[发明专利]基于NMPC的两核尿素SCR系统排放控制方法

说明书

本发明公开了一种基于NMPC的两核尿素SCR系统排放控制方法，主要发明内容包括建立面向控制的两核八阶尿素SCR系统模型；提出尿素SCR系统NMPC优化问题描述方法；提出两核尿素SCR系统NMPC尿素喷射控制器运行步骤。本发明的面向控制的两核八阶尿素SCR系统模型能够精确描述系统化学反应动态特性，并且复杂度适合设计控制器。本发明提出的两核尿素SCR系统NMPC优化问题描述方法及尿素喷射控制器运行步骤，过程简单、适用于工程应用。

技术领域

本发明属于柴油机尿素SCR排放后处理系统控制技术领域，具体涉及一种基于非线性模型预测控制(NMPC)的两核尿素SCR系统排放控制方法。

背景技术

由于其稀燃的特性，柴油机会比汽油机产生更多的NO_x有害气体。随着全世界范围内针对NO_x排放越来越严格的法规出台，多种为降低NO_x的排放后处理系统面世了。这些技术就包括尿素选择性催化还原(SCR)系统。尿素SCR系统工作时则不需额外燃油，而且尿素消耗也相对较低，凭借这些优势，已经在汽车工业界占据一定优势。在我国，目前的实际国情是燃油中硫含量较高，而且许多种排放控制技术推广都受到限制。所以，凭借其对硫的敏感性较低的特性，尿素SCR排放后处理技术在我国的发展更具优势。

尿素SCR技术的基本原理是利用NO_x与氨(NH₃)之间的氧化还原反应，而所用的氨一般都来源于32.5％的尿素溶液(添蓝溶液)。虽然氨能够还原NO_x，但其较高的排放也是对人体有害的，并且有着刺鼻的气味。为实现较高的NO_x转化效率，要有充分的氨做为还原剂；但是，这一点反过来会增加氨的逃逸量，这一矛盾成为了尿素SCR系统研究面临的主要挑战之一。目前更为普遍的共识是，通过改进尿素喷射控制技术达到上述目标，是一种较便捷且经济的方法。

由于NO_x传感器和NH₃传感器在实际的工业应用中都存在一定问题，于是有学者提出了一种综合的反馈方法，即以氨覆盖率为反馈控制目标。目前，对氨覆盖率的测量只能在实验室环境下完成，所以有学者已经提出了一些估计方法。基于上述估计方法，有学者提出了一些非线性跟踪控制方法。此外，针对如何获取理想的氨覆盖率控制目标问题，有学者也提出了一些模型预测控制方法。上述方法已经取得了较好的排放控制效果，但是控制器设计步骤有些繁琐，推导过程略显复杂，工业应用存在一定困难。

模型预测控制(MPC)是一种滚动优化求最优解的方法，能精确的处理时域约束并有效地处理多目标优化问题。对一个线性系统，MPC算法能够给出最优解。但对非线性系统来讲，必须采用NMPC求解工具求解。近年来，NMPC被广泛用来解决了一些工业上的控制问题。

发明内容

本发明的目的是要提供一种基于NMPC的两核尿素SCR系统排放控制方法，该方法集中解决了两核尿素SCR系统存在的排放受限、执行机构饱和等问题的多目标优化问题；由于两核尿素SCR系统具有强烈的非线性，不能通过欧拉公式等数学方法直接推导对等的离散方程，常规的动态规划方法不能直接应用，因此，本发明基于插值和非线性优化方法，提出了一种NMPC尿素喷射控制器。

本发明的目的是这样实现的，一种基于NMPC的两核尿素SCR系统排放控制方法，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：

上述公式中的参数定义如下：

表1和表2分别显示了模型中所有常量和变量的相关定义及参数名义参考值。

表1常量命名法

表2变量命名法