面向控制的DOC建模研究

发布时间：2017-09-12 02:29

  本文关键词：面向控制的DOC建模研究

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【摘要】：随着环境问题受到越来越广泛的关注,发动机排放控制已成为全社会关注的热点。传统的机内净化技术已无法满足日益严格的排放法规,只能采用加装额外的后处理装置来降低有害尾气的排放。氧化催化器(DOC)是重型柴油机后处理系统中的重要组成部分,其作用除了通过氧化反应消除发动机尾气中的CO、NO和HC外,还可以通过控制燃油后喷,控制其内部的氧化反应放热,从而实现其下游温度的控制,为颗粒捕集器(DPF)主动再生创造条件。通过控制燃油后喷,实现DOC下游温度的精确控制是典型的闭环控制问题,而其高性能控制策略设计的基础就是面向控制的DOC温度场模型。面向控制的模型一方面要求模型能比较准确地体现被控对象的瞬态特性,而另一方面又要求模型可以实时求解,所以传统的计算流体力学(CFD)模型与DOC的稳态实验特性都无法用于面向控制的建模工作。本文正是针对以上面向控制的需求,以柴油机后处理系统DOC为研究对象,进行了较为深入的DOC建模工作的研究,具体工作包括:首先,总结了面向控制的DOC主要建模方法,详细推导了面向控制的DOC一维模型。基于对DOC建模国内外研究的详细调研,深入分析了DOC的工作机理及其内部影响温度场分布的主导物理化学过程,利用流体力学,传热学,化学反应动力学的基本原理,建立了描述DOC内部温度场沿轴向一维分布参数模型,采用有限体积法,将以上偏微分方程组进行空间离散化,推导了DOC的一维轴向离散模型,并将该模型作为本文主要的研究对象。利用软件完成了不同DOC模型的搭建。借助Simulink软件,搭建完成了以上推导得到的DOC一维轴向离散化模型,同时搭建了另一种面向控制常见的“一阶+延时”的DOC零维模型。为了校验一维模型和零维模型的合理性及仿真性能,借助Fire软件搭建完成了DOC的三维温度场模型。对不同模型的性能进行了仿真对比。仿真工况包括上游温度为理想的阶跃工况和一段ETC工况两种工况。对仿真结果的稳态特性,瞬态响应过程和温度场的空间分布分别进行了对比和分析,总的来说本文推导的一维离散化模型和CFD模型的仿真结果比较接近,都能较好地体现DOC温度场的瞬态变化过程和温度场分布,零维“一阶+延迟”模型相对误差略大,且不能计算DOC温度场的空间分布特征。提出并设计调试完成了一种基于电路的一维离散化DOC模型。虽然本文推导得到DOC一维离散模型可以一定程度上实现在DOC温度场空间分布和计算量上的折中,但其计算量仍受到有限体积单元数的影响,会占用较大的控制器计算资源,所以本文提出了一种基于电路的DOC模型,通过电路本身的瞬态特性模拟DOC一维离散模型的输出特性,这样该模型无需占用计算资源,可以在模型中采用更多的有限单元数用于增加模型的仿真精度而不影响模型的实时响应特性,非常适用于DOC控制器的硬件在环测试。通过软硬件的设计和调试,完成了该电路模型原型的试制,并通过试验初步验证了该模型的可行性。
【关键词】：氧化催化器 建模 分布参数 硬件在环 仿真
【学位授予单位】：吉林大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TK423
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-12
• 第1章 绪论12-22
• 1.1 研究背景12-14
• 1.2 氧化催化器（DOC）的介绍14-18
• 1.2.1 DOC的结构介绍15-17
• 1.2.2 DOC的工作机理17-18
• 1.3 DOC技术的研究18-19
• 1.3.1 国内DOC技术的研究18-19
• 1.3.2 国外DOC技术的研究19
• 1.4 本文的主要研究内容及意义19-22
• 第2章 DOC温度场的数学建模22-38
• 2.1 DOC温度场中的物理化学过程分析22-23
• 2.2 DOC温度场的数学表达及其简化23-27
• 2.2.1 DOC温度场的数学表达23-26
• 2.2.2 DOC温度场数学模型的简化26-27
• 2.3 一维温度场模型的软件建模与求解27-32
• 2.4 DOC三维模型的软件建模与求解32-36
• 2.4.1 三维建模34-35
• 2.4.2 求解方法35-36
• 2.5 本章小结36-38
• 第3章 DOC不同模型的仿真结果与对比分析38-48
• 3.1 三维温度场模型的仿真结果与分析38-42
• 3.1.1 初始参数和边界条件38
• 3.1.2 三维模型仿真结果与分析38-42
• 3.2 一维温度场模型的仿真结果分析42-45
• 3.2.1 一维温度场模型参数辨识42-43
• 3.2.2 一维温度场的仿真结果及分析43-45
• 3.3 不同仿真结果的对比分析45-47
• 3.4 本章小结47-48
• 第4章 DOC硬件在环模型的设计与实现48-72
• 4.1 热电相似性与实时电路仿真模型48-50
• 4.1.1 热电相似性48-50
• 4.1.2 实时电路仿真模型50
• 4.2 DOC电路模型的理论推导50-52
• 4.3 DOC电路模型的实现52-57
• 4.3.1 DOC电路模型的方案设计52
• 4.3.2 DOC电路模型的硬件设计52-57
• 4.4 DOC硬件在环仿真系统的设计57-68
• 4.4.1 仿真系统的硬件设计58-66
• 4.4.2 仿真系统软件设计66-68
• 4.5 电路硬件在环模型的试验测试68-70
• 4.6 本章小结70-72
• 第5章 全文总结72-74
• 5.1 研究工作总结72-73
• 5.2 本文的创新之处73
• 5.3 工作展望73-74
• 参考文献74-80
• 作者简介及科研成果80-82
• 致谢82

【参考文献】

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本文编号：834557