控制内燃发动机的充气系统运行的方法与流程
本发明涉及控制内燃发动机的充气系统运行的方法，例如机动车辆的内燃发动机。
背景技术：
已知的是内燃发动机配备有充气系统，其设置为用于将空气供应到燃烧室。充气系统基本地包括进气管，其从周围环境将空气传送到与燃烧室流体连通的进气歧管。在进气管中，可以存在进气阀，其具有促动器，所述促动器布置为让阀构件运动，所述阀构件能够调节空气质量流量，且可以存在压缩机，其被设置为用于增加进气歧管中的空气压力。压缩机可以被涡轮机驱动，所述涡轮机通过接收从与燃烧室流体连通的排气歧管而来的排气而旋转。为了调节压缩机的旋转速度，涡轮机可以是可变几何涡轮机(VGT)，其具有布置为改变涡轮机叶片角位置的促动器。充气系统可以进一步包括一个或多个排气再循环(EGR)管，用于让来自排气歧管的一部分排气回流到进气歧管。每一个EGR管通常设置有EGR阀，其具有布置为让阀构件运动的促动器，所述阀构件调节循环流动的排气的质量流量。
在发动机的运行期间，充气系统的促动器(例如EGR阀促动器(一个或多个))、VGT促动器、和进气阀促动器)用于根据排放和性能的需求来调节充气系统的多个重要输出参数，例如进气歧管中的压力、进气歧管中的氧气浓度、以及排气歧管中的压力。
为了执行该功能，这些促动器通常被电子控制单元(ECU)根据单独且不协调的控制策略控制，这使得每一个促动器彼此独立地在任意期望或所需位置运行。然而，通过充气系统的促动器在输出参数上产生的效果通常是严格互相依赖且相互作用，这使得单独且不协调的控制策略受到低准确性的影响，尤其是在快速瞬态工况期间。而且，这种常规的控制方法需要巨大的校准工作量。
技术实现要素：
本发明的目的是提供一种充气系统的控制策略，以允许促动器位置的协调且同时的调整，以便对其相互作用进行补偿。
另一目的是提供一种可靠的控制策略，其需要更少的校准工作。
另一目的是提供一种控制策略，其在瞬态期间具有更准确的响应性能。
这些和其他目标通过本发明实施例实现，其具有在独立权利要求中所述的特征。从属权利要求给出了本发明的次要方面。
具体说，本发明的一方面提供了一种控制内燃发动机的充气系统运行的方法，其中方法包括的步骤是：
监测充气系统的多个输出参数，
计算所监测的输出参数中的每一个与其目标值之间的差值(error)，
将所计算的差值中的每一个施加到线性控制器，所述线性控制器产生虚拟输入，
使用虚拟输入计算用于充气系统的多个输入参数，
使用输入参数中的每一个确定充气系统的相应促动器的位置，
根据其所确定的位置运行促动器中的每一个，
其中，通过充气系统的非线性数学模型计算输入参数，所述非线性数学模型配置为使得虚拟输入中的每一个仅与输出参数中的一个成线性关系，且反之亦然。
事实上，该控制策略提供了使用多输入多输出(MIMO)反馈线性化方法控制充气系统，其具有的效果是允许促动器的同时且协调的控制，同时对其相互作用(interaction)进行补偿。
该协调的控制策略具有良好的瞬态响应性和准确性且在任何运行状态均能够下改善发动机性能和污染物排放之间的平衡。
基于充气系统的数学模型，该协调的控制策略具有额外的降低校准工作的效果。
根据本发明的第一方案，充气系统的促动器可以包括排气再循环阀的促动器，可变几何涡轮增压器的促动器和空气进气阀的促动器。
该方案允许充气系统的主要促动器的协调控制，尤其是在充气系统包括恰好一个EGR管和设置在管中的一个EGR阀时。
根据该第一方案的方面，充气系统的输入参数可以包括表示通过排气再循环阀的排气质量流量的参数，表示通过空气进气阀的空气质量流量的参数，和表示通过可变几何涡轮增压器的涡轮机的排气质量流量的参数。
该方面允许在涉及到上述识别促动器时可靠地实施控制策略。
在这种情况下，充气系统的输出参数可以包括表示排气歧管压力的参数，表示进气歧管压力的参数和表示进气歧管中残余气体分数的参数。
该方面允许在涉及到上述识别促动器和输入参数时可靠实施控制策略。
根据本发明的第二方案，充气系统的促动器可以包括第一排气再循环阀的促动器，第二排气再循环阀的促动器，可变几何涡轮增压器的促动器和空气进气阀的促动器。
该方案允许充气系统的主要促动器的协调控制，尤其是在充气系统包括两个EGR管且由此两个EGR阀分别设置在那些管中时。
根据该第二方案的一方面，充气系统的输入参数可以包括表示通过空气进气阀的空气质量流量，表示第一排气再循环阀的有效流动面积的参数，表示可变几何涡轮增压器的涡轮机的功率比的参数，和表示第二排气再循环阀的有效流动面积的参数。
该方面允许在涉及到上述识别促动器时可靠实施控制策略。
在这种情况下，充气系统的输出参数可以包括表示进气歧管中压力的参数，表示进气歧管中残余气体分数的参数，表示通过可变几何涡轮增压器的压缩机造成的压缩率的参数，和表示压缩机上游的进气管道中残余气体分数的参数。
该方面允许在涉及到上述识别促动器和输入参数时可靠实施控制策略。
根据第二方案的替换方面，充气系统的输入参数可以包括表示通过空气进气阀的空气质量流量，表示第一排气再循环阀的有效流动面积的参数，表示可变几何涡轮增压器的涡轮机的有效流动面积的参数，和表示第二排气再循环阀的有效流动面积的参数。
该方面还允许在涉及到上述识别促动器时可靠实施控制策略。
在这种情况下，充气系统的输出参数可以包括表示进气歧管中压力的参数，表示进气歧管中残余气体分数的参数，表示可变几何涡轮增压器的压缩机和空气进气阀之间进气管道中压力的参数，和表示压缩机上游的进气管道中残余气体分数的参数。
替换地，充气系统的输出参数可以包括表示进气歧管中压力的参数，表示进气歧管中残余气体分数的参数，表示排气歧管中压力的参数，和表示压缩机上游进气管道中残余气体分数的参数。
替换地，充气系统的输出参数可以包括表示可变几何涡轮增压器的压缩机和空气进气阀之间进气管道中压力的参数，表示进气歧管中残余气体分数的参数，表示排气歧管中压力的参数，和表示压缩机上游进气管道中残余气体分数的参数。
任何这些方案在涉及到上述识别促动器和输入参数时可靠实施控制策略。
本发明的另一方案提供线性控制器，其可以是比例-积分控制器或比例-积分-微分控制器。
该方案具有的效果是简化如上所述的反馈线性化方法中的线性控制回路。
该方法可在计算机程序的辅助下执行，计算机程序包括代码用于如上所述方法所有步骤的程序代码，且是包括计算机程序的计算机程序产品的形式。方法还可实施为电磁信号，所述信号被调制以承载数据位序列，其代表执行方法所有步骤的计算机程序。
本发明的另一方面提供了一种用于内燃发动机的充气系统的电子控制单元，其中电子控制单元配置为：
监测充气系统的多个输出参数，
计算监测输出参数中的每一个和其目标值之间的差值，
将计算的差值中的每一个施加到线性控制器，所述线性控制器产生虚拟输入，
使用虚拟输入来计算用于充气系统的多个输入参数，
使用输入参数中的每一个来确定充气系统的相应促动器的位置，
根据其确定的位置运行促动器中的每一个，
其中电子控制单元配置为通过充气系统的非线性数学模型计算虚拟输入，所述非线性数学模型配置为使得虚拟输入中的每一个仅与输出参数中的一个成线性关系，反之亦然。
本发明的另一方面提供了一种用于控制内燃发动机的充气系统运行的设备，其中设备包括：
一器件，用于监测充气系统的多个输出参数，
一器件，用于计算监测输出参数中的每一个和其目标值之间的差值，
一器件，用于将计算的差值中的每一个施加到线性控制器，所述线性控制器产生虚拟输入，
一器件，用于使用虚拟输入来计算用于充气系统的多个输入参数，
一器件，用于使用输入参数中的每一个来确定充气系统的相应促动器的位置，
一器件，用于根据其确定的位置运行促动器中的每一个，
其中用于计算虚拟输入的器件使用充气系统的非线性数学模型，所述非线性数学模型配置为使得虚拟输入中的每一个仅与输出参数中的一个成线性关系，反之亦然。
本发明的所有这些额外的方面基本上实现与如上所述方法相同的效果，尤其是允许促动器的同时且协调的控制同时对它们的相互作用进行补偿。
自然地，已经针对该方法公开的本发明的这些方案/方面中的任一个适用于这些额外的方面的每一个。
附图说明
现将以举例方式并参考附图描述本发明，在附图中：
图1示意性示出了汽车系统；
图2是图1的A-A截面；
图3是代表用于图1的汽车系统的充气系统控制策略的第一实施例的细节流程图；
图4是代表用于图1的汽车系统的充气系统控制策略的第二实施例的细节流程图；
图5是代表用于图1的汽车系统的充气系统控制策略的第三实施例的细节流程图；
图6是代表用于图1的汽车系统的充气系统控制策略的第四实施例的细节流程图；
图7是代表用于图1的汽车系统的充气系统控制策略的第五实施例的细节流程图；
图8是代表通过上述所有实施例促动的通用控制策略的流程图。
具体实施方式
一些实施例可以包括汽车系统100，如图1和2所示，包括内燃发动机(ICE)110，例如压缩点火式发动机(例如柴油机)或火花点火式发动机(例如汽油机)。ICE 110具有发动机缸体120，所述发动机缸体限定至少一个汽缸125，所述汽缸125具有联接为让曲轴145旋转的活塞140。汽缸盖130与活塞140协作以限定燃烧室150。燃料和空气混合物(未示出)设置在燃烧室150中且被点燃，形成的热膨胀排气造成活塞140的往复运动。通过至少一个燃料喷射器160提供燃料，且通过至少一个进入口210提供空气。从与高压燃料泵180流体连通的燃料分配管170以高压向燃料喷射器160提供燃料，所述高压燃料泵增加从燃料源190接收的燃料压力。汽缸125每一个具有至少两个阀215，所述阀通过凸轮轴135促动，所述凸轮轴与曲轴145适时地旋转。阀215选择性地允许空气从端口210进入燃烧室150且交替地允许排气通过排气端口220离开。在一些示例中，凸轮相位器155可以选择性地改变凸轮轴135和曲轴145之间的正时。
来自燃烧室150的排气被引导到排气系统270。排气系统270可以与排气口(一个或多个)220流体连通的排气歧管225，其收集排气且将它们引导到具有一个或多个排气后处理装置280的排气管275中。排气后处理装置280可以是配置为改变排气成分的任何装置。排气后处理装置280的一些示例包括但不限于催化转换器(两向和三向(two and three way))、氧化催化器、贫NOx捕获器、碳氢化合物吸收器、选择性催化还原(SCR)系统和颗粒过滤器。
空气可以提供通过充气系统195提供空气进气口(一个或多个)210。充气系统195可以包括与空气进气口(一个或多个)210连通的进气歧管200。空气进气管道205可以从周围环境将空气提供到进气歧管200。进气阀330可以设置在进气管道205中。进气阀330可以包括运动阀构件331(例如节流阀本体)和电促动器332，所述电促动器使阀构件331运动以调节被引导到歧管200中的空气的质量流量。
充气系统195还可以包括可变几何涡轮增压器230，其具有旋转地联接到涡轮机250的压缩机240，其中压缩机位于进气管道205中且涡轮机位于排气管275中。压缩机240的旋转增加进气管道205和歧管200中空气的压力和温度。设置在压缩机240和进气歧管200之间的进气管道205中的内部冷却器260可以降低空气的温度。涡轮机250通过从排气歧管225接收排气而旋转，所述排气歧管从排气口220引导排气且在通过涡轮机250膨胀之前经过一系列叶片。该示例显示了可变几何涡轮机(VGT)，VGT促动器290布置为让涡轮机250的叶片运动，以改变经过其的排气的流动。
充气系统195可以进一步包括排气再循环(EGR)系统，用于让排气的循环流动部分回到燃烧室150。EGR系统可以包括联接在排气歧管225和进气歧管200之间的高压EGR(HP-EGR)管300。更具体地，HP-EGR管300从排气歧管225或从位于涡轮机250上游的排气管275的点分支，且在位于压缩机240下游的进气管道205的点引出，尤其是在进气歧管200和进气阀330之间。HP-EGR管300可以设置有HP-EGR冷却器310以降低在其中流动的排气的温度。HP-EGR阀320可以设置在HP-EGR管300中。HP-EGR阀320可以包括运动阀构件321和电促动器322，其让阀构件321运动以调节HP-EGR管300中排气的质量流量。
在一些实施例中，EGR系统可以进一步包括联接在排气歧管225和进气歧管200之间的低压EGR(LP-EGR)管500。更具体地，LP-EGR管500从位于涡轮机250下游(尤其是在排气后处理装置280的下游)的排气管275的点分支，且在位于压缩机240上游的进气管道205的点引出。LP-EGR管500可以设置有LP-EGR冷却器510，以降低在其中流动的排气的温度。LP-EGR阀520可以设置在LP-EGR管500中。LP-EGR阀520可以包括运动阀构件521和电促动器522，其让阀构件521运动以调节LP-EGR管500中排气的质量流量。
汽车系统100可以进一步包括与相关于ICE 110的一个或多个传感器450和/或装置通信的电子控制单元(ECU)450。ECU 450可以从各种传感器接收输入信号，所述传感器配置为产生与相关于ICE 110的各种物理参数成比例的信号。传感器包括但不限于位于LP-EGR阀520上游的进气管道205中的空气流量和温度传感器340、歧管压力和温度传感器350、燃烧压力传感器360、冷却剂和油温液位传感器380、燃料分配管压力传感器400、凸轮位置传感器410、曲柄位置传感器420、排气压力和温度传感器430、HP-EGR温度传感器440和加速踏板位置传感器445。进而，ECU 450可以产生到各种控制装置的输出信号，所述控制装置布置为控制ICE 110的运行，包括但不限于燃料喷射器160、进气阀促动器332、HP-EGR阀促动器322、LP-EGR阀促动器522、VGT促动器290、和凸轮相位器155。应注意，虚线用于表示ECU 450和各种传感器和装置之间的通信，但是为了清楚，其中的一些被省略。
现在转到ECU 450，该设备可以包括与存储系统和接口总线通信的数字中心处理单元(CPU)。CPU配置为执行作为程序存储在存储系统460中的指令，且向/从接口总线发送和接收信号。存储系统460可以包括各种存储类型，包括光学存储、磁性存储、固态存储和其他非易失存储器。接口总线可以配置为向/从各种传感器和控制装置发送、接收和调整模拟和/或数字信号。程序可以实施为本文公开的方法，允许CPU执行这种方法的步骤且控制ICE 110。
存储在存储系统460中的程序经由线缆或以无线方式从外部传递。在汽车系统100以外，其通常是计算机程序产品，其在本领域也被称为计算机可读介质或机器可读介质，且应理解为位于载体上的计算机程序代码，所述载体是瞬时或非瞬时的，结果是计算机程序产品也可被认为是瞬时或非瞬时的。
瞬时计算机程序产品的示例是信号，例如电磁信号，例如光学信号，其是用于计算机程序代码的瞬时载体。对这种计算机程序代码的携带可通过用常规调制技术调制信号来实现，例如用于数字数据的QPSK，使得代表所述计算机程序代码的二进制数据加载到瞬时电磁信号上。这种信号例如在经由Wi-Fi以无线方式将计算机程序代码传递到笔记本电脑时使用。
在非瞬时计算机程序产品的情况下，计算机程序代码实施在实体存储介质中。存储介质是上述的非瞬时载体，使得计算机程序代码以可获取的方式永久地或非永久地存储在存储介质中。存储介质可具有计算机技术领域已知的常规类型，例如闪速存储器、Asic、CD等。
代替ECU 450，汽车系统100可以具有不同类型的处理器以提供电子逻辑，例如嵌入式控制器、车载计算机、或可在车辆中布置的任何处理模块。
更详细地，ECU 450可以配置为使用反馈线性化方法(feedback linearization approach)控制充气系统195的促动器，该方法可以基于充气系统195的多输入-多输出(MIMO)非线性数学模型。
通过示例的方式，假设EGR系统仅包括一个EGR管，例如仅HP-EGR管300，则充气系统195的促动器包括进气阀促动器332、HP-EGR阀促动器322和VGT促动器290。在这假设下，充气系统195的输入参数可以包括表示通过进气阀330的空气质量流量的参数Witv，表示通过HP-EGR阀320的排气质量流量的参数Wegr，和表示通过可变几何涡轮增压器230的涡轮机250的排气质量流量的参数Wvgt。充气系统195的输出参数可以包括表示排气歧管225中排气压力的参数px，表示进气歧管压力的参数pi和表示进气歧管200中残余气体分数的参数Fi。
充气系统195的MIMO非线性数学模型可以通过以下方程限定：
其中γ是比热比，R是普适气体常数，Vi是进气歧管内容积，Tic是内部冷却器260下游进气管道205中的空气温度，Ti是进气歧管200中的空气温度，Tegr是循环流动的排气温度，Tx是排气歧管225中的排气温度，Teout是离开ICE 110的排气的温度，Vx是排气歧管容积，Fx是排气歧管225中的残余气体分数，mi是进气歧管200中的气体总质量，Wei是进入发动机110的气体的总质量流量，Wex是离开发动机110的气体的总质量流量。
充气系统195的MIMO非线性数学模型可以等同地通过以下向量等式限定：
将输出向量y限定为：
将输入向量u限定为：
将函数的第一向量Cf(x)限定为：
且将函数的矩阵Gg(x)限定为：
则上述向量等式可以改写为：
其中，x通常表示充气系统195的状态变量的向量。
结果，可以限定虚拟输入向量(vector of virtual inputs)v：
且使用该虚拟输入向量v来根据以下向量等式得出反馈线性化控制法则u(x,v)：
u(x,v)＝Gg(x)-1·(v-Cf(x))
以使得：
实际上，MIMO非线性数学系统已经在等效线性系统中进行了变换，其中虚拟输入v1,v2和v3的每一个仅与输出参数和中之一有关，且反之亦然，且其中虚拟输入中的每一个和相应输出参数之间的关系为线性关系。
采用这种变换的优势，ECU 450可以配置为在ICE 110运行期间通过图3所示的线性控制过程控制进气阀促动器332、EGR阀促动器322和VGT促动器290。
该控制过程允许ECU 450监测(图块S300)充气系统195的输出参数值，即排气歧管压力px、进气歧管200中的进气歧管压力pi、和残余气体分数Fi，以及涉及MIMO非线性数学模型的系统的其他可观察状态变量，即进气歧管空气温度Ti、内部冷却器260下游进气管道205中的空气温度Tic、循环流动的排气温度Tegr、排气歧管气体温度Tx、排出发动机的排气温度Teout、排气歧管225中的残余气体分数Fx、进气歧管200处的总质量mi、进入发动机110的总质量流量Wei和离开发动机110的总质量流量Wex。
在这方面，排气歧管压力值px可以通过压力传感器(未示出)测量，所述压力传感器可以设置在涡轮机250的上游的排气歧管225中、或排气管275中。替换地，该压力值可以基于ICE 110的其他可测量的运行参数估计，例如基于通过排气压力和温度传感器430所作的测量。进气歧管压力值pi可以通过位于进气歧管200中的歧管压力和温度传感器350测量。残余气体分数的值Fi可以根据进气歧管200中的氧气浓度值O2根据等式Fi＝1-O2而计算。氧气浓度值O2可以通过设置在进气歧管200中的专用传感器(未示出)测量或可以基于ICE 110的其他可测量的运行参数进行估计。进气歧管空气温度值Ti可以通过位于进气歧管200中的歧管压力和温度传感器350测量。内部冷却器下游的进气歧管空气温度值Tic可以通过专用传感器(未示出)测量或基于通过歧管压力和温度传感器350做出的测量而估计。循环流动的排气温度值Tegr可以通过HP-EGR温度传感器440测量。排气歧管气体温度值Tx可以通过温度传感器(未示出)测量，所述温度传感器可以设置在涡轮机250的上游的排气歧管225中或排气管275中。替换地，该温度值可以基于ICE 110的其他可测量的运行参数估计，例如基于通过排气压力和温度传感器430所作的测量。排出发动机的排气温度值Teout可以通过专用传感器(未示出)确定或基于ICE 110的其他可测量的运行参数估计。排气歧管225处的残余气体分数值Fx可以通过在排气后处理装置280的上游、位于排气管275中的lambda传感器(未示出)测量。进气歧管200处的总质量值mi、进入发动机110的总质量流量值Wei和离开发动机110的总质量流量值Wex可以在空气流量和温度传感器340的辅助下测量或估计。
输出参数pi、Fi和px的监测值被反馈，且被用于计算它们中的每一个与其相应的目标值pi_tar、Fi_tar和px_tar之间的误差(即差值)e1,e2和e3：
e1＝pi_tar-pi
e2＝Fi_tar-Fi
e3＝px_tar-px
用于输出参数的目标值pi_tar,px_tar和Fi_tar可以通过ECU 450基于其他常规的策略来确定，例如基于发动机工作点。
第一误差e1随后被作为输入施加到第一单输入单输出(SISO)线性控制器S305，该控制器产生用于第一虚拟输入的相应值v1来作为输出。第二误差e2被作为输入施加到第二SISO线性控制器S310，该控制器产生用于第二虚拟输入的相应值v2作为输出。第三误差e3被作为输入施加到第三SISO线性控制器S315，该控制器产生用于第三虚拟输入的相应值v3作为输出。
三个线性控制器S305、S310和S315可以例如是比例-积分(PI)控制器或比例-积分-微分(PID)控制器，且依据如上所述的等效线性系统而操作，例如使相应的误差e1、e2和e3最小化。
虚拟输入值v1、v2和v3随后施加到非线性计算模块S320，在该处它们用于计算充气系统195的输入参数的相应值Witv,Wegr和Wvgt。具体说，计算模块S320可以根据之前已经解释的反馈线性化控制法则计算这些输入参数值：
空气质量流量的计算值Witv随后施加到计算模块S325，其可以使用进气阀330的数学模型来产生促动器332的位置Uitv作为输出，该输出值对应于空气质量流量的所述计算值Witv。排气质量流量的计算值Wegr被施加到另一计算模块S330，其可以使用HP-EGR阀320的数学模型以产生促动器322的位置Uegr作为输出，该输出值对应于排气质量流量的所述计算值Wegr。排气质量流量的计算值Wvgt被施加到再一计算模块S335，其可以使用涡轮机250的数学模型以产生促动器290的位置Uvgt作为输出，该输出值对应于排气质量流量的所述计算值Wvgt。
空气进气阀促动器332、EGR阀促动器322和VGT促动器290最后根据相应计算位置Uitv,Uegr和Uvgt而运行(图块S340)。
若EGR系统包括HP-EGR管道300和LP-EGR 500，则充气系统195的促动器包括进气阀促动器332、HP-EGR阀促动器322、VGT促动器290和LP-EGR阀促动器522。
根据该实施例，充气系统195的输入参数可以包括表示通过进气阀330的空气质量流量的参数Witv，表示HP-EGR阀320的有效流动面积(flow effective area)的参数CdAegr_HP，表示涡轮机功率比(power rate)的参数Rt和表示LP-EGR阀520的有效流动面积的参数CdAegr_LP。充气系统195的输出参数可以包括表示进气歧管压力的参数pi，表示进气歧管200中残余气体分数的参数Fi，表示通过涡轮增压器230的压缩机240造成的压缩率的参数βc，和表示在涡轮增压器230的压缩机240上游的进气管道205中的残余气体分数的参数Fc，尤其是在LP-EGR管道500的导出点和压缩机240之间。
充气系统195的MIMO非线性数学模型可以通过以下方程限定：
其中R是普适气体常数，Vi是进气歧管内容积，Ti是进气歧管200中的空气温度，px是排气歧管225中的排气压力，ξegr_HP是HP-EGR修正因数，Tx是排气歧管225中的排气温度，ηv0是发动机的容积效率，Vd是发动机的排量，Ne是发动机旋转速度，c是与涡轮增压器惯性有关的常数，cp是恒定压力下气体的比热容，Wc是通过涡轮增压器230的压缩机240中流动的空气/气体的质量流量，Wf是喷射到发动机110的燃烧室150中的燃料质量流量，Tc_us是在压缩机240上游在进气管道205中流动的空气/气体的温度，Rc是压缩机功率比，Fx是排气歧管225中的残余气体分数，pc_us是在压缩机240上游在进气管道205中流动的空气/气体的压力，Vc_us是在压缩机240上游的进气管道205的容积，ξegr_LP是LP-EGR修正因数，pexh是在排气后处理装置280下游的排气管275中的排气压力，Tegr_LP是LP-EGR管道500中的排气温度，Wa是进气管道205中的空气质量流量。
充气系统195的MIMO非线性数学模型可以等同地通过以下向量等式限定：
将输出向量y限定为：
将输入向量u限定为：
将函数的第一向量f(x)限定为：
且将函数的矩阵Gg(x)限定为：
则上述向量等式在这种情况下也可以写成通常形式：
其中x通常表示充气系统195的状态变量的向量。
结果，仍然可以限定虚拟输入向量v：
且使用该虚拟输入向量获得根据以下向量等式的反馈线性化控制法则u(x,v)：
u(x,v)＝Gg(x)-1·(v-f(x))
以使得：
因此，在这种情况下，MIMO非线性数学系统也已经在等效线性系统中进行了变换，其中虚拟输入v1,v2,v3和v4的每一个仅与输出参数和中之一有关，且反之亦然，且其中虚拟输入中的每一个和相应输出参数之间的关系为线性关系。
利用这种变换的优势，ECU 450可以配置为在ICE 110的运行期间通过图4所示的线性控制过程控制进气阀促动器332、HP-EGR阀促动器322、VGT促动器290和LP-EGR阀促动器522。
该控制过程设置ECU 450监测(图块S400)充气系统195的输出参数值βc(即压缩率)，进气歧管压力pi，进气歧管200中的残余气体分数Fi和残余气体分数Fc，以及系统的其他可观察状态变量的值和上述MIMO非线性数学模型中涉及的常数，即进气歧管内容积Vi、进气歧管200中的空气温度Ti、排气歧管中的排气压力px、HP-EGR修正系数ξegr_HP、排气歧管225中的排气温度Tx、发动机的容积效率ηv0、发动机的排量Vd、发动机速度Ne、所述常数c、恒定压力下气体的比热容cp、流动通过涡轮增压器230的压缩机240的空气/气体的质量流量Wc、喷射到发动机110的燃烧室150中的燃料的质量流量Wf、在压缩机240上游的进气管道205中流动的空气/气体的温度Tc_us、压缩机功率比Rc、排气歧管225中的残余气体分数Fx、在压缩机240上游的进气管道205中流动的空气/气体压力pc_us、在压缩机240上游的进气管道205的容积Vc_us、LP-EGR修正系数ξegr_LP、在排气后处理装置280下游的排气管275中的排气压力pexh、LP-EGR管道500中的排气温度Tegr_LP和进气管道205中的空气质量流量Wa。
在这方面，压缩率值βc可以被确定为节流阀331上游管道中的压力和压缩机上游压力pc_us之间的比值。进气歧管压力的值pi可以通过位于进气歧管200中的歧管压力和温度传感器350测量。进气歧管内容积值Vi取决于充气系统的几何结构的常数。残余气体分数的值Fi可以根据进气歧管200中的氧气浓度值O2根据等式Fi＝1-O2计算。氧气浓度值O2可以通过设置在进气歧管200中的专用传感器(未示出)测量或可以基于ICE 110的其他可测量的运行参数估计。残余气体分数值Fc可以根据压缩机240上游进气管道205处的氧气浓度值O2c根据等式Fc＝1-O2c确定。压缩机氧气浓度O2c可以基于进气管道205中和LP管500中的其他可测量运行参数估计。进气歧管空气温度值Ti可以通过位于进气歧管200中的歧管压力和温度传感器350测量(在内部冷却器260的下游)。排气歧管压力值px可以通过设置在涡轮机250上游的排气管275或排气歧管225中的压力传感器(未示出)测量。替换地，该压力值可以基于ICE 110的其他可测量的运行参数估计，例如基于通过排气压力和温度传感器430所作的测量。HP-EGR修正系数值ξegr_HP是跨经HP-EGR阀的压力比的非线性函数。排气歧管气体温度值Tx可以通过温度传感器(未示出)测量，所述温度传感器可以设置在涡轮机250的上游的排气歧管225中或排气管275中。替换地，该温度值可以基于ICE 110的其他可测量的运行参数估计，例如基于通过排气压力和温度传感器430所作的测量。发动机的容积效率值ηv0是取决于发动机的几何结构的常数。发动机的排量值Vd是取决于发动机的几何结构的常数。发动机速度值Ne可以通过曲柄位置传感器420测量。数值c是常数。比热容值cp是常数。流动通过涡轮增压器230的压缩机240的空气/气体的质量流量值Wc可以确定为通过LP-EGR的质量流量和空气质量流量Wa之和。喷射到发动机110的燃烧室150的燃料的质量流量值Wf可以通过使得燃料喷射器160运行的控制策略提供。在压缩机240上游的进气管道205中流动的空气/气体温度值Tc_us可以基于进气管道205和LP管500中的其他可测量运行参数确定。压缩机功率比的值Rc可以根据流动通过压缩机240的空气/气体的质量流量Wc、压缩率βc、压力pc_us、温度Tc_us和普适气体常数R确定。排气歧管225处的残余气体分数值Fx可以通过在排气后处理装置280的上游、位于排气管275中的lambda传感器(未示出)测量。在压缩机240上游的进气管道205中流动的空气/气体压力值pc_us可以基于进气管道205和LP管500中的其他可测量运行参数估计。压缩机240上游的进气管道的容积值Vc_us是取决于充气系统几何结构的常数。LP-EGR修正系数值ξegr_LP是跨经LP-EGR阀的压力比的非线性函数。排气后处理装置280下游的排气管275中的排气压力pexh可以基于排气管275中的其他可测量运行参数确定。LP-EGR管道500中的排气温度值Tegr_LP可以通过位于LP-EGR阀521上游管道中的专用传感器测量。进气管道205中的空气质量流量值Wa可以通过传感器340计算。
输出参数pi,βc,Fi和Fc的监测值被反馈且用于计算它们每一个和其相应目标值pi_tar,βc_tar,Fi_tar和px_tar之间的误差(即差值)e1,e2,e3和e4：
e1＝pi_tar-pi
e2＝βc_tar-βc
e3＝Fi_tar-Fi
e4＝Fc_tar-Fc
用于输出参数的目标值pi_tar,βc_tar,Fi_tar和Fc_tar可以通过ECU 450基于其他常规的策略确定，例如基于发动机工作点。
第一误差e1随后被作为输入施加到第一单输入单输出(SISO)线性控制器S405，该控制器产生用于第一虚拟输入的相应值v1来作为输出。第二误差e2被作为输入施加到第二SISO线性控制器S410，该控制器产生用于第二虚拟输入的相应值v2作为输出。第三误差e3被作为输入施加到第三SISO线性控制器S415，该控制器产生用于第三虚拟输入的相应值v3作为输出。第四误差e4被作为输入施加到第四SISO线性控制器S420，该控制器产生用于第四虚拟输入的相应值v4作为输出。
四个线性控制器S405、S410、S415和S420可以例如是比例-积分(PI)控制器或比例-积分-微分(PID)控制器，且在调整如上所述的等效线性系统，例如以使得相应的误差e1,e2,e3和e4最小化。
虚拟输入值v1,v2,v3和v4随后施加到非线性计算模块S425，在该处，它们用于计算充气系统195的输入参数的相应值Witv,CdAegr_HP,CdAegr_LP和Rt。具体说，计算模块S425可以根据之前已经解释的反馈线性化控制法则计算这些输入参数：
空气质量流量的计算值Witv随后施加到计算模块S430，其可以使用进气阀330的数学模型来产生促动器332的位置Uitv作为输出，该输出对应于空气质量流量的所述计算值Witv。有效流动面积的计算值CdAegr_HP被施加到另一计算模块S435，其可以使用HP-EGR阀320的数学模型以产生促动器322的位置Uegr_HP作为输出，该输出对应于该的所述计算值CdAegr_HP。有效流动面积的计算值CdAegr_LP被施加到又一计算模块S440，其可以使用LP-EGR阀520的数学模型以产生促动器522的位置Uegr_LP作为输出，该输出对应于有效流动面积的所述计算值CdAegr_LP。涡轮机功率比的计算值Rt施加到涡轮机250的再一计算模块S445，以产生促动器290的位置Uvgt作为输出，该输出对应于涡轮机功率比的所述计算值Rt。
空气进气阀促动器332、HP-EGR阀促动器322、LP-EGR阀促动器522和VGT促动器290最终根据相应的计算位置Uitv,Uegr_HP,Uegr_LP和Uvgt运行(图块S450)。
假设EGR系统包括HP-EGR管道300和LP-EGR 500，则第三实施例的方案可以规定，充气系统195的输入参数包括表示通过进气阀330的空气质量流量的参数Witv，表示HP-EGR阀320的有效流动面积的参数CdAegr_HP，表示涡轮机(240)的有效流动面积的参数CdAvgt，和表示LP-EGR阀520的有效流动面积的参数CdAegr_LP。充气系统195的输出参数可以包括表示进气歧管压力的参数pi，表示进气歧管200中残余气体分数的参数Fi，表示压缩机240和进气阀330之间(尤其是进气阀330和内部冷却器260之间)空气进气管道205中压力的参数pitv_us，和表示涡轮增压器230的压缩机240上游的进气管道205中残余气体分数的参数Fc(尤其是在LP-EGR管道500的导出点和压缩机240之间)。
充气系统195的MIMO非线性数学模型可以通过以下方程限定：
其中R是普适气体常数，Vi是进气歧管内容积，Ti是进气歧管200中的空气温度，px是排气歧管压力，ξegr_HP是HP-EGR修正因子，Tx是排气歧管225中的排气温度，ηv0是发动机的容积效率，Vd是发动机的排量，Ne是发动机旋转速度，Titv_us是压缩机240和进气阀330之间(尤其是进气阀330和内部冷却器260之间)的空气温度，Vitv_us是压缩机240和进气阀330之间管道的容积，ξvgt是涡轮机修正因子，Wf是喷射到发动机110的燃烧室150中的燃料的质量流量，Tc_us是压缩机240上游的进气管道205中流动的空气/气体的温度，Fx是排气歧管225中的残余气体分数，pc_us是在压缩机240上游的进气管道205中流动的空气/气体的压力，Vc_us是压缩机240上游的进气管道205的容积，ξegr_LP是LP-EGR修正因子，pexh是排气后处理装置280下游的排气管275中的排气压力，Tegr_LP是LP-EGR管道500中的排气的温度，且Wa是进气管道205中的空气质量流量。
充气系统195的MIMO非线性数学模型可以等同地通过以下向量等式限定：
将输出向量y限定为：
将输入向量u限定为：
将函数的第一向量f(x)限定为：
且将函数的矩阵Gg(x)限定为：
上述向量等式在这种情况下还可以写成通常形式：
其中x通常表示充气系统195的状态变量的向量。
结果，仍然可以限定虚拟输入向量v：
且使用该虚拟输入向量v来根据以下向量等式得出反馈线性化控制法则u(x,v)。
u(x,v)＝Gg(x)-1·(v-f(x))
以使得：
因此，也是在在这种情况下，MIMO非线性数学系统已经在等效线性系统中进行了变换，其中虚拟输入v1,v2,v3和v4的每一个仅与输出参数和中之一有关，且反之亦然，且其中虚拟输入中的每一个和相应输出参数之间的关系为线性关系。
采用这种变换的优势，ECU 450可以配置为在ICE 110的运行期间通过图5所示的线性控制过程控制进气阀促动器332、HP-EGR阀促动器322、VGT促动器290和LP-EGR阀促动器522。
该控制过程被提供给ECU 450，以监测(图块S500)充气系统195的输出参数，即进气阀330和压缩机240之间的压力pitv_us、进气歧管压力pi、进气歧管200中的残余气体分数Fi和残余气体分数Fc，以及系统的其他可观察状态变量的值和上述MIMO非线性数学模型中涉及的常数，即进气歧管内容积Vi、进气歧管200中的空气温度Ti、排气歧管压力px、HP-EGR修正系数ξegr_HP、排气歧管225中的排气温度Tx、发动机的容积效率ηv0、发动机的排量Vd、发动机速度Ne、压缩机240和进气阀330之间(尤其是进气阀330和内部冷却器260之间)的空气温度Titv_us、压缩机240和进气阀330之间的容积Vitv_us、涡轮机修正因子ξvgt、喷射到发动机110的燃烧室150中的燃料质量流量Wf、压缩机240上游的进气管道205中流动的空气/气体的温度Tc_us、排气歧管225中的残余气体分数Fx、压缩机240上游的进气管道205中流动的空气/气体的压力pc_us、压缩机240上游的进气管道205的容积Vc_us、LP-EGR修正系数ξegr_LP、排气后处理装置280下游的排气管275中排气的压力pexh、LP-EGR管道500中排气的温度Tegr_LP和进气管道205中的空气质量流量Wa。
在这方面，进气阀330和压缩机240之间的压力值pitv_us可以通过专用传感器测量或使用模型来估计。进气歧管压力的值pi可以通过位于进气歧管200中的歧管压力和温度传感器350测量。进气歧管内容积值Vi取决于充气系统的几何结构的常数。残余气体分数的值Fi可以根据进气歧管200中的氧气浓度值O2根据等式Fi＝1-O2计算。氧气浓度值O2可以通过设置在进气歧管200中的专用传感器(未示出)测量或可以基于ICE 110的其他可测量的运行参数估计。残余气体分数值Fc可以根据压缩机240上游进气管道205处的氧气浓度值O2根据等式Fc＝1-O2c确定。压缩机氧气浓度O2c可以基于进气管道205中和LP管500中的其他可测量运行参数估计。进气歧管空气温度值Ti可以通过位于进气歧管200中的歧管压力和温度传感器350测量(在内部冷却器260的下游)。排气歧管压力值px可以通过设置在涡轮机250上游的排气管275或排气歧管225中的压力传感器(未示出)测量。替换地，该压力值可以基于ICE 110的其他可测量的运行参数估计，例如基于通过排气压力和温度传感器430所作的测量。HP-EGR修正系数值ξegr_HP是跨经HP-EGR阀的压力比值的非线性函数。排气歧管气体温度值Tx可以通过温度传感器(未示出)测量，所述温度传感器可以设置在涡轮机250的上游的排气歧管225中或排气管275中。替换地，该温度值可以基于ICE 110的其他可测量的运行参数估计，例如基于通过排气压力和温度传感器430所作的测量。发动机的容积效率值ηv0是取决于发动机的几何结构的常数。发动机的排量值Vd是取决于发动机的几何结构的常数。发动机速度值Ne可以通过曲柄位置传感器420测量。空气温度值Titv_us可以通过专用传感器确定或使用模型来估计。压缩机240和进气阀330之间的容积值Vitv_us是取决于充气系统的几何结构的常数。涡轮机修正因子值ξvgt是跨经VGT的压力比值的非线性函数。
喷射到发动机110的燃烧室150的燃料的质量流量值Wf可以通过操作燃料喷射器160控制策略提供。在压缩机240上游的进气管道205中流动的空气/气体温度值Tc_us可以基于进气管道205和LP管500中的其他可测量运行参数确定。排气歧管225处的残余气体分数值Fx可以通过在排气后处理装置280的上游、位于排气管275中的lambda传感器(未示出)测量。在压缩机240上游的进气管道205中流动的空气/气体压力值pc_us可以基于进气管道205和LP管500中的其他可测量运行参数估计。压缩机240上游的进气管道的容积值Vc_us是取决于充气系统几何结构的常数。LP-EGR修正系数值ξegr_LP是跨经LP-EGR阀的压力比的非线性函数。排气后处理装置280下游的排气管275中的排气压力pexh可以基于排气管275中的其他可测量运行参数确定。LP-EGR管道500中的排气温度值Tegr_LP可以通过位于LPE-GR阀521上游管道中的专用传感器测量。进气管道205中的空气质量流量值Wa可以通过传感器340计算。
输出参数pi，pitv_us,Fi和Fc的监测值被反馈且被用于计算它们中的每一个和其相应的目标值pi_tar，pitv_us_tar，Fi_tar和px_tar之间的误差(即差值)e1,e2,e3和e4：
e1＝pi_tar-pi
e2＝pitv_us_tar-pitv_us
e3＝Fi_tar-Fi
e4＝Fc_tar-Fc
用于输出参数的目标值pi_tar,pitv_us_tar,Fi_tar，Fc_tar可以通过ECU 450基于其他常规的策略确定，例如基于发动机工作点。
第一误差e1随后被作为输入施加到第一单输入单输出(SISO)线性控制器S505，该控制器产生用于第一虚拟输入的相应值v1来作为输出。第二误差e2被作为输入施加到第二SISO线性控制器S510，该控制器产生用于第二虚拟输入的相应值v2作为输出。第三误差e3被作为输入施加到第三SISO线性控制器S515，该控制器产生用于第三虚拟输入的相应值v3作为输出。第四误差e4被作为输入施加到第四SISO线性控制器S520，该控制器产生用于第四虚拟输入的相应值v4作为输出。
四个线性控制器S505、S510、S515和S520可以例如是比例-积分(PI)控制器或比例-积分-微分(PID)控制器，且调整如上所述的等效线性系统，例如以使得相应的误差e1,e2,e3和e4最小化。
虚拟输入值v1,v2,v3和v4随后施加到非线性计算模块S525，在该处它们被用于计算充气系统195的输入参数的相应值Witv,CdAegr_HP,CdAegr_LP和CdAvgt。具体说，计算模块S525可以根据之前已经解释的反馈线性化控制法则计算这些输入参数：
空气质量流量的计算值Witv随后施加到计算模块S530，其可以使用进气阀330的数学模型来产生促动器332的位置Uitv作为输出，该输出对应于空气质量流量的所述计算值Witv。有效流动面积的计算值CdAegr_HP被施加到另一计算模块S535，其可以使用HP-EGR阀320的数学模型以产生促动器322的位置Uegr_HP作为输出，该输出对应于该的所述计算值CdAegr_HP。有效流动面积的计算值CdAegr_LP被施加到又一计算模块S540，其可以使用LP-EGR阀520的数学模型以产生促动器522的位置Uegr_LP作为输出，该输出对应于有效流动面积的所述计算值CdAegr_LP。涡轮机的有效流动面积的计算值CdAvgt施加到涡轮机250的再一计算模块S545以产生促动器290的位置Uvgt作为输出，其对应于涡轮机的有效流动面积的所述计算值CdAvgt。
空气进气阀促动器332、HP-EGR阀促动器322、LP-EGR阀促动器522和VGT促动器290最终根据相应的计算位置Uitv,Uegr_HP,Uegr_LP和Uvgt运行(图块S550)。
假设EGR系统包括HP-EGR管道300和LP-EGR 500，则第四实施例的方案可以规定，充气系统195的输入参数包括表示通过进气阀330的空气质量流量的参数Witv，表示HP-EGR阀320的有效流动面积的参数CdAegr_HP，表示涡轮机的有效流动面积的参数CdAvgt，和表示LP-EGR阀520的有效流动面积的参数CdAegr_LP。充气系统195的输出参数可以包括表示进气歧管压力的参数pi，表示进气歧管200中残余气体分数的参数Fi，表示排气歧管225中排气压力的参数px，和表示在涡轮增压器230的压缩机240上游的进气管道205中的残余气体分数的参数Fc，尤其是在LP-EGR管道500的导出点和压缩机240之间。
充气系统195的MIMO非线性数学模型可以通过以下方程限定：
其中R是普适气体常数，Vi是进气歧管内容积，Ti是进气歧管200中的空气温度，ξegr_HP是HP-EGR修正因子，Tx是排气歧管225中的排气温度，ηv0是发动机的容积效率，Vd是发动机的排量，Ne是发动机旋转速度，Vx是容积(是)的排出歧管，ξvgt是涡轮机修正因子，Wf是喷射到发动机110的燃烧室150中的燃料的质量流量，Tc_us是上游的205中流动的空气/气体的温度，Fx是排气歧管225中的残余气体分数，pc_us是在压缩机240上游的进气管道205中流动的空气/气体的压力，Vc_us是压缩机240上游的进气管道205的容积，ξegr_LP是LP-EGR修正因子，pexh是排气后处理装置280下游的排气管275中的排气压力，Tegr_LP是LP-EGR管道500中的排气温度，Wa是进气管道205中的空气质量流量。
充气系统195的MIMO非线性数学模型可以等同地通过以下向量等式限定：
将输出向量y限定为：
将输入向量u限定为：
将函数的第一向量f(x)限定为：
且将函数的矩阵Gg(x)限定为：
上述向量等式在这种情况下还可以写成通常形式：
其中通常表示充气系统195的状态变量的向量v。
结果，仍然可以限定虚拟输入向量：
且使用该虚拟输入向量v来根据以下向量等式得出反馈线性化控制法则u(x,v)。
u(x,v)＝Gg(x)-1·(v-f(x))
以使得：
因此，在在这种情况下，MIMO非线性数学系统也已经在等效线性系统中进行了变换，其中虚拟输入v1,v2,v3和v4的每一个仅与输出参数和中之一有关，且反之亦然，且其中虚拟输入中的每一个和相应输出参数之间的关系为线性关系。
采用这种变换的优势，ECU 450可以配置为在ICE 110的运行期间通过图6所示的线性控制过程控制进气阀促动器332、HP-EGR阀促动器322、VGT促动器290和LP-EGR阀促动器522。
该控制过程被提供给ECU 450以监测(图块S600)充气系统195的输出参数，即排气歧管压力px、进气歧管压力pi、进气歧管200中的残余气体分数Fi和残余气体分数Fc，以及系统的其他可观察状态变量的值和上述MIMO非线性数学模型中涉及的常数，即进气歧管内容积Vi、进气歧管200中的空气温度Ti、HP-EGR修正系数ξegr_HP、排气歧管225中的排气温度Tx、发动机的容积效率ηv0、发动机的排量Vd、发动机速度Ne、排气歧管的容积Vx、涡轮机修正因子ξvgt、喷射到发动机110的燃烧室150中的燃料质量流量Wf、压缩机240上游的进气管道205中流动的空气/气体的温度Tc_us、排气歧管225中的残余气体分数Fx、压缩机240上游的进气管道205中流动的空气/气体的压力pc_us、压缩机240上游的进气管道205的容积Vc_us、LP-EGR修正系数ξegr_LP、排气后处理装置280下游的排气管275中排气的压力pexh、LP-EGR管道500中排气的温度Tegr_LP和进气管道205中的空气质量流量Wa。
在这方面，排气歧管压力的值px可以通过压力传感器(未示出)测量，所述压力传感器可以设置在涡轮机250的上游的排气歧管225中或排气管275中。替换地，该压力值可以基于ICE 110的其他可测量的运行参数估计，例如基于通过排气压力和温度传感器430所作的测量。进气歧管压力的值pi可以通过位于进气歧管200中的歧管压力和温度传感器350测量。进气歧管内容积值Vi取决于充气系统的几何结构的常数。残余气体分数的值Fi可以根据进气歧管200中的氧气浓度值O2根据等式Fi＝1-O2计算。氧气浓度值O2可以通过设置在进气歧管200中的专用传感器(未示出)测量或可以基于ICE110的其他可测量的运行参数估计。残余气体分数值Fc可以根据压缩机240上游进气管道205处的氧气浓度值O2c根据等式Fc＝1-O2c确定。压缩机氧气浓度O2c可以基于进气管道205中和LP管500中的其他可测量运行参数估计。进气歧管空气温度值Ti可以通过位于进气歧管200中的歧管压力和温度传感器350测量(在内部冷却器260的下游)。HP-EGR修正系数值ξegr_HP是跨经HP-EGR阀的压力比的非线性函数。排气歧管气体温度值Tx可以通过温度传感器(未示出)测量，所述温度传感器可以设置在涡轮机250的上游的排气歧管225中或排气管275中。替换地，该温度值可以基于ICE 110的其他可测量的运行参数估计，例如基于通过排气压力和温度传感器430所作的测量。发动机的容积效率值ηv0是取决于发动机的几何结构的常数。发动机的排量值Vd是取决于发动机的几何结构的常数。发动机速度值Ne可以通过曲柄位置传感器420测量。排气歧管的容积Vx是取决于部件的几何结构的常数。涡轮机修正因子值ξvgt是跨经VGT的压力比的非线性函数。
喷射到发动机110的燃烧室150的燃料的质量流量值Wf可以通过操作燃料喷射器160的控制策略提供。在压缩机240上游的进气管道205中流动的空气/气体温度值Tc_us可以基于进气管道205和LP管500中的其他可测量运行参数确定。排气歧管225处的残余气体分数值Fx可以通过在排气后处理装置280的上游、位于排气管275中的lambda传感器(未示出)测量。在压缩机240上游的进气管道205中流动的空气/气体压力值pc_us可以基于进气管道205和LP管500中的其他可测量运行参数估计。压缩机240上游的进气管道的容积值Vc_us是取决于充气系统几何结构的常数。LP-EGR修正系数值ξegr_LP是跨经LP-EGR阀的压力比的非线性函数。排气后处理装置280下游的排气管275中的排气压力pexh可以基于排气管275中的其他可测量运行参数确定。LP-EGR管道500中的排气温度值Tegr_LP可以通过位于LP-EGR阀521上游管道中的专用传感器测量。进气管道205中的空气质量流量值Wa可以通过传感器340计算。
输出参数的监测值pi,px,Fi和Fc被反馈且被用于计算它们中的每一个和其相应目标值pi_tar,px_tar，Fi_tar和px_tar之间的误差(即差值)e1,e2,e3和e4：
e1＝pi_tar-pi
e2＝px_tar-px
e3＝Fi_tar-Fi
e4＝Fc_tar-Fc
用于输出参数的目标值pi_tar,px_tar,Fi_tar，Fc_tar可以通过ECU 450基于其他常规的策略确定，例如基于发动机工作点。
第一误差e1随后被作为输入施加到第一单输入单输出(SISO)线性控制器S605，该控制器产生用于第一虚拟输入的相应值v1来作为输出。第二误差e2被作为输入施加到第二SISO线性控制器S610，该控制器产生用于第二虚拟输入的相应值v2作为输出。第三误差e3被作为输入施加到第三SISO线性控制器S615，该控制器产生用于第三虚拟输入的相应值v3作为输出。第四误差e4被作为输入施加到第四SISO线性控制器S620，该控制器产生用于第四虚拟输入的相应值v4作为输出。
四个线性控制器S605、S610、S615和S620可以例如是比例-积分(PI)控制器或比例-积分-微分(PID)控制器，且调整如上所述的等效线性系统，例如以使得相应的误差e1,e2,e3和e4最小化。
虚拟输入值e1,e2,e3和e4随后施加到非线性计算模块S625，在该处它们被用于计算充气系统195的输入参数的相应值Witv,CdAegr_HP,CdAegr_LP和CdAvgt。具体说，计算模块S625可以根据之前已经解释的反馈线性化控制法则来计算这些输入参数：
空气质量流量的计算值Witv随后施加到计算模块S630，其可以使用进气阀330的数学模型来产生促动器332的位置Uitv作为输出，其对应于空气质量流量的所述计算值Witv。有效流动面积的计算值CdAegr_HP被施加到另一计算模块S635，其可以使用HP-EGR阀320的数学模型以产生促动器322的位置Uegr_HP作为输出，其对应于该有效流动面积的所述计算值CdAegr_HP。有效流动面积的计算值CdAegr_LP被施加到又一计算模块S640，其可以使用LP-EGR阀520的数学模型以产生促动器522的位置Uegr_LP作为输出，其对应于有效流动面积的所述计算值CdAegr_LP。涡轮机的有效流动面积的计算值CdAvgt施加到涡轮机250的再一计算模块S645以产生促动器290的位置Uvgt作为输出，其对应于涡轮机的有效流动面积的所述计算值CdAvgt。
空气进气阀促动器332、HP-EGR阀促动器322、LP-EGR阀促动器522和VGT促动器290最终根据相应的计算位置Uitv,Uegr_HP,Uegr_LP和Uvgt运行(图块S650)。
假设EGR系统包括HP-EGR管道300和LP-EGR 500，则第五实施例的方案可以规定，充气系统195的输入参数包括表示通过进气阀330的空气质量流量的参数Witv，表示HP-EGR阀320的有效流动面积的参数CdAegr_HP，表示涡轮机的有效流动面积的参数CdAvgt，和表示LP-EGR阀520的有效流动面积的参数CdAegr_LP。充气系统195的输出参数可以包括表示压缩机240和进气阀330之间(尤其是进气阀330和内部冷却器260之间)的空气进气管道205中压力的参数pitv_us，表示进气歧管200中残余气体分数的参数Fi，表示排气歧管压力的参数px，和表示涡轮增压器230压缩机240上游进气管道205中残余气体分数的参数Fc，尤其是在LP-EGR管道500的导出点和压缩机240之间。
充气系统195的MIMO非线性数学模型可以通过以下方程限定：
其中R是普适气体常数，pi是进气歧管压力，Vi是进气歧管内容积，Ti是进气歧管200中的空气温度，ξegr_HP是HP-EGR修正因子，Tx是排气歧管225中的排气温度，ηv0是发动机的容积效率，Vd是发动机的排量，Ne是发动机旋转速度，Titv_us是压缩机240和进气阀330之间(尤其是进气阀330和内部冷却器260之间)的空气温度，Vitv_us是进气阀330和压缩机240之间的容积，ξvgt是涡轮机修正因子，Vx是排气歧管容积，Wf是喷射到发动机110的燃烧室150中的燃料的质量流量，Tc_us是压缩机240上游的进气管道205中流动的空气/气体的温度，Fx是排气歧管225中的残余气体分数，pc_us是在压缩机240上游的进气管道205中流动的空气/气体的压力，Vc_us是压缩机240上游的进气管道205的容积，ξegr_LP是LP-EGR修正因子，pexh是排气后处理装置280下游的排气管275中的排气压力，Tegr_LP是LP-EGR管道500中的排气温度，且Wa是进气管道205中的空气质量流量。
充气系统195的MIMO非线性数学模型可以等同地通过以下向量等式限定：
将输出向量y限定为：
将输入向量u限定为：
将函数的第一向量f(x)限定为：
且将函数的矩阵Gg(x)限定为：
上述向量等式在这种情况下还可以写成通常形式：
其中x通常表示充气系统195的状态变量的向量。
结果，仍然可以限定虚拟输入向量：
且使用该虚拟输入向量v来根据以下向量等式得出反馈线性化控制法则u(x,v)。
u(x,v)＝Gg(x)-1·(v-f(x))
以使得：
因此，在这种情况下，MIMO非线性数学系统也已经在等效线性系统中进行了变换，其中虚拟输入v1,v2,v3和v4中的每一个仅与输出参数和中之一有关，且反之亦然，且其中虚拟输入中的每一个和相应输出参数之间的关系为线性关系。
采用这种变换的优势，ECU 450可以配置为在ICE 110的运行期间通过图7所示的线性控制过程控制进气阀促动器332、HP-EGR阀促动器322、VGT促动器290和LP-EGR阀促动器522。
该控制过程被提供给ECU 450，以监测(图块S700)充气系统195的输出参数，即进气阀330和压缩机240之间的压力pitv_us、排气歧管压力px、进气歧管200中的残余气体分数Fi和残余气体分数Fc，以及系统的其他可观察状态变量的值和上述MIMO非线性数学模型中涉及的常数，即进气歧管内容积Vi、进气歧管压力pi、进气歧管200中的空气温度Ti、HP-EGR修正系数ξegr_HP、排气歧管225中的排气温度Tx、发动机的容积效率ηv0、发动机的排量Vd、发动机速度Ne、压缩机240和进气阀330之间(尤其是进气阀330和内部冷却器260之间)的空气温度Titv_us、进气阀330和压缩机240之间的容积Vitv_us、涡轮机修正因子ξvgt、排气歧管容积Vx、喷射到发动机110的燃烧室150中的燃料的质量流量Wf、压缩机240上游的进气管道205中流动的空气/气体的温度Tc_us、排气歧管225中的残余气体分数Fx、压缩机240上游的进气管道205中流动的空气/气体的压力pc_us、压缩机240上游的进气管道205的容积Vc_us、LP-EGR修正系数ξegr_LP、排气后处理装置280下游的排气管275中排气的压力pexh、LP-EGR管道500中排气的温度Tegr_LP和进气管道205中的空气质量流量Wa。
在这方面，排气歧管压力的值px可以通过压力传感器(未示出)测量，所述压力传感器可以设置在涡轮机250的上游的排气歧管225中或排气管275中。替换地，该压力值可以基于ICE 110的其他可测量的运行参数估计，例如基于通过排气压力和温度传感器430所作的测量。进气阀330和压缩机240之间的压力值pitv_us可以通过专用传感器测量。进气歧管压力的值pi可以通过位于进气歧管200中的歧管压力和温度传感器350测量。进气歧管内容积值Vi取决于充气系统的几何结构的常数。残余气体分数的值Fi可以根据进气歧管200中的氧气浓度值O2根据等式Fi＝1-O2计算。氧气浓度值O2可以通过设置在进气歧管200中的专用传感器(未示出)测量或可以基于ICE 110的其他可测量的运行参数估计。残余气体分数值Fc可以根据压缩机240上游进气管道205处的氧气浓度值O2c根据等式Fc＝1-O2c确定。压缩机氧气浓度O2c可以基于进气管道205中和LP管500中的其他可测量运行参数估计。进气歧管空气温度值Ti可以通过位于进气歧管200中的歧管压力和温度传感器350测量(在内部冷却器260的下游)HP-EGR修正系数值ξegr_HP是跨经HP-EGR阀的压力比的非线性函数。排气歧管气体温度值Tx可以通过温度传感器(未示出)测量，所述温度传感器可以设置在涡轮机250的上游的排气歧管225中或排气管275中。替换地，该温度值可以基于ICE 110的其他可测量的运行参数估计，例如基于通过排气压力和温度传感器430所作的测量。发动机的容积效率值ηv0是取决于发动机的几何结构的常数。发动机的排量值Vd是取决于发动机的几何结构的常数。发动机速度值Ne可以通过曲柄位置传感器420测量。空气温度值Titv_us可以通过专用传感器确定。进气阀330和压缩机240之间的容积值是取决于充气系统的几何结构的常数。排气歧管的容积Vitv_us是取决于部件的几何结构的常数。涡轮机修正因子值ξvgt是跨经VGT的压力比的非线性函数。喷射到发动机110的燃烧室150的燃料的质量流量值Wf可以通过使得燃料喷射器160运行的控制策略提供。在压缩机240上游的进气管道205中流动的空气/气体温度值Tc_us可以基于进气管道205和LP管500中的其他可测量运行参数确定。排气歧管225处的残余气体分数值Fx可以通过在排气后处理装置280的上游、位于排气管275中的lambda传感器(未示出)测量。在压缩机240上游的进气管道205中流动的空气/气体压力值pc_us可以基于进气管道205和LP管500中的其他可测量运行参数估计。压缩机240上游的进气管道的容积值Vc_us是取决于充气系统几何结构的常数。LP-EGR修正系数值ξegr_LP是跨经LP-EGR阀的压力比的非线性函数。排气后处理装置280下游的排气管275中的排气压力pexh可以基于排气管275中的其他可测量运行参数确定。LP-EGR管道500中的排气温度值Tegr_LP可以通过位于LP-EGR阀521上游管道中的专用传感器测量。进气管道205中的空气质量流量值Wa可以通过传感器340计算。
输出参数的监测值pitv_us,px,Fi和Fc被反馈且被用于计算它们的每一个和其相应目标值pitv_us_tar,pi_tar,Fi_tar和px_tar之间的误差(即差)e1,e2,e3和e4：
e1＝pitv_us_tar-pitv_us
e2＝px_tar-px
e3＝Fi_tar-Fi
e4＝Fc_tar-Fc
用于输出参数的目标值pitv_us_tar,px_tar,Fi_tar,Fc_tar可以通过ECU450基于其他常规的策略确定，例如基于发动机工作点。
第一误差e1随后被作为输入施加到第一单输入单输出(SISO)线性控制器S705，该控制器产生用于第一虚拟输入的相应值v1作为输出。第二误差e2被作为输入施加到第二SISO线性控制器S710，该控制器产生用于第二虚拟输入的相应值v2作为输出。第三误差e3被作为输入施加到第三SISO线性控制器S715，该控制器产生用于第三虚拟输入的相应值v3作为输出。第四误差e4被作为输入施加到第四SISO线性控制器1020，该控制器产生用于第四虚拟输入的相应值v4作为输出。
四个线性控制器S705、S710、S715和S720可以例如是比例-积分(PI)控制器或比例-积分-微分(PID)控制器，且调整如上所述的等效线性系统，例如以使得相应的误差e1,e2,e3和e4最小化。
虚拟输入值v1,v2,v3和v4随后被施加到非线性计算模块S725，在该处，它们被用于计算充气系统195的输入参数的相应值Witv,CdAegr_HP,CdAegr_LP和CdAvgt。具体说，计算模块S725可以根据之前已经解释的反馈线性化控制法则计算这些输入参数：
空气质量流量的计算值Witv随后施加到计算模块S730，其可以使用进气阀330的数学模型来产生促动器332的位置Uitv作为输出，其对应于空气质量流量的所述计算值Witv。有效流动面积的计算值CdAegr_HP被施加到另一计算模块S735，其可以使用HP-EGR阀320的数学模型以产生促动器322的位置Uegr_HP作为输出，其对应于该的所述计算值CdAegr_HP。有效流动面积的计算值CdAegr_LP被施加到又一计算模块S740，其可以使用LP-EGR阀520的数学模型以产生促动器522的位置Uegr_LP作为输出，其对应于有效流动面积的所述计算值CdAegr_LP。涡轮机的有效流动面积的计算值CdAvgt施加到涡轮机250的再一计算模块S745以产生促动器290的位置Uvgt作为输出，其对应于涡轮机的有效流动面积的所述计算值CdAvgt。
空气进气阀促动器332、HP-EGR阀促动器322、LP-EGR阀促动器522和VGT促动器290最终根据相应的计算位置Uitv,Uegr_HP,Uegr_LP和Uvgt运行(图块S750)。
实际上，如上所述的所有实施例展示出充气系统195可以采用反馈线性化控制策略来控制。如图8示意性显示的，该反馈线性化控制策略通常提供给ECU 450以确定(图块S800)含有多个虚拟输入值的向量v，其每一个虚拟输入值仅与包含在该向量y中的充气系统195的输出参数中的一个成线性关系。向量v作为输入施加到这类反馈线性化法则u(x,v)＝Gg(x)-1.(v-Cf(x))(图块S805)，其提供充气系统195的“实际”输入参数值的相应向量u作为输出，其每一个随后被用于(图块S810)计算充气系统195的相应促动器的位置U。
如在上述示例中所述的，在内燃发动机110运行期间，每一个虚拟输入值可以通过专用的单输入单输出(SISO)线性控制器根据充气系统的相关输出参数的反馈控制机制确定。
以此方式，充气系统195的所有促动器以协调的方式被一同控制，由此改善了充气系统195追随(adhere)其输出参数的目标值的准确性和时间响应性能，尤其是在瞬态工况期间。
尽管至少一个示例性实施例已经在前述发明内容和具体实施方式中进行了描述，但是应理解存在许多变化例。还应理解，一个或多个示例性实施例仅是示例，且目的不是以任何方式限制范围、适用性或构造。相反，前面的摘要和详细描述为本领域技术人员提供了实施至少一个示例性实施例的便捷方式，应理解，以对示例性实施例中所述的元件的功能和布置做出各种改变，而不脱离权利要求及其等效方式限定的范围。
附图标记
100 汽车系统
110 内燃发动机
120 发动机缸体
125 汽缸
130 汽缸盖
135 凸轮轴
140 活塞
145 曲轴
150 燃烧室
155 凸轮相位器
160 燃料喷射器
170 燃料分配管
180 燃料泵
190 燃料源
195 充气系统
200 进气歧管
205 空气进气管道
210 进入口
215 阀
220 排气口
225 排气歧管
230 可变几何涡轮增压器
240 压缩机
250 涡轮机
260 内部冷却器
270 排气系统
275 排气管
280 排气后处理装置
290 VGT促动器
300 HP-EGR管
310 HP-EGR冷却器
320 HP-EGR阀
321 阀构件
322 促动器
330 进气阀
331 阀构件
332 促动器
340 空气流量和温度传感器
350 歧管压力和温度传感器
360 燃烧压力传感器
380 冷却剂和油温液位传感器
400 燃料分配管压力传感器
410 凸轮位置传感器
420 曲柄位置传感器
430 排气压力和温度传感器
440 HP-EGR温度传感器
445 加速器踏板位置传感器
450 ECU
460 存储系统
500 LP-EGR管
510 LP-EGR冷却器
520 LP-EGR阀
521 阀构件
522 促动器
S300 图块
S305 线性控制器
S310 线性控制器
S315 线性控制器
S320 非线性计算模块
S325 计算模块
S330 计算模块
S335 计算模块
S340 图块
S400 图块
S405 线性控制器
S410 线性控制器
S415 线性控制器
S420 线性控制器
S425 非线性计算模块
S430 计算模块
S435 计算模块
S440 计算模块
S445 计算模块
S450 图块
S500 图块
S505 线性控制器
S510 线性控制器
S515 线性控制器
S520 线性控制器
S525 非线性计算模块
S530 计算模块
S535 计算模块
S540 计算模块
S545 计算模块
S550 图块
S600 图块
S605 线性控制器
S610 线性控制器
S615 线性控制器
S620 线性控制器
S625 非线性计算模块
S630 计算模块
S635 计算模块
S640 计算模块
S645 计算模块
S650 图块
S700 图块
S705 线性控制器
S710 线性控制器
S715 线性控制器
S720 线性控制器
S725 非线性计算模块
S730 计算模块
S735 计算模块
S740 计算模块
S745 计算模块
S750 图块
S800 图块
S805 图块
S810 图块
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