用于提高計算效率的模型預測控制系統和方法

用于提高計算效率的模型預測控制系統和方法
【專利摘要】本發明涉及用于提高計算效率的模型預測控制系統和方法。一種模型預測控制（MPC）模塊實施多次迭代以基于轉矩請求、發動機模型、表格矩陣和基解矩陣來確定發動機的一組當前目標值。每次迭代包括：確定基解矩陣是否呈非標準形式；當基解矩陣呈非標準形式時，基于非基本對的原始變量的第一輸入位置來識別表格矩陣的第一列；當基解矩陣呈標準形式且基解矩陣的一個或更多個原始變量為負時，基于基本對的對偶變量的第二輸入位置來識別表格矩陣的第一列；以及基于表格矩陣的第一列來選擇性地更新基解矩陣。
【專利說明】
用于提高計算效率的模型預測控制系統和方法
[0001] 相關申請的交叉引用 本申請要求2015年2月12日提交的美國臨時申請號62/115，293的權益。上述申請的公 開內容整體上通過引用并入本文中。
[0002] 本申請與美國專利申請號14/675,828相關，其在2015年4月1日提交，且要求2015 年2月12日提交的美國臨時申請號62/115，208的權益。上述申請的公開內容整體上通過引 用并入本文中。
技術領域
[0003] 本公開涉及內燃發動機，且更確切地涉及用于車輛的發動機控制系統和方法。
【背景技術】
[0004] 此處提供的背景描述是出于大體呈現本公開的背景的目的。目前指定的發明人的 工作(在于此背景部分中所描述的范圍內）以及在申請時可能不被確定為現有技術的描述 的方面既不明確地也不隱含地被認為是對抗本公開的現有技術。
[0005] 內燃發動機在氣缸內燃燒空氣與燃料混合物以驅動活塞，從而產生驅動轉矩。經 由節流閥來調節進入發動機中的氣流。更確切地，節流閥調節節流面積，從而增加或減少進 入發動機中的氣流。當節流面積增大時，進入發動機中的氣流增加。燃料控制系統調節噴射 燃料的速率，以將所需的空氣/燃料混合物提供到氣缸和/或達到所需的轉矩輸出。增加提 供到氣缸的空氣與燃料的量使發動機的轉矩輸出增大。
[0006] 在火花點火發動機中，火花開始提供到氣缸的空氣/燃料混合物的燃燒。在壓縮點 火發動機中，氣缸中的壓縮燃燒提供到氣缸的空氣/燃料混合物。火花定時和氣流可以是用 于調節火花點火發動機的轉矩輸出的主要機構，而燃料流可以是用于調節壓縮點火發動機 的轉矩輸出的主要機構。
[0007] 已開發了發動機控制系統來控制發動機輸出轉矩以達到所需的轉矩。然而，傳統 的發動機控制系統并不如所需要的那么準確地來控制發動機輸出轉矩。另外，傳統的發動 機控制系統并未提供快速響應來控制信號或在影響發動機輸出轉矩的各種裝置當中協調 發動機轉矩控制。

【發明內容】

[0008] 在一個特征中，公開了車輛的發動機控制系統。轉矩請求模炔基于駕駛員輸入產 生火花點火發動機的第一轉矩請求。轉矩轉換模塊將第一轉矩請求轉換成第二轉矩請求。 模型預測控制(MPC)模塊實施多次迭代以基于第二轉矩請求、發動機模型、表格矩陣和基解 矩陣來確定一組當前目標值。每次迭代包括MPC模塊:確定基解矩陣:呈包括原始變量和對 偶變量的非基本對的非標準形式;還是呈包括原始變量和對偶變量的基本對的標準形式； 當基解矩陣呈非標準形式時，基于非基本對的原始變量的第一輸入位置來識別表格矩陣的 第一列；當基解矩陣呈標準形式且基解矩陣的一個或更多個原始變量為負時，基于基本對 的對偶變量的第二輸入位置來識別表格矩陣的第一列；以及基于表格矩陣的第一列來選擇 性地更新基解矩陣。致動器模炔基于一組當前目標值中的第一者來控制發動機致動器。
[0009] 在另外的特征中，當基解矩陣呈標準形式且基解矩陣的所有原始變量為正時，MPC 模炔基于基解矩陣的輸入來確定一組當前目標值。
[0010] 在另外的特征中，當基解矩陣呈標準形式且基解矩陣的所有原始變量為正時，MPC 模炔基于基解矩陣的輸入來確定一組當前目標值。
[0011] 在另外的特征中，當基解矩陣呈標準形式且基解矩陣的所有原始變量為正時，MPC 模塊:基于基解矩陣的輸入來分別確定目標值的變化；以及通過分別將所述變化與上一組 目標值相加來確定一組當前目標值。
[0012] 在另外的特征中，當基解矩陣呈標準形式時，MPC模炔基于與絕對值最大的負原始 變量成對的對偶變量的第三輸入位置來識別表格矩陣的第一列。
[0013] 在另外的特征中，MPC模炔基于以下兩者之間的比值來選擇性地更新基解矩陣:基 解矩陣的對偶變量和基解矩陣的原始變量中的一者；以及表格矩陣的相對應的輸入。
[0014] 在另外的特征中，對于基解矩陣的每個對偶變量和原始變量，MPC模塊:確定基解 矩陣的所述輸入和表格矩陣的相對應的輸入之間的比值;識別所述比值中的正的且最小的 一個;以及基于表格矩陣的相對應的輸入的輸入位置來選擇性地更新基解矩陣。
[0015] 在另外的特征中，當所述比值中沒有一個為正時，MPC模塊指示已發生故障。
[0016] 在另外的特征中，MPC模塊對于等于0的預定加權值不執行矩陣輸入的矩陣相乘。
[0017] 在另外的特征中，升壓致動器模炔基于一組當前目標值中的第二者來控制渦輪增 壓器的廢氣門的開度;排氣再循環(EGR)致動器模炔基于一組當前目標值中的第三者來控 制EGR閥的開度;且移相器致動器模塊分別基于一組當前目標值中的第四者和第五者來控 制進氣閥定相和排氣閥定相。致動器模炔基于一組當前目標值中的所述一者來控制節流閥 的開度。
[0018] 在一個特征中，公開了一種車輛的發動機控制方法。所述發動機控制方法包括:基 于駕駛員輸入產生火花點火發動機的第一轉矩請求;將第一轉矩請求轉換成第二轉矩請 求;使用模型預測控制(MPC)模塊，所述MPC模塊實施多次迭代以基于第二轉矩請求、發動機 模型、表格矩陣和基解矩陣來確定一組當前目標值，每個迭代包括:確定基解矩陣:呈包括 原始變量和對偶變量的非基本對的非標準形式;還是呈包括原始變量和對偶變量的基本對 的標準形式；當基解矩陣呈非標準形式時，基于非基本對的原始變量的第一輸入位置來識 別表格矩陣的第一列；當基解矩陣呈標準形式且基解矩陣的一個或更多個原始變量為負 時，基于基本對的對偶變量的第二輸入位置來識別表格矩陣的第一列；以及基于表格矩陣 的第一列來選擇性地更新基解矩陣。所述發動機控制方法還包括:基于一組當前目標值中 的第一者來控制發動機致動器。
[0019] 在另外的特征中，所述發動機控制方法進一步包括：當基解矩陣呈標準形式且基 解矩陣的所有原始變量為正時，基于基解矩陣的輸入來確定一組當前目標值。
[0020] 在另外的特征中，所述發動機控制方法進一步包括：當基解矩陣呈標準形式且基 解矩陣的所有原始變量為正時，基于基解矩陣的輸入來確定一組當前目標值。
[0021] 在另外的特征中，所述發動機控制方法進一步包括：當基解矩陣呈標準形式且基 解矩陣的所有原始變量為正時，分別基于基解矩陣的輸入來確定目標值的變化；以及通過 分別將所述變化與上一組目標值相加來確定一組當前目標值。
[0022] 在另外的特征中，所述發動機控制方法進一步包括:當基解矩陣呈標準形式時，基 于與絕對值最大的負原始變量成對的對偶變量的第三輸入位置來識別表格矩陣的第一列。
[0023] 在另外的特征中，所述發動機控制方法進一步包括:基于以下各者之間的比值來 選擇性地更新基解矩陣:基解矩陣的對偶變量和基解矩陣的原始變量中的一者；以及表格 矩陣的相對應的輸入。
[0024] 在另外的特征中，所述發動機控制方法進一步包括，對于基解矩陣的每個對偶變 量和原始變量:確定基解矩陣的所述輸入和表格矩陣的相對應的輸入之間的比值;識別所 述比值中的正的且最小的一個;以及基于表格矩陣的相對應的輸入的輸入位置來選擇性地 更新基解矩陣。
[0025]在另外的特征中，所述發動機控制方法進一步包括：當所述比值中沒有一個為正 時，指示已發生故障。
[0026] 在另外的特征中，所述發動機控制方法進一步包括:對于等于0的預定加權值不執 行矩陣輸入的矩陣相乘。
[0027] 在另外的特征方面中，所述發動機控制方法進一步包括:基于所述一組當前目標 值中的第二者來控制渦輪增壓器的廢氣門的開度;基于所述一組當前目標值中的第三者來 控制排氣再循環(EGR)致動器閥的開度；以及分別基于所述一組當前目標值中的第四者和 第五者來控制進氣閥定相和排氣閥定相。
[0028] 根據本公開，其還存在以下技術方案： 1. 一種用于車輛的發動機控制系統，其包括： 轉矩請求模塊，其基于駕駛員輸入產生火花點火發動機的第一轉矩請求； 轉矩轉換模塊，其將所述第一轉矩請求轉換成第二轉矩請求； 模型預測控制(MPC)模塊，其實施多次迭代以基于所述第二轉矩請求、所述發動機的模 型、表格矩陣和基解矩陣來確定一組當前目標值，其中，在每次迭代中，所述MPC模塊： 確定所述基解矩陣:呈包括原始變量和對偶變量的非基本對的非標準形式;還是呈包 括原始變量和對偶變量的基本對的標準形式； 當所述基解矩陣呈非標準形式時，基于所述非基本對的所述原始變量的第一輸入位置 來識別所述表格矩陣的第一列； 當所述基解矩陣呈標準形式且所述基解矩陣的一個或更多個原始變量為負時，基于所 述基本對的對偶變量的第二輸入位置來識別所述表格矩陣的所述第一列；以及 基于所述表格矩陣的所述第一列來選擇性地更新所述基解矩陣；以及 致動器模塊，其基于所述一組當前目標值中的第一者來控制發動機致動器。
[0029] 2.根據技術方案1所述的發動機控制系統，其中，當所述基解矩陣呈標準形式且 所述基解矩陣的所有原始變量為正時，所述MPC模炔基于所述基解矩陣的輸入來確定所述 一組當前目標值。
[0030] 3.根據技術方案2所述的發動機控制系統，其中，當所述基解矩陣呈標準形式且 所述基解矩陣的所有原始變量為正時，所述MPC模炔基于所述基解矩陣的輸入來確定所述 一組當前目標值。
[0031] 4.根據技術方案3所述的發動機控制系統，其中，當所述基解矩陣呈標準形式且 所述基解矩陣的所有原始變量為正時，所述MPC模塊： 基于所述基解矩陣的輸入來分別確定所述目標值的變化;以及 通過分別將所述變化與上一組目標值相加來確定所述一組當前目標值。
[0032] 5.根據技術方案1所述的發動機控制系統，其中，當所述基解矩陣呈標準形式時， 所述MPC模炔基于與絕對值最大的負原始變量成對的所述對偶變量的第三輸入位置來識別 所述表格矩陣的所述第一列。
[0033] 6.根據技術方案1所述的發動機控制系統，其中，所述MPC模炔基于以下兩者之間 的比值來選擇性地更新所述基解矩陣： 所述基解矩陣的對偶變量和所述基解矩陣的原始變量中的一者；以及 所述表格矩陣的相對應的輸入。
[0034] 7.根據技術方案1所述的發動機控制系統，其中，對于所述基解矩陣的每個對偶 變量和原始變量，所述MPC模塊:確定所述基解矩陣的輸入與所述表格矩陣的所述相對應的 輸入之間的比值;識別所述比值中的正的且最小的一個；以及基于所述表格矩陣的所述相 對應的輸入的所述輸入位置來選擇性地更新所述基解矩陣。
[0035] 8.根據技術方案7所述的發動機控制系統，其中，當所述比值中沒有一個為正時， 所述MPC模塊指示已發生故障。
[0036] 9.根據技術方案1所述的發動機控制系統，其中，所述MPC模塊針對等于0的預定 加權值不執行矩陣輸入的矩陣相乘。
[0037] 10.根據技術方案1所述的發動機控制系統，其進一步包括： 升壓致動器模塊，其基于所述一組當前目標值中的第二者來控制渦輪增壓器的廢氣門 的開度； 排氣再循環(EGR)致動器模塊，其基于所述一組當前目標值中的第三者來控制EGR閥的 開度；以及 移相器致動器模塊，其分別基于所述一組當前目標值中的第四者和第五者來控制進氣 閥定相和排氣閥定相， 其中，所述致動器模炔基于所述一組當前目標值中的所述一者來控制節流閥的開度。
[0038] 11. -種用于車輛的發動機控制方法，其包括： 基于駕駛員輸入產生火花點火發動機的第一轉矩請求； 將所述第一轉矩請求轉換成第二轉矩請求； 使用模型預測控制(MPC)模塊，所述MPC模塊實施多次迭代以基于所述第二轉矩請求、 所述發動機的模型、表格矩陣和基解矩陣來確定一組當前目標值，每次迭代包括： 確定所述基解矩陣:呈包括原始變量和對偶變量的非基本對的非標準形式;還是呈包 括原始變量和對偶變量的基本對的標準形式； 當所述基解矩陣呈非標準形式時，基于所述非基本對的所述原始變量的第一輸入位置 來識別所述表格矩陣的第一列； 當所述基解矩陣呈標準形式且所述基解矩陣的一個或更多個原始變量為負時，基于所 述基本對的對偶變量的第二輸入位置來識別所述表格矩陣的所述第一列；以及 基于所述表格矩陣的所述第一列來選擇性地更新所述基解矩陣；以及 基于所述一組當前目標值中的第一者來控制發動機致動器。
[0039] 12.根據技術方案11所述的發動機控制方法，其進一步包括：當所述基解矩陣呈 標準形式且所述基解矩陣的所有原始變量為正時，基于所述基解矩陣的輸入來確定所述一 組當前目標值。
[0040] 13.根據技術方案12所述的發動機控制方法，其進一步包括：當所述基解矩陣呈 標準形式且所述基解矩陣的所有原始變量為正時，基于所述基解矩陣的輸入來確定所述一 組當前目標值。
[0041] 14.根據技術方案13所述的發動機控制方法，其進一步包括，當所述基解矩陣呈 標準形式且所述基解矩陣的所有原始變量為正時： 基于所述基解矩陣的輸入來分別確定所述目標值的變化;以及 通過分別將所述變化與上一組目標值相加來確定所述一組當前目標值。
[0042] 15.根據技術方案11所述的發動機控制方法，其進一步包括：當所述基解矩陣呈 標準形式時，基于與絕對值最大的負原始變量成對的所述對偶變量的第三輸入位置來識別 所述表格矩陣的所述第一列。
[0043] 16.根據技術方案11所述的發動機控制方法，其進一步包括:基于以下兩者之間 的比值來選擇性地更新所述基解矩陣： 所述基解矩陣的對偶變量和所述基解矩陣的原始變量中的一者；以及 所述表格矩陣的相對應的輸入。
[0044] 17.根據技術方案11所述的發動機控制方法，其進一步包括，對于所述基解矩陣 的每個對偶變量和原始變量： 確定所述基解矩陣的輸入與所述表格矩陣的所述相對應的輸入之間的比值； 識別所述比值中的正的且最小的一個；以及 基于所述表格矩陣的所述相對應的輸入的所述輸入位置來選擇性地更新所述基解矩 陣。
[0045] 18.根據技術方案17所述的發動機控制方法，其進一步包括：當所述比值中沒有 一個為正時，指示已發生故障。
[0046] 19.根據技術方案11所述的發動機控制方法，其進一步包括:對于等于0的預定加 權值不執行矩陣輸入的矩陣相乘。
[0047] 20.根據技術方案11所述的發動機控制方法，其進一步包括： 基于所述一組當前目標值中的第二者來控制渦輪增壓器的廢氣門的開度； 基于所述一組當前目標值中的第三者來控制排氣再循環(EGR)致動器閥；以及 分別基于所述一組當前目標值中的第四者和第五者來控制進氣閥定相和排氣閥定相； 以及 基于所述一組當前目標值中的所述一者來控制節流閥的開度。
[0048]本公開的另外的適用領域將從以下描述、權利要求書和附圖變得顯而易見。詳細 描述和特定示例旨在僅用于說明的目的而并非旨在限制本公開的范圍。
【附圖說明】
[0049]本公開將從詳細描述和附圖變得更充分理解的，其中： 圖1是示例發動機系統的功能性框圖； 圖2是示例發動機控制系統的功能性框圖； 圖3是示例空氣控制模塊的功能性框圖；以及 圖4是描繪求解優化問題和確定目標值的示例方法的流程圖；以及 圖5是描繪使用模型預測控制來控制節流閥、進氣和排氣閥定相、廢氣門和排氣再循環 (EGR)閥的示例方法的流程圖。
[0050] 在附圖中，可重復使用附圖標記來指示相似和/或相同的元件。
【具體實施方式】
[0051] 發動機控制模塊(ECM)控制發動機的轉矩輸出。更確切地，ECM分別基于目標值來 控制發動機的致動器，該目標值是基于所請求的轉矩量確定的。例如，ECM:基于目標進氣和 排氣移相器角度來控制進氣和排氣凸輪軸定相;基于目標節流閥開度來控制節流閥；基于 目標排氣再循環(EGR)開度來控制EGR閥；以及基于目標廢氣門占空比來控制渦輪增壓器的 廢氣門。
[0052] ECM能夠使用多個單輸入單輸出（SIS0)控制器來分別確定目標值，例如，比例積分 微分(PID)控制器。然而，當使用多個SIS0控制器時，可設定目標值以維持系統穩定性，但這 是以可能的燃料消耗減少為代價。額外地，對單獨的SIS0控制器的校準和設計會是昂貴且 耗時的。
[0053]本公開的ECM使用模型預測控制(MPC)來產生目標值。更確切地，ECM通過迭代地求 解每個控制回路的約束二次優化問題來確定最優目標值。本公開的ECM以高效計算方式來 求解優化問題。
[0054]現參考圖1，呈現了示例發動機系統100的功能性框圖。發動機系統100包括發動機 102,該發動機102基于來自駕駛員輸入模塊104的駕駛員輸入使空氣/燃料混合物燃燒以產 生用于車輛的驅動轉矩。發動機102可以是汽油火花點火內燃發動機。
[0055] 空氣經由節流閥112被吸入進氣歧管110。僅舉例說明，節流閥112可包括具有可旋 轉葉片的蝶形閥。發動機控制模塊(ECM) 114控制節流閥致動器模塊116，該節流閥致動器模 塊116調節節流閥112的開度以控制被吸入進氣歧管110中的空氣量。
[0056] 來自進氣歧管110的空氣被吸入發動機102的氣缸中。雖然發動機102可包括多個 氣缸，但是出于說明的目的示出了單個代表性氣缸118。僅舉例說明，發動機102可包括2、3、 4、5、6、8、10和/或12個氣缸。ECM 114可命令氣缸致動器模塊120選擇性地停用氣缸中的一 些，從而可在一些發動機操作條件下改善燃料經濟性。
[0057] 發動機102可使用四沖程循環來操作。可將下文所描述的四個沖程稱為進氣沖程、 壓縮沖程、燃燒沖程和排氣沖程。在曲軸的每次回轉(未示出）期間，在氣缸118內發生四個 沖程中的兩個。因此，為使氣缸118經歷所有四個沖程，需要兩次曲軸回轉。
[0058]在進氣沖程期間，來自進氣歧管110的空氣經由進氣閥122被吸入氣缸118中。ECM 114控制燃料致動器模塊124，該燃料致動器模塊124調節燃料噴射以達到目標空氣/燃料 比。可在中心位置處或在多個位置處(例如，在每個氣缸的進氣閥122附近)將燃料噴射至進 氣歧管110中。在各種執行(未示出）中，可將燃料直接噴射至氣缸中或噴射至與氣缸相關聯 的混合室中。燃料致動器模塊124可停止將燃料噴射到被停用的氣缸。
[0059]所噴射的燃料與空氣混合并且在氣缸118中產生空氣/燃料混合物。在壓縮沖程期 間，氣缸118內的活塞（未示出）壓縮空氣/燃料混合物。火花致動器模塊126基于來自ECM 114的信號使氣缸118中的火花塞128通電，其點燃空氣/燃料混合物。可相對于當活塞處于 其最上位置時的時間（稱為上止點(TDC))來指定火花的定時。
[0060]火花致動器模塊126可通過指定在TDC之前或之后多遠的定時信號來控制以產生 火花。由于活塞位置直接與曲軸旋轉有關，所以火花致動器模塊126的操作可與曲軸角同 步。可將產生火花稱為點火事件。火花致動器模塊126可具有針對每一點火事件改變火花定 時的能力。當上個點火事件與下個點火事件之間的火花定時改變時，火花致動器模塊126可 針對下個點火事件改變火花定時。火花致動器模塊126可停止將火花提供到被停用的氣缸。 [0061 ]在燃燒沖程期間，空氣/燃料混合物的燃燒驅動活塞遠離TDC，由此驅動曲軸。可將 燃燒沖程限定為在活塞到達TDC的時間與活塞到達下止點(BDC)的時間之間的時間。在排氣 沖程期間，活塞開始移離BDC并且經由排氣閥130排出燃燒副產物。燃燒副產物經由排氣系 統134從車輛排出。
[0062] 進氣閥122可通過進氣凸輪軸140來控制，而排氣閥130可通過排氣凸輪軸142來控 制。在各種執行中，多個進氣凸輪軸(包括進氣凸輪軸140)可控制氣缸118的多個進氣閥(包 括進氣閥122 )和/或可控制多列氣缸(包括氣缸118 )的進氣閥（包括進氣閥122 )。類似地，多 個排氣凸輪軸(包括排氣凸輪軸142)可控制氣缸118的多個排氣閥和/或可控制多列氣缸 (包括氣缸118)的排氣閥(包括排氣閥130)。在各種其它執行中，進氣閥122和/或排氣閥130 可通過除凸輪軸之外的其它裝置來控制，例如，無凸輪閥致動器。氣缸致動器模塊120可通 過禁用進氣閥122和/或排氣閥130的開度來停用氣缸118。
[0063]當進氣閥122被打開時的時間可相對于活塞TDC通過進氣凸輪移相器148來改變。 當排氣閥130被打開時的時間可相對于活塞TDC通過排氣凸輪移相器150來改變。移相器致 動器模塊158可基于來自ECM 114的信號來控制進氣凸輪移相器148和排氣凸輪移相器150。 當執行時，可變的閥升程(未示出）也可通過移相器致動器模塊158來控制。
[0064] 發動機系統100可包括渦輪增壓器，該渦輪增壓器包括熱渦輪機160-1，該熱渦輪 機160-1由流經排氣系統134的熱排氣供以動力。渦輪增壓器還包括由渦輪機160-1驅動的 冷空氣壓縮機160-2。壓縮機160-2壓縮引入節流閥112的空氣。在各種執行中，由曲軸驅動 的增壓器(未示出）可壓縮來自節流閥112的空氣并且將壓縮空氣遞送到進氣歧管110。
[0065] 廢氣門162可允許排氣繞過渦輪機160-1，由此減少由渦輪增壓器提供的升壓(進 氣壓縮量）。升壓致動器模塊164可通過控制廢氣門162的開度來控制渦輪增壓器的升壓。在 各種執行中，可執行兩個或兩個以上渦輪增壓器，且可通過升壓致動器模塊164來進行控 制。
[0066] 空氣冷卻器(未示出）可將來自壓縮空氣負載的熱量轉移到冷卻介質，例如，發動 機冷卻劑或空氣。可將使用發動機冷卻劑來冷卻壓縮空氣負載的空氣冷卻器稱為中間冷卻 器。可將使用空氣來冷卻壓縮空氣負載的空氣冷卻器稱為增壓空氣冷卻器。壓縮空氣負載 可(例如)經由壓縮和/或從排氣系統134的部件接收熱量。雖然出于說明的目的被示為分開 的，但渦輪機160-1和壓縮機160-2可附接至彼此，從而使進氣非常接近熱排氣。
[0067] 發動機系統100可包括排氣再循環(EGR)閥170,該EGR閥170選擇性地使排氣改向 返回到進氣歧管110 JGR閥170可位于渦輪增壓器的渦輪機160-1上游。EGR閥170可通過EGR 致動器模塊172基于來自ECM 114的信號進行控制。
[0068]可使用曲軸位置傳感器180來測量曲軸的位置。可基于曲軸位置來確定曲軸的旋 轉速度(發動機速度）。可使用發動機冷卻劑溫度(ECT)傳感器182來測量發動機冷卻劑的溫 度。ECT傳感器182可位于發動機102內，或位于冷卻劑進行循環所在的其它位置(例如，散熱 器(未示出）)處。
[0069]可使用歧管絕對壓力(MAP)傳感器184來測量進氣歧管110內的壓力。在各種執行 中，可測量發動機真空度，所述發動機真空度是環境空氣壓力和進氣歧管110內的壓力之間 的差值。可使用空氣質量氣流(MAF)傳感器186來測量流入進氣歧管110中的空氣的質量流 率。在各種執行中，MAF傳感器186可位于殼體中，該殼體也包括節流閥112。
[0070] 節流閥致動器模塊116可使用一個或更多個節流閥位置傳感器(TPS)190來監控節 流閥112的位置。可使用進氣溫度(IAT)傳感器192來測量被吸入發動機102中的空氣的環境 溫度。發動機系統100也可包括一個或更多個其它傳感器193,例如環境濕度傳感器、一個或 更多個爆振傳感器、壓縮機出口壓力傳感器和/或節流閥入口壓力傳感器、廢氣門位置傳感 器、EGR位置傳感器和/或一個或更多個其它合適的傳感器。ECM 114可使用來自所述傳感器 的信號以做出針對發動機系統100的控制決策。
[0071] ECM 114可與變速器控制模塊194通信以協調變速器(未示出）中的檔位齒輪。例 如，ECM 114可在換檔期間減小發動機轉矩。ECM 114可與混合動力控制模塊196通信以協調 發動機102和電動馬達198的運行。
[0072] 電動馬達198也可充當發電機，且可用于產生電能以供由車輛電氣系統使用和/或 供存儲于電池中。在各種執行中，ECM 114、變速器控制模塊194和混合動力控制模塊196的 各種功能可集成到一個或更多個模塊中。
[0073] 可將改變發動機參數的每個系統稱為發動機致動器。例如，節流閥致動器模塊116 可調節節流閥112的開度以達到目標節流閥開度范圍。火花致動器模塊126控制火花塞以達 到相對于活塞TDC的目標火花定時。燃料致動器模塊124控制燃料噴射器以達到目標燃料參 數。移相器致動器模塊158可控制進氣凸輪移相器148和排氣凸輪移相器150以分別達到目 標進氣和排氣凸輪移相器角度。EGR致動器模塊172可控制EGR閥170以達到目標EGR開度范 圍。升壓致動器模塊164控制廢氣門162以達到目標廢氣門開度范圍。氣缸致動器模塊120控 制汽缸停用以達到啟用或停用的汽缸的目標數量。
[0074] ECM 114產生發動機致動器的目標值，以引起發動機102產生目標發動機輸出轉 矩。ECM 114使用模型預測控制來產生發動機致動器的目標值，如下文進一步論述的。
[0075]現參考圖2,呈現了示例發動機控制系統的功能性框圖。ECM 114的示例執行包括 駕駛員轉矩模塊202、軸轉矩仲裁模塊204和推進轉矩仲裁模塊206 ACM 114可包括混合動 力優化模塊208 ACM 114還可包括儲備/加載模塊220、轉矩請求模塊224、空氣控制模塊 228、火花控制模塊232、氣缸控制模塊236和燃料控制模塊240。
[0076]駕駛員轉矩模塊202可基于來自駕駛員輸入模塊104的駕駛員輸入255來確定駕駛 員轉矩請求254。駕駛員輸入255可以是基于(例如）加速器踏板的位置和制動踏板的位置。 駕駛員輸入255還可以是基于巡航控制，其可以是改變車速以維持預定行車間距的自適應 性巡航控制系統。駕駛員轉矩模塊202可存儲加速器踏板位置到目標轉矩的一個或更多個 映射，且可基于這些映射中所選擇的一個來確定駕駛員轉矩請求254。
[0077]軸轉矩仲裁模塊204在駕駛員轉矩請求254和其它軸轉矩請求256之間進行仲裁。 軸轉矩(車輪處的轉矩)可由包括發動機和/或電動馬達的各個源所產生。例如，軸轉矩請求 256可包括當檢測到正車輪滑動時由牽引控制系統所請求的轉矩減小。當軸轉矩克服車輪 與道路表面之間的摩擦且車輪開始在道路表面上滑動時，發生正車輪滑動。軸轉矩請求256 還可包括轉矩增加請求以抵消負車輪滑動，其中由于軸轉矩為負所以車輛輪胎相對于道路 表面在另外方向上滑動。
[0078]軸轉矩請求256還可包括制動管理請求和車輛超速轉矩請求。制動管理請求可減 小軸轉矩，以確保當車輛停止時軸轉矩不超過制動器固持住車輛的能力。車輛超速轉矩請 求可減小軸轉矩以防止車輛超過預定速度。軸轉矩請求256還可由車輛穩定性控制系統產 生。
[0079]軸轉矩仲裁模塊204基于接收到的轉矩請求254和256之間的仲裁結果來輸出預測 轉矩請求257和即時轉矩請求258。如下文所描述的，來自軸轉矩仲裁模塊204的預測轉矩請 求257和即時轉矩請求258可在用于控制發動機致動器之前通過ECM 114的其它模塊進行選 擇性地調節。
[0080] 通常，即時轉矩請求258可以是當前所需的軸轉矩的量，而預測轉矩請求257可以 是在短時間內可需要的軸轉矩的量。ECM 114控制發動機系統100以產生等于即時轉矩請求 258的軸轉矩。然而，目標值的不同組合可產生相同的軸轉矩。ECM 114可由此調整目標值， 以使得能夠更快速地轉變到預測轉矩請求257,同時仍將軸轉矩維持在即時轉矩請求258 處。
[0081] 在各種執行中，可基于駕駛員轉矩請求254來設定預測轉矩請求257。在一些情形 下，例如，當駕駛員轉矩請求254正使得車輪在結冰表面上滑動時，則即時轉矩請求258可設 定成小于預測轉矩請求257。在此類情況下，牽引控制系統（未示出）可經由即時轉矩請求 258來請求減小，且ECM 114將發動機轉矩輸出減小到即時轉矩請求258。然而，ECM 114實施 此減小，使得在車輪滑動停止時，則發動機系統100能夠快速地恢復產生預測轉矩請求257。 [0082]通常，能夠將即時轉矩請求258和(通常更高的）預測轉矩請求257之間的差值稱為 轉矩儲備。轉矩儲備可表示發動機系統100能夠以最小延遲開始產生的額外轉矩(高于即時 轉矩請求258)的量。快速發動機致動器用于以最小延遲增大或減小當前軸轉矩。快速發動 機致動器被定義成與慢速發動機致動器形成對比。
[0083]通常，快速發動機致動器能夠比慢速發動機致動器更快速地改變軸轉矩。慢速致 動器可比快速致動器更緩慢地響應于其各目標值中的變化。例如，慢速致動器可包括響應 于目標值中的變化需要時間來從一個位置移到另外位置的機械部件。慢速致動器的特征還 可以在于當慢速致動器開始執行所改變的目標值時開始改變軸轉矩所耗費的時間量。通 常，此時間量對于慢速致動器而言將大于快速致動器。另外，即使在開始改變之后，軸轉矩 可需要更長時間來充分響應于慢速致動器中的變化。
[0084]僅舉例說明，火花致動器模塊126可以是快速致動器。火花點火發動機可通過應用 火花來燃燒包括(例如)汽油和酒精的燃料。通過對比，節流閥致動器模塊116可以是慢速致 動器。
[0085]例如，如上文所描述的，當上個點火事件與下個點火事件之間的火花定時被改變 時，火花致動器模塊126能夠針對下個點火事件改變火花定時。通過對比，節流閥開度的變 化需要更長時間來影響發動機輸出轉矩。節流閥致動器模塊116通過調節節流閥112的葉片 角度來改變節流閥開度。因此，當節流閥112開度的目標值改變時，因為節流閥112響應于該 改變從其先前位置移到新位置，所以存在機械延遲。另外，基于節流閥開度的氣流變化受到 進氣歧管110中的空氣輸送延遲的影響。另外，直到氣缸118在下個進氣沖程中接收到額外 空氣，壓縮該額外空氣并且開始燃燒沖程，進氣歧管110中增加的氣流才實現為發動機輸出 轉矩的增加。
[0086] 將這些致動器用作示例，能夠通過將節流閥開度設定到將允許發動機102產生預 測轉矩請求257的值來產生轉矩儲備。同時，能夠基于小于預測轉矩請求257的即時轉矩請 求258來設定火花定時。雖然節流閥開度產生足夠的氣流以使發動機102產生預測轉矩請求 257,但火花定時基于即時轉矩請求258而被延遲(其減小轉矩）。發動機輸出轉矩因此將等 于即時轉矩請求258。
[0087] 當需要額外轉矩時，能夠基于預測轉矩請求257或在預測轉矩請求257與即時轉矩 請求258之間的轉矩來設定火花定時。在接下來的點火事件之前，火花致動器模塊126可將 火花定時返回至最優值，從而允許發動機102產生以已存在的氣流可達到的完全的發動機 輸出轉矩。發動機輸出轉矩因此可快速增加到預測轉矩請求257,而不經歷由于改變節流閥 開度的延遲。
[0088] 軸轉矩仲裁模塊204可將預測轉矩請求257和即時轉矩請求258輸出到推進轉矩仲 裁模塊206。在各種執行中，軸轉矩仲裁模塊204可將預測轉矩請求257和即時轉矩請求258 輸出到混合動力優化模塊208。
[0089]混合動力優化模塊208可確定應由發動機102產生多少轉矩以及應由電動馬達198 產生多少轉矩。然后，混合動力優化模塊208分別將修改的預測轉矩請求259和即時轉矩請 求260輸出到推進轉矩仲裁模塊206。在各種執行中，混合動力優化模塊208可在混合動力控 制模塊196中被執行。
[0090]由推進轉矩仲裁模塊206接收到的預測轉矩請求和即時轉矩請求從軸轉矩域(車 輪處的轉矩)轉換到推進轉矩域（曲軸處的轉矩）中。此轉換可發生在混合動力優化模塊208 之前、之后，或作為其的一部分，或代替其。
[0091]推進轉矩仲裁模塊206在推進轉矩請求290(包括經轉換的預測轉矩請求和即時轉 矩請求)之間進行仲裁。推進轉矩仲裁模塊206產生經仲裁的預測轉矩請求261和經仲裁的 即時轉矩請求262。可通過從接收到的轉矩請求當中選擇獲勝請求來產生經仲裁的轉矩請 求261和262。可替代地或額外地，可通過基于接收到的轉矩請求中的另外一個或更多個修 改接收到的請求中的一個來產生經仲裁的轉矩請求。
[0092] 例如，推進轉矩請求290可包括用于發動機超速保護的轉矩減小、用于防止失速的 轉矩增加以及由變速器控制模塊194所請求的以適應換檔的轉矩減小。推進轉矩請求290還 可由離合器燃料切斷產生，其在駕駛員壓下手動檔車輛中的離合器踏板時減小發動機輸出 轉矩以防止發動機速度的突然加劇。
[0093] 推進轉矩請求290還可包括發動機關閉請求，在檢測到緊急故障時可引發該發動 機關閉請求。僅舉例說明，緊急故障可包括:檢測到車輛被盜;起動馬達被卡住；電子節流閥 控制問題以及意外的轉矩增加。在各種執行中，當發動機關閉請求存在時，仲裁將發動機關 閉請求選為獲勝請求。當發動機關閉請求存在時，推進轉矩仲裁模塊206可將0輸出為經仲 裁的預測轉矩請求261和即時轉矩請求262。
[0094]在各種執行中，發動機關閉請求僅可獨立于仲裁過程而關掉發動機102。推進轉矩 仲裁模塊206可仍接收發動機關閉請求，使得能夠將(例如)適當的數據反饋到其它轉矩請 求器。例如，可通知所有其它轉矩請求器其已輸掉仲裁。
[0095]儲備/加載模塊220接收經仲裁的預測轉矩請求261和即時轉矩請求262。儲備/加 載模塊220可調整經仲裁的預測轉矩請求261和即時轉矩請求262以產生轉矩儲備和/或補 償一個或更多個負載。于是儲備/加載模塊220將經調整的預測轉矩請求263和即時轉矩請 求264輸出到轉矩請求模塊224。
[0096] 僅舉例說明，催化轉換器起燃過程或冷起動減排過程可需要延遲的火花定時。儲 備/加載模塊220因此可將經調整的預測轉矩請求263增加到高于經調整的即時轉矩請求 264,以產生用于冷起動減排過程的延遲的火花。在另外示例中，可直接改變發動機的空氣/ 燃料比和/或空氣質量流量，例如通過診斷介入當量比測試和/或新發動機凈化。在開始這 些過程之前，可產生或增加轉矩儲備以快速補償由在這些過程期間缺乏空氣/燃料混合物 產生的發動機輸出轉矩的減小。
[0097] 在預計到將來的負載的情況下，例如，動力轉向栗操作或空調(A/C)壓縮機離合器 的接合，儲備/加載模塊220還可產生或增加轉矩儲備。當駕駛員首先請求空氣調節時，可產 生用于A/C壓縮機離合器的接合的儲備。儲備/加載模塊220可增大經調整的預測轉矩請求 263,同時使經調整的即時轉矩請求264不變以產生轉矩儲備。然后，當A/C壓縮機離合器接 合時，儲備/加載模塊220可使經調整的即時轉矩請求264增加 A/C壓縮機離合器的估計負 載。
[0098]轉矩請求模塊224接收經調整的預測轉矩請求263和即時轉矩請求264。轉矩請求 模塊224確定將如何達到經調整的預測轉矩請求263和即時轉矩請求264。轉矩請求模塊224 可以是根據發動機類型所特定的。例如，轉矩請求模塊224可以不同方式執行，或針對火花 點火發動機與壓縮點火發動機使用不同控制方案。
[0099]在各種執行中，轉矩請求模塊224可限定在所有發動機類型中普遍的模塊與根據 發動機類型所特定的模塊之間的分界。例如，發動機類型可包括火花點火類型和壓縮點火 類型。在轉矩請求模塊224之前的模塊(例如，推進轉矩仲裁模塊206)在發動機類型中可以 是普遍的，而轉矩請求模塊224和后續模塊可以是根據發動機類型所特定的。
[0100]轉矩請求模塊224基于經調整的預測轉矩請求263和即時轉矩請求264來確定空氣 轉矩請求265。空氣轉矩請求265可以是制動轉矩。制動轉矩可指在當前操作條件下曲軸處 的轉矩。
[0101] 基于空氣轉矩請求265來確定氣流控制發動機致動器的目標值。更確切地，基于空 氣轉矩請求265,空氣控制模塊228確定目標廢氣門開度范圍266、目標節流閥開度范圍267、 目標EGR開度范圍268、目標進氣凸輪移相器角度269和目標排氣凸輪移相器角度270。空氣 控制模塊228使用模型預測控制來確定目標廢氣門開度范圍266、目標節流閥開度范圍267、 目標EGR開度范圍268、目標進氣凸輪移相器角度269和目標排氣凸輪移相器角度270,如下 文進一步論述的。
[0102] 升壓致動器模塊164控制廢氣門162以達到目標廢氣門開度范圍266。例如，第一轉 換模塊272可將目標廢氣門開度范圍266轉換成待應用至廢氣門162的目標占空比274,且升 壓致動器模塊164可基于目標占空比274將信號應用至廢氣門162。在各種執行中，第一轉換 模塊272可將目標廢氣門開度范圍266轉換成目標廢氣門位置(未示出），且將目標廢氣門位 置轉換成目標占空比274。
[0103] 節流閥致動器模塊116控制節流閥112以達到目標節流閥開度范圍267。例如，第二 轉換模塊276可將目標節流閥開度范圍267轉換成待應用至節流閥112的目標占空比278，且 節流閥致動器模塊116可基于目標占空比278將信號應用至節流閥112。在各種執行中，第二 轉換模塊276可將目標節流閥開度范圍267轉換成目標節流閥位置(未示出），且將目標節流 閥位置轉換成目標占空比278。
[0104] EGR致動器模塊172控制EGR閥170以達到目標EGR開度范圍268。例如，第三轉換模 塊280可將目標EGR開度范圍268轉換成待應用至EGR閥170的目標占空比282,且EGR致動器 模塊172可基于目標占空比282將信號應用至EGR閥170。在各種執行中，第三轉換模塊280可 將目標EGR開度范圍268轉換成目標EGR位置(未示出），且將目標EGR位置轉換成目標占空比 282〇
[0105] 移相器致動器模塊158控制進氣凸輪移相器148以達到目標進氣凸輪移相器角度 269。 移相器致動器模塊158還控制排氣凸輪移相器150以達到目標排氣凸輪移相器角度 270。 在各種執行中，可包括第四轉換模塊(未示出），且其可分別將目標進氣和排氣凸輪移 相器角度轉換成目標進氣和排氣占空比。移相器致動器模塊158可分別將目標進氣和排氣 占空比應用到進氣凸輪移相器148和排氣凸輪移相器150。在各種執行中，空氣控制模塊228 可確定目標重疊因子和目標有效位移，且移相器致動器模塊158可控制進氣凸輪移相器148 和排氣凸輪移相器150以達到目標重疊因子和目標有效位移。
[0106] 轉矩請求模塊224還可基于預測轉矩請求263和即時轉矩請求264來產生火花轉矩 請求283、氣缸關閉轉矩請求284和燃料轉矩請求285。火花控制模塊232可基于火花轉矩請 求283確定使火花定時(其減小發動機輸出轉矩)從最優火花定時延遲多久。僅舉例說明，可 反轉轉矩關系以求解目標火花定時286。對于給定的轉矩請求(T Re3q)而言，可基于下式來確 定目標火花定時(ST)28R·
其中APC是APC(每氣缸空氣），I是進氣閥定相值，E是排氣閥定相值，AF是空氣/燃料比， 0T是油溫度，且#是啟用的氣缸數量。此關系可體現為方程和/或查找表。空氣/燃料比(A/F) 可以是如由燃料控制模塊240所報告的實際空氣/燃料比。
[0107] 當將火花定時設定到最優火花定時時，所產生轉矩可盡可能地接近最優轉矩的最 小點火提前(MBT火花定時）。最優轉矩是指，在使用辛烷值大于預定辛烷值的燃料且使用化 學計量比加燃料的情況下，在火花定時提前時，針對給定空氣流所產生的最大發動機輸出 轉矩。將發生此最優轉矩的火花定時稱為MBT火花定時。最優火花定時可由于(例如)燃料品 質(例如，當使用更低辛烷值燃料時)和環境因素(例如，環境濕度和溫度)而略微不同于MBT 火花定時。因此，最優火花定時處的發動機輸出轉矩可小于MBT。僅舉例說明，可在車輛設計 的校準階段期間確定對應于不同發動機操作條件的最優火花定時的表，且基于當前發動機 操作條件從所述表確定最優值。
[0108] 可由氣缸控制模塊236使用氣缸關閉轉矩請求284以確定待停用氣缸的目標數量 287。在各種執行中，可使用待啟用的氣缸的目標數量。氣缸致動器模塊120基于目標數量 287來選擇性地啟用和停用氣缸的閥。
[0109] 氣缸控制模塊236還可命令燃料控制模塊240停止為停用的氣缸提供燃料，且可命 令火花控制模塊232停止為停用的氣缸提供火花。當已經存在于氣缸中的燃料/空氣混合物 已經燃燒時，則火花控制模塊232可停止將火花提供到氣缸。
[0110] 燃料控制模塊240可基于燃料轉矩請求285來改變提供到每個氣缸的燃料量。更確 切地，燃料控制模塊240可基于燃料轉矩請求285來產生目標燃料參數288。目標燃料參數 288可包括(例如)燃料的目標質量、目標噴射開始定時和目標燃料噴射次數。
[0111]在正常操作期間，燃料控制模塊240可以空氣主導模式操作，在該空氣主導模式 中，燃料控制模塊240試圖通過基于氣流控制加燃料來維持化學計量的空氣/燃料比。例如， 燃料控制模塊240可確定在與每缸空氣(APC)的當前質量組合時將產生化學計量比燃燒的 目標燃料質量。
[0112] 圖3是空氣控制模塊228的示例執行的功能性框圖。現參考圖2和圖3,如上文所論 述的，空氣轉矩請求265可以是制動轉矩。轉矩轉換模塊304將空氣轉矩請求265從制動轉矩 轉換成基礎轉矩(base torque)。由轉換成基礎轉矩產生的轉矩請求將稱作基礎空氣轉矩 請求308。
[0113] 基礎轉矩可指，在發動機102是熱的且附件(例如，交流發電機和A/C壓縮機)未將 轉矩負載強加于發動機102上的情況下，在發動機102操作期間在測力計上產生的曲軸處的 轉矩。轉矩轉換模塊304可(例如)使用使制動轉矩與基礎轉矩相關聯的映射或函數將空氣 轉矩請求265轉換成基礎空氣轉矩請求308。在各種執行中，轉矩轉換模塊304可將空氣轉矩 請求265轉換成另外的合適類型的轉矩(例如，指示轉矩）。指示轉矩可指曲軸處的可由于經 由氣缸內的燃燒所產生的功的轉矩。
[0114] MPC模塊312使用MPC(模型預測控制）來產生目標值266-270以達到基礎空氣轉矩 請求308 JPC模塊312包括狀態估計器模塊316和優化模塊320。
[0115] 狀態估計器模塊316基于發動機102的數學模型、來自先前(例如，上個)控制回路 的發動機狀態及來自先前控制回路的目標值266-270來確定控制回路的狀態。例如，狀態估 計器模塊316可基于以下關系式來確定控制回路的狀態：
其中k是第k個控制回路，x(k)是具有指示第k個控制回路的發動機102狀態的輸入的向 量，x(k-l)是來自第k-Ι個控制回路的向量x(k)，A是包括基于發動機102的特征所校準的常 數值的矩陣，B是包括基于發動機102的特征所校準的常數值的矩陣，u(k-l)是包括在上個 控制回路期間所使用的目標值266-270的輸入的向量，y(k)是向量x(k)的線性組合，C是包 括基于發動機102的特征所校準的常數值的矩陣，B v是包括基于發動機的特征所校準的常 數值的矩陣，且ν是包括測量擾動的矩陣。測量擾動模型包括影響發動機行為但無法直接操 縱的參數，例如環境壓力和/或溫度。可基于這些參數的測量或估計值（由反饋輸入330-起 圖示出）來調節狀態參數中的一個或更多個。狀態估計器模塊316可(例如)使用卡爾曼濾波 器或另外的合適類型的狀態估計器來確定狀態。
[0116] 由MPC模塊312實施的功能通常能夠描述如下。對于k=l，……，N(N是大于1的整 數），其實現： (1)使用以上方程和反饋輸入330來獲得在k時刻的發動機102狀態的估計值； (2)計算對于k時刻的目標值266-270的最優值，以最小化在從k時刻到將來的k+p時刻 的周期期間的成本函數；以及 (3 )將目標值266-270設定成僅對于k+Ι時刻所計算的最優值。然后，針對下個控制回路 返回到（1)。
[0117] k時刻和k+p時刻之間的周期是指預測時域。
[0118] 成本函數是在每個控制回路在預測時域范圍內所定義的最優控制問題中待最小 化的性能準則。此函數反映所需的控制目標。其可以是(例如)對應于跟蹤誤差的不同項的 和，例如針對用于跟蹤一些參考位置的操縱變量的
，針對用于跟蹤 一些所需的設定點值的控制變量
，控制效果(例如，
或
)以及用于約束違反的懲罰項。更通常地，成本函數取決于操縱變量u、來自上 個控制回路的操縱變量的變化Δ u、控制變量y和約束違反懲罰變量C。可將目標值266-270 稱為操縱變量且其由變量u表示。可將預測參數稱為控制變量且其可由變量y表示。
[0119] 致動器約束模塊360(圖2)可設定目標值266-270的致動器約束348。例如，致動器 約束模塊360可設定對于節流閥112的致動器約束、對于EGR閥170的致動器約束、對于廢氣 門162的致動器約束、對于進氣凸輪移相器148的致動器約束和對于排氣凸輪移相器150的 致動器約束。
[0120]對于目標值266-270的致動器約束348可包括相關聯目標值的最大值和此目標值 的最小值。通常，致動器約束模塊360可將致動器約束348設定成相關聯致動器的預定操作 范圍。更確切地，通常，致動器約束模塊360可分別將致動器約束348設定成對于節流閥112、 EGR閥170、廢氣門162、進氣凸輪移相器148和排氣凸輪移相器150的預定操作范圍。然而，在 一些情形下，致動器約束模塊360可選擇性地調節致動器約束348中的一個或更多個。
[0121] 輸出約束模塊364(圖2)可設定對于控制變量(y)的輸出約束352。對于控制變量的 輸出約束352可包括此控制變量的最大值和此控制變量的最小值。通常，輸出約束模塊364 可分別將輸出約束352設定成相關聯控制變量的預定范圍。然而，在一些情形下，輸出約束 模塊364可改變輸出約束352中的一個或更多個。
[0122] 參考模塊368(圖2)分別產生對于目標值266-270的參考值356。參考值356包括對 于目標值266-270中的每者的參考。換言之，參考值356包括參考廢氣門開度范圍、參考節流 閥開度范圍、參考EGR開度范圍、參考進氣凸輪移相器角度和參考排氣凸輪移相器角度。參 考模塊368可(例如)基于空氣轉矩請求265、基礎空氣轉矩請求308和/或一個或更多個其它 合適參數來確定參考值356。
[0123] 優化模塊320使用Dantzig二次規劃(QP)求解器來確定目標值266-270<^Ρ求解器 在不等式約束下使用二次成本函數來求解優化問題。例如，如果向量
表示一些優化變量，則能夠將X的二次函數表示為以下形式：
其中，Q是η χ η常數的對稱正定矩陣，Constant是常數值，且
h對于每個控制回路是恒定的向量，但能夠根據不同的控制回路而變化。線性約束呈以 下形式：
其中C是常數矩陣，且b對于每個控制回路是恒定的向量，但能夠根據不同的控制回路 而變化。
[0124] 將依據nu和ny來描述下文，nu是指目標值的數量(例如，在以上示例中為5個），且n y 是指控制變量的數量。
其中i是在1和nu之間的整數。
[0125] 能夠將待求解的控制問題寫成以下形成： 在以下約束下：
其中，加 h言所描沭的，
同時滿足
[0126] WAU、WU和Wy為正的預定加權值。VAu、VU和Vy為大于或等于〇的預定軟約束值。可將預 定約束值設定成0,（例如）以引起對相應參數的硬約束。具有下標min和max的值表示相應參 數的上限約束和下限約束。
[0127] 能夠將操縱變量u或操縱變量變化Δ u用作待優化(經由優化問題)的值。將依據操 縱變量變化Διι是待優化的值來描述以下示例。基于以上方程(1)和(2)以及歸納法：
[0129]依據Δ u進行重寫得到：
其中u(l)是包括前一個控制回路的目標值的矩陣，且x(0)是包括當前控制回路的狀態 參數的矩陣，該狀態參數是由狀態估計器模塊316所提供。
[0130]為了簡化記錄，定義
[0131]然后，

[0132] 為了減小優化問題的大小，優化模塊320應用阻斷-移動(blocking-move)技術。假 設η。是自由控制移動(free control move)的數量。假設Jm是對應于AU的給定阻斷移動結 構的矩陣。于是，Jm是大小為pnu X η。的矩陣，其僅包括η。識別適當位置和0處的Inu。假設z是 新的優化變量(所有自由移動變量）。于是通過構造下式： ΔΙ.? 二：。
[0133] 使用z，能夠將方程(6)重寫為：
依據上文所提供的成本函數，
是包括加權值的矩陣。為了簡化記錄，

[0134] 在這些矩陣中，對角塊的數量等于預測時域的長度。
[0135] 使用此記法，可以將成本函數重寫為：
〇
[0136] 從成本函數移除所有常數項并依據Δ 1]和:€來表示J，
[0140]由于這些定義，能夠將成本函數重寫為：
[0141] 能夠按如下來重寫約束和所述約束的滿足。
[0142] 從方程(5)和(6)，能夠獲得下式：
[0143] 使用以下定義：
[0144] 在Mz矩陣中，通過移除對應于被阻斷至0的所有Δ us的0的所有行，能夠將塊
其中Iz表示大小為z的單位矩陣。類似地，也通過移除不必要的行來縮減其它Μ矩陣。能 夠針對以下塊執行對應于致動器約束的類似縮減：
[0145] 預測參數(y值)在整個預測時域范圍內受到約束。然而，有可能在強加輸出約束的 預測時域范圍內挑選特定時間步。在此情況下，％矩陣中僅保持對應于以下塊中的這些時 間步的行：
且相應地通過移除不必要的行來修改所有其它Μ矩陣。
[0146] 矩陣和籍以及向量紙和對于給定線性模型而言不變。向量 和(Μ當前)取決于由狀態估計器模塊316所估計的當前狀態以及來自上個控制回路 (即，最近控制動作）的目標值266-270,且在由優化模塊320用來確定當前控制回路的目標 值266-270之前對于每個控制回路進行更新。
[0147] 使用這些記錄，能夠將在每個控制回路由優化模塊320求解的QP問題重寫為：
[0148] 以上優化問題具有以下形式，其在以下約束下：
[0149] 上標Τ的使用表示轉置使用。
[0150] 根據Karush-Kuhn-Tucker(KKT)定理，當且僅當存在;f備聰聲時，?蹲1是QP 問題的唯一解，使得：
[0151] 上文中，（ii)涉及原始和對偶約束滿足，且（iii)涉及互補性。可將X稱為原始變 量。可將λ稱為拉格朗日乘子或對偶變量。對于收到約束的QP優化問題而言，最優解包括原 始變量和對偶變量的最優對。
[0152]能夠引入新的變量y，其中
[0158] I是單位矩陣。
[0159] 因此能夠使用以下方程來確定；:
[0160] 可將求解滿足條件（i)到（iii)的最優對pil+l的求解器稱為對偶求解器。優化 模塊320包括對偶求解器且求解如上文所描述的最優
[0161 ] 尤?包括對應于來自前一個控制回路(例如，k_l)的目標值266-270的變化的最優 值。優化模塊320分別基于的值來調節來自前一個控制回路的目標值266-270,以產生 當前控制回路的目標值266-270用于控制相應的致動器。僅舉例說明，優化模塊320可分別 將目標值266-270與尤> 的值相加，以產生用于當前控制回路的目標值266-270。這些目標 值266-270將用于控制相應的致動器。
[0162] 能夠將以上重寫為：
其中釹w :ss..|Sir.4. s?:暴以及會怒義.其中辦.和議是在.徽爾中。A是已知的m x m正 矩陣，且向量是已知的。
[0163] 可將找到滿足上式的（w，u)的問題稱為線性互補問題(LCP)且通過優化模塊320 來求解。具體而言，可由Dantzig QP求解器來使用此形式。對稱矩陣Α和向量q包括預定數 據。可將A矩陣稱為表格。表格的大小影響產生目標值266-270所需要的計算數量。
[0164] 在關系式（12)中，LCP(w和u)中存在2n個未知數，且存在η個線性方程。為了確定w 和u，此外還需要η個方程。以更簡單的方式寫出關系式(12)的條件，我們得到：
[0165] 這意味著對于（i=l......因此，在w和u的所有2n個分量當中存在至 少η個(LDantzig QP求解器以迭代方式確定對于w和u的零分量以及非零分量的正確組合， 使得關系式(12)和其條件同時得到滿足。
[0166] 應用于LCP的Dantzig QP求解器是用于線性規劃的單純形求解器的擴展。關系式 (12)具有至多η個非零分量。關系式（12)的基本解僅為在求解過程中由于關系式（12)的條 件而需要加以考慮的那些基本解。對于給定的基本解而言，可將具有非零值的所有分量稱 為基本變量。
[0167] 基本原始可行解是所有原始變量為非負的基本解。基本對偶可行解是所有對偶變 量為非負的基本解。如果沒有一對對應的w分量和u分量包括兩個非零兀素，則可稱基本可 行解呈標準形式。在標準形式中，每對(Wi, Ui)的恰好一個元素是零(i=l，···，m)。如果基本 可行解呈標準形式，則也可稱相對應表格呈標準形式。如果基本可行解不呈標準形式（即， 其具有數對的每對( Wl，m)，使得兩個分量為零或兩個均為非零），則可稱其呈非標準形式。
[0168] 現將使用以下變量。N是指約束變量w的數量，且等于nuNUC是無約束變量的數量， 且在此示例中可等于LBV是基本變量的值的向量，且由優化模塊320以迭代方式確定并且 初始化至BV=q。
[0169] IB是對于u的大小為N的索引向量。如果IB(I)>0，則町是基本變量且WI=BV(IB(I))。 如果IB(I )〈0，則們是非基本變量且町=0，并且-IB(I)是它在表格A中的列數。IL是對于w的大 小為N的索引向量。如果IL(I)>0,則m是基本變量且 UI=BV(IB(I))。如果ΙΒ(Ι)〈0,則m是非 基本變量且w=0，并且-IB(I)是它在表格A中的列數。A是初始表格且其通過優化模塊320以 迭代方式進行修改。
[0170] IRET是指示優化已終止的返回值。IRET>0指示已找到最優解，且IRET指示用于獲 得最優解的迭代次數。IRET=-I指示在初始BV的w變量中的不可行分量的索引。IRET=-3N指 示不可能從基移除變量。不應出現IRET=-I和IRET=-3N。
[0171]通常而言，優化模塊320以迭代方式修改關系式（12)的基本解，以便在有限的迭代 數量中找到滿足關系式(12)以及滿足關系式(12)的條件的一個基本解。
[0172]關系式（12)的一個解是《=(1和1!=0。在此情況下，滿足關系式（12)的所有條件，但 W泛0.除外。如果q的所有分量均為正，則優化模塊320停止并且已找到最優解。否則，優化 模塊320執行一次或更多次另外的迭代。使用以上術語，使基本解初始化至預定基本解：
且基本變量為w的分量。如果q具有至少一個負分量，則此基本解是唯一的對偶可行解。 根據索引向量IL和IB的以上定義，最初， 對于（i=l，···，111)，1以;〇=1，且 IB=-IL〇
[0173] 假設表格、/? = ζ/,Μ；)是表格，且h是當前步驟下的右乘矩陣，相對應的基本解 由下式表示：
其中ZB和ZN分別是基本變量和非基本變量。顯然，ZB=h，且根據定義ZN=0，其中在初始化 時 Μ 且 h=q。
[0174] 假設減以和h+分別是表格和在下次迭代的右乘矩陣。現將解釋優化模塊 320如何從進行到和h+。
[0175] 其中Ei和Mi分別表示I和Μ的第i列。所進行的一次迭代如下： (i)根據一些規則(確定1C和IR)，選擇Μ中的1C列和I中的IR列并交換這兩個列，使得
[0176] (ii)通過主元消元(pivoting)求解，即，通過對i和h進行運算以獲得：
[0177] 然后，確定進入基和離開基的變量。當提及非基本變量應進入基時，其意指，對應 于表格中的此變量的列應代替對應于基本變量的一列。當提及基本變量應離開基時，其意 指，對應于表格中的此變量的列應由對應于應進入基的非基本變量的一列來代替。
[0178] 如果表呈標準形式，則非基本u變量應進入基，使得對應的w變量具有h中的絕對值 最大的負值。如果表格呈非標準形式，且(Wl，m)為非基本對，然后化應進入基。假設Μκ是表 格的待進入基的列，且h是基本變量的當前值。計算所有基本u變量與對應于主要變量(所述 主要變量與將進入基的U變量相關聯）的變量的比值hi/Mi,K。刪除對應于最小正比值的變 量。
[0179]關于主元消元，如果使j左乘Γ1，則我們將獲得以下單位塊：
[0181 ]優化模塊320根據關系式(13)來更新表格和基本解。
[0182] 然而，需要計算由下式給出：
[0183] 優化模塊320驗證：
[0184] 主元消元會是由優化模塊320為獲得最優解所執行的（計算上)最耗時的運算。相 對于用于執行主元消元的計算時間，Dantzig QP求解器的所有其它運算的時間可忽略。
[0185] 假設g是大小為N的向量，且假設E(i，g)是通過用g代替單位矩陣的第i列所獲得 的矩陣，使得
[0186] 可將E(i，g)稱為初等矩陣。由于以上所述，P和F1也是單位矩陣。
[0187] 假設a是大小為N的仵何向量，
[0188] 由于以上所述，顯然，所執行的用于計算E(i，g)a的運算次數與N線性地成比例， 而計算通用矩陣-向量積所需的運算次數與向量大小的平方成比例。
[0189] 如上文所描述，假設（IR，IC)是主元消元的位置，將在每次迭代時執行以下矩陣相 乘：
[0190] 然而，又如上文所陳述，僅需要基本變量的值來確定IC(即，不需要來自表格的信 息），且在確定1C之后，僅表格的第1C列需要進行更新，以便執行剩余的迭代以確定IR。
[0191] 例如，在一控制回路期間的η次迭代時，已基于基本變量的更新值確定了索引1C。 問題于是在于，如何在先前的n-Ι次迭代期間更新初始表格的第1C列。假設 是在先前的n-Ι次迭代期間所使用的初等(左手側)矩陣，其均呈E(IRk， gk)的形式，其中IRk是在k次迭代時所選擇的主元行，且gk是在k次迭代時從主元列所獲得的 列向量。假設gn是表格的第1C列在當前迭代時應達到的值。在第一種情況下，在目前控制回 路的先前迭代中還沒有選擇表格的第1C列。在此情況下，假設go是初始表格的第1C列：
其與(n-l)N成比例。在第二種情況下，在目前控制回路的前一個迭代中選擇了表格的 第1C列。在此情況下，假設k是使用第1C列的上一次迭代，且假設IRk是在此迭代時所選擇的 行的索引，第1C列需要通過EIrk=(0，. . .，0，1，0，. . .，的僅等于1的分 量相關聯，使得
[0192] 對于一些gk而言，具有E(IRk，gk)的形式。因此，我們得到：
[0193] 此外， 其與n-1-k(N)成比例。
[0194] 由于以上內容，在η次迭代時的所需計算次數至多與(n-l)N成比例。因此，對于η次 迭代的總運行時間與下式成比例：
[0195] 如果對于每次迭代執行全矩陣相乘，則總的運行時間將是ηΝ2。上式與ηΝ2的比值接 近η/2Ν。因此，通過優化模塊320實現了計算效率改進(以每次迭代實施更少計算的方式）。
[0196] 圖4是流程圖，其描繪一種求解優化問題和確定目標值266-270的示例方法。控制 回路始于404，在404處，優化模塊320初始化，從而將初始基本解BV設定成預定初始基本解： 且將基本變量設定成w的分量。
[0197] 在408處，優化模塊320確定初始基本解是否為對偶可行解。預定的初始基本解是 對偶可行解。因此，如果初始基本解BV在408處不是對偶可行解，則優化模塊320在410處指 示已發生故障且將IRET設定成指示初始基本解BV不是對偶可行解的第一預定值（例如，-I)。如果408為真，則控制繼續至412。
[0198] 在412處，優化模塊320確定基本解BV是否呈標準形式。如果基本解BV在412處不呈 標準形式，則控制繼續至416。優化模塊320在416處將列位置索引1C保存在非基本對的原始 變量的表格中，且控制繼續至436,如下文進一步論述的。此變量(及因此其在表格中的列） 將對于下次迭代進入基。如果基本解BV在412處呈標準形式，則控制繼續至420。
[0199] 在420處，優化模塊320確定基本解BV的所有原始變量是否均為正。如果所有原始 變量在420處均為正，則已求解優化問題，且控制繼續至424。在424處，優化模塊424指示求 解目前控制回路的優化問題所需的迭代次數。d向量于是包括λ*值，這些λ*值用于確定X* 值，如上文所描述的。所述X*值分別是目標266-270的Δ值。優化模塊320將目前控制回路的 目標值266-270設定成等于來自前一個控制回路的目標值266-270分別加上所述Δ值的和。 這些(更新的）目標值266-270將用于控制當前控制回路的致動器。
[0200]如果基本解BV的原始變量中的一個或更多個在420處為負，則還沒有求解優化問 題，且控制繼續至428。在428處，優化模塊320識別基本解BV的絕對值最大的負（most negative)原始變量。優化模塊320在432處將相對應的對偶變量的列位置索引1C保存在表 格中。此變量(及因此其在表格中的列)將對于下次迭代進入基。控制接著繼續至436。
[0201] 在436(始于432或者416)處，對于對應于所識別的基本對偶變量和原始變量的每 個分量，優化模塊320確定（目前)基本解BV的分量與表格的1C列的相對應分量之間的比值。 在440處，優化模塊320確定所確定的比值中的一個或更多個是否為正。如果440為假，則優 化模塊320在444處指示已發生故障且將IRET設定到指示無法從基移除變量的第二預定值 (例如，-3N)。如果440為真，則控制繼續至448。
[0202]在448處，優化模塊320識別所確定的比值中的正的且最小的一個。在452處，優化 模塊320將列位置索引IR存儲在表格中。此變量(及因此其在表格中的列）將對于下次迭代 離開基。在456處，優化模塊對于下次迭代更新表格A和基本解BV，且控制返回到412以開始 目前控制回路的下次迭代。可針對每個控制回路執行圖4的示例。
[0203]如上文所陳述的，優化問題具有以下形式，其在C'X S d的約束下使得下式最小： 樣％:。在對偶表示中問題的表格和初始基分別由下式給出：
[0204]能夠確定最優原始變量X*如下：
其中λ*是最優對偶變量。
[0205] 假設sx是η X η可逆矩陣，且sc是具有嚴格正對角輸入的m X m對角矩陣，能夠將優 化問題重與為:在乙無 g c:|的約束下，使得下式最小化：
其中
。這是X的變化和約束的縮放。在 此情況下，優化問題的表格和初始基由下式給出：
^ 〇
[0206] 假設無#和是優化問題的最優原始變量和對偶變量。
[0209]縮放約束相當于縮放對偶變量。為了改進數值穩定性，優化模塊320縮放&矩陣：
[0210] 該縮放使可能值的范圍變窄，由此改進優化結果的準確度。
[0211] MPC的一個特征是預期未來事件并相應地調節控制動作的能力。這通過求解一系 列受約束的QP問題來獲得。MPC能否在嵌入式控制器上成功地實施強烈取決于能夠處理這 些優化問題中所需的數據的良好程度如何。
[0212] 如上文所論述，Dantzig QP求解器用于求解QP問題。Dantzig QP求解器操縱稱作 表格的大矩陣，所述表格包括大量輸入(例如，幾千個）以便求解QP問題并找到最優解。所述 表格存儲在ROM(只讀存儲器）中。在每個控制回路調用Dantzig QP求解器以求解新的一組 QP問題，所述QP問題取決于系統的當前狀態和約束。為了更新成本函數和約束，也可將幾個 大矩陣存儲在ROM中。
[0213]包括整個表格的所有矩陣能夠保存在ROM中并加以復制以供在調用Dantzig QP求 解器之前使用。由于這些矩陣的大小，存儲器需要大的存儲空間，且存儲器復制是耗時的。 這些屬性會影響MPC的性能且甚至影響可執行性。
[0214]然而，本申請實現了 ROM使用的縮減少。表格是對稱矩陣。因此，表格矩陣的僅包括 對角線的下三角形部分需要保存在ROM中，如果表格是m X m的大小，則該下三角形部分總 共具有m*(m+l)/2個輸入，而不是m*m個輸入。在復制下三角形部分的同時，矩陣的上三角形 部分由在線的MPC模塊312使用對稱性來構建。
[0215]由于使用對稱性，所以通過將大小為m*(m+l)/2的向量V2的元素復制到大小為m*m 的向量VI中的正確位置中并使用對稱性完成VI的缺失輸入來從所述向量V2構建所述向量 VI。如果V2以標準方式(例如，使用堆疊列)存儲并被復制到VI中以占據最初的m*(m+l)/2個 位置，則僅m個最初輸入位于正確位置處，且剩余的m*(m-l)/2個元素需要移到其正確位置。 在本申請中，V2以非標準方式存儲，使得在將V2復制到VI中時待移動的元素數量最小化。 [0216]如上文所陳述的，V2對應于表格矩陣的下三角形部分。此直角三角形可稱為大三 角形。概念是垂直"切割"的大三角以獲得左邊的直角梯形和右邊的小直角三角形，接著將 小三角形旋轉180度并將其置于梯形頂部以形成矩形。然后以標準方式存儲此矩形矩陣。能 夠示出，如果使用此結構來保存V2，則僅需要移動)/8個元素，而不是m*(m-l )/2個元 素。
[0217] -些矩陣被用于更新成本函數的線性部分。更確切地，Kut和Kr是用于在每個控制 回路更新成本函數中的線性項的兩個大矩陣。利用其特殊結構以達到ROM縮減。
[0218] Kut與輸入信號的參考值的矩陣積有助于更新成本函數。通過直接使參考值與其相 對應的加權參數相乘，能夠更有效得多地獲得積結果。根據本申請，K ut矩陣不存儲在ROM中 且不執行與〇的不必要的相乘。基于一個或更多個其它矩陣來構建Kut矩陣。
[0219]還需要Kr與輸出信號的參考值的矩陣積以更新成本函數。Kr矩陣具有塊結構，且是 通過由對應的輸出跟蹤加權參數縮放另外矩陣的行所構建(與存儲在ROM中相反）。因此，如 果某個輸出信號的跟蹤權值為〇,則在預測時域范圍內K r中的相對應的行也等于0。因此，不 必存儲這些行。
[0220] -些矩陣被用于更新約束。在每個控制回路待求解的QP問題的約束取決于系統的 當前狀態、先前應用的輸入信號以及在預測時域范圍內的預期的測量擾動信號。因此，三個 大矩陣Mx、Mul和Mv被存儲在ROM中并在每個控制回路用于更新。通過利用以下結構來實現 ROM縮減:所有三個這些矩陣被結構化為對應于混合約束、輸出約束、輸入約束和輸入速率 約束的四個行塊(row block)。對應于輸入約束和輸入速率約束的所有塊行能夠被有效地 恢復（由MPC模塊312構建)并且不存儲在ROM中。對應于輸入速率約束的所有行均為0。對應 于輸入約束的所有行含有〇(M x和Μν)或者單位矩陣(Mul)的塊。如果輸出信號具有下邊界約 束和上邊界約束兩者，則在這三個矩陣中其對應行僅相差一負號。因此，至多僅對應于輸出 約束的行的一半需要存儲在ROM中。
[0221] 如果加權值中的一個或更多個改變，則修改上文所論述的K矩陣。如上文所描述 的，
[0222] 不必構建Kut矩陣。相關的是，其是塊大小為p X η。的塊-行矩陣。如果塊 移動結構是(Ρ1，ρ2, . . .，pnc)，則第i塊位置等于：
[0223]又如上文所描述的，
[0224]使SuJm左乘Wy2對應于S ujJ^行縮放。通過不使行縮放0(相當于忽略掉具有0加權值 的所有y)獲得計算效率。
[0225] 可構建矩陣Mz、Mx、Mul和Μ ν，和/或將其存儲在存儲器中。可存儲MZKZ」而非Mz。如果 加權值實時地改變，則可存儲M z。通常，需要存儲的Μ矩陣的行的數量僅取決于y個約束的數 量而不是約束的總數。
[0226] 依據Mx矩陣，
因此能夠僅存儲對應于約束y值的Sx的行。因此，通過計算MxX(o)來實時更新矩陣，其 中X (0)表示由狀態估計器模塊316提供的當前狀態。連同一系列乘以0的乘法，能夠執行Sxx (〇)-次，而不是兩次。
[0227] 關于Mul矩陣，
/
[0228] 與Mx矩陣類似，對于Mul能夠僅存儲Sul。當計算M ulu(_l)(其中u(_l)表示前一個控 制回路的目標值)時，能夠僅計算Sul(_l)-次，即：
[0229] 關于Mv矩陣，
[0230]對此而言，能夠僅存儲：
[0231]假設：
產生：
[0232] 現參考圖5,呈現了流程圖，其描繪一種估計操作參數并使用MPC(模型預測控制） 來控制節流閥112、進氣凸輪移相器148、排氣凸輪移相器150、廢氣門162(及因此渦輪增壓 器)和EGR閥170的示例方法。控制可從504開始，在504處，轉矩請求模塊224基于經調節的預 測轉矩請求263和即時轉矩請求264來確定空氣轉矩請求265。在508處，轉矩轉換模塊304可 將空氣轉矩請求265轉換成基礎空氣轉矩請求308或另外合適類型的轉矩以供由MPC模塊 312使用。在512處，狀態估計器模塊316確定當前控制回路的發動機102狀態，如上文所描述 的。狀態估計器模塊316可(例如)使用卡爾曼濾波器來確定狀態。
[0233] 在516處，優化模塊320求解優化問題以確定用于確定目標值266-270的最優對 (X*，λ*)，如上文所描述的。在520處，優化模塊320分別基于上個控制回路的目標值266-270和X*的Δ值來確定當前控制回路的目標值266-270。僅舉例說明，優化模塊320通過分別 將X*的Δ值與上個控制回路的目標值266-270相加來確定目標值266-270。
[0234] 在528處，第一轉換模塊272將目標廢氣門開度范圍266轉換成待應用于廢氣門162 的目標占空比274,第二轉換模塊276將目標節流閥開度范圍267轉換成待應用于節流閥112 的目標占空比278。在428處，第三轉換模塊280也將目標EGR開度范圍268轉換成待應用于 EGR閥170的目標占空比282。第四轉換模塊也可分別將進氣凸輪移相器角度269和排氣凸輪 移相器角度270轉換成待應用于進氣凸輪移相器148和排氣凸輪移相器150的目標進氣和排 氣占空比。
[0235] 在532處，節流閥致動器模塊116控制節流閥112以達到目標節流閥開度范圍267， 且移相器致動器模塊158分別控制進氣凸輪移相器148和排氣凸輪移相器150以達到目標進 氣凸輪移相器角度269和目標排氣凸輪移相器角度270。例如，節流閥致動器模塊116可將信 號應用至處于目標占空比278的節流閥112以達到目標節流閥開度范圍267。并且在532處， EGR致動器模塊172控制EGR閥170以達到目標EGR開度范圍268，且升壓致動器模塊164控制 廢氣門162以達到目標廢氣門開度范圍266。例如，EGR致動器模塊172可將信號應用至處于 目標占空比282的EGR閥170以達到目標EGR開度范圍268,且升壓致動器模塊164可將信號應 用至處于目標占空比274的廢氣門162以達到目標廢氣門開度范圍266。雖然圖5示出在432 后結束，但圖5說明了一個控制回路，且可按預定速率執行控制回路。
[0236] 前述描述本質上僅為說明性的且不以任何方式旨在限制本公開、其應用或用途。 能夠以多種形式來實施本公開的廣泛教導。因此，雖然本公開包括特定示例，但不應如此限 制本公開的真實范圍，因為在研究了附圖、說明書和以下權利要求書后，其它修改將變得顯 而易見的。如本文所使用的，短語Α、Β和C中的至少一個應解釋為意指邏輯(Α或Β或C)(使用 非排它性邏輯0R)，且不應解釋為意指"Α中的至少一個、Β中的至少一個和C中的至少一個"。 應理解到，在不更改本公開的原理的范圍內，可以不同次序(或同時)執行方法內的一個或 更多個步驟。
[0237] 在本申請(包括以下定義）中，可用術語"電路"代替術語"模塊"或術語"控制器"。 術語"模塊"可指以下各者、為以下各者的一部分、或包括以下各者：特定用途集成電路 (ASIC);數字、模擬或混合型模擬/數字離散電路;數字、模擬或混合型模擬/數字集成電路； 組合邏輯電路;現場可編程門陣列(FPGA);執行代碼的處理器電路(共用、專用或組）；存儲 由處理器電路執行的代碼的存儲器電路(共用、專用或組）；提供所需功能性的其它合適的 硬件部件;或以上中的一些或所有的組合(例如，在片上系統中）。
[0238] 模塊可包括一個或更多個接口電路。在一些示例中，接口電路可包括有線或無線 接口，該接口連接到局域網（LAN)、因特網、廣域網(WAN)或其組合。可將本公開的任何給定 模塊的功能性分配于經由接口電路所連接的多個模塊當中。例如，多個模塊可允許負載平 衡。在另外的示例中，服務器(也稱為遠程服務器或云服務器)模塊可代表客戶模塊實現一 些功能性。
[0239] 如上文所使用的，術語代碼可包括軟件、固件和/或微碼，且可指程序、例程、函數、 類、數據結構和/或對象。術語共用處理器電路涵蓋執行來自多個模塊的一些或所有代碼的 單個處理器電路。術語組處理器電路涵蓋與額外處理器電路結合且執行來自一個或更多個 模塊的一些或所有代碼的處理器電路。對多個處理器電路的引用涵蓋離散電路小片（die) 上的多個處理器電路、單個電路小片上的多個處理器電路、單個處理器電路的多個核、單個 處理器電路的多個線程或以上各者的組合。術語共用存儲器電路涵蓋存儲來自多個模塊的 一些或所有代碼的單個存儲器電路。術語組存儲器電路涵蓋與額外存儲器結合且存儲來自 一個或更多個模塊的一些或所有代碼的存儲器電路。
[0240] 術語存儲器電路是術語計算機可讀介質的子集。如本文所使用的，術語計算機可 讀介質不涵蓋經由介質（例如，在載波上)傳播的暫時性的電信號或電磁信號；術語計算機 可讀介質因此可被認為是有形的和非暫時性的。非暫時性的、有形的計算機可讀介質的非 限制性示例是非易失性存儲器電路（例如，快閃存儲器電路、可擦除可編程只讀存儲器電 路、或掩模只讀存儲器電路）、易失性存儲器電路(例如，靜態隨機存取存儲器電路或動態隨 機存取存儲器電路）、磁性存儲介質（例如，模擬或數字磁帶或硬盤驅動）和光學存儲介質 (例如，⑶、DVD或藍光盤）。
[0241] 本申請中所描述的設備和方法可部分地或全部由通過配置通用用途的計算機所 產生的專用計算機來實施，以執行計算機程序中所體現的一個或更多個特定功能。上文所 描述的功能塊、流程圖組成和其它元素充當軟件說明書，其能夠通過有經驗的技術人員或 程序員的常規作業轉譯成計算機程序。
[0242] 計算機程序包括存儲在至少一個非暫時性的、有形的計算機可讀介質上的處理器 可執行指令。計算機程序還可包括或依賴于所存儲的數據。計算機程序可涵蓋與專用計算 機的硬件相互作用的基本輸入/輸出系統(BIOS)、與專用計算機的特定裝置相互作用的裝 置驅動器、一個或更多個操作系統、用戶應用、后臺服務、后臺應用等。
[0243] 計算機程序可包括：（i)待解析的描述性文本，例如HTML(超文本標記語言）或XML (可擴展標記語言匯編代碼；（iii)通過編譯器從源代碼產生的目標代碼；（iv)供由 解譯器執行的源代碼；（v)供由即時編譯器編譯和執行的源代碼等等。僅作為示例，可使用 來自包括以下各種語言的語法來寫源代碼丄工++丄#、01^6(^丨￥6(：、他81?511、6〇、3〇1^1?、 Lisp、Java ?、Fortran、Perl、Pascal、Cu;rl、OCaml、Javasc;ript ?、]^￥1^5、厶(1&、厶3?(主動服 Python ? 〇
[0244]除非使用短語"用于……的機構"或在方法權利要求的情況下使用短語"用于…… 的操作"或"用于……的步驟"來明確敘述元件，否則權利要求中所敘述的元件中沒有一個 旨在是在35 U.S.C. §112(f)的意義范圍中的手段加功能元件。
【主權項】
1. 一種用于車輛的發動機控制系統，其包括： 轉矩請求模塊，其基于駕駛員輸入產生火花點火發動機的第一轉矩請求； 轉矩轉換模塊，其將所述第一轉矩請求轉換成第二轉矩請求； 模型預測控制(MPC)模塊，其實施多次迭代以基于所述第二轉矩請求、所述發動機的模 型、表格矩陣和基解矩陣來確定一組當前目標值，其中，在每次迭代中，所述MPC模塊： 確定所述基解矩陣：呈包括原始變量和對偶變量的非基本對的非標準形式;還是呈包 括原始變量和對偶變量的基本對的標準形式； 當所述基解矩陣呈非標準形式時，基于所述非基本對的所述原始變量的第一輸入位置 來識別所述表格矩陣的第一列； 當所述基解矩陣呈標準形式且所述基解矩陣的一個或更多個原始變量為負時，基于所 述基本對的對偶變量的第二輸入位置來識別所述表格矩陣的所述第一列；以及 基于所述表格矩陣的所述第一列來選擇性地更新所述基解矩陣；以及 致動器模塊，其基于所述一組當前目標值中的第一者來控制發動機致動器。2. 根據權利要求1所述的發動機控制系統，其中，當所述基解矩陣呈標準形式且所述基 解矩陣的所有原始變量為正時，所述MPC模炔基于所述基解矩陣的輸入來確定所述一組當 前目標值。3. 根據權利要求2所述的發動機控制系統，其中，當所述基解矩陣呈標準形式且所述基 解矩陣的所有原始變量為正時，所述MPC模炔基于所述基解矩陣的輸入來確定所述一組當 前目標值。4. 根據權利要求3所述的發動機控制系統，其中，當所述基解矩陣呈標準形式且所述基 解矩陣的所有原始變量為正時，所述MPC模塊： 基于所述基解矩陣的輸入來分別確定所述目標值的變化；以及 通過分別將所述變化與上一組目標值相加來確定所述一組當前目標值。5. 根據權利要求1所述的發動機控制系統，其中，當所述基解矩陣呈標準形式時，所述 MPC模炔基于與絕對值最大的負數原始變量成對的所述對偶變量的第三輸入位置來識別所 述表格矩陣的所述第一列。6. 根據權利要求1所述的發動機控制系統，其中，所述MPC模炔基于以下兩者之間的比 值來選擇性地更新所述基解矩陣： 所述基解矩陣的對偶變量和所述基解矩陣的原始變量中的一者；以及 所述表格矩陣的相對應的輸入。7. 根據權利要求1所述的發動機控制系統，其中，對于所述基解矩陣的每個對偶變量和 原始變量，所述MPC模塊:確定所述基解矩陣的輸入與所述表格矩陣的所述相對應的輸入之 間的比值;識別所述比值中的正的且最小的一個；以及基于所述表格矩陣的所述相對應的 輸入的所述輸入位置來選擇性地更新所述基解矩陣。8. 根據權利要求7所述的發動機控制系統，其中，當所述比值中沒有一個為正時，所述 MPC模塊指示已發生故障。9. 根據權利要求1所述的發動機控制系統，其中，所述MPC模塊針對等于O的預定加權值 不執行矩陣輸入的矩陣相乘。10. -種用于車輛的發動機控制方法，其包括： 基于駕駛員輸入產生火花點火發動機的第一轉矩請求； 將所述第一轉矩請求轉換成第二轉矩請求； 使用模型預測控制(MPC)模塊，所述MPC模塊實施多次迭代以基于所述第二轉矩請求、 所述發動機的模型、表格矩陣和基解矩陣來確定一組當前目標值，每次迭代包括： 確定所述基解矩陣：呈包括原始變量和對偶變量的非基本對的非標準形式;還是呈包 括原始變量和對偶變量的基本對的標準形式； 當所述基解矩陣呈非標準形式時，基于所述非基本對的所述原始變量的第一輸入位置 來識別所述表格矩陣的第一列； 當所述基解矩陣呈標準形式且所述基解矩陣的一個或更多個原始變量為負時，基于所 述基本對的對偶變量的第二輸入位置來識別所述表格矩陣的所述第一列；以及 基于所述表格矩陣的所述第一列來選擇性地更新所述基解矩陣；以及 基于所述一組當前目標值中的第一者來控制發動機致動器。
【文檔編號】F02D43/00GK105888868SQ201610081877
【公開日】2016年8月24日
【申請日】2016年2月5日
【發明人】R.龍, N.金
【申請人】通用汽車環球科技運作有限責任公司