用于內燃機空氣路徑控制的基于速率的模型預測控制方法
【技術領域】
[0001] 本發明整體設及用于內燃機的方法和控制器，更具體地，本發明設及用于控制柴 油發動機的方法。
【背景技術】
[0002] 現代的柴油發動機采用可變幾何尺寸滿輪（VGT)來增加供應到發動機氣缸的空 氣量。VGT改變滿輪定子入口葉片的角度，W改變供應到發動機氣缸的空氣量。
[0003] 除了提供最佳的性能和燃料經濟性之外，現代柴油發動機還必須滿足嚴格的排放 規定，尤其是顆粒物和氮氧化物。為了滿足所有運些要求，具有VGT的柴油發動機還利用廢 氣再循環巧GR)閥，該廢氣再循環閥具有可變控制位置，W便使得變化量的發動機廢氣再 循環回到發動機氣缸中，W進行更加完全的燃燒并降低發動機排放。
[0004] 當發動機在大范圍的操作條件（包括發動機速度、燃料消耗、發動機負荷等）下操 作時，一個控制器且典型地多個控制器嵌入到發動機控制單元巧CU)中，W便響應于檢測 發動機性能的傳感器來控制各種發動機致動器，從而優化發動機性能、排放等。 陽0化]越來越多地使用模型預測控制（MPC)來用于發動機控制。標準MPC方法結合有一 體類型的動作，W確保零態態誤差，為預測控制模型增加額外的一體狀態。MPC模型利用多 個不同的發動機操作范圍（燃料消耗率和發動機速度），并且提供用于每個范圍的控制器， W控制發動機致動器。
[0006] 在應用于柴油發動機空氣流的模型預測控制的具體例子中，利用可變幾何尺寸滿 輪（VGT)、EGR節流閥和EGR閥致動器控制發動機中的流動。運些系統是強禪合的，并且是 高度非線性的。
[0007] 然而，此前的模型預測控制器應用于內燃機，尤其是柴油發動機，已經利用了多個 發動機性能操作范圍，每個范圍需要單獨的預測控制器。另外，每個預測控制器利用一體類 型的動作，其存在的問題是受控的發動機變量的超調限制。
[0008] 希望提供用于內燃機的模型預測控制器，其具有最少數量的操作范圍，W減少計 算時間和存儲要求，同時提供發動機控制性能變量的零態態跟蹤誤差。
【發明內容】
[0009] 一種用于控制內燃機的方法，其利用控制器在發動機操作期間控制可變幾何尺寸 滿輪（VGT)和EGR閥，所述方法包括：響應于發動機進氣歧管壓力和EGR閥流量，利用控制 器中的基于速率的預測模型，生成所要求的EGR流量和發動機滿輪升程。
[0010] 該方還包括：限定用于發動機速度范圍和燃料消耗率范圍的處于中屯、線性化點附 近的至少一個發動機操作區。
[0011] 該方還包括：提供發動機操作參數的非線性模型。
[0012] 該方還包括：提供每個區中的線性二次模型預測控制器。
[0013] 該方還包括：在每個操作區中的中屯、操作點處將非線性模型線性化。
[0014] 該方還包括：基于非線性模型提供二階降階線性模型。
[0015] 該方還包括：生成基于速率的預測模型，作為線性模型的衍生物。
[0016] 該方還包括：生成作為線性二次模型的為分段仿射控制規則形式的線性模型，其 中： 陽017] Uw=Uk+Ts化Xaug+Gi),如果HiXaug《Kk(11)
[0018] 該方還包括：將部分反演應用于基于速率的預測模型控制器輸出，W轉換EGR流 量控制信號，將VGT占空比信號轉換為VGT升程控制信號。
[0019] 該方還包括：根據W下公式提供EGR節流閥控制器：
[0020]
[0021] 該方還包括：通過利用單個時刻來減少至少一個發動機操作區的每個發動機操作 區中的區域數量，W強制實施至少一個控制器輸出的超調約束。
[0022] 該方法包括：估計發動機狀態；基于估計的發動機狀態確定分段仿射控制規則的 區域；施加與分段仿射控制規則的所選區域相關聯的反饋增益，W確定控制速率；W及將 控制速率積分，W確定要施加到一個發動機輸入的控制值。
[0023] 在另一方面中，該方法利用控制器執行明確地在計算機可用介質上實施的計算機 程序，該計算機程序包括多個指令，運些指令在由處理器執行時用來響應于進氣歧管壓力 和EGR閥流量而利用基于速率的預測模型控制器控制滿輪升程和所要求的EGR流量。
【附圖說明】
[0024] 通過參考W下的詳細描述和附圖，本發明的發動機控制方法的各種特征、優點和 其它用途將會變得更加明顯，其中：
[00巧]圖1為利用基于速率的預測模型控制器的柴油發動機的示意圖；
[00%] 圖2為基于速率的預測模型控制器的輸入和輸出的方框圖；
[0027] 圖3為利用圖2的基于速率的預測模型控制器的發動機的示意性方框圖；
[002引圖4為示出了順序步驟和操作基于速率的預測模型控制方法的流程圖；
[0029] 圖5為EGR閥位置對樣品數量的曲線圖；
[0030] 圖6為VGT占空比的曲線圖；
[0031] 圖7為超調約束實施的曲線圖；
[0032] 圖8為進氣壓力隨時間的投射軌跡的曲線圖；
[0033] 圖9為隨時間采樣的區域數量的曲線圖；
[0034] 圖10為進氣壓力和EGR速率的時間歷程曲線圖； 陽03引圖11為EGR節流閥位置的時間歷程曲線圖；
[0036] 圖12為EGR閥流量和受控的EGR閥流量的時間歷程曲線圖；W及
[0037] 圖13為受控的VGT升程的時間歷程曲線圖。
【具體實施方式】
[0038] 現在參考圖1，內燃機20(在下文中通過例子描述為柴油發動機）包括容納有多個 氣缸24的發動機缸體22。燃料軌26與未示出的燃料供應裝置連接，將柴油燃料供應到多 個燃料噴射器28,每個氣缸24設置有一個燃料噴射器。
[0039] 進氣歧管30聯接到氣缸24,W用于將進入的空氣供應到每個氣缸。進氣歧管壓力 傳感器32聯接到進氣歧管30,W用于測量進氣歧管的空氣壓力。
[0040] 排氣歧管34將燃燒氣體從氣缸24輸送離開發動機缸體22。
[OOWEGR閥40聯接在進氣歧管30和排氣歧管34之間的旁通路徑中，W便將廢氣的一 部分從排氣歧管34再循環回到進氣歧管32中而供應到氣缸24。EGR冷卻器42可W與EGR 閥40 -起聯接在旁通路徑中。
[0042] EGR節流閥44安裝在來自可變幾何尺寸滿輪（VGT) 48的壓縮機46的空氣流路徑 中，W控制氣體循環。
[0043] 中間冷卻器50可W安裝在EGR節流閥44前方的進入空氣路徑中。
[0044] 通過控制滿輪輸入葉片的角度，可變幾何尺寸滿輪48經由壓縮機46控制進氣歧 管壓力。 W45] 根據本發明的方法，用于發動機20的基于速率的預測模型控制（RB-MPC)利用多 個控制輸入，例如進氣歧管壓力62和EGR
[0046] 閥流量64,如圖2所示。如下所述，部分非線性反演用來將兩個輸入62和64分別 回溯為VGT升程占空比和EGR閥位置。部分反演降低了模型的非線性程度，并且是朝向減 少用W覆蓋發動機操作范圍的區域的數量并因此降低計算復雜度的第一步驟。
[0047] 部分反演還避免了需要處理DC增益逆轉。控制器60設計利用由發動機速度和燃 料消耗率構成的發動機操作范圍的分割，W用于每個操作區中的降階線性化發動機模型。 在控制和狀態約束下，僅僅單個區能夠用于良好的跟蹤性能。因此，可W減少ECU中ROM的 使用，并且可W減少控制器校正時間。單獨的控制器可W用于EGR節流閥。
[0048] 顯式MPC的解可W是計算的，并且用在ECU70中，如圖3所示，而不是基于板載二 次編程的解。運種實施方式的動機在于有限的計算能力和代碼簡化。
[0049] 基于速率的預測模型包括W下元素：
[0050] 設定點圖，其規定了用于進氣壓力和EGR速率的設定點。
[0051] 基于柴油發動機模型的降階線性化的預測模型；
[0052] 顯式模型預測控制器，其生成所要求的VGT升程和所要求的EGR流量，同時對進氣 壓力和最大EGR流量強制實施時變約束。
[005引部分反演模塊，其計算VGT占空比（關閉百分比）和EGR閥位置（打開百分比）；
[0054] 卡爾曼濾波器，其基于進氣壓力的測量值、ECU估計的EGR速率和質量空氣流量 (MAF)來進行估計；
[(K)對 EGR節流閥（％關閉）控制器，其基于所要求的EGR流量和最大EGR流量之間差數 來關閉節流閥；
[0056] 基于馬爾科夫鏈的MPC區域選擇過程，其捜索用于顯式模型預測控制器的適當區 域的似然階
[0057] 如圖4所示，可W在步驟100中提供用于發動機20的非線性模型，利用平均值，采 用物理和數據擬合的灰盒建模方法。模型中的主要動態是進氣歧管壓力、排氣歧管壓力、預 節流閥壓力、滿輪增壓器滿輪速度、EGR冷卻器出口溫度、進氣歧管密度、排氣歧管密度、進 氣歧管燃燒氣體比率、排氣歧管燃燒氣體比率、w及發動機溫度。模型的輸入是發動機速 度、燃料消耗率、VGT占空比和EGR節流閥位置。
[0058] 為了使得模型更加線性，控制輸入選擇為進氣歧管壓力62和EGR閥流量64,而不 是VGT占空比和EGR閥位置。控制策略利用部分非線性反演從規定的控制輸入62和64恢 復VGT占空比和EGR閥位置。其余的輸入，也就是發動機速度、燃料消耗率和EGR節流閥位 置，保持不變。輸出選擇為VGT升程和EGR閥流量W及MF，未示出。MF僅僅用作卡爾曼 濾波器的輸入。
[0059] 發動機操作范圍（燃料消耗率和發動機速度范圍）分為W所選的操作點為中屯、的 多個區。在每個操作點處，非線性模型被線性化，W產生10階線性模型。應用平衡截斷，W 減少模型階數。基于漢克爾奇異值和初步設計的分析；確定線性模型的階數可W減少二。因 為降階模型的狀態的物理狀態的轉換，所W利用狀態觀察器來從測量的輸出估計該狀態。 線性設計和模型的降階是有利的，原因是減小了控制器ROM的尺寸，并且狀態觀察器是較 低維的。 W60] 為了形成基于速率的預測模型，在步驟102中，采用2階連續時間線性模型。然后， 在步驟104中，生成基于速率的模型，作為線性模型的導數，如下，
W64] 其中ξ是由兩個降階狀態的狀態導數，*Λ，和輸出，y，進氣壓力和EGR速率，構成 的增廣狀態。U是輸出矢量（VGT升程、EGR閥流量），d是測量的擾動的矢量巧GR節流閥位 置、發動機速度和燃料消耗率）。然后，對應A、Bi、B2、C的連續時間系統實現轉換為離散時 間，具有Ts= 32mS。。的采樣周期，W分別生成Ad、Bid、Bzd、Cd， W65] 基于速率的預測模型（RB-MPC)具有W下的形式，
[0066]
[0067] 該模型將優化控制速率堿。狀態喊遙控制的電流值。測量的擾