柴油机SCR储氨覆盖率控制方法研究

作     者：姜长文 

作者单位：吉林大学 

学位级别：硕士

导师姓名：高莹

授予年度：2024年

学科分类：083002[工学-环境工程] 0830[工学-环境科学与工程（可授工学、理学、农学学位）] 080703[工学-动力机械及工程] 08[工学] 0807[工学-动力工程及工程热物理] 

主      题：柴油机SCR 储氨覆盖率 ASRUKF算法 前馈-反馈控制 NMPC-DSC算法 

摘      要：随着中国接连出台《打赢蓝天保卫战三年行动计划》、《新大气法》、国六排放标准6b阶段等法律法规,机动车排放管控得到进一步强化加严。选择性催化还原技术(Selective Catalytic Reduction,SCR)广泛应用于柴油机NOx减排,其储氨覆盖率直接决定SCR系统的NOx转化效率和氨泄漏量。因此,本文围绕重型柴油机SCR系统储氨覆盖率控制方法展开研究,主要包括SCR系统数学模型搭建及参数辨识,储氨覆盖率观测器设计和储氨覆盖率控制策略研究,本文研究内容和主要结论如下: 首先,研究了柴油机SCR系统内部化学反应原理,基于常微分方程建立了SCR系统4阶动态模型。为适应控制实时性需求,提升计算效率,减少计算负荷,在满足控制所需精度的前提下,4阶模型降为2阶。基于灰狼优化算法(Grey Wolf Optimizer,GWO)辨识SCR模型参数,仿真结果表明,经辨识后的SCR模型精度满足控制工程应用需求,将模型集成封装,便于后续储氨覆盖率观测器和控制策略开发。 其次,针对不可物理测量的SCR系统储氨覆盖率,基于无迹卡尔曼滤波(Unscented Kalman Filter,UKF)开发柴油机SCR系统储氨覆盖率观测器。由于Sigma点选取会出现舍入误差累积,针对由此导致的协方差矩阵非正定问题,论文融合平方根滤波算法,以期增强观测器稳定性;为避免SCR系统过程噪声和量测噪声影响观测器估计精度,基于Sage-Husa算法改进UKF观测器;最终,基于自适应平方根无迹卡尔曼滤波(Adaptive Square Root Unscented Kalman Filter,ASRUKF),估计SCR储氨覆盖率。通过稳态工况和瞬态工况试验验证,ASRUKF储氨覆盖率观测器最大稳态估计误差为UKF储氨覆盖率观测器的15%,最大瞬态估计误差为UKF观测器的9.5%,结果表明,ASRUKF储氨覆盖率观测器估计精度更高,且鲁棒性更强,为后续控制策略开发奠定基础。 然后,运用开环前馈结合闭环反馈控制策略的架构,控制柴油机SCR系统储氨覆盖率。针对SCR系统高度非线性、大惯性和长时滞的特点,选取氨氮比为目标的SCR开环前馈控制器。经阶跃工况和瞬态工况仿真验证,若仅采用开环前馈控制器,难以有效解决瞬态工况切换产生大量氨泄漏和NOx转化效率降低的问题。因此,本文引入基于反步法(Backstepping Control)的闭环反馈控制器,控制SCR下游微元储氨覆盖率不超过自定义值。通过设计控制器,实现相应控制策略。测试结果表明,开环前馈结合闭环反馈控制器策略相较于仅开环前馈控制器方案,在阶跃工况下,NOx平均转化效率提升7.75%,氨泄漏量平均值降低38.5%;在WHTC工况下,NOx平均转化效率提升21.83%,氨泄漏量平均值降低2.4%。开环前馈结合闭环反馈控制器具有更加良好的控制效果。 最后,基于动态面控制(Dynamic Surface Control,DSC)原理设计了SCR储氨覆盖率闭环反馈控制器,经仿真测试分析DSC控制器期望输出对控制器性能影响显著。为优化DSC控制器期望输出,引入非线性模型预测控制(Nonlinear model predictive controller,NMPC),对DSC控制器期望输出进行动态修正。经优化后的NMPC-DSC闭环反馈控制器与基于控制氨氮比的开环前馈结合反步法闭环反馈控制器进行对比,结果表明,基于NMPC-DSC闭环反馈控制器在阶跃工况下NOx转化效率提升1.08%,氨泄漏量峰值降低28.8%;在WHTC工况下NOx平均转化效率提高7.8%,氨泄漏量峰值降低7.02%。 综上,本文探究柴油机SCR系统储氨覆盖率控制方法,基于常微分方程建立SCR模型,基于ASRUKF设计储氨覆盖率观测器,分别应用开环前馈结合闭环反馈和NMPC-DSC设计控制器,并通过仿真验证了控制器性能。本文提出的控制器设计思路和建议应用场景为SCR控制策略后续研究提供参考。