CN105673219B - 使用反馈线性化的基于能量平衡的升压控制 - Google Patents

使用反馈线性化的基于能量平衡的升压控制 Download PDF

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Abstract

本发明公开了使用反馈线性化的基于能量平衡的升压控制。内燃发动机包括具有升压空气系统的空气增压系统。与空气和EGR系统控制分开的控制空气增压系统中的升压空气的方法包括监控参考升压压力和空气增压系统的操作参数。提供空气增压系统的涡轮增压器能量平衡模型，并且将反馈线性化控制应用于涡轮增压器能量平衡模型以创建近似线性化的反馈系统。基于受监控的参考升压压力和空气增压系统的受监控的操作参数，使用近似线性化的反馈系统来确定用于空气增压系统的升压控制命令。基于升压控制命令来控制空气增压系统中的升压空气。

Description

使用反馈线性化的基于能量平衡的升压控制
技术领域
本公开涉及内燃发动机的控制。
背景技术
此部分中的陈述仅提供与本公开有关的背景信息。因此，这些陈述并不意欲构成先前技术的认可。
发动机控制包括基于所需发动机输出的发动机的操作中的参数控制，发动机输出包括发动机速度和发动机负载以及所得操作，例如包括发动机排放。发动机控制方法所控制的参数包括空气流量、燃料流量以及进气阀和排气阀设置。
可以为发动机提供升压空气以将与自然吸气进气系统有关的增加的空气流量提供给发动机，从而增加发动机的输出。涡轮增压器使用发动机的排气系统中的压力来驱动压缩机，从而将升压空气提供给发动机。示例性涡轮增压器可以包括可变几何涡轮增压器（VGT），从而使得能够在排气系统中的给定条件下调节升压空气。增压器使用来自发动机的机械功率（例如，如由辅助皮带提供）以驱动压缩机，从而将升压空气提供给发动机。发动机控制方法控制升压空气以控制发动机内的所得燃烧和发动机的所得输出。
排气再循环（EGR）是可以由发动机控制来控制的另一个参数。发动机的排气系统内的排气流没有氧气并基本上是惰性气体。当与燃料和空气的燃烧充量组合地引入到燃烧腔内或保持在燃烧腔内时，排气缓和燃烧从而减少输出和绝热火焰温度。在先进的燃烧策略中（例如包括均质充量压缩点火（HCCI）燃烧），也可以将EGR与其他参数组合地控制。还可以控制EGR以改变所得排气流的性质。发动机控制方法控制EGR以控制发动机内的所得燃烧和发动机的所得输出。
用于发动机的空气处理系统管理进气空气和进到发动机中的EGR的流量。空气处理系统必须被装备成符合增压空气成分目标（例如，EGR分数目标）以实现排放目标，并且符合总空气可获得目标（例如，充量流量质量流量）以实现所需功率和扭矩目标。最严重影响EGR流量的致动器通常影响充量流量，并且最严重影响充量流量的致动器通常影响EGR流量。因此，具有现代空气处理系统的发动机为多输入多输出（MIMO）系统呈现联接的输入-输出响应回路。
MIMO系统（其中输入被联接，即输入-输出响应回路彼此影响）存在本领域中熟知的挑战。发动机空气处理系统存在另外的挑战。发动机在大范围的参数下工作，所述参数包括可变发动机速度、可变扭矩输出以及可变加燃料和正时排程。在许多状况下，不可获得用于系统的准确传递函数，和/或不可获得标准解耦计算所需的计算功率。
发明内容
内燃发动机包括具有升压空气系统的空气增压系统。控制与空气和EGR系统控制分开的空气增压系统中的升压空气的方法包括监控参考升压压力和空气增压系统的操作参数。提供空气增压系统的涡轮增压器能量平衡模型，并且将反馈线性化控制应用于涡轮增压器能量平衡模型以创建近似线性化的反馈系统。基于受监控的参考升压压力和空气增压系统的受监控的操作参数，使用近似线性化的反馈系统来确定用于空气增压系统的升压控制命令。基于升压控制命令来控制空气增压系统中的升压空气。
本发明包括以下方案：
1. 控制内燃发动机中的空气增压系统中的升压空气的方法，所述方法包括：
监控参考升压压力；
监控空气增压系统的操作参数；
提供空气增压系统的涡轮增压器能量平衡模型；
将反馈线性化控制应用于涡轮增压器能量平衡模型以创建近似线性化的反馈系统；
基于受监控的参考升压压力和空气增压系统的受监控的操作参数，使用近似线性化的反馈系统来确定用于空气增压系统的升压控制命令；
基于升压控制命令来控制空气增压系统中的升压空气。
2. 如方案1所述的方法，其中参考升压压力包括所需升压压力。
3. 如方案1所述的方法，其中空气增压系统的操作参数包括实际升压压力。
4. 如方案1所述的方法，其中空气增压系统的操作参数包括新鲜质量空气流量、燃料流量、进气歧管压力、进气歧管温度、周围压力、周围温度以及发动机排气温度。
5. 如方案1所述的方法，其中空气增压系统的所述涡轮增压器能量平衡模型由以下关系表达：
其中p rc 是压缩机压力比，
c是基于压缩机压力比与涡轮速度的平方之间的关系确定的常数，
h c 是进入压缩机的新鲜空气能量流量，
r c 是压缩机功率增加速率，
Q c 是校正的压缩机流量，
h t 是进入涡轮的排气能量流量，以及
r t 是涡轮功率传递速率。
6. 如方案1所述的方法，其中空气增压系统的所述涡轮增压器能量平衡模型由以下关系表达：
其中p rc 是压缩机压力比，
c是基于压缩机压力比与涡轮速度的平方之间的关系确定的常数，
h c 是进入压缩机的新鲜空气能量流量，
r c 是压缩机功率增加速率，
Q c 是校正的压缩机流量，
h t 是进入涡轮的排气能量流量，
r t 是涡轮功率传递速率，以及
是涡轮惯性效应。
7. 如方案1所述的方法，其中对涡轮增压器能量平衡模型进行反馈线性化控制以创建近似线性化的反馈系统由以下关系表达：
其中p rc 是压缩机压力比，
c是基于压缩机压力比与涡轮速度的平方之间的关系确定的常数，
h c 是进入压缩机的新鲜空气能量流量，
r c 是压缩机功率增加速率，
Q c 是校正的压缩机流量，
h t 是进入涡轮的排气能量流量，
r t 是涡轮功率传递速率，
v是基于反馈控制方法的反馈控制信号，以及
是涡轮惯性效应。
8. 如方案1所述的方法，其中确定用于空气增压系统的升压控制命令包括：
基于空气增压系统的受监控的操作参数来确定所需压缩机功率、进入涡轮的排气能量流量和涡轮惯性；
确定参考升压压力与实际升压压力之间的升压压力误差；
将反馈控制方法应用于升压压力误差以确定反馈控制信号；
基于所需压缩机功率、进入涡轮的能量流量、涡轮惯性和反馈控制信号来确定涡轮功率传递速率；以及
将涡轮功率传递速率转换为用于空气增压系统的升压控制命令。
9. 如方案1所述的方法，其中确定用于空气增压系统的升压控制命令包括：
基于空气增压系统的受监控的操作参数来确定所需压缩机功率、进入涡轮的排气能量流量和涡轮惯性；
基于所需压缩机功率、进入涡轮的排气能量流量和涡轮惯性确定前馈控制信号；
确定参考升压压力与实际升压压力之间的升压压力误差；
将反馈控制方法应用于升压压力误差以确定反馈控制信号；以及
基于前馈控制信号和反馈控制信号来确定用于空气增压系统的升压控制命令。
10. 如方案8所述的方法，其中将反馈控制方法应用于升压压力误差以确定反馈控制信号包括使用比例-积分-微分反馈控制。
11. 如方案8所述的方法，其中将反馈控制方法应用于升压压力误差以确定反馈控制信号包括使用模型预测反馈控制。
12. 如方案8所述的方法，其中将反馈控制方法应用于升压压力误差以确定反馈控制信号包括使用线性二次型调节器反馈控制。
13. 如方案9所述的方法，其中将反馈控制方法应用于升压压力误差以确定反馈控制信号包括使用比例-积分-微分反馈控制。
14. 如方案9所述的方法，其中将反馈控制方法应用于升压压力误差以确定反馈控制信号包括使用模型预测反馈控制。
15. 如方案9所述的方法，其中将反馈控制方法应用于升压压力误差以确定反馈控制信号包括使用线性二次型调节器反馈控制。
16. 控制内燃发动机中的空气增压系统中的升压空气的方法，所述方法包括：
提供空气增压系统的涡轮增压器能量平衡模型；
将反馈线性化控制应用于涡轮增压器能量平衡模型以创建近似线性化的反馈系统；
使用近似线性化的反馈系统确定实现空气增压系统中的所需升压压力所需要的升压控制命令；以及
基于升压控制命令来控制空气增压系统中的升压空气。
17. 如方案16所述的方法，其中空气增压系统的所述涡轮增压器能量平衡模型由以下关系表达：
其中p rc 是压缩机压力比，
c是基于压缩机压力比与涡轮速度的平方之间的关系确定的常数，
h c 是进入压缩机的新鲜空气能量流量，
r c 是压缩机功率增加速率，
Q c 是校正的压缩机流量，
h t 是进入涡轮的排气能量流量，以及
r t 是涡轮功率传递速率。
18. 如方案16所述的方法，其中空气增压系统的所述涡轮增压器能量平衡模型由以下关系表达：
其中p rc 是压缩机压力比，
c是基于压缩机压力比与涡轮速度的平方之间的关系确定的常数，
h c 是进入压缩机的新鲜空气能量流量，
r c 是压缩机功率增加速率，
Q c 是校正的压缩机流量，
h t 是进入涡轮的排气能量流量，
r t 是涡轮功率传递速率，以及
是涡轮惯性效应。
19. 如方案16所述的方法，其中将反馈线性化控制应用于涡轮增压器能量平衡模型以创建近似线性化的反馈系统由以下关系表达：
其中p rc 是压缩机压力比，
c是基于压缩机压力比与涡轮速度的平方之间的关系确定的常数，
h c 是进入压缩机的新鲜空气能量流量，
r c 是压缩机功率增加速率，
Q c 是校正的压缩机流量，
h t 是进入涡轮的排气能量流量，
r t 是涡轮功率传递速率，
v是基于反馈控制方法的反馈控制信号，以及
是涡轮惯性效应。
20. 控制内燃发动机中的空气增压系统中的升压空气的方法，所述方法包括：
监控参考升压压力；
监控空气增压系统的操作参数；
提供空气增压系统的涡轮增压器能量平衡模型；
将反馈线性化控制应用于涡轮增压器能量平衡模型以创建近似线性化的反馈系统，包括：
基于受监控的参考升压压力和空气增压系统的受监控的操作参数来确定前馈控制信号；以及
基于受监控的参考升压压力和空气增压系统的受监控的操作参数来确定反馈控制信号；
基于近似线性化的反馈系统的前馈控制信号和反馈控制信号来确定用于空气增压系统的升压控制命令；以及
基于升压控制命令来控制空气增压系统中的升压空气。
附图说明
现在将通过实例参照附图来描述一个或多个实施例，其中：
图1示意性地描绘根据本公开的示例性内燃发动机、控制模块和排气后处理系统；
图2示意性地描绘根据本公开的包括涡轮增压器的示例性发动机配置；
图3示意性地描绘根据本公开的示例性升压控制系统，所述系统使用具有状态反馈线性化控制以及内和外回路反馈的涡轮增压器的基于物理的能量平衡关系；
图4示意性地描绘根据本公开的示例性升压控制系统，所述系统使用具有前馈控制和反馈控制的涡轮增压器的基于物理的能量平衡关系；
图5-1图解地描绘根据本公开的在负载瞬变期间的发动机测试结果，包括在1500rpm的发动机速度下升压压力和时间的比较；
图5-2图解地描绘根据本公开的在负载瞬变期间的发动机测试结果，包括在1750rpm的发动机速度下升压压力和时间的比较；
图5-3图解地描绘根据本公开的在负载瞬变期间的发动机测试结果，包括在2000rpm的发动机速度下升压压力和时间的比较；
图5-4图解地描绘根据本公开的在负载瞬变期间的发动机测试结果，包括在2500rpm的发动机速度下升压压力和时间的比较；以及
图6描绘根据本公开的示例性过程。
具体实施方式
现在参照图式，其中展示是仅为了示出某些示例性实施例的目的而并非为了限制其的目的，图1示意性地描绘根据本公开的示例性内燃发动机10、控制模块5和排气后处理系统65。示例性发动机包括多汽缸、直接喷射、压缩点火内燃发动机，其具有附接到曲轴24并且可在汽缸20中移动从而限定可变容积燃烧腔34的往返活塞22。曲轴24操作地附接到车辆变速器和传动系，以便响应于操作者扭矩请求To_REQ将牵引扭矩传递到车辆变速器和传动系。发动机优选地使用四冲程操作，其中每个发动机燃烧循环包括曲轴24的720度角旋转，所述角旋转被分成四个180度阶段（进气-压缩-膨胀-排气），这四个阶段描述活塞22在发动机汽缸20中的往返运动。多齿目标轮26附接到曲轴并且与其一起旋转。发动机包括监控发动机操作的传感器和控制发动机操作的致动器。传感器和致动器信号地或者操作地连接到控制模块5。
发动机优选地是直接喷射、四冲程内燃发动机，其包括由在汽缸内在上止点与下止点之间往返的活塞限定的可变容积燃烧腔和包括进气阀和排气阀的汽缸盖。活塞在重复循环中往复，每个循环包括进气、压缩、膨胀和排气冲程。
发动机优选地具有主要稀化学计量法的空气/燃料操作体制。本领域普通技术人员理解，本公开的方面适用于在化学计量法下或者主要稀化学计量法下操作的其他发动机配置（例如，稀燃火花点火发动机或常规汽油发动机）。在压缩点火发动机的正常操作期间，当将燃料充量喷射到燃烧腔中从而与进气空气一起形成汽缸充量时，在每个发动机循环期间发生燃烧事件。充量随后在压缩冲程期间通过其压缩的动作来燃烧。
发动机适于在大范围的温度、汽缸充量（空气、燃料和EGR）以及喷射事件下操作。本文披露的方法特别适用于与稀化学计量法操作的直接喷射压缩点火发动机一起操作以确定在进行的操作期间与每个燃烧腔中的热释放相关的参数。方法进一步适用于其他发动机配置，包括火花点火发动机，包括适于使用均质充量压缩点火（HCCI）策略的那些。方法适用于每发动机循环每汽缸使用多脉冲燃料喷射事件的系统，例如，对于燃料重整使用引燃喷射、对于发动机功率使用主要喷射事件并且在适当的情况下对于后处理管理使用后燃烧燃料喷射事件（每个事件影响汽缸压力）的系统。
传感器安置在发动机上或者附近以监控物理特征并且产生可与发动机和周围参数相关的信号。传感器包括曲轴旋转传感器，包括用于通过多齿目标轮26的齿上的感测边缘监控曲轴（即，发动机）速度（RPM）的曲柄传感器44。曲柄传感器是已知的，并且可以包括例如霍尔效应传感器、感应传感器或者磁阻传感器。从曲柄传感器44输出的信号被输入到控制模块5。燃烧压力传感器30适于监控汽缸内压力（COMB_PR）。燃烧压力传感器30优选地是非侵入式的并且包括力传感器，所述力传感器具有适于在用于电热塞28的开口处安装到汽缸盖中的环形横截面。燃烧压力传感器30与电热塞28一起安装，其中燃烧压力通过电热塞机械地传输到压力传感器30。压力传感器30的输出信号COMB_PR与汽缸压力成比例。压力传感器30包括压电陶瓷或同样适用的其他设备。其他传感器优选地包括用于监控歧管压力（MAP）和周围大气压力（BARO）的歧管压力传感器、用于监控进气质量空气流量（MAF）和进气温度（TIN）的质量空气流量传感器以及监控发动机冷却液温度（COOLANT）的冷却液传感器35。系统可以包括用于监控一个或多个排气参数（例如，温度、空气/燃料比和成分）状态的排气传感器。本领域技术人员理解，为了控制和诊断的目的，可以存在其他传感器和方法。以操作者扭矩请求To_REQ形式的操作者输入通常通过油门踏板和制动踏板（以及其他设备）来获得。发动机优选地配备有用于监控操作和用于系统控制的目的的其他传感器。每个传感器信号地连接到控制模块5以提供信号信息，所述信号信息由控制模块转化成代表相应的受监控的参数的信息。应理解，此配置是说明性而非限制性的，包括可由功能上等效的设备和例程替换的各种传感器。
致动器安装在发动机上并且由控制模块5响应于操作输入来控制以实现各种性能目标。致动器包括响应于控制信号（ETC）来控制节气门开口的电气受控制的节气门阀和多个燃料喷射器12，所述燃料喷射器用于响应于控制信号（INJ_PW）将燃料直接喷射到每个燃烧腔中，所有这些都是响应于操作者扭矩请求To_REQ来控制。排气再循环阀32和冷却器响应于来自控制模块的控制信号（EGR）来控制到发动机进气的外部再循环的排气的流量。电热塞28安装在每个燃烧腔中，并且适于与燃烧压力传感器30一起使用。此外，在一些实施例中可以使用根据所需歧管空气压力来供应升压空气的增压系统。
燃料喷射器12是适于响应于来自控制模块的控制信号INJ_PW将燃料充量直接喷射到燃烧腔的一个中的高压燃料喷射器。燃料喷射器12的每个被供应来自燃料分配系统的加压燃料，并且具有操作特征，包括最小脉宽和相关的最小可控燃料流速以及最大燃料流速。
发动机可以配备有可控阀门总成，所述可控阀门总成操作以调节每个汽缸的进气阀和排气阀的打开和关闭，包括阀门正时、定相（即，相对于曲柄角度和活塞位置的正时）以及阀门打开的升程量值中的任一个或多个。一个示例性系统包括可变凸轮定相，所述可变凸轮定相适用于压缩点火发动机、火花点火发动机和均质充量压缩点火发动机。
控制模块5执行存储在其中的例程以控制上述致动器从而控制发动机操作，包括节气门位置、燃料喷射质量和正时、控制再循环的排气的流量的EGR阀位置、电热塞操作以及进气和/或排气阀正时、定相和如此配备的系统上的升程的控制。控制模块被配置成从操作者接收输入信号（例如，油门踏板位置和制动踏板位置）以确定操作者扭矩请求To_REQ，并且从指示发动机速度（RPM）和进气空气温度（Tin）以及冷却液温度和其他周围条件的传感器接收输入信号。
控制模块、模块、控制器、控制单元、处理器和类似术语意味着以下各项中的任何适合的一个或者一个或多个的各种组合：特定应用集成电路（ASIC）；电子电路；执行一个或多个软件或固件程序的中央处理单元（优选地微处理器）以及相关内存和存储器（只读、可编程只读、随机存取、硬驱动等）；组合逻辑电路、输入/输出电路和设备、适当的信号调节和缓存电路；以及提供所需功能性的其他适合的部件。控制模块具有控制例程集，包括存储在内存中并且被执行以提供所需功能的常驻软件程序指令和校准。例程优选地在预设回路循环期间执行。例程诸如由中央处理单元执行，并且可操作以监控来自传感器和其他联网控制模块的输入，并且执行控制和诊断例程以控制致动器的操作。回路循环可以以规则的间隔执行，例如在进行的发动机和车辆操作期间每3.125、6.25、12.5、25和100毫秒执行。替代地，例程可以响应于事件的发生来执行。
图1描绘示例性柴油发动机，然而，本公开可以用于其他发动机配置上，例如包括汽油燃料发动机、乙醇或E85燃料发动机或者其他类似的已知设计。本公开并不意欲限于本文描述的特定示例性实施例。
图2示意性地描绘根据本公开的包括涡轮增压器的示例性发动机配置。示例性发动机是多汽缸并且包括本领域中已知的各种加燃料类型和燃烧策略。发动机系统部件包括具有涡轮46和空气压缩机45的进气空气压缩机40、空气节气门阀136、增压空气冷却器142、EGR阀132和冷却器152、进气歧管50和排气歧管60。周围进气空气通过进气171吸入到压缩机45中。加压进气空气和EGR流被传递到进气歧管50以用于发动机10中。排气流通过排气歧管60离开发动机10、驱动涡轮46并且通过排气管170离开。所描绘的EGR系统是将来自排气歧管60的加压排气传递到进气歧管50的高压EGR系统。替代配置（低压EGR系统）可以将来自后排气管170的低压排气传递到进气171。传感器安装在发动机上以监控物理特征并且产生可与发动机和周围参数相关的信号。传感器优选地包括周围空气压力传感器112、周围或进气空气温度传感器114和质量空气流量传感器116（所有这些可以单独地配置或者作为单个集成设备来配置）、进气歧管空气温度传感器118、MAP传感器120，或者类似地，升压压力传感器可以安装在进气空气节气门、排气温度传感器124、空气节气门阀位置传感器134和EGR阀位置传感器130以及涡轮叶片位置传感器138的上游。发动机速度传感器44监控发动机的旋转速度。每个传感器信号地连接到控制模块5以提供信号信息，所述信号信息由控制模块5转化成代表相应的受监控的参数的信息。应理解，此配置是说明性而非限制性的，包括可由功能上等效的设备和例程替换的各种传感器并且仍落入本公开的范围内。此外，进气空气压缩机40可以包括在本公开的范围内的替代涡轮增压器配置。
进气空气压缩机40包括涡轮增压器，该涡轮增压器包括放置在发动机的空气进气中的空气压缩机45，该空气压缩机由放置在排气流中的涡轮46驱动。涡轮46可以包括若干实施例，包括具有固定叶片定向或可变叶片定向的设备。另外，涡轮增压器可以用作单个设备，或者可以使用多个涡轮增压器来将升压空气供应到相同的发动机。
可变几何涡轮增压器（VGT）使得能够控制对进气空气执行多少压缩。控制信号可以例如通过调节压缩机和/或涡轮中的叶片的角度来调节VGT的操作。此示例性调节可以减少这些叶片的角度，从而减少进气空气的压缩，或者增加这些叶片的角度，从而增加进气空气的压缩。VGT系统允许控制模块选择传递到发动机的升压压力的水平。可以实施类似于VGT系统的控制可变增压器输出的其他方法，例如包括废气门或旁通阀，并且本公开并不意欲受限于本文披露的用于控制传递到发动机的升压压力的特定示例性实施例。
示例性柴油发动机配备有共轨燃料喷射系统、EGR系统和VGT系统。使用排气再循环来可控地减少燃烧火焰温度并减少NOx排放。使用VGT系统来调节升压压力以控制歧管空气压力和增加发动机输出。为了实现包括EGR和VGT系统的控制的发动机控制，可以使用多输入多输出空气增压控制模块（MIMO模块）。MIMO模块使得能够基于描述所需发动机操作的单个输入集来进行EGR和VGT的计算上高效且协调的控制。这些输入可以例如包括描述发动机速度和发动机负载的用于发动机的操作点。将了解，可以使用其他参数作为输入，例如包括指示发动机负载的压力测量值。
EGR和VGT的联合MIMO控制或者基于任何给定输入的EGR和VGT的控制固定响应是计算上高效的，并且可以使得能够基于EGR和VGT的独立控制对计算上可能不能实时的改变输入做出复杂控制响应。然而，EGR和VGT的联合控制（包括两个参数对于任何给定输入的固定响应）需要联合控制的简化的或最佳拟合校准以控制两个固定的响应。因此，这些校准可能是挑战性的并且可能基于所选择的简化的控制校准而包括次佳的发动机性能。例如，EGR和VGT可能最佳地对负载的改变率或者对发动机温度做出不同的反应。此外，EGR或VGT的控制可以实现限制条件并且导致致动器饱和。导致致动器饱和的联合控制可能导致本领域中已知为扭振的状况，其中系统的预期行为和系统的所需控制偏离，甚至在解决致动器饱和之后仍导致控制错误。此外，MIMO模块进行的EGR和VGT的控制是非线性的，并且定义联合功能关系以提供所需控制输出需要大量的校准工作。
VGT命令是控制升压压力的一种方式。然而，可以类似地使用控制升压压力的其他命令（诸如升压压力命令或歧管空气压力命令）来替代VGT命令。
发动机配置（诸如包括涡轮增压器的示例性发动机配置，如图2中示意性地描绘）可以由数学模型来表示。使用涡轮增压器的基于物理的能量平衡关系的基于模型的升压控制算法可以用来将升压或涡轮增压器控制的设计与空气和EGR系统控制分开。通过使用具有反馈线性化或前馈控制架构的基于物理的涡轮增压器能量平衡模型，可以将非线性控制问题转化为近似线性化的反馈系统。这种分开的升压控制可以减少用于高度和极端的周围操作条件的车辆校准工作。分开的控制简化设计工作，并且基于模型的控制设计可以在动态测试单元处校准，这样有助于以减少的车辆校准改变操作条件。
相对于图2中描绘的示例性发动机配置，涡轮增压器的基于物理的能量平衡关系可以由以下关系表达：
[1]
涡轮增压器的基于物理的能量平衡关系可以替代地表达为包括涡轮惯性、将涡轮连接到压缩机的涡轮轴的惯性效应，由以下关系表达：
[2]
将了解，由关系[1]和[2]表达的涡轮增压器的基于物理的能量平衡关系除了涡轮惯性的考虑之外是等效的，其中：
p rc 是压缩机压力比，
c是基于压缩机压力比与涡轮速度的平方之间的关系确定的常数，
h c 是进入压缩机的新鲜空气能量流量并且可以由以下关系表达：
[3]
其中m a 是进气处的空气质量，
C pa 是压缩机入口处在恒定压力下的比热，
T a 是压缩机入口温度，
r c 是压缩机功率增加速率并且可以由以下关系表达：
[4]
其中P c 是压缩机功率，
Q c 是校正的压缩机流量并且可以由以下关系表达：
[5]
其中p a 是压缩机入口处的周围压力，
h t 是进入涡轮的排气能量流量并且可以由以下关系表达：
[6]
其中是通过涡轮的排气质量流量，
c pe 是在排气侧上在恒定压力下的比热，
T ex 是排气温度，
r t 是涡轮功率传递速率并且可以由以下关系表达：
[7]
其中P t 是涡轮功率，以及
是涡轮惯性效应。
可以使用反馈线性化控制来将非线性升压控制问题转化为近似线性化的反馈系统。相对于由关系[1]和[2]表达的涡轮增压器的基于物理的能量平衡关系的反馈线性化控制可以由以下关系表达：
[8]
其中v是反馈控制信号。
通过此反馈线性化控制，从v到Prc的模型可以由以下关系表达：
[9]
图3示意性地描绘根据本公开的示例性升压控制系统，所述系统使用具有状态反馈线性化控制以及内和外回路反馈的涡轮增压器的基于物理的能量平衡关系。空气增压系统304接收命令并且产生输出。描绘产生命令的若干模块和控制策略，包括反馈控制模块301和反馈线性化模块305。将指示所需升压压力的参考升压压力信号320与实际升压压力反馈信号326进行比较，该实际升压压力反馈信号由直接传感器测量值确定或者可以替代地由状态变量观察器模块基于空气增压系统304的受监控的操作参数估计（如果不存在传感器）。此反馈回路包括示例性升压控制系统的外回路。参考升压压力信号320与实际升压压力反馈信号326的比较确定升压压力误差项321。升压压力误差项321被输入到反馈控制模块301。反馈控制模块301实施反馈控制方法以确定反馈控制信号v 322。实际升压压力反馈信号326被额外地输入到示例性升压控制系统的内反馈回路中的反馈线性化模块305中。反馈线性化模块305可以额外地输入空气增压系统304的受监控或估计的参数。反馈线性化模块305基于空气增压系统304的受监控的参数、实际升压压力反馈信号326来确定反馈线性化控制信号327。反馈线性化控制信号327可以由反馈线性化控制关系[8]的以下项表达。
[10]
反馈控制信号v 322随后被添加到反馈线性化控制信号327以确定涡轮功率信号323。涡轮功率信号323被输入到模块302，该模块将涡轮功率信号323除以进入涡轮h t 中的排气能量流量以确定涡轮功率传递速率r t 324。涡轮功率传递速率324随后由模块103转化为VGT命令u VGT 325。涡轮功率传递速率324转化为VGT命令325可以通过使用反流模型或者升压控制系统的物理模型的反转来实现。升压控制系统的示例性反转物理模型可以由以下关系表达：
[11]
其中函数f(*,*)可以是查找表或多项式。随后使用VGT命令325来控制涡轮增压器中的致动器，从而控制空气增压系统304中的升压压力。
反流模型或者系统的物理模型的反转可以用于确定实现通过系统中的孔口的所需流量所需要的设置。通过系统的流量可以被建模为横跨系统的压差和系统中的流量限制的函数。已知或者可确定的项可以被代入，并且函数关系被处理以使得系统的反流模型可用于确定所需系统设置以实现所需流量。本文披露的示例性方法使用有效流动面积或者用于被建模的系统的流量限制的第一输入和包括用于具有移动通过系统的流量的压力的系统的压力值的第二输入。增压系统（诸如配备有VGT的涡轮增压器）的分开的前馈控制的示例性方法可以使用系统的物理模型的反转、维度表方法或者指数多项式拟合模型。
这些方法可以个别地或者组合地使用，并且不同的方法可以用于不同条件和操作范围下的相同系统。控制方法可以使用反流模型来确定用于包括增压系统的第一选择的前馈控制命令。控制方法可以额外地使用第二反流模型来确定用于包括EGR电路和空气节气门系统中的一个的第二选择的第二前馈控制命令。控制方法可以额外地使用第三反流模型来确定用于包括EGR电路和空气节气门系统中的另一个的第三选择的第三前馈控制命令。以此方式，控制方法可以控制EGR电路、空气节气门系统和增压系统中的任一个或所有。
图3的示例性升压控制系统的反馈控制模块301使用反馈控制方法来确定反馈控制命令322。反馈控制模块所使用的示例性反馈控制方法可以包括比例-积分-微分（PID）控制方法和输入升压压力误差项321。反馈控制模块301可以替代地包括需要最少增益排程的模型预测控制（MPC）或线性二次型调节器（LQR）反馈控制方法。
图4示意性地描绘根据本公开的示例性升压控制系统，所述系统使用具有前馈控制和反馈控制的涡轮增压器的基于物理的能量平衡关系。空气增压系统405接收命令并且产生输出。描绘产生命令的若干模块和控制策略，包括反馈控制模块404和前馈模块401。将指示所需升压压力的参考升压压力信号420与实际升压压力反馈信号427进行比较，该实际升压压力反馈信号可以由直接传感器测量值确定或者可以替代地由状态变量观察器模块基于空气增压系统405的受监控的操作参数估计（如果不存在传感器）。参考升压压力信号420与实际升压压力反馈信号427的比较确定升压压力误差项421。升压压力误差项421被输入到模块403，该模块将升压压力误差项421除以进入涡轮h t 中的排气能量流量和周围压力pa以确定反馈误差项422。反馈误差项422被输入到反馈控制模块404。反馈控制模块404实施反馈控制方法以确定反馈控制信号v 423。参考升压压力信号420被额外地输入到前馈控制模块401。前馈控制模块401可以额外地输入空气增压系统405的受监控的或估计的参数。前馈控制模块401基于空气增压系统405的受监控的参数和参考升压压力信号420来确定前馈信号424。前馈信号424可以由反馈线性化控制关系[8]的以下项表达。
[12]
前馈信号424随后由模块402转化为前馈控制信号425。涡轮功率传递速率424转化为VGT命令425可以通过使用反流模型或者如参照图3所论述的确定实现通过系统中的孔口的所需流量所需要的设置的系统的物理模型的反转的方法来实现。反馈控制信号v 423随后被添加到前馈控制信号425以确定VGT命令u VGT 426。随后使用VGT命令426来控制涡轮增压器中的致动器，从而控制空气增压系统405中的升压压力。
反馈控制模块404所使用的示例性反馈控制方法可以包括比例-积分-微分（PID）控制方法和输入反馈误差项422。反馈控制模块404可以替代地包括需要最少增益排程的模型预测控制（MPC）或线性二次型调节器（LQR）反馈控制方法。
图5-1图解地描绘在负载瞬变（燃料0~60mg/喷射）期间的发动机测试结果，包括在1500 rpm的发动机速度下升压压力520和时间510的比较501。实际升压压力531追踪在所描绘的负载瞬变内命令的升压压力530。
图5-2图解地描绘在负载瞬变（燃料0~60mg/喷射）期间的发动机测试结果，包括在1750 rpm的发动机速度下升压压力520和时间510的比较502。实际升压压力533追踪在所描绘的负载瞬变内命令的升压压力532。
图5-3图解地描绘在负载瞬变（燃料0~60mg/喷射）期间的发动机测试结果，包括在2000 rpm的发动机速度下升压压力520和时间510的比较503。实际升压压力535追踪在所描绘的负载瞬变内命令的升压压力534。
图5-4图解地描绘在负载瞬变（燃料0~60mg/喷射）期间的发动机测试结果，包括在2500 rpm的发动机速度下升压压力520和时间510的比较504。实际升压压力537追踪在所描绘的负载瞬变内命令的升压压力536。
图6描绘根据本公开的使用反馈线性化基于内燃发动机的空气增压系统的升压控制的能量平衡的示例性过程600。提供表1作为图解，其中数字标号方框和对应功能如下阐述。
表1
本公开描述了某些优选实施例和对其的修改。其他人在阅读和理解说明书之后可以想到进一步的修改和改变。因此，本公开并不意欲限于披露为预期用于执行本公开的最佳模式的特定实施例，而是本公开将包括属于随附权利要求的范围内的所有实施例。

Claims (20)

1.控制内燃发动机中的空气增压系统中的升压空气的方法，所述方法包括：
监控参考升压压力；
监控空气增压系统的操作参数；
提供空气增压系统的涡轮增压器能量平衡模型；
将反馈线性化控制应用于涡轮增压器能量平衡模型以创建近似线性化的反馈系统；
基于受监控的参考升压压力和空气增压系统的受监控的操作参数，使用近似线性化的反馈系统来确定用于空气增压系统的升压控制命令；
基于升压控制命令来控制空气增压系统中的升压空气。
2.如权利要求1所述的方法，其中参考升压压力包括所需升压压力。
3.如权利要求1所述的方法，其中空气增压系统的操作参数包括实际升压压力。
4.如权利要求1所述的方法，其中空气增压系统的操作参数包括新鲜质量空气流量、燃料流量、进气歧管压力、进气歧管温度、周围压力、周围温度以及发动机排气温度。
5.如权利要求1所述的方法，其中空气增压系统的所述涡轮增压器能量平衡模型由以下关系表达：
其中p rc 是压缩机压力比，
c是基于压缩机压力比与涡轮速度的平方之间的关系确定的常数，
h c 是进入压缩机的新鲜空气能量流量，
r c 是压缩机功率增加速率，
Q c 是校正的压缩机流量，
h t 是进入涡轮的排气能量流量，以及
r t 是涡轮功率传递速率。
6.如权利要求1所述的方法，其中空气增压系统的所述涡轮增压器能量平衡模型由以下关系表达：
其中p rc 是压缩机压力比，
c是基于压缩机压力比与涡轮速度的平方之间的关系确定的常数，
h c 是进入压缩机的新鲜空气能量流量，
r c 是压缩机功率增加速率，
Q c 是校正的压缩机流量，
h t 是进入涡轮的排气能量流量，
r t 是涡轮功率传递速率，以及
是涡轮惯性效应。
7.如权利要求1所述的方法，其中对涡轮增压器能量平衡模型进行反馈线性化控制以创建近似线性化的反馈系统由以下关系表达：
其中p rc 是压缩机压力比，
c是基于压缩机压力比与涡轮速度的平方之间的关系确定的常数，
h c 是进入压缩机的新鲜空气能量流量，
r c 是压缩机功率增加速率，
Q c 是校正的压缩机流量，
h t 是进入涡轮的排气能量流量，
r t 是涡轮功率传递速率，
v是基于反馈控制方法的反馈控制信号，以及
是涡轮惯性效应。
8.如权利要求1所述的方法，其中确定用于空气增压系统的升压控制命令包括：
基于空气增压系统的受监控的操作参数来确定所需压缩机功率、进入涡轮的排气能量流量和涡轮惯性；
确定参考升压压力与实际升压压力之间的升压压力误差；
将反馈控制方法应用于升压压力误差以确定反馈控制信号；
基于所需压缩机功率、进入涡轮的能量流量、涡轮惯性和反馈控制信号来确定涡轮功率传递速率；以及
将涡轮功率传递速率转换为用于空气增压系统的升压控制命令。
9.如权利要求1所述的方法，其中确定用于空气增压系统的升压控制命令包括：
基于空气增压系统的受监控的操作参数来确定所需压缩机功率、进入涡轮的排气能量流量和涡轮惯性；
基于所需压缩机功率、进入涡轮的排气能量流量和涡轮惯性确定前馈控制信号；
确定参考升压压力与实际升压压力之间的升压压力误差；
将反馈控制方法应用于升压压力误差以确定反馈控制信号；以及
基于前馈控制信号和反馈控制信号来确定用于空气增压系统的升压控制命令。
10.如权利要求8所述的方法，其中将反馈控制方法应用于升压压力误差以确定反馈控制信号包括使用比例-积分-微分反馈控制。
11.如权利要求8所述的方法，其中将反馈控制方法应用于升压压力误差以确定反馈控制信号包括使用模型预测反馈控制。
12.如权利要求8所述的方法，其中将反馈控制方法应用于升压压力误差以确定反馈控制信号包括使用线性二次型调节器反馈控制。
13.如权利要求9所述的方法，其中将反馈控制方法应用于升压压力误差以确定反馈控制信号包括使用比例-积分-微分反馈控制。
14.如权利要求9所述的方法，其中将反馈控制方法应用于升压压力误差以确定反馈控制信号包括使用模型预测反馈控制。
15.如权利要求9所述的方法，其中将反馈控制方法应用于升压压力误差以确定反馈控制信号包括使用线性二次型调节器反馈控制。
16.控制内燃发动机中的空气增压系统中的升压空气的方法，所述方法包括：
提供空气增压系统的涡轮增压器能量平衡模型；
将反馈线性化控制应用于涡轮增压器能量平衡模型以创建近似线性化的反馈系统；
使用近似线性化的反馈系统确定实现空气增压系统中的所需升压压力所需要的升压控制命令；以及
基于升压控制命令来控制空气增压系统中的升压空气。
17.如权利要求16所述的方法，其中空气增压系统的所述涡轮增压器能量平衡模型由以下关系表达：
其中p rc 是压缩机压力比，
c是基于压缩机压力比与涡轮速度的平方之间的关系确定的常数，
h c 是进入压缩机的新鲜空气能量流量，
r c 是压缩机功率增加速率，
Q c 是校正的压缩机流量，
h t 是进入涡轮的排气能量流量，以及
r t 是涡轮功率传递速率。
18.如权利要求16所述的方法，其中空气增压系统的所述涡轮增压器能量平衡模型由以下关系表达：
其中p rc 是压缩机压力比，
c是基于压缩机压力比与涡轮速度的平方之间的关系确定的常数，
h c 是进入压缩机的新鲜空气能量流量，
r c 是压缩机功率增加速率，
Q c 是校正的压缩机流量，
h t 是进入涡轮的排气能量流量，
r t 是涡轮功率传递速率，以及
是涡轮惯性效应。
19.如权利要求16所述的方法，其中将反馈线性化控制应用于涡轮增压器能量平衡模型以创建近似线性化的反馈系统由以下关系表达：
其中p rc 是压缩机压力比，
c是基于压缩机压力比与涡轮速度的平方之间的关系确定的常数，
h c 是进入压缩机的新鲜空气能量流量，
r c 是压缩机功率增加速率，
Q c 是校正的压缩机流量，
h t 是进入涡轮的排气能量流量，
r t 是涡轮功率传递速率，
v是基于反馈控制方法的反馈控制信号，以及
是涡轮惯性效应。
20.控制内燃发动机中的空气增压系统中的升压空气的方法，所述方法包括：
监控参考升压压力；
监控空气增压系统的操作参数；
提供空气增压系统的涡轮增压器能量平衡模型；
将反馈线性化控制应用于涡轮增压器能量平衡模型以创建近似线性化的反馈系统，包括：
基于受监控的参考升压压力和空气增压系统的受监控的操作参数来确定前馈控制信号；以及
基于受监控的参考升压压力和空气增压系统的受监控的操作参数来确定反馈控制信号；
基于近似线性化的反馈系统的前馈控制信号和反馈控制信号来确定用于空气增压系统的升压控制命令；以及
基于升压控制命令来控制空气增压系统中的升压空气。
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