化工系统工程基础lesson5序贯模块法子系统收敛课件.pptx
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1、11.基本知识基本知识2.非线性代数方程数值解法非线性代数方程数值解法3.非线性代数方程组数值解法非线性代数方程组数值解法4.微分方程组数值解法微分方程组数值解法2.4 切割物流变量的收敛(常用数学方法)切割物流变量的收敛(常用数学方法)21.基本知识基本知识过程系统的数学模型是过程系统的数学模型是一组非线性方程组一组非线性方程组,切割流线变量的收敛问题,切割流线变量的收敛问题实际上是一个迭代求解非线性方程组的问题:实际上是一个迭代求解非线性方程组的问题:当假设值当假设值x与计算值与计算值y之差小于收敛容差之差小于收敛容差时:时:则则x为为切割流线变量的收敛解切割流线变量的收敛解。34方程的两
2、种表达形式方程的两种表达形式方程:方程:隐式表达形式:隐式表达形式:显式表达形式:显式表达形式:1、对于、对于不同表达形式不同表达形式下的下的同一同一方程,可能适合采用方程,可能适合采用不同不同的的求解方法求解方法。2、两种表达形式可以、两种表达形式可以互换互换,且每一种表达方式下都可能存,且每一种表达方式下都可能存在在非同等效方程形式非同等效方程形式。例:例:5两种表达方式转换的通式:两种表达方式转换的通式:容易实现转换容易实现转换难以匹配恰当难以匹配恰当6收敛单元收敛单元:数值迭代求解非线性方程组的子程序。:数值迭代求解非线性方程组的子程序。适用于收敛单元的适用于收敛单元的数值方法数值方法
3、一般应一般应尽可能满足尽可能满足:(1)对初值的要求不高对初值的要求不高。切割变量的初值可根据流线的实际意义给。切割变量的初值可根据流线的实际意义给出,要求初值组数少的方法更实用。出,要求初值组数少的方法更实用。(2)数值稳定性好数值稳定性好。好的迭代方法应该对各种问题都能得到收敛的。好的迭代方法应该对各种问题都能得到收敛的解。解。(3)收敛速度快收敛速度快。三个主要影响因素:。三个主要影响因素:迭代次数;迭代次数;函数函数G(x)的的计算次数,即一次流程回路的模拟计算;计算次数,即一次流程回路的模拟计算;矩阵求逆的次数。矩阵求逆的次数。(4)占用计算机存储空间少占用计算机存储空间少。流程模拟
4、计算量大,数值计算的存储。流程模拟计算量大,数值计算的存储空间问题也需要考虑。空间问题也需要考虑。这些要求很难同时满足,可以根据实际问题有所侧重。这些要求很难同时满足,可以根据实际问题有所侧重。7迭代过程迭代过程迭代的结果:迭代的结果:收敛待解变量向方程的解逐渐、无限逼近。收敛待解变量向方程的解逐渐、无限逼近。发散待解变量离方程的解越来越远。发散待解变量离方程的解越来越远。振荡待解变量的取值不断重复同样的变化。振荡待解变量的取值不断重复同样的变化。收敛精度,收敛容差收敛精度,收敛容差:凭经验,或工程精度要求人为设定,足凭经验,或工程精度要求人为设定,足够小的正数够小的正数收敛判据收敛判据绝对误
5、差:差:相相对误差:差:8一、直接迭代法(一、直接迭代法(Direct substitution method)(1)显式方程)显式方程(2)迭代公式:)迭代公式:(3)收敛特性:)收敛特性:n=1,线性收敛,线性收敛2.非线性代数方程数值解法非线性代数方程数值解法收敛收敛y=(x)xk xk+1(xk)(xk+1)y=x9举例举例举例举例:x3 -27=0,x*=3发散发散振荡振荡收敛收敛直接迭代收直接迭代收敛的必要条件:在解的附近,有的必要条件:在解的附近,有|(x)|1,在原有正确方向基础上加大步长。即外推。,在原有正确方向基础上加大步长。即外推。n振荡收敛时,可取振荡收敛时,可取01,
6、在原有正确方向基础上缩小步长。即内插。,在原有正确方向基础上缩小步长。即内插。n振荡发散时,可取振荡发散时,可取01,在原有正确方向基础上缩小步长。即内插。,在原有正确方向基础上缩小步长。即内插。n单调发散时,可取单调发散时,可取0,沿直接迭代的相反方向进行改进。可称,沿直接迭代的相反方向进行改进。可称“反推反推”。15发散,发散,0.05振荡,振荡,0.5收敛,收敛,1.416直直接接迭迭代代法法17(1)显式形式)显式形式(2)迭代公式)迭代公式连接连接(k1)点、点、(k)点直线:点直线:与直线与直线yx的交点:的交点:三、韦格斯坦法(三、韦格斯坦法(Wegstein method)xk
7、-1 xk xk+1(k-1)(k)(k+1)(x)yk-1=(xk-1)yk=(xk)18公式:公式:初始:初始:设设x(0),用直接迭代得到,用直接迭代得到x(1)(两点法)(两点法)(3)收敛特性)收敛特性 1 n 2,超线性收敛,超线性收敛 当当 ,可能导致迭代失败,可能导致迭代失败,“有界有界Wegstein法法”:经验地将:经验地将限制在某一范围内。限制在某一范围内。与部分迭代法有区与部分迭代法有区别19(1)隐式形式)隐式形式(2)迭代公式)迭代公式基本思想:设法将非线性方程转化为某种线性方程近似求解基本思想:设法将非线性方程转化为某种线性方程近似求解f(x)在在 xk 点一阶展
8、开:点一阶展开:得到:得到:xxkx*f(x)f(xk)xk+1四、牛顿法(四、牛顿法(Newton method)方向方向步步长20(3)收敛特性)收敛特性 n=2,二阶收敛,二阶收敛缺点:缺点:a.初值点选择影响收敛结果,对初值选择敏感;初值点选择影响收敛结果,对初值选择敏感;b.需要用分析法或数值法获得导数,不适合复杂函数需要用分析法或数值法获得导数,不适合复杂函数(4)近似牛顿法)近似牛顿法用差分代替微分:用差分代替微分:用前两点连线的斜率近似导数:用前两点连线的斜率近似导数:(割线法,与(割线法,与Wegstein法公式相同)法公式相同)21解析法与数值法解析法与数值法 要充分小到能
9、够获得导数的一个精确的近似值,但又不能小要充分小到能够获得导数的一个精确的近似值,但又不能小到产生显著的舍入误差。到产生显著的舍入误差。22单变量非线性方程数值解法比较单变量非线性方程数值解法比较23在序贯模块法中,在序贯模块法中,迭代计算不可分割子系统迭代计算不可分割子系统以流股以流股5为切断物流为切断物流1)假设假设X5的初值的初值X50;2)调用单元模块计算单元调用单元模块计算单元,求得单元,求得单元的输出变量的输出变量X2,即,即X2=1(X1,X50)3)调用单元模块计算单元调用单元模块计算单元,求得单元,求得单元的输出变量的输出变量X3,即,即X3=2(X2,X6)4)调调用用单单
10、元元模模块块计计算算单单元元,变变量量X5的的计计算算值值X5和和不不可可再再分分块块的的输输出出X4,即,即X5 35(X3),X4 34(X3)5)将将X5的的计计算算值值直直接接作作为为假假设设值值(直直接接迭迭代代法法),令令X50=X5,重重复复(2)(5),进进行行迭迭代代计计算算,直直至至X5和和X5之之间间的的差差值值满满足足收收敛敛精精度度。最最后后一次迭代计算时所得一次迭代计算时所得X2X5的值即为该不可再分块的解。的值即为该不可再分块的解。24方程组的迭代求解方程组的迭代求解迭代通式:迭代通式:X(k+1)=X(k)+X(k)收敛判据收敛判据绝对误差绝对误差:相对误差:相
11、对误差:方程组的表达方式方程组的表达方式3.非线性代数方程组数值解法非线性代数方程组数值解法25一、直接迭代法与部分迭代法一、直接迭代法与部分迭代法1、显式表达:、显式表达:X=(X)2、迭代公式、迭代公式:X(k+1)=X(k)+(X(k)-X(k)即:即:xi(k+1)=xi(k)+(i(X(k)-xi(k)(i=1,n)当当 1时,转化为直接迭代公式:时,转化为直接迭代公式:X(k+1)=(X(k)即:即:xi(k+1)=i(X(k)(i=1,n)一个参数一个参数“一个方程迭代一个一个方程迭代一个变量量”263、收敛性、收敛性v 线性收敛,线性收敛,n=1v 对于隐式向显式形式转化时,对
12、于隐式向显式形式转化时,方程与变量的匹配十分重要方程与变量的匹配十分重要,即,即 (X)构造对收敛有影响:构造对收敛有影响:收敛的收敛的充分条件充分条件:每一次迭代的:每一次迭代的Jacobian矩阵的矩阵的|1|均小于均小于1。收敛的收敛的必要条件必要条件:在解:在解x=x*处,处,Jacobian矩阵的矩阵的|1|小于小于1。v 根据初值选择不同,收敛结果一般为局部收敛。根据初值选择不同,收敛结果一般为局部收敛。27二、韦格斯坦法(二、韦格斯坦法(Wegstein method)1、显式形式:、显式形式:X=(X)2、迭代公式:、迭代公式:也可以表示为:也可以表示为:n个参数个参数283、
13、收敛性、收敛性1 n 2,超线性收敛。,超线性收敛。“一个方程收敛一个变量一个方程收敛一个变量”隐式形式隐式形式 F(X)=0,可以用可以用割线法割线法29例:例:30三、牛顿拉夫森法(三、牛顿拉夫森法(Newton-Raphson method)1、隐式形式、隐式形式 F(X)02、迭代公式、迭代公式函数向量函数向量F(X)在在 X=X(k)处一阶台劳展开,可得:处一阶台劳展开,可得:F(X)=F(X(k)+J(k)(X-X(k)=0迭代公式:迭代公式:X(k+1)=X(k)-(J(k)-1 F(X(k)或加入阻尼因子或加入阻尼因子t(k):X(k+1)=X(k)-t(k)(J(k)-1 F
14、(X(k)式中,式中,Jacobian矩阵:矩阵:313、收敛性、收敛性n=2,二次收敛,二次收敛“每个变量的收敛与整个方程组有关每个变量的收敛与整个方程组有关”问题问题:J(k)如果奇异,将导致求逆失败。如果奇异,将导致求逆失败。原因原因1:待解方程本身冗余或有矛盾方程存在:待解方程本身冗余或有矛盾方程存在 检查和修正方程组检查和修正方程组原因原因2:迭代过程中出现奇异或近似奇异:迭代过程中出现奇异或近似奇异Jaconbian矩阵矩阵 用下式替换:用下式替换:X(k+1)=X(k)-(J(k)q I)-1 F(X(k)根据经验,根据经验,q=1.1|J(k)|1,可满足要求,可满足要求 矩阵
15、的矩阵的1范数范数32例:例:a=0.0001,X*=(1,8,4)T初值:初值:X(0)=(2,10,5)T,直接迭代,直接迭代,20次,收敛次,收敛Wegstein,10次,收敛次,收敛Newton-Raphson,4次,收敛次,收敛 X(0)=(4,10,5)T,直接迭代,直接迭代,22次,收敛次,收敛Wegstein,14次,收敛次,收敛 X(0)=(4,3,5)T,发散发散 X(0)=(8,2,1)T,发散发散局部收敛性局部收敛性33建立残差函数:建立残差函数:0.00000.0000,0.0000,0.0000T1.0000,8.0000,4.0000T50.0018-0.0003
16、,0.0017,0.0003T0.9995,8.0002,3.9999T40.17290.0014,0.1711,-0.0247T0.9636,8.0185,3.9932T35.55841.4871,5.3527,-0.1837T0.7084,8.3416,4.0334T251.419618.414,48.000,0.951T2,10,5T1n344、拟牛顿法、拟牛顿法(Quasi-Newton method)的基本思路的基本思路用矩阵用矩阵 H(k)代替代替Newton-Raphson法中的法中的(J(k)-1公式:公式:X(k+1)=X(k)-H(k)F(X(k)H(k)构造方法不同一系列
17、构造方法不同一系列Quasi-Newton 法法35四、布洛伊顿法(四、布洛伊顿法(Broyden method)(一种典型的拟牛顿法)(一种典型的拟牛顿法)1、迭代公式、迭代公式2、迭代初始点和初始迭代矩阵的确定、迭代初始点和初始迭代矩阵的确定初始点初始点X(0),初始迭代矩阵,初始迭代矩阵 H(0)-(J(0)-1,或单位阵,或单位阵 I3、收敛特性:、收敛特性:1 n 2,超线性收敛,超线性收敛“每个变量的收敛与整个方程组有关每个变量的收敛与整个方程组有关”36作业:作业:1、用直接迭代法求方程的解,并用、用直接迭代法求方程的解,并用|(x)|1进行收敛性的验证。进行收敛性的验证。2、分
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