基于滑膜控制的氨覆盖率非线性观测器设计方法

摘要

本发明公开了一种基于滑膜控制的氨覆盖率非线性观测器设计方法，主要发明内容包括建立简化的两阶尿素SCR系统模型；提出氨覆盖率滑膜观测器设计方法；提出氨覆盖率滑膜观测器稳定性分析过程。本发明提出的两阶尿素SCR系统模型能够大致描述系统动态特性，并且复杂度适合设计氨覆盖率滑膜观测器。本发明提出的氨覆盖率滑膜观测器，在保证稳定性的前提下给出了增益的取值范围，适用于工程应用，并且对瞬态条件下的外界干扰具有更强的鲁棒性。

说明书

技术领域

本发明属于柴油机尿素SCR排放后处理系统参数估计技术领域，具体涉及一种基于滑膜控制的氨覆盖率非线性观测器设计方法。

背景技术

由于其稀燃的特性，柴油机会比汽油机产生更多的NO_x有害气体。随着全世界范围内针对NO_x排放越来越严格的法规出台，多种为降低NO_x的排放后处理系统面世了。这些技术就包括尿素选择性催化还原(SCR)系统。尿素SCR系统工作时则不需额外燃油，而且尿素消耗也相对较低，凭借这些优势，已经在汽车工业界占据一定优势。在我国，目前的实际国情是燃油中硫含量较高，而且许多种排放控制技术推广都受到限制。所以，凭借其对硫的敏感性较低的特性，尿素SCR排放后处理技术在我国的发展更具优势。

尿素SCR技术的基本原理是利用NO_x与氨(NH₃)之间的氧化还原反应，而所用的氨一般都来源于32.5％的尿素溶液(添蓝溶液)。虽然氨能够还原NO_x，但其较高的排放也是对人体有害的，并且有着刺鼻的气味。为实现较高的NO_x转化效率，要有充分的氨作为还原剂；但是，这一点反过来会增加氨的逃逸量，这一矛盾成为了尿素SCR系统研究面临的主要挑战之一。目前更为普遍的共识是，通过改进尿素喷射控制技术达到上述目标，是一种较便捷且经济的方法。一部分尿素喷射反馈控制是基于NO_x传感器的，但NO_x传感器对氨有交叉敏感性。最近，德尔福公司推出了NH₃传感器，但由于其还未被量产，在实际的工业应用中很少用到。这就使得单独的NO_x和NH₃反馈都很难达到理想的控制目的。于是，有学者提出了一种综合的反馈方法，即以氨覆盖率为反馈控制目标。

但是，目前对氨覆盖率的测量只能在实验室环境下完成。尽管针对此问题，有学者已经提出了一些估计方法。但当前的氨覆盖率非线性估计问题，依然面临以下挑战：1、urea-SCR系统模型及氨覆盖率观测器方程过于复杂；2、氨覆盖率观测器的稳定性需求，以及易实施性。3、对瞬态工况变化的抗干扰性。

发明内容

与此同时，一些先进的非线性估计方法也在不断发展，这其中就包括滑膜观测器技术。目前，可以应用到大量非线性系统的控制方法，且对模型误差和未知干扰有鲁棒性的方法之一就是滑膜变结构控制。这种理论基于根据系统状态的改变来改变控制器的结构来达到理想的控制性能。它通过高速率的开关控制法则来迫使系统的状态轨线到达一个人为选择的平面上，并在以后就停留在该平面上。当系统状态轨线停留在该平面上时，系统对参数变化和干扰不敏感。

本发明基于一种简化的尿素SCR系统模型，将NO_x浓度、温度以及废气流量等看作存在测量误差的可观测量，将NH₃浓度看作较为精确的可测量，提出一种基于滑膜控制的氨覆盖率非线性观测器。如图1所示；

一、建立简化的两阶尿素SCR系统模型。

尿素SCR系统单核模型可以由常微分方程表示如下：

上述公式中的参数定义如下：

表1和表2分别显示了模型中所有常量和变量的相关定义及参数名义参考值。

表1常量命名法

表2变量命名法

为了简化氨覆盖率滑膜观测器设计过程，将模型适当简化为：

二、氨覆盖率滑膜观测器设计。

在一个被稳定控制的尿素SCR系统中，氨逃逸往往被限制在一个很低的水平。氨的浓度会很低，而且在限制以下缓慢变化，可以假设因此，由公式(3)可以得到如下关系：

选取方程转换为如下非线性自治系统：

由此，设计的氨覆盖率滑膜观测器如下：

其中，

三、氨覆盖率滑膜观测器稳定性分析

设由公式(5)和(6)可得到估计误差的动态方程如下：

设Lyapunov函数对其求导可得：

分为以下四种情况对的取值进行讨论：

1)、当时，增益满足范围：

可保证即能够保证氨覆盖率滑膜观测器误差收敛到0；

2)、当时，增益满足范围：

可保证即能够保证氨覆盖率滑膜观测器误差收敛到0；

3)、当时，增益满足范围：

可保证即能够保证氨覆盖率滑膜观测器误差收敛到0；

4)、当时，增益满足范围：

k＞0，(13)

可保证即能够保证氨覆盖率滑膜观测器误差收敛到0；

综上所述，增益满足范围：

可保证即能够保证氨覆盖率滑膜观测器误差收敛到0。

本发明的有益效果：

1、两阶尿素SCR系统模型能够大致描述系统动态特性，并且复杂度适合设计氨覆盖率滑膜观测器。

2、提出的氨覆盖率滑膜观测器构造简单，在保证稳定性的前提下给出了滑膜增益的取值范围，适用于工程应用。

3、提出的氨覆盖率滑膜观测器，对瞬态条件下的外界干扰具有更强的鲁棒性。

附图说明

图1是基于滑膜控制的氨覆盖率非线性观测器设计技术路线图。

图2是ETC循环下氨氨覆盖率滑膜观测器的控制效果。

图3是ETC循环下估计误差。

具体实施方式

本发明所述的基于滑膜控制的氨覆盖率非线性观测器设计方法，包括以下步骤：

1、建立简化的两阶尿素SCR系统模型；

2、氨覆盖率滑膜观测器设计；

3、氨覆盖率滑膜观测器稳定性分析。

本发明所述的基于滑膜控制的氨覆盖率非线性观测器设计方法研究，是基于软件仿真平台的。仿真软件系统由Matlab/Simulink和enDYNA高保真发动机模型软件组成。其中enDYNA软件是德国Teisis公司开发的一款商用发动机精确模型软件。选择欧洲瞬态测试循环(ETC)前400秒工况，对所设计的氨覆盖率滑膜观测器的有效性进行验证。

如图2和图3所示。研究所提出的氨覆盖率滑膜观测器在真实值阶跃变化的情况下，能够基本达到较好的估计效果。平均误差率在1.5％以下，最高误差率不超过7％。当工况条件急剧变化时，估计误差峰值也会偶尔出现较大波动，但也在可接受范围以内。由此，研究所提出的氨覆盖率滑膜观测器具有较好的估计效果，并且对瞬态条件下的外界干扰具有更强的鲁棒性。