用于巡航控制的方法和系统与流程

本说明书整体涉及用于控制用于进行节能巡航控制的车辆扭矩输出的方法和系统。

背景技术：

最优化问题旨在通过在多个冲突目标之间折衷处理来最小化或最大化目标函数。目标函数可以是加权目标的总和。例如，在巡航控制期间，可以最优化车辆扭矩输出以提高燃料经济性，而同时将车辆速度维持在所请求的速度水平。提高燃料经济性的目标可能与速度控制的目标相冲突，因为维持特定的车辆速度可能与燃料消耗量负相关。用于最优化巡航控制的目标函数可以被制定为燃料控制目标和速度控制目标的加权和。

用于最优化问题的最优控制动作可以通过模型预测控制(mpc)—也称为滚动时域控制器生成。mpc可以用于需要最优化的各种车辆控制问题。例如，mpc可以用于决定最优功率分流、用于路线规划，以及用于操纵自驱动车辆。在导出控制动作时，控制器响应于可以应用的一系列动作来预测系统在未来一段时间内的行为，并且计算在未来时期内累积的相关联奖励和惩罚。通过对归因于所有轨迹序列的奖励和惩罚进行比较，可以选择将奖励最大化或将惩罚最小化的轨迹序列，然后将所选择序列的第一元素应用于该系统，作为最优决策。响应于接收到系统响应的每个测量值，重复该过程。这种控制框架在将来可以利用可从车对车(v2v)技术和车对道路基础设施(v2i)技术获得的预览信息。

用mpc最优化车辆控制的其他尝试包括用mpc控制发动机气流。huang等人在美国专利2016/0108732中示出了一种示例方法。其中，显式mpc和增益在各种工况下离线校准。最优控制策略是响应于车辆工况，使用校准的显式mpc和增益调度矩阵在线获得的。

然而，本发明人已认识到此类系统的潜在问题。作为一个实例，由于显式mpc的权重是针对特定范围的操作参数离线校准的，所以可能无法在该范围内的操作参数的每个水平提供最优控制。另外，当响应于工况的改变在两个校准的显式mpc之间切换时，控制器输出可能突然改变。此外，在生成最优控制时，常规mpc可以通过局部限制目标来制定目标函数的每个目标，但却不考虑关于全局目标的系统性能。例如，在巡航控制问题中，将车辆速度维持在所请求的速度水平这一目标可以被制定为仅限制瞬时车辆速度和燃料消耗量的偏差。所以，mpc不具有关于车辆速度历史的信息，因而可能无法将平均车辆速度保持为接近所请求的速度。mpc也可能无法满足递归可行性，因为不管未来的道路坡度是怎样的，这都需要将未来的车辆速度约束在允许范围之内。

技术实现要素：

在一个实例中，可以通过一种方法来解决上述问题，该方法包括通过将目标函数最小化来确定未来车轮扭矩，该目标函数包括下列各项中的每一项：瞬时车辆速度与所请求车辆速度的偏差、平均车辆速度与所请求车辆速度的偏差、以及燃料消耗量。以这种方式，mpc的目标函数可以包括车辆性能的历史并且生成最优控制，该最优控制不仅限制瞬时速度偏差，而且还将车辆的总体平均速度保持为接近所请求的水平。

作为一个实例，最优化问题的目标函数可以包括瞬时车辆速度与所请求车辆速度的偏差、平均车辆速度与所请求车辆速度的偏差、以及燃料消耗量。该目标函数还可以包括平均车辆速度与所请求车辆速度的偏差的第一权重、瞬时车辆速度与所请求车辆速度的偏差的第二权重、以及燃料消耗量的第三权重。可以通过最小化该目标函数来生成最优的未来车轮扭矩，该车轮扭矩可以使速度偏差和燃料消耗量这两者最小化。在车辆操作期间，可以响应于过去和现在的车辆操作参数来更新最优化的权重。作为一个实例，基于平均车辆速度来更新燃料消耗量的权重。作为另一个实例，基于过去和现在的车辆质量来更新燃料消耗量的权重。通过将平均速度包括在目标函数中，mpc可以同时将瞬时车辆速度和平均车辆速度维持为所请求的车辆速度。通过在车辆操作期间更新目标函数的权重，该目标函数可以响应于操作参数的改变而生成最优控制决策，因为该目标函数是根据操作参数的每个特定水平定制的。因此，可以实现节能的巡航控制。

应当理解，提供以上发明内容是为了以简化形式引入一系列概念，具体实施方式中将进一步描述这些概念。以上发明内容并非意图界定所要求保护主题的关键或必要特征，这些特征的范围是由具体实施方式之后的权利要求书唯一限定的。此外，所要求保护的主题并不局限于解决上文或本公开的任何部分中所提到的任何缺点的实现方式。

附图说明

图1示出了用于车辆的示例推进系统的示意图。

图2示出了被包括在图1的推进系统中的示例发动机的示意图。

图3示出了用节能mpc进行巡航控制的示例方法。

图4示出了在mpc控制期间参数变化的示例时间线，其中目标函数基于平均车辆速度更新。

图5示出了在mpc控制期间参数变化的示例时间线，其中目标函数基于车辆质量更新。

具体实施方式

以下描述涉及用节能mpc对车辆进行巡航控制的系统和方法。车辆的示例推进系统和发动机系统在图1和图2中提出。图3是用于巡航控制的示例方法的流程图。特别地，在巡航控制模式期间，基于目标函数确定最优化的未来车轮扭矩。该目标函数可以包括三个目标，具体包括瞬时车辆速度的偏差、平均车辆速度的偏差和燃料消耗量。可以通过最小化对于约束是主观的目标函数，来确定最优的控制输出、或最优化的未来车轮扭矩。该方法还包括基于过去和现在的车辆操作参数来更新目标函数的系数。过去和现在的车辆操作参数可以包括平均车辆速度和车辆质量。图4是示出了在基于平均车辆速度更新目标函数时参数的变化的时间线。图5是示出了在基于车辆质量更新目标函数时参数的变化的时间线。

现在转向图1，该图展示了车辆推进系统100的一个实例。车辆推进系统100可以包括燃料燃烧发动机110和马达120。作为一个非限制性实例，发动机110包括内燃发动机，马达120包括电动马达。因此，车辆推进系统100可以是用于混合动力电动车辆的推进系统。然而，车辆推进系统也可以是用于非混合动力车辆的推进系统，或者用于具有电动马达但不具有内燃发动机的电动车辆的推进系统。马达120可以被配置为利用或消耗与发动机110不同的能量源。例如，发动机110可以消耗液体燃料(例如，汽油)以产生发动机输出，而马达120则可以消耗电能以产生马达输出。因此，具有推进系统100的车辆可以称为混合动力电动车辆(hev)。在其中车辆推进系统100用于电动车辆的其他实例中，车辆推进系统可以称为电动车辆(ev)。

车辆推进系统100可以根据该车辆推进系统遇到的工况利用多种不同的操作模式。这些模式中的一些可以使发动机110能够维持在关闭状态(即，设定为停用状态)，在这种情况下，发动机处的燃料燃烧停止。例如，在选择的工况下，当发动机110停用时，马达120可以如箭头122所指示经由驱动轮130来推进车辆。

在其他工况期间，发动机110可以被设置为停用状态(如上所述)，而马达120则可以被操作以对能量储存装置150(诸如电池)充电。例如，马达120可以如箭头122所指示从驱动轮130接收车轮扭矩，在这种情况下，该马达可以将车辆的动能转换为电能，以储存在能量储存装置150处，如箭头124所指示。该操作可以称为车辆的再生制动。因此，在一些实施例中，马达120可以提供发电机功能。然而，在其他实施例中，发电机160可以替代地从驱动轮130接收车轮扭矩，其中该发电机可以将车辆的动能转换为电能，以储存在能量储存装置150处，如箭头162所指示。

仍然在其他工况期间，可以通过燃烧从燃料系统140接收的燃料来操作发动机110，如箭头142所指示。例如，当马达120停用时，发动机110可以被操作，以如箭头112所指示经由驱动轮130来推进车辆。在其他工况期间，分别如箭头112和122所指示，发动机110和马达120这两者可以各自被操作以经由驱动轮130推进车辆。其中发动机和马达都可以选择性地推进车辆的配置可以称为并联型车辆推进系统。需注意，在一些实施例中，马达120可以经由第一组驱动轮来推进车辆，发动机110则可以经由第二组驱动轮来推进车辆。

在其他实施例中，车辆推进系统100可以被配置为串联型车辆推进系统，由此发动机不直接推进驱动轮。相反，可以操作发动机110向马达120提供动力，马达进而可以经由驱动轮130推进车辆，如箭头122所指示。例如，在选择的工况期间，发动机110可以驱动发电机160，发电机进而可以如箭头114所指示向一个或多个马达120供应电能，或者如箭头162所指示向能量储存装置150供应电能。作为另一个实例，可以操作发动机110以驱动马达120，该马达进而可以提供发电机功能以将发动机输出转换为电能，在这种情况下，电能可以储存在能量储存装置150中以供马达随后使用。车辆推进系统可以被配置为根据车辆工况在上述两种或更多种操作模式之间转换。作为另一个实例，车辆推进系统可以是用于电动车辆(例如，没有内燃发动机)的推进系统，其中从能量储存装置150(例如，电池)接收电力的电动马达可以推进车辆。

燃料系统140可以包括一个或多个燃料储存箱144，用于在车辆上储存燃料。例如，燃料箱144可以储存一种或多种液体燃料，包括但不限于汽油、柴油和酒精燃料。在一些实例中，燃料可以作为两种或更多种不同燃料的共混物储存在车辆上。例如，燃料箱144可以被配置为储存汽油和乙醇(例如，e10、e85等)的共混物，或者汽油和甲醇(例如，m10、m85等)的共混物，由此这些燃料或燃料共混物可以被输送到发动机110，如箭头142所指示。还可以向发动机110供应其他合适的燃料或燃料共混物，在这种情况下，燃料可以在发动机处燃烧以产生发动机输出。发动机输出可以用于如箭头112所指示推进车辆，或者经由马达120或发电机160对能量储存装置150进行再充电。

在一些实施例中，能量储存装置150可以被配置为储存电能，该电能可以被供应给驻留在车辆上的其他电负载(除马达之外)，包括车厢加热和空调、发动机启动、前灯、车厢音频系统和视频系统、排气栅格加热器、排气再循环冷却器，等等。作为一个非限制性实例，能量储存装置150可以包括一个或多个电池和/或电容器。

控制系统190可以与发动机110、马达120、燃料系统140、能量储存装置150和发电机160中的一者或多者通信。如将在图2中描述的，控制系统190可以包括控制器211，并且可以从发动机110、马达120、燃料系统140、能量储存装置150和发电机160中的一者或多者接收传感反馈信息。另外，控制系统190可以响应于该传感反馈将控制信号发送到发动机110、马达120、燃料系统140、能量储存装置150和发电机160中的一者或多者。控制系统190可以从车辆驾驶员102接收该驾驶员请求的车辆推进系统输出的指示。例如，控制系统190可以从与踏板192通信的踏板位置传感器194接收传感反馈。踏板192可以示意性地指代制动踏板和/或加速踏板。

能量储存装置150可以周期性地从驻留在车辆外部的电源180(例如，不是车辆的一部分)接收电能，如箭头184所指示。作为一个非限制性实例，车辆推进系统100可以被配置为插电式混合动力电动车辆(hev)，由此电能可以经由电能传输电缆182从电源180供应到能量储存装置150。作为另一个非限制性实例，车辆推进系统100可以被配置为插电式电动车辆(ev)，由此电能可以经由电能传输电缆182从电源180供应到能量储存装置150。控制系统190还可以根据车辆推进系统100的电负载来控制来自能量储存装置150(例如，电池)的能量或电力的输出。例如，在电负载减小的操作期间，控制系统190可以经由逆变器/转换器降低从能量储存装置150输送的电压，以便节省能量。

在从电源180对能量储存装置150进行再充电操作期间，电传输电缆182可以将能量储存装置150与电源180电耦合。在操作车辆推进系统以推进车辆时，电传输电缆182可以在电源180与能量储存装置150之间断开。控制系统190可以识别和/或控制储存在能量储存装置处的电能的量，这种电能的量可以称为荷电状态(soc)。

在其他实例中，可以省去电传输电缆182，在这种情况下，可以在能量储存装置150处从电源180无线地接收电能。例如，能量储存装置150可以经由电磁感应、无线电波和电磁共振中的一者或多者从电源180接收电能。因此，应当理解，可以使用任何合适的方法来从不构成车辆一部分的电源对能量储存装置150进行再充电。以这种方式，马达120可以通过利用除了由发动机110使用的燃料之外的能量源来推进车辆。

燃料系统140可以周期性地从驻留在车辆外部的燃料源接收燃料。作为一个非限制性实例，车辆推进系统100可以通过经由燃料分配装置170接收燃料来补给燃料，如箭头172所指示。在一些实施例中，燃料箱144可以被配置为储存从燃料分配装置170接收的燃料，直到该燃料被供应到发动机110进行燃烧为止。

如参考车辆推进系统100所述的插电式混合动力电动车辆可以被配置为利用从原本不是车辆的一部分的能量源周期性地接收的第二形式的能量(例如，电能)。

车辆推进系统100还可以包括环境温度/湿度传感器、电负载传感器和侧倾稳定性控制传感器，诸如一个或多个侧向和/或纵向和/或方向盘位置或横摆率传感器199。车轮扭矩传感器197可以机械联接到驱动轮130，以测量瞬时车轮扭矩。速度传感器198可以耦合到驱动轮130，用于测量瞬时车辆速度。车轮扭矩也可以从发动机扭矩、变速器传动装置、以及变矩器的操作得出。在汽油发动机燃烧空气和燃料的化学计量混合物的情况下，发动机扭矩进而可以从流到发动机气缸中的空气的质量得出。在柴油发动机的情况下，发动机扭矩与输送到发动机汽缸的燃料的量相关。消息中心可以包括一个或多个指示灯和/或基于文本的显示器，其中消息被显示给驾驶员，诸如请求驾驶员输入以启动发动机的消息，如下文所讨论。消息中心还可以包括用于接收驾驶员输入的各种输入部分，诸如按钮、触摸屏、语音输入/识别、gps装置，等等。在一个替代性实施例中，消息中心可以在没有显示器的情况下将音频消息传送给驾驶员。另外，一个或多个传感器199可以包括用于指示道路粗糙度的垂直加速度计，以及侧向加速度计。这些装置可以连接到控制系统190。在一个实例中，该控制系统可以响应于一个或多个传感器199而调节发动机输出和/或车轮制动，以增加车辆稳定性。

现在参见图2，该图展示了发动机110的汽缸200的非限制性实例，该非限制性实例包括与该汽缸对接的进气系统部件和排气系统部件。需注意，汽缸200可以对应于多个发动机汽缸中的一个。气缸200至少部分地由燃烧室壁232和活塞236限定。活塞236可以经由连杆连同发动机的其他活塞一起联接到曲轴240。曲轴240可以经由变速器与驱动轮130和电机52可操作地联接。

气缸200可以经由进气道242接收进气。进气道242还可以与发动机110的其他气缸连通。进气道242可以包括节气门262，该节气门包括节流板264，该节流板可以由控制系统190调节，以改变提供给发动机汽缸的进气的流量。汽缸200可以经由一个或多个进气门252与进气道242连通。汽缸200可以经由排气门254和排气通道248排出燃烧产物。汽缸200可以经由一个或多个排气门254与排气通道248连通。排气传感器226可以联接到排气通道，用于测量排气的组成。排气处理装置270可以联接到排气传感器226下游的排气通道，用于先对排气进行处理，之后再将其释放到车辆外部。

在一些实施例中，汽缸200可以任选地包括火花塞292，该火花塞可以由点火系统288致动。燃料喷射器266可以设置在汽缸中，以便直接向其输送燃料。然而，在其他实施例中，燃料喷射器可以布置在进气门252上游的进气道242之内。燃料喷射器266可以由驱动器268致动。

电机52可以包括马达或马达/发电机。当一个或多个离合器56接合时，发动机10的曲轴140和电机52经由变速器54连接到车轮130。在所描绘的实例中，第一离合器56设置在曲轴140与电机52之间，第二离合器56设置在电机52与变速器54之间。控制器190可以向每个离合器56的执行器发送信号以接合或脱离离合器，以便使曲轴140与电机52和同该电机连接的部件连接或从电机和这些部件断开连接，并且/或者使电机52与变速器54和同该变速器连接的部件连接或从变速器和这些部件断开连接。变速器54可以是齿轮箱、行星齿轮系统、或另一种类型的变速器。动力传动系统可以按各种方式配置，包括配置为并联、串联或串并联混合动力车辆。

控制系统190的一个非限制性实例在图2中示意性地描绘。控制系统190可以包括处理子系统(cpu)202，该处理子系统可以包括一个或多个处理器。cpu202可以与存储器通信，该存储器包括只读存储器(rom)206、随机存取存储器(ram)208和保活存储器(kam)210中的一者或多者。作为一个非限制性实例，该存储器可以存储可由处理子系统执行的指令。本文描述的过程流程、功能和方法可以表示为存储在控制系统的存储器处的指令，这些指令可以由处理子系统执行。

cpu202可以经由输入/输出装置204与发动机110、能量储存装置150和燃料系统140的各种传感器和执行器通信。作为一个非限制性实例，这些传感器可以按工况信息的形式向控制系统提供传感反馈，可以包括：经由传感器220指示通过进气道242的质量空气流量(maf)、经由传感器222指示歧管空气压力(map)、经由节气门262指示节气门位置(tp)、经由可以与冷却剂通道214连通的传感器212指示发动机冷却剂温度(ect)、经由传感器218指示发动机转速(pip)、经由排气传感器226指示排气氧含量、经由传感器255指示进气门位置、经由传感器257指示排气门位置，以及指示来自压力传感器223的增压压力。

控制器190接收来自图1至图2的各个传感器的信号，并且采用图1至图2的各种执行器，基于存储在控制器的存储器上的所接收信号和指令来调节发动机操作。例如，调节燃料喷射正时可以包括调节驱动器268，以调节喷射到气缸中的燃料量。调节气缸中的进气量可以包括通过改变节流板的位置来调节节气门，并且通过致动进气门执行器251来调节进气门正时。

转到图3，呈现了使用mpc进行巡航控制的示例方法300。特别地，mpc的目标函数可以包括最小化平均车辆速度与所请求车辆速度的偏差的目标、最小化瞬时车辆速度与所请求车辆速度的偏差的目标，以及用于减小燃料消耗量的目标。这些目标中的每一个都是独立加权的。增加权重可以向对应的目标施加更多惩罚，也就是说，向对应的目标施加更严格的限制。可以在车辆操作期间，基于过去和现在的车辆操作参数来更新目标的一个或多个权重。因此，mpc响应于操作参数的变化而在线调整。另外，通过基于过去和现在的车辆操作参数来更新mpc，可以实现全局目标，诸如最小化总体平均车辆速度与所请求速度的偏差，并且/或者使总体燃料经济性最小化。

用于执行方法300的指令和本文所包括方法的其余部分可以由控制器基于存储在该控制器的非暂态存储器上的指令并且结合从发动机系统的传感器(诸如以上参考图1和图2所述的传感器)接收的信号来执行。根据以下描述的方法，控制器可以采用发动机系统的发动机执行器来调节发动机操作。

在302处，通过控制器(诸如图2的控制器190)估计和/或测量车辆工况。控制器从发动机系统中的各种传感器获取测量值并估计工况，包括发动机扭矩输出、发动机转速、车辆速度、大气压力、环境温度、增压压力和发动机负载。

在304处，方法300可以确定是否进入巡航控制模式。作为一个实例，车辆可以在接收到来自车辆驾驶员的请求时进入巡航控制模式。作为另一个实例，车辆可以响应于来自控制器的信号进入巡航控制模式。控制器可以基于在302处估计的发动机工况来生成信号。控制器可以进一步基于车辆外部的信息来生成信号，该信息诸如车辆路线、道路坡度和天气状况。

在巡航控制模式期间，车辆速度被设定为所请求的车辆速度。所请求的车辆速度可以由车辆驾驶员设定。作为替代，可以由控制器基于外部信息来设定所请求的车辆速度，其中外部信息包括速度限制、车辆路线、道路坡度和天气状况。控制器可以从定位在车辆上的gps系统、广播或传感器获得外部信息。车辆可以响应于驾驶员的动作(诸如制动)退出巡航控制模式。车辆还可以响应于从控制器生成的退出请求退出巡航控制模式。

如果确定进入巡航控制模式，则方法300移动到308。否则，方法300移动到306，以继续估计或测量车辆工况。

在308处，通过建立目标函数来初始化mpc问题。作为一个实例，滚动时域框架中的最优控制问题涉及在每个时刻解决最优化问题。通过在预测时域的时间段内最小化目标函数来解决一系列控制动作。选择这一系列控制动作中的第一控制动作，作为该时刻的最优控制动作。作为一个实例，目标函数可以是以下形式：

其中t是车轮扭矩，v是车辆速度，vsp是所请求的车辆速度，mf是基于扭矩输出和发动机转速计算瞬时燃料消耗量的函数w。该目标函数计算了下列三个目标的总和：平均车辆速度与所请求车辆速度的偏差、瞬时车辆速度与所请求车辆速度的偏差、以及燃料消耗量。这些目标中的每一个都由权重加权：平均车辆速度与所请求车辆速度的偏差由加权；瞬时车辆速度与所请求车辆速度的偏差由qv加权，燃油消耗量则由qm加权。目标函数的权重奖励或惩罚对应的目标。例如，增加qv则对瞬时车辆速度与所请求速度的偏差施加惩罚。换句话讲，瞬时车辆速度与所请求车辆速度的偏差随着qv增加而进一步受限。与此同时，随着qv增加，燃油消耗量受到的惩罚可以减小。目标函数评估从当前时刻k到未来时刻k+n的预测时域内的三个目标，并且i是预测时域内的时刻。因此，vi指示瞬时车辆速度，ti指示瞬时扭矩输出，ωi指示瞬时发动机转速。

在另一个实施例中，混合动力车辆的目标函数可以是以下形式：

其中z是电池的充电状态，zref是标称的预期充电状态；qz和qz是相对权重因数。

公式1和公式2的目标函数受到以下约束：

vi+1＝f⁺(i，vi，ti，ηi)，公式3

wi+1＝g⁺(i，wi，ti，ηi)，公式4

vi∈[vmin，vmax]，公式5

ti∈[tmin，tmax]，公式6

其中f⁺(·)和g⁺(·)是车辆速度和发动机转速的函数；η是干扰。瞬时车辆速度vi由最大车辆速度vmax和最小车辆速度vmin界定。瞬时车轮扭矩ti由最大车轮扭矩tmax和最小车轮扭矩tmin界定。另外，车轮扭矩在连续时刻之间的变化受到车轮扭矩最大变化率的限制。假设在预测时域(k到k+n)上的干扰η是已知的。例如，可以从诸如gps数据之类的外部源获知干扰。由于干扰在预测时域内是已知的，所以不再将其视为车辆操作动力学中的干扰。

方法300还可以在308处初始化目标函数的系数。这些系数可以包括目标的权重。这些系数还可以包括函数mf的系数。在一个实施例中，目标函数的权重(诸如qv和qm)可以通过实验设计(doe)来初始化。例如，可以测试各种噪声和设计因素，并且可以通过回归或检查来确定最优权重。

在310处，方法300测量当前车轮扭矩tk和当前发动机转速ωk。在一个实例中，当前车轮扭矩和当前发动机转速可以用对应的传感器测量。测量的当前车轮扭矩和发动机转速是现在时刻k的瞬时车轮扭矩和瞬时发动机转速。

在312处，方法300通过最小化在308处建立的目标函数来确定未来扭矩。具体地讲，基于在310处测量的当前车轮扭矩和当前发动机转速，公式1或2的目标函数j被主观地最小化为公式3至7的约束。作为一个实例，可以将目标函数最小化，以便在预测时域中生成车轮扭矩ti的最优序列。可以选择第一元素(即，在k+1时刻处的未来车轮扭矩)，作为来自mpc的未来扭矩和输出。然后操作车辆以生成未来扭矩。例如，所确定的未来扭矩可以被转换为空燃比信号，然后被发送到燃料喷射器和各种发动机阀。控制器还可以基于未来扭矩计算所请求的发动机转速，并且经由点火系统基于发动机转速控制发动机点火。

在314处，方法300确定巡航控制模式是否结束。巡航控制模式可以由车辆驾驶员结束。作为替代，巡航控制模式可以由控制器响应于外部或内部的车辆工况而结束。如果巡航控制模式结束，则方法300结束。否则，方法300前进到318。

在316处，方法300确定操作参数是否有变化。操作参数可以包括平均车辆速度和/或车辆质量。方法300可以响应于操作参数的水平的变化或者操作参数的变化量超过预定范围来确定操作参数发生了变化。

在一个实施例中，方法300通过求得从巡航控制的起点开始测量的车辆速度的时间平均值，来确定平均车辆速度。

在一个实施例中，方法300确定车辆质量是否有变化。车辆质量可以基于车轮扭矩t、车辆速度v和道路坡度φ来估计。例如，车辆动力学可以由以下公式呈现：

其中β*是系数。这些系数可以基于包括瞬时车轮扭矩、车辆速度和道路坡度在内的传感器信息来实时调整。这种调整可以包括线性最小二乘估计量和/或递归估计策略。车辆质量m然后可以从系数β1得出，因为车辆质量与β1成线性关系：

可以使用线性估计量来估计车辆质量。两个估计量(一个估计β1，另一个估计车辆质量)必须以这样的方式加以调谐：车辆质量的估计量得到过滤，并且不受系统行为的瞬态影响。

响应于操作参数的变化，方法300可以前进到318，以选择目标函数的要更新的一个或多个系数。作为替代，方法300可以前进到322，以更新目标函数的预定系数。如果未检测到变化，则方法300前进到320，以基于当前的目标函数继续进行巡航控制。

在318处，方法300可以任选地选择目标函数的要在线实时更新的一个或多个系数。目标函数系数可以包括目标的权重(诸如公式1和公式2中的qv和qm)。目标函数系数还可以包括用于计算瞬时燃料消耗量的函数的系数(诸如公式1和公式2中的函数mf(·)的参数)。可以通过评估目标函数系数的变化对全局目标的影响来更新目标函数系数。在一个实例中，可以通过估计值函数相对于目标函数系数的灵敏度来评估该影响。以下列值函数v为例：

其中θ1，…，θm是目标函数的系数，φ(·)是与控制和状态轨迹相关联的瞬时成本的表示，tf是最优控制问题的终端时间，x是系统的状态表示。该值函数相对于系数θi的灵敏度可以通过该值函数相对于系数θi的偏导数来计算，即该灵敏度衡量单个目标函数系数对成本目标函数的扰动。可以选择具有最高灵敏度的系数来在线更新。

在一个实施例中，可以响应于不同操作参数的变化来更新目标函数的不同系数。在另一个实施例中，可以基于车辆的工况来选择不同的操作参数。例如，可以响应于平均车辆速度的变化来更新一个系数，并且可以响应于车辆重量的变化来更新不同的系数。

在322处，方法300基于过去和现在的操作参数来更新目标函数系数。在一个实施例中，目标函数系数可以是基于这些系数相对于目标函数的灵敏度而在318处选择的一个或多个系数。在另一个实施例中，可以预先确定要更新的目标函数系数。在又一个实施例中，可以基于操作参数的变化来确定要更新的目标函数系数。过去和现在的操作参数可以包括平均车辆速度和车辆质量。过去和现在的操作参数可以是在316处改变的操作参数。

在一个实施例中，响应于在316处计算的平均车辆速度的变化，可以更新燃料消耗量的权重(诸如公式1和公式2中的qm)。燃料消耗量的权重可以响应于平均车辆速度的增大而增大，并且响应于平均车辆速度的减小而减小。作为替代，燃料消耗量的权重可以响应于平均车辆速度超过所请求的车辆速度而增大，并且响应于平均车辆速度低于所请求的车辆速度而减小。例如，qm的增大可能与平均车辆速度和所请求车辆速度之间的差异成比例。再如，调节qm可以与平均车辆速度的变化率成比例。通过增大燃料消耗量的权重，增大了对燃料消耗量的惩罚，并且减小了对瞬时车辆速度和平均车辆速度与所请求车辆速度的偏差的惩罚。因此，由mpc生成的控制可以快速地校正速度偏差。

在另一个实施例中，可以响应于车辆质量的变化来更新燃料消耗量的权重。车辆质量影响用于维持车辆速度所消耗的燃料量。由于载荷增加或添加了拖车，车辆质量可能增大。车辆质量增大相当于燃料消耗量的权重的固有增大，这可能导致对速度设定点的跟踪较差。方法300可以通过乘以过去的车辆质量与现在的车辆质量之间的比率来更新燃料消耗量的权重(诸如其中mpast是过去的车辆质量，mpresent是现在的车辆质量)。因此，例如，当车辆质量增加时，燃料消耗量的权重减小，因而mpc输出可以维持与之前相同的速度跟踪性能。

在又一个实施例中，可以响应于车辆平均速度的变化和车辆质量的变化这两者来更新燃料消耗量的权重。权重qm可以基于车辆平均速度和车辆质量这两者来更新。例如，qm可以通过平均车辆速度的变化以及过去的车辆质量与现在的车辆质量之间的比率这两者来缩放。

在324处，方法300测量当前车轮扭矩tk和当前发动机转速ωk。在一个实例中，车轮扭矩和发动机转速可以用对应的传感器测量。

在326处，基于在324处测量的当前车轮扭矩和当前发动机转速，通过使用更新的系数将目标函数最小化来计算下一时刻的车轮扭矩(即，未来扭矩)。例如，通过最小化更新的目标函数来确定预测时域中的最优车轮扭矩序列ti。类似于312，可以选择第一元素(即，在k+1时刻处的车轮扭矩)，作为来自mpc的扭矩请求和输出。然后用确定的扭矩请求来操作车辆。然后方法300返回到310，并且基于当前目标函数来确定扭矩请求。

以这种方式建立了mpc的目标函数，该目标函数不仅限制瞬时车辆速度与所请求速度的偏差，而且还限制平均车辆速度相对于所请求速度的偏差。另外，响应于操作参数的变化，在车辆操作期间实时地更新目标函数的系数。该系数更新既考虑了过去的操作参数、又考虑了现在的操作参数。因此，可以实现平均车辆速度接近所请求速度的全局目标。

图4是示出在用mpc控制车辆时参数的变化的示例时间线。燃料消耗量的权重qm基于平均车辆速度在线更新。速度偏差的权重(qv和)未更新。曲线图402示出了经由传感器测量的车辆速度。曲线图404示出了通过求得自从巡航控制开始以来的车辆速度的时间平均值而计算的平均车辆速度。曲线图406示出了燃料消耗的重量qm。曲线图408示出了由mpc生成的未来扭矩。未来扭矩可以进一步用于调节发动机操作，诸如空燃比和进气。x轴表示时间。时间如x轴箭头所指示那样增加。参数值如y轴箭头所指示那样增加。

从t0到t1，车辆不处于巡航控制模式。也就是说，车辆速度不跟踪固定速度，并且在该时间段内变化。在一个实例中，车辆速度由驾驶员控制。mpc可以关闭。因此，不计算平均车辆速度和qm，并且没有mpc输出。

在t1处，车辆进入巡航控制模式。操作车辆以跟踪所请求的车辆速度410。响应于从非巡航控制模式转换到巡航控制模式，控制器(诸如图2的控制器190)开始计算平均车辆速度。由于车辆速度从t0到t1期间保持恒定，所以平均车辆速度保持在与所请求速度410相同的水平不变。建立目标函数，并且根据图3的308初始化目标函数的系数，包括qm。燃料消耗量的权重qm从t1到t2没有更新。mpc将目标函数最小化，并且输出未来车轮扭矩。然后基于未来车轮扭矩操作车辆。

从t2到t3，车辆速度增加到高于所请求车辆速度410的水平，平均车辆速度也增加到所请求的车辆速度410之上。响应于平均车辆速度的变化，目标函数的qm基于平均车辆速度更新。由于平均车辆速度增大，qm也增大到高于t2之前水平的水平。增大qm则增大对燃料消耗量的惩罚。因此，用增大的qm计算的mpc输出减小。然后基于降低的未来车轮扭矩操作车辆。

在t3处，测量的车辆速度402减小，并且开始小于所请求的车辆速度410。然而，由于从mpc在t1处的起点开始的平均车辆速度404仍然高于所请求的速度，所以qm维持在高水平。从t3到t4，随着测量的车辆速度402低于所请求的车辆速度410，平均车辆速度减小。权重qm响应于降低的平均车辆速度而降低，并且mpc输出增加。

从t4到t5，响应于平均车辆速度404低于所请求车辆速度410，qm增大。响应于qm增大，mpc输出408减小。

从t5到t6，平均车辆速度402与所请求车辆速度410相同，并且qm保持在恒定水平。

在t6处，车辆退出巡航控制模式。控制器停止计算平均车辆速度、qm和mpc输出。以这种方式，在从t1到t6的巡航控制模式期间，总体平均速度接近所请求的车辆速度。

图5是示出在用mpc控制车辆时参数的变化的另一条示例时间线。燃料消耗量的权重qm基于车辆质量在线更新。速度偏差的权重(qv和)未更新。曲线图502示出了经由传感器测量的车辆速度。曲线图504示出了车辆质量。车辆质量可以是已知的，或者可以基于车辆动力学估计。曲线图506示出了燃料消耗的重量qm。曲线图508示出了由mpc生成的未来扭矩。未来扭矩可以进一步用于调节发动机操作，诸如空燃比和进气。x轴表示时间。时间如x轴箭头所指示那样增加。参数值如y轴箭头所指示那样增加。

从t10到t11，车辆不处于巡航控制模式。车辆速度不跟踪固定速度，并且在该时间段内变化。在一个实例中，车辆速度由驾驶员控制。mpc已关闭。因此，不计算车辆质量和qm。没有mpc输出。控制器控制器(诸如图2的控制器190)可以根据图3的316处所公开的方法来评估车辆质量。

在t11处，车辆进入巡航控制模式。操作车辆以跟踪所请求的车辆速度510。在一个实施例中，响应于从非巡航控制模式转换到巡航控制模式，控制器可以开始评估车辆质量。建立目标函数，并且根据图3的308初始化目标函数的系数，包括qm。燃料消耗量的权重qm从t11到t12没有更新。mpc输出是恒定的。

在t12处，控制器检测到车辆质量504增加。通过乘以t12之前的过去的车辆质量与t12之后的现在的车辆质量之间的比率来更新目标函数的权重qm。因此，qm减小，并且对燃料消耗量的惩罚减小。来自mpc的未来扭矩输出增大，以将车辆速度502维持为接近所请求的车辆速度510。

在t13处，响应于车辆质量504减小，通过乘以t13之前的过去的车辆质量与t13之后的现在的车辆质量之间的比率来增大qm。来自mpc的未来扭矩输出减小，车辆速度502被维持在所请求的车辆速度510。

在t14处，车辆退出巡航控制模式。控制器停止更新qm和mpc输出。以这种方式，在从t11到t14的巡航控制模式期间，测量的车辆速度502被维持在与所请求的车辆速度510相同的水平。

以这种方式，在利用mpc控制车辆扭矩输出时，在巡航控制模式期间的瞬时车辆速度和平均车辆速度都可以跟踪所请求的车辆速度。另外，通过在线更新目标函数的系数，可以响应于操作参数的变化，利用mpc来实现最优控制。在目标函数中包括平均速度与所请求速度的偏差的技术效果是可以实现速度跟踪的全局目标。将历史信息包括在更新目标函数中的技术效果是可以改善mpc的总体性能。例如，可以保证mpc的稳定性和递归可行性。基于过去和现在的操作参数更新目标函数的系数、随后通过将目标函数最小化来确定未来车轮扭矩，这样做的技术效果是，与同时最优化该系数和扭矩相比计算强度下降。

作为一个实施例，一种用于发动机的方法包括通过将目标函数最小化来确定车辆的未来车轮扭矩，其中该车辆具有向一个或多个车轮提供扭矩的内燃发动机，该目标函数则包括下列各项中的每一项：瞬时车辆速度与所请求车辆速度的偏差、平均车辆速度与所请求车辆速度的偏差、以及燃料消耗量。在该方法的第一实例中，目标函数还包括瞬时车辆速度与所请求车辆速度的偏差的第一权重、平均车辆速度与所请求车辆速度的偏差的第二权重、以及燃料消耗量的第三权重。该方法的第二实例任选地包括第一实例，并且还包括在车辆操作期间，基于过去和现在的操作参数来更新目标函数的第一权重、第二权重和第三权重中的一者或多者。该方法的第三实例任选地包括第一实例和第二实例中的一者或多者，并且还包括，其中过去和现在的操作参数包括平均车辆速度。该方法的第四实例任选地包括第一实例至第三实例中的一者或多者，并且还包括基于平均车辆速度更新燃料消耗量的权重。该方法的第五实例任选地包括第一实例至第四实例中的一者或多者，并且还包括，其中响应于平均车辆速度的增大而增大燃料消耗量的权重。该方法的第六实例任选地包括第一实例至第五实例中的一者或多者，并且还包括，其中过去和现在的操作参数包括过去的车辆质量和现在的车辆质量。该方法的第七实例任选地包括第一实例至第六实例中的一者或多者，并且还包括通过乘以过去的车辆质量与现在的车辆质量之间的比率来更新燃料消耗量的权重。

作为另一个实施例，一种用于发动机的方法包括：以巡航控制模式操作车辆，该车辆具有向一个或多个车轮提供扭矩的内燃发动机；将目标函数初始化，该目标函数包括瞬时车辆速度与所请求车辆速度的偏差、平均车辆速度与所请求车辆速度的偏差、以及燃料消耗量中的每一项；选择目标函数的要更新的系数；基于过去和现在的车辆操作参数来更新该系数；通过将目标函数最小化来确定未来车轮扭矩；以及操作车辆以生成确定的未来车轮扭矩。在该方法的第一实例中，还包括通过分析值函数相对于系数的灵敏度来选择系数。该方法的第二实例任选地包括第一实例，并且还包括：通过分析该值函数相对于第二参数的灵敏度来选择目标函数的第二个不同的系数，更新该第二参数，以及通过使用更新的第二参数将目标函数最小化来确定车轮扭矩。该方法的第三实例任选地包括第一实例和第二实例中的一者或多者，并且还包括基于车辆工况选择系数。该方法的第四实例任选地包括第一实例至第三实例中的一者或多者，并且还包括，其中该系数包括下列各项中的一者或多者：瞬时车辆速度与所请求车辆速度的偏差的权重、平均车辆速度与所请求车辆速度的偏差的权重、以及燃料消耗量的权重。该方法的第五实例任选地包括第一实例至第四实例中的一者或多者，并且还包括，其中燃料消耗量是基于瞬时车轮扭矩和发动机转速计算的。该方法的第六实例任选地包括第一实例至第五实例中的一者或多者，并且还包括，其中车辆操作参数包括车辆速度和车辆重量。该方法的第七实例任选地包括第一实例至第六实例中的一者或多者，并且还包括，其中平均车辆速度是通过对从巡航控制模式的起点开始的瞬时车辆速度求平均值来计算的。

作为又一个实施例，车辆系统包括：联接到该车辆的一个或多个车轮的内燃发动机；用于测量当前车辆速度的速度传感器；用于测量当前车轮扭矩的扭矩传感器；以及具有存储在非暂态存储器中的计算机可读指令的控制器，该控制器被配置为：通过基于当前车辆速度和当前车轮扭矩将目标函数最小化来确定未来车轮扭矩，该目标函数包括瞬时车辆速度与所请求车辆速度的偏差、平均车辆速度与所请求车辆速度的偏差、以及燃料消耗量中的每一项；操作车辆以生成确定的未来车轮扭矩；确定车辆操作参数的变化；响应于车辆操作参数的变化，基于车辆操作参数的变化来更新目标函数的权重；通过使用更新的权重将目标函数最小化来更新未来车轮扭矩；以及操作该车辆以生成更新的未来车轮扭矩。在该系统的第一实例中，控制器被进一步配置为确定发动机燃烧气体的空燃比与供应到发动机的进气，并且基于该空燃比和该进气来操作车辆。该系统的第二实例任选地包括第一实例并且还包括，其中该控制器被进一步配置为基于车辆操作参数在变化之前和之后的水平来更新目标函数的权重。该方法的第三实例任选地包括第一实例和第二实例中的一者或多者，并且还包括，其中该控制器被进一步配置为响应于第二车辆操作参数的变化来更新目标函数的第二权重，并且通过使用更新的第二权重将目标函数最小化来更新未来车轮扭矩。

在另一种展示中，混合动力车辆系统包括：用于测量瞬时车辆速度的速度传感器；用于测量车轮扭矩的扭矩传感器；以及具有存储在非暂态存储器中的计算机可读指令的控制器，该控制器被配置用于：通过将目标函数最小化来确定未来车轮扭矩，该目标函数包括瞬时车辆速度与所请求车辆速度的偏差、平均车辆速度与所请求车辆速度的偏差、以及燃料消耗量；操作车辆以生成确定的未来车轮扭矩；确定车辆操作参数的变化；响应于车辆操作参数的变化，基于车辆操作参数的变化来更新目标函数的权重；通过使用更新的权重将目标函数最小化来更新未来车轮扭矩；以及操作该车辆以生成更新的未来车轮扭矩。

需注意，本文包括的示例控制和估计程序可以与各种发动机和/或车辆系统配置一起使用。本文所公开的控制方法和程序可以作为可执行指令存储在非暂态存储器中，并且可以由包括控制器的控制系统结合各种传感器、执行器和其他发动机硬件来执行。本文所述的特定程序可以表示任何数量的处理策略中的一个或多个，诸如事件驱动、中断驱动、多任务、多线程等等。因此，所展示的各种动作、操作和/或功能可以按所展示的顺序执行、并行地执行，或者在某些情况下省略。同样，处理顺序不一定是实现本文所述的示例实施例的特征和优点所必需的，而是为了便于说明和描述而提供。可以根据正在使用的特定策略重复执行所展示动作、操作和/或功能中的一个或多个。另外，所描述的动作、操作和/或功能可以用图形表示将要被编程到发动机控制系统中的计算机可读存储介质的非暂态存储器中的代码，其中通过执行包括与电子控制器组合的各种发动机硬件部件的系统中的指令来执行所描述的动作。

应当理解，本文所公开的配置和程序在本质上是示例性的，并且这些特定的实施例不应被视为具有限制性意义，因为可能存在许多变型形式。例如，上述技术可以应用于v-6、i-4、i-6、v-12、对置4缸和其他发动机类型。本公开的主题包括各种系统和配置的所有新颖和非显而易见的组合和子组合，以及本文所公开的其他特征、功能和/或特性。

以下权利要求特别指出被视为新颖和非显而易见的某些组合与子组合。这些权利要求可以指“一个”要素或“第一”要素，或者它们的等同物。这些权利要求应当被理解为包括一个或多个此类要素的结合，既不要求也不排除两个或更多个此类要素。所公开的特征、功能、元件和/或特性的其他组合和子组合可以通过修改本权利要求或通过在该申请或相关申请中呈现新的权利要求来要求保护。此类权利要求，无论其范围是比原始权利要求的范围更广、更窄、与之相同还是与之不同，都也被认为包含在本公开的主题之内。

根据本发明，提供了一种方法，具有：通过将目标函数最小化来确定车辆的未来车轮扭矩，其中该车辆具有向一个或多个车轮提供扭矩的内燃发动机，该目标函数则包括下列各项中的每一项：瞬时车辆速度与所请求车辆速度的偏差、平均车辆速度与所请求车辆速度的偏差、以及燃料消耗量。

根据一个实施例，目标函数还包括瞬时车辆速度与所请求车辆速度的偏差的第一权重、平均车辆速度与所请求车辆速度的偏差的第二权重、以及燃料消耗量的第三权重。

根据一个实施例，上述发明的特征还在于，在车辆操作期间，基于过去和现在的操作参数来更新目标函数的第一权重、第二权重和第三权重中的一者或多者。

根据一个实施例，过去和现在的操作参数包括平均车辆速度。

根据一个实施例，上述发明的特征还在于，基于平均车辆速度来更新燃料消耗量的权重。

根据一个实施例，燃料消耗量的权重响应于平均车辆速度的增加而增大。

根据一个实施例，过去和现在的操作参数包括过去的车辆质量和现在的车辆质量。

根据一个实施例，上述发明的特征还在于，通过乘以过去的车辆质量与现在的车辆质量之间的比率来更新燃料消耗量的权重。

根据本发明，提供了一种方法，该方法包括：以巡航控制模式操作车辆，该车辆具有向一个或多个车轮提供扭矩的内燃发动机；将目标函数初始化，该目标函数包括瞬时车辆速度与所请求车辆速度的偏差、平均车辆速度与所请求车辆速度的偏差、以及燃料消耗量中的每一项；选择目标函数的要更新的系数；基于过去和现在的车辆操作参数来更新该系数；通过将目标函数最小化来确定未来车轮扭矩；以及操作车辆以生成确定的未来车轮扭矩。

根据一个实施例，上述发明的特征还在于，通过分析值函数相对于系数的灵敏度来选择系数。

根据一个实施例，上述发明的特征还在于，通过分析该值函数相对于第二参数的灵敏度来选择目标函数的第二个不同的系数，更新该第二参数，以及通过使用更新的第二参数将目标函数最小化来确定车轮扭矩。

根据一个实施例，上述发明的特征还在于，基于车辆工况选择系数。

根据一个实施例，该系数包括下列各项中的一者或多者：瞬时车辆速度与所请求车辆速度的偏差的权重、平均车辆速度与所请求车辆速度的偏差的权重、以及燃料消耗量的权重。

根据一个实施例，基于瞬时车轮扭矩和发动机转速来计算燃料消耗量。

根据一个实施例，车辆操作参数包括车辆速度和车辆重量。

根据一个实施例，通过对从巡航控制模式的起点开始的瞬时车辆速度求平均值来计算平均车辆速度。

根据本发明，提供了一种车辆系统，具有：联接到该车辆的一个或多个车轮的内燃发动机；用于测量当前车辆速度的速度传感器；用于测量当前车轮扭矩的扭矩传感器；以及具有存储在非暂态存储器中的计算机可读指令的控制器，该控制器被配置为：通过基于当前车辆速度和当前车轮扭矩将目标函数最小化来确定未来车轮扭矩，该目标函数包括瞬时车辆速度与所请求车辆速度的偏差、平均车辆速度与所请求车辆速度的偏差、以及燃料消耗量中的每一项；操作车辆以生成确定的未来车轮扭矩；确定车辆操作参数的变化；响应于车辆操作参数的变化，基于车辆操作参数的变化来更新目标函数的权重；通过使用更新的权重将目标函数最小化来更新未来车轮扭矩；以及操作该车辆以生成更新的未来车轮扭矩。

根据一个实施例，该控制器被进一步配置为确定发动机燃烧气体的空燃比与供应到发动机的进气，并且基于该空燃比和该进气来操作车辆。

根据一个实施例，该控制器被进一步配置为基于车辆操作参数在变化之前和之后的水平来更新目标函数的权重。

根据一个实施例，该控制器被进一步配置为响应于第二车辆操作参数的变化来更新目标函数的第二权重，并且通过使用更新的第二权重将目标函数最小化来更新未来车轮扭矩。