专利名称：用于内燃机的egr和增压的基于模型的多变量控制方法
技术领域：
本发明涉及内燃机的控制。
背景技术：
该部分的内容仅提供与本发明有关的背景信息，且可能不构成现有技术。发动机控制包括基于期望发动机输出(包括发动机速度和发动机负载)和得到的操作(例如，包括发动机排放物)来控制发动机操作参数。由发动机控制方法控制的参数包括空气流量、燃料流量、以及进气和排气门设置。增压空气可以提供给发动机，以将相对于自然吸气进气系统增加的空气流量提供给发动机，以增加发动机输出。涡轮增压器使用发动机排气系统中的压力来驱动活塞，从而给发动机提供增压空气。示例性涡轮增压器可以包括可变几何形状涡轮增压器(VGT)，允许调节对于排气系统中的给定条件而言提供的增压空气。增压器使用来自于发动机操作的动力(例如，由附件传动带提供)，以驱动压缩机，从而给发动机提供增压空气。发动机控制方法控制增压空气，以便控制发动机内得到的燃烧和得到的发动机输出。排气再循环(EGR)是可以由发动机控制方法控制的另一个参数。发动机排气系统内的排气流被消耗掉氧气且基本上是惰性气体。在与燃料和空气的燃烧充气结合引入燃烧室或保留在燃烧室内时，排气减缓燃烧，从而减少输出和绝热火焰温度。EGR还可以与提前燃烧方案中的其它参数结合控制，例如，包括均质充气压缩点火(HCCI)燃烧。EGR还可以被控制以改变得到的排气流的属性。发动机控制方法控制EGR以便控制发动机内得到的燃烧和得到的发动机输出。发动机的空气处理系统管理进入发动机的进气空气和EGR的流量。空气处理系统必须被配备以满足充气空气组分目标(例如，EGR比例目标)以实现排放目标且满足总体可用空气目标(例如，充气流质量流量)以实现期望功率和扭矩目标。最强烈地影响EGR流的致动器通常影响充气流，最强烈地影响充气流的致动器通常影响EGR流。因而，具有现代空气处理系统的发动机呈现具有耦合输入-输出响应回路的多输入多输出(MIMO)系统。输入被耦合(S卩，输入-输出响应回路彼此影响)的MIMO系统在本领域中出现了众所周知的挑战。发动机空气处理系统出现了进一步的挑战。发动机在宽范围的参数内操作，包括可变发动机速度、可变扭矩输出和可变燃料供应和定时排定表。在许多情况下，系统的准确传递函数是不可获得的且/或标准解耦计算所需的计算能力是不可获得的。
发明内容
一种控制发动机中的排气再循环和歧管空气压力的方法，包括在多输入和多输出控制器内使用解耦矩阵来确定排气再循环指令和歧管空气压力指令，其中，所述解耦矩阵基于发动机的对角优势模型配置，对角优势模型由所确定的排气再循环指令和歧管空气压力指令补偿。排气再循环和歧管空气压力基于所确定的排气再循环指令和所确定的歧管空气压力指令来控制。
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本发明涉及下述技术方案。1. 一种控制发动机中的排气再循环和歧管空气压力的方法，所述方法包括 在多输入和多输出控制器内使用解耦矩阵来确定排气再循环指令和歧管空气压力指
令，所述解耦矩阵基于发动机的对角优势模型配置，所述对角优势模型由所确定的排气再循环指令和歧管空气压力指令补偿；和
基于所确定的排气再循环指令和所确定的歧管空气压力指令来控制排气再循环和歧管空气压力。2.根据技术方案1所述的方法，其中，基于发动机的对角优势模型配置的解耦矩阵基于发动机的未补偿模型的逆矩阵配置。3.根据技术方案1所述的方法，还包括 评估控制排气再循环的致动器的致动器饱和度； 评估控制歧管空气压力的致动器的致动器饱和度；
基于控制排气再循环的致动器的评估致动器饱和度来修正排气再循环指令；以及基于控制歧管空气压力的致动器的评估致动器饱和度来修正歧管空气压力指令。4.根据技术方案3所述的方法，其中，修正排气再循环指令包括使用基于解耦矩阵的输出的积分。5.根据技术方案3所述的方法，其中，修正歧管空气压力指令包括使用基于解耦矩阵的输出的积分。6. 一种控制发动机的空气处理系统的方法，所述发动机包括将排气再循环可控地传输给发动机的排气再循环系统和可控地影响歧管空气压力的充气增压装置，所述方法包括
监测描述期望发动机状态的参数；
在多输入多输出控制器内，基于所监测参数和解耦矩阵来确定排气再循环指令； 在多输入多输出控制器内，基于所监测参数和所述解耦矩阵来确定歧管空气压力指令；以及
基于排气再循环指令和歧管空气压力指令来控制空气处理系统； 其中，所述解耦矩阵基于发动机的对角优势模型配置，所述对角优势模型由所确定的排气再循环指令和歧管空气压力指令补偿。7.根据技术方案6所述的方法，还包括 监测控制排气再循环传输的致动器的致动器极限； 监测可控地影响歧管空气压力的致动器的致动器极限；
其中，确定排气再循环指令还基于控制排气再循环传输的致动器的所监测致动器极限；以及
其中，确定歧管空气压力指令还基于可控地影响歧管空气压力的致动器的所监测致动器极限。8.根据技术方案7所述的方法，其中，基于控制排气再循环传输的致动器的所监测致动器极限确定排气再循环指令包括应用第一防扭振积分；以及
基于可控地影响歧管空气压力的致动器的所监测致动器极限确定歧管空气压力指令包括应用第二防扭振积分。
9.根据技术方案6所述的方法，还包括 监测压缩机压力比；
监测涡轮压力比；以及监测发动机压力差；
其中，解耦矩阵是压缩机压力比、涡轮压力比和发动机压力差的函数。10.根据技术方案6所述的方法，还包括 以低频操作发动机；
监测发动机速度；以及监测增压比；
其中，解耦矩阵是发动机速度和增压比的函数。11.根据技术方案6所述的方法，还包括 基于所监测参数确定前馈排气再循环指令；以及基于所监测参数确定前馈歧管空气压力指令；
其中，控制空气处理系统还基于前馈排气再循环指令和前馈可变几何形状涡轮增压器指令。12.根据技术方案6所述的方法，还包括 监测排气再循环反馈项；以及
监测歧管空气压力反馈项；
其中，确定排气再循环指令还基于排气再循环反馈项和歧管空气压力反馈项；以及其中，确定歧管空气压力指令还基于排气再循环反馈项和歧管空气压力反馈项。13.根据技术方案6所述的方法，还包括 基于所监测参数确定未校正排气再循环指令； 基于所监测参数确定未校正歧管空气压力指令； 监测排气再循环反馈项；
监测歧管空气压力反馈项；
确定未校正排气再循环指令和排气再循环反馈项之间的误差；以及确定未校正歧管空气压力指令和歧管空气压力反馈项之间的误差； 其中，基于所监测参数确定排气再循环指令包括基于未校正排气再循环指令和排气再循环反馈项之间的误差以及未校正歧管空气压力指令和歧管空气压力反馈项之间的误差确定排气再循环指令；以及
其中，基于所监测参数确定歧管空气压力指令包括基于未校正排气再循环指令和排气再循环反馈项之间的误差以及未校正歧管空气压力指令和歧管空气压力反馈项之间的误差确定歧管空气压力指令。14.根据技术方案13所述的方法，还包括
将低通滤波器应用于未校正排气再循环指令和排气再循环反馈项之间的误差；以及将低通滤波器应用于未校正歧管空气压力指令和歧管空气压力反馈项之间的误差。15. 一种控制发动机中的排气再循环系统和可变几何形状涡轮增压器的方法，所述方法包括
通过系统识别确定发动机的解耦矩阵，包括在由发动机速度和发动机负载限定的发动机操作范围内识别多个操作点； 在每个操作点，监测发动机速度； 在每个操作点，监测增压比；
在每个操作点，识别描述发动机的未补偿模型的静态增益； 在每个操作点，基于发动机的未补偿模型的逆矩阵识别解耦矩阵的数据点； 针对每个操作点，基于解耦矩阵和发动机的未补偿模型来确定控制排气再循环系统和可变几何形状涡轮增压器的多输入多输出控制方案；以及
针对每个操作点使用多输入多输出控制方案来控制发动机。16.根据技术方案15所述的方法，其中，针对每个操作点使用多输入多输出控制方案来控制发动机包括在操作点之间将指令内插值。
现在将参考附图通过示例的方式描述一个或更多的实施例，在附图中
图1示意性地示出了根据本发明实施例构建的示例性内燃机、控制模块和排气后处理系统；
图2示意性地示出了根据本发明的包括涡轮增压器的示例性发动机配置； 图3示意性地示出了根据本发明的包括增压器的示例性发动机配置； 图4示意性地示出了根据本发明的示例性多变量空气处理控制系统，所述多变量空气处理控制系统包括MIMO模块且将增压空气和EGR流提供给发动机；
图5以图形的方式示出了根据本发明的测量输出和模拟输出，其被比较以用于验证模拟模型的目的；
图6示出了根据本发明的以连续频域示出的示例性线性模型的极零位置； 图7示意性地示出了根据本发明的使用解耦矩阵的示例性对角MIMO反馈控制器的操
作；
图8更详细地示意性地示出了根据本发明的使用解耦矩阵的示例性对角MIMO反馈控制器的操作；
图9以图形的方式示出了根据本发明的使用解耦矩阵的发动机装置模型的示例性频率响应；禾口
图10示意性地示出了根据本发明的示例性对角控制器，所述控制器可以用于在低频下使用解耦矩阵实施补偿发动机装置模型。
具体实施例方式现在参考附图，其中附图的目的只是为了说明某些示例性实施例并不是为了限制于此，图1示意地显示了根据本发明实施例构建的内燃机10、控制模块5和排气后处理系统 65。示例性发动机是多缸直接喷射压缩点火内燃机，具有附连到曲轴M且可在气缸20内移动的往复活塞22，气缸20限定可变容积燃烧室34。曲轴M操作性地附连到车辆变送器和传动系，以响应于操作者扭矩请求Tclkeq将牵引扭矩传输给其。发动机优选采用四冲程操作，其中每个发动机燃烧循环包括分成四个180度阶段(进气-压缩-膨胀-排气)的曲轴 24的720度角旋转，这是活塞22在发动机气缸20中的往复移动的说明。多齿目标轮沈附
7连到曲轴且随其一起旋转。发动机包括监测发动机操作的传感器和控制发动机操作的致动器。传感器和致动器信号地或者操作性地连接到控制模块5。发动机优选是直接喷射四冲程内燃机，包括可变容积燃烧室和气缸盖，所述可变容积燃烧室由活塞在气缸内在上止点和下止点之间往复运动限定，气缸盖包括进气门和排气门。活塞在每个循环(包括进气、压缩、膨胀和排气冲程)以重复的循环往复运动。发动机优选具有根本上稀于化学计量比的空气/燃料操作区域。本领域普通技术人员可理解，本发明的各方面可应用于以根本上稀于化学计量比操作的其它发动机配置。 在压缩点火发动机的正常操作期间，当燃料充气喷射到燃烧室中以与进气空气形成气缸充气时在每个发动机循环期间发生燃烧事件。充气随后在压缩冲程期间通过其压缩作用而燃烧。发动机适合于在宽范围的温度、气缸充气(空气、燃料和EGR)和喷射事件内操作。 本文所述的方法尤其适合于与稀于化学计量比操作的直接喷射压缩点火发动机，以确定参数，所述参数与每个燃烧室在持续进行的操作期间的放热相关联。所述方法还可应用于其它发动机配置，包括火花点火发动机，包括适合使用均质充气压缩点火(HCCI)方案的发动机。所述方法可应用于每个发动机循环每个气缸使用多脉冲燃料喷射事件的系统，例如采用用于燃料重整的引导喷射、用于发动机功率的主喷射事件、以及(在可应用时)用于后处理管理的燃烧后燃料喷射的系统，其每个都影响气缸压力。传感器安装在发动机上或附近以监测物理特性且产生能与发动机和环境参数相关联的信号。所述传感器包括曲轴旋转传感器，包括通过感测多齿目标轮26的齿上的边缘来监测曲轴(即，发动机)速度(RPM)的曲轴传感器44。曲轴传感器是已知的，且可包括例如霍耳效应传感器、感应传感器或磁阻传感器。从曲轴传感器44输出的信号被输入到控制模块5。燃烧压力传感器30适合于监测缸内压力(C0MB_PR)。燃烧压力传感器30优选为非侵入式的，且包括测力传感器，其具有适合于在电热塞观的开口处安装到气缸盖中的环状截面。燃烧压力传感器30与电热塞观结合安装，其中，燃烧压力通过电热塞机械地传输给压力传感器30。压力传感器30的输出信号COMBJ3R与气缸压力成比例。压力传感器30包括适合于此的压电陶瓷或其它装置。其它传感器优选包括用于监测歧管压力(MAP)和环境大气压力(BARO)的歧管压力传感器、用于监测进气空气质量流量(MAF)和进气空气温度(Tin) 的空气质量流量传感器、以及监测发动机冷却剂温度(COOLANT)的冷却剂传感器35。所述系统可包括用于监测一个或多个排气参数状态的排气传感器，例如温度、空气/燃料比和成分。本领域技术人员可理解，可以存在用于控制和诊断目的的其它传感器和方法。除了其它装置之外，以操作者扭矩请求Ttj KEQ形式的操作者输入通常通过节气门踏板和制动踏板获得。发动机优选配备有用于监测操作和用于系统控制目的的其它传感器。每个传感器信号地连接到控制模块5以提供信号信息，所述信号信息由控制模块转换为表示相应监测参数的信息。要理解的是，该配置是说明性的，不是限制性的，包括各个传感器能用功能等价的装置和算法取代。致动器安装在发动机上，且由控制模块5响应于操作者输入控制以实现各种性能目标。致动器包括响应于控制信号(ETC)控制节气门开度的电控节气门阀、以及响应于控制信号(INJ_PW)将燃料直接喷射到每个燃烧室中的多个燃料喷射器12，其全部都响应于操作者扭矩请求Ioeq控制。排气再循环阀32和冷却器响应于来自控制模块的控制信号(EGR)控制至发动机进气的外部再循环排气流。电热塞观安装在每个燃烧室中且适合与燃烧压力传感器30—起使用。此外，在一些实施例中，可以采用根据期望歧管空气压力提供增压空气的充气系统。燃料喷射器12是适合于响应于来自控制模块的指令信号INJ_PW将燃料充料直接喷射到一个燃烧室中的高压燃料喷射器。每个燃料喷射器12从燃料分配系统供应加压燃料，且具有操作特性，包括最小脉冲宽度和相关最小可控燃料流率、以及最大燃料流率。发动机可配置有可操作调节每个气缸的进气和排气门的开启和关闭的可控气门机构，包括气门定时、定相(即，相对于曲轴角和活塞位置的定时)、以及气门开启升程幅度中的任何一个或多个。一个示例性系统包括可变凸轮定相，其可应用于压缩点火发动机、火花点火发动机和均质充气压缩点火发动机。控制模块5执行在其中存储的算法以控制前述致动器来控制发动机操作，包括节气门位置、燃料喷射质量和定时、控制再循环排气流量的EGR阀位置、电热塞操作、以及进气和/或排气门定时、定相和升程(在如此配备的系统上)的控制。控制模块配置成从操作者接收输入信号(例如，节气门踏板位置和制动踏板位置)以确定操作者扭矩请求Tclkeq,且从传感器接收表示发动机速度(RPM)和进气开启温度(Tin)和连接器温度以及其它环境条件的输入信号。图1示出了示例性柴油发动机，然而，本文所述的方法可以类似地用在其它发动机配置上，例如包括汽油燃料发动机、酒精或E85燃料发动机或其它类似的已知设计。本发明并不旨在限于本文所述的具体示例性实施例。图2示意性地示出了根据本发明的包括涡轮增压器的示例性发动机配置。示例性发动机是多缸的且包括本领域已知的各种燃料供应类型和燃烧方案。发动机系统部件包括进气空气压缩机40，所述进气空气压缩机40包括涡轮46和空气压缩机45 ；充气空气冷却器142 ；EGR阀132和冷却器152 ；进气歧管50 ；和排气歧管60。环境进气空气通过进气171抽吸到压缩机45中。加压进气空气和EGR流传输给进气歧管50，以用于发动机10。 排气流通过排气歧管60离开发动机10，驱动涡轮46，且通过排气管170离开。所示EGR回路是高压EGR系统，将加压排气从排气歧管60传输给进气歧管50。可选配置，低压EGR系统可以将低压排气从排气管170传输给进气171。传感器安装在发动机上以监测物理特性且产生能与发动机和环境参数相关联的信号。所述传感器优选包括环境空气压力传感器 112、环境或进气空气温度传感器114、和空气质量流量传感器116 (其全部都可以独立地配置或者配置为单个整体式装置)；进气歧管空气温度传感器118、MAP传感器120、排气温度传感器IM和EGR阀位置传感器130。发动机速度传感器44监测发动机旋转速度。每个传感器都信号地连接到控制模块5以提供信号信息，所述信号信息由控制模块5转换为表示相应监测参数的信息。要理解的是，该配置是说明性的，不是限制性的，包括各个传感器能用功能等价的装置和算法取代，且仍落入本发明范围内。此外，进气空气压缩机40可以包括在本发明范围内的可选涡轮增压器配置。进气空气压缩机40包括具有空气压缩机45的涡轮增压器，空气压缩机45位于发动机的空气进气中，且由位于排气流中的涡轮46驱动。涡轮增压器是本领域已知的，用以产生进入发动机的强制空气进气，控制增压压力或者控制歧管空气压力以增加发动机输出。涡轮46可以包括多个实施例，包括具有固定叶片取向或可变叶片取向的装置。此外，涡
9轮增压器可以用在单个装置，或者多个涡轮增压器可以用于给同一发动机提供增压空气。图3示意性地示出了根据本发明的包括增压器的示例性发动机配置。示例性发动机是多缸的且包括本领域已知的各种燃料供应类型和燃烧方案。发动机系统部件包括增压器160，所述增压器160包括空气压缩机45和皮带驱动轮164 ；充气空气冷却器142 ；EGR 阀132和冷却器152 ；进气歧管50 ；和排气歧管60。发动机10包括驱动轮162，提供动力给皮带166，从而驱动皮带驱动轮164。示例性皮带166可以包括本领域已知为蛇形皮带的配置。示例性配置包括同时驱动增压器160和其它附件(例如，交流发电机或空气调节压缩机) 的皮带166。传感器安装在发动机上以监测物理特性且产生能与发动机和环境参数相关联的信号。所述传感器优选包括环境空气压力传感器112、环境或进气空气温度传感器114、 和空气质量流量传感器116 (其全部都可以独立地配置或者配置为单个整体式装置)；进气歧管空气温度传感器118、MAP传感器120、排气温度传感器124和EGR阀位置传感器130。 示例性EGR阀130和EGR冷却器152提供用于EGR流在增压器160上游进入进气系统的路径。在其它配置下，EGR流可以在增压器160下游进入进气系统，但是将理解的是，在该配置下，增压器下游的高压可能限制EGR流将有效地进入进气的条件。发动机速度传感器44 监测发动机旋转速度。每个传感器都信号地连接到控制模块5以提供信号信息，所述信号信息由控制模块5转换为表示相应监测参数的信息。要理解的是，该配置是说明性的，不是限制性的，包括各个传感器能用功能等价的装置和算法取代，且仍落入本发明范围内。增压器160可以用于将增压空气提供给发动机，或者增压器160可以与涡轮增压器协作使用，以将增压空气提供给发动机。可变几何形状涡轮增压器(VGT)允许控制在进气空气上执行多少压缩。控制信号可以调节VGT的操作，例如通过调节压缩机和/或涡轮中的叶片角度。这种示例性调节可以减少这种叶片的角度从而减少对进气空气的压缩，或者增加这种叶片的角度从而增加对进气空气的压缩。VGT系统允许控制模块选择传输给发动机的增压压力水平。例如，控制可变增压器输出的其它方法(包括废气门或旁通阀)可以类似地实施到VGT系统上，本发明并不旨在限于本文所述的用于控制传输给发动机的增压压力的具体示例性实施例。示例性柴油发动机配备有共轨燃料喷射系统、EGR系统和VGT系统。排气再循环用于可控地减少燃烧火焰温度和减少NOx排放。VGT系统用于调节增压压力以控制歧管空气压力和增加发动机输出。为了实现发动机控制(包括对EGR和VGT系统的控制)，可以使用多输入多输出空气充气控制模块(ΜΙΜΟ模块)。MIMO模块基于描述期望发动机操作的单组输入允许对EGR和VGT的计算高效和协调控制。例如，这种输入可以包括描述发动机速度和发动机负载的发动机操作点。将理解的是，其它参数可以用作输入，例如包括指示发动机否则的压力测量值。EGR阀调节EGR量，而VGT调节压缩机功率以产生期望增压压力且保持EGR流的正发动机压力差。EGR和VGT控制通常对发动机操作输入的变化可预测地做出反应。借助于基于一组共同输入由MIMO控制器控制EGR和VGT作为相关变量，可以使用计算高效的控制方法，从而允许EGR和VGT控制变量的实时计算，例如，作为管理充气流质量流量以实现期望管理和扭矩目标的实时计算。对EGR和VGT两者的耦合MIMO控制或者基于任何给定输入控制对EGR和VGT两者的固定响应是计算高效的，且可以允许对变化输入的复杂控制响应，这基于实时地对EGR和VGT的独立控制可能不是计算可行的。然而，对EGR和VGT的耦合控制(包括对任何给定输入的两个参数的固定响应)需要耦合控制的简化或最佳拟合标定值，以便控制两个固定响应。因而，这种标定值可能是有挑战的且基于所选择的简化控制标定值可能包括次优发动机性能。例如，EGR和VGT可最佳地对复杂或发动机温度的变化率不同地做出反应。此外，控制EGR或VGT可能达到极限条件且引起致动器饱和。导致致动器饱和的耦合控制可能引起本领域已知为扭振(wind-up)的状况，其中，系统的预期性能和系统的期望控制分歧且导致控制误差，甚至在致动器饱和已经解决之后也是如此。此外， 通过MIMO模块控制EGR和VGT是非线性的，且限定耦合函数关系以提供期望控制输出需要大量的标定工作。控制发动机(包括EGR和歧管空气压力控制)的方法包括在MIMO模块内使用解耦矩阵，其中，解耦矩阵配置成基于对角优势补偿发动机模型。图4示意性地示出了根据本发明的示例性多变量空气处理控制系统，所述多变量空气处理控制系统包括MIMO模块且将增压空气和EGR流提供给发动机。发动机装置280显示为接收指令且产生输出。示出了产生指令的多个模块，包括EGR设定点模块210、VGT设定点模块220、预滤波器模块230、前馈模块Μ0、ΜΙΜ0模块250、EGR致动器极限模块260和 VGT致动器极限模块270。EGR设定点模块210监测描述发动机状态的输入212和214。输入212和214可以包括发动机速度和发动机负载或类似地指示发动机状态的其它参数。例如，用于描述发动机负载的发动机燃料供应速率或压力测量值可以取代发动机负载使用。 EGR设定点模块210基于发动机状态输出未校正EGR设定点指令222，例如描述标定或计算EGR设定点，例如可以存储在查询表中。VGT设定点模块220监测描述发动机状态的输入216和218。输入216和218可以与输入212和214相同，但是不需要是相同参数。VGT 设定点模块220基于发动机状态输出未校正VGT设定点指令224，例如描述标定或计算VGT 设定点，例如可以存储在查询表中。预滤波器模块230应用本领域已知的方法以调节信号 222和224，以便产生滤波未校正EGR设定点指令232和波未校正VGT设定点指令234。根据一个示例性实施例，预滤波器模块230可以包括低通滤波器，其基于ω。/(ω。+8)应用滤波器，其中，ω。是滤波器截止频率，s是频率算子。在可选实施例中，独立的预滤波器可以应用于独立的信号。前馈模块240输入指令232和234且产生前馈EGR指令242和前馈VGT 指令Μ4。在示例性控制系统中，由前馈模块240产生的前馈指令242和244基本上是装置动态性能的逆矩阵，其根据通常由如图4所示的发动机速度和负载排定的控制设定点产生缺省致动器位置。描述实际EGR位置或得到的EGR率236和实际VGT位置或得到的增压压力238的反馈信号与响应指令232和234进行比较，且确定EGR误差项246和VGT误差项 2480 EGR误差项246和VGT误差项248用作MIMO模块250 (实施为MIMO反馈控制器)的输入，且本文所述的方法用于产生MIMO EGR指令252和MIMO VGT指令254。指令252和 254与相应指令242和244结合以产生校正EGR指令256和校正VGT指令258。如上所述， 控制EGR和VGT的致动器可以包括极限。EGR致动器极限模块260基于致动器极限调节校正EGR指令256以产生EGR位置指令沈2。类似地，VGT致动器极限模块270基于致动器极限调节校正VGT指令258以产生VGT位置指令272。发动机装置观0的两个输入包括EGR 位置指令262和VGT位置指令272。得到的EGR率236和得到的增压压力238两者均描述发动机装置观0的输出。上文描述了作为控制增压压力的方法的VGT指令。然而，控制增压压力的其它指
11令(例如，增压压力指令或歧管空气压力指令)可以类似地取代VGT指令使用。本文所述的方法包括MIMO模块250，以便使用闭环控制系统，从而在对发动机不确定性和非线性具有稳固裕量的情况下满足稳定性和性能要求。MIMO模块250可以采用一方法，包括实现EGR回路和增压压力回路之间的解耦水平同时保持通过使用MIMO模块控制允许的计算效率的控制。通过EGR和VGT的解耦控制，系统展现了对EGR和VGT耦合控制产生的扰动的抵抗性且展现了在发动机的期望输出和测量输出之间的改进跟踪能力。此外，EGR和VGT的解耦控制允许独立调整每个具体控制函数和相关增益，从而简化标定。实现EGR和VGT的解耦控制的函数和相关增益的示例性选择基于在选定操作点从非线性发动机装置识别的一组线性模型。这种过程称为系统识别。在选择函数和相关增益的一个示例性方法中，叠加正弦信号或伪随机二位信号可以用作系统识别的装置持续激励信号。为了确定持续激励信号的频率范围，在EPA限定的FTP-75瞬时排放试验期间，指令信号的功率谱针对增压压力和EGR率执行分析。对于两个谱，发现96%的能量集中于0. 5 赫兹频带内。由于需要空气系统的响应以跟踪设定点指令，因而系统制备的频率范围应当为0. 5霍尔的至少5倍(π rad/s)，且可能延伸超过系统截止频率
柴油发动机的空气处理系统的线性状态空间系统通过本领域已知的方法识别。在使用通过应用质量和能量守恒获得的空气处理系统的均值物理模型的示例性方法中，空气路径动态性能可以通过如下的五阶非线性系统有效地描述
其中，五个状态为 miffl 进气容积的空气质量，
排气歧管中的排气质量， Pim 增压(进气歧管)压力，
排气歧管压力，和 Nt 涡轮速度。 方程2 — 6中的其它参数表示通过不同容积的质量流量、温度和比热系数。通过忽略进气和排气容积的质量平衡方程，模型还可以进一步缩减为三阶差分方程，其中，增压压力、排气压力和涡轮速度作为状态变量。该观察表明，可以选择用于所识别线性系统的三
12阶、五阶或更高阶模型结构。 作为示例，线性模型针对以下操作点从4. 9 L柴油发动机识别发动机速度等于 2000 rpm，发动机负载等于374 ft-lb, EGR阀位置等于7%开度(第一控制输入)，EGT位置等于70%关闭(第二控制输入)。应用叠加正弦信号以干扰EGR阀和VGT叶片位置。激励信号的幅度选择为EGR和VGT阀位置的设定点值周围士 10%。通过系统识别，系统模型识别为以下离散时间形式的五阶多变量线性系统
其中，EGR和VGT位置是输入，EGR率和增压压力是输出
所识别模型然后被验证且其时间响应可以相对于激励信号进行比较。图5以图形的方式示出了根据本发明的测量输出和模拟输出，其被比较以用于验证模拟模型的目的。两个曲线图的χ轴描述了试验时间，单位秒。顶部曲线图的y轴描述了 EGR率的扰动。底部曲线图的y轴描述了增压压力的扰动。曲线290和294分别表示增压压力和EGR率的扰动输出。曲线292和296分别表示方程6 — 9的相应模型输出。图5所示的结果表明，示例性模型具有大约90%准确性。 图6示出了根据本发明的以连续频域示出的示例性线性模型的极零位置。将传递函数G11、G12、G21和G22限定为该系统的独立元件，可以表示以下方程。由于传递函数共用相同的极，其传输零点确定这些子系统之间的差异。在图6的每个子图中，在这些位置，三个零点几乎由三个极取消。因而，剩余第一零点表示控制输入对输出的影响有多强。例如，G12的第四零点位于实轴上-23处，其相对于其它子系统Gn、 G21和(；22中的其它零点距虚轴最远。这意味着VGT输入不仅影响增压压力，而且在该操作点显著地影响EGR率。通过将G21和(；22中的第四零点距虚轴的距离进行比较，我们发现，EGR 阀输入对增压压力具有较少的耦合影响。这意味着VGT是调节增压压力和EGR率两者的主要手段。此外，方程6 - 9所述的系统为非最小相位系统，其中，如图6所示，在G12的右半 s平面上存在零点。本文所述的方法将EGR率从多变量系统的增压压力控制解耦，如方程6 — 9所述。 通过应用解耦矩阵校正或补偿的补偿发动机装置P (S，ρ )可以通过以下方程限定
其中，G(s，ρ )是初始开环系统或未修正发动机装置增益，且 W(s, β )是产生建模系统P(s，O )的加权矩阵或解耦矩阵。
ff(s, ρ )设计成使得P(s，￡> )是对角优势的，从而产生以下表示式。
权利要求
1.一种控制发动机中的排气再循环和歧管空气压力的方法，所述方法包括 在多输入和多输出控制器内使用解耦矩阵来确定排气再循环指令和歧管空气压力指令，所述解耦矩阵基于发动机的对角优势模型配置，所述对角优势模型由所确定的排气再循环指令和歧管空气压力指令补偿；和基于所确定的排气再循环指令和所确定的歧管空气压力指令来控制排气再循环和歧管空气压力。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，基于发动机的对角优势模型配置的解耦矩阵基于发动机的未补偿模型的逆矩阵配置。
3.根据权利要求1所述的方法，还包括评估控制排气再循环的致动器的致动器饱和度； 评估控制歧管空气压力的致动器的致动器饱和度；基于控制排气再循环的致动器的评估致动器饱和度来修正排气再循环指令；以及基于控制歧管空气压力的致动器的评估致动器饱和度来修正歧管空气压力指令。
4.根据权利要求3所述的方法，其中，修正排气再循环指令包括使用基于解耦矩阵的输出的积分。
5.根据权利要求3所述的方法，其中，修正歧管空气压力指令包括使用基于解耦矩阵的输出的积分。
6.一种控制发动机的空气处理系统的方法，所述发动机包括将排气再循环可控地传输给发动机的排气再循环系统和可控地影响歧管空气压力的充气增压装置，所述方法包括监测描述期望发动机状态的参数；在多输入多输出控制器内，基于所监测参数和解耦矩阵来确定排气再循环指令； 在多输入多输出控制器内，基于所监测参数和所述解耦矩阵来确定歧管空气压力指令；以及基于排气再循环指令和歧管空气压力指令来控制空气处理系统； 其中，所述解耦矩阵基于发动机的对角优势模型配置，所述对角优势模型由所确定的排气再循环指令和歧管空气压力指令补偿。
7.根据权利要求6所述的方法，还包括 监测控制排气再循环传输的致动器的致动器极限； 监测可控地影响歧管空气压力的致动器的致动器极限；其中，确定排气再循环指令还基于控制排气再循环传输的致动器的所监测致动器极限；以及其中，确定歧管空气压力指令还基于可控地影响歧管空气压力的致动器的所监测致动器极限。
8.根据权利要求7所述的方法，其中，基于控制排气再循环传输的致动器的所监测致动器极限确定排气再循环指令包括应用第一防扭振积分；以及基于可控地影响歧管空气压力的致动器的所监测致动器极限确定歧管空气压力指令包括应用第二防扭振积分。
9.根据权利要求6所述的方法，还包括 监测压缩机压力比；监测涡轮压力比；以及监测发动机压力差；其中，解耦矩阵是压缩机压力比、涡轮压力比和发动机压力差的函数。
10. 一种控制发动机中的排气再循环系统和可变几何形状涡轮增压器的方法，所述方法包括通过系统识别确定发动机的解耦矩阵，包括在由发动机速度和发动机负载限定的发动机操作范围内识别多个操作点； 在每个操作点，监测发动机速度； 在每个操作点，监测增压比；在每个操作点，识别描述发动机的未补偿模型的静态增益； 在每个操作点，基于发动机的未补偿模型的逆矩阵识别解耦矩阵的数据点； 针对每个操作点，基于解耦矩阵和发动机的未补偿模型来确定控制排气再循环系统和可变几何形状涡轮增压器的多输入多输出控制方案；以及针对每个操作点使用多输入多输出控制方案来控制发动机。
全文摘要
一种控制发动机中的排气再循环和歧管空气压力的方法，包括在多输入和多输出控制器内使用解耦矩阵来确定排气再循环指令和歧管空气压力指令，其中，所述解耦矩阵基于发动机的对角优势矩阵配置，对角优势模型由所确定的排气再循环指令和歧管空气压力指令补偿。排气再循环和歧管空气压力基于所确定的排气再循环指令和所确定的歧管空气压力指令来控制。
文档编号F02D43/00GK102345529SQ20111021801
公开日2012年2月8日 申请日期2011年8月1日 优先权日2010年8月1日
发明者T. 弗伦奇 D., 哈斯卡拉 I., 王 Y-Y. 申请人:通用汽车环球科技运作有限责任公司