基于经典PID控制双罐选择性催化还原系统的仿真研究

摘 要：选择性催化还原系统（SCR）能够有效去除机动车尾气中的氮氧化物，该文介绍了选择性催化还原系统（SCR）的反应原理，基于SCR反应原理建立了双罐SCR系统建模，然后设计经典PID控制器应用于双罐SCR系统，仿真结果表明，经典PID对双罐SCR系统有一定的控制作用，但是不能充分体现双罐SCR系统的优势。

关键词：氮氧化物 经典PID 串联SCR 双罐SCR

中图分类号：X773 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2017）07（a）-0041-04

随着机动车数量的增加，机动车尾气造成的空气污染愈加严重，各国针对机动车制定的排放法规也越来越严格。SCR作为一种处理机动车尾气中氮氧化物的后处理技术也得到更多研究人员的关注。通常情况下，SCR系统想要达到较好地去除氮氧化物效果通常要求更多的尿素溶液喷入，但是过多尿素溶液喷入会造成氨泄漏现象，氨气同样会对环境造成污染，这种矛盾的存在制约着SCR系统氮氧化物转化率的提高[1]。近几年串联SCR系统的出现为解决这种矛盾提供了新思路，这种系统将SCR的作用一分为二，第一部分为氮氧化物转化罐（NCC），第二部分为氨气存储罐（ARC），这种方法能够有效缓解高氮氧化物转化率与低氨气泄漏率的矛盾[2]。该文就串联SCR系统展开研究，介绍了串联SCR系统的建模过程，设计了经典PID控制器应用于串联SCR系统，通过仿真探究经典PID控制是否适用于串联SCR系统。

1 SCR系统反应原理

SCR系统的反应原理图如图1所示。整个反应过程可以分为3步：第一步，在机动车尾气进入SCR系统之前喷入浓度为32.5%的尿素溶液；第二步，气态氨气进入SCR系统，一部分氨气吸附在催化剂上等待与氮氧化物反应；第三步，吸附在催化剂上的氨气与机动车尾气中的氮氧化物发生反应，将氮氧化物转化为无害的氮气和水[3]。

在第二步中氨气吸附到催化剂上是可逆反应，氨气吸附的同时也会发生氨气的解吸附反应，反应方程如下：

2 双罐SCR系统建模

串联SCR系统是指将一个SCR系统划分为多个SCR子系统，然后对每个SCR子系统进行建模，串联SCR系统原理图如图2所示。这些SCR子系统被分为两组，前面的一组为NCC，后面一组为ARC。

在实际研究过程中，把SCR分割的过多会增加传感器的数量也会增加计算难度，所以，在研究串联SCR系统时一般针对双罐SCR系统研究[4，5]。

根据摩尔守恒原理和质量守恒原理可以将SCR的动态模型写成如下形式：

式中，；；和分别为NOx和氨气的浓度；为SCR进口氨气浓度；为柴油机排放尾气浓度；为排气流速；为SCR反应罐的体积。“”为某种物质，“”为第“”个SCR。以为例，为在第“”SCR中的“”的浓度，由式（14）可见，经过NCC后的氨气浓度和氮氧化物浓度作为输入进入到ARC中。

3 PID控制器设计

PID控制由比例控制（P）、积分控制（I）、微分控制（D）组成，其原理图如图3所示[6]。

根据PID控制原理图可以得出PID的控制规律公式，公式的形式如下：

（15）

式中：为控制量；为偏差；为比例系数；为积分时间常数；为微分时间常数。

双罐SCR系统的输出量主要包括中间输出量SCR1的氮氧化物浓度、氨气浓度和最终输出量SCR2的氮氧化物浓度、氨气浓度，PID控制在控制单输出量的系统时表现出很好的控制性能，所以，在设计双罐SCR系统的PID控制器时选择最终输出SCR2的氮氧化物浓度作为反馈量。将经过SCR2后输出的氮氧化物浓度与期望值比较形成偏差输入到PID控制器，最终该文设计出的串联SCR系统PID控制器的系统图如图4所示。

图4中，F为排气流量，T为排气温度，为了达到比较好的控制效果图4中的期望值设置为0.4 g/m3，由于在SCR系统中氮氧化物的浓度为摩尔浓度，单位是mol/m3，所以，在图4的系统中反馈项NOx_out_2有一个单位转换环节。单位转换公式如下：

（16）

式中，CNO为NO的物质的量浓度；Fe为尾气流量；MNO为NO的物质的量，FNO为NO的体积流量。

该文PID参数确定使用的方法是实验试凑法[7]。串联SCR系统的模型是在MATLAB的Sinmulink中搭建完成的，PID参数通过多次仿真确定，最终确定Sinmulink中PID模块中的参数分别为P=0.3、I=0、D=3。

4 仿真结果与结论

在仿真过程中用到实验数据有柴油机尾气中的氮氧化物浓度、排气温度和排气流量，上述数据如图5～图7所示。

将上述数据输入到确定好参数的串联SCR系统中后，运行仿真程序可以得到如下仿真数据曲线，其中图8为氮氧化物与喷氨量匹配图，图9为氮氧化物浓度变化图。

从上述仿真结果可以看出PID控制器应用于串联SCR系统后起到一定的控制效果，喷氨量与进入到SCR系统的氮氧化物量有比较好的匹配效果，NOx的转化率能够达到50%左右。

但是同样也可以看到PID控制应用于串联SCR系统的弊端，由于PID控制中单反馈项的限制，使得双罐SCR系统中很多数据无法应用到控制系统中对控制效果进行修正。例如：经过SCR1后的氨气浓度和经过SCR2后的氨气浓度，这些数据如果能够成为反馈项应用于双罐SCR的控制系统中能够在提高控制精度的同时限制氨泄漏现象。在今后的工作中应尝试将更多的控制方法应用到双罐SCR系统中，例如：模糊控制、神经网络、PID自适应控制等，探究适合应用于双罐SCR系统的控制方法。

参考文献

[1] 邓家奇，周家旺，高聪聪.车用柴油机欧Ⅴ、欧Ⅵ排放控制技术路线研究[J].汽车实用技术，2016（2）：14-16.

[2] Jiang K，Cao E，Wei L.NOx Sensor Ammonia Cross-sensitivity Estimation With Adaptive Unscented Kalman Filter for Diesel-engine Selective Catalytic Reduction Systems[J].Fuel，2016（165）：185-192.

[3] Zhang H，Chen P，Wang J，et al.Integrated Study of Inland-Vessel Diesel Engine Two-Cell SCR Systems with Dynamic References[J].IEEE/ASME Transactions on Mechatronics，2016（99）：1.

[4] Zhang H，Wang J.Adaptive Control of Two-cell Selective Catalytic Reduction Systems[A].Society of Instrument and Control Engineers of Japan[C].2015：1031-1036.

[5] Zhang H，Wang J，Wang YY.Optimal Dosing and Sizing Optimization for a Ground-Vehicle Diesel-Engine Two-Cell Selective Catalytic Reduction System[J]. IEEE Transactions on Vehicular Technology，2016，65（6）：4140-4751.

[6] 王蕾，宋文忠.PID控制[J].自踊仪表，2004，25（4）：1-6.

[7] 刘镇，姜学智，李东海.PID控制参数整定方法[J].电子技术应用，1997（5）：4-6.