一种柴油机SCR系统氨气输入传感器故障诊断和容错控制方法技术方案

本发明专利技术公开了一种柴油机SCR系统氨气输入传感器故障诊断和容错控制方法，所述方法首先设置NH3输入浓度阈值和时间阈值，NH3输入浓度传感器测量的NH3输入浓度测量值输送至NH3传感器故障诊断模块，NH3输入浓度估计模块估算NH3输入浓度估计值输送至NH3传感器故障诊断模块；NH3传感器故障诊断模块根据接收到的信号计算NH3输入浓度残差，通过与输入浓度阈值和时间阈值的比较，判断NH3输入传感器工作状态，并给出最终的NH3输入浓度实际值。本发明专利技术采用自适应无迹卡尔曼滤波算法，能够在线计算出噪声的协方差，对复杂环境条件有很好的适应性；并且降低了计算的负荷，使响应速度更快，实现了在线对SCR系统传感器进行故障诊断，并能够更好地进行容错控制。

Fault diagnosis and fault tolerant control method for ammonia input sensor of diesel engine SCR system

The invention discloses a method for ammonia input sensor fault diagnosis and fault tolerant control system of SCR diesel engine, the first set NH3 input threshold concentration and time threshold, NH3 input NH3 input concentration measurement sensor to measure the value delivered to the NH3 sensor fault diagnosis module, NH3 input concentration estimation module estimates the NH3 input concentration estimates transfer to the NH3 sensor fault diagnosis module; NH3 sensor fault diagnosis module to calculate the residual concentration of NH3 input based on the received signal, by comparing the input threshold and the threshold concentration and time, determine the NH3 input sensor working state, and the concentration of NH3 input gives the final actual value. The invention adopts adaptive unscented Calman filtering algorithm, can be estimated by the noise covariance, have good adaptability to the complex environmental conditions; and reduces the computational load, the quicker response speed, realizes the fault diagnosis of the sensors in the SCR system online, and can better fault-tolerant control.

【技术实现步骤摘要】
一种柴油机SCR系统氨气输入传感器故障诊断和容错控制方法
本专利技术涉及一种故障诊断和容错控制方法，特别适用于中重型柴油机尾气后处理SCR系统中对NH3输入传感器的故障诊断和容错控制。
技术介绍
近十几年来，柴油机由于其较高的热效率和良好的燃油经济性，从而在中重型车辆发动机中占据着主导的地位，引起了很多研究者的关注。但是，柴油机尾气中氮氧化物(NOx，x＝1,2，后同)和颗粒物(PM)的含量过高，随着人们环保意识的增强和车辆排放法规的日益严格，柴油机在尾气处理方面面临着巨大的压力。为此国内专家通过考虑现阶段我国国情，经过多次权衡论证，基本确立了以SCR路线为主的柴油机尾气后处理技术路线。SCR系统被广泛应用于柴油机中来减少NOx的排放，被认为是最具有前途的去除氮氧化物的一种尾气后处理技术。SCR(SelectiveCatalyticReduction)主要就是一种选择催化还原技术，在SCR装置入口端喷入尿素，利用尿素水解出的氨气将NOx还原为对大气无污染的氮气和水。在SCR系统中，NH3的输入浓度被认为是SCR系统控制中重要的状态参数，所以获得NH3的输入浓度信息对控制算法的设计至关重要。实际应用中输入浓度测量一般都是借助于物理传感器，实时测量传入给控制单元。但是传感器作为一种精细的装置，是整个SCR系统中最易发生故障的部件。此外柴油机在工作状态时会经常产生剧烈的振动，在这种恶劣的工作环境下传感器也极其容易发生故障。因此这就需要一种合适的SCR系统NH3传感器故障诊断和容错控制方法来及时发现传感器的故障，并做出迅速的反应。
技术实现思路
针对上述问题，本专利技术提供一种柴油机SCR系统输入NH3传感器故障诊断和容错控制方法，所述方法能够准确诊断SCR系统NH3输入传感器是否发生故障，并且当诊断故障发生后，能够实施NH3输入传感器故障容错控制。所述的柴油机SCR系统输入NH3传感器故障诊断和容错控制方法，包括以下步骤：第一步，设置柴油机SCR系统NH3输入传感器故障诊断和容错控制系统，所述的控制系统包括NH3输入浓度传感器、NH3输入浓度估计模块、NH3传感器故障诊断模块和容错控制模块，所述的NH3输入浓度传感器和NH3输入浓度估计模块分别通过线缆接入NH3传感器故障诊断模块，NH3传感器故障诊断模块通过线缆接入容错控制模块。第二步，根据SCR系统参数，设置NH3输入浓度阈值Δδ(T)和时间阈值T(T)；第三步，NH3输入浓度传感器测量NH3输入浓度测量值δ0，并将NH3输入浓度测量值δ0的信号输送至NH3传感器故障诊断模块；NH3输入浓度估计模块估算NH3输入浓度估计值并将NH3输入浓度估计值的信号输送至NH3传感器故障诊断模块；NH3传感器故障诊断模块根据接收到的信号计算NH3输入浓度残差Δδ，计算公式如下：第四步，比较NH3输入浓度残差Δδ和NH3输入浓度阈值Δδ(T)，若Δδ≤Δδ(T),则进入第五步；若Δδ>Δδ(T)，则继续测量NH3输入浓度残差Δδ大于NH3输入浓度阈值Δδ(T)持续的时间T1，若T1<T(T),则进入第五步；否则进入第六步；第五步，NH3传感器故障诊断模块确定NH3输入传感器正常，并将NH3输入浓度测量值δ0和NH3输入浓度估计值输送至SCR系统容错控制模块，容错控制模块输出最终的NH3输入浓度实际值第六步，NH3传感器故障诊断模块确定NH3输入传感器发生故障，并将NH3输入浓度测量值δ0和NH3输入浓度估计值输送至SCR系统容错控制模块，容错控制模块将NH3输入浓度估计值作为最终的NH3输入浓度实际值，并发出传感器故障警报，停止诊断。本专利技术的优点在于：1、本专利技术在无迹卡尔曼滤波的基础上加入了自适应算法，能够在线计算出噪声的协方差，对复杂环境条件有很好的适应性。2、采用的自适应无迹卡尔曼滤波估算方法降低了计算的负荷，使响应速度更快，实现了在线对SCR系统传感器进行故障诊断，并能够更好地进行容错控制。3、本专利技术可以广泛应用于柴油机SCR系统NH3输入传感器故障诊断中。附图说明图1是SCR系统及相应传感器示意图；图2是本专利技术的NH3输入传感器实时在线故障诊断和容错控制过程示意图。具体实施方式下面结合附图对本专利技术进行详细的描述。如图1所示，本专利技术提供一种柴油机SCR系统NH3输入传感器故障诊断和容错控制方法，所述的柴油机SCR系统中，在SCR装置的输入管路上设置有NH3输入浓度传感器和NOx输入浓度传感器，分别用于检测NH3输入浓度和输入尾气中NOx浓度；在SCR装置的输出管路上设置有NH3输出浓度传感器和NOx输出浓度传感器，分别用于检测NH3输出浓度和NOx输出浓度。本专利技术旨在对所述的NH3输入浓度传感器进行故障诊断并进行容错控制。如图2所示流程，本专利技术提供的一种柴油机SCR系统NH3输入传感器故障诊断和容错控制方法，包括以下步骤：第一步，设置柴油机SCR系统输入NH3传感器故障诊断系统，其包括NH3输入浓度传感器、NH3输入浓度估计模块、NH3传感器故障诊断模块和容错控制模块；第二步，根据SCR系统参数，设置NH3输入浓度阈值Δδ(T)和时间阈值T(T)；第三步，NH3输入传感器测量NH3输入浓度测量值δ0，并将NH3输入浓度测量值δ0的信号输送至NH3传感器故障诊断模块；NH3输入浓度估计模块估算NH3输入浓度估计值并将NH3输入浓度估计值的信号输送至NH3传感器故障诊断模块；NH3传感器故障诊断模块根据接收到的信号计算NH3输入浓度残差Δδ，计算公式如下：其中，NH3输入浓度估计值的计算方法如下：(1)根据SCR系统内化学反应，及摩尔守恒和质量守恒建立状态空间模型，其中，rm为反应速率，m＝ad，de，ox，re；ad代表氨气吸附过程反应速率；de代表氨气解吸附过程反应速率；ox代表氨气氧化反应速率；re代表氨气还原NOx反应速率；Km表示相应反应过程的反应系数，Em表示相应反应过程的化学反应活化能，R表示反应常数，T表示温度；CNO和分别是NOx和氨气的浓度；表示氨气入口的输入浓度，CNO,in表示柴油机排出尾气中NOx的浓度，即SCR系统NOx的输入浓度；是SCR装置内的氨气覆盖率；F是尾气流速；V是SCR装置的体积；和分别为氮氧化物浓度的变化率、氨气浓度的变化率和SCR罐内氨气的覆盖率的变化率。(2)将状态空间模型与自适应无迹卡尔曼滤波(AUKF)方程结合起来。UKF估计状态一般分为两步，包括预测和更新。非线性系统的UKF方程一般表示如下：x(k)＝f[x(k-1),u(k)]+w(k)(2)z(k)＝h[x(k)]+v(k)，(3)方程(2)是预测方程。x(k)代表状态向量，u(k)是输入向量，w(k)代表高斯过程噪声,f()是预测函数。方程(3)是更新方程，也叫观测方程，它包括观测向量z(k)，观测函数h(x)和高斯观测噪声v(k)。其中预测过程包括以下几个步骤：a)构造sigma点在k-1步，根据随机状态变量x的统计量和协方差Pk-1构造sigma点集。其中λ是第一个尺度参数，λ＝α2(nx+q)-nx。nx为状态空间维数，在本专利技术中是3。q是第二个尺度参数，一般取0或者3-nx。α设定为一个很小的常数，在本专利技术中取0.001。b)对sigm本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种柴油机SCR系统氨气输入传感器故障诊断和容错控制方法，其特征在于：包括以下步骤：第一步，设置柴油机SCR系统NH3输入传感器故障诊断和容错控制系统，所述的控制系统包括NH3输入浓度传感器、NH3输入浓度估计模块、NH3传感器故障诊断模块和容错控制模块，所述的NH3输入浓度传感器和NH3输入浓度估计模块分别通过线缆接入NH3传感器故障诊断模块，NH3传感器故障诊断模块通过线缆接入容错控制模块；第二步，根据SCR系统参数，设置NH3输入浓度阈值Δδ(T)和时间阈值T(T)；第三步，NH3输入浓度传感器测量NH3输入浓度测量值δ0，并将NH3输入浓度测量值δ0的信号输送至NH3传感器故障诊断模块；NH3输入浓度估计模块估算NH3输入浓度估计值

【技术特征摘要】
1.一种柴油机SCR系统氨气输入传感器故障诊断和容错控制方法，其特征在于：包括以下步骤：第一步，设置柴油机SCR系统NH3输入传感器故障诊断和容错控制系统，所述的控制系统包括NH3输入浓度传感器、NH3输入浓度估计模块、NH3传感器故障诊断模块和容错控制模块，所述的NH3输入浓度传感器和NH3输入浓度估计模块分别通过线缆接入NH3传感器故障诊断模块，NH3传感器故障诊断模块通过线缆接入容错控制模块；第二步，根据SCR系统参数，设置NH3输入浓度阈值Δδ(T)和时间阈值T(T)；第三步，NH3输入浓度传感器测量NH3输入浓度测量值δ0，并将NH3输入浓度测量值δ0的信号输送至NH3传感器故障诊断模块；NH3输入浓度估计模块估算NH3输入浓度估计值并将NH3输入浓度估计值的信号输送至NH3传感器故障诊断模块；NH3传感器故障诊断模块根据接收到的信号计算NH3输入浓度残差Δδ，计算公式如下：第四步，比较NH3输入浓度残差Δδ和NH3输入浓度阈值Δδ(T)，若Δδ≤Δδ(T),则进入第五步；若Δδ>Δδ(T)，则继续测量NH3输入浓度残差Δδ大于NH3输入浓度阈值Δδ(T)持续的时间T1，若T1<T(T)，则进入第五步；否则进入第六步；第五步，NH3传感器故障诊断模块确定NH3输入传感器正常，并将NH3输入浓度测量值δ0和NH3输入浓度估计值输送至SCR系统容错控制模块，容错控制模块输出最终的NH3输入浓度实际值第六步，NH3传感器故障诊断模块确定NH3输入传感器发生故障，并将NH3输入浓度测量值δ0和NH3输入浓度估计值输送至SCR系统容错控制模块，容错控制模块将NH3输入浓度估计值作为最终的NH3输入浓度实际值，并发出传感器故障警报，停止诊断。2.根据权利要求1所述的一种柴油机SCR系统氨气输入传感器故障诊断和容错控制方法，其特征在于：第三步中所述的NH3输入浓度估计值的计算方法如下：(1)根据SCR系统内化学反应，及摩尔守恒和质量守恒建立状态空间模型，其中，rm为反应速率，m＝ad，de，ox，re；ad代表氨气吸附过程反应速率；de代表氨气解吸附过程反应速率；ox代表氨气氧化反应速率；re代表氨气还原NOx反应速率；Km表示相应反应过程的反应系数，Em表示相应反应过程的化学反应活化能，R表示反应常数，T表示温度；CNO和分别是NOx和氨气的浓度；表示氨气入口的输入浓度，CNO,in表示柴油机排出尾气中NOx的浓度，即SCR系统NOx的输入浓度；是SCR装置内的氨气覆盖率；F是尾气流速；V是SCR装置的体积；和分别为氮氧化物浓度的变化率、氨气浓度的变化率和SCR罐内氨气的...

【专利技术属性】
技术研发人员：蒋楷，张辉，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：北京,11