一种基于观测器的单传感器双闭环urea-SCR反馈控制方法

摘要

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NO_x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NO_x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。

主权项

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NO_x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NO_x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$\begin{array}{c}{\stackrel{·}{C}}_{{\mathrm{NO}}_x}=a_1{n}_{{\mathrm{NO}}_x,in}^{*}-C_{{\mathrm{NO}}_x}\left(a_0{a}_1{m}_{EG}^{*}T+a_4\left(T\right){\Theta }_{{\mathrm{NH}}_3}\right),\\ {\stackrel{·}{C}}_{{\mathrm{NH}}_3}=a_1{n}_{{\mathrm{NH}}_3,in}^{*}-C_{NH3}\left[a_0{a}_1{m}_{EG}^{*}T+a_2\left(T\right)\left(1-{\Theta }_{NH3}\right)\right]\\ +a_3\left(T\right){\Theta }_{NH3},\\ c_s{\stackrel{·}{\Theta }}_{{\mathrm{NH}}_3}=a_2\left(T\right)\left(1-{\Theta }_{NH3}\right)C_{NH3}-[a_3\left(T\right)+a_4\left(T\right)C_{{\mathrm{NO}}_x}\\ +a_5\left(T\right)]{\Theta }_{NH3},\\ \stackrel{·}{T}=a_6{m}_{EG}^{*}\left(T_{in}-T\right)-a_7\left(T^4-T_{amb}^4\right),\end{array}---\left(9\right)$其中：$\begin{array}{c}{a}_0=\frac{R_{S,EG}}{P_{amb}},a_1=\frac{1}{{\mathrm{ϵV}}_c},\\ a_2\left(T\right)=c_s{S}_c{\alpha }_{\mathrm{Pr}ob}\sqrt{\frac{RT}{2{\mathrm{\pi M}}_{{\mathrm{NH}}_3}}},\\ a_3\left(T\right)=c_s{k}_{Des}{e}^{\left(\frac{-E_{a,Des}}{RT}\right)},\\ a_4\left(T\right)=c_s{\mathrm{RTk}}_{SCR}{e}^{\left(\frac{-E_{s,SCR}}{RT}\right)},\\ a_5\left(T\right)=c_s{k}_{Ox}{e}^{\left(\frac{-E_{a,Ox}}{RT}\right)},\\ a_6=\frac{c_{p,EG}}{c_{p,c}{m}_c},a_7=\frac{{ϵ}_{rad,scr}{\sigma }_{sb}{A}_{rad,scr}}{c_{p,c}{m}_c}.\end{array}---\left(10\right)$(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$u:={\left[\begin{array}{cc}{u}_1& u_2\end{array}\right]}^T:=\left[n_{{\mathrm{NO}}_x,in}^{*}{n}_{{\mathrm{NH}}_3,in}^{*}\right],$得到：$\begin{array}{c}{\stackrel{·}{x}}_1=-x_1{A}_1+a_1{u}_1,\\ {\stackrel{·}{x}}_2=-x_2{A}_2+B+a_1{u}_2,\\ z=x_1+K_{cs}{x}_2,\end{array}---\left(11\right)$其中:$\begin{array}{c}{A}_1=a_0{a}_1{m}_{EG}^{*}T+a_4\left(T\right){\Theta }_{{\mathrm{NH}}_3},\\ A_2=a_0{a}_1{m}_{EG}^{*}T+a_2\left(T\right)\left(1-{\Theta }_{{\mathrm{NH}}_3}\right),\\ B=a_3\left(T\right){\Theta }_{{\mathrm{NH}}_3}.\end{array}---\left(12\right)$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：$\{\begin{array}{c}x\left(t\right)=f\left(x\left(t\right),u\left(t\right),t\right)+w,\\ z\left(k\right)=h\left(x\left(k\right),k\right)+v.\end{array}---\left(14\right)$(3)、基于urea‑SCR系统数学模型设计估计算法并整理形式：$\hat{x}\left(t_k(+)\right)=\hat{x}\left(t_k(-)\right)+K\left(t_k\right)\{z\left(t_k\right)-h(\hat{x}\left(t_k\right(-)),t_k)\}.---\left(16\right)$其中，(‑)表示测量更新还没有发生，(+)表示测量更新已经发生，t_k表示当前时刻，k＝0,1…N；(4)、交叉敏感性因子K_cs与排气温度T之间的关系map标定根据交叉敏感性因子K_cs与排气温度T之间的数学关系K_cs＝e^aT，通过全工况的试验数据拟合得到常数a。