CN111581766B - 改进的数据感测和估计 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及改进的数据感测和估计。一种用于相对于具有位于附近的传感器的测量点确定系统的虚拟数据的系统或方法，由控制器确定。系统计算在测量点处的建模数据，滤波建模数据以确定滤波数据，和计算建模数据与滤波数据之间的差异以确定补偿项。系统还由在测量点处的传感器确定原始感测数据，和将该原始感测数据与补偿数据结合以计算在测量点处的虚拟数据。在一些构造中，建模数据由基于物理的模型确定。此外，滤波建模数据可包括利用低通滤波器，并且可基于系统的操作条件计算用于低通滤波器的时间常数。

Description

改进的数据感测和估计
技术领域
本发明大体上涉及数据或参数的改进的感测、确定和估计。在一种构造中，本发明涉及确定内燃机的温度。
发明内容
在本文描述用于确定系统的虚拟数据或参数的方法和构造成确定系统的虚拟数据或参数的控制器。虚拟数据或虚拟参数相对于具有大体上位于附近的传感器的测量点确定，并由控制器确定。方法包括计算在测量点处的建模数据，滤波建模数据以确定滤波数据，和计算建模数据与滤波数据之间的差异以确定补偿项。方法还包括由在测量点处的传感器确定原始感测数据，和将原始感测数据与补偿数据结合以计算在测量点处的虚拟数据。虚拟数据是用感测数据和建模数据产生的数据。
在一些构造中，建模数据由基于物理的模型确定。此外，滤波建模数据可包括利用低通滤波器，并且可基于系统在测量点处的操作条件计算对于低通滤波器的时间常数。还提供构造成执行在本文所描述的方法的结构控制系统。
在一些构造中，方法和系统适用于内燃机，使得虚拟数据可以是内燃机或与之相关的动力传动系的部分的温度。例如，测量点可位于内燃机的排气处，并且感测废气。另外，基于物理的模型可以是带有包括到内燃机的燃料、进气温度和空气流量的输入的函数。计算对于低通滤波器的时间常数可确定为通过涡轮增压器的涡轮机的质量流量的时间变化的函数。
本发明提供以下技术方案：
方案1. 一种用于通过控制器确定系统的在具有传感器的测量点处的虚拟数据的方法，包括：计算在所述测量点处的建模数据；滤波所述建模数据以确定滤波数据；计算所述建模数据与所述滤波数据之间的差异以确定补偿项；由在所述测量点处的所述传感器确定原始感测数据；和将所述原始感测数据与所述补偿数据结合，以计算在所述测量点处的所述虚拟数据。
方案2. 根据方案1所述的方法，其中，所述建模数据由基于物理的模型确定。
方案3. 根据方案1所述的方法，其中，滤波所述建模数据包括利用低通滤波器。
方案4. 根据方案3所述的方法，还包括：基于在所述测量点处的操作条件计算用于所述低通滤波器的时间常数。
方案5. 根据方案1所述的方法，其中，所述系统包括内燃机；
其中，所述测量点和所述传感器位于所述内燃机的排气处；并且
其中，所述虚拟数据是废气的虚拟温度，使得：
所述建模数据是对于在所述测量点处的废气的建模温度，
所述滤波数据是滤波温度，
所述补偿数据是补偿温度，
所述原始感测数据是在所述测量点处的原始感测温度，和
将所述感测温度与所述补偿温度结合，以计算对于气体的虚拟温度。
方案6. 根据方案5所述的方法，还包括：利用所述虚拟温度以改变到所述内燃机的输入。
方案7. 根据方案6所述的方法，其中，所述建模温度由基于物理的模型确定。
方案8. 根据方案7所述的方法，其中，所述基于物理的模型包括带有包括燃料、进气温度和空气流量的输入的函数。
方案9. 根据方案5所述的方法，其中，滤波所述建模温度包括利用低通滤波器。
方案10. 根据方案9所述的方法，其中，所述内燃机包括涡轮增压器，并且所述方法还包括：计算用于所述低通滤波器的时间常数，其中，所述时间常数被确定为通过所述涡轮增压器的涡轮机的质量流量的时间变化的函数。
方案11. 根据方案10所述的方法，其中，所述建模温度由基于物理的模型确定。
方案12. 根据方案11所述的方法，其中，所述基于物理的模型包括带有包括燃料、进气温度和空气流量的输入的函数。
方案13. 一种构造成确定在内燃机的测量点处的气体的温度的控制系统，所述控制系统包括至少一个控制器，所述至少一个控制器构造成：
计算对于在所述内燃机的所述测量点处的气体的建模温度；
滤波所述建模温度以确定滤波温度；
计算所述建模温度与所述滤波温度之间的差异以确定补偿温度；
由在所述测量点处的传感器确定原始感测温度；
将所述原始感测温度与所述补偿温度结合，以确定对于气体的虚拟温度；和
基于确定的虚拟温度改变到所述内燃机的输入。
方案14. 根据方案13所述的控制系统，其中，所述测量点在所述内燃机的排气处，使得所述气体是废气。
方案15. 根据方案13所述的控制系统，其中，所述控制器构造成由基于物理的模型确定所述建模温度，所述基于物理的模型包括带有包括燃料、进气温度和空气流量的输入的函数；和其中，所述控制器包括构造成滤波所述建模温度的低通滤波器。
方案16. 根据方案15所述的控制系统，所述控制器还构造成：计算用于所述低通滤波器的时间常数，其中，所述时间常数被确定为通过涡轮增压器的涡轮机的质量流量的时间变化的函数。
方案17. 一种构造成确定系统的参数的控制系统，所述控制系统包括至少一个控制器，所述至少一个控制器构造成：
计算在测量点处的建模参数；
滤波所述建模参数，以确定滤波参数；
计算所述建模参数与所述滤波参数之间的差异以确定补偿参数；
由在所述测量点处的传感器确定原始感测参数；
将所述原始感测参数与所述补偿参数结合以确定虚拟参数；和
基于确定的虚拟参数改变所述系统。
方案18. 根据方案17所述的控制系统，其中，所述控制器还构造成：
由基于物理的模型确定所述建模参数；
将低通滤波器应用于滤波所述建模参数；
计算用于所述低通滤波器的时间常数，其中，所述时间常数被确定为所述系统的操作的函数。
本主题的以上特征和优点及其它的特征和优点从用于实现所公开的结构、方法或两者的一些最佳模式和其它构造的以下详细说明容易地显现。
附图说明
图1是用于车辆的动力传动系的示意图。
图2是图示用于感测和估计诸如温度的数据的一种算法、过程或方法的示意性流程图。
图3是用于由感测数据和建模数据确定虚拟数据或虚拟参数的方案或过程的示意图。
图4是来自图3所图示的过程的数据输出的示意性图形图示。
具体实施方式
在图中，相同的附图标记贯穿数个图尽可能对应于相同或相似的部件。在图1中示出用于车辆的动力传动系10的一部分的示意图。动力传动系10包括可被称为发动机12的内燃机(ICE)。在所示的示例性动力传动系10中，发动机12是柴油发动机。然而，可将其它的内燃机与在本文所描述的方法、过程和技术一起使用。相对于动力传动系10所描述的结构仅是说明性的，并且可使用动力传动系10的诸如具有附加或更少的部件的许多其它构造，如本领域的技术人员所认识到的。
动力传动系10还包括涡轮增压器14。来自发动机12的废气穿过连接至压缩机18的涡轮机16，所述压缩机18对用于发动机12的进气气体加压。除涡轮增压器之外，可使用诸如固定叶片或可变叶片的不同类型的涡轮增压器。替代性地，在本文所描述的方法、过程和技术可与自然吸气发动机一起使用。
尽管可相对于特定的应用或工业描述本公开，但本领域的技术人员应认识到本公开更宽广的适用性。本领域的技术人员应认识到诸如“在…上方”、“在…下方”、“向上”、“向下”等术语被用于描述图，并且不表示对如所附权利要求所限定的本公开的范围的限制。诸如“第一”或“第二”的任何数字标识仅是说明性的，并且不打算以任何方式限制本公开的范围。
在一个图中所示的特征可结合、用来代替在任何图中所示的特征、或通过在任何图中所示的特征修改。除非另有说明，否则特征、元件或限制都不与任何其它的特征、元件或限制相互排斥。此外，特征、元件或限制都不为操作所绝对需要。在图中所示的任何特定的构造仅是说明性的，并且所示的特定构造不限制权利要求或说明。
当在本文被使用时，术语“大致”指的是理想上完美或完整的关系，但是制造现实阻止绝对的完美。因此，“大致”指示从完美的典型变化。例如，如果高度A大致等于高度B，可能优选的是两个高度是100.0%相等的，但制造现实可能导致从这样的完美变化的距离。本领域的技术人员应认识到可接受的变化量。例如，对于实质相等，覆盖范围、面积或距离大体上可在完美的10%的范围内。相似地，诸如平行或垂直的相对对准大体上可被认为在5%的范围内。
可以是用于整个车辆的ECU的控制系统、计算机或控制器20连接至动力传动系10，并且可连接至车辆的其它系统。控制器20具有足够的存储器和处理能力，以如在本文所描述地与部件和它们的等同物相互作用，并且以如在本文所描述地执行过程或函数和它们的等同物。
控制器20可说明多个控制架构，使得单独的过程或任务由不同的结构实施。除合理的等同物或变型之外，本领域的技术人员将认识到可用于执行在本文所描述的任何和所有函数的许多控制器架构。
图1图示了动力传动系10的数个元件，然而，不是所有的元件在本文中都被编号或标记。本领域的技术人员将认识到未标记的部件，并且将认识到可将附加的部件与动力传动系10、发动机12或两者一起使用。请注意，在图1的示意图中没有示出电气连接或通信路径。然而，可在车辆的动力传动系10和剩余部分内使用任何需要的通信网络和协议，如本领域的技术人员所认识到的。
燃料箱30保存由低压燃料泵32输送的燃料，诸如柴油燃料。其它相关的部件可包括燃料水平、温度或压力感测。燃料在其到发动机12的气缸处的多个电磁喷射器40的途中穿过燃料过滤器加热器继电器34、低容量轨36和高压燃料泵38。
进气在穿过压缩机18和空气冷却器44之前流过空气质量流量(MAF)传感器42。节气门阀46通过进气歧管50将空气选择性地发送至发动机12的气缸。在发动机12的柴油构造中可包括一个或多个电热塞52。
外部空气温度传感器54将周围空气温度传送至控制器20。进气温度传感器56将进入发动机12的气体的温度传送至控制器20。
来自发动机12的废气通过包括排气歧管温度传感器60的排气歧管58离开。如在本文所描述的，来自排气歧管温度传感器60的原始数据将由控制器20使用用于改进的数据感测和估计的方法。在动力传动系10中包括废气再循环(EGR)系统64和后处理系统66，所述废气再循环(EGR)系统64包括传感器和冷却器。
排气歧管58的感测温度可用于许多目的，包括发动机12的诊断。温度还可用于输入条件的改变，以便更好地满足车辆驾驶员或控制车辆行为的系统的期望。
然而，由排气歧管温度传感器60感测并输出的温度可能滞后排气歧管58内的实际温度。这在瞬态事件期间可能尤其如此，诸如在由驾驶员要求更高的扭矩(猛踩油门)所引起的对发动机12的大幅需求增加期间。排气歧管温度传感器60和许多其它的传感器可能经受动态测量延迟。延迟可通过复杂(或昂贵)的传感器克服，但这在动力传动系10的一些应用中可能是不可行的。
参考图2并且继续参考图1，示出用于诸如在动力传动系10的不同位置处的温度的改进感测和估计的方法100。改进的数据比原始感测数据或建模数据更精确。然而，请注意，方法100不需要使用温度数据执行，并且可被执行以便为可建模的任何传感器数据产生改进的虚拟数据，如在本文所解释的。如在本文所使用的，虚拟数据或虚拟参数指的是通过感测数据与建模数据的结合产生的数据。动力传动系10仅是用于利用在本文所描述的确定虚拟数据的技术的代表性系统。
在图2中所图示的步骤是一个特定的算法或过程的示例，并且不是限制性的。没有特定的步骤是必需的，并且不管是否这样标识，任何步骤可以是可选的。所示的步骤或过程的顺序同样不是限制性的。如本领域的技术人员所认识到的，步骤可重新排序或重新排列。
步骤110：开始/初始化。
方法100仅当被控制器20调用时、诸如当发动机12运行时可开始操作，并且方法100可持续地运行或循环。方法100可由控制器20执行，并试图更好地估计在测量点处的温度。
在方法100的示例性构造中，测量点在内燃机12的排气歧管58处，使得测量点查看废气的温度。测量点大体上可与排气歧管温度传感器60的位置一致，使得排气歧管温度传感器60理想上读取在测量点处的温度数据。
步骤112：确定输入条件。
方法100包括确定到发动机12的输入条件。进气条件可包括到发动机12的所使用的燃料、进气温度和空气流量。空气流量可指的是体积空气流量或质量空气流量，并且可包括空气流量随时间的变化(例如，空气流量输入条件可以是通过MAF传感器42的质量空气流量的时间导数)。附加的输入条件也可由方法100和控制器20使用。
步骤114：对温度建模。
利用输入条件，方法100计算对于在发动机12的测量点处的气体的建模温度。建模温度由估计燃烧对废气的影响的基于物理的模型或函数基于所述燃烧的输入的估计而确定。
例如并且在没有限制的情况下，建模温度Tmdl可表示为：Tmdl=f2(fuel,dm/dt,Ti)。其中，dm/dt是质量空气流量的变化率，并且Ti是进气温度，它们可通过进气温度传感器56测量或者可在沿着发动机12的进气的其它位置处确定。
基于物理的模型的一个示例性函数f2是：K1*Ti+K2*fuel(fuel+dm/dt)+K3。其中，K1、K2和K3是标量校准参数，它们可由对动力传动系10和发动机12特有的或通用的台架测试或其它实验确定。请注意，可使用其它基于物理的函数来对离开内燃机12的废气的温度建模。
请注意，即使带有测试和生成的标量校准参数，模型也是排气歧管58内的排气温度的不完美的估计。然而，由于排气歧管温度传感器60的动态测量延迟，模型在瞬态环境下可产生比排气歧管温度传感器60好的温度数据。
步骤116：滤波器模型。
方法100包括滤波建模温度以确定滤波温度，其可表示为Tmdl_flt。滤波建模温度还平滑瞬态条件对模型本身的影响。例如，可使用低通滤波器。
可用在建模温度上的数字低通滤波器的一个示例是：Tmdl_flt(k)=Tmdl_flt(k-1)+[ts/(τf+ts)]*[Tmdl(k)-Tmdl_flt(k-1)]。其中，Tmdl_flt(k)是当前滤波样本；Tmdl_flt(k-1)是先前样本；ts是采样时间；并且τf是低通滤波器时间常数。然而，请注意，可使用其它滤波器函数。
步骤118：确定涡轮机条件。
方法100可以可选地确定在涡轮机16处的条件。尤其，控制器20可监测或确定通过涡轮机的质量流量mturb，由所述质量流量mturb，控制器20可确定通过涡轮机的质量流量的时间变化率dmturb/dt。
步骤120：计算时间常数。
由涡轮机条件，方法100可以可选地基于发动机12的当前操作条件计算用于低通滤波器的时间常数τf，而不是固定值的时间常数。时间常数可确定为通过涡轮机16的质量流量的时间变化的函数，使得τf=f1(dmturb/dt)。函数f1可在涡轮机16、发动机12或两者的台架测试期间通过校准而确定。
控制器20可基于对二维或三维查找表格的参考找到τf，或者可以是由控制器20参考的线性函数。替代性地，用于低通滤波器的时间常数可以是固定值，或者可根据基于其它因素校准的其它函数或查找表格而确定。
利用用于低通滤波器的可变时间常数可改进低通滤波器的响应，并且可改进由方法100确定的所得到的温度。由方法100确定的温度的改进进而可允许使用不太贵的传感器用于排气歧管温度传感器60。
步骤122：确定补偿温度。
方法100计算建模温度(在步骤114中确定)与滤波温度(在步骤116中确定)之间的差异，以确定补偿项或补偿温度。补偿温度表示可能经受瞬态条件的实际模型结果与较少经受瞬态条件的滤波结果之间的差。
当在稳定状态下时，补偿温度将朝着零移动，因为滤波温度和建模温度大致相等。因此，补偿温度在诸如由于发动机12的瞬态条件而出现的建模温度中的快速变化期间是非零的。
步骤124：感测原始温度。
模型100由在测量点处的传感器确定原始感测温度。在图1所示的动力传动系10的构造中，原始数据来自位于测量点处或附近的排气歧管温度传感器60。再次，请注意，原始感测数据尤其在瞬态事件期间可能经受动态滞后。
步骤126：计算虚拟温度。
方法100将原始感测温度与补偿温度结合，以便计算对于在测量点处的气体的虚拟温度。虚拟温度是感测温度数据与建模温度数据的结合。虚拟温度表示优于可能受损于动态滞后的原始感测温度和就其本质而言是建模估计的建模温度两者的改进(即，其更精确)。
具有更精确的温度数据改进了控制器20、发动机12和动力传动系10的操作。虚拟温度可通过控制器20或其它计算装置用于车载或非车载的诊断目的。附加地，由方法100确定的虚拟温度可允许使用不太复杂、不太贵的传感器作为排气歧管温度传感器60。
此外，请注意，由方法100确定或计算的虚拟数据不必是排气温度、乃至温度。方法100可适用于传感器数据与建模数据的任何结合。建模数据仍然可以被滤波，并且然后用于确定补偿项，所述补偿项可与原始感测数据结合，以计算作为优于原始感测数据或建模数据的改进的虚拟数据。
步骤128：改变进气条件
附加地，方法100具有使用虚拟温度来改变内燃机12的一个或多个输入的选项。例如，虚拟温度数据可用于改变涡轮增压器14的叶片角度，以改变在进气处产生的增压量。除由本领域的技术人员所认识到的其它特性之外，虚拟温度还可用于改变EGR系统64的操作。
然而，请注意，虚拟数据即使当不直接用于改变车辆的当前操作条件时，也提供对控制器20和动力传动系10的操作的改进。控制器20可存储用于后续使用或诊断的虚拟数据。
步骤130：结束/循环。
方法100可持续运行，使得所有的步骤可在任何时候发生。替代性地，方法100可诸如按计划表重复地循环。不管怎样，当方法100达到结束时，只要任何初始化条件存在，过程就可以重复。因此，在达到结束步骤130之后，方法可返回至开始步骤110。
现在参考图3并且继续参考图1-图2，示出用于使用数据输入以确定虚拟数据的过程200，与上述虚拟温度相似。过程200可适用于或覆盖于方法100的流程图，并包括相似的输入和过程，但超出排气温度之外可广泛地适用于具有感测数据与建模数据的结合的任何系统。
过程200包括三个基本区域或分段：模型区域210、滤波器区域212和补偿输出区域214。用于计算虚拟数据的过程200可由具有足够的处理、存储和通信能力的任何计算机、控制器或控制系统执行。
在模型区域210中，将一组输入条件220馈入模型函数222中。用于模型的一个示例性函数是以上相对于方法100的步骤114所描述的f2。模型函数222输出建模数据224。大致同时地，捕获原始传感器数据226。
在滤波器区域212中，将滤波器函数228应用于建模数据224。在一些构造中，滤波器函数228可能经受可变时间常数函数230。以上在方法100的说明中包括滤波器函数228和可变时间常数函数230两者的示例，但本领域的技术人员应认识到可用于相同目的的附加的函数。滤波器区域输出滤波的模型数据232。
在补偿输出区域214中，基于滤波的模型数据232与建模数据224之间的差异确定补偿项234。补偿项234是原始建模数据224与较少经受瞬态条件的滤波的模型数据232之间的差。
虚拟数据236通过补偿项234与原始传感器数据226的结合(或求和)产生。虚拟数据236是过程200的输出，并表示优于原始传感器数据226或建模数据224的改进(更精确)的数据，原始传感器数据226和建模数据224两者是实际条件的不同估计并且大致同时被确定。使用应用于此的附加技术，通过感测数据与建模数据两者的结合生成虚拟数据。
随着瞬态条件朝着稳定状态操作移动，补偿项234朝着零移动，并且原始传感器数据226变得更可靠。因此，在稳定状态条件下，虚拟数据236不太受建模数据224影响，并且大致依赖于原始传感器数据226，但在瞬态条件期间，虚拟数据236更受补充原始传感器数据226的建模数据224影响。
现在参考图4并且继续参考图1-图3，示出图示在瞬态事件之后的不同数据集的示意性图表250。例如，图表250可图示由图3所示的过程200所使用或输出的数据集。
x轴252表示时间。x轴252的原点可被认为大致出现在瞬态事件的开始，随时间推进朝着稳定状态条件移动。y轴254表示不同数据集的值。
线274表示可由ymdl指示的建模数据。线276表示可由ys指示的原始传感器数据。线286表示诸如由过程200输出的可由yout指示的虚拟数据。线286上的虚拟数据由应用于感测数据与建模数据两者的结合的技术生成。
在瞬态事件期间，原始传感器数据ys响应慢，如由线276所示。然而，建模数据ymdl响应较快，如由线274所示。在该时段期间，滤波的模型数据与建模数据之间的差产生非零补偿项，使得虚拟数据输出yout在建模数据与原始传感器数据之间，如线286所示。
在稳定状态的条件下，建模数据与滤波的模型数据会合，这使得补偿项趋于零。因此，在稳定状态的条件下，yout，线286，与ys，线276，会合，如图表250所图示的。
详细说明和附图或图是在本文所讨论的主题的支持和描述。尽管已详细描述了一些最佳模式及其它实施例，但存在各种替代性的设计、实施例和构造。

Claims (10)

1.一种用于通过控制器确定系统的在具有传感器的测量点处的虚拟数据的方法，包括：
计算在所述测量点处的建模数据；
滤波所述建模数据以确定滤波数据；
计算所述建模数据与所述滤波数据之间的差异以确定补偿项；
由在所述测量点处的所述传感器确定原始感测数据；和
将所述原始感测数据与所述补偿项结合，以计算在所述测量点处的所述虚拟数据；
其中，所述系统包括内燃机；
其中，所述测量点和所述传感器位于所述内燃机的排气处；并且
其中，所述虚拟数据是废气的虚拟温度，使得：
所述建模数据是对于在所述测量点处的废气的建模温度，
所述滤波数据是滤波温度，
所述补偿项是补偿温度，
所述原始感测数据是在所述测量点处的原始感测温度，和
将所述感测温度与所述补偿温度结合，以计算对于废气的虚拟温度；
其中，滤波所述建模温度包括利用低通滤波器，
其中，所述内燃机包括涡轮增压器，并且所述方法还包括：
计算用于所述低通滤波器的时间常数，其中，所述时间常数被确定为通过所述涡轮增压器的涡轮机的质量流量的时间变化的函数。
2.根据权利要求1所述的方法，
其中，所述建模数据由基于物理的模型确定。
3.根据权利要求1所述的方法，还包括：
基于在所述测量点处的操作条件计算用于所述低通滤波器的时间常数。
4.根据权利要求1所述的方法，还包括：
利用所述虚拟温度以改变到所述内燃机的输入。
5.根据权利要求4所述的方法，
其中，所述建模温度由基于物理的模型确定。
6.根据权利要求5所述的方法，
其中，所述基于物理的模型包括带有包括燃料、进气温度和空气流量的输入的函数。
7.根据权利要求1所述的方法，
其中，所述建模温度由基于物理的模型确定。
8.根据权利要求7所述的方法，
其中，所述基于物理的模型包括带有包括燃料、进气温度和空气流量的输入的函数。
9.一种构造成确定在内燃机的测量点处的气体的温度的控制系统，所述控制系统包括至少一个控制器，所述至少一个控制器构造成：
计算对于在所述内燃机的所述测量点处的气体的建模温度；
滤波所述建模温度以确定滤波温度；
计算所述建模温度与所述滤波温度之间的差异以确定补偿温度；
由在所述测量点处的传感器确定原始感测温度；
将所述原始感测温度与所述补偿温度结合，以确定对于气体的虚拟温度；和
基于确定的虚拟温度改变到所述内燃机的输入；
其中，所述控制器构造成由基于物理的模型确定所述建模温度，所述基于物理的模型包括带有包括燃料、进气温度和空气流量的输入的函数；和
其中，所述控制器包括构造成滤波所述建模温度的低通滤波器，
其中，所述控制器还构造成：
计算用于所述低通滤波器的时间常数，其中，所述时间常数被确定为通过涡轮增压器的涡轮机的质量流量的时间变化的函数。
10.根据权利要求9所述的控制系统，
其中，所述测量点在所述内燃机的排气处，使得所述气体是废气。
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