CN105443212B - 一种基于观测器的单传感器双闭环urea‑SCR反馈控制方法 - Google Patents
一种基于观测器的单传感器双闭环urea‑SCR反馈控制方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种基于观测器的单传感器双闭环urea‑SCR反馈控制方法，根据NOx传感器交叉敏感性因子与排气温度的关系map标定试验，基于urea‑SCR系统数学模型，应用非线性卡尔曼滤波观测理论，设计了基于数据/机理的柴油机urea‑SCR系统和参数观测器。以上述两个估计量与各自目标值的差值作为控制器输入，设计了尿素喷射双闭环反馈控制器。本发明主要以该观测器/控制器以及安装在urea‑SCR系统排气端的NOx传感器为主要部件，构造了尿素喷射反馈控制系统；本发明节约硬件成本，双闭环系统可以在单控制输入且权限受限、双输出约束且互为矛盾条件下，达到折中控制效果；观测器设计简单合理，数据/机理观测器可以减少发动机电控单元开发过程中过多的标定过程，控制策略灵活性及通用性。
Description
技术领域
本发明涉及一种柴油机尾气后处理电子反馈控制方法，特别涉及一种基于观测器的单传感器双闭环urea-SCR反馈控制方法。
背景技术
与汽油机相比，柴油机具有更高的燃油经济性和更高的动力输出。然而，柴油机的排放问题对其发展一直是个挑战，特别是NOx排放。研究人员提出了很多降低NOx排放的方法，其中urea-SCR即尿素选择性催化还原排放后处理技术，凭借其低成本、高效率等特点具备一定优势。而且urea-SCR系统对硫的敏感性较低，根据目前我国燃油中硫含量较高的实际国情，该技术更具优势。urea-SCR系统工作的基本原理是利用氨(NH3)还原发动机产生的NOx，这些氨一般都来源于32.5％的尿素溶液(添蓝溶液)。虽然氨能够还原NOx，但其本身也是对人体有害的，并且有着刺鼻的气味，尽管在当前的排放法规中没有明文规定。所以，同时实现较低的NOx排放与氨逃逸成为了urea-SCR系统研究的主要挑战。
针对上述问题，有学者提出了一些硬件改进措施。但在实际应用中，大多数都是以增加成本和所占空间为代价。目前，人们已经普遍认识到，通过改进尿素喷射技术达到上述控制目标，是一种较便捷且经济的方法。当前的一些尿素喷射控制方法，主要集中在反馈控制设计上。其中，一部分反馈控制是基于NOx传感器的。但NOx传感器对氨有交叉敏感性，导致测量信号存在误差。而且，只取NOx反馈信号也难以保证氨排放满足标准。虽然德尔福公司最近推出了NH3传感器，但由于其还未被量产，在实际的工业应用中很少用到。此外，常规的控制算法多数不是基于模型的，开发过程需要大量的标定试验，并且对于参数不确定性等因素抗干扰能力差。
因此，当前urea-SCR系统反馈控制依然面临以下挑战：
1、单控制输入(尿素喷射)、双受限输出(并且NOx与氨排放量互为矛盾)；
2、执行器的控制权限受限。即控制器只能增加尿素喷射量，不能减少；
3、传感器测量反馈控制方法存在困难。即NOx传感器测量对氨有交叉敏感性，NH3传感器尚未投入量产；
4、控制策略的易实施性，以及工业应用成本问题；
5、以标定为主的电子控制算法面临耗时耗力、受人为主观因素影响大以及抗干扰能力差等问题。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有NOx传感器测量的信号存在误差，以及同时实现较低的NOx排放与氨逃逸的问题，而提供的一种基于观测器的单传感器双闭环urea-SCR反馈控制方法。
本发明根据NOx传感器交叉敏感性因子与排气温度的关系map标定试验，基于urea-SCR系统数学模型，应用非线性卡尔曼滤波观测理论，设计了基于数据/机理的和参数观测器。以上述两个估计量与各自目标值的差值作为控制器输入，设计了尿素喷射双闭环反馈控制器。本发明主要以该观测器/控制器以及安装在urea-SCR系统排气端的NOx传感器为主要部件，构造了尿素喷射反馈控制系统。该方法具体包括以下步骤：
一、采集NOx传感器的信号，传送给观测器/控制器模块；
二、观测器/控制器模块依据NOx传感器的信号，估计出和参数值；
三、观测器/控制器模块利用上述两个估计量与各自目标值的差值作为反馈信号，设计了尿素喷射双闭环反馈控制系统。其中，以信号与其排放指标的差值作为主误差反馈量，以信号与其排放指标的差值作为副误差反馈量；
四、观测器/控制器模块通过CAN总线,将当前状态下计算得到的尿素喷射量传递给尿素计量喷射控制器；
五、尿素计量喷射控制器将信号传递给尿素喷头完成喷射任务。
其中，和数据/机理观测器具体的实现步骤如下：
(1)、建立urea-SCR系统数学模型
其中：
(2)、简化和观测器模型
定义状态变量时变参数控制输入变量得到：
z＝x1+Kcsx2， (II)
其中:
进一步整理为连续状态方程和离散观测方程，以及模型噪声W和测量噪声V构成的非线性系统：
(3)、基于urea-SCR系统数学模型设计估计算法并整理形式：
其中，(-)表示测量更新还没有发生，(+)表示测量更新已经发生，tk表示当前时刻，k＝0,1…N。
(4)、交叉敏感性因子Kcs与排气温度T之间的关系map标定
根据交叉敏感性因子Kcs与排气温度T之间的数学关系Kcs＝eaT，通过全工况的试验数据拟合得到常数a。
上述公式中的常量命名见下表1：
表1常量命名法
上述公式中的变量命名见下表2：
表2变量命名法
本发明的有益效果：
1、节约硬件成本。该方法只用了一个NOx传感器、一个数据/机理观测器单元，即可实现NOx和氨双闭环反馈控制；
2、双闭环系统可以在单控制输入且权限受限、双输出约束且互为矛盾条件下，达到折中控制效果；
3、观测器设计简单合理。利用NOx传感器信号、交叉敏感性因子与排气温度的关系map，即可观测出NOx和氨估计值；
4、数据/机理观测器可以减少发动机电控单元开发过程中过多的标定过程，而且基于机理模型的设计方法可以增强观测器算法的鲁棒性，对于系统外部扰动有较好的抑制作用；
5、控制策略灵活性及通用性。该方法可以根据NOx和氨排放法规的要求调整排放控制目标。
附图说明
图1为本发明实施例增压柴油机urea-SCR系统尿素喷射反馈控制结构示意图。
图2为本发明实施例基于数据/机理观测器的单NOx传感器双闭环反馈控制原理框图。
图3为本发明实施例混合扩展卡尔曼滤波算法的流程图。
具体实施方式
请参阅图1、图2和图3所示，为本发明的实施例，本实施例根据NOx传感器交叉敏感性因子与排气温度的关系map标定试验，基于urea-SCR系统数学模型，应用非线性卡尔曼滤波观测理论，设计了基于数据/机理的和参数观测器。以上述两个估计量与各自目标值的差值作为控制器输入，设计了尿素喷射双闭环反馈控制器。参阅图1，本发明主要以该观测器/控制器以及安装在urea-SCR系统排气端的NOx传感器为主要部件，构造了尿素喷射反馈控制系统。该方法具体包括以下步骤：
一、采集NOx传感器3的信号，传送给观测器/控制器模块5；
二、观测器/控制器模块5依据NOx传感器3的信号，估计出和参数值；
三、观测器/控制器模块5利用上述两个估计量与各自目标值的差值作为反馈信号，设计了尿素喷射双闭环反馈控制系统。其中，以信号与其排放指标的差值作为主误差反馈量，以信号与其排放指标的差值作为副误差反馈量；
四、观测器/控制器模块5通过CAN总线6,将当前状态下计算得到的尿素喷射量传递给尿素计量喷射控制器2；
五、尿素计量喷射控制器2将信号传递给尿素喷头1完成喷射任务。
其中，和数据/机理观测器具体的实现步骤如下：
1、建立urea-SCR系统数学模型
urea-SCR系统中的化学反应主要包括下面几个过程。首先，发动机排出的NOx，in和添蓝溶液产生的NH3，in进入系统。在催化器内，部分NH3被吸附在催化剂表面，变成吸附态的氨(NH3(ads))，其余部分仍为气态氨(NH3(g))，并且这两部分可以相互转化，反应方程式如下：
吸附态的氨能够在催化剂的作用下选择性的与NOx反应生成N2和H2O，当温度高于200摄氏度时，该反应主要按照Eley-Rideal机制进行，反应方程式如下所示：
同时，吸附态的氨也能够被氧化成N2和H2O，反应方程式如下：
经过上述几步化学反应，剩余的NOx(NOx，out)和氨(NH3，out)从urea-SCR系统排出。
根据阿列纽斯方程，研究对化学反应过程的反应速率进行建模。方程(1)中的吸附(rads)和解吸附(rdes)速率由如下公式表示:
方程(2)中的还原速率(rSCR)由如下公式表示：
方程(3)对应的反应速率(rox)由如下公式表示：
需要指出的是，在柴油机废气中氧浓度总是很高的，相比于其他气体成分来说十分充足。所以，大多数的urea-SCR反应速率对氧浓度的变化都不敏感，可以忽略。
研究假设上述催化反应是一个连续搅拌釜式反应器(CSTR)，即催化系统的所有状态是均质的。基于上述假设，根据质量平衡以及热量平衡原则，urea-SCR系统模型的常微分方程(ODEs)表示如下：
考虑到urea-SCR系统中，气体成分的流量与浓度之间的关系为
并且，将公式(4)，(5)，(6)以及(8)代入公式(7)中，得到：
其中：
2、简化和观测器模型
为了实现和观测，将看作可测量变量，考虑的状态量仅为和定义状态变量时变参数控制输入变量基于urea-SCR模型(9)，得到系统面向控制模型：
其中:
令
(13)
h(x(k),k)＝x1+Kcsx2
进一步整理为连续状态方程和离散观测方程，以及模型噪声W和测量噪声V构成的非线性系统：
E[w(t)]＝0,
E[v(t)]＝0,
E[w(t)wT(τ)]＝Q(t)δ(t-τ), (15)
E[v(t)vT(τ)]＝R(t)δ(t-τ),
E[w(t)vT(τ)]＝0.
其中x∈Rp，z∈Rm，Q(t)为p×p阶系统噪声方差阵，对任意t≥t0为连续且非负定，R(t)为m×m阶观测噪声方差阵，对任意t≥t0为连续且正定。
3、基于urea-SCR系统数学模型设计估计算法并整理形式：
再对观测模型公式(13)应用混合扩展卡尔曼滤波，其算法流程图如图3所示。扩展卡尔曼滤波中状态初值x(0)、初始误差方差阵p(0)的选取关系到观测性能的好坏以及数值稳定性，模型噪声W和测量噪声V都假设是高斯白噪声。并且，雅可比矩阵：得到的观测器形式如下：
其中，(-)表示测量更新还没有发生，(+)表示测量更新已经发生，tk表示当前时刻，k＝0,1…N。
4、交叉敏感性因子Kcs与排气温度T之间的关系map标定
根据交叉敏感性因子Kcs与排气温度T之间的数学关系Kcs＝eaT，通过全工况的试验数据拟合得到常数a。
Claims (1)
1.一种基于观测器的单传感器双闭环urea-SCR反馈控制方法，其特征在于：该方法具体包括以下步骤：
一、采集NOx传感器的信号，传送给观测器/控制器模块；
二、观测器/控制器模块依据NOx传感器的信号，估计出和参数值；
三、观测器/控制器模块利用上述两个估计量与各自目标值的差值作为反馈信号，设计了尿素喷射双闭环反馈控制系统，其中，以信号与其排放指标的差值作为主误差反馈量，以信号与其排放指标的差值作为副误差反馈量；
四、观测器/控制器模块通过CAN总线,将当前状态下计算得到的尿素喷射量传递给尿素计量喷射控制器；
五、尿素计量喷射控制器将信号传递给尿素喷头完成喷射任务；
其中，和数据/机理观测器具体的实现步骤如下：
(一)、建立urea-SCR系统数学模型：
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<mo>(</mo>
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<mo>)</mo>
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</mrow>
上述公式中的常量命名法见下表1，变量命名法见下表2：
表1 常量命名法
表2 变量命名法
(二)、简化和观测器模型：
定义状态变量时变参数控制输入变量得到：
<mrow>
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z＝x1+Kcsx2， (3)
其中:
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</mrow>
进一步整理为连续状态方程和离散观测方程，以及模型噪声W和测量噪声V构成的非线性系统：
<mrow>
<mfenced open = "{" close = "">
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其中x∈Rp，z∈Rm，Q(t)为p×p阶系统噪声方差阵，对任意t≥t0为连续且非负定，R(t)为m×m阶观测噪声方差阵，对任意t≥t0为连续且正定；
(三)、基于urea-SCR系统数学模型设计估计算法并整理形式：
再对观测模型公式(5)应用混合扩展卡尔曼滤波，扩展卡尔曼滤波中状态初值x(0)、初始误差方差阵p(0)的选取关系到观测性能的好坏以及数值稳定性，模型噪声W和测量噪声V都假设是高斯白噪声；并且，雅可比矩阵：得到的观测器形式如下：
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</mrow>
其中，(-)表示测量更新还没有发生，(+)表示测量更新已经发生，tk表示当前时刻，k＝0,1…N；
(四)、交叉敏感性因子Kcs与排气温度T之间的关系map标定：
根据交叉敏感性因子Kcs与排气温度T之间的数学关系Kcs＝eaT，通过全工况的试验数据拟合得到常数a。
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2015
- 2015-11-24 CN CN201510497376.2A patent/CN105443212B/zh not_active Expired - Fee Related
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