用模型预测控制提高发动机响应时间的系统和方法
【专利说明】
[0001] 相关申请的交叉引用
[0002] 此申请涉及2014年3月26日提交的美国专利申请号14/225, 502、2014年3 月26日提交的美国专利申请号14/225, 516、2014年3月26日提交的美国专利申请号 14/225,569、2014年3月26日提交的美国专利申请号14/225,626、2014年3月26日提交 的美国专利申请号14/225,817、2014年3月26日提交的美国专利申请号14/225,896、2014 年3月26日提交的美国专利申请号14/225, 53U2014年3月26日提交的美国专利申请号 14/225,507、2014年3月26日提交的美国专利申请号14/225,808、2014年3月26日提交 的美国专利申请号14/225,492、2014年3月26日提交的美国专利申请号14/226,006、2014 年3月26日提交的美国专利申请号14/226, 12U2014年3月26日提交的美国专利申请号 14/225,496以及2014年3月26日提交的美国专利申请号14/225,891。以上申请的全部 披露内容以引用的方式并入本文。
技术领域
[0003] 本公开涉及内燃发动机，并且更具体来说，涉及用于使用模型预测控制来提高发 动机的响应时间的系统和方法。
【背景技术】
[0004] 本文所提供的【背景技术】描述的目的在于从总体上介绍本公开的背景。当前提及 的发明人的工作一一以在此【背景技术】部分中所描述的为限一一以及在提交时否则可能不 构成现有技术的该描述的各方面，既不明示地也不默示地被承认为是针对本公开的现有技 术。
[0005] 内燃发动机在汽缸内燃烧空气与燃料混合物以驱动活塞，这产生驱动扭矩。进入 发动机的空气流量通过节气门来调节。更具体来说，节气门调整节气门面积，这增加或减少 进入发动机的空气流量。当节气门面积增加时，进入发动机的空气流量增加。燃料控制系 统调整燃料被喷射的速率从而将所需的空气/燃料混合物提供到汽缸和/或实现所需的扭 矩输出。增加提供到汽缸的空气与燃料的量增加发动机的扭矩输出。
[0006] 在火花点火发动机中，火花开始提供到汽缸的空气/燃料混合物的燃烧。在压缩 点火发动机中，汽缸中的压缩燃烧提供到汽缸的空气/燃料混合物。火花正时和空气流量 可以是用于调整火花点火发动机的扭矩输出的主要机构，而燃料流可以是用于调整压缩点 火发动机的扭矩输出的主要机构。
[0007] 已经开发出发动机控制系统来控制发动机输出扭矩以实现所需扭矩。然而，传统 的发动机控制系统并不如需要一样精确地控制发动机输出扭矩。另外，传统的发动机控制 系统并不对控制信号提供快速响应或者在影响发动机输出扭矩的各种设备之间协调发动 机扭矩控制。
【发明内容】
[0008] 根据本公开的原理的系统包括模型预测控制（MPC)模块和致动器模块。MPC模块 基于子系统的模型和可能目标值组产生预测参数。MPC模炔基于预测参数以及加权值和参 考值中的至少一个产生用于可能目标值组的成本。MPC模炔基于子系统的操作条件的所需 改变速率来调整加权值和参考值中的至少一个。MPC模炔基于成本从多个可能目标值组中 选择所述可能目标值组。致动器模炔基于目标值中的至少一个来调整子系统的致动器。
[0009] 本发明包括以下方案：
[0010] 1. 一种系统，包括：
[0011] 模型预测控制（MPC)模块，所述MPC模块：
[0012] 基于子系统的模型和可能目标值组产生预测参数；
[0013] 基于所述预测参数以及加权值和参考值中的至少一个产生用于所述可能目标值 组的成本；
[0014] 基于所述子系统的操作条件的所需改变速率来调整所述加权值和所述参考值中 的至少一个；以及
[0015] 基于所述成本从多个可能目标值组中选择所述可能目标值组；以及
[0016] 致动器模块，所述致动器模炔基于目标值中的至少一个来调整所述子系统的致动 器。
[0017] 2.如方案1所述的系统，其中当所述所需改变速率大于第一速率时，所述MPC模块 将所述加权值中的至少一个调整为零。
[0018] 3.如方案2所述的系统，其中：
[0019] 所述加权值包括与可能目标值中的一个与所述参考值中的一个之间的差异相关 的第一加权值；以及
[0020] 当所述所需改变速率大于所述第一速率时，所述MPC模块将所述第一加权值调整 为零。
[0021] 4.如方案2所述的系统，其中：
[0022] 所述加权值包括与在N个控制回路期间可能目标值中的一个的总改变量相关的 第一加权值；
[0023] 当所述所需改变速率大于所述第一速率时，所述MPC模块将所述第一加权值调整 为零；以及
[0024] N是大于一的整数。
[0025] 5.如方案2所述的系统，其中所述MPC模炔基于所述预测参数中的至少一个的改 变速率来确定所述第一速率。
[0026] 6.如方案1所述的系统，其中所述MPC模块：
[0027] 基于所述所需改变速率来确定参考轨迹；以及
[0028] 基于所述参考轨迹来调整所述参考值中的至少一个。
[0029] 7.如方案1所述的系统，其中当所述所需改变速率大于第一速率时，所述MPC模块 将所述参考值中的至少一个调整为所述致动器的最大极限和所述致动器的最小极限中的 至少一个的一个。
[0030] 8.如方案1所述的系统，其中所述子系统是发动机并且所述操作条件是所述发动 机的所需扭矩输出。
[0031] 9.如方案8所述的系统，其中：
[0032] 所述加权值包括与目标节气门打开面积与参考节气门打开面积之间的差异相关 的第一加权值；以及
[0033] 当所述所需改变速率大于第一速率时，所述MPC模块将所述第一加权值调整为 零。
[0034] 10.如方案8所述的系统，其中：
[0035] 所述参考值包括参考节气门打开面积；
[0036] 所述MPC模炔基于所述所需改变速率来确定参考轨迹；以及
[0037] 所述MPC模炔基于所述参考轨迹来调整所述参考节气门打开面积。
[0038] IL 一种方法，包括：
[0039] 基于子系统的模型和可能目标值组产生预测参数；
[0040] 基于所述预测参数以及加权值和参考值中的至少一个产生用于所述可能目标值 组的成本；
[0041] 基于所述子系统的操作条件的所需改变速率来调整所述加权值和所述参考值中 的至少一个；
[0042] 基于所述成本从多个可能目标值组中选择所述可能目标值组；以及
[0043] 基于目标值中的至少一个来调整所述子系统的致动器。
[0044] 12.如方案11所述的方法，其进一步包括当所述所需改变速率大于第一速率时， 将所述加权值中的至少一个调整为零。
[0045] 13.如方案12所述的方法，其中所述加权值包括与可能目标值中的一个与所述参 考值中的一个之间的差异相关的第一加权值，所述方法进一步包括当所述所需改变速率大 于所述第一速率时，将所述第一加权值调整为零。
[0046] 14.如方案12所述的方法，其中所述加权值包括与在N个控制回路期间所述可能 目标值中的一个的总改变量相关的第一加权值并且N是大于一的整数，所述方法进一步包 括当所述所需改变速率大于所述第一速率时，将所述第一加权值调整为零。
[0047] 15.如方案12所述的方法，其进一步包括基于所述预测参数中的至少一个的改变 速率来确定所述第一速率。
[0048] 16.如方案11所述的方法，其进一步包括：
[0049] 基于所述所需改变速率来确定参考轨迹；以及
[0050] 基于所述参考轨迹来调整所述参考值中的至少一个。
[0051] 17.如方案11所述的方法，其进一步包括当所述所需改变速率大于第一速率时， 将所述参考值中的至少一个调整为所述致动器的最大极限和所述致动器的最小极限中的 至少一个的一个。
[0052] 18.如方案11所述的方法，其中所述子系统是发动机并且所述操作条件是所述发 动机的所需扭矩输出。
[0053] 19.如方案18所述的方法，其中所述加权值包括与目标节气门打开面积与参考节 气门打开面积之间的差异相关的第一加权值，所述方法进一步包括当所述所需改变速率大 于第一速率时，将所述第一加权值调整为零。
[0054] 20.如方案18所述的方法，其中所述参考值包括参考节气门打开面积，所述方法 进一步包括：
[0055] 基于所述所需改变速率来确定参考轨迹；以及
[0056] 基于所述参考轨迹来调整所述参考节气门打开面积。
[0057] 本公开的其他适用领域将从详细描述、权利要求书以及图式变得显而易见。详细 描述和具体实例仅意欲用于说明目的而非意欲限制本公开的范围。
【附图说明】
[0058] 本公开将从详细描述和附图变得更完整理解，其中：
[0059] 图1是根据本公开的示例性发动机系统的功能方框图；
[0060] 图2是根据本公开的示例性发动机控制系统的功能方框图；
[0061] 图3是根据本公开的示例性目标生成模块的功能方框图；
[0062] 图4是描绘根据本公开的使用模型预测控制来控制节气门阀、进气门定相和排气 门定相、废气门、排气再循环（EGR)阀、火花正时以及加燃料的示例性方法的流程图；以及
[0063] 图5和6是示出根据本公开明的示例性所需歧管压力、示例性实际歧管压力以及 示例性参考废气门打开面积的图。
[0064] 图中，可以重复使用参考数字以指示类似和/或相同元件。
【具体实施方式】
[0065] 发动机控制模块（ECM)控制发动机的扭矩输出。更具体来说，ECM基于所请求的扭 矩量来确定目标值并且基于目标值来控制发动机的致动器。例如，ECM基于目标相位器角 来控制进气和排气凸轮轴相位器、基于目标节气门打开面积来控制节气门阀、基于目标EGR 开度控制排气再循环（EGR)阀并且基于目标废气门占空比控制涡轮增压器的废气门。ECM 还基于目标火花正时来控制火花正时并且基于目标加燃料参数来控制加燃料。
[0066] ECM可以单独地使用多个单输入单输出（SISO)控制器（诸如比例积分微分（PID) 控制器）来确定目标值。然而，当使用多个SISO控制器时，可以设置目标值以在有损可能 的燃料消耗减少的情况下维持系统稳定性。此外，个别SISO控制器的校准和设计可能是昂 贵且耗时的。
[0067] 本公开的ECM使用模型预测控制（MPC)模块来产生目标值。MPC模块识别目标值 的可能组。MPC模炔基于可能组的目标值和发动机的数学模型来确定用于每个可能组的预 测参数。例如，MPC模块可以确定预测发动机扭矩和用于每个可能目标值组的一个或多个 其他预测参数。
[0068] MPC模块还可以确定与每个可能组的使用相关的成本。例如，被预测更紧密追踪发 动机扭矩请求