CN109026410A - 最小二乘技术在多变量发动机控制中的预测转速的用途 - Google Patents

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Abstract

一种用于车辆的发动机控制系统，包括模型预测控制(MPC)模块，其基于发动机转矩请求来识别可能目标值集合、确定可能目标值集合的预测操作参数、确定可能目标值集合的成本值、基于成本值来选择一个可能目标值集合；并且基于选定的一个集合的可能目标值来设定目标值；以及第一致动器模块，其基于目标值中的第一个来控制第一发动机致动器。MPC模块基于发动机转速的预测值来确定未来时间点的至少一个预测操作参数，该发动机转速的预测值是基于多个最近发动机转速测量值来确定。

Description

最小二乘技术在多变量发动机控制中的预测转速的用途
技术领域
本发明涉及发动机控制。更具体地，本发明涉及一种基于对先前确定的发动机转速数据使用最小二乘拟合技术确定的预测发动机速度来控制内燃机的方法。
背景技术
此处提供的背景描述的目的在于总体地呈现本发明的背景。当前署名的发明人的工作就其在该背景部分中所描述的以及在提交时可以不另外被作为是现有技术的多个方面的描述而言既不明确地也不隐含地被认可为是本发明的现有技术。
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。更具体地，节流阀调整节流阀面积，从而增加或减少进入发动机的空气流量。随着节流阀面积的增加，进入发动机的空气流量也增加。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。
在火花点火发动机中，火花起始被提供给汽缸的空气/燃料混合物的燃烧。在压缩点火发动机中，汽缸压缩燃烧被提供给汽缸的空气/燃料混合物。火花正时和空气流量可为用于调整火花点火发动机的转矩输出的主要机制，而燃料流量可为用于调整压缩点火发动机的转矩输出的主要机制。
发动机控制系统已被开发用于控制发动机操作以实现期望的功率和转矩、提高燃料效率和减少排放。更具体地，模型预测控制(MPC)原理已经应用于发动机控制系统。利用MPC的发动机控制系统的示例可在例如美国专利9328671、9334815、9378594、9399959、9435274、9599053以及美国专利申请15/429219、15/433511、15/465909和15/487150中找到，其中每一个专利申请的全部公开内容均通过引用方式引入。虽然发动机控制系统实现了它们预期目的，但是仍然需要一种改进的发动机控制方法，其包括更快的响应和改进的控制精度。
发明内容
根据若干方面，一种用于车辆的发动机控制系统包括模型预测控制(MPC)模块，其基于发动机转矩请求来识别可能目标值集合、确定可能目标值集合的预测操作参数、确定可能目标值集合的成本值、基于成本值来选择一个可能目标值集合，并且基于选定的一个集合的可能目标值来设定目标值。发动机控制系统还包括第一致动器模块，其基于目标值中的第一个来控制第一发动机致动器。MPC模块基于发动机转速的预测值来确定未来时间点的至少一个预测操作参数，其中发动机转速的预测值是基于多个最近发动机转速测量值来确定。
在本发明的一个示例中，通过对多个最近发动机转速测量值使用最小二乘回归计算线性回归系数集合并且使用线性回归系数计算未来时间点的发动机转速的预测值来确定发动机转速的预测值。
在本发明的另一个示例中，多个最近发动机转速测量值包括三个转速测量值。
在本发明的又另一示例中，多个最近发动机转速测量值包括四个转速测量值。
在本发明的又另一示例中，线性回归系数集合是由斜率和截距构成。
在本发明的又另一示例中，MPC模块分别进一步基于目标值的预定范围来选择一个可能目标值集合。
在本发明的又另一示例中，MPC模块基于集合中的第一个的第一成本值来识别可能目标值集合中的第一个，并且确定可能集合中的第一个的可能目标值是否分别在预定范围内。当选定的一个集合的一个可能目标值在其预定范围之外时，MPC模块基于集合中的第二个的第二成本值来识别可能目标值集合中的第二个。当集合中的第二个的可能目标值分别在预定范围内时，MPC模块选择集合中的第二个。
在本发明的又另一示例中，发动机控制系统进一步包括增压致动器模块，其基于目标值中的第二个来控制涡轮增压器的废气门的开度；以及相位器致动器模块，其分别基于目标值中的第三个和第四个来控制进气阀定相和排气阀定相，其中第一致动器模块基于目标值中的第一个来控制节流阀的开度。
在本发明的又另一示例中，发动机控制系统进一步包括排气再循环(EGR)致动器模块，其基于目标值中的第五个来控制EGR阀的开度。
根据本发明的若干方面，一种用于车辆的发动机控制方法包括模型预测控制(MPC)模块，其执行以下步骤：基于发动机转矩请求来识别可能目标值集合、确定可能目标值集合的预测操作参数、确定可能目标值集合的成本值、基于成本值来选择一个可能目标值集合；以及基于选定的一个集合的可能目标值来设定目标值。该方法还包括基于目标值中的第一个来控制第一发动机致动器的步骤。在所公开方法中，确定预测操作参数的步骤包括基于多个最近发动机转速测量值来预测未来时间点的发动机转速值，并且基于未来时间点的发动机转速的预测值来预测未来时间点的至少一个操作参数的值。
在当前公开方法的一个示例中，预测发动机转速值的步骤包括通过对多个最近发动机转速测量值使用最小二乘回归计算线性回归系数集合并且使用线性回归系数计算未来时间点的发动机转速的预测值来确定发动机转速的预测值。
在当前公开方法的另一个示例中，多个最近发动机转速测量值包括三个转速测量值。
在当前公开方法的又另一示例中，多个最近发动机转速测量值包括四个转速测量值。
在当前公开方法的又另一示例中，线性回归系数集合是由斜率和截距构成。
在本发明的又另一示例中，该方法进一步包括进一步基于目标值的预定范围来选择一个可能目标值集合。
在本发明的又另一示例中，该方法进一步包括使用MPC模块用于基于集合中的第一个的第一成本值来识别可能目标值集合中的第一个，并且确定可能集合中的第一个的可能目标值是否在预定范围内。当选定的一个集合的一个可能目标值在其预定范围之外时，该方法进一步包括使用MPC模块用于基于可能目标值集合中的第二个的第二成本值来识别该集合中的第二个。当集合中的第二个的可能目标值分别在预定范围内时，该方法进一步包括使用MPC模块用于选择集合中的第二个。
在本发明的又另一示例中，该方法进一步包括基于目标值中的第二个来控制涡轮增压器的废气门的开度，以及分别基于目标值中的第三个和第四个来控制进气阀定相和排气阀定相，其中第一发动机致动器是节流阀。
在本发明的又另一示例中，该方法进一步包括基于目标值中的第五个来控制排气再循环(EGR)阀的开度。
根据本发明的若干方面，一种非暂时性计算机可读介质存储计算机可读指令，该计算机可读指令在由装置的处理器执行时使该装置执行包括以下步骤的方法：基于发动机转矩请求来识别可能目标值集合、确定可能目标值集合的预测操作参数、确定可能目标值集合的成本值、基于成本值来选择一个可能目标值集合、基于选定的一个集合的可能目标值来设定目标值，以及基于目标值中的第一个来控制第一发动机致动器。在计算机可读介质的方面中，确定预测操作参数的步骤包括基于多个最近发动机转速测量值来预测未来时间点的发动机转速值，并且基于未来时间点的发动机转速的预测值来预测未来时间点的至少一个操作参数的值。
在所公开的非暂时性计算机可读介质的另一个方面中，预测发动机转速值的步骤包括通过对多个最近发动机转速测量值使用最小二乘回归计算线性回归系数集合并且使用线性回归系数计算未来时间点的发动机转速的预测值来确定发动机转速的预测值。
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是根据本发明的原理的示例性发动机系统的功能框图；
图2是用于根据本发明的原理的发动机控制系统的示例性发动机控制模块(ECM)的功能框图；
图3是根据本发明的原理的示例性控制模块的功能框图；
图4是根据本发明的原理的发动机转速预测的图示；
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。
发动机控制模块(ECM)控制发动机的转矩输出。更具体地，ECM基于根据所请求的转矩量推导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凸轮最大开度位置来控制进气和排气凸轮轴定相、基于目标节流阀开度来控制节流阀，基于目标排气再循环(EGR)开度来控制EGR阀，并且基于目标有效废气门面积百分比来控制涡轮增压器的废气门。
发动机控制的一个选项是ECM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)单独确定目标值。然而，当使用多个SISO控制器时，可设定目标值以保持系统稳定性，但是会以降低可能的燃料消耗为代价。另外，单独SISO控制器的校准和设计可能是昂贵和耗时的。
本发明的ECM使用模型预测控制(MPC)模块来产生目标值。MPC模块基于发动机转矩请求来识别可能目标值集合。MPC模块可基于每个可能集合的目标值和发动机的数学模型来确定每个可能集合的预测参数。
MPC模块还可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可能集合的目标值与相应参考值之间的差的增加而增加，反之亦然。
现在转向图1，呈现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被吸入进气歧管110中。在非限制示例性实施例中，节流阀112可包括具有可旋转叶片的蝶形阀。发动机控制模块(ECM)114控制节流阀致动器模块116，其调节该节流阀112的开度以控制吸入进气歧管110中的空气的量。
进气歧管110中的空气被吸入发动机102的汽缸。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。在非限制示例性实施例中，发动机102可包括2、3、4、5、6、8、10和/或12个汽缸。ECM 114可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可被称为进气冲程、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吸入汽缸118。ECM 114控制燃料致动器模块124，其调节燃料喷射以实现目标空燃比。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可停止向已停用的汽缸喷射燃料。
喷射的燃料与空气混合并且在汽缸118中形成空气/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的信号激励汽缸118中的火花塞128，从而点燃空气/燃料混合物。可相对于当活塞在其最顶部位置(称为上止点(TDC))的时间指定火花的正时。
火花致动器模块126可受指定TDC之前或之后多久才产生火花的正时信号控制。因为活塞位置直接与曲轴旋转有关，所以火花致动器模块126的操作可与曲轴角度同步。产生火花可被称为点火事件。火花致动器模块126可具有改变每个点火事件的火花正时的能力。火花致动器模块126甚至可在火花正时在上一次点火事件与下一次点火事件之间发生改变时改变下一个点火事件的火花正时。火花致动器模块126可停止向已停用汽缸提供火花。
在燃烧冲程期间，空气/燃料混合物的燃烧将活塞驱动离开TDC，由此驱动曲轴。燃烧冲程可被限定为活塞到达TDC与活塞返回到下止点(BDC)的时间之间的时间。在排气冲程期间，活塞开始从BDC移开并且通过排气阀130排出燃烧副产物。燃烧副产物经由排气系统134从车辆中排出。
进气阀122可由进气凸轮轴140控制，而排气阀130可由排气凸轮轴142控制。在各种实施方案中，多个进气凸轮轴(包括进气凸轮轴140)可控制汽缸118的多个进气阀(包括进气阀122)和/或可控制多组汽缸(包括汽缸118)的进气阀(包括进气阀122)。类似地，多个排气凸轮轴(包括排气凸轮轴142)可控制汽缸118的多个排气阀和/或可控制多组汽缸(包括汽缸118)的排气阀(包括排气阀130)。在各种其它实施方案中，进气阀122和/或排气阀130可由除凸轮轴以外的装置(诸如无凸轮阀致动器)控制。汽缸致动器模块120可通过禁止打开进气阀122和/或排气阀130将汽缸118停用。
可由进气凸轮相位器148改变进气阀122相对于活塞TDC的打开时间间隔。可由排气凸轮相位器150改变排气阀130相对于活塞TDC的打开时间间隔。相位器致动器模块158可基于ECM 114中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，可变阀升程(未示出)还可受相位器致动器模块158控制。
发动机系统100可包括涡轮增压器，其包括由流过排气系统134的热排气驱动的热涡轮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压缩通向节流阀112的空气。在各种实施方案中，由曲轴驱动的增压器(未示出)可压缩来自节流阀阀112的空气并且将压缩空气输送到进气歧管110。
废气门162可允许排气绕过涡轮160-1，由此减少由涡轮增压器提供的增压(进气压缩的量)。增压致动器模块164可通过控制废气门162的开度来控制涡轮增压器的增压。在各种实施方案中，两个或更多个涡轮增压器可被实施并且可由增压致动器模块164控制。
空气冷却器(未示出)可将热量从压缩充气传递到诸如发动机冷却剂或空气等冷却介质。使用发动机冷却剂来冷却压缩充气的空气冷却器可被称为中间冷却器。使用空气冷却压缩充气的空气冷却器可被称为增压空气冷却器。压缩充气可例如经由压缩和/或从排气系统134的部件接收热量。虽然为了说明目的而被示为分离的，但是涡轮160-1和压缩机160-2可彼此附接，从而将进气紧邻热排气。
发动机系统100可包括排气再循环(EGR)阀170，其选择性地将排气重新引导回到进气歧管110。EGR阀170可位于涡轮增压器的涡轮160-1上游。EGR阀170可由EGR致动器模块172基于来自ECM 114的信号来控制。
可使用曲轴位置传感器180来测量曲轴位置。可基于曲轴位置来确定曲轴转速(发动机转速)。可使用发动机冷却剂温度(ECT)传感器182来测量发动机冷却剂的温度。ECT传感器182可位于发动机102内或其中有冷却剂循环的其它位置(诸如散热器(未示出))处。
可使用歧管绝对压力(MAP)传感器184来测量进气歧管110内的压力。在各种实施方案中，可测量发动机真空，其是周围空气压力与进气歧管110内的压力之间的差值。可使用质量空气流量(MAF)传感器186来测量流入进气歧管110中的空气的质量流量。在各种实施方案中，MAF传感器186可位于也包括节流阀112的壳体中。
节流阀致动器模块116可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。可使用节流阀进气压力(TIAP)传感器191来测量输入到节流阀112的空气压力。可使用进气温度(IAT)传感器192来测量吸入到发动机102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，诸如环境湿度传感器、一个或多个爆震传感器、压缩机出口压力传感器和/或节流阀入口压力传感器、废气门位置传感器、EGR位置传感器和/或一个或多个其它合适的传感器。ECM 114可使用来自传感器的信号来为发动机系统100做出控制决策。
ECM 114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。例如，ECM 114可减小换挡期间的发动机转矩。ECM 114可与混合动力控制模块196通信以协调发动机102和电动机198的操作。
电动机198也可用作发电机，并且可用于产生电能以供车辆电气系统使用和/或存储在电池中。在各种实施方案中，ECM 114、变速器控制模块194和混合动力控制模块196的各种功能可被集成到一个或多个模块中。
改变发动机参数的每个系统可被称为发动机致动器。例如，节流阀致动器模块116可调整节流阀112的开度以实现目标节流阀开度面积。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燃料供给参数。相位器致动器模块158可控制进气凸轮相位器148和排气凸轮相位器150以分别实现目标进气凸轮最大开度位置和目标排气凸轮最大开度位置。增压致动器模块164控制废气门162以实现目标废气门开度面积。汽缸致动器模块120控制汽缸停用以实现目标数量的启动或停用的汽缸。
ECM 114产生用于发动机致动器的目标值以使发动机102产生目标发动机输出转矩。如下面进一步讨论，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。
现在参考图2，呈现了示例发动机控制系统的功能框图。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可包括混合动力优化模块208。ECM 114还包括储备/负载模块220、转矩请求模块224、空气控制模块228、火花控制模块232、汽缸控制模块236以及燃料控制模块240。
驾驶员转矩模块202可基于来自驾驶员输入模块104的驾驶员输入255来确定驾驶员转矩请求254。驾驶员输入255可基于例如加速器踏板的位置和制动器踏板的位置。驾驶员输入255还可基于巡航控制，该巡航控制可为改变车速以维持预定跟随距离的自适应巡航控制系统。驾驶员转矩模块202可存储加速器踏板位置与目标转矩的一个或多个映射，并且可基于一个选定映射来确定驾驶员转矩请求254。驾驶员转矩模块202还可对驾驶员转矩请求254中的限速变化施加一个或多个滤波器。
车轴转矩仲裁模块204在驾驶员转矩请求254与其它车轴转矩请求256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。例如，车轴转矩请求256可包括在检测到正向车轮滑移时由牵引力控制系统请求的转矩减小。当车轴转矩克服车轮与路面之间的摩擦时，发生正向车轮滑移，且车轮开始抵靠路面滑移。车轴转矩请求256还可包括转矩增加请求以抵消负向车轮滑移，其中由于车轴转矩为负，车辆轮胎相对于路面沿着另一个方向滑移。
车轴转矩请求256还可包括制动管理请求和车辆超速转矩请求。制动管理请求可减小车轴转矩以确保车轴转矩不超过制动器在车辆停止时保持车辆的能力。车辆超速转矩请求可减小车轴转矩以防止车辆超过预定速度。车轴转矩请求256也可由车辆稳定性控制系统来产生。
车轴转矩仲裁模块204基于接收到的转矩请求254和256之间的仲裁结果来输出预测转矩请求257和即时转矩请求258。如下所述，来自车轴转矩仲裁模块204的预测转矩请求257和即时转矩请求258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。
一般而言，即时转矩请求258可为当前期望的车轴转矩的量，而预测转矩请求257可为临时通知时可能需要的车轴转矩的量。ECM 114控制发动机系统100以产生等于即时转矩请求258的车轴转矩。然而，目标值的不同组合可能导致相同的车轴转矩。ECM 114因此可调整目标值以使得能够更快地转变到预测转矩请求257，同时仍将车轴转矩维持在即时转矩请求258处。
在各种实施方案中，可基于驾驶员转矩请求254来设定预测转矩请求257。在一些情况下，诸如当驾驶员转矩请求254使车轮在结冰路面上滑移时，即时转矩请求258可被设定为小于预测转矩请求257。在此情况下，牵引力控制系统(未示出)可经由即时转矩请求258请求减小，并且ECM114将发动机转矩输出减小到即时转矩请求258。然而，ECM 114执行减小，因此一旦车轮停止滑移，发动机系统100可快速恢复产生预测转矩请求257。
一般而言，即时转矩请求258与(通常较高的)预测转矩请求257之间的差值可被称为快速转矩储备。快速转矩储备可表示发动机系统100可开始例如通过调整火花正时以最小延迟开始产生的附加转矩的量(高于即时转矩请求258)。快速发动机致动器用于以最小延迟增加或减少当前的车轴转矩。快速发动机致动器的定义与慢速发动机致动器相反。
一般而言，快速发动机致动器可比慢速发动机致动器更快地改变车轴转矩。与快速致动器相比，慢速致动器对它们相应的目标值的变化反应可能会更慢。例如，慢速致动器可包括响应于目标值的变化而需要时间来从一个位置移动到另一个位置的机械部件。慢速致动器的特征还可在于车轴转矩在一旦慢速致动器开始实施改变的目标值就立即开始改变所花费的时间量。通常，慢速致动器的时间量将会长于快速致动器。另外，即使在开始改变之后，车轴转矩可能花费更长的时间来完全响应慢速致动器的变化。
仅作为示例，火花致动器模块126可为快速致动器。火花点火发动机可通过施加火花来燃烧包括例如汽油和乙醇的燃料。相比之下，节流阀致动器模块116可为慢速致动器。
例如，如上所述，火花致动器模块126甚至可在火花正时在上一次点火事件与下一次点火事件之间发生改变时改变下一个点火事件的火花正时。相比之下，节流阀开度的变化需要更长的时间来影响发动机输出转矩。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中增加的空气流量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。
使用这些致动器作为示例，通过将节流阀开度设定为将允许发动机102产生预测转矩请求257的值，可产生快速转矩储备。同时，可基于小于预测转矩请求257的即时转矩请求258来设定火花正时。虽然节流阀开度产生足够的空气流量以使发动机102产生预测转矩请求257，但是基于即时转矩请求258将火花正时延迟(从而减小了转矩)。发动机输出转矩因此将等于即时转矩请求258。
当需要附加转矩时，可基于预测转矩请求257或预测转矩请求257与即时转矩请求258之间的转矩来设定火花正时。通过随后的点火事件，火花致动器模块126可将火花正时恢复到最佳值，这允许发动机102产生可用已经存在的空气流量实现的全发动机输出转矩。发动机输出转矩因此可快速地增加到预测转矩请求257而不经历从改变节流阀开度的延迟。
车轴转矩仲裁模块204可将预测转矩请求257和即时转矩请求258输出到推进转矩仲裁模块206。在各种实施方案中，车轴转矩仲裁模块204可将预测转矩请求257和即时转矩请求258输出到混合动力优化模块208。
混合动力优化模块208可确定发动机102应当产生多少转矩以及电动机198应当产生多少转矩。混合动力优化模块208然后分别将修改的预测转矩请求259和即时转矩请求260输出到推进转矩仲裁模块206。在各种实施方案中，混合动力优化模块208可在混合动力控制模块196中实施。
由推进转矩仲裁模块206接收的预测和即时转矩请求从车轴转矩域(车轮处的转矩)转换成推进转矩域(曲轴处的转矩)。该转换可发生在混合动力优化模块208之前、之后、作为其一部分或代替混合动力优化模块208。
推进转矩仲裁模块206在推进转矩请求290(包括转换的预测转矩请求和即时转矩请求)之间进行仲裁。推进转矩仲裁模块206产生仲裁的预测转矩请求261和仲裁的即时转矩请求262。仲裁转矩请求261和262可通过从接收的转矩请求中选择获胜请求来产生。替代地或另外，仲裁转矩请求可通过基于一个接收的请求来修改另外的一个或多个接收的转矩请求。
例如，推进转矩请求290可包括用于发动机超速保护的转矩减小、用于失速防止的转矩增加以及由变速器控制模块194请求以适应换挡的转矩减小。推进转矩请求290也可由离合器燃料切断引起，该离合器燃料切断在驾驶员踩下手动变速器车辆中的离合器踏板时减小发动机输出转矩以防止发动机转速的剧增。
推进转矩请求290还可包括发动机关闭请求，该发动机关闭请求可在检测到严重故障时起始。仅作为示例，严重故障可包括检测车辆盗窃、起动电动机卡住、电子节流阀控制问题以及意外的转矩增加。在各种实施方案中，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请求。当发动机关闭请求存在时，推进转矩仲裁模块206可输出零作为仲裁的预测转矩请求261和即时转矩请求262。
在各种实施方案中，发动机关闭请求可简单地独立于仲裁过程而关闭发动机102。推进转矩仲裁模块206仍然可接收发动机关闭请求，使得例如可将适当的数据反馈给其它转矩请求器。例如，可通知所有其它转矩请求器它们已经输了仲裁。
储备/负载模块220接收仲裁的预测转矩请求261和即时转矩请求262。储备/负载模块220可调整仲裁的预测转矩请求261和即时转矩请求262以产生快速转矩储备和/或补偿一个或多个负载。储备/负载模块220然后将调整的预测转矩请求263和即时转矩请求264输出到转矩请求模块224。
仅作为示例，催化剂起燃过程或冷起动排放减少过程可能需要延迟的火花正时。储备/负载模块220因此可将调整的预测转矩请求263增加到调整的即时转矩请求264之上，以为冷启动排放减少过程产生延迟的火花。在另一个示例中，发动机的空燃比和/或质量空气流量可(诸如通过诊断侵入式当量比测试和/或新型发动机净化)直接改变。在开始这些过程之前，可产生或增加快速转矩储备以快速抵消在这些过程期间由于空气/燃料混合物稀薄而引起的发动机输出转矩的降低。
储备/负载模块220还可在预期未来负载(诸如动力转向泵操作或空调(A/C)压缩机离合器的接合)的情况下产生或增加快速转矩储备。当驾驶员首先请求进行空气调节时，可产生用于A/C压缩机离合器的储备。储备/负载模块220可增加调整的预测转矩请求263，同时使调整的即时转矩请求264不变以产生转矩储备。然后，当A/C压缩机离合器接合时，储备/负载模块220可通过A/C压缩机离合器的估计负载来增加调整的即时转矩请求264。
转矩请求模块224接收调整的预测转矩请求263和即时转矩请求264。转矩请求模块224确定将如何实现调整的预测转矩请求263和即时转矩请求264。转矩请求模块224可为发动机类型所特有的。例如，转矩请求模块224可不同地实施，或针对火花点火发动机相对于压缩点火发动机使用不同的控制方案。
在各种实施方案中，转矩请求模块224可限定在所有发动机类型中所共有的模块与发动机类型所特有的模块之间的边界。例如，发动机类型可包括火花点火和压缩点火。在转矩请求模块224之前的模块(诸如推进转矩仲裁模块206)可在整个发动机类型中是共有的，而转矩请求模块224和随后的模块可为发动机类型所特有的。
转矩请求模块224基于调整的预测转矩请求263和即时转矩请求264来确定空气转矩请求265。空气转矩请求265可为制动转矩。制动转矩可指代在当前操作条件下曲轴处的转矩。
空气流量控制发动机致动器的目标值是基于空气转矩请求265来确定。更具体地，空气控制模块228基于空气转矩请求265确定目标有效废气门面积百分比266、目标有效节流阀面积百分比267、目标EGR阀开度面积268、目标进气凸轮最大开度位置269以及目标排气凸轮最大开度位置270。空气控制模块228使用如下文进一步讨论的模型预测控制来确定目标有效废气门面积百分比266、目标有效节流阀面积百分比267、目标EGR阀开度面积268、目标进气凸轮最大开度位置269以及目标排气凸轮最大开度位置270。
增压致动器模块164控制废气门162以实现目标有效废气门面积百分比266。例如，第一转换模块272可将目标有效废气门面积百分比266转换成要施加到废气门162的目标占空比274，并且增压致动器模块164可基于目标占空比274向废气门162施加信号。在各种实施方案中，第一转换模块272可将目标有效废气门面积百分比266转换成目标废气门位置(未示出)，并且将目标废气门位置转换成目标占空比274。
节流阀致动器模块116控制节流阀112以实现目标有效节流阀面积百分比267。例如，第二转换模块276可将目标有效节流阀面积百分比267转换成要施加到节流阀112的目标占空比278，并且节流阀致动器模块116可基于目标占空比278向节流阀112施加信号。在各种实施方案中，第二转换模块276可将目标有效节流阀面积百分比267转换成目标节流阀位置(未示出)，并且将目标节流阀位置转换成目标占空比278。
EGR致动器模块172控制EGR阀170以实现目标EGR开度面积268。例如，第三转换模块280可将目标EGR开度面积268转换成要施加到EGR阀170的目标占空比282，并且EGR致动器模块172可基于目标占空比282向EGR阀170施加信号。在各种实施方案中，第三转换模块280可将目标EGR开度面积268转换成目标EGR位置(未示出)，并且将目标EGR位置转换成目标占空比282。
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最大开度位置269。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最大开度位置270。在各种实施方案中，可包括第四转换模块(未示出)并且可分别将目标进气和排气凸轮最大开度位置转换成目标进气占空比和目标排气占空比。相位器致动器模块158可分别向进气凸轮相位器148和排气凸轮相位器150施加目标进气占空比和目标排气占空比。在各种实施方案中，空气控制模块228可确定目标重叠因子和目标有效排量，并且相位器致动器模块158可控制进气凸轮相位器148和排气凸轮相位器150，以实现目标重叠因子和目标有效排量。
转矩请求模块224还可基于预测转矩请求263和即时转矩请求264产生火花转矩请求283、汽缸关闭转矩请求284以及燃料转矩请求285。火花控制模块232可基于火花转矩请求283确定从最佳火花正时延迟多少时间(其降低发动机输出转矩)。例如，转矩关系可进行逆运算以求解目标火花正时286。对于给定的转矩请求(TReq)，可基于以下关系式来确定目标火花正时(ST)286：
(1)ST＝f-1(TReq,APC,I,E,AF,OT,#)，
其中APC是单缸空气值，I是进气阀定相值，E是排气阀定相值，AF是空燃比，OT是油温，并且#是启动汽缸的数量。这种关系可被实施为方程和/或查找表。如由燃料控制模块240报告的，空燃比(AF)可为实际的空燃比。
在火花正时被设定为最佳火花正时的情况下，所得转矩可尽可能接近最佳转矩的最小火花提前(MBT火花正时)。最佳转矩是指在使用辛烷值大于预定辛烷值的燃料并且使用化学计量燃料供给的同时在火花正时提前的情况下针对给定的空气流量产生的最大发动机输出转矩。该最佳转矩出现的火花正时被称为MBT火花正时。由于例如燃料质量(诸如当使用较低辛烷值燃料时)和环境因素(诸如环境湿度和温度)，最佳火花正时可能与MBT火花正时略有不同。最佳火花正时处的发动机输出转矩因此可能小于MBT。仅作为示例，可在车辆设计的校准阶段期间确定与不同的发动机操作条件对应的最佳火花正时的表格，并且基于当前的发动机操作条件来根据该表格确定最佳值。
汽缸控制模块236可使用汽缸关闭转矩请求284来确定停用的汽缸的目标数量287。在各种实施方案中，可使用要启动的目标数量的汽缸。汽缸致动器模块120基于目标数量287选择性地启动和停用汽缸的阀。
汽缸控制模块236还可指示燃料控制模块240停止为停用汽缸提供燃料，并且可指示火花控制模块232停止为停用汽缸提供火花。一旦已经存在于汽缸中的燃料/空气混合物已经燃烧，火花控制模块232就可停止向汽缸提供火花。
燃料控制模块240可基于燃料转矩请求285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240可基于燃料转矩请求285产生目标燃料供给参数288。目标燃料供给参数288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240可以空气提前模式操作，其中燃料控制模块240通过基于空气流量控制燃料供给来试图维持化学计量的空燃比。例如，燃料控制模块240可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。
又参考图3，空气控制模块228包括转矩转换模块304，其接收空气转矩请求265，该空气转矩请求265如上文所讨论可为制动转矩。转矩转换模块304将空气转矩请求265转换成基本转矩。基本转矩是指当发动机102处于操作温度时在发动机102的操作期间以测力计产生的曲轴处的转矩，且没有配件(诸如交流发电机或空调压缩机)在发动机102上施加转矩负载。转矩转换模块304例如使用使制动转矩与基本转矩相关的映射或函数将空气转矩请求265转换为基本转矩请求308。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308。
模型预测控制(MPC)模块312使用模型预测控制方案来产生5个目标值266、267、268、269、270。5个目标值是：废气门目标值266、节流阀目标值267、EGR目标值268、进气凸轮相位器角度目标值269以及排气凸轮相位器角度目标值270。
序列确定模块316确定可在N个未来控制循环期间一起使用的可能目标值序列。由序列确定模块316识别的每个可能序列包括N个目标值的一个序列。更具体地，每个可能序列包括用于目标有效废气门面积百分比266的N个值的序列、用于目标节流阀开度面积百分比267的N个值的序列、用于EGR阀开度面积268的N个值的序列、用于目标进气凸轮最大开度位置269的N个值的序列，以及用于目标排气凸轮最大开度位置270的N个值的序列。N个值中的每一个用于N个未来控制循环中的对应一个。N是大于或等于1的整数。
预测模块323基于发动机102的数学模型324、辅助输入328以及反馈输入330来分别确定发动机102对目标值266、267、268、269、270的可能序列的预测响应。更具体地，基于目标值266、267、268、269、270的可能序列、辅助输入328以及反馈输入330，预测模块323使用模型324产生用于N个控制循环的发动机102的N个预测转矩的序列、用于N个控制循环的N个预测单缸空气值的序列、用于N个控制循环的外部稀释度的N个预测量的序列、用于N个控制循环的残余稀释度的N个预测量的序列、用于N个控制循环的N个预测燃烧定相值的序列以及用于N个控制循环的N个预测燃烧质量值的序列。
虽然描述了产生预测转矩、预测APC、预测捕获比、预测燃烧定相以及预测燃烧质量的示例，但是预测参数也可包括一个或多个其它预测发动机操作参数。例如，可预测效率参数来代替预测的APC，并且效率参数可为预测转矩除以预测的APC。
模型324可包括例如基于发动机102的特性校准的一个或多个函数或映射。在这种背景下，稀释是指针对燃烧事件来自先前燃烧事件的捕获在汽缸内的排气量。外部稀释是指经由EGR阀170为燃烧事件提供的排气。残余稀释(也称为内部稀释)是指在燃烧循环的排气冲程之后在汽缸中剩余的排气或被推回到汽缸中的排气。清理可指代吸入空气在进气阀与排气阀之间的正压梯度引起的吸气冲程期间流入进气阀并且然后流出排气阀的现象。捕获比可指代在进气冲程期间在汽缸中捕获的空气量与在同一进气冲程期间流过所有进气阀的空气总量的比。
燃烧定相可指代曲轴位置相对于预定曲轴位置，在曲轴位置中，喷射的预定量的燃料在汽缸内燃烧，该预定曲轴位置燃烧预定量的喷射燃料。例如，燃烧定相可以CA50相对于预定CA50来表达。CA50可指代所喷射燃料的质量的50％已经在汽缸内燃烧的曲轴角度(CA)。预定CA50可对应于其中从喷射的燃料产生最大功量的CA50，并且在各种实施方案中在TDC(上止点)之后可为大约8.5度到大约10度。虽然燃烧定相将根据CA50值进行讨论，但是也可使用指示燃烧定相的另一个合适的参数。另外，虽然燃烧质量将被讨论为指示平均有效压力(IMEP)值的变化系数(COV)，但是也可使用指示燃烧质量的另一个合适的参数。
辅助输入328可包括不直接受节流阀112、涡轮增压器、进气凸轮相位器148以及排气凸轮相位器150影响的参数。例如，辅助输入328可包括缩放发动机转速、IAT、CA50、汽缸停用状态和/或一个或多个其它参数。
反馈输入330可包括例如发动机102的爆震受限火花下的标准化空气流量转矩、估计或测量的捕获比、标准化为大气压力的歧管压力184、标准化泵平均有效压力(PMEP)和/或一个或多个其它合适的参数。可使用传感器(例如，MAP)来测量和/或基于一个或多个其它参数来估计反馈输入330。
由序列确定模块316识别的每个可能序列包括目标值266、267、268、269、270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开度面积266的N个值的序列、用于目标节流阀开度面积267的N个值的序列、用于目标EGR开度面积268的N个值的序列、用于目标进气凸轮相位器角度269的N个值的序列，以及用于目标排气凸轮相位器角度270的N个值的序列。N个值中的每一个用于N个未来控制循环中的一个对应未来控制循环。N是大于或等于1的整数。
成本模块332基于针对可能序列确定的预测参数和输出参考值356来确定目标值266、267、268、269、270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344分别基于可能序列的成本来选择目标值266、267、268、269、270的一个可能序列。例如，选择模块344可选择具有最低成本同时满足致动器约束348和输出约束352的一个可能序列。
在成本确定中可考虑满足致动器约束348和输出约束。换言之，成本模块332可进一步基于致动器约束348和输出约束352来确定成本值。如下面详细地讨论，基于如何确定成本值，选择模块344将会选择可能序列中在受制于致动器约束348和输出约束352的情况下最佳地实现基本空气转矩请求308并同时最小化APC的一个可能序列。
选择模块344将目标值266、267、268、269、270分别设定为选定可能序列的N个值中的第一个。换言之，选择模块344将目标废气门开度面积266设定为目标废气门开度面积266的N个值的序列中的N个值中的第一个，将目标节流阀开度面积267设定为目标节流阀开度面积267的N个值的序列中的N个值中的第一个，将目标EGR开度面积268设定为目标EGR开度面积268的N个值的序列中的N个值中的第一个，将目标进气凸轮相位器角度269设定为目标进气凸轮相位器角度269的N个值的序列中的N个值中的第一个，并且将目标排气凸轮相位器角度270设定为标排气凸轮相位器角度270的N个值的序列中的N个值中的第一个。
在下一个控制循环期间，MPC模块312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，以及将目标值266、267、268、269、270设定到选定可能序列中的目标值266、267、268、269、270。该过程针对每个控制循环而继续进行。
致动器约束模块360为目标值266、267、268、269、270中的每一个设定致动器约束348。即，致动器约束模块360设定用于节流阀112的致动器约束、用于EGR阀170的致动器约束、用于废气门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。
目标值266、267、268、269、270中的每一个的致动器约束348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360通常可将致动器约束348设定为相关致动器的预定操作范围。更具体地，致动器约束模块360通常可将致动器约束348分别设定为节流阀112、EGR阀170、废气门162、进气凸轮相位器148和排气凸轮相位器150的预定操作范围。
在某些实施方案中，在一些情况下，致动器约束模块360选择性地改变一个或多个致动器约束348。例如，在特定实施方案中，当在该发动机致动器中诊断出故障时，致动器约束模块360调整给定致动器的致动器约束以缩小该发动机致动器的操作范围。在另一个实施方案中，致动器约束模块360调整致动器约束，使得给定致动器的目标值随时间遵循预定时间表或者例如为了故障诊断(诸如凸轮相位器故障诊断、节流阀诊断、EGR诊断等)而改变预定量。为了使目标值随时间遵循预定时间表或者改变预定量，致动器约束模块360可将最小值和最大值设定为相同值。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360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，以使目标值遵循预定时间表。
输出约束模块364为发动机102的预测转矩输出、预测CA50、IMEP的预测COV、预测的残余稀释以及预测的外部稀释设定输出约束352。每一个预测值的输出约束352可包括相关预测参数的最大值和该预测参数的最小值。例如，输出约束352可包括最小转矩、最大转矩、最小CA50和最大CA50、IMEP的最小COV和IMEP的最大COV、最小残余稀释和最大残余稀释以及最小外部稀释和最大外部稀释。
在各种实施方案中，输出约束模块364通常分别将输出约束352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364可改变一个或多个输出约束352。例如，诸如当在发动机102内发生爆震时，输出约束模块364可延迟最大CA50。对于另一个示例，输出约束模块364可在低负载条件下(诸如在IMEP的较高COV可用于实现给定转矩请求的发动机空转期间)增加IMEP的最大COV。
参考模块368产生分别用于目标值266、267、268、269、270的参考值356。参考值356包括用于对目标值266、267、268、269、270中的每一个的参考。换言之，参考值356包括参考废气门开度面积、参考节流阀开度面积、参考EGR开度面积、参考进气凸轮相位器角度269以及参考排气凸轮相位器角度270。
参考模块368可例如基于空气转矩请求265、基本空气转矩请求308和/或一个或多个其它合适的参数来确定参考值356。参考值356提供用于分别设定目标值266、267、268、269、270的参考。参考值356可用于确定可能序列的成本值。参考值356也可用于一个或多个其它原因，诸如由于序列确定模块316确定可能序列。
MPC模块312可使用诸如Dantzig QP求解器等二次规划(QP)求解器来确定目标值266、267、268、269、270。例如，MPC模块312可产生目标值266、267、268、269、270的可能序列的成本值的表面，并且基于成本表面的斜率来识别具有最低成本的可能目标值集合。MPC模块312然后测试该可能目标值集合以确定该可能目标值集合是否将会满足致动器约束348和输出约束352。MPC模块312选择具有最低成本并同时满足致动器约束348和输出约束352的可能目标值集合。
成本模块332基于以下各项之间的关系来确定目标值266、267、268、269、270的可能序列的成本：预测转矩与基本空气转矩请求308；预测APC与零；可能目标值与相应的致动器约束348；其它预测参数与相应的输出约束352；以及可能目标值与相应的参考值356。
在操作中，MPC模块312确定可能序列的成本值。MPC模块312然后选择具有最低成本的一个可能集合。MPC模块312还确定选定可能集合是否满足致动器约束348。如果是，则利用可能序列。如果否，则MPC模块312基于选定可能序列来确定满足致动器约束348并且具有最低成本的可能序列。
在各种实施方案中，致动器约束模块360调整给定致动器的致动器限制或约束以遵循取决于发动机102的操作条件(诸如速度、负载和环境条件)的预定时间表。
例如，预测模块323可基于以下关系为可能目标值的给定序列产生预测参数：
x(k+1)＝Ax(k)+Bu(k)；以及
y(k)＝Cx(k)
其中x(k+1)是具有指示用于下一个控制循环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的特性校准的常数值的矩阵，x(k)是具有指示用于第k个控制循环的发动机102的状态的条目的矢量，B是包括基于发动机102的特性校准的常数值的矩阵，u(k)是包括用于第k个控制循环的可能目标值的条目的向量，y(k)是包括用于第k个控制循环的预测参数的向量，并且C是包括基于发动机102的特性校准的常数值的矩阵。在第k个控制循环期间确定的向量x(k+1)将用作下一个控制循环k+1的向量x(k)。
该关系也可被写为：
x(k)＝Ax(k-1)+Bu(k-1)；以及
y(k)＝Cx(k)，
其中k是控制循环，x(k-1)是具有指示用于上一个控制循环的发动机102的状态的条目的向量，A是包括基于发动机102的特性校准的常数值的矩阵，x(k)是具有指示用于第k个控制循环的发动机102的状态的条目的矢量，B是包括基于发动机102的特性校准的常数值的矩阵，u(k-1)是包括用于上一个控制循环k-1的可能目标值的条目的向量。
预测模块323为N个未来控制循环中的M个未来控制循环中的每一个未来控制循环产生预测参数，其中M是大于零并且小于或等于N的整数(即，k＝0、1...M)。换言之，用于确定预测参数的控制循环的数量可小于或等于目标值中的控制循环的数量。
如果不满足目标约束348，则MPC模块312选择具有次最低成本的可能目标值的另一个序列，并且测试该可能目标值序列以满足目标约束348。选择序列和测试序列以满足目标约束348的过程可被称为迭代。在每个控制循环期间可执行多次迭代。
MPC模块312执行迭代直到识别具有满足目标约束348的最低成本的序列。以此方式，MPC模块312选择具有最低成本同时满足目标约束348和预测约束352的可能目标值序列。如果序列不能被识别，则MPC模块312可指示没有解可用。
成本模块332可基于以下各项之间的关系来确定目标值266、267、268、269、270的可能序列的成本：预测转矩与转矩请求；可能目标值与相应的目标约束348；预测参数与相应的预测约束352；以及可能目标值与相应的参考值356。例如，可对关系进行加权以控制每个关系对成本的影响。
在本发明的方面中，被描述为一个辅助输入328的缩放发动机转速(在本文中也被称为转速值)可为预测转速值。在示例性实施例中，可使用最小二乘回归来计算预测转速值，以计算由多个最近发动机转速值确定的最佳拟合直线的斜率和截距，并且基于计算的斜率和截距来预测未来转速值。
参考图4，呈现了发动机转速相对于时间的曲线图400。发动机转速(rpm)相对于垂直轴线410绘制，并且时间相对于水平轴线412绘制。由垂直线414表示的时间表示采取最近转速测量值的时间，其中线414左侧的区域416表示过去事件，并且线414右侧的区域418表示未来事件。曲线图400还包括采取过去转速测量值的时间420、422、424以及未来相对于采取最近转速测量值的时间414的时间426、428和430。点432表示最近转速测量值，其在由线414所指示的时间处被测量。在时间424发生的点434表示在采取点432处的测量值之前采取的最后一个转速测量值。在时间422发生的点436表示紧接在采取点434处的测量值之前的转速测量值。在时间420发生的点438表示紧接在采取点436处的测量值之前的转速测量值。
继续参考图4，实线段440表示以下形式的直线
rpm＝b×t+a
在该方程中，t表示时间，b表示斜率值，并且a表示截距值。项b和a是从以下关系计算的回归系数：
其中每个yi表示在点432、434、436、438中的一个点处的转速读数，每个xi表示分别对应于点432、434、436、438的时间414、424、422、420，并且n表示在回归中使用的数据点的数量。在图4中所示的示例中，n等于4。线段440表示最佳地描述在点432、434、436、438处使用简单线性回归技术计算的最近n个转速读数的直线。
继续参考图4，虚线段442是回归实线段440的延续，即，虚线段442可通过与回归实线段440相同的方程来描述。在本发明的方面中，将紧接的下一个预测转速值计算为在第一未来计算时间426落在回归线的延续线442上的点444。可在MPC模块312中使用点444处的预测转速值来计算第一未来预测时间处的可能目标值的预测参数。类似地，将后续的预测转速值计算为在第二未来计算时间428落在回归线的延续线442上的点446，并且将进一步后续的预测转速值计算为在第三未来计算时间430落在回归线440的延续线442上的点448。
在早期呈现的示例中，预测模块323被描述为基于以下关系为可能目标值的给定序列产生预测参数：
x(k+1)＝Ax(k)+Bu(k)；以及
y(k)＝Cx(k)
其中x(k+1)是具有指示用于下一个控制循环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的特性校准的常数值的矩阵，x(k)是具有指示用于第k个控制循环的发动机102的状态的条目的矢量，B是包括基于发动机102的特性校准的常数值的矩阵，u(k)是包括用于第k个控制循环的可能目标值的条目的向量，y(k)是包括用于第k个控制循环的预测参数的向量，并且C是包括基于发动机102的特性校准的常数值的矩阵。
在本发明的方面中，预测模块可使用基于沿着最小二乘回归线440外推的未来转速值而不是仅基于最近转速测量的转速值作为指示产生对于给定可能目标值序列的预测参数。换言之，如图4中的点444所示的第一预测未来转速值rpm(k+1)可用作预测模块323的输入以预测第一未来控制循环(k+1)的发动机状态。类似地，如图4中的点446所示的第二预测未来转速值rpm(k+2)可用作预测模块323的输入以预测第二未来控制循环(k+2)的发动机状态，以此类推。
应当注意的是，图4中描绘的最小二乘回归产生未来转速值444、448、448的直线投影442。有利地，直线投影为未来控制循环产生改进的转速估计，而不会在ECM上引入过多的计算和存储器需求。另外，直线投影防止可由于将可用数据“过度拟合”为更高阶多项式而可能导致的非期望影响。期望在分析中包括至少三个最近转速测量值以确定回归线440的系数，而不是仅仅从最近两个测量值外推，以防止可能影响任何单个转速测量值的随机噪声对所计算的回归线440的斜率和截距产生夸大影响。
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(AOR B OR C)，且不应被理解为意味着“至少一个A、至少一个B和至少一个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”或术语“控制器”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)；执行代码的处理器电路(共享、专用或成组)；存储由处理器电路执行的代码的存储器电路(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。
该模块可包括一个或多个接口电路。在某些示例中，接口电路可以包括连接到局域网(LAN)、因特网、广域网(WAN)或其组合的有线或无线接口。本发明的任何给定模块的功能性可分布在经由接口电路连接的多个模块中。例如，多个模块可允许负载平衡。在进一步示例中，服务器(又称为远程或云服务器)模块可完成代表客户端模块的某些功能性。
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、数据结构和/或对象。术语共享处理器电路涵盖执行来自多个模块的某些或所有代码的单个处理器电路。术语成组处理器电路涵盖结合另外的处理器电路来执行来自一个或多个模块的某些或所有代码的处理器电路。对多个处理器电路的引用涵盖离散裸片上的多个处理器电路、单个裸片上的多个处理器电路、单个处理器单元的多个核心、单个处理器电路的多个线程或上述组合。术语共享存储器电路涵盖存储来自多个模块的某些或所有代码的单个存储器电路。术语成组存储器电路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电路。
术语存储器电路是术语计算机可读介质的子集。如本文所使用的术语计算机可读介质并不涵盖(诸如在载波上)传播通过介质的暂时性电或电磁信号；术语计算机可读介质可以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示例是非易失性存储器电路(诸如闪存电路、可擦除可编程只读存储器电路或掩码只读存储器电路)、易失性存储器电路(诸如静态随机存取存储器电路或动态随机存取存储器电路)、磁性存储介质(诸如模拟或数字磁带或硬盘驱动)和光学存储介质(诸如CD、DVD或蓝光光盘)。
本申请中描述的设备和方法可部分或完全由通过配置通用计算机以执行计算机程序中实施的一个或多个特定功能而创建的专用计算机来实施。上述功能块和流程图元件用作软件规范，其可通过本领域技术人员或编程者的常规作业而转译为计算机程序。
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或依赖于所存储的数据。计算机程序可涵盖与专用计算机的硬件交互的基本输入/输出系统(BIOS)、与专用计算机的特定装置交互的装置驱动器、一个或多个操作系统、用户应用程序、背景服务、背景应用程序等。
计算机程序可包括：(i)待剖析的描述性文本，诸如HTML(超文本标记语言)或XML(可扩展标记语言)、(ii)汇编代码、(iii)由编译器从源代码产生的目标代码、(iv)由解译器执行的源代码、(v)由即时编译器编译并执行的源代码，等。仅作为示例，源代码可使用来自包括以下项的语言的语法写入：C、C++、C#、Objective C、Haskell、Go、SQL、R、Lisp、Fortran、Perl、Pascal、Curl、OCaml、HTML5、Ada、ASP(活动服务器页面)、PHP、Scala、Eiffel、Smalltalk、Erlang、Ruby、Lua和
在35 U.S.C.§112(f)的含义内，权利要求书中叙述的元件均不旨在是装置加功能元件，除非元件使用短语“用于……的装置”明确叙述或在使用短语“用于……的操作”或“用于……的步骤”的方法权利要求书的情况中。

Claims (10)

1.一种用于车辆的发动机控制系统，包括：
模型预测控制模块，其：
基于发动机转矩请求来识别可能目标值集合；
确定分别用于所述可能目标值集合的预测操作参数；
确定分别用于所述可能目标值集合的成本值；
基于所述成本值来选择一个所述可能目标值集合；并且
基于选定的一个所述集合的所述可能目标值来设定目标值；以及
第一致动器模块，其基于所述目标值中的第一个来控制第一发动机致动器；
其中所述模型预测控制模块基于发动机转速的预测值来确定未来时间点的至少一个所述预测操作参数，其中所述发动机转速的所述预测值是基于多个最近发动机转速测量值来确定。
2.根据权利要求1所述的发动机控制系统，其中通过对所述多个最近发动机转速测量值使用最小二乘回归计算线性回归系数集合并且使用所述线性回归系数计算所述未来时间点的发动机转速的所述预测值来确定发动机转速的所述预测值。
3.根据权利要求2所述的发动机控制系统，其中所述多个最近发动机转速测量值包括三个转速测量值。
4.根据权利要求2所述的发动机控制系统，其中所述多个最近发动机转速测量值包括四个转速测量值。
5.根据权利要求2所述的发动机控制系统，其中所述线性回归系数集合是由斜率和截距构成。
6.根据权利要求1所述的发动机控制系统，其中所述模型预测控制模块分别进一步基于所述目标值的预定范围来选择一个所述可能目标值集合。
7.根据权利要求6所述的发动机控制系统，其中所述模型预测控制模块：基于所述集合中的第一个的第一成本值来识别所述可能目标值集合中的第一个；确定所述可能集合中的所述第一个的所述可能目标值是否分别在所述预定范围内；当选定的一个所述集合的一个所述可能目标值在其预定范围之外时，基于所述可能目标值集合中的第二个的第二成本值来识别所述集合中的所述第二个；并且当所述集合中的所述第二个的所述可能目标值分别在所述预定范围内时选择所述集合中的所述第二个。
8.根据权利要求1所述的发动机控制系统，进一步包括：
增压致动器模块，其基于所述目标值中的第二个来控制涡轮增压器的废气门的开度；以及相位器致动器模块，其分别基于所述目标值中的第三个和第四个来控制进气阀定相和排气阀定相，
其中所述第一致动器模块基于所述目标值中的所述第一个来控制节流阀的开度。
9.根据权利要求8所述的发动机控制系统，进一步包括排气再循环致动器模块，其基于所述目标值中的第五个来控制排气再循环阀的开度。
10.一种用于车辆的发动机控制方法，包括：使用模型预测控制模块：
基于发动机转矩请求来识别可能目标值集合；
确定分别用于所述可能目标值集合的预测操作参数；
确定分别用于所述可能目标值集合的成本值；
基于所述成本值来选择一个所述可能目标值集合；并且
基于选定的一个所述集合的所述可能目标值来设定目标值；
基于所述目标值中的第一个来控制第一发动机致动器；
其中确定预测操作参数的步骤包括基于多个最近发动机转速测量值来预测未来时间点的发动机转速值，并且基于所述未来时间点的发动机转速的所述预测值来预测所述未来时间点的至少一个所述操作参数的值。
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