本發(fā)明涉及一種故障診斷方法，特別適用于中重型柴油機(jī)尾氣后處理scr系統(tǒng)中對(duì)輸入nox傳感器的故障診斷。

背景技術(shù)：

scr系統(tǒng)被廣泛應(yīng)用于柴油機(jī)中來減少nox(x＝1,2)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)，它是在系統(tǒng)入口端噴入尿素，利用其水解出的氨氣在催化劑的作用下將nox還原為對(duì)大氣無污染的氮?dú)夂退?/p>

在scr系統(tǒng)中，尿素的噴射是系統(tǒng)唯一的輸入控制，而nox的濃度被認(rèn)為是scr尿素噴射控制中重要的狀態(tài)參數(shù)，所以nox的輸入濃度對(duì)控制算法的設(shè)計(jì)至關(guān)重要?，F(xiàn)實(shí)中輸入濃度測(cè)量一般都是借助于傳感器，但是傳感器作為一種精細(xì)的裝置，是整個(gè)scr系統(tǒng)中最易發(fā)生故障的部件。此外柴油機(jī)在工作狀態(tài)時(shí)會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈的振動(dòng)，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。因此開發(fā)一種scr系統(tǒng)nox傳感器故障診斷方法對(duì)提高scr系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)效益和工作效率十分重要。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中存在的問題，本發(fā)明提供一種柴油機(jī)scr系統(tǒng)nox(x＝1,2)輸入傳感器故障診斷方法，所述的故障診斷方法包括如下步驟：

第一步，設(shè)置柴油機(jī)scr系統(tǒng)nox輸入傳感器故障診斷系統(tǒng)，其包括nox輸入傳感器、nox輸入濃度估計(jì)模塊、nox傳感器故障診斷模塊；所述的nox輸入傳感器和nox輸入濃度估計(jì)模塊分別通過線纜連接到nox傳感器故障診斷模塊。

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

第三步，nox輸入傳感器測(cè)量nox輸入濃度實(shí)際值δ0，并將nox輸入濃度實(shí)際值δ0的信號(hào)輸送至nox傳感器故障診斷模塊，nox輸入濃度估計(jì)模塊估算nox輸入濃度估計(jì)值并將nox輸入濃度估計(jì)值的信號(hào)輸送至nox傳感器故障診斷模塊，nox傳感器故障診斷模塊根據(jù)接收到的信號(hào)計(jì)算nox輸入濃度殘差δδ，計(jì)算公式如下：

第四步，比較nox輸入濃度殘差δδ和nox輸入濃度閾值δδ(y)，若δδ≤δδ(y)，則進(jìn)入第五步；若δδ>δδ(y)，則繼續(xù)測(cè)量nox輸入濃度殘差δδ大于nox輸入濃度閾值δδ(y)持續(xù)的時(shí)間t1，若t1<t(y)，則進(jìn)入第五步；否則進(jìn)入第六步；

第五步，nox傳感器故障診斷模塊確定nox輸入傳感器正常，并將nox輸入濃度實(shí)際值δ0和nox輸入濃度估計(jì)值輸送至scr系統(tǒng)控制單元，控制單元輸出最終的nox輸入濃度值

第六步，nox傳感器故障診斷模塊確定nox輸入傳感器發(fā)生故障，并將nox輸入濃度實(shí)際值δ0和nox輸入濃度估計(jì)值輸送至scr系統(tǒng)控制單元，控制單元將估計(jì)值作為最終的nox輸入濃度值，并發(fā)出傳感器故障警報(bào)，停止診斷。

本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于：

1、本發(fā)明運(yùn)用無跡卡爾曼濾波來估算nox輸入濃度的估計(jì)值，適用于scr非線性系統(tǒng)，具有較高的診斷精度。

2、采用的無跡卡爾曼濾波估算方法計(jì)算簡(jiǎn)單，響應(yīng)速度快，能夠?qū)崟r(shí)在線對(duì)scr系統(tǒng)傳感器進(jìn)行故障診斷。本發(fā)明可以廣泛應(yīng)用于柴油機(jī)scr系統(tǒng)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nox傳感器故障診斷實(shí)時(shí)在線診斷過程示意圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的一種柴油機(jī)scr系統(tǒng)氮氧化物輸入傳感器故障診斷方法進(jìn)行詳細(xì)的描述。

如圖1所示，本發(fā)明所述的scr系統(tǒng)中，scr裝置的輸入管路上設(shè)置了nox輸入傳感器和nh3輸入傳感器，輸出管路上設(shè)置了nox輸出傳感器和nh3輸出傳感器，nox輸入傳感器測(cè)量nox輸入濃度，nh3輸入傳感器測(cè)量nh3輸入濃度，nox輸出傳感器測(cè)量nox輸出濃度，nh3輸出傳感器測(cè)量nh3輸出濃度。本發(fā)明提供的故障診斷方法旨在對(duì)所述的nox輸入傳感器進(jìn)行故障診斷。如圖2所示，本發(fā)明提供了一種柴油機(jī)scr系統(tǒng)nox輸入傳感器故障診斷方法，包括以下步驟：

第一步，設(shè)置柴油機(jī)scr系統(tǒng)輸入nox傳感器故障診斷系統(tǒng)，其包括nox輸入傳感器、nox輸入濃度估計(jì)模塊、nox傳感器故障診斷模塊；

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

第三步，nox輸入傳感器測(cè)量nox輸入濃度實(shí)際值δ0，并將nox輸入濃度實(shí)際值δ0的信號(hào)輸送至nox傳感器故障診斷模塊，nox輸入濃度估計(jì)模塊估算nox輸入濃度估計(jì)值并將nox輸入濃度估計(jì)值的信號(hào)輸送至nox傳感器故障診斷模塊，nox傳感器故障診斷模塊根據(jù)接收到的信號(hào)計(jì)算nox輸入濃度殘差δδ，計(jì)算公式如下：

其中，nox輸入濃度估計(jì)值的計(jì)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表示相應(yīng)反應(yīng)過程的反應(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；cno和是nox(x＝1,2)和氨氣的濃度；表示氨氣入口的濃度，cno,in表示柴油機(jī)排出尾氣中nox的濃度；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為反應(yīng)常數(shù)；t代表溫度；f是尾氣流速；v是scr裝置的體積；是scr罐內(nèi)氨氣的覆蓋率；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)空間模型與無跡卡爾曼濾波(ukf)方程結(jié)合起來。ukf估計(jì)狀態(tài)一般分為兩步，包括預(yù)測(cè)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(cè)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(cè)函數(shù)。方程(3)是更新方程，也叫觀測(cè)方程，它包括觀測(cè)向量z(k)，觀測(cè)函數(shù)h(x)和高斯觀測(cè)噪聲v(k)。

其中預(yù)測(cè)過程包括以下幾個(gè)步驟：

a)構(gòu)造sigma點(diǎn)；

在k-1步，根據(jù)隨機(jī)狀態(tài)變量x的統(tǒng)計(jì)量和協(xié)方差pk-1構(gòu)造sigma點(diǎn)集。

其中λ是尺度參數(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(gè)尺度參數(shù)，一般取0或者3-nx。α設(shè)定為一個(gè)很小的常數(shù)，在本發(fā)明中取0.001。

b)對(duì)sigma點(diǎn)進(jìn)行傳播計(jì)算

轉(zhuǎn)換公式如下，其中u代表輸入。

c)計(jì)算輸出先驗(yàn)均值與誤差協(xié)方差；

輸出的先驗(yàn)均值與誤差協(xié)方差pk|k-1計(jì)算公式計(jì)算如下：

其中q為噪聲協(xié)方差，和為計(jì)算先驗(yàn)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(jì)一般取2。

更新過程通過如下步驟實(shí)現(xiàn)：

a)構(gòu)造sigma點(diǎn)

根據(jù)上面預(yù)測(cè)過程計(jì)算出的先驗(yàn)均值，再次構(gòu)造sigma點(diǎn)。

b)計(jì)算預(yù)測(cè)輸出

傳播計(jì)算每個(gè)sigma點(diǎn)

則預(yù)測(cè)輸出公式如下：

c)計(jì)算卡爾曼增益

在這個(gè)過程中同時(shí)需要一個(gè)最佳的卡爾曼增益kk。計(jì)算方程如下所示：

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

d)計(jì)算后驗(yàn)狀態(tài)估計(jì)和后驗(yàn)協(xié)方差

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

其中yk表示第k步的實(shí)際測(cè)量值，表示估計(jì)的觀測(cè)值。

假設(shè)nh3輸入濃度、輸出濃度和nox輸出濃度可以由傳感器測(cè)得，這樣就可以通過ukf觀測(cè)器來估計(jì)nox輸入濃度。由于在短時(shí)間內(nèi)nox輸入濃度變化并不是特別劇烈，因此也可以認(rèn)為nox輸入濃度的微分為零，公式如下。

在這一部分中，由于要估計(jì)nox輸入濃度，因此選擇nox輸入濃度作為預(yù)測(cè)方程的一個(gè)狀態(tài)量，另一個(gè)狀態(tài)量依然選擇scr內(nèi)氨氣覆蓋率公式表達(dá)如下。

其中δt表示aukf(自適應(yīng)無跡卡爾曼濾波，adaptiveunscentedkalmanfilter)計(jì)算方程中每步迭代更新時(shí)間，可以根據(jù)實(shí)際情況設(shè)定，本發(fā)明中設(shè)為0.01s。

在建立觀測(cè)方程時(shí)，選擇傳感器測(cè)量的nh3輸出濃度和nox輸出濃度作為兩個(gè)狀態(tài)量,在此認(rèn)為nox輸出傳感器測(cè)得nox輸出濃度足夠精確。觀測(cè)方程如下所示。

其中定義

根據(jù)上述建立的預(yù)測(cè)方程和觀測(cè)方程，經(jīng)過ukf迭代計(jì)算，便可以估計(jì)出nox輸入濃度

第四步，比較nox輸入濃度殘差δδ和nox輸入濃度閾值δδ(y)，若δδ≤δδ(y)，則進(jìn)入第五步；若δδ>δδ(y)，則繼續(xù)測(cè)量nox輸入濃度殘差δδ大于nox輸入濃度閾值δδ(y)持續(xù)的時(shí)間t1，若t1<t(y)，則進(jìn)入第五步；否則進(jìn)入第六步；

第五步，nox傳感器故障診斷模塊確定nox輸入傳感器正常，并將nox輸入濃度實(shí)際值δ0和nox輸入濃度估計(jì)值輸送至scr系統(tǒng)控制單元，控制單元輸出最終的nox輸入濃度值

第六步，nox傳感器故障診斷模塊確定nox輸入傳感器發(fā)生故障，并將nox輸入濃度實(shí)際值δ0和nox輸入濃度估計(jì)值輸送至scr系統(tǒng)控制單元，控制單元將估計(jì)值作為最終的nox輸入濃度值，并發(fā)出傳感器故障警報(bào)，停止診斷。