CN104948308B - 用模型预测控制提高发动机响应时间的系统和方法 - Google Patents

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Abstract

公开了用模型预测控制提高发动机响应时间的系统和方法。根据本公开的原理的系统包括模型预测控制(MPC)模块和致动器模块。MPC模块基于子系统的模型和可能目标值组产生预测参数。MPC模块基于预测参数以及加权值和参考值中的至少一个产生用于可能目标值组的成本。MPC模块基于子系统的操作条件的所需改变速率来调整加权值和参考值中的至少一个。MPC模块基于成本从多个可能目标值组中选择所述可能目标值组。致动器模块基于目标值中的至少一个来调整子系统的致动器。

Description

用模型预测控制提高发动机响应时间的系统和方法
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14/225,507、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14/225,492、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，涉及用于使用模型预测控制来提高发动机的响应时间的系统和方法。
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
根据本公开的原理的系统包括模型预测控制(MPC)模块和致动器模块。MPC模块基于子系统的模型和可能目标值组产生预测参数。MPC模块基于预测参数以及加权值和参考值中的至少一个产生用于可能目标值组的成本。MPC模块基于子系统的操作条件的所需改变速率来调整加权值和参考值中的至少一个。MPC模块基于成本从多个可能目标值组中选择所述可能目标值组。致动器模块基于目标值中的至少一个来调整子系统的致动器。
本发明包括以下方案：
1.一种系统，包括：
模型预测控制(MPC)模块，所述MPC模块：
基于子系统的模型和可能目标值组产生预测参数；
基于所述预测参数以及加权值和参考值中的至少一个产生用于所述可能目标值组的成本；
基于所述子系统的操作条件的所需改变速率来调整所述加权值和所述参考值中的至少一个；以及
基于所述成本从多个可能目标值组中选择所述可能目标值组；以及
致动器模块，所述致动器模块基于目标值中的至少一个来调整所述子系统的致动器。
2.如方案1所述的系统，其中当所述所需改变速率大于第一速率时，所述MPC模块将所述加权值中的至少一个调整为零。
3.如方案2所述的系统，其中：
所述加权值包括与可能目标值中的一个与所述参考值中的一个之间的差异相关的第一加权值；以及
当所述所需改变速率大于所述第一速率时，所述MPC模块将所述第一加权值调整为零。
4.如方案2所述的系统，其中：
所述加权值包括与在N个控制回路期间可能目标值中的一个的总改变量相关的第一加权值；
当所述所需改变速率大于所述第一速率时，所述MPC模块将所述第一加权值调整为零；以及
N是大于一的整数。
5.如方案2所述的系统，其中所述MPC模块基于所述预测参数中的至少一个的改变速率来确定所述第一速率。
6.如方案1所述的系统，其中所述MPC模块：
基于所述所需改变速率来确定参考轨迹；以及
基于所述参考轨迹来调整所述参考值中的至少一个。
7.如方案1所述的系统，其中当所述所需改变速率大于第一速率时，所述MPC模块将所述参考值中的至少一个调整为所述致动器的最大极限和所述致动器的最小极限中的至少一个的一个。
8.如方案1所述的系统，其中所述子系统是发动机并且所述操作条件是所述发动机的所需扭矩输出。
9.如方案8所述的系统，其中：
所述加权值包括与目标节气门打开面积与参考节气门打开面积之间的差异相关的第一加权值；以及
当所述所需改变速率大于第一速率时，所述MPC模块将所述第一加权值调整为零。
10.如方案8所述的系统，其中：
所述参考值包括参考节气门打开面积；
所述MPC模块基于所述所需改变速率来确定参考轨迹；以及
所述MPC模块基于所述参考轨迹来调整所述参考节气门打开面积。
11.一种方法，包括：
基于子系统的模型和可能目标值组产生预测参数；
基于所述预测参数以及加权值和参考值中的至少一个产生用于所述可能目标值组的成本；
基于所述子系统的操作条件的所需改变速率来调整所述加权值和所述参考值中的至少一个；
基于所述成本从多个可能目标值组中选择所述可能目标值组；以及
基于目标值中的至少一个来调整所述子系统的致动器。
12.如方案11所述的方法，其进一步包括当所述所需改变速率大于第一速率时，将所述加权值中的至少一个调整为零。
13.如方案12所述的方法，其中所述加权值包括与可能目标值中的一个与所述参考值中的一个之间的差异相关的第一加权值，所述方法进一步包括当所述所需改变速率大于所述第一速率时，将所述第一加权值调整为零。
14.如方案12所述的方法，其中所述加权值包括与在N个控制回路期间所述可能目标值中的一个的总改变量相关的第一加权值并且N是大于一的整数，所述方法进一步包括当所述所需改变速率大于所述第一速率时，将所述第一加权值调整为零。
15.如方案12所述的方法，其进一步包括基于所述预测参数中的至少一个的改变速率来确定所述第一速率。
16.如方案11所述的方法，其进一步包括：
基于所述所需改变速率来确定参考轨迹；以及
基于所述参考轨迹来调整所述参考值中的至少一个。
17.如方案11所述的方法，其进一步包括当所述所需改变速率大于第一速率时，将所述参考值中的至少一个调整为所述致动器的最大极限和所述致动器的最小极限中的至少一个的一个。
18.如方案11所述的方法，其中所述子系统是发动机并且所述操作条件是所述发动机的所需扭矩输出。
19.如方案18所述的方法，其中所述加权值包括与目标节气门打开面积与参考节气门打开面积之间的差异相关的第一加权值，所述方法进一步包括当所述所需改变速率大于第一速率时，将所述第一加权值调整为零。
20.如方案18所述的方法，其中所述参考值包括参考节气门打开面积，所述方法进一步包括：
基于所述所需改变速率来确定参考轨迹；以及
基于所述参考轨迹来调整所述参考节气门打开面积。
本公开的其他适用领域将从详细描述、权利要求书以及图式变得显而易见。详细描述和具体实例仅意欲用于说明目的而非意欲限制本公开的范围。
附图说明
本公开将从详细描述和附图变得更完整理解，其中：
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目标生成模块的功能方框图；
图4是描绘根据本公开的使用模型预测控制来控制节气门阀、进气门定相和排气门定相、废气门、排气再循环(EGR)阀、火花正时以及加燃料的示例性方法的流程图；以及
图5和6是示出根据本公开明的示例性所需歧管压力、示例性实际歧管压力以及示例性参考废气门打开面积的图。
图中，可以重复使用参考数字以指示类似和/或相同元件。
具体实施方式
发动机控制模块(ECM)控制发动机的扭矩输出。更具体来说，ECM基于所请求的扭矩量来确定目标值并且基于目标值来控制发动机的致动器。例如，ECM基于目标相位器角来控制进气和排气凸轮轴相位器、基于目标节气门打开面积来控制节气门阀、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还基于目标火花正时来控制火花正时并且基于目标加燃料参数来控制加燃料。
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。MPC模块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。例如，MPC模块可以确定预测发动机扭矩和用于每个可能目标值组的一个或多个其他预测参数。
MPC模块还可以确定与每个可能组的使用相关的成本。例如，被预测更紧密追踪发动机扭矩请求的可能组的成本可以低于不被预测如此紧密地追踪发动机扭矩请求的其他可能组。MPC模块可以选择具有最低成本并且满足用来控制致动器的各个约束的可能组。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。
可能目标值组的成本可以基于可能目标值与相应参考值之间的差异来确定。例如，成本可以基于可能目标节气门打开面积与参考节气门打开面积之间的差异来确定。参考值可以预先确定并且可以对应于发动机的稳态操作。
可能目标值组的成本还可以基于在预测周期内每个可能目标值的总改变量来确定。例如，成本可以基于在预测周期内可能目标节气门打开面积的总改变量来确定。此外，可能目标值与相应参考值之间的差异和/或可能目标值的总改变量可以被加权以控制每个差异和/或总改变量对成本的影响。例如，加权值可以应用于每个差异和/或每个总改变量。
用以上描述的方式确定可能目标值组的成本可以限制发动机的操作条件可以被改变的速率。发动机的操作条件可能又不与所希望一样快速改变。因此，本公开的ECM可以基于发动机的操作条件的所需改变速率来调整参考值和/或加权值。例如，ECM可以将加权值中的一个或多个设置为零以使得可以用实现所需速率的方式调整对应参考值。在另一个实例中，ECM可以基于实现所需速率的参考轨迹来调整参考值中的一个或多个。尽管本文在发动机的背景下描述控制系统和方法，但是相同的原理可以应用于用于其他子系统的控制系统和方法。
现在参照图1，发动机系统100包括燃烧空气/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所产生的驱动扭矩的量是基于来自驾驶者输入模块104的驾驶者输入。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。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。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ECM114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。排气系统134包括催化剂136，诸如三元催化剂(TWC)。催化剂136与流动通过催化剂136的排气的一个或多个成分反应。当排气是贫油(富氧)时，催化剂136储存氧气。
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。
上游氧气传感器176测量流入到催化剂136中的排气中的氧气的量(例如，浓度)。下游氧气传感器177测量催化剂136下游的排气中的氧气的量(例如，浓度)。ECM 114可以使用来自传感器和/或一个或多个其他传感器的信号来进行用于发动机系统100的控制决策。
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/或节气门入口空气压力(TIAP)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。TIAP传感器可以测量压缩机160-2下游和节气门阀112上游的压力。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使用模型预测控制来产生用于发动机致动器的目标值，如以下进一步论述。
现在参照图2，ECM 114的示例性实施包括驾驶者扭矩模块。驾驶者扭矩模块202基于来自驾驶者输入模块104的驾驶者输入206来确定驾驶者扭矩请求204。驾驶者输入206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206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204。驾驶者扭矩模块202还可以对驾驶者扭矩请求204的速率限制改变应用一个或多个过滤器。
车轴扭矩仲裁模块208在驾驶者扭矩请求204与其他车轴扭矩请求210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210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210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210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210还可以由车辆稳定性控制系统产生。
车轴扭矩仲裁模块208基于接收到的车轴扭矩请求204与210之间的仲裁结果输出车轴扭矩请求212。如以下所描述，来自车轴扭矩仲裁模块208的车轴扭矩请求212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。
车轴扭矩仲裁模块208可以将车轴扭矩请求212输出到推进扭矩仲裁模块214。在各个实施中，车轴扭矩仲裁模块208可以将车轴扭矩请求212输出到混合优化模块216。混合优化模块216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216随后将修改后的车轴扭矩请求218输出到推进扭矩仲裁模块214。
推进扭矩仲裁模块214将车轴扭矩请求212(或修改后的车轴扭矩请求218)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)。推进扭矩仲裁模块214在(转换后的)车轴扭矩请求212与其他推进扭矩请求220之间进行仲裁。由于该仲裁，推进扭矩仲裁模块214产生推进扭矩请求222。
例如，推进扭矩请求220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220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220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。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214可以输出零作为推进扭矩请求222。
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214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。
扭矩储备模块224产生扭矩储备226以补偿可能减少发动机输出扭矩的发动机操作条件的改变和/或补偿一个或多个负载。举例而言，发动机的空气/燃料比和/或空气质量流量可以诸如通过诊断侵入等值比测试和/或新的发动机清洗来直接改变。在开始这些过程之前，扭矩储备模块224可以创建或增加扭矩储备226以快速地弥补在这些过程中由于缺乏空气/燃料混合物导致的发动机输出扭矩的减少。
扭矩储备模块224还可以预期到未来负载(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)来创建或增加扭矩储备226。当驾驶者首次请求空气调节时，扭矩储备模块224可以创建或增加扭矩储备226以用于接合A/C压缩机离合器。随后，当A/C压缩机离合器接合时，扭矩储备模块224可以将扭矩储备226减少等于A/C压缩机离合器的估计负载的量。
目标产生模块228基于推进扭矩请求222、扭矩储备226和以下进一步论述的其他参数产生用于发动机致动器的目标值。目标产生模块228使用模型预测控制(MPC)来产生目标值。推进扭矩请求222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。
目标值包括目标废气门打开面积230、目标节气门打开面积232、目标EGR打开面积234、目标进气凸轮相位器角236以及目标排气凸轮相位器角238。目标值还包括目标火花正时240、将启动的汽缸的目标数量242以及目标加燃料参数244。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230。例如，第一转换模块248可以将目标废气门打开面积230转换为目标占空比250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250来将信号应用于废气门162。在各个实施中，第一转换模块248可以将目标废气门打开面积230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250。
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232。例如，第二转换模块252可以将目标节气门打开面积232转换为目标占空比254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254来将信号应用于节气门阀112。在各个实施中，第二转换模块252可以将目标节气门打开面积232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254。
EGR致动器模块172控制EGR阀170以实现目标EGR打开面积234。例如，第三转换模块256可以将目标EGR打开面积234转换为目标占空比258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258将信号应用于EGR阀170。在各个实施中，第三转换模块256可以将目标EGR打开面积234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258。
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236。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238。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相位器角236和排气凸轮相位器角238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和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，目标产生模块228可以确定目标气门重叠因数和目标有效排量，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排量。
火花致动器模块126基于目标火花正时240提供火花。汽缸致动器模块120基于汽缸的目标数量242来选择性地启动和禁用汽缸的气门。也可以对被禁用的汽缸停止加燃料和火花。目标加燃料参数244可以包括例如燃料喷射的目标数量、用于每次喷射的燃料的目标质量以及用于每次喷射的目标开始正时。燃料致动器模块124基于目标加燃料参数244来控制加燃料。
图3是目标产生模块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，推进扭矩请求222可以是制动扭矩。扭矩转换模块304将推进扭矩请求222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推进扭矩请求222转换为基础扭矩请求308。在各个实施中，扭矩转换模块304可以将推进扭矩请求222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(模型预测控制)模块312使用MPC产生目标值230至244。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316。序列确定模块316确定可以在N个未来的控制回路期间一起使用的目标值230至244的可能序列。由序列确定模块316识别出的每个可能序列包括用于目标值230至244中的每一个的N个值的一个序列。换言之，每个可能序列包括用于目标废气门打开面积230的N个值的序列、用于目标节气门打开面积232的N个值的序列、用于目标EGR打开面积234的N个值的序列、用于目标进气凸轮相位器角236的N个值的序列以及用于目标排气凸轮相位器角238的N个值的序列。每个可能序列还包括用于目标火花正时240、汽缸的目标数量242以及目标加燃料参数244的N个值的序列。N个值中的每一个对应于N个未来控制回路中的一个。N是大于或等于一的整数。
预测模块323分别基于发动机102的数学模型324、外源输入328和反馈输入330来确定发动机102对目标值230至244的可能序列的预测响应。更具体来说，基于目标值266至270的可能序列、外源输入328和反馈输入330，预测模块323使用模型324产生用于N个控制回路的发动机102的预测扭矩的序列、用于N个控制回路的预测MAP预的序列、用于N个控制回路的预测APC的序列、用于N个控制回路的外部稀释的预测量的序列、用于N个控制回路的内部稀释的预测量的序列、用于N个控制回路的预测燃烧定相值的序列、用于N个控制回路的预测燃烧质量值的序列以及用于N个控制回路的预测有效排量值的序列。
模型324可以包括基于发动机102的特征校准的函数或映射。发动机102的响应、目标值230至244、外源输入328以及反馈输入330之间的关系在可能发动机速度和发动机负载的整个范围内可以是非线性的。然而，模型324可以包括各自对应于发动机速度和负载范围的多个线性模型。预测模块323可以基于当前发动机速度和负载来选择模型中的一个，并且使用选定模型来预测发动机102的响应。例如，第一模型可以用于1000每分钟转数(RPM)至2000RPM的发动机速度范围和100牛顿米(Nm)至150Nm的发动机负载范围中。第二模型可以用于1000RPM至2000RPM的发动机速度范围和150Nm至200Nm的发动机负载范围中。第三模型可以用于2000RPM至3000RPM的发动机速度范围和100Nm至150Nm的发动机负载范围中。
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。内部稀释(也称为剩余稀释)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。有效排量可以指代当汽缸中的活塞从TDC行进到BDC时吸入到发动机的汽缸中的空气体积减去由于活塞通过汽缸的进气门将空气推回到进气歧管中导致的空气体积的损耗。
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(上止点)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可以包括不直接受发动机致动器影响的参数。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、估计出的内部稀释、估计出的外部稀释、MAF、发动机102的空气/燃料比、火花正时和/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传感器192)来测量和/或基于一个或多个其他参数来估计。
成本模块332基于对于可能序列和参考值340确定的预测参数确定用于目标值230至244的每个可能序列的成本值。成本模块332可以基于预测参数与参考值340的对应值之间的关系来确定用于每个可能序列的成本值。关系可以例如被加权以控制每个关系对成本的影响。换言之，成本模块332可以将加权值342应用于每个关系。
成本模块332还可以基于在N个控制回路内每个可能目标值的总改变量来确定用于每个可能序列的成本值。例如，如果N等于二并且可能目标节气门打开面积在第一控制回路中增加50平方毫米(mm2)并且在第二控制回路中减少50mm2，则可能目标节气门打开面积的总改变量是100mm2。因此，成本可以随着可能目标值的总改变量增加而增加，且反之亦然。以下进一步论述示例性成本确定。
选择模块344基于可能序列的相应成本来选择目标值230至244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，可以在成本确定中考虑到致动器约束348和输出约束352的满足。例如，成本模块332可以基于预测参数与致动器约束348和输出约束352中的对应一个之间的关系来确定用于每个可能序列的成本值。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306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可以分别将目标值230至244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将目标废气门打开面积230设置为用于目标废气门打开面积230的N个值的序列中的N个值的第一值，将目标节气门打开面积232设置为用于目标节气门打开面积232的N个值的序列中的N个值的第一值，将目标EGR打开面积234设置为用于目标EGR打开面积234的N个值的序列中的N个值的第一值，将目标进气凸轮相位器角236设置为用于目标进气凸轮相位器角236的N个值的序列中的N个值的第一值，并且将目标排气凸轮相位器角238设置为用于目标排气凸轮相位器角238的N个值的序列中的N个值的第一值。选择模块344还将目标火花正时240设置为用于目标火花正时240的N个值的序列中的N个值的第一值，将汽缸的目标数量242设置为用于汽缸的目标数量242的N个值的序列中的N个值的第一值，并且将目标加燃料参数244设置为用于目标加燃料参数244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目标值230至244设置为选定可能序列中的第一组目标值230至244。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)设置用于目标值230至244中的每一个的致动器约束348。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。致动器约束模块360还设置用于火花致动器模块126的致动器约束、用于汽缸致动器模块120的致动器约束以及用于燃料致动器模块124的致动器约束。
用于目标值230至244中的每个的致动器约束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设置为用于相关发动机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、排气凸轮相位器150、火花致动器模块126、汽缸致动器模块120以及燃料致动器模块124的预定操作范围。因此，用于目标值的最大值可以是对应致动器的最大极限并且用于目标值的最小值可以是该致动器的最小极限。
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MAP、预测APC、预测CA50、IMEP的预测COV、预测内部稀释、预测外部稀释和/或预测有效排量的输出约束352。用于每一个预测参数的输出约束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MAP、最大MAP、最小APC、最大APC、最小CA50、最大CA50、IMEP的最小COV、IMEP的最大COV、最小内部稀释、最大内部稀释以及最小外部稀释、最大外部稀释、最小有效排量和/或最大有效排量。
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可以拖延最大CA50，诸如当发动机102中发生爆震时。在另一个实例中，输出约束模块364在低负载条件下(诸如可能需要IMEP的较高COV来实现给定扭矩请求的发动机怠速期间)可以增加IMEP的最大COV。
设定值模块368(参见图2)产生用于目标值230至244的参考值340。参考值340包括用于目标值230至244中的每一个的参考。换言之，参考值340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。参考值340还包括参考火花正时、汽缸的参考数量以及参考加燃料参数。参考值340还可以包括用于每个输出约束352的参考。换言之，参考值340可以包括参考歧管绝对压力(MAP)、参考每汽缸空气(APC)质量、参考外部稀释、参考内部稀释以及参考有效排量。
设定值模块368还产生加权值342。加权值342可以包括与以下各项之间的关系相关的加权值：预测扭矩与基础扭矩请求308；预测APC与最小APC；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；可能目标值与相应参考值340；以及可能目标值的总改变量。设定值模块368可以基于发动机102的一个或多个操作条件的所需改变速率来确定参考值340和/或加权值342，如下文更详细论述。
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)来确定目标值230至244。在另一个实例中，MPC模块312可以产生用于目标值230至244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可能目标值序列。MPC模块312随后可以测试可能目标值的那个序列以确定可能目标值的那个序列是否满足致动器约束348。如果满足，则MPC模块312可以分别将目标值230至244设置为那个选定可能序列的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，则MPC模块312选择具有下一个最低成本的可能目标值的另一个序列并且测试可能目标值的那个序列以满足致动器约束348。选择序列和测试该序列以满足致动器约束348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目标值230至244的可能序列的成本：预测扭矩与基础扭矩请求308；预测APC与最小APC；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340。如以上所论述，所述关系可以被加权以控制每个关系对成本的影响。
举例而言，成本模块332可以基于以下方程来确定用于目标值230至244的可能序列的成本：
该方程受制于致动器约束348和输出约束352。Cost是用于目标值230至244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，BATRi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是最小APC，并且wA是与预测APC与最小APC之间的关系相关的加权值。
以上方程可以展开为：
该方程受制于致动器约束348和输出约束352。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，TORefi是用于N个控制回路中的第i个控制回路的参考节气门开度，并且wTO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。ΔTO是在N个控制回路内可能目标节气门开度的总改变量，并且wΔTO是与可能节气门开度的总改变量相关的加权值。
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，WGORefi是用于N个控制回路中的第i个控制回路的参考废气门开度，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。ΔWG是在N个控制回路内可能废气门开度的总改变量，并且wΔWG是与可能废气门开度的总改变量相关的加权值。
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是用于N个控制回路中的第i个控制回路的参考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。ΔEGR是在N个控制回路内可能目标EGR开度的总改变量，并且wΔEGR是与可能EGR开度的总改变量相关的加权值。
PTICPi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是用于N个控制回路中的第i个控制回路的参考进气凸轮相位器角，并且wICP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。ΔICP是在N个控制回路内可能目标进气凸轮相位器角的总改变量，并且wΔICP是与可能目标进气凸轮相位器角的总改变量相关的加权值。
PTECPi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是用于N个控制回路中的第i个控制回路的参考排气凸轮相位器角，并且wECP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。ΔECP是在N个控制回路内可能目标排气凸轮相位器角的总改变量，并且wΔECP是与可能目标排气凸轮相位器角的总改变量相关的加权值。
PSi是用于N个控制回路的第i个控制回路的可能目标火花正时，SRef是用于N个控制回路的第i个控制回路的参考火花正时，并且wS是与可能目标火花正时与参考火花正时之间的关系相关的加权值。ΔS是在N个控制回路内可能目标火花正时的总改变量，并且wΔS是与可能目标火花正时的总改变量相关的加权值。
PNi是用于N个控制回路的第i个控制回路的汽缸的可能数量，NRef是用于N个控制回路的第i个控制回路的汽缸的参考数量，并且wN是与汽缸的可能数量与汽缸的参考数量之间的关系相关的加权值。ΔN是在N个控制回路内汽缸的可能数量的总改变量，并且wΔN是与汽缸的可能数量的总改变量相关的加权值。
PFi是用于N个控制回路的第i个控制回路的可能加燃料，FRef是用于N个控制回路的第i个控制回路的参考加燃料，并且wF是与可能加燃料与参考加燃料之间的关系相关的加权值。ΔF是在N个控制回路内可能加燃料的总改变量，并且wΔF是与可能加燃料的总改变量相关的加权值。
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以及其他加权值(wTO、wΔTO、wWG、wΔWG、wEGR、wΔEGR、wICP、wΔICP、wECP、wΔECP、wS、wΔS、wN、wΔN、wF、wΔF)，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较大。这可以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wTO、wΔTO、wWG、wΔWG、wEGR、wΔEGR、wICP、wΔICP、wECP、wΔECP、wS、wΔS、wN、wΔN、wF以及wΔF。以此方式，预测发动机扭矩与基础空气扭矩请求308之间的关系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空气扭矩请求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wTO、wΔTO、wWG。wΔWG、wEGR、wΔEGR、wICP、wΔICP、wECP、wΔECP、wS、wΔS、wN、wΔN、wF以及wΔF。以此方式，预测APC与预定最小APC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之间的关系对成本的影响。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。预定最小APC可以为零从而使得成本增加从而预测APC增加，且反之亦然。
因此，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。由于基于实际APC控制加燃料以实现目标空气/燃料比，所以减少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。
加权值wTO、wΔTO、wWG、wΔWG、wEGR、wΔEGR、wICP、wΔICP、wECP、wΔECP、wS、wΔS、wN、wΔN、wF以及wΔF可以小于所有其他加权值。以此方式，在稳态操作过程中，目标值266至270可以分别设置接近参考值340或者处于所述参考值。然而，在瞬间操作期间，MPC模块312可以调整目标值266至270远离参考值340以实现基础空气扭矩请求308同时最小化APC并满足致动器约束348和输出约束352。
如以上所指示，设定值模块368可以基于发动机102的一个或多个操作条件的所需改变速率来确定参考值340和/或加权值342。例如，设定值模块368可以基于发动机102的输出扭矩的所需改变速率来确定参考值340和/或加权值342。因此，设定值模块368可以基于推进扭矩请求222和/或基础扭矩请求308的改变速率来确定参考值340和/或加权值342。
基于以上描述的方程之一来确定用于目标值230至244的可能序列的成本可以限制发动机102的操作条件可以被改变的速率。例如，基于可能目标值与参考值340之间的差异确定成本可以限制发动机操作条件的改变速率。在另一个实例中，基于可能目标值的总改变量确定成本可以限制发动机操作条件的改变速率。
因此，如果发动机操作条件的所需改变速率对应于瞬间操作，则设定值模块368可以将加权值342中的一个或多个设置为零。接下来，可以用以所需速率改变发动机操作条件的方式调整目标值230至244中的对应值。当所需速率大于第一速率时，设定值模块368可以确定所需速率对应于瞬间操作。相反，当所需速率小于或等于第一速率时，设定值模块368可以确定所需速率对应于稳态操作。第一速率可以是当基于以上描述的方程之一来确定成本时发动机操作条件可以被改变的速率。设定值模块368可以基于预测参数(例如，预测输出扭矩)的改变速率来确定第一速率。或者，可以预先确定第一速率。
在一个实例中，基于参考节气门打开面积和可能目标节气门开度的总改变量来确定成本可以限制发动机102的输出扭矩可以被改变的速率。因此，如果驾驶者将加速踏板位置调整到完全打开的节气门，则与参考节气门打开面积和可能目标节气门开度的总改变量相关的加权值可以被设置为零。接下来，可以用以所需速率改变发动机102的输出扭矩的方式调整目标节气门打开面积232。
在另一个实例中，当例如禁用发动机102的一个或多个汽缸时，所需歧管压力可以快速增加。然而，基于参考废气门打开面积和序列的可能废气门打开面积的总改变量来确定成本可以限制发动机102的输出扭矩可以被改变的速率。因此，如果禁用发动机102的一个或多个汽缸，则与参考废气门打开面积和废气门打开面积的总改变量相关的加权值可以被设置为零。接下来，可以用以所需速率改变歧管压力的方式调整目标废气门打开面积230。
当发动机操作条件的所需改变速率对应于稳态操作时，设定值模块368可以阶梯方式将参考值340中的每一个从第一值调整到第二值。然而，如果发动机操作条件的所需改变速率对应于瞬间操作，则设定值模块368可以用实现所需速率的方式调整参考值340中的一个或多个。例如，设定值模块368可以用取决于设定值模块368增加还是减少参考值而最初超过或未达到第二值的方式来调整参考值。当超过或未达到第二值时，设定值模块368可以将参考值从第一值调整到致动器约束348中的对应一个，并且随后将参考值调整到第二值。
在一个实例中，当基础空气扭矩请求308从50Nm增加到300Nm时，目标节气门打开面积232可以在使用以上描述的方程时以阶梯方式从100mm2调整到500mm2。然而，如果基础空气扭矩请求308的改变速率对应于瞬间操作，则参考节气门打开面积可以用实现发动机扭矩输出的所需改变速率的方式来调整。例如，可以首先将参考节气门打开面积从100mm2调整到1000mm2，并且随后调整到500mm2。接下来，可以用以所需速率改变发动机102的扭矩输出的方式来调整目标节气门打开面积232。
在另一个实例中，如以上所论述，当禁用发动机102的一个或多个汽缸时，所需歧管压力可以快速增加。然而，将参考废气门打开面积以阶梯方式从第一值调整到第二值可以限制歧管压力可以被改变的速率。因此，如果禁用发动机102的一个或多个汽缸，则可以将参考废气门打开面积从第一值调整到对应于完全关闭的废气门打开面积，并且随后调整到第二值。接下来，可以用以所需速率改变歧管压力的方式调整目标废气门打开面积230。
作为确定所需速率是否对应于瞬间操作的替代或添加，设定值模块368可以基于所需速率与参考值340之间的预定关系来确定参考值340。另外，设定值模块368可以基于参考轨迹将参考值340中的一个或多个从对应于稳态操作的第一值调整到对应于稳态操作的第二值。参考轨迹可以包括多个参考值。参考轨迹可以是非线性的、预定的和/或基于所需速率与参考轨迹之间的预定关系确定。在发动机操作条件的改变完成之后，参考轨迹还可以基于对应于稳态操作的第二值来确定。用来确定参考值和/或参考轨迹的预定关系可以实施在查找表和/或方程中并且可以是线性或非线性的。
类似地，作为将所需改变速率与第一速率相比较的替代或添加，设定值模块368可以基于所需速率与加权值342之间的预定关系来确定加权值342。预定关系可以实施在查找表和/或方程中并且可以是线性或非线性的。另外，加权值342可以被设置为除零以外的预定值。
设定值模块368可以基于发动机102的一个或多个操作条件的所需改变速率来动态地调整参考值340和/或加权值342。换言之，设定值模块368可以在发动机102在操作时(即，不关闭发动机102或ECM114)实时调整参考值340和/或加权值342。此外，参考值340和/或加权值342在从一个控制回路到下一个控制回路之间或者从一个控制操纵到下一个控制操纵之间可以不同或者可以相同。
现在参照图4，使用MPC(模型预测控制)来控制节气门阀112、进气凸轮相位器148、排气凸轮相位器150、废气门162(且因此涡轮增压器)、EGR阀170、火花正时、加燃料以及启动/禁用的汽缸数量的示例性方法在402开始。在404，推进扭矩仲裁模块212确定推进扭矩请求222。在406，扭矩转换模块304将推进扭矩请求222转换为基础扭矩请求308或者转换为另一种适合的类型的扭矩以供MPC模块312使用。
在408，设定值模块368确定参考值340和加权值342。如以上所论述，设定值模块368可以基于发动机102的操作条件的所需改变速率来确定参考值340和/或加权值342。例如，当所需速率对应于瞬间操作时，设定值模块368可以将加权值342中的一个或多个设置为零。在另一个实例中，当所需速率对应于瞬间操作时，设定值模块368可以基于参考轨迹来调整参考值340中的一个或多个。
在410，序列确定模块316确定目标值230至244的可能序列。在412，预测模块323确定用于目标值的每个可能序列的预测参数。预测模块323基于发动机102的模型324、外源输入328以及反馈输入330来确定用于可能序列的预测参数。更具体来说，基于目标值230至244的可能序列、外源输入328以及反馈输入330，预测模块323使用模型324来产生用于N个控制回路的发动机102的N个预测扭矩的序列、用于N个控制回路的N个预测燃料效率值的序列以及用于N个控制回路的N个预测NVH值的序列。
在414，成本模块332确定用于可能序列的成本。举例而言，成本模块332可以基于以下方程来确定用于目标值230至244的可能序列的成本
或者基于以下方程
该方程受制于致动器约束348和输出约束352，如以上所描述。
在416，选择模块344基于可能序列的成本来选择目标值230至244的可能序列中的一个序列。例如，选择模块344可以选择可能序列中具有最低成本的一个。因此，选择模块344可以选择可能序列中最佳实现基础扭矩请求308和所需排气焓同时最小化燃料消耗和颗粒排出物的一个序列。作为在410确定目标值230至244的可能序列并且在414确定每个序列的成本的替代或添加，MPC模块312可以如以上论述地使用凸优化技术来识别具有最低成本的可能目标值序列。
在418，MPC模块312确定可能序列中的选定序列是否满足致动器约束348。如果可能序列中的选定序列满足致动器约束348，则方法在420继续。否则，方法在422继续，其中MPC模块312选择可能序列中具有下一个最低成本的一个序列。方法随后返回到418。以此方式，使用满足致动器约束348的具有最低成本的序列。
在420，第一转换模块248将目标废气门打开面积230转换为目标占空比250以应用于废气门162，第二转换模块252将目标节气门打开面积232转换为目标占空比254以应用于节气门阀112。在428，第三转换模块256还将目标EGR打开面积234转换为目标占空比258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236和目标排气凸轮相位器角238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424，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232，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236和目标排气凸轮相位器角238。例如，节气门致动器模块116可以目标占空比254将信号应用于节气门阀112从而实现目标节气门打开面积232。
另外在424，EGR致动器模块172控制EGR阀170以实现目标EGR打开面积234，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230。例如，EGR致动器模块172可以目标占空比258将信号应用于EGR阀170从而实现目标EGR打开面积234，并且升压致动器模块164可以目标占空比250将信号应用于废气门162从而实现目标废气门打开面积230。另外在424，火花致动器模块126基于目标火花正时240来控制火花正时，汽缸致动器模块120基于汽缸242的目标数量来控制汽缸启动和禁用，并且燃料致动器模块124基于目标加燃料参数244来控制加燃料。在426，方法可以结束。替代地，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。
现在参照图5，相对于代表时间508的x轴描绘所需歧管压力502、实际歧管压力504以及参考废气门打开面积506。在510，所需歧管压力502以阶梯方式从第一压力512增加到第二压力514。作为响应，设定值模块368以阶梯方式将参考废气门打开面积506从第一面积516减少到第二面积518。成本模块332基于以上描述的方程来确定目标值230至244的可能序列的成本，并且选择模块344选择可能序列中具有最低成本的一个。因此，实际歧管压力504从第一压力512增加到第二压力514的速率可以小于所需歧管压力502从第一压力512增加到第二压力514的速率。
现在参照图6，相对于代表时间608的x轴描绘所需歧管压力602、实际歧管压力604以及参考废气门打开面积606。在610，所需歧管压力602以阶梯方式从第一压力612增加到第二压力614。作为响应，设定值模块368基于参考轨迹620将参考废气门打开面积606从第一面积616减少到第二面积618。参考轨迹620可以基于所需歧管压力602的改变速率来确定。因此，实际歧管压力604从第一压力612增加到第二压力614的速率几乎等于所需歧管压力602从第一压力612增加到第二压力614的速率。
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。

Claims (20)

1.一种用模型预测控制提高发动机响应时间的系统，包括：
模型预测控制模块，所述模型预测控制模块：
基于子系统的模型和可能目标值组产生预测参数；
基于所述预测参数以及加权值和参考值中的至少一个产生用于所述可能目标值组的成本；
基于所述子系统的操作条件的所需改变速率来调整所述加权值和所述参考值中的至少一个；以及
基于所述成本从多个可能目标值组中选择所述可能目标值组；以及
致动器模块，所述致动器模块基于目标值中的至少一个来调整所述子系统的致动器。
2.如权利要求1所述的用模型预测控制提高发动机响应时间的系统，其中当所述所需改变速率大于第一速率时，所述模型预测控制模块将所述加权值中的至少一个调整为零。
3.如权利要求2所述的用模型预测控制提高发动机响应时间的系统，其中：
所述加权值包括与可能目标值中的一个与所述参考值中的一个之间的差异相关的第一加权值；以及
当所述所需改变速率大于所述第一速率时，所述模型预测控制模块将所述第一加权值调整为零。
4.如权利要求2所述的用模型预测控制提高发动机响应时间的系统，其中：
所述加权值包括与在N个控制回路期间可能目标值中的一个的总改变量相关的第一加权值；
当所述所需改变速率大于所述第一速率时，所述模型预测控制模块将所述第一加权值调整为零；以及
N是大于一的整数。
5.如权利要求2所述的用模型预测控制提高发动机响应时间的系统，其中所述模型预测控制模块基于所述预测参数中的至少一个的改变速率来确定所述第一速率。
6.如权利要求1所述的用模型预测控制提高发动机响应时间的系统，其中所述模型预测控制模块：
基于所述所需改变速率来确定参考轨迹；以及
基于所述参考轨迹来调整所述参考值中的至少一个。
7.如权利要求1所述的用模型预测控制提高发动机响应时间的系统，其中当所述所需改变速率大于第一速率时，所述模型预测控制模块将所述参考值中的至少一个调整为所述致动器的最大极限和所述致动器的最小极限中的至少一个的一个。
8.如权利要求1所述的用模型预测控制提高发动机响应时间的系统，其中所述子系统是发动机并且所述操作条件是所述发动机的所需扭矩输出。
9.如权利要求8所述的用模型预测控制提高发动机响应时间的系统，其中：
所述加权值包括与目标节气门打开面积与参考节气门打开面积之间的差异相关的第一加权值；以及
当所述所需改变速率大于第一速率时，所述模型预测控制模块将所述第一加权值调整为零。
10.如权利要求8所述的用模型预测控制提高发动机响应时间的系统，其中：
所述参考值包括参考节气门打开面积；
所述模型预测控制模块基于所述所需改变速率来确定参考轨迹；以及
所述模型预测控制模块基于所述参考轨迹来调整所述参考节气门打开面积。
11.一种用模型预测控制提高发动机响应时间的方法，包括：
基于子系统的模型和可能目标值组产生预测参数；
基于所述预测参数以及加权值和参考值中的至少一个产生用于所述可能目标值组的成本；
基于所述子系统的操作条件的所需改变速率来调整所述加权值和所述参考值中的至少一个；
基于所述成本从多个可能目标值组中选择所述可能目标值组；以及
基于目标值中的至少一个来调整所述子系统的致动器。
12.如权利要求11所述的用模型预测控制提高发动机响应时间的方法，其进一步包括当所述所需改变速率大于第一速率时，将所述加权值中的至少一个调整为零。
13.如权利要求12所述的用模型预测控制提高发动机响应时间的方法，其中所述加权值包括与可能目标值中的一个与所述参考值中的一个之间的差异相关的第一加权值，所述方法进一步包括当所述所需改变速率大于所述第一速率时，将所述第一加权值调整为零。
14.如权利要求12所述的用模型预测控制提高发动机响应时间的方法，其中所述加权值包括与在N个控制回路期间所述可能目标值中的一个的总改变量相关的第一加权值并且N是大于一的整数，所述方法进一步包括当所述所需改变速率大于所述第一速率时，将所述第一加权值调整为零。
15.如权利要求12所述的用模型预测控制提高发动机响应时间的方法，其进一步包括基于所述预测参数中的至少一个的改变速率来确定所述第一速率。
16.如权利要求11所述的用模型预测控制提高发动机响应时间的方法，其进一步包括：
基于所述所需改变速率来确定参考轨迹；以及
基于所述参考轨迹来调整所述参考值中的至少一个。
17.如权利要求11所述的用模型预测控制提高发动机响应时间的方法，其进一步包括当所述所需改变速率大于第一速率时，将所述参考值中的至少一个调整为所述致动器的最大极限和所述致动器的最小极限中的至少一个的一个。
18.如权利要求11所述的用模型预测控制提高发动机响应时间的方法，其中所述子系统是发动机并且所述操作条件是所述发动机的所需扭矩输出。
19.如权利要求18所述的用模型预测控制提高发动机响应时间的方法，其中所述加权值包括与目标节气门打开面积与参考节气门打开面积之间的差异相关的第一加权值，所述方法进一步包括当所述所需改变速率大于第一速率时，将所述第一加权值调整为零。
20.如权利要求18所述的用模型预测控制提高发动机响应时间的方法，其中所述参考值包括参考节气门打开面积，所述方法进一步包括：
基于所述所需改变速率来确定参考轨迹；以及
基于所述参考轨迹来调整所述参考节气门打开面积。
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