基于数据和机理分析的工业过程系统多尺度协同建模与控制及其在船舶脱硝系统中的应用

Some empirical assumptions such as homogenous assumptions are adopted in traditional modeling for industry process systems, which would lead to bigger errors in actual control systems. Therefore, the research focus and difficulty in this area is the accurate mathematical modeling and its control accuracy for the system. In this work, in order to improve the system performance, the multi-scale modeling and related resolution approach is adopted to investigate the dynamic modeling and control methods for such a non-linear system, where the multi-scale decomposition and coupling, integration and control are taken into account. The main contents involve: (1) to investigate the multi-scale decomposition approach based on multi-block/CFD method, and to establish the system modeling both on the point view of mesoscopic and macroscopic levels; (2) to present new control model on the standpoint of macroscopic view, where a mesoscopic variable model and new state observer are designed and considered; (3) the research on a new adaptive control strategy to improve the stability of the online control model with the change of the working conditions; (4) the experimental validation on the established model and control strategies. This project is a basic research for application, the proposed multi-scale modeling method, the integration of CFD method and the macroscopic modeling, have a significant effect on improving the control accuracy of non-linear system.

工业过程系统的传统建模方法往往加入一些经验假设，如“分布均匀”，在这些假设失效或不准确时必然导致传统建模方法存在较大误差。本项目以船舶SCR脱硝系统为研究对象，开展多尺度系统及其建模方法的理论研究，探索宏观-介观尺度上的多尺度分解与协调、多尺度综合与控制方法，为复杂工业过程的非线性动态建模与控制优化寻求新思路。具体包括：（1）研究基于多分区/CFD模型的工业过程系统多尺度分解方法，分别建立介观CFD模型和宏观控制模型；（2）提出构建介观变量的度量模型，开发中间件，实现系统的多尺度集成模拟；设计状态变量观测器，建立融合介观参数的在线控制模型、提高系统控制精度；（3）设计新型自适应控制策略，增强系统变工况下的稳定性；（4）实验验证所建立的模型和控制策略。本项目属于应用基础研究，提出的融合介观CFD和过程模拟的多尺度建模，有望开创SCR脱硝过程模拟的新局面，对提高非线性系统的控制精度有重要意义

本课题立足于工业过程的多尺度特征，提出：要准确的描述该工业过程、提高系统的控制和优化精度，就必须综合考虑该系统内不同尺度过程之间的关联。为此，本项目以船舶柴油机SCR脱硝系统为应用背景，针对控制模型的“均相”假设失效问题，开展了SCR脱硝系统的多尺度建模与控制方法研究，致力于建立融合CFD（介观）和过程模拟（宏观）的SCR脱硝系统多尺度模型，以提高系统控制和优化精度。具体研究内容包括：（1）研究基于多分区/CFD模型的工业过程系统多尺度分解方法，分别建立介观CFD的精细化建模和宏观控制模型；（2）设计了宏观尺度上节能减排降耗约束下的喷氨系统模型预测控制；（3）建立了介观尺度上SCR脱硝系统的精细化机理模型，设计了变工况导流板的优化控制策略；（4）摒弃均匀性假设，构建中间件控制器，研究介观尺度上控制算法与精细化机理模型的联动仿真，建立多尺度的集成模拟；（5）基于联动仿真模型，建立非均匀分布下的喷氨控制策略，提高系统控制精度。本项目提出的融合介观CFD和过程模拟的多尺度建模，开创SCR脱硝过程模拟的新局面，对提高非线性系统的控制精度有重要意义。