用模型預測控制提高發動機響應時間的系統和方法
【專利說明】
[0001] 相關申請的交叉引用
[0002] 此申請涉及2014年3月26日提交的美國專利申請號14/225, 502、2014年3 月26日提交的美國專利申請號14/225, 516、2014年3月26日提交的美國專利申請號 14/225,569、2014年3月26日提交的美國專利申請號14/225,626、2014年3月26日提交 的美國專利申請號14/225,817、2014年3月26日提交的美國專利申請號14/225,896、2014 年3月26日提交的美國專利申請號14/225, 53U2014年3月26日提交的美國專利申請號 14/225,507、2014年3月26日提交的美國專利申請號14/225,808、2014年3月26日提交 的美國專利申請號14/225,492、2014年3月26日提交的美國專利申請號14/226,006、2014 年3月26日提交的美國專利申請號14/226, 12U2014年3月26日提交的美國專利申請號 14/225,496以及2014年3月26日提交的美國專利申請號14/225,891。以上申請的全部 披露內容以引用的方式并入本文。
技術領域
[0003] 本公開涉及內燃發動機，并且更具體來說，涉及用于使用模型預測控制來提高發 動機的響應時間的系統和方法。
【背景技術】
[0004] 本文所提供的【背景技術】描述的目的在于從總體上介紹本公開的背景。當前提及 的發明人的工作一一以在此【背景技術】部分中所描述的為限一一以及在提交時否則可能不 構成現有技術的該描述的各方面，既不明示地也不默示地被承認為是針對本公開的現有技 術。
[0005] 內燃發動機在汽缸內燃燒空氣與燃料混合物以驅動活塞，這產生驅動扭矩。進入 發動機的空氣流量通過節氣門來調節。更具體來說，節氣門調整節氣門面積，這增加或減少 進入發動機的空氣流量。當節氣門面積增加時，進入發動機的空氣流量增加。燃料控制系 統調整燃料被噴射的速率從而將所需的空氣/燃料混合物提供到汽缸和/或實現所需的扭 矩輸出。增加提供到汽缸的空氣與燃料的量增加發動機的扭矩輸出。
[0006] 在火花點火發動機中，火花開始提供到汽缸的空氣/燃料混合物的燃燒。在壓縮 點火發動機中，汽缸中的壓縮燃燒提供到汽缸的空氣/燃料混合物。火花正時和空氣流量 可以是用于調整火花點火發動機的扭矩輸出的主要機構，而燃料流可以是用于調整壓縮點 火發動機的扭矩輸出的主要機構。
[0007] 已經開發出發動機控制系統來控制發動機輸出扭矩以實現所需扭矩。然而，傳統 的發動機控制系統并不如需要一樣精確地控制發動機輸出扭矩。另外，傳統的發動機控制 系統并不對控制信號提供快速響應或者在影響發動機輸出扭矩的各種設備之間協調發動 機扭矩控制。
【發明內容】
[0008] 根據本公開的原理的系統包括模型預測控制（MPC)模塊和致動器模塊。MPC模塊 基于子系統的模型和可能目標值組產生預測參數。MPC模炔基于預測參數以及加權值和參 考值中的至少一個產生用于可能目標值組的成本。MPC模炔基于子系統的操作條件的所需 改變速率來調整加權值和參考值中的至少一個。MPC模炔基于成本從多個可能目標值組中 選擇所述可能目標值組。致動器模炔基于目標值中的至少一個來調整子系統的致動器。
[0009] 本發明包括以下方案：
[0010] 1. 一種系統，包括：
[0011] 模型預測控制（MPC)模塊，所述MPC模塊：
[0012] 基于子系統的模型和可能目標值組產生預測參數；
[0013] 基于所述預測參數以及加權值和參考值中的至少一個產生用于所述可能目標值 組的成本；
[0014] 基于所述子系統的操作條件的所需改變速率來調整所述加權值和所述參考值中 的至少一個；以及
[0015] 基于所述成本從多個可能目標值組中選擇所述可能目標值組；以及
[0016] 致動器模塊，所述致動器模炔基于目標值中的至少一個來調整所述子系統的致動 器。
[0017] 2.如方案1所述的系統，其中當所述所需改變速率大于第一速率時，所述MPC模塊 將所述加權值中的至少一個調整為零。
[0018] 3.如方案2所述的系統，其中：
[0019] 所述加權值包括與可能目標值中的一個與所述參考值中的一個之間的差異相關 的第一加權值；以及
[0020] 當所述所需改變速率大于所述第一速率時，所述MPC模塊將所述第一加權值調整 為零。
[0021] 4.如方案2所述的系統，其中：
[0022] 所述加權值包括與在N個控制回路期間可能目標值中的一個的總改變量相關的 第一加權值；
[0023] 當所述所需改變速率大于所述第一速率時，所述MPC模塊將所述第一加權值調整 為零；以及
[0024] N是大于一的整數。
[0025] 5.如方案2所述的系統，其中所述MPC模炔基于所述預測參數中的至少一個的改 變速率來確定所述第一速率。
[0026] 6.如方案1所述的系統，其中所述MPC模塊：
[0027] 基于所述所需改變速率來確定參考軌跡；以及
[0028] 基于所述參考軌跡來調整所述參考值中的至少一個。
[0029] 7.如方案1所述的系統，其中當所述所需改變速率大于第一速率時，所述MPC模塊 將所述參考值中的至少一個調整為所述致動器的最大極限和所述致動器的最小極限中的 至少一個的一個。
[0030] 8.如方案1所述的系統，其中所述子系統是發動機并且所述操作條件是所述發動 機的所需扭矩輸出。
[0031] 9.如方案8所述的系統，其中：
[0032] 所述加權值包括與目標節氣門打開面積與參考節氣門打開面積之間的差異相關 的第一加權值；以及
[0033] 當所述所需改變速率大于第一速率時，所述MPC模塊將所述第一加權值調整為 零。
[0034] 10.如方案8所述的系統，其中：
[0035] 所述參考值包括參考節氣門打開面積；
[0036] 所述MPC模炔基于所述所需改變速率來確定參考軌跡；以及
[0037] 所述MPC模炔基于所述參考軌跡來調整所述參考節氣門打開面積。
[0038] IL 一種方法，包括：
[0039] 基于子系統的模型和可能目標值組產生預測參數；
[0040] 基于所述預測參數以及加權值和參考值中的至少一個產生用于所述可能目標值 組的成本；
[0041] 基于所述子系統的操作條件的所需改變速率來調整所述加權值和所述參考值中 的至少一個；
[0042] 基于所述成本從多個可能目標值組中選擇所述可能目標值組；以及
[0043] 基于目標值中的至少一個來調整所述子系統的致動器。
[0044] 12.如方案11所述的方法，其進一步包括當所述所需改變速率大于第一速率時， 將所述加權值中的至少一個調整為零。
[0045] 13.如方案12所述的方法，其中所述加權值包括與可能目標值中的一個與所述參 考值中的一個之間的差異相關的第一加權值，所述方法進一步包括當所述所需改變速率大 于所述第一速率時，將所述第一加權值調整為零。
[0046] 14.如方案12所述的方法，其中所述加權值包括與在N個控制回路期間所述可能 目標值中的一個的總改變量相關的第一加權值并且N是大于一的整數，所述方法進一步包 括當所述所需改變速率大于所述第一速率時，將所述第一加權值調整為零。
[0047] 15.如方案12所述的方法，其進一步包括基于所述預測參數中的至少一個的改變 速率來確定所述第一速率。
[0048] 16.如方案11所述的方法，其進一步包括：
[0049] 基于所述所需改變速率來確定參考軌跡；以及
[0050] 基于所述參考軌跡來調整所述參考值中的至少一個。
[0051] 17.如方案11所述的方法，其進一步包括當所述所需改變速率大于第一速率時， 將所述參考值中的至少一個調整為所述致動器的最大極限和所述致動器的最小極限中的 至少一個的一個。
[0052] 18.如方案11所述的方法，其中所述子系統是發動機并且所述操作條件是所述發 動機的所需扭矩輸出。
[0053] 19.如方案18所述的方法，其中所述加權值包括與目標節氣門打開面積與參考節 氣門打開面積之間的差異相關的第一加權值，所述方法進一步包括當所述所需改變速率大 于第一速率時，將所述第一加權值調整為零。
[0054] 20.如方案18所述的方法，其中所述參考值包括參考節氣門打開面積，所述方法 進一步包括：
[0055] 基于所述所需改變速率來確定參考軌跡；以及
[0056] 基于所述參考軌跡來調整所述參考節氣門打開面積。
[0057] 本公開的其他適用領域將從詳細描述、權利要求書以及圖式變得顯而易見。詳細 描述和具體實例僅意欲用于說明目的而非意欲限制本公開的范圍。
【附圖說明】
[0058] 本公開將從詳細描述和附圖變得更完整理解，其中：
[0059] 圖1是根據本公開的示例性發動機系統的功能方框圖；
[0060] 圖2是根據本公開的示例性發動機控制系統的功能方框圖；
[0061] 圖3是根據本公開的示例性目標生成模塊的功能方框圖；
[0062] 圖4是描繪根據本公開的使用模型預測控制來控制節氣門閥、進氣門定相和排氣 門定相、廢氣門、排氣再循環（EGR)閥、火花正時以及加燃料的示例性方法的流程圖；以及
[0063] 圖5和6是示出根據本公開明的示例性所需歧管壓力、示例性實際歧管壓力以及 示例性參考廢氣門打開面積的圖。
[0064] 圖中，可以重復使用參考數字以指示類似和/或相同元件。
【具體實施方式】
[0065] 發動機控制模塊（ECM)控制發動機的扭矩輸出。更具體來說，ECM基于所請求的扭 矩量來確定目標值并且基于目標值來控制發動機的致動器。例如，ECM基于目標相位器角 來控制進氣和排氣凸輪軸相位器、基于目標節氣門打開面積來控制節氣門閥、基于目標EGR 開度控制排氣再循環（EGR)閥并且基于目標廢氣門占空比控制渦輪增壓器的廢氣門。ECM 還基于目標火花正時來控制火花正時并且基于目標加燃料參數來控制加燃料。
[0066] ECM可以單獨地使用多個單輸入單輸出（SISO)控制器（諸如比例積分微分（PID) 控制器）來確定目標值。然而，當使用多個SISO控制器時，可以設置目標值以在有損可能 的燃料消耗減少的情況下維持系統穩定性。此外，個別SISO控制器的校準和設計可能是昂 貴且耗時的。
[0067] 本公開的ECM使用模型預測控制（MPC)模塊來產生目標值。MPC模塊識別目標值 的可能組。MPC模炔基于可能組的目標值和發動機的數學模型來確定用于每個可能組的預 測參數。例如，MPC模塊可以確定預測發動機扭矩和用于每個可能目標值組的一個或多個 其他預測參數。
[0068] MPC模塊還可以確定與每個可能組的使用相關的成本。例如，被預測更緊密追蹤發 動機扭矩請求