[发明专利]一种柴油机SCR系统氨气输入传感器故障诊断和容错控制方法

权利要求书

1.一种柴油机SCR系统氨气输入传感器故障诊断和容错控制方法，其特征在于：

包括以下步骤：

第一步，设置柴油机SCR系统NH₃输入传感器故障诊断和容错控制系统，所述的控制系统包括NH₃输入浓度传感器、NH₃输入浓度估计模块、NH₃传感器故障诊断模块和容错控制模块，所述的NH₃输入浓度传感器和NH₃输入浓度估计模块分别通过线缆接入NH₃传感器故障诊断模块，NH₃传感器故障诊断模块通过线缆接入容错控制模块；

第二步，根据SCR系统参数，设置NH₃输入浓度阈值Δδ_(T)和时间阈值T_(T)；

第三步，NH₃输入浓度传感器测量NH₃输入浓度测量值δ₀，并将NH₃输入浓度测量值δ₀的信号输送至NH₃传感器故障诊断模块；NH₃输入浓度估计模块估算NH₃输入浓度估计值并将NH₃输入浓度估计值的信号输送至NH₃传感器故障诊断模块；NH₃传感器故障诊断模块根据接收到的信号计算NH₃输入浓度残差Δδ，计算公式如下：

第四步，比较NH₃输入浓度残差Δδ和NH₃输入浓度阈值Δδ_(T)，若Δδ≤Δδ_(T),则进入第五步；若Δδ>Δδ_(T)，则继续测量NH₃输入浓度残差Δδ大于NH₃输入浓度阈值Δδ_(T)持续的时间T₁，若T₁<T_(T)，则进入第五步；否则进入第六步；

第五步，NH₃传感器故障诊断模块确定NH₃输入传感器正常，并将NH₃输入浓度测量值δ₀和NH₃输入浓度估计值输送至SCR系统容错控制模块，容错控制模块输出最终的NH₃输入浓度实际值

第六步，NH₃传感器故障诊断模块确定NH₃输入传感器发生故障，并将NH₃输入浓度测量值δ₀和NH₃输入浓度估计值输送至SCR系统容错控制模块，容错控制模块将NH₃输入浓度估计值作为最终的NH₃输入浓度实际值，并发出传感器故障警报，停止诊断。

2.根据权利要求1所述的一种柴油机SCR系统氨气输入传感器故障诊断和容错控制方法，其特征在于：第三步中所述的NH₃输入浓度估计值的计算方法如下：

(1)根据SCR系统内化学反应，及摩尔守恒和质量守恒建立状态空间模型，

其中，r_m为反应速率，m＝ad，de，ox，re；ad代表氨气吸附过程反应速率；de代表氨气解吸附过程反应速率；ox代表氨气氧化反应速率；re代表氨气还原NOx反应速率；K_m表示相应反应过程的反应系数，E_m表示相应反应过程的化学反应活化能，R表示反应常数，T表示温度；C_NO和分别是NOx和氨气的浓度；表示氨气入口的输入浓度，C_NO,in表示柴油机排出尾气中NOx的浓度，即SCR系统NOx的输入浓度；是SCR装置内的氨气覆盖率；F是尾气流速；V是SCR装置的体积；和分别为氮氧化物浓度的变化率、氨气浓度的变化率和SCR罐内氨气的覆盖率的变化率；

(2)将状态空间模型与自适应无迹卡尔曼滤波方程结合起来；UKF估计状态分为两步，包括预测和更新；非线性系统的UKF方程表示如下：

x(k)＝f[x(k-1),u(k)]+w(k) (2)

z(k)＝h[x(k)]+v(k)， (3)

方程(2)是预测方程，x(k)代表状态向量，u(k)是输入向量，w(k)代表高斯过程噪声,f()是预测函数；方程(3)是更新方程，也叫观测方程，它包括观测向量z(k)，观测函数h(x)和高斯观测噪声v(k)；其中预测过程包括以下几个步骤：

a)构造sigma点；

在k-1步，根据随机状态变量x的统计量和协方差P_k-1构造sigma点集；

其中λ是第一个尺度参数，λ＝α²(n_x+q)-n_x，n_x为状态空间维数；

q是第二个尺度参数，α设定为一个很小的常数；

b)对sigma点进行传播计算；

转换公式如下，其中u代表输入；

c)计算输出先验均值与误差协方差；

输出的先验均值与误差协方差计算公式计算如下：

其中Q为噪声协方差，和W_c⁽ⁱ⁾为计算先验均值和误差协方差的加权，定义如下：

其中β为常数；

(2)更新过程；

a)构造sigma点；

根据上面计算出的先验状态估计，再次构造sigma点；

b)计算预测输出；

传播计算每个sigma点，

则预测输出公式如下：

c)计算卡尔曼增益；

在这个过程中同时需要一个最佳的卡尔曼增益K_k，计算方程如下所示：

其中，是预测出输出误差协方差，是均值与预测输出交叉协方差，R是噪声协方差；

d)计算后验状态估计和后验协方差；

在第k步，根据输出的测量值，计算出后验的状态和协方差：

其中，Y_k表示第k步的实际测量值，表示估计的观测值；

自适应无迹卡尔曼滤波AUKF算法公式如下所示：

d_k＝(1-b)/(1-b^k+1)(20)

其中，d_k是一个比例常数，b表示一个遗忘因子，ε_k表示传感器测得的真实值与估计值之间的误差，Q_k表示过程噪声协方差，R_k表示测量噪声协方差，K_k表示卡尔曼增益，P_k表示误差协方差，Z_k表示测量值，h(x)表示估计值；

假设NOx输入、输出浓度和NH₃输出浓度已经由传感器测得，通过AUKF算法来估计NH₃输入浓度；认为NH₃输入浓度的微分为零，公式如下：

根据AUKF算法原理，选用NH₃输入浓度和SCR内氨气覆盖率作为预测方程的两个状态量，公式表达如下：

其中ΔT表示AUKF计算方程中每步迭代更新时间；

在建立观测方程时，选择传感器器测量的NH₃输出浓度和NOx输出浓度作为两个状态量，观测方程如下所示：

其中定义，

根据上述的预测方程和观测方程，经过AUKF迭代计算，便可以估计出NH₃输入浓度