CN108594895B - 基于温差发电的汽车尾气能量回收装置电控系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供基于温差发电的汽车尾气能量回收装置电控系统及方法，该系统包括控制单元、温度传感器、压力传感器和步进电机；温度传感器用于检测尾气能量回收装置的进气口处汽车尾气的温度信息，并传送到控制单元；压力传感器用于检测尾气能量回收装置的进气口和出气口处尾气的压力信息，并传送到控制单元；步进电机安装在尾气能量回收装置的进气口处，步进电机与尾气能量回收装置的挡板连接；控制单元将接收到的温度信息、压力信息和步进电机的N个位置角代入内部存储的神经网络中进行计算，得出尾气能量回收装置发电功率最大的电机位置角，控制单元控制步进电机带动挡板旋转至发电功率最大的开度位置，从而提高装置的发电效率。
Description
技术领域
本发明属于汽车尾气能量回收领域，尤其涉及一种基于温差发电的汽车尾气能量回收装置电控系统及方法。
背景技术
目前，随着环保和节能意识的不断提高，国家与企业都在大力推广与研发节能减排技术。然而，内燃机汽车的燃油效率仅有40％，约有30％的能量以热量的形式流失。近几年，随着温差发电技术的成熟，企业与学者相继提出了一些安装在汽车排气管处的温差尾气能量回收装置。申请号为201210227087.7的中国专利公开了一种用于温差发电模组的保护外壳与汽车尾气管温差尾气能量回收装置，该专利没有设计控制调节装置，容易造成温差发电模块过热或发电效率过低。申请号为201710545802.4的中国专利公开了一种具有汽车尾气分流控制功能的温差尾气能量回收装置及其分流控制方法，该专利虽然提出了对尾气进行分流控制以及基本控制方法，但其控制的根本目的是防止温度过高或者装置背压过大影响温差尾气能量回收装置或发动机的正常工作，无法显著提高尾气能量回收装置的工作效率。
同时，温差尾气能量回收装置系统属于热流体系统，具有高度的非线性。系统的最大输出功率控制条件也随装置的结构，工况的改变而变化，难以用普通的数学模型进行描述。为此，本发明提供一种基于温差发电的汽车尾气能量回收装置电控系统及方法。
发明内容
本发明的目的是针对上述问题提供一种基于温差发电的汽车尾气能量回收装置电控系统及方法，采用数据采集加BP神经网络训练的方法实现系统的最优控制。本系统采用BP神经网络识别气流温度、进出口压力，气流挡板开度对装置输出功率的影响。在实际工作过程中，控制单元通过温度传感器，压力传感器获取装置的工作状态并借助已经训练完成的神经网络计算出最优挡板开度。控制单元控制步进电机带动挡板旋转至最优位置，从而提高整个系统的工作效率。
本法发明所采取的技术方案如下：一种基于温差发电的汽车尾气能量回收装置电控系统，包括控制单元、温度传感器、压力传感器和步进电机；
所述控制单元分别与温度传感器、压力传感器和步进电机相连；所述温度传感器用于检测尾气能量回收装置的进气口处汽车尾气的温度信息，并传送到控制单元；所述压力传感器用于检测尾气能量回收装置的进气口和出气口处尾气的压力信息，并传送到控制单元；所述步进电机安装在尾气能量回收装置的进气口处，步进电机与尾气能量回收装置的挡板连接；
所述控制单元将接收到的温度信息、压力信息和步进电机的N个位置角代入内部存储的神经网络中进行计算，得出尾气能量回收装置发电功率最大的电机位置角，控制单元控制步进电机带动挡板旋转至发电功率最大的开度位置。
上述方案中，所述步进电机的位置角与挡板的开度一致，挡板的开度为0～90°，平均分为十个开度，每个开度为10°。
上述方案中，所述温度传感器为pt100温度传感器。
上述方案中，所述压力传感器为耐高温型扩散硅压力传感器。
上述方案中，所述步进电机为42系列两相步进电机。
上述方案中，所述控制单元为32位的单片机。
一种根据所述的基于温差发电的汽车尾气能量回收装置电控系统的控制方法，包括以下步骤：
步骤S1、所述温度传感器检测尾气能量回收装置的进气口处汽车尾气的温度T，并传送到控制单元；所述压力传感器检测尾气能量回收装置进气口的进口压力p1与出气口的出口压力p2，并传送到控制单元；
步骤S2、所述控制单元获取温度T、进口压力p1和出口压力p2，进入步骤S3；
步骤S3、所述控制单元计算进出口压差Δp＝p1-p2，若Δp大于预设的界限值，进入步骤S4，小于界限值进入步骤S5；
步骤S4、所述步进电机控制挡板的开度减小，防止背压过大，返回步骤S2；
步骤S5、所述控制单元将T和p1以及步进电机的N个位置角，即θ1,θ2...θN作为神经网络输入量，计算出尾气能量回收装置在不同位置角θi下对应的输出功率其中i为1…N，进入步骤S6；
步骤S6、所述控制单元对所计算得出的所有输出功率取最大值，得到输出功率最大时对应的步进电机的位置角进入步骤S7；
步骤S7、所述控制单元判断与当前步进电机的位置角是否一致，若一致，返回步骤S2，不一致则控制单元驱动步进电机旋转至相应位置角。
上述方案中，所述控制单元中神经网络的训练包括以下步骤：
将所述尾气能量回收装置安装在发动机试验台架的排气管末端；
在发动机的转速范围内均匀选取M个目标转速；
在每一目标转速下，从小负荷开始，逐步加大油门进行测量，直至油门全开，适当分布L个测量点；
在每一测量点处，控制步进电机在N个位置角内依次变化，当尾气能量回收装置输出功率稳定后，记录当前尾气能量回收装置的Pout、p1、T和θ；
待上述步骤完成后，共计得到M*L*N组数据，将这些数据带入BP神经网络中进行训练，最终输出Pout与p1，T，θ之间的关系
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1.本发明系统可实时采集热能回收装置内的进出口气流压力、温度信息，经计算后并通过步进电机动态调整挡板开度，可在保证装置背压不超过界限值的前提下，即发动机可正常工作，提高装置的发电效率；
2.本发明中所提及的利用传感器采集数据并用BP神经网络训练最终得出系统参数的方法，并不受限于装置的结构或尺寸，对任意基于温差发电的装置均能适用，普遍性较好。
附图说明
图1为本发明中系统结构简图；
图2为本发明优选实施例中步进电机、传感器布置示意图；
图3为本发明优选实施例中神经网络结构图；
图4为本发明·优选实施例中程序流程图。
图中，1、进气口；2、出气口；3、挡板；4、集热板；5、步进电机。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明，但本发明的保护范围并不限于此。
如图1所示，一种基于温差发电的汽车尾气能量回收装置电控系统，主要包括控制单元、温度传感器、压力传感器和步进电机。所述控制单元分别与温度传感器、压力传感器和步进电机相连。
图2所示为一种基于温差发电的汽车尾气能量回收装置，优选实施例将基于该结构对传感器与步进电机的安装位置进行说明，但本发明所提出的电控系统并不仅限于图2所示的机构结构。
所述温度传感器安装于尾气能量回收装置的进气口1处，负责采集汽车尾气的温度信息，并传送到控制单元；
所述压力传感器分别安装于尾气能量回收装置的进气口1与出气口2处，负责采集进气口1与出气口2尾气的压力信息，并传送到控制单元；
所述步进电机5安装在尾气能量回收装置的进气口1处，步进电机5与尾气能量回收装置的挡板3连接；步进电机5带动挡板3旋转从而调整尾气气流流向。所述步进电机5的位置角与挡板3的开度一致，本实施例中步进电机5的位置角N为十，挡板3的开度为0～90°，平均分为十个开度，每个开度为10°。当挡板3开度为0时，尾气只对中部的集热板4进行加热；当开度为90°时，尾气对上、中、下部的集热板4同时进行加热。
所述控制单元将接收到的温度信息、步进电机5的十个位置角、进出口尾气压力代入内部存储的神经网络中进行计算，比较得出尾气能量回收装置发电功率最大的电机5位置角，控制单元控制步进电机5带动挡板3旋转至发电功率最大的开度位置。
优选的，所述温度传感器选用pt100温度传感器，因传感器需要固定在管道内壁，探头类型选用压环式，同时温度变送器选用SBWZ型，量程为0-300℃，为方便控制单元采集，输出信号形式选择0-5V；
优选的，所述压力传感器选用耐高温型扩散硅压力传感器，耐热温度需达到250℃；
优选的，所述步进电机5为42系列两相步进电机，驱动模块采用A4988芯片；
优选的，由于控制单元需要实时将温度，压力，电机开度信息带入神经网络计算，需要选用32位的单片机；控制单元的温度与压力采集部分均采用ADC采集，然后将电压信号转化为相应的温度，压力值；控制单元产生一个周期的方波信号给A4988芯片用于驱动步进电机旋转，优选的高电平持续500μs，低电平持续2000μs；
考虑到尾气能量回收装置是一种热流体系统，具有高度非线性，难以用普通数学模型表达，本发明提出了一种基于温差发电的汽车尾气能量回收装置控制方法，主要包括离线系统参数识别部分与在线控制部分。
离线系统参数识别部分只要为控制单元中神经网络的训练：
尾气能量回收装置的输出功率Pout与系统的进口压力p1、气流温度T和挡板开度θ有关。如图3所示，本发明通过采用BP神经网络训练得出Pout与p1，T，θ之间的关系该网络输入层节点数为3，隐含层的节点数为5，输出神经元数为1，训练方法选择为最速下降法，隐含层传递函数选择为Sigmoid函数，输出层也采用Sigmoid函数，最终输出值为预测尾气能量回收装置输出功率。数据采集及训练的具体步骤如下：
1.将尾气能量回收装置安装在发动机试验台架的排气管末端；
2.在发动机的转速范围内均匀选取10个目标转速；
3.在每一目标转速下，从小负荷开始，逐步加大油门进行测量，直至油门全开，适当分布8个测量点；
4.在每一测量点处，步进电机5在十个位置角内带动挡板开度从0到90°内依次变化，当尾气能量回收装置输出功率稳定后，记录当前尾气能量回收装置的Pout、p1、T和θ；
5.待上述步骤完成后，共计得到10*8*10＝800组数据，将这些数据带入BP神经网络中进行训练，最终输出系统的神经网络。
当网络训练完成后，将其导入单片机的存储单元中，以供在线控制时使用。
如图4所示为电控装置的在线控制程序流程图，一种基于温差发电的汽车尾气能量回收装置电控系统的控制方法，包括以下步骤：
步骤S1、系统上电，所述温度传感器检测尾气能量回收装置的进气口1处汽车尾气的温度T，并传送到控制单元；所述压力传感器检测尾气能量回收装置进气口1的进口压力p1与出气口2的出口压力p2，并传送到控制单元；检测温度传感器与压力传感器工作是否正常，若正常工作进入步骤2，若传感器工作异常，系统报错；
步骤S2、所述控制单元获取温度T、进口压力p1和出口压力p2，进入步骤S3；
步骤S3、所述控制单元计算进出口压差Δp＝p1-p2，若Δp大于预设的界限值，进入步骤S4，小于界限值进入步骤S5；
步骤S4、所述步进电机5控制挡板3的开度减小，返回步骤S2；
步骤S5、所述控制单元将T和p1以及步进电机5的N个位置角，即θ1,θ2...θN作为神经网络输入量，计算出尾气能量回收装置在不同位置角θi下对应的输出功率其中i为1…N，进入步骤S6；
步骤S6、所述控制单元对所计算得出的所有输出功率取最大值，得到输出功率最大时对应的步进电机5的位置角进入步骤S7；
步骤S7、所述控制单元判断与当前步进电机5的位置角是否一致，若一致，返回步骤S2，不一致则控制单元驱动步进电机5旋转至相应位置角。
上文所列出的一系列的详细说明仅仅是针对本发明的可行性实施例的具体说明，它们并非用以限制本发明的保护范围，凡未脱离本发明技艺精神所作的等效实施例或变更均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种基于温差发电的汽车尾气能量回收装置电控系统，其特征在于，包括控制单元、温度传感器、压力传感器和步进电机(5)；
所述控制单元分别与温度传感器、压力传感器和步进电机(5)相连；所述温度传感器用于检测尾气能量回收装置的进气口(1)处汽车尾气的温度信息，并传送到控制单元；所述压力传感器用于检测尾气能量回收装置的进气口(1)和出气口(2)处尾气的压力信息，并传送到控制单元；所述步进电机(5)安装在尾气能量回收装置的进气口(1)处，步进电机(5)与尾气能量回收装置的挡板(3)连接；
所述控制单元将接收到的温度信息、压力信息和步进电机(5)的N个位置角代入神经网络中进行计算，得出尾气能量回收装置发电功率最大的步进电机(5)位置角，控制单元控制步进电机(5)带动挡板(3)旋转至发电功率最大的开度位置；
所述温度传感器检测尾气能量回收装置的进气口(1)处汽车尾气的温度T，并传送到控制单元；所述压力传感器检测尾气能量回收装置进气口(1)的进口压力p1与出气口(2)的出口压力p2，并传送到控制单元；
所述控制单元获取温度T、进口压力p1和出口压力p2；
所述控制单元计算进出口压差Δp＝p1-p2，若Δp大于预设的界限值，所述步进电机(5)控制挡板(3)的开度减小，若Δp小于界限值，所述控制单元将T和p1以及步进电机(5)的N个位置角，即θ1,θ2...θN作为神经网络输入量，计算出尾气能量回收装置在不同位置角θi下对应的输出功率其中i为1…N，所述控制单元对所计算得出的所有输出功率取最大值，得到输出功率最大时对应的步进电机(5)的位置角/>所述控制单元判断/>与当前步进电机(5)的位置角是否一致，若不一致则控制单元驱动步进电机(5)旋转至相应位置角；所述控制单元中神经网络的训练：将所述尾气能量回收装置安装在发动机试验台架的排气管末端；在发动机的转速范围内均匀选取M个目标转速；在每一目标转速下，从小负荷开始，逐步加大油门进行测量，直至油门全开，适当分布L个测量点；在每一测量点处，控制步进电机(5)在N个位置角内依次变化，当尾气能量回收装置输出功率稳定后，记录当前尾气能量回收装置的Pout、p1、T和θ；共计得到M*L*N组数据，将这些数据带入BP神经网络中进行训练，最终输出Pout与p1，T，θ之间的关系/>
2.根据权利要求1所述的基于温差发电的汽车尾气能量回收装置电控系统，其特征在于，所述步进电机(5)的位置角与挡板(3)的开度一致，挡板(3)的开度为0～90°，平均分为十个开度，每个开度为10°。
3.根据权利要求1所述的基于温差发电的汽车尾气能量回收装置电控系统，其特征在于，所述温度传感器为pt100温度传感器。
4.根据权利要求1所述的基于温差发电的汽车尾气能量回收装置电控系统，其特征在于，所述压力传感器为耐高温型扩散硅压力传感器。
5.根据权利要求1所述的基于温差发电的汽车尾气能量回收装置电控系统，其特征在于，所述步进电机(5)为42系列两相步进电机。
6.根据权利要求1所述的基于温差发电的汽车尾气能量回收装置电控系统，其特征在于，所述控制单元为32位的单片机。
7.一种根据权利要求1所述的基于温差发电的汽车尾气能量回收装置电控系统的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤S1、所述温度传感器检测尾气能量回收装置的进气口(1)处汽车尾气的温度T，并传送到控制单元；所述压力传感器检测尾气能量回收装置进气口(1)的进口压力p1与出气口(2)的出口压力p2，并传送到控制单元；
步骤S2、所述控制单元获取温度T、进口压力p1和出口压力p2，进入步骤S3；
步骤S3、所述控制单元计算进出口压差Δp＝p1-p2，若Δp大于预设的界限值，进入步骤S4，小于界限值进入步骤S5；
步骤S4、所述步进电机(5)控制挡板(3)的开度减小，返回步骤S2；
步骤S5、所述控制单元将T和p1以及步进电机(5)的N个位置角，即θ1,θ2...θN作为神经网络输入量，计算出尾气能量回收装置在不同位置角θi下对应的输出功率其中i为1…N，进入步骤S6；
步骤S6、所述控制单元对所计算得出的所有输出功率取最大值，得到输出功率最大时对应的步进电机(5)的位置角进入步骤S7；
步骤S7、所述控制单元判断与当前步进电机(5)的位置角是否一致，若一致，返回步骤S2，不一致则控制单元驱动步进电机(5)旋转至相应位置角；
所述控制单元中神经网络的训练包括以下步骤：
将所述尾气能量回收装置安装在发动机试验台架的排气管末端；
在发动机的转速范围内均匀选取M个目标转速；
在每一目标转速下，从小负荷开始，逐步加大油门进行测量，直至油门全开，适当分布L个测量点；
在每一测量点处，控制步进电机(5)在N个位置角内依次变化，当尾气能量回收装置输出功率稳定后，记录当前尾气能量回收装置的Pout、p1、T和θ；
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