[发明专利]一种基于约束预测控制的SCR脱硝系统及方法

权利要求书

1.一种基于约束预测控制的SCR脱硝设备，其特征在于：包括出口NOx浓度目标值设置单元(1)、约束预测控制单元(2)、比例控制单元(3)、喷氨阀门(4)、SCR反应器(5)和实际约束计算单元(6)，所述约束预测控制单元(2)包括控制增量约束计算单元(21)和预测控制单元(22)，实际约束计算单元(6)包括出口NOx浓度约束计算单元(61)、阀门动作速率约束计算单元(62)和阀门开度约束计算单元(63)；

所述出口NOx浓度目标值设置单元(1)、约束预测控制单元(2)中的预测控制单元(22)、比例控制单元(3)、喷氨阀门(4)及SCR反应器(5)依次连接；所述阀门动作速率约束计算单元(62)和阀门开度约束计算单元(63)与所述喷氨阀门(4)的输入喷氨阀门开度连接；所述实际约束计算单元(6)与约束预测控制单元(2)中的控制增量约束计算单元(21)连接；所述约束预测控制单元(2)中的控制增量约束计算单元(21)与预测控制单元(22)连接；所述喷氨阀门(4)的输出喷氨流量与约束预测控制单元(2)的输出控制量通过求和之后与比例控制单元(3)连接；所述SCR反应器(5)的输出出口NOx浓度与出口NOx浓度目标值设置单元(1)的输出出口NOx浓度目标值经过求和之后与约束预测控制单元(2)中的预测控制单元(22)连接。

2.根据权利要求1所述的基于约束预测控制的SCR脱硝系统，其特征在于：所述实际约束计算单元(6)计算包括出口NOx浓度约束、阀门动作速率约束和阀门开度约束的范围，并通过控制增量约束计算单元(21)转化为对预测控制单元(22)的控制增量的约束，实现对预测控制单元(22)的约束，得到所需要的喷氨流量，再通过比例控制单元(3)对喷氨阀门(4)进行控制，调节阀门开度以调整喷氨流量。

3.一种基于约束预测控制的SCR脱硝系统的方法，其特征在于：包括以下步骤：

1)在稳态工况下，把SCR脱硝系统切换到手动状控制态，以所述喷氨阀门(4)的阀门开度为输入进行出口NOx浓度的开环阶跃响应试验，得到喷氨阀门(4)的模型W₀₁(s)，以及SCR反应器(5)的模型W₀₂(s)；

2)在所述比例控制单元(3)中，确定比例调节器的参数K_P，计算SCR反应器(2)的出口NOx浓度对阀门开度的总模型W(s)，并得到总模型的阶跃响应系数为a₁,a₂,...,a_N，其中，N为阶跃响应的时域长度；

3)设置所述约束预测控制单元(2)中的约束预测控制器的相关参数，包括采样时间T_s，预测步数P，控制步数M，输出误差权矩阵Q，控制权矩阵R；采用公式 所述的预测模型对SCR反应器(2)的出口NOx浓度进行预测，其中，表示在k时刻对未来时刻的出口NOx浓度的预测值向量，表示在k时刻对未来时刻的出口NOx浓度的预测初值向量；ΔU_M(k)表示在k时刻对未来时刻的控制量增量向量；A为单位阶跃响应系数组成的动态矩阵；

4)在约束预测控制单元(2)中，将所述约束预测控制器进行状态初始化，即在某个稳态工况下，检测当前时刻的出口NOx浓度测量值y(k)，并赋值给出口NOx浓度的预测初值及预测值，即：

5)所述实际约束计算单元(6)计算如下三类实际约束的范围：出口NOx浓度约束、阀门动作速率约束和阀门开度约束，将结果传至控制增量计算单元(21)，得到约束预测控制器的控制增量ΔU_M(k)的约束；

6)根据选取的性能指标函数J(k)，结合所述控制增量ΔU_M(k)的约束，约束预测控制单元(2)采用积极集方法求解上述带约束的二次型目标函数最优解求解问题，得到约束预测控制器的控制量增量ΔU_M(k)；

7)取约束预测控制单元(2)计算得到的控制增量ΔU_M(k)中的即时控制增量Δu(k)构成实际控制，计算得出约束控制后的最优控制量u(k)＝u(k-1)+Δu(k)，将最优控制量u(k)传递到比例控制单元；计算并更新经约束控制后的出口NOx浓度预测值 

8)检测SCR脱硝系统在k+1时刻的实际输出的出口NOx浓度测量值y(k+1)，在约束预测控制单元(2)中，将所述出口NOx浓度测量值y(k+1)与所述出口NOx浓度预测值进行比较，计算输出误差e(k+1)；用输出误差e(k+1)修正出口NOx浓度预测值向量得到修正后的出口NOx浓度预测值向量

9)根据k时刻的喷氨阀门(4)的输入阀门开度u_V(k)及喷氨阀门(4)的输出喷氨流量y_P(k)，在控制增量约束计算单元(21)中计算并更新k+1时刻对约束预测控制单元的控制量增量ΔU_M(k+1)的约束；

10)将修正过的出口NOx浓度预测值作为k+1时刻的出口NOx浓度预测初值 在之后的周期中反复执行步骤5)至步骤10)，进行出口NOx浓度的预测及修正。