CN110273737B - 柴油机后处理系统催化器热失效容错控制方法及其装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种柴油机后处理系统催化器热失效容错控制方法，包括以下步骤：获取发动机转速和转矩信息，SCR催化器上、下游温度值测量值，SCR催化器下游NOX浓度测量值；预测排气质量流量以及SCR催化器上游NOX浓度估计值；通过扩展卡尔曼滤波算法获取SCR催化器热失效程度信息、SCR催化器氨覆盖度估计值、SCR催化器下游NOX浓度估计值以及SCR催化器下游NH3浓度估计值；通过基于李雅普诺夫稳定性理论设计得到的模型参考自适应容错控制器计算尿素喷射量。本发明提出的柴油机后处理系统催化器热失效容错控制方法，能快速且准确诊断当前Urea‑SCR催化器热失效程度并进行容错控制。

Description

柴油机后处理系统催化器热失效容错控制方法及其装置
技术领域
本发明涉及发动机技术领域，尤其涉及一种柴油机后处理系统催化器热失 效容错控制方法及其装置。
背景技术
柴油机与汽油机相比，虽然其一氧化碳(CO)和碳氢化合物(HC)排放较 低，但其氮氧化物(NOX)和颗粒物(PM)的排放量却远超汽油机。Urea-SCR技 术因其良好的燃油经济性以及抗硫能力而成为减少柴油机NOX排放的主流后处 理技术。随着国IV/V排放法规的实施，Urea-SCR系统得以大规模应用。但由于 我国油品、润滑油质量、道路状况、法制监督等都存在一些问题，以及在汽车 行驶过程中，由于过热老化、化学中毒、积垢、机械损坏等原因使得SCR催化 器失效，从而使Urea-SCR系统的转化效率下降，同时还会造成二次污染(氨气 泄漏)。同时，随着国VI排放法规的颁布，NOX和PM排放限值进一步降低， DOC+DPF+SCR(Diesel oxidation catalyst柴油氧化催化器，Diesel particulate filter柴油微粒捕集器，Selective catalytic reduction选择性催化还原) 的集成式后处理系统将被应用于柴油机排放控制。其中，DPF在工作过程中捕集 炭烟颗粒而被堵塞，从而造成排气背压过高、柴油机动力性降低等问题。因此， 系统必须能自行进行PM的清洁，使DPF恢复到原来的工作状态，从而实现DPF 的再生。DPF再生方法通常分为两种：主动再生和被动再生。其中，主动再生方 法是将排气温度加热到500℃以上将PM通过高温燃烧，这将进一步加剧SCR催化器的热失效，而SCR催化器热失效会对Urea-SCR系统的排放控制性能造成不 利影响。
发明内容
本发明的主要目的在于提供一种能快速且准确诊断当前Urea-SCR催化器热 失效程度并进行容错控制的柴油机后处理系统催化器热失效容错控制方法及其 装置。
为实现上述目的，本发明提供一种柴油机后处理系统催化器热失效容错控 制方法，其特征在于，包括以下步骤：
获取发动机转速和转矩信息，从尿素喷射电控单元获取尿素喷射量信号， 根据温度传感器获取SCR催化器上、下游温度值测量值，根据NOX传感器获取SCR 催化器下游NOX浓度测量值；
原排NOX浓度估计模块根据当前发动机转速和转矩信息预测排气质量流量 以及SCR催化器上游NOX浓度估计值；
SCR催化器热失效诊断模块根据SCR催化器上游NOX浓度估计值、排气质量 流量、尿素喷射量、SCR催化器上下游温度测量值和SCR催化器下游NOX浓度测 量值通过扩展卡尔曼滤波算法获取SCR催化器热失效程度信息、SCR催化器氨覆 盖度估计值、SCR催化器下游NOX浓度估计值以及SCR催化器下游NH3浓度估计 值；
SCR催化器热失效容错模块基于SCR催化器上游NOX浓度估计值、排气质量 流量、SCR催化器氨覆盖度估计值、SCR催化器下游NOX浓度估计值、SCR催化器 下游NH3浓度估计值、SCR催化器上下游温度测量值、SCR催化器下游NOX浓度测 量值以及SCR催化器热失效程度信息，通过基于李雅普诺夫稳定性理论设计得 到的模型参考自适应容错控制器计算尿素喷射量。
优选地，通过扩展卡尔曼滤波算法获取SCR催化器热失效程度信息、SCR催 化器氨覆盖度估计值、SCR催化器下游NOX浓度估计值以及SCR催化器下游NH3浓度估计值的步骤之后还包括：
通过SCR催化器热失效诊断信息有效性判定模块对从SCR催化器热失效诊 断模块获取的SCR催化器热失效程度信息的有效性进行判定后，输出并存储有 效的SCR催化器失效程度信息；
SCR催化器热失效容错模块基于SCR催化器上游NOX浓度估计值、排气质量 流量、SCR催化器氨覆盖度估计值、SCR催化器下游NOX浓度估计值、SCR催化器 下游NH3浓度估计值、SCR催化器上下游温度测量值、SCR催化器下游NOX浓度测 量值以及从SCR催化器热失效诊断信息有效性判定模块获取的有效的SCR催化 器热失效程度信息，通过基于李雅普诺夫稳定性理论设计得到的模型参考自适 应容错控制器计算尿素喷射量。
优选地，为衡量SCR催化器失效后储氨能力相比SCR催化器失效前储氨能 力减小的程度，SCR催化器热失效程度信息即为SCR催化器失效因子α，其定义 如下：
Figure BDA0002023249820000021
其中，Cs,aged为催化器老化状态下的最大储氨量，Cs,fresh为催化器健康状态下 的最大储氨量。
优选地，通过SCR催化器热失效诊断信息有效性判定模块对从SCR催化器 热失效诊断模块获取的SCR催化器热失效程度信息的有效性进行判定时，采用 以下方法：
计算最近多个SCR催化器失效因子估计值采样点的方差；
如果这多个个采样点的方差小于阈值，则说明SCR催化器失效诊断信息是 有效的，其可以用于容错控制；否则说明目前SCR催化器失效诊断信息不稳定， 则调用SCR催化器热失效诊断信息有效性判定模块存储的最近且稳定的失效诊 断信息用于容错控制。
优选地，获取SCR催化器热失效程度信息、SCR催化器氨覆盖度估计值、SCR 催化器下游NOX浓度估计值以及SCR催化器下游NH3浓度估计值采用以下方法：
SCR催化器状态向量表示为：
Figure BDA0002023249820000031
其中，
Figure BDA0002023249820000032
SCR催化器状态方程为：
Figure BDA0002023249820000033
其中，
Figure BDA0002023249820000034
SCR催化器状态预测模型为：
Figure BDA0002023249820000041
其中，
Figure BDA0002023249820000042
Figure BDA0002023249820000043
SCR催化器测量模型表示为：
Figure BDA0002023249820000044
上式中，nNOx,in为流入催化器的NOX的摩尔流量，
Figure BDA0002023249820000045
为流入催化器的NH3的摩尔流量，
Figure BDA0002023249820000046
为下游NOX的摩尔浓度，
Figure BDA0002023249820000047
为NH3的摩尔浓度，Cs为催化剂 最大储氨量，Sc为1mol表面活性原子面积，αprob为粘着概率，ki为化学反应频 率因子，θ为氨覆盖度，R为气体常数，T为催化剂床温，Ei为反应活化能，其 中，i为ads时表示氨吸附反应，i为des时表示氨脱附反应，i为scr时表示选择 性催化还原反应，i为ox表示氨氧化反应，
Figure BDA0002023249820000048
为氨覆盖度估计值，
Figure BDA0002023249820000049
为下游NOX的摩尔浓度估计值，
Figure BDA00020232498200000410
为NH3的摩尔浓度估计值，mEG为排气质量流量，REG为 排气气体常数，pamb为环境大气压，ε为催化器孔隙率，Vc为催化器体积，cp,c为催化器比热容，cp,EG排气定压比热容，mc为催化器质量，εrad为黑度，σ为气 体辐射常数，MNH3表示NH3的摩尔质量；
通过NOX传感器获取SCR催化器下游NOX浓度测量值，代入SCR催化器测量 模型中，得到SCR催化器下游NOX浓度实际值以及SCR催化器下游NH3浓度实际 值，并根据SCR催化器下游NOX浓度实际值以及SCR催化器下游NH3浓度实际值 计算得到氨覆盖度实际值后，根据SCR催化器状态预测模型和SCR催化器状态 方程，计算得到SCR催化器失效因子、SCR催化器氨覆盖度估计值、SCR催化器 下游NOX浓度估计值以及SCR催化器下游NH3浓度估计值。
优选地，SCR催化器热失效容错模块基于SCR催化器上游NOX浓度估计值、 排气质量流量、SCR催化器氨覆盖度估计值、SCR催化器下游NOX浓度估计值、 SCR催化器下游NH3浓度估计值、SCR催化器上下游温度测量值、SCR催化器下游 NOX浓度测量值以及SCR催化器热失效程度信息，通过基于李雅普诺夫稳定性理 论设计得到的模型参考自适应容错控制器计算尿素喷射量具体采用以下方法：
模型参考自适应容错控制器中参考模型为：
Figure BDA0002023249820000051
Figure BDA0002023249820000052
其中，θref *为氨覆盖度参考值，θref'为初始氨覆盖度参考值，θref为MRAC氨 覆盖度参考模型值；
Urea-SCR系统尿素喷射模型表示如下：
Figure BDA0002023249820000053
定义：
Figure BDA0002023249820000054
Urea-SCR系统尿素喷射模型重新表示为：
Figure BDA0002023249820000055
其中：
Figure BDA0002023249820000056
优选地，自适应容错控制器的自适应调节机构设计为：
Figure BDA0002023249820000057
其中：
Figure BDA0002023249820000061
其中，λ1和λ2均为正常数；
通过SCR催化器热失效诊断信息有效性判定模块获取的SCR催化器失效因 子用于修正模型参考自适应容错控制器中的参考模型以及自适应调节机构，输 入信号同时进入参考模型以及修正模型参考自适应容错控制器中进行计算，其 中参考模型直接得到氨覆盖度参考值，控制器将控制信号传递给受控系统执行 器执行相应指令从而得到氨覆盖度实际值；比较氨覆盖度参考值与氨覆盖度实 际值，两者差值将会传递给自适应调节机构对控制器进行参数进行修正；当氨 覆盖度参考值与氨覆盖度实际值相同时，自适应调节终止。
本发明进一步提出一种基于上述的柴油机后处理系统催化器热失效容错控 制方法的控制装置，包括：
处理器，用于实现各指令；
存储器，用于存储多条指令，所述指令由处理器加载并执行：
获取发动机转速和转矩信息，从尿素喷射电控单元获取尿素喷射量信号， 根据温度传感器获取SCR催化器上、下游温度值测量值，根据NOX传感器获取SCR 催化器下游NOX浓度测量值；
原排NOX浓度估计模块根据当前发动机转速和转矩信息预测排气质量流量 以及SCR催化器上游NOX浓度估计值；
SCR催化器热失效诊断模块根据SCR催化器上游NOX浓度估计值、排气质量 流量、尿素喷射量、SCR催化器上下游温度测量值和SCR催化器下游NOX浓度测 量值通过扩展卡尔曼滤波算法获取SCR催化器热失效程度信息、SCR催化器氨覆 盖度估计值、SCR催化器下游NOX浓度估计值以及SCR催化器下游NH3浓度估计 值；
SCR催化器热失效容错模块基于SCR催化器上游NOX浓度估计值、排气质量 流量、SCR催化器氨覆盖度估计值、SCR催化器下游NOX浓度估计值、SCR催化器 下游NH3浓度估计值、SCR催化器上下游温度测量值、SCR催化器下游NOX浓度测 量值以及SCR催化器热失效程度信息，通过基于李雅普诺夫稳定性理论设计得 到的模型参考自适应容错控制器计算尿素喷射量。
本发明提出的柴油机后处理系统催化器热失效容错控制方法，具有以下有 益效果：
(1)本发明基于扩展卡尔曼滤波算法构建的SCR催化器热失效诊断模块可 有效抵御传感器测量噪声对SCR催化器失效程度估计的影响，可快速且精确地 诊断SCR催化器热失效程度；
(2)本发明基于李雅普诺夫稳定性理论设计得到的模型参考自适应容错控 制器具有结构简单，易于实现和计算负荷小等特点，可实时地根据SCR催化器 热失效程度自适应调节尿素喷射量，从而使得Urea-SCR系统在SCR催化器老化 失效的情况下仍然能保持良好的排放控制性能；
(3)本发明可广泛应用于SCR催化器失效诊断和容错控制中。
附图说明
图1为本发明柴油机后处理系统催化器热失效容错控制方法中Urea-SCR系 统示意图；
图2为本发明柴油机后处理系统催化器热失效容错控制方法的流程示意图。
本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说 明。
具体实施方式
应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定 本发明。
参照图1和图2，本实施例中，一种柴油机后处理系统催化器热失效容错控 制方法，包括以下步骤：
步骤S10，获取发动机转速和转矩信息，从尿素喷射电控单元获取尿素喷射 量信号，根据温度传感器获取SCR催化器上、下游温度值测量值，根据NOX传感 器获取SCR催化器下游NOX浓度测量值；
步骤S20，原排NOX浓度估计模块根据当前发动机转速和转矩信息预测排气 质量流量以及SCR催化器上游NOX浓度估计值；
步骤S30，SCR催化器热失效诊断模块根据SCR催化器上游NOX浓度估计值、 排气质量流量、尿素喷射量、SCR催化器上下游温度测量值和SCR催化器下游 NOX浓度测量值通过扩展卡尔曼滤波算法获取SCR催化器热失效程度信息、SCR 催化器氨覆盖度估计值、SCR催化器下游NOX浓度估计值以及SCR催化器下游NH3浓度估计值；
步骤S40，SCR催化器热失效容错模块基于SCR催化器上游NOX浓度估计值、 排气质量流量、SCR催化器氨覆盖度估计值、SCR催化器下游NOX浓度估计值、 SCR催化器下游NH3浓度估计值、SCR催化器上下游温度测量值、SCR催化器下游 NOX浓度测量值以及SCR催化器热失效程度信息，通过基于李雅普诺夫稳定性理 论设计得到的模型参考自适应容错控制器计算尿素喷射量。
进一步地，步骤S30之后还包括：
步骤S50，通过SCR催化器热失效诊断信息有效性判定模块对从SCR催化器 热失效诊断模块获取的SCR催化器热失效程度信息的有效性进行判定后，输出 并存储有效的SCR催化器失效程度信息；
步骤S60，SCR催化器热失效容错模块基于SCR催化器上游NOX浓度估计值、 排气质量流量、SCR催化器氨覆盖度估计值、SCR催化器下游NOX浓度估计值、 SCR催化器下游NH3浓度估计值、SCR催化器上下游温度测量值、SCR催化器下游 NOX浓度测量值以及从SCR催化器热失效诊断信息有效性判定模块获取的有效的 SCR催化器热失效程度信息，通过基于李雅普诺夫稳定性理论设计得到的模型参 考自适应容错控制器计算尿素喷射量。
即将步骤S40替换为步骤S50和S60，此时增加了一步判断的过程，即对SCR 催化器热失效程度信息的有效性进行判断，从而使本热失效容错控制方法更加 精确。
具体地，步骤S50中，计算最近多个SCR催化器失效因子估计值采样点的 方差；
如果这多个个采样点的方差小于阈值，则说明SCR催化器失效诊断信息是 有效的，其可以用于容错控制；否则说明目前SCR催化器失效诊断信息不稳定， 则调用SCR催化器热失效诊断信息有效性判定模块存储的最近且稳定的失效诊 断信息用于容错控制。
以下具体说明本柴油机后处理系统催化器热失效容错控制方法的具体过程。
根据SCR催化器内主要化学反应和质量守恒定律，SCR催化器状态方程可描 述如下：
Figure BDA0002023249820000091
其中，nNOx,in为流入催化器的NOx的摩尔流量(单位mol/s)，
Figure BDA0002023249820000092
为流入催 化器的NH3的摩尔流量(单位mol/s)，
Figure BDA0002023249820000093
为下游NOX的摩尔浓度(单位mol/m3)，
Figure BDA0002023249820000094
为NH3的摩尔浓度(单位mol/m3)，Cs为催化剂最大储氨量(单位单位mol/m3)， Sc为1mol表面活性原子面积(单位m2/mol)，αprob为粘着概率，ki为化学反应频 率因子，Ei为反应活化能(单位J/mol)，θ为氨覆盖度，R为气体常数(单位 8.3145J/molK)，T为催化剂床温(单位K)。其中，i代表ads(氨吸附反应)、des(氨 脱附反应)、scr(选择性催化还原反应)和ox(氨氧化反应)，
Figure BDA0002023249820000095
为氨覆盖度估计 值，
Figure BDA0002023249820000096
为下游NOX的摩尔浓度估计值，
Figure BDA0002023249820000097
为NH3的摩尔浓度估计值，mEG为排气质量流量。
式中：
Figure BDA0002023249820000098
其中，REG为排气气体常数(单位J/kgK)，pamb为环境大气压(单位Pa)， ε为催化器孔隙率，Vc为催化器体积(单位m3)，cp,c为催化器比热容(单位J/kgK)， cp,EG排气定压比热容(单位J/kgK)，mc为催化器质量(单位kg)，εrad为黑度， σ为气体辐射常数(单位W/m2K4)，MNH3表示NH3的摩尔质量。
根据SCR催化器失效机理，SCR催化器失效将会导致其储氨能力下降。为衡 量SCR催化器失效后储氨能力相比SCR催化器失效前储氨能力减小的程度，SCR 催化器失效因子α定义如下：
Figure BDA0002023249820000101
其中，Cs,aged为催化器老化状态下的最大储氨量，Cs,fresh为催化器健康状态下 的最大储氨量。
SCR催化器失效状态方程：
Figure BDA0002023249820000102
非线性系统经过EKF算法处理可表现为以下形式：
Figure BDA0002023249820000103
其中，f(x,u)为非线性状态函数，h(x)为非线性测量函数。
EKF同样通过预测和更新两个步骤来估计系统的状态参数。在确定了状态参 数初值x(0|0)以及误差协方差矩阵初值P(0|0)后，便可进入EKF的预测步骤。
在预测步骤中，状态量和误差协方差矩阵在k-1时刻对k时刻的预测如下：
x(k|k-1)＝f[x(k-1|k-1),u(k)] (6)
P(k|k-1)＝F(k)P(k-1|k-1)F(k)T+Q(k) (7)
其中，F为f(x,u)的Jacobian矩阵。
在更新步骤中，EKF会通过卡尔曼增益K(k)对系统状态预测值x(k|k-1)和 预测的误差协方差矩阵P(k|k-1)进行更新，从而得到系统状态参数估计值x(k|k) 以及估计的误差协方差矩阵P(k|k)。假设噪声为零均值高斯白噪声，卡尔曼增 益K(k)、系统状态参数估计值x(k|k)以及估计的误差协方差矩阵P(k|k)可由以 下方程得到：
K(k)＝P(k|k-1)H(k)T[H(k)P(k|k-1)H(k)T+R(k)]-1 (8)
x(k|k)＝x(k|k-1)+K(k){z(k)-h[x(k|k-1),u(k)]} (9)
P(k|k)＝[I-K(k)H(k)]P(k|k-1) (10)
其中，H为h(x)的Jacobian矩阵。
SCR催化器状态向量应表示如下：
Figure BDA0002023249820000111
其中，
Figure BDA0002023249820000112
SCR催化器状态方程如下所示：
Figure BDA0002023249820000113
那么根据式(13)，SCR催化器状态预测模型可表示如下：
Figure BDA0002023249820000121
其中，α(k-1|k-1)和
Figure BDA0002023249820000122
可表示如下：
Figure BDA0002023249820000123
Figure BDA0002023249820000124
根据NOx传感器数学模型，SCR催化器测量模型可表示如下：
Figure BDA0002023249820000125
其中，Kcs为NOX和NH3的交叉感应系数。
在确定SCR催化器状态预测模型和测量模型之后，便可根据式(6)～(10) 进行迭代运算得到SCR催化器状态参数(包括失效因子、SCR催化器氨覆盖度估 计值、SCR催化器下游NOX浓度估计值以及SCR催化器下游NH3浓度估计值这四 个参数)的最优估计。
SCR催化器状态方程用于描述正常催化器工作状态，SCR催化器失效状态方 程用于描述失效时催化器工作状态，SCR催化器状态预测模型用于在设计EKF观 测器时需要确定SCR催化器状态方程与失效因子的状态方程，通过这个模型来 预测四个状态参数。SCR催化器测量模型：在SCR催化器下游安装NOX传感器来 测量NOX浓度，通过该模型得到NOX和NH3的浓度测量值即作为对应实际值后代入 公式(13)和(14)(因NH3传感器成本太高，利用NH3与NOX的交感反应，借由 NOX浓度推得NH3浓度)。
通过NOX传感器获取SCR催化器下游NOX浓度测量值，代入SCR催化器测量 模型中，得到SCR催化器下游NOX浓度实际值以及SCR催化器下游NH3浓度实际 值，并根据SCR催化器下游NOX浓度实际值以及SCR催化器下游NH3浓度实际值 计算得到氨覆盖度实际值后，根据SCR催化器状态预测模型和SCR催化器状态 方程，计算得到SCR催化器失效因子、SCR催化器氨覆盖度估计值、SCR催化器 下游NOX浓度估计值以及SCR催化器下游NH3浓度估计值。
模型参考自适应容错控制器设计方法如下：
氨覆盖度参考值是SCR催化器床温的单值函数，并可表示如下：
Figure BDA0002023249820000131
为了使SCR催化器失效前后的储氨量保持在同一水平，模型参考自适应容 错控制器参考模型可设计如下：
Figure BDA0002023249820000132
Figure BDA0002023249820000133
其中，θref *为氨覆盖度参考值，θref'为初始氨覆盖度参考值，θref为MRAC氨 覆盖度参考模型值；
Urea-SCR系统尿素喷射模型可表示如下：
Figure BDA0002023249820000134
定义：
Figure BDA0002023249820000135
故式(21)可重新表示如下：
Figure BDA0002023249820000141
其中：
Figure BDA0002023249820000142
MRAC的自适应调节机构可设计如下：
Figure BDA0002023249820000143
其中：
Figure BDA0002023249820000144
其中，λ1和λ2均为正常数。
模型参考自适应控制(MRAC)原理：通过SCR催化器热失效诊断信息有效 性判定模块获取的SCR催化器失效因子用于修正模型参考自适应容错控制器中 的参考模型以及自适应调节机构，输入信号同时进入参考模型以及修正模型参 考自适应容错控制器中进行计算，其中参考模型直接得到氨覆盖度参考值，控 制器将控制信号传递给受控系统执行器执行相应指令从而得到氨覆盖度实际值； 比较氨覆盖度参考值与氨覆盖度实际值，两者差值将会传递给自适应调节机构 对控制器进行参数进行修正；当氨覆盖度参考值与氨覆盖度实际值相同时，自 适应调节终止。
公式(19-20)为MRAC参考模型设计，(25-26)为MRAC自适应调节机构设 计，(19-20)由于催化剂的最大储氨量会随着SCR催化器失效程度的增加而减 少，即失效因子α会下降至0到1之间的某一个值，为了使SCR催化器失效前 后的储氨量保持在同一水平，那么氨覆盖度参考值也应该自适应地随着SCR催 化器失效程度的增加而上升，(21-24)为了能使SCR催化器实际氨覆盖度逼近 氨覆盖度参考值，Urea-SCR系统是仅通过控制尿素喷射器喷射适量尿素来实现。
本柴油机后处理系统催化器热失效容错控制方法，为了模拟SCR催化器失 效，引入失效因子来衡量催化器失效前后储氨能力的程度。在SCR催化器状态 方程加入失效因子，得到SCR催化器失效状态方程。然后，基于EKF算法，设 计EKF状态观测器，对SCR催化器状态进行估计，得到失效因子的估计值，即 失效信息。再根据得到的失效信息设计MRAC自适应控制器，从而实现容错控制。
经过测试表明，在采用原尿素喷射控制策略时，随着SCR催化器失效程度 增加，原尿素喷射控制策略下的NOX转化效率会随之下降，原尿素喷射控制策略 下的氨泄漏量也会随之增加。采用本发明的容错控制后，在进行ETC测试循环 时，容错控制下NOX转化效率对催化剂失效并不敏感，容错控制下氨泄漏量相比 原尿素喷射控制策略下的氨泄漏量仅轻微上升。
本发明提出的柴油机后处理系统催化器热失效容错控制方法，具有以下有 益效果：
(1)本发明基于扩展卡尔曼滤波算法构建的SCR催化器热失效诊断模块可 有效抵御传感器测量噪声对SCR催化器失效程度估计的影响，可快速且精确地 诊断SCR催化器热失效程度；
(2)本发明基于李雅普诺夫稳定性理论设计得到的模型参考自适应容错控 制器具有结构简单，易于实现和计算负荷小等特点，可实时地根据SCR催化器 热失效程度自适应调节尿素喷射量，从而使得Urea-SCR系统在SCR催化器老化 失效的情况下仍然能保持良好的排放控制性能；
(3)本发明可广泛应用于SCR催化器失效诊断和容错控制中。
本发明进一步提出一种柴油机后处理系统催化器热失效容错控制方法的控 制装置。
本优选实施例中，柴油机后处理系统催化器热失效容错控制方法的控制装 置，包括：
处理器，用于实现各指令；
存储器，用于存储多条指令，所述指令由处理器加载并执行：
获取发动机转速和转矩信息，从尿素喷射电控单元获取尿素喷射量信号， 根据温度传感器获取SCR催化器上、下游温度值测量值，根据NOX传感器获取SCR 催化器下游NOX浓度测量值；
原排NOX浓度估计模块根据当前发动机转速和转矩信息预测排气质量流量 以及SCR催化器上游NOX浓度估计值；
SCR催化器热失效诊断模块根据SCR催化器上游NOX浓度估计值、排气质量 流量、尿素喷射量、SCR催化器上下游温度测量值和SCR催化器下游NOX浓度测 量值通过扩展卡尔曼滤波算法获取SCR催化器热失效程度信息、SCR催化器氨覆 盖度估计值、SCR催化器下游NOX浓度估计值以及SCR催化器下游NH3浓度估计 值；
SCR催化器热失效容错模块基于SCR催化器上游NOX浓度估计值、排气质量 流量、SCR催化器氨覆盖度估计值、SCR催化器下游NOX浓度估计值、SCR催化器 下游NH3浓度估计值、SCR催化器上下游温度测量值、SCR催化器下游NOX浓度 测量值以及SCR催化器热失效程度信息，通过基于李雅普诺夫稳定性理论设计 得到的模型参考自适应容错控制器计算尿素喷射量。
控制装置中包括发动机电控单元，尿素喷射电控单元，尿素喷嘴，SCR催化 器上下游温度传感器，SCR催化器下游NOX传感器，尿素喷射电控单元包括柴油 机原排NOX浓度估计模块，柴油机排气质量流量估计模块，SCR催化器失效诊断 模块，SCR催化器失效诊断信息有效性判定模块和SCR催化器失效容错模块。柴 油机原排NOX浓度估计模块，柴油机排气质量流量估计模块，SCR催化器失效诊 断模块，SCR催化器失效诊断信息有效性判定模块和SCR催化器失效容错模块均 集成于处理器中。
以上仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利 用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接或间接运用在其他相 关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (2)

1.一种柴油机后处理系统催化器热失效容错控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
获取发动机转速和转矩信息，从尿素喷射电控单元获取尿素喷射量信号，根据温度传感器获取SCR催化器上、下游温度值测量值，根据NOX传感器获取SCR催化器下游NOX浓度测量值；
原排NOX浓度估计模块根据当前发动机转速和转矩信息预测排气质量流量以及SCR催化器上游NOX浓度估计值；
SCR催化器热失效诊断模块根据SCR催化器上游NOX浓度估计值、排气质量流量、尿素喷射量、SCR催化器上下游温度测量值和SCR催化器下游NOX浓度测量值通过扩展卡尔曼滤波算法获取SCR催化器热失效程度信息、SCR催化器氨覆盖度估计值、SCR催化器下游NOX浓度估计值以及SCR催化器下游NH3浓度估计值；
SCR催化器热失效容错模块基于SCR催化器上游NOX浓度估计值、排气质量流量、SCR催化器氨覆盖度估计值、SCR催化器下游NOX浓度估计值、SCR催化器下游NH3浓度估计值、SCR催化器上下游温度测量值、SCR催化器下游NOX浓度测量值以及SCR催化器热失效程度信息，通过基于李雅普诺夫稳定性理论设计得到的模型参考自适应容错控制器计算尿素喷射量；
通过扩展卡尔曼滤波算法获取SCR催化器热失效程度信息、SCR催化器氨覆盖度估计值、SCR催化器下游NOX浓度估计值以及SCR催化器下游NH3浓度估计值的步骤之后还包括：
通过SCR催化器热失效诊断信息有效性判定模块对从SCR催化器热失效诊断模块获取的SCR催化器热失效程度信息的有效性进行判定后，输出并存储有效的SCR催化器失效程度信息；
SCR催化器热失效容错模块基于SCR催化器上游NOX浓度估计值、排气质量流量、SCR催化器氨覆盖度估计值、SCR催化器下游NOX浓度估计值、SCR催化器下游NH3浓度估计值、SCR催化器上下游温度测量值、SCR催化器下游NOX浓度测量值以及从SCR催化器热失效诊断信息有效性判定模块获取的有效的SCR催化器热失效程度信息，通过基于李雅普诺夫稳定性理论设计得到的模型参考自适应容错控制器计算尿素喷射量；
为衡量SCR催化器失效后储氨能力相比SCR催化器失效前储氨能力减小的程度，SCR催化器热失效程度信息即为SCR催化器失效因子α，其定义如下：
Figure FDA0003121277600000021
其中，Cs,aged为催化器老化状态下的最大储氨量，Cs,fresh为催化器健康状态下的最大储氨量；
通过SCR催化器热失效诊断信息有效性判定模块对从SCR催化器热失效诊断模块获取的SCR催化器热失效程度信息的有效性进行判定时，采用以下方法：
计算最近多个SCR催化器失效因子估计值采样点的方差；
如果这多个采样点的方差小于阈值，则说明SCR催化器失效诊断信息是有效的，其可以用于容错控制；否则说明目前SCR催化器失效诊断信息不稳定，则调用SCR催化器热失效诊断信息有效性判定模块存储的最近且稳定的失效诊断信息用于容错控制；
获取SCR催化器热失效程度信息、SCR催化器氨覆盖度估计值、SCR催化器下游NOX浓度估计值以及SCR催化器下游NH3浓度估计值采用以下方法：
SCR催化器状态向量表示为：
Figure FDA0003121277600000022
其中，
Figure FDA0003121277600000023
SCR催化器状态方程为：
Figure FDA0003121277600000024
其中，
Figure FDA0003121277600000031
SCR催化器状态预测模型为：
Figure FDA0003121277600000032
其中，
Figure FDA0003121277600000033
Figure FDA0003121277600000034
SCR催化器测量模型表示为：
Figure FDA0003121277600000035
上式中，nNOx,in为流入催化器的NOX的摩尔流量，
Figure FDA0003121277600000036
为流入催化器的NH3的摩尔流量，
Figure FDA0003121277600000037
为下游NOX的摩尔浓度，
Figure FDA0003121277600000038
为NH3的摩尔浓度，Cs为催化剂最大储氨量，Sc为1mol表面活性原子面积，αprob为粘着概率，ki为化学反应频率因子，θ为氨覆盖度，R为气体常数，T为催化剂床温，Ei为反应活化能，其中，i为ads时表示氨吸附反应，i为des时表示氨脱附反应，i为scr时表示选择性催化还原反应，i为ox表示氨氧化反应，
Figure FDA0003121277600000039
为氨覆盖度估计值，
Figure FDA00031212776000000310
为下游NOX的摩尔浓度估计值，
Figure FDA00031212776000000311
为NH3的摩尔浓度估计值，mEG为排气质量流量，REG为排气气体常数，pamb为环境大气压，ε为催化器孔隙率，Vc为催化器体积，cp,c为催化器比热容，cp,EG排气定压比热容，mc为催化器质量，εrad为黑度，σ为气体辐射常数，MNH3表示NH3的摩尔质量；
通过NOX传感器获取SCR催化器下游NOX浓度测量值，代入SCR催化器测量模型中，得到SCR催化器下游NOX浓度实际值以及SCR催化器下游NH3浓度实际值，并根据SCR催化器下游NOX浓度实际值以及SCR催化器下游NH3浓度实际值计算得到氨覆盖度实际值后，根据SCR催化器状态预测模型和SCR催化器状态方程，计算得到SCR催化器失效因子、SCR催化器氨覆盖度估计值、SCR催化器下游NOX浓度估计值以及SCR催化器下游NH3浓度估计值；
SCR催化器热失效容错模块基于SCR催化器上游NOX浓度估计值、排气质量流量、SCR催化器氨覆盖度估计值、SCR催化器下游NOX浓度估计值、SCR催化器下游NH3浓度估计值、SCR催化器上下游温度测量值、SCR催化器下游NOX浓度测量值以及SCR催化器热失效程度信息，通过基于李雅普诺夫稳定性理论设计得到的模型参考自适应容错控制器计算尿素喷射量具体采用以下方法：
模型参考自适应容错控制器中参考模型为：
Figure FDA0003121277600000041
Figure FDA0003121277600000042
其中，θref *为氨覆盖度参考值，θref'为初始氨覆盖度参考值，θref为MRAC氨覆盖度参考模型值；
Urea-SCR系统尿素喷射模型表示如下：
Figure FDA0003121277600000043
定义：
Figure FDA0003121277600000044
Urea-SCR系统尿素喷射模型重新表示为：
Figure FDA0003121277600000045
其中：
Figure FDA0003121277600000051
自适应容错控制器的自适应调节机构设计为：
Figure FDA0003121277600000052
其中：
Figure FDA0003121277600000053
其中，λ1和λ2均为正常数；
通过SCR催化器热失效诊断信息有效性判定模块获取的SCR催化器失效因子用于修正模型参考自适应容错控制器中的参考模型以及自适应调节机构，输入信号同时进入参考模型以及修正模型参考自适应容错控制器中进行计算，其中参考模型直接得到氨覆盖度参考值，控制器将控制信号传递给受控系统执行器执行相应指令从而得到氨覆盖度实际值；比较氨覆盖度参考值与氨覆盖度实际值，两者差值将会传递给自适应调节机构对控制器进行参数进行修正；当氨覆盖度参考值与氨覆盖度实际值相同时，自适应调节终止。
2.一种基于权利要求1所述的柴油机后处理系统催化器热失效容错控制方法的控制装置，其特征在于，包括：
处理器，用于实现各指令；
存储器，用于存储多条指令，所述指令由处理器加载并执行：
获取发动机转速和转矩信息，从尿素喷射电控单元获取尿素喷射量信号，根据温度传感器获取SCR催化器上、下游温度值测量值，根据NOX传感器获取SCR催化器下游NOX浓度测量值；
原排NOX浓度估计模块根据当前发动机转速和转矩信息预测排气质量流量以及SCR催化器上游NOX浓度估计值；
SCR催化器热失效诊断模块根据SCR催化器上游NOX浓度估计值、排气质量流量、尿素喷射量、SCR催化器上下游温度测量值和SCR催化器下游NOX浓度测量值通过扩展卡尔曼滤波算法获取SCR催化器热失效程度信息、SCR催化器氨覆盖度估计值、SCR催化器下游NOX浓度估计值以及SCR催化器下游NH3浓度估计值；
SCR催化器热失效容错模块基于SCR催化器上游NOX浓度估计值、排气质量流量、SCR催化器氨覆盖度估计值、SCR催化器下游NOX浓度估计值、SCR催化器下游NH3浓度估计值、SCR催化器上下游温度测量值、SCR催化器下游NOX浓度测量值以及SCR催化器热失效程度信息，通过基于李雅普诺夫稳定性理论设计得到的模型参考自适应容错控制器计算尿素喷射量。
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