復(fù)雜MHEX模型由多個(gè)Bundle的回歸模型聯(lián)立構(gòu)成,由于有中間變量的存在,不再是輸入變量的顯函數(shù)。模型的預(yù)測(cè)平均誤差不大于2%,平均絕對(duì)誤差小于0.6℃。此模型更符合設(shè)備結(jié)構(gòu)的傳熱模式且能解決某些流股缺乏測(cè)量數(shù)據(jù)的問題。程序附錄*MHEXregressionSETSIflow/17,18,19,21,23,25,32/BBundle/1*3/INOUT1(I)in(out)flowofeachBundle/17*19,21,23/INOUT2(I)in(out)flowofeachBundle/17*19,21,25,32/INOUT3(I)in(out)flowofeachBundle/18,19,21,25,32/HOThotflow/17,18,25/COLDcoldflow/19,21,23,32/Ndata/1*120/M1numberregressionstructure1/1*29/M2numberregressionstructure2/1*40/M3numberregressionstructure3/1*29/;PARAMETERSTMin(I,B,N)inlettemperaturemeasurementTMout(I,B,N)outlettemperaturemeasurementFM(I,N)flowratemeasurementVARIABLESTCin(I,B,N)calculatedtemperatureTCout(I,B,N)calculatedtemperatureoutK1(INOUT1,M1)regressioncoefficientsforeachBundleK2(INOUT2,M2)regressioncoefficientsforeachBundleK3(INOUT3,M3)regressioncoefficientsforeachBundleZdummyobjectiveEQUATIONSREGRESSION1(INOUT1,N)regressionfunctionsREGRESSION2(INOUT2,N)regressionfunctionsREGRESSION3(INOUT3,N)regressionfunctionsCONNECTIONS1(N)connectionequationsCONNECTIONS2(N)connectionequationsCONNECTIONS3(N)connectionequationsCONNECTIONS4(N)connectionequationsCONNECTIONS5(N)connectionequationsCONNECTIONS6(N)connectionequationsCONNECTIONS7(N)connectionequationsCONNECTIONS8(N)connectionequationsCONNECTIONS9(N)connectionequationsOBJdummyobjectivefunciton;OBJ..z=e=sum(N,sqr(TCout("19","1",N)/TMout("19","1",N)-1)+sqr(TCout("21","1",N)/TMout("21","1",N)-1)+sqr(TCout("23","1",N)/TMout("23","1",N)-1)+sqr(TCout("17","2",N)/TMout("17","2",N)-1)+sqr(TCout("32","2",N)/TMout("32","2",N)-1)+sqr(TCout("18","3",N)/TMout("18","3",N)-1)+sqr(TCout("25","3",N)/TMout("25","3",N)-1));REGRESSION1(INOUT1,N)..Fm(INOUT1,N)*TCout(INOUT1,"1",N)=E=K1(INOUT1,"1")+K1(INOUT1,"2")*FM("17",N)*FM("17",N)+K1(INOUT1,"3")*FM("18",N)*FM("18",N)+K1(INOUT1,"4")*FM("19",N)*FM("19",N)+K1(INOUT1,"5")*FM("21",N)*FM("21",N)+K1(INOUT1,"6")*FM("23",N)*FM("23",N)+K1(INOUT1,"7")*FM("17",N)*FM("19",N)+K1(INOUT1,"8")*FM("17",N)*FM("21",N)+K1(INOUT1,"9")*FM("17",N)*FM("23",N)+K1(INOUT1,"10")*FM("18",N)*FM("19",N)+K1(INOUT1,"11")*FM("18",N)*FM("21",N)+K1(INOUT1,"12")*FM("18",N)*FM("23",N)+K1(INOUT1,"13")*FM("17",N)*TMin("17","1",N)+K1(INOUT1,"14")*FM("18",N)*TMin("18","1",N)+K1(INOUT1,"15")*FM("19",N)*TCin("19","1",N)+K1(INOUT1,"16")*FM("21",N)*TCin("21","1",N)+K1(INOUT1,"17")*FM("23",N)*TMin("23","1",N)+K1(INOUT1,"18")*FM("17",N)*TCin("19","1",N)+K1(INOUT1,"19")*FM("17",N)*TCin("21","1",N)+K1(INOUT1,"20")*FM("17",N)*TMin("23","1",N)+K1(INOUT1,"21")*FM("18",N)*TCin("19","1",N)+K1(INOUT1,"22")*FM("18",N)*TCin("21","1",N)+K1(INOUT1,"23")*FM("18",N)*TMin("23","1",N)+K1(INOUT1,"24")*FM("19",N)*TMin("17","1",N)+K1(INOUT1,"25")*FM("19",N)*TMin("18","1",N)+K1(INOUT1,"26")*FM("21",N)*TMin("17","1",N)+K1(INOUT1,"27")*FM("21",N)*TMin("18","1",N)+K1(INOUT1,"28")*FM("23",N)*TMin("17","1",N)+K1(INOUT1,"29")*FM("23",N)*TMin("18","1",N);REGRESSION2(INOUT2,N)..Fm(INOUT2,N)*TCout(INOUT2,"2",N)=E=K2(INOUT2,"1")+K2(INOUT2,"2")*FM("17",N)*FM("17",N)+K2(INOUT2,"3")*FM("18",N)*FM("18",N)+K2(INOUT2,"4")*FM("25",N)*FM("25",N)+K2(INOUT2,"5")*FM("19",N)*FM("19",N)+K2(INOUT2,"6")*FM("21",N)*FM("21",N)+K2(INOUT2,"7")*FM("32",N)*FM("32",N)+K2(INOUT2,"8")*FM("17",N)*FM("19",N)+K2(INOUT2,"9")*FM("17",N)*FM("21",N)+K2(INOUT2,"10")*FM("17",N)*FM("32",N)+K2(INOUT2,"11")*FM("18",N)*FM("19",N)+K2(INOUT2,"12")*FM("18",N)*FM("21",N)+K2(INOUT2,"13")*FM("18",N)*FM("32",N)+K2(INOUT2,"14")*FM("25",N)*FM("19",N)+K2(INOUT2,"15")*FM("25",N)*FM("21",N)+K2(INOUT2,"16")*FM("25",N)*FM("32",N)+K2(INOUT2,"17")*FM("17",N)*TCin("17","2",N)+K2(INOUT2,"18")*FM("18",N)*TCin("18","2",N)+K2(INOUT2,"19")*FM("25",N)*TMin("25","2",N)+K2(INOUT2,"20")*FM("19",N)*TCin("19","2",N)+K2(INOUT2,"21")*FM("21",N)*TCin("21","2",N)+K2(INOUT2,"22")*FM("32",N)*TCin("32","2",N)+K2(INOUT2,"23")*FM("17",N)*TCin("19","2",N)+K2(INOUT2,"24")*FM("17",N)*TCin("21","2",N)+K2(INOUT2,"25")*FM("17",N)*TCin("32","2",N)+K2(INOUT2,"26")*FM("18",N)*TCin("19","2",N)+K2(INOUT2,"27")*FM("18",N)*TCin("21","2",N)+K2(INOUT2,"28")*FM("18",N)*TCin("32","2",N)+K2(INOUT2,"29")*FM("25",N)*TCin("19","2",N)+K2(INOUT2,"30")*FM("25",N)*TCin("21","2",N)+K2(INOUT2,"31")*FM("25",N)*TCin("32","2",N)+K2(INOUT2,"32")*FM("19",N)*TCin("17","2",N)+K2(INOUT2,"33")*FM("19",N)*TCin("18","2",N)+K2(INOUT2,"34")*FM("19",N)*TMin("25","2",N)+K2(INOUT2,"35")*FM("21",N)*TCin("17","2",N)+K2(INOUT2,"36")*FM("21",N)*TCin("18","2",N)+K2(INOUT2,"37")*FM("21",N)*TMin("25","2",N)+K2(INOUT2,"38")*FM("32",N)*TCin("17","2",N)+K2(INOUT2,"39")*FM("32",N)*TCin("18","2",N)+K2(INOUT2,"40")*FM("32",N)*TMin("25","2",N);REGRESSION3(INOUT3,N)..Fm(INOUT3,N)*TCout(INOUT3,"3",N)=E=K3(INOUT3,"1")+K3(INOUT3,"2")*FM("18",N)*FM("18",N)+K3(INOUT3,"3")*FM("25",N)*FM("25",N)+K3(INOUT3,"4")*FM("19",N)*FM("19",N)+K3(INOUT3,"5")*FM("21",N)*FM("21",N)+K3(INOUT3,"6")*FM("32",N)*FM("32",N)+K3(INOUT3,"7")*FM("18",N)*FM("19",N)+K3(INOUT3,"8")*FM("18",N)*FM("21",N)+K3(INOUT3,"9")*FM("18",N)*FM("32",N)+K3(INOUT3,"10")*FM("25",N)*FM("19",N)+K3(INOUT3,"11")*FM("25",N)*FM("21",N)+K3(INOUT3,"12")*FM("25",N)*FM("32",N)+K3(INOUT3,"13")*FM("18",N)*TCin("18","3",N)+K3(INOUT3,"14")*FM("25",N)*TCin("25","3",N)+K3(INOUT3,"15")*FM("19",N)*TMin("19","3",N)+K3(INOUT3,"16")*FM("21",N)*TMin("21","3",N)+K3(INOUT3,"17")*FM("32",N)*TMin("32","3",N)+K3(INOUT3,"18")*FM("18",N)*TMin("19","3",N)+K3(INOUT3,"19")*FM("18",N)*TMin("21","3",N)+K3(INOUT3,"20")*FM("18",N)*TMin("32","3",N)+K3(INOUT3,"21")*FM("25",N)*TMin("19","3",N)+K3(INOUT3,"22")*FM("25",N)*TMin("21","3",N)+K3(INOUT3,"23")*FM("25",N)*TMin("32","3",N)+K3(INOUT3,"24")*FM("19",N)*TCin("18","3",N)+K3(INOUT3,"25")*FM("19",N)*TCin("25","3",N)+K3(INOUT3,"26")*FM("21",N)*TCin("18","3",N)+K3(INOUT3,"27")*FM("21",N)*TCin("25","3",N)+K3(INOUT3,"28")*FM("32",N)*TCin("18","3",N)+K3(INOUT3,"29")*FM("32",N)*TCin("25","3",N);CONNECTIONS1(N)..TCout("17","1",N)=E=TCin("17","2",N);CONNECTIONS2(N)..TCout("18","1",N)=E=TCin("18","2",N);CONNECTIONS3(N)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