[发明专利]基于NMPC的两核尿素SCR系统排放控制方法

摘要

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。

主权项

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：C·NOx=a1nNOx,in*-CNOx(a0a1mEG*T+a4(T)ΘNH3),C·NH3=a1nNH3,in*-CNH3[a0a1mEG*T+a2(T)(1-ΘNH3)]+a3(T)ΘNH3,csΘ·NH3=a2(T)(1-ΘNH3)CNH3-[a3(T)+a4(T)CNOx+a5(T)]ΘNH3,T·=a6mEG*(Tin-T)-a7(T4-Tamb4),---(1)]]>上述公式中的参数定义如下：a0=RS,EGPamb,a1=1ϵVc,a2(T)=csScαProbRT2πMNH3,a3(T)=cskDese(-Ea,DesRT),a4(T)=csRTkSCRe(-Ea,SCRRT),a5(T)=cskOxe(-Ea,OxRT),a6=cp,EGcp,cmc,a7=ϵrad,scrσsbArad,scrcp,cmc.---(2)]]>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)；nx*=RS,EGPambmEG*TCx,---(3)]]>C·NOx,1=a0a1mEG*T2CNOx,1-CNOx,1(a0a1mEG*T1+a4(T1)ΘNH3,1),C·NH3,1=-CNH3,1[a0a1mEG*T1+a2(T1)(1-ΘNH3,1)]+a3(T1)ΘNH3,1+a0a1mEG*T2CNH3,2,Θ·NH3,1=-1cs[a3(T1)+a4(T1)CNOx,1+a5(T1)]ΘNH3,1+1csa2(T1)(1-ΘNH3,1)CNH3,1,T·1=a6mEG*(T2-T1)-a7(T14-Tamb4),C·NOx,2=a1nNOx,in*-CNOx,2(a0a1mEG*T2+a4(T2)ΘNH3,2),C·NH3,2=-CNH3,2[a0a1mEG*T2+a2(T2)(1-ΘNH3,2)]+a3(T2)ΘNH3,2+a1nNH3,in*,Θ·NH3,2=-1cs[a3(T2)+a4(T2)CNOx,2+a5(T2)]ΘNH3,2+1csa2(T2)(1-ΘNH3,2)CNH3,2,T·2=a6mEG*(Tin-T2)-a7(T24-Tamb4).---(4)]]>为了通过尿素喷射调节实现排放控制，将和Tin等参数看作是可测变量，考虑的系统动态是以及T，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优化问题描述方法以欧6的排放标准以及康明斯ISBE4型尿素SCR系统为参考，提出的优化问题描述如公式(5)‑(6)所示：minu(k)J(yc(k),u(k),Np,Nu)J=J1+J2=||Γy[y^c(k+1)-Re(k+1)]||2+||Γuu(k)||2+||ΓduΔu(k)||2umin(k+q)≤ut+i(k+q)≤umax(k+q),i=0,1,2,...,Nu-1Δumin(k+q)≤Δut+i(k+q)≤Δumax(k+q),i=0,1,2,...,Nu-1yminb(k+m)≤y^t+ib(k+m)≤ymaxb(k+m),i=0,1,2,...,Np---(5)]]>Np是预测时域，Nu是控制时域，Nu≤Np并假设控制时域之外控制量是不变的；是系统的控制输出序列，优化的控制序列增量为Δu(k)，Re(k+1)是参考输入序列，yb(k)是系统约束输出，q＝1，2，…，Nu‑1和m＝0，1，2…，Np。使得NOx排放快速收敛到排放法规限值；控制目标为Re(k+1)为NOx，in*10％，即实际的控制目标为90％的NOx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umax(k)＝1000mg/s，Δumax(k)＝50mg/s；J2＝||Γuu(k)||2+||ΓduΔu(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umax；2)、在Simulink软件中，利用非线性数值算法工具箱NAG求解上述代价函数及约束问题，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uopt(k)＝[uopt(k)，uopt(k+1)，…，uopt(k+q)]，该值作为第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uopt(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