基於NMPC的兩核尿素SCR系統排放控制方法與流程

2023-04-29 15:33:41 3

本發明屬於柴油機尿素SCR排放後處理系統控制技術領域，具體涉及一種基於非線性模型預測控制(NMPC)的兩核尿素SCR系統排放控制方法。

背景技術：

由於其稀燃的特性，柴油機會比汽油機產生更多的NOx有害氣體。隨著全世界範圍內針對NOx排放越來越嚴格的法規出臺，多種為降低NOx的排放後處理系統面世了。這些技術就包括尿素選擇性催化還原(SCR)系統。尿素SCR系統工作時則不需額外燃油，而且尿素消耗也相對較低，憑藉這些優勢，已經在汽車工業界佔據一定優勢。在我國，目前的實際國情是燃油中硫含量較高，而且許多種排放控制技術推廣都受到限制。所以，憑藉其對硫的敏感性較低的特性，尿素SCR排放後處理技術在我國的發展更具優勢。

尿素SCR技術的基本原理是利用NOx與氨(NH3)之間的氧化還原反應，而所用的氨一般都來源於32.5％的尿素溶液(添藍溶液)。雖然氨能夠還原NOx，但其較高的排放也是對人體有害的，並且有著刺鼻的氣味。為實現較高的NOx轉化效率，要有充分的氨做為還原劑；但是，這一點反過來會增加氨的逃逸量，這一矛盾成為了尿素SCR系統研究面臨的主要挑戰之一。目前更為普遍的共識是，通過改進尿素噴射控制技術達到上述目標，是一種較便捷且經濟的方法。

由於NOx傳感器和NH3傳感器在實際的工業應用中都存在一定問題，於是有學者提出了一種綜合的反饋方法，即以氨覆蓋率為反饋控制目標。目前，對氨覆蓋率的測量只能在實驗室環境下完成，所以有學者已經提出了一些估計方法。基於上述估計方法，有學者提出了一些非線性跟蹤控制方法。此外，針對如何獲取理想的氨覆蓋率控制目標問題，有學者也提出了一些模型預測控制方法。上述方法已經取得了較好的排放控制效果，但是控制器設計步驟有些繁瑣，推導過程略顯複雜，工業應用存在一定困難。

模型預測控制(MPC)是一種滾動優化求最優解的方法，能精確的處理時域約束並有效地處理多目標優化問題。對一個線性系統，MPC算法能夠給出最優解。但對非線性系統來講，必須採用NMPC求解工具求解。近年來，NMPC被廣泛用來解決了一些工業上的控制問題。

技術實現要素：

本發明的目的是要提供一種基於NMPC的兩核尿素SCR系統排放控制方法，該方法集中解決了兩核尿素SCR系統存在的排放受限、執行機構飽和等問題的多目標優化問題；由於兩核尿素SCR系統具有強烈的非線性，不能通過歐拉公式等數學方法直接推導對等的離散方程，常規的動態規劃方法不能直接應用，因此，本發明基於插值和非線性優化方法，提出了一種NMPC尿素噴射控制器。

本發明的目的是這樣實現的，一種基於NMPC的兩核尿素SCR系統排放控制方法，包括以下步驟：

步驟一、建立面向控制的兩核八階尿素SCR系統模型；

尿素SCR系統單核模型可以由常微分方程表示如下：

上述公式中的參數定義如下：

表1和表2分別顯示了模型中所有常量和變量的相關定義及參數名義參考值。

表1常量命名法

表2變量命名法

單核SCR系統結構能夠大致表述系統化學反應。然而，要想精確地描述SCR系統化學反應動態特性，級聯的多核結構是必不可少的。而且，經過試驗驗證指出，至少需要兩核結構。為了更好地描述SCR系統沿催化器軸向的狀態分布特性，同時對模型複雜程度保持一個可操作的水平，本發明技術方案提出一種由主從兩個單元構成的模型。

如公式(4)所示，基於公式(1)的單核模型和氣體成分的流量與濃度關係公式(3)，提出了一個面向控制的兩核八階SCR系統模型。

為了通過尿素噴射調節實現排放控制，將和Tin等參數看作是可測變量，考慮的系統動態是以及T。兩單元主從結構尿素SCR系統模型如附圖1所示。下標1代表靠近排氣管出口的主核，下標2代表靠近尿素噴射器的從核。主核和從核的體積比是2∶1，這能夠最大化尿素噴射控制器的作用。控制輸入量是控制輸出量是約束輸出是

步驟二、提出尿素SCR系統NMPC優化問題描述方法；

以歐6(EURO 6)的排放標準以及康明斯ISBE4型尿素SCR系統為參考，提出的優化問題描述如公式(5)-(6)所示。

Np是預測時域，Nu是控制時域，Nu≤Np並假設控制時域之外控制量是不變的；是系統的控制輸出序列，優化的控制序列增量為Δu(k)，Re(k+1)是參考輸入序列，yb(k)是系統約束輸出，q＝1，2，…，Nu-1和m＝0，1，2，…，Np。使得NOx排放快速收斂到排放法規限值。控制目標為Re(k+1)為NOx，in*10％，即實際的控制目標為90％的NOx平均轉化效率。考慮到執行器尿素噴嘴的實際性能，提出的控制動作限制為umax(k)＝1000mg/s，Δumax(k)＝50mg/s。J2＝||Γuu(k)||2+||ΓduΔu(k)||2能保證控制動作及增量變化率儘可能的小。並且，提出的系統約束輸出氨逃逸的最大值為40PPM。

步驟三、提出兩核尿素SCR系統NMPC尿素噴射控制器運行步驟。

1、在第一個預測時域內，假設所有採樣周期內u(k)的初值為umax。

2、在Simulink軟體中，利用非線性數值算法工具箱NAG求解上述代價函數及約束問題，得到控制時域內所有採樣周期的最優解。

3、假設得到並被執行的第k步控制時域的最優解為uopt(k)＝[uopt(k)，uopt(k+1)，…，uopt(k+q)]，該值作為第k+1步的初值。

4、重複第2步，直到整個循環結束。

通過上述三個步驟，NMPC尿素噴射控制器每個採樣周期的控制輸出uopt(k)，作為控制輸入量傳遞給SCR系統。經過系統內部的化學反應，能夠得到SCR系統的排放輸出和

本發明的優點和有益效果是：

1、本發明面向控制的兩核尿素SCR系統模型能夠精確描述系統化學反應動態特性，並且複雜度適合設計控制器。

2、本發明提出的兩核尿素SCR系統NMPC優化問題描述及求解步驟，過程簡單、適用於工程應用。

附圖說明

圖1是本發明兩單元主從結構尿素SCR系統模型示意圖。

圖2是ETC循環下發動機排放輸入及NMPC控制器執行效果圖。

圖3是ETC循環下NMPC控制器排放控制效果圖。

具體實施方式

下面結合附圖詳細說明實施本發明技術方案的具體實施方式：

一種基於NMPC的兩核尿素SCR系統排放控制方法，包括以下步驟：

1、建立面向控制的兩核八階尿素SCR系統模型；

2、提出尿素SCR系統NMPC優化問題描述方法；

3、提出兩核尿素SCR系統NMPC尿素噴射控制器運行步驟。

3.1在第一個預測時域內，假設所有採樣周期內u(k)的初值為umax。

3.2在Simulink軟體中，利用非線性數值算法工具箱NAG求解上述代價函數及約束問題，得到控制時域內所有採樣周期的最優解。

3.3假設得到並被執行的第k步控制時域的最優解為uopt(k)＝[uopt(k)，uopt(k+1)，…，uopt(k+q)]，該值作為第k+1步的初值。

3.4重複第2步，直到整個循環結束。

本發明所述的基於NMPC的兩核尿素SCR系統排放控制方法研究，是基於軟體仿真平臺的。仿真軟體系統由Matlab/Simulink和enDYNA高保真發動機模型軟體組成。其中enDYNA軟體是德國Teisis公司開發的一款商用發動機精確模型軟體。分別選擇歐洲瞬態測試循環(ETC)對所設計的NMPC控制器的有效性進行驗證。根據控制器調試效果，最終選取預測時域Np＝20，控制時域Nc＝3。

附圖2顯示了，ETC測試工況下1800秒內的發動機排放主要參數：排氣質量流量、排氣溫度、NOx輸入，以及NMPC控制器的尿素噴射情況。根據參數的變化情況，可以看到在整個瞬態循環內，參數都在發生距離的瞬態變化，對控制器的要求很高。同時，尿素噴射控制器的工作狀態，在控制器的約束條件1000mg/s以下。如附圖3所示，在整個測試循環內，NOx轉化效率的平均值能夠達到90％左右。同時，氨逃逸的平均值為30ppm左右，除個別峰值點超過了40ppm以外。通過在ETC測試循環下對NMPC控制器的排放效果驗證，可以發現控制能夠完成排放控制目標，而且對於工況變化產生的幹擾具有較強的魯棒性。