柴油機(jī)Urea-SCR裝置非線性自抗擾控制系統(tǒng)研究

劉丙善, 呂林, 張仁敏

(武漢理工大學(xué) 高性能船舶技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430063)

柴油機(jī)Urea-SCR裝置非線性自抗擾控制系統(tǒng)研究

劉丙善, 呂林, 張仁敏

(武漢理工大學(xué) 高性能船舶技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430063)

針對(duì)柴油機(jī)SCR裝置現(xiàn)有控制系統(tǒng)精度低和動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能差引起NOx排放超標(biāo)的問(wèn)題，本文依據(jù)非線性自抗擾控制理論，采用快速跟蹤微分器和非線性組合提高SCR控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能，將控制系統(tǒng)所處的內(nèi)外擾動(dòng)歸結(jié)為“總和擾動(dòng)”，并利用擴(kuò)張狀態(tài)觀測(cè)器估計(jì)和補(bǔ)償總和擾動(dòng)作用。研究結(jié)果表明：基于非線性自抗擾控制技術(shù)的SCR裝置控制系統(tǒng)具有良好的擾動(dòng)抑制能力和動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能，可以有效地避免柴油機(jī)NOx排放超標(biāo)，能夠支撐現(xiàn)階段的國(guó)五排放型式認(rèn)證，并對(duì)國(guó)六階段SCR裝置控制方案開(kāi)發(fā)提供重要的指導(dǎo)作用。

非線性；自抗擾控制器；選擇性催化還原；柴油機(jī)；氮氧化物；排放；故障診斷

Urea-SCR裝置自歐Ⅳ階段開(kāi)始逐漸發(fā)展為降低柴油機(jī)NOx排放量的主流裝備[1-5]。柴油機(jī)排放法規(guī)持續(xù)升級(jí)對(duì)NOx轉(zhuǎn)化效率和排放量控制準(zhǔn)確性的要求逐步提高[6-8]，促使SCR裝置控制系統(tǒng)成為重要的研究課題。

Urea-SCR系統(tǒng)為大時(shí)滯對(duì)象且具有擾動(dòng)多樣的特征，在解決其控制問(wèn)題上，現(xiàn)有控制技術(shù)遇到瓶頸，而非線性自抗擾控制技術(shù)(nonlinear active disturbance rejection control，NADRC)表現(xiàn)出較好的綜合控制品質(zhì)。

1 SCR裝置控制系統(tǒng)的性能需求

車(chē)用柴油機(jī)排放水平正處于國(guó)四階段向國(guó)五階段過(guò)渡的時(shí)期，國(guó)六排放標(biāo)準(zhǔn)也即將正式出臺(tái)，匹配Urea-SCR裝置將作為柴油機(jī)應(yīng)對(duì)當(dāng)前排放要求和排放升級(jí)的共用技術(shù)平臺(tái)。典型的車(chē)載Urea-SCR裝置主要由添藍(lán)(32.5%質(zhì)量濃度的尿素水溶液，用于產(chǎn)生還原劑-NH3)加注模塊、催化器模塊和控制診斷模塊構(gòu)成(見(jiàn)圖1)。

添藍(lán)加注模塊為控制量(添藍(lán)流量)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)添藍(lán)的計(jì)量、輸送及加注；催化器模塊為NH3與NOx的催化還原反應(yīng)提供場(chǎng)所及催化作用；控制診斷模塊為中央控制單元，集成了添藍(lán)流量控制和故障診斷(on board diagnostics，OBD)功能。

圖1 典型車(chē)載Urea-SCR裝置工作原理示意Fig.1 Schematic diagram of Urea-SCR devices on vehicles

1.1 車(chē)用柴油機(jī)排放標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)態(tài)

GB17691-2005《車(chē)用壓燃式、氣體燃料點(diǎn)燃式發(fā)動(dòng)機(jī)與汽車(chē)排氣污染物排放限值及測(cè)量方法(中國(guó)Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ階段)》規(guī)定，國(guó)五柴油機(jī)排放型式認(rèn)證基于歐洲穩(wěn)態(tài)測(cè)試循環(huán)(European steady cycle，ESC)和歐洲瞬態(tài)測(cè)試循環(huán)(European transient cycle，ETC)進(jìn)行[6]，相應(yīng)的NOx排放限值示于表1。車(chē)用柴油機(jī)國(guó)六排放標(biāo)準(zhǔn)雖然尚未正式出臺(tái)，但將與歐Ⅵ(見(jiàn)表1)接近[7]，測(cè)試循環(huán)也將采用世界統(tǒng)一穩(wěn)態(tài)試驗(yàn)循環(huán)(world harmonized steady-state cycle，WHSC)代替ESC循環(huán)，采用世界統(tǒng)一瞬態(tài)試驗(yàn)循環(huán)(world harmonized transient cycle，WHTC)取代ETC循環(huán)，NOx排放許可限值預(yù)計(jì)設(shè)定在0.4～0.5 g/(kw·h)。

表1 車(chē)用柴油機(jī)排放測(cè)試循環(huán)與NOx排放限值

Table 1 Emission type approval cycles and NOxthresholds for truck diesel engines g·(kw·h)-1

測(cè)試循環(huán)NOx排放限值國(guó)五階段ESCETC2.002.00歐Ⅵ階段WHSCWHTC0.400.46

目前，部分國(guó)五柴油機(jī)在實(shí)際應(yīng)用中發(fā)生NOx排放超標(biāo)的問(wèn)題，激活扭矩限制器的行為嚴(yán)重地影響了車(chē)輛的正常使用[8]。本文研究發(fā)現(xiàn)，車(chē)輛運(yùn)營(yíng)期間時(shí)常存在多方面的擾動(dòng)因素，SCR裝置控制系統(tǒng)抑制擾動(dòng)能力不足是造成NOx超標(biāo)的主要原因[9]。

另一方面，根據(jù)柴油機(jī)傳統(tǒng)燃燒技術(shù)的研究現(xiàn)狀，難以通過(guò)燃燒優(yōu)化使機(jī)內(nèi)NOx排放降至3.5 g/(kw·h)以下，意味著在國(guó)六階段90%以上的NOx需要借助SCR裝置來(lái)進(jìn)行處理。此外，國(guó)六階段排放認(rèn)證循環(huán)將向低溫區(qū)域偏移，催化還原反應(yīng)的速率必將受到壓制，因此SCR控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)能力面臨新的需求。

綜上，解決SCR裝置在車(chē)用柴油機(jī)上的可靠應(yīng)用問(wèn)題，需要提高其控制系統(tǒng)抑制擾動(dòng)的能力和動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能。

1.2 對(duì)象的多元可變阻容特性

本文針對(duì)多套Urea-SCR裝置進(jìn)行應(yīng)用研究發(fā)現(xiàn)，對(duì)象控制輸入(添藍(lán)流量)的改變與被控輸出(催化器下游的NOx濃度)的變化之間存在典型特征。以某臺(tái)4.7 L柴油機(jī)及其SCR裝置為例，在柴油機(jī)工況充分穩(wěn)定時(shí)，對(duì)象的被控輸出隨著控制輸入的變化呈現(xiàn)出類(lèi)似阻容特性曲線的特征(見(jiàn)圖2)，且被控輸出的變化相對(duì)控制輸入的改變存在明顯的滯后(圖2中約滯后6 s)。進(jìn)一步研究表明，“阻”和“容”的大小與排氣溫度、空速和添藍(lán)流量等因素有關(guān)，可見(jiàn)Urea-SCR裝置的數(shù)學(xué)模型具有不確定性。

根據(jù)上述類(lèi)似阻容曲線的試驗(yàn)現(xiàn)象，可使用帶純時(shí)滯的一階慣性環(huán)節(jié)作為Urea-SCR裝置數(shù)學(xué)模型的一般形式。依據(jù)圖2數(shù)據(jù)進(jìn)行模型參數(shù)辨識(shí)發(fā)現(xiàn)，時(shí)滯τ=6 s，而時(shí)間常數(shù)T=8.7 ms，即τ/T=689.7，可見(jiàn)Urea-SCR裝置為大時(shí)滯對(duì)象[10]。

圖2 SCR裝置控制輸入與被控輸出的關(guān)系曲線Fig.2 Control input vs. output for the SCR device

1.3 現(xiàn)有控制技術(shù)遇到的問(wèn)題

鑒于SCR裝置的數(shù)學(xué)模型具有不確定性，自適應(yīng)控制技術(shù)在該裝置上得到應(yīng)用嘗試，然而模型參數(shù)的準(zhǔn)確估計(jì)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)工況提出過(guò)于苛刻的要求，因此在實(shí)際應(yīng)用中存在局限性[11]。經(jīng)典PID控制雖然不依賴(lài)對(duì)象的精確模型，但由于信號(hào)處理簡(jiǎn)單和微分反饋難以發(fā)揮作用，在NOx高度轉(zhuǎn)化和準(zhǔn)確控制問(wèn)題上出現(xiàn)矛盾[11]。開(kāi)環(huán)控制可以針對(duì)已知擾動(dòng)建立補(bǔ)償機(jī)制，成為當(dāng)前車(chē)用柴油機(jī)SCR裝置主流的控制模式，但對(duì)未知擾動(dòng)和不可建模因素帶來(lái)的影響無(wú)能為力，在排放升級(jí)的驅(qū)使下，以復(fù)雜控制模型和繁瑣標(biāo)定程序?yàn)榇鷥r(jià)的開(kāi)環(huán)控制模式正走入困境。

2 非線性自抗擾控制技術(shù)的可行性

反饋控制是提高SCR裝置NOx控制準(zhǔn)確性和轉(zhuǎn)化效率的重要途徑。經(jīng)典PID控制存在信號(hào)處理過(guò)于簡(jiǎn)單的問(wèn)題，基于對(duì)象精確模型的技術(shù)舍棄了PID控制的最大優(yōu)點(diǎn)。非線性自抗擾控制技術(shù)繼承了“采用對(duì)象控制目標(biāo)與被控輸出之間的誤差來(lái)決定控制策略”的過(guò)程控制思想，吸納了現(xiàn)代數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)，開(kāi)發(fā)了狀態(tài)誤差反饋信號(hào)的非線性組合方式，克服了經(jīng)典PID控制應(yīng)用于時(shí)滯對(duì)象的缺陷。

2.1 非線性自抗擾控制器的框架結(jié)構(gòu)

自抗擾控制技術(shù)考慮的外部擾動(dòng)為影響被控輸出且與系統(tǒng)狀態(tài)無(wú)關(guān)的干擾因素，內(nèi)部擾動(dòng)則為影響系統(tǒng)被控輸出且與系統(tǒng)狀態(tài)有關(guān)的不確定性。自抗擾控制以積分器串聯(lián)型線性系統(tǒng)為標(biāo)準(zhǔn)型，將被控對(duì)象中不同于標(biāo)準(zhǔn)型部分的影響擴(kuò)張為新的狀態(tài)變量，并構(gòu)造擴(kuò)張狀態(tài)觀測(cè)器予以實(shí)時(shí)地估計(jì)與補(bǔ)償，從而將被控對(duì)象轉(zhuǎn)化為標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)，針對(duì)標(biāo)準(zhǔn)型設(shè)計(jì)誤差反饋控制率。以二階非線性對(duì)象為例，其非線性自抗擾控制器的基本框架結(jié)構(gòu)示于圖3。

圖3 二階對(duì)象的非線性自抗擾控制器結(jié)構(gòu)Fig.3 Layout of NADRC for a second-order object

非線性自抗擾控制器主要由對(duì)象控制目標(biāo)的過(guò)渡過(guò)程、擴(kuò)張狀態(tài)觀測(cè)器和狀態(tài)誤差反饋增益的非線性組合三個(gè)模塊組成。通過(guò)為對(duì)象控制目標(biāo)合理安排過(guò)渡過(guò)程(v1)解決時(shí)滯對(duì)象反饋控制中原始誤差的產(chǎn)生問(wèn)題，并給出過(guò)渡過(guò)程的微分信號(hào)(v2)；擴(kuò)張狀態(tài)觀測(cè)器用于估計(jì)原系統(tǒng)的狀態(tài)變量(z1和z2)以及擴(kuò)張的狀態(tài)變量(z3)，通過(guò)特定的反饋率對(duì)總和擾動(dòng)作用進(jìn)行補(bǔ)償；誤差反饋信號(hào)的非線性組合用于提高控制系統(tǒng)的靈敏性并降低超調(diào)的風(fēng)險(xiǎn)。

2.2 大時(shí)滯對(duì)象控制的處理方式

在自抗擾控制技術(shù)應(yīng)用于時(shí)滯對(duì)象的情況下，時(shí)滯環(huán)節(jié)存在四種近似處理方法，即無(wú)視時(shí)滯法、提高階次法、輸出預(yù)估法和輸入預(yù)估法[12]。

本文在采用帶純時(shí)滯的一階慣性環(huán)節(jié)作為SCR裝置數(shù)學(xué)模型一般形式的基礎(chǔ)上，采用提高階次法將對(duì)象的時(shí)滯算子近似成一階慣性環(huán)節(jié)，從而把時(shí)滯對(duì)象轉(zhuǎn)化為二階振蕩對(duì)象，其近似誤差作為一個(gè)擾動(dòng)因素。

2.3 總和擾動(dòng)作用的估計(jì)與補(bǔ)償

由于擾動(dòng)形式的多樣性，Urea-SCR裝置控制系統(tǒng)成為非線性系統(tǒng)。自抗擾控制技術(shù)通過(guò)構(gòu)造擴(kuò)張狀態(tài)觀測(cè)器，可將SCR裝置控制系統(tǒng)總和擾動(dòng)的實(shí)時(shí)作用量擴(kuò)充成新的狀態(tài)變量。

擴(kuò)張狀態(tài)觀測(cè)器是一個(gè)動(dòng)態(tài)過(guò)程，只使用了原對(duì)象的輸入-輸出信息，而SCR裝置控制系統(tǒng)滿足能觀性的條件，因此可根據(jù)系統(tǒng)輸出提煉總和擾動(dòng)的實(shí)時(shí)作用量。有了被擴(kuò)張狀態(tài)的估計(jì)值，在補(bǔ)償因子b0已知的條件下可實(shí)現(xiàn)控制量的補(bǔ)償，從而將SCR裝置控制系統(tǒng)改造成積分器串聯(lián)型線性系統(tǒng)。

3 SCR非線性自抗擾控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

Urea-SCR裝置控制系統(tǒng)具有大時(shí)滯、不確定性和非線性特征，自抗擾控制技術(shù)通過(guò)總和擾動(dòng)作用的估計(jì)與補(bǔ)償將其轉(zhuǎn)化為積分器串聯(lián)型線性系統(tǒng)。本節(jié)著重設(shè)計(jì)Urea-SCR裝置的非線性自抗擾控制系統(tǒng)。

3.1 SCR裝置控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

根據(jù)Urea-SCR裝置的工作原理(見(jiàn)圖1)，其基于二階非線性自抗擾控制技術(shù)的控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)可表示為圖4的形式。

圖4 Urea-SCR裝置控制系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)Fig.4 Layout of the Urea-SCR control system

3.2 非線性自抗擾控制器的算法與實(shí)現(xiàn)

3.2.1 二階非線性自抗擾控制器設(shè)計(jì)

形式上，自抗擾控制器的擴(kuò)張狀態(tài)觀測(cè)器和總和擾動(dòng)估計(jì)與補(bǔ)償相對(duì)固定，而被控目標(biāo)的過(guò)渡過(guò)程和狀態(tài)誤差反饋增益的非線性組合存在多種。本文選擇二階最速跟蹤微分器為NOx控制目標(biāo)安排合理的過(guò)渡過(guò)程，實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)輸入信號(hào)的快速無(wú)超調(diào)跟蹤并給出良好的微分信號(hào)；選擇冪次函數(shù)構(gòu)造狀態(tài)誤差反饋增益的組合形式，利用其非線性效應(yīng)提高NOx控制的靈敏性并抑制超調(diào)現(xiàn)象；使用三階擴(kuò)張狀態(tài)觀測(cè)器估計(jì)振蕩環(huán)節(jié)的總和擾動(dòng)作用，并采用特定的反饋律對(duì)其進(jìn)行補(bǔ)償。Urea-SCR裝置二階非線性自抗擾控制器的結(jié)構(gòu)示于圖5。

圖5 Urea-SCR裝置非線性自抗擾控制器Fig.5 NADRC of the Urea-SCR device

圖5中，ν為NOx控制目標(biāo)，ν1為針對(duì)NOx控制目標(biāo)安排的過(guò)渡過(guò)程，ν2為過(guò)渡過(guò)程的微分信號(hào)；z1、z2為被控對(duì)象狀態(tài)變量的估計(jì)值，z3為總和擾動(dòng)作用的估計(jì)值；u0為所需降低的NOx體積濃度，由狀態(tài)變量誤差反饋增益非線性組合生成；b0為補(bǔ)償因子，u為補(bǔ)償之后所需降低的NOx體積濃度，k為NOx體積濃度向添藍(lán)體積流量轉(zhuǎn)換的系數(shù)，是發(fā)動(dòng)機(jī)排氣流量的函數(shù)；y為被控輸出。

3.2.2 二階非線性自抗擾控制器的離散算法

1)為NOx控制目標(biāo)安排過(guò)渡過(guò)程。

二階最速跟蹤微分器的離散形式為

(1)

式中：h為采樣步長(zhǎng)；r0為快速因子；h0為濾波因子；fhan(x1,x2,r,h)為離散系統(tǒng)的最速控制綜合函數(shù)，其具體表達(dá)式為

2)擴(kuò)張狀態(tài)觀測(cè)器。

(2)

式中：β01、β02和β03為擴(kuò)張狀態(tài)觀測(cè)器的增益；α01和α02為適當(dāng)?shù)某?shù)；δ01和δ02為線性區(qū)間的長(zhǎng)度；fal(e,a,d)為冪次函數(shù)，其具體表達(dá)式為

(i=1,2)

3)非線性組合。

(3)

式中：k1和k2為狀態(tài)誤差反饋增益，δ1和δ2為線性區(qū)間長(zhǎng)度，α1和α2為適當(dāng)?shù)某?shù)，b0為補(bǔ)償因子。

3.3 非線性自抗擾控制器參數(shù)整定

在選定非線性自抗擾控制器的算法之后，控制器的性能主要取決于跟蹤微分器、擴(kuò)張狀態(tài)觀測(cè)器和狀態(tài)誤差反饋非線性組合的參數(shù)值。研究發(fā)現(xiàn)，在SCR裝置非線性自抗擾控制器的上述參數(shù)中，狀態(tài)誤差反饋增益k1、k2以及補(bǔ)償因子b0為重點(diǎn)整定對(duì)象，鑒于非線性自抗擾控制器參數(shù)整定的理論尚不成熟，本文出于簡(jiǎn)化SCR裝置控制系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的目的，結(jié)合經(jīng)驗(yàn)試湊和指標(biāo)尋優(yōu)進(jìn)行了控制器參數(shù)整定，其結(jié)果示于表2。

表2 非線性自抗擾控制器參數(shù)及整定結(jié)果

4 非線性自抗擾控制系統(tǒng)試驗(yàn)評(píng)價(jià)

為評(píng)價(jià)Urea-SCR裝置非線性自抗擾控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能和擾動(dòng)抑制能力，針對(duì)某臺(tái)4.7 L車(chē)用柴油機(jī)及其Urea-SCR裝置組織了臺(tái)架試驗(yàn)。緊貼法規(guī)要求，采用測(cè)試循環(huán)NOx比排放作為控制系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能的評(píng)價(jià)指標(biāo)，采用NOx比排放控制的準(zhǔn)確程度作為抑制擾動(dòng)能力的評(píng)價(jià)指標(biāo)。

該柴油機(jī)的壓縮比為17.5∶1，缸徑為110 mm，額定功率為132 kW，額定功率轉(zhuǎn)速為2 650±50 r/min，最低比油耗為200 g/(kw·h)，燃油軌最高設(shè)計(jì)壓力為160 MPa。本文使用了Groudfos公司生產(chǎn)的AAS Generic G2.5型添藍(lán)加注裝置和Continental AG公司生產(chǎn)的Uninox 5WK96614H型NOx傳感器。SCR催化器采用筒式封裝形式，催化劑載體為蜂窩陶瓷(12.8 L)，催化劑涂層為釩基。

4.1 試驗(yàn)條件與設(shè)備

臺(tái)架試驗(yàn)在標(biāo)準(zhǔn)大氣環(huán)境下進(jìn)行，發(fā)動(dòng)機(jī)額定工況下的進(jìn)氣總管溫度控制在47±2℃，燃油進(jìn)油溫度控制在40±2℃，冷卻水出水溫度控制在88±2℃，以保持試驗(yàn)條件的一致性。測(cè)功機(jī)為AVL DYNOSL型，排放分析儀為AMAi60型，氨氣分析儀為L(zhǎng)S25型。

4.2 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)配置與系統(tǒng)狀態(tài)變量初始值標(biāo)定

標(biāo)定矩陣C即為正映射矩陣G的逆矩陣,由于G一般為非奇異矩陣,不能直接求逆,因而需要利用偽逆矩陣來(lái)求解,其求解公式為:

4.2.1 控制系統(tǒng)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)配置

SCR非線性自抗擾控制系統(tǒng)需要NOx控制目標(biāo)脈譜和柴油機(jī)排氣流量脈譜作為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。本文通過(guò)萬(wàn)有特性試驗(yàn)獲取了上述數(shù)據(jù)。柴油機(jī)排氣流量脈譜示于圖6，NOx控制目標(biāo)脈譜示于圖7。

4.2.2 系統(tǒng)狀態(tài)變量初始值標(biāo)定

在運(yùn)行ETC期間發(fā)現(xiàn)，柴油機(jī)排氣溫度偏低且變化劇烈，以致控制量在“非零”和“為零”狀態(tài)之間頻繁切換。根據(jù)狀態(tài)誤差反饋增益的離散算法，在控制量向“非零”狀態(tài)切換的時(shí)刻，控制作用的大小與系統(tǒng)狀態(tài)變量的取值(以下簡(jiǎn)稱(chēng)為“系統(tǒng)狀態(tài)變量初始值”)有關(guān)，在初始值取零的情況下控制作用將被嚴(yán)重地削弱，難以得到理想的NOx排放控制效果。因此，本文以適當(dāng)提高初始控制作用為指導(dǎo)思想，對(duì)系統(tǒng)狀態(tài)變量初始值進(jìn)行試驗(yàn)標(biāo)定并得到表3 所示的結(jié)果。

圖6 柴油機(jī)排氣流量脈譜Fig.6 Exhaust flow map for the diesel engine

圖7 柴油機(jī)NOx控制目標(biāo)脈譜Fig.7 NOx target map for the diesel engine

Table 3 Calibration results of the sate variable initial values for the control system based on NADRC

狀態(tài)變量初始值狀態(tài)變量初始值v1150z20 v20 z317500z1150u0-1160

4.3 排放測(cè)試循環(huán)試驗(yàn)

通過(guò)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)配置和系統(tǒng)狀態(tài)變量初始值標(biāo)定，SCR裝置非線性自抗擾控制系統(tǒng)被確定下來(lái)。進(jìn)一步地，針對(duì)該系統(tǒng)分別開(kāi)展了ESC和ETC試驗(yàn)來(lái)研究其綜合控制品質(zhì)。

4.3.1 ESC試驗(yàn)結(jié)果與分析

ESC試驗(yàn)表明，柴油機(jī)機(jī)內(nèi)NOx比排放為10.1 g/(kw·h)，被控輸出為1.85 g/(kw·h)，低于國(guó)五階段的排放限值。循環(huán)期間添藍(lán)流量、被控輸出以及氨氣泄漏濃度示于圖8，相關(guān)計(jì)算結(jié)果示于表4。

圖8 添藍(lán)流量、被控輸出和氨氣泄漏濃度變化軌跡(ESC)Fig.8 Tendencys of adblue rates, controlled NOx levels and NH3 slip concentrations (ESC)

表4 ESC試驗(yàn)結(jié)果

4.3.2 ETC試驗(yàn)結(jié)果與分析

進(jìn)行ETC試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，柴油機(jī)機(jī)內(nèi)NOx比排放為11.68 g/(kW·h)，被控輸出為1.66 g/(kW·h)，也低于國(guó)五限值。循環(huán)期間添藍(lán)流量、被控輸出以及氨氣泄漏濃度示于圖9，相關(guān)計(jì)算結(jié)果示于表4。

圖9 添藍(lán)流量、被控輸出和氨氣泄漏濃度變化軌跡(ETC)Fig.9 Tendencys of Adblue rates, controlled NOx levels and NH3 slip concentrations (ETC)

在ETC試驗(yàn)期間，發(fā)動(dòng)機(jī)多次出現(xiàn)倒拖工況，催化器溫度整體較低，偏離了SCR催化劑活性最佳的溫度窗口(350～450℃)。然而，應(yīng)用同一策略對(duì)Urea-SCR裝置進(jìn)行控制，NOx轉(zhuǎn)化效率依然能夠達(dá)到85.8%，氨氣泄漏平均值也遠(yuǎn)低于許可限值[8]，能夠符合柴油機(jī)國(guó)五階段的排放要求。

4.4 抗擾能力試驗(yàn)

改善動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性和提高擾動(dòng)抑制能力是本研究對(duì)Urea-SCR裝置新型控制系統(tǒng)提出的兩大核心需求。為此，進(jìn)一步地引入擾動(dòng)因素來(lái)評(píng)價(jià)該系統(tǒng)抑制擾動(dòng)作用的能力。

具體地，以21%質(zhì)量濃度的尿素水溶液(以下簡(jiǎn)稱(chēng)“劣質(zhì)添藍(lán)”)取代添藍(lán)作為還原劑，保持柴油機(jī)及其Urea-SCR系統(tǒng)的參數(shù)不變，再次進(jìn)行ESC試驗(yàn)來(lái)考察NOx比排放和氨氣泄漏情況。添藍(lán)流量、被控輸出以及氨氣泄漏濃度示于圖10，相關(guān)計(jì)算結(jié)果示于表4。

圖10 添藍(lán)流量、被控輸出和氨氣泄漏濃度變化軌跡(抗擾)Fig.10 Tendencys of Adblue rates, controlled NOx levels and NH3 slip concentrations (disturbance rejection)

分析ESC抗擾試驗(yàn)與ESC排放試驗(yàn)數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，兩項(xiàng)試驗(yàn)期間發(fā)動(dòng)機(jī)工況、排氣流量以及進(jìn)氣溫度的一致性較好，但受制于進(jìn)氣空調(diào)的能力，進(jìn)氣相對(duì)濕度出現(xiàn)顯著的差異，以致機(jī)內(nèi)NOx比排放發(fā)生了明顯的變化[9]。另一方面，抗擾試驗(yàn)中使用劣質(zhì)添藍(lán)引起排氣中水分增加，催化器溫度相對(duì)排放試驗(yàn)也有所降低。因此，SCR控制系統(tǒng)實(shí)際上處于添藍(lán)劣化、機(jī)內(nèi)NOx濃度和排氣溫度變化等內(nèi)外擾動(dòng)作用之下。

抗擾試驗(yàn)結(jié)果表明，NOx比排放結(jié)果與排放循環(huán)試驗(yàn)結(jié)果較為接近，NOx排放控制的準(zhǔn)確性得到保證，說(shuō)明Urea-SCR裝置非線性自抗擾控制系統(tǒng)有效地抑制了來(lái)自多方面的擾動(dòng)作用。

4.5 減排潛力試驗(yàn)

國(guó)六階段SCR裝置對(duì)NOx轉(zhuǎn)化效率的需求將達(dá)到90%左右。在上述試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，氨氣泄漏平均值低于OBD標(biāo)準(zhǔn)的限值，本文對(duì)NOx控制目標(biāo)脈譜進(jìn)行整體下調(diào)(見(jiàn)圖11)，再次進(jìn)行ESC和ETC排放試驗(yàn)，初步地探索了SCR非線性自抗擾控制系統(tǒng)的減排潛力。相關(guān)試驗(yàn)結(jié)果示于表5。

圖11 減排潛力探索試驗(yàn)所用NOx控制目標(biāo)脈譜Fig.11 NOx target map for the reduction potential test

測(cè)試循環(huán)機(jī)內(nèi)NOx/(g·(kw·h)-1)被控輸出/(g·(kw·h)-1)氨氣泄漏/(ml·m-3)轉(zhuǎn)化效率/%ESC10.251.309.9087.30ETC11.791.269.9089.30

減排潛力試驗(yàn)結(jié)果表明，通過(guò)適當(dāng)降低NOx控制目標(biāo)，ESC和ETC的NOx轉(zhuǎn)化效率分別達(dá)到87.30%和89.30%，而氨氣泄漏值仍然遠(yuǎn)低于許可限值，表明該款發(fā)動(dòng)機(jī)SCR裝置非線性自抗擾控制系統(tǒng)尚存在可標(biāo)定空間，通過(guò)深入開(kāi)展精細(xì)標(biāo)定工作，NOx轉(zhuǎn)化效率有望逼近極限。

5 結(jié)論

1)Urea-SCR裝置非線性自抗擾控制系統(tǒng)具有良好的擾動(dòng)抑制能力，柴油機(jī)NOx排放的準(zhǔn)確控制可以得到保證。

2)SCR裝置非線性自抗擾控制系統(tǒng)具有較好的動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能，能夠更好地提升排放測(cè)試循環(huán)中NOx的轉(zhuǎn)化效率。

3)非線性自抗擾控制技術(shù)能夠作為SCR柴油機(jī)應(yīng)對(duì)高等級(jí)排放要求的核心技術(shù)儲(chǔ)備，對(duì)其控制器的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)具有重要的指導(dǎo)意義。

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A nonlinear active disturbance rejection control system for the urea-SCR device in a diesel engine

LIU Bingshan, LYU Lin, ZHANG Renmin

(High Performance Marine Technology Key Laboratory, Ministry of Education, Wuhan University of Technology, Wuhan 430063, China)

NOxemission from diesel engines exceeds the standard value owing to the low control accuracy and poor dynamic response performance of existing urea-SCR (selective catalytic reduction) device control systems. To ensure reliable application of SCR devices on diesel engines,a nonlinear active disturbance rejection controller (NADRC) was applied to the SCR control system. In this system, a fast tracking differentiator and a nonlinear combination were adopted to improve the dynamic response performance; moreover, an extended state observer was used to estimate and compensate the total disturbances to ensure the accuracy of NOxemission. According to the results, the improved SCR control system showed a good disturbance rejection ability and an excellent dynamic response performance. This robust SCR control system can effectively prevent NOxdischarging beyond the emission limits for diesel engines (China 5). The optimized SCR control system could further provide an important guideline for the development of SCR devices for diesel engines (China 6).

nonlinearity; active disturbance rejection controller; selective catalytic reduction(SCR); diesel engine; NOx; emissions; OBD

2016-02-03.

日期：2017-03-02.

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51379165).

劉丙善(1976-),男,高級(jí)工程師; 呂林(1961-),男,教授,博士生導(dǎo)師.

劉丙善， E-mail:zhenqing05@126.com.

10. 11990/jheu.201602007

TK422

A

1006-7043(2017)03-0385-07

劉丙善, 呂林, 張仁敏.柴油機(jī)Urea-SCR裝置非線性自抗擾控制系統(tǒng)研究[J]. 哈爾濱工程大學(xué)學(xué)報(bào), 2017, 38(3):385-391.

LIU Bingshan, LYU Lin, ZHANG Renmin. A nonlinear active disturbance rejection control system for the urea-SCR device in a diesel engine[J]. Journal of Harbin Engineering University, 2017, 38(3):385-391.

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