[发明专利]基于NMPC的两核尿素SCR系统排放控制方法

权利要求书

1.一种基于NMPC的两核尿素SCR系统排放控制方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤一、建立面向控制的两核八阶尿素SCR系统模型

尿素SCR系统单核模型可以由常微分方程表示如下：

其中：

公式(1)和公式(2)中，S_c是1mol活性原子的表面积，为581m²/mol；α_prob是粘着率，为1.11e-3；c_s是单位体积气体中活性原子浓度，为7.30mol/m³；c_p，EG是排气定压比热，为1060J/kgK；c_p，c是催化器比热，为1054J/kgK；是NH₃的摩尔质量，为17g/mol；R是气体常数，为8.3145J/molK；R_S，EG是排气气体常数，为288J/kgK；k_Des是解吸附速率因子，为0.5141/s；k_SCR是urea-SCR反应速率因子，为2.6776m²/s；k_Ox是NH₃氧化反应速率因子，为3.34e61/s；E_a，Des是解吸附活性能，为15.2J/mol；E_a，SCR是urea-SCR反应活性能，为28471J/mol；E_a，Ox是NH₃氧化反应活性能，为1.16e5J/mol；P_amb是大气压，为101325Pa；V_c是urea-SCR系统的总容积，为0.01m³；m_c是催化器质量，为19kg；ε是空隙比，为0.81；ε_rad，scr是黑度，为0.507；σ_sb是气体辐射常数，为5.67e-8；A_rad，scr是催化器辐射表面积，为0.9044m²；π是圆周率，为3.1415；是废气质量流量，单位kg/s；T，T_in，T_amb分别是温度，废气温度，环境温度，单位K；是NH₃的表面覆盖率；是物质NO_x的摩尔质量流量，单位mol/s；是物质NH₃的摩尔质量流量，单位mol/s；是物质NO_x的摩尔浓度，单位mol/m³；是物质NH₃的摩尔浓度，单位mol/m³；是的导数；是的导数，是的导数；

基于公式(1)的单核模型和气体成分的流量与浓度关系公式(3)，提出了一个面向控制的两核八阶SCR系统模型公式(4)；

为了通过尿素喷射调节实现排放控制，将和T_in看作是可测变量，考虑的系统动态是以及T；公式(3)和公式(4)中，C_x是物质x的摩尔浓度，单位mol/m³；为物质x的摩尔质量流量，单位mol/s；是主核中NO_x的摩尔浓度；是从核中NO_x的摩尔浓度；是主核中NH₃的摩尔浓度；是从核中NH₃的摩尔浓度；是主核中NH₃的表面覆盖率；是从核中NH₃的表面覆盖率；T₁是主核的温度；T₂是从核的温度；是的导数；是的导数；是的导数；是的导数；是的导数；是的导数；是T₁的导数；是T₂的导数；主核和从核的体积比是2∶1，控制输入量是控制输出量是约束输出是

步骤二、提出尿素SCR系统NMPC优化问题描述方法

提出的优化问题描述如公式(5)-(6)所示：

N_p是预测时域，N_u是控制时域，N_u≤N_p并假设控制时域之外控制量是不变的；y^c(k+1)是系统的控制输出序列，优化的控制序列为u(k)，增量为Δu(k)，R_e(k+1)是参考输入序列，y^b(k)是系统约束输出，q＝1，2，…，N_u-1和m＝0，1，2，…，N_p，J为优化函数，Γ_y、Γ_u、Γ_du为加权矩阵，为可调权重，J₁＝||Γ_y[y^c(k+1)-R_e(k+1)]||²使得NO_x排放快速收敛到排放法规限值；控制目标为R_e(k+1)为NO_x，in*10％，即实际的控制目标为90％的NO_x平均转化效率；考虑到执行器尿素喷嘴的实际性能，提出的控制动作限制为u_max(k)＝1000mg/s，Δu_max(k)＝50mg/s，Δu_min(k)＝0，u_min(k)＝0；J₂＝||Γ_uu(k)||²+||Γ_duΔu(k)||²能保证控制动作及增量变化率尽可能的小；并且，提出的系统约束输出氨逃逸的最大值为40PPM，

步骤三、提出两核尿素SCR系统NMPC尿素喷射控制器运行步骤

1)、在第一个预测时域内，假设所有采样周期内u(k)的初值为u_max；

2)、在Simulink软件中，利用非线性数值算法工具箱求解公式(5)-(6)描述的优化问题，得到控制时域内所有采样周期的最优解；

3)、假设得到并被执行的第k步控制时域的最优解为u^opt(k)＝[u^opt(k)，u^opt(k+1)，…，u^opt(k+q)]作为第k+1步的初值；

4)、重复第2)步，直到整个循环结束；

通过上述步骤一、步骤二和步骤三，NMPC尿素喷射控制器每个采样周期的控制输出u^opt(k)，作为控制输入量传递给SCR系统；经过系统内部的化学反应，能够得到SCR系统的排放输出和