SCR系統中基于模型的電子控制系統軟件開發應用＊

劉軍 王明遠 董孝虎 周磊

（1.江蘇大學，鎮江 212013；2.凱龍高科技股份有限公司，無錫 214177）

SCR系統中基于模型的電子控制系統軟件開發應用＊

劉軍1王明遠1董孝虎2周磊1

（1.江蘇大學，鎮江 212013；2.凱龍高科技股份有限公司，無錫 214177）

研究了SCR系統控制策略，利用MATLAB/Simulink建立了SCR系統控制算法模型并進行了驗證，借助Embedded Coder自動代碼生成工具，實現算法模型至標準C代碼的生成。通過與底層程序集成，編譯下載至MC9S12XEP100控制器，進行了臺架試驗。試驗結果表明，所開發的SCR系統軟件可以使發動機滿足國Ⅴ排放標準。

1 前言

選擇性催化還原（SCR）技術因其對燃油品質要求不高、油耗低、技術可持續性好等優點，成為中重型柴油車后處理的主流技術[1]。SCR系統的核心在于其電子控制系統，目前國內技術還不夠成熟，與國外產品還有很大差距。因此，本文基于課題組所搭建的SCR系統，進行了基于模型的電子控制系統軟件開發。

2 基于模型設計的開發流程

基于模型的設計主要針對系統應用層控制策略，即通過對系統應用層算法策略建模進行軟件設計的過程。本文基于模型的設計流程是基于MATLAB/Simulink，利用Embeded Coder生成C代碼，也可以使用TargetLink、ASCET等其它代碼生成工具。具體流程如圖1所示[2]。主要包括需求、設計與實現3個模塊，并且緊密關聯。確定需求后，Simulink/Stateflow平臺下搭建系統模型即可執行技術規范；在設計階段，將檢查驗證過后的模型進行定點化處理，以方便生成的代碼在嵌入式系統中應用；在實現階段利用Embeded Coder進行代碼的自動生成，同時可以選擇性的進行軟件在環測試（SIL）、處理器在環測試（PIL）或硬件在環測試（HIL）；最后進行生成代碼與底層手寫代碼的集成，有條件可以使用PolySpace對最終代碼作靜態有效性檢查。

3 SCR系統控制策略

SCR系統的功能是在柴油機運行過程中，通過供給裝置向排氣中噴入一定量（32.5%）的尿素水溶液，以此降低NOx排放。所以應用層控制策略主要由尿素噴射量計算策略和尿素泵狀態轉換控制策略組成。

3.1 尿素噴射量計算策略

尿素噴射量計算是SCR控制系統的核心，與發動機排放是否達標密切相關。尿素噴射量計算策略主要包括尿素基本噴射量計算、穩態修正策略、溫度修正策略和儲氨修正策略等。

圖1 基于模型的開發流程

3.1.1 尿素基本噴射量計算

尿素溶液的基本需求量的計算過程為：在發動機排氣流量MAP和原機NOx排放MAP中，線性插值得到排氣流量和原機NOx體積濃度，以此來計算NOx質量流量，公式如下：

式中，mNOx為NOx的質量流量；m為排氣質量流量；fNOx為NOx體積濃度；λ為NOx與排氣的摩爾質量比。

一般NOx摩爾質量取46 g/mol，排氣摩爾質量取29 g/mol，也可以根據下游NOx傳感器輸出的O2濃度信號間接計算獲取[3]。

NH3的需求量為：

其中，mNH3為NH3的需求量；n1為轉換系數，n1=0.37。

理想狀態下，1 mol的NH3與1mol的NOx完全反應。一般在實際計算中用NO2的摩爾質量來代替NOx的摩爾質量，即17 g的NH3與46 g的NOx完全反應，從而求得化學計量因子n1。

尿素的基本需求量：

式中，M為尿素溶液的基本需求量；n2為NH3與尿素溶液需求量之間的質量轉換系數，取5.425。

由公式（1）～公式（3）聯立可得[4]：

3.1.2 穩態修正策略

穩態修正策略是SCR系統在發動機穩態工況下，根據催化劑對NOx的轉化效率對基本噴射量進行的修正。理想狀態下，NOx與NH3按照1∶1的比例反應。但實際情況中，催化劑的催化特性主要受到排氣溫度和排氣空速的影響，在一定溫度區間內，溫度越高，催化劑活性越好，反應越徹底；而空速越大，NH3停留在催化劑中的時間越短，越不利于與NOx反應[5]。

因此在得到尿素溶液基本噴射量的基礎上，需要根據催化劑對NOx的轉化效率MAP線性插值得到催化劑轉化效率，乘以理論噴射量得到穩態修正后的尿素溶液噴射量。催化劑轉化效率MAP要標定合理，若轉化效率標定過低，NOx排放達不到要求，過高則容易發生氨泄漏。一般在發動機試驗標定時，手動控制調節尿素溶液噴射量，以10-6的氨泄漏為限制，試驗獲取催化劑轉化效率MAP圖。

3.1.3 溫度修正策略

在穩態工況中，只考慮了發動機系統各參數，如轉速、扭矩、催化器溫度等均達到穩定的情形，但是發動機在過渡過程中具有不確定性，當負載突然增加或突然減小時，由于催化器載體等有一定熱容，催化器溫度不會突然發生較大變化，而是緩慢增減到穩態工況對應的溫度值。穩態修正只根據穩態工況下的溫度計算噴射量，因此需要進行瞬態修正[4]。

根據發動機轉速和循環噴油量，在發動機排溫MAP中線性插值得到此工況發動機排氣溫度，得到排氣溫度后與催化器溫度模塊計算的溫度值進行比較，得到溫度差，溫度差和溫度模塊計算得到的溫度值在溫度修正MAP中線性插值得到溫度修正系數，如圖2所示。溫度修正后的尿素溶液噴射量可以由穩態修正后的噴射量乘以當前溫度修正系數得到。

圖2 溫度修正系數

3.1.4 儲氨修正策略

應用SCR技術控制NOx排放水平低于國Ⅴ標準，通常采用基于NOx傳感器或NH3傳感器的閉環控制或是基于儲氨模型的控制策略，前者通過SCR出口處的NOx或NH3排放值來動態調節尿素噴射量，從而滿足排放法規和氨氣泄露要求。這種控制方式的好處是可以消除系統誤差及催化器老化的影響，缺點是NOx傳感器對NH3有交叉敏感性，而NH3傳感器還在試驗研究階段，沒能實現量產。基于儲氨模型控制的方式相對計算較大，但是通過對催化劑儲氨能力的標定，可以避開復雜的控制系統。

SCR系統的特點是催化器可以存儲容納一定量的氨氣。其儲氨能力主要與溫度和空速有關，溫度越低，空速越小，儲氨能力越強[5]。儲氨修正的基本思路是控制當前工況下催化器的氨存儲量在安全限值附近，當其低于氨存儲量安全限值時通過增大噴射量來增加氨存儲量，當其高于氨存儲量安全限值時通過減小噴射量來降低氨存儲量。安全限值可以通過該工況下NH3的飽和存儲量乘以一個小于1的系數得到。催化器中的氨存儲量等于本周期內的氨加入量減去本周期內的氨消耗量，再加上個噴射周期結束時的氨存儲量。由于氨泄漏量非常小甚至沒有，因此計算中可以忽略氨泄漏量。最后根據此工況氨存儲量與安全限制比較進行修正，得到最終的需求噴射量。

3.2 尿素泵控制策略

尿素泵是SCR系統最主要的供給部件，主要有Init狀態、Pump off狀態、Priming狀態、Dosing狀態和Purging狀態5個工作狀態。在系統運行過程中尿素泵根據鑰匙電、請求狀態等各種輸入信號進行狀態轉換控制。轉換過程相對比較復雜，而Simulink中的Stateflow模塊在狀態控制方面有很大優勢，因此基于Stateflow建立了尿素泵狀態轉換控制模型，如圖3所示。

圖3 尿素泵控制策略模型

系統上電后尿素泵首先進入初始化狀態，配置初始化芯片及各端口寄存器，然后根據尿素泵請求狀態（Req）、鑰匙開關信號（Key）、故障標志（OBD_Flg）值和壓力開關AD（PressureAD）等信息進行狀態轉換。雙擊Priming狀態圖，如圖4所示。在狀態圖中可以很方便地進行尿素泵建壓的流程控制設計，圖中為仿真及觀測方便將一些標定量取真實數值代替，如預注建壓狀態下各時間段閾值，也將一些信號參數名進行了簡化。同時為了方便與底層驅動關聯，利用Stateflow調用了飛思卡爾MC9S12XEP100控制器底層驅動程序文件。

尿素泵仿真結果如圖5所示，其中，SCR_stAct為系統當前狀態，SCR_Req為系統請求狀態，SCR_Key為鑰匙電信號，OBD_Flg為故障標志位，PressureAD為壓力開關AD值。上電后尿素泵首先進入Pump off狀態。當請求Dosing命令時，尿素泵開始預注建壓，即當前狀態為Priming狀態，同時系統判斷建壓是否成功，當壓力開關AD值到達一定閾值時，系統自動進入Dosing狀態。在Dosing狀態，如果系統請求Pump off或故障標志位置1或鑰匙下電，系統當前狀態會進入Purging，吹掃結束后進入Pump off狀態。當鑰匙下電或故障位置1，系統對請求的命令不予響應，仍處于Pump off狀態。當恢復鑰匙電或故障位置零時，系統可以響應系統請求命令。從仿真圖中可以看出，利用Stateflow搭建的尿素泵控制策略可以根據輸入進行準確的狀態轉換。

圖4 建壓控制流程

圖5 尿素泵仿真結果

4 自動代碼生成

在基于模型的設計流程中代碼可由前期仿真驗證過后的模型自動生成。Simulink生成代碼的流程如圖6所示[6]。

圖6 Simulink自動生成代碼的流程

策略模型搭建完成后，進行運行仿真，還需要使用Model Advisor檢查模型中的設置是否會導致生成的代碼無效或不符合MISAR、MAAB等標準規范，根據檢查報告，可以對模型進行修改，使其滿足規范。模型檢查滿足規范后，可以利用Simulink Design Verifier自動生成測試用例進行模型的驗證或手工添加設計測試用例進行驗證。

經過模型仿真、檢查和驗證，可以基本確定模型的可行性，接著需要進行模型的定點化。定點化可以通過人工手動定標，也可以借助Fix-Point Advisor工具箱自動定標，定標完成后還可以使用Fix-Point Tool對定標的數據進行優化。

模型定點化完成后就可以進行代碼的自動生成以及相關的在環測試。代碼生成最重要的工作是數據管理，同時需要對模型的Configuration Parameters進行相關配置，如系統目標文件System target file需要選擇為ert.tlc，解算器選擇固定步長等，也可以使用Generation Advisor進行快速配置。

通過比較控制算法的模型仿真與生成的代碼仿真對比，可以有效校驗Simulink生成的代碼在執行上是否與模型一致。對SCR系統尿素噴射量模型的仿真對比可以看出，生成的代碼與模型的仿真沒有誤差。

5 試驗驗證

將Simulink/Embeded Coder生成的應用層控制策略代碼與底層驅動程序集成，編譯下載至飛思卡爾MC9S12XEP100控制器中,對基于模型的設計開發控制策略進行了驗證。

5.1 獨立尿素泵功能驗證

SCR系統控制策略搭建完成后首先對尿素泵的功能進行驗證。在實驗室中以水溶液代替尿素溶液，在CANoe中建立DCU節點對尿素泵的功能性進行試驗驗證。試驗結果可以看出，尿素泵可以很好的完成控制狀態的轉換，試驗結果與仿真結果表現一致，表明MBD流程開發的尿素泵狀態轉換控制策略可以滿足系統需求。

5.2 發動機臺架測試

驗證尿素泵的功能后，對所開發的SCR控制系統進行了臺架排放試驗。試驗設備主要由發動機、控制柜、測功機、尾氣分析儀、催化消聲器、尿素泵、尿素箱、計算機及線束傳感器等組成。

5.2.1 ESC試驗

國Ⅴ法規要求NOx限值為2.0 g/kW·h，經計算本試驗NOx比排放為1.606 g/kW·h。ESC試驗結果表明（見圖7），基于模型設計開發的上層控制策略能夠較好地控制SCR系統，使某配套柴油發動機的排放滿足國Ⅴ階段ESC標準。

圖7 ESC工況測試結果

5.2.2 ETC試驗

ETC測試工況由城區行駛工況、鄉村行駛工況和高速公路行駛工況3種不同的行駛工況組成，是逐秒變化的瞬態工況。測試循環的每部分長600 s，循環總長為1 800 s。通過催化器前和催化器后NOx排放對比可以看出，運用基于模型的設計開發的SCR系統程序可以較好地控制NOx排放；經計算NOx最終的排放值為1.527 g/kW·h，滿足國Ⅴ排放ETC標準。

6 結束語

本文以基于模型的設計為基礎，研究了SCR系統控制策略，利用MATLAB/Simulink建立了相應的控制模型，經仿真驗證后生成代碼，并于底層代碼集成編譯下載到控制器。試驗表明，所開發的SCR系統軟件可以使發動機滿足國Ⅴ排放標準。基于模型的設計縮短了產品的開發周期，降低了產品研發成本，是一種快速可行的軟件開發方法。

1 Hirata K,Masaki N,Ueno H,et al.Development of Urea-SCR System for Heavy-Duty Commercial Vehicles[R].SAE Technical Paper,2005.

2 劉杰.基于模型的設計及嵌入式實現.北京：北京航空航天大學出版社，2011.

3 劉傳寶.柴油機氨基SCR系統控制策略與匹配研究[D].武漢理工大學,2013.

4 劉軍,李敏,秦國振.柴油機選擇催化還原系統的DCU控制研究[J].汽車技術,2013,(01):12-14+19.

5 趙彥光.柴油機SCR技術尿素噴霧熱分解及氨存儲特性的試驗研究[D].清華大學,2012.

6 孫忠瀟.Simulink仿真及代碼生成技術入門到精通.北京：北京航空航天大學出版社，2015.

Development and Application of Model Based Electronic Control Software of SCR System

Liu Jun1,Wang Mingyuan1,Dong Xiaohu2,Zhou Lei1
（1.Jiangsu University,Zhenjiang,212013;2.Kailong Hi-tech Co.,Ltd,Wuxi,214177）

The control strategy of SCR system was researched,the control algorithm model of SCR system was established and verified by MATLAB/Simulink,and with the aid of Embedded Coder automatic code generation tool,the standard C code was generated from the algorithm model.The generated code was integrated with the underlying program,compiled and downloaded to the MC9S12XEP100 controller for the engine bench testing.The experimental results show that the developed SCR system software can help the engine to meet China V emission standard.

SCR system,Model based design,Strategy,Code generation

SCR系統 基于模型的設計 策略 代碼生成

U464.134 文獻標識碼：A 文章編號：1000-3703（2017）12-0039-04

江蘇省科技成果轉化專項資金項目（BA2012045）。

（責任編輯簾 青）

修改稿收到日期為2017年10月5日。