專利名稱：用于內燃機的egr和增壓的基于模型的多變量控制方法
技術領域：
本發明涉及內燃機的控制。
背景技術：
該部分的內容僅提供與本發明有關的背景信息，且可能不構成現有技術。發動機控制包括基于期望發動機輸出(包括發動機速度和發動機負載)和得到的操作(例如，包括發動機排放物)來控制發動機操作參數。由發動機控制方法控制的參數包括空氣流量、燃料流量、以及進氣和排氣門設置。增壓空氣可以提供給發動機，以將相對于自然吸氣進氣系統增加的空氣流量提供給發動機，以增加發動機輸出。渦輪增壓器使用發動機排氣系統中的壓力來驅動活塞，從而給發動機提供增壓空氣。示例性渦輪增壓器可以包括可變幾何形狀渦輪增壓器(VGT)，允許調節對于排氣系統中的給定條件而言提供的增壓空氣。增壓器使用來自于發動機操作的動力(例如，由附件傳動帶提供)，以驅動壓縮機，從而給發動機提供增壓空氣。發動機控制方法控制增壓空氣，以便控制發動機內得到的燃燒和得到的發動機輸出。排氣再循環(EGR)是可以由發動機控制方法控制的另一個參數。發動機排氣系統內的排氣流被消耗掉氧氣且基本上是惰性氣體。在與燃料和空氣的燃燒充氣結合引入燃燒室或保留在燃燒室內時，排氣減緩燃燒，從而減少輸出和絕熱火焰溫度。EGR還可以與提前燃燒方案中的其它參數結合控制，例如，包括均質充氣壓縮點火(HCCI)燃燒。EGR還可以被控制以改變得到的排氣流的屬性。發動機控制方法控制EGR以便控制發動機內得到的燃燒和得到的發動機輸出。發動機的空氣處理系統管理進入發動機的進氣空氣和EGR的流量。空氣處理系統必須被配備以滿足充氣空氣組分目標(例如，EGR比例目標)以實現排放目標且滿足總體可用空氣目標(例如，充氣流質量流量)以實現期望功率和扭矩目標。最強烈地影響EGR流的致動器通常影響充氣流，最強烈地影響充氣流的致動器通常影響EGR流。因而，具有現代空氣處理系統的發動機呈現具有耦合輸入-輸出響應回路的多輸入多輸出(MIMO)系統。輸入被耦合(S卩，輸入-輸出響應回路彼此影響)的MIMO系統在本領域中出現了眾所周知的挑戰。發動機空氣處理系統出現了進一步的挑戰。發動機在寬范圍的參數內操作，包括可變發動機速度、可變扭矩輸出和可變燃料供應和定時排定表。在許多情況下，系統的準確傳遞函數是不可獲得的且/或標準解耦計算所需的計算能力是不可獲得的。
發明內容
一種控制發動機中的排氣再循環和歧管空氣壓力的方法，包括在多輸入和多輸出控制器內使用解耦矩陣來確定排氣再循環指令和歧管空氣壓力指令，其中，所述解耦矩陣基于發動機的對角優勢模型配置，對角優勢模型由所確定的排氣再循環指令和歧管空氣壓力指令補償。排氣再循環和歧管空氣壓力基于所確定的排氣再循環指令和所確定的歧管空氣壓力指令來控制。
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本發明涉及下述技術方案。1. 一種控制發動機中的排氣再循環和歧管空氣壓力的方法，所述方法包括 在多輸入和多輸出控制器內使用解耦矩陣來確定排氣再循環指令和歧管空氣壓力指
令，所述解耦矩陣基于發動機的對角優勢模型配置，所述對角優勢模型由所確定的排氣再循環指令和歧管空氣壓力指令補償；和
基于所確定的排氣再循環指令和所確定的歧管空氣壓力指令來控制排氣再循環和歧管空氣壓力。2.根據技術方案1所述的方法，其中，基于發動機的對角優勢模型配置的解耦矩陣基于發動機的未補償模型的逆矩陣配置。3.根據技術方案1所述的方法，還包括 評估控制排氣再循環的致動器的致動器飽和度； 評估控制歧管空氣壓力的致動器的致動器飽和度；
基于控制排氣再循環的致動器的評估致動器飽和度來修正排氣再循環指令；以及基于控制歧管空氣壓力的致動器的評估致動器飽和度來修正歧管空氣壓力指令。4.根據技術方案3所述的方法，其中，修正排氣再循環指令包括使用基于解耦矩陣的輸出的積分。5.根據技術方案3所述的方法，其中，修正歧管空氣壓力指令包括使用基于解耦矩陣的輸出的積分。6. 一種控制發動機的空氣處理系統的方法，所述發動機包括將排氣再循環可控地傳輸給發動機的排氣再循環系統和可控地影響歧管空氣壓力的充氣增壓裝置，所述方法包括
監測描述期望發動機狀態的參數；
在多輸入多輸出控制器內，基于所監測參數和解耦矩陣來確定排氣再循環指令； 在多輸入多輸出控制器內，基于所監測參數和所述解耦矩陣來確定歧管空氣壓力指令；以及
基于排氣再循環指令和歧管空氣壓力指令來控制空氣處理系統； 其中，所述解耦矩陣基于發動機的對角優勢模型配置，所述對角優勢模型由所確定的排氣再循環指令和歧管空氣壓力指令補償。7.根據技術方案6所述的方法，還包括 監測控制排氣再循環傳輸的致動器的致動器極限； 監測可控地影響歧管空氣壓力的致動器的致動器極限；
其中，確定排氣再循環指令還基于控制排氣再循環傳輸的致動器的所監測致動器極限；以及
其中，確定歧管空氣壓力指令還基于可控地影響歧管空氣壓力的致動器的所監測致動器極限。8.根據技術方案7所述的方法，其中，基于控制排氣再循環傳輸的致動器的所監測致動器極限確定排氣再循環指令包括應用第一防扭振積分；以及
基于可控地影響歧管空氣壓力的致動器的所監測致動器極限確定歧管空氣壓力指令包括應用第二防扭振積分。
9.根據技術方案6所述的方法，還包括 監測壓縮機壓力比；
監測渦輪壓力比；以及監測發動機壓力差；
其中，解耦矩陣是壓縮機壓力比、渦輪壓力比和發動機壓力差的函數。10.根據技術方案6所述的方法，還包括 以低頻操作發動機；
監測發動機速度；以及監測增壓比；
其中，解耦矩陣是發動機速度和增壓比的函數。11.根據技術方案6所述的方法，還包括 基于所監測參數確定前饋排氣再循環指令；以及基于所監測參數確定前饋歧管空氣壓力指令；
其中，控制空氣處理系統還基于前饋排氣再循環指令和前饋可變幾何形狀渦輪增壓器指令。12.根據技術方案6所述的方法，還包括 監測排氣再循環反饋項；以及
監測歧管空氣壓力反饋項；
其中，確定排氣再循環指令還基于排氣再循環反饋項和歧管空氣壓力反饋項；以及其中，確定歧管空氣壓力指令還基于排氣再循環反饋項和歧管空氣壓力反饋項。13.根據技術方案6所述的方法，還包括 基于所監測參數確定未校正排氣再循環指令； 基于所監測參數確定未校正歧管空氣壓力指令； 監測排氣再循環反饋項；
監測歧管空氣壓力反饋項；
確定未校正排氣再循環指令和排氣再循環反饋項之間的誤差；以及確定未校正歧管空氣壓力指令和歧管空氣壓力反饋項之間的誤差； 其中，基于所監測參數確定排氣再循環指令包括基于未校正排氣再循環指令和排氣再循環反饋項之間的誤差以及未校正歧管空氣壓力指令和歧管空氣壓力反饋項之間的誤差確定排氣再循環指令；以及
其中，基于所監測參數確定歧管空氣壓力指令包括基于未校正排氣再循環指令和排氣再循環反饋項之間的誤差以及未校正歧管空氣壓力指令和歧管空氣壓力反饋項之間的誤差確定歧管空氣壓力指令。14.根據技術方案13所述的方法，還包括
將低通濾波器應用于未校正排氣再循環指令和排氣再循環反饋項之間的誤差；以及將低通濾波器應用于未校正歧管空氣壓力指令和歧管空氣壓力反饋項之間的誤差。15. 一種控制發動機中的排氣再循環系統和可變幾何形狀渦輪增壓器的方法，所述方法包括
通過系統識別確定發動機的解耦矩陣，包括在由發動機速度和發動機負載限定的發動機操作范圍內識別多個操作點； 在每個操作點，監測發動機速度； 在每個操作點，監測增壓比；
在每個操作點，識別描述發動機的未補償模型的靜態增益； 在每個操作點，基于發動機的未補償模型的逆矩陣識別解耦矩陣的數據點； 針對每個操作點，基于解耦矩陣和發動機的未補償模型來確定控制排氣再循環系統和可變幾何形狀渦輪增壓器的多輸入多輸出控制方案；以及
針對每個操作點使用多輸入多輸出控制方案來控制發動機。16.根據技術方案15所述的方法，其中，針對每個操作點使用多輸入多輸出控制方案來控制發動機包括在操作點之間將指令內插值。
現在將參考附圖通過示例的方式描述一個或更多的實施例，在附圖中
圖1示意性地示出了根據本發明實施例構建的示例性內燃機、控制模塊和排氣后處理系統；
圖2示意性地示出了根據本發明的包括渦輪增壓器的示例性發動機配置； 圖3示意性地示出了根據本發明的包括增壓器的示例性發動機配置； 圖4示意性地示出了根據本發明的示例性多變量空氣處理控制系統，所述多變量空氣處理控制系統包括MIMO模塊且將增壓空氣和EGR流提供給發動機；
圖5以圖形的方式示出了根據本發明的測量輸出和模擬輸出，其被比較以用于驗證模擬模型的目的；
圖6示出了根據本發明的以連續頻域示出的示例性線性模型的極零位置； 圖7示意性地示出了根據本發明的使用解耦矩陣的示例性對角MIMO反饋控制器的操
作；
圖8更詳細地示意性地示出了根據本發明的使用解耦矩陣的示例性對角MIMO反饋控制器的操作；
圖9以圖形的方式示出了根據本發明的使用解耦矩陣的發動機裝置模型的示例性頻率響應；禾口
圖10示意性地示出了根據本發明的示例性對角控制器，所述控制器可以用于在低頻下使用解耦矩陣實施補償發動機裝置模型。
具體實施例方式現在參考附圖，其中附圖的目的只是為了說明某些示例性實施例并不是為了限制于此，圖1示意地顯示了根據本發明實施例構建的內燃機10、控制模塊5和排氣后處理系統 65。示例性發動機是多缸直接噴射壓縮點火內燃機，具有附連到曲軸M且可在氣缸20內移動的往復活塞22，氣缸20限定可變容積燃燒室34。曲軸M操作性地附連到車輛變送器和傳動系，以響應于操作者扭矩請求Tclkeq將牽引扭矩傳輸給其。發動機優選采用四沖程操作，其中每個發動機燃燒循環包括分成四個180度階段(進氣-壓縮-膨脹-排氣)的曲軸 24的720度角旋轉，這是活塞22在發動機氣缸20中的往復移動的說明。多齒目標輪沈附
7連到曲軸且隨其一起旋轉。發動機包括監測發動機操作的傳感器和控制發動機操作的致動器。傳感器和致動器信號地或者操作性地連接到控制模塊5。發動機優選是直接噴射四沖程內燃機，包括可變容積燃燒室和氣缸蓋，所述可變容積燃燒室由活塞在氣缸內在上止點和下止點之間往復運動限定，氣缸蓋包括進氣門和排氣門。活塞在每個循環(包括進氣、壓縮、膨脹和排氣沖程)以重復的循環往復運動。發動機優選具有根本上稀于化學計量比的空氣/燃料操作區域。本領域普通技術人員可理解，本發明的各方面可應用于以根本上稀于化學計量比操作的其它發動機配置。 在壓縮點火發動機的正常操作期間，當燃料充氣噴射到燃燒室中以與進氣空氣形成氣缸充氣時在每個發動機循環期間發生燃燒事件。充氣隨后在壓縮沖程期間通過其壓縮作用而燃燒。發動機適合于在寬范圍的溫度、氣缸充氣(空氣、燃料和EGR)和噴射事件內操作。 本文所述的方法尤其適合于與稀于化學計量比操作的直接噴射壓縮點火發動機，以確定參數，所述參數與每個燃燒室在持續進行的操作期間的放熱相關聯。所述方法還可應用于其它發動機配置，包括火花點火發動機，包括適合使用均質充氣壓縮點火(HCCI)方案的發動機。所述方法可應用于每個發動機循環每個氣缸使用多脈沖燃料噴射事件的系統，例如采用用于燃料重整的引導噴射、用于發動機功率的主噴射事件、以及(在可應用時)用于后處理管理的燃燒后燃料噴射的系統，其每個都影響氣缸壓力。傳感器安裝在發動機上或附近以監測物理特性且產生能與發動機和環境參數相關聯的信號。所述傳感器包括曲軸旋轉傳感器，包括通過感測多齒目標輪26的齒上的邊緣來監測曲軸(即，發動機)速度(RPM)的曲軸傳感器44。曲軸傳感器是已知的，且可包括例如霍耳效應傳感器、感應傳感器或磁阻傳感器。從曲軸傳感器44輸出的信號被輸入到控制模塊5。燃燒壓力傳感器30適合于監測缸內壓力(C0MB_PR)。燃燒壓力傳感器30優選為非侵入式的，且包括測力傳感器，其具有適合于在電熱塞觀的開口處安裝到氣缸蓋中的環狀截面。燃燒壓力傳感器30與電熱塞觀結合安裝，其中，燃燒壓力通過電熱塞機械地傳輸給壓力傳感器30。壓力傳感器30的輸出信號COMBJ3R與氣缸壓力成比例。壓力傳感器30包括適合于此的壓電陶瓷或其它裝置。其它傳感器優選包括用于監測歧管壓力(MAP)和環境大氣壓力(BARO)的歧管壓力傳感器、用于監測進氣空氣質量流量(MAF)和進氣空氣溫度(Tin) 的空氣質量流量傳感器、以及監測發動機冷卻劑溫度(COOLANT)的冷卻劑傳感器35。所述系統可包括用于監測一個或多個排氣參數狀態的排氣傳感器，例如溫度、空氣/燃料比和成分。本領域技術人員可理解，可以存在用于控制和診斷目的的其它傳感器和方法。除了其它裝置之外，以操作者扭矩請求Ttj KEQ形式的操作者輸入通常通過節氣門踏板和制動踏板獲得。發動機優選配備有用于監測操作和用于系統控制目的的其它傳感器。每個傳感器信號地連接到控制模塊5以提供信號信息，所述信號信息由控制模塊轉換為表示相應監測參數的信息。要理解的是，該配置是說明性的，不是限制性的，包括各個傳感器能用功能等價的裝置和算法取代。致動器安裝在發動機上，且由控制模塊5響應于操作者輸入控制以實現各種性能目標。致動器包括響應于控制信號(ETC)控制節氣門開度的電控節氣門閥、以及響應于控制信號(INJ_PW)將燃料直接噴射到每個燃燒室中的多個燃料噴射器12，其全部都響應于操作者扭矩請求Ioeq控制。排氣再循環閥32和冷卻器響應于來自控制模塊的控制信號(EGR)控制至發動機進氣的外部再循環排氣流。電熱塞觀安裝在每個燃燒室中且適合與燃燒壓力傳感器30—起使用。此外，在一些實施例中，可以采用根據期望歧管空氣壓力提供增壓空氣的充氣系統。燃料噴射器12是適合于響應于來自控制模塊的指令信號INJ_PW將燃料充料直接噴射到一個燃燒室中的高壓燃料噴射器。每個燃料噴射器12從燃料分配系統供應加壓燃料，且具有操作特性，包括最小脈沖寬度和相關最小可控燃料流率、以及最大燃料流率。發動機可配置有可操作調節每個氣缸的進氣和排氣門的開啟和關閉的可控氣門機構，包括氣門定時、定相(即，相對于曲軸角和活塞位置的定時)、以及氣門開啟升程幅度中的任何一個或多個。一個示例性系統包括可變凸輪定相，其可應用于壓縮點火發動機、火花點火發動機和均質充氣壓縮點火發動機。控制模塊5執行在其中存儲的算法以控制前述致動器來控制發動機操作，包括節氣門位置、燃料噴射質量和定時、控制再循環排氣流量的EGR閥位置、電熱塞操作、以及進氣和/或排氣門定時、定相和升程(在如此配備的系統上)的控制。控制模塊配置成從操作者接收輸入信號(例如，節氣門踏板位置和制動踏板位置)以確定操作者扭矩請求Tclkeq,且從傳感器接收表示發動機速度(RPM)和進氣開啟溫度(Tin)和連接器溫度以及其它環境條件的輸入信號。圖1示出了示例性柴油發動機，然而，本文所述的方法可以類似地用在其它發動機配置上，例如包括汽油燃料發動機、酒精或E85燃料發動機或其它類似的已知設計。本發明并不旨在限于本文所述的具體示例性實施例。圖2示意性地示出了根據本發明的包括渦輪增壓器的示例性發動機配置。示例性發動機是多缸的且包括本領域已知的各種燃料供應類型和燃燒方案。發動機系統部件包括進氣空氣壓縮機40，所述進氣空氣壓縮機40包括渦輪46和空氣壓縮機45 ；充氣空氣冷卻器142 ；EGR閥132和冷卻器152 ；進氣歧管50 ；和排氣歧管60。環境進氣空氣通過進氣171抽吸到壓縮機45中。加壓進氣空氣和EGR流傳輸給進氣歧管50，以用于發動機10。 排氣流通過排氣歧管60離開發動機10，驅動渦輪46，且通過排氣管170離開。所示EGR回路是高壓EGR系統，將加壓排氣從排氣歧管60傳輸給進氣歧管50。可選配置，低壓EGR系統可以將低壓排氣從排氣管170傳輸給進氣171。傳感器安裝在發動機上以監測物理特性且產生能與發動機和環境參數相關聯的信號。所述傳感器優選包括環境空氣壓力傳感器 112、環境或進氣空氣溫度傳感器114、和空氣質量流量傳感器116 (其全部都可以獨立地配置或者配置為單個整體式裝置)；進氣歧管空氣溫度傳感器118、MAP傳感器120、排氣溫度傳感器IM和EGR閥位置傳感器130。發動機速度傳感器44監測發動機旋轉速度。每個傳感器都信號地連接到控制模塊5以提供信號信息，所述信號信息由控制模塊5轉換為表示相應監測參數的信息。要理解的是，該配置是說明性的，不是限制性的，包括各個傳感器能用功能等價的裝置和算法取代，且仍落入本發明范圍內。此外，進氣空氣壓縮機40可以包括在本發明范圍內的可選渦輪增壓器配置。進氣空氣壓縮機40包括具有空氣壓縮機45的渦輪增壓器，空氣壓縮機45位于發動機的空氣進氣中，且由位于排氣流中的渦輪46驅動。渦輪增壓器是本領域已知的，用以產生進入發動機的強制空氣進氣，控制增壓壓力或者控制歧管空氣壓力以增加發動機輸出。渦輪46可以包括多個實施例，包括具有固定葉片取向或可變葉片取向的裝置。此外，渦
9輪增壓器可以用在單個裝置，或者多個渦輪增壓器可以用于給同一發動機提供增壓空氣。圖3示意性地示出了根據本發明的包括增壓器的示例性發動機配置。示例性發動機是多缸的且包括本領域已知的各種燃料供應類型和燃燒方案。發動機系統部件包括增壓器160，所述增壓器160包括空氣壓縮機45和皮帶驅動輪164 ；充氣空氣冷卻器142 ；EGR 閥132和冷卻器152 ；進氣歧管50 ；和排氣歧管60。發動機10包括驅動輪162，提供動力給皮帶166，從而驅動皮帶驅動輪164。示例性皮帶166可以包括本領域已知為蛇形皮帶的配置。示例性配置包括同時驅動增壓器160和其它附件(例如，交流發電機或空氣調節壓縮機) 的皮帶166。傳感器安裝在發動機上以監測物理特性且產生能與發動機和環境參數相關聯的信號。所述傳感器優選包括環境空氣壓力傳感器112、環境或進氣空氣溫度傳感器114、 和空氣質量流量傳感器116 (其全部都可以獨立地配置或者配置為單個整體式裝置)；進氣歧管空氣溫度傳感器118、MAP傳感器120、排氣溫度傳感器124和EGR閥位置傳感器130。 示例性EGR閥130和EGR冷卻器152提供用于EGR流在增壓器160上游進入進氣系統的路徑。在其它配置下，EGR流可以在增壓器160下游進入進氣系統，但是將理解的是，在該配置下，增壓器下游的高壓可能限制EGR流將有效地進入進氣的條件。發動機速度傳感器44 監測發動機旋轉速度。每個傳感器都信號地連接到控制模塊5以提供信號信息，所述信號信息由控制模塊5轉換為表示相應監測參數的信息。要理解的是，該配置是說明性的，不是限制性的，包括各個傳感器能用功能等價的裝置和算法取代，且仍落入本發明范圍內。增壓器160可以用于將增壓空氣提供給發動機，或者增壓器160可以與渦輪增壓器協作使用，以將增壓空氣提供給發動機。可變幾何形狀渦輪增壓器(VGT)允許控制在進氣空氣上執行多少壓縮。控制信號可以調節VGT的操作，例如通過調節壓縮機和/或渦輪中的葉片角度。這種示例性調節可以減少這種葉片的角度從而減少對進氣空氣的壓縮，或者增加這種葉片的角度從而增加對進氣空氣的壓縮。VGT系統允許控制模塊選擇傳輸給發動機的增壓壓力水平。例如，控制可變增壓器輸出的其它方法(包括廢氣門或旁通閥)可以類似地實施到VGT系統上，本發明并不旨在限于本文所述的用于控制傳輸給發動機的增壓壓力的具體示例性實施例。示例性柴油發動機配備有共軌燃料噴射系統、EGR系統和VGT系統。排氣再循環用于可控地減少燃燒火焰溫度和減少NOx排放。VGT系統用于調節增壓壓力以控制歧管空氣壓力和增加發動機輸出。為了實現發動機控制(包括對EGR和VGT系統的控制)，可以使用多輸入多輸出空氣充氣控制模塊(ΜΙΜΟ模塊)。MIMO模塊基于描述期望發動機操作的單組輸入允許對EGR和VGT的計算高效和協調控制。例如，這種輸入可以包括描述發動機速度和發動機負載的發動機操作點。將理解的是，其它參數可以用作輸入，例如包括指示發動機否則的壓力測量值。EGR閥調節EGR量，而VGT調節壓縮機功率以產生期望增壓壓力且保持EGR流的正發動機壓力差。EGR和VGT控制通常對發動機操作輸入的變化可預測地做出反應。借助于基于一組共同輸入由MIMO控制器控制EGR和VGT作為相關變量，可以使用計算高效的控制方法，從而允許EGR和VGT控制變量的實時計算，例如，作為管理充氣流質量流量以實現期望管理和扭矩目標的實時計算。對EGR和VGT兩者的耦合MIMO控制或者基于任何給定輸入控制對EGR和VGT兩者的固定響應是計算高效的，且可以允許對變化輸入的復雜控制響應，這基于實時地對EGR和VGT的獨立控制可能不是計算可行的。然而，對EGR和VGT的耦合控制(包括對任何給定輸入的兩個參數的固定響應)需要耦合控制的簡化或最佳擬合標定值，以便控制兩個固定響應。因而，這種標定值可能是有挑戰的且基于所選擇的簡化控制標定值可能包括次優發動機性能。例如，EGR和VGT可最佳地對復雜或發動機溫度的變化率不同地做出反應。此外，控制EGR或VGT可能達到極限條件且引起致動器飽和。導致致動器飽和的耦合控制可能引起本領域已知為扭振(wind-up)的狀況，其中，系統的預期性能和系統的期望控制分歧且導致控制誤差，甚至在致動器飽和已經解決之后也是如此。此外， 通過MIMO模塊控制EGR和VGT是非線性的，且限定耦合函數關系以提供期望控制輸出需要大量的標定工作。控制發動機(包括EGR和歧管空氣壓力控制)的方法包括在MIMO模塊內使用解耦矩陣，其中，解耦矩陣配置成基于對角優勢補償發動機模型。圖4示意性地示出了根據本發明的示例性多變量空氣處理控制系統，所述多變量空氣處理控制系統包括MIMO模塊且將增壓空氣和EGR流提供給發動機。發動機裝置280顯示為接收指令且產生輸出。示出了產生指令的多個模塊，包括EGR設定點模塊210、VGT設定點模塊220、預濾波器模塊230、前饋模塊Μ0、ΜΙΜ0模塊250、EGR致動器極限模塊260和 VGT致動器極限模塊270。EGR設定點模塊210監測描述發動機狀態的輸入212和214。輸入212和214可以包括發動機速度和發動機負載或類似地指示發動機狀態的其它參數。例如，用于描述發動機負載的發動機燃料供應速率或壓力測量值可以取代發動機負載使用。 EGR設定點模塊210基于發動機狀態輸出未校正EGR設定點指令222，例如描述標定或計算EGR設定點，例如可以存儲在查詢表中。VGT設定點模塊220監測描述發動機狀態的輸入216和218。輸入216和218可以與輸入212和214相同，但是不需要是相同參數。VGT 設定點模塊220基于發動機狀態輸出未校正VGT設定點指令224，例如描述標定或計算VGT 設定點，例如可以存儲在查詢表中。預濾波器模塊230應用本領域已知的方法以調節信號 222和224，以便產生濾波未校正EGR設定點指令232和波未校正VGT設定點指令234。根據一個示例性實施例，預濾波器模塊230可以包括低通濾波器，其基于ω。/(ω。+8)應用濾波器，其中，ω。是濾波器截止頻率，s是頻率算子。在可選實施例中，獨立的預濾波器可以應用于獨立的信號。前饋模塊240輸入指令232和234且產生前饋EGR指令242和前饋VGT 指令Μ4。在示例性控制系統中，由前饋模塊240產生的前饋指令242和244基本上是裝置動態性能的逆矩陣，其根據通常由如圖4所示的發動機速度和負載排定的控制設定點產生缺省致動器位置。描述實際EGR位置或得到的EGR率236和實際VGT位置或得到的增壓壓力238的反饋信號與響應指令232和234進行比較，且確定EGR誤差項246和VGT誤差項 2480 EGR誤差項246和VGT誤差項248用作MIMO模塊250 (實施為MIMO反饋控制器)的輸入，且本文所述的方法用于產生MIMO EGR指令252和MIMO VGT指令254。指令252和 254與相應指令242和244結合以產生校正EGR指令256和校正VGT指令258。如上所述， 控制EGR和VGT的致動器可以包括極限。EGR致動器極限模塊260基于致動器極限調節校正EGR指令256以產生EGR位置指令沈2。類似地，VGT致動器極限模塊270基于致動器極限調節校正VGT指令258以產生VGT位置指令272。發動機裝置觀0的兩個輸入包括EGR 位置指令262和VGT位置指令272。得到的EGR率236和得到的增壓壓力238兩者均描述發動機裝置觀0的輸出。上文描述了作為控制增壓壓力的方法的VGT指令。然而，控制增壓壓力的其它指
11令(例如，增壓壓力指令或歧管空氣壓力指令)可以類似地取代VGT指令使用。本文所述的方法包括MIMO模塊250，以便使用閉環控制系統，從而在對發動機不確定性和非線性具有穩固裕量的情況下滿足穩定性和性能要求。MIMO模塊250可以采用一方法，包括實現EGR回路和增壓壓力回路之間的解耦水平同時保持通過使用MIMO模塊控制允許的計算效率的控制。通過EGR和VGT的解耦控制，系統展現了對EGR和VGT耦合控制產生的擾動的抵抗性且展現了在發動機的期望輸出和測量輸出之間的改進跟蹤能力。此外，EGR和VGT的解耦控制允許獨立調整每個具體控制函數和相關增益，從而簡化標定。實現EGR和VGT的解耦控制的函數和相關增益的示例性選擇基于在選定操作點從非線性發動機裝置識別的一組線性模型。這種過程稱為系統識別。在選擇函數和相關增益的一個示例性方法中，疊加正弦信號或偽隨機二位信號可以用作系統識別的裝置持續激勵信號。為了確定持續激勵信號的頻率范圍，在EPA限定的FTP-75瞬時排放試驗期間，指令信號的功率譜針對增壓壓力和EGR率執行分析。對于兩個譜，發現96%的能量集中于0. 5 赫茲頻帶內。由于需要空氣系統的響應以跟蹤設定點指令，因而系統制備的頻率范圍應當為0. 5霍爾的至少5倍(π rad/s)，且可能延伸超過系統截止頻率
柴油發動機的空氣處理系統的線性狀態空間系統通過本領域已知的方法識別。在使用通過應用質量和能量守恒獲得的空氣處理系統的均值物理模型的示例性方法中，空氣路徑動態性能可以通過如下的五階非線性系統有效地描述
其中，五個狀態為 miffl 進氣容積的空氣質量，
排氣歧管中的排氣質量， Pim 增壓(進氣歧管)壓力，
排氣歧管壓力，和 Nt 渦輪速度。 方程2 — 6中的其它參數表示通過不同容積的質量流量、溫度和比熱系數。通過忽略進氣和排氣容積的質量平衡方程，模型還可以進一步縮減為三階差分方程，其中，增壓壓力、排氣壓力和渦輪速度作為狀態變量。該觀察表明，可以選擇用于所識別線性系統的三
12階、五階或更高階模型結構。 作為示例，線性模型針對以下操作點從4. 9 L柴油發動機識別發動機速度等于 2000 rpm，發動機負載等于374 ft-lb, EGR閥位置等于7%開度(第一控制輸入)，EGT位置等于70%關閉(第二控制輸入)。應用疊加正弦信號以干擾EGR閥和VGT葉片位置。激勵信號的幅度選擇為EGR和VGT閥位置的設定點值周圍士 10%。通過系統識別，系統模型識別為以下離散時間形式的五階多變量線性系統
其中，EGR和VGT位置是輸入，EGR率和增壓壓力是輸出
所識別模型然后被驗證且其時間響應可以相對于激勵信號進行比較。圖5以圖形的方式示出了根據本發明的測量輸出和模擬輸出，其被比較以用于驗證模擬模型的目的。兩個曲線圖的χ軸描述了試驗時間，單位秒。頂部曲線圖的y軸描述了 EGR率的擾動。底部曲線圖的y軸描述了增壓壓力的擾動。曲線290和294分別表示增壓壓力和EGR率的擾動輸出。曲線292和296分別表示方程6 — 9的相應模型輸出。圖5所示的結果表明，示例性模型具有大約90%準確性。 圖6示出了根據本發明的以連續頻域示出的示例性線性模型的極零位置。將傳遞函數G11、G12、G21和G22限定為該系統的獨立元件，可以表示以下方程。由于傳遞函數共用相同的極，其傳輸零點確定這些子系統之間的差異。在圖6的每個子圖中，在這些位置，三個零點幾乎由三個極取消。因而，剩余第一零點表示控制輸入對輸出的影響有多強。例如，G12的第四零點位于實軸上-23處，其相對于其它子系統Gn、 G21和(；22中的其它零點距虛軸最遠。這意味著VGT輸入不僅影響增壓壓力，而且在該操作點顯著地影響EGR率。通過將G21和(；22中的第四零點距虛軸的距離進行比較，我們發現，EGR 閥輸入對增壓壓力具有較少的耦合影響。這意味著VGT是調節增壓壓力和EGR率兩者的主要手段。此外，方程6 - 9所述的系統為非最小相位系統，其中，如圖6所示，在G12的右半 s平面上存在零點。本文所述的方法將EGR率從多變量系統的增壓壓力控制解耦，如方程6 — 9所述。 通過應用解耦矩陣校正或補償的補償發動機裝置P (S，ρ )可以通過以下方程限定
其中，G(s，ρ )是初始開環系統或未修正發動機裝置增益，且 W(s, β )是產生建模系統P(s，O )的加權矩陣或解耦矩陣。
ff(s, ρ )設計成使得P(s，￡> )是對角優勢的，從而產生以下表示式。
權利要求
1.一種控制發動機中的排氣再循環和歧管空氣壓力的方法，所述方法包括 在多輸入和多輸出控制器內使用解耦矩陣來確定排氣再循環指令和歧管空氣壓力指令，所述解耦矩陣基于發動機的對角優勢模型配置，所述對角優勢模型由所確定的排氣再循環指令和歧管空氣壓力指令補償；和基于所確定的排氣再循環指令和所確定的歧管空氣壓力指令來控制排氣再循環和歧管空氣壓力。
2.根據權利要求1所述的方法，其中，基于發動機的對角優勢模型配置的解耦矩陣基于發動機的未補償模型的逆矩陣配置。
3.根據權利要求1所述的方法，還包括評估控制排氣再循環的致動器的致動器飽和度； 評估控制歧管空氣壓力的致動器的致動器飽和度；基于控制排氣再循環的致動器的評估致動器飽和度來修正排氣再循環指令；以及基于控制歧管空氣壓力的致動器的評估致動器飽和度來修正歧管空氣壓力指令。
4.根據權利要求3所述的方法，其中，修正排氣再循環指令包括使用基于解耦矩陣的輸出的積分。
5.根據權利要求3所述的方法，其中，修正歧管空氣壓力指令包括使用基于解耦矩陣的輸出的積分。
6.一種控制發動機的空氣處理系統的方法，所述發動機包括將排氣再循環可控地傳輸給發動機的排氣再循環系統和可控地影響歧管空氣壓力的充氣增壓裝置，所述方法包括監測描述期望發動機狀態的參數；在多輸入多輸出控制器內，基于所監測參數和解耦矩陣來確定排氣再循環指令； 在多輸入多輸出控制器內，基于所監測參數和所述解耦矩陣來確定歧管空氣壓力指令；以及基于排氣再循環指令和歧管空氣壓力指令來控制空氣處理系統； 其中，所述解耦矩陣基于發動機的對角優勢模型配置，所述對角優勢模型由所確定的排氣再循環指令和歧管空氣壓力指令補償。
7.根據權利要求6所述的方法，還包括 監測控制排氣再循環傳輸的致動器的致動器極限； 監測可控地影響歧管空氣壓力的致動器的致動器極限；其中，確定排氣再循環指令還基于控制排氣再循環傳輸的致動器的所監測致動器極限；以及其中，確定歧管空氣壓力指令還基于可控地影響歧管空氣壓力的致動器的所監測致動器極限。
8.根據權利要求7所述的方法，其中，基于控制排氣再循環傳輸的致動器的所監測致動器極限確定排氣再循環指令包括應用第一防扭振積分；以及基于可控地影響歧管空氣壓力的致動器的所監測致動器極限確定歧管空氣壓力指令包括應用第二防扭振積分。
9.根據權利要求6所述的方法，還包括 監測壓縮機壓力比；監測渦輪壓力比；以及監測發動機壓力差；其中，解耦矩陣是壓縮機壓力比、渦輪壓力比和發動機壓力差的函數。
10. 一種控制發動機中的排氣再循環系統和可變幾何形狀渦輪增壓器的方法，所述方法包括通過系統識別確定發動機的解耦矩陣，包括在由發動機速度和發動機負載限定的發動機操作范圍內識別多個操作點； 在每個操作點，監測發動機速度； 在每個操作點，監測增壓比；在每個操作點，識別描述發動機的未補償模型的靜態增益； 在每個操作點，基于發動機的未補償模型的逆矩陣識別解耦矩陣的數據點； 針對每個操作點，基于解耦矩陣和發動機的未補償模型來確定控制排氣再循環系統和可變幾何形狀渦輪增壓器的多輸入多輸出控制方案；以及針對每個操作點使用多輸入多輸出控制方案來控制發動機。
全文摘要
一種控制發動機中的排氣再循環和歧管空氣壓力的方法，包括在多輸入和多輸出控制器內使用解耦矩陣來確定排氣再循環指令和歧管空氣壓力指令，其中，所述解耦矩陣基于發動機的對角優勢矩陣配置，對角優勢模型由所確定的排氣再循環指令和歧管空氣壓力指令補償。排氣再循環和歧管空氣壓力基于所確定的排氣再循環指令和所確定的歧管空氣壓力指令來控制。
文檔編號F02D43/00GK102345529SQ20111021801
公開日2012年2月8日 申請日期2011年8月1日 優先權日2010年8月1日
發明者T. 弗倫奇 D., 哈斯卡拉 I., 王 Y-Y. 申請人:通用汽車環球科技運作有限責任公司