CN104948319B - 用于未来扭矩改变的模型预测控制系统和方法 - Google Patents

用于未来扭矩改变的模型预测控制系统和方法 Download PDF

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Abstract

公开了用于未来扭矩改变的模型预测控制系统和方法。预测模块分别基于用于M个未来时间的可能目标值组和发动机的模型确定用于M个未来时间的发动机的预测扭矩。M是大于一的整数。成本模块分别基于用于M个未来时间的预测扭矩与用于M个未来时间的发动机扭矩请求的比较来确定用于可能目标值组的成本。选择模块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。致动器模块基于目标值中的第一值来控制发动机致动器。

Description

用于未来扭矩改变的模型预测控制系统和方法
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14/225,587、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14/226,121、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
在一个特征中，披露车辆的发动机控制系统。预测模块分别基于用于M个未来时间的可能目标值组和发动机的模型确定用于M个未来时间的发动机的预测扭矩。M是大于一的整数。成本模块分别基于用于M个未来时间的预测扭矩与用于M个未来时间的发动机扭矩请求的比较来确定用于可能目标值组的成本。选择模块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。致动器模块基于目标值中的第一值来控制发动机致动器。
在其他特征中：基于可能目标组和发动机的模型，预测模块进一步确定发动机的预测燃料效率；以及成本模块进一步基于预测燃料效率与预定最大燃料效率的比较来确定用于可能目标值组的成本。
在另外其他特征中：基于可能目标组和发动机的模型，预测模块进一步确定预测噪音、振动和声振粗糙度（NVH）值；以及成本模块进一步基于预测NVH值与预定NVH值的比较来确定用于可能目标值组的成本。
在另外其他特征中，未来请求模块基于变速器的换档来设置用于M个未来时间的发动机扭矩请求中的至少一个。
在其他特征中，未来请求模块基于加速踏板位置的改变来设置用于M个未来时间的发动机扭矩请求中的至少一个。
在另外其他特征中，未来请求模块基于发动机上负载的改变来设置用于M个未来时间的发动机扭矩请求中的至少一个。
在其他特征中，未来请求模块基于电动机扭矩的改变来设置用于M个未来时间的发动机扭矩请求中的至少一个。
在其他特征中，未来请求模块在为车辆选择操作的运动模式时设置用于M个未来时间的发动机扭矩请求中的至少一个。
在另外其他特征中，选择模块分别基于所述成本小于N个其他可能目标值组的成本而从群组中选择可能目标值组。
在另外其他特征中：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；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；基于目标值中的第六值控制火花正时的火花致动器模块；以及基于目标值中的第七值控制加燃料的燃料致动器模块，其中致动器模块基于目标值中的一个值来控制节气门阀的开度。
一种用于车辆的发动机控制方法包括：分别基于用于M个未来时间的可能目标值组和发动机的模型确定用于M个未来时间的发动机的预测扭矩，其中M是大于一的整数；分别基于用于M个未来时间的预测扭矩与用于M个未来时间的发动机扭矩请求的比较来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；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第一值来控制发动机致动器。
在其他特征中，发动机控制方法进一步包括：基于可能目标组和发动机的模型，确定发动机的预测燃料效率；以及进一步基于预测燃料效率与预定最大燃料效率的比较来确定用于可能目标值组的成本。
在另外其他特征中，发动机控制方法进一步包括：基于可能目标组和发动机的模型，确定预测噪音、振动和声振粗糙度（NVH）值；以及进一步基于预测NVH值与预定NVH值的比较来确定用于可能目标值组的成本。
在另外其他特征中，发动机控制方法进一步包括基于变速器的换档来设置用于M个未来时间的发动机扭矩请求中的至少一个。
在其他特征中，发动机控制方法进一步包括基于加速踏板位置的改变来设置用于M个未来时间的发动机扭矩请求中的至少一个。
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上负载的改变来设置用于M个未来时间的发动机扭矩请求中的至少一个。
在另外其他特征中，发动机控制方法进一步包括基于电动机扭矩的改变来设置用于M个未来时间的发动机扭矩请求中的至少一个。
在其他特征中，发动机控制方法进一步包括在为车辆选择操作的运动模式时设置用于M个未来时间的发动机扭矩请求中的至少一个。
在另外其他特征中，发动机控制方法进一步包括分别基于所述成本小于N个其他可能目标值组的成本而从群组中选择可能目标值组。
在另外其他特征中，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；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；基于目标值中的第六值控制火花正时；以及基于目标值中的第七值控制加燃料，其中发动机致动器是节气门阀。
本发明包括以下方案：
1. 一种车辆的发动机控制系统，包括：
预测模块，所述预测模块分别基于用于M个未来时间的可能目标值组和发动机的模型确定用于所述M个未来时间的所述发动机的预测扭矩，
其中M是大于一的整数；
成本模块，所述成本模块分别基于用于所述M个未来时间的所述预测扭矩与用于所述M个未来时间的发动机扭矩请求的比较来确定用于所述可能目标值组的成本；
选择模块，所述选择模块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所述可能目标值组，其中N是大于零的整数，并且其基于选定的可能目标值组来设置目标值；以及
致动器模块，所述致动器模块基于所述目标值中的第一值控制发动机致动器。
2. 如方案1所述的发动机控制系统，其中：
基于所述可能目标组和所述发动机的所述模型，所述预测模块进一步确定所述发动机的预测燃料效率；以及
所述成本模块进一步基于所述预测燃料效率与预定最大燃料效率的比较来确定用于所述可能目标值组的成本。
3. 如方案1所述的发动机控制系统，其中：
基于所述可能目标组和所述发动机的模型，所述预测模块进一步确定预测噪音、振动和声振粗糙度（NVH）值；以及
所述成本模块进一步基于所述预测NVH值与预定NVH值的比较来确定用于所述可能目标值组的成本。
4. 如方案1所述的发动机控制系统，其进一步包括未来请求模块，所述未来请求模块基于变速器的换档来设置用于所述M个未来时间的所述发动机扭矩请求中的至少一个。
5. 如方案1所述的发动机控制系统，其进一步包括未来请求模块，所述未来请求模块基于加速踏板位置的改变来设置用于所述M个未来时间的所述发动机扭矩请求中的至少一个。
6. 如方案1所述的发动机控制系统，其进一步包括未来请求模块，所述未来请求模块基于发动机上负载的改变来设置用于所述M个未来时间的所述发动机扭矩请求中的至少一个。
7. 如方案1所述的发动机控制系统，其进一步包括未来请求模块，所述未来请求模块基于电动机扭矩的改变来设置用于所述M个未来时间的所述发动机扭矩请求中的至少一个。
8. 如方案1所述的发动机控制系统，其进一步包括未来请求模块，所述未来请求模块在为所述车辆选择操作的运动模式时设置用于所述M个未来时间的所述发动机扭矩请求中的至少一个。
9. 如方案1所述的发动机控制系统，其中所述选择模块分别基于所述成本小于所述N个其他可能目标值组的成本而从所述群组中选择所述可能目标值组。
10. 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，所述升压致动器模块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致动器模块基于所述目标值中的第三值控制EGR阀的开度；
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定相和排气门定相；
火花致动器模块，所述火花致动器模块基于所述目标值中的第六值控制火花正时；以及
燃料致动器模块，所述燃料致动器模块基于所述目标值中的第七值控制加燃料，
其中所述致动器模块基于所述目标值中的一个值来控制节气门阀的开度。
11. 一种用于车辆的发动机控制方法，包括：
分别基于用于M个未来时间的可能目标值组和发动机的模型确定用于所述M个未来时间的所述发动机的预测扭矩，
其中M是大于一的整数；
分别基于用于所述M个未来时间的所述预测扭矩与用于所述M个未来时间的发动机扭矩请求的比较来确定用于所述可能目标值组的成本；
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所述可能目标值组，其中N是大于零的整数；
基于选定的可能目标值组来设置目标值；以及
基于所述目标值中的第一值来控制发动机致动器。
12. 如方案11所述的发动机控制方法，其进一步包括：
基于所述可能目标组和所述发动机的模型，确定所述发动机的预测燃料效率；以及
进一步基于所述预测燃料效率与预定最大燃料效率的比较来确定用于所述可能目标值组的成本。
13. 如方案11所述的发动机控制方法，其进一步包括：
基于所述可能目标组和所述发动机的模型，确定预测噪音、振动和声振粗糙度（NVH）值；以及
进一步基于所述预测NVH值与预定NVH值的比较来确定用于所述可能目标值组的成本。
14. 如方案11所述的发动机控制方法，其进一步包括基于变速器的换档来设置用于所述M个未来时间的所述发动机扭矩请求中的至少一个。
15. 如方案11所述的发动机控制方法，其进一步包括基于加速踏板位置的改变来设置用于所述M个未来时间的所述发动机扭矩请求中的至少一个。
16. 如方案11所述的发动机控制方法，其进一步包括基于发动机上负载的改变来设置用于所述M个未来时间的所述发动机扭矩请求中的至少一个。
17. 如方案11所述的发动机控制方法，其进一步包括基于电动机扭矩的改变来设置用于所述M个未来时间的所述发动机扭矩请求中的至少一个。
18. 如方案11所述的发动机控制方法，其进一步包括在为所述车辆选择操作的运动模式时设置用于所述M个未来时间的所述发动机扭矩请求中的至少一个。
19. 如方案11所述的发动机控制方法，其进一步包括分别基于所述成本小于所述N个其他可能目标值组的成本而从所述群组中选择所述可能目标值组。
20. 如方案11所述的发动机控制方法，其进一步包括：
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；
基于所述目标值中的第三值控制排气再循环（EGR）阀的开度；
分别基于所述目标值中的第四值和第五值控制进气门定相和排气门定相；
基于所述目标值中的第六值控制火花正时；以及
基于所述目标值中的第七值控制加燃料，
其中所述发动机致动器是节气门阀。
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空气控制模块的功能方框图；以及
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。
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工作周期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期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。
在一些情况下，可以在改变实际发生之前预期到发动机扭矩请求的改变。例如，当执行换档时、当将对发动机（例如，空气调节压缩机）施加负载时并且在其他情况下，可以预期到发动机扭矩请求的改变。
根据本公开，进一步基于一个或多个未来扭矩请求来确定成本。因此，MPC模块将选择使得发动机准备好实现未来扭矩请求的可能组。这可以使得发动机能够在未来发生发动机扭矩请求的改变时更快速地响应。
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。
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，呈现示例性发动机控制系统的功能方框图。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（未示出）。混合优化模块可以确定发动机102应产生多少扭矩和电动机198应产生多少扭矩。混合优化模块随后将修改后的扭矩请求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216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218。
例如，推进扭矩请求216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216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216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214可以输出零作为推进扭矩请求218。
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。
目标产生模块220（也参见图3）基于推进扭矩请求218和其他参数产生用于发动机致动器的目标值，如以下进一步论述的。目标产生模块220使用模型预测控制（MPC）来产生目标值。推进扭矩请求218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220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。在各个实施中，目标产生模块220可以产生目标燃烧定相值，诸如其中所提供的燃料质量的50%将被燃烧的目标曲轴转角（CA50）。目标火花正时可以基于目标燃烧定相值和估计的燃烧持续时间来确定。估计的燃烧持续时间可以例如基于APC、湿度、稀释以及汽缸内空气的温度来确定。替代地，目标产生模块220可以确定目标扭矩减少，并且目标火花正时240可以基于相对于最佳火花正时将火花正时拖延多久以实现目标扭矩减少来确定。
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可以包括例如燃料的目标质量、目标喷射开始正时以及燃料喷射的目标数量。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220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218可以是制动扭矩。扭矩转换模块304将推进扭矩请求218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218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218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个值中的每一个是用于N个未来控制回路中的一个对应回路。N是大于或等于一的整数。
预测模块323基于发动机102的数学模型324、外源输入328和反馈输入330来分别确定发动机102对目标值230至244的可能序列的预测响应。例如，基于目标值230至244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N预测扭矩的序列、用于N个控制回路的N个预测燃料效率的序列以及用于N个控制回路的N个预测噪音、振动和声振粗糙度（NVH）值的序列。虽然描述产生预测扭矩、预测燃料效率以及预测NVH的实例，但是预测参数可以包括一个或多个其他预测操作参数。
模型324可以包括例如基于发动机102的特征校准的函数或映射。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323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：
；以及
，
其中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)是具有指示用于第k个控制回路的发动机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)是包括用于第k个控制回路的可能目标值的条目的向量，y(k)是包括用于第k个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。对于第k个控制回路期间确定的向量x(k+1)将用作用于下一个控制回路k+1的向量x(k)。预测模块323产生用于N个未来控制回路中M个的每一个的预测参数，其中M是大于零并且小于或等于N的整数（即，k=0, 1, . . . M）。关系也可以写为：
；以及
，
其中k是控制回路，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)是具有指示用于第k个控制回路的发动机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k-1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、预测燃料效率以及预测NVH的预测参数的实例重写以上关系的分量。向量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的第二状态参数并且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。
矩阵A可以重写为：
，
其中a11至a33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)是用于第k个控制回路的发动机102的第一状态参数，x2(k)是用于第k个控制回路的发动机102的第二状态参数，并且x3(k)是用于第k个控制回路的发动机102的第三状态参数。向量x(k)的条目是对于上一个控制回路计算出的向量x(k+1)的条目。对于第k个控制回路计算出的向量x(k+1)的条目用于下一个控制回路用作向量x(k)的条目。
矩阵B可以重写为：
，
其中b11至b38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(k)是用于第k个控制回路的可能序列的可能目标节气门开度，PTWG(k)是用于第k个控制回路的可能序列的可能目标废气门开度，PTEGR(k)是用于第k个控制回路的可能序列的可能目标EGR阀开度，PTICP(k)是用于第k个控制回路的可能序列的可能目标进气凸轮定相值，并且PTECP(k)是用于第k个控制回路的可能序列的可能目标排气凸轮定相值。PTS(k)是用于第k个控制回路的可能目标火花正时，PTN(k)是用于第k个控制回路的汽缸的可能数量，并且PTF(k)是用于第k个控制回路的可能加燃料参数。
向量y(k)可以重写为：
，
其中PT(k)是用于第k个控制回路的发动机102的预测扭矩，PF(k)是用于第k个控制回路的发动机102的预测燃料效率，并且PNVH(k)是用于第k个控制回路的预测NVH。
矩阵C可以重写为：
，
其中c11至c33是基于发动机102的特征校准的常数值。
模型324可以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323可以基于发动机速度、发动机负载和/或一个或多个其他参数来选择A、B和C矩阵的哪个组。
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确定用于目标值230至244的每个可能序列的成本值。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，模型324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输出约束352的满足。换言之，成本模块332可以进一步基于输出约束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扭矩请求308、最小化NVH并且最大化燃料效率的一个序列。
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。
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、预测燃料效率以及预测NVH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、最小燃料效率和最大燃料效率、最小NVH值以及最大NVH值。。
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。
参考模块368（参见图2）分别产生用于目标值230至244的参考值356。参考值356包括用于目标值230至244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。参考值356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。
参考模块368可以例如基于推进扭矩请求218和/或基础扭矩请求308来确定参考值356。参考值356分别提供用于设置目标值230至244的参考。参考值356可以用来确定用于可能序列的成本值，如下文进一步论述。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316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NVH与预定最小NVH；预测燃料效率与预定最大燃料效率；以及可能目标值与各别致动器约束348。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。
FEPi是用于N个控制回路中的第i个控制回路的预测燃料效率，MaxFE是预定最大燃料效率，并且wF是与预测燃料效率与预定最大燃料效率之间的关系相关的加权值。NVHi是用于N个控制回路中的第i个控制回路的预测NVH，MinNVH是预定最小NVH，并且wNVH是与预测NVH与预定最小NVH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，TORef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。
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。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。
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。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。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。
ρ是与输出约束352的满足相关的加权值。ϵ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ϵ。当满足所有输出约束352时，成本模块332可以将ϵ设置为零。ρ可以大于加权值wT、加权值wFE、加权值wNVH和其他加权值（wTV、wWG、wEGR、wIP、wEP、wS、wN、wF），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wFE、加权值wNVH以及加权值wTV、wWG、wEGR、wIP、wEP、wS、wN和wF。以此方式，预测发动机扭矩与基础扭矩请求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扭矩请求308之间的差异增加而增加，且反之亦然。
加权值wFE和加权值wNVH可以大于加权值wTV、wWG、wEGR、wIP、wEP、wS、wN和wF。以此方式，预测燃料效率与预定最大燃料效率之间的关系和预测NVH与预定NVH之间的关系对成本具有较大影响。仅举例而言，预定最小NVH可以是零或另一个适合的值，并且预定最大燃料效率可以是指示最大可能燃料效率的值。
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扭矩请求308同时最小化NVH并最大化燃料效率的一个。
加权值wTV、wWG、wEGR、wIP、wEP、wS、wN和wF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230至244可以分别设置在接近参考值356或者处于所述参考值。然而，在瞬间操作过程中或者当预期基础扭矩请求308的改变时，MPC模块312可以调整目标值230至244远离参考值356以更紧密地追踪基础扭矩请求308、最小化NVH并最大化燃料效率同时满足致动器约束348和输出约束352。
如以上所论述，分别基于用于N个控制回路中的未来回路的预测扭矩与用于N个控制回路中的那些回路的基础扭矩请求之间的关系来确定成本值。产生用于N个控制回路中的下一个回路的基础扭矩请求308（即，对于i = 1）。
返回参照图2，未来请求模块380设置用于N个控制回路中的其他回路的基础扭矩请求（即，对于i = 2, . . ., N）。这些基础扭矩请求（即，对于i = 2, . . ., N）将称为未来扭矩请求384，并且对应于用于那些未来控制回路产生的基础扭矩请求308的预期值。如以上所论述，在确定可能序列的成本中考虑到未来扭矩请求384。
当未来请求模块380确定基础扭矩请求308将在N个控制回路期间将保持大约恒定时，未来请求模块380可以将未来扭矩请求384设置为等于基础扭矩请求308。在一些情况下，未来请求模块380可以将未来扭矩请求384设置成大于基础扭矩请求308或小于基础扭矩请求308。
例如，如以上所论述，驾驶者扭矩模块202应用一个或多个过滤器以产生驾驶者扭矩请求204。因此，驾驶者扭矩请求204可能不与例如加速踏板位置同样迅速地改变。当加速踏板位置增加时，响应于加速踏板增加而预期到驾驶者扭矩请求204的增加稍后将会发生，未来请求模块380可以将未来扭矩请求384设置为大于基础扭矩请求308。相反，当加速踏板位置减少时，由于驾驶者扭矩请求204将响应于加速踏板减少而稍后减少，所以未来请求模块380可以将未来扭矩请求384设置为小于基础扭矩请求308。
当驾驶者选择车辆的操作的运动模式时，未来请求模块380可以将未来扭矩请求384设置为大于基础扭矩请求308。这样做可以使得发动机102能够更快速地响应驾驶者踩下加速踏板和增加加速踏板位置。
另一个实例是未来请求模块380可以对于变速器的换档来将未来扭矩请求384设置为大于或小于基础扭矩请求308。例如，未来请求模块380可以对于变速器的换高速档来将未来扭矩请求384设置为大于基础扭矩请求308，并且可以对于变速器的换低速档来将未来扭矩请求384设置为小于基础扭矩请求。变速器控制模块194可以向ECM 114指示即将到来的换档。
另一个实例是未来请求模块380可以基于电动机使用来将未来扭矩请求384设置为大于或小于基础扭矩请求308。例如，当电动机198产生以补充发动机102的扭矩将减少时，未来请求模块380可以将未来扭矩请求384设置为大于基础扭矩请求308。当电动机198产生以补充发动机102的扭矩将增加时，未来请求模块380可以将未来扭矩请求384设置为小于基础扭矩请求。
其他实例包括未来请求模块380可以对于发动机102上的负载和/或当请求储备扭矩时将未来扭矩请求384设置为大于基础扭矩请求308。储备/负载模块388可以请求未来扭矩请求384的增加以创建扭矩储备和/或补偿发动机102上的一个或多个负载。
扭矩储备可以通过将发动机102的APC增加到大于可以使用最佳火花正时实现基础扭矩请求308的APC来创建。火花正时可以从最佳火花正时被拖延以实现基础扭矩请求308，然而在APC下，发动机102可以产生更大量的扭矩。
仅举例而言，发动机的空气/燃料比/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，储备/负载模块388可以请求未来扭矩请求384的增加（高于基础扭矩请求308）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。
储备/负载模块388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。当驾驶者首次请求空气调节时，储备/负载模块388可以请求未来扭矩请求384的增加（高于基础扭矩请求308）以接合A/C压缩机离合器。因此，发动机102准备好创建在A/C压缩机离合器接合时需要的额外扭矩。
基于未来扭矩请求384，MPC模块312将选择在实现基础扭矩请求308的同时使得发动机102准备好在基础空气扭矩请求308增加或减少时增加或减少发动机扭矩输出的可能序列。更具体来说，将允许发动机102更接近地实现未来扭矩请求384的可能序列具有比其他可能序列低的成本。因此，MPC模块312将选择在实现基础扭矩请求308的同时使得发动机102准备好实现未来扭矩请求384的可能序列。这可以允许发动机102在基础扭矩请求308的改变发生时更快速地响应这些改变。
现在参照图4，呈现描绘使用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的流程图。控制可以从404开始，其中扭矩请求模块224确定推进扭矩请求218。
在408，扭矩转换模块304将推进扭矩请求218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410，未来请求模块380基于基础扭矩请求308的一个或多个预期未来改变来确定未来扭矩请求384。在412，序列确定模块316确定目标值230至244的可能序列。
在416，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420，成本模块332分别确定用于可能序列的成本。仅举例而言，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424，选择模块344分别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和未来扭矩请求384同时最大化燃料效率并最小化NVH的一个序列。作为在402确定目标值的可能序列并且在420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425，MPC模块312可以确定可能序列中的选定序列是否满足致动器约束348。如果425为是，则控制可以通过428继续。如果425为否，则在426，MPC模块312可以选择可能序列中具有下一个最低成本的另一个序列，并且控制可以返回到425。以此方式，将使用满足致动器约束348的具有最低成本的序列。
在428，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2856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。如果确定了除火花正时以外的值，诸如目标扭矩减少或目标燃烧定相，则在428可以基于那个值来确定火花正时。
在432，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432，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432，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。虽然图4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。
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)

1.一种车辆的发动机控制系统，包括：
预测模块，所述预测模块分别基于用于M个未来时间的可能目标值组和发动机的模型确定用于所述M个未来时间的所述发动机的预测扭矩，
其中M是大于一的整数；
成本模块，所述成本模块分别基于用于所述M个未来时间的所述预测扭矩与用于所述M个未来时间的发动机扭矩请求的比较来确定用于所述可能目标值组的成本；
选择模块，所述选择模块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所述可能目标值组，其中N是大于零的整数，并且其基于选定的可能目标值组来设置目标值；以及
致动器模块，所述致动器模块基于所述目标值中的第一值控制发动机致动器。
2.如权利要求1所述的发动机控制系统，其中：
基于所述可能目标值组和所述发动机的所述模型，所述预测模块进一步确定所述发动机的预测燃料效率；以及
所述成本模块进一步基于所述预测燃料效率与预定最大燃料效率的比较来确定用于所述可能目标值组的成本。
3.如权利要求1所述的发动机控制系统，其中：
基于所述可能目标值组和所述发动机的模型，所述预测模块进一步确定预测噪音、振动和声振粗糙度（NVH）值；以及
所述成本模块进一步基于所述预测NVH值与预定NVH值的比较来确定用于所述可能目标值组的成本。
4.如权利要求1所述的发动机控制系统，其进一步包括未来请求模块，所述未来请求模块基于变速器的换档来设置用于所述M个未来时间的所述发动机扭矩请求中的至少一个。
5.如权利要求1所述的发动机控制系统，其进一步包括未来请求模块，所述未来请求模块基于加速踏板位置的改变来设置用于所述M个未来时间的所述发动机扭矩请求中的至少一个。
6.如权利要求1所述的发动机控制系统，其进一步包括未来请求模块，所述未来请求模块基于发动机上负载的改变来设置用于所述M个未来时间的所述发动机扭矩请求中的至少一个。
7.如权利要求1所述的发动机控制系统，其进一步包括未来请求模块，所述未来请求模块基于电动机扭矩的改变来设置用于所述M个未来时间的所述发动机扭矩请求中的至少一个。
8.如权利要求1所述的发动机控制系统，其进一步包括未来请求模块，所述未来请求模块在为所述车辆选择操作的运动模式时设置用于所述M个未来时间的所述发动机扭矩请求中的至少一个。
9.如权利要求1所述的发动机控制系统，其中所述选择模块分别基于所述成本小于所述N个其他可能目标值组的成本而从所述群组中选择所述可能目标值组。
10.如权利要求1所述的发动机控制系统，其进一步包括：
升压致动器模块，所述升压致动器模块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致动器模块基于所述目标值中的第三值控制EGR阀的开度；
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定相和排气门定相；
火花致动器模块，所述火花致动器模块基于所述目标值中的第六值控制火花正时；以及
燃料致动器模块，所述燃料致动器模块基于所述目标值中的第七值控制加燃料，
其中所述致动器模块基于所述目标值中的一个值来控制节气门阀的开度。
11.一种用于车辆的发动机控制方法，包括：
分别基于用于M个未来时间的可能目标值组和发动机的模型确定用于所述M个未来时间的所述发动机的预测扭矩，
其中M是大于一的整数；
分别基于用于所述M个未来时间的所述预测扭矩与用于所述M个未来时间的发动机扭矩请求的比较来确定用于所述可能目标值组的成本；
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所述可能目标值组，其中N是大于零的整数；
基于选定的可能目标值组来设置目标值；以及
基于所述目标值中的第一值来控制发动机致动器。
12.如权利要求11所述的发动机控制方法，其进一步包括：
基于所述可能目标值组和所述发动机的模型，确定所述发动机的预测燃料效率；以及
进一步基于所述预测燃料效率与预定最大燃料效率的比较来确定用于所述可能目标值组的成本。
13.如权利要求11所述的发动机控制方法，其进一步包括：
基于所述可能目标值组和所述发动机的模型，确定预测噪音、振动和声振粗糙度（NVH）值；以及
进一步基于所述预测NVH值与预定NVH值的比较来确定用于所述可能目标值组的成本。
14.如权利要求11所述的发动机控制方法，其进一步包括基于变速器的换档来设置用于所述M个未来时间的所述发动机扭矩请求中的至少一个。
15.如权利要求11所述的发动机控制方法，其进一步包括基于加速踏板位置的改变来设置用于所述M个未来时间的所述发动机扭矩请求中的至少一个。
16.如权利要求11所述的发动机控制方法，其进一步包括基于发动机上负载的改变来设置用于所述M个未来时间的所述发动机扭矩请求中的至少一个。
17.如权利要求11所述的发动机控制方法，其进一步包括基于电动机扭矩的改变来设置用于所述M个未来时间的所述发动机扭矩请求中的至少一个。
18.如权利要求11所述的发动机控制方法，其进一步包括在为所述车辆选择操作的运动模式时设置用于所述M个未来时间的所述发动机扭矩请求中的至少一个。
19.如权利要求11所述的发动机控制方法，其进一步包括分别基于所述成本小于所述N个其他可能目标值组的成本而从所述群组中选择所述可能目标值组。
20.如权利要求11所述的发动机控制方法，其进一步包括：
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；
基于所述目标值中的第三值控制排气再循环（EGR）阀的开度；
分别基于所述目标值中的第四值和第五值控制进气门定相和排气门定相；
基于所述目标值中的第六值控制火花正时；以及
基于所述目标值中的第七值控制加燃料，
其中所述发动机致动器是节气门阀。
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