CN106841531B - 基于滑膜控制的氨覆盖率非线性观测器设计方法 - Google Patents
基于滑膜控制的氨覆盖率非线性观测器设计方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN106841531B CN106841531B CN201710173183.0A CN201710173183A CN106841531B CN 106841531 B CN106841531 B CN 106841531B CN 201710173183 A CN201710173183 A CN 201710173183A CN 106841531 B CN106841531 B CN 106841531B
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- coverage rate
- synovial membrane
- observer
- ammonia coverage
- ammonia
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Active
Links
- QGZKDVFQNNGYKY-UHFFFAOYSA-N Ammonia Chemical compound N QGZKDVFQNNGYKY-UHFFFAOYSA-N 0.000 title claims abstract description 101
- 229910021529 ammonia Inorganic materials 0.000 title claims abstract description 55
- 210000001258 synovial membrane Anatomy 0.000 title claims abstract description 44
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 25
- 238000013461 design Methods 0.000 title claims abstract description 17
- XSQUKJJJFZCRTK-UHFFFAOYSA-N Urea Chemical compound NC(N)=O XSQUKJJJFZCRTK-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 22
- 239000004202 carbamide Substances 0.000 claims abstract description 22
- 230000008569 process Effects 0.000 claims abstract description 5
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 claims abstract description 4
- 238000009795 derivation Methods 0.000 claims description 2
- 230000001052 transient effect Effects 0.000 abstract description 5
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 6
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 4
- 229910000069 nitrogen hydride Inorganic materials 0.000 description 3
- 238000011160 research Methods 0.000 description 3
- NINIDFKCEFEMDL-UHFFFAOYSA-N Sulfur Chemical compound [S] NINIDFKCEFEMDL-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 230000008901 benefit Effects 0.000 description 2
- 230000008859 change Effects 0.000 description 2
- 239000000295 fuel oil Substances 0.000 description 2
- 238000002347 injection Methods 0.000 description 2
- 239000007924 injection Substances 0.000 description 2
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 2
- 241000208340 Araliaceae Species 0.000 description 1
- 235000005035 Panax pseudoginseng ssp. pseudoginseng Nutrition 0.000 description 1
- 235000003140 Panax quinquefolius Nutrition 0.000 description 1
- 239000005864 Sulphur Substances 0.000 description 1
- XKMRRTOUMJRJIA-UHFFFAOYSA-N ammonia nh3 Chemical compound N.N XKMRRTOUMJRJIA-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 1
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 1
- 238000010531 catalytic reduction reaction Methods 0.000 description 1
- 239000003638 chemical reducing agent Substances 0.000 description 1
- 238000011161 development Methods 0.000 description 1
- 235000008434 ginseng Nutrition 0.000 description 1
- 238000009499 grossing Methods 0.000 description 1
- 239000007788 liquid Substances 0.000 description 1
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 1
- 230000037361 pathway Effects 0.000 description 1
- 238000006479 redox reaction Methods 0.000 description 1
- 230000009467 reduction Effects 0.000 description 1
- 238000006722 reduction reaction Methods 0.000 description 1
- 230000004044 response Effects 0.000 description 1
- 230000035945 sensitivity Effects 0.000 description 1
- 239000000243 solution Substances 0.000 description 1
- 229910052717 sulfur Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000011593 sulfur Substances 0.000 description 1
- 238000003786 synthesis reaction Methods 0.000 description 1
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 1
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N33/00—Investigating or analysing materials by specific methods not covered by groups G01N1/00 - G01N31/00
- G01N33/0004—Gaseous mixtures, e.g. polluted air
- G01N33/0009—General constructional details of gas analysers, e.g. portable test equipment
- G01N33/0027—General constructional details of gas analysers, e.g. portable test equipment concerning the detector
- G01N33/0036—General constructional details of gas analysers, e.g. portable test equipment concerning the detector specially adapted to detect a particular component
- G01N33/0054—Ammonia
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
- F01N—GAS-FLOW SILENCERS OR EXHAUST APPARATUS FOR MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; GAS-FLOW SILENCERS OR EXHAUST APPARATUS FOR INTERNAL COMBUSTION ENGINES
- F01N2900/00—Details of electrical control or of the monitoring of the exhaust gas treating apparatus
- F01N2900/06—Parameters used for exhaust control or diagnosing
- F01N2900/18—Parameters used for exhaust control or diagnosing said parameters being related to the system for adding a substance into the exhaust
- F01N2900/1806—Properties of reducing agent or dosing system
- F01N2900/1818—Concentration of the reducing agent
Landscapes
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Health & Medical Sciences (AREA)
- Analytical Chemistry (AREA)
- Food Science & Technology (AREA)
- Medicinal Chemistry (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Combustion & Propulsion (AREA)
- Biochemistry (AREA)
- General Health & Medical Sciences (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Immunology (AREA)
- Pathology (AREA)
- Exhaust Gas After Treatment (AREA)
- Organic Low-Molecular-Weight Compounds And Preparation Thereof (AREA)
Abstract
本发明公开了一种基于滑膜控制的氨覆盖率非线性观测器设计方法,主要发明内容包括建立简化的两阶尿素SCR系统模型;提出氨覆盖率滑膜观测器设计方法;提出氨覆盖率滑膜观测器稳定性分析过程。本发明提出的两阶尿素SCR系统模型能够大致描述系统动态特性,并且复杂度适合设计氨覆盖率滑膜观测器。本发明提出的氨覆盖率滑膜观测器,在保证稳定性的前提下给出了增益的取值范围,适用于工程应用,并且对瞬态条件下的外界干扰具有更强的鲁棒性。
Description
技术领域
本发明属于柴油机尿素SCR排放后处理系统参数估计技术领域,具体涉及一种基于滑膜控制的氨覆盖率非线性观测器设计方法。
背景技术
由于其稀燃的特性,柴油机会比汽油机产生更多的NOx有害气体。随着全世界范围内针对NOx排放越来越严格的法规出台,多种为降低NOx的排放后处理系统面世了。这些技术就包括尿素选择性催化还原(SCR)系统。尿素SCR系统工作时则不需额外燃油,而且尿素消耗也相对较低,凭借这些优势,已经在汽车工业界占据一定优势。在我国,目前的实际国情是燃油中硫含量较高,而且许多种排放控制技术推广都受到限制。所以,凭借其对硫的敏感性较低的特性,尿素SCR排放后处理技术在我国的发展更具优势。
尿素SCR技术的基本原理是利用NOx与氨(NH3)之间的氧化还原反应,而所用的氨一般都来源于32.5%的尿素溶液(添蓝溶液)。虽然氨能够还原NOx,但其较高的排放也是对人体有害的,并且有着刺鼻的气味。为实现较高的NOx转化效率,要有充分的氨作为还原剂;但是,这一点反过来会增加氨的逃逸量,这一矛盾成为了尿素SCR系统研究面临的主要挑战之一。目前更为普遍的共识是,通过改进尿素喷射控制技术达到上述目标,是一种较便捷且经济的方法。一部分尿素喷射反馈控制是基于NOx传感器的,但NOx传感器对氨有交叉敏感性。最近,德尔福公司推出了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。这就使得单独的NOx和NH3反馈都很难达到理想的控制目的。于是,有学者提出了一种综合的反馈方法,即以氨覆盖率为反馈控制目标。
但是,目前对氨覆盖率的测量只能在实验室环境下完成。尽管针对此问题,有学者已经提出了一些估计方法。但当前的氨覆盖率非线性估计问题,依然面临以下挑战:1、urea-SCR系统模型及氨覆盖率观测器方程过于复杂;2、氨覆盖率观测器的稳定性需求,以及易实施性。3、对瞬态工况变化的抗干扰性。
发明内容
与此同时,一些先进的非线性估计方法也在不断发展,这其中就包括滑膜观测器技术。目前,可以应用到大量非线性系统的控制方法,且对模型误差和未知干扰有鲁棒性的方法之一就是滑膜变结构控制。这种理论基于根据系统状态的改变来改变控制器的结构来达到理想的控制性能。它通过高速率的开关控制法则来迫使系统的状态轨线到达一个人为选择的平面上,并在以后就停留在该平面上。当系统状态轨线停留在该平面上时,系统对参数变化和干扰不敏感。
本发明基于一种简化的尿素SCR系统模型,将NOx浓度、温度以及废气流量等看作存在测量误差的可观测量,将NH3浓度看作较为精确的可测量,提出一种基于滑膜控制的氨覆盖率非线性观测器。如图1所示;
一、建立简化的两阶尿素SCR系统模型。
尿素SCR系统单核模型可以由常微分方程表示如下:
上述公式中的参数定义如下:
表1和表2分别显示了模型中所有常量和变量的相关定义及参数名义参考值。
表1常量命名法
表2变量命名法
为了简化氨覆盖率滑膜观测器设计过程,将模型适当简化为:
二、氨覆盖率滑膜观测器设计。
在一个被稳定控制的尿素SCR系统中,氨逃逸往往被限制在一个很低的水平。氨的浓度会很低,而且在限制以下缓慢变化,可以假设因此,由公式(3)可以得到如下关系:
选取方程转换为如下非线性自治系统:
由此,设计的氨覆盖率滑膜观测器如下:
其中,
三、氨覆盖率滑膜观测器稳定性分析
设由公式(5)和(6)可得到估计误差的动态方程如下:
设Lyapunov函数对其求导可得:
分为以下四种情况对的取值进行讨论:
1)、当时,增益满足范围:
可保证即能够保证氨覆盖率滑膜观测器误差收敛到0;
2)、当时,增益满足范围:
可保证即能够保证氨覆盖率滑膜观测器误差收敛到0;
3)、当时,增益满足范围:
可保证即能够保证氨覆盖率滑膜观测器误差收敛到0;
4)、当时,增益满足范围:
k>0, (13)
可保证即能够保证氨覆盖率滑膜观测器误差收敛到0;
综上所述,增益满足范围:
可保证即能够保证氨覆盖率滑膜观测器误差收敛到0。
本发明的有益效果:
1、两阶尿素SCR系统模型能够大致描述系统动态特性,并且复杂度适合设计氨覆盖率滑膜观测器。
2、提出的氨覆盖率滑膜观测器构造简单,在保证稳定性的前提下给出了滑膜增益的取值范围,适用于工程应用。
3、提出的氨覆盖率滑膜观测器,对瞬态条件下的外界干扰具有更强的鲁棒性。
附图说明
图1是基于滑膜控制的氨覆盖率非线性观测器设计技术路线图。
图2是ETC循环下氨氨覆盖率滑膜观测器的控制效果。
图3是ETC循环下估计误差。
具体实施方式
本发明所述的基于滑膜控制的氨覆盖率非线性观测器设计方法,包括以下步骤:
1、建立简化的两阶尿素SCR系统模型;
2、氨覆盖率滑膜观测器设计;
3、氨覆盖率滑膜观测器稳定性分析。
本发明所述的基于滑膜控制的氨覆盖率非线性观测器设计方法研究,是基于软件仿真平台的。仿真软件系统由Matlab/Simulink和enDYNA高保真发动机模型软件组成。其中enDYNA软件是德国Teisis公司开发的一款商用发动机精确模型软件。选择欧洲瞬态测试循环(ETC)前400秒工况,对所设计的氨覆盖率滑膜观测器的有效性进行验证。
如图2和图3所示。研究所提出的氨覆盖率滑膜观测器在真实值阶跃变化的情况下,能够基本达到较好的估计效果。平均误差率在1.5%以下,最高误差率不超过7%。当工况条件急剧变化时,估计误差峰值也会偶尔出现较大波动,但也在可接受范围以内。由此,研究所提出的氨覆盖率滑膜观测器具有较好的估计效果,并且对瞬态条件下的外界干扰具有更强的鲁棒性。
Claims (2)
1.一种基于滑膜控制的氨覆盖率非线性观测器设计方法,该方法是:建立简化的两阶尿素SCR系统模型:
尿素SCR系统单核模型由常微分方程表示如下:
上述公式中的参数定义如下:
表1和表2分别显示了模型中所有常量和变量的相关定义及参数名义参考值,
表1常量命名法
表2变量命名法
为了简化氨覆盖率滑膜观测器设计过程,将模型适当简化为:
其特征在于:所述的基于简化的两阶尿素SCR系统模型,氨覆盖率滑膜观测器设计过程如下:
在一个被稳定控制的尿素SCR系统中,氨逃逸往往被限制在一个很低的水平;氨的浓度会很低,而且在限制以下缓慢变化,可以假设因此,由公式(3)可以得到如下关系:
选取方程转换为如下非线性自治系统:
由此,设计的氨覆盖率滑膜观测器如下:
其中,
2.根据权利要求1所述的一种基于滑膜控制的氨覆盖率非线性观测器设计方法,其特征在于:所述的氨覆盖率滑膜观测器稳定性分析过程如下:
设由公式(5)和(6)可得到估计误差的动态方程如下:
设Lyapunov函数对其求导可得:
分为以下四种情况对的取值进行讨论:
1)、当时,增益满足范围:
可保证即能够保证氨覆盖率滑膜观测器误差收敛到0;
2)、当时,增益满足范围:
可保证即能够保证氨覆盖率滑膜观测器误差收敛到0;
3)、当时,增益满足范围:
可保证即能够保证氨覆盖率滑膜观测器误差收敛到0;
4)、当时,增益满足范围:
k>0, (13)
可保证即能够保证氨覆盖率滑膜观测器误差收敛到0;
综上所述,增益满足范围:
可保证即能够保证氨覆盖率滑膜观测器误差收敛到0。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
CN201710173183.0A CN106841531B (zh) | 2017-03-22 | 2017-03-22 | 基于滑膜控制的氨覆盖率非线性观测器设计方法 |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
CN201710173183.0A CN106841531B (zh) | 2017-03-22 | 2017-03-22 | 基于滑膜控制的氨覆盖率非线性观测器设计方法 |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
CN106841531A CN106841531A (zh) | 2017-06-13 |
CN106841531B true CN106841531B (zh) | 2019-04-23 |
Family
ID=59130847
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
CN201710173183.0A Active CN106841531B (zh) | 2017-03-22 | 2017-03-22 | 基于滑膜控制的氨覆盖率非线性观测器设计方法 |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
CN (1) | CN106841531B (zh) |
Families Citing this family (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN110262254A (zh) * | 2019-07-15 | 2019-09-20 | 吉林师范大学 | 氨覆盖率观测和跟踪整体设计控制方法 |
Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN102529976A (zh) * | 2011-12-15 | 2012-07-04 | 东南大学 | 一种基于滑模观测器的车辆运行状态非线性鲁棒估计方法 |
CN102664569A (zh) * | 2012-05-07 | 2012-09-12 | 上海电机学院 | 一种基于滑模变结构的永磁同步直线电机控制方法及装置 |
CN103309364A (zh) * | 2013-05-24 | 2013-09-18 | 江苏大学 | 基于模糊滑模变结构的海洋生物酶固液分离流量控制器 |
CN104632323A (zh) * | 2014-12-18 | 2015-05-20 | 吉林大学 | 一种尿素scr氨覆盖率反馈跟踪控制方法 |
CN106368772A (zh) * | 2016-11-04 | 2017-02-01 | 吉林大学 | Scr系统尿素喷射控制方法 |
-
2017
- 2017-03-22 CN CN201710173183.0A patent/CN106841531B/zh active Active
Patent Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN102529976A (zh) * | 2011-12-15 | 2012-07-04 | 东南大学 | 一种基于滑模观测器的车辆运行状态非线性鲁棒估计方法 |
CN102664569A (zh) * | 2012-05-07 | 2012-09-12 | 上海电机学院 | 一种基于滑模变结构的永磁同步直线电机控制方法及装置 |
CN103309364A (zh) * | 2013-05-24 | 2013-09-18 | 江苏大学 | 基于模糊滑模变结构的海洋生物酶固液分离流量控制器 |
CN104632323A (zh) * | 2014-12-18 | 2015-05-20 | 吉林大学 | 一种尿素scr氨覆盖率反馈跟踪控制方法 |
CN106368772A (zh) * | 2016-11-04 | 2017-02-01 | 吉林大学 | Scr系统尿素喷射控制方法 |
Non-Patent Citations (7)
Title |
---|
Control of an SCR Catalytic Converter System for a Mobile Heavy-Duty Application;Christoph M. Schär等;《IEEE TRANSACTIONS ON CONTROL SYSTEMS TECHNOLOGY》;20160731;第14卷(第4期);全文 * |
Urea-SCR Process Control for Diesel Engine Using Feedforward-Feedback Nonlinear Method;Jinghua Zhao等;《IFAC-PapersOnLine》;20151231;第48卷(第8期);全文 * |
基于"三步法"的柴油机urea—SCR系统控制设计;赵靖华等;《吉林大学学报(工学版)》;20151130;第45卷(第6期);全文 * |
基于backstepping方法的柴油机urea—SCR系统控制设计;赵靖华等;《吉林大学学报(信息科学版)》;20141130;第32卷(第6期);全文 * |
基于降维观测器的氨覆盖率自抗扰反馈控制器设计;赵靖华等;《汽车技术》;20160531(第5期);全文 * |
柴油发动机尿素SCR控制系统设计方法研究;陈志刚;《中国优秀硕士学位论文全文数据库 工程科技II辑》;20170115(第1期);摘要、第21-23页、15-16页和第29页3.1 * |
柴油机尿素SCR 系统氨覆盖率跟踪控制器设计;胡云峰等;《农业机械学报》;20160430;第47卷(第4期);全文 * |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
CN106841531A (zh) | 2017-06-13 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
Zhang et al. | Adaptive sliding-mode observer design for a selective catalytic reduction system of ground-vehicle diesel engines | |
CN109681299B (zh) | 柴油机Urea-SCR系统发动机控制方法 | |
Jiang et al. | NOx sensor ammonia cross-sensitivity estimation with adaptive unscented Kalman filter for Diesel-engine selective catalytic reduction systems | |
CN108087065B (zh) | Scr催化器氨浓度修正方法及scr处理系统 | |
Zhang et al. | Optimal dosing and sizing optimization for a ground-vehicle diesel-engine two-cell selective catalytic reduction system | |
US20140056788A1 (en) | Method for the model-based feedback control of an scr system having at least one scr catalytic converter | |
CN106368772B (zh) | Scr系统尿素喷射控制方法 | |
Zhang et al. | Sensor reduction in diesel engine two-cell selective catalytic reduction (SCR) systems for automotive applications | |
CN112240235A (zh) | 一种scr的控制方法及装置 | |
Jiang et al. | An extended Kalman filter for input estimations in diesel-engine selective catalytic reduction applications | |
Zhang et al. | Integrated study of inland-vessel diesel engine two-cell SCR systems with dynamic references | |
CN106762049B (zh) | 基于nmpc的两核尿素scr系统排放控制方法 | |
Jiang et al. | Hydrothermal aging factor estimation for two-cell Diesel-engine SCR systems via a dual time-scale unscented Kalman filter | |
CN106841531B (zh) | 基于滑膜控制的氨覆盖率非线性观测器设计方法 | |
Yang et al. | Square-root unscented Kalman filter for ammonia coverage ratio and input ammonia estimations in diesel-engine urea-SCR system | |
CN106527143B (zh) | 基于数据驱动预测控制的scr系统尿素喷射控制方法 | |
CN105443212B (zh) | 一种基于观测器的单传感器双闭环urea‑SCR反馈控制方法 | |
Hu et al. | Optimizing the fault diagnosis and fault-tolerant control of selective catalytic reduction hydrothermal aging using the Unscented Kalman Filter observer | |
Zhao et al. | An ammonia coverage ratio observing and tracking controller: stability analysis and simulation evaluation | |
Kang et al. | Research on cross sensitivity of NOx sensor and Adblue injection volume in accordance with the actual situation based on cubature Kalman filter | |
You et al. | A fuzzy logic urea dosage controller design for two-cell selective catalytic reduction systems | |
CN110262254A (zh) | 氨覆盖率观测和跟踪整体设计控制方法 | |
Sowman et al. | A predictive control approach to diesel selective catalytic reduction | |
Wang et al. | Intelligent optimization of diesel engine Selective catalytic reduction urea injection based on multi-model state estimation to reduce NH3 slip and NOx emission | |
Asif et al. | Urea-SCR temperature investigation for NOx control of diesel engine |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
PB01 | Publication | ||
PB01 | Publication | ||
SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
GR01 | Patent grant | ||
GR01 | Patent grant |