[发明专利]一种尾气余热回收有机朗肯循环的优化与控制一体设计方法

说明书

本发明公开了一种尾气余热回收有机朗肯循环的优化与控制一体设计方法，包括：建立尾气余热回收有朗肯循环系统的机理模型；设计有机朗肯循环系统的控制结构，并针对控制结构设计控制器及其相应的控制方程，并以设计好的控制器连同机理模型构成闭环控制系统；在尾气余热的功率变化范围内选择尾气工况；根据所选择的尾气工况和所述闭环控制系统，构建包含尾气工况不确定性分析的一体优化模型并求解一体优化模型在各个尾气工况下的最优操作点和最优控制参数；根据优化求解得到的最优操作点及相应控制参数，利用回归方法得到其他尾气工况对应的最优操作点和控制参数。本发明方法能提高有机朗肯循环系统的余热回收效率，在线计算量小，鲁棒性好。

技术领域

本发明涉及利用朗肯循环实现低品位热能利用技术领域，特别涉及一种用于尾气余热回收利用的有机朗肯循环优化与控制一体设计方法。

背景技术

能源是国家经济发展的基础，但能源的高速消费引发了当今社会的能源危机。随着汽车产销量的快速增加，汽车产业的能耗在总能耗中所占的比例越来越大，汽车节能减排的问题越来越受到人们的关注。从相关的研究来看，用于动力输出的功率一般只占燃料燃烧发热量的30％～45％(柴油机)或20％～30％(汽油机)，而以废热形式排出的热量占燃烧总热量的55％～70％(柴油机)或70％～80％(汽油机)，主要包括发动机冷却水散热和高温尾气排热。其中尾气带走的热量约占发动机中燃料燃烧所产生热量的40％～45％(汽油机)，30％～40％(柴油机)。将尾气余热进行转化回收利用是提高燃料能量利用率和降低环境污染的有效途径。

近年来，汽车行业致力于提高燃油的经济性，降低二氧化碳和污染物的排放。在目前国内外众多汽车余热利用技术中，基于有机朗肯循环(ORC)的余热回收系统是一种能满足该要求的有效解决方案。但是尾气余热的剧烈波动特性和ORC系统本身的强非线性使ORC系统的可靠运行和控制变得很有挑战性。

ORC系统控制的目的在于：(1)使朗肯循环系统在约束的范围内安全工作。(2)使朗肯循环系统的净输出功率最大。现有的ORC系统控制技术，大部分是关于如何在扰动干扰的情况下维持操作点的稳定，仅有少量控制方法是为了提高系统的输出功率，其中一类方法是采用双层控制系统，上层采用静态优化或极值搜索得到最优操作点，下次采用PID或模型预测控制(MPC)等方法跟踪最优操作点。但这类方法由于采用静态模型，没有考虑系统中的不确定性和控制器性能，所得到的最优操作点不易在约束范围内到达或优化过程中考虑了过多安全阈量，操作点并非实际最优。另一类控制方法是采用以净输出功率为目标的最优控制，但这类方法往往计算量很大，不适合工况变化快且车载设备计算能力有限这一场合。

所以，根据ORC系统控制的目的，一种使净输出功率大，满足安全约束且计算量小的控制设计方法是急需的。

发明内容

针对现有技术的不足,本发明提供了一种适用于尾气余热回收利用的有机朗肯循环优化与控制一体设计方法，能够适用于尾气这类工况变化快且测量不准确的余热回收，优化目标包含标称净输出功率和膨胀机输出功率的最大偏差量，同时优化得到最优操作点和控制参数，实现有机朗肯循环系统净输出功率最大，不确定干扰下最优操作点稳定，且满足约束条件。

一种尾气余热回收有机朗肯循环的优化与控制一体设计方法，包括以下步骤：

(1)建立尾气余热回收有机朗肯循环系统的机理模型；

(2)设计所述有机朗肯循环系统的控制结构，并针对所述的控制结构设计控制器及其相应的控制方程，并以设计好的控制器连同所述机理模型构成闭环控制系统；

(3)在尾气余热的功率变化范围内选择尾气工况；

(4)根据所选择的尾气工况和所述闭环控制系统，构建一个包含尾气工况不确定性分析的一体优化模型，求解所述一体优化模型在各个尾气工况下的最优操作点和最优控制参数；