公开/公告号CN104948312A
专利类型发明专利
公开/公告日2015-09-30
原文格式PDF
申请/专利权人 通用汽车环球科技运作有限责任公司;
申请/专利号CN201510161503.1
申请日2015-03-26
分类号F02D29/02(20060101);F02D13/00(20060101);F02D9/00(20060101);F02D17/02(20060101);F02D41/00(20060101);F02D41/30(20060101);F02D23/00(20060101);F02B37/18(20060101);F02P5/04(20060101);F02D43/00(20060101);
代理机构72001 中国专利代理(香港)有限公司;
代理人姜云霞;傅永霄
地址 美国密执安州
入库时间 2023-12-18 11:14:22
法律状态公告日
法律状态信息
法律状态
2018-10-19
授权
授权
2015-11-04
实质审查的生效 IPC(主分类):F02D29/02 申请日:20150326
实质审查的生效
2015-09-30
公开
公开
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14/225,626、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14/225,531、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14/226,121、2014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
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
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——以在此背景技术部分中所描述的为 限——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。
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。
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。
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
此部分提供本公开的一般概述，而并非其全部范围或所有其特征 的综述披露。
一种用于车辆的发动机控制系统可以包括产生第一组可能MPC目 标值和第二组可能MPC目标值的序列确定模块。成本模块确定用于第 一组可能MPC目标值的第一成本和用于第二组可能MPC目标值的第 二成本。选择模块基于第一和第二成本从第一和第二组可能MPC目标 值中的一个选择MPC目标值。过渡模块接收MPC目标值、将MPC目 标值与多个先前控制请求相比较并且选择控制多个发动机功能的范围 在先前控制请求到MPC目标值内的目标值组。
一种用于车辆的发动机控制方法可以包括：产生第一组可能MPC 目标值和第二组可能MPC目标值；确定用于第一组可能MPC目标值 的第一成本和用于第二组可能MPC目标值的第二成本；基于第一和第 二成本从第一和第二组可能MPC目标值中的一个选择MPC目标值； 将MPC目标值与多个先前控制请求相比较；以及选择控制多个发动机 功能的范围在先前控制请求到MPC目标值内的目标值组。
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：
序列确定模块，所述序列确定模块产生第一组可能MPC目标值和 第二组可能MPC目标值；
成本模块，所述成本模块确定用于所述第一组可能MPC目标值的 第一成本和用于所述第二组可能MPC目标值的第二成本；
选择模块，所述选择模块分别基于所述第一成本和所述第二成本 从所述第一组可能MPC目标值和所述第二组可能MPC目标值中的一 个选择MPC目标值；以及
过渡模块，所述过渡模块接收所述MPC目标值、将所述MPC目 标值与控制车辆的多个控制请求相比较并且选择范围在所述多个控制 请求到所述MPC目标值内的目标值组。
2.如方案1所述的发动机控制系统，其进一步包括具有状态估计 器的状态确定模块。
3.如方案2所述的发动机控制系统，其中如果所述状态确定模块 在小于时间阈值的时间内变成起作用的则所述状态估计器处于冷起动 状态中，并且如果所述状态确定模块在等于或大于所述时间阈值的时 间内变成起作用的则所述状态估计器处于热起动状态中。
4.如方案3所述的发动机控制系统，其进一步包括渐变确定模块， 当所述状态估计器处于冷起动状态中时，所述渐变确定模块将多个存 储的先前MPC请求设置为零。
5.如方案4所述的发动机控制系统，其中所述渐变确定模块将所 述目标值设置为等于所述先前控制请求。
6.如方案5所述的发动机控制系统，其进一步包括目标值确定模 块，所述目标值确定模块通过将所述目标值增加或减少所述目标值与 所述MPC目标值之间的差异的百分比来将所述目标值从所述目标值渐 变为所述MPC目标值。
7.如方案3所述的发动机控制系统，其进一步包括渐变确定模块， 当所述状态估计器处于热起动状态中时，所述渐变确定模块将所述目 标值设置为等于先前控制请求，其中所述先前控制请求来自非MPC控 制器。
8.如方案7所述的发动机控制系统，其进一步包括目标值确定模 块，所述目标值确定模块使得先前MPC控制请求组与所述先前控制请 求相等。
9.如方案8所述的发动机控制系统，其中所述序列确定模块使用 所述先前MPC控制请求组来确定新的第一组可能MPC目标值和新的 第二组可能MPC目标值。
10.如方案1所述的发动机控制系统，其进一步包括：
预测模型，所述预测模型基于所述发动机的模型和所述第一组可 能MPC目标值产生第一预测发动机输出扭矩和第一预测每汽缸空气 (APC)质量，并且基于所述发动机的模型和所述第二组可能MPC目 标值产生第二预测发动机输出扭矩和第二预测APC质量；
其中用于所述第一组可能MPC目标值的所述第一成本是基于第一 预定加权值、所述第一预测发动机输出扭矩、发动机扭矩请求、第二 预定加权值以及所述第一预测APC质量来确定；以及
其中用于所述第二组可能MPC目标值的所述第二成本是基于所述 第一预定加权值、所述第二预测发动机输出扭矩、所述发动机扭矩请 求、所述第二预定加权值以及所述第二预测APC质量来确定。
11.一种用于车辆的发动机控制方法，包括：
产生第一组可能MPC目标值和第二组可能MPC目标值；
确定用于所述第一组可能MPC目标值的第一成本和用于所述第二 组可能MPC目标值的第二成本；
分别基于所述第一成本和所述第二成本从所述第一组可能MPC目 标值和所述第二组可能MPC目标值中的一个选择MPC目标值；
将所述MPC目标值与控制车辆的多个控制请求相比较；以及
选择范围在所述先前控制请求到所述MPC目标值内的目标值组， 其中所述目标值组控制多个发动机功能。
12.如方案11所述的发动机控制方法，其进一步包括确定状态估 计器的状态。
13.如方案12所述的发动机控制方法，其中如果状态确定模块在 小于时间阈值的时间内变成起作用的则所述状态估计器处于冷起动状 态中，并且如果所述状态确定模块在等于或大于所述时间阈值的时间 内变成起作用的则所述状态估计器处于热起动状态中。
14.如方案13所述的发动机控制方法，其进一步包括当所述状态 估计器处于冷起动状态中时，将多个存储的先前MPC请求设置为零。
15.如方案14所述的发动机控制方法，其进一步包括将所述目标 值设置为等于所述先前控制请求，其中所述先前控制请求来自非MPC 控制器。
16.如方案15所述的发动机控制方法，其进一步包括通过将所述 目标值增加或减少所述目标值与所述MPC目标值之间的差异的百分比 来将所述目标值从所述目标值渐变为所述MPC目标值。
17.如方案13所述的发动机控制方法，其进一步包括当所述状态 估计器处于热再起动状态中时，将所述目标值设置为等于所述先前控 制请求，其中所述先前控制请求来自非MPC控制器。
18.如方案17所述的发动机控制方法，其进一步包括使得先前 MPC控制请求组与所述先前控制请求相等。
19.如方案18所述的发动机控制方法，其进一步包括从所述先前 MPC控制请求组来确定新的第一组可能MPC目标值和新的第二组可 能MPC目标值。
20.如方案11所述的发动机控制方法，其进一步包括：
基于第一预定加权值、第一预测发动机输出扭矩、发动机扭矩请 求、第二预定加权值以及第一预测APC质量来确定用于所述第一组可 能MPC目标值的所述第一成本；以及
基于所述第一预定加权值、所述第二预测发动机输出扭矩、所述 发动机扭矩请求、第二预定加权值以及所述第二预测APC质量来确定 用于所述第二组可能MPC目标值的所述第二成本。
其他适用领域将从本文提供的描述变得显而易见。此概述中的描 述和具体实例仅意欲用于说明目的而非意欲限制本发明的范围。
附图说明
本文描述的图示仅用于说明选定实施例而非所有可能实施方式的 目的，且并不意欲限制本公开的范围。
图1是根据本公开的示例性发动机系统的功能方框图；
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；
图3是根据本公开的示例性空气控制模块的功能方框图；
图4是根据本公开的示例性过渡模块的功能方框图；以及
图5是描绘根据本公开的从非模型预测控制到模型预测控制过渡 的示例性方法的流程图。
所有图的若干视图中，对应参考数字指示对应部分。
具体实施方式
现在将参照附图来更完整地描述示例性实施例。
发动机控制模块(ECM)控制发动机的扭矩输出。更具体来说， ECM分别基于根据所请求的扭矩量的目标值来控制发动机的致动器。 例如，ECM基于目标进气和排气相位器角来控制进气和排气凸轮轴定 相、基于目标节气门开度来控制节气门阀、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。
本公开的ECM使用模型预测控制(MPC)模块来产生目标值。更 具体来说，MPC模块基于发动机扭矩请求来识别目标值的可能组。MPC 模块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。
MPC模块还可以确定与每个可能组的使用相关的成本。对于可能 组确定的成本随着对于该可能组确定的预测发动机输出扭矩与发动机 扭矩请求之间的第一差异的量值增加而增加，且反之亦然。在各个实 施中，作为识别目标值的可能组并且确定每个组的成本的替代或添加， MPC模块可以产生代表目标值的可能组的成本的面。MPC模块随后可 以基于成本面的斜率来识别具有最低成本的可能组。
对于复杂的系统，诸如内燃发动机，用MPC替代所有闭环控制可 能是不可能、不实际或者不必要的。因此，ECM中可以共存不同的控 制方法。通过这种在一个系统中的多种类型的控制器，从一个控制器 到下一个控制器(例如，从MPC控制到非MPC控制)的过渡变得关 键，因为功率流(并且随后驾驶性能)或发动机状态上的任何类型的 干扰可能导致发动机调整和/或发动机/车辆振动模式改变。
现在参照图1，呈现示例性发动机系统100的功能方框图。发动机 系统100包括基于来自驾驶者输入模块104的驾驶者输入燃烧空气/燃 料混合物以产生用于车辆的驱动扭矩的发动机102。发动机102可以是 汽油火花点火内燃发动机。
空气通过节气门阀112被吸入到进气歧管110中。仅举例而言， 节气门阀112可以包括具有可旋转叶片的蝶形阀。发动机控制模块 (ECM)114控制调节节气门阀112的开度以控制吸入到进气歧管110 中的空气量的节气门致动器模块116。
来自进气歧管110的空气被吸入到发动机102的汽缸中。虽然发 动机102可以包括多个汽缸，但是为了说明目的，示出单个代表性汽 缸118。仅举例而言，发动机102可以包括2、3、4、5、6、8、10和/ 或12个汽缸。ECM 114可以指示汽缸致动器模块120选择性地停用一 些汽缸，这在某些发动机操作条件下可以提高燃料经济性。
发动机102可以使用四冲程循环来操作。以下描述的四冲程可以 被称为进气冲程、压缩冲程、燃烧冲程以及排气冲程。在曲轴(未示 出)的每个旋转过程中，四个冲程中的两个在汽缸118内发生。因此， 汽缸118经历所有四个冲程必需两次曲轴旋转。
在进气冲程期间，来自进气歧管110的空气通过进气门122被吸 入到汽缸118中。ECM 114控制调节燃料喷射以实现目标空气/燃料比 的燃料致动器模块124。燃料可以在中心位置或者在多个位置(诸如靠 近每个汽缸的进气门122)喷射到进气歧管110中。在各个实施(未示 出)中，燃料可以直接喷射到汽缸中或者喷射到与汽缸相关的混合腔 室中。燃料致动器模块124可以暂停对被停用的汽缸的燃料喷射。
在汽缸118中，喷射的燃料与空气混合并且产生空气/燃料混合物。 在压缩冲程期间，汽缸118内的活塞(未示出)压缩空气/燃料混合物。 火花致动器模块126基于来自ECM 114的点燃空气/燃料混合物的信号 来激励汽缸118中的火花塞128。火花的正时可以相对于活塞位于其最 顶部位置(称为上止点(TDC))的时间来指定。
火花致动器模块126可以由指定在TDC之前或之后多久的正时信 号来控制产生火花。因为活塞位置与曲轴旋转直接有关，所以火花致 动器模块126的操作可以与曲轴角同步。产生火花可以称为点火事件。 火花致动器模块126可以具有对于每次点火事件改变火花正时的能力。 当火花正时在最后一次点火事件与下一次点火事件之间变化时，火花 致动器模块126可以对于下一次点火事件改变火花正时。火花致动器 模块126可以暂停对被停用的汽缸的火花提供。
在燃烧冲程期间，空气/燃料混合物的燃烧驱动活塞离开TDC，由 此驱动曲轴。燃烧冲程可以被定义为活塞到达TDC与活塞到达下止点 (BDC)的时间之间的时间。在排气冲程期间，活塞开始移动离开BDC， 并且通过排气门130排出燃烧副产物。燃烧副产物通过排气系统134 从车辆排出。
进气门122可以由进气凸轮轴140控制，而排气门130可以由排 气凸轮轴142控制。在各个实施中，多个进气凸轮轴(包括进气凸轮 轴140)可以控制用于汽缸118的多个进气门(包括进气门122)和/ 或可以控制多排汽缸(包括汽缸118)的进气门(包括进气门122)。 类似地，多个排气凸轮轴(包括排气凸轮轴142)可以控制用于汽缸 118的多个排气门和/或可以控制用于多排汽缸(包括汽缸118)的排气 门(包括排气门130)。在各个其他实施中，进气门122和/或排气门130 可以由除凸轮轴以外的设备(诸如无凸轮的阀致动器)控制。汽缸致 动器模块120可以通过使得进气门122和/或排气门130不能打开来停 用汽缸118。
进气门122打开的时间可以通过进气凸轮相位器148相对于活塞 TDC而改变。排气门130打开的时间可以通过排气凸轮相位器150相 对于活塞TDC而改变。相位器致动器模块158可以基于来自ECM 114 的信号来控制进气凸轮相位器148和排气凸轮相位器150。在实施时， 可变气门升程(未示出)也可以由相位器致动器模块158来控制。
发动机系统100可以包括涡轮增压器，该涡轮增压器包括由流过 排气系统134的热排气供以动力的热涡轮160-1。涡轮增压器还包括由 涡轮160-1驱动的冷空气压缩机160-2。压缩机160-2压缩引入节气门 阀112中的空气。在各个实施中，由曲轴驱动的增压器(未示出)可 以压缩来自节气门阀112的空气并且将压缩的空气传递到进气歧管 110。
废气门162可以允许排气绕开涡轮160-1，由此减少由涡轮增压器 提供的升压(进气空气压缩的量)。升压致动器模块164可以通过控制 废气门162的开度来控制涡轮增压器的升压。在各个实施中，两个或 更多个涡轮增压器可以被实施并且可以由升压致动器模块164来控制。
空气冷却器(未示出)可以将来自压缩空气充量的热量转移到冷 却介质(诸如发动机冷却液或空气)。使用发动机冷却液来冷却压缩空 气充量的空气冷却器可以称为中间冷却器。使用空气来冷却压缩空气 充量的空气冷却器可以称为充量空气冷却器。压缩空气充量可以例如 通过压缩和/或从排气系统134的部件接收热量。尽管为了说明目的分 开展示，但是涡轮160-1和压缩机160-2可以彼此附接，从而将进气空 气置于紧密接近热排气。
发动机系统100可以包括选择性地将排气重新引导回至进气歧管 110的排气再循环(EGR)阀170。EGR阀170可以位于涡轮增压器的 涡轮160-1的上游。EGR阀170可以由EGR致动器模块172基于来自 ECM 114的信号来控制。
曲轴的位置可以使用曲轴位置传感器180来测量。曲轴的旋转速 度(发动机速度)可以基于曲轴位置来确定。发动机冷却液的温度可 以使用发动机冷却液温度(ECT)传感器182来测量。ECT传感器182 可以位于发动机102内或者在冷却液循环的其他位置处，诸如散热器 (未示出)处。
进气歧管110内的压力可以使用歧管绝对压力(MAP)传感器184 来测量。在各个实施中，可以测量发动机真空(其是周围空气压力与 进气歧管110内的压力之间的差)。流入到进气歧管110中的空气的质 量流率可以使用空气质量流量(MAF)传感器186来测量。在各个实 施中，MAF传感器186可以位于壳体(其也包括节气门阀112)中。
节气门致动器模块116可以使用一个或多个节气门位置传感器 (TPS)190来监控节气门阀112的位置。吸入到发动机102中的空气 的周围温度可以使用进气温度(IAT)传感器192来测量。发动机系统 100还可以包括一个或多个其他传感器193，诸如周围湿度传感器、一 个或多个爆震传感器、压缩机出口压力传感器和/或节气门入口压力传 感器、废气门位置传感器、EGR位置传感器和/或一个或多个其他适合 的传感器。ECM 114可以使用来自传感器的信号来做出用于发动机系 统100的控制决策。
ECM 114可以与变速器控制模块194通信以协调变速器(未示出) 中的调档。例如，ECM 114可以在换档期间减少发动机扭矩。ECM 114 可以与混合控制模块196通信以协调发动机102和电动机198的操作。
电动机198也可以用作发电机，并且可以用来产生电能以供车辆 电气系统使用和/或以供存储在电池中。在各个实施中，ECM 114、变 速器控制模块194以及混合控制模块196的各种功能可以集成到一个 或多个模块中。
改变发动机参数的每个系统都可以称为发动机致动器。例如，节 气门致动器模块116可以调整节气门阀112的开度以实现目标节气门 打开面积。火花致动器模块126控制火花塞以实现相对于活塞TDC的 目标火花正时。燃料致动器模块124控制燃料喷射器以实现目标加燃 料参数。相位器致动器模块158可以分别控制进气凸轮相位器148和 排气凸轮相位器150以实现目标进气凸轮相位器角和目标排气凸轮相 位器角。EGR致动器模块172可以控制EGR阀170以实现目标EGR 打开面积。升压致动器模块164控制废气门162以实现目标废气门打 开面积。汽缸致动器模块120控制汽缸停用以实现目标数量的启用的 或停用的汽缸。
ECM 114产生用于发动机致动器的目标值以使得发动机102产生 目标发动机输出扭矩。ECM 114使用包括MPC和非MPC(仅举例而 言，比例积分微分(PID)控制)的多于一个控制系统来产生用于发动 机致动器的目标值，如以下进一步论述。ECM 114进一步将系统从MPC 过渡到非MPC，且反之亦然。
现在参照图2，呈现示例性发动机控制系统的功能方框图。ECM 114的示例性实施包括驾驶者扭矩模块202、车轴扭矩仲裁模块204以 及推进扭矩仲裁模块206。ECM 114可以包括混合优化模块208。ECM 114还可以包括储备/负载模块220、扭矩请求模块224、空气控制模块 228、火花控制模块232、汽缸控制模块236以及燃料控制模块240。
驾驶者扭矩模块202可以基于来自驾驶者输入模块104的驾驶者 输入255来确定驾驶者扭矩请求254。驾驶者输入255可以基于例如加 速踏板的位置和制动踏板的位置。驾驶者输入255还可以基于巡航控 制，该巡航控制可以是改变车辆速度以维持预定跟车间距的自适应巡 航控制系统。驾驶者扭矩模块202可以存储加速踏板位置到目标扭矩 的一个或多个映射并且可以基于选定的一个映射来确定驾驶者扭矩请 求254。
车轴扭矩仲裁模块204在驾驶者扭矩请求254与其他车轴扭矩请 求256之间进行仲裁。车轴扭矩(车轮处的扭矩)可以由各种源(包 括发动机和/或电动机)产生。例如，车轴扭矩请求256可以包括在检 测到正车轮滑移时由牵引控制系统请求的扭矩减少。当车轴扭矩克服 车轮与路面之间的摩擦时发生正车轮滑移，并且车轮开始与路面相反 地滑移。车轴扭矩请求256还可以包括抵消负车轮滑移的扭矩增加请 求，其中因为车轴扭矩为负而使得车辆的轮胎相对于路面沿另一方向 滑移。
车轴扭矩请求256还可以包括制动管理请求和车辆超速扭矩请求。 制动管理请求可以减少车轴扭矩以确保车轴扭矩不会超出当车辆停止 时保持住车辆的制动能力。车辆超速扭矩请求可以减少车轴扭矩以防 止车辆超出预定速度。车轴扭矩请求256还可以由车辆稳定性控制系 统产生。
车轴扭矩仲裁模块204基于接收到的扭矩请求254与256之间的 仲裁结果输出预测扭矩请求257和即时扭矩请求258。如以下所描述， 来自车轴扭矩仲裁模块204的预测扭矩请求257和即时扭矩请求258 可以在用于控制发动机致动器之前选择性地由ECM 114的其他模块来 调整。
一般而言，即时扭矩请求258可以是当前所需的车轴扭矩的量， 而预测扭矩请求257可以是忽然可能需要的车轴扭矩的量。ECM 114 控制发动机系统100以产生等于即时扭矩请求258的车轴扭矩。然而， 目标值的不同组合可以产生相同的车轴扭矩。因此，ECM 114可以调 整目标值以使得能够快速过渡到预测扭矩请求257，同时仍将车轴扭矩 维持在即时扭矩请求258。
在各个实施中，预测扭矩请求257可以基于驾驶者扭矩请求254 来设置。即时扭矩请求258在一些情况下(诸如当驾驶者扭矩请求254 使得车轮在冰面上滑移时)可以被设置成小于预测扭矩请求257。在此 状况下，牵引控制系统(未示出)可以通过即时扭矩请求258请求减 少，并且ECM 114减少到即时扭矩请求258的发动机扭矩输出。然而， 一旦车轮滑移停止则ECM 114执行减少，因此发动机系统100可以迅 速地恢复产生预测扭矩请求257。
一般而言，即时扭矩请求258与(通常较高的)预测扭矩请求257 之间的差异可以称为扭矩储备。扭矩储备可以代表发动机系统100可 以开始以最小延迟产生的额外扭矩的量(高于即时扭矩请求258)。快 速发动机致动器用来以最小延迟增加或减少当前车轴扭矩。快速发动 机致动器与慢速发动机致动器相反地定义。
一般而言，快速发动机致动器可以比慢速发动机致动器更迅速地 改变车轴扭矩。慢速致动器可以比快速致动器更慢地响应于其相应的 目标值的改变。例如，慢速致动器可以包括需要时间来响应于目标值 的改变而从一个位置移动到另一个位置的机械部件。慢速致动器的特 征还可以在于一旦慢速致动器开始实施改变的目标值则其使得车轴扭 矩开始改变而花费的时间量。通常，此时间量对于慢速致动器而言将 比对于快速致动器而言长。此外，即使在开始改变之后，车轴扭矩可 能花费更长时间来完全响应慢速致动器中的改变。
仅举例而言，火花致动器模块126可以是快速致动器。火花点火 发动机可以通过施加火花来燃烧燃料，燃料包括例如汽油和乙醇。作 为对比，节气门致动器模块116可以是慢速致动器。
例如，如以上所描述，当火花正时在最后一次点火事件与下一次 点火事件之间变化时，火花致动器模块126可以改变用于下一个点火 事件的火花正时。作为对比，节气门开度的改变花费较长时间来影响 发动机输出扭矩。节气门致动器模块116通过调整节气门阀112的叶 片的角来改变节气门开度。因此，当用于节气门阀112的开度的目标 值被改变时，由于节气门阀112响应于该改变从其前一位置移动到新 位置而存在机械延迟。此外，基于节气门开度的空气流量改变在进气 歧管110中经历空气输送延迟。此外，进气歧管110中增加的空气流 量直到汽缸118在下一个进气冲程中接收额外空气、压缩额外空气并 且开始燃烧冲程才被实现为发动机输出扭矩的增加。
使用这些致动器作为实例，扭矩储备可以通过将节气门开度设置 为将会允许发动机102产生预测扭矩请求257的值来产生。同时，火 花正时可以基于即时扭矩请求258来设置，该即时扭矩请求小于预测 扭矩请求257。尽管节气门开度产生足够发动机102产生预测扭矩请求 257的空气流量，但是火花正时基于即时扭矩请求258而受到延迟(这 减少扭矩)。因此，发动机输出扭矩将等于即时扭矩请求258。
当需要额外扭矩时，火花正时可以基于预测扭矩请求257或预测 扭矩请求257与即时扭矩请求258之间的扭矩来设置。通过随后的点 火事件，火花致动器模块126可以将火花正时返回到允许发动机102 产生可通过已经存在的空气流量实现的全部发动机输出扭矩的最佳 值。因此，发动机输出扭矩可以被快速增加到预测扭矩请求257，而不 会由于改变节气门开度而经历延迟。
车轴扭矩仲裁模块204可以将预测扭矩请求257和即时扭矩请求 258输出到推进扭矩仲裁模块206。在各个实施中，车轴扭矩仲裁模块 204可以将预测扭矩请求257和即时扭矩请求258输出到混合优化模块 208。
混合优化模块208可以确定发动机102应产生多少扭矩和电动机 198应产生多少扭矩。混合优化模块208随后分别将修改后的预测扭矩 请求259和修改后的即时扭矩请求260输出到推进扭矩仲裁模块206。 在各个实施中，混合优化模块208可以在混合控制模块196中实施。
推进扭矩仲裁模块206接收到的预测扭矩请求和即时扭矩请求从 车轴扭矩域(车轮处的扭矩)转换为推进扭矩域(曲轴处的扭矩)。此 转换可以在混合优化模块208之前、之后、作为其一部分或替代其发 生。
推进扭矩仲裁模块206在推进扭矩请求290(包括转换后的预测扭 矩请求和即时扭矩请求)之间进行仲裁。推进扭矩仲裁模块206产生 仲裁的预测扭矩请求261和仲裁的即时扭矩请求262。仲裁的扭矩请求 261和262可以通过从接收到的扭矩请求中选择获胜的请求来产生。替 代地或额外地，仲裁的扭矩请求可以通过基于接收到的扭矩请求中的 另一个或多个来修改接收到的请求中的一个来产生。
例如，推进扭矩请求290可以包括用于发动机超速保护的扭矩减 少、用于失速防止的扭矩增加以及由变速器控制模块194请求适应换 档的扭矩减少。推进扭矩请求290还可以由离合器燃油切断导致，离 合器燃油切断在驾驶者踩下手动变速器车辆中的离合器踏板以防止发 动机速度的突变时减少发动机输出扭矩。
推进扭矩请求290还可以包括在检测到致命故障时可以开始的发 动机关闭请求。仅举例而言，致命故障可以包括车辆盗窃、卡住起动 器电机、电子节气门控制问题以及非预期的扭矩增加的检测。在各个 实施中，当存在发动机关闭请求时，仲裁选择发动机关闭请求作为获 胜的请求。当存在发动机关闭请求时，推进扭矩仲裁模块206可以输 出零作为仲裁的预测扭矩请求261和仲裁的即时扭矩请求262。
在各个实施中，发动机关闭请求可以与仲裁过程分开地仅关闭发 动机102。推进扭矩仲裁模块206仍可以接收发动机关闭请求，这样使 得例如适当的数据可以被反馈到其他扭矩请求者。例如，所有其他扭 矩请求者可以被通知他们已输掉仲裁。
储备/负载模块220接收仲裁的预测扭矩请求261和仲裁的即时扭 矩请求262。储备/负载模块220可以调整仲裁的预测扭矩请求261和 仲裁的即时扭矩请求262来创建扭矩储备和/或补偿一个或多个负载。 储备/负载模块220随后将调整后的预测扭矩请求263和调整后的即时 扭矩请求264输出到扭矩请求模块224。
仅举例而言，催化剂熄灯过程或冷启动减排过程可能要求延迟的 火花正时。因此，储备/负载模块220可以将调整后的预测扭矩请求263 增加到高于调整后的即时扭矩请求264以创建用于冷启动减排过程的 延迟的火花。在另一个实例中，发动机的空气/燃料比和/或空气质量流 量可以直接改变，诸如通过诊断侵入等值比测试和/或新发动机净化。 在开始这些过程之前，扭矩储备可以被创建或增加以迅速弥补在这些 过程期间由于稀化空气/燃料混合物导致的发动机输出扭矩的减少。
储备/负载模块220还可以在预期未来负载的情况下创建或增加扭 矩储备，诸如动力转向泵操作或空气调节(A/C)压缩机离合器的接合。 当驾驶者首次请求空气调节时，可以创建用于A/C压缩机离合器的接 合的储备。储备/负载模块220可以增加调整后的预测扭矩请求263同 时使得调整后的即时扭矩请求264不变以产生扭矩储备。随后，当A/C 压缩机离合器接合时，储备/负载模块220可以通过A/C压缩机离合器 的估计出的负载来增加调整后的即时扭矩请求264。
扭矩请求模块224接收调整后的预测扭矩请求263和调整后的即 时扭矩请求264。扭矩请求模块224确定将如何实现调整后的预测扭矩 请求263和调整后的即时扭矩请求264。扭矩请求模块224可以是发动 机型号专有的。例如，扭矩请求模块224可以不同地实施或者对于火 花点火发动机相对压缩点火发动机使用不同的控制方案。
在各个实施中，扭矩请求模块224可以定义横跨所有发动机型号 共用的模块与发动机型号专有的模块之间的界线。例如，发动机型号 可以包括火花点火和压缩点火。扭矩请求模块224之前的模块(诸如 推进扭矩仲裁模块206)可以是横跨发动机型号共用的，而扭矩请求模 块224和随后的模块可以是发动机型号专有的。
扭矩请求模块224基于调整后的预测扭矩请求263和调整后的即 时扭矩请求264确定空气扭矩请求265。空气扭矩请求265可以是制动 扭矩。制动扭矩可以指代在当前操作条件下曲轴处的扭矩。
基于空气扭矩请求265确定用于控制发动机致动器的空气流的目 标值。更具体来说，基于空气扭矩请求265，空气控制模块228确定目 标废气门打开面积266、目标节气门打开面积267、目标EGR打开面 积268、目标进气凸轮相位器角269以及目标排气凸轮相位器角270。 空气控制模块228使用模型预测控制来确定目标废气门打开面积266、 目标节气门打开面积267、目标EGR打开面积268、目标进气凸轮相 位器角269以及目标排气凸轮相位器角270，如以下进一步论述。
升压致动器模块164控制废气门162以实现目标废气门打开面积 266。例如，第一转换模块272可以将目标废气门打开面积266转换为 目标占空比274以应用于废气门162，并且升压致动器模块164可以基 于目标占空比274将信号应用于废气门162。在各个实施中，第一转换 模块272可以将目标废气门打开面积266转换为目标废气门位置(未 示出)，并且将目标废气门位置转换为目标占空比274。
节气门致动器模块116控制节气门阀112以实现目标节气门打开 面积267。例如，第二转换模块276可以将目标节气门打开面积267转 换为目标占空比278以应用于节气门阀112，并且节气门致动器模块 116可以基于目标占空比278将信号应用于节气门阀112。在各个实施 中，第二转换模块276可以将目标节气门打开面积267转换为目标节 气门位置(未示出)，并且将目标节气门位置转换为目标占空比278。
EGR致动器模块172控制EGR阀170以实现目标EGR打开面积 268。例如，第三转换模块280可以将目标EGR打开面积268转换为 目标占空比282以应用于EGR阀170，并且EGR致动器模块172可以 基于目标占空比282将信号应用于EGR阀170。在各个实施中，第三 转换模块280可以将目标EGR打开面积268转换为目标EGR位置(未 示出)，并且将目标EGR位置转换为目标占空比282。
相位器致动器模块158控制进气凸轮相位器148以实现目标进气 凸轮相位器角269。相位器致动器模块158还控制排气凸轮相位器150 以实现目标排气凸轮相位器角270。在各个实施中，可以包括第四转换 模块(未示出)并且其可以将目标进气和排气凸轮相位器角分别转换 为目标进气占空比和目标排气占空比。相位器致动器模块158可以分 别将目标进气占空比和目标排气占空比应用于进气凸轮相位器148和 排气凸轮相位器150。在各个实施中，空气控制模块228可以确定目标 重叠因数和目标有效位移，并且相位器致动器模块158可以控制进气 凸轮相位器148和排气凸轮相位器150以实现目标重叠因数和目标有 效位移。
扭矩请求模块224还可以基于预测扭矩请求263和即时扭矩请求 264产生火花扭矩请求283、汽缸关闭扭矩请求284和燃料扭矩请求 285。火花控制模块232可以基于火花扭矩请求283来确定使得火花正 时从最佳火花正时延迟多少(这减少发动机输出扭矩)。仅举例而言， 可以反转扭矩关系以求解目标火花正时286。对于给定扭矩请求(TReq)， 可以基于以下公式确定目标火花正时(ST)286：
(1) ST＝f-1(TReq，APC，I，E，AF，OT，#)，
其中APC是APC，I是进气门定相值，E是排气门定相值，AF是空气 /燃料比，OT是油温，并且#是启动的汽缸的数量。此关系可以实施为 方程和/或查找表。空气/燃料比(AF)可以是实际空气/燃料比，如由 燃料控制模块240所报告的。
当火花正时被设置为最佳火花正时，所得的扭矩可以尽可能接近 最大最佳扭矩(MBT)。MBT是指在使用具有比预定辛烷额定值大的 辛烷额定值的燃料并且使用化学计量加燃料时，由于火花正时提前而 对于给定空气流量产生的最大发动机输出扭矩。此最大扭矩发生的火 花正时称为MBT火花正时。最佳火花正时可能由于例如燃料质量(诸 如当使用较低辛烷燃料时)和环境因素(诸如周围湿度和温度)而与 MBT火花正时稍微不同。因此，最佳火花正时的发动机输出扭矩可以 小于MBT。仅举例而言，对应于不同发动机操作条件的最佳火花正时 的表可以在车辆设计的校准阶段期间确定，并且基于当前发动机操作 条件从该表确定最佳值。
汽缸关闭扭矩请求284可以由汽缸控制模块136用来确定将禁用 的汽缸的目标数量287。在各个实施中，可以使用将启动的汽缸的目标 数量。汽缸致动器模块120基于目标数量287来选择性的启动和禁用 汽缸的阀。
汽缸控制模块236还可以指示燃料控制模块240以停止对禁用的 汽缸提供燃料并且可以指示火花控制模块232以停止对禁用的汽缸提 供火花。一旦已经存在于汽缸中的燃料/空气混合物被燃烧，则火花控 制模块232可以停止对汽缸提供火花。
燃料控制模块240可以基于燃料扭矩请求285来改变提供给每个 汽缸的燃料的量。更具体来说，燃料控制模块240可以基于燃料扭矩 请求285来产生目标加燃料参数288。目标加燃料参数288可以包括例 如目标燃料质量、目标喷射起动正时以及燃料喷射的目标数量。
在正常操作过程中，燃料控制模块240可以在空气引导模式下操 作，其中燃料控制模块240试图通过基于空气流量控制加燃料来维持 化学计量的空气/燃料比。例如，燃料控制模块240可以确定在与当前 每汽缸空气(APC)质量相组合时将产生化学计量的燃烧的目标燃料 质量。
图3是空气控制模块228的示例性实施的功能方框图。现在参照 图2和3，如以上所论述，空气扭矩请求265可以是制动扭矩。扭矩转 换模块304将空气扭矩请求265从制动扭矩转换为基础扭矩。由于转 换为基础扭矩而产生的扭矩请求将被称为基础空气扭矩请求308。
基础扭矩可以指代当发动机102温热并且附件(诸如交流发电机 和A/C压缩机)不对发动机102施加扭矩负载时，测力计上的在发动 机102的操作过程中产生的曲轴上的扭矩。扭矩转换模块304可以例 如使用将制动扭矩与基础扭矩相关联的映射或函数来将空气扭矩请求 265转换为基础空气扭矩请求308。在各个实施中，扭矩转换模块304 可以将空气扭矩请求265转换为另一种适合类型的扭矩(诸如指示的 扭矩)。指示的扭矩可以指代由于通过汽缸内的燃烧产生的功而导致的 曲轴处的扭矩。
MPC模块312使用MPC(模型预测控制)方案产生MPC目标值 316至320。MPC模块312可以是单个模块或者可以包括多个模块。例 如，MPC模块312可以包括序列确定模块322。序列确定模块322确 定可以在N个未来的控制回路期间一起使用的MPC目标值316至320 的可能序列。由序列确定模块322识别出的每个可能序列包括用于 MPC目标值316至320中的每一个的N个值序列。换言之，每个可能 序列包括用于目标废气门打开面积316的N个值的序列、用于目标节 气门打开面积317的N个值的序列、用于目标EGR打开面积318的N 个值的序列、用于目标进气凸轮相位器角319的N个值的序列以及用 于目标排气凸轮相位器角320的N个值的序列。N个值中的每一个是 用于N个未来控制回路中的对应回路。N是大于或等于一的整数。
预测模块324基于发动机102的(数学)模型326、外源输入328 和反馈输入330来分别确定发动机102对MPC目标值316至320的可 能序列的预测响应。更具体来说，基于MPC目标值316至320的可能 序列、外源输入328和反馈输入330，预测模块324使用模型326产生 用于N个控制回路的发动机102的预测扭矩序列、用于N个控制回路 的预测APC序列、用于N个控制回路的预测量外部稀释序列、用于N 个控制回路的预测量剩余稀释序列、用于N个控制回路的预测燃烧定 相值序列以及用于N个控制回路的预测燃烧质量值序列。虽然描述产 生预测扭矩、预测APC、预测外部稀释、预测剩余稀释、预测燃烧定 相以及预测燃料质量的实例，但是预测参数可以包括一个或多个其他 预测发动机操作参数。
模型326可以是例如基于发动机102的特征校准的函数或映射。 模型326可以与发动机状态确定模块376通信。发动机状态确定模块 376进一步与过渡模块372通信。发动机状态确定模块376接收来自 ECT传感器182的发动机温度数据、来自IAT传感器192的进气温度 数据、来自发动机控制模块114的发动机运行时间数据380以及来自 发动机控制模块114或其他传感器193的其他发动机参数384。发动机 状态确定模块376还接收来自过渡模块372的控制请求(仅举例而言， 目标废气门266、目标节气门267、目标EGR 268、目标进气269以及 目标排气270)，如下文进一步论述。发动机状态确定模块376包括保 持追踪发动机状态的状态估计器378。状态估计器378通过卡尔曼滤波 器实施并且使用控制请求(仅举例而言，废气门、节气门、ICAM、ECAM 以及EGR阀面积)来通过模型326估计发动机的预测状态。状态估计 器378使用来自各种传感器(例如，ECT传感器182、IAT传感器192、 发动机控制模块114以及其他发动机参数384和其他传感器193)的测 量来更新状态估计器378内的发动机的实际状态。卡尔曼滤波器在来 自控制输入的预测结果与来自发动机的测量之间调和。发动机状态确 定模块376将所确定的发动机状态和状态估计器378的状态传达到模 型326和过渡模块372。
稀释可以指代被捕捉在汽缸内以用于燃烧事件的来自先前燃烧事 件的排气量。外部稀释可以指代通过EGR阀170提供以用于燃烧事件 的排气。剩余稀释(也称为内部稀释)可以指代在燃烧周期的排气冲 程之后汽缸中剩余的排气和/或被推回到汽缸中的排气。剩余稀释也可 以称为内部稀释。
燃烧定相可以指代相对于用于燃烧预定量的喷射燃料的预定曲轴 位置的在汽缸内燃烧预定量的喷射燃料的曲轴位置。例如，燃烧定相 可以按照相对于预定CA50的CA50来表达。CA50可以指代在汽缸内 已经燃烧喷射燃料质量的50％情况下的曲轴角(CA)。预定CA50可以 对应于由喷射燃料产生最大量的功的CA50并且在各个实施中可以为 在TDC之后的约8.5至约10度。虽然将就CA50值来论述燃烧定相， 但是可以使用指示燃烧定相的另一个适合的参数。此外，虽然燃烧质 量将被论述为指示的平均有效压力(IMEP)值的变化系数(COV)， 但是可以使用指示燃烧质量的另一个适合的参数。
外源输入328可以包括不直接受节气门阀112、EGR阀170、涡轮 增压器、进气凸轮相位器148以及排气凸轮相位器150影响的参数。 例如，外源输入328可以包括发动机速度、涡轮增压器入口空气压力、 IAT和/或一个或多个其他参数。反馈输入330可以包括例如发动机102 的估计出的扭矩输出、涡轮增压器的涡轮160-1下游的排气压力、IAT、 发动机102的APC、估计出的剩余稀释、估计出的外部稀释和/或一个 或多个其他适合的参数。反馈输入330可以使用传感器(例如，IAT) 来测量和/或基于一个或多个其他参数来估计。
例如，预测模块324可以基于以下关系来产生用于给定的可能目 标值序列的预测参数：
x(k+1)＝Ax(k)+Bu(k)；以及
y(k)＝Cx(k)，
其中k是当前控制回路，x(k+1)是具有指示用于下一个控制回路k+1 的发动机102的状态的条目的向量，A是包括基于发动机102的特征 校准的常数值的矩阵，x(k)是具有指示用于当前控制回路的发动机102 的状态的条目的向量，B是包括基于发动机102的特征校准的常数值的 矩阵，u(k)是包括用于当前控制回路的可能目标值的条目的向量，y(k) 是包括用于当前控制回路的预测参数的向量，并且C是包括基于发动 机102的特征校准的常数值的矩阵。在当前控制回路期间确定的向量 x(k+1)将用作下一个控制回路期间的向量x(k)。因此，关系也可以写为：
x(k)＝Ax(k-1)+Bu(k-1)；以及
y(k)＝Cx(k)，
其中k是当前控制回路，x(k-1)是具有指示用于上一个控制回路的发动 机102的状态的条目的向量，A是包括基于发动机102的特征校准的 常数值的矩阵，x(k)是具有指示用于当前控制回路的发动机102的状态 的条目的向量，B是包括基于发动机102的特征校准的常数值的矩阵， u(k-1)是包括用于上一个控制回路的可能目标值的条目的向量。
现在将描述如何对于包括预测扭矩、预测APC、预测外部稀释、 预测剩余稀释、预测燃烧定相以及预测燃料质量的预测参数的实例重 写以上关系的分量。x(k+1)可以重写为：
其中x1(k+1)是用于下一个控制回路的发动机102的第一状态参数， x2(k+1)是用于下一个控制回路的发动机102的第二状态参数，x3(k+1) 是用于下一个控制回路的发动机102的第三状态参数，x4(k+1)是用于 下一个控制回路的发动机102的第四状态参数，x5(k+1)是用于下一个 控制回路的发动机102的第五状态参数，并且x6(k+1)是用于下一个控 制回路的发动机102的第六状态参数。
矩阵A可以重写为：
其中a11至a66是基于发动机102的特征校准的常数值。
向量x(k)可以重写为：
其中x1(k)是用于当前控制回路的发动机102的第一状态参数，x2(k) 是用于当前控制回路的发动机102的第二状态参数，x3(k)是用于当前 控制回路的发动机102的第三状态参数，x4(k)是用于当前控制回路的 发动机102的第四状态参数，x5(k)是用于当前控制回路的发动机102 的第五状态参数，并且x6(k)是用于当前控制回路的发动机102的第六 状态参数。向量x(k)的条目是在先前控制回路期间计算出的向量x(k+1) 的条目。在当前控制回路期间计算出的向量x(k+1)的条目在下一个控 制回路期间用作向量x(k)的条目。
矩阵B可以重写为：
其中b11至b65是基于发动机102的特征校准的常数值。
向量u(k)可以重写为：
其中PTT是用于当前控制回路的可能序列的可能目标节气门开度， PTWG是用于当前控制回路的可能序列的可能目标废气门开度， PTEGR是用于当前控制回路的可能序列的可能目标EGR开度，PTICP 是用于当前控制回路的可能序列的可能目标进气凸轮定相值，并且 PTECP是用于当前控制回路的可能序列的可能目标排气凸轮定相值。
向量y(k)可以重写为：
其中PT是用于当前控制回路的发动机102的预测扭矩，PAPC是用于 当前控制回路的发动机102的预测APC，PED是用于当前控制回路的 外部稀释的预测量，PRD是用于当前控制回路的剩余稀释的预测量， PCP是用于当前控制回路的预测燃烧定相，并且PCQ是用于当前控制 回路的预测燃烧质量。
矩阵C可以重写为：
其中c11至c66是基于发动机102的特征校准的常数值。
模型326包括用于不同操作条件的A、B和C矩阵的几个不同组。 预测模块324基于发动机速度、发动机负载和/或一个或多个其他参数 来选择使用A、B和C矩阵的哪个组。
对于包括预测扭矩、预测APC、预测外部稀释、预测剩余稀释、 预测燃烧定相以及预测燃料质量的预测参数的实例，以上关系可以因 此重写为：
以及
预测模块324还可以分别基于预测参数与那些参数的测量或估计 值之间的差异来调整预测参数中的一个或多个。例如，预测模块324 可以包括一个或多个积分器，诸如用于每个预测参数的一个积分器。 积分器可以基于在一个时间周期内预测参数与那个参数的测量或估计 值之间的差异来确定积分值。
例如，积分器可以基于预测扭矩与发动机扭矩的测量或估计值之 间的差异来确定扭矩积分值。另一个积分器可以基于预测APC与APC 的测量或估计值之间的差异来确定APC积分值。预测模块324可以在 预测参数用于成本确定中之前基于相关的积分值来调整预测参数。例 如，预测模块324可以基于扭矩积分值来调整预测扭矩、基于APC积 分值来调整预测APC等等。
成本模块332基于对于可能序列确定的预测参数和输出参考值356 确定用于MPC目标值316至320的每个可能序列的成本值。如以下论 述的，MPC模块312可以基于具有最低成本的MPC目标值316至320 的可能序列中的一个来控制发动机致动器。以下进一步论述示例性成 本确定。以下进一步论述示例性成本确定。
选择模块344分别基于可能序列的成本来选择MPC目标值316至 320的可能序列中的一个。例如，选择模块344可以选择可能序列中具 有最低成本同时满足致动器约束348和输出约束352的一个序列。在 各个实施中，发动机的数学模型可以选择可能序列中具有最低成本同 时满足致动器约束348和输出约束352的一个序列。
在各个实施中，可以在成本确定中考虑到致动器约束348和输出 约束的满足。换言之，成本模块332可以进一步基于致动器约束348 和输出约束352来确定成本值。如以下进一步论述，基于如何确定成 本值，选择模块344将选择可能序列中最佳实现基础空气扭矩请求308 同时最小化APC受制于致动器约束348和输出约束352的一个序列。
选择模块344可以分别将MPC目标值316至320设置为选定可能 序列的N个值中的第一值。换言之，选择模块344可以将MPC目标废 气门打开面积316设置为用于MPC目标废气门打开面积316的N个值 的序列中的N个值的第一值，将MPC目标节气门打开面积317设置为 用于MPC目标节气门打开面积317的N个值的序列中的N个值的第 一值，将MPC目标EGR打开面积318设置为用于MPC目标EGR打 开面积318的N个值的序列中的N个值的第一值，将MPC目标进气 凸轮相位器角319设置为用于MPC目标进气凸轮相位器角319的N个 值的序列中的N个值的第一值，并且将MPC目标排气凸轮相位器角 320设置为用于MPC目标排气凸轮相位器角320的N个值的序列中的 N个值的第一值。
在下一个控制回路期间，MPC模块312识别可能序列、产生用于 可能序列的预测参数、确定可能序列中的每一个的成本、选择可能序 列中的一个并且将MPC目标值316至320设置为选定可能序列中的第 一组MPC目标值316至320。此过程继续用于每一个控制回路。
致动器约束模块360(参见图2)设置用于MPC目标值316至320 中的每一个的致动器约束348中的一个。换言之，致动器约束模块360 设置用于节气门阀112的致动器约束、用于EGR阀170的致动器约束、 用于废气门阀162的致动器约束、用于进气凸轮相位器148的致动器 约束以及用于排气凸轮相位器150的致动器约束。
用于MPC目标值316至320中的每一个的致动器约束348可以包 括用于相关目标值的最大值和用于那个目标值的最小值。致动器约束 模块360通常可以将致动器约束348设置为用于相关致动器的预定操 作范围。更具体来说，致动器约束模块360通常可以分别将致动器约 束348设置为用于节气门阀112、EGR阀170、废气门162、进气凸轮 相位器148以及排气凸轮相位器150的预定操作范围。
然而，致动器约束模块360在某些情况下可以选择性地调整致动 器约束348中的一个或多个。例如，当在给定发动机致动器中诊断出 故障时，致动器约束模块360可以调整用于那个给定致动器的致动器 约束以使得用于那个发动机致动器的操作范围变窄。仅举另一个实例 而言，例如，对于故障诊断(诸如凸轮相位器故障诊断、节气门诊断、 EGR诊断等)，致动器约束模块360可以调整致动器约束以使得用于给 定致动器的目标值遵循随时间的预定时间表或者改变预定量。对于遵 循随时间的预定时间表或者改变预定量的目标值而言，致动器约束模 块360可以将最小和最大值设置为相同的值。被设置为相同值的最小 和最大值可以迫使对应的目标值被设置为与最小和最大值相同的值。 致动器约束模块360可以随时间改变最小和最大值被设置为的相同值 以使得目标值遵循预定时间表。
输出约束模块364(参见图2)设置用于发动机102的预测扭矩输 出、预测CA50、IMEP的预测COV、预测剩余稀释以及预测外部稀释 的输出约束352。用于每一个预测值的输出约束352可以包括用于相关 的预测参数的最大值和用于那个预测参数的最小值。例如，输出约束 352可以包括最小扭矩、最大扭矩、最小CA50和最大CA50、IMEP 的最小COV和IMEP的最大COV、最小剩余稀释和最大剩余稀释以及 最小外部稀释和最大外部稀释。
输出约束模块364通常可以分别将输出约束352设置为用于相关 的预测参数的预定范围。然而，输出约束模块364在一些情况下可以 改变输出约束352中的一个或多个。例如，输出约束模块364可以延 迟最大CA50，诸如当发动机102内发生爆震时。举另一个实例，输出 约束模块364可以在低负载条件下增加IMEP的最大COV，诸如在可 能需要IMEP的较高COV来实现给定扭矩请求的发动机怠速过程中。
参考模块368(参见图2)分别产生用于MPC目标值316至320 的参考值356。参考值356包括用于MPC目标值316至320中的每一 个的参考。换言之，参考值356包括参考废气门打开面积、参考节气 门打开面积、参考EGR打开面积、参考进气凸轮相位器角以及参考排 气凸轮相位器角。
参考模块368可以例如基于空气扭矩请求265、基础空气扭矩请求 308和/或一个或多个其他适合的参数来确定参考值356。参考值356分 别提供用于设置MPC目标值316至320的参考。参考值356可以用来 确定用于可能序列的成本值。还可以鉴于一个或多个其他原因来使用 参考值356，诸如由序列确定模块322用来确定可能序列。
作为产生可能目标值的序列和确定每个序列的成本的替代或添 加，MPC模块312可以使用凸优化技术来识别具有最低成本的可能目 标值的序列。例如，MPC模块312可以使用二次规划(QP)解算器(诸 如丹齐格QP解算器)来确定MPC目标值316至320。在另一个实例 中，MPC模块312可以产生用于MPC目标值316至320的可能序列 的成本值的面，并且基于成本面的斜率来识别具有最低成本的一组可 能目标值。MPC模块312随后可以测试那组可能目标值以确定那组可 能目标值是否满足致动器约束348和输出约束352。如果满足，则MPC 模块312可以分别将MPC目标值316至320设置为那个选定的可能序 列中的N个值中的第一值，如以上所论述。
如果不满足致动器约束348和/或输出约束352，则MPC模块312 选择具有下一个最低成本的另一个可能目标值序列，并且测试那个可 能目标值序列以满足致动器约束348和输出约束352。选择序列和测试 该序列以满足致动器约束348和输出约束352的过程可以称为迭代。 在每个控制回路期间可以执行多个迭代。
MPC模块312执行迭代直到识别出满足致动器约束348和输出约 束352的具有最低成本的序列。以此方式，MPC模块312选择具有最 低成本同时满足致动器约束348和输出约束352的可能目标值序列。 如果不能识别出序列，则MPC模块312可以指示不可获得解决方案。
成本模块332可以基于以下各项之间的关系来确定用于MPC目标 值316至320的可能序列的成本：预测扭矩与基础空气扭矩请求308； 预测APC与零；可能目标值与相应致动器约束348；其他预测参数与 相应输出约束352；以及可能目标值与相应参考值356。所述关系可以 例如被加权以控制每个关系对成本的影响。
仅举例而言，成本模块332可以基于以下关系来确定用于目标值 266至270的可能序列的成本：
该关系受制于致动器约束348和输出约束352。Cost是用于MPC 目标值316至320的可能序列的成本。TPi是用于N个控制回路中的第 i个控制回路的发动机102的预测扭矩，BTRi是用于N个控制回路中 的第i个控制回路的基础扭矩请求308，并且wT是与预测扭矩与基础 扭矩请求308之间的关系相关的加权值。APCPi是用于N个控制回路 中的第i个控制回路的预测APC，MinAPC是预定最小APC，并且wA 是与预测APC与预定最小APC之间的关系相关的加权值。
PTTOi是用于N个控制回路中的第i个控制回路的可能目标节气 门开度，TORef是参考节气门开度，并且wTV是与可能目标节气门开 度与参考节气门开度之间的关系相关的加权值。PTWGOi用于N个控 制回路中的第i个控制回路的可能目标废气门开度，WGORef是参考废 气门开度，并且wWG是与可能目标废气门开度与参考废气门开度之间 的关系相关的加权值。
PTEGROi是用于N个控制回路的第i个控制回路的可能目标EGR 开度，EGRRef是参考EGR开度，并且wEGR是与可能目标EGR开度 与参考EGR开度之间的关系相关的加权值。PTICi是用于N个控制回 路的第i个控制回路的可能目标进气凸轮相位器角，ICPRef是参考进 气凸轮相位器角，并且wIP是与可能目标进气凸轮相位器角与参考进 气凸轮相位器角之间的关系相关的加权值。PTECi是用于N个控制回 路的第i个控制回路的可能目标排气凸轮相位器角，ECPRef是参考排 气凸轮相位器角，并且wEP是与可能目标排气凸轮相位器角与参考排 气凸轮相位器角之间的关系相关的加权值。
ρ是与输出约束352的满足相关的加权值。∈是成本模块332可以 基于输出约束352是否将被满足来设置的变量。例如，当预测参数大 于或小于对应的最小或最大值(例如，至少预定量)时，成本模块332 可以增加∈。当满足所有输出约束352时，成本模块332可以将∈设置 为零。ρ可以大于加权值wT、加权值wA和其他加权值(wTV、wWG、 wEGR、wIP、wEP)，这样使得如果未满足输出约束352中的一个或多 个则对于可能序列确定的成本将是巨大的。这可以帮助防止选择其中 未满足输出约束352中的一个或多个的可能序列。
加权值wT可以大于加权值wA以及加权值wTV、wWG、wEGR、 wIP和wEP。以此方式，预测发动机扭矩与基础扭矩请求308之间的 关系对成本具有较大影响，且因此对可能序列中的一个的选择具有较 大影响，如以下进一步论述。成本随着预测发动机扭矩与基础扭矩请 求308之间的差异增加而增加，且反之亦然。
加权值wA可以小于加权值wT并且大于加权值wTV、wWG、 wEGR、wIP和wEP。以此方式，预测APC与零之间的关系对成本具 有较大影响，但是小于预测发动机扭矩与基础空气扭矩请求308之间 的关系的影响。成本随着预测APC与预定最小APC之间的差异增加而 增加，且反之亦然。仅举例而言，预定最小APC可以是零或另一个适 合的值。
基于预测APC与预定最小APC之间的差异确定成本有助于确保 APC将被最小化。当基于实际APC控制加燃料以实现目标空气/燃料混 合物时，减少APC减少燃料消耗。由于选择模块344可以选择可能序 列中具有最低成本的一个序列，所以选择模块344可以选择可能序列 中最佳实现基础空气扭矩请求308同时最小化APC的一个序列。虽然 论述最小化APC的实例，但是在各个实施中，可以预测和最大化效率 参数。例如，效率参数可以是预测扭矩除以预测APC。
加权值wTV、wWG、wEGR、wIP和wEP可以小于所有其他加权 值。以此方式，在稳态操作过程中，MPC目标值316至320可以分别 设置接近参考值356或者处于所述参考值。然而，在瞬间操作过程中， MPC模块312可以调整MPC目标值316至320远离参考值356以实 现基础空气扭矩请求308，同时最小化APC并且满足致动器约束348 和输出约束352。
一旦确定MPC目标值316至320，则过渡模块372从选择模块344 接收MPC目标值316至320并且使用MPC目标值316至320来确定 目标值266至270，如将关于图4进一步详细论述。
现在参照图4，示出过渡模块372的示例性实施的功能方框图。当 控制模块(仅举例而言，空气控制模块228)从非MPC控制过渡到 MPC控制时，过渡模块372将MPC目标值316至320渐变为目标值 266至270。如果控制模块228在非MPC控制或MPC控制中都起作用 并且不处于过渡状态下，则MPC目标值316至320(或者任何输入值) 将与输出目标值266至270相等。
非MPC控制到MPC控制过渡通常在发动机启动期间或者在用于 不同控制模块的MPC控制之间切换时发生。为了在非MPC与MPC控 制之间过渡，过渡模块372改变MPC目标值316至320以在标称点与 相应MPC目标值316至320之间渐变从而避免系统中的显著干扰。渐 变值和/或速度可以是可校准值以便对于用户偏好进行调整。
渐变确定模块388接收来自发动机状态确定模块376的发动机状 态和状态估计器378的状态、来自选择模块344的MPC目标值316至 320以及多个非MPC目标参数390。多个非MPC目标参数390可以从 非MPC控制的系统传达并且可以包括但不限于目标废气门打开面积、 目标节气门打开面积、目标EGR打开面积、目标进气凸轮相位器角以 及目标排气凸轮相位器角。
渐变确定模块388评估发动机状态和状态估计器378的状态并且 确定是否将目标值266至270设置为等于MPC目标值316至320、是 否将目标值266至270设置为等于非MPC目标参数390或者将渐变值 应用于MPC目标值316至320还是非MPC目标参数390。如果状态 估计器378处于冷起动状态中，则渐变确定模块388将MPC先前请求 设置为零。如果状态估计器378处于热起动状态中，则渐变确定模块 388维持非MPC目标参数390。当发动机状态确定模块376在非MPC 至MPC过渡之前在小于预定的可校准时间量(仅举例而言，一秒)的 时间周期内变成起作用的时，状态估计器378处于冷起动状态中。当 发动机状态确定模块376在非MPC至MPC过渡之前在大于或等于预 定的可校准时间量的时间周期内变成起作用的时，状态估计器378处 于热起动状态中。
在冷起动状态期间，模型326将标称值传达到模型预测控制模块 213以用于产生MPC目标值316至320。模型326基于区域被分为分 段的线性模型。仅举例而言，模型A可以覆盖x轴上的1500rpm至2000 rpm至y轴上的150Nm。模型A由以预定点(仅举例而言，1750rpm 和125Nm)为中心的数据产生。在该预定点获得的历史数据产生用于 模型A的标称值。例如，标称废气门位置可以为200mm^2，标称节气 门可以为300mm^2，标称EGR可以为0mm^2，标称ICAM可以为100 度IMOP，并且标称ECAM可以为-100度EMOP。
渐变确定模块388维持先前非MPC目标参数390作为标称点。非 MPC目标参数390是在车辆停车之前来自上一个操作点的非MPC目 标参数390。仅举例而言，如果来自上一个操作点的先前非MPC目标 参数390指示目标发动机速度为1900RPM，目标废气门为150，目标 节气门为250，目标EGR为10，目标ICAM为105，并且目标ECAM 为-95，则渐变确定模块388维持先前非MPC目标参数390作为标称 点。渐变确定模块388将非MPC目标参数390传达到目标值确定模块 392。
在选择模块344产生MPC目标值316至320时，MPC目标值316 至320由渐变确定模块388接收。渐变确定模块388将MPC目标值316 至320与非MPC目标参数390相比较并且确定渐变值以应用于非MPC 目标参数390。渐变可以是可校准值以防止系统中的干扰。仅举例而言， 渐变可以是每个回路10％直到目标值266至270等于MPC目标值316 至320。
当状态估计器378处于冷起动状态中时，渐变确定模块388将第 一传达的渐变设置为等于零。零渐变导致目标值确定模块392提供与 先前非MPC目标参数390相等的输出目标值266至270。在第一传达 的渐变之后的随后回路中，如果非MPC目标参数390不等于MPC目 标值316至320，则渐变确定模块388将传达目标值确定模块392应用 于非MPC目标参数390的渐变值。渐变确定模块388将渐变值传达到 目标值确定模块392。
目标值确定模块392接收MPC目标值316至320、非MPC目标 参数390以及来自渐变确定模块388的渐变值。目标值确定模块392 将渐变值应用于非MPC目标参数390并且输出新值作为目标值266至 270。如果渐变值等于零，则目标值266至270将等于非MPC目标参 数390。如果非MPC目标参数390小于MPC目标值316至320，并且 渐变值等于例如10％，则目标值266至270将为非MPC目标参数390 的值的1.10倍。
如果目标值266至270保持不等于MPC目标值，则渐变确定模块 388和目标值确定模块392继续提供渐变并且将渐变应用于来自上一个 回路的目标值266至270的目标值266至270到随后回路中的MPC目 标值316至320直到控制模块228不再处于过渡状态中并且非MPC目 标参数390在MPC目标值316至320的预定范围内。该范围是可校准 的，这样使得预定范围对于不同的系统而言是唯一的。仅举例而言， 预定范围可以等于与MPC目标值316至320的差异的0至30％。
如果发动机状态确定模块376确定状态估计器处于热起动状态中， 则渐变确定模块388维持先前非MPC目标参数390作为标称点。来自 非MPC控制器的最后控制请求是在车辆停车之前的先前非MPC目标 参数390。渐变确定模块388将先前非MPC目标参数390传达到目标 值确定模块392。
渐变确定模块388还将用于渐变的零值传达到目标值确定模块 392。零渐变导致目标值确定模块392提供等于先前非MPC目标参数 390的输出目标值266至270。在第一传达的渐变之后的随后回路中， 如果最后控制请求不在距离MPC目标值316至320的预定范围内，则 渐变确定模块388将传达目标值确定模块392应用于非MPC目标参数 390的渐变值。
目标值确定模块392将渐变值应用于非MPC目标参数390并且输 出新值作为目标值266至270。等于非MPC目标参数390的目标值266 至270变成MPC控制的先前请求，这样使得序列确定模块322、预测 模块324、成本模块332以及选择模块344产生来自非MPC控制器请 求的下一个回路的MPC目标值316至320。由请求产生的MPC目标 值316至320通过过渡模块372、与零渐变相加并且变成目标值266至 270。MPC模块312继续如关于图3所描述操作，并且过渡模块372 将零渐变应用于MPC目标值316至320并且将其输出作为目标值266 至270。
现在参照图5，呈现描绘从非MPC控制到MPC控制的过渡的示 例性方法的流程图。控制可以通过404开始，其中发动机状态确定模 块376是起作用的。
在408，发动机控制模块114确定发动机状态确定模块376是否在 小于预定时间阈值的时间内变成起作用的。如果发动机状态确定模块 376在小于预定阈值(仅举例而言，一秒)的时间内变成起作用的，则 状态估计器378可以处于冷起动模式中。如果为是，则在412，MPC 模块312将先前MPC请求设置为0。
在416，MPC模块312确定先前非MPC目标参数390并且将参数 传达到过渡模块372。先前非MPC目标参数390是在车辆停车之前从 非MPC控制器发送的目标值266至270。先前非MPC目标参数390 可以存储在发动机控制模块114的非易失性存储器中。
在420，过渡模块372将标称点设置为先前非MPC目标参数390。 在424，将零渐变应用于标称点并且将目标值266至270设置为等于标 称点。被发送以控制各种发动机功能的第一目标值266至270将是来 自非MPC控制器的最后控制请求，直到可以建立MPC控制。
在428，序列确定模块322、预测模块324、成本模块332以及选 择模块344产生用于发动机的当前状态的新MPC目标值316至320。 成本模块332确定用于可能序列的成本。选择模块344基于可能序列 的成本选择MPC目标值316至320的可能序列中的一个。MPC模块 312确定可能序列中的选定一个是否满足致动器约束348，并且可以基 于选定的可能序列来确定满足致动器约束348并且具有最低成本的可 能序列。
在432，过渡模块372确定目标值266至270是否等于MPC目标 值316至320。如果为否，则在236，过渡模块372将目标值266至270 调整目标值266至270与MPC目标值316至320之间的差异的预定百 分比并且将这些新值设置为目标值266至270。预定百分比可以是可校 准的值，这样使得可以针对不同应用调整百分比。仅举例而言，预定 百分比可以是10％。方法随后返回到428并且产生新MPC目标值。
如果在432为是，则在440将目标值266至27设置为等于MPC 目标值316至320。在444，第一转换模块272将目标废气门打开面积 266转换为目标占空比274以应用于废气门162，第二转换模块276将 目标节气门打开面积267转换为目标占空比278以应用于节气门阀 112。在428，第三转换模块280还将目标EGR打开面积268转换为目 标占空比282以应用于EGR阀170。第四转换模块还可以分别将目标 进气凸轮相位器角269和目标排气凸轮相位器角270转换为目标进气 和排气占空比以用于进气凸轮相位器148和排气凸轮相位器150。
在448，节气门致动器模块116控制节气门阀112以实现目标节气 门打开面积267，并且相位器致动器模块158分别控制进气凸轮相位器 148和排气凸轮相位器150以实现目标进气凸轮相位器角269和目标排 气凸轮相位器角270。例如，节气门致动器模块116可以目标占空比 278将信号应用于节气门阀112从而实现目标节气门打开面积267。另 外在448，EGR致动器模块172控制EGR阀170以实现目标EGR打 开面积268，并且升压致动器模块164控制废气门162以实现目标废气 门打开面积266。例如，EGR致动器模块172可以目标占空比282将 信号应用于EGR阀170从而实现目标EGR打开面积268，并且升压致 动器模块164可以目标占空比274将信号应用于废气门162从而实现 目标废气门打开面积266。虽然图5被示出为在432之后结束，但是图 4可以示出一个控制回路，并且可以在预定速率下执行控制回路。
如果在408为否，则MPC模块312确定先前非MPC目标参数390 并且在452将参数390传达到过渡模块372。先前非MPC目标参数390 是在车辆停车之前从非MPC控制器发送的目标值266至270。先前非 MPC目标参数390可以存储在发动机控制模块114的非易失性存储器 中。
在456，过渡模块372将目标值266至270设置为先前非MPC目 标参数390。在460，过渡模块372将来自MPC控制的先前请求设置 为等于先前非MPC目标参数390。在464，序列确定模块322、预测模 块324、成本模块332以及选择模块344使用先前非MPC目标参数390 作为先前MPC目标值来产生用于发动机的当前状态的新MPC目标值。 一旦产生了新MPC目标值，则方法如以上所论述进行到444和448。
以上描述实质上仅是说明性的，而绝不意欲限制本公开、其应用 或使用。本公开的广泛教示可以各种形式来实施。因此，虽然本公开 包括具体实例，但是本公开的真实范围不应限于此，因为其他修改将 在学习附图、说明书以及随附权利要求之后变得显而易见。如本文所 使用，短语A、B和C中的至少一个应解释为意味着使用非排他性的 逻辑或的逻辑(A或B或C)。应理解，在不改变本公开的原理的情况 下，方法内的一个或多个步骤可以不同的次序(或同时地)执行。
在包括以下定义的此申请中，术语模块可以由术语电路取代。术 语模块可以指代以下内容、是其一部分或者包括以下内容：特定应用 集成电路(ASIC)；数字、模拟或混合模拟/数字分立电路；数字、模 拟或混合模拟/数字集成电路；组合逻辑电路；场可编程门阵列(FPGA)； 执行代码的处理器(共享、专用或集群)；存储由处理器执行的代码的 内存(共享、专用或集群)；提供所描述的功能性的其他适合的硬件部 件；或者以上内容中的一些或所有的组合，诸如片上系统。
如以上所使用的术语代码可以包括软件、固件和/或微代码，并且 可以指代程序、例程、功能、分类和/或目标。术语共享处理器涵盖执 行来自多个模块的一些或所有代码的单个处理器。术语集群处理器涵 盖与额外处理器组合执行来自一个或多个模块的一些或所有代码的处 理器。术语共享内存涵盖存储来自多个模块的一些或所有代码的单个 内存。术语集群内存涵盖与额外内存组合存储来自一个或多个模块的 一些或所有代码的内存。术语内存可以是术语计算机可读介质的子集。 术语计算机可读介质并不涵盖通过介质传播的暂时电信号和电磁信 号，并且因此可以被认为是有形且永久的。永久的有形计算机可读介 质的非限制性实例包括非易失性内存、易失性内存、磁性存储器和光 学存储器。
此申请中描述的装置和方法可以部分地或完全地由一个或多个处 理器所执行的一个或多个计算机程序来实施。计算机程序包括存储在 至少一个永久的有形计算机可读介质上的处理器可执行指令。计算机 程序也可以包括和/或依赖于所存储的数据。
机译： 从非模型预测控制到模型预测控制的过渡
机译： 模型预测控制器，模型预测控制程序，模型预测控制系统和模型预测控制方法
机译： 模型预测控制装置，模型预测控制程序，模型预测控制系统和模型预测控制方法
