本文關鍵詞：柴油發(fā)動機尿素SCR控制系統(tǒng)設計方法研究

  更多相關文章： 尿素選擇性催化還原反應(Urea-SCR) 氨覆蓋率 微分平坦算法 H_∞控制理論 非線性模型預測控制(NMPC)

【摘要】：尿素SCR系統(tǒng)由于具有NOx還原效率高和對硫不敏感等優(yōu)點,已經成為柴油發(fā)動機降低NOx排放最有發(fā)展前景的技術之一。尿素SCR系統(tǒng)通過尿素噴射量的精確控制,實現NOx的高效轉化和氨逃逸的限制。由于車載SCR系統(tǒng)工作條件復雜,外部干擾量多等特點,傳統(tǒng)的基于map控制方法已經難以滿足日益嚴格的排放法規(guī)要求。本文針對尿素SCR控制系統(tǒng)的設計方法展開研究,提出了前饋一反饋的氨覆蓋率跟蹤控制方法和基于非線性預測控制的直接優(yōu)化控制方法。本文以一款11.596L柴油發(fā)動機的尿素SCR系統(tǒng)作為研究對象,根據系統(tǒng)的工作機理,本文將SCR系統(tǒng)描述成包含上游-下游2個單元的模型,建模過程中考慮氣態(tài)氨、氣態(tài)氮氧化物和吸附態(tài)氨(氨覆蓋率)的濃度變化特性和系統(tǒng)內部溫度的變化特性,建立了系統(tǒng)的仿真模型,并通過功能仿真驗證模型的有效性。該模型能夠有效描述SCR系統(tǒng)的分布參數特性,且模型相對比較簡單。從實際工程應用的角度出發(fā),將尾氣后處理問題轉化為氨覆蓋率的跟蹤控制問題,提出了基于微分平坦前饋—H∞反饋的氨覆蓋率跟蹤控制器設計方法。首先,將尿素SCR系統(tǒng)描述為集中參數模型,推導出面向控制器設計的簡化模型；其次,利用微分平坦理論證明Urea-SCR系統(tǒng)模型的平坦性,得到了前饋控制輸入；然后,以前饋控制輸入作為平衡點將Urea-SCR系統(tǒng)模型進行線性化,將模型誤差、系統(tǒng)存在的參數漂移和未建模動態(tài)等考慮成幅值有界的擾動,設計了滿足H∞性能指標的氨覆蓋率反饋跟蹤控制器；通過在ETC測試循環(huán)下的仿真驗證證明了控制器的跟蹤性能和魯棒性能。同時結合已有的最佳氨覆蓋率map,對整個尿素SCR跟蹤控制策略的效果進行驗證,實驗結果表明整個控制策略可以保證系統(tǒng)NOx轉化效率平均值達到71.2159%、最大值達到91.4531%,同時NH3逃逸平均值為9.2231ppm、最大值為29.8777ppm。由于集中參數模型難以精確描述尿素SCR系統(tǒng)的分布參數特性,以及離線得到的最佳氨覆蓋率map隨著系統(tǒng)參數的漂移參考價值將降低,使得基于氨覆蓋率的SCR控制系統(tǒng)設計方法難以滿足日益嚴格的排放法規(guī)要求。為此,本文提出基于非線性模型預測控制(NMPC)方法的直接優(yōu)化策略。首先,重新推導面出面向控制模型來描述系統(tǒng)分布參數特性。由于氣態(tài)形式下物質的儲存時間常數比熱能及NH3在催化器表面的儲存時間常數小兩個數量級,所以可以將氣態(tài)NOx、氣態(tài)NH3的動態(tài)元素看成靜態(tài)元素,面向控制的模型只將上下游的溫度和氨覆蓋率作為狀態(tài)量,得到4階面向控制模型,并通過在ESC和ETC測試循環(huán)下仿真對比驗證了面向控制模型的精度。在控制系統(tǒng)設計時,將NOx的零排放作為優(yōu)化目標,將氨逃逸量作為系統(tǒng)輸出約束,尿素噴嘴的噴射上限作為控制約束,應用歐拉公式對非線性面向控制模型進行離散化得到系統(tǒng)預測模型,采用序列二次規(guī)劃求解帶有約束非線性優(yōu)化問題。最后,通過ESC和ETC仿真對所設計的直接優(yōu)化控制系統(tǒng)的控制性能進行了驗證。在ESC工況下所設計的控制器在除發(fā)動機怠速工況外,可以使NOx轉化效率達到85%以上,同時氨逃逸限制在30ppm以內；在ETC測試循環(huán)下系統(tǒng)對NOx轉化效率的平均值達到86.8647%、最大值達到99.4567%,同時NH3逃逸的平均值為12.3022ppm、最大值為29.5372ppm。通過兩種控制策略的對比結果發(fā)現直接優(yōu)化控制策略在滿足氨逃逸約束的前提下具有更高的轉化效率。本文分別應用氨覆蓋率跟蹤控制策略和直接優(yōu)化控制策略完成對尿素SCR控制系統(tǒng)設計,取得了一定的成果,但是仍有一些工作需要進一步研究：(1)直接優(yōu)化控制策略所使用的NMPC在線計算量工作量大,難以在汽車控制系統(tǒng)中實現,因此,需要進一步研究NMPC快速求解方法；(2)本文中沒有考慮冷啟動工況下尾氣后處理問題,需要進一步考慮；(3)上述方法均為離線實驗驗證,今后將圍繞控制算法的臺架試驗展開研究。
【關鍵詞】：尿素選擇性催化還原反應(Urea-SCR) 氨覆蓋率 微分平坦算法 H_∞控制理論 非線性模型預測控制(NMPC)
【學位授予單位】：吉林大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2016
【分類號】：TK423
【目錄】：

• 前言4-5
• 摘要5-7
• Abstract7-15
• 第1章 緒論15-27
• 1.1 課題背景及研究意義15-21
• 1.1.1 由汽車引起的NO_x污染及相應法規(guī)15-19
• 1.1.2 針對NO_x的處理方式19-20
• 1.1.3 尿素SCR系統(tǒng)結構及特性20-21
• 1.2 尿素SCR控制系統(tǒng)研究現狀21-25
• 1.2.1 國外研究現狀22-23
• 1.2.2 國內研究現狀23-25
• 1.3 本文主要研究內容25-27
• 第2章 尿素SCR系統(tǒng)仿真模型搭建27-43
• 2.1 尿素SCR系統(tǒng)反應原理及影響因素27-33
• 2.1.1 系統(tǒng)反應原理27-30
• 2.1.2 系統(tǒng)影響因素30-33
• 2.2 尿素SCR系統(tǒng)仿真模型33-36
• 2.3 SCR系統(tǒng)模型動力學分析36-41
• 2.4 本章小結41-43
• 第3章 尿素SCR系統(tǒng)氨覆蓋率跟蹤控制43-57
• 3.1 面向控制的模型推導43-44
• 3.2 基于微分平坦理論的前饋控制器設計44-45
• 3.3 基于H_∞理論的反饋控制器設計45-48
• 3.4 仿真驗證48-55
• 3.5 本章小結55-57
• 第4章 基于NMPC算法的尿素SCR控制系統(tǒng)設計57-69
• 4.1 模型預測控制簡介57-59
• 4.2 面向控制的模型推導59-61
• 4.2.1 模型推導59-60
• 4.2.2 模型驗證60-61
• 4.3 直接優(yōu)化控制器設計61-65
• 4.3.1 問題描述61-62
• 4.3.2 控制器設計62-65
• 4.4 仿真實驗65-68
• 4.5 本章小結68-69
• 第5章 全文總結及工作展望69-71
• 5.1 全文工作總結69-70
• 5.2 未來工作展望70-71
• 參考文獻71-76
• 攻讀碩士學位期間的研究成果76-77
• 致謝77-78

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1 郭漢森;;選擇性催化還原法(SCR)脫硝技術在燃煤電廠的運用[J];電站輔機;2008年01期

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6 劉志強;馬明;馬永兵;程勁勁;;尿素SCR催化器的數值模擬[J];汽車科技;2012年04期

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1 周垣平;張軍民;;淺議在烤煙生產中推廣SCR調控肥的示范效果[A];山西省煙草學會2006年學術交流獲獎論文集[C];2006年

2 周垣平;張軍民;;淺議在烤煙生產中推廣SCR調控肥的示范效果[A];華北、東北地區(qū)2007年度煙草學術交流研討會論文集[C];2007年

3 劉曉敏;;煙氣脫硝SCR裝置噴氨優(yōu)化研究[A];全國第八屆電站鍋爐專業(yè)技術交流年會論文集[C];2013年

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5 雷達;吳其榮;李朝貴;潘茂華;;SCR煙氣脫硝化學動力學模擬研究[A];重慶市電機工程學會2010年學術會議論文集[C];2010年

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7 李濤;慕鍇;張劍;;SCR轉子調速器的應用及節(jié)能技術分析[A];全國火電大機組（300MW級）競賽第三十五屆年會論文集[C];2006年

8 劉建禹;菅盤銘;;SCR復合氧化物脫硝催化劑的制備及表征[A];第十屆全國工業(yè)催化技術及應用年會論文集[C];2013年

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1 王光睿 李積軒;全球首臺低速機SCR裝置進入實船試驗階段[N];中國船舶報;2011年

2 吳小春　記者 陳鐵;SCR使國產重載車尾氣排放達到國際標準[N];中國質量報;2008年

3 成都 新力;可控硅SCR穩(wěn)壓電源[N];電子報;2004年

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1 惠大可;船舶柴油機SCR反應器結構參數優(yōu)化研究[D];集美大學;2015年

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3 陳志剛;柴油發(fā)動機尿素SCR控制系統(tǒng)設計方法研究[D];吉林大學;2016年

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9 王昌松;公交車后處理SCR尿素泵測試系統(tǒng)的設計[D];山東理工大學;2013年

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本文編號：562635