柴油发动机尿素SCR控制系统设计方法研究

发布时间：2017-07-19 11:22

  本文关键词：柴油发动机尿素SCR控制系统设计方法研究

  更多相关文章： 尿素选择性催化还原反应(Urea-SCR) 氨覆盖率 微分平坦算法 H_∞控制理论 非线性模型预测控制(NMPC)

【摘要】：尿素SCR系统由于具有NOx还原效率高和对硫不敏感等优点,已经成为柴油发动机降低NOx排放最有发展前景的技术之一。尿素SCR系统通过尿素喷射量的精确控制,实现NOx的高效转化和氨逃逸的限制。由于车载SCR系统工作条件复杂,外部干扰量多等特点,传统的基于map控制方法已经难以满足日益严格的排放法规要求。本文针对尿素SCR控制系统的设计方法展开研究,提出了前馈一反馈的氨覆盖率跟踪控制方法和基于非线性预测控制的直接优化控制方法。本文以一款11.596L柴油发动机的尿素SCR系统作为研究对象,根据系统的工作机理,本文将SCR系统描述成包含上游-下游2个单元的模型,建模过程中考虑气态氨、气态氮氧化物和吸附态氨(氨覆盖率)的浓度变化特性和系统内部温度的变化特性,建立了系统的仿真模型,并通过功能仿真验证模型的有效性。该模型能够有效描述SCR系统的分布参数特性,且模型相对比较简单。从实际工程应用的角度出发,将尾气后处理问题转化为氨覆盖率的跟踪控制问题,提出了基于微分平坦前馈—H∞反馈的氨覆盖率跟踪控制器设计方法。首先,将尿素SCR系统描述为集中参数模型,推导出面向控制器设计的简化模型；其次,利用微分平坦理论证明Urea-SCR系统模型的平坦性,得到了前馈控制输入；然后,以前馈控制输入作为平衡点将Urea-SCR系统模型进行线性化,将模型误差、系统存在的参数漂移和未建模动态等考虑成幅值有界的扰动,设计了满足H∞性能指标的氨覆盖率反馈跟踪控制器；通过在ETC测试循环下的仿真验证证明了控制器的跟踪性能和鲁棒性能。同时结合已有的最佳氨覆盖率map,对整个尿素SCR跟踪控制策略的效果进行验证,实验结果表明整个控制策略可以保证系统NOx转化效率平均值达到71.2159%、最大值达到91.4531%,同时NH3逃逸平均值为9.2231ppm、最大值为29.8777ppm。由于集中参数模型难以精确描述尿素SCR系统的分布参数特性,以及离线得到的最佳氨覆盖率map随着系统参数的漂移参考价值将降低,使得基于氨覆盖率的SCR控制系统设计方法难以满足日益严格的排放法规要求。为此,本文提出基于非线性模型预测控制(NMPC)方法的直接优化策略。首先,重新推导面出面向控制模型来描述系统分布参数特性。由于气态形式下物质的储存时间常数比热能及NH3在催化器表面的储存时间常数小两个数量级,所以可以将气态NOx、气态NH3的动态元素看成静态元素,面向控制的模型只将上下游的温度和氨覆盖率作为状态量,得到4阶面向控制模型,并通过在ESC和ETC测试循环下仿真对比验证了面向控制模型的精度。在控制系统设计时,将NOx的零排放作为优化目标,将氨逃逸量作为系统输出约束,尿素喷嘴的喷射上限作为控制约束,应用欧拉公式对非线性面向控制模型进行离散化得到系统预测模型,采用序列二次规划求解带有约束非线性优化问题。最后,通过ESC和ETC仿真对所设计的直接优化控制系统的控制性能进行了验证。在ESC工况下所设计的控制器在除发动机怠速工况外,可以使NOx转化效率达到85%以上,同时氨逃逸限制在30ppm以内；在ETC测试循环下系统对NOx转化效率的平均值达到86.8647%、最大值达到99.4567%,同时NH3逃逸的平均值为12.3022ppm、最大值为29.5372ppm。通过两种控制策略的对比结果发现直接优化控制策略在满足氨逃逸约束的前提下具有更高的转化效率。本文分别应用氨覆盖率跟踪控制策略和直接优化控制策略完成对尿素SCR控制系统设计,取得了一定的成果,但是仍有一些工作需要进一步研究：(1)直接优化控制策略所使用的NMPC在线计算量工作量大,难以在汽车控制系统中实现,因此,需要进一步研究NMPC快速求解方法；(2)本文中没有考虑冷启动工况下尾气后处理问题,需要进一步考虑；(3)上述方法均为离线实验验证,今后将围绕控制算法的台架试验展开研究。
【关键词】：尿素选择性催化还原反应(Urea-SCR) 氨覆盖率 微分平坦算法 H_∞控制理论 非线性模型预测控制(NMPC)
【学位授予单位】：吉林大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TK423
【目录】：

• 前言4-5
• 摘要5-7
• Abstract7-15
• 第1章 绪论15-27
• 1.1 课题背景及研究意义15-21
• 1.1.1 由汽车引起的NO_x污染及相应法规15-19
• 1.1.2 针对NO_x的处理方式19-20
• 1.1.3 尿素SCR系统结构及特性20-21
• 1.2 尿素SCR控制系统研究现状21-25
• 1.2.1 国外研究现状22-23
• 1.2.2 国内研究现状23-25
• 1.3 本文主要研究内容25-27
• 第2章 尿素SCR系统仿真模型搭建27-43
• 2.1 尿素SCR系统反应原理及影响因素27-33
• 2.1.1 系统反应原理27-30
• 2.1.2 系统影响因素30-33
• 2.2 尿素SCR系统仿真模型33-36
• 2.3 SCR系统模型动力学分析36-41
• 2.4 本章小结41-43
• 第3章 尿素SCR系统氨覆盖率跟踪控制43-57
• 3.1 面向控制的模型推导43-44
• 3.2 基于微分平坦理论的前馈控制器设计44-45
• 3.3 基于H_∞理论的反馈控制器设计45-48
• 3.4 仿真验证48-55
• 3.5 本章小结55-57
• 第4章 基于NMPC算法的尿素SCR控制系统设计57-69
• 4.1 模型预测控制简介57-59
• 4.2 面向控制的模型推导59-61
• 4.2.1 模型推导59-60
• 4.2.2 模型验证60-61
• 4.3 直接优化控制器设计61-65
• 4.3.1 问题描述61-62
• 4.3.2 控制器设计62-65
• 4.4 仿真实验65-68
• 4.5 本章小结68-69
• 第5章 全文总结及工作展望69-71
• 5.1 全文工作总结69-70
• 5.2 未来工作展望70-71
• 参考文献71-76
• 攻读硕士学位期间的研究成果76-77
• 致谢77-78

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本文编号：562635