Automatic differentiation of the CapeML high-level language for process engineering

• Automatische Differentiation von CapeML-Hochsprachmodellen der Verfahrenstechnik

Petera, Monika Anna; Bischof, Christian (Thesis advisor)

Aachen : Publikationsserver der RWTH Aachen University (2011, 2012)
Doktorarbeit

Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2011

Kurzfassung

Zur Beschreibung dynamischer Phänomene in der Verfahrenstechnik steht eine Reihe von Modellierungswerkzeugen zur Verfügung, die deklarative, gleichungsorientierte Sprachen wie beispielsweise gPROMS oder Modelica verwenden. Diese primär zur Simulation konzipierten, domänenspezifischen Sprachen werden immer häufiger auch zur Lösung von Optimierungsproblemen (optimale Steuerung, Parameterschätzung oder Versuchsplanung) eingesetzt. Solche Anwendungen erfordern typischerweise die Berechnung von ersten und höheren Ableitungen der zugrundeliegenden verfahrenstechnischen Modelle. Diese Ableitungen wurden bisher häufig mittels Differenzenquotienten approximiert. Für ein existierendes dynamisches Optimierungssystem aus der Verfahrenstechnik wird ein spezielles Software-Werkzeug namens ADiCape entwickelt, das exakte Ableitungen zur Lösung eines gegebenen Optimierungsproblems bereitstellt. Beim Entwurf dieses innovativen Werkzeugs wurden Techniken des automatischen Differenzierens (AD) eingesetzt. Diese Techniken erlauben unter der Betrachtung und Ausnutzung von Problemstrukturen die ersten und zweiten Ableitungen effizient zu berechnen. Um die Technologie zur Ableitungsberechnung nicht nur an eine einzige Hochsprache zu binden, werden die Programmtransformationen in eXtensible Style-sheet Language Transformation (XSLT) auf einem sprachneutralen, XML-basierten Zwischenformat namens CapeML ausgeführt. Die Transformationszeiten mit ADiCape und die Laufzeiten der Ableitungsberechnung wurden in dieser Arbeit anhand mehrerer Testbeispiele präsentiert. Das vorgestellte Ergebnis der Optimierung eines industriellen Prozesses beweist die erfolgreiche Integration von ADiCape-generierten Ableitungen in eine Optimierungsumgebung der Verfahrenstechnik.