基于經(jīng)典PID控制雙罐選擇性催化還原系統(tǒng)的仿真研究

尤坤

摘 要：選擇性催化還原系統(tǒng)（SCR）能夠有效去除機(jī)動(dòng)車(chē)尾氣中的氮氧化物，該文介紹了選擇性催化還原系統(tǒng)（SCR）的反應(yīng)原理，基于SCR反應(yīng)原理建立了雙罐SCR系統(tǒng)建模，然后設(shè)計(jì)經(jīng)典PID控制器應(yīng)用于雙罐SCR系統(tǒng)，仿真結(jié)果表明，經(jīng)典PID對(duì)雙罐SCR系統(tǒng)有一定的控制作用，但是不能充分體現(xiàn)雙罐SCR系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)。

關(guān)鍵詞：氮氧化物 經(jīng)典PID 串聯(lián)SCR 雙罐SCR

中圖分類(lèi)號(hào)：X773 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2017）07（a）-0041-04

隨著機(jī)動(dòng)車(chē)數(shù)量的增加，機(jī)動(dòng)車(chē)尾氣造成的空氣污染愈加嚴(yán)重，各國(guó)針對(duì)機(jī)動(dòng)車(chē)制定的排放法規(guī)也越來(lái)越嚴(yán)格。SCR作為一種處理機(jī)動(dòng)車(chē)尾氣中氮氧化物的后處理技術(shù)也得到更多研究人員的關(guān)注。通常情況下，SCR系統(tǒng)想要達(dá)到較好地去除氮氧化物效果通常要求更多的尿素溶液噴入，但是過(guò)多尿素溶液噴入會(huì)造成氨泄漏現(xiàn)象，氨氣同樣會(huì)對(duì)環(huán)境造成污染，這種矛盾的存在制約著SCR系統(tǒng)氮氧化物轉(zhuǎn)化率的提高[1]。近幾年串聯(lián)SCR系統(tǒng)的出現(xiàn)為解決這種矛盾提供了新思路，這種系統(tǒng)將SCR的作用一分為二，第一部分為氮氧化物轉(zhuǎn)化罐（NCC），第二部分為氨氣存儲(chǔ)罐（ARC），這種方法能夠有效緩解高氮氧化物轉(zhuǎn)化率與低氨氣泄漏率的矛盾[2]。該文就串聯(lián)SCR系統(tǒng)展開(kāi)研究，介紹了串聯(lián)SCR系統(tǒng)的建模過(guò)程，設(shè)計(jì)了經(jīng)典PID控制器應(yīng)用于串聯(lián)SCR系統(tǒng)，通過(guò)仿真探究經(jīng)典PID控制是否適用于串聯(lián)SCR系統(tǒng)。

1 SCR系統(tǒng)反應(yīng)原理

SCR系統(tǒng)的反應(yīng)原理圖如圖1所示。整個(gè)反應(yīng)過(guò)程可以分為3步：第一步，在機(jī)動(dòng)車(chē)尾氣進(jìn)入SCR系統(tǒng)之前噴入濃度為32.5%的尿素溶液；第二步，氣態(tài)氨氣進(jìn)入SCR系統(tǒng)，一部分氨氣吸附在催化劑上等待與氮氧化物反應(yīng)；第三步，吸附在催化劑上的氨氣與機(jī)動(dòng)車(chē)尾氣中的氮氧化物發(fā)生反應(yīng)，將氮氧化物轉(zhuǎn)化為無(wú)害的氮?dú)夂退甗3]。

在第二步中氨氣吸附到催化劑上是可逆反應(yīng)，氨氣吸附的同時(shí)也會(huì)發(fā)生氨氣的解吸附反應(yīng)，反應(yīng)方程如下：

2 雙罐SCR系統(tǒng)建模

串聯(lián)SCR系統(tǒng)是指將一個(gè)SCR系統(tǒng)劃分為多個(gè)SCR子系統(tǒng)，然后對(duì)每個(gè)SCR子系統(tǒng)進(jìn)行建模，串聯(lián)SCR系統(tǒng)原理圖如圖2所示。這些SCR子系統(tǒng)被分為兩組，前面的一組為NCC，后面一組為ARC。

在實(shí)際研究過(guò)程中，把SCR分割的過(guò)多會(huì)增加傳感器的數(shù)量也會(huì)增加計(jì)算難度，所以，在研究串聯(lián)SCR系統(tǒng)時(shí)一般針對(duì)雙罐SCR系統(tǒng)研究[4，5]。

根據(jù)摩爾守恒原理和質(zhì)量守恒原理可以將SCR的動(dòng)態(tài)模型寫(xiě)成如下形式：

式中，；；和分別為NOx和氨氣的濃度；為SCR進(jìn)口氨氣濃度；為柴油機(jī)排放尾氣濃度；為排氣流速；為SCR反應(yīng)罐的體積。“”為某種物質(zhì)，“”為第“”個(gè)SCR。以為例，為在第“”SCR中的“”的濃度，由式（14）可見(jiàn)，經(jīng)過(guò)NCC后的氨氣濃度和氮氧化物濃度作為輸入進(jìn)入到ARC中。

3 PID控制器設(shè)計(jì)

PID控制由比例控制（P）、積分控制（I）、微分控制（D）組成，其原理圖如圖3所示[6]。

根據(jù)PID控制原理圖可以得出PID的控制規(guī)律公式，公式的形式如下：

（15）

式中：為控制量；為偏差；為比例系數(shù)；為積分時(shí)間常數(shù)；為微分時(shí)間常數(shù)。

雙罐SCR系統(tǒng)的輸出量主要包括中間輸出量SCR1的氮氧化物濃度、氨氣濃度和最終輸出量SCR2的氮氧化物濃度、氨氣濃度，PID控制在控制單輸出量的系統(tǒng)時(shí)表現(xiàn)出很好的控制性能，所以，在設(shè)計(jì)雙罐SCR系統(tǒng)的PID控制器時(shí)選擇最終輸出SCR2的氮氧化物濃度作為反饋量。將經(jīng)過(guò)SCR2后輸出的氮氧化物濃度與期望值比較形成偏差輸入到PID控制器，最終該文設(shè)計(jì)出的串聯(lián)SCR系統(tǒng)PID控制器的系統(tǒng)圖如圖4所示。

圖4中，F(xiàn)為排氣流量，T為排氣溫度，為了達(dá)到比較好的控制效果圖4中的期望值設(shè)置為0.4 g/m3，由于在SCR系統(tǒng)中氮氧化物的濃度為摩爾濃度，單位是mol/m3，所以，在圖4的系統(tǒng)中反饋?lái)?xiàng)NOx_out_2有一個(gè)單位轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)。單位轉(zhuǎn)換公式如下：

（16）

式中，CNO為NO的物質(zhì)的量濃度；Fe為尾氣流量；MNO為NO的物質(zhì)的量，F(xiàn)NO為NO的體積流量。

該文PID參數(shù)確定使用的方法是實(shí)驗(yàn)試湊法[7]。串聯(lián)SCR系統(tǒng)的模型是在MATLAB的Sinmulink中搭建完成的，PID參數(shù)通過(guò)多次仿真確定，最終確定Sinmulink中PID模塊中的參數(shù)分別為P=0.3、I=0、D=3。

4 仿真結(jié)果與結(jié)論

在仿真過(guò)程中用到實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)有柴油機(jī)尾氣中的氮氧化物濃度、排氣溫度和排氣流量，上述數(shù)據(jù)如圖5～圖7所示。

將上述數(shù)據(jù)輸入到確定好參數(shù)的串聯(lián)SCR系統(tǒng)中后，運(yùn)行仿真程序可以得到如下仿真數(shù)據(jù)曲線(xiàn)，其中圖8為氮氧化物與噴氨量匹配圖，圖9為氮氧化物濃度變化圖。

從上述仿真結(jié)果可以看出PID控制器應(yīng)用于串聯(lián)SCR系統(tǒng)后起到一定的控制效果，噴氨量與進(jìn)入到SCR系統(tǒng)的氮氧化物量有比較好的匹配效果，NOx的轉(zhuǎn)化率能夠達(dá)到50%左右。

但是同樣也可以看到PID控制應(yīng)用于串聯(lián)SCR系統(tǒng)的弊端，由于PID控制中單反饋?lái)?xiàng)的限制，使得雙罐SCR系統(tǒng)中很多數(shù)據(jù)無(wú)法應(yīng)用到控制系統(tǒng)中對(duì)控制效果進(jìn)行修正。例如：經(jīng)過(guò)SCR1后的氨氣濃度和經(jīng)過(guò)SCR2后的氨氣濃度，這些數(shù)據(jù)如果能夠成為反饋?lái)?xiàng)應(yīng)用于雙罐SCR的控制系統(tǒng)中能夠在提高控制精度的同時(shí)限制氨泄漏現(xiàn)象。在今后的工作中應(yīng)嘗試將更多的控制方法應(yīng)用到雙罐SCR系統(tǒng)中，例如：模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、PID自適應(yīng)控制等，探究適合應(yīng)用于雙罐SCR系統(tǒng)的控制方法。

參考文獻(xiàn)

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