用于DOC下游温度的控制方法及控制装置与流程

本发明属于内燃机尾气排放后处理技术领域，具体涉及一种用于doc下游温度的控制方法及控制装置。

背景技术

在柴油发动机的排气气体中含有微粒(颗粒)，微粒的大部分由煤和可溶性有机物质构成，是形成环境污染的原因，因此需要对其进行除去和处理。为了防止微粒被排放到大气中，采取的有效措施是在排气气体的流路内设置dpf来捕集微粒。但是，随着微粒的捕集，dpf会发生堵塞，dpf积累颗粒量达到一定限值需要再生，此时需要将dpf上游(即doc下游)的温度提高到设定温度将颗粒引燃。当dpf再生时由hc喷射装置喷射燃油在doc中燃烧，来提高dpf的上游温度，再生过程中的温度控制是基于dpf前温度进行pid闭环控制实现的，因此需要有效的控制doc的下游温度。

目前，doc下游温度的控制方法主要为根据doc下游设定温度及传感器采集温度，利用pid方法控制doc上游hc喷嘴的喷射油量。由于doc本身为大的惯性系统及下游传感器采集的滞后性，使该控制方法的控制效果比较差，无法达到对doc下游温度的精确控制。

技术实现要素：

本发明的目的是为了解决上述存在的至少一个问题，该目的是通过以下技术方案实现的。

本发明提出了一种用于doc下游温度的控制方法，其中包括以下步骤：

将doc分成n块，其中n大于等于1；

根据热平衡公式：催化器出口总能量＝催化器介质本身能量+催化器入口排气能重+催化器与环境热传递能量+催化器中化学反应放热，计算第n块doc的出口能量，其中1≤n≤n；

催化器介质本身能量：qin1＝cbrick*tin；

催化器入口排气能量：qin2＝cegbrick*tegin；

催化器与环境热传递能量：qin3＝cbrickenv*tenv；

催化器中化学反应放热：qin4＝qfuel*fk；

催化器出口总能量：qout＝cbricksum*tout；

cbrick为介质热容，tin为介质温度，cegbrick为排气热容，tegin为入口排气温度，cbrickenv为环境热容，tenv为环境温度，qfuel为入口油量，fk为转化效率，cbricksum为出口混合热容，tout为出口介质温度；

根据能量守恒定律求得所述第n块doc的出口介质温度tout，即为所述第n块doc的出口排气温度；

将doc上游温度传感器采集的温度作为第1块doc的入口温度，所述doc的入口总油量作为第1块doc的入口油量，根据上述热平衡公式计算第n块doc的出口排气温度；

将所述第n块doc的出口排气温度和doc下游温度传感器采集的温度输入卡尔曼滤波器；

根据所述卡尔曼滤波器计算在所述第n块doc的出口排气温度下的最优温度估计值，利用所述最优温度估计值作为pid控制的闭环反馈温度。

进一步地，如上所述的用于doc下游温度的控制方法，当所述第n块doc与前一块doc之间的热交换为理想热交换时，则出口介质温度＝出口排气温度，可得cbricksum＝cbrick+cegbrick+cbrickenv。

进一步地，如上所述的用于doc下游温度的控制方法，当n等于1时，所述doc的上游温度传感器采集的温度即为所述doc的入口温度，所述doc的入口总油量即为所述doc的入口油量。

进一步地，如上所述的用于doc下游温度的控制方法，其特征在于，所述卡尔曼滤波器的基本动态系统模型为：

xk＝fkxk-1+bkuk+wk，状态模型；

zk＝hkxk+vk，观测模型；

其中，xk是k时刻的系统状态，uk是k时刻对系统的控制量，fk为作用在xk-1状态向量上的状态转移矩阵，bk为作用在uk向量上的控制矩阵，wk为过程噪声，zk是k时刻的测量值，hk是测量系统的参数，对于多测量系统，hk为矩阵，vk为观测值噪声；

根据所述卡尔曼滤波器计算在所述第n块doc的出口排气温度下的最优温度估计值，包括以下步骤：

根据k-1时刻的温度值xk-1来预测k时刻的温度其中，xk-1为k-1时刻的最佳估计值，为k时刻的预测值：

计算预估计协方差矩阵：

计算卡尔曼增益矩阵：

用预测值和观测值更新估计值：

计算更新后估计协方差矩阵：

重复以上步骤，得到最后的估计值，用于闭环反馈。

本发明还提出了一种用于doc下游温度的控制装置，用于执行上述所述的用于doc下游温度的控制方法，其中包括doc、doc上游温度传感器、doc下游温度传感器和卡尔曼滤波器，所述doc包括连续设置的n块doc，n≥1，所述doc上游温度传感器用于采集第一块doc的入口温度，所述doc下游温度传感器用于采集所述doc的下游温度，根据热平衡公式：催化器出口总能量＝催化器入口能量+催化器入口排气能量+与环境热传递+化学反应放热，计算第n块doc的出口排气温度，将所述第n块doc的出口排气温度和所述doc下游温度传感器采集的温度输入卡尔曼滤波器。

进一步地，如上所述的用于doc下游温度的控制装置，其中所述卡尔曼滤波器的基本动态系统模型为：

xk＝fkxk-1+bkuk+wk，状态模型；

zk＝hkxk+vk，观测模型；

其中，xk是k时刻的系统状态，uk是k时刻对系统的控制量，fk为作用在xk-1状态向量上的状态转移矩阵，bk为作用在uk向量上的控制矩阵，wk为过程噪声，zk是k时刻的测量值，hk是测量系统的参数，对于多测量系统，hk为矩阵，vk为观测值噪声。

通过使用本发明所述的一种用于doc下游温度的控制方法及控制装置，能够有效的利用卡尔曼滤波器预估出当前温度下的最佳估计值用于闭环反馈，提高整个控制系统的响应性，从而控制hc喷嘴能够合理的喷射油量，能够有效提高dpf下游温度的控制精度，并降低油耗，使dpf再次获得捕集颗粒的能力。

附图说明

通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：

图1为本发明实施例的流程图；

图2为本发明实施例的结构框图。

附图中各标记表示如下：

10：doc、20：doc上游温度传感器、30：doc下游温度传感器、40：卡尔曼滤波器。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施方式。虽然附图中显示了本公开的示例性实施方式，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施方式所限制。相反，提供这些实施方式是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。

图2为本发明实施例的结构框图。如图2所示，本发明还提出了一种用于doc下游温度的控制装置，包括doc10、doc上游温度传感器20、doc下游温度传感器30和卡尔曼滤波器40。doc10包括连续设置的n块doc，其中n≥1，doc上游温度传感器20用于采集第一块doc的入口温度，doc下游温度传感器30用于采集doc10的下游温度，根据热平衡公式：催化器出口总能量＝催化器入口能量+催化器入口排气能量+与环境热传递+化学反应放热，计算第n块doc的出口排气温度，将第n块doc的出口排气温度和doc下游温度传感器30采集的温度输入卡尔曼滤波器40，其中tn为计算出的第n块doc的出口排气温度。

doc柴油机氧化催化器，用于将废气中的no转化为no2，氧化hc和co，同时为dpf再生时提供燃油燃烧的环境。dpf柴油机颗粒捕集器，用于减少发动机颗粒排放。卡尔曼滤波器是一种用于时变线性系统的递归滤波器。这个系统可用包含正交状态变量的微分方程模型来描述，这种滤波器是将过去的测量估计误差合并到新的测量误差中来估计将来的误差。通过使用卡尔曼滤波器计算当前的最佳温度预估值用于闭环控制，能够有效地提高整个控制系统的响应性及精确性。

其中，本实施例中的卡尔曼滤波器40的基本动态系统模型为

xk＝fkxk-1+bkuk+wk，状态模型；

zk＝hkxk+vk，观测模型；

其中，xk是k时刻的系统状态，uk是k时刻对系统的控制量，fk为作用在xk-1状态向量上的状态转移矩阵，bk为作用在uk向量上的控制矩阵，wk为过程噪声，zk是k时刻的测量值，hk是测量系统的参数，对于多测量系统，hk为矩阵，vk为观测值噪声。

图1为本发明实施例的流程图。如图1所示，利用本发明的实施例(例如下述温度模型)对doc下游温度进行控制，包括以下步骤：

将doc分成n块，其中n大于等于1。

根据热平衡公式：催化器出口总能量＝催化器介质本身能量+催化器入口排气能量+催化器与环境热传递能量+催化器中化学反应放热，计算第n块doc的出口能量，其中1≤n≤n；

催化器介质本身能量：qin1＝cbrick*tin；

催化器入口排气能量：qin2＝cegbrick*tegin；

催化器与环境热传递能量：qin3＝cbrickenv*tenv；

催化器中化学反应放热：qin4＝qfuel*fk；

催化器出口总能量：qout＝cbricksum*tout；

cbrick为介质热容，tin为介质温度，cegbrick为排气热容，tegin为入口排气温度，cbrickenv为环境热容，tenv为环境温度，qfuel为入口油量，fk为转化效率，cbricksum为出口混合热容，tout为出口介质温度。

其中，催化器出口总能量为该时刻的催化器总能量，催化器介质本身能量为上一时刻的催化器介质本身能量，催化器入口排气能量为上一时刻到该时刻从排气传递过来的热量，催化器与环境热传递能量为上一时刻到该时刻从环境中传递过来的热量，催化器中化学反应放热为上一时刻到该时刻在该块doc中的放热量。

根据能量守恒定律求得第n块的出口介质温度tout，即为第n块doc的出口排气温度。

当第n块doc与前一块doc之间的热交换为理想热交换时，则出口介质温度＝出口排气温度，可得cbricksum＝cbrick+cegbrick+cbrickenv。

将doc上游温度传感器采集的温度作为第1块doc的入口温度，doc的入口总油量作为第1块doc的入口油量，根据上述热平衡公式计算第n块doc的出口排气温度。

将第n块doc的出口排气温度和doc下游温度传感器采集的温度输入卡尔曼滤波器。

当n等于1时，doc的上游温度传感器采集的温度即为doc的入口温度，doc的入口总油量即为doc的入口油量。

其中，卡尔曼滤波器的基本动态系统模型为

xk＝fkxk-1+bkuk+wk，状态模型；

zk＝hkxk+vk，观测模型；

其中，xk是k时刻的系统状态，uk是k时刻对系统的控制量，fk为作用在xk-1状态向量上的状态转移矩阵，bk为作用在uk向量上的控制矩阵，wk为过程噪声，，zk是k时刻的测量值，hk是测量系统的参数，对于多测量系统，hk为矩阵，vk为观测值噪声。

根据卡尔曼滤波器预估在第n块doc的出口排气温度下的最优温度估计值，利用最优温度估计值作为pid控制的闭环反馈温度。

具体地，卡尔曼滤波器计算在第n块doc的出口排气温度下的最优温度估计值，包括以下步骤：

根据k-1时刻的温度值xk-1来预测k时刻的温度其中，xk-1为k-1时刻的最佳估计值，为k时刻的预测值：

计算预估计协方差矩阵：

计算卡尔曼增益矩阵：

用预测值和观测值更新估计值：

计算更新后估计协方差矩阵：

重复以上步骤，得到最后的估计值，用于闭环反馈。从而根据pid调节输出相应的反馈流量，在doc内燃烧，提高dpf的上游温度，满足dpf的再生条件。

通过使用本发明所述的一种用于doc下游温度的控制方法及控制装置，能够有效的利用卡尔曼滤波器计算出当前温度下的最佳估计值用于闭环反馈，提高整个控制系统的响应性，从而控制hc喷嘴能够合理的喷射油量，从而提高dpf的温度，氧化已经捕集的颗粒，使dpf再次获得捕集颗粒的能力。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。