CN109763889A - 使用模型预测控制的发动机冷却剂控制系统和方法 - Google Patents

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Abstract

一种预测模块配置为基于未来时间的一组可能目标值来分别确定未来时间的一组可能目标值的预测效率值。成本模块配置为基于预测效率值与参考效率值的比较来确定该组可能目标值的成本。选择模块配置为：(i)基于该组可能目标值的成本，从包括以下各项的一组中选择该组可能目标值：该组可能目标值；以及另外N组可能目标值；以及(ii)将目标值设定为选定的一组可能目标值中的相应可能目标值。第一阀控制模块配置为基于目标值中的第一目标值来致动第一冷却剂阀。

Description

使用模型预测控制的发动机冷却剂控制系统和方法
引言
本部分提供的信息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本段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。
本发明涉及具有内燃发动机的车辆，并且更具体地涉及用于控制发动机冷却剂流动的系统和方法。
内燃机在汽缸内燃烧空气和燃料以产生驱动转矩。空气和燃料的燃烧也会产生热量和排气。由发动机产生的排气在排出到大气之前流过排气系统。
过度加热可能缩短发动机、发动机部件和/或车辆的其它部件的寿命。因而，包括内燃机的车辆通常包括连接到发动机内的冷却剂通道的散热器。发动机冷却液循环通过冷却液通道和散热器。发动机冷却剂从发动机中吸收热量并且将热量携带给散热器。散热器将热量从发动机冷却剂传递到通过散热器的空气。排出散热器的冷却的发动机冷却剂循环回到发动机。
发明内容
在一个特征中，车辆的冷却剂控制系统包括预测模块，其配置为基于M个未来时间的一组可能目标值来分别确定M个未来时间的可能目标值组的M个预测效率值。M是大于或等于1的整数。成本模块配置为基于M个预测效率值与参考效率值的比较来确定该组可能目标值的成本。选择模块配置为：(i)基于该组可能目标值的成本，从包括以下各项的一组中选择该组可能目标值：该组可能目标值；以及另外N组可能目标值，其中M是大于零的整数；以及(ii)将目标值设定为选定的一组可能目标值中的相应可能目标值。第一阀控制模块配置为基于目标值中的第一目标值来致动第一冷却剂阀，其中第一冷却剂阀配置为控制通过车辆的冷却剂系统的一部分的冷却剂流。
在进一步的特征中：第二阀控制模块配置为基于目标值中的第二目标值来致动第二冷却剂阀；第三阀控制模块配置为基于目标值中的第三目标值来致动第三冷却剂阀；并且泵控制模块配置为基于目标值中的第四目标值向电动冷却剂泵施加电力。
在进一步的特征中，第一冷却剂阀配置为调节通过以下至少一个的冷却剂流：车辆的内燃机的发动机缸体部分；以及车辆的内燃机的缸盖部分。
在进一步的特征中，第一冷却剂阀配置为调节通过以下两者的冷却剂流：车辆的内燃机的发动机缸体部分；以及车辆的内燃机的缸盖部分。
在进一步的特征中，第二冷却剂阀配置为调节通向以下至少一个的冷却剂流：散热器热交换器；以及客舱热交换器。
在进一步的特征中，第二冷却剂阀配置为调节通向以下两者的冷却剂流：散热器热交换器；以及客舱热交换器。
在进一步的特征中，第三冷却剂阀配置为调节通向以下至少一个的冷却剂流：变速器油热交换器；以及发动机油热交换器。
在进一步的特征中，第三冷却剂阀配置为调节通向以下两者的冷却剂流：变速器油热交换器；以及发动机油热交换器。
在进一步的特征中，选择模块配置为响应于分别确定该一组可能目标值的成本小于另外N组可能目标值的所有N个成本而从该组中选择该组可能目标值。
在进一步的特征中，成本模块配置为随着M个预测效率值之一与参考效率值之间的差值增加而增加该组可能目标值的成本。
在进一步的特征中，成本模块配置为随着M个预测效率值之一与参考效率值之间的差值的大小增加而增加该组可能目标值的成本。
在进一步的特征中，参考效率值是固定的预定值。
在进一步的特征中，预测模块配置为：基于M个未来时间的该组可能目标值，使用第一数学模型来确定通过冷却剂系统的N个不同分支的N个预测冷却剂流速，冷却剂可以在该M个未来时间流过该N个不同分支，其中N是大于1的整数；并且基于M个未来时间的N个预测冷却剂流速来使用第二数学模型确定该组可能目标值的M个预测效率值。
在进一步的特征中，第一数学模型将多组可能目标值与多组N个预测冷却剂流速相关。
在进一步的特征中，第二数学模型将多组N个预测冷却剂流速与单独的预测效率值相关。
在进一步的特征中：预测模块还配置为基于M个未来时间的该组可能目标值，分别确定M个未来时间内冷却剂系统内的位置处的M个预测冷却剂温度；并且成本模块配置为进一步基于该位置处的M个预测冷却剂温度与参考冷却剂温度的比较来确定该组可能目标值的成本。
在进一步的特征中，参考冷却剂温度比冷却剂的沸点温度小预定量。
在进一步的特征中，预测模块配置为：基于M个未来时间的该组可能目标值，使用第一数学模型来确定通过冷却剂系统的N个不同分支的N个预测冷却剂流速，冷却剂可以在该M个未来时间流过该N个不同分支；并且基于在M个未来时间的N个预测冷却剂流速，使用第二数学模型来确定该组可能目标值的M个预测冷却剂温度。
在进一步的特征中：第一数学模型将多组可能目标值与多组N个预测冷却剂流速相关；并且第二数学模型将多组N个预测冷却剂流速与单独的预测冷却剂温度相关。
在一个特征中，一种用于车辆的冷却剂控制方法包括：基于M个未来时间的一组可能目标值来分别确定M个未来时间的可能目标值组的M个预测效率值，其中M是大于或等于1的整数；基于M个预测效率值与参考效率值的比较来确定该组可能目标值的成本；基于该组可能目标值的成本，从包括以下各项的组中选择该组可能目标值：该组可能目标值；和另外N组可能目标值，其中N是大于零的整数；以及将目标值设定为选定的一组可能目标值中的相应值可能目标值；以及基于目标值中的第一目标值来致动第一冷却剂阀，其中第一冷却剂阀配置为控制通过车辆的冷却剂系统的一部分的冷却剂流。
从详细说明、权利要求书和附图将会清楚本发明的其它应用领域。详细说明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
通过详细说明和附图将更完全地理解本发明，其中：
图1是包括冷却剂系统的示例性车辆系统的功能框图；
图2是示例性冷却剂控制模块的功能框图；
图3是示例性预测模块的功能框图；并且
图4是描绘使用模型预测控制(MPC)控制冷却剂流的示例性方法的流程图。
在附图中，可以重复使用附图标记以表示类似和/或相同的元件。
具体实施方式
发动机燃烧空气和燃料以产生驱动转矩。燃烧产生热量。冷却剂系统使冷却剂循环通过发动机的各个部分，诸如缸盖和发动机缸体，并且通过车辆的各种其它部件。冷却剂从发动机、发动机油、变速器流体以及其它部件中吸收热量，并且将热量释放到空气中。
冷却剂控制模块基于相应的目标位置来控制各种冷却剂阀的位置，并且基于目标速度来控制电动冷却剂泵的速度。冷却剂控制模块可以使用多个单输入单输出(SISO)控制器(例如，比例积分微分(PID)控制器)单独确定目标。然而，当使用多个SISO控制器时，可以设定次优目标来以可能效率提高(例如，燃料消耗降低)为代价保持系统稳定性。另外，单独SISO控制器的协调、校准和设计可能是昂贵和耗时的。
本发明的冷却剂控制模块使用模型预测控制(MPC)共同控制冷却剂阀和冷却剂泵。更具体地，冷却剂控制模块共同确定冷却剂阀和冷却剂泵的可能的目标组。冷却剂控制模块基于可能组的目标值来确定每个可能组的预测参数。例如，冷却剂控制模块分别基于可能组的目标值来确定通过不同冷却剂分支的预测流速。冷却剂控制模块可以分别基于可能组的流速来确定每个可能组的预测效率。
冷却剂控制模块分别确定与可能组的使用相关联的成本。冷却剂控制模块基于可能组的相应预测参数与相应参考参数的比较来确定可能组的成本。例如，冷却剂控制模块基于可能组的预测效率与参考效率的比较来确定可能组的成本。冷却剂控制模块根据可能组的预测效率与参考效率之间的差值来计算可能组的成本。具有较高效率的可能目标值组将具有比具有较低效率的可能目标值组更低的成本。
冷却剂控制选择可能的组，例如，具有最低成本的可能组之一。冷却剂控制模块基于选定的可能组的相应目标来控制冷却剂阀和冷却剂泵。因此，冷却剂控制模块可以控制通过冷却剂分支的冷却剂流以最好地跟踪参考效率。因为参考效率可以被设定为预定最大值，所以冷却剂控制模块可以控制通过冷却剂分支的冷却剂流以实现最高可能效率。
现在转向图1，提出了示例性车辆系统的功能框图。发动机104在汽缸内燃烧空气和燃料(例如，柴油燃料或汽油)的混合物以产生驱动转矩。发动机104将转矩输出到变速器。变速器经由传动系(未示出)将转矩传递到车辆的一个或多个车轮。发动机控制模块(ECM)108可以控制一个或多个发动机致动器以例如基于发动机104的目标转矩输出来调节发动机104的转矩输出。
发动机油泵使发动机油循环通过发动机104和第一热交换器112。第一热交换器112可以被称为(发动机)油冷却器或油热交换器(HEX)。当发动机油为变冷时，第一热交换器112可以将热量从流过第一热交换器112的冷却剂传递到第一热交换器112内的发动机油。当发动机油变热时，第一热交换器112可以将热量从发动机油传递到流过第一热交换器112的冷却剂和/或传递到通过第一热交换器112的空气。
发动机油的粘度与发动机油的温度成反比。即，发动机油的粘度随着温度的升高而降低，反之亦然。与发动机油相关联的发动机104的摩擦损失(例如，转矩损失)可能随着发动机油的粘度降低而降低，反之亦然。
变速器流体泵使变速器流体循环通过变速器和第二热交换器116。第二热交换器116可以被称为变速器冷却器或变速器热交换器。当变速器流体变冷时，第二热交换器116可以将热量从流过第二热交换器116的冷却剂传递到第二热交换器116内的变速器流体。当变速器流体变热时，第二热交换器116可以将热量从变速器流体传递到流过第二热交换器116的冷却剂和/或传递到通过第二热交换器116的空气。
变速器流体的粘度与变速器流体的温度成反比。即，变速器流体的粘度随着变速器流体的温度升高而降低，反之亦然。与变速器和变速器流体相关联的损失(例如，转矩损失)可能随着变速器流体的粘度降低而降低，反之亦然。
发动机104包括发动机冷却剂(“冷却剂”)可以流过的多个冷却剂通道。例如，发动机104包括穿过发动机104的(汽缸)缸盖部分120的一个或多个冷却剂通道以及穿过发动机104的缸体部分124的一个或多个冷却剂通道。发动机104还可以包括穿过发动机104的一个或多个其它部分的一个或多个其它冷却剂通道。
冷却剂泵132将冷却剂泵送到发动机104的冷却剂通道。冷却剂泵132可以机械驱动(例如，通过发动机104)。替代地，冷却剂泵132可以是电动冷却剂泵。第一冷却剂阀(V1)128调节流出(并因此通过)发动机104的缸体部分124和发动机104的缸盖部分120的冷却剂流。
第一冷却剂阀128可以包括多输入多输出阀，其包括两个或更多个单独的腔室。例如，第一冷却剂阀128可以包括旋转阀，其具有壳体和壳体内部的可旋转构件。旋转构件包括通道或凹槽，对于每个单独的腔室，该通道或凹槽调节通向该腔室的一个或多个输出的流动。
图1中提供了第一冷却剂阀128的示例性平面图，其示出了流入和流出第一冷却剂阀128的冷却剂流。第一冷却剂阀128(可旋转构件)可以在两个端部位置204和208之间致动。第一冷却剂阀128包括第一腔室(图1中的顶部)和第二腔室(图1中的底部)。
冷却剂从发动机104的缸盖部分120流动到第一腔室而不是第二腔室。冷却剂从发动机104的缸体部分124流动到第二腔室而不是第一腔室。当第一腔室接收冷却剂时，第一冷却剂阀128将冷却剂从第一腔室输出到第二冷却剂阀(V2)136，这将在下面进一步讨论。当第二腔室接收冷却剂时，第一冷却剂阀128将冷却剂从第二腔室输出到第二冷却剂阀136。
当第一冷却剂阀128位于端部位置204与第一位置212之间时，冷却剂流过发动机104的缸盖部分120并流入第一腔室，并且冷却剂流过发动机104的缸体部分124并进入第二腔室。当第一冷却剂阀128位于第一位置212与第二位置224之间时，冷却剂流过发动机104的缸盖部分120并流入第一腔室。然而，当第一冷却剂阀128位于第一位置212与第二位置224之间时，第一冷却剂阀128阻止冷却剂流通过缸体部分124和第二腔室。
当第一冷却剂阀128位于第二位置224与第三位置228之间时，第一冷却剂阀128阻止冷却剂流通过缸体部分124和第二腔室。当第一冷却剂阀128位于第二位置224与第三位置228之间时，第一冷却剂阀128还阻止冷却剂流通过缸盖部分120和第一腔室。
当第一冷却剂阀128位于第三位置228与端部位置208之间时，冷却剂流过发动机104的缸体部分124并进入第二腔室。然而，当第一冷却剂阀128位于第三位置228与端部位置208之间时，第一冷却剂阀128阻止冷却剂流通过缸盖部分120和第一腔室。第一冷却剂阀128内的形状示出了进入第一冷却剂阀128的第一腔室和第二腔室的相对开口的示例。
冷却剂泵132还泵送冷却剂通过发动机104的集成排气歧管(IEM)140和发动机104的涡轮增压器涡轮144。涡轮增压器涡轮144驱动涡轮增压器压缩机的旋转，从而增加进入发动机104的气流。由发动机104输出的排气驱动涡轮增压器涡轮144的旋转。
冷却剂从IEM 140流动到第二冷却剂阀136和第三冷却剂阀148，这将在下面进一步讨论。冷却剂还从涡轮增压器涡轮144流动到第二冷却剂阀136和第三冷却剂阀148。在各种情况下，诸如当从涡轮增压器涡轮144输出的冷却剂的压力大于预定压力时，冷却剂可以从涡轮增压器涡轮144流入贮存器(例如，缓冲槽)152。
第二冷却剂阀136从第一冷却剂阀128、IEM 140和涡轮增压器涡轮144接收冷却剂。第二冷却剂阀136调节所接收的冷却剂到车厢热交换器(例如，加热器芯)156和散热器热交换器160的流动。
第二冷却剂阀136可以包括多输入多输出阀，其包括两个或更多个单独的腔室。所接收的冷却剂流动到这两个腔室中。例如，第二冷却剂阀136可以包括旋转阀，其具有壳体和壳体内部的可旋转构件。旋转构件包括通道或凹槽，对于每个单独的腔室，该通道或凹槽调节通向该腔室的一个或多个输出的流动。
图1中提供了第二冷却剂阀136的示例性平面图，其示出了流入和流出第二冷却剂阀136的冷却剂流。第二冷却剂阀136(可旋转构件)可以在两个端部位置232和236之间致动。第二冷却剂阀136包括第一腔室(图1中的顶部)和第二腔室(图1中的底部)。
当第一腔室打开时，所接收的冷却剂从第一腔室流动到车厢热交换器156。当第二腔室打开时，所接收的冷却剂从第二腔室流动到散热器热交换器160。
当第二冷却剂阀136定位在端部位置232与第一位置240之间时，第二冷却剂阀136的第一腔室关闭，并且第二冷却剂阀136阻止冷却剂流到达车厢热交换器156。然而，当第二冷却剂阀136定位在端部位置232与第一位置240之间时，第二冷却剂阀136的第二腔室打开并且冷却剂流过第二冷却剂阀136到达散热器热交换器160。
当第二冷却剂阀136定位在第一位置240与第二位置244之间时，第二冷却剂阀136的第一腔室打开并且冷却剂流过第二冷却剂阀136到达车厢热交换器156。当第二冷却剂阀136定位在第一位置240与第二位置244之间时，第二冷却剂阀136的第二腔室也打开，并且冷却剂流过第二冷却剂阀136到达散热器热交换器160。
当第二冷却剂阀136定位在第二位置244与第三位置248之间时，第二冷却剂阀136的第一腔室打开并且冷却剂流过第二冷却剂阀136到达车厢热交换器156。然而，当第二冷却剂阀136定位在第二位置244与第三位置248之间时，第二冷却剂阀136的第二腔室关闭，并且第二冷却剂阀136阻止冷却剂流到达散热器热交换器160。
当第二冷却剂阀136位于第三位置248与第四位置252之间时，第一腔室和第二腔室都关闭。因此，第二冷却剂阀136阻止冷却剂流到达散热器热交换器160和车厢热交换器156。
当第二冷却剂阀136定位在第四位置252与第五位置256之间时，第二冷却剂阀136的第一腔室关闭，并且第二冷却剂阀136阻止冷却剂流到达车厢热交换器156。然而，当第二冷却剂阀136定位在第四位置252与第五位置256之间时，第二冷却剂阀136的第二腔室打开并且冷却剂流过第二冷却剂阀136到达散热器热交换器160。第二冷却剂阀136内的形状示出了来自第二冷却剂阀136的第一腔室和第二腔室的相对开口的示例。
第三冷却剂阀148从IEM 140和涡轮增压器涡轮144接收冷却剂。第三冷却剂阀148调节的所接收的冷却剂到第二热交换器116和第一热交换器112的流动。
第三冷却剂阀148可以包括多输入多输出阀，其包括两个或更多个单独的腔室。所接收的冷却剂流动到这两个腔室中。例如，第三冷却剂阀148可以包括旋转阀，其具有壳体和壳体内部的可旋转构件。旋转构件包括通道或凹槽，对于每个单独的腔室，该通道或凹槽调节通向该腔室的一个或多个输出的流量。
图1中还提供了第三冷却剂阀148的示例性平面图，其示出了流入和流出第三冷却剂阀148的冷却剂流。第三冷却剂阀148(可旋转构件)可以在两个端部位置260和264之间致动。第三冷却剂阀148包括第一腔室(图1中的顶部)和第二腔室(图1中的底部)。
当第一腔室打开时，所接收的冷却剂从第一腔室流动到车厢热交换器116。当第二腔室打开时，所接收的冷却剂从第二腔室流动到第一热交换器112。
当第三冷却剂阀148定位在端部位置260与第一位置268之间时，第二冷却剂阀136的第一腔室关闭，并且第三冷却剂阀148阻止冷却剂流到达第二热交换器116。然而，当第三冷却剂阀148定位在端部位置260与第一位置268之间时，第三冷却剂阀148的第二腔室打开并且冷却剂流过第三冷却剂阀148到达第一热交换器112。
当第三冷却剂阀148定位在第一位置268与第二位置272之间时，第三冷却剂阀148的第一腔室打开并且冷却剂流过第三冷却剂阀148到达第二热交换器116。当第三冷却剂阀148定位在第一位置268与第二位置272之间时，第三冷却剂阀148的第二腔室也打开并且冷却剂流过第三冷却剂阀148到达第一热交换器112。
当第三冷却剂阀148定位在第二位置272与第三位置276之间时，第三冷却剂阀148的第一腔室打开并且冷却剂流过第三冷却剂阀148到达第二热交换器116。然而，当第三冷却剂阀148定位在第二位置272与第三位置276之间时，第三冷却剂阀148的第二腔室关闭，并且第三冷却剂阀148阻止冷却剂流到达第一热交换器112。
第三冷却剂阀148还可以接收由冷却剂泵132输出的冷却剂。当第三冷却剂阀148位于第三位置276与第四位置280之间时，第三冷却剂阀148阻止冷却剂流从IEM 140和涡轮增压器涡轮144到达第一热交换器112和第二热交换器116。然而，当第三冷却剂阀148位于第三位置276与第四位置280之间时，由冷却剂泵132输出的冷却剂可以流过第三冷却剂阀148到达第一热交换器112和第二热交换器116。
当第三冷却剂阀148定位在第四位置280与第五位置284之间时，第三冷却剂阀148的第一腔室打开并且冷却剂流过第三冷却剂阀148到达第二热交换器116。然而，当第三冷却剂阀148定位在第四位置280与第五位置284之间时，第三冷却剂阀148的第二腔室关闭，并且第三冷却剂阀148阻止冷却剂流到达第一热交换器112。
当第三冷却剂阀148定位在端部位置264与第五位置284之间时，第三冷却剂阀148的第一腔室在一些位置处打开，并且第三冷却剂阀148允许冷却剂流动到第二热交换器116。然而，当第三冷却剂阀148定位在端部位置264与第五位置284之间时，第三冷却剂阀148的第二腔室在一些位置处打开并且冷却剂流过第三冷却剂阀148到达第一热交换器112。
第一冷却剂阀128、第二冷却剂阀136和第三冷却剂阀148可以称为主动恒温阀。与当冷却剂温度分别高于和低于预定温度时自动打开和关闭的被动恒温阀不同，主动恒温阀是电致动的。
车厢热交换器156将热量从流过车厢热交换器156的冷却剂传递给通过车厢热交换器156的空气，以加热车辆的客舱。散热器热交换器160将热量从流过散热器热交换器160的冷却剂传递给通过散热器热交换器160的空气，以冷却该冷却剂。冷却的冷却剂可以用于冷却发动机104和其它车辆部件。
当发动机油变冷时，第一热交换器112可以将热量从流过第一热交换器112的冷却剂传递给发动机油。当发动机油变热时，第一热交换器112可以将热量从发动机油传递到通过第一热交换器112的空气和/或流过第一热交换器112的冷却剂。当变速器油变冷时，第二热交换器116可以将热量从流过第二热交换器116的冷却剂传递给变速器油。当变速器油变热时，第二热交换器116可以将热量从变速器油传递到通过第二热交换器116的空气和/或流过第二热交换器116的冷却剂。
第一冷却剂温度传感器164测量输入到第二冷却剂阀136的冷却剂的第一温度。缸体温度传感器168测量发动机104的缸体(金属)部分124的温度。缸盖温度传感器172测量发动机104的缸盖(金属)部分120的温度。缸盖压力传感器174可以被实施并测量发动机104的缸盖(金属)部分120中的冷却剂的压力。
发动机油温传感器176测量诸如第一热交换器112内的发动机油的温度。变速器油温传感器180测量诸如第二热交换器116内的变速器油的温度。
第二冷却剂温度传感器184测量从散热器热交换器160输出的冷却剂的第二温度。第三冷却剂温度传感器188测量输入到车厢热交换器156的冷却剂的第三温度。第四冷却剂温度传感器190测量从车厢热交换器156输出的冷却剂的第四温度。第五冷却剂温度传感器194测量从冷却剂泵132输出并输入到缸盖部分120、缸体部分124、IEM 140和涡轮增压器涡轮144的冷却剂的第五温度。
还可以实施一个或多个其它传感器，诸如一个或多个其它冷却剂温度传感器、曲轴位置传感器、质量空气流量(MAF)传感器、歧管绝对压力(MAP)传感器，和/或一个或多个其它合适的车辆传感器。
传感器可以向ECM 108提供指示相应测量值的信号。至少部分地基于由传感器提供的一个或多个测量值，冷却剂控制模块196共同使用模型预测控制(MPC)来控制冷却剂泵132的速度、第一冷却剂阀128的位置、第二冷却剂阀136的位置以及第三冷却剂阀148的位置。虽然示出了在ECM 108内实施的冷却剂控制模块196的示例，但是冷却剂控制模块196可以在另一个模块内实施或独立实施。
现在参考图2，提出了冷却剂控制模块196的示例性实施方案的功能框图。冷却剂控制模块196包括模型预测控制(MPC)模块302、泵控制模块304、第一阀控制模块308、第二阀控制模块312和第三阀控制模块316。使用MPC，MPC模块302共同确定冷却剂泵132的目标速度320、第一冷却剂阀128的目标位置324、第二冷却剂阀136的目标位置328以及第三冷却剂阀148的目标位置332。
泵控制模块304基于目标速度320来控制冷却剂泵132的速度或者将冷却剂泵的速度控制为目标速度。例如，泵控制模块304可以基于目标速度320来确定要施加到冷却剂泵132的电动机的电力的特性，并相应地向电动机施加电力。第一阀控制模块308基于目标位置324来致动第一冷却剂阀128或者将第一冷却剂阀致动为目标位置。第二阀控制模块312基于目标位置328来致动第二冷却剂阀136或者将第二冷却剂阀致动为目标位置。第三阀控制模块316基于目标位置332来致动第三冷却剂阀148或者将第三冷却剂阀致动为目标位置。
参考模块336确定用于确定目标速度320、目标位置324、目标位置328和目标位置332的参考参数340。参考模块336可以基于发动机转速344、发动机104的燃料供应348和/或一个或多个其它参数来确定参考参数340。例如，参考模块336可以使用将发动机转速和燃料供应量与参考参数组相关的一个或多个方程式和/或查找表来确定参考参数340。
在各种实施方案中，一个或多个参考参数可以是固定的预定值。例如，参考效率可以是固定的预定最大值。鉴于以下内容，使用预定最大值可以提高效率。作为另一个示例，相应位置处的一个或多个参考冷却剂温度可以被设定为预定温度(例如，200华氏度或另一个温度)。可以限定预定温度以避免冷却剂沸腾并且预定温度可以基于稳态下系统的最佳效率(例如，使损失最小化的变速器油目标温度)来限定。
可以使用传感器来测量发动机转速344。例如，曲轴位置传感器可以确定发动机104的曲轴旋转时该曲轴的位置，并且可以基于两个位置之间的变化和曲轴处于这两个位置的时间之间的时段来测量发动机转速344。燃料供应348可以是例如提供给发动机104的汽缸的命令质量的燃料。车辆的燃料控制模块可以基于燃料供应348来致动燃料喷射器。
如上所述，MPC(模型预测控制)模块302使用MPC来产生目标值320到332。MPC模块302可以为单个模块或者可以包括多个模块。例如，MPC模块302可以包括序列确定模块352、预测模块356、成本模块360和选择模块364。
序列确定模块352确定可以在N个未来控制循环期间一起使用的目标值320到332的可能序列368。由序列确定模块352识别的每个可能序列368包括目标值320到332中的每一个的N个值的一个序列。换句话说，每个可能序列包括目标速度320的N个值的序列、目标位置324的N个值的序列、目标位置328的N个值的序列、目标位置332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是等于或大于1的整数。由N个未来控制循环限定的时间周期可被称为预测范围。
在另一个示例中，序列确定模块352确定目标值320到332的可能序列368，其可以在M个未来控制循环期间一起使用并且使它们从下一个控制循环(M+1)到未来控制循环中的最后一个未来控制循环(N)保持恒定。由M个未来控制循环限定的时间周期可被称为控制范围。M是等于或大于N的整数。因而，预测范围大于或等于控制范围。
预测模块356基于如下面进一步讨论的数学模型来分别确定目标值320到332的可能序列368的预测参数372。用于可能目标值序列的预测参数372是被预测由使用该可能目标值序列产生的各种参数的值。每个数学模型都可以包括例如基于冷却剂泵132、第一冷却剂阀128、第二冷却剂阀136和第三冷却剂阀148的特性校准的函数或映射。
图3包括预测模块356的示例性实施方案的功能框图。现在参考图2和3，基于目标值320到332的可能序列，使用第一模型，流量预测模块404为M个未来控制循环产生N个预测冷却剂(质量)流速408的Z个序列。第一模型是非线性模型，其由预测模块356在线地对每个控制循环进行线性化。
流速预测模块404基于目标值320到332的相应可能序列368来确定N个预测冷却剂流量的Z个序列。Z等于冷却剂可以流过的不同的冷却剂分支的数量。一个示例性冷却剂分支包括通道，冷却剂通过该通道流过发动机104的缸盖部分120。另一个示例性冷却剂分支包括通道，冷却剂通过该通道流过发动机104的缸体部分124。另一个示例性冷却剂分支包括通道，冷却剂通过该通道流过IEM 140。另一个示例性冷却剂分支包括通道，冷却剂通过该通道流过涡轮增压器涡轮144。另一个示例性冷却剂分支包括通道，冷却剂通过该通道流过车厢热交换器156。另一个示例性冷却剂分支包括通道，冷却剂通过该通道流过散热器热交换器160。另一个示例性冷却剂分支包括通道，冷却剂通过该通道流过第一热交换器112。另一个示例性冷却剂分支包括通道，冷却剂通过该通道流过第二热交换器116。虽然提供了这些示例性分支，但是可以考虑附加的冷却剂分支。
温度预测模块416基于预测流速408的可能序列和一个或多个干扰参数420、使用第二数学模型来确定N个未来控制循环的N个预测温度424的B个序列。干扰参数420是可以引起一个或多个预测温度变化的参数。B个序列中的每一个代表在N个未来控制循环内的不同位置处的不同预测温度。例如，基于预测流速408的可能序列和一个或多个干扰参数420，温度预测模块416可以确定由第五冷却剂温度传感器194测量的第五温度的预测值序列、由第一冷却剂温度传感器164测量的第一温度的预测值序列、由缸盖温度传感器172测量的缸盖温度的预测值序列、由缸体温度传感器168测量的缸体温度的预测值序列、由第三冷却剂温度传感器188测量的第三冷却剂温度的预测值序列、由第四冷却剂温度传感器190测量的第四冷却剂温度的预测值序列、由第二冷却剂温度传感器184测量的第二冷却剂温度的预测值序列、由变速器油温传感器180测量的变速器油温的预测值序列、由发动机油温传感器176测量的发动机油温的预测值序列、发动机104的缸体部分124的壁温的预测值序列以及发动机104的缸盖部分120的一部分的温度的预测值序列。温度预测模块416基于预测流速408的可能预测序列，针对预测流速408的每个可能序列来确定N个未来控制循环的N个预测温度424的序列。第二模型是非线性模型，其由预测模块356在线地对每个控制循环进行线性化。
干扰参数420可以包括例如排气温度、涡轮增压器的温度、再循环排气的温度、发动机转速344、发动机104的每缸空气质量(APC)，以及燃料供应348。
效率预测模块428基于N个预测流速408的可能序列、N个预测温度424的相应序列以及一个或多个干扰参数420、使用第三数学模型来确定N个未来控制循环的N个预测效率432的序列。预测效率可以是例如反映发动机104在操作条件下的效率的值，其中例如较高的效率值对应于较高效率(和较低的燃料消耗率)，而较低的效率值对应于较低效率(和更高的燃料消耗率)。替代地，预测效率可以就发动机104的预测燃料消耗率与操作条件的参考燃料消耗率之间的差值来表达。效率预测模块428基于预测流速408的可能序列和预测温度424的相应预测序列，针对预测流速408的每个可能序列来确定N个未来控制循环的N个预测效率的序列。第三模型是非线性模型，其由预测模块356在线地对每个控制循环进行线性化。总的来说，N个预测效率432的序列和N个预测温度424的序列构成预测参数372。
返回参考图2，成本模块360基于针对标值320到332的可能序列确定的预测参数372来确定目每个该可能序列的成本值。下面将进一步讨论示例性成本确定。
选择模块364分别基于可能序列的成本来选择目标值320到332的一个可能序列。例如，选择模块364可以选择可能序列中具有最低成本同时满足致动器约束380和输出约束376的一个可能序列。
在成本确定中可以考虑输出约束376的满足。换言之，成本模块360可以基于输出约束376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364将选择可能序列中实现最高效率同时满足致动器约束380和输出约束376的一个可能序列。
选择模块364可以将目标值320到332分别设定为选定可能序列的N个值中的第一个。换句话说，选择模块364将目标速度320设定为目标速度320的N个值的序列中的N个值中的第一个，将目标位置324设定为目标位置324的N个值的序列中的N个值中的第一个，将目标位置328设定为目标位置328的N个值的序列中的N个值中的第一个，并且将目标位置332设定为目标位置332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302识别目标值320到332的可能序列，产生可能序列的预测参数，确定每个可能序列的成本，选择可能序列之一，并且将目标值320到332设定为选定可能序列中的目标值320到332的第一组。该过程针对每个控制循环而继续进行。
目标值320到332之一的致动器约束380可以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380可以被设定为相应的相关致动器(即，冷却剂泵132和冷却剂阀128、136和148)的预定值。输出约束376包括每个预测参数372的最大值和最小值。例如，输出约束376包括最大第一冷却剂温度和最小第一冷却剂温度。
MPC模块312可以使用凸优化技术识别具有最低成本的可能目标值的序列。例如，MPC模块302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320到332。
成本模块360可以基于预测参数372与相应参考参数340和相应输出约束376的比较来产生目标值320到332的可能序列的成本值的表面。选择模块364可以识别成本表面上的点，其中斜率满足预定标准(例如，大于预定斜率或小于预定斜率)。该点可以对应于具有最低成本的可能目标值的序列。该可能目标值序列可以提供最接近相应参考参数340并且在相应输出约束376内的预测参数372。
选择模块364然后可以测试该可能目标值序列以确定该可能目标值序列是否满足致动器约束380。如果不满足致动器约束380，则选择模块364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致动器约束380。选择序列和测试序列以满足致动器约束380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。
选择模块364执行迭代直至识别具有满足致动器约束380的最低成本的序列。以此方式，选择模块364选择具有最低成本同时满足致动器约束380的可能目标值序列。
成本模块360可以基于预测参数372与相应参考参数340之间的关系来确定目标值320到332的可能序列的成本值。例如，可对关系进行加权以控制每个关系对成本的影响。
仅作为示例，成本模块360可基于以下方程式来确定目标值320到332的可能序列的成本：
该方程式受制于致动器约束380和输出约束376。成本(cost)是目标值220到332的可能序列的成本(值)，wE是与预测效率和参考效率之间的关系相关联的加权值，PEi是下一个控制循环(即，i＝1)的预测效率，REi是下一个控制循环(即，i＝1)的参考效率，w1是与预测参数中的第一另一个预测参数和该预测参数之一的第一参考值之间的关系相关联的第一加权值，PP1i是下一个控制循环(即，i＝1)的预测参数中的第一另一个预测参数，R1i是该预测参数之一的第一参考，w2是与预测参数中的第二另一个预测参数和该预测参数之一的第二参考值之间的关系相关联的第二加权值，PP2i是下一个控制循环(即，i＝1)的预测参数中的第二另一个预测参数，而R2i是该预测参数之一的第二参考，以此类推对于预测参数和相应参考参数的其余部分都是如此。
ρ是与满足输出约束376相关联的加权值。如果成本模块360(例如，QP求解器)例如由于模型误差不能在约束边界内找到可行的解，则成本模块360通过∈调整输出约束376以便探索更宽的区域并找到约束范围内的解。为了保持∈小(以尽可能地满足约束)，ρ具有比其它权重wE、w1、w2等更高的值。ρ和∈可以仅在存在输出约束的情况下使用。
加权值可以是固定的。在各种实施方案中，成本模块360可以在一些情况下改变一个或多个加权值。
图4是描绘控制第一冷却剂阀128、第二冷却剂阀136、第三冷却剂阀148和冷却剂泵132的示例性方法的流程图。控制可以从504开始，其中序列确定模块352确定目标值320到332的可能序列368。在各种实施方案中，可能序列368可以是目标值320到332的固定的一组可能序列。可以校准和选择可能序列368，使得目标值320到332的可能序列不违反任何致动器约束380。
在508处，预测模块356分别基于可能序列368来确定可能序列368的预测参数372。更具体地，流速预测模块404使用第一模型分别基于可能序列368来确定可能序列368的预测流速408。温度预测模块416分别基于可能序列368的预测流速408以及干扰参数420使用第二模型来确定可能序列368的N个预测温度424。效率预测模块428分别基于可能序列368的预测流速408、分别基于可能序列368的预测温度424以及干扰参数420使用第三模型来确定可能序列368的N个预测效率432。
在512处，成本模块360基于可能序列368的相应预测参数372与参考参数340的比较来分别确定可能序列368的成本。成本模块360还可以基于输出约束376的满足来确定成本。因为可能序列的成本是基于可能序列的预测效率与参考效率的比较，所以可能序列的成本将随着预测效率移动远离参考效率而增加。随着可能序列的成本增加，被选择并用于控制第一冷却剂阀128、第二冷却剂阀136、第三冷却剂阀148和冷却剂泵132的可能序列的概率降低。
在516处，选择模块364分别基于可能序列368的成本来选择目标值320到332的可能序列368之一。例如，选择模块364可以选择可能序列368中具有最低成本的一个可能序列。因此，选择模块364可以选择可能序列中被预测更接近地实现参考效率同时满足输出约束376的可能序列之一。如上文所讨论，选择模块364将目标值320到332分别设定为选定可能序列的N个值中的第一个。
在520处，泵控制模块304向冷却剂泵132施加电力以基于目标速度320来调整冷却剂泵132的速度或者将冷却剂泵的速度调整为目标速度。第一阀控制模块308基于目标位置324来致动第一冷却剂阀128或者将第一冷却剂阀致动为目标位置。第二阀控制模块312基于目标位置328来致动第二冷却剂阀136或者将第二冷却剂阀致动为目标位置。第三阀控制模块316基于目标位置332来致动第三冷却剂阀148或者将第三冷却剂阀致动为目标位置。
虽然图4被示为结束，但是图4可说明一个控制循环，并且控制循环可以预定速率执行。而且，利用图4提供和讨论的操作的顺序是示例，并且可以不同的顺序执行操作。
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。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。另外，虽然每个实施例在上文被描述为具有某些特征，但是关于本发明的任何实施例描述的任何一个或多个这样的特征均可在任何其它实施例的特征中和/或结合任何其它实施例的特征来实施，即便该组合没有明确描述。换言之，所描述实施例并不相互排斥，且一个或多个实施例彼此的置换保留在本发明的范围内。
元件之间(例如，模块、电路元件、半导体层等之间)的空间和功能关系是使用各种术语来描述，该术语包括“连接”、“接合”、“联接”、“相邻”、“紧靠”、“在……顶部上”、“在……上方”、“在……下方”和“设置”。除非明确描述为“直接”，否则当在上述公开中描述第一元件与第二元件之间的关系时，该关系可为其中第一元件与第二元件之间不存在其它介入元件的直接关系，但是也可为其中第一元件与第二元件之间(空间上或功能上)存在一个或多个介入元件的间接关系。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 OR 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”。
在图式中，如由箭头部指示的箭头的方向总体上表明对图示感兴趣的信息(诸如数据或指令)流。例如，当元件A和元件B交换多种信息但从元件A传输到元件B的信息与图示有关时，箭头可从元件A指向元件B。此单向箭头并未暗示没有其它信息从元件B传输到元件A。另外，对于从元件A发送到元件B的信息，元件B可以向元件A发送对信息的请求或信息的接收确认。
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、流程图部件和其它元件用作软件规范，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)、XML(可扩展标记语言)或JSON(JavaScript对象表示法)、(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，源代码可以使用来自包括以下项的语言的语法写入：C、C++、C#、ObjectiveC、Swift、Haskell、Go、SQL、R、Lisp、Fortran、Perl、Pascal、Curl、OCaml、HTML5(超文本标记语言第5版)、Ada、ASP(活动服务器页面)、PHP(PHP：超文本预处理器)、Scala、Eiffel、Smalltalk、Erlang、Ruby、Lua、MATLAB、SIMULINK和
在35U.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)

1.一种车辆的冷却剂控制系统，其包括：
预测模块，其配置为基于M个未来时间的一组可能目标值来分别确定所述M个未来时间的一组可能目标值的M个预测效率值；
其中M是大于或等于1的整数；
成本模块，其配置为基于所述M个预测效率值与参考效率值的比较来确定所述一组可能目标值的成本；
选择模块，其配置为：
基于所述一组可能目标值的所述成本，从包括以下各项的组中选择所述一组可能目标值：
所述一组可能目标值；以及
另外N组可能目标值，
其中N是大于零的整数；并且
将目标值设定为所述选定的一组可能目标值中的相应可能目标值；以及
第一阀控制模块，其配置为基于所述目标值中的第一目标值来致动第一冷却剂阀，
其中所述第一冷却剂阀配置为控制通过所述车辆的冷却剂系统的一部分的冷却剂流。
2.根据权利要求1所述的冷却剂控制系统，其还包括：
第二阀控制模块，其配置为基于所述目标值中的第二目标值来致动第二冷却剂阀；
第三阀控制模块，其配置为基于所述目标值中的第三目标值来致动第三冷却剂阀；以及
泵控制模块，其配置为基于所述目标值中的第四目标值向电动冷却剂泵施加电力。
3.根据权利要求2所述的冷却剂控制系统，其中所述第一冷却剂阀配置为调节通过以下至少一个的冷却剂流：
所述车辆的内燃机的发动机缸体部分；以及
所述车辆的所述内燃机的缸盖部分。
4.根据权利要求2所述的冷却剂控制系统，其中所述第一冷却剂阀配置为调节以下两者的冷却剂流：
所述车辆的内燃机的发动机缸体部分；以及
所述车辆的所述内燃机的缸盖部分。
5.根据权利要求4所述的冷却剂控制系统，其中所述第二冷却剂阀配置为调节通向以下至少一个的冷却剂流：
散热器热交换器；以及
客舱热交换器。
6.根据权利要求4所述的冷却剂控制系统，其中所述第二冷却剂阀配置为调节通向以下两者的冷却剂流：
散热器热交换器；以及
客舱热交换器。
7.根据权利要求6所述的冷却剂控制系统，其中所述第三冷却剂阀配置为调节通向以下至少一个的冷却剂流：
变速器油热交换器；以及
发动机油热交换器。
8.根据权利要求6所述的冷却剂控制系统，其中所述第三冷却剂阀配置为调节通向以下两者的冷却剂流：
变速器油热交换器；以及
发动机油热交换器。
9.根据权利要求1所述的冷却剂控制系统，其中所述选择模块配置为响应于分别确定所述一组可能目标值的所述成本小于所述另外N组可能目标值的所有N个成本而从所述组中选择所述一组可能目标值。
10.根据权利要求9所述的冷却剂控制系统，其中所述成本模块配置为随着所述M个预测效率值之一与所述参考效率值之间的差值增加而增加所述一组可能目标值的所述成本。
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