一種柴油機scr系統(tǒng)輸入狀態(tài)的觀測方法及觀測系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于柴油機尾氣后處理SCR系統(tǒng)控制領(lǐng)域，涉及一種控制方法，具體來說， 涉及一種柴油機SCR系統(tǒng)輸入狀態(tài)的觀測方法及觀測系統(tǒng)，特別適用于中重型柴油機尾氣 后處理SCR系統(tǒng)中對NOx和氨氣輸入濃度的估計觀測。
【背景技術(shù)】
[0002] 近十年來，汽車行業(yè)中柴油發(fā)動機的市場份額一直在增長，主要是由于它在燃油 效率、耐久性和應(yīng)用范圍方面與汽油發(fā)動機相比具有不小的優(yōu)勢。但是，近些年隨著地球環(huán) 境的惡化和人們環(huán)保意識的提高，柴油機尾氣污染問題尤其是氮氧化物污染越來越引起人 們的關(guān)注。為了解決柴油機尾氣污染問題，人們研宄開發(fā)了缸內(nèi)燃燒控制，NOx捕獲技術(shù)， 選擇性催化還原系統(tǒng)（SCR)等技術(shù)。而隨著排放法規(guī)的日益嚴格，技術(shù)的研宄深入，SCR系 統(tǒng)被認為是最具有前途的去除氮氧化物的一種尾氣后處理技術(shù)。
[0003] SCR系統(tǒng)被廣泛應(yīng)用于柴油機中來減少NOx的排放。SCR(Selective Catalytic Reduction)主要就是一種選擇催化還原技術(shù)，它是在系統(tǒng)入口端噴入尿素，利用其水解出 的氨氣在催化劑的作用下將NOx還原為對大氣無污染的氮氣和水。
[0004] 如圖1所示，常規(guī)的SCR系統(tǒng)包含：SCR系統(tǒng)；位于SCR系統(tǒng)進氣端的檢測NOr^ 度的傳感器1，位于SCR系統(tǒng)進氣端的檢測NH 3濃度的傳感器2,位于SCR系統(tǒng)排氣端的檢 測NOx濃度的傳感器3，位于SCR系統(tǒng)排氣端的檢測NH 3濃度的傳感器4。
[0005] 在SCR系統(tǒng)中，尿素的噴射是系統(tǒng)唯一的輸入控制，而NOx和氨氣的濃度被認為是 SCR尿素噴射控制中重要的狀態(tài)參數(shù)，所以NOx和氨氣的輸入濃度對控制算法的設(shè)計至關(guān) 重要。傳統(tǒng)的輸入濃度觀測一般都是借助于傳感器，但是NOx和氨氣傳感器存在造價昂貴 和難以進行故障診斷等缺陷，這些問題都會影響SCR系統(tǒng)的經(jīng)濟效益和工作效率。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明要解決的問題是，尋找一種適合SCR系統(tǒng)的方法來取代昂貴的NOx或氨氣 傳感器，并降低故障診斷的難度。因此設(shè)計一種新型輸入狀態(tài)觀測器至關(guān)重要。
[0007] 為達到上述目的，本發(fā)明提供了一種柴油機SCR系統(tǒng)輸入狀態(tài)的觀測方法，該方 法保護如下步驟：
[0008] 步驟1，根據(jù)SCR系統(tǒng)內(nèi)化學(xué)反應(yīng)建立狀態(tài)空間模型；
[0009] 步驟2,將狀態(tài)空間模型與EKF算法結(jié)合起來；EKF算法分為兩步，包括預(yù)測過程和 更新過程；該￡肝方程包括預(yù)測方程 ：1〇〇=打1〇^-1)，11〇〇]+￥〇〇，及，更新方程：2〇〇 = h[x(k)]+v(k);其中，x(k)代表狀態(tài)向量，u(k)是輸入向量，w(k)代表高斯過程噪聲，z(k) 代表觀測向量，h( x)代表觀測函數(shù)，v(k)代表高斯觀測噪聲；
[0010] 步驟3,運用軟件編碼以上提到的EKF算法，進行計算仿真，從而得出輸入濃度估 計值。
[0011] 上述的柴油機SCR系統(tǒng)輸入狀態(tài)的觀測方法，其中，所述的空間狀態(tài)模型為：
[0013] 其中，
x = ad，de，ox，re ;ad代表正向吸附反應(yīng)，de代表逆向解 吸附反應(yīng)，ox代表氧化反應(yīng)，re代表還原反應(yīng)；Cito代表NOx的濃度，代表氨氣的濃度； 表示氨氣入口的濃度，（；〇表示柴油機排出尾氣中NOx的濃度；F是尾氣流速；V是 SCR系統(tǒng)的體積；T表示溫度，E、K和R是常數(shù)，Cx表示X的濃度，表示催化劑上的氨氣 覆蓋率；Θ表示催化劑總的氨氣覆蓋率能力。
[0014] 上述的柴油機SCR系統(tǒng)輸入狀態(tài)的觀測方法，其中，步驟2中，在EKF預(yù)測過程， 狀態(tài)向量x(k)表示為
，系統(tǒng)誤差協(xié)方差矩陣P (k)表示為： P(k|k-1) =F(k)P(k-l|k-l)F(k)T+Q(k)，其中 F(k)是預(yù)測函數(shù) f(x)的雅克比矩陣。
[0015] 上述的柴油機SCR系統(tǒng)輸入狀態(tài)的觀測方法，其中，步驟2中，在EKF的更新過程 中，系統(tǒng)預(yù)測狀態(tài)i_(k |1<-1)和誤差協(xié)方差向量P (k I k-Ι)通過傳感器數(shù)據(jù)與觀測方程計算數(shù) 據(jù)之差來不斷更新，在這個過程中同時還需要一個最佳的卡爾曼增益K(k)，其計算方程如 下：
[0019] ?&|1〇 = [1-1(00!100]?〇^-1)，其中，1代表單位矩陣，！1〇〇是觀測函數(shù)11〇〇 的雅克比矩陣。
[0020] 本發(fā)明還提供了一種上述的柴油機SCR系統(tǒng)輸入狀態(tài)的觀測方法的觀測系統(tǒng)，該 觀測系統(tǒng)包含：
[0021] SCR 系統(tǒng)；
[0022] 位于SCR系統(tǒng)進氣端的檢測叫濃度的傳感器，
[0023] 位于SCR系統(tǒng)排氣端的檢測叫濃度的傳感器，
[0024] 位于SCR系統(tǒng)排氣端的檢測順3濃度的傳感器，
[0025] EKF觀測算法模塊，
[0026] 濃度顯示模塊；
[0027] SCR系統(tǒng)進氣端的檢測NOr^度的傳感器、SCR系統(tǒng)排氣端的檢測NO x濃度的傳感 器及SCR系統(tǒng)排氣端的檢測NH3濃度的傳感器的檢測數(shù)據(jù)均輸入到EKF觀測算法模塊；該 EKF觀測算法模塊通過對輸入的檢測數(shù)據(jù)進行運算，輸出SCR系統(tǒng)進氣端的NH3濃度至濃度 顯示模塊。
[0028] 本發(fā)明還提供了一種采用上述的柴油機SCR系統(tǒng)輸入狀態(tài)的觀測方法的觀測系 統(tǒng)，該觀測系統(tǒng)包含：
[0029] SCR 系統(tǒng)；
[0030] 位于SCR系統(tǒng)進氣端的檢測順3濃度的傳感器，
[0031] 位于SCR系統(tǒng)排氣端的檢測叫濃度的傳感器，
[0032] 位于SCR系統(tǒng)排氣端的檢測順3濃度的傳感器，
[0033] EKF觀測算法模塊，
[0034] 濃度顯示模塊；
[0035] SCR系統(tǒng)進氣端的檢測順3濃度的傳感器、SCR系統(tǒng)排氣端的檢測NO x濃度的傳感 器及SCR系統(tǒng)排氣端的檢測NH3濃度的傳感器的檢測數(shù)據(jù)均輸入到EKF觀測算法模塊；該 EKF觀測算法模塊通過對輸入的檢測數(shù)據(jù)進行運算，輸出SCR系統(tǒng)進氣端的NOx濃度至濃度 顯示模塊。
[0036] 本發(fā)明提出了的SCR輸入狀態(tài)估計的觀測方法和觀測系統(tǒng)，考慮了估計氨氣輸入 濃度和估計輸入NOx濃度這兩種情況，設(shè)計了拓展卡爾曼濾波來進行輸入狀態(tài)觀測的方 法，在仿真中驗證了所設(shè)計觀測器的有效性，并且保證了估計濃度的精度，達到了預(yù)期的設(shè) 計目的，完全有能力取代入口處的氨氣傳感器或NOx傳感器。
【附圖說明】
[0037] 圖1是常規(guī)的SCR系統(tǒng)輸入輸出狀態(tài)檢測結(jié)構(gòu)圖。
[0038] 圖2是本發(fā)明的SCR系統(tǒng)輸入狀態(tài)的觀測系統(tǒng)圖。
[0039] 圖3是SCR輸入端氨氣濃度采用本發(fā)明的觀測方法計算的估計數(shù)據(jù)曲線與傳感器 數(shù)據(jù)（真實值）曲線對比圖。
[0040] 圖4是SCR輸入端NOx濃度采用本發(fā)明的觀測方法計算的估計數(shù)據(jù)曲線與傳感器 數(shù)據(jù)（真實值）曲線對比圖。
【具體實施方式】
[0041] 以下結(jié)合附圖通過具體實施例對本發(fā)明作進一步的描述，這些實施例僅用于說明 本發(fā)明，并不是對本發(fā)明保護范圍的限制。
[0042] 本發(fā)明采用的方法是：根據(jù)SCR系統(tǒng)內(nèi)化學(xué)反應(yīng)建立狀態(tài)空間模型，運用拓展卡 爾曼濾波（EKF)方法，分兩種情況分別來估計入口的NOx濃度或氨氣濃度。第一種情況： 如圖1，假設(shè)NOx的輸入濃度已知（由傳感器1獲得），NOx輸出濃度已知（由傳感器3獲 得），氨氣輸出濃度已知（由傳感器4獲得），則我們可以利用EKF控制算法估計氨氣的輸 入濃度，這樣傳感器2就可以被省去。第二種情況：假設(shè)氨氣的輸入濃度已知（由傳感器2 獲得），NOx輸出濃度已知（由傳感器3獲得），氨氣輸出濃度已知（由傳感器4獲得），則 我們可以利用EKF控制算法估計NOx的輸入濃度，這樣傳感器1就可以被省去。
[0043] 本發(fā)明提供的觀測系統(tǒng)如圖2所示，包括：
[0044] SCR 系統(tǒng)；
[0045] 位于SCR系統(tǒng)進氣端的檢測NOx濃度的傳感器1或檢測NH 3濃度的傳感器2，
[0046] 位于SCR系統(tǒng)排氣端的檢測叫濃度的傳感器3，
[0047] 位于SCR系統(tǒng)排氣端的檢測NH3濃度的傳感器4，
[0048] EKF觀測算法模塊，
[0049] 濃度顯示模塊；
[0050] SCR系統(tǒng)進氣端的檢測NOr^度的傳感器1或檢測NH 3濃度的傳感器2、SCR系統(tǒng) 排氣端的檢測NOr^度的傳感器3及SCR系統(tǒng)排氣端的檢測NH 3濃度的傳感器4的檢測數(shù) 據(jù)均輸入到EKF觀測算法模塊；該EKF觀測算法模塊通過對輸入的檢測數(shù)據(jù)進行運算，輸出 SCR系統(tǒng)進氣端的冊13濃度至濃度顯示模塊。
[0051 ] 本發(fā)明的具體算法方法為：
[0052] 第一步，根據(jù)SCR系統(tǒng)內(nèi)化學(xué)反應(yīng)建立狀態(tài)空間模型。SCR系統(tǒng)內(nèi)主要化學(xué)反應(yīng) 有以下三個：
[0053] DNH3在催化劑上的吸附與解吸附：
[0055] 其中Θ ftee代表SCR內(nèi)催化