一种车用后处理控制策略中催化剂反应模型的标定方法与流程

1.本发明属于车辆控制系统技术领域，涉及一种车用后处理控制策略中催化剂反应模型的标定方法。


背景技术：

2.随着排放法规的不断升级，车用后处理器控制策略从开环控制、闭环控制发展到自适应控制和基于模型的预测控制，系统的整体效率和稳定性均有较大提高。其中，基于模型的预测控制，需要根据气体在后处理器中的流动、换热、扩散、化学反应等现象，建立起基于化学反应动力学的切片模型，精确计算出尾气经过催化剂后的组分。
3.cn106837495a提供了基于详细切片模型的doc后no2％的预估方法，将doc沿轴向均分为一定数量的单元模块，对每个单元应用能量守恒方程、化学平衡方程及质量守恒方程，从而计算出每个单元内no存储量、no2存储量、以及尾气中的no2和no浓度。模型考虑了doc中与nox浓度计算相关的化学反应方程6个，涉及标定参数16个。其虽介绍了模型预测机理，却没有涉及催化剂化学反应模型参数的标定方法。
4.cn111379636a公开了一种用于调节内燃机的催化器的废气成分存储器的填充水平的方法，其中，在使用路段模型的情况下进行填充水平的调节，该路段模型具有催化器模型，并且其中，通过适配来校正影响对于填充水平的调节的测量参量或模型参量的不确定性，该适配基于布置在催化器的输出侧的废气探测器的信号。其所述方法采用的是一种利用废气探测器传感器测量值来弥补模型参数不精确的方法。
5.控制策略能否最大限度的发挥作用，对催化剂模型参数标定精度的依赖较大。由于涉及化学反应以及标定参数过多，催化剂模型的标定是一项对专业性要求高，耗时较长的工作。目前，标定的模型均是以“黑核“输出，仅用于其自家的商业软件进行后处理器性能计算，不能对模型进行修正，也不能直接加入到自主开发的控制模型中，因此，对于自主控制策略开发的意义减小。除此之外，研发人员还可以采用通用的优化工具对模型参数进行标定，然而在实际使用过程中，当待标定参数超过3个时，优化求解器倾向于在某个局部目标上收敛。
6.总体而言，利用通用的优化求解器，亟需构建一个具有针对性的优化流程，在优化时间和精度上有明显提升的催化剂物理模型标定方法。


技术实现要素：

7.本发明的目的在于提供一种车用后处理控制策略中催化剂反应模型的标定方法，本发明通过产生k、e随机数初始化去判断自身在哪些设计区间可能具有最优解，在此基础上，再分步骤进行详细优化，本发明所述方法普适于基于arrhenius方程建立起的化学反应模型，降低模型标定对研发人员的科学素养要求，大大节省了催化剂模型开发时间和提升了模型的预测精度，更好的满足国vi甚至更高排放水平的后处理器的开发需求。
8.为达到此发明目的，本发明采用以下技术方案：
9.本发明提供了一种车用后处理控制策略中催化剂反应模型的标定方法所述标定方法包括以下步骤：
10.(1)基于集总参模型不考虑沿催化剂轴向的温度、反应物浓度变化，将化学反应速率r模型计算值，基于标准的arrhenius方程表示成：
[0011][0012]
其中，t
cat
为催化剂温度、c
rec
为反应物浓度，k、e分别为化学反应指前因子与活化能。通过对指前因子k、活化温度e进行doe计算，以化学反应速率r模型计算值与试验值偏差不超过20％，确定k、e初步范围；
[0013]
(2)基于详细的切片模型，即考虑催化剂沿轴向的温度、反应物浓度变化，将催化剂沿轴向均分为一定数量的单元模块，对每个单元应用能量守恒方程、化学平衡方程及质量守恒方程，从而计算出每个单元内以及催化剂出口反应物浓度，在详细的切片模型中，化学反应速率r
det
大抵可以表示成：
[0014][0015]
其中，θ为化学反应速率修正项，为化学反应温度t
cat
或者浓度c
rec
的关系式；
[0016]
以催化剂出口反应物浓度计算值与试验值偏差不超过5％为目标，通过优化求解器确定修正项系数θ与指前因子k、活化温度e的精确范围。
[0017]
本发明先通过doe计算，确定化学反应指前因子k、活化温度e的大致范围，再通过优化求解器确定修正项系数θ与指前因子k、活化温度e的精确范围，其中doe计算，化学反应速率计算采用的是集总参数模型，暂不考虑催化剂内沿气流流动方向上反应物浓度的变化，缩短doe计算时间的同时，确立指前因子k、活化温度e的大致范围。
[0018]
本发明所述方法降低了模型标定对研发人员的科学素养要求，大大节省了催化剂模型开发时间和提升了模型的预测精度，更好的满足国vi甚至更高排放水平的后处理器的开发需求。
[0019]
优选地，步骤(1)所述doe计算前进行试验设计。
[0020]
优选地，所述试验设计包括设计至少三个不同温度、空速条件下催化剂对反应物的转化效率试验，记录催化剂前反应物浓度rec ppm bef、催化剂后反应物浓度rec ppm aft、催化剂前温度cat temp mono inl、催化剂后温度cat temp mono outl和空速sv。
[0021]
优选地，所述试验设计后进行试验数据前处理，计算试验化学反应速率。
[0022]
优选地，试验化学反应速率记为rec rate exp。
[0023]
优选地，所述试验化学反应速率的计算公式为rec rate exp＝(rec ppm bef-rec ppm aft)*1e-6*mol air c/cat volu mono c，其中，mol air c为空气摩尔数，cat volu mono c为催化剂体积。
[0024]
优选地，mol air c＝mass air c/molm air c。
[0025]
优选地，mass air c＝pace velocity*cat volu mono c*dens air c/3600。
[0026]
优选地，molm air c＝dens air c*8.315*273.15/1e5。
[0027]
优选地，cat volu mono c＝cat arecros mono c*cat leng mono c*25.4*1e-3。
[0028]
优选地，cat arecros mono c＝3.14*cat diam mono c*cat diam mono c/4*25.4*25.4*1e-6。
[0029]
优选地，步骤(1)具体包括利用随机生成函数，产生k、e的随机数，并利用基本的arrhenius方程确定k、e对应的化学反应速率计算值。
[0030]
优选地，所述化学反应速率的计算公式为其中，rec rate sim为计算化学反应速率，r为气体摩尔常数，c
rec
为化学反应物摩尔浓度，c
rec
为试验测量值，cat temp mono为催化剂反应温度。
[0031]
优选地，cat temp mono＝(cat temp mono inl cat temp mono outl)。
[0032]
优选地，通过doe计算结果观测，试验化学反应速率与计算速率误差，计算公式为rec rate err＝abs(rec rate sim-rec rate exp)/rate exp*100。
[0033]
优选地，根据rec rate err不超过20％，作为标定参数k、e区间合适的标准。
[0034]
优选地，步骤(2)具体包括以k、e作为初始值，并以变化
±
5％作为k、e的进一步优化区间，代入详细的切片模型，计算输出催化剂出口组分浓度n，利用优化算法对k、e、θ项中的其它参数进行同时标定。
[0035]
优选地，步骤(2)所述切片模型中，化学反应反应速率r
detail
的公式为其中t
cat
为化学反应载体温度，c
rec
为化学反应物摩尔浓度，θ为化学反应速率修正项。
[0036]
本发明在确定化学反应指前因子k、活化温度e的大致范围的基础上，再利用详细的切片模型，以催化剂出口组分浓度偏差最小为目标，通过优化求解器对指前因子k、活化温度e、修正项系数等进行逐个细致标定。
[0037]
优选地，步骤(2)还包括利用emis out err判断详细切片模型的精度。
[0038]
优选地，emis out err计算公式为：emis out err＝abs(emis out sim-emis out exp)/emis out exp。
[0039]
相对于现有技术，本发明具有以下有益效果：
[0040]
本发明所述方法降低了模型标定对研发人员的科学素养要求，大大节省了催化剂模型开发时间和提升了模型的预测精度，更好的满足国vi甚至更高排放水平的后处理器的开发需求。
附图说明
[0041]
图1是本发明实施例1所述标定方法的工艺流程图。
具体实施方式
[0042]
下面通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。本领域技术人员应该明了，所述实施例仅仅是帮助理解本发明，不应视为对本发明的具体限制。
[0043]
本发明实施例1所述标定方法中，各计算参数表如表1所示：
[0044]
表1
[0045]
[0046][0047]
实施例1
[0048]
本实施例提供了一种车用后处理控制策略中催化剂反应模型的标定方法，所述标定方法包括以下步骤，所述标定方法的流程图如图1所示：
[0049]
步骤1：试验设计：
[0050]
设计至少三个以上不同温度、空速条件下催化剂对反应物的转化效率试验。并记录催化剂前反应物浓度rec ppm bef、催化剂后反应物浓度rec ppm aft、催化剂前温度cat temp mono inl、催化剂后温度cat temp mono outl，空速sv等值；
[0051]
步骤2、试验数据前处理，计算化学反应速率：
[0052]
工况1试验化学反应速率：
[0053]
rec1 rate exp＝(rec1 ppm bef-rec1 ppm aft)*1e-6*mol air c/cat volu mono c
[0054]
工况2试验化学反应速率：
[0055]
rec2 rate exp＝(rec2 ppm bef-rec2 ppm aft)*1e-6*mol air c/cat volu mono c
[0056]
工况3试验化学反应速率：
[0057]
rec3 rate exp＝(rec3 ppm bef-rec3 ppm aft)*1e-6*mol air c/cat volu mono c，
[0058]
其中mol air c为空气摩尔数，cat volu mono c为催化剂体积，可通过下列公式
计算得到，
[0059]
cat arecros mono c＝3.14*cat diam mono c*cat diam mono c/4*25.4*25.4*1e-6，
[0060]
cat volu mono c＝cat arecros mono c*cat leng mono c*25.4*1e-3，
[0061]
mass air c＝space velocity*cat volu mono c*dens air c/3600，
[0062]
molm air c＝dens air c*8.315*273.15/1e5，
[0063]
mol air c＝mass air c/molm air c，
[0064]
cat temp mono c＝(cat temp mono inlet cat temp mono outlet)/2(k)；
[0065]
步骤3、设置待标定参数k、e。通常利用基本的arrhenius方程可以将化学反应速率写成其中r为化学反应速率(mol*m-3
s-1
)，r为气体摩尔常数，c
rec
为化学反应物摩尔浓度，t
cat
为催化剂温度。k为化学反应指前因子、e为化学反应活化温度。k、e为待标定参数，取值范围为(0～10n)。t
cat
、c
rec
为试验测量值，t
cat
取为催化剂进、出口温度平均值、c
rec
取为反应物在催化剂进口浓度；
[0066]
步骤4、利用随机生成函数,产生k、e的随机数，并利用基本的arrhenius方程计算不同的k、e对应的化学反应速率：
[0067]
工况1计算化学反应速率：
[0068][0069]
工况2计算化学反应速率：
[0070][0071]
工况3计算化学反应速率：
[0072][0073]
步骤5、doe结果观测，试验化学反应速率与计算速率误差计算：
[0074]
rec1 rate err＝abs(rec1 rate sim-rec1 rate exp)/rate1 exp
[0075]
rec2 rate err＝abs(rec1 rate sim-rec1 rate exp)/rate1 exp
[0076]
rec3 rate err＝abs(rec1 rate sim-rec1 rate exp)/rate1 exp
[0077]
rate err＝(rec1 rate err rec2 rate err rec3 rate err)/3；
[0078]
步骤6、根据rete err是否小于20％，判断设置的标定参数k、e区间是否合适，如在k、e整个区间内都没有rate err的极小值、或者极小值出现在k、e设置区间的边界上，则返回步骤3，否则，进入步骤7；
[0079]
步骤7、依据步骤6获得的k、e最优值，作为初始值，并以变化
±
5％作为k、e的进一步优化区间，代入详细的切片模型，计算输出催化剂出口组分浓度n。切片模型中，化学反应反应速率r
detail
表示为：
[0080]
[0081]
其中k:化学反应指前因子；
[0082]
e:化学反应活化温度；
[0083]
t
cat
:化学反应载体温度；
[0084]crec
:化学反应物摩尔浓度；
[0085]
θ：化学反应速率修正项，通常为化学反应温度t
cat
或者浓度c
rec
的关系式，一般包含数个待标定参数；
[0086]
步骤8、利用优化算法如遗传算法等对k、e、θ项中的其它参数进行同时标定。获得依据详细切片方程计算得到的三个工况下的emis out 1sim、emis out2sim、emis out 2sim；
[0087]
步骤9、依据emis out err rete err是否小于10％，判断详细切片模型的精度是否足够，如精度较差，则返回步骤6，适当增加k、e的取值区间：
[0088]
emis out 1err＝abs(emis out 1sim-emis out 1exp)/emis out 1exp
[0089]
emis out 2err＝abs(emis out 2sim-emis out 2exp)/emis out 2exp
[0090]
emis out 3err＝abs(emis out 3sim-emis out 3exp)/emis out 3exp
[0091]
emis out err＝(emis out 1err emis out 2err emis out 3err)/3；
[0092]
步骤10、输出k、e以及θ项中的其它参数。
[0093]
申请人声明，以上所述仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，所属技术领域的技术人员应该明了，任何属于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，均落在本发明的保护范围和公开范围之内。