一种中低速柴油机选择性催化还原系统的FPGA嵌入式控制系统技术方案

本发明专利技术公开一种中低速柴油机选择性催化还原系统的FPGA嵌入式控系统。包括电源模块、信号采集模块、计量泵、上位机、FPGA主控制器模块和执行器驱动模块；信号采集模块包括反应器内温度传感器、压力传感器、空气质量传感器、液位传感器、催化剂反应前温度传感器、催化剂反应后温度传感器、压损传感器，信号采集模块采集所有传感器的数据，传送给FPGA主控制器模块，计量泵测量还原剂喷射量后传送给FPGA主控制器模块，FPGA主控制器模块根据接收的信息，产生PWM信号通过光耦隔离电路后，传送给执行器驱动模块。本发明专利技术能够有效实现系统的闭环控制，在减少SCR系统中还原剂的浪费同时有效减少船舶氮氧化物的排放，降低成本。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于一种嵌入式控制器，尤其涉及一种中低速柴油机选择性催化还原系统的FPGA嵌入式控制系统。
技术介绍
选择性催化还原(Selective Catalytic Reduction简称SCR)是一种机外净化系统，其基本原理是在催化剂作用下，利用还原剂(如氨气、尿素溶液等)，把柴油机尾气中的氮氧化合物进行催化还原反映，将有毒害、有污染的NOX转化为无毒无污染的氮气和水蒸气。排气后处理SCR技术不需对柴油机本体进行改造，且对燃油的品质要求相对较低，因此备受关注。目前中低速柴油机应用的领域就是在船舶中，而船舶柴油机尾气排放对于环境的污染越来越严重，因此国际海事组织(IMO)于1997年通过了MARPOL73/78公约附则Ⅵ——《防止船舶造成大气污染规则》，该规则已于2005年5月19日正式生效。2006年8月23日起对我国生效。2008年10月，在MEPC58次会议上又讨论通过了附则Ⅵ的修正案，该修正案对船舶有害气体的排放提出了更加严格的要求，并明确了氮氧化物排放限值的三个阶段，即TierI、TierII和TierIII，TierIII最为严格，其中规定对2016年交付使用的新船要在Tier II的基础上在减排约75％，如此巨大的减排幅度对中低速柴油机的SCR系统提出了更加苛刻的要求。由于闭环控制在SCR系统中能够有效的提高还原剂的利用率，有效降低NOX的排放量所以SCR系统的闭环控制需求也越来越迫切，这就对中低速柴油机SCR嵌入式控制器的运算处理速度以及稳定性提出了更多的要求。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种能够节约能源的中低速柴油机选择性催化还原系统的FPGA嵌入式控制系统。一种中低速柴油机选择性催化还原系统的FPGA嵌入式控系统，其特征在于：包括电源模块、信号采集模块、计量泵、上位机、FPGA主控制器模块和执行器驱动模块；信号采集模块包括反应器内温度传感器、压力传感器、空气质量传感器、液位传感器、催化剂反应前温度传感器、催化剂反应后温度传感器、压损传感器，信号采集模块用于采集所有传感器的数据，转化为电信号后通过滤波和放大电路传送给FPGA主控制器模块；计量泵测量还原剂喷射量后通过CAN总线传送给FPGA主控制器模块；电源模块为信号采集模块和FPGA主控制器模块供电；FPGA主控制器模块根据接收到的信息，将数据传送给上位机进行显示，同时采用前馈控制方法对接收到的信息进行分析，对还原剂的需求量进行判断，产生PWM信号通过光耦隔离电路后，传送给执行器驱动模块；执行器驱动模块包括驱动电路、冷却液电磁阀、尿素喷射电磁阀和空气电磁阀，驱动电路根据接收到的PWM信号控制冷却液电磁阀、尿素喷射电磁阀和空气电磁阀的开关。本专利技术一种中低速柴油机选择性催化还原系统的FPGA嵌入式控系统还包括：FPGA主控制器模块采用的前馈控制方法，利用反应器当前上游NOX的浓度，来标定下游NH3浓度期望值，并利用下游NH3浓度值和反应器的动态特性来预测上游所需的NH3，催化器模型的输入量U，状态量X和输出量Y分别为：U=TinTambnNOx,in*nNH3,in*mEG*;X=T1Θ1T2Θ2;Y=ToutTambnNOx,out*nNH3,out*mEG*]]>NOx和NH3浓度分别为：cNH3,1=d1nNH3,in*+d2cNH3,2=d3cNH3,1+d4cNOx,1=d5nNOx,in*cNOx,2=d6cNOx,1]]>利用前馈控制方法得到上游所需的NH3为：nNH3_in(t)=nNH3_out(t)d7-(d2d3+d4)d1d3.]]>有益效果采用基于FPGA的控制系统在船舶SCR系统中应用，能够有效实现系统的闭环控制，在减少SCR系统中还原剂的浪费同时有效减少船舶氮氧化物的排放，满足TierIII规定中对船舶柴油机氮氧化物减排幅度的要求，降低成本，因而具有较大的市场前景。本专利技术使用的控制芯片为FPGA，能够满足SCR系统闭环控制所需智能算法的复杂运算所需的控制器高性能需求，使得控制系统具有很高的响应速度和抗干扰能力。在控制器的嵌入式系统的设计中采用NIOS II软核，通过使用处理器直接存储器存取可以连接到任何外设从而提高系统的性能，满足高级算法对于处理器速度的需求；通过将一个或更多的NIOS II处理器组合，选择合适的一组外设、存储器、I/O接口，减少电路板的成本、复杂程度以及功耗，同时降低了生产成本。附图说明图1为本专利技术基于FPGA的嵌入式控制系统的结构示意图；图2为本专利技术FPGA内部功能逻辑框图；图3为还原剂喷量前馈控制系统结构图。具体实施方式下面将结合附图对本专利技术做进一步详细说明。结合图1，图1为本专利技术基于FPGA的嵌入式控制系统的结构示意图。本专利技术的控制系统结构包括电源模块1、信号采集模块2、上位机3、FPGA主控制模块4、执行器驱动模块5，上述模块依次相连。电源模块1主要包括24V电源101、数字地102、通讯地103、传感器参考地104。采集模块2主要包括反应器内温度传感器201、压力传感器202、空气质量传感器203、液位传感器204、催化剂反应前温度传感器205、催化剂反应后温度传感器206、压损传感器207和计量泵208，其中压损传感器是测量还原剂存储罐内压力损耗信息的传感器，计量泵是测量还原剂喷射量的计量设备；上位机由包括环境温度、压力、NOX和NH3浓度、液位、催化剂反应前后温度等传感器信息显示界面以及SCR系统故障诊断信息显示界面；FPGA主控制器模块4包括：FPGA核心板401、第一通讯接口403、第二通讯接口402以及滤波放大电路及其保护电路404；执行器驱动模块5包括冷却电磁阀501、尿素喷射电磁阀502、空气电磁阀503、驱动电路504。电源模块1的功能是为整个控制系统提供能源；信号采集模块2的功能是在控制逻辑电路的控制下，采样所有传感器值，将整个SCR系统工作工程中的物理参数(环境温度、压力、NOX和NH3浓度、液位、催化剂反应前后温度)转化为电信号，之后通过滤波和放大电路404将这些信号传送给FPGA主控制器模块4。计量泵通过CAN总线和控制模块相连，其他传感器经过滤波和放大电路并且经过光耦隔离之后与控制模块相连。FPGA主控制器模块4的功能主要是接受和处理信号采集模块2和上位机3提供的信息，并对信息进行分析综合，利用模型预测控制的策略对还原剂的需求量做出判断，之后将控制指令发送给执行模块5。执行器模块的功能是通过驱动电路驱动电磁阀的开关从而进一步控制还原剂喷量本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种中低速柴油机选择性催化还原系统的FPGA嵌入式控系统，其特征在于：包括电源模块、信号采集模块、计量泵、上位机、FPGA主控制器模块和执行器驱动模块；信号采集模块包括反应器内温度传感器、压力传感器、空气质量传感器、液位传感器、催化剂反应前温度传感器、催化剂反应后温度传感器、压损传感器，信号采集模块用于采集所有传感器的数据，转化为电信号后通过滤波和放大电路传送给FPGA主控制器模块；计量泵测量还原剂喷射量后通过CAN总线传送给FPGA主控制器模块；电源模块为信号采集模块和FPGA主控制器模块供电；FPGA主控制器模块根据接收到的信息，将数据传送给上位机进行显示，同时采用前馈控制方法对接收到的信息进行分析，对还原剂的需求量进行判断，产生PWM信号通过光耦隔离电路后，传送给执行器驱动模块；执行器驱动模块包括驱动电路、冷却液电磁阀、尿素喷射电磁阀和空气电磁阀，驱动电路根据接收到的PWM信号控制冷却液电磁阀、尿素喷射电磁阀和空气电磁阀的开关。

【技术特征摘要】
1.一种中低速柴油机选择性催化还原系统的FPGA嵌入式控系统，其特征在于：包括电源
模块、信号采集模块、计量泵、上位机、FPGA主控制器模块和执行器驱动模块；
信号采集模块包括反应器内温度传感器、压力传感器、空气质量传感器、液位传感器、催
化剂反应前温度传感器、催化剂反应后温度传感器、压损传感器，信号采集模块用于采集所
有传感器的数据，转化为电信号后通过滤波和放大电路传送给FPGA主控制器模块；
计量泵测量还原剂喷射量后通过CAN总线传送给FPGA主控制器模块；
电源模块为信号采集模块和FPGA主控制器模块供电；
FPGA主控制器模块根据接收到的信息，将数据传送给上位机进行显示，同时采用前馈控
制方法对接收到的信息进行分析，对还原剂的需求量进行判断，产生PWM信号通过光耦隔
离电路后，传送给执行器驱动模块；
执行器驱动模块包括驱动电路、冷却液电磁阀、尿素喷射电磁阀和空气电磁阀，驱动电路
根据接收到的PWM信...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘胜，赵劲中，张兰勇，许长魁，
申请(专利权)人：哈尔滨工程大学，
类型：发明
国别省市：黑龙江;23