本發(fā)明涉及一種故障診斷和容錯控制方法，特別適用于中重型柴油機尾氣后處理scr系統(tǒng)中對nh3輸入傳感器的故障診斷和容錯控制。

背景技術(shù)：

近十幾年來，柴油機由于其較高的熱效率和良好的燃油經(jīng)濟性，從而在中重型車輛發(fā)動機中占據(jù)著主導(dǎo)的地位，引起了很多研究者的關(guān)注。但是，柴油機尾氣中氮氧化物(nox，x＝1,2，后同)和顆粒物(pm)的含量過高，隨著人們環(huán)保意識的增強和車輛排放法規(guī)的日益嚴(yán)格，柴油機在尾氣處理方面面臨著巨大的壓力。為此國內(nèi)專家通過考慮現(xiàn)階段我國國情，經(jīng)過多次權(quán)衡論證，基本確立了以scr路線為主的柴油機尾氣后處理技術(shù)路線。

scr系統(tǒng)被廣泛應(yīng)用于柴油機中來減少nox的排放，被認(rèn)為是最具有前途的去除氮氧化物的一種尾氣后處理技術(shù)。scr(selectivecatalyticreduction)主要就是一種選擇催化還原技術(shù)，在scr裝置入口端噴入尿素，利用尿素水解出的氨氣將nox還原為對大氣無污染的氮氣和水。

在scr系統(tǒng)中，nh3的輸入濃度被認(rèn)為是scr系統(tǒng)控制中重要的狀態(tài)參數(shù)，所以獲得nh3的輸入濃度信息對控制算法的設(shè)計至關(guān)重要。實際應(yīng)用中輸入濃度測量一般都是借助于物理傳感器，實時測量傳入給控制單元。但是傳感器作為一種精細(xì)的裝置，是整個scr系統(tǒng)中最易發(fā)生故障的部件。此外柴油機在工作狀態(tài)時會經(jīng)常產(chǎn)生劇烈的振動，在這種惡劣的工作環(huán)境下傳感器也極其容易發(fā)生故障。因此這就需要一種合適的scr系統(tǒng)nh3傳感器故障診斷和容錯控制方法來及時發(fā)現(xiàn)傳感器的故障，并做出迅速的反應(yīng)。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

針對上述問題，本發(fā)明提供一種柴油機scr系統(tǒng)輸入nh3傳感器故障診斷和容錯控制方法，所述方法能夠準(zhǔn)確診斷scr系統(tǒng)nh3輸入傳感器是否發(fā)生故障，并且當(dāng)診斷故障發(fā)生后，能夠?qū)嵤﹏h3輸入傳感器故障容錯控制。所述的柴油機scr系統(tǒng)輸入nh3傳感器故障診斷和容錯控制方法，包括以下步驟：

第一步，設(shè)置柴油機scr系統(tǒng)nh3輸入傳感器故障診斷和容錯控制系統(tǒng)，所述的控制系統(tǒng)包括nh3輸入濃度傳感器、nh3輸入濃度估計模塊、nh3傳感器故障診斷模塊和容錯控制模塊，所述的nh3輸入濃度傳感器和nh3輸入濃度估計模塊分別通過線纜接入nh3傳感器故障診斷模塊，nh3傳感器故障診斷模塊通過線纜接入容錯控制模塊。

第二步，根據(jù)scr系統(tǒng)參數(shù)，設(shè)置nh3輸入濃度閾值δδ(t)和時間閾值t(t)；

第三步，nh3輸入濃度傳感器測量nh3輸入濃度測量值δ0，并將nh3輸入濃度測量值δ0的信號輸送至nh3傳感器故障診斷模塊；nh3輸入濃度估計模塊估算nh3輸入濃度估計值并將nh3輸入濃度估計值的信號輸送至nh3傳感器故障診斷模塊；nh3傳感器故障診斷模塊根據(jù)接收到的信號計算nh3輸入濃度殘差δδ，計算公式如下：

第四步，比較nh3輸入濃度殘差δδ和nh3輸入濃度閾值δδ(t)，若δδ≤δδ(t),則進入第五步；若δδ>δδ(t)，則繼續(xù)測量nh3輸入濃度殘差δδ大于nh3輸入濃度閾值δδ(t)持續(xù)的時間t1，若t1<t(t),則進入第五步；否則進入第六步；

第五步，nh3傳感器故障診斷模塊確定nh3輸入傳感器正常，并將nh3輸入濃度測量值δ0和nh3輸入濃度估計值輸送至scr系統(tǒng)容錯控制模塊，容錯控制模塊輸出最終的nh3輸入濃度實際值

第六步，nh3傳感器故障診斷模塊確定nh3輸入傳感器發(fā)生故障，并將nh3輸入濃度測量值δ0和nh3輸入濃度估計值輸送至scr系統(tǒng)容錯控制模塊，容錯控制模塊將nh3輸入濃度估計值作為最終的nh3輸入濃度實際值，并發(fā)出傳感器故障警報，停止診斷。

本發(fā)明的優(yōu)點在于：

1、本發(fā)明在無跡卡爾曼濾波的基礎(chǔ)上加入了自適應(yīng)算法，能夠在線計算出噪聲的協(xié)方差，對復(fù)雜環(huán)境條件有很好的適應(yīng)性。

2、采用的自適應(yīng)無跡卡爾曼濾波估算方法降低了計算的負(fù)荷，使響應(yīng)速度更快，實現(xiàn)了在線對scr系統(tǒng)傳感器進行故障診斷，并能夠更好地進行容錯控制。

3、本發(fā)明可以廣泛應(yīng)用于柴油機scr系統(tǒng)nh3輸入傳感器故障診斷中。

附圖說明

圖1是scr系統(tǒng)及相應(yīng)傳感器示意圖；

圖2是本發(fā)明的nh3輸入傳感器實時在線故障診斷和容錯控制過程示意圖。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明進行詳細(xì)的描述。

如圖1所示，本發(fā)明提供一種柴油機scr系統(tǒng)nh3輸入傳感器故障診斷和容錯控制方法，所述的柴油機scr系統(tǒng)中，在scr裝置的輸入管路上設(shè)置有nh3輸入濃度傳感器和nox輸入濃度傳感器，分別用于檢測nh3輸入濃度和輸入尾氣中nox濃度；在scr裝置的輸出管路上設(shè)置有nh3輸出濃度傳感器和nox輸出濃度傳感器，分別用于檢測nh3輸出濃度和nox輸出濃度。本發(fā)明旨在對所述的nh3輸入濃度傳感器進行故障診斷并進行容錯控制。

如圖2所示流程，本發(fā)明提供的一種柴油機scr系統(tǒng)nh3輸入傳感器故障診斷和容錯控制方法，包括以下步驟：

第一步，設(shè)置柴油機scr系統(tǒng)輸入nh3傳感器故障診斷系統(tǒng)，其包括nh3輸入濃度傳感器、nh3輸入濃度估計模塊、nh3傳感器故障診斷模塊和容錯控制模塊；

第二步，根據(jù)scr系統(tǒng)參數(shù)，設(shè)置nh3輸入濃度閾值δδ(t)和時間閾值t(t)；

第三步，nh3輸入傳感器測量nh3輸入濃度測量值δ0，并將nh3輸入濃度測量值δ0的信號輸送至nh3傳感器故障診斷模塊；nh3輸入濃度估計模塊估算nh3輸入濃度估計值并將nh3輸入濃度估計值的信號輸送至nh3傳感器故障診斷模塊；nh3傳感器故障診斷模塊根據(jù)接收到的信號計算nh3輸入濃度殘差δδ，計算公式如下：

其中，nh3輸入濃度估計值的計算方法如下：

(1)根據(jù)scr系統(tǒng)內(nèi)化學(xué)反應(yīng)，及摩爾守恒和質(zhì)量守恒建立狀態(tài)空間模型，

其中，rm為反應(yīng)速率，m＝ad，de，ox，re；ad代表氨氣吸附過程反應(yīng)速率；de代表氨氣解吸附過程反應(yīng)速率；ox代表氨氣氧化反應(yīng)速率；re代表氨氣還原nox反應(yīng)速率；km表示相應(yīng)反應(yīng)過程的反應(yīng)系數(shù)，em表示相應(yīng)反應(yīng)過程的化學(xué)反應(yīng)活化能，r表示反應(yīng)常數(shù)，t表示溫度；cno和分別是nox和氨氣的濃度；表示氨氣入口的輸入濃度，cno,in表示柴油機排出尾氣中nox的濃度，即scr系統(tǒng)nox的輸入濃度；是scr裝置內(nèi)的氨氣覆蓋率；f是尾氣流速；v是scr裝置的體積；和分別為氮氧化物濃度的變化率、氨氣濃度的變化率和scr罐內(nèi)氨氣的覆蓋率的變化率。

(2)將狀態(tài)空間模型與自適應(yīng)無跡卡爾曼濾波(aukf)方程結(jié)合起來。ukf估計狀態(tài)一般分為兩步，包括預(yù)測和更新。非線性系統(tǒng)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)是預(yù)測方程。x(k)代表狀態(tài)向量，u(k)是輸入向量，w(k)代表高斯過程噪聲,f()是預(yù)測函數(shù)。方程(3)是更新方程，也叫觀測方程，它包括觀測向量z(k)，觀測函數(shù)h(x)和高斯觀測噪聲v(k)。其中預(yù)測過程包括以下幾個步驟：

a)構(gòu)造sigma點

在k-1步，根據(jù)隨機狀態(tài)變量x的統(tǒng)計量和協(xié)方差pk-1構(gòu)造sigma點集。

其中λ是第一個尺度參數(shù)，λ＝α²(nx+q)-nx。nx為狀態(tài)空間維數(shù)，在本發(fā)明中是3。

q是第二個尺度參數(shù)，一般取0或者3-nx。α設(shè)定為一個很小的常數(shù)，在本發(fā)明中取0.001。

b)對sigma點進行傳播計算；

轉(zhuǎn)換公式如下，其中u代表輸入。

c)計算輸出先驗均值與誤差協(xié)方差；

輸出的先驗均值與誤差協(xié)方差計算公式計算如下：

其中q為噪聲協(xié)方差，和為計算先驗均值和誤差協(xié)方差的加權(quán)，定義如下：

其中β為常數(shù)，在高斯分布中，為獲得最佳估計一般取2。

(2)更新過程

a)構(gòu)造sigma點；

根據(jù)上面計算出的先驗狀態(tài)估計，再次構(gòu)造sigma點。

b)計算預(yù)測輸出；

傳播計算每個sigma點，

則預(yù)測輸出公式如下：

c)計算卡爾曼增益；

在這個過程中同時需要一個最佳的卡爾曼增益kk。計算方程如下所示：

其中，是預(yù)測出輸出誤差協(xié)方差，是均值與預(yù)測輸出交叉協(xié)方差，r是噪聲協(xié)方差。

d)計算后驗狀態(tài)估計和后驗協(xié)方差；

在第k步，根據(jù)輸出的測量值，可以計算出后驗的狀態(tài)和協(xié)方差。

其中，yk表示第k步的實際測量值，表示估計的觀測值。

在實際情況中，過程與測量噪聲一般是未知和變化的，而且在ukf算法中，運用傳統(tǒng)的方法來計算噪聲統(tǒng)計的初始方差矩陣十分困難并且耗時很多，因此在這里引入一種自適應(yīng)算法。將自適應(yīng)噪聲矩陣估計器嵌入到ukf算法中，這樣就得到自適應(yīng)無跡卡爾曼濾波aukf。aukf不僅具有ukf算法簡單的優(yōu)點，而且還有自適應(yīng)估計器的功能。詳細(xì)的自適應(yīng)算法公式如下所示。

qk＝qk-1+dk-1(kkεkεk^tkk^t+pk-pk|k-1)(18)

dk＝(1-b)/(1-b^k+1)(20)

其中，dk是一個比例常數(shù)，b表示一個遺忘因子，通常設(shè)為0.95到0.995，εk表示傳感器測得的真實值與估計值之間的誤差。qk表示過程噪聲協(xié)方差，rk表示測量噪聲協(xié)方差，kk表示卡爾曼增益，pk表示誤差協(xié)方差，zk表示測量值，h(x)表示估計值。

假設(shè)nox輸入、輸出濃度和nh3輸出濃度已經(jīng)由傳感器測得，這樣就可以通過aukf算法來估計nh3輸入濃度。由于在短時間內(nèi)nh3輸入濃度變化十分緩慢，因此可以認(rèn)為nh3輸入濃度的微分為零，公式如下。

根據(jù)aukf算法原理，本發(fā)明選用nh3輸入濃度和scr內(nèi)氨氣覆蓋率作為預(yù)測方程的兩個狀態(tài)量，公式表達(dá)如下。

其中δt表示aukf計算方程中每步迭代更新時間，在本發(fā)明中設(shè)為0.01s。

在建立觀測方程時，選擇傳感器器測量的nh3輸出濃度和nox輸出濃度作為兩個狀態(tài)量。觀測方程如下所示。

其中定義，

根據(jù)上述的預(yù)測方程和觀測方程，經(jīng)過aukf迭代計算，便可以估計出nh3輸入濃度

第四步，比較nh3輸入濃度殘差δδ和nh3輸入濃度閾值δδ(t)，若δδ≤δδ(t),則進入第五步；若δδ>δδ(t)，則繼續(xù)測量nh3輸入濃度殘差δδ大于nh3輸入濃度閾值δδ(t)持續(xù)的時間t1，若t1<t(t),則進入第五步；否則進入第六步；

第五步，nh3傳感器故障診斷模塊確定nh3輸入傳感器正常，并將nh3輸入濃度測量值δ0和nh3輸入濃度估計值輸送至scr系統(tǒng)容錯控制模塊，容錯控制模塊輸出最終的nox輸入濃度實際值

第六步，nh3傳感器故障診斷模塊確定nh3輸入傳感器發(fā)生故障，并將nh3輸入濃度測量值δ0和nh3輸入濃度估計值輸送至scr系統(tǒng)容錯控制模塊，容錯控制模塊將nh3輸入濃度估計值作為最終的nh3輸入濃度實際值，并發(fā)出傳感器故障警報，停止診斷。