用于内燃机空气路径控制的基于速率的模型预测控制方法技术

本发明专利技术涉及一种用于柴油发动机的空气路径控制的基于速率的模型预测控制器，其通过进气歧管空气压力和EGR阀流量的协调控制而将涡轮升程和EGR阀流量调节至特定的设定点。控制器利用基于速率的降阶线性模型来用于模型预测控制。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术整体设及用于内燃机的方法和控制器，更具体地，本专利技术设及用于控制柴 油发动机的方法。
技术介绍
现代的柴油发动机采用可变几何尺寸满轮（VGT)来增加供应到发动机气缸的空 气量。VGT改变满轮定子入口叶片的角度，W改变供应到发动机气缸的空气量。 除了提供最佳的性能和燃料经济性之外，现代柴油发动机还必须满足严格的排放 规定，尤其是颗粒物和氮氧化物。为了满足所有运些要求，具有VGT的柴油发动机还利用废 气再循环巧GR)阀，该废气再循环阀具有可变控制位置，W便使得变化量的发动机废气再 循环回到发动机气缸中，W进行更加完全的燃烧并降低发动机排放。 当发动机在大范围的操作条件（包括发动机速度、燃料消耗、发动机负荷等）下操 作时，一个控制器且典型地多个控制器嵌入到发动机控制单元巧CU)中，W便响应于检测 发动机性能的传感器来控制各种发动机致动器，从而优化发动机性能、排放等。 阳0化]越来越多地使用模型预测控制（MPC)来用于发动机控制。标准MPC方法结合有一 体类型的动作，W确保零态态误差，为预测控制模型增加额外的一体状态。MPC模型利用多 个不同的发动机操作范围（燃料消耗率和发动机速度），并且提供用于每个范围的控制器， W控制发动机致动器。 在应用于柴油发动机空气流的模型预测控制的具体例子中，利用可变几何尺寸满 轮（VGT)、EGR节流阀和EGR阀致动器控制发动机中的流动。运些系统是强禪合的，并且是 高度非线性的。 然而，此前的模型预测控制器应用于内燃机，尤其是柴油发动机，已经利用了多个 发动机性能操作范围，每个范围需要单独的预测控制器。另外，每个预测控制器利用一体类 型的动作，其存在的问题是受控的发动机变量的超调限制。 希望提供用于内燃机的模型预测控制器，其具有最少数量的操作范围，W减少计 算时间和存储要求，同时提供发动机控制性能变量的零态态跟踪误差。
技术实现思路
一种用于控制内燃机的方法，其利用控制器在发动机操作期间控制可变几何尺寸 满轮（VGT)和EGR阀，所述方法包括：响应于发动机进气歧管压力和EGR阀流量，利用控制 器中的基于速率的预测模型，生成所要求的EGR流量和发动机满轮升程。 该方还包括：限定用于发动机速度范围和燃料消耗率范围的处于中屯、线性化点附 近的至少一个发动机操作区。 该方还包括：提供发动机操作参数的非线性模型。 该方还包括：提供每个区中的线性二次模型预测控制器。 该方还包括：在每个操作区中的中屯、操作点处将非线性模型线性化。 该方还包括：基于非线性模型提供二阶降阶线性模型。 该方还包括：生成基于速率的预测模型，作为线性模型的衍生物。 该方还包括：生成作为线性二次模型的为分段仿射控制规则形式的线性模型，其 中： 阳017] Uw=Uk+Ts化Xaug+Gi),如果HiXaug《Kk(11) 该方还包括：将部分反演应用于基于速率的预测模型控制器输出，W转换EGR流 量控制信号，将VGT占空比信号转换为VGT升程控制信号。 该方还包括：根据W下公式提供EGR节流阀控制器： 该方还包括：通过利用单个时刻来减少至少一个发动机操作区的每个发动机操作 区中的区域数量，W强制实施至少一个控制器输出的超调约束。 该方法包括：估计发动机状态；基于估计的发动机状态确定分段仿射控制规则的 区域；施加与分段仿射控制规则的所选区域相关联的反馈增益，W确定控制速率；W及将 控制速率积分，W确定要施加到一个发动机输入的控制值。 在另一方面中，该方法利用控制器执行明确地在计算机可用介质上实施的计算机 程序，该计算机程序包括多个指令，运些指令在由处理器执行时用来响应于进气歧管压力 和EGR阀流量而利用基于速率的预测模型控制器控制满轮升程和所要求的EGR流量。【附图说明】 通过参考W下的详细描述和附图，本专利技术的发动机控制方法的各种特征、优点和 其它用途将会变得更加明显，其中：图1为利用基于速率的预测模型控制器的柴油发动机的示意图； 图2为基于速率的预测模型控制器的输入和输出的方框图； 图3为利用图2的基于速率的预测模型控制器的发动机的示意性方框图；[002引图4为示出了顺序步骤和操作基于速率的预测模型控制方法的流程图； 图5为EGR阀位置对样品数量的曲线图； 图6为VGT占空比的曲线图； 图7为超调约束实施的曲线图； 图8为进气压力随时间的投射轨迹的曲线图； 图9为随时间采样的区域数量的曲线图； 图10为进气压力和EGR速率的时间历程曲线图； 阳03引图11为EGR节流阀位置的时间历程曲线图； 图12为EGR阀流量和受控的EGR阀流量的时间历程曲线图；W及 图13为受控的VGT升程的时间历程曲线图。【具体实施方式】 现在参考图1，内燃机20(在下文中通过例子描述为柴油发动机）包括容纳有多个 气缸24的发动机缸体22。燃料轨26与未示出的燃料供应装置连接，将柴油燃料供应到多 个燃料喷射器28,每个气缸24设置有一个燃料喷射器。 进气歧管30联接到气缸24,W用于将进入的空气供应到每个气缸。进气歧管压力 传感器32联接到进气歧管30,W用于测量进气歧管的空气压力。 排气歧管34将燃烧气体从气缸24输送离开发动机缸体22。[OOWEGR阀40联接在进气歧管30和排气歧管34之间的旁通路径中，W便将废气的一 部分从排气歧管34再循环回到进气歧管32中而供应到气缸24。EGR冷却器42可W与EGR 阀40 -起联接在旁通路径中。 EGR节流阀44安装在来自可变几何尺寸满轮（VGT) 48的压缩机46的空气流路径 中，W控制气体循环。 中间冷却器50可W安装在EGR节流阀44前方的进入空气路径中。 通过控制满轮输入叶片的角度，可变几何尺寸满轮48经由压缩机46控制进气歧 管压力。 W45] 根据本专利技术的方法，用于发动机20的基于速率的预测模型控制（RB-MPC)利用多 个控制输入，例如进气歧管压力62和EGR 阀流量64,如图2所示。如下所述，部分非线性反演用来将两个输入62和64分别 回溯为VGT升程占空比和EGR阀位置。部分反演降低了模型的非线性程度，并且是朝向减 少用W覆盖发动机操作范围的区域的数量并因此降低计算复杂度的第一步骤。 部分反演还避免了需要处理DC增益逆转。控制器60设计利用由发动机速度和燃 料消耗率构成的发动机操作范围的分割，W用于每个操作区中的降阶线性化发动机模型。 在控制和状态约束下，仅仅单个区能够用于良好的跟踪性能。因此，可W减少ECU中ROM的 使用，并且可W减少控制器校正时间。单独的控制器可W用于EGR节流阀。 显式MPC的解可W是计算的，并且用在ECU70中，如图3所示，而不是基于板载二 次编程的解。运种实施方式的动机在于有限的计算能力和代码简化。 基于速率的预测模型包括W下元素： 设定点图，其规定了用于进气压力和EGR速率的设定点。 基于柴油发动机模型的降阶线性化的预测模型； 显式模型预测控制器，其生成所要求的VGT升程和所要求的EGR流量，同时对进气 压力和最大EGR流量强制实施时变约束。[005引部分反演模块，其计算VGT占空比（关闭百分比）和EGR阀位置（打开百分比）； 卡尔曼滤波器，其基于进气压力的测量值、ECU估计的EGR速率和质量空气流量 (MAF)来进行本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于控制内燃机的方法，其利用控制器在发动机操作期间控制可变几何尺寸涡轮和EGR阀，所述方法包括：响应于发动机进气歧管压力和EGR阀流量，利用控制器中的基于速率的预测模型，生成所要求的发动机涡轮升程和所要求的EGR流量。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...

【专利技术属性】
技术研发人员：M·黄，I·V·科尔马诺夫斯基，
申请(专利权)人：丰田自动车工程及制造北美公司，密执安州立大学董事会，
类型：发明
国别省市：美国;US