基于Matlab/Simulink的固体SCR实验控制设计

谭建伟，吴　岳，孙超强，郝利君，葛蕴珊，高力平

(北京理工大学　机械与车辆学院，北京　100081)



基于Matlab/Simulink的固体SCR实验控制设计

谭建伟，吴岳，孙超强，郝利君，葛蕴珊，高力平

(北京理工大学机械与车辆学院，北京100081)

摘要Simulink是基于Matlab的框图设计环境的仿真工具，可实现动态系统建模、仿真和分析。应用Simulink建立固体SCR实验控制系统，采用模块化设计，通过在环仿真，确定NH3的喷射量，运用Code Warrior软件，对MC9S12d64单片机配置寄存器和复杂接口设备。实验表明，该控制系统能够满足SCR的实验要求，NH3喷射量大小随催化器温度与空速不同而变化。

关键词simulink;选择性催化还原；控制策略

目前，选择性催化还原(SCR)反应装置已成为柴油机满足国IV、国V排放的必要装备，液体SCR系统由于存在易结晶、反应温度高等缺点，造成实际NOx排放并未减少[1-2]。固体SCR具有良好的低温特性和安装维护方便等优点，拥有广阔的应用前景，但是，控制NH3的喷射量研究还比较少[3-4]。NH3喷射系统向排气管喷射的NH3量，必须要与柴油机当前排放的NOx的浓度相匹配，而且在保证NOx减少的同时，不能欠喷和过喷。NH3的喷射量过少，不能达到预期的排放目的；NH3喷射量过多，则会导致未反应的NH3排入大气，造成新的污染。Matlab/Simulink可以用连续采样时间、离散采样时间或两种混合的采样时间进行SCR系统控制模块设计，并支持多速率系统，即系统中的不同部分具有不同的采样速率[5-6]。Simulink是用于动态系统和嵌入式系统的多领域仿真和基于模型的设计工具。对各种时变系统，包括通信、控制、信号处理、视频处理和图像处理系统，Simulink提供了交互式图形化环境和可定制模块库来对其进行设计、仿真、执行和测试。

1控制系统总体设计

在Simulink中搭建基于柴油机ECU通信和传感器信号采集的SCR控制仿真模块。该模块由输入量、计算模 块和输出量组成。其中输入量包括中冷水温度(Coolant_temp)、进气温度(Intake_temp)、发动机转速(Speed)、转矩(Torque)、进气量(Air_intake)、燃油量(Fuel)、催化剂前温(Temp_pre)和催化剂后温(Temp_post)。计算模块包括多个子模块，有NOx排放量计算模块，氨氮比计算模块等。输出量为氨气喷射量，如图1所示为控制系统总体结构。

在输入量中，中冷水温度、进气温度、发动机转速、转矩、进气量和燃油等参数由发动机ECU通过CAN报文发送到系统控制芯片[7]。

图1　控制系统总体计算模块

各计算子模块均由公式组成，将各自模块输入量计算得出所在模块的输出量。

1.1NOx排放量计算模块

NOx排放量计算模块:在大量柴油机台架排放测试实验数据的基础上，建立基于发动机转速和转矩百分比的NOx排放浓度MAP图，经过冷却水温度和进气温度的修正，NOx排放浓度乘以排气流量就得出NOx的排放摩尔当量。如图2所示为NOx排放量计算模块。

图2　NOx排放量计算模块

1.2氨氮比控制

为获得良好的NOx转化效率，需要根据发动机的实际运行效果控制NH3的喷射量。NH3计算模块主要受催化器温度和空速条件的影响。为了使NH3充分反应，不造成泄露，在低温工况时，由于催化剂转化效率低，NH3的吸附性强，这时需要减小NH3的喷射量，多喷只会造成浪费。当发动机处于怠速等小扭矩工况时，排气温度低于180℃，设置NH3的喷射量为零。其他温度下，设置基准的NH3喷射量，该模块制定了基于催化剂当前温度均值和升温幅度的NH3喷射修正系数MAP。通过进行温度、空速修正确定。如图3所示为氨氮比计算模型。

1.3控制模块在环仿真

通过台架试验采集ETC/ESC工况下，柴油机冷却水温度、进气温度、转速、扭矩、喷油量、进气量、催化剂前温度和催化剂后温度，做成标准测试工况下参数变化曲线，模拟柴油机实际运行工况。将这些参数曲线作为输入量，输入所设计的SCR控制模块。通过仿真运算，得到所需NH3量喷射曲线。通过对比，发现控制模块中某些控制参数的不足，并加以修正，直到所需氨气量输出曲线较为理想。

图3　氨氮比计算模型

2控制代码生成

Matlab的自动代码生成工具Real-TimeWorkshop(RTW)可以直接将Simulink模型框图转换成高效优化的程序代码。目前RTW支持生成标准的C语言代码，整个代码的生成。编译以及相应的目标下载过程都是自动完成的[8]。

本文设计应用为飞思卡尔S12系列单片机。如图4所示，通过对RTW中相关参数进行设置，可一键生成适用于飞思卡尔MC9S12d64单片机的C语言程序。在代码生成报告中可随意选取自己所需要的程序片段植入到新建的目标工程文件中。

(a) 设置窗口

(b) 代码生成图4　RTW 属性设置窗口及代码生成报告

3底层程序设计

根据SCR实验控制系统的设计目标，本文将底层软件划分为多个底层功能结构体，其中包括了端口初始化操作和模块功能配置各种函数，如图5所示。

借助于Freescale公司提供的免费开发软件CodeWarrior，配置大量寄存器和复杂的接口设备。

根据需求，可逐一设置模块的功能参数，包括模块时钟、总线配置和系统堆栈等。全部设置完成后使用ProcessorExpert生成程序代码。

单片机各模块完成配置后，利用ProcessorExpert一键生成单片机的主函数文件和底层驱动函数文件。再将RTW工具箱中生成的C代码移植到CodeWarrior目标工程区，编译调试。

图5　Code Warrior新建工程界面

4结束语

采用Matlab/Simulink搭建控制模块，并进行在环仿真测试与修正，运用RTW工具箱配置代码生成条件，生成所需控制模块的C语言程序。使用CodeWarrior创建目标芯片的工程文件，配置单片机芯片的各个外设模块参数，可以快速生成SCR控制系统底层驱动程序。所设计的基于分时多任务机制的C语言程序置于本程序框架。通过设计中断算法，不断反复调用系统控制算法，实现对发动机运行工况的实时跟踪和采集，并计算出实时所需的NH3喷射量，实现对柴油机排放NOx的高效转化。

参 考 文 献

[1]钱枫. 欧Ⅳ柴油机SCR系统电子控制单元的研发[D].武汉: 武汉理工大学，2008:11-18.

[2] 林涛，陈耀强.以ZrO2-TiO2为载体的整体式锰基催化剂应用于低温NH3-SCR反应[J].物理化学学报，2008(7):1127-1130.

[3] 胡静，赵彦光. 重型柴油机SCR后处理系统尿素喷射电子控制单元开发[J]. 内燃机工程，2011(2): 8-11.

[4]李长文，赵长禄.基于Matlab/Simulink及RTW的柴油机稳态建模与仿真[J]. 北京理工大学学报，2004，24(4):315-319.

[5] 齐秋群，刚砺韬.MotorolaIntel单片机程序设计与应用[M].北京:机械工业出版社，1998:25-78.

[6]许沧粟，邢建国.车用电控单元系统的CAN总线接口软硬件设计[J].小型内燃机与摩托车，2001(4):5-8.

[7] 吴志红，吴庚泽，朱元，等. 基于XC164CS单片机的混合动力汽车电池管理系统硬件设计[J]. 汽车技术，2009(4): 15-18.

[8] 刘金琨. 先进PID控制Matlab仿真[M]. 北京: 北京航空航天大学，2004:46-91.

Control Strategy Design of Solid SCR Based on Matlab / Simulink

TAN Jianwei，WU Yue，SUN Chaoqiang，HAO Lijun，GE Yunshan，GAO Liping

(SchoolofMechanical，BeijingInstituteofTechnology，Beijing100081，China)

AbstractSimulink is a block diagram of a design environment based on Matlab simulation tool. It can be used for dynamic system modeling，simulation and analysis. Solid selective catalytic reduction(SCR) experimental control system was established by application of Simulink，and modular design was used. According to the loop simulation，the amount of NH3 injection was determined. MC9S12d64 microcontroller interface device registers was configured by using Code Warrior software. Experimental results showed that the control system can meet the test requirements of SCR. NH3 injection amount varied according to catalyst temperature and space velocity.

Key wordssimulink; selective catalytic reduction；control strategy

收稿日期:2015-07-11；修改日期: 2015-11-19

基金项目：国家自然科学基金(51276021)。

作者简介：谭建伟(1976-)，男，博士，实验师，主要从事内燃机污染物排放控制方面的研究。

中图分类号O65

文献标志码A

doi:10.3969/j.issn.1672-4550.2016.02.018