CN108869055A - 使用模型预测控制的电子节流阀控制 - Google Patents

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Abstract

一种车辆节流阀控制系统包括为节流阀提供期望转矩的转矩控制系统。转换模块将期望转矩转换为期望节流阀面积并且将期望节流阀面积转换为目标节流阀位置。基于节流阀的当前位置，选择模块确定应当使用多个MPC控制器中的哪一个。预测模块使用节流阀体的数学模型来确定未来状态值。成本模块确定MPC目标节流阀占空比值的第一集合的第一成本。控制模块为每个MPC控制器识别目标节流阀电动机占空比值的最佳集合。多个MPC控制器控制节流阀占空比的操作，以基于目标节流阀电动机占空比值中的第一个来实现目标节流阀开度面积。

Description

使用模型预测控制的电子节流阀控制
技术领域
本发明涉及电动机，并且更具体地涉及用于车辆的电子节流阀体控制系统和方法。
背景技术
内燃机在汽缸内燃烧空气和燃料混合物以驱动产生驱动转矩的活塞。经由节流阀调节进入发动机的气流。节流阀调整节流阀面积，从而增加或减少进入发动机的气流。随着节流阀面积的增加，进入发动机的气流也增加。燃料控制系统调整燃料喷射的速率以向汽缸提供期望的空气/燃料混合物和/或实现期望的转矩输出。增加被提供给汽缸的空气和燃料的量会增加发动机的转矩输出。
电子节流阀控制系统已经被开发用于控制节流阀位置或面积以实现期望转矩。这些阀中的许多阀是电动机致动的叶片或蝶形阀，其具有阀默认位置，该阀默认位置是偏置阀叶片的对置机械弹簧的平衡点。已知的电子节流阀控制系统使用单个比例-积分-微分(PID)控制器来感应电动机操作。机械弹簧系统或其它节流阀体设计属性可将非线性特性引入节流阀定位，特别是引入在阀默认位置周围的区域与远离默认位置的区域。这些不同的区域目前不能通过一个PID控制器进行最佳调谐。这可能会导致阀振荡，从而可引起发动机中的气流和转矩振荡。因此，传统的电子节流阀控制系统不能像所期望的那样准确地控制节流阀位置，并且不提供对控制信号的快速响应。
因此，虽然当前的电子节流阀控制系统实现它们的预期目的，但是仍需要用于电子地控制节流阀系统的新型和改进型系统和方法。
发明内容
根据若干方面，一种用于车辆的节流阀控制系统包括具有使用选择模块选择的多个模型预测控制(MPC)控制器的MPC模块。
在本发明的附加方面中，多个MPC控制器包括至少第一MPC控制器和第二MPC控制器，该选择模块基于节流阀的当前操作位置来选择第一MPC控制器或第二MPC控制器中的一个；并且第一MPC控制器或第二MPC控制器中的至少一个控制节流阀电动机占空比的操作以基于多个控制动作值中的第一个实现目标节流阀位置。
在本发明的另一个方面中，预测模块基于实际节流阀位置来确定节流阀电动机系统的未来状态值。
在本发明的另一个方面中，该预测模块基于节流阀体的数学模型来确定节流阀电动机系统的未来状态值。
在本发明的另一个方面中，预测模块进一步包括数学模型内的测量干扰。
在本发明的另一个方面中，约束模块对输出节流阀位置、节流阀电动机输入占空比和节流阀电动机输入占空比速率变化中的每一个设定约束。
在本发明的另一个方面中，当在操作节流阀的电动机中诊断出故障时，约束模块调整约束以使电动机控制参数的操作范围变窄。
在本发明的另一个方面中，多个MPC控制器中的每一个包括：卡尔曼滤波器；以及二次规划问题求解器。
在本发明的另一个方面中，二次规划问题对于每个MPC控制器是不同的。
在本发明的另一个方面中，卡尔曼滤波器对于每个MPC控制器是不同的。
在本发明的另一个方面中，至少一个MPC控制器系统包括：第一MPC控制模块，其在节流阀的节流阀平衡点的范围附近控制节流阀；以及第二MPC控制模块，其在节流阀平衡点的范围之外控制节流阀。
在本发明的另一个方面中，转矩控制模块产生目标发动机转矩；并且将期望发动机转矩转换为目标节流阀开度面积。
在本发明的另一个方面中，转换模块将目标节流阀开度区域转换为目标节流阀位置；并且将目标节流阀位置转换为目标占空比。
根据若干方面，一种用于使用MPC(MPC)来控制车辆节流阀占空比的方法包括：基于节流阀的当前位置来确定要使用的第一MPC模块；确定当前约束；以及优化用于控制节流阀的位置的节流阀占空比值的集合的成本函数。
在本发明的另一个方面中，该方法包括：基于节流阀位置来识别节流阀电动机占空比值的集合；以及基于每个设定的节流阀占空比目标值和节流阀体的数学模型来为节流阀电动机占空比值的每个集合确定节流阀电动机系统的预测未来状态值。
在本发明的另一个方面中，该方法包括为至少一个节流阀电动机占空比值设定至少一个约束；以及选择具有满足至少一个约束的最低成本的多个未来控制动作中的一个。
在本发明的另一个方面中，该方法包括：使用卡尔曼滤波器来预测未来节流阀电动机控制系统状态；使用二次规划(QP)求解器来计算目标节流阀电动机占空比值；从高级转矩系统产生用于期望节流阀位置的输出参考值；以及应用第一控制器以在节流阀的节流阀平衡点的范围附近控制节流阀；以及致动第二控制器以在节流阀平衡点的范围之外控制节流阀。
根据若干方面，一种用于车辆的节流阀控制系统包括：转矩控制系统，其提供期望转矩；转换模块，其将期望转矩转换为期望节流阀面积；转换模块，其将期望节流阀面积转换为目标节流阀位置；选择模块，其基于节流阀的当前位置来确定应当使用多个MPC(MPC)控制器中的哪一个；预测模块：其使用节流阀体的数学模型来确定节流阀控制系统的未来状态值；成本模块，其确定MPC目标节流阀占空比值的第一可能集合的第一成本；控制模块，其为每个MPC控制器识别可能目标节流阀电动机占空比值的最佳集合；MPC控制器控制节流阀占空比的操作以基于来自系统级控制的第一目标值来实现目标节流阀开度面积。
在本发明的另一个方面中，至少一个MPC控制器包括：第一控制器，其具有卡尔曼滤波器和对二次规划问题进行求解的二次编程(QP)求解器，该第一控制器在节流阀的节流阀平衡点的范围附近控制节流阀；以及第二控制器，其具有卡尔曼滤波器和对二次规划问题进行求解的二次规划(QP)求解器，该第二控制器在节流阀平衡点的范围之外控制节流阀。
在本发明的另一个方面中，约束模块为每个目标节流阀电动机占空比值设定约束。
从本文所提供的描述中将明白进一步应用领域。应当理解的是，该描述和具体示例仅旨在用于说明目的并且不旨在限制本发明的范围。
附图说明
本文所述的附图仅用于说明目的并且不旨在以任何方式限制本发明的范围。
图1是根据示例性实施例的发动机系统的功能框图；
图2是根据示例性实施例的高级MPC节流阀控制系统的功能框图；
图3是根据示例性实施例的空气控制模块的功能框图；
图4是根据示例性实施例的MPC节流阀电动机控制模块的功能框图；
图5是根据示例性实施例的节流阀体的局部横截面正视图；并且
图6是呈现示例性节流阀体的非线性转矩特性的曲线图。
具体实施方式
以下描述仅仅具有示例性本质并且不旨在限制本发明、应用或用途。
本发明的电子节流阀位置控制模块使用MPC(MPC)来产生节流阀目标值。更具体地，电子节流阀位置控制模块基于电子节流阀位置来识别节流阀目标值的可能集合。电子节流阀位置控制模块基于可能集合的目标值和节流阀体的数学模型来确定每个可能集合的预测参数。例如，电子节流阀位置控制模块为目标值的可能集合确定预测的电子节流阀位置。电子节流阀位置控制模块还确定与使用每个可能集合相关联的成本。针对可能集合确定的成本随着针对该可能集合确定的预测电子节流阀位置与如预测电子节流阀位置请求之间的第一差值的量值的增加而增加，并且反之亦然。
电子节流阀位置控制模块选择具有最低成本的一个可能集合。以此方式，电子节流阀位置控制模块可选择可能集合中被预测为最紧密跟踪电子节流阀位置请求并同时最小化位置误差的一个可能集合。最小化位置误差最小化过冲和建立时间。电子节流阀位置控制模块因此使用选定可能集合的目标值来设定用于控制电子节流阀位置的目标值。
现在参考图1，提出了示例性发动机系统100的功能框图。发动机系统100包括发动机102，其燃烧空气/燃料混合物以基于驾驶员输入模块104中的驾驶员输入产生用于车辆的转矩。发动机102可为汽油火花点火内燃机。
空气通过节流阀112被吸入到进气歧管110中。仅作为示例，节流阀112可包括具有可旋转叶片的蝶形阀。高级发动机控制模块(ECM)114控制高级节流阀致动器模块116，其调节该节流阀112的开度以控制吸入到进气歧管110中的空气的量。
进气歧管110中的空气被吸入到发动机102的汽缸中。虽然发动机102可包括多个汽缸，但是为了说明目的，示出单个代表性汽缸118。仅作为示例，发动机102可包括2、3、4、5、6、8、10和/或12个汽缸。高级ECM 114可指示汽缸致动器模块120向所有汽缸提供燃料，或者可选择性地停用一些汽缸，这在某些发动机操作条件下可提高燃料经济性。
发动机102可使用四冲程循环来操作。下文描述的四个冲程是进气冲程、压缩冲程、燃烧冲程和排气冲程。在曲轴(未示出)的每次转动期间，四个冲程中的两个冲程发生在汽缸118内。因此，汽缸118要经历所有四个冲程必须有两次曲轴转动。
在进气冲程期间，进气歧管110中的空气通过进气阀122吸入到汽缸118中。高级ECM 114控制燃料致动器模块124，其调节燃料喷射器以实现目标空燃比。燃料可在中心位置处或诸如靠近每个汽缸的进气阀122的多个位置处喷射到进气歧管110中。在各种实施方案(未示出)中，燃料可被直接喷射到汽缸中或喷射到与汽缸相关联的混合室中。燃料致动器模块124将会停止向选择停用的汽缸喷射燃料。
高级节流阀致动器模块116使用一个或多个节流阀位置传感器(TPS)190来监控节流阀112的位置。可使用进气温度(IAT)传感器192来测量被吸入到发动机102中的空气的周围温度。发动机系统100还可包括一个或多个其它传感器193。高级ECM 114使用来自节流阀位置传感器(TPS)190的信号来为发动机系统100做出控制决定。高级ECM 114还可与变速器控制模块194进行通信以协调变速器(未示出)中的换挡。
改变发动机参数的每个系统可被称为发动机致动器。例如，高级节流阀致动器模块116调整节流阀112的开度以实现目标节流阀开度面积。高级ECM 114产生电子节流阀位置的目标值，其使电子节流阀产生目标电子节流阀位置。如下面进一步讨论，高级ECM 114使用MPC(MPC)来产生用于电子节流阀的目标值。
现在参考图2，提出了示例性高级发动机系统(ECM)114的功能框图。ECM 114的示例实施方案包括驾驶员转矩模块202、车轴转矩仲裁模块204以及推进转矩仲裁模块206。ECM 114还包括转矩请求模块208、空气控制模块210和燃料控制模块212。
驾驶员转矩模块202基于来自驾驶员输入模块104的驾驶员输入216来确定驾驶员转矩请求214。驾驶员输入216可基于例如加速器踏板的位置和制动器踏板的位置。
车轴转矩仲裁模块204在驾驶员转矩请求214与其它车轴转矩请求218之间做出仲裁。车轴转矩(车轮处的转矩)可通过包括发动机和/或电动机的各种来源产生。
车轴转矩仲裁模块204基于接收到的驾驶员转矩请求214与其它转矩请求218之间的仲裁结果来输出预测转矩请求220和即时转矩请求222中的每一个。如下所述，来自车轴转矩仲裁模块204的预测转矩请求220和即时转矩请求222可在用于控制发动机致动器之前由ECM 114的其它模块选择性地调整。
高级节流阀致动器模块116通过调整节流阀112的叶片的角度来改变节流阀开度。因此，当节流阀112的开度的目标值改变时，随着节流阀112响应于该定向改变而从其前一个位置移动到新位置，存在机械延迟。另外，基于节流阀开度的气流变化受制于进气歧管110中的空气运输延迟。另外，进气歧管110中增加的气流被延迟并且不能被实现为发动机输出转矩的增加，直到汽缸118在下一个进气冲程中接收到附加的空气，压缩附加的空气并开始燃烧冲程为止。
由于上述操作固有的延迟，高级节流阀致动器模块116控制节流阀112以实现限定目标节流阀位置值224的目标节流阀开度面积。为了实现更高程度的控制，转换模块226可使用下面讨论的第二MPC系统将目标节流阀开度面积或目标位置值224转换为目标占空比228，以应用于节流阀112，并且高级节流阀致动器模块116基于目标占空比228向节流阀112施加信号。在各种实施方案中，转换模块226将参考图5示出的目标节流阀位置值224转换为目标节流阀位置，并且将目标节流阀位置转换为目标占空比228。在确定目标占空比228时，可使用传感器确定的或者与环境温度相关的节流阀体温度以及节流阀电压将被识别为测量干扰。
燃料控制模块212基于燃料转矩请求230改变被提供给每个汽缸的燃料的量。更具体地，燃料控制模块212基于燃料转矩请求230产生目标燃料供给参数232。目标燃料供给参数232可包括例如目标燃料质量、目标喷射开始正时和目标燃料喷射次数。
在正常操作期间，燃料控制模块212可以空气提前模式操作，其中燃料控制模块212通过基于气流控制燃料供给来试图维持化学计量的空燃比。在空气提前模式中，燃料控制模块212确定与当前单缸空气质量(APC)结合时将产生化学计量的燃烧的目标燃料质量。
参考图3并且再次参考图1和2，提出了应用第二MPC系统的空气控制模块210的示例实施方案的功能框图。来自转矩请求模块208的空气转矩请求234可为制动转矩。转矩转换模块235将空气转矩请求234从制动转矩转换成基本转矩。由转换成基本转矩引起的转矩请求将被称为基本空气转矩请求236。
然后使用转矩请求转换模块237将基本空气转矩请求236转换为所请求的节流阀面积或节流阀位置请求238。然后使用校准的节流阀面积-位置查找表240中的数据将节流阀位置请求238转化为节流阀位置239。高级MPC 114然后使用节流阀位置传感器(TPS)190作为反馈根据节流阀位置239控制节流阀。
第二MPC(模型预测控制)系统包括产生目标节流阀位置值224的值的空气控制MPC模块242。序列确定模块243确定目标值224的值的可能序列。
预测模块244分别基于使用电子节流阀112的数学模型246、外部输入248和反馈输入250来确定电子节流阀112位置对目标值的可能序列的预测响应。更具体地，基于目标值的可能序列、外部输入248和反馈输入250，通过应用数学模型246，预测模块244产生预测电子节流阀位置的序列。数学模型246可为例如使用在节流阀校准表中找到的信息基于电子节流阀的特性校准的函数或映射。
外部输入248可包括不直接受节流阀112影响的参数。例如，外部输入248可包括发动机转速、涡轮增压器进气压力、IAT和/或一个或多个其它参数。反馈输入250可包括例如电子节流阀位置和/或一个或多个其它合适的参数。可使用传感器(例如，节流阀位置传感器190)来测量和/或基于一个或多个其它参数来估计反馈输入250。
成本模块252基于针对可能序列和输出参考值254确定的预测参数来确定目标值224的每个可能序列的成本值。下面将进一步讨论示例性成本确定。
选择模块256基于可能序列的成本来选择目标值224的一个可能序列。例如，选择模块256可选择具有最低成本并同时满足多个输入或致动器约束258和多个输出约束260的一个可能序列。约束是仿射的，并且被提供为1)输入约束、2)输出约束，或3)增量约束(参考约束)。也可将不同约束应用于参考图4讨论的每个MPC控制器以实现不同的控制器输出，或者一个或多个控制器可不应用约束。约束被保存在软件中的存储器中，并且每个约束可为可校准值或者可为硬编码的。
在各种实施方案中，在成本确定中也可考虑满足致动器约束258和输出约束260。在这些实施方案中，成本模块252可进一步基于致动器约束258和输出约束260来确定成本值。如下面进一步讨论，基于如何确定成本值，选择模块256将会选择可能序列中在受制于致动器约束258和输出约束260的情况下最佳地实现电子节流阀位置并同时最小化成本的一个可能序列。各种约束是线性的并且可实时改变，总是可用于下面描述的二次函数，并且可通过应用限定符来选择或取消选择，该限定符在例如不期望具体约束时可改变为无限值。
在后续或下一个控制循环期间，空气控制MPC模块242识别可能序列，产生可能序列的预测参数，确定每个可能序列的成本，选择一个可能序列，以及目标节流阀开度面积或目标值224的集合到选定可能序列中的第一集合。该过程针对每个控制循环而继续进行。如参考图2所讨论的，目标节流阀开度面积或目标值224被馈送到转换模块226中。
继续参考图2，致动器约束模块262为每个目标值224设定一个致动器约束258。因此，致动器约束模块262为节流阀112设定致动器约束。
每一个目标值224的致动器约束258可包括相关目标值的最大值和该目标值的最小值。致动器约束模块262通常可将致动器约束258设定为节流阀电动机控制器的预定操作范围。更具体地，致动器约束模块262可将致动器约束258设定为节流阀112的预定操作范围。基于节流阀112的位置识别节流阀电动机占空比值的集合，并且基于每个集合的节流阀占空比值以及参考图5示出和描述的节流阀体304的数学模型来针对节流阀电动机目标占空比值228的每个集合来确定节流阀电动机系统的预测未来状态值。
在一些情况下，致动器约束模块262还可选择性地调整一个或多个电子节流阀位置约束。例如，约束模块262可调整致动器约束258，以当在参考图4示出和描述的电动机276中诊断出故障时使该电动机控制参数的操作范围变窄。在另一个示例中，约束模块262可调整电动机约束，使得给定致动器的目标值遵循随时间变化的预定时间表或者例如由于故障诊断(诸如电动机故障诊断、节流阀诊断等)而改变预定量。高级MPC节流阀控制在位置方面存在约束，并且对于经由阀占空比控制阀位置的低级MPC控制器也存在约束。
为了使目标值遵循随时间变化的预定时间表或者改变预定量，致动器约束模块262还可将最小值和最大值设定为相同的值。最小值和最大值被设定为相同的值可能会强制将对应的目标值设定为与最小值和最大值相同的值。致动器约束模块262还可改变最小值和最大值随着时间变化所要被设定为的相同值，以使得目标值遵循预定时间表。
继续参考图2和3，输出约束模块264设定输出约束260。输出约束模块264通常可将输出约束260设定为相关预测参数的预定范围。然而，在一些情况下，输出约束模块264还可改变一个或多个输出约束260。
参考模块266(参见图2)为目标值224产生输出参考值254。输出参考值254包括用于对每个目标值224的参考。输出参考值254包括参考节流阀开度面积。
参考模块266可例如基于空气转矩请求234、基本空气转矩请求236、对应的节流阀面积和对应的节流阀位置和/或一个或多个其它合适的参数来确定输出参考值254。输出参考值254提供用于分别设定目标值224的参考。输出参考值254还可用于确定可能序列的成本值。输出参考值254可进一步用于一个或多个其它原因，诸如由序列确定模块243确定可能序列。
MPC模块242使用一个或多个二次规划(QP)问题(参考图4描述)确定目标值224，该QP问题可为例如Dantzig QP求解器。例如，MPC模块242可产生目标值224的可能序列的成本值的表面，并且基于成本值的表面的斜率来识别具有最低成本的可能目标值的集合。MPC模块242然后测试该可能目标值的集合以确定该可能目标值的集合是否满足致动器约束258和输出约束260。MPC模块242选择具有最低成本并同时满足致动器约束258和输出约束260的可能目标值的集合。
成本模块252可基于以下各项之间的关系来确定目标值224的可能序列的成本：预测节流阀位置与节流阀位置请求239；可能目标值与相应的致动器约束258；其它预测参数与相应的输出约束260；以及可能目标值与相应的输出参考值254。可对这些关系进行加权以控制每个关系对成本的影响。
成本模块252还可基于受制于致动器约束258和输出约束260的以下更详细的等式来确定目标值224的可能序列的成本：
其中Cost是目标值224的可能序列的成本，TP是节流阀位置，DTP是节流阀位置请求239，wT是与预测和参考节流阀位置之间的关系相关联的权重值，ΔDC是占空比增量，wD是与输入增量相关联的权重，ε是软约束的松弛变量，并且ρ是与松弛变量相关联的权重。
参考图4并且再次参考图1到3，高级节流阀致动器模块116控制节流阀112的操作。节流阀112包括被固定到旋转轴270的蝶形叶片或节流阀叶片268。对置偏置构件272(诸如位于轴270周围并且对置偏置的压缩弹簧)将节流阀叶片268偏置到零位或平衡点，通常位于或接近大约30％的阀打开位置。轴270连接到由DC电动机276驱动的变速箱274。DC电动机276从至少一个多个MPC器(包括第一MPC控制器278、第二MPC控制器280以及与所期望一样多的附加控制器，总体上被标识为MPC控制器282并且根据若干方面的多个MPC器的若干方面接收控制命令。
每个MPC控制器均包括卡尔曼滤波器和由QP求解器进行求解的二次规划(QP)问题。例如，第一MPC控制器278包括与QP求解器285、成本函数模块286和约束模块287进行通信的卡尔曼滤波器284。类似地，第二MPC控制器280包括与QP求解器289、成本函数模块290和约束模块291进行通信的卡尔曼滤波器288。第一MPC控制器278经由通信线路292与电动机276进行通信，并且第二MPC控制器280经由通信线路294与电动机276进行通信。
卡尔曼滤波器(诸如卡尔曼滤波器284、288)允许线性电动机控制，并且提供对节流阀系统的数学模型的状态的估计。当从一个节流阀位置面积区域切换到另一个节流阀位置面积区域时(例如，当从第一MPC控制器278切换到第二MPC控制器280时)，使用上次输入来更新卡尔曼滤波器状态以从旧模型状态改变到新的模型状态，从而使状态变化平滑化。二次规划求解器(诸如(QP)求解器285和QP求解器289)提供二次函数，其对每个步骤或渐进式循环处的预测数据的最佳拟合进行求解，并且因此有助于识别不同模型或MPC控制器何时提供更佳拟合或解。
如本文先前所讨论，基于如何确定成本值，使用来自成本模块252的输出296，选择模块252将选择可能序列中在受制于致动器约束258和输出约束260的情况下最佳地实现电子节流阀叶片268位置并同时最小化成本的一个可能序列。选择模块256然后通过例如被引导到第一MPC控制器278的节流阀位置期望控制信号298来设定目标节流阀开度面积的目标值224或者或目标值224。反馈线路300将来自节流阀位置传感器190的节流阀位置反馈信号返回到选择模块256。
如先前所述，在后续或下一个控制循环期间，MPC模块242识别可能序列，产生可能序列的预测参数，确定每个可能序列的成本，选择一个可能序列，并且可例如通过将节流阀位置期望控制信号298引导到第二MPC控制器280来将目标节流阀开度面积或目标值224重置为选定可能序列中的目标值224的另一个集合。
以此方式，可通过选择MPC控制器278、280或282中的单独的一个MPC控制器来控制预定义范围，例如大约30度的节流阀操作。操作范围也可预先确定以便在每个MPC控制器之间变化。例如，根据若干方面，一个MPC控制器(诸如第二MPC控制器280)可用于控制阀叶片268的平衡点附近的节流阀位置，其可根据需要变窄或扩大，第一MPC控制器278可用于控制平衡点的第一侧上的节流阀位置，并且另一个MPC控制器282可用于控制平衡点相对于第一MPC控制器278的相对侧上的节流阀位置。
参考图5并且再次参考图4，节流阀叶片268被定位在节流阀体304的节流通道302中，并且可在被指示处于节流阀叶片268'的位置处的阀关闭位置与被指示处于节流阀叶片268”的位置处的阀打开位置之间旋转大约90度。节流阀叶片268围绕由轴270限定的轴线旋转。节流阀平衡点可在不同的发动机或节流阀设计之间变化，并且被指示位于节流阀叶片268”'的位置处。目标节流阀位置224由节流阀叶片268的开度旋转的角度限定。当未被电动机276作用时，定位在轴270周围的对置偏置构件272将节流阀叶片268偏置到零位或平衡点(被指示处于节流阀叶片268”'处)。因为偏置构件272的净偏置力在平衡点处最小，所以可能由于流过节流阀叶片268而发生的节流阀叶片268的振荡可通过使一个MPC控制器专用于在平衡点处或靠近平衡点(例如在平衡点的大约±10度内)的操作来最小化。
参考图6并且再次参考图5，曲线图306呈现了对于示例性节流阀体的与旋转角度310(以度为单位)相比较的节流阀叶片轴转矩范围308(以N-cm为单位)。平均转矩312在大约32度的旋转角度以上大致上是线性的，并且在大约30度到32度之间大致上是非线性的。类似地，平均转矩316在大约28度的旋转角度以下大致上是线性的，并且在大约28度到30度之间大致上是非线性的。在该示例中，节流阀因此更加难以在大约30度的平衡点附近以线性方式控制。因此，用于多个不同节流阀的曲线图(诸如曲线图306)可用于识别用于本发明的专用MPC控制器的阀的平衡点附近的最有效旋转角度范围。
提供了使用本发明的MPC进行节流阀控制的方法和系统提供了若干优点。这些包括与单PID受控节流阀定位相比提高了节流阀位置的准确度，从而提高了转矩控制的准确性。减少或消除了意外的节流阀和转矩振荡。还减少了由于节流阀振荡或控制不良导致的诊断故障码的发生。系统校准时间也减少了，因为应用MPC的模型可结合节流阀操作数据和操作条件的更大集合。
以上描述的本质仅仅是说明性的并且决不旨在限制本发明、其应用或用途。本发明的广泛教导可通过各种形式来实施。因此，虽然本发明包括特定示例，但是本发明的真实范围不应当局限于此，因为当研究图式、说明书和以下权利要求书之后将明白其它修改。如本文所使用，短语A、B和C中的至少一个应被理解为意味着使用非排他性逻辑OR的逻辑(A或B或C)。应当理解的是，方法内的一个或多个步骤可以不同顺序(或同时)执行且不更改本发明的原理。
在包括以下定义的本申请中，术语模块可用术语电路来代替。术语模块可指代以下项或是以下项的部分或包括以下项：专用集成电路(ASIC)；数字、模拟或混合式模拟/数字离散电路；数字、模拟或混合式模拟/数字集成电路；组合逻辑电路；现场可编程门阵列(FPGA)；执行代码的处理器(共享、专用或成组)；存储由处理器执行的代码的存储器(共享、专用或成组)；提供所述功能性的其它合适的硬件部件；或某些或所有上述的组合，诸如在片上系统中。
如上文所使用的术语代码可包括软件、固件和/或微代码，并且可指代程序、例程、函数、类和/或对象。术语共享处理器涵盖执行来自多个模块的某些或所有代码的单个处理器。术语成组处理器涵盖结合另外的处理器来执行来自一个或多个模块的某些或所有代码的处理器。术语共享存储器涵盖存储来自多个模块的某些或所有代码的单个存储器。术语成组存储器涵盖结合另外的存储器来存储来自一个或多个模块的某些或所有代码的存储器。术语存储器可为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传播通过介质的暂时性电和电磁信号，并且可因此被视为有形且非暂时性的。非暂时性有形计算机可读介质的非限制性示例包括非易失性存储器、易失性存储器、磁存储装置和光存储装置。
本申请中描述的设备和方法可通过由一个或多个处理器执行的一个或多个计算机程序来部分或完全实施。计算机程序包括存储在至少一个非暂时性有形计算机可读介质上的处理器可执行指令。计算机程序还可包括和/或依赖于所存储的数据。
本发明的描述本质上仅仅是示例性的，并且不偏离本发明的主旨的变型旨属于本发明的范围。这样的变型不应被视为脱离本发明的精神和范围。

Claims (10)

1.一种用于车辆的节流阀控制系统，包括：
模型预测控制(MPC)模块；
多个MPC控制器，其与所述MPC模块进行通信；以及
选择模块，其单独地选择所述多个MPC控制器中的一个来控制节流阀的电动机。
2.根据权利要求1所述的用于车辆的节流阀控制系统，其中：
所述多个MPC控制器包括至少第一MPC控制器和第二MPC控制器，所述选择模块基于节流阀的当前操作位置来选择所述第一MPC控制器或所述第二MPC控制器中的一个；并且
所述第一MPC控制器或所述第二MPC中的至少一个控制节流阀电动机占空比的操作以基于多个控制动作值中的第一个来实现目标节流阀位置。
3.根据权利要求2所述的用于车辆的节流阀控制系统，进一步包括预测模块，所述预测模块基于实际节流阀位置来确定节流阀电动机系统的未来状态值。
4.根据权利要求3所述的用于车辆的节流阀控制系统，其中所述预测模块基于节流阀体的数学模型来确定所述节流阀电动机系统的所述未来状态值。
5.根据权利要求4所述的用于车辆的节流阀控制系统，其中所述预测模块进一步包括所述数学模型内的测量干扰。
6.根据权利要求5所述的用于车辆的节流阀控制系统，进一步包括约束模块，所述约束模块设定多个约束，所述多个约束包括对输出节流阀位置、节流阀电动机输入占空比和节流阀电动机输入占空比速率变化中的每一个的约束。
7.根据权利要求6所述的用于车辆的节流阀控制系统，其中当在操作所述节流阀的所述电动机中诊断出故障时，所述约束模块调整所述约束以使电动机控制参数的操作范围变窄。
8.根据权利要求1所述的用于车辆的节流阀控制系统，其中所述多个MPC控制器中的每一个包括：
卡尔曼滤波器；以及
二次规划问题求解器。
9.根据权利要求8所述的用于车辆的节流阀控制系统，其中所述二次规划问题求解器对于所述多个MPC控制器中的每一个是不同的。
10.一种用于车辆的节流阀控制系统，包括：
转矩控制系统，其提供节流阀的期望转矩；
转换模块，其将所述期望转矩转换为期望节流阀面积；
转换模块，其将所述期望节流阀面积转换为目标节流阀位置；
选择模块，其基于所述节流阀的当前位置，确定应当使用多个MPC控制器中的哪一个；
预测模块，其使用节流阀体的数学模型来确定所述节流阀控制系统的未来状态值；
成本模块，其确定MPC目标节流阀占空比值的第一可能集合的第一成本；以及
控制模块，其为每个所述MPC控制器识别目标节流阀电动机占空比值的最佳集合；
其中所述多个模型预测控制(MPC)控制器控制节流阀占空比的操作，以基于所述目标节流阀电动机占空比值中的第一个来实现目标节流阀开度面积。
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