柴油机后处理装置催化器内部状态估计方法制造方法及图纸

技术编号:21174886 阅读:40 留言:0更新日期:2019-05-22 11:41
本发明专利技术公开了一种柴油机后处理装置催化器内部状态估计方法,包括以下步骤:设计Urea‑SCR后处理装置催化器内部状态观测器;设计观测器增益,保证观测器误差渐近收敛到零;基于尾气排放分析仪测量的NOX浓度值,通过龙伯格非线性观测器获得Urea‑SCR催化器内部NOX、NH3浓度以及氨覆盖率状态估计;构造正定李雅普诺夫函数,设计李雅普诺夫的导数为负定使得估计误差渐近收敛于零;设计解决误差动态性方程中尚未消除的Urea‑SCR模型中的耦合状态;推导出李雅普诺夫函数中的增益应该满足的范围条件。本发吸提出的柴油机后处理装置催化器内部状态估计方法,提供一种能够精准估计催化器内部不可测量状态的非线性观测器。

Internal State Estimation Method for Catalytic Converter of Diesel Engine Post-treatment Unit

The invention discloses a method for estimating the internal state of catalytic converter of diesel engine aftertreatment device, which includes the following steps: designing the internal state observer of the catalytic converter of Urea SCR aftertreatment device; designing the gain of the observer to ensure that the observer error asymptotically converges to zero; obtaining the internal state observer of Urea SCR catalytic converter based on the NOX concentration measured by the exhaust emission analyzer through the Runberg non-linear observer. Part NOX, NH3 concentration and ammonia coverage state estimation; construct positive definite Lyapunov function, design Lyapunov derivative to make the estimation error converge to zero asymptotically; design and solve the coupling state in Urea SCR model which has not been eliminated in error dynamic equation; deduce the range condition that the gain in Lyapunov function should satisfy. A method for estimating the internal state of the catalytic converter in the diesel engine aftertreatment unit is proposed, which provides a non-linear observer capable of accurately estimating the unmeasurable state of the catalytic converter.

【技术实现步骤摘要】
柴油机后处理装置催化器内部状态估计方法
本专利技术涉及发动机排放控制
,尤其涉及一种柴油机后处理装置催化器内部状态估计方法。
技术介绍
柴油机具有功率大,功率覆盖范围广,燃油消耗率低,耐久性好等特点,广泛应用于中重型卡车、中大型客车、工程机械、农业机械、船舶等领域;由于柴油机采用稀燃、扩散燃烧方式,碳氢化合物(HC)、一氧化碳(CO)等排放较低,但是排气中颗粒物(PM)和氮氧化物(NOX)排放较多,据《中国机动车污染物防治年报(2017年)》统计,2016年全国柴油车NOX排放量为367.3万吨,颗粒物排放量51.2万吨,占汽车排放总量的68.7%和99%。欧洲、美国、日本都制定了非常严格的排放法规来限制NOX和PM的排放,我国也制定和实施国四/五/六排放法规,为了满足日趋严格的排放法规,柴油机需要综合使用多种技术降低排放污染物,包括机内净化技术和后处理技术,为满足更为严格的排放标准,通常使用DOC(Dieseloxidationcatalys,柴油氧化催化器)、DPF(Dieselparticulatefilter,柴油微粒捕集器)和SCR(Selectivecatalyticreduction,选择性催化还原)等后处理系统才能满足相应的排放法规要求。Urea-SCR系统作为NOX排放控制的有效手段之一,在柴油机上得以广泛应用;为满足国V及以上排放法规,柴油机Urea-SCR后处理系统需要采用闭环控制策略,需要获得Urea-SCR系统的状态信息用于反馈控制,获取状态信息有二种方式,一种是通过传感器进行直接测量,一种是通过软测试(通过算法进行状态估计);直接利用传感器得到控制器所需的全部状态信息存在一定困难,一方面传感器成本高,另一方面是某些状态量无法通过传感器直接测量。NOX传感器在90年代大规模生产后已被广泛用于柴油机,但氨传感器由于技术不成熟,品类较少,成本贵,并未被大量普及;氨覆盖率是Urea-SCR控制系统一个重要状态量,但目前没有传感器或设备可直接获得氨覆盖率的测量值。但在非线性可观系统中,如果不是所有状态都可量测,仅有输出的部分状态可量测时,通过设计观测器能提供渐近趋近于不可量测状态的估计,同时也能省掉安装传感器的成本。
技术实现思路
本专利技术的主要目的在于提供一种柴油机后处理装置催化器内部状态估计方法,旨在提供一种能够精准估计催化器内部NOX、NH3浓度以及氨覆盖率等不可测量状态的非线性观测器。为实现上述目的,本专利技术提供一种柴油机后处理装置催化器内部状态估计方法,包括以下步骤:设计Urea-SCR后处理装置催化器内部状态观测器即龙伯格非线性观测器,所述龙伯格非线性观测器通过非线性方法获取不可测量状态的渐近趋近估计,实现Urea-SCR系统全状态反馈闭环控制;设计观测器增益,保证观测器误差渐近收敛到零;基于尾气排放分析仪测量的NOX浓度值,通过龙伯格非线性观测器获得Urea-SCR催化器内部NOX、NH3浓度以及氨覆盖率状态估计;构造正定李雅普诺夫函数,设计李雅普诺夫的导数为负定,使得估计误差渐近收敛于零;设计解决误差动态性方程中尚未消除的Urea-SCR模型中的耦合状态;推导出李雅普诺夫函数中的增益应该满足的范围条件,结合函数正定以及导数负定的条件,保证估计误差渐近收敛于零,完成对李雅普诺夫稳定性的证明。优选地,所述基于尾气排放分析仪测量的NOX浓度值,通过龙伯格非线性观测器获得Urea-SCR催化器内部NOX、NH3浓度以及氨覆盖率状态估计的步骤之前还包括:通过标准样气对尾气排放分析仪进行标定和校准,以确保其测量值的准确性。优选地,设计Urea-SCR后处理装置催化器内部状态观测器时,非线性系统的输入为已知输入,输出为可测量的输出,相对应的非线性观测器包括复制原系统的预测项、观测器增益和对应的修正项。优选地,设计Urea-SCR后处理装置催化器内部状态观测器时采用以下方法:对于非线性系统:u是给定的输入,y是可以测量的输出;观测器模型:其中,L(.)是观测器中的增益,表现为常数矩阵或者时变矩阵,观测器方程中的是一个从原系统复制过来的预测项,而称为修正项,它依赖于由和输出y之间的偏差;龙伯格非线性观测器的模型方程如下:其中,分别是NOx浓度、NH3浓度和NH3覆盖率;分别是的估计值;分别是的导数值;L1、L2、L3分别是相应的观测器增益;rred、rads、rdes、roxi分别是相应还原反应、吸附、脱附和氧化反应的反应速率系数;F代表废气体积流速;V代表催化器体积;代表氨储存能力。优选地,观测器误差向量定义为:误差动态性描述为:正定的正定李雅普诺夫函数:其中,e1、e2、e3分别是的观测误差;代表相应e1、e2、e3的导数。优选地,李雅普诺夫的导数为:其中,a1=F/V,a3=rads,a4=rdes,a5=rred,a6=roxi,b1=L3,当时,需要满足的不等式条件为:b2>0;b4>0;b6>0;增益L1、L2、L3落在以下范围时,且李雅普诺夫函数正定,其导数负定,则可保证估计误差渐近收敛于零:假定增益L2、L3取最大值,得到增益L1的范围为:优选地,所述推导出李雅普诺夫函数中的增益应该满足的范围条件,结合函数正定以及导数负定的条件,保证估计误差渐近收敛于零,完成对李雅普诺夫稳定性的证明的步骤之后还包括:在发动机台架上进行了ETC瞬态测试循环,得到ETC循环下的转速、转矩、温度、废气流量以及Urea-SCR下游NOX浓度信息;基于Matlab对所设计的非线性观测器进行仿真,将观测器的估计值与模型值进行对比,验证观测器在ETC循环下的估计准确度。本专利技术提出的柴油机后处理装置催化器内部状态估计方法,具有以下有益效果:(1)本专利技术基于非线性可观系统构建的Urea-SCR系统的非线性观测器可较为精确的估计Urea-SCR催化器中NOX、NH3浓度以及氨覆盖率等不可测量状态,实现Urea-SCR系统全状态反馈闭环控制,在不新增系统成本的情况下,提高了系统控制精度;(2)本专利技术基于李雅普诺夫稳定性理论设计得到的正定Lyapunov函数对观测器的估计误差进行稳定性验证,能够解决误差动态性方程中尚未消除的Urea-SCR模型中的耦合状态,简化Lyapunov函数,得到非线性系统的相关增益范围,从而使得非线性系统在满足增益范围和Lyapunov函数正定,其导数负定的情况下则可保证估计误差渐近收敛于零;(3)本专利技术通过试验验证,可广泛应用于Urea-SCR系统催化器不可测量状态的估计中。附图说明图1是在ETC测试循环下的发动机转速及转矩;图2a是在ETC测试循环下废气流量随时间变化曲线图;图2b是在ETC测试循环下催化器温度随时间变化曲线图;图3是在ETC测试循环下,Urea-SCR催化器上游NOX浓度值;图4是本专利技术柴油机后处理装置催化器内部状态估计方法的流程示意图。本专利技术目的的实现、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专利技术,并不用于限定本专利技术。需要说明的是,在本专利技术的描述中,术语“横向”、“纵向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位本文档来自技高网
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【技术保护点】
1.一种柴油机后处理装置催化器内部状态估计方法,其特征在于,包括以下步骤:设计Urea‑SCR后处理装置催化器内部状态观测器即龙伯格非线性观测器,所述龙伯格非线性观测器通过非线性方法获取不可测量状态的渐近趋近估计,实现Urea‑SCR系统全状态反馈闭环控制;设计观测器增益,保证观测器误差渐近收敛到零;基于尾气排放分析仪测量的NOX浓度值,通过龙伯格非线性观测器获得Urea‑SCR催化器内部NOx、NH3浓度以及氨覆盖率状态估计;构造正定李雅普诺夫函数,设计李雅普诺夫的导数为负定,使得估计误差渐近收敛于零;设计解决误差动态性方程中尚未消除的Urea‑SCR模型中的耦合状态;推导出李雅普诺夫函数中的增益应该满足的范围条件,结合函数正定以及导数负定的条件,保证估计误差渐近收敛于零,完成对李雅普诺夫稳定性的证明。

【技术特征摘要】
1.一种柴油机后处理装置催化器内部状态估计方法,其特征在于,包括以下步骤:设计Urea-SCR后处理装置催化器内部状态观测器即龙伯格非线性观测器,所述龙伯格非线性观测器通过非线性方法获取不可测量状态的渐近趋近估计,实现Urea-SCR系统全状态反馈闭环控制;设计观测器增益,保证观测器误差渐近收敛到零;基于尾气排放分析仪测量的NOX浓度值,通过龙伯格非线性观测器获得Urea-SCR催化器内部NOx、NH3浓度以及氨覆盖率状态估计;构造正定李雅普诺夫函数,设计李雅普诺夫的导数为负定,使得估计误差渐近收敛于零;设计解决误差动态性方程中尚未消除的Urea-SCR模型中的耦合状态;推导出李雅普诺夫函数中的增益应该满足的范围条件,结合函数正定以及导数负定的条件,保证估计误差渐近收敛于零,完成对李雅普诺夫稳定性的证明。2.如权利要求1所述的柴油机后处理装置催化器内部状态估计方法,其特征在于,所述基于尾气排放分析仪测量的NOX浓度值,通过龙伯格非线性观测器获得Urea-SCR催化器内部NOx、NH3浓度以及氨覆盖率状态估计的步骤之前还包括:通过标准样气对尾气排放分析仪进行标定和校准,以确保其测量值的准确性。3.如权利要求1所述的柴油机后处理装置催化器内部状态估计方法,其特征在于,设计Urea-SCR后处理装置催化器内部状态观测器时,非线性系统的输入为已知输入,输出为可测量的输出,相对应的非线性观测器包括复制原系统的预测项、观测器增益和对应的修正项。4.如权利要求1所述的柴油机后处理装置催化器内部状态估计方法,其特征在于,设计Urea-SCR后处理装置催化器内部状态观测器时采用以下方法:对于非线性系统:u是给定的输入,y是可以测量的输出;观测器模型:其中,L(.)是观测器中的增益,表现...

【专利技术属性】
技术研发人员:颜伏伍魏丽胡杰郑世杰
申请(专利权)人:武汉理工大学
类型:发明
国别省市:湖北,42

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