CN108930598A - 用于内燃机的充气的方法和系统 - Google Patents

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Abstract

提供了用于控制内燃机的充气系统的操作的方法和系统。多个致动器包括空气压缩机的电动机。充气系统的输出参数由多个传感器监视。处理器计算输出参数中的每一个输出参数与其目标值之间的误差。计算出的误差应用于产生虚拟输入的线性控制器。使用虚拟输入计算用于充气系统的输入参数。输入参数影响所有输出参数。用充气系统的非线性数学模型计算输入参数，该充气系统的非线性数学模型被配置为使得虚拟输入中的每一个虚拟输入与输出参数中的仅一个输出参数成线性关系。致动器使用输入参数来操作。

Description

用于内燃机的充气的方法和系统
技术领域
本发明总体上涉及一种用于内燃机的充气方法和系统，并且更具体地涉及控制内燃机(例如机动车辆的内燃机)的充气系统的操作。
背景技术
内燃机可以配备有设计用于将空气供应到燃烧室中的充气系统。充气系统通常包括将空气从周围环境传送到与燃烧室流体连通的进气歧管的进气管。进气阀通常设置在进气管中。进气阀具有致动器，该致动器布置成移动阀构件，该阀构件调节流向进气歧管的空气的质量流率。
充气系统还可以包括设置用于增加进气歧管中的空气的压力的涡轮增压器。涡轮增压器包括位于进气管中的压缩机和通过接收来自与燃烧室流体连通的排气歧管的排气来旋转压缩机的涡轮机。为了调节压缩机的转速，涡轮机可以是具有致动器的可变几何涡轮机(VGT)，该致动器布置成改变涡轮机入口叶片的角位置。充气系统可以包括位于进气管中并由电动机驱动的附加空气压缩机。
充气系统可进一步包括用于将来自排气歧管的排气的一部分再循环回到进气歧管中的一个或多个排气再循环(EGR)管。每个EGR管通常设置有具有致动器的EGR阀，该致动器布置成移动调节再循环排气的质量流率的阀构件。
在发动机的操作期间，充气系统的致动器(诸如EGR阀致动器、VGT致动器、进气阀致动器以及空气压缩机的电动机)用于根据性能和排放要求调节充气系统的输出参数的数量，例如进气歧管内的压力、进气歧管内的氧气浓度以及排气歧管内的压力。
为了执行这个功能，这些致动器通常根据分离的和不协调的控制策略来控制，这些控制策略使得每个单独的致动器能够在彼此独立的任何期望的或所需的位置中操作。
因此，期望为充气系统提供改进的控制策略。此外，还期望协调充气系统中致动器的控制策略。此外，结合附图和前述技术领域和背景，根据随后的详细描述和所附权利要求，本公开的其它期望的特征和特性将变得显而易见。
发明内容
提供了用于控制充气系统的操作的方法和系统。在各种实施例中，提供了一种用于控制内燃机的充气系统的操作的方法，其中充气系统包括多个致动器。致动器包括空气压缩机的电动机。充气系统的多个输出参数由多个传感器监视。处理器计算输出参数中的每一个输出参数与其目标值之间的误差。计算误差中的每一个计算误差应用于产生虚拟输入的线性控制器。使用虚拟输入来计算用于充气系统的多个输入参数，其中输入参数中的每一个输入参数影响所有的输出参数。用充气系统的非线性数学模型计算输入参数，该非线性数学模型配置为使得虚拟输入中的每一个虚拟输入与输出参数中的仅一个输出参数成线性关系。充气系统的致动器中的每一个使用输入参数的对应一个输入参数来操作。
在其它实施例中，内燃机的充气系统包括多个致动器。致动器中的一个致动器是空气压缩机的电动机。电子控制单元包括处理器，该处理器被配置成监视充气系统的多个输出参数。处理器计算监视的输出参数中的每一个输出参数与其目标值之间的误差。计算误差中的每一个计算误差应用于产生虚拟输入的线性控制器。处理器使用虚拟输入来计算用于充气系统的多个输入参数。使用充气系统的非线性数学模型来计算输入参数，该充气系统的非线性数学模型配置为使得虚拟输入中的每一个虚拟输入与输出参数中的仅一个输出参数成线性关系。处理器使用输入参数中的每一个输入参数来操作充气系统的致动器的对应一个致动器。
附图说明
以下将结合以下附图来描述示例性实施例，其中相同的附图标记表示相同的元件，并且在附图中：
图1示意性地示出根据本发明的第一实施例的汽车系统；
图2是图1的部分A-A；
图3示意性地示出根据本发明的第二实施例的汽车系统；
图4示意性地示出根据本发明的第三实施例的汽车系统；
图5示意性地示出根据本发明的第四实施例的汽车系统；
图6示意性地示出使用反馈线性化控制的图1的汽车系统的充气多变量非线性控制系统的示例；
图7示意性地示出使用反馈线性化控制的图3的汽车系统的充气多变量非线性控制系统的示例；
图8示意性地示出使用反馈线性化控制的图4的汽车系统的充气多变量非线性控制系统的示例；
图9示意性地示出使用反馈线性化控制的图5的汽车系统的充气多变量非线性控制系统的示例；以及
图10是表示由以上所有示例致动的总体控制策略的流程图。
具体实施方式
以下详细描述本质上仅是示例性的，并不意图限制本文公开的发明或本文公开的本发明的应用和用途。此外，除非明确陈述为要求保护的主题，否则无意受到在前述技术领域、背景技术、发明内容或具体实施方式中呈现的任何原则或理论的约束，无论是明示的还是暗示的。如本文所使用的，术语模块是指执行一个或多个软件或固件程序的专用集成电路(ASIC)、电子电路、处理器(共享的、专用的或群组的)和存储器、组合逻辑电路，和/或提供所述功能的其它合适的组件。
本文描述的示例性实施例提供了一种控制内燃机的充气系统的操作的系统和方法，其中充气系统包括多个致动器，该致动器包括空气压缩机的电动机。充气系统的致动器对输出参数生成的影响通常是相互依赖的并且具有相互作用，使得分离和不协调的控制策略可能不是最优的，尤其是在快速瞬变期间。此外，分离和不协调的控制方法需要大量的校准活动，在一些情况下包括数百个查找表。因此，如本文所述的具有协调且同时调节致动器以补偿它们的相互作用的充气系统的控制策略提供了可靠的控制策略，其需要更少的校准工作。这种控制策略提供了使用多输入多输出(MIMO)反馈线性化方法来控制充气系统，其具有允许同时且协调地控制致动器同时补偿其相互作用的效果。这种协调控制策略具有良好的瞬态响应和准确性，并改善了在任何操作条件下发动机性能与排放之间的平衡。通过使用充气系统的数学模型，协调控制策略具有减少校准工作的附加效果。
一些实施例可以包括汽车系统100，如图1和图2中所示，其包括内燃机(ICE)110，例如压燃式发动机(例如柴油机)或火花点火式发动机(例如汽油)。ICE 110具有限定至少一个汽缸125的发动机缸体120，该汽缸125具有联接成使曲轴145旋转的活塞140。汽缸盖130与活塞140协作以限定燃烧室150。燃料和空气混合物设置在燃烧室150中并被点燃，导致热膨胀排气，引起活塞140的往复运动。燃料由至少一个燃料喷射器160提供，并且空气通过至少一个进气端口210提供。燃料以高压从与高压燃料泵180流体连通的燃料轨170提供至燃料喷射器160，该高压燃料泵180增加从燃料源190接收的燃料的压力。汽缸125中的每一个具有由与曲轴145及时旋转的凸轮轴135致动的至少两个阀215。阀215选择性地允许空气从端口210进入燃烧室150，并且交替地允许排气通过排气端口220排出。在一些示例中，凸轮相位器155可以选择性地改变凸轮轴135和曲轴145之间的正时。
来自燃烧室150的排气被引导到排气系统270中。排气系统270可包括与排气端口220流体连通的排气歧管225，该排气端口220收集排气并将它们引导进入具有一个或多个排气后处理装置280的排气管275中。后处理装置280可以是被配置为改变排气成分的任何装置。后处理装置280的一些示例包括但不限于催化转化器(两种和三种方式)、氧化催化剂、贫NOx捕集器、碳氢化合物吸收器、选择性催化还原(SCR)系统和微粒过滤器。
空气可以通过充气系统195被提供给进气端口210。充气系统195可以包括与进气端口210连通的进气歧管200。进气管道205可以将来自周围环境的空气提供给进气歧管200。进气阀330可以设置在进气管道205中。进气阀330可以包括可移动的阀构件331，例如节气阀体；以及电致动器332，其移动阀构件331以调节引导到歧管200中的空气的质量流率。
充气系统195还可以包括可变几何涡轮增压器230，其具有旋转地联接到涡轮机250的压缩机240，其中压缩机位于进气管道205中并且涡轮机位于排气管275中。压缩机240的旋转增加进气管道205和歧管200中的空气的压力和温度。设置在压缩机240和进气歧管200之间的进气管道205中的中间冷却器260可以降低空气的温度。涡轮机250通过接收来自排气歧管225的排气而旋转，该排气歧管225从排气端口220引导排气并在通过涡轮机250膨胀之前通过一系列叶片。该示例示出了具有VGT致动器290的可变几何涡轮机(VGT)，该VGT致动器290布置成移动涡轮机250的叶片以改变排气通过它的流动。
充气系统195可以进一步包括用于将排气的一部分再循环回到燃烧室150中的排气再循环(EGR)系统。该EGR系统可以包括联接在排气歧管225和进气歧管200之间的高压EGR(HP-EGR)管300。更具体地，HP-EGR管300从排气歧管225或从位于涡轮机250上游的排气管275的点分支，并且通向诸如在进气歧管200和进气阀330之间的位于压缩机240下游的进气管道205的点。HP-EGR管300可以设置有HP-EGR冷却器310以降低其中流动的排气的温度。HP-EGR阀320可以设置在HP-EGR管300中。HP-EGR阀320可以包括可移动阀构件321和电动致动器322，该电致动器322移动阀构件321以调节HP-EGR管300中的排气的质量流率。
在一些实施例中，如图4和图5中所示，EGR系统可以进一步包括联接在排气歧管225和进气歧管200之间的低压EGR(LP-EGR)管500。更具体地，LP-EGR管500从位于涡轮机250的下游(诸如后处理装置280的下游)的排气管275的点分支，并且通向位于压缩机240上游的进气管道205的点。LP-EGR管500可以设置有LP-EGR冷却器510以降低在其中流动的排气的温度。LP-EGR阀520可以设置在LP-EGR管500中。LP-EGR阀520可以包括可移动阀构件521和电致动器522，该电致动器522移动阀构件521以调节LP-EGR管500中的排气的质量流率。
充气系统195可进一步包括附加的空气压缩机600，也被称为电动压缩机或简单的电子压缩机，其由专用电动机605驱动。空气压缩机600可位于涡轮增压器230的压缩机240的上游或下游的进气管道205中。特别地，对于不包括低压EGR管500的实施例，空气压缩机600可以位于如图1中所示的压缩机240与质量空气流量和温度传感器340之间，或者它可以位于如图3中所示的压缩机240和中间冷却器260之间。对于包括低压EGR管500的实施例，空气压缩机600可位于如图4中所示的压缩机240和LP-EGR阀520之间，或者它可以位于如图5中所示的压缩机240和中间冷却器260之间。
汽车系统100可以进一步包括与与ICE 110相关联的一个或多个传感器和/或装置通信的电子控制单元(ECU)450。ECU 450并且具体地，其处理器452可以从配置成生成与ICE110相关联的各种物理参数成比例的信号的各种传感器接收输入信号。传感器包括但不限于位于图4和图5的实施例中的LP-EGR阀520上游的进气管道205中的质量空气流量和温度传感器340、歧管压力和温度传感器350、燃烧压力传感器360、冷却剂和油温度和液位传感器380、燃料导轨压力传感器400、凸轮位置传感器410、曲轴位置传感器420、排气压力和温度传感器430、HP-EGR温度传感器440和加速器踏板位置传感器445。此外，通过处理器452，ECU 450可以生成输出到被布置为控制ICE 110的操作的各种控制装置的输出信号，包括但不限于燃料喷射器160、进气阀致动器332、HP-EGR阀致动器322、LP-EGR阀致动器522、VGT致动器290、电动机605以及凸轮相位器155。注意，虚线用于指示ECU 450与各种传感器和装置之间的通信，但是为了清楚起见省略了一些。
现在转向ECU 450，该设备可以包括与存储器系统和接口总线通信的数字中央处理单元(CPU)。CPU被体现为处理器452并且被配置为执行作为存储器系统460中的程序存储的指令，并且向接口总线发送信号和从接口总线接收信号。存储器系统460可以包括各种存储类型，包括光存储、磁存储、固态存储以及其它非易失性存储器。接口总线可以被配置为发送、接收和调制来/往各种传感器和控制装置的模拟和/或数字信号。该程序可以体现本文公开的方法，允许CPU执行这些方法的步骤并且控制ICE 110。该方法借助包括用于执行本文所述的方法的所有步骤的驻留在处理器452中或在多个处理器中的程序代码的一个计算机程序或多个计算机程序以及以包括计算机程序的计算机程序产品的形式来执行。该方法还可以体现为电磁信号，该信号被调制以携载表示计算机程序的数据位序列以执行该方法的所有步骤。
存储在存储器系统460中的程序经由电缆或以无线方式从外部发送。在汽车系统100之外，它通常作为计算机程序产品可见，其在本领域中也被称为计算机可读介质或机器可读介质，并且应该被理解为驻留在载体上的计算机程序代码，该载体是暂态的或非暂态的，其结果是计算机程序产品可被认为是暂态的或非暂态的。
暂态计算机程序产品的示例是信号，例如，诸如光信号的电磁信号，其是用于计算机程序代码的暂态载体。执行这种计算机程序代码可以通过用数字数据的传统调制技术(诸如正交相移键控(QPSK))调制该信号来实现，使得表示计算机程序代码的二进制数据被印在暂态电磁信号上。这种信号例如是经由Wi-Fi连接以无线方式将计算机程序代码发送到膝上型计算机时使用。
在非暂态计算机程序产品的情况下，计算机程序代码被体现在有形存储介质中。该存储介质然后是上述的非暂态载体，使得计算机程序代码永久地或非永久地以可检索的方式存储在该存储介质中或该存储介质上。存储介质可以是诸如闪存、ASIC、CD等的计算机技术中已知的传统类型。
代替ECU 450，汽车系统100可以具有不同类型的处理器以提供电子逻辑，例如嵌入式控制器、车载计算机或可能部署在车辆中的任何处理模块。
更详细地，ECU 450可以被配置为使用反馈线性化方法来控制充气系统195的致动器，该反馈线性化方法可以基于充气系统195的多输入多输出(MIMO)非线性数学模型。例如，假设EGR系统仅包括一个EGR管，例如仅HP-EGR管300，如图1和图3中所示，充气系统195的致动器包括进气阀致动器332、HP-EGR阀致动器322、VGT致动器290和附加空气压缩机600的电动机605。
考虑图1的情况，在空气压缩机600位于涡轮增压器230的压缩机240的上游的情况下，充气系统195的输入参数可以包括指示通过进气阀330的空气质量流率的参数Witv，指示通过HP-EGR阀320的排气质量流率的参数Wegr，指示通过可变几何涡轮增压器230的涡轮机250的排气质量流率的参数Wvgt，以及指示提供给空气压缩机600的电动机605的电力的参数Pe。
在这种情况下，充气系统195的输出参数可以包括指示排气歧管225内的排气压力的参数px，指示进气歧管压力的参数pi，指示进气歧管200中的残余气体分数的参数Fi，以及指示诸如在空气压缩机600和涡轮增压器230的压缩机240之间的空气压缩机600下游的空气压力的参数pec。
充气系统195的MIMO非线性数学模型可以由以下方程定义：
其中γ是比热比，R是通用气体常数，Vi是进气歧管内部体积，Tic是中间冷却器260下游的进气管道205中的空气温度，Ti是进气歧管200内的空气温度，Tegr是再循环的排气温度，Tx是排气歧管225内的排气温度，Teout是离开ICE 110的排气的温度，Vx是排气歧管体积，Fx是排气歧管225内的残余气体分数，mi是进气歧管200内的气体的总质量，Wei是进入发动机110的气体的总质量流率，Wex是离开发动机110的气体的总质量流率，pec_us是空气压缩机600上游的空气压力，c是与涡轮增压器惯性相关的常数，Pe是提供给空气压缩机600的电动机605的电力，cp是恒定压力下的空气的比热容，Wc是通过压缩机240的空气的总质量流率，Tc_ds是诸如在压缩机240和中间冷却器260之间的压缩机240下游的空气温度，并且Rec是空气压缩机260的功率比。
应该观察到，Rec可能是以下参数的函数：
其中Tref是用于校正压缩机图的参考温度，pc_ds是诸如在压缩机240和中间冷却器260之间的压缩机240下游的空气压力，并且βec是空气压缩机600引起的压缩比，即空气压缩机600的上游和下游的空气压力之间的比率。
充气系统195的MIMO非线性数学模型可以由以下矩阵方程等同地定义：
定义输出向量y为：
输入向量u为：
函数的第一向量Cf(x)为：
并且函数的矩阵Gg(x)为：
上面的矩阵方程可以被重写如下：
其中x一般地指示充气系统195的状态变量的向量。
因此，可以定义虚拟输入的向量v：
并且根据以下矩阵方程使用该虚拟输入向量v来开发反馈线性化控制算法u(x，v)：
u(x，v)＝Gg(x)-1·(v-Cf(x))
使得：
MIMO非线性数学系统已经在等效线性系统中变换，其中虚拟输入v1、v2、v3和v4中的每一个与输出参数和中的仅一个相关，反之亦然，并且其中虚拟输入中的每一个与相应输出参数之间的关系是线性关系。
利用该变换，ECU 450可以被配置为使得处理器452在ICE 110的操作期间通过图6中所示的线性控制过程控制进气阀致动器332、EGR阀致动器322、VGT致动器290和空气压缩机600的电动机605。这提供了当涉及上述致动器时以及当空气压缩机600设置在可变几何涡轮增压器230的压缩机240上游的进气管道205中时的控制策略的实施方式。
该控制过程由处理器452向ECU 450提供以监视(模块S300)并且接收关于充气系统195的输出参数的值的数据，即排气歧管压力px、进气歧管压力pi、进气歧管200中的残余气体分数Fi和空气压缩机600上游的空气压力pec以及上述MIMO非线性数学模型中所涉及的系统的其它可观察状态变量的值，即进气歧管空气温度Ti、中间冷却器260下游的进气管道205中的空气温度Tic、再循环排气温度Tegr、排气歧管气体温度Tx、发动机排气温度Teout、排气歧管225中的残余气体分数Fx、进气歧管200处的总质量mi、进入发动机110的总质量流率Wei、离开发动机110的总质量流率Wex、通过压缩机240的空气的总质量流率Wc、压缩机240下游的空气温度Tc_ds以及空气压缩机260的功率比Rec。
在这方面，排气歧管压力px的值可以通过可设置在排气歧管225中或涡轮机250上游的排气管275中的压力传感器来测量。作为替代，可以基于ICE 110的其它可测量的操作参数，例如基于由排气压力和温度传感器430进行的测量，估计该压力值。进气歧管压力pi的值可以由位于进气歧管200中的歧管压力和温度传感器350测量。根据方程Fi＝1-O2，残余气体分数Fi的值可以作为进气歧管200内的氧气浓度O2的值的函数来计算。氧气浓度值O2可以通过设置在进气歧管200中的专用传感器来测量，或者可以基于ICE 110的其它可测量操作参数来估计。进气歧管空气温度Ti的值可以由位于进气歧管200中的歧管压力和温度传感器350来测量。中间冷却器Tic下游的进气歧管空气温度的值可以由专用传感器测量或者基于由歧管压力和温度传感器350进行的测量来估计。再循环排气温度Tegr的值可以由HP-EGR温度传感器440测量。排气歧管气体温度Tx的值可以由可设置在排气歧管225中或涡轮机250上游的排气管275中的温度传感器来测量。作为替代，该温度值可以基于ICE 110的其它可测量的操作参数，例如基于由排气压力和温度传感器430进行的测量来估计。发动机排气温度Teout的值可以由专用传感器确定或者基于ICE 110的其它可测量的操作参数来估计。在排气歧管225处的残余气体分数Fx的值可以由位于后处理装置280上游的排气管275中的λ传感器来测量。在进气歧管200处的总质量mi的值、进入发动机110的总质量流率Wei的值和离开发动机110的总质量流率Wex的值可以借助质量空气流量和温度传感器340来测量或估计。通过压缩机240的空气的总质量流率Wc可以通过测量空气质量流率加上LP EGR流量的估计而开始计算。压缩机240下游的空气温度Tc_ds可以用专用传感器测量或估计。可以用上述公式计算空气压缩机260的功率比Rec，其中可以用压力传感器测量压缩机240下游的空气压力pc_ds，并且βec可以被确定为pitv_us和pc_ds之间的比率。
输出参数pi、Fi、px和pec的监视值被反馈并用于计算它们中的每一个与其对应的目标值pi_tar、Fi_tar、px_tar和pec_tar之间的误差(即差异)e1、e2、e3和e4：
e1＝pi_tar-pi
e2＝Fi_tar-Fi
e3＝px_tar-px
e3＝pec_tar-pec
用于输出参数的目标值pi_tar、px_tar、pec_tar和Fi_tar可以由处理器452基于其它传统策略(例如基于发动机操作点)经由ECU 450确定。
然后将第一误差e1作为输入应用于第一单输入单输出(SISO)线性控制器S305，该第一单输入单输出(SISO)线性控制器S305产生用于第一虚拟输入v1的对应值作为输出。将第二误差e2作为输入应用于第二SISO线性控制器S310，该第二SISO线性控制器S310产生用于第二虚拟输入v2的对应值作为输出。将第三误差e3作为输入应用于第三SISO线性控制器S315，该第三SISO线性控制器S315产生用于第三虚拟输入v3的对应值作为输出。将第四误差e4作为输入应用于第四SISO线性控制器S320，该第四SISO线性控制器S320产生用于第四虚拟输入v4的对应值作为输出。
四个线性控制器S305、S310、S315和S320例如可以是比例-积分(PI)控制器或比例-积分-微分(PID)控制器，并且在上述等效线性系统上进行调节，诸如最小化相应的误差e1、e2、e3和e4。这方面具有在反馈线性化方法内简化线性控制回路的作用。
然后，将虚拟输入v1、v2、v3和v4的值应用于非线性计算模块S325，其中它们被用于计算充气系统195的输入参数Witv、Wegr、Wvgt和Pe的对应值。特别地，计算模块S320可以利用之前已经解释的反馈线性化控制算法来计算这些输入参数的值：
空气质量流率Witv的计算值然后应用于计算模块S330，该计算模块S330可以使用进气阀330的数学模型来产生致动器332的位置Uitv作为输出，该位置Uitv对应于空气质量流率Witv的计算值。将排气质量流率Wegr的计算值应用于另一计算模块S335，该另一计算模块S335可使用HP-EGR阀320的数学模型来产生致动器322的位置Uegr作为输出，该位置Uegr对应于排气质量流率Wegr的计算值。排气质量流率Wegr的计算值被应用到另一个计算模块S340，该计算模块S340可以使用涡轮机250的数学模型来产生致动器290的位置Uvgt作为输出，该位置Uvgt对应于排气质量流率Wvgt的计算值。
根据相应的计算位置Uitv、Uegr和Uvgt来操作进气阀致动器332、EGR阀致动器322和VGT致动器290，同时空气压缩机600的电动机605根据电力(致动器操作模块S345)的计算值Pe来操作。
参考图7，对于其中空气压缩机600位于涡轮增压器230的压缩机240下游的图3的实施例，充气系统195的输入参数可以包括指示通过进气阀330的空气质量流率的参数Witv，指示涡轮机250的功率比的参数Rt，指示HP-EGR阀320的流动有效面积的参数CdAegr_HP，以及指示提供给空气压缩机600的电动机605的电力的参数Pe。
在这种情况下，充气系统195的输出参数可以包括指示进气歧管压力的参数pi，指示由涡轮增压器230的压缩机240引起的压缩比的参数βc(即，在压缩机240的上游和下游的空气压力之间的比率)，指示进气歧管200中的残余气体分数的参数Fi，以及指示由空气压缩机600引起的压缩比的参数βec(即，空气压缩机600的上游和下游的空气压力之间的比率)。
充气系统195的MIMO非线性数学模型可以由以下方程定义：
其中R是通用气体常数，Vi是进气歧管内部体积，Ti是进气歧管200内的空气温度，px是排气歧管225内的排气压力，ξegr_HP是HP-EGR校正因子，Tx是排气歧管225内的排气温度，ηv0是发动机的体积效率，Vd是发动机的排量，Ne是发动机转速，pi是进气歧管压力，c是与涡轮增压器惯性相关的常数，cp是恒定压力下气体的比热容，Wc是通过涡轮增压器230的压缩机240的空气/气体流的质量流率，Wf是喷射到发动机110的燃烧室150中的燃料的质量流率，Tc_us是压缩机240上游的进气管道205中的空气/气体流的温度，Rc是压缩机240的功率比，Fx是排气歧管225内的残余气体分数，Fc是涡轮增压器230的压缩机240上游的进气管道205中的残余气体分数，Tc_ds是诸如在压缩机240和空气压缩机600之间的压缩机240下游的空气温度，并且Rec是空气压缩机600的功率比。
应该观察到，Rec可能是以下参数的函数：
其中Tref是用于校正压缩机图的参考温度，pc_ds是诸如在压缩机240和空气压缩机600之间的压缩机240下游的空气压力，并且βec是由空气压缩机600引起的压缩比，即空气压缩机600的上游和下游的空气压力之间的比率。
类似地，Rc可以是以下参数的函数：
其中，pc_us是诸如压缩机240与质量空气流量和温度传感器340之间的涡轮增压器230的压缩机240上游的空气压力。
充气系统195的MIMO非线性数学模型可以由以下矩阵方程等同地定义：
定义输出向量y为：
输入向量u为：
函数的第一向量Cf(x)为：
并且函数的矩阵Gg(x)为：
上面的矩阵方程可以被重写如下：
其中x一般指示充气系统195的状态变量的向量。结果，可以定义虚拟输入的向量v：
并且根据以下矩阵方程使用该虚拟输入向量v来开发反馈线性化控制算法u(x，v)：
u(x，v)=Gg(x)-1·(v-Cf(x))
使得：
MIMO非线性数学系统已经在等效线性系统中变换，其中虚拟输入v1、v2、v3和v4中的每一个与输出参数和中的仅一个相关，反之亦然，并且其中虚拟输入中的每一个虚拟输入与相应输出参数之间的关系是线性关系。
利用该变换，ECU 450可以由处理器452配置成在ICE 110的操作期间通过图7中所示的线性控制过程来控制进气阀致动器332、EGR阀致动器322、VGT致动器290和空气压缩机600的电动机605。当空气压缩机600设置在可变几何涡轮增压器230的压缩机240下游的进气管道中时，这提供了当上述致动器被涉及时的控制策略的实施方式。
该控制过程由处理器452向ECU 450提供以监视(模块S400)并且接收关于充气系统195的输出参数的值的数据，即压缩比βc、进气歧管压力pi、进气歧管200中的残余气体分数Fi和压缩比βec，以及系统的其它可观察状态变量的值以及上述MIMO非线性数学模型中所涉及的常数，即进气歧管内部体积Vi、进气歧管200内的空气温度Ti、排气歧管内的排气压力px、HP-EGR校正系数ξegr_HP、排气歧管225内的排气温度Tx、发动机的体积效率ηv0、发动机的排量Vd、发动机转速Ne、常数c、恒定压力下气体的比热容cp、通过涡轮机230的压缩机240的空气/气体流的质量流率Wc、喷射到发动机110的燃烧室150中的燃料的质量流率Wf、压缩机240上游的进气管道205中的空气/气体流的温度Tc_us、压缩机240的功率比Rc、排气歧管225内的残余气体分数Fx、残余气体分数Fc、压缩机240下游的空气温度Tc_ds以及空气压缩机600的功率比Rec。
在这方面，压缩比βc的值可以被确定为节气阀331上游的管道中的压力与压缩机上游压力pc_us之间的比率。进气歧管压力pi的值可以由位于进气歧管200中的歧管压力和温度传感器350测量。进气歧管内部体积Vi的值是取决于充气系统的几何形状的常数。根据方程Fi＝1-O2，残余气体分数Fi的值可以作为进气歧管200内的氧气浓度O2的值的函数来计算。氧气浓度值O2可以通过设置在进气歧管200中的专用传感器来测量，或者可以基于ICE110的其它可测量的操作参数来估计。压缩率βec的值可以被确定为pitv_us和pc_ds之间的比率。
可以由位于进气歧管200中的歧管压力和温度传感器350测量进气歧管空气温度Ti的值(中间冷却器260的下游)。排气歧管压力px的值可以由可设置在排气歧管225中或涡轮机250上游的排气管275中的压力传感器测量。作为替代，该压力值可以基于ICE 110的其它可测量操作参数，例如基于由排气压力和温度传感器430进行的测量来估计。HP-EGR校正系数ξegr_HP的值是HP-EGR阀两侧压力比的非线性函数。排气歧管气体温度Tx的值可以由可设置在排气歧管225中或涡轮机250上游的排气管275中的温度传感器来测量。作为替代，该温度值可以基于ICE 110的其它可测量操作参数，例如基于排气压力和温度传感器430进行的测量来估计。发动机的体积效率ηv0的值是取决于发动机几何形状的常数。发动机排量Vd的值是取决于发动机的几何形状的常数。发动机转速Ne的值可以由曲轴位置传感器420测量。c的值是常数。比热容cp的值是常数。通过涡轮增压器230的压缩机240的空气/气体流的质量流率Wc的值可以从测量空气质量流率加上LP EGR流量的估计开始计算确定。喷射到发动机110的燃烧室150中的燃料的质量流率Wf的值可以由操作燃料喷射器160的控制策略来提供。在压缩机240上游的进气管道205中的空气/气体流的温度值Tc_us可以基于进气管道205中和LP管道500中的其它可测量的操作参数来确定。压缩机功率比Rc的值可以作为通过压缩机240的空气/气体流的质量流量比率Wc、压缩比βc、压力pc_us、温度Tc_us和通用气体常数R的函数来确定。在排气歧管225处的残余气体分数Fx的值可以通过位于后处理装置280上游的排气管275中的λ传感器来测量。根据方程Fc＝1-O2c·，残余气体分数Fc的值可以作为在压缩机240上游的进气管道205处的氧气浓度O2c的值的函数来确定。压缩机氧气浓度O2c可以基于进气管道205中的其它可测量的操作参数来估计。可以基于进气管道205中的其它可测量的操作参数来估计压缩机240上游的进气管道205中的空气/气体流的压力pc_us的值。压缩机240下游的空气温度Tc_ds可以用专用传感器测量或估计。功率比Rec可以用上述公式来计算，其中压缩机240下游的空气压力pc_ds可以用压力传感器来测量。
输出参数βc、pi、Fi和βec的监视值被反馈并用于计算它们中的每一个与其相应的目标值pi_tar、Fi_tar、βec_tar和βec_tar之间的误差(即差异)e1、e2、e3和e4：
e1＝Pi_tar-pi
e2＝βc_tar-βc
e3＝Fi_tar-Fi
e4＝βec_tar-βec
输出参数的目标值pi_tar、βec_tar、βec_tar和Fi_tar可以由ECU 450通过处理器452基于其它传统策略(例如基于发动机操作点)来确定。
然后将第一误差e1作为输入应用于第一单输入单输出(SISO)线性控制器S405，该线性控制器S405产生用于第一虚拟输入v1的对应值作为输出。将第二误差e2作为输入应用于第二SISO线性控制器S410，该第二SISO线性控制器S410产生用于第二虚拟输入v2的对应值作为输出。将第三误差e3作为输入应用于第三SISO线性控制器S415，该第三SISO线性控制器S415产生用于第三虚拟输入v3的对应值作为输出。将第四误差e4作为输入应用于第四SISO线性控制器S420，该第四SISO线性控制器S420产生第四虚拟输入v4的对应值作为输出。
四个线性控制器S405、S410、S415和S420可以是例如比例-积分(PI)控制器或比例-积分-微分(PID)控制器，并且在上述等效线性系统上进行调节，例如以最小化相应的误差e1、e2、e3和e4。
然后将虚拟输入v1、v2、v3和v4的值应用于非线性计算模块S425，其中它们用于计算充气系统195的输入参数Witv、Rt、CdAegr_HP和Pe的对应值。特别地，计算模块S420可以利用之前已经解释的反馈线性化控制算法来计算这些输入参数的值：
空气质量流率Witv的计算值然后被应用于计算模块S430，该计算模块S430可以使用进气阀330的数学模型来产生致动器332的位置Uitv作为输出，该位置Uitv对应于空气质量流率Witv的计算值。功率比Rt的计算值被应用到另一计算模块S435，该另一计算模块S435可以使用涡轮机250的数学模型来产生致动器290的位置Uvgt作为输出，该位置Uvgt对应于功率比的计算值。HP-EGR阀320的流动有效面积CdAegr_HP的计算值被应用于另一个计算模块S440，该计算模块S440可以使用HP-EGR阀320的数学模型来产生致动器322的位置Uegr作为输出，该位置Uegr对应于流动有效面积的计算值。
根据相应的计算位置Uitv、Uegr和Uvgt来操作进气阀致动器332、EGR阀致动器322和VGT致动器290，同时空气压缩机600的电动机605根据电力(致动器操作模块S445)的计算值Pe操作。
如果EGR系统包括HP-EGR管道300和LP-EGR500两者，如图4和图5中所示，充气系统195的致动器包括进气阀致动器332、HP-EGR阀致动器322、VGT致动器290、空气压缩机600的电动机605以及LP-EGR阀致动器522。
参照图8，对于其中空气压缩机600位于涡轮增压器230的压缩机240上游的图4的实施例，充气系统195的输入参数可以包括指示通过进气阀330的空气质量流率的参数Witv，指示HP-EGR阀320的流动有效面积的参数CdAegr_HP，指示涡轮机功率比的参数Rt，指示LP-EGR阀520的流动有效面积的参数CdAegr_LP以及指示供应给电动机605的电力的参数Pe。
充气系统195的输出参数可以包括指示进气歧管压力的参数pi，指示进气歧管200中的残余气体分数的参数Fi，指示由涡轮增压器230的压缩机240引起的压缩比的参数βc，指示诸如在LP-EGR管道500的前导点和压缩机240之间的涡轮增压器230的压缩机240上游的进气管205中的进气管205中的残余气体分数的参数Fc，以及指示由空气压缩机600引起的压缩率的参数βec(即，空气压缩机600的上游和下游的空气压力之间的比率)。
充气系统195的MIMO非线性数学模型可以由以下方程定义：
其中R是通用气体常数，Vi是进气歧管内部体积，Ti是进气歧管200内的空气温度，px是排气歧管225内的排气压力，ξegr_HP是HP-EGR校正因子，Tx是排气歧管225内的排气温度，ηv0是发动机的体积效率，Vd是发动机的排量，Ne是发动机转速，c是与涡轮增压器惯性相关的常数，cp是恒定压力下气体的比热容，Wc是通过涡轮增压器230的压缩机240的空气/气体流的质量流率，Wf是喷射到发动机110的燃烧室150中的燃料的质量流率，Tc_us是压缩机240上游的进气管道205中的空气/气体流的温度，Rc是压缩机240的功率比，Fx是排气歧管225内的残余气体分数，pc_us是压缩机240上游的进气管道205中的空气/气体流的压力，Vc_us是压缩机240上游的进气管道205中的体积，ξegr_LP是LP-EGR校正因子，pexh是后处理装置280的下游的排气管275中的排气的压力，Tegr_LP是LP-EGR管道500中的排气的温度，并且Wa是进气管道205中的空气质量流率，Tec_us是诸如在压缩机600与质量空气流量和温度传感器340之间的空气压缩机600上游的空气温度，并且Rec是空气压缩机600的功率比。应该观察到，Rec可能是以下参数的函数：
其中Tref是用于校正压缩机图的参考温度，pec_us是诸如在空气压缩机600与质量空气流量和温度传感器340之间的空气压缩机600上游的空气压力，并且βec是由空气压缩机600引起的压缩比，即空气压缩机600的上游和下游的空气压力之间的比率。
类似地，Rc可以是以下参数的函数：
其中，pc_us是诸如压缩机240与质量空气流量和温度传感器340之间的涡轮增压器230的压缩机240上游的空气压力。
充气系统195的MIMO非线性数学模型可以由以下矩阵方程等同地定义：
定义输出向量y为：
输入向量u为：
函数的第一向量f(x)为：
并且函数的矩阵Gg(x)为：
上面的矩阵方程可以重写，并且在该情况下，也可以以一般形式：
其中x通常指示充气系统195的状态变量的向量。
因此，可以定义虚拟输入的向量v：
并且根据以下矩阵方程，使用该虚拟输入向量v来开发反馈线性化控制算法u(x，v)：
u(x,v)＝Gg(x)-1·(v-f(x))
使得：
因此，也在该情况下，MIMO非线性数学系统已经在等效线性系统中变换，其中虚拟输入v1、v2、v3、v4和v5中的每一个与输出参数 和中的仅一个相关，反之亦然，并且其中虚拟输入中的每一个与相应输出参数之间的关系是线性关系。
利用该变换，ECU 450可以被配置为由处理器452在ICE 110的操作期间通过图8中所示的线性控制过程控制进气阀致动器332、EGR阀致动器322、VGT致动器290和LP-EGR阀致动器522。当充气系统包括两个EGR管以及因此分别设置在这些管中的两个EGR阀时，这提供了充气系统的致动器的协调控制。
该控制过程由处理器452向ECU 450提供以监视(模块S500)并且接收关于充气系统195的输出参数的值的数据，即压缩比βc、进气歧管压力pi、进气歧管200中的残余气体分数Fi和残余气体分数Fc和压缩比βec，以及系统的其它可观察状态变量的值和上述MIMO非线性数学模型中所涉及的常数，即进气歧管内部体积Vi、进气歧管200内的空气温度Ti、排气歧管中的排气压力px、HP-EGR校正系数ξegr_HP、排气歧管225内的排气温度Tx、发动机的体积效率ηv0、发动机的排量Vd、发动机转速Ne、常数c、恒定压力下气体的比热容cp、通过涡轮机230的压缩机240的空气/气体流的质量流率Wc、喷射到发动机110的燃烧室150中的燃料的质量流率Wf、压缩机240上游的进气管道205中的空气/气体流的温度Tc_us、压缩机240的功率比Rc、排气歧管225内的残余气体分数Fx、压缩机240上游的进气管道205中的空气/气体流的压力pc_us、压缩机240上游的进气管道205的体积Vc_us、LP-EGR校正系数ξegr_LP、后处理装置280下游的排气管275中的排气的压力pexh、LP-EGR管道500中的排气的温度Tegr_LP、进气管道205中的空气质量流率Wa、诸如在压缩机600与质量空气流量和温度传感器340之间的空气压缩机600上游的空气温度Tec_us，以及空气压缩机260的功率比Rec。
在这方面，压缩比βc的值可以被确定为节气阀331上游的管道中的压力与压缩机上游压力之间的比率。进气歧管压力pi的值可以由位于进气歧管200中的歧管压力和温度传感器350测量。进气歧管内部体积Vi的值是取决于充气系统的几何形状的常数。根据方程Fi＝1-O2，残余气体分数Ti的值可以作为进气歧管200内的氧气浓度O2的值的函数来计算。氧气浓度值O2可以通过设置在进气歧管200中的专用传感器来测量，或者可以基于ICE110的其它可测量的操作参数来估计。根据方程Fc＝1-O2c，残余气体分数Fc的值可以作为压缩机240上游的进气管道205处的氧气浓度O2c的值来确定。压缩机氧气浓度O2c可以基于进气管道205中和LP管道500中的其它可测量的操作参数来估计。可以由位于进气歧管200中的歧管压力和温度传感器350测量进气歧管空气温度Ti的值(中间冷却器260的下游)。排气歧管压力px的值可以由可设置在排气歧管225中或涡轮机250上游的排气管275中的压力传感器测量。作为替代，该压力值可以基于ICE 110的其它可测量操作参数，例如基于由排气压力和温度传感器430进行的测量来估计。HP-EGR校正系数ξegr_HP的值是HP-EGR阀两侧压力比的非线性函数。排气歧管气体温度Tx的值可以由可设置在排气歧管225中或涡轮机250上游的排气管275中的温度传感器来测量。作为替代，该温度值可以基于ICE 110的其它可测量操作参数，例如基于排气压力和温度传感器430进行的测量来估计。发动机的体积效率ηv0的值是取决于发动机几何形状的常数。发动机排量Vd的值是取决于发动机的几何形状的常数。发动机转速Ne的值可以由曲轴位置传感器420测量。c的值是常数。比热容cp的值是常数。通过涡轮增压器230的压缩机240的空气/气体流的质量流率Wc的值可以被确定为空气质量流率Wa和通过LP EGR的质量流率的总和。喷射到发动机110的燃烧室150中的燃料的质量流率Wf的值可以由操作燃料喷射器160的控制策略来提供。在压缩机240上游的进气管道205中的空气/气体流的温度的值可以基于进气管道205中和LP管道500中的其它可测量的操作参数来确定。压缩机功率比Rc的值可以作为通过压缩机240的空气/气体流的质量流量比率Wc、压缩比βc、压力pc_us、温度和通用气体常数R的函数来确定。在排气歧管225处的残余气体分数Fx的值可以通过位于后处理装置280上游的排气管275中的λ传感器来测量。可以基于进气管道205中和LP管500上的其它可测量的操作参数来估计压缩机240上游的进气管道205中的空气/气体流的压力的值。压缩机240上游的进气管道的体积的值是取决于充气系统的几何形状的常数。LP-EGR校正系数的值是LP-EGR阀两侧上的压力比的非线性函数。在后处理装置280下游的排气管275中的排气的压力pexh可以基于排气管275中的其它可测量的操作参数来确定。在LP-EGR管道500中的排气的温度的值可以由位于LP EGR阀521上游的管道中的专用传感器测量。可以由传感器340计算进气管道205中的空气质量流率Wa的值。空气温度可以用专用传感器测量或估计。功率比Rec可以用上述公式来计算，其中空气压力可以用压力传感器来测量，并且βec可以被确定为和之间的比率。
输出参数βc、pi、Fi、Fc和βec的监视值被反馈并由处理器452用于计算它们中的每一个与其相应的目标值pi_tar、Fi_tar、βc_tar、Fc_tar和βec_tar之间的误差(即差异)e1、e2、e3、e4和e5：
e1＝pi_tar-pi
e2＝βc_tar-βc
e3＝Fi_tar-Fi
e4＝Fc_tar-Fc
e5＝βec_tar-βec
输出参数的目标值pi_tar、Fi_tar、βc_tar、Fc_tar和βec_tar可以由ECU 450通过处理器452基于其它传统策略(例如基于发动机操作点)来确定。
然后将第一误差e1作为输入应用于第一单输入单输出(SISO)线性控制器S505，该线性控制器S505产生用于第一虚拟输入v1的对应值作为输出。将第二误差e2作为输入应用于第二SISO线性控制器S510，该第二SISO线性控制器S510产生用于第二虚拟输入v2的对应值作为输出。将第三误差e3作为输入应用于第三SISO线性控制器S515，该第三SISO线性控制器S515产生用于第三虚拟输入v3的对应值作为输出。将第四误差e4作为输入应用于第四SISO线性控制器S520，该第四SISO线性控制器S520产生第四虚拟输入v4的对应值作为输出。将第五误差e5作为输入应用于第五SISO线性控制器S525，该第五SISO线性控制器S525产生第五虚拟输入v5的对应值作为输出。
五个线性控制器S505、S510、S515、S520和S525可以是例如用于计算输出的比例-积分(PI)控制器或比例-积分-微分(PID)控制器，并且在上述等效线性系统上进行调节，诸如以最小化相应的误差e1、e2、e3、e4和e5。
然后将虚拟输入v1、v2、v3、v4和v5的值应用于非线性计算模块S530，其中它们用于计算充气系统195的输入参数Witv、CdAegr_HP、CdAegr_LP、Rt和Pe的对应值。特别地，计算模块S530可以利用之前已经解释的反馈线性化控制算法来计算这些输入参数的值：
空气质量流率Witv的计算值然后应用于计算模块S535，该计算模块S535可以使用进气阀330的数学模型来产生致动器332的位置Uitv作为输出，该位置Uitv对应于空气质量流率Witv的计算值。将流动有效面积CdAegr_HP的计算值应用于另一计算模块S540，该另一计算模块S540可使用HP-EGR阀320的数学模型来产生致动器322的位置Uegr_HP作为输出，该位置Uegr_HP对应于流动有效面积CdAegr_HP的计算值。流动有效面积CdAegr_LP的计算值被应用到另一个计算模块S545，该计算模块S545可以使用LP-EGR阀520的数学模型来产生致动器522的位置Uegr_LP作为输出，该位置Uegr_LP对应于流动有效面积CdAegr_LP的计算值。涡轮机功率比Rt的计算值应用于涡轮机250的另一个计算模块S550以产生致动器290的位置Uvgt作为输出，该位置Uvgt对应于涡轮机功率比Rt的计算值。
根据相应的计算位置Uitv、Uegr_HP、Uegr_LP和Uvgt来操作进气阀致动器332、HP-EGR阀致动器322、LP-EGR阀致动器522和VGT致动器290，同时空气压缩机600的电动机605根据电力(致动器操作模块S555)的计算值Pe来操作。
参考图9，对于其中空气压缩机600位于涡轮增压器230的压缩机240下游的图5的实施例，充气系统195的输入参数和输出参数可以与以上参考图4的实施例公开的相同。然而，充气系统195的MIMO非线性数学模型可以通过以下方程稍微修改和定义：
其中R是通用气体常数，Vi是进气歧管内部体积，Ti是进气歧管200内的空气温度，px是排气歧管225内的排气压力，ξegr_HP是HP-EGR校正因子，Tx是排气歧管225内的排气温度，ηv0是发动机的体积效率，Vd是发动机的排量，Ne是发动机转速，c是与涡轮增压器惯性相关的常数，cp是恒定压力下气体的比热容，Wc是通过涡轮增压器230的压缩机240的空气/气体流的质量流率，Wf是喷射到发动机110的燃烧室150中的燃料的质量流率，Tc_us是压缩机240上游的进气管道205中的空气/气体流的温度，Rc是压缩机240的功率比，Fx是排气歧管225内的残余气体分数，pc_us是压缩机240上游的进气管道205中的空气/气体流的压力，Vc_us是压缩机240上游的进气管道205中的体积，ξegr_LP是LP-EGR校正因子，Pexh是后处理装置280的下游的排气管275中的排气的压力，Tegr_LP是LP-EGR管道500中的排气的温度，并且Wa是进气管道205中的空气质量流率，Tc_ds是诸如在压缩机600与中间冷却器260之间的空气压缩机600下游的空气温度，并且Rec是空气压缩机600的功率比。
应该观察到，Rec可能是以下参数的函数：
其中Tref是用于校正压缩机图的参考温度，pc_ds是诸如在空气压缩机600和中间冷却器260之间的空气压缩机600下游的空气压力，并且βec是空气压缩机600引起的压缩比，即空气压缩机600的上游和下游的空气压力之间的比率。
另外，Rc可以是以下参数的函数：
其中，pc_us是诸如压缩机240与质量空气流量和温度传感器340之间的涡轮增压器230的压缩机240上游的空气压力。
充气系统195的MIMO非线性数学模型可以由以下矩阵方程等同地定义：
定义输
出向量y为：
输入向量u为：
函数的第一向量f(x)为：
并且函数的矩阵Gg(x)为：
上面的矩阵方程可以重写，并且在该情况下也以一般的形式：
其中x一般指示充气系统195的状态变量的向量。因此，可以定义虚拟输入的向量v：
并且根据以下矩阵方程，使用该虚拟输入向量v来开发反馈线性化控制算法u(x，v)：
u(x，v)＝Gg(x)-1·(v-f(x))
使得：
因此，也在该情况下，MIMO非线性数学系统已经在等效线性系统中变换，其中虚拟输入v1、v2、v3、v4和v5中的每一个与输出参数 和中的仅一个相关，反之亦然，并且其中虚拟输入中的每一个与相应输出参数之间的关系是线性关系。
利用该变换，ECU 450可以被配置为以处理器452在ICE 110的操作期间通过图9中所示的线性控制过程控制进气阀致动器332、HP-EGR阀致动器322、VGT致动器290、LP-EGR阀致动器522和电动机605。当充气系统包括两个EGR管以及因此分别设置在这些管中的两个EGR阀时，这提供了充气系统的致动器的协调控制。
该控制过程由处理器452向ECU 450提供以监视(模块S600)并且接收关于充气系统195的输出参数的值的数据，即压缩比βc、进气歧管压力pi、进气歧管200中的残余气体分数Fi和残余气体分数Fc，以及系统的其它可观察状态变量的值和上述MIMO非线性数学模型中所涉及的常数，即进气歧管内部体积Vi、进气歧管200内的空气温度Ti、排气歧管中的排气压力px、HP-EGR校正系数ξegr_HP、排气歧管225内的排气温度Tx、发动机的体积效率ηv0、发动机的排量Vd、发动机转速Ne、常数c、恒定压力下气体的比热容cp、通过涡轮机230的压缩机240的空气/气体流的质量流率Wc、喷射到发动机110的燃烧室150中的燃料的质量流率Wf、压缩机240上游的进气管道205中的空气/气体流的温度Tc_us、压缩机240的功率比Rc、排气歧管225内的残余气体分数Fx、压缩机240上游的进气管道205中的空气/气体流的压力pc_us、压缩机240上游的进气管道205的体积Vc_us、LP-EGR校正系数ξegr_LP、后处理装置280下游的排气管275中的排气的压力pexh、LP-EGR管道500中的排气的温度Tegr_LP、进气管道205中的空气质量流率Wa、空气温度Tc_ds，以及空气压缩机260的功率比Rec。
在这方面，压缩比βc的值可以被确定为节气阀331上游的管道中的压力与压缩机上游压力之间的比率。进气歧管压力pi的值可以由位于进气歧管200中的歧管压力和温度传感器350测量。进气歧管内部体积Vi的值是取决于充气系统的几何形状的常数。根据方程Fi＝1-O2，残余气体分数Fi的值可以作为进气歧管200内的氧气浓度O2的值的函数来计算。氧气浓度值O2可以通过设置在进气歧管200中的专用传感器来测量，或者可以基于ICE110的其它可测量的操作参数来估计。根据方程Fc＝1-O2c，残余气体分数Fc的值可以作为压缩机240上游的进气管道205处的氧气浓度O2c的值来确定。压缩机氧气浓度O2c可以基于进气管道205中和LP管道500中的其它可测量的操作参数来估计。可以由位于进气歧管200中的歧管压力和温度传感器350测量进气歧管空气温度Ti的值(中间冷却器260的下游)。排气歧管压力px的值可以由可设置在排气歧管225中或涡轮机250上游的排气管275中的压力传感器测量。作为替代，该压力值可以基于ICE 110的其它可测量操作参数，例如基于由排气压力和温度传感器430进行的测量来估计。HP-EGR校正系数ξegr_HP的值是HP-EGR阀两侧压力比的非线性函数。排气歧管气体温度Tx的值可以由可设置在排气歧管225中或涡轮机250上游的排气管275中的温度传感器来测量。作为替代，该温度值可以基于ICE 110的其它可测量操作参数，例如基于排气压力和温度传感器430进行的测量来估计。发动机的体积效率ηv0的值是取决于发动机几何形状的常数。发动机排量Vd的值是取决于发动机的几何形状的常数。发动机转速Ne的值可以由曲轴位置传感器420测量。c的值是常数。比热容cp的值是常数。通过涡轮增压器230的压缩机240的空气/气体流的质量流率Wc的值可以被确定为空气质量流率Wa和通过LP EGR的质量流率的总和。喷射到发动机110的燃烧室150中的燃料的质量流率Wf的值可以由操作燃料喷射器160的控制策略来提供。在压缩机240上游的进气管道205中的空气/气体流的温度的值可以基于进气管道205中和LP管道500中的其它可测量的操作参数来确定。压缩机功率比Rc的值可以作为通过压缩机240的空气/气体流的质量流量比率Wc、压缩比βc、压力温度和通用气体常数R的函数来确定。在排气歧管225处的残余气体分数Fx的值可以通过位于后处理装置280上游的排气管275中的λ传感器来测量。可以基于进气管道205中和LP管500上的其它可测量的操作参数来估计压缩机240上游的进气管道205中的空气/气体流的压力的值。压缩机240上游的进气管道的体积的值是取决于充气系统的几何形状的常数。LP-EGR校正系数的值是LP-EGR阀两侧上的压力比的非线性函数。在后处理装置280下游的排气管275中的排气的压力pexh可以基于排气管275中的其它可测量的操作参数来确定。在LP-EGR管道500中的排气的温度的值可以由位于LP EGR阀521上游的管道中的专用传感器测量。可以由传感器340计算进气管道205中的空气质量流率Wa的值。空气温度可以用专用传感器测量或估计。功率比Rec可以用上述公式来计算，其中空气压力可以用压力传感器来测量，并且βec可以被确定为和之间的比率。
输出参数βc、pi、Fi、Fc和βec的监视值被反馈并用于计算它们中的每一个与其相应的目标值pi_tar、Fi_tar、βc_tar、Fc_tar和βec_tar之间的误差(即差异)e1、e2、e3、e4和e5：
e1＝pi_tar-pi
e2＝βc_tar-βc
e3＝Fi_tar-Fi
e4＝Fc_tar-Fc
e5＝βec_tar-βec
输出参数的目标值pi_tar、βc_tar、Fi_tar、βec_tar和Fc_tar可以由ECU 450通过处理器452基于其它传统策略(例如基于发动机操作点)来确定。
然后将第一误差e1作为输入应用于第一单输入单输出(SISO)线性控制器S605，该线性控制器S605产生用于第一虚拟输入v1的对应值作为输出。将第二误差e2作为输入应用于第二SISO线性控制器S610，该第二SISO线性控制器S610产生用于第二虚拟输入v2的对应值作为输出。将第三误差e3作为输入应用于第三SISO线性控制器S615，该第三SISO线性控制器S615产生用于第三虚拟输入v3的对应值作为输出。将第四误差e4作为输入应用于第四SISO线性控制器S620，该第四SISO线性控制器S620产生第四虚拟输入υ4的对应值作为输出。将第五误差e5作为输入应用于第五SISO线性控制器S625，该第五SISO线性控制器S625产生第五虚拟输入v5的对应值作为输出。
五个线性控制器S605、S610、S615、S620和S625可以是例如用于比例-积分(PI)控制器或比例-积分-微分(PID)控制器，并且在上述等效线性系统上进行调节，诸如以最小化相应的误差e1、e2、e3、e4和e5。
然后将虚拟输入v1、v2、v3、v4和v5的值应用于非线性计算模块S630，其中它们用于计算充气系统195的输入参数Witv、CdAegr_HP、CdAegr_LP、Rt和Pe的对应值。特别地，计算模块S630可以利用之前已经解释的反馈线性化控制算法来计算这些输入参数的值：
空气质量流率Witv的计算值然后应用于计算模块S635，该计算模块S635可以使用进气阀330的数学模型来产生致动器332的位置Uitv作为输出，该位置Uitv对应于空气质量流率Witv的计算值。将流动有效面积CdAegr_HP的计算值应用于另一计算模块S640，该另一计算模块S640可使用HP-EGR阀320的数学模型来产生致动器322的位置Uegr_HP作为输出，该位置Uegr_HP对应于流动有效面积CdAegr_HP的计算值。流动有效面积CdAegr_LP的计算值被应用到另一个计算模块S645，该计算模块S645可以使用LP-EGR阀520的数学模型来产生致动器522的位置Uegr_LP作为输出，该位置Uegr_LP对应于流动有效面积CdAegr_LP的计算值。涡轮机功率比Rt的计算值应用于涡轮机250的另一个计算模块S650以产生致动器290的位置Uvgt作为输出，该位置Uvgt对应于涡轮机功率比Rt的计算值。
根据相应的计算位置Uitv、Uegr_HP、Uegr_LP和Uvgt来操作进气阀致动器332、HP-EGR阀致动器322、LP-EGR阀致动器522和VGT致动器290，同时空气压缩机600的电动机605根据电力(致动器操作模块S655)的计算值Pe来操作。
上面描述的示例表明充气系统195可以用反馈线性化控制策略来控制。如图10中示意性表示的，该反馈线性化控制策略通常由处理器452向ECU450提供以确定(框S700)包含多个虚拟输入的值的向量v，其中每个输入与在向量y中包含的充气系统195的输出参数中的仅一个成线性关系。处理器将向量v作为输入应用于反馈线性化算法(框S705)，如下所示：
u(x，v)＝Gg(x)-1·(v-Cf(x))
其作为输出提供充气系统195的“实际”输入参数值的对应向量u，其中的每一个然后被使用(框S710)以操作充气系统195的致动器中相应的一个致动器。
如以上示例中所解释的，在内燃机110的操作期间，根据充气系统的相关输出参数的反馈控制机构，可以利用专用单输入单输出(SISO)线性控制器来确定每个虚拟输入的值。这样，充气系统195的所有致动器都以坐标方式一起被控制，从而提高了充气系统195粘附到其输出参数的目标值的准确性和时间响应，诸如在瞬变期间。这提供了致动器同时协调的控制，同时补偿了它们的相互作用。
虽然在前面的概述和详细描述中已经呈现了至少一个示例性实施例，但是应该理解的是存在大量的变型。还应该理解的是，一个示例性实施例或多个示例性实施例仅是示例，并不意图以任何方式限制范围、适用性或配置。相反，前面的概述和详细描述将为本领域技术人员提供用于实现至少一个示例性实施例的方便的路线图，应当理解，可以在示例性实施例中描述的元件的功能和布置方面做出各种改变，而没有背离了所附权利要求及其合法等同物中阐述的范围。

Claims (10)

1.一种控制内燃机的充气系统的操作的方法，其中所述充气系统包括并且其中所述方法包括：
由多个传感器监视所述充气系统的多个输出参数；
由处理器计算所述输出参数中的每一个输出参数与其目标值之间的误差；
由所述处理器将所述计算误差中的每一个计算误差应用于产生虚拟输入的线性控制器；
由所述处理器使用所述虚拟输入来利用所述充气系统的非线性数学模型来计算所述充气系统的多个输入参数，所述充气系统的非线性数学模型被配置为使得所述虚拟输入中的每一个虚拟输入与所述输出参数中的仅一个输出参数成线性关系，其中所述输入参数中的每一个输入参数影响所有的所述输出参数；以及
操作包括空气压缩机的电动机的所述充气系统的多个致动器，其中所述致动器中的每一个使用所述输入参数中的相应一个输入参数。
2.根据权利要求1所述的方法，其中计算所述输入参数包括由所述处理器计算用于所述电动机以及用于进气阀的第一致动器、用于排气再循环阀的第二致动器以及用于可变几何涡轮增压器的第三致动器中的至少一个致动器的输入参数。
3.根据权利要求2所述的方法，其中计算所述输入参数包括由所述处理器计算用于所述进气阀的所述第一致动器、用于所述排气再循环阀的所述第二致动器和用于所述可变几何涡轮增压器的所述第三致动器中的每一个致动器以及所述电动机的输入参数。
4.根据权利要求3所述的方法，其中计算所述输入参数进一步包括：
由所述处理器计算指示通过所述进气阀的空气质量流率的第一输入参数；
由所述处理器计算指示通过所述排气再循环阀的排气质量流率的第二输入参数；
由所述处理器计算指示通过所述可变几何涡轮增压器的涡轮机的排气质量流率的第三输入参数；以及
由所述处理器计算指示提供给所述电动机的电力的第四输入参数。
5.根据权利要求3所述的方法，其中计算所述输入参数进一步包括：
由所述处理器计算指示通过所述进气阀的空气质量流率的第一输入参数；
由所述处理器计算指示所述排气再循环阀的流动有效面积的第二输入参数；
由所述处理器计算指示所述可变几何涡轮增压器的涡轮机的功率比的第三输入参数；以及
由所述处理器计算指示提供给所述空气压缩机的所述电动机的电功率的第四输入参数。
6.根据权利要求5所述的方法，其中所述充气系统的所述输出参数包括指示进气歧管压力的第一输出参数，指示由所述可变几何涡轮增压器的压缩机引起的压缩比的第二输出参数，指示所述进气歧管中的残余气体分数的第三输出参数，以及指示由所述空气压缩机引起的压缩比的第四输出参数。
7.根据权利要求1所述的方法，其中计算所述输入参数包括由所述处理器计算用于进气阀的第一致动器、第一排气再循环阀的第二致动器、第二排气再循环阀的第三致动器、可变几何涡轮增压器的第四致动器以及所述电动机中的每一个的输入参数。
8.根据权利要求7所述的方法，其中计算所述输入参数进一步包括：
由所述处理器计算指示通过所述进气阀的空气质量流率的第一输入参数；
由所述处理器计算指示所述第一排气再循环阀的流动有效面积的第二输入参数；
由所述处理器计算指示所述第二排气再循环阀的流动有效面积的第三输入参数；
由所述处理器计算指示所述可变几何涡轮增压器的涡轮机的功率比的第四输入参数；以及
由所述处理器计算指示要提供给所述空气压缩机的所述电动机的电力的第五输入参数。
9.根据权利要求8所述的方法，其中所述充气系统的所述输出参数包括指示进气歧管内的压力的第一输出参数，指示所述进气歧管中的残余气体分数的第二输出参数，指示由所述可变几何涡轮增压器的压缩机引起的压缩比的第三输出参数，指示所述压缩机上游的进气管道中的残余气体分数的第四输出参数，以及指示由所述空气压缩机引起的压缩比的第五输出参数。
10.根据权利要求9所述的方法，进一步包括：
在单独的线性控制器中处理所述误差中的每一个以产生用于所述误差中的每一个误差的虚拟输入；
在非线性计算模块中使用所述虚拟输入来计算所述输入参数，其中所述输入参数彼此解耦；
将所述计算出的第一、第二、第三和第四输入参数应用于计算模块；
使用所述进气阀、所述第一排气再循环阀、所述第二排气再循环阀和所述可变几何涡轮增压器的所述涡轮机中的每一个的数学模型来计算所述第一、第二、第三和第四致动器中的每一个的对应位置值；
操作所述第一、第二、第三和第四致动器中的每一个以实现所述对应的位置值；以及
通过供应所述电力来操作所述电动机。
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