CN104302896A - 高度动态发动机系统的优化实时控制 - Google Patents

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Abstract

大量发动机参数造成需要相当大的处理功率来实时使用算法计算发动机控制值。本发明提供一种具有数据库的发动机控制系统，该数据库包括显式模型预测控制导出的输出数据值集合。数据库包括关于输入数据值的每个组合的输出数据值子集。输出数据值子集可被构造成控制发动机性能的一个或多个方面。

Description

高度动态发动机系统的优化实时控制
技术领域
高度动态发动机系统使用显式模型预测控制的优化实时控制。
背景技术
发动机性能受大量参数的影响。这种参数包括例如速度、转矩/功率需求和环境压力的操作条件，它们很大程度上受外部因素支配。所述参数还包括可控条件，例如燃料喷射量和喷射开始(SOI)正时，它们会响应于外部因素变化。
每个这些参数可根据影响发动机的内部和外部因素的改变而高频率变化。
已知提供一种算法或者多个相关的算法来确定影响支配发动机性能的可控条件的控制信号的值。这种算法具有作为输入的一些或者全部当前发动机参数。当具有支配发动机性能的特定方面的大量不同发动机参数时，所述算法会变得复杂。需要相当大的处理功率来使用所述算法实时计算发动机控制值。
而且，随着对改善的燃料效率和减少的排放以满足法规要求的希望不断增加，以不断增加的更高频率监视和控制发动机性能的希望意味着使用算法的实时计算必须更快地执行，从而要求增加的处理器能力。
在这种背景下，提供如这里公开的发动机控制系统。
发明内容
本发明提供一种用于发动机的发动机控制系统，该发动机控制系统包括：
第一输入，其能够接收有关第一发动机参数的第一输入数据值，第一输入数据值是第一组可能第一输入数据值的一个；
第二输入，其能够接收有关第二发动机参数的第二输入数据值，第二输入数据值是第二组可能第二输入数据值的一个；
数据库，其包括显式模型预测控制导出的输出数据值集合，包括关于第一组和第二组可能输入数据值的第一和第二输入数据值的每个组合的输出数据值子集；和
输出，其能够提供从数据库导出的输出数据值集合的子集，输出数据值子集对应于在第一输入处接收的第一输入数据值和在第二输入处接收的第二输入数据值，输出数据值子集能够控制发动机性能的一个或多个方面。
附图说明
现在将仅通过实例参考附图描述本发明的实施方式，在附图中：
图1是显示本发明的发动机控制系统的一种实施方式的特征的示意图；
图2是显示本发明的显式模型预测控制数据库如何经过发动机系统的建模导出、确定优化库值并上载到图1所示的发动机控制系统的显式模型预测控制功能的示意图。
具体实施方式
参考图1，示出了包括发动机2和用于控制发动机2的发动机控制系统3的发动机组件1。
发动机控制系统3可包括分别被构造成接收当前的第一输入数据值、当前的第二输入数据值和当前的第三输入数据值的第一输入31、第二输入32和第三输入33。第一、第二和第三数据值分别提供第一、第二和第三发动机参数的测量值。第一输入数据值可以是当前的排气温度数据值，第二输入32可以是当前的一氧化氮(NOx)量数据值，第三输入33可以是当前的发动机速度数据值。输入可以通过摄取发动机参数的当前快照获得。
发动机控制系统3可进一步包括显式模型预测控制(EMPC)数据库35。发动机控制系统3可进一步包括用于输出输出数据值的第一输出38和第二输出39。
EMPC数据库35可包括输出数据值的集合，其中所述输出数据值集合的子集针对第一输入数据值、第二输入数据值和第三输入数据值的每个组合或者每个组合的适当三角形(delta)提供。因此，所述数据值集合的子集可以针对可能的排气温度值、可能的NOx量数据值和可能的发动机速度数据值的广泛范围的组合提供。等同于第一、第二和第三数据值的确切组合或者等同于第一、第二和第三数据值的多个密切可用组合的一个的子集可通过搜索与在第一输入31、第二输入32和第三输入33处接收的当前数据值相关的所述数据值集合的相关子集找回。
第一输出38和第二输出39可提供用于后续处理并最终用于控制发动机性能的方面的数据值子集。关键的发动机性能特征包括瞬态响应能力、燃料经济性和排放物控制。
以此方式，存储在EMPC数据库35中的相关预先计算的优化数据值可针对第一、第二和第三输入值的确切组合或者针对第一、第二和第三数据值的多个密切可用组合的一个获得，以便作为来自显式模型预测控制(EMPC)数据库35的输出使用，从而维持优化发动机性能。
输入可以任何频率改变，例如每100ms的频率。系统可以相同或不同频率设定时钟。当系统以与一个或多个输入可改变的频率相同的频率，例如每100ms设定时钟时，输出数据值的子集可以该频率，即每100ms检查和获得。这相当于以所述频率，例如100ms从数据库35获得输出数据值的相关子集(即，确切或者多个最密切匹配的一个)。
图2示出图1的发动机控制系统3以及显式模型预测控制系统100，通过该显式模型预测控制系统100，可离线获得包含在发动机控制系统3的EMPC数据库35中的输出数据值的集合。
可以产生发动机组件1的模型。该模型可以离线运用以针对范围非常广泛的预期输入条件的组合计算优化方案。这可使得能够使用发动机控制系统3中可能不可用的大量(离线)处理器功率。
模型可通过改变输入和操作条件(可能是随机地或任意地)并测量非常广泛的不同组合下的发动机组件表现经过发动机组件的广泛测试产生。通过这种技术，可产生模型，发动机响应于发动机内部和外部的各种不同因素有可能以何模型表现。
模型可从高阶简化到低阶模型，可能为线性模型。模型可通过比较由模型预测的表现与发动机组件的测试中观察的行为来精炼。模型可因此被迭代地精炼。模型可进一步通过针对关键操作条件或者针对发动机的特定驱动周期(drive cycle)更加精确地建模发动机表现来增强。因此，对于发动机操作的更加频繁地使用的模型具有更大量的输出值子集。
模型可以对发动机五金件(hardware)具有特异性。当相同的发动机五金件用于具有不同驱动周期的不同应用(其中驱动周期表示发动机有可能被使用的重复方式)时，可不需要不同的模型。相反，可以使用相同的模型但具有不同的限制，以便提供对于特定应用的特定驱动周期来说特定的不同数据库。相比而言，具有完全不同五金件的发动机可需要完全不同的模型。
一旦已经针对特定发动机五金件产生了模型，就可执行模型以针对范围广泛的第一、第二和第三输入值以这些范围广泛的第一、第二和第三输入值的每一排列计算数据集合。也就是说，针对范围广泛的第一、第二和第三输入值的每一可行排列提供数据子集。这并不必然意味针对每一可想到的第一、第二和第三输入值提供数据子集。当数据子集没有针对特定的例如可想到第一输入值提供时，显然的是数据子集没有针对可以看到与特定可想到第一输入值组合的第二和第三输入值的每一排列提供。通过模型提供的数据集合可被描述为“输出数据值的完整集合”，然而该输出数据值的完整集合可不包括针对每一个可想到的第一、第二和第三输入值的输出值子集。这样，术语“输出数据值的完整集合”可被简单用来区分输出数据值的特定子集。
一旦产生，可以接着上载输出数据值的完整集合-一次从模型到发动机控制系统3，可能是在制造或编程或预先编程发动机控制系统3的时候。可以用以产生数据库35的仅仅是EMPC数据库35而非整个模型，其需要上载到发动机控制系统以便使用。
一旦输出数据值的完整集合被上载到EMPC数据库35，输出数据值的特定子集可根据当前的第一、第二和第三输入值从EMPC数据库35找回，以针对特定的当前发动机条件提供如通过模型导出的优化输出值。
使用中，输入值被读入发动机控制系统3，以从数据库35确定相关输出值以实现希望的发动机性能。EMPC控制器将寻求在多个(n个)时钟周期上计算实现希望发动机性能的一系列输出值集合。
通过针对输出值集合搜索EMPC数据库，发动机控制系统3针对第一时钟周期提出第一输出值集合，基于之前的建模和分析，该第一输出值集合将造成测量发动机状态和希望发动机状态之间的最为减小误差。
之后，在已经基于由第一输出值集合造成的建模发动机状态提出了该输出值集合后，由第一输出值集合造成的建模发动机状态可用来确定第二输出值集合。
通过针对基于之前的建模和分析将导致由第一输出值集合造成的建模发动机状态和希望发动机状态之间的最为减小误差的输出值集合搜索EMPC数据库来提出第二输出值集合。
之后，在已经基于由第二输出值集合造成的建模发动机状态提出了这些输出值后，由第二输出值集合造成的建模发动机状态可用来确定第三输出值集合。
通过针对基于之前的建模和分析将导致由第二输出值集合造成的建模发动机状态和希望发动机状态之间的最为减小误差的输出值集合搜索EMPC数据库来提出第三输出值集合。
该过程继续，直至针对第n个时钟周期提出第n个输出值集合，由此由第n个输出值集合造成的状态和希望状态之间的误差充分小。
已经确定了预测实现与希望发动机状态的充分小误差的这一系列提出的输出值集合后，执行第一输出值集合，其实现发动机的状态/性能改变。新的发动机状态被测量并且变为输入值，被读入控制器，过程继续。因此，由控制器外部的影响造成的发动机状态的改变使希望发动机状态改变，或者在确定控制器的下一动作时可以捕捉、考虑和补偿模型不准确。
有效地，输出值的数据库35允许发动机控制系统需要比针对特定集合的输入条件实时计算优选输出值集合所需的更小的处理器功率。此外，它允许值通过比有理由包括每一个发动机控制系统相当更具处理能力的模型优化。
可能并非针对第一、第二和第三输入的每个的每一个可能输入值都列在数据库35中。例如，通过一个输入值表示的发动机参数可以1个单位的增量测量，但该输入值可仅以2个单位的增量存在于数据库。类似地，通过第二输入值表示的发动机参数可以1个单位的增量测量，但该输入值可仅以2个单位的增量存在于数据库。因此，可以具有许多数据输入值排列，因此没有确切的方案在数据库可用。当是这种情况时，可适用控制器逻辑以基于关于最接近当前输入值组合的输入值的数据库输出值选择最合适的控制器动作。这种合适逻辑的一个例子可以是模糊逻辑。当控制器面临一方面选择有关第一输入值数据的确切匹配和第二输入数据值的密切匹配的输出值子集还是另一方面有关第一输入数据值的密切匹配和第二输入数据值的确切匹配的输出值子集时，尤其合适。
在数据库不包含用于特定组合输入值的确切方案的特定情况下，可具有用来选择的大量可能的密切方案。模糊逻辑可在这种情况下特别合适，以从确认的密切方案选择被认为最合适的单个方案。
数据输入可涉及任何数量的以下非穷尽列举的发动机参数：速度；排气温度；NOx排放；颗粒物质排放；大气压力；功率需求和转矩需求。
输出数据值可支配任何数量的发动机参数。例如，输出数据值子集可包括第一输出数据值和第二输出数据值，其中第一输出数据值支配例如燃料喷射压力，第二输出数据值支配例如喷射开始正时。
数据输出可涉及任何数量的以下非穷尽列举的发动机性能方面：燃料量；燃料喷射压力；喷射之间的燃料比；喷射开始正时。这些方面继而对例如NOx排放水平和颗粒物质发动机排放等因素具有影响。
所述布置的总体目标例如是最小化颗粒和NOx排放。在此情况下，模型将需要根据发动机的当前状态(即，参数)考虑发动机的希望状态(即，参数)并提供由模型导出的优化数据输出以便在寻求最小化颗粒和NOx排放的同时实现希望状态。
已经论证了本发明的布置特别合适用于具有三个输入和三个输出的系统。在这种情况下，第一、第二和第三输入值的可能排列数足够大以保证离线EMPC建模(因为控制器本身中的在线算法计算会是太过处理器集中的)但又不能太大以致需要通常设置在发动机控制器五金件中的存储器外的另外存储器，还不能太大以致产生具有如此多维度(dimension)从而需要相当大处理功率来从库内确认和找回最合适的输出子集的数据库。当需要相当大的处理器功率来找到最合适的输出子集时，这会取消该布置的一个优点，即避免执行算法计算以实时确定优化输出所需的处理器功率水平(不使用通过EMPC导出模型构成的库)。
虽然所示的实施方式涉及发动机的燃料系统的控制，具有对应输入和输出的对应控制系统可用来控制发动机性能的任何方面，例如具有废气再循环控制的发动机气体系统。在此情况下，模型可被构造成确定例如最小化燃料消耗和/或CO2排放的输出。本发明的另一示例性实施方式涉及废气后处理设备的控制。在此情况下，模型可被构造成确定例如涉及颗粒过滤器再生的输出。
事实上，如对本领域及人员清楚的，还可设想范围广泛的进一步应用。
虽然本发明的发动机组件1可能被描述为混合电发动机，但在车辆具有都直接连接到功率分配装置(其输出是载荷和/或齿轮箱)的内燃发动机和电马达的意义上，这并非暗示(并且肯定不限制)所述布置用于混合电发动机，虽然本发明的发动机组件确实可用作该种类的混合电发动机的发动机。实际上，本发明的布置对于任何种类的发动机具有广得多的应用，不管是否提供另外的电(或其他)能力以辅助驱动载荷。
已经关于代表本发明的布置的一种狭窄实施的单个实施方式对本发明的最宽意义进行了详细描述。本发明的范围根据权利要求书考虑。不应当推断详细说明的具体实施旨在限制超过权利要求书本身的范围的权利要求范围。
工业实用性
本发明提供一种发动机控制系统，其利用显式模型预测控制来提供包括用于有关发动机参数的每个发动机输入组合的输出数据值的数据库。
有利地，这可允许需要减小的处理功率以高效地管理发动机控制。

Claims (15)

1.一种用于发动机的发动机控制系统，该发动机控制系统包括：
第一输入，其能够接收有关第一发动机参数的第一输入数据值，第一输入数据值是第一组可能第一输入数据值的一个；
第二输入，其能够接收有关第二发动机参数的第二输入数据值，第二输入数据值是第二组可能第二输入数据值的一个；
数据库，其包括显式模型预测控制导出的输出数据值集合，包括关于第一组和第二组可能输入数据值的第一和第二输入数据值组合的至少子集的输出数据值子集；和
输出，其能够提供从数据库导出的输出数据值集合的子集，输出数据值子集对应于在第一输入处接收的第一输入数据值和在第二输入处接收的第二输入数据值，输出数据值子集能够控制发动机性能的一个或多个方面。
2.如权利要求1所述的发动机控制系统，其中，数据库的对应于在第一输入处接收的第一输入数据值和在第二输入处接收的第二输入数据值的输出数据值子集对应于在第一输入处接收的确切的第一输入数据值和在第二输入处接收的确切的第二输入数据值。
3.如权利要求1所述的发动机控制系统，其中，对应于在第一输入处接收的第一输入数据值和在第二输入处接收的第二输入数据值的输出数据值子集对应于输出数据值子集群的输出数据值子集，子集群是与以下两者相关的：
与在第一输入处接收的确切第一输入数据值密切的第一输入数据值；和
与在第二输入处接收的确切第二输入数据值密切的第二输入数据值。
4.如权利要求3所述的发动机控制系统，其中，对应于在第一输入处接收的第一输入数据值和在第二输入处接收的第二输入数据值的输出数据值子集通过模糊逻辑从子集群选择。
5.如前述任一项权利要求所述的发动机控制系统，其中，发动机控制系统进一步包括：
第三输入，其能够接收有关第三发动机参数的第三输入数据值，第三输入数据值是第三组可能第三输入数据值的一个；并且其中
数据库包括显式模型预测控制导出的输出数据值集合，包括关于第一组、第二组和第三组可能输入数据值的第一、第二和第三输入数据值组合的子集的输出数据值子集。
6.如前述任一项权利要求所述的发动机控制系统，其中，发动机控制系统是发动机燃料控制系统。
7.如权利要求6所述的发动机控制系统，其中，第一、第二和存在时的第三输入均涉及发动机参数中的一种：
速度；
排气温度；
NOx排放；
颗粒物质排放；
大气压力；
功率需求；和
转矩需求。
8.如权利要求6或7所述的发动机控制系统，其中，输出数据值集合支配发动机性能的以下方面的一个或多个方面，优选为三个方面：
燃料喷射量；
燃料喷射压力；
喷射之间的燃料比；和
喷射开始正时。
9.如权利要求1-5中任一项所述的发动机控制系统，其中，发动机控制系统是发动机气流控制系统。
10.如权利要求9所述的发动机控制系统，其中，发动机控制系统是电涡轮增压系统。
11.用于控制发动机的发动机管理系统，该发动机管理系统包括如任一前述权利要求所述的发动机控制系统。
12.如权利要求11所述的发动机管理系统，其中，发动机管理系统还包括等同消耗极简化策略。
13.一种导出显式模型预测控制输出数据值集合以用于控制发动机的方法，其中发动机性能特征受有关多个发动机参数的多个输入值影响，
所述方法包括：
运行发动机；
针对一定范围的输入值排列测量发动机性能特征；
使用测量的发动机性能特征和对应的输入值来发展发动机表现的模型；
针对一定范围的输入值运行模型以确定针对一定范围的输入值排列的预测发动机性能特征；和
用在运行模型的步骤中导出的值构成数据库。
14.如权利要求13所述的方法，其中，针对多个驱动周期重复针对一定范围的输入值排列测量发动机性能特征的步骤。
15.一种编程发动机的发动机控制系统的方法，所述方法包括执行如权利要求13和14所述的方法并将数据库上载到发动机控制系统。
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