CN110244565B - 一种scr系统分区控制方法和装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种SCR系统分区控制方法和装置，方法包括：建立SCR模型；对SCR模型的参数进行标定；使用标定参数的SCR模型，采用多目标遗传算法计算不同温度下的目标氨存储量，得到优化后的目标氨存储量；根据控制精度和标定成本确定累计氨存储变化的计算温度分度值；根据优化后的不同温度下的目标氨存储量和温度分度值绘制得到目标氨存储图；根据累计氨存储变化大小将目标氨存储图分为5个区间：高NOx排放风险区、安全区、路况变动区、高温转换区以及高NH3泄露风险区；对分区后的目标氨存储图进行标定；根据标定的目标氨存储图进行SCR分区控制。能够提高NOx(氮氧化物)转化效率，并且大大降低了标定工作量。
Description
技术领域
本发明涉及控制技术领域，具体而言，涉及一种SCR系统分区控制方法和装置。
背景技术
选择性催化还原(selective catalytic reduction,SCR)技术是降低柴油机氮氧化物(nitric oxides,NOx)排放的一种有效手段。我国重型柴油车从国IV排放阶段开始便广泛使用尿素-SCR技术来满足法规对NOx排放的要求。尿素-SCR技术将浓度为32.5％的尿素水溶液喷射到排气管中，尿素在高温下分解产生氨气，通过产生的氨气将排气中的NOx还原成N2和H2O，从而降低柴油机的NOx排放。
如何通过控制尿素喷射速率，实现高NOx转化效率的同时限制NH3泄漏是SCR系统的研究重点。尿素喷射不足会导致产生大量的NOx排放，而喷射过量的尿素，则会产生NH3泄漏，增加尿素消耗量。
现有技术中，存在基于排气流量和发动机NOx排放量对尿素喷射速率进行控制的方案；该方案通过稳态和瞬态修正进一步提高SCR系统性能，满足欧V排放法规对NOx排放的要求。
现有技术中，还存在利用NH3泄漏作为反馈对尿素喷射进行控制的方案；该方案在欧洲稳态循环下，使NOx转化效率达到了90％。
发明人认为，尽管基于NOx排放和NH3泄漏的闭环控制系统可以有效的降低NOx排放，但是SCR系统是非对称控制系统，SCR催化器中的氨存储只能主动的升高而不能主动降低。同时，SCR系统还是多时间尺度系统，尤其是在瞬态工况下，当检测到产生NH3泄漏后再停止喷射尿素可能会产生大量的NH3泄漏。
在实现本发明的过程中，发明人发现，NOx排放和NH3泄漏与SCR催化器的NH3存储直接相关。将NH3存储控制在合适的范围内，可以实现较高NOx转化效率的同时避免产生大量NH3泄漏。然而，没有任何传感器可以直接测量SCR催化器中的氨存储，并且催化剂、排气温度和后处理系统布置等因素都会对最优NH3存储产生影响。在许多研究中，研究者通过发动机试验的方法建立NH3存储目标值map图来控制尿素喷射。但是，发动机试验开发周期长、成本高。因此，NH3存储控制的优化仍然是SCR系统研究中的难点。
发明内容
本发明提供一种SCR系统分区控制方法和装置，用以克服现有技术中存在的至少一个问题。
根据本发明实施例的一个方面，提供了一种选择性催化还原SCR系统分区控制方法，包括：建立SCR模型；对SCR模型的参数进行标定；使用标定参数的SCR模型，采用多目标遗传算法计算不同温度下的目标氨存储量，得到优化后的目标氨存储量；根据控制精度和标定成本确定累计氨存储变化的计算温度分度值；根据优化后的不同温度下的目标氨存储量和温度分度值绘制得到目标氨存储图；根据累计氨存储变化大小将目标氨存储图分为5个区间：高NOx排放风险区、安全区、路况变动区、高温转换区以及高NH3泄露风险区；对分区后的目标氨存储图进行标定；根据标定的目标氨存储图进行SCR分区控制。
根据本发明实施例的一个方面，还提供了一种SCR系统分区控制装置，包括：建立模块，用于建立SCR模型；第一标定模块，用于对SCR模型的参数进行标定；多目标遗传算法模块，用于使用标定参数的SCR模型，采用多目标遗传算法计算不同温度下的目标氨存储量，得到优化后的目标氨存储量；确定模块，用于根据控制精度和标定成本确定累计氨存储变化的计算温度分度值；绘制模块，用于根据优化后的不同温度下的目标氨存储量和温度分度值绘制得到目标氨存储图；划分模块，用于根据累计氨存储变化大小将目标氨存储图分为5个区间：高NOx排放风险区、安全区、路况变动区、高温转换区以及高NH3泄露风险区；第二标定模块，用于对分区后的目标氨存储图进行标定；控制模块，用于根据标定的目标氨存储图进行SCR分区控制。
本发明实施例的创新点包括：
1、本发明通过多目标遗传算法优化氨存储目标值，确定SCR控制分区，有利于进一步提高NOx(氮氧化物)转化效率；这是本发明实施例的创新点之一。
2、本发明通过分区标定优化，大大降低了标定工作量，降低标定难度和成本，同时能够降低开发周期和开发成本；这是本发明实施例的创新点之一。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明一个实施例的SCR系统分区控制方法的流程图；
图2为本发明一个实施例的基于多目标遗传算法对目标氨存储map进行优化的方法流程图；
图3为本发明一个实施例的累计氨存储变化图；
图4为本发明实施例的一种SCR系统分区控制装置的示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
需要说明的是，本发明实施例及附图中的术语“包括”和“具有”以及它们任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。例如包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备没有限定于已列出的步骤或单元，而是可选地还包括没有列出的步骤或单元，或可选地还包括对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
本发明实施例公开了一种SCR系统分区控制方法和装置，以下进行详细说明。
图1为本发明一个实施例的SCR系统分区控制方法的流程图。
如图1所示，本发明一个实施例的SCR系统分区控制方法包括：
S101，建立SCR模型；
建立SCR模型具体包括：通过商业软件(如AVL-BOOST和GT-POWER)建立SCR一维模型；或者采用状态方程建立SCR零维模型。
S102，对SCR模型的参数进行标定；
对SCR模型的参数进行标定具体包括：用SCR小样数据或发动机台架试验的方法对模型参数进行标定。
S103，使用标定参数的SCR模型，采用多目标遗传算法计算不同温度下的目标氨存储量，得到优化后的目标氨存储量；
基于多目标遗传算法对目标氨存储map进行优化，优化流程图如图2所示。如图2所示，使用标定参数的SCR模型，采用多目标遗传算法计算不同温度下的目标氨存储量，得到优化后的目标氨存储量具体包括：
输入循环参数；
随机种群初始化；
使用标定参数的SCR模型计算不同温度下的尿素喷射速率、NH3存储量、NOx排放量和NH3泄露量；
将计算得到的不同温度下的尿素喷射速率、NH3存储量、NOx排放量和NH3泄露量代入目标函数矢量方程，计算得到每个个体的目标函数值；
目标函数矢量方程为
其中，θ为决策变量，表示SCR催化器目标NH3覆盖率；f1(θ)和f2(θ)分别表示NOx比排放和平均NH3泄漏量；目标函数矢量方程的约束条件为最小化f1(θ)，同时限制最大f2(θ)；
当代数为1时，通过选择、杂交和变异产生下一代个体；并通过SCR模型计算不同温度下的尿素喷射速率、NH3存储量、NOx排放量和NH3泄露量；计算每个个体的目标函数值；
当代数不为1且小于设定的最大代数时，令代数+1，并循环执行通过选择、杂交和变异产生下一代个体；并通过SCR模型计算不同温度下的尿素喷射速率、NH3存储量、NOx排放量和NH3泄露量；计算每个个体的目标函数值的步骤；
当代数不为1且不小于设定的最大代数时；输出优化结果。
S104，根据控制精度和标定成本确定累计氨存储变化的计算温度分度值；
S105，根据优化后的不同温度下的目标氨存储量和温度分度值绘制得到目标氨存储图；
S106，根据累计氨存储变化大小将目标氨存储图分为5个区间：高NOx排放风险区、安全区、路况变动区、高温转换区以及高NH3泄露风险区；
以10K为计算分度值为例，累计氨存储变化图如图3所示。根据累计氨存储变化大小可以将目标氨存储map图分为5个区间：高NOx排放风险区、安全区、路况变动区，高温转换区以及高NH3泄露风险区。
S107，对分区后的目标氨存储图进行标定；
对分区后的目标氨存储图进行标定具体包括：采用传统的发动机台架或仿真方式对每个区域中氨存储变化率和/或区间端点目标氨存储值进行标定。
S108，根据标定的目标氨存储图进行SCR分区控制。
标定后的分区map图可以用做SCR尿素喷射控制器氨存储目标值，用于PI控制器、模型预测控制器等，实现SCR分区控制。
采用本发明实施例中的SCR系统分区控制方法，通过多目标遗传算法优化氨存储目标值，确定SCR控制分区，不仅有利于进一步提高NOx(氮氧化物)转化效率，还可以大大减少标定工作量，降低开发周期和开发成本。
图4为本发明实施例的一种SCR系统分区控制装置的示意图。由于本发明实施例的装置的实施原理与图1中的SCR系统分区控制方法的原理一致，重复之处不再赘述。
如图4所示，根据本发明实施例的一种SCR系统分区控制装置400，包括：建立模块401，用于建立SCR模型；第一标定模块402，用于对SCR模型的参数进行标定；多目标遗传算法模块403，用于使用标定参数的SCR模型，采用多目标遗传算法计算不同温度下的目标氨存储量，得到优化后的目标氨存储量；确定模块404，用于根据控制精度和标定成本确定累计氨存储变化的计算温度分度值；绘制模块405，用于根据优化后的不同温度下的目标氨存储量和温度分度值绘制得到目标氨存储图；划分模块406，用于根据累计氨存储变化大小将目标氨存储图分为5个区间：高NOx排放风险区、安全区、路况变动区、高温转换区以及高NH3泄露风险区；第二标定模块407，用于对分区后的目标氨存储图进行标定；控制模块408，用于根据标定的目标氨存储图进行SCR分区控制。
可选地，建立模块具体用于：通过商业软件建立SCR一维模型；或者采用状态方程建立SCR零维模型。
可选地，第一标定模块具体用于：用SCR小样数据或发动机台架试验的方法对模型参数进行标定。
可选地，多目标遗传算法模块具体用于：输入循环参数；随机种群初始化；使用标定参数的SCR模型计算不同温度下的尿素喷射速率、NH3存储量、NOx排放量和NH3泄露量；将计算得到的不同温度下的尿素喷射速率、NH3存储量、NOx排放量和NH3泄露量代入目标函数矢量方程，计算得到每个个体的目标函数值；目标函数矢量方程为
其中，θ为决策变量，表示SCR催化器目标NH3覆盖率；f1(θ)和f2(θ)分别表示NOx比排放和平均NH3泄漏量；目标函数矢量方程的约束条件为最小化f1(θ)，同时限制最大f2(θ)；当代数为1时，通过选择、杂交和变异产生下一代个体；并通过SCR模型计算不同温度下的尿素喷射速率、NH3存储量、NOx排放量和NH3泄露量；计算每个个体的目标函数值；当代数不为1且小于设定的最大代数时，令代数+1，并循环执行通过选择、杂交和变异产生下一代个体；并通过SCR模型计算不同温度下的尿素喷射速率、NH3存储量、NOx排放量和NH3泄露量；计算每个个体的目标函数值的步骤；当代数不为1且不小于设定的最大代数时；输出优化结果。
可选地，第二标定模块具体用于：采用传统的发动机台架或仿真方式对每个区域中氨存储变化率和/或区间端点目标氨存储值进行标定。
采用本发明实施例中的SCR系统分区控制装置，通过多目标遗传算法优化氨存储目标值，确定SCR控制分区，不仅有利于进一步提高NOx(氮氧化物)转化效率，还可以大大减少标定工作量，降低开发周期和开发成本。
本领域普通技术人员可以理解：附图只是一个实施例的示意图，附图中的模块或流程并不一定是实施本发明所必须的。
本领域普通技术人员可以理解：实施例中的装置中的模块可以按照实施例描述分布于实施例的装置中，也可以进行相应变化位于不同于本实施例的一个或多个装置中。上述实施例的模块可以合并为一个模块，也可以进一步拆分成多个子模块。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的精神和范围。
Claims (10)
1.一种选择性催化还原SCR系统分区控制方法，其特征在于，包括：
建立SCR模型；
对所述SCR模型的参数进行标定；
使用标定参数的所述SCR模型，采用多目标遗传算法计算不同温度下的目标氨存储量，得到优化后的目标氨存储量；
根据控制精度和标定成本确定累计氨存储变化的计算温度分度值；
根据优化后的不同温度下的目标氨存储量和温度分度值绘制得到目标氨存储图；
根据累计氨存储变化大小将所述目标氨存储图分为5个区间：高NOx排放风险区、安全区、路况变动区、高温转换区以及高NH3泄露风险区；
对分区后的所述目标氨存储图进行标定；
根据标定的所述目标氨存储图进行SCR分区控制。
2.根据权利要求1所述的SCR系统分区控制方法，其特征在于，建立SCR模型具体包括：
通过商业软件建立SCR一维模型；或者采用状态方程建立SCR零维模型。
3.根据权利要求1-2中任一项所述的SCR系统分区控制方法，其特征在于，对所述SCR模型的参数进行标定具体包括：
用SCR小样数据或发动机台架试验的方法对模型参数进行标定。
4.根据权利要求3所述的SCR系统分区控制方法，其特征在于，使用标定参数的所述SCR模型，采用多目标遗传算法计算不同温度下的目标氨存储量，得到优化后的目标氨存储量具体包括：
输入循环参数；
随机种群初始化；
使用标定参数的所述SCR模型计算不同温度下的尿素喷射速率、NH3存储量、NOx排放量和NH3泄露量；
将计算得到的不同温度下的尿素喷射速率、NH3存储量、NOx排放量和NH3泄露量代入目标函数矢量方程，计算得到每个个体的目标函数值；所述目标函数矢量方程为
其中，θ为决策变量，表示SCR催化器目标NH3覆盖率；f1(θ)和f2(θ)分别表示NOx比排放和平均NH3泄漏量；所述目标函数矢量方程的约束条件为最小化f1(θ)，同时限制最大f2(θ)；
当代数为1时，通过选择、杂交和变异产生下一代个体；并通过所述SCR模型计算不同温度下的尿素喷射速率、NH3存储量、NOx排放量和NH3泄露量；计算每个个体的目标函数值；
当代数不为1且小于设定的最大代数时，令代数+1，并循环执行通过选择、杂交和变异产生下一代个体；并通过所述SCR模型计算不同温度下的尿素喷射速率、NH3存储量、NOx排放量和NH3泄露量；计算每个个体的目标函数值的步骤；
当代数不为1且不小于设定的最大代数时；输出优化结果。
5.根据权利要求4所述的SCR系统分区控制方法，其特征在于，对分区后的所述目标氨存储图进行标定具体包括：
采用传统的发动机台架或仿真方式对每个区域中氨存储变化率和/或区间端点目标氨存储值进行标定。
6.一种SCR系统分区控制装置，其特征在于，包括：
建立模块，用于建立SCR模型；
第一标定模块，用于对所述SCR模型的参数进行标定；
多目标遗传算法模块，用于使用标定参数的所述SCR模型，采用多目标遗传算法计算不同温度下的目标氨存储量，得到优化后的目标氨存储量；
确定模块，用于根据控制精度和标定成本确定累计氨存储变化的计算温度分度值；
绘制模块，用于根据优化后的不同温度下的目标氨存储量和温度分度值绘制得到目标氨存储图；
划分模块，用于根据累计氨存储变化大小将所述目标氨存储图分为5个区间：高NOx排放风险区、安全区、路况变动区、高温转换区以及高NH3泄露风险区；
第二标定模块，用于对分区后的所述目标氨存储图进行标定；
控制模块，用于根据标定的所述目标氨存储图进行SCR分区控制。
7.根据权利要求6所述的SCR系统分区控制装置，其特征在于，建立模块具体用于：通过商业软件建立SCR一维模型；或者采用状态方程建立SCR零维模型。
8.根据权利要求6-7中任一项所述的SCR系统分区控制装置，其特征在于，第一标定模块具体用于：用SCR小样数据或发动机台架试验的方法对模型参数进行标定。
9.根据权利要求8所述的SCR系统分区控制装置，其特征在于，多目标遗传算法模块具体用于：
输入循环参数；
随机种群初始化；
使用标定参数的所述SCR模型计算不同温度下的尿素喷射速率、NH3存储量、NOx排放量和NH3泄露量；
将计算得到的不同温度下的尿素喷射速率、NH3存储量、NOx排放量和NH3泄露量代入目标函数矢量方程，计算得到每个个体的目标函数值；所述目标函数矢量方程为
其中，θ为决策变量，表示SCR催化器目标NH3覆盖率；f1(θ)和f2(θ)分别表示NOx比排放和平均NH3泄漏量；所述目标函数矢量方程的约束条件为最小化f1(θ)，同时限制最大f2(θ)；
当代数为1时，通过选择、杂交和变异产生下一代个体；并通过所述SCR模型计算不同温度下的尿素喷射速率、NH3存储量、NOx排放量和NH3泄露量；计算每个个体的目标函数值；
当代数不为1且小于设定的最大代数时，令代数+1，并循环执行通过选择、杂交和变异产生下一代个体；并通过所述SCR模型计算不同温度下的尿素喷射速率、NH3存储量、NOx排放量和NH3泄露量；计算每个个体的目标函数值的步骤；
当代数不为1且不小于设定的最大代数时；输出优化结果。
10.根据权利要求9所述的SCR系统分区控制装置，其特征在于，第二标定模块具体用于：采用传统的发动机台架或仿真方式对每个区域中氨存储变化率和/或区间端点目标氨存储值进行标定。
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