CN111075583A - 一种天然气发动机后氧传感器的闭环控制方法及系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种天然气发动机后氧传感器的闭环控制方法及系统，构建后氧传感器响应模型，通过后氧传感器响应模型计算出传感器响应时间；根据传感器响应时间和PID控制器输出的修正量，计算出未延迟空燃比；构建催化器纯滞后时间模型，通过催化器纯滞后时间模型计算出纯滞后时间；构建Simth预估控制器或内模控制器模型，Simth预估控制器或内模控制器模型根据未延迟空燃比和纯滞后时间，计算出延迟空燃比；将未延迟空燃比与延迟空燃比之差反馈到PID闭环控制回路的PID控制器输入端，即将催化器储氧量的纯滞后和后氧传感器响应滞后引入闭环控制回路，消除了后氧传感器闭环控制回路时滞环节，提高闭合控制的稳定性及排放一致性。

Description

一种天然气发动机后氧传感器的闭环控制方法及系统
技术领域
本发明涉及发动机技术领域，尤其涉及一种天然气发动机后氧传感器的闭环控制方法及系统。
背景技术
随着排放法规的升级，天然气发动机的排放限制日趋苛刻，对于当量燃烧的天然气发动机而言，排放的优劣很大程度上取决于空燃比控制的精度。目前天然气发动机在催化器前后分别布置了氧传感器，前氧传感器用来控制催化器效率窗口和空燃比闭环，后氧传感器对空燃比在一定范围内进行闭环修正，使得催化器在最佳效率窗口内工作；同时在前氧传感器发生偏移时，对催化器窗口有一定的修正作用，以免排放恶化严重。当前的控制策略对后氧传感器闭环使用PID进行控制。而对于天然气发动机而言，由于催化器储氧量较大，对空燃比的控制需要经过一定时间后才能反馈到后氧传感器上，而这段时间内，PID中的I会一直积分，等后氧传感器检测到时，已经过冲很多了，从而导致后氧闭环使用PID控制难以达到稳定，空燃比一直处于波动状态，排放结果难以理想。
即天然气发动机由于催化器储氧量较大，导致后氧传感器闭环控制存在时滞环节，从而导致系统难以稳定的问题。随着催化器的老化及后氧传感器的老化，催化器的储氧量逐渐下降，后氧传感器的响应逐渐变慢，新鲜态的催化器时滞模型及新后氧传感器的响应时间变慢，从而影响后氧闭环的稳定性。
发明内容
针对上述不足，本发明所要解决的技术问题是：提供一种天然气发动机后氧传感器的闭环控制方法及系统，提高了后氧传感器闭合的稳定性，利于发动机排放的一致性。
为解决上述技术问题，本发明的技术方案是：
一种天然气发动机后氧传感器的闭环控制方法，基于后氧传感器PID闭环控制回路，包括以下步骤：
S1、构建后氧传感器响应模型，通过所述后氧传感器响应模型计算出传感器响应时间；
S2、根据传感器响应时间和PID闭环控制回路中PID控制器输出的修正量，计算出未延迟空燃比；
S3、构建催化器纯滞后时间模型，通过所述催化器纯滞后时间模型计算出纯滞后时间；
S4、构建Simth预估控制器模型或内模控制器模型，所述Simth预估控制器模型或所述内模控制器模型根据未延迟空燃比和纯滞后时间，计算出延迟空燃比；
S5、将未延迟空燃比与延迟空燃比之差反馈到所述PID闭环控制回路的PID控制器输入端。
优选方式为，所述后氧传感器响应模型将后氧传感器测得的过量空气系数随喷射量的变化规律等效为带有纯滞后的一阶惯性环节。
优选方式为，所述步骤S2具体包括以下步骤：
获取PID控制器输出的修正量；
利用传递函数,传感器响应时间和修正量，计算出所述未延迟空燃比，
传递函数为
Figure BDA0002349835820000021
其中T为后氧传感器响应模型所计算出的响应时间。
优选方式为，所述催化器纯滞后时间模型根据催化器储氧量模型和当前发动机的氧流量，计算出不同工况下的纯滞后时间。
一种天然气发动机后氧传感器的闭环控制系统，包括电连接的后氧传感器PID闭环控制系统和电控单元，还包括分别与所述电控单元电连接的：后氧传感器迟滞模块，所述后氧传感器迟滞模块用于构建后氧传感器响应模型，通过所述后氧传感器响应模型计算出传感器响应时间，并根据传感器响应时间和PID闭环控制回路中PID控制器输出的修正量，计算出未延迟空燃比；催化器迟滞模块，所述催化器迟滞模块用于构建催化器纯滞后时间模型，通过所述催化器纯滞后时间模型计算出纯滞后时间；Simth预估控制器或内模控制器，所述Simth预估控制器或所述内模控制器的输入端分别与所述后氧传感器迟滞模块的输出端和所述催化器迟滞模块的输出端电连接，所述Simth预估控制器或所述内模控制器的输出端与所述PID闭环控制系统的PID控制器输入端连接；所述后氧传感器迟滞模块输出所述未延迟空燃比对应的电信号至所述Simth预估控制器或所述内模控制器，所述催化器迟滞模块输出所述纯滞后时间对应的电信号至所述Simth预估控制器或所述内模控制器，所述Simth预估控制器或所述内模控制器根据所述未延迟空燃比和所述纯滞后时间，计算出延迟空燃比，并将未延迟空燃比与延迟空燃比之差对应的电信号反馈到所述PID控制器输入端。
优选方式为，所述后氧传感器迟滞模块包括将后氧传感器测得的过量空气系数随喷射量的变化规律等效为带有纯滞后的一阶惯性环节。
优选方式为，所述后氧传感器迟滞模块还包括用于诊断后氧传感器响应时间的后氧传感器诊断模块。
优选方式为，所述催化器迟滞模块根据催化器储氧量和当然发动机的氧流量，计算纯滞后时间。
采用上述技术方案后，本发明的有益效果是：
由于本发明的天然气发动机后氧传感器的闭环控制方法及系统，构建后氧传感器响应模型，通过所述后氧传感器响应模型计算出传感器响应时间；根据传感器响应时间和PID闭环控制回路中PID控制器输出的修正量，计算出未延迟空燃比；构建催化器纯滞后时间模型，通过催化器纯滞后时间模型计算出纯滞后时间；构建Simth预估控制器模型或内模控制器模型，Simth预估控制器模型或内模控制器模型根据未延迟空燃比和纯滞后时间，计算出延迟空燃比；将未延迟空燃比与延迟空燃比之差反馈到PID闭环控制回路的PID控制器输入端，即将催化器储氧量的纯滞后时间和后氧传感器响应滞后时间，引入闭环控制回路，从而消除了催化器和后氧传感器对后氧传感器闭环控制回路的影响，提高了后氧传感器闭环控制的稳定性，消除空燃比的波动，利于发动机排放一致性，提高了后氧传感器闭环控制的鲁棒性。
附图说明
图1是本发明天然气发动机后氧传感器的闭环控制方法的流程图；
图2是本发明的闭环回路；
图3是本发明天然气发动机后氧传感器的闭环控制系统的原理框图；
图4是本发明天然气发动机后氧传感器的闭环控制系统的另一原理框图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。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。
实施例一：
如图1和图2所示，一种天然气发动机后氧传感器的闭环控制方法，基于后氧传感器PID闭环控制回路，包括以下步骤：
S1、构建后氧传感器响应模型，通过后氧传感器响应模型计算出传感器响应时间；
S2、根据传感器响应时间和PID闭环控制回路中PID控制器输出的修正量，计算出未延迟空燃比；
S3、构建催化器纯滞后时间模型，通过催化器纯滞后时间模型计算出纯滞后时间；
S4、构建Simth预估控制器模型或内模控制器模型，Simth预估控制器模型或内模控制器模型根据未延迟空燃比和纯滞后时间，计算出延迟空燃比；
S5、将未延迟空燃比与延迟空燃比之差反馈到PID闭环控制回路的PID控制器输入端。
其中后氧传感器响应模型具体为：电控单元获取发动机转速和负荷，判断发动机转速和负荷达到预设定阈值，且处于稳定状态时，将过量空气系数设定值设定为一个较浓的值，待后氧传感器检测到该偏浓状态后，再将前氧传感器过量空气系数设定值调稀，使用计时器计时，计时从后氧传感器检测到过量空气系数开始变化，到后氧传感器达到其测量到的最大值的0.632倍为止，这段时间即为后氧传感器响应时间的时间常数。
催化器纯滞后时间模型根据催化器储氧量模型和当前发动机的氧流量，计算出不同工况下的纯滞后时间。
其中纯滞后时间模型具体为：电控单元获取发动机转速和负荷，判断发动机转速和负荷达到预设定阈值，且处于稳定状态时，将过量空气系数设定值设定为一个较浓的值，待后氧传感器检测到该偏浓状态后，再将前氧传感器过量空气系数设定值调稀，此时开始对流过催化器的氧流量进行积分，后氧传感器检测到过量空气系数有所变化时停止积分，这个阶段得到的氧气的质量即为催化器当前状态的最大氧流量。
流过催化器的氧流量的计算方法：
Figure BDA0002349835820000051
其中氧流量单位为mg/s；
实时储氧量模型用于计算实时储氧量，具体为：对当前储氧量进行实时估算，对流过催化器的氧流量进行实时积分，氧流量为负代表催化器消耗氧，为正则代表催化器存储氧，积分得到的储氧量最大值限制为当前状态下最大储氧量，最小值限制为0。
纯滞后时间的计算：
设定过量空气系数由浓边稀的过程中，
Figure BDA0002349835820000052
设定过量空气系数由稀变浓的过程中，
Figure BDA0002349835820000053
其中Simth预估控制器模型为：
Figure BDA0002349835820000054
其中G1(s)为被控对象中不含纯滞后的部分；G2(s)为PID控制器的传递函数。
其中内模控制器模型的传递函数如下：
Figure BDA0002349835820000055
其中GIMC(s)为被控对象模型的可逆部分再加上一个滤波器，被控对象为一阶惯性环节，传递函数为：
Figure BDA0002349835820000056
其中为后氧传感器响应模型所计算出的响应时间T，α为滤波系数，在鲁棒性和响应性中折中，是一个可以表达的值。
其中
Figure BDA0002349835820000057
为被控对象的模型，即：
Figure BDA0002349835820000058
其中T为后氧传感器响应模型所所计算出的响应时间，τ为催化器纯滞后时间模型所计算出的结果。
本发明的方法，通过后氧传感器响应模型、催化器纯滞后时间模型以及Simth预估控制器模型或内模控制器模型，将后氧传感器响应滞后时间和催化器储氧量引起的纯滞后时间，引入后氧传感器闭合控制回路中PID控制器的前端。可见，本发明弱化了由于催化器的存在导致的延迟对后氧闭环的影响，提高了后氧传感器闭环的稳定性，利于排放结果控制；通过对催化器老化及氧传感器老化进行自适应的方式，降低了控制器对模型参数的敏感性。其中Simth预估控制器模型本质上是一种基于模型的控制策略，用一阶惯性环节来等效后氧传感器测得的过量空气系数随喷射量的变化规律。
步骤S1中，后氧传感器响应模型将后氧传感器测得的过量空气系数随喷射量的变化规律等效为带有纯滞后的一阶惯性环节。
如图2所示，步骤S1中具体包括以下步骤：
获取PID控制器输出的修正量；
利用传递函数,传感器响应时间和修正量，计算出所述未延迟空燃比，
传递函数为
Figure BDA0002349835820000061
其中T为后氧传感器响应模型所计算出的响应时间。
实施例二：
如图3和图4所示，一种天然气发动机后氧传感器的闭环控制系统，包括后氧传感器PID闭环控制回路，还包括后氧传感器迟滞模块，催化器迟滞模块和Simth预估控制器或内模控制器。
其中后氧传感器迟滞模块用于构建后氧传感器响应模型，通过后氧传感器响应模型计算出传感器响应时间，并根据传感器响应时间和PID闭环控制回路中PID控制器输出的修正量，计算出未延迟空燃比；
其中催化器迟滞模块用于构建催化器纯滞后时间，通过催化器纯滞后时间计算出纯滞后时间；
其中Simth预估控制器或内模控制器的输入端分别与后氧传感器迟滞模块的输出端和催化器迟滞模块的输出端电连接，Simth预估控制器或内模控制器的输出端与PID闭环控制回路的PID控制器输入端连接；后氧传感器迟滞模块输出未延迟空燃比对应的电信号至Simth预估控制器或内模控制器，催化器迟滞模块输出纯滞后时间对应的电信号至Simth预估控制器或内模控制器，Simth预估控制器或内模控制器根据未延迟空燃比和纯滞后时间，计算出延迟空燃比，并将未延迟空燃比与延迟空燃比之差对应的电信号反馈到PID控制器输入端。
本例中：后氧传感器迟滞模块包括将后氧传感器测得的过量空气系数随喷射量的变化规律等效为带有纯滞后的一阶惯性环节。后氧传感器迟滞模块还包括用于诊断后氧传感器响应时间的后氧传感器诊断模块。
一阶惯性环节的传递函数为
Figure BDA0002349835820000071
带有纯滞后的一阶惯性函数为：
Figure BDA0002349835820000072
其中τ为纯滞后时间，T为一阶惯性环节的时间常数。
催化器迟滞模块根据催化器储氧量模块和当前发动机的氧流量，计算出储纯滞后时间。
如图3和图4所示，本发明的天然气发动机后氧传感器的闭环控制系统，利用原先的后氧传感器闭合控制系统，在原先控制系统上添加了后氧传感器迟滞模块、催化器迟滞模块和Simth预估控制器或内模控制器，将未延迟空燃比与延迟空燃比的差反馈到闭环控制回路中，其中的纯滞后时间由催化器迟滞模块计算出来，而催化器迟滞模块则利用催化器储氧量和当前发动机的氧流量计算，并在特定工况下对储氧量模型进行自适应；其中传感器响应时间则由后氧传感器迟滞模块的后氧传感器诊断模块计算出来。
综上所述，本发明通过引入了模型的控制思想，并对模型进行自适应，解决了后氧传感器闭环的稳定性问题。解决了由于催化器导致的纯滞后环节对后氧传感比闭环控制系统稳定性的影响，同时对模型参数进行自适应，提高了控制器的鲁棒性。
以上所述本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同一种天然气发动机后氧传感器的闭环控制方法及系统的改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种天然气发动机后氧传感器的闭环控制方法，基于后氧传感器PID闭环控制回路，其特征在于，包括以下步骤：
S1、构建后氧传感器响应模型，通过所述后氧传感器响应模型计算出传感器响应时间；
S2、根据传感器响应时间和PID闭环控制回路中PID控制器输出的修正量，计算出未延迟空燃比；
S3、构建催化器纯滞后时间模型，通过所述催化器纯滞后时间模型计算出纯滞后时间；
S4、构建Simth预估控制器模型或内模控制器模型，所述Simth预估控制器模型或所述内模控制器模型根据未延迟空燃比和纯滞后时间，计算出延迟空燃比；
S5、将未延迟空燃比与延迟空燃比之差反馈到所述PID闭环控制回路的PID控制器输入端。
2.根据权利要求1所述的天然气发动机后氧传感器的闭环控制方法，其特征在于，所述后氧传感器响应模型将后氧传感器测得的过量空气系数随喷射量的变化规律等效为带有纯滞后的一阶惯性环节。
3.根据权利要求2所述的天然气发动机后氧传感器的闭环控制方法，其特征在于，所述步骤S2具体包括以下步骤：
获取PID控制器输出的修正量；
利用传递函数,传感器响应时间和修正量，计算出所述未延迟空燃比，
传递函数为
Figure FDA0002349835810000011
其中T为后氧传感器响应模型所计算出的响应时间。
4.根据权利要求1所述的天然气发动机后氧传感器的闭环控制方法，其特征在于，所述催化器纯滞后时间模型根据催化器储氧量模型和当前发动机的氧流量，计算出不同工况下的纯滞后时间。
5.一种天然气发动机后氧传感器的闭环控制系统，包括电连接的后氧传感器PID闭环控制系统和电控单元，其特征在于，还包括分别与所述电控单元电连接的：
后氧传感器迟滞模块，所述后氧传感器迟滞模块用于构建后氧传感器响应模型，通过所述后氧传感器响应模型计算出传感器响应时间，并根据传感器响应时间和PID闭环控制回路中PID控制器输出的修正量，计算出未延迟空燃比；
催化器迟滞模块，所述催化器迟滞模块用于构建催化器纯滞后时间模型，通过所述催化器纯滞后时间模型计算出纯滞后时间；
Simth预估控制器或内模控制器，所述Simth预估控制器或所述内模控制器的输入端分别与所述后氧传感器迟滞模块的输出端和所述催化器迟滞模块的输出端电连接，所述Simth预估控制器或所述内模控制器的输出端与所述PID闭环控制系统的PID控制器输入端连接；
所述后氧传感器迟滞模块输出所述未延迟空燃比对应的电信号至所述Simth预估控制器或所述内模控制器，所述催化器迟滞模块输出所述纯滞后时间对应的电信号至所述Simth预估控制器或所述内模控制器，所述Simth预估控制器或所述内模控制器根据所述未延迟空燃比和所述纯滞后时间，计算出延迟空燃比，并将未延迟空燃比与延迟空燃比之差对应的电信号反馈到所述PID控制器输入端。
6.根据权利要求5所述的天然气发动机后氧传感器的闭环控制系统，其特征在于，所述后氧传感器迟滞模块包括将后氧传感器测得的过量空气系数随喷射量的变化规律等效为带有纯滞后的一阶惯性环节。
7.根据权利要求6所述的天然气发动机后氧传感器的闭环控制系统，其特征在于，所述后氧传感器迟滞模块还包括用于诊断后氧传感器响应时间的后氧传感器诊断模块。
8.根据权利要求5所述的天然气发动机后氧传感器的闭环控制系统，其特征在于，所述催化器迟滞模块根据催化器储氧量和当前发动机的氧流量，计算纯滞后时间。
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