本發(fā)明屬于柴油機(jī)尿素SCR排放后處理系統(tǒng)參數(shù)估計(jì)技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于滑膜控制的氨覆蓋率非線性觀測(cè)器設(shè)計(jì)方法。

背景技術(shù)：

由于其稀燃的特性，柴油機(jī)會(huì)比汽油機(jī)產(chǎn)生更多的NO_x有害氣體。隨著全世界范圍內(nèi)針對(duì)NO_x排放越來越嚴(yán)格的法規(guī)出臺(tái)，多種為降低NO_x的排放后處理系統(tǒng)面世了。這些技術(shù)就包括尿素選擇性催化還原(SCR)系統(tǒng)。尿素SCR系統(tǒng)工作時(shí)則不需額外燃油，而且尿素消耗也相對(duì)較低，憑借這些優(yōu)勢(shì)，已經(jīng)在汽車工業(yè)界占據(jù)一定優(yōu)勢(shì)。在我國(guó)，目前的實(shí)際國(guó)情是燃油中硫含量較高，而且許多種排放控制技術(shù)推廣都受到限制。所以，憑借其對(duì)硫的敏感性較低的特性，尿素SCR排放后處理技術(shù)在我國(guó)的發(fā)展更具優(yōu)勢(shì)。

尿素SCR技術(shù)的基本原理是利用NO_x與氨(NH₃)之間的氧化還原反應(yīng)，而所用的氨一般都來源于32.5％的尿素溶液(添藍(lán)溶液)。雖然氨能夠還原NO_x，但其較高的排放也是對(duì)人體有害的，并且有著刺鼻的氣味。為實(shí)現(xiàn)較高的NO_x轉(zhuǎn)化效率，要有充分的氨作為還原劑；但是，這一點(diǎn)反過來會(huì)增加氨的逃逸量，這一矛盾成為了尿素SCR系統(tǒng)研究面臨的主要挑戰(zhàn)之一。目前更為普遍的共識(shí)是，通過改進(jìn)尿素噴射控制技術(shù)達(dá)到上述目標(biāo)，是一種較便捷且經(jīng)濟(jì)的方法。一部分尿素噴射反饋控制是基于NO_x傳感器的，但NO_x傳感器對(duì)氨有交叉敏感性。最近，德爾福公司推出了NH₃傳感器，但由于其還未被量產(chǎn)，在實(shí)際的工業(yè)應(yīng)用中很少用到。這就使得單獨(dú)的NO_x和NH₃反饋都很難達(dá)到理想的控制目的。于是，有學(xué)者提出了一種綜合的反饋方法，即以氨覆蓋率為反饋控制目標(biāo)。

但是，目前對(duì)氨覆蓋率的測(cè)量只能在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下完成。盡管針對(duì)此問題，有學(xué)者已經(jīng)提出了一些估計(jì)方法。但當(dāng)前的氨覆蓋率非線性估計(jì)問題，依然面臨以下挑戰(zhàn)：1、urea-SCR系統(tǒng)模型及氨覆蓋率觀測(cè)器方程過于復(fù)雜；2、氨覆蓋率觀測(cè)器的穩(wěn)定性需求，以及易實(shí)施性。3、對(duì)瞬態(tài)工況變化的抗干擾性。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

與此同時(shí)，一些先進(jìn)的非線性估計(jì)方法也在不斷發(fā)展，這其中就包括滑膜觀測(cè)器技術(shù)。目前，可以應(yīng)用到大量非線性系統(tǒng)的控制方法，且對(duì)模型誤差和未知干擾有魯棒性的方法之一就是滑膜變結(jié)構(gòu)控制。這種理論基于根據(jù)系統(tǒng)狀態(tài)的改變來改變控制器的結(jié)構(gòu)來達(dá)到理想的控制性能。它通過高速率的開關(guān)控制法則來迫使系統(tǒng)的狀態(tài)軌線到達(dá)一個(gè)人為選擇的平面上，并在以后就停留在該平面上。當(dāng)系統(tǒng)狀態(tài)軌線停留在該平面上時(shí)，系統(tǒng)對(duì)參數(shù)變化和干擾不敏感。

本發(fā)明基于一種簡(jiǎn)化的尿素SCR系統(tǒng)模型，將NO_x濃度、溫度以及廢氣流量等看作存在測(cè)量誤差的可觀測(cè)量，將NH₃濃度看作較為精確的可測(cè)量，提出一種基于滑膜控制的氨覆蓋率非線性觀測(cè)器。如圖1所示；

一、建立簡(jiǎn)化的兩階尿素SCR系統(tǒng)模型。

尿素SCR系統(tǒng)單核模型可以由常微分方程表示如下：

上述公式中的參數(shù)定義如下：

表1和表2分別顯示了模型中所有常量和變量的相關(guān)定義及參數(shù)名義參考值。

表1常量命名法

表2變量命名法

為了簡(jiǎn)化氨覆蓋率滑膜觀測(cè)器設(shè)計(jì)過程，將模型適當(dāng)簡(jiǎn)化為：

二、氨覆蓋率滑膜觀測(cè)器設(shè)計(jì)。

在一個(gè)被穩(wěn)定控制的尿素SCR系統(tǒng)中，氨逃逸往往被限制在一個(gè)很低的水平。氨的濃度會(huì)很低，而且在限制以下緩慢變化，可以假設(shè)因此，由公式(3)可以得到如下關(guān)系：

選取方程轉(zhuǎn)換為如下非線性自治系統(tǒng)：

由此，設(shè)計(jì)的氨覆蓋率滑膜觀測(cè)器如下：

其中，

三、氨覆蓋率滑膜觀測(cè)器穩(wěn)定性分析

設(shè)由公式(5)和(6)可得到估計(jì)誤差的動(dòng)態(tài)方程如下：

設(shè)Lyapunov函數(shù)對(duì)其求導(dǎo)可得：

分為以下四種情況對(duì)的取值進(jìn)行討論：

1)、當(dāng)時(shí)，增益滿足范圍：

可保證即能夠保證氨覆蓋率滑膜觀測(cè)器誤差收斂到0；

2)、當(dāng)時(shí)，增益滿足范圍：

可保證即能夠保證氨覆蓋率滑膜觀測(cè)器誤差收斂到0；

3)、當(dāng)時(shí)，增益滿足范圍：

可保證即能夠保證氨覆蓋率滑膜觀測(cè)器誤差收斂到0；

4)、當(dāng)時(shí)，增益滿足范圍：

k＞0， (13)

可保證即能夠保證氨覆蓋率滑膜觀測(cè)器誤差收斂到0；

綜上所述，增益滿足范圍：

可保證即能夠保證氨覆蓋率滑膜觀測(cè)器誤差收斂到0。

本發(fā)明的有益效果：

1、兩階尿素SCR系統(tǒng)模型能夠大致描述系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性，并且復(fù)雜度適合設(shè)計(jì)氨覆蓋率滑膜觀測(cè)器。

2、提出的氨覆蓋率滑膜觀測(cè)器構(gòu)造簡(jiǎn)單，在保證穩(wěn)定性的前提下給出了滑膜增益的取值范圍，適用于工程應(yīng)用。

3、提出的氨覆蓋率滑膜觀測(cè)器，對(duì)瞬態(tài)條件下的外界干擾具有更強(qiáng)的魯棒性。

附圖說明

圖1是基于滑膜控制的氨覆蓋率非線性觀測(cè)器設(shè)計(jì)技術(shù)路線圖。

圖2是ETC循環(huán)下氨氨覆蓋率滑膜觀測(cè)器的控制效果。

圖3是ETC循環(huán)下估計(jì)誤差。

具體實(shí)施方式

本發(fā)明所述的基于滑膜控制的氨覆蓋率非線性觀測(cè)器設(shè)計(jì)方法，包括以下步驟：

1、建立簡(jiǎn)化的兩階尿素SCR系統(tǒng)模型；

2、氨覆蓋率滑膜觀測(cè)器設(shè)計(jì)；

3、氨覆蓋率滑膜觀測(cè)器穩(wěn)定性分析。

本發(fā)明所述的基于滑膜控制的氨覆蓋率非線性觀測(cè)器設(shè)計(jì)方法研究，是基于軟件仿真平臺(tái)的。仿真軟件系統(tǒng)由Matlab/Simulink和enDYNA高保真發(fā)動(dòng)機(jī)模型軟件組成。其中enDYNA軟件是德國(guó)Teisis公司開發(fā)的一款商用發(fā)動(dòng)機(jī)精確模型軟件。選擇歐洲瞬態(tài)測(cè)試循環(huán)(ETC)前400秒工況，對(duì)所設(shè)計(jì)的氨覆蓋率滑膜觀測(cè)器的有效性進(jìn)行驗(yàn)證。

如圖2和圖3所示。研究所提出的氨覆蓋率滑膜觀測(cè)器在真實(shí)值階躍變化的情況下，能夠基本達(dá)到較好的估計(jì)效果。平均誤差率在1.5％以下，最高誤差率不超過7％。當(dāng)工況條件急劇變化時(shí)，估計(jì)誤差峰值也會(huì)偶爾出現(xiàn)較大波動(dòng)，但也在可接受范圍以內(nèi)。由此，研究所提出的氨覆蓋率滑膜觀測(cè)器具有較好的估計(jì)效果，并且對(duì)瞬態(tài)條件下的外界干擾具有更強(qiáng)的魯棒性。