CN105715389A - 空气增压系统的在线自适应pid控制 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了空气增压系统的在线自适应PID控制。内燃发动机包括空气增压系统。控制空气增压系统的方法包括提供用于空气增压系统的所需操作目标命令以及监控空气增压系统的操作参数。确定用于空气增压系统的所需操作目标命令与空气增压系统的所述操作参数中的对应操作参数之间的误差，并且使用PID控制器基于该误差来确定排程的PID增益。应用自适应算法以修改排程的PID增益，并且基于修改后的排程的PID增益来确定用于空气增压系统的系统控制命令。基于用于空气增压系统的系统控制命令来控制空气增压系统。

Description

空气增压系统的在线自适应PID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）是另一个发动机控制参数。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。
可以使用控制回路来确定升压空气和EGR控制命令。可以将反馈控制方法用于控制回路中以最小化测量出的过程变量与所需设置点之间的误差。将此最小化的误差用于系统控制命令（诸如升压空气控制命令和EGR控制命令）的反馈控制校准中。
发明内容
内燃发动机包括空气增压系统。控制空气增压系统的方法包括提供用于空气增压系统的所需操作目标命令以及监控空气增压系统的操作参数。确定用于空气增压系统的所需操作目标命令与空气增压系统的所述操作参数中的对应操作参数之间的误差，并且使用PID控制器基于该误差来确定排程的PID增益。应用自适应算法以修改排程的PID增益，并且基于修改后的排程的PID增益来确定用于空气增压系统的系统控制命令。基于用于空气增压系统的系统控制命令来控制空气增压系统。
本发明包括以下方案：
1.控制内燃发动机的空气增压系统的方法，所述方法包括：
提供用于空气增压系统的所需操作目标命令；
监控空气增压系统的操作参数；
确定用于空气增压系统的所需操作目标命令与空气增压系统的所述操作参数中的对应操作参数之间的误差；
使用PID控制器基于所述误差来确定排程的PID增益；
应用自适应算法以修改排程的PID增益；
基于修改后的排程的PID增益来确定用于空气增压系统的系统控制命令；以及
基于用于空气增压系统的系统控制命令来控制空气增压系统。
2.如方案1所述的方法，其中所需操作目标命令包括目标排气比。
3.如方案1所述的方法，其中所需操作目标命令包括目标升压压力。
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进气歧管压力、进气歧管温度、压缩机入口压力和压缩机入口温度。
5.如方案1所述的方法，其中所述排程的PID增益根据以下关系来确定：
其中Kp是比例增益，
　　KI是积分增益，
　　KD是微分增益，
　　t是时间，以及
　　e(t)是确定设置点与受监控的系统参数之间的误差值的误差函数。
6.如方案1所述的方法，其中应用自适应算法以修改排程的PID增益包括使用根据以下关系表达的梯度搜索来应用自适应算法：
其中Γ是自适应增益，
　　是成本函数的全局最小值，
　　ε是等于e(t)的误差值，
　　g(t)是系统增益函数，
　　θ是PID增益的向量。
7.如方案1所述的方法，其中修改排程的PID增益的自适应算法是根据以下关系来表达：
其中k是排程的增益的当前迭代，以及
　　是离散取样率，
　　Γ是自适应增益，
　　Kp是比例增益，
　　KI是积分增益，
　　KD是微分增益，
　　t是时间，
　　g(t)是系统增益函数，
　　e(t)是确定设置点与受监控的系统参数之间的误差值的误差函数，以及
　　ε是等于e(t)的误差值。
8.如方案1所述的方法，其中应用自适应算法以修改排程的PID增益包括根据以下关系表达的将自适应算法应用于一般非线性系统：
其中k是排程的增益的当前迭代，以及
　　是离散取样率，
　　Γ是自适应增益，
　　Kp是比例增益，
　　KI是积分增益，
　　KD是微分增益，
　　t是时间，
　　是被控对象函数的偏导数，
　　e(t)是确定设置点与受监控的系统参数之间的误差值的误差函数，以及
　　ε是等于e(t)的误差值。
9.如方案1所述的方法，其中应用自适应算法以修改排程的PID增益包括将自适应算法应用于一般非线性系统包括：
通过将所述误差乘以当前误差、过去误差和未来误差的预测中的每一个来确定PID误差项组；
通过将PID误差项组乘以基于系统控制命令的偏导数和空气增压系统的所述操作参数中的对应操作参数的偏导数的系统增益来确定PID系统增益项组；
通过将PID系统增益项组乘以自适应率来确定自适应的PID系统增益组；
通过将自适应的PID系统增益组进行积分来确定PID排程的增益修改量组；以及
通过将PID排程的增益修改量添加到排程的增益来修改排程的PID增益。
10.控制内燃发动机中的排气再循环系统、空气节气门系统和空气增压系统的方法，所述方法包括：
提供用于排气再循环系统、空气节气门系统和空气增压系统中的每一个的所需操作目标命令；
监控用于排气再循环系统、空气节气门系统和空气增压系统中的每一个的操作参数；
确定用于排气再循环系统、空气节气门系统和空气增压系统中的每一个的受监控的所需操作目标命令与相应系统的对应操作参数之间的误差；
使用PID控制基于排气再循环系统、空气节气门系统和空气增压系统中的每一个的相应误差来确定用于排气再循环系统、空气节气门系统和空气增压系统中的每一个的排程的PID增益；
应用自适应算法以修改排程的PID增益中的每一个；
基于相应的修改后的排程的PID增益来确定用于排气再循环系统、空气节气门系统和空气增压系统中的每一个的系统控制命令；以及
基于所述系统控制命令来控制空气增压系统。
11.如方案10所述的方法，其中用于排气再循环系统、空气节气门系统和空气增压系统中的每一个的所需操作目标命令包括目标排气比。目标压缩机压力比和目标升压压力。
12.如方案10所述的方法，其中空气增压系统的操作参数包括进气歧管压力、进气歧管温度、压缩机入口压力和压缩机入口温度。
13.如方案10所述的方法，其中确定用于排气再循环系统、空气节气门系统和空气增压系统中的每一个的排程的PID增益包括：
使用PID控制器确定用于排气再循环系统、空气节气门系统和空气增压系统中的第一个的排程的PID增益；
使用PID控制器确定用于排气再循环系统、空气节气门系统和空气增压系统中的第二个的排程的PID增益；以及
使用PID控制器确定用于排气再循环系统、空气节气门系统和空气增压系统中的第三个的排程的PID增益。
14.如方案13所述的方法，其中PID控制由以下关系来表达：
其中Kp是比例增益，
　　KI是积分增益，
　　KD是微分增益，
　　t是时间，以及
　　e(t)是确定设置点与受监控的系统参数之间的误差值的误差函数。
15.如方案10所述的方法，其中应用自适应算法以修改排程的PID增益中的每一个包括由以下关系表达的自适应算法：
其中k是排程的增益的当前迭代，以及
　　是离散取样率，
　　Γ是自适应增益，
　　Kp是比例增益，
　　KI是积分增益，
　　KD是微分增益，
　　t是时间，
　　g(t)是系统增益函数，
　　e(t)是确定设置点与受监控的系统参数之间的误差值的误差函数，以及
　　ε是等于e(t)的误差值。
16.如方案10所述的方法，其中应用自适应算法以修改排程的PID增益中的每一个包括将根据以下关系表达的自适应算法应用于一般非线性系统：
其中k是排程的增益的当前迭代，以及
　　是离散取样率，
　　Γ是自适应增益，
　　Kp是比例增益，
　　KI是积分增益，
　　KD是微分增益，
　　t是时间，
　　是被控对象函数的偏导数，
　　e(t)是确定设置点与受监控的系统参数之间的误差值的误差函数，以及
　　ε是等于e(t)的误差值。
17.如方案10所述的方法，其中应用自适应算法以修改排程的PID增益中的每一个包括用于排气再循环系统、空气节气门系统和空气增压系统中的每一个：
通过将用于相应系统的受监控的所需操作目标命令与相应系统的对应受监控的操作参数之间的所述误差乘以当前误差、过去误差和未来误差的预测中的每一个来确定PID误差项组；
通过将PID误差项组乘以基于系统控制命令的偏导数和相应系统的对应受监控的操作参数的偏导数的系统增益来确定PID系统增益项组；
通过将PID系统增益项组乘以自适应率来确定自适应的PID系统增益组；
通过将自适应的PID系统增益组进行积分来确定PID排程的增益修改量组；以及
通过将PID排程的增益修改量添加到排程的增益来修改排程的PID增益。
18.使用PID增益的在线微调来控制空气增压系统的方法，包括：
提供用于空气增压系统的所需操作目标命令；
监控空气增压系统的操作参数；
确定用于空气增压系统的所需操作目标命令与空气增压系统的受监控的操作参数之间的误差；
使用PID控制器基于所述误差来确定排程的PID增益；
应用自适应PID控制以修改排程的PID增益，包括：
通过将用于空气增压系统的受监控的所需操作目标命令与空气增压系统的受监控的操作参数之间的误差乘以当前误差、过去误差和未来误差的预测中的每一个来确定PID误差项组；
通过将PID误差项组乘以基于系统控制命令的偏导数和空气增压系统的操作参数的偏导数的系统增益来确定PID系统增益项组；
通过将PID系统增益项乘以自适应率来确定自适应的PID系统增益组；
通过将自适应的PID系统增益组进行积分来确定PID排程的增益修改量组；
通过将PID排程的增益修改量添加到排程的增益来修改排程的PID增益；
基于修改后的排程的增益来确定用于空气增压系统的系统控制命令；以及
基于用于空气增压系统的系统控制命令来控制空气增压系统。
19.如方案18所述的方法，其中所述排程的PID增益根据以下关系来确定：
其中Kp是比例增益，
　　KI是积分增益，
　　KD是微分增益，
　　t是时间，以及
　　e(t)是确定设置点与受监控的系统参数之间的误差值的误差函数。
20.如方案18所述的方法，其中所需操作目标命令包括目标升压压力和目标排气比中的一个。
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闭合回路反馈控制系统；
图4示意性地描绘根据本公开的示例性自适应PID控制流程图；
图5图表地描绘根据本公开的自适应PID控制与默认PID控制的比较；
图6-1图表地描绘根据本公开的自适应PID控制与具有50%的阻尼减少的默认PID控制的比较；
图6-2图表地描绘根据本公开的自适应PID控制与具有100%的阻尼增加的默认PID控制的比较；
图7图表地描绘根据本公开的用于通过自适应PID控制的增益排程的潜在校准减少；
图8示意性地描绘根据本公开的用于基于模型的MIMO空气路径系统的示例性自适应PID控制；
图9图表地描绘根据本公开的通过自适应PID调整的命令的升压压力和实际升压压力随时间的比较；以及
图10描绘根据本公开的自适应PID控制的示例性过程。
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和其子系统，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、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。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。
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地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。
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，并且函数关系被操作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。EGR阀的分开的前馈控制的一种示例性方法可以包括基于反转模型和校准的项使用实施在混合多项式中的系统的反流模型。EGR阀的分开的前馈控制的另一种示例性方法可以包括使用基于维度表的方法。EGR阀的分开的前馈控制的另一种示例性方法可以包括使用指数多项式拟合模型。空气节气门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、维度表方法或指数多项式拟合模型。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。
这些方法可以单独地或者组合地使用，并且不同的方法可以用于不同条件和操作范围的相同系统。控制方法可以使用反流模型来确定用于包括EGR电路、空气节气门系统和增压系统中的一个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、空气节气门系统和增压系统中的另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、空气节气门系统和增压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。
在对应于公开US2012-0173118A1的共同待决并且共同受让的申请号12/982,994中披露通过根据EGR流的反转模型的反转控制方法来控制EGR流的方法，该申请以引用的方式并入本文。
在线性控制策略中实施反馈控制模块以便使用反馈控制方法来确定反馈控制命令。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）反馈控制方法。在示例性实施例中，PID控制模块可以被单独地设计以输出分开的反馈控制信号以用于MIMO系统中待控制的每个系统。
一种将自动算法应用于PID增益的在线微调的方法可以应用于使用PID反馈控制方法的反馈控制系统，以便减少反馈控制校准并优化反馈控制系统。除了减少反馈控制校准并提高瞬态响应之外，此方法还可以补偿由于老化导致的系统性能，诸如EGR冷却器积垢。此方法可以进一步增强克服被控对象不确定性（诸如操作温度和压力改变）的稳健性，并且还可以减少在增益排程中所需的PID校准的数量。
图3示意性地描绘根据本公开的示例性闭合回路反馈控制系统。有待控制的系统302由数学模型、随时间变化的被控对象函数F(u(t))来表示。参考设置点r(t)320被输入到闭合回路反馈系统。随后将参考设置点320与有待控制的系统的测量出的输出y(t)323相比较，并且差为误差值e(t)321。误差值e(t)被输入到PID控制器301。PID控制器试图通过操纵该值来最小化误差值e(t)。这包括使用三个校正项：比例、积分和微分项。这些项被相加求和以计算PID控制器的输出，即反馈控制命令u(t)322。反馈控制命令322随后被输入到有待控制的系统302的随时间变化的被控对象F(u(t))，从而控制系统302。当随时间变化的被控对象F(u(t))输入反馈控制命令u(t)322和输出y(t)323时，被控对象可以由以下关系表达：
[1]
PID控制器输出u(t)322等于由PID控制器301实施的算法并且可以由以下关系表达：
[2]
其中Kp是比例增益，
　　KI是积分增益，
　　KD是微分增益，
　　t是时间，以及
　　e(t)是确定设置点与受监控的系统参数之间的误差值的误差函数。
有待控制的系统302的随时间变化的被控对象可以替代地包括会影响有待控制的系统的测量出的输出y(t)323的干扰。在此状况下，具有干扰的随时间变化的被控对象可以由以下关系表示：
[3]
其中f(t)是干扰函数，
　　g(t)是系统增益函数，
　　u(t)是PID控制器算法，
　　是PID增益的向量，以及
　　是系统增益函数与误差向量的乘积。
可以由以下关系表达：
[4]
可以由以下关系表达：
[5]。
闭合回路反馈系统（诸如图3中示意性地描绘的系统）可以被表示为成本函数J，该函数寻求最小化误差项ε，该误差项等于误差函数e(t)。此成本函数J可以由以下关系表示：
[6]
当J具有全局最小值时，使用用于全局最小值的梯度搜索的自适应PID控制算法可以由以下关系表示：
[7]
其中Γ是自适应增益，
　　是相对于θ的成本函数的梯度，
　　ε是等于e(t)的误差值。
对于离散算法，此关系可以由以下关系表示：
[8]
其中k是排程的增益的当前迭代，以及
是离散取样率。
对于一般非线性系统，自适应算法可以找到局部最小值。用于一般非线性系统的自适应PID控制的自适应算法可以由以下关系表示：
[9]
[10]
其中是被控对象函数的偏导数。
由于增益排程是基于在每个操作条件下用于线性化的系统的PID设计，所以此自适应算法可以修改排程的增益以提高系统瞬态响应和对系统不确定性的稳健性，并且可以额外地补偿由于老化导致的系统性能。
图4示意性地描绘根据本公开的示例性自适应PID控制系统流程图。与图3所描绘的示例性闭合回路反馈系统一样，有待控制的系统404由数学模型、随时间变化的被控对象函数F(u(t))来表示。参考设置点r(t)420被输入到反馈系统。随后将参考设置点420与有待控制的系统的测量出的输出y(t)423相比较，并且差为由误差函数e(t)确定的误差值e421。误差值421被输入到PID控制器401。在此自适应PID控制方法中，PID控制器基于误差值421确定比率增益402和积分增益403，并且进一步添加比率增益的所确定的改变431和积分增益的所确定的改变432以修改排程的增益。所确定的比率增益402和积分增益402项被相加求和以计算PID控制器的输出，即反馈控制命令u(t)422。反馈控制命令422随后被输入到有待控制的系统404的随时间变化的被控对象F(u(t))，从而控制系统404。
使用以下过程来计算比率增益的所确定的改变431和积分增益的所确定的改变432，如图4的流程图中所描绘。误差值421被输入到模块406，该模块将误差值421平方，从而确定输出值424。误差值421额外地输入到模块407，该模块执行误差值421的积分的函数。误差值421的积分乘以实际误差值421，以确定如由方程10所表达的输出值425。反馈控制命令422和测量出的系统输出423被输入到导数模块405。导数模块405额外地考虑额外的启用条件412，以确定是否计算导数，从而提供对PID控制的适应，或者将输出设置为零，从而意味着不提供适应。额外的启用条件412可以由以下关系表达：
[11]
其中ε1是相对于y(t)的阈值最小误差值，以及
　　ε2是相对于u(t)的阈值最小误差值。
导数模块405的输出426乘以平方的误差值424以确定项e(t)*ε*，如由方程10所表达。此项被输出作为值427，该值随后根据方程10乘以自适应率408，并且此项是输出429。随后在积分模块410处将输出项429进行积分以确定431，如由方程10所表达。导数模块405的输出426也乘以输出项425以确定项428，该项可以被表达为*ε*。项428随后乘以自适应率409以确定输出项430。随后在积分模块411处将输出项430进行积分以确定432。此方法可以额外地实施以修改排程的导数增益KD，如由方程10所表达。
图5图表地描绘根据本发明的自适应PID控制与默认PID控制的比较。自适应调整的此描述是与二阶系统的若干实例有关。将默认PID控制530与自适应PID控制531相比较。随着时间510，自适应PID控制531的输出520被展示为具有提高的响应时间以及减少的过冲和回复时间。
图6-1图表地描绘根据本公开的自适应PID控制与具有50%的阻尼减少的默认PID控制的比较。自适应调整的此描述是与二阶系统的若干实例有关。将默认PID控制630与自适应PID控制631相比较。随着时间610，自适应PID控制631的输出620被展示为具有提高的响应时间以及减少的过冲和回复时间。PID控制的振动的增加将通过阻尼来稳定化从而防止振动。自适应PID控制具有提高的PID控制稳健性。
图6-2图表地描绘根据本公开的自适应PID控制与具有100%的阻尼增加的默认PID控制的比较。自适应调整的此描述是与二阶系统的若干实例有关。将默认PID控制632与自适应PID控制633相比较。随着时间610，自适应PID控制633的输出620被展示为具有提高的响应时间以及减少的过冲和回复时间。在被控对象阻尼系数改变的两个实例中，自适应PID控制都具有提高的控制稳健性。
图7图表地描绘根据本公开的用于通过自适应PID控制的增益排程的潜在校准减少。排程的增益730是转速719和燃料720的函数。在通过默认PID控制的增益排程将需要图7中所示的每个矩阵点处的校准时，通过自适应PID控制的增益排程允许仅在选择点740处需要的校准。通过自适应，点750可以在无需额外校准的情况下确定，从而导致减少增益排程中所需的PID校准的数量。
图8示意性地描绘根据本公开的用于基于模型的MIMO空气路径系统的示例性自适应PID控制。此示例性空气增压多变量控制系统使用基于模型的前馈控制和PID反馈控制方法。空气增压系统810接收命令并且产生输出。描绘生成命令的若干模块和控制策略，包括反馈控制模块807和808以及前馈控制模块805和806。目标EGR值824和升压目标825可以分别由查找表801和802根据受监控的燃料值822和受监控的转速值823来确定。将这些目标值824和825与对应的反馈信号838和839相比较，所述对应的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基于空气增压系统810的实际操作参数来估计。这些操作参数可以包括例如进气歧管压力、进气歧管温度、空气质量、周围压力以及周围温度。空气增压系统参数可以由传感器监控或者替代地由状态变量观察器来估计。示例性估计的空气增压系统参数可以包括实际压缩机压力比和排气歧管压力。受监控和估计的系统操作参数可以用来确定反馈信号。反馈信号描述实际EGR838和实际升压压力839。所需操作参数与相应实际操作参数的比较确定用于每个参数的误差项，包括EGR误差项830和升压压力误差项831。这些误差项随后被分别输入到反馈控制模块807和808。根据本公开的自适应瞬态控制方法可以由控制模块807和808实施，从而使得由模块807和808的PID反馈控制方法确定的排程的增益由自适应瞬态值841和840修改。自适应瞬态值841和840由模块803根据受监控的燃料值822和受监控的转速值823来确定。由反馈控制模块807和808中的每一个实施的PID反馈控制方法（包括自适应瞬态控制）确定反馈控制信号832和833。反馈控制信号832和833被输入到模块809，其中控制信号被反转以确定反馈834和835。
除了受监控的操作参数820和821之外，所需操作参数点（包括目标EGR824和目标升压压力825）分别被额外地输入到前馈控制模块805和806。前馈控制模块805使用物理VGT反转模型以确定前馈VGT控制命令827，并且前馈控制模块806使用物理EGR反转模型以确定前馈EGR控制命令829。反馈信号834和835随后分别与前馈控制命令827和829组合，以确定用来控制空气增压系统810的EGR控制命令836和VGT控制命令837。
图9图表地描绘根据本公开的通过自适应PID调整的命令的升压压力和实际升压压力随时间的比较。命令的升压压力930和实际升压压力931通过随时间910的升压压力920来绘出。自适应PID调整在78秒处开始。在自适应调整开始时，命令的升压压力被展示为以减少的误差追踪实际升压压力。
图10描绘根据本公开的自适应PID控制的示例性过程。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
本公开已描述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实现本公开的最佳模式的（多个）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 (10)

1.控制内燃发动机的空气增压系统的方法，所述方法包括：
提供用于空气增压系统的所需操作目标命令；
监控空气增压系统的操作参数；
确定用于空气增压系统的所需操作目标命令与空气增压系统的所述操作参数中的对应操作参数之间的误差；
使用PID控制器基于所述误差来确定排程的PID增益；
应用自适应算法以修改排程的PID增益；
基于修改后的排程的PID增益来确定用于空气增压系统的系统控制命令；以及
基于用于空气增压系统的系统控制命令来控制空气增压系统。
2.如权利要求1所述的方法，其中所需操作目标命令包括目标排气比。
3.如权利要求1所述的方法，其中所需操作目标命令包括目标升压压力。
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进气歧管压力、进气歧管温度、压缩机入口压力和压缩机入口温度。
5.如权利要求1所述的方法，其中所述排程的PID增益根据以下关系来确定：
其中Kp是比例增益，
　　KI是积分增益，
　　KD是微分增益，
　　t是时间，以及
　　e(t)是确定设置点与受监控的系统参数之间的误差值的误差函数。
6.如权利要求1所述的方法，其中应用自适应算法以修改排程的PID增益包括使用根据以下关系表达的梯度搜索来应用自适应算法：
其中Γ是自适应增益，
　　是成本函数的全局最小值，
　　ε是等于e(t)的误差值，
　　g(t)是系统增益函数，
　　θ是PID增益的向量。
7.如权利要求1所述的方法，其中修改排程的PID增益的自适应算法是根据以下关系来表达：
其中k是排程的增益的当前迭代，以及
　　是离散取样率，
　　Γ是自适应增益，
　　Kp是比例增益，
　　KI是积分增益，
　　KD是微分增益，
　　t是时间，
　　g(t)是系统增益函数，
　　e(t)是确定设置点与受监控的系统参数之间的误差值的误差函数，以及
　　ε是等于e(t)的误差值。
8.如权利要求1所述的方法，其中应用自适应算法以修改排程的PID增益包括根据以下关系表达的将自适应算法应用于一般非线性系统：
其中k是排程的增益的当前迭代，以及
　　是离散取样率，
　　Γ是自适应增益，
　　Kp是比例增益，
　　KI是积分增益，
　　KD是微分增益，
　　t是时间，
　　是被控对象函数的偏导数，
　　e(t)是确定设置点与受监控的系统参数之间的误差值的误差函数，以及
　　ε是等于e(t)的误差值。
9.如权利要求1所述的方法，其中应用自适应算法以修改排程的PID增益包括将自适应算法应用于一般非线性系统包括：
通过将所述误差乘以当前误差、过去误差和未来误差的预测中的每一个来确定PID误差项组；
通过将PID误差项组乘以基于系统控制命令的偏导数和空气增压系统的所述操作参数中的对应操作参数的偏导数的系统增益来确定PID系统增益项组；
通过将PID系统增益项组乘以自适应率来确定自适应的PID系统增益组；
通过将自适应的PID系统增益组进行积分来确定PID排程的增益修改量组；以及
通过将PID排程的增益修改量添加到排程的增益来修改排程的PID增益。
10.控制内燃发动机中的排气再循环系统、空气节气门系统和空气增压系统的方法，所述方法包括：
提供用于排气再循环系统、空气节气门系统和空气增压系统中的每一个的所需操作目标命令；
监控用于排气再循环系统、空气节气门系统和空气增压系统中的每一个的操作参数；
确定用于排气再循环系统、空气节气门系统和空气增压系统中的每一个的受监控的所需操作目标命令与相应系统的对应操作参数之间的误差；
使用PID控制基于排气再循环系统、空气节气门系统和空气增压系统中的每一个的相应误差来确定用于排气再循环系统、空气节气门系统和空气增压系统中的每一个的排程的PID增益；
应用自适应算法以修改排程的PID增益中的每一个；
基于相应的修改后的排程的PID增益来确定用于排气再循环系统、空气节气门系统和空气增压系统中的每一个的系统控制命令；以及
基于所述系统控制命令来控制空气增压系统。
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