具有模型预测控制的估计系统和方法
【专利说明】
[0001] 相关申请的交叉引用 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, 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14/225,531、2014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, 587、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
[0002] 本公开涉及内燃发动机，并且更具体来说，涉及用于车辆的发动机控制系统和方 法。
【背景技术】
[0003] 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。
[0004] 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。
[0005] 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。
[0006] 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】
[0007] 在一个特征中，披露用于车辆的发动机控制系统。预测模炔基于指示发动机状态 的多个值和基于发动机特征设置的第一组预定值产生用于可能目标值组的预测发动机操 作参数。参数估计模炔基于指示发动机状态的多个值和第二组预定值确定车辆的一个或多 个估计的操作参数。成本模炔基于预测发动机操作参数确定用于可能目标值组的成本。选 择模炔基于成本从包括可能目标值组和N个其他可能目标值组的群组中选择可能目标值 组，其中N是大于零的整数，并且基于选定的可能目标值组来设置目标值。致动器模炔基于 目标值中的一个值来控制发动机致动器。
[0008] 在其他特征中：基于目标值中的第二值控制涡轮增压器的废气门的开度的升压致 动器模块；基于目标值中的第三值控制排气再循环（EGR)阀的开度的EGR致动器模块；以及 分别基于目标值中的第四值和第五值控制进气门和排气门定相的相位器致动器模块，其中 致动器模炔基于目标值中的一个值来控制节气门阀的开度。
[0009] 在另外其他特征中，预测模炔基于关系y(fc) = Cx㈦来产生用于可能目标值组的 预测发动机操作参数，其中y(k)是包括用于时间k的预测发动机操作参数的向量，C是包 括基于发动机特征设置的第一组预定值的矩阵，并且X(k)是包括指示用于时间k的发动机 状态的多个值的向量；并且参数估计模炔基于关系= 来确定一个或多个估计 的操作参数，其中E(k)是包括用于时间k的一个或多个估计的操作参数的向量并且(：2是 包括第二组预定值的矩阵。
[0010] 在另外其他特征中，预测模炔基于根据发动机特征设置的第三组预定值、指示发 动机状态的第二组多个值、基于发动机特征设置的第四组预定值以及可能目标值组来产生 指示用于时间k的发动机状态的多个值。
[0011] 在其他特征中，预测模炔基于关系x〔fe) = - i) - - Γ)来产生指示用 于时间k的发动机状态的多个值，其中是X (k)是包括指示用于时间k的发动机状态的多个 值的向量，A是包括基于发动机特征设置的第三组预定值的矩阵，x(k-l)是包括指示在时 间k之前的先前时间k-Ι确定的发动机状态的第二组多个值的向量，B是包括基于发动机特 征设置的第四组预定值的矩阵，并且u(k)是包括用于先前时间k-Ι的可能目标值的向量。
[0012] 在另外其他特征中，一个或多个估计的操作参数包括排气压力和排气温度中的至 少一个。
[0013] 在另外其他特征中，一个或多个估计的操作参数包括涡轮增压器速度。
[0014] 在其他特征中，一个或多个估计的操作参数包括排气再循环（EGR)流速。
[0015] 在另外其他特征中，序列确定模炔基于发动机扭矩请求确定可能目标值组和N个 其他可能目标值组。
[0016] 在其他特征中：预测模炔基于指示发动机状态的多个值和基于发动机特征设置的 第一组预定值产生分别用于N个其他可能目标值组的N个其他预测发动机操作参数组；成 本模块分别基于N个其他预测发动机操作参数组确定用于N个其他可能目标值组的N个其 他成本；并且当用于可能目标值组的成本小于N个其他成本时选择模块从群组选择可能目 标值组。
[0017] 在一个特征中，用于车辆的发动机控制方法包括：基于指示发动机状态的多个值 和基于发动机特征设置的第一组预定值产生用于可能目标值组的预测发动机操作参数；基 于指示发动机状态的多个值和第二组预定值确定车辆的一个或多个估计的操作参数；基于 预测发动机操作参数确定用于可能目标值组的成本；基于成本从包括可能目标值组和N个 其他可能目标值组的群组中选择可能目标值组，其中N是大于零的整数，并且基于选定的 可能目标值组来设置目标值；以及基于目标值中的一个值来控制发动机致动器。
[0018] 在其他特征中，发动机控制方法进一步包括：基于目标值中的第二值控制涡轮增 压器的废气门的开度；基于目标值中的第三值控制排气再循环（EGR)阀的开度；以及分别 基于目标值中的第四值和第五值控制进气门和排气门定相。发动机致动器是节气门阀。
[0019] 在另外其他特征中，发动机控制方法进一步包括：基于关系= 来产生 用于可能目标值组的预测发动机操作参数，其中y (k)是包括用于时间k的预测发动机操作 参数的向量，C是包括基于发动机特征设置的第一组预定值的矩阵，并且x(k)是包括指示 用于时间k的发动机状态的多个值的向量；以及基于关系= 来确定一个或多 个估计的操作参数，其中E (k)是包括用于时间k的一个或多个估计的操作参数的向量并且 (：2是包括第二组预定值的矩阵。
[0020] 在另外其他特征中，发动机控制方法进一步包括：基于根据发动机特征设置的第 三组预定值、指示发动机状态的第二组多个值、基于发动机特征设置的第四组预定值以及 可能目标值组来产生指示用于时间k的发动机状态的多个值。
[0021] 在其他特征中，发动机控制方法进一步包括基于关系x(A〇 = i) _ Buit - 1) 来产生指示用于时间k的发动机状态的多个值，其中是x (k)是包括指示用于时间k的发动 机状态的多个值的向量，A是包括基于发动机特征设置的第三组预定值的矩阵，x(k-l)是 包括指示在时间k之前的先前时间k-Ι确定的发动机状态的第二组多个值的向量，B是包 括基于发动机特征设置的第四组预定值的矩阵，并且u (k)是包括用于先前时间k-Ι的可能 目标值的向量。
[0022] 在另外其他特征中，一个或多个估计的操作参数包括排气压力和排气温度中的至 少一个。
[0023] 在其他特征中，一个或多个估计的操作参数包括涡轮增压器速度。
[0024] 在其他特征中，一个或多个估计的操作参数包括排气再循环（EGR)流速。
[0025] 在另外其他特征中，发动机控制方法进一步包括基于发动机扭矩请求确定可能目 标值组和N个其他可能目标值组。
[0026] 在其他特征中，发动机控制方法进一步包括：基于指示发动机状态的多个值和基 于发动机特征设置的第一组预定值产生分别用于N个其他可能目标值组的N个其他预测发 动机操作参数组；分别基于N个其他预测发动机操作参数组确定用于N个其他可能目标值 组的N个其他成本；以及当用于可能目标值组的成本小于N个其他成本时从群组选择可能 目标值组。
[0027] 本发明包括以下方案： 1. 一种用于车辆的发动机控制系统，包括： 预测模块，所述预测模炔基于指示所述发动机的状态的多个值和基于所述发动机的特 征设置的第一组预定值产生用于可能目标值组的预测发动机操作参数； 参数估计模块，所述参数估计模炔基于指示所述发动机的状态的多个值和第二组预定 值确定所述车辆的一个或多个估计的操作参数； 成本模块，所述成本模炔基于所述预测发动机操作参数确定用于所述可能目标值组的 成本； 选择模块，所述选择模炔基于所述成本从包括所述可能目标值组和N个其他可能目标 值组的群组中选择可能目标值组，其中N是大于零的整数，并且基于选定的可能目标值组 来设置目标值；以及 致动器模块，所述致动器模炔基于所述目标值中的一个值来控制发动机致动器。
[0028] 2.如方案1所述的发动机控制系统，其进一步包括： 升压致动器模块，所述升压致动器模炔基于所述目标值中的第二值控制涡轮增压器的 废气门的开度； 排气再循环（EGR)致动器模块，所述EGR致动器模炔基于所述目标值中的第三值控制 EGR阀的开度；以及 相位器致动器模块，所述相位器致动器模块分别基于所述目标值中的第四值和第五值 控制进气门和排气门定相， 其中所述致动器模炔基于所述目标值中的所述一个值来控制所述节气门阀的开度。
[0029] 3.如方案1所述的发动机控制系统，其中： 所述预测模炔基于以下关系来产生用于所述可能目标值组的所述预测发动机操作参 数： y(fc) = Cx(fc)， 其中y(k)是包括用于时间k的所述预测发动机操作参数的向量，C是包括基于所述发 动机的特征设置的所述第一组预定值的矩阵，并且X (k)是包括指示用于所述时间k的所述 发动机的状态的所述多个值的向量；以及 所述参数估计模炔基于以下关系来确定所述一个或多个估计的操作参数： f(fc) = C2xIk^) 7 其中E(k)是包括用于所述时间k的所述一个或多个估计的操作参数的向量并且(：2是 包括所述第二组预定值的矩阵。
[0030] 4.如方案3所述的发动机控制系统，其中所述预测模炔基于根据所述发动机的 特征设置的第三组预定值、指示所述发动机的状态的第二组多个值、基于所述发动机的特 征设置的第四组预定值以及所述可能目标值组来产生指示用于所述时间k的所述发动机 的状态的多个值。
[0031] 5.如方案4所述的发动机控制系统，其中所述预测模炔基于以下关系来产生指 示用于所述时间k的所述发动机的状态的多个值： x'(k) = Axlk - I) - B k - 1)， 其中是x(k)是包括指示用于所述时间k的所述发动机的状态的多个值的向量，A是包 括基于所述发动机的特征设置的第三组预定值的矩阵，x(k-l)是包括指示在所述时间k之 前的先前时间k-Ι确定的所述发动机的状态的第二组多个值的向量，B是包括基于所述发 动机的特征设置的第四组预定值的矩阵，并且u (k)是包括用于所述先前时间k-Ι的可能目 标值的向量。
[0032] 6.如方案1所述的发动机控制系统，其中所述一个或多个估计的操作参数包括 排气压力和排气温度中的至少一个。
[0033] 7.如方案1所述的发动机控制系统，其中所述一个或多个估计的操作参数包括 涡轮增压器速度。
[0034] 8.如方案1所述的发动机控制系统，其中所述一个或多个估计的操作参数包括 排气再循环（EGR)流速。
[0035] 9.如方案1所述的发动机控制系统，其进一步包括： 序列确定模块，所述序列确定模炔基于发动机扭矩请求确定所述可能目标值组和所述 N个其他可能目标值组。
[0036] 10.如方案1所述的发动机控制系统，其中： 所述预测模炔基于指示所述发动机的状态的所述多个值和基于所述发动机的特征设 置的所述第一组预定值产生分别用于所述N个其他可能目标值组的N个其他预测发动机操 作参数组； 所述成本模块分别基于所述N个其他预测发动机操作参数组确定用于所述N个其他可 能目标值组的N个其他成本；以及 当用于所述可能目标值组的所述成本小于所述N个其他成本时所