本發(fā)明屬于柴油機尿素SCR排放后處理系統(tǒng)控制技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于非線性模型預(yù)測控制(NMPC)的兩核尿素SCR系統(tǒng)排放控制方法。

背景技術(shù)：

由于其稀燃的特性，柴油機會比汽油機產(chǎn)生更多的NO_x有害氣體。隨著全世界范圍內(nèi)針對NO_x排放越來越嚴(yán)格的法規(guī)出臺，多種為降低NO_x的排放后處理系統(tǒng)面世了。這些技術(shù)就包括尿素選擇性催化還原(SCR)系統(tǒng)。尿素SCR系統(tǒng)工作時則不需額外燃油，而且尿素消耗也相對較低，憑借這些優(yōu)勢，已經(jīng)在汽車工業(yè)界占據(jù)一定優(yōu)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(shù)推廣都受到限制。所以，憑借其對硫的敏感性較低的特性，尿素SCR排放后處理技術(shù)在我國的發(fā)展更具優(yōu)勢。

尿素SCR技術(shù)的基本原理是利用NO_x與氨(NH₃)之間的氧化還原反應(yīng)，而所用的氨一般都來源于32.5％的尿素溶液(添藍溶液)。雖然氨能夠還原NO_x，但其較高的排放也是對人體有害的，并且有著刺鼻的氣味。為實現(xiàn)較高的NO_x轉(zhuǎn)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(tǒng)研究面臨的主要挑戰(zhàn)之一。目前更為普遍的共識是，通過改進尿素噴射控制技術(shù)達到上述目標(biāo)，是一種較便捷且經(jīng)濟的方法。

由于NO_x傳感器和NH₃傳感器在實際的工業(yè)應(yīng)用中都存在一定問題，于是有學(xué)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(biāo)。目前，對氨覆蓋率的測量只能在實驗室環(huán)境下完成，所以有學(xué)者已經(jīng)提出了一些估計方法?；谏鲜龉烙嫹椒ǎ袑W(xué)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(biāo)問題，有學(xué)者也提出了一些模型預(yù)測控制方法。上述方法已經(jīng)取得了較好的排放控制效果，但是控制器設(shè)計步驟有些繁瑣，推導(dǎo)過程略顯復(fù)雜，工業(yè)應(yīng)用存在一定困難。

模型預(yù)測控制(MPC)是一種滾動優(yōu)化求最優(yōu)解的方法，能精確的處理時域約束并有效地處理多目標(biāo)優(yōu)化問題。對一個線性系統(tǒng)，MPC算法能夠給出最優(yōu)解。但對非線性系統(tǒng)來講，必須采用NMPC求解工具求解。近年來，NMPC被廣泛用來解決了一些工業(yè)上的控制問題。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是要提供一種基于NMPC的兩核尿素SCR系統(tǒng)排放控制方法，該方法集中解決了兩核尿素SCR系統(tǒng)存在的排放受限、執(zhí)行機構(gòu)飽和等問題的多目標(biāo)優(yōu)化問題；由于兩核尿素SCR系統(tǒng)具有強烈的非線性，不能通過歐拉公式等數(shù)學(xué)方法直接推導(dǎo)對等的離散方程，常規(guī)的動態(tài)規(guī)劃方法不能直接應(yīng)用，因此，本發(fā)明基于插值和非線性優(yōu)化方法，提出了一種NMPC尿素噴射控制器。

本發(fā)明的目的是這樣實現(xiàn)的，一種基于NMPC的兩核尿素SCR系統(tǒng)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(tǒng)模型；

尿素SCR系統(tǒng)單核模型可以由常微分方程表示如下：

上述公式中的參數(shù)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(guān)定義及參數(shù)名義參考值。

表1常量命名法

表2變量命名法

單核SCR系統(tǒng)結(jié)構(gòu)能夠大致表述系統(tǒng)化學(xué)反應(yīng)。然而，要想精確地描述SCR系統(tǒng)化學(xué)反應(yīng)動態(tài)特性，級聯(lián)的多核結(jié)構(gòu)是必不可少的。而且，經(jīng)過試驗驗證指出，至少需要兩核結(jié)構(gòu)。為了更好地描述SCR系統(tǒng)沿催化器軸向的狀態(tài)分布特性，同時對模型復(fù)雜程度保持一個可操作的水平，本發(fā)明技術(shù)方案提出一種由主從兩個單元構(gòu)成的模型。

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

為了通過尿素噴射調(diào)節(jié)實現(xiàn)排放控制，將和T_in等參數(shù)看作是可測變量，考慮的系統(tǒng)動態(tài)是以及T。兩單元主從結(jié)構(gòu)尿素SCR系統(tǒng)模型如附圖1所示。下標(biāo)1代表靠近排氣管出口的主核，下標(biāo)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?？刂戚斎肓渴强刂戚敵隽渴羌s束輸出是

步驟二、提出尿素SCR系統(tǒng)NMPC優(yōu)化問題描述方法；

以歐6(EURO 6)的排放標(biāo)準(zhǔn)以及康明斯ISBE4型尿素SCR系統(tǒng)為參考，提出的優(yōu)化問題描述如公式(5)-(6)所示。

N_p是預(yù)測時域，N_u是控制時域，N_u≤N_p并假設(shè)控制時域之外控制量是不變的；是系統(tǒng)的控制輸出序列，優(yōu)化的控制序列增量為Δu(k)，R_e(k+1)是參考輸入序列，y^b(k)是系統(tǒng)約束輸出，q＝1，2，…，N_u-1和m＝0，1，2，…，N_p。使得NO_x排放快速收斂到排放法規(guī)限值?？刂颇繕?biāo)為R_e(k+1)為NO_x，in*10％，即實際的控制目標(biāo)為90％的NO_x平均轉(zhuǎn)化效率?？紤]到執(zhí)行器尿素噴嘴的實際性能，提出的控制動作限制為u_max(k)＝1000mg/s，Δu_max(k)＝50mg/s。J₂＝||Γ_uu(k)||²+||Γ_duΔu(k)||²能保證控制動作及增量變化率盡可能的小。并且，提出的系統(tǒng)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(tǒng)NMPC尿素噴射控制器運行步驟。

1、在第一個預(yù)測時域內(nèi)，假設(shè)所有采樣周期內(nèi)u(k)的初值為u_max。

2、在Simulink軟件中，利用非線性數(shù)值算法工具箱NAG求解上述代價函數(shù)及約束問題，得到控制時域內(nèi)所有采樣周期的最優(yōu)解。

3、假設(shè)得到并被執(zhí)行的第k步控制時域的最優(yōu)解為u^opt(k)＝[u^opt(k)，u^opt(k+1)，…，u^opt(k+q)]，該值作為第k+1步的初值。

4、重復(fù)第2步，直到整個循環(huán)結(jié)束。

通過上述三個步驟，NMPC尿素噴射控制器每個采樣周期的控制輸出u^opt(k)，作為控制輸入量傳遞給SCR系統(tǒng)。經(jīng)過系統(tǒng)內(nèi)部的化學(xué)反應(yīng)，能夠得到SCR系統(tǒng)的排放輸出和

本發(fā)明的優(yōu)點和有益效果是：

1、本發(fā)明面向控制的兩核尿素SCR系統(tǒng)模型能夠精確描述系統(tǒng)化學(xué)反應(yīng)動態(tài)特性，并且復(fù)雜度適合設(shè)計控制器。

2、本發(fā)明提出的兩核尿素SCR系統(tǒng)NMPC優(yōu)化問題描述及求解步驟，過程簡單、適用于工程應(yīng)用。

附圖說明

圖1是本發(fā)明兩單元主從結(jié)構(gòu)尿素SCR系統(tǒng)模型示意圖。

圖2是ETC循環(huán)下發(fā)動機排放輸入及NMPC控制器執(zhí)行效果圖。

圖3是ETC循環(huán)下NMPC控制器排放控制效果圖。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖詳細(xì)說明實施本發(fā)明技術(shù)方案的具體實施方式：

一種基于NMPC的兩核尿素SCR系統(tǒng)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(tǒng)模型；

2、提出尿素SCR系統(tǒng)NMPC優(yōu)化問題描述方法；

3、提出兩核尿素SCR系統(tǒng)NMPC尿素噴射控制器運行步驟。

3.1在第一個預(yù)測時域內(nèi)，假設(shè)所有采樣周期內(nèi)u(k)的初值為u_max。

3.2在Simulink軟件中，利用非線性數(shù)值算法工具箱NAG求解上述代價函數(shù)及約束問題，得到控制時域內(nèi)所有采樣周期的最優(yōu)解。

3.3假設(shè)得到并被執(zhí)行的第k步控制時域的最優(yōu)解為u^opt(k)＝[u^opt(k)，u^opt(k+1)，…，u^opt(k+q)]，該值作為第k+1步的初值。

3.4重復(fù)第2步，直到整個循環(huán)結(jié)束。

本發(fā)明所述的基于NMPC的兩核尿素SCR系統(tǒng)排放控制方法研究，是基于軟件仿真平臺的。仿真軟件系統(tǒng)由Matlab/Simulink和enDYNA高保真發(fā)動機模型軟件組成。其中enDYNA軟件是德國Teisis公司開發(fā)的一款商用發(fā)動機精確模型軟件。分別選擇歐洲瞬態(tài)測試循環(huán)(ETC)對所設(shè)計的NMPC控制器的有效性進行驗證。根據(jù)控制器調(diào)試效果，最終選取預(yù)測時域N_p＝20，控制時域N_c＝3。

附圖2顯示了，ETC測試工況下1800秒內(nèi)的發(fā)動機排放主要參數(shù)：排氣質(zhì)量流量、排氣溫度、NO_x輸入，以及NMPC控制器的尿素噴射情況。根據(jù)參數(shù)的變化情況，可以看到在整個瞬態(tài)循環(huán)內(nèi)，參數(shù)都在發(fā)生距離的瞬態(tài)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(tài)，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(huán)內(nèi)，NOx轉(zhuǎn)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(huán)下對NMPC控制器的排放效果驗證，可以發(fā)現(xiàn)控制能夠完成排放控制目標(biāo)，而且對于工況變化產(chǎn)生的干擾具有較強的魯棒性。