本公開大體上涉及一種發動機組件，且更具體來說，涉及發動機組件中的監管模型預測性控制。

背景技術：

許多現代發動機配備有多個致動器以實現多重目標，例如較佳的燃料經濟性和其他目標。然而，由于發動機系統日益增長的復雜性，優化多個目標變得更有挑戰性。

技術實現要素：

一種發動機組件包含被配置成接收轉矩請求的控制模塊以及被配置成響應于該轉矩請求而產生輸出轉矩的發動機。控制模塊包含處理器和有形的非暫時性存儲器，在該存儲器上記錄用于執行監管模型預測性控制的方法的指令。控制模塊包含多層結構，其中上層(本文稱作“ul”)優化器模塊被配置成優化至少一個系統級目標。控制模塊包含被配置成維持至少一個跟蹤參數的下層(本文稱作“ll”)跟蹤控制模塊。多層結構的特征在于解耦成本函數，使得ul優化器模塊最小化上層成本函數(cful)，且ll跟蹤控制模塊最小化下層成本函數(cfll)。

系統級目標可包含最小化發動機的燃料消耗，且跟蹤參數可包含將所請求的轉矩傳送給發動機。系統級目標可包含最小化λ排放且改進發動機的駕駛性能。控制模塊可經編程以按照第一時間速率來執行ul優化器模塊以及按照第二時間速率來執行ll跟蹤控制模塊。第二時間速率可與第一時間速率不同。

控制模塊可經編程以獲得用于與至少一個系統級目標相關的跟蹤控制變量的標稱設定點值。經由上層成本函數(cful)獲得用于至少一個系統級目標的最優設定點差異。通過使標稱設定點值與用于至少一個系統級目標的最優設定點差異相加來獲得最終設定點值。

控制模塊可經編程以通過最小化下層成本函數(cfll)來維持至少一個跟蹤參數以及至少一個系統級目標的最終設定點值。控制模塊可經由操作性連接到發動機的至少一個傳感器來獲得傳感器數據。控制模塊可經編程以基于發動機模型、下層成本函數(cfll)和傳感器數據來發出多個致動器命令。ul優化器模塊采用發動機模型和結合ll跟蹤控制模塊的參考模型。ll跟蹤控制模塊僅采用發動機模型。發動機模型可為數據驅動的或基于物理的。

本公開的上述特征和優點以及其他特征和優點在結合附圖時根據用于進行本公開的最佳模式的以下詳細描述而顯而易見。

附圖說明

圖1是具有發動機和控制模塊的發動機組件的示意性局部視圖；

圖2是示出包含第一和第二mpc模塊的圖1的控制模塊的多層結構或分層結構的圖；

圖3是可由圖1的控制模塊執行的監管模型預測性控制的方法的流程圖；以及

圖4是可由圖2的第一和第二mpc模塊采用的模型預測性控制的示例性曲線圖。

具體實施方式

參照附圖，其中相同附圖標記表示相同部件，圖1示意性說明發動機組件10。發動機組件10可為裝置12的部分。裝置12可為移動平臺，例如，但不限于，標準客車、運動型多用途車、輕型卡車、重載車輛、atv、小型貨車、公共汽車、公共交通車輛、自行車、機器人、農用機具、運動相關設備、船只、飛機、火車或任何其他運輸裝置。裝置12可采用許多不同的形式且包含多個和/或替代的部件和設施。

參看圖1，組件10包含發動機14。在所示實施例中，發動機14是能夠燃燒空氣燃料混合物以便產生輸出轉矩的內燃機。然而，發動機14可為本領域技術人員已知的任何類型的發動機。參看圖1，發動機組件10包含操作性連接到發動機14或與發動機14電通信的控制模塊100以及組件10的其他部件。控制模塊100被配置成接收用于由發動機14傳送的轉矩請求(tr)。

參看圖1，組件10包含進氣歧管16和排氣歧管18，每一歧管與發動機14流體連通。進氣歧管16被配置成接收來自氣源20的氣流，例如大氣。組件10包含節氣門22，該節氣門22可調整以至少部分基于來自控制模塊100的信號來控制進入進氣歧管16的氣流。節氣門位置傳感器24可用以檢測節氣門22的位置/開口。

組件10可包含機械增壓裝置25，機械增壓裝置25被配置成在氣流進入發動機14的進氣歧管16之前壓縮該氣流。氣流的壓縮迫使比原本用環境大氣壓力可實現的更多的空氣(且更多的氧氣)進入發動機14。機械增壓裝置25可包含渦輪26和壓縮機28。組件10可包含渦輪增壓致動器30。渦輪增壓致動器30可包含廢氣旁通閥，該廢氣旁通閥被配置成至少部分基于來自控制模塊100的信號來使離開渦輪26的排氣轉向。廢氣旁通閥被配置成調節機械增壓裝置25中的增壓壓力。渦輪增壓致動器30可包含可變幾何形狀渦輪增壓器以控制來自渦輪的排氣流量，且繼而控制增壓壓力級的量(壓縮氣流)。

參看圖1，發動機14包含具有燃料噴射器34的汽缸32。盡管展示了單個汽缸，但應了解，發動機14可包含具有對應燃料噴射器的多個汽缸。控制模塊100基于進入汽缸32的氣流來調整經過燃料噴射器34的燃料的流動，從而控制汽缸32內的空燃比(afr)。控制模塊100被配置成控制點火定時以通過點火啟動控制信號來點燃壓縮空氣燃料混合物。發動機14可為具有火花塞36的汽油火花點燃式發動機，該火花塞36被配置成至少部分基于點火啟動控制信號而產生電火花以便點燃汽缸32中的壓縮空氣燃料混合物。或者，對于壓燃式發動機，燃料噴射定時(如燃料噴射的開始)可用作控制燃燒開始的輸入。

參看圖1，組件10包含進氣凸輪相位器40和排氣凸輪相位器42。進氣凸輪相位器40被配置成通過控制進氣閥(未圖示)的移動來控制進氣歧管16與汽缸32之間的氣流。排氣凸輪相位器42被配置成通過控制排氣閥(未圖示)的移動來控制汽缸32與排氣歧管18之間的排氣流動。進氣凸輪相位器40和排氣凸輪相位器42分別至少部分基于來自控制模塊100的進氣凸輪信號和排氣凸輪信號而可操作。

參看圖1，排氣歧管18與發動機14流體連通，且能夠接收來自發動機14的排氣。汽缸32中的空氣燃料混合物的燃燒產生排氣。可將排氣引導到排氣后處理系統44。排氣可通過外部egr(排氣再循環)機構來部分再循環回到汽缸(例如汽缸32)，從而控制汽缸中的egr級別。

參看圖1，組件10可包含被配置成測量或估計發動機14的各種排放物的排放物傳感器46。排放物傳感器46可被配置成測量或估計個別排放物成分，包含但不限于：氮氧化物(nox)、碳氫化合物(hc)、顆粒物質(pm)。排放物傳感器46可包含被配置成測量排氣中的λ傳感器讀數(λ)的λ傳感器。λ信號是實際上存在于排氣中的氧氣量與為了獲得完全燃燒而應存在的量相比的比率。

參看圖1，控制模塊100包含至少一個處理器102和至少一個存儲器104(或任何非暫時性、有形計算機可讀存儲介質)，在前述兩者上記錄用于執行圖3中所示的用于監管模型預測性控制的方法200的指令。圖1的控制模塊100經特定編程以執行圖3的方法200的步驟。存儲器104可存儲控制模塊可執行指令集，且處理器102可執行存儲在存儲器104中的控制模塊可執行指令集。

在復雜的發動機系統中，存在多個級別的多個目標，例如，燃料利用率的最小化以及傳送所請求的轉矩。單級優化系統不可能區分“以降低轉矩為代價的燃料最小化”與“在傳送所請求轉矩的同時最小化燃料”。方法200使得控制模塊100能夠基于通過設定點/參考優化的閉環跟蹤控制的監管模型預測性控制來自優化至少一個系統級目標(例如，燃料經濟性、排放物、駕駛性能)。本文描述的控制模塊100允許通過多層或分層結構來優化多個級別的多個目標。

參看圖2，展示示出控制模塊100的多層或分層結構的圖。控制模塊100包含多層結構，其中上層(本文稱作“ul”)優化器模塊110被配置成優化至少一個系統級目標。控制模塊100包含被配置成維持至少一個跟蹤目標的下層(本文稱作“ll”)跟蹤控制模塊112。例如，系統級目標可包含最小化發動機14的燃料消耗，且跟蹤目標可包含將所請求轉矩傳送到發動機14。跟蹤目標可包含維持(跟蹤參考/命令值)增壓或歧管壓力、汽缸換氣或egr級別。系統級目標可包含改進發動機14的駕駛性能。系統級目標可包含最小化發動機14的各種排放物，如由排放物傳感器46所測量的。

控制模塊100可經編程以按照第一時間速率來執行ul優化器模塊110以及按照第二時間速率來執行ll跟蹤控制模塊112。第一時間速率和第二時間速率可為相同的。第二時間速率可與第一時間速率不同。例如，ll跟蹤控制模塊112可在發動機組件10的操作期間持續執行，且ul優化器模塊110可在預定義間隔執行。ll跟蹤控制模塊112可采用任何類型的控制方法。ul優化器模塊110可與ll跟蹤控制模塊112中的任何類型的跟蹤控制器一起工作。

參看圖2，控制模塊100的多層結構的特征在于解耦成本函數，使得ul優化器模塊110最小化上層成本函數(cful)，且ll跟蹤控制模塊112最小化下層成本函數(cfll)。ul優化器模塊110采用第一模型預測性控制(mpc)模塊114。第一mpc模塊114決定最優控制動作來最小化預測水平上的上層成本函數(cful)。上層成本函數(cful)包含例如與燃料經濟性、排放物和駕駛性能相關的系統級目標。

參看圖2，ll跟蹤控制模塊112采用第二模型預測性控制(mpc)模塊118。第二mpc模塊118決定最優控制動作來最小化預測水平上的下層成本函數(cfll)。下層成本函數(cfll)可包含例如跟蹤誤差和控制努力的閉環控制性能度量。將跟蹤誤差定義為介于測量值與目標之間。ll跟蹤控制模塊112確定用于轉矩和λ跟蹤的致動器命令信號122以給出相應的參考值(期望的轉矩和λ)。ll跟蹤控制模塊112可采用估計濾波器，例如卡爾曼(kalman)濾波器120。卡爾曼濾波器120是遞歸算法，產生當前狀態變量連同其不確定性的估計值。一旦觀測到下一測量(包含隨機噪聲)的結果，使用加權平均值來更新這些估計值，其中給定估計值的權重越高則不確定性越高。應了解，ll跟蹤控制模塊112可呈多個pid或任何其他先進方法的形式。

現參看圖3，展示在圖1的控制模塊100上存儲且可由其執行的方法200的流程圖。方法200無需按照本文所述的特定順序來應用。此外，應理解，一些步驟可省略。方法200優化至少一個系統級目標(例如，燃料經濟性)，而無需損害設定點跟蹤(即，轉矩傳送)需要。

參看圖3，方法200可以方框202開始，其中控制模塊100經編程或被配置成獲得用于至少一個系統級目標的標稱設定點值。標稱設定點值可為發動機速度(n)與轉矩請求的靜態函數。標稱設定點值可包含期望的排放級別(例如，期望的λ)、期望的轉矩、期望的汽缸充氣、或期望的增壓或歧管壓力或egr級別、期望的燃料噴射和火花定時、以及期望的制動燃料消耗率(燃料消耗除以所產生功率的比率)。標稱設定點值是針對如汽缸充氣、增壓壓力或egr級別的變量將維持在期望級別(通過ll跟蹤控制模塊112)的設定點，其中所述變量的期望的標稱值(為方框202的輸出)可通過方框202中執行的模型和/或表格來產生用于既定的期望轉矩和發動機速度。標稱設定點值可通過圖3的方框204中的逆模型產生。

在圖3的方框204中，控制模塊100經編程以通過上層成本函數(cful)來獲得用于系統級目標中的每一者的最優設定點差異(參見圖2)。輸出116是總和的輸出，其為“最優設定點差異”(方框214的輸出)與標稱設定點值(來自方框202)的和。最優設定點差異可包含汽缸充氣校正(δcac))、火花定時校正(δsa)、進氣凸輪相位校正(δicam^sp)以及排氣凸輪相位校正(δecam^sp)。方框204可間歇性地停用，使得設定點僅來自方框202(即，標稱前饋值)。

在圖3的方框206中，控制模塊100經編程以通過使用于系統級目標中的每一者的標稱設定點值與最優設定點值相加而獲得最終設定點值。參看圖1、2和3，線116展示用于每一設定點變量的最終值或最終設定點值(差異+標稱)。換句話說，方框202產生用于給定設定點的標稱值，且方框204產生用于同一設定點的差異值。方框206中總和的輸出是由線116指示的最終設定點值。參看圖2，跟蹤控制模塊112產生致動器命令122以便跟蹤或維持處于那些期望值的最終設定點值。

在圖3的方框208中，控制模塊100可經編程以通過最小化下層成本函數(cfll)來維持至少一個跟蹤參數以及至少一個系統級目標的最終設定點值。跟蹤參數可包含汽缸充氣、氣流、egr流、增壓壓力和歧管壓力。充氣或增壓變量是ll跟蹤控制模塊112的閉環控制的內部變量，且僅由ul優化器模塊110間歇性地訪問以用于優化。在方框204中，ul優化器模塊110可確定δ“充氣”設定點或δ“增壓壓力”設定點。這在裝置12的加速期間提供了額外的增壓。

在圖3的方框210中，控制模塊100經編程以通過操作性連接到發動機14的至少一個傳感器而獲得傳感器數據。至少一個傳感器可包含排放物傳感器46、節氣門位置傳感器24、以及操作性連接到進氣凸輪相位器40和排氣凸輪相位器42的相應傳感器。傳感器數據可來自物理傳感器或虛擬傳感器。ul優化器模塊110和ll跟蹤控制模塊112使用方框210的傳感器數據，參見反饋信號211、213和215。

在圖3的方框212中，控制模塊100經編程以基于發動機模型214、下層成本函數(cfll)和傳感器數據來發出多個致動器命令122。致動器命令122可包含到節氣門22的節氣門位置信號以及到渦輪增壓致動器30(例如廢氣旁通閥和可變幾何形狀渦輪機)的渦輪增壓致動器信號。致動器命令122可包含各自到進氣凸輪相位器40和排氣凸輪相位器42的進氣凸輪相位器信號和排氣凸輪相位器信號。致動器命令122可包含egr和點火啟動控制信號，例如到火花塞36的火花定時信號以及到燃料噴射器34的燃料噴射定時信號。

對于ll跟蹤控制模塊112，基于發動機模型214來確定致動器命令信號122。發動機模型214可為在發動機的線性或非線性參數變化(lpv)或者線性或非線性時變(ltv)模型中的發動機14的基于物理或數據驅動的模型。可采用本領域技術人員熟知的任何發動機模型。對于ul優化器模塊110，基于ll跟蹤控制模塊112和發動機模型214兩者的模型來計算設定點校正，上述模型在本文被統稱且在圖3中展示為方框216的參考模型。

可將下層成本函數(cfll)定義為：

此處，k是時間變量，y是待跟蹤變量的向量，即，包含跟蹤參數的矩陣。y^sp是對應的設定點簡檔，即包含至少一個跟蹤參數的相應最終設定點值的矩陣。wyll和wull是相應的動態權重因子，且u是致動器命令的矩陣。此處，矩陣被認為可與向量互換。對于轉矩和λ跟蹤目標，y包含tq(轉矩)和λ。對于增壓壓力或充氣跟蹤，y還包含增壓/歧管壓力、汽缸充氣、空氣/egr流等。

可將上層成本函數(cful)定義為：

此處，k是時間變量，p是包含用于如燃料經濟性、排放物和駕駛性能的系統級性能度量的變量的矩陣/向量，即包含與至少一個系統級目標相關的跟蹤控制變量的矩陣。pref是包含用于p對對應參考值的矩陣。p可為p＝[fed]'形式的向量，其中f是用于燃料經濟性，例如cfc(汽缸燃料供送)；e是用于排放物(λ或任何個別排放物變量)；d是用于駕駛性能，如轉矩(tq)，或作為限值的汽缸內殘留物。wpul和wsp是相應的動態加權因子。另外，δy^sp是包含用于設定點的差異的矩陣。是最終設定點，且是由逆模型和/或表格產生的在期望速度和扭矩以及其他傳感器信息方面的標稱設定點值。

在一個實施例中，使用成本函數中的cfc及其參考cfcref來突出顯示僅燃料經濟性部件，可將上層成本函數(cful)定義為：

cfck表示在時間k的汽缸燃料供送。cfcr,k是參考燃料供送，其也可以是具有增益或沒有增益的汽缸充氣。ncyl是發動機14中汽缸的數目，且tqk是在時間k測量的轉矩。

可在上述等式(2)中加上參考燃料項作為燃料經濟性度量中的偏差。因為存在傳送期望轉矩所需的最小值燃料，所以可將燃料最小化改動為“參考燃料跟蹤”，即，跟蹤小于未知最佳燃料的燃料參考值導致燃料最小化。可按不同方式來確定期望轉矩相依參考燃料。參考燃料可基于設定點汽缸充氣(cac^sp)。期望汽缸充氣(cac)是期望汽缸燃料供送的倍數，且對于既定的期望空氣燃料比正相反。可使用逆轉矩cac模型來產生設定點汽缸充氣(cac^sp)。在一個實施例中，參考燃料是基于燃料轉化效率，使得：

此處，chv是燃料熱值，且ηcfc是燃料轉化效率。tq^sp是期望轉矩。使用乘數(k)來產生小于期望轉矩相依最小值理想燃料的參考燃料。還使用乘數來在如減速燃料耗盡的條件期間停用燃料經濟性成本項。在另一實施例中，可使用逆轉矩至空氣模型來產生汽缸充氣設定點，從而傳送期望轉矩。此充氣設定點和期望空氣燃料比給出基本參考燃料。

方法200可包含間接燃料經濟性度量，例如導致燃料經濟性降級的泵送平均有效壓力(“pmep”)和容積效率(“ve”)捕捉損失項。例如，燃料成本項可由涉及pmep和ve中的一者或兩者的以下項替代：and

可添加用于這些變量的參考值(對應于目標轉矩級別)。

參看圖2，ul優化器模塊110和ll跟蹤控制模塊112分別通過第一mpc模塊114和第二mpc模塊118來采用模型預測性控制序列。圖4示出示例性mpc序列300。部分310展示過去，且部分312展示未來。水平軸表示時間步驟k。mpc序列300是基于發動機模型的迭代、有限時域優化。如上所述，ll跟蹤控制模塊112(通過第二mpc模塊118)可采用基于物理或數據驅動的發動機模型214(參見圖3)。ul優化器模塊110(通過第一mpc模塊114)可采用方框216的參考模型(參見圖3)，其包含ll跟蹤控制模塊112和發動機模型214兩者。

圖4示出參考軌跡316、預測輸出318、測量輸出320、過去控制輸入324和預測控制輸入322。在時間步驟k，對當前發動機狀態取樣，且計算未來時域(稱為預測時域314)的相應成本函數的最小值。可通過數值最小化算法(例如二次編程)來獲得最小化成本函數的未來控制序列。使用當前測量值、過去控制輸入324和模型來尋找未來控制序列以優化(最小化)成本函數。在當前步驟應用控制序列的第一元素，再次對發動機狀態取樣，且從新的當前狀態開始重復計算，從而得到新的預測路徑。預測時域314在時間上前移，從而產生后退預測時域326。

總之，整個控制系統具有兩個部件或功能性。第一者為跟蹤控制器，在本文稱作ll跟蹤控制模塊112，其產生致動器命令122用于發動機14中的多個致動器，使得跟蹤或維持(即，每一者遵循相應的期望中的至少一者)用于不同設定點變量(例如，轉矩、λ、充氣、增壓或歧管壓力)的期望值。第二者為實時設定點優化器，在本文稱作ul優化器模塊110，其產生用于設定點的期望值/簡檔(即，用于供ll跟蹤控制模塊112使用的期望充氣、期望增壓或歧管壓力等)。用于每一設定點的期望值包含由如方框202中執行的查找表或逆物理模型或兩者的組合產生的標稱值/簡檔。

ul優化器模塊110創建實時差異(方框204)以添加到標稱參考值，從而產生用于每一者的最終設定點值。由ll跟蹤控制模塊112使用最終實時優化期望設定點(方框206的輸出)以進行跟蹤。ul優化器模塊110通過利用包括系統級目標的成本函數來使用預測性控制而產生用于ll跟蹤控制模塊112的優化設定點，例如最小化燃料經濟性和排放物、改進駕駛性能。ll跟蹤控制模塊112產生最終致動器命令122，使得那些設定點(如同在206的輸出中實時優化)得以實現。例如，對于每一設定點變量(即，增壓壓力)，ll跟蹤控制模塊112產生致動器控制命令(即，廢氣門位置)，使得跟蹤增壓壓力(來自方框210的測量或估計值)的對應期望值(即，用于增壓壓力變量的206的輸出)。在一個實施例中，ll跟蹤控制模塊112通過使用預測性控制來實現此，其中存在用以最小化的成本函數，包括跟蹤誤差和控制控制努力。在另一實施例中，ll跟蹤控制模塊112呈多個pid或任何其他先進方法的形式。

致動器命令122可包含節氣門、燃料量、廢氣門或wgt、egr閥、進氣/排氣閥定時(icam、ecam)、火花和燃料噴射定時、發動機模式(停缸)。設定點變量可包含轉矩、λ、汽缸充氣、空氣或egr流、增壓/歧管壓力、基礎火花、燃料噴射和閥定時(icam、ecam)。

控制模塊100(以及方法200的執行)通過優化復雜發動機系統的多個級別的多個變量來改進裝置12的運作，同時需要最小的校準。圖1的控制模塊100可為裝置12的其他控制模塊的整體部分或操作性連接到裝置12的其他控制模塊的單獨模塊。

控制模塊100以及ll跟蹤控制模塊112和ul優化器模塊110包含計算機可讀介質(黑稱作處理器可讀介質)，包含參與提供可由計算機(例如，由計算機的處理器)讀取的數據(例如，指令)的任何非暫時性(例如，有形)介質。此類介質可采用許多形式，包含但不限于，非易失性介質和易失性介質。非易失性介質可包含例如光盤或磁盤以及其他持久存儲器。易失性介質可包含例如，可構成主存儲器的動態隨機存取存儲器(dram)。此類指令可由一個或多個傳輸介質傳輸，包含同軸電纜、銅線和光纖，包含包括耦接到計算機處理器的系統總線的線纜。一些形式的計算機可讀介質包含例如軟盤片、軟盤、硬盤、磁帶、任何其他磁性介質、cd-rom、dvd、任何其他光學介質、穿孔卡、紙帶、帶有穿孔圖案的任何其他物理介質、ram、prom、eprom、快閃eeprom、任何其他存儲芯片或存儲盒、或計算機可讀取的任何其他介質。

本文描述的查找表、數據庫、數據儲存庫或其他數據存儲區可包含用于存儲、存取和檢索各種類型數據的多種機制，包含分層數據庫、文件系統中的文件集、專用格式的應用數據庫、關系數據庫管理系統(rdbms)等。每一此類數據存儲區可包含在采用例如上文所述之一的計算機操作系統的計算裝置內，且可按照多種方式中的任一者或多者通過網絡來存取。文件系統可通過計算機操作系統來存取，且可包含按照各種格式存儲的文件。除了用于創建、存儲、編輯和執行所存儲程序的語言之外，rdbms可采用結構化查詢語言(sql)，例如上述pl/sql語言。

具體實施方式和附圖均支持和描述本公開，但本公開的范圍僅由權利要求書來限定。雖然已詳細描述用于進行所主張公開的最佳模式和其他實施例中的一些，但存在各種替代設計和實施例用于實踐隨附權利要求中限定的本公開。此外，附圖中所示的實施例或本描述中提及的各種實施例的特性未必應被理解為彼此獨立的實施例。而是，在實施例的示例之一中描述的特性中的每一者可與來自其他實施例的一個或多個其他期望特性組合，從而產生未通過文字或通過參考附圖來描述的其他實施例。因此，此類其他實施例落在隨附權利要求書范圍的框架之內。