李萍[1]2002年在《自动微分工具实现技术研究》文中指出随着计算技术的发展，计算已成为继科学理论、实验之后的第叁种科学方法。越来越广泛的应用领域采用数值计算方法解决实际问题，数值模拟在海洋、气象、空间环境等科学和国民经济领域都发挥了重要的作用。许多应用问题需要计算函数的导数，例如最优化领域、敏感性分析领域、数据同化领域等。发展数值天气预报模式的切线性模式和伴随模式是这一需求的典型问题。 自动微分是一种对源程序增加微分计算程序的技术，它有切线性模式和伴随模式两种模式。自动微分的实现方法包括源代码变换方法和运算符重载方法。 现有的自动微分工具通常只能处理一个微分单元的微分，一个微分单元的代码通常只包括固定的组成结构。本文深入研究了这几种结构的微分变换规则，设计了一个自动微分工具的总体框架。 由于对导数值有效、精确计算等需求的推动，已发展了多种自动微分工具。目前一些比较成熟的微分工具已经可以用于几万行到十万行源程序的自动微分。本文给出了自动微分工具的一种分类法，对每种类型的工具都给出了相应的实例介绍，对其中几种比较成熟的工具进行了详细介绍，并对其性能进行了分析。 本文重点对自动微分工具Odyssee进行了详细的分析和解剖。Odyssee是由法国INRIA公司的Sophia Antipolis研究中心耗时近六年开发的自动微分工具，具有正向微分和逆向微分的能力。Odyssee微分工具基本上是由Ocaml语言开发的，本文在深入了解这种语言的基础上对Odyssee的代码进行了分析，主要分析了代码的数据类型定义部分、公共调用函数部分以及词法分析和语法分析部分。前两部分是整个源代码的基础，它们定义了文件中使用的各种数据类型和出错处理以及需要调用的许多公用函数。词法分析和语法分析部分又分为输入命令数据流以及Fortran源程序数据流的词法分析和语法分析，后一部分是本文分析的重点，它以词法分析程序生成器grammar lexer.mll和语法分析程序生成器grammar paser.mly为核心，将进行自动微分变换的Fortran源代码字符串变换成各类语法单位的数据流。 目前的自动微分技术不能充分满足应用领域的需求，如在不同体系结构下的兼容问题、对需要微分的语言的不支持等，本文在深入研究Odyssee源代码的基础上对其进行了改进，使之能够符合当前应用的需要，如对Fortran90的支持。
王春林[2]2005年在《水下作业机械手及自动工具库控制系统的研究》文中研究指明水下作业技术在海洋石油探测、抢险救生、海底管道的敷设、保养和维修等领域均有广泛的应用。本文研究的水下作业系统包括水下作业机械手和自动工具库两部分,该型作业系统能够在一次下潜中完成多种作业任务,论文研究的内容具有广阔的应用前景。 论文首先介绍了水下作业的国内外发展现状和应用情况。针对现有水下作业实验系统进行了运动学分析,建立了运动学方程,并对原有水下作业系统的机械本体和液压系统进行了修复和完善。针对水下作业系统中机械手的关节驱动形式,建立了阀控非对称缸的数学模型,并对其特性进行了分析。提出采用Fuzzy-PID的控制策略,并与常规PID控制进行了仿真对比,仿真结果表明,采用Fuzzy-PID比采用单纯PID控制策略有更好的适应性。 针对水下作业系统,进行了电液伺服阀和电磁阀驱动电路的设计。设计了基于PC机的控制系统,并对其软硬件进行了调试。考虑到水下作业的特殊性,同时设计了基于单片机的控制系统,该控制系统是以M16为核心的单片机系统。在基于单片机的控制系统中,用户只需通过调节控制盒上的相应电位计和操作键盘上的相应按键便可完成对水下作业系统控制。 论文最后进行了水下作业系统性能实验研究。对机械手的动、静态特性和相关环节元器件的性能进行了实验测试。实验结果表明,该控制系统能够满足机械手与自动工具库的对接和更换工具的要求。
李翔[3]2003年在《基于自动微分算法的过程系统优化》文中研究指明随着计算机技术的飞速发展和企业自动化程度的不断提高，过程系统优化已经从纯学术的理论发展成为能对工业起到巨大推动作用的技术力量，成为过程工业企业保持竞争力、在激烈的市场竞争中立于不败之地的主要技术手段。过程系统优化的核心是数学规划算法。当前的高性能数学规划算法大都依赖于导数计算以快速收敛到最优点，所以对求导精度的要求比较高；而导数计算所消耗的时间占优化时间的比例又非常的大。所以，求导问题是优化问题中一个非常重要的方面，值得过程系统优化的研究人员进行深入的分析。在过程系统优化中，一个理想的求导算法应该能够快速求取程序模块的解析导数。近年来发展迅速的自动微分算法比较好地满足了这个条件，并已在优化中得到了广泛的应用。但是，鉴于过程系统优化中模型的复杂性，现有的自动微分算法还有许多不足之处，需要得到进一步地改进。本文基于自动微分算法的过程系统优化研究，就是通过结合过程建模和优化的特点，改进现有的自动微分算法，并将其和优化算法结合以达到提高过程系统优化总体效率的目的。本文的研究工作主要有以下几点：在阐述过程系统优化的各类任务及其对应的数学规划问题的求解方法的基础上，分析和总结了求导和优化之间的关系，指出在优化中使用自动微分的优势。通过系统阐述自动微分算法的理论和相关技术，分析其固有的优点和缺点，为算法的改进提供了理论基础并指明了研究方向。通过比较和分析符号微分和自动微分，提出了一种新型的符号求导算法--符号自动微分算法。符号自动微分具有可对子程序形式的函数求导、可以充分利用模型的稀疏性、无需辅助操作的优点，非常适合针对结构相对简单、计算式以多项式为主的过程系统模型求导。开发了能同时实现数值自动微分和符号自动微分的扩展的自动微分工具--XADMAT，并将其成功地应用在一个典型的过程系统优化问题中。研究了过程建模与优化、求导的关系。分析和比较了当前两大基本建模方法--联立方程法和序贯模块法对优化效率的影响，指出结合这两种方法优点的复合建模方法在优化中的优势，并通过一个精馏塔稳态优化问题验证了这一结论。分析了建模方法对求导效率的影响，指出不同的求导算法适用于不同结构的过程模型，提出对于复杂模型求导最好的方法是根据其不同模块的特点采用合适的求导算法。11 浙江大学硕士学位论文．提出了一种结合现有的求导算法对复杂模型求导以大幅提高求导效率的方 法——面向模块的自动微分算法。该方法沿袭前向自动微分拆分元函数和利 用链式求导法则组合元偏导数的求导思路，将模型拆分为子模块逐次处理。 讨论了子模块连接的两类方法——直接连接法和间接连接法，从理论上证明 了直接连接方法的优势。面向模块的自动微分可以更加灵活和充分地利用模 型的结构特点，这个优势在精馏塔稳态优化和缩聚反应釜动态优化这两个典 型的工业过程系统优化问题中得到了充分的体现。．研究了面向模块的自动微分的核心问题——模型的分割和子模块求导算法 的选择。提出了以最小函数为基本单元，并惜助模型稀疏信息和导数计算复 杂程度的信息来分割模型的总体思路。提出通过计算模型变量导数的稀疏模 式矩阵来获得模型的稀疏性结构。定义了模块复杂度的概念来表征求导算法 对模块求导所需的单元标量计算次数，并以此为依据来为模块选择最合适的 求导算法。通过精馏塔稳态优化和缩聚反应釜动态优化问题验证了上述分析 方法的有效性。
杜维杰[4]2005年在《水下作业机械手与工具自动对接技术研究》文中指出水下作业系统是水下机器人的重要部分,包括水下作业机械手、水下作业工具库、水下作业工具及控制系统。研究机械手与工具的自动对接技术对于系统在水下自动更换作业工具,不返回水面便可完成复杂的作业任务有着重要意义。 本文介绍了水下作业系统的各个组成部分,主要对水下作业机械手和水下作业工具库的机械结构和控制系统进行了分析;建立了机械手和工具库的齐次变换矩阵,分析研究了机械手与工具的对接策略,以及机械手的对接位姿、工具库的对接位姿和工具库相对于机械手的位姿,从而确定了对接时机械手与工具库的位姿关系;机械手的大臂摆动关节、小臂俯仰关节、手腕俯仰关节都是由对称阀控制非对称液压缸驱动的,利用机械手单关节伺服控制系统的传递函数(包括伺服阀滑阀阀芯向左和向右运动时系统的传递函数)可以求出单关节静刚度;用微分变换法构造机械手的雅克比矩阵,利用单关节静刚度和雅克比矩阵求出机械手的操作柔度,进而得到机械手末端静刚度;最后对机械手和工具的对接系统进行了分析,包括液压自动对接腕和油路系统。
郑小青[5]2006年在《自动微分算法研究及其在过程系统优化中的应用》文中提出在流程工业自动化系统中,优化起着非常重要的作用,如何提高优化的求解速度和精度是一个意义重大且富有挑战性的研究课题。而在优化计算过程中,导数是至关重要的信息,因为它代表了寻优过程的搜索方向。同时,导数求解的耗时在整个优化时间中往往占有很大的比重,尤其是在对大规模复杂计算流程进行优化时,求导耗时往往成为提高优化效率的瓶颈。由此,寻找一种精确又快速的求导算法是提高优化计算效率最有效的途径,这也是本文工作的重点所在。 通过研究当前热门的自动微分求导算法,并将其应用于精馏塔灵敏度分析过程,以及应用于本文建立的乙烯生产流程脱丙烷和脱丁烷塔的联塔模型的优化计算过程,再与传统的差分法和稀疏差分法进行比较,分析求导算法的不同对优化效率的影响。 本文的研究工作包括以下几个方面: 1.简要介绍过程系统优化的重要性,通过分析求导和优化的关系,强调求导在优化计算中的重要性。并介绍自动微分算法的发展和应用、基本原理和自动微分算法的发展。再着重分析和比较自动微分算法的两种实现方式:基于操作符重载和基于编译原理,并同传统的差分法和稀疏差分法进行比较分析,找寻最可行有效的求导算法。 2.对乙烯生产流程中两个重要的单元脱丙烷塔和脱丁烷塔,采用开放方程法在MATLAB平台建立联塔数学模型,并对联塔模型进行模拟计算,将计算结果同ASPEN流程模拟结果进行比较,以验证模型的合理性。 3.实例分析自动微分算法在精馏塔优化计算的灵敏度分析中的应用,包括将其应用于灵敏度分析过程,以及灵敏度的并行计算过程。 4.实例分析自动微分算法在过程系统优化计算中的应用,包括将自动微分应用于乙烯生产流程的脱丁烷单塔以及联塔的优化计算中,并比较和分析其对优化效率的影响。
江爱朋[6]2005年在《大规模简约空间SQP算法及其在过程系统优化中的应用》文中进行了进一步梳理当前,以严格机理开放式方程建模为基础的流程工业优化成为国际主流的发展方向,流程工业过程优化正由单元、装置级别的局部优化转向更高级别的全厂、整个生产流程级别的系统优化方向发展,闭环在线优化也从稳态优化向更高级、更复杂的动态优化发展。由于过程系统优化向着大规模、大系统等方向发展,且由于过程对象的高度复杂性、强非线性和不确定性等特点,使得流程工业大规模优化无论在理论研究,还是在实际应用中都面临着巨大的挑战。如何针对流程工业大规模优化命题的结构、稀疏性等特点,开发高效可靠的大规模优化算法与技术,是当前急需解决、极有挑战性的前沿课题。 本文根据流程工业大规模过程系统优化的需求,在对国内外现有研究成果及其技术进行系统总结和把握的基础上,针对过程系统流程的特点,对基于简约空间SOP算法的大规模优化算法进行深入的研究,并将改进的优化算法用于大规模乙烯生产过程中精馏塔的操作优化。在此基础上,本文也对动态过程系统优化进行了有益的探讨。 本文的主要研究工作包括以下几个方面: 1.分析了企业综合自动化和大规模过程系统优化的背景和推动力,对国内外相关领域的发展脉络进行了系统的总结和阐述,并指出了大规模优化技术在理论和应用方面存在的困难。 2.对简约空间SQP算法原理、计算框架和关键环节进行了详细的分析,在此基础上对算法进行了改进,提出了一种智能的基变换规则,可以减小大型矩阵运算所需的计算量,且基变量的变换在迭代过程中实时更新,增强了算法的稳定性和鲁棒性;提出了一种综合过滤线性搜索方法,结合了传统线性搜索方法和过滤搜索方法的优点,提高了算法的求解效率,减少了算法的迭代次数。在此基础上,开发了大规模非线性优化软件包UniOptima,建立了非线性优化标准算例库。 3.针对过程系统中自由度相对较大的优化命题,对简约空间SQP算法进行了扩展,提出了基于有限存储的RSQP算法。在算法中隐式地表示算法中最大的矩阵—简约空间Hessian阵和二次项矩阵,大大减少存储量的
王晨曦, 李新国[7]2012年在《自动微分技术及其在轨迹优化中的应用》文中进行了进一步梳理研究了自动微分技术在直接配点法中的应用,将其与内点非线性规划算法相结合,用于求解配点法转化得到的非线性规划问题。采用前向自动微分模式,利用ADOL-C实现了基于算子重载的自动微分计算;为验证算法的性能,以经典的航天飞机再入轨迹优化问题为例,针对叁种直接配点格式,比较了自动微分法和有限差分法用于微分计算的性能。研究结果表明,自动微分可以提高微分信息计算的精度和效率,进而提高非线性规划算法的稳定性和收敛速度。
张朝磊, 吴海燕[8]2012年在《基于离散伴随方法的透平叶栅压力反设计研究》文中进行了进一步梳理根据离散伴随方法理论和自动微分技术,由流场求解器源代码构造了相应的离散伴随场求解器.通过耦合参数化程序、网格生成程序、流场求解器和伴随场求解器,建立了适用于叶轮机械叶栅的气动优化设计系统.利用该系统,对某二维跨音速透平叶栅在给定叶型表面目标压力分布的情况下,通过构造合适的目标函数将叶栅反设计问题转化为叶栅气动优化设计问题,成功进行了气动反设计.反设计结果表明,文中建立的叶栅气动优化设计系统能够根据给定的叶型表面压力分布有效地进行压力反设计,验证了该方法的正确性与有效性.
耿光超[9]2014年在《电力系统稳定约束最优潮流：模型、算法与并行化》文中研究表明稳定约束最优潮流是电力系统运行与控制决策中的重要研究课题,它能够在最小化系统运行成本的同时,通过调整稳态运行点提升系统受扰后的动态性能,包括系统的暂态稳定性和短期电压稳定性。稳定约束最优潮流在数学上属于动态优化问题,即含有微分代数方程组约束条件的非线性规划问题,在涉及含复杂模型的大规模电力系统、长仿真时间窗口和多预想故障时,其求解过程计算时间长、耗用内存多,计算复杂性是该问题研究的主要理论和技术障碍。本文着重研究了基于数值优化理论和高性能计算技术高效求解稳定约束最优潮流问题的优化算法及其并行化实现,主要研究内容及其学术成果包括：1)提出了统一考虑电力系统暂态稳定和短期电压稳定约束的稳定约束最优潮流模型,给出了其基于动态优化问题的数学模型。同时针对复杂电力设备元件的动态模型集成问题,基于面向对象设计和自动微分技术,提出了应用于稳态和暂态分析的系统化复杂模型集成方法,进而设计并实现了应用于稳定约束最优潮流的模块化框架,提升了其算法实现的灵活性,拓展了该优化模型的应用前景。2)针对动态优化问题的两个算法阶段,即微分代数方程组的转化阶段和非线性规划问题的求解阶段,提出了基于直接多重打靶法和简约空间内点法的两阶段数值优化算法。与已有研究成果相比,该优化算法能够充分利用稳定约束最优潮流的问题特点和结构性质,从而显着提高优化算法的收敛性能和计算效率。通过一系列大规模电力系统算例的数值实验,验证了所提出两阶段优化算法的有效性。3)对于稳定约束最优潮流问题的优化求解过程,在不同的算法层面提出了可组合使用的四种并行分解策略,即预想故障分解策略、矩阵分块分解策略、打靶区间分解策略和轨迹灵敏度参数分解策略。能够充分利用基于多核CPU的计算集群、对称多处理平台和图形处理器(GPU)等多种高性能计算平台的计算资源,实现了问题求解的多层并行化,有效提高算法执行的计算效率,拓展能够求解的计算规模。
胡全义[10]2017年在《基于键合图的多领域统一建模与仿真技术研究》文中研究指明复杂机电液系统集成了机械、电气、液压及控制等多种学科领域,具有复杂性、异构性及“信息”和“物理”相融合等特征,多领域统一建模与仿真技术正是针对不同学科子系统之间的耦合进行整体性能预测、分析和优化的关键技术,为复杂机电液系统的创新设计及并行开发提供了有效的解决途径。键合图和面向对象建模是当前最常用的两种多领域统一建模方法,其基于组件连接机制的建模方式常导致系统方程中普遍存在“代数环”和“微分因果关系”问题,对系统状态方程推导和微分代数方程(DAEs)数值求解等带来很大困难。键合图方法所特有的因果关系分析能显化“代数环”和“微分因果关系”问题,基于该优点,本文从键合图模型修正及基于键合图的符号/数值混合算法的角度考虑其对策;另外,基于面向对象的Modelica建模语言开发键合图仿真工具BGSim,从而为处理“代数环”和“微分因果关系”问题提供有效的技术支撑。主要研究内容和结论如下:(1)利用因果路径分析方法,实现了键合图模型中“代数环”和“微分因果关系”问题的显化,讨论了其本质、产生原因及其对系统状态方程推导造成的影响,并基于场和结型结构理论,由“代数环”和“微分因果关系”键合图模型,分别推导出具有不同表现形式的DAEs方程。提出在复杂非线性情况下,应当接受模型中存在“代数环”和“微分因果关系”问题:一方面,便于直接构建非线性系统键合图模型,从而避免模型的修正;另一方面,易于推导出一组相对简单、易于编程实现的DAEs方程,适于自动建模仿真技术的应用。(2)从奇异摄动问题的角度探讨Karnopp-Margolis模型修正方法消除“代数环”和“微分因果关系”问题的基本原理,分析了基于频域分析方法确定微小参数储能元的合理值存在的局限性;从时域、能量交互的角度,提出一种基于相对活性分析的参数确定方法,可以实现对多个增补储能元分别确定合适的参数,同时考虑输入激励及系统阻尼对快、慢子系统解耦情况的影响,具有计算简单、物理意义明确等特点,而且能量交互的属性使其更适于键合图模型的修正。另外,提出通过调整寄生阻性元参数,使微小参数储能元产生的最快频率分量子系统转换为临界阻尼系统,从而减轻数值刚性的影响,提高计算效率。(3)基于键合图场和结型结构理论,提出以外部功率键变量作为系统变量、利用组件属性约束方程和结构约束方程列写系统基本方程的方法,能够获得较少冗余的DAEs方程及显式代数约束方程,从而简化后续指标约简过程。结合键合图能够显化“代数环”和“微分因果关系”的特点及面向对象建模方法常用的符号/数值混合算法,提出一种基于键合图因果路径分析确定“撕裂变量”的新算法,可以得到一组具有较少数量的“撕裂变量”,且利用“受控汇”组件在模型中表达相应的撕裂信息,能够得到基于键合图模型的符号/数值混合算法数值求解过程,从而顺利解决由“代数环”和“微分因果关系”问题所得高指标DAEs方程的数值求解问题。(4)从键合图和面向对象建模方法相融合的角度,开发了面向对象的键合图仿真工具BGSim。BGSim遵循Modelica组件连接机制,支持非因果键合图、含“代数环”和“微分因果关系”问题非标准型键合图的自动建模与仿真,而且与Modelica标准模型库具有良好的兼容性。另外,通过“基于压差控制的新型负载敏感系统”开发实例,完成了系统建模、试验验证及仿真分析等任务,从而验证了本文研究内容及BGSim仿真工具在处理复杂机电液系统建模与仿真分析的有效性。本课题属于多领域统一建模与仿真技术的基础研究,本文的研究内容具有理论意义和应用价值,为复杂机电液系统动力学分析及设计提供理论基础和仿真工具支持。
参考文献：
[1]. 自动微分工具实现技术研究[D]. 李萍. 中国人民解放军国防科学技术大学. 2002
[2]. 水下作业机械手及自动工具库控制系统的研究[D]. 王春林. 哈尔滨工程大学. 2005
[3]. 基于自动微分算法的过程系统优化[D]. 李翔. 浙江大学. 2003
[4]. 水下作业机械手与工具自动对接技术研究[D]. 杜维杰. 哈尔滨工程大学. 2005
[5]. 自动微分算法研究及其在过程系统优化中的应用[D]. 郑小青. 浙江大学. 2006
[6]. 大规模简约空间SQP算法及其在过程系统优化中的应用[D]. 江爱朋. 浙江大学. 2005
[7]. 自动微分技术及其在轨迹优化中的应用[J]. 王晨曦, 李新国. 飞行力学. 2012
[8]. 基于离散伴随方法的透平叶栅压力反设计研究[J]. 张朝磊, 吴海燕. 江西理工大学学报. 2012
[9]. 电力系统稳定约束最优潮流：模型、算法与并行化[D]. 耿光超. 浙江大学. 2014
[10]. 基于键合图的多领域统一建模与仿真技术研究[D]. 胡全义. 大连理工大学. 2017
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