柴油機Urea-SCR裝置非線性自抗擾控制系統研究

劉丙善, 呂林, 張仁敏

(武漢理工大學 高性能船舶技術教育部重點實驗室，湖北 武漢 430063)

柴油機Urea-SCR裝置非線性自抗擾控制系統研究

劉丙善, 呂林, 張仁敏

(武漢理工大學 高性能船舶技術教育部重點實驗室，湖北 武漢 430063)

針對柴油機SCR裝置現有控制系統精度低和動態響應性能差引起NOx排放超標的問題，本文依據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控制系統的動態響應性能，將控制系統所處的內外擾動歸結為“總和擾動”，并利用擴張狀態觀測器估計和補償總和擾動作用。研究結果表明：基于非線性自抗擾控制技術的SCR裝置控制系統具有良好的擾動抑制能力和動態響應性能，可以有效地避免柴油機NOx排放超標，能夠支撐現階段的國五排放型式認證，并對國六階段SCR裝置控制方案開發提供重要的指導作用。

非線性；自抗擾控制器；選擇性催化還原；柴油機；氮氧化物；排放；故障診斷

Urea-SCR裝置自歐Ⅳ階段開始逐漸發展為降低柴油機NOx排放量的主流裝備[1-5]。柴油機排放法規持續升級對NOx轉化效率和排放量控制準確性的要求逐步提高[6-8]，促使SCR裝置控制系統成為重要的研究課題。

Urea-SCR系統為大時滯對象且具有擾動多樣的特征，在解決其控制問題上，現有控制技術遇到瓶頸，而非線性自抗擾控制技術(nonlinear active disturbance rejection control，NADRC)表現出較好的綜合控制品質。

1 SCR裝置控制系統的性能需求

車用柴油機排放水平正處于國四階段向國五階段過渡的時期，國六排放標準也即將正式出臺，匹配Urea-SCR裝置將作為柴油機應對當前排放要求和排放升級的共用技術平臺。典型的車載Urea-SCR裝置主要由添藍(32.5%質量濃度的尿素水溶液，用于產生還原劑-NH3)加注模塊、催化器模塊和控制診斷模塊構成(見圖1)。

添藍加注模塊為控制量(添藍流量)的執行機構，實現添藍的計量、輸送及加注；催化器模塊為NH3與NOx的催化還原反應提供場所及催化作用；控制診斷模塊為中央控制單元，集成了添藍流量控制和故障診斷(on board diagnostics，OBD)功能。

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

1.1 車用柴油機排放標準動態

GB17691-2005《車用壓燃式、氣體燃料點燃式發動機與汽車排氣污染物排放限值及測量方法(中國Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ階段)》規定，國五柴油機排放型式認證基于歐洲穩態測試循環(European steady cycle，ESC)和歐洲瞬態測試循環(European transient cycle，ETC)進行[6]，相應的NOx排放限值示于表1。車用柴油機國六排放標準雖然尚未正式出臺，但將與歐Ⅵ(見表1)接近[7]，測試循環也將采用世界統一穩態試驗循環(world harmonized steady-state cycle，WHSC)代替ESC循環，采用世界統一瞬態試驗循環(world harmonized transient cycle，WHTC)取代ETC循環，NOx排放許可限值預計設定在0.4～0.5 g/(kw·h)。

表1 車用柴油機排放測試循環與NOx排放限值

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

測試循環NOx排放限值國五階段ESCETC2.002.00歐Ⅵ階段WHSCWHTC0.400.46

目前，部分國五柴油機在實際應用中發生NOx排放超標的問題，激活扭矩限制器的行為嚴重地影響了車輛的正常使用[8]。本文研究發現，車輛運營期間時常存在多方面的擾動因素，SCR裝置控制系統抑制擾動能力不足是造成NOx超標的主要原因[9]。

另一方面，根據柴油機傳統燃燒技術的研究現狀，難以通過燃燒優化使機內NOx排放降至3.5 g/(kw·h)以下，意味著在國六階段90%以上的NOx需要借助SCR裝置來進行處理。此外，國六階段排放認證循環將向低溫區域偏移，催化還原反應的速率必將受到壓制，因此SCR控制系統的動態響應能力面臨新的需求。

綜上，解決SCR裝置在車用柴油機上的可靠應用問題，需要提高其控制系統抑制擾動的能力和動態響應性能。

1.2 對象的多元可變阻容特性

本文針對多套Urea-SCR裝置進行應用研究發現，對象控制輸入(添藍流量)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4.7 L柴油機及其SCR裝置為例，在柴油機工況充分穩定時，對象的被控輸出隨著控制輸入的變化呈現出類似阻容特性曲線的特征(見圖2)，且被控輸出的變化相對控制輸入的改變存在明顯的滯后(圖2中約滯后6 s)。進一步研究表明，“阻”和“容”的大小與排氣溫度、空速和添藍流量等因素有關，可見Urea-SCR裝置的數學模型具有不確定性。

根據上述類似阻容曲線的試驗現象，可使用帶純時滯的一階慣性環節作為Urea-SCR裝置數學模型的一般形式。依據圖2數據進行模型參數辨識發現，時滯τ=6 s，而時間常數T=8.7 ms，即τ/T=689.7，可見Urea-SCR裝置為大時滯對象[10]。

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

1.3 現有控制技術遇到的問題

鑒于SCR裝置的數學模型具有不確定性，自適應控制技術在該裝置上得到應用嘗試，然而模型參數的準確估計對發動機工況提出過于苛刻的要求，因此在實際應用中存在局限性[11]。經典PID控制雖然不依賴對象的精確模型，但由于信號處理簡單和微分反饋難以發揮作用，在NOx高度轉化和準確控制問題上出現矛盾[11]。開環控制可以針對已知擾動建立補償機制，成為當前車用柴油機SCR裝置主流的控制模式，但對未知擾動和不可建模因素帶來的影響無能為力，在排放升級的驅使下，以復雜控制模型和繁瑣標定程序為代價的開環控制模式正走入困境。

2 非線性自抗擾控制技術的可行性

反饋控制是提高SCR裝置NOx控制準確性和轉化效率的重要途徑。經典PID控制存在信號處理過于簡單的問題，基于對象精確模型的技術舍棄了PID控制的最大優點。非線性自抗擾控制技術繼承了“采用對象控制目標與被控輸出之間的誤差來決定控制策略”的過程控制思想，吸納了現代數字信號處理技術，開發了狀態誤差反饋信號的非線性組合方式，克服了經典PID控制應用于時滯對象的缺陷。

2.1 非線性自抗擾控制器的框架結構

自抗擾控制技術考慮的外部擾動為影響被控輸出且與系統狀態無關的干擾因素，內部擾動則為影響系統被控輸出且與系統狀態有關的不確定性。自抗擾控制以積分器串聯型線性系統為標準型，將被控對象中不同于標準型部分的影響擴張為新的狀態變量，并構造擴張狀態觀測器予以實時地估計與補償，從而將被控對象轉化為標準結構，針對標準型設計誤差反饋控制率。以二階非線性對象為例，其非線性自抗擾控制器的基本框架結構示于圖3。

圖3 二階對象的非線性自抗擾控制器結構Fig.3 Layout of NADRC for a second-order object

非線性自抗擾控制器主要由對象控制目標的過渡過程、擴張狀態觀測器和狀態誤差反饋增益的非線性組合三個模塊組成。通過為對象控制目標合理安排過渡過程(v1)解決時滯對象反饋控制中原始誤差的產生問題，并給出過渡過程的微分信號(v2)；擴張狀態觀測器用于估計原系統的狀態變量(z1和z2)以及擴張的狀態變量(z3)，通過特定的反饋率對總和擾動作用進行補償；誤差反饋信號的非線性組合用于提高控制系統的靈敏性并降低超調的風險。

2.2 大時滯對象控制的處理方式

在自抗擾控制技術應用于時滯對象的情況下，時滯環節存在四種近似處理方法，即無視時滯法、提高階次法、輸出預估法和輸入預估法[12]。

本文在采用帶純時滯的一階慣性環節作為SCR裝置數學模型一般形式的基礎上，采用提高階次法將對象的時滯算子近似成一階慣性環節，從而把時滯對象轉化為二階振蕩對象，其近似誤差作為一個擾動因素。

2.3 總和擾動作用的估計與補償

由于擾動形式的多樣性，Urea-SCR裝置控制系統成為非線性系統。自抗擾控制技術通過構造擴張狀態觀測器，可將SCR裝置控制系統總和擾動的實時作用量擴充成新的狀態變量。

擴張狀態觀測器是一個動態過程，只使用了原對象的輸入-輸出信息，而SCR裝置控制系統滿足能觀性的條件，因此可根據系統輸出提煉總和擾動的實時作用量。有了被擴張狀態的估計值，在補償因子b0已知的條件下可實現控制量的補償，從而將SCR裝置控制系統改造成積分器串聯型線性系統。

3 SCR非線性自抗擾控制系統設計

Urea-SCR裝置控制系統具有大時滯、不確定性和非線性特征，自抗擾控制技術通過總和擾動作用的估計與補償將其轉化為積分器串聯型線性系統。本節著重設計Urea-SCR裝置的非線性自抗擾控制系統。

3.1 SCR裝置控制系統總體結構

根據Urea-SCR裝置的工作原理(見圖1)，其基于二階非線性自抗擾控制技術的控制系統總體結構可表示為圖4的形式。

圖4 Urea-SCR裝置控制系統的總體結構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現

3.2.1 二階非線性自抗擾控制器設計

形式上，自抗擾控制器的擴張狀態觀測器和總和擾動估計與補償相對固定，而被控目標的過渡過程和狀態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控制目標安排合理的過渡過程，實現對系統輸入信號的快速無超調跟蹤并給出良好的微分信號；選擇冪次函數構造狀態誤差反饋增益的組合形式，利用其非線性效應提高NOx控制的靈敏性并抑制超調現象；使用三階擴張狀態觀測器估計振蕩環節的總和擾動作用，并采用特定的反饋律對其進行補償。Urea-SCR裝置二階非線性自抗擾控制器的結構示于圖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，ν1為針對NOx控制目標安排的過渡過程，ν2為過渡過程的微分信號；z1、z2為被控對象狀態變量的估計值，z3為總和擾動作用的估計值；u0為所需降低的NOx體積濃度，由狀態變量誤差反饋增益非線性組合生成；b0為補償因子，u為補償之后所需降低的NOx體積濃度，k為NOx體積濃度向添藍體積流量轉換的系數，是發動機排氣流量的函數；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控制目標安排過渡過程。

二階最速跟蹤微分器的離散形式為

(1)

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

2)擴張狀態觀測器。

(2)

式中：β01、β02和β03為擴張狀態觀測器的增益；α01和α02為適當的常數；δ01和δ02為線性區間的長度；fal(e,a,d)為冪次函數，其具體表達式為

(i=1,2)

3)非線性組合。

(3)

式中：k1和k2為狀態誤差反饋增益，δ1和δ2為線性區間長度，α1和α2為適當的常數，b0為補償因子。

3.3 非線性自抗擾控制器參數整定

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、擴張狀態觀測器和狀態誤差反饋非線性組合的參數值。研究發現，在SCR裝置非線性自抗擾控制器的上述參數中，狀態誤差反饋增益k1、k2以及補償因子b0為重點整定對象，鑒于非線性自抗擾控制器參數整定的理論尚不成熟，本文出于簡化SCR裝置控制系統開發的目的，結合經驗試湊和指標尋優進行了控制器參數整定，其結果示于表2。

表2 非線性自抗擾控制器參數及整定結果

4 非線性自抗擾控制系統試驗評價

為評價Urea-SCR裝置非線性自抗擾控制系統的動態響應性能和擾動抑制能力，針對某臺4.7 L車用柴油機及其Urea-SCR裝置組織了臺架試驗。緊貼法規要求，采用測試循環NOx比排放作為控制系統動態響應性能的評價指標，采用NOx比排放控制的準確程度作為抑制擾動能力的評價指標。

該柴油機的壓縮比為17.5∶1，缸徑為110 mm，額定功率為132 kW，額定功率轉速為2 650±50 r/min，最低比油耗為200 g/(kw·h)，燃油軌最高設計壓力為160 MPa。本文使用了Groudfos公司生產的AAS Generic G2.5型添藍加注裝置和Continental AG公司生產的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 試驗條件與設備

臺架試驗在標準大氣環境下進行，發動機額定工況下的進氣總管溫度控制在47±2℃，燃油進油溫度控制在40±2℃，冷卻水出水溫度控制在88±2℃，以保持試驗條件的一致性。測功機為AVL DYNOSL型，排放分析儀為AMAi60型，氨氣分析儀為LS25型。

4.2 基礎數據配置與系統狀態變量初始值標定

標定矩陣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求解,其求解公式為:

4.2.1 控制系統基礎數據配置

SCR非線性自抗擾控制系統需要NOx控制目標脈譜和柴油機排氣流量脈譜作為基礎數據。本文通過萬有特性試驗獲取了上述數據。柴油機排氣流量脈譜示于圖6，NOx控制目標脈譜示于圖7。

4.2.2 系統狀態變量初始值標定

在運行ETC期間發現，柴油機排氣溫度偏低且變化劇烈，以致控制量在“非零”和“為零”狀態之間頻繁切換。根據狀態誤差反饋增益的離散算法，在控制量向“非零”狀態切換的時刻，控制作用的大小與系統狀態變量的取值(以下簡稱為“系統狀態變量初始值”)有關，在初始值取零的情況下控制作用將被嚴重地削弱，難以得到理想的NOx排放控制效果。因此，本文以適當提高初始控制作用為指導思想，對系統狀態變量初始值進行試驗標定并得到表3 所示的結果。

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

圖7 柴油機NOx控制目標脈譜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

狀態變量初始值狀態變量初始值v1150z20 v20 z317500z1150u0-1160

4.3 排放測試循環試驗

通過基礎數據配置和系統狀態變量初始值標定，SCR裝置非線性自抗擾控制系統被確定下來。進一步地，針對該系統分別開展了ESC和ETC試驗來研究其綜合控制品質。

4.3.1 ESC試驗結果與分析

ESC試驗表明，柴油機機內NOx比排放為10.1 g/(kw·h)，被控輸出為1.85 g/(kw·h)，低于國五階段的排放限值。循環期間添藍流量、被控輸出以及氨氣泄漏濃度示于圖8，相關計算結果示于表4。

圖8 添藍流量、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試驗結果

4.3.2 ETC試驗結果與分析

進行ETC試驗發現，柴油機機內NOx比排放為11.68 g/(kW·h)，被控輸出為1.66 g/(kW·h)，也低于國五限值。循環期間添藍流量、被控輸出以及氨氣泄漏濃度示于圖9，相關計算結果示于表4。

圖9 添藍流量、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試驗期間，發動機多次出現倒拖工況，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，應用同一策略對Urea-SCR裝置進行控制，NOx轉化效率依然能夠達到85.8%，氨氣泄漏平均值也遠低于許可限值[8]，能夠符合柴油機國五階段的排放要求。

4.4 抗擾能力試驗

改善動態響應特性和提高擾動抑制能力是本研究對Urea-SCR裝置新型控制系統提出的兩大核心需求。為此，進一步地引入擾動因素來評價該系統抑制擾動作用的能力。

具體地，以21%質量濃度的尿素水溶液(以下簡稱“劣質添藍”)取代添藍作為還原劑，保持柴油機及其Urea-SCR系統的參數不變，再次進行ESC試驗來考察NOx比排放和氨氣泄漏情況。添藍流量、被控輸出以及氨氣泄漏濃度示于圖10，相關計算結果示于表4。

圖10 添藍流量、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抗擾試驗與ESC排放試驗數據發現，兩項試驗期間發動機工況、排氣流量以及進氣溫度的一致性較好，但受制于進氣空調的能力，進氣相對濕度出現顯著的差異，以致機內NOx比排放發生了明顯的變化[9]。另一方面，抗擾試驗中使用劣質添藍引起排氣中水分增加，催化器溫度相對排放試驗也有所降低。因此，SCR控制系統實際上處于添藍劣化、機內NOx濃度和排氣溫度變化等內外擾動作用之下。

抗擾試驗結果表明，NOx比排放結果與排放循環試驗結果較為接近，NOx排放控制的準確性得到保證，說明Urea-SCR裝置非線性自抗擾控制系統有效地抑制了來自多方面的擾動作用。

4.5 減排潛力試驗

國六階段SCR裝置對NOx轉化效率的需求將達到90%左右。在上述試驗中發現，氨氣泄漏平均值低于OBD標準的限值，本文對NOx控制目標脈譜進行整體下調(見圖11)，再次進行ESC和ETC排放試驗，初步地探索了SCR非線性自抗擾控制系統的減排潛力。相關試驗結果示于表5。

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

測試循環機內NOx/(g·(kw·h)-1)被控輸出/(g·(kw·h)-1)氨氣泄漏/(ml·m-3)轉化效率/%ESC10.251.309.9087.30ETC11.791.269.9089.30

減排潛力試驗結果表明，通過適當降低NOx控制目標，ESC和ETC的NOx轉化效率分別達到87.30%和89.30%，而氨氣泄漏值仍然遠低于許可限值，表明該款發動機SCR裝置非線性自抗擾控制系統尚存在可標定空間，通過深入開展精細標定工作，NOx轉化效率有望逼近極限。

5 結論

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

2)SCR裝置非線性自抗擾控制系統具有較好的動態響應性能，能夠更好地提升排放測試循環中NOx的轉化效率。

3)非線性自抗擾控制技術能夠作為SCR柴油機應對高等級排放要求的核心技術儲備，對其控制器的設計開發具有重要的指導意義。

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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.

國家自然科學基金項目(51379165).

劉丙善(1976-),男,高級工程師; 呂林(1961-),男,教授,博士生導師.

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Urea-SCR裝置非線性自抗擾控制系統研究[J]. 哈爾濱工程大學學報, 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.

網絡出版地址：http://kns.cnki.net/kcms/detail/23.1390.U.20170313.1445.008.html