[发明专利]基于ARMAX和MMPC的船舶SCR系统喷氨量控制方法

权利要求书

1.一种基于ARMAX和MMPC的船舶SCR系统喷氨量控制方法，

其特征在于，包含以下步骤：

S1、在船舶柴油机SCR脱硝系统中引入工况分类的方法，根据入口氮氧化物浓度的高低将船舶柴油机工况分为经济、标准、超载工况，其中经济工况下入口氮氧化物浓度最低，标准居中，超载最高；

S2、在MATLAB中建立船舶SCR脱硝控制系统的数学机理模型，其中：假设在每个SCR通道中不存在热传导，可忽略脱硝反应过程中的吸热以及放热过程中的能量损耗，在SCR脱硝的催化剂反应槽中能量交换只存在气体的对流换热和周围环境的热辐射之中；船舶SCR脱硝系统可以用下面的四个耦合的偏微分方程描述：

T^*＝a₆m^*_EG(T_in-T)-a₇(T⁴-T⁴_amb)

其中参数定义如下：

其中，R_S,EG为柴油机尾气的气体常数，P_amb为大气压强，n_Cell为SCR脱硝系统的单元数，V_C为SCR单元的体积，c_S为考虑在转化器中气体体积的催化剂表面活性原子的浓度值，S_C为1摩尔表面活性原子的面积，α_Prob为粘附概率，R为理想气体常数，T为温度值，M_NH3为氨气的摩尔质量，k_Des为氨气解吸附的指前因子，E_a,Des为氨气解吸附反应的活化能，k_SCR为SCR反应的指前因子，k_Ox为NH₃氧化反应的指前因子，E_a,Ox为NH₃氧化反应的活化能，c_p,EG为常压下柴油机尾气的比热容，c_p,C为SCR转化器的比热容，m_C为SCR催化转换器质量，ε_Rad,SCR为柴油机发动机的辐射系数，σ_SB为气体辐射常数，A_Rad,SCR为催化剂转换器的表面面积，T_amb为环境的温度；对S1中分类的船舶柴油机不同工况下的SCR脱硝控制系统入口数据通过对在MATLAB中建立的该数学机理模型软测量的方式获取系统出口的氮氧化物浓度的离线数据；

S3、对S2中得到的船舶SCR脱硝控制系统的入口和出口氮氧化物浓度数据，利用时间序列ARMAX模型辨识方法来软测量分析，对不同工况下的SCR脱硝控制系统进行ARMAX系统模型辨识，采用最小二乘ARMAX模型辨识，其中的参数包含输入变量u(t)，输出变量y(t)，噪声信号e(t)，多项式A(q)、B(q)、C(q)的模型阶次分别为na、nb1、nb2、nc；选用两输入一输出的ARMAX时间序列模型，基本形式：

A(q^-1)y(t)＝B(q^-1)u(t-1)+C(q^-1)e(t)

然后将辨识结果的时间序列模型转化成系统的传递函数模型；

S4、对S3中辨识完的SCR脱硝控制系统不同工况下的子模型作为多模型预测算法的线性化点设计MPC控制器；其中本发明的MPC控制器的参数包括喷氨量为操纵变量，入口NOx的浓度为前馈扰动，出口NOx的变量浓度为设定目标，喷氨量为操作变量u(k)，出口NOx浓度给定值w(k)，ym(k)为模型的预测出口NOx浓度，实际出口NOx浓度为y(k)；

S5、对S4中所述的不同工况下的MPC控制器制定累计最小误差的切换方式，在面对变工况非线性系统的运行参数经常发生跳变时，可以及时的切换到相应的控制器，其中控制器选择性能指标函数如下式所示：

J_i(t)为控制器选择的性能指标，通过比较J_i(t)的大小，就可以选择子模型所对应的控制器；公式中e_i(t)表示的是子模型i和系统实际被控模型之间的输出误差，r和η分别为当前时刻和过去时刻e_i(t)的加权系数，L为过去时刻的有限时域长度；因为系统工况多变的影响，往往会造成J_i(t)的大小发生跳变，从而导致控制器的频繁切换，而通过考虑过去有限时域的历史误差，可以使得控制器切换相对比较平滑，提高系统的稳定性；同时为了防止历史误差占比太大，还设置了遗忘因子ρ来权衡历史误差的大小；子MPC控制器与切换方式一起组成了船舶SCR脱硝系统的MMPC控制器。

2.一种基于ARMAX辨识模型的多工况的多模型预测控制选择性催化还原脱硝装置的控制系统，使用如权利要求1所述的基于ARMAX和MMPC的船舶SCR系统喷氨量控制方法，其特征在于，包括：仿真模块、数据获取模块、仿真模块、ARMAX系统辨识模块、控制器模块；仿真模块用于建立选择性催化还原脱硝系统的仿真实验平台；数据获取模块用于根据入口氮氧化物浓度运行所诉仿真实验平台，根据入口氮氧化物浓度将系统分为经济，标准，超载三种工况，并获得三种系统当前的出口氮氧化物浓度和喷氨量；ARMAX系统辨识模块用于通过模型辨识获取三种工况下的船舶柴油机SCR脱硝反应系统的传递函数模型，根据实验数据，建立喷氨量、入口NOx浓度和出口NOx浓度之间的时间序列自回归滑动平均模型；控制器模块用于对建立的系统控制模型进行控制。