CN104632323A - 一种尿素scr氨覆盖率反馈跟踪控制方法 - Google Patents

Abstract

一种尿素SCR氨覆盖率反馈跟踪控制方法，属于汽车技术领域。本发明的目的主要是针对于单核尿素SCR系统提出一种简单易于实现的尿素SCR氨覆盖率反馈跟踪控制方法。本发明首先进行氨覆盖率反馈跟踪控制方法所需系统模型搭建，氨覆盖率反馈跟踪控制方法实现的目标是跟踪氨覆盖率，考虑氨覆盖率 和氨浓度两个状态量。本发明设计采用一种基于线性自抗扰思想设计控制器。此方法具有自抗扰控制的精髓—实时估计并补偿系统运行时受到的各种外扰和内扰，超调小、响应速度快、精度高、抗干扰能力强。并且解决了原有自抗扰控制器参数过多(10个左右)问题，将控制参数降到3个,而且都有比较明确的物理意义,十分便于工程应用,并且取得了很好的实际控制效果。

Description

一种尿素SCR氨覆盖率反馈跟踪控制方法

技术领域

本发明属于汽车技术领域。

背景技术

柴油发动机由于经济性好、动力性强、温室气体排放少等优点，越来越受到用户的青睐，已经从原有的中重型车领域扩展到轻型车领域。然而柴油发动机存在着                                                排放过多的问题。原有的机内净化技术已经不能满足日益严格的排放法规，而柴油发动机尾气后处理系统能够很好的解决这个问题。这其中的尿素SCR系统是一种最有发展前景的技术，它能够在提高燃油经济性的情况下降低的排放。为了能够同时降低排放并且避免氨逃逸，现在采用较多的控制思路是将氨的覆盖率作为被控量进行跟踪控制。现在采用的精确非线性控制方法存在着诸多问题：

1、尿素SCR系统内部存在着复杂的化学反应，所以机理建模复杂，并且模型精度存在问题。然而现存的控制方法过多的依赖于模型精度，从而对控制器的设计带来了困难。

2、尿素SCR系统的被控模型中存在大量参数，例如温度，质量流量等。通常被视作慢变参数，将其变化率忽略。这样降低了系统的精度和抗干扰能力。

3、现有的精确控制方法大多采用复杂的非线性控制方法，控制器设计复杂，不利于工程实现和应用。

发明内容

本发明的目的主要是针对于单核尿素SCR系统提出一种简单易于实现的尿素SCR氨覆盖率反馈跟踪控制方法。

本发明氨覆盖率反馈跟踪控制方法所需系统模型搭建：

a、通过氨的吸附与解吸附反应、SCR还原反应和氨的氧化反应进行：

氨的吸附与解吸附反应：反应方程式如下

      （1）

SCR催化还原反应：反应方程式如下

         （2）

氨氧化反应：反应方程式如下：

      （3）

各反应的反应速率如下：

氨的吸附速率和解吸附反应速率：

      （4）

                  （5）

SCR催化还原反应的反应速率：

         （6）

氧化反应的反应速率：

                    （7）

式中， 为气态浓度，为浓度，为氨覆盖率，为反应速率系数，具体表示如下表：

 b、根据质量和能量守恒建立系统模型

列出催化器微元内气体组份的质量平衡方程：

       (8)

式中，为气体摩尔浓度()，为进入微元的气体摩尔流量(),为流出微元的气体摩尔流量(),为气体通过化学反应生成或者消耗的速率()；

根据公式（8），分别获得气态、气态和氨覆盖率的质量平衡方程：

   （9）

式中，为单位体积活性原子浓度；

得到催化器温度模型：

 （10）

式中

得到尿素SCR系统的状态空间模型如（11）

                     （11）。

本发明要实现的目标是跟踪氨覆盖率，考虑氨覆盖率和氨浓度两个状态量：由式（11）可知：

    （12）

其中， 为状态量， 为系统控制输入， 为系统被控输出；

；

其中，

第一步、基于线性自抗扰思想的控制器整体结构设计：

令，基于（12）对y求二阶导得到系统的二阶微分方程如下，

   （13）

通过对模型的了解，可知

则将（13）改写成如下形式

                   （14）

其中，F作为系统的扩张状态，将通过线性扩张观测器观测得到；

根据现行线性自抗扰控制思想我们直接得到控制器输出的控制变量形式：

                  （15）

其中，是对的观测值，通过线性扩张状态观测器得到；

第二步、设计系统线性扩张状态观测器观测：

首先重构系统状态方程，将原有的非线性形式转化成线性状态空间形式；

令，得到

                 （16）

其中作为未知干扰；

将上式整理成状态空间形式

                （17）

其中，；

用线性状态观测器（18）观测各状态

                （18）

为观测器增益，通过极点配置方式得到，为系统极点，通过实验调节得到；

第三步、设计闭环反馈控制器：

应用PD控制器作为反馈控制器，令

             （19）

其中为参考氨覆盖率，为氨覆盖率观测值，为氨覆盖率变化速率；其中，为系统待调节的另两个参数；

结合第一、二、三步我们得到最终的控制量即得。

本发明设计采用一种基于线性自抗扰思想设计控制器。此方法具有自抗扰控制的精髓—实时估计并补偿系统运行时受到的各种外扰和内扰，超调小、响应速度快、精度高、抗干扰能力强。并且解决了原有自抗扰控制器参数过多(10个左右)问题, 将控制参数降到3个, 而且都有比较明确的物理意义, 十分便于工程应用, 并且取得了很好的实际控制效果。

附图说明

图1是实施本发明所述的一种SCR氨覆盖率反馈跟踪控制方法的总体原理框图；

图2是本发明所述的实施例应用的为验证方法有效性所采用的ECE测试循环发动机排放情况，单位为，横坐标为时间，单位；

图3是本发明所述的实施例应用的为验证方法有效性所采用的ECE测试循环发动机废气质量流量和温度情况，黑虚线为质量流量，单位分别为，红实线为废气温度，单位为℃，横坐标为时间，单位；

图4是本发明所述的实施例应用的为验证方法有效性所采用的FTP75测试循环发动机排放情况，单位为，横坐标为时间，单位；

图5是本发明所述的实施例应用的为验证方法有效性做采用的FTP75测试循环发动机废气质量流量和温度情况，黑虚线为质量流量，单位分别为，红实线为废气温度，单位为℃，横坐标为时间，单位；

图6是本发明所述的实施例1中ECE测试循环下扩张状态观测值，其中黑虚线为真实值，红实线为观测值，两者单位均为1，横坐标为时间，单位；

图7是本发明所述的实施例1中ECE测试循环下氨覆盖率跟踪情况，其中黑虚线为参考输入，红实线为真实值，两者单位均为1，绿实线为喷射值，单位，横坐标为时间，单位；

图8是本发明所述的实施例1中FTP75测试下循环扩张状态观测值，其中黑虚线为参考输入，红实线为真实值，两者单位均为1，横坐标为时间，单位；

图9是本发明所述的实施例1中FTP75测试循环下氨覆盖率跟踪情况，其中黑虚线为参考输入，红实线为真实值，两者单位均为1，绿实线为喷射值，单位，横坐标为时间，单位；

图10是本发明所述的实施例2中ECE测试循环下扩张状态观测值，其中黑虚线为真实值，红实线为观测值，两者单位均为1，横坐标为时间，单位；

图11是本发明所述的实施例2中ECE测试循环下氨覆盖率跟踪情况，其中黑虚线为参考输入，红实线为真实值，两者单位均为1，绿实线为喷射值，单位，横坐标为时间，单位；

图12是本发明所述的实施例2中FTP75测试下循环扩张状态观测值，其中黑虚线为参考输入，红实线为真实值，两者单位均为1，横坐标为时间，单位；

图13是本发明所述的实施例2中FTP75测试循环下氨覆盖率跟踪情况，其中黑虚线为参考输入，红实线为真实值，两者单位均为1，绿实线为喷射值，单位，横坐标为时间，单位。

具体实施方式

本发明的一种尿素SCR系统氨覆盖率跟踪控制方法实施的整体原理框图如图1所示，由图可看出整个系统包含两个部分：被控系统模型和以线性扩张状态观测器为核心的一种氨覆盖率跟踪反馈控制器。

首先搭建被控系统模型，被控系统包含两个部分：CRTD发动机高保真模型enDYNA和尿素SCR系统机理模型。enDNA是一款成熟的发动机仿真软件，本发明不在详细介绍，下面详细介绍尿素SCR系统的机理建模。

本发明氨覆盖率反馈跟踪控制方法所需系统模型搭建：Urea-SCR系统模型搭建

a、SCR反应系统内部化学反应极其复杂，本发明只考虑其内部主要的四个化学反应：氨的吸附与解吸附反应、SCR还原反应和氨的氧化反应。通过氨的吸附与解吸附反应、SCR还原反应和氨的氧化反应进行：

氨的吸附与解吸附反应：在催化器内，部分被吸附在催化剂表面，变成吸附态的氨()，其余部分仍为气态氨()，并且这两部分可以相互转化，反应方程式如下

      （1）

SCR催化还原反应：吸附态的氨能够在催化剂的作用下选择性的与反应生成和，当温度高于200℃时，该反应主要按照Eley-Rideal机制进行，反应方程式如下

         （2）

氨氧化反应：当温度高于350℃时，吸附态的氨能够被氧化成和，反应方程式如下：

      （3）

各反应的反应速率如下：

氨的吸附速率和解吸附反应速率：

      （4）

                  （5）

SCR催化还原反应的反应速率：

         （6）

氧化反应的反应速率：

                    （7）

式中， 为气态浓度，为浓度，为氨覆盖率，为反应速率系数，具体表示如下表：

 b、根据质量和能量守恒建立系统模型

本发明的一种柴油机Urea-SCR反馈控制方法在建模时假设催化反应器为一个均匀搅拌器（CSTR），即单元内部各变量均匀一致。

根据单位时间内催化器内气体浓度变化与进入催化器的气体流量、流出的气体流量及催化器内气体生成或消耗的速率有关，可列出催化器微元内气体组份的质量平衡方程：

       (8)

式中，为气体摩尔浓度()，为进入微元的气体摩尔流量(),为流出微元的气体摩尔流量(),为气体通过化学反应生成或者消耗的速率()；

根据公式（8），分别获得气态、气态和氨覆盖率的质量平衡方程：

   （9）

式中，为单位体积活性原子浓度；

同时，本发明充分考虑了催化转化器内部的温度特性。考虑两种能量交换过程：与流经气体的对流换热及与周围环境的辐射换热。从而得到催化器温度模型：

 （10）

式中

得到尿素SCR系统的状态空间模型如（11）

                     （11）。

尿素SCR系统氨覆盖率反馈控制方法：

自抗扰控制器技术, 是发扬PID 控制技术的精髓、克服PID控制器缺陷，并吸取现代控制理论成就，运用计算机仿真试验结果的归纳和综合中探索出来的, 是不依赖于被控对象精确模型的、能够替代PID 控制技术的、新型实用数字控制技术。而线性自抗扰控制技术继承了自抗扰控制器的精髓——实时估计和及时补偿，同时解决了自抗扰存在的工程设计困难、调节算数过多（10个左右）等问题。本发明采用线性自抗扰控制技术的思想，设计尿素SCR氨覆盖率反馈控制器，在满足系统性能的同时，非常方便工程应用 。

本发明设计的一种尿素SCR系统氨覆盖率控制方法的控制框图如图1所示。控制器设计主要包括两个部分：线性扩张状态观测器和PD反馈控制器。其中核心部分是扩张状态观测器(LESO)。其主要作用是补偿未知系统的不确定因素。借用状态观测器的思想, 把未建模动态和各种扰动的综合作用看成是一个新的状态-扩张状态, 通过输出反馈的方式观测这个扩张状态。这个扩张状态观测器并不依赖于系统的具体数学模型, 它所依靠的仅仅是对象的阶次。反馈控制的目的是通过负反馈来抑制和消除各种扰动对系统输出的影响。具体的控制器设计步骤如下所示。

由于本发明要实现的目标是跟踪氨覆盖率，所以本发明在设计控制器时只考虑氨覆盖率和氨浓度两个状态量：由式（11）可知：

    （12）

其中， 为状态量， 为系统控制输入， 为系统被控输出；

；各量将通过扩张状态观测器进行观测，相比于现有的控制方法降低了控制器设计的复杂程度，同时保证了控制器的精度。

其中，

下面分步具体介绍控制器的设计。

第一步、基于线性自抗扰思想的控制器整体结构设计：

令，基于（12）对y求二阶导得到系统的二阶微分方程如下，

   （13）

通过对模型的了解，可知

则将（13）改写成如下形式

                   （14）

其中，F作为系统的扩张状态，将通过线性扩张观测器观测得到；

如图1所示，根据现行线性自抗扰控制思想我们直接得到控制器输出的控制变量形式：

                  （15）

其中，是对的观测值，通过线性扩张状态观测器得到；

第二步、设计系统线性扩张状态观测器观测：

首先重构系统状态方程，将原有的非线性形式转化成线性状态空间形式；

令，得到

                 （16）

其中作为未知干扰；

将上式整理成状态空间形式

                （17）

其中，；

用线性状态观测器（18）观测各状态（包括扩张状态）

                （18）

为观测器增益，通过极点配置方式得到，为系统极点，可以通过实验调节得到，是本发明的第一个参数。如此，我们完成线性扩张观测器的设计。

 第三步、设计闭环反馈控制器：

应用PD控制器作为反馈控制器，令

             （19）

其中为参考氨覆盖率，为氨覆盖率观测值，为氨覆盖率变化速率；其中，为系统待调节的另两个参数；

综上所述，结合第一、二、三步我们得到最终的控制量。完成本发明所述基于线性自抗扰控制思想的反馈控制器设计。

实验验证

参数设置：线性状态观测器的极点配置为-200，参数=1e4，参数=-2000。

本发明结合高保真柴油发动机仿真软件enDYNA，对所涉及的氨覆盖率控制方法的有效性进行验证。分别对正弦形式和阶跃形式的参考覆盖率在发动机排气测试循环ECE和FTP75下进行跟踪验证，进行实施例1和实施例2。

参阅图2，排气测试循环ECE下发动机排放情况；

参阅图3，排气测试循环ECE下发动机排放废气质量流量和温度变化情况，在整个系统中是以干扰的形式存在的，将被转化成扩张状态；

参阅图4，排气测试循环FTP75下发动机排放情况，它是美国用于测试轻型车辆排放标准和经济性的一套测试循环。循环总时长1877s，本发明所用实施例为了节省时间同时保证效果选取其中冷启动阶段的500s进行验证；

参阅图5，排气测试循环FTP75下发动机排放废气质量流量和温度变化情况，在整个系统中是以干扰的形式存在的，将被转化成扩张状态。

1）实施例1：参考输入为正弦信号测试验证

参阅图6，将ECE测试循环下enDYNA输出的和废气质量流量和温度作用于系统，线性扩张状态观测器对于扩张状态的估计情况，图中黑虚线为系统实际扩张状态，红实线则为扩张状态观测器的估计值。由图可见，虽然有些偏差，观测器能够很好地估计出系统的扩张状态动态变化趋势；

参阅图7，在ECE测试循环下，系统对于参考的正弦氨覆盖率跟踪情况和此时对应的控制器输出。图中黑虚线为参考值，红实线为系统实际氨覆盖率，绿实线为控制器的输出，即氨的喷射量。由图可见，正弦信号的周期为100s，幅值为0.2，在0.2~0.6之间变化，系统在控制器的作用下可以很好的跟踪参考氨覆盖率；

参阅图8，将FTP75测试循环下enDYNA输出的和废气质量流量和温度作用于系统，线性扩张状态观测器对于扩张状态的估计情况，图中黑虚线为系统实际扩张状态，红实线则为扩张状态观测器的估计值。由图可见，虽然有些偏差，观测器能够很好地估计出系统的扩张状态动态变化趋势；

参阅图9，在FTP75测试循环下，系统对于参考的正弦氨覆盖率跟踪情况和此时对应的控制器输出。图中黑虚线为参考值，红实线为系统实际氨覆盖率，绿实线为控制器的输出，即氨的喷射量。由图可见，正弦信号的周期为300s，幅值为0.2，在0.2~0.6之间变化，系统在控制器的作用下可以很好的跟踪参考氨覆盖率；

以上仿真实验所得到的图像可说明本发明所述的一种氨覆盖率跟踪控制方法在不同测试循环情况下能使真实的氨覆盖率跟踪上期望的正弦形式的氨覆盖率，并且能够对系统的扩张状态进行精确的跟踪。

2）实施例2：参考输入为阶跃信号测试验证

参阅图10，将ECE测试循环下enDYNA输出的和废气质量流量和温度作用于系统，线性扩张状态观测器对于扩张状态的估计情况，图中黑虚线为系统实际扩张状态，红实线则为扩张状态观测器的估计值。由图可见观测器在参考氨覆盖率发生阶跃变化时，由于此时实际的扩张状态发生较大变化，此时线性扩张状态观测器不能准确的跟踪，但这个过程很短暂，随后观测器仍能比较好地估计出扩张状态；

参阅图11，在ECE测试循环下，系统对于参考的正弦氨覆盖率跟踪情况和此时对应的控制器输出。图中黑虚线为参考值，红实线为系统实际氨覆盖率，绿实线为控制器的输出，即氨的喷射量。氨覆盖率在40s、90s时阶跃上升，在140s阶跃下降。由图可见，系统在控制器的作用下可以很好的跟踪参考氨覆盖率；

参阅图12，将FTP75测试循环下enDYNA输出的和废气质量流量和温度作用于系统，线性扩张状态观测器对于扩张状态的估计情况，图中黑虚线为系统实际扩张状态，红实线则为扩张状态观测器的估计值。由图可见观测器在参考氨覆盖率发生阶跃变化时，由于此时实际的扩张状态发生较大变化，此时线性扩张状态观测器不能准确的跟踪，但这个过程很短暂，随后观测器仍能比较好地估计出扩张状态；

参阅图13，在FTP75测试循环下，系统对于参考的正弦氨覆盖率跟踪情况和此时对应的控制器输出。图中黑虚线为参考值，红实线为系统实际氨覆盖率，绿实线为控制器的输出，即氨的喷射量。氨覆盖率在50s、250s时阶跃上升，在350s阶跃下降。由图可见，系统在控制器的作用下可以很好的跟踪参考氨覆盖率；

以上仿真实验所得到的图像可说明本发明所述的一种氨覆盖率跟踪控制方法在不同测试循环情况下能使真实的氨覆盖率跟踪上期望的阶跃形式变化的氨覆盖率，并且能够对系统的扩张状态进行精确的跟踪。

上述两个实施例分别检验了本发明所述的一种氨覆盖率跟踪控制方法在不同测试循环情况下的性能。所发明的控制方法首先对系统的扩张状态进行观测，虽然观测值和实际值直接有一定差别，但是在PD反馈控制作用下，能使真实的氨覆盖率跟踪上期望的阶跃形式变化的氨覆盖率，达到了控制器所要求的性能。

本发明所述的一种氨覆盖率跟踪控制方法达到了本发明的设计目标，简化了控制器设计流程，降低系统复杂程度，减少控制器调节参数，并取得了良好的控制效果，从而可以证明本发明所述的控制方法能够很好的应用于实际的柴油发动机尿素选择性催化还原反应控制系统的开发。

Claims (2)

1.一种尿素SCR氨覆盖率反馈跟踪控制方法，其特征在于：

 氨覆盖率反馈跟踪控制方法所需系统模型搭建：

a、通过氨的吸附与解吸附反应、SCR还原反应和氨的氧化反应进行：

氨的吸附与解吸附反应：反应方程式如下

      （1）

SCR催化还原反应：反应方程式如下

         （2）

氨氧化反应：反应方程式如下：

      （3）

各反应的反应速率如下：

氨的吸附速率和解吸附反应速率：

      （4）

                  （5）

SCR催化还原反应的反应速率：

         （6）

氧化反应的反应速率：

                    （7）

式中， 为气态浓度，为浓度，为氨覆盖率，为反应速率系数，具体表示如下表：

 b、根据质量和能量守恒建立系统模型

列出催化器微元内气体组份的质量平衡方程：

       (8)

式中，为气体摩尔浓度()，为进入微元的气体摩尔流量(),为流出微元的气体摩尔流量(),为气体通过化学反应生成或者消耗的速率()；

根据公式（8），分别获得气态、气态和氨覆盖率的质量平衡方程：

   （9）

式中，为单位体积活性原子浓度；

得到催化器温度模型：

 （10）

式中

得到尿素SCR系统的状态空间模型如（11）

                     （11）。

2.权利要求1所述的尿素SCR氨覆盖率反馈跟踪控制方法，其特征在于：要实现的目标是跟踪氨覆盖率，考虑氨覆盖率和氨浓度两个状态量：由式（11）可知：

    （12）

其中， 为状态量， 为系统控制输入， 为系统被控输出；

；

其中，

第一步、基于线性自抗扰思想的控制器整体结构设计：

令，基于（12）对y求二阶导得到系统的二阶微分方程如下，

   （13）

通过对模型的了解，可知

则将（13）改写成如下形式

                   （14）

其中，F作为系统的扩张状态，将通过线性扩张观测器观测得到；

根据现行线性自抗扰控制思想我们直接得到控制器输出的控制变量形式：

                  （15）

其中，是对的观测值，通过线性扩张状态观测器得到；

第二步、设计系统线性扩张状态观测器观测：

首先重构系统状态方程，将原有的非线性形式转化成线性状态空间形式；

令，得到

                 （16）

其中作为未知干扰；

将上式整理成状态空间形式

                （17）

其中，；

用线性状态观测器（18）观测各状态

                （18）

为观测器增益，通过极点配置方式得到，为系统极点，通过实验调节得到；

第三步、设计闭环反馈控制器：

应用PD控制器作为反馈控制器，令

             （19）

其中为参考氨覆盖率，为氨覆盖率观测值，为氨覆盖率变化速率；其中，为系统待调节的另两个参数；

结合第一、二、三步我们得到最终的控制量即得。