CN114109630B - 用于涡轮增压器性能监视和适配的系统 - Google Patents

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Abstract

可以计及物理设备的健康的用于物理设备性能控制的新方法和/或替代方法。物理设备可以由可配置控制器来控制，所述可配置控制器可以进一步包括与更高级别控制器（诸如，引擎控制单元（ECU））相关联的低级别控制器。所述ECU使用建模来计算所述物理设备中的第一参数的估计操作值，并且还使用传感器来测量第一参数的操作值。将测量值和建模值进行比较，以确定所述物理设备或其部件的健康状态（SOH）。SOH可以被存储、传输或使用以修改由所述低级别控制器使用的一个或多个控制值。

Description

用于涡轮增压器性能监视和适配的系统
技术领域
汽车控制器以及用于此类控制器的配置。
背景技术
涡轮增压器用来通过使用通常从引擎的排气气流和/或从辅助源（诸如，电动机）获得的功率来压缩被馈送到引擎中的进气空气（intake air）从而增强引擎性能。通过涡轮增压器压缩机的空气的行为由热力学来描述，并且通常在测试程序中被表征，以生成多变量映射（“压缩机图”）。压缩机图将诸如压缩机叶轮转速、压缩机空气质量流量、压缩机压力比和压缩机等熵效率之类的参数链接在一起。压缩机图中包括定义了压缩机操作极限的边界。例如，压缩机图上的喘振线（surge line）定义了可导致空气反向地流动通过涡轮增压压缩机从而导致功率损失并潜在地损害压缩机的条件。
压缩机图用来控制各种致动器，以获得合期望的性能。例如，可以使用比例-积分-微分（PID）控制以维持增压压力设定点，或者可以使用模型预测性控制（MPC）以根据压缩机图和各种感测的输入（诸如，引擎状况、环境状况和节流阀位置）来优化一个或多个致动器。
随着各种部件退化，涡轮增压器性能中的下降会随时间发生。从用户的角度来看，所有可能明显的是性能降低、功率损失、或燃料消耗增加。响应于用户投诉进行故障排除并非易事。期望能够标识和/或表征涡轮增压器和/或压缩机健康的状态的新的和替代的方法和系统，以提供自适应控制、预测性维护和更容易的故障排除中的一个或多个。
发明内容
本发明人已经认识到需要关于总体以及部件性能来估计压缩机健康。随着压缩机健康发生改变，标称压缩机图可能不再表征性能，从而导致次优控制和下降的性能。引擎和涡轮增压器的正在进行的性能的所感测和估计的参数被捕获并且用来估计或预测进一步的参数，然后所述进一步的参数可以与实际测量结果进行比较以生成健康指示器值。健康指示器值与涡轮增压器和/或压缩机性能与标称的偏差有关，诸如通过与该偏差成比例。
在一些示例中，健康指示器值可以在维护期间被存储和使用，以帮助在压缩机故障与由于其他引擎系统或部件引起的故障之间进行区分。在其他示例中，健康指示器值可以用来估计压缩机图的移位（shifting），这继而可以用来更新用于控制引擎和涡轮增压器操作的引擎控制单元（ECU）设置。经更新的ECU设置可以被实现成例如并且不限于调整用来防止喘振的边界条件、和/或估计压缩机出口温度以防止损害增压空气冷却器（charge aircooler）。
第一说明性且非限制性示例采取用于控制所述物理设备的可配置控制器的形式，所述物理设备具有与其相关联的用于控制所述物理设备的操作的多个致动器和用于观测所述物理设备操作的多个特性的多个传感器，所述可配置控制器包括：状态观测器，其被配置成通过与所述多个传感器通信来捕获所述物理设备的当前状态；以及低级别控制器，其被配置成使用至少所述致动器来控制所述物理设备的行为；以及引擎控制单元（ECU），其耦合到所述低级别控制器，所述ECU被配置用于通过以下各项来分析所述物理设备的健康状态（SOH）：使用所述物理设备的一个或多个模型来估计所述物理设备中的第一参数的操作值；使用传感器来测量所述物理设备中的第一参数的操作值；将针对第一参数的估计值与测量值进行比较，以计算第一参数中的差异；以及使用第一参数中的差异来计算所述物理设备的SOH。
另外地或替代地，所述物理设备是具有与其相关联的涡轮增压器和增压空气冷却器（CAC）的内燃机，所述CAC具有出口，所述多个传感器中的一个传感器被定位在所述出口处以用于感测CAC出口的温度，并且第一参数是CAC出口温度。
另外地或替代地，所述ECU被配置成存储SOH，以用于以后在对所述物理设备的维护操作期间来检索。
另外地或替代地，所述ECU被配置成将SOH传输到远程存储器位置，以用于在所述物理设备的维护操作中使用。
另外地或替代地，所述低级别控制器被配置成使用一个或多个边界条件来控制所述物理设备的行为，并且所述ECU适于使用SOH来修改由所述低级别控制器使用的边界条件中的一个或多个。
另外地或替代地，所述低级别控制器被配置成使用一个或多个目标条件来控制所述物理设备的行为，并且所述ECU适于使用SOH来修改由所述低级别控制器使用的目标条件中的一个或多个。
另外地或替代地，所述低级别控制器使用比例-积分-微分（PID）控制，并且所述一个或多个目标条件是在PID控制中使用的一个或多个设定点。
另外地或替代地，所述低级别控制器使用模型预测性控制（MPC），并且所述一个或多个目标条件是用于在MPC中使用的成本计算的目标值。
另外地或替代地，所述可配置控制器进一步被配置成：存储随时间的多个SOH值，计算SOH趋势，以及预测所述物理设备的一个或多个部件的性能故障的时间。
另外地或替代地，所述可配置控制器进一步被配置成：使用SOH来确定所述物理设备的部件是否达到性能故障的阈值；标识所述物理设备的性能降低或接收所述物理设备的性能降低的指示；以及或者：如果所述部件已经达到性能故障的阈值，则向用户报告所述部件是性能降低的候选根本原因；或者如果所述部件没有达到性能故障的阈值，则向用户报告所述部件不是性能降低的候选根本原因。
另外地或替代地，所述物理设备是具有与其相关联的涡轮增压器的内燃机，所述涡轮增压器具有压缩机，并且所述低级别控制器使用针对涡轮增压器的压缩机图，进一步地，其中所述ECU适于使用SOH来修改所述压缩机图。
另外地或替代地，所述压缩机图包括喘振线，并且所述ECU适于鉴于SOH来调整喘振线。
第二说明性且非限制性示例采取操作物理设备和相关联的可配置控制器的方法的形式，所述物理设备具有用于控制所述物理设备的操作的多个致动器和用于观测所述物理设备操作的多个特性的多个传感器，其中所述多个致动器和多个传感器可操作地链接到所述可配置控制器，所述方法包括：通过与所述多个传感器通信来捕获所述物理设备的当前状态；使用至少所述致动器来控制所述物理设备的行为；使用所述物理设备的一个或多个模型来估计所述物理设备中的第一参数的操作值；使用传感器来测量所述物理设备中的第一参数的操作值；将针对第一参数的估计值与测量值进行比较，以计算第一参数中的差异；使用第一参数中的差异来计算所述物理设备的健康状态（SOH）；以及使用所述可配置控制器来存储SOH。
另外地或替代地，一种方法可以包括使用第二说明性且非限制性示例的方法来存储随时间的多个SOH值；计算SOH趋势；以及预测所述物理设备的一个或多个部件的性能故障的时间。
另外地或替代地，一种方法可以包括使用第二说明性且非限制性示例的方法来存储一个或多个SOH值；使用SOH来确定所述物理设备的部件是否达到性能故障的阈值；标识所述物理设备的性能降低；以及或者：如果所述部件已经达到性能故障的阈值，则向用户报告所述部件是性能降低的候选根本原因；或者如果所述部件没有达到性能故障的阈值，则向用户报告所述部件不是性能降低的候选根本原因。
另外地或替代地，所述物理设备是具有与其相关联的涡轮增压器和增压空气冷却器（CAC）的内燃机，所述CAC具有出口，所述多个传感器中的一个传感器被定位在所述出口处以用于感测CAC出口的温度，并且第一参数是CAC出口温度。
另外地或替代地，所述可配置控制器将SOH存储在板载存储器中，以用于以后在对所述物理设备的维护操作期间来检索。
另外地或替代地，存储SOH的步骤包括：所述可配置控制器将用于存储的SOH传输到远程存储器位置，以用于在所述物理设备的维护操作中使用。
另外地或替代地，使用至少所述致动器来控制所述物理设备的行为的步骤包括：使用一个或多个边界条件来控制所述物理设备的行为，并且所述方法进一步包括所述可配置控制器使用SOH来修改所述边界条件中的一个或多个。
另外地或替代地，使用至少所述致动器来控制所述物理设备的行为的步骤包括：使用一个或多个目标条件来控制所述物理设备的行为，并且所述方法进一步包括所述可配置控制器使用SOH来修改所述目标条件中的一个或多个。
另外地或替代地，所述可配置控制器使用比例-积分-微分（PID）控制，并且所述一个或多个目标条件是在PID控制中使用的一个或多个设定点。
另外地或替代地，所述可配置控制器使用模型预测性控制（MPC），并且所述一个或多个目标条件是用于在MPC中使用的成本计算的目标值。
另外地或替代地，所述物理设备是具有与其相关联的涡轮增压器的内燃机，所述涡轮增压器具有压缩机，并且所述低级别控制器使用针对涡轮增压器的压缩机图，进一步地，其中所述ECU适于使用SOH来修改所述压缩机图。
另外地或替代地，所述压缩机图包括喘振线，并且所述ECU适于鉴于SOH来调整喘振线。
第三说明性且非限制性示例采取交通工具的形式，所述交通工具包括：内燃机，其具有与其相关联的用于控制物理设备的操作的多个致动器和用于观测所述物理设备操作的多个特性的多个传感器，所述内燃机包括增压空气冷却器（CAC）和涡轮增压器，所述涡轮增压器具有压缩机，所述压缩机用于使用从接收来自所述引擎的排气空气的涡轮所得到的功率来压缩引擎进气空气，被定位的所述CAC具有入口和出口，所述入口用于接收来自所述压缩机的增压空气，所述出口用于将冷却的增压空气排放到引擎进气口，所述引擎包括CAC出口温度传感器；用于控制所述物理设备的可配置控制器，其可操作地耦合到致动器和传感器，所述可配置控制器包括：状态观测器，其被配置成通过与所述多个传感器通信来捕获所述物理设备的当前状态；低级别控制器，其被配置成使用至少所述致动器来控制所述物理设备的行为；引擎控制单元（ECU），其耦合到所述低级别控制器，所述ECU被配置用于通过以下各项来分析所述引擎的健康状态（SOH）：使用所述引擎的一个或多个模型来确定所估计的CAC出口温度；使用CAC出口温度传感器来确定所测量的CAC出口温度；将所估计的CAC出口温度值与所测量的CAC出口温度进行比较作为参数差异；以及使用所述参数差异来计算所述引擎的SOH。
此概述旨在提供对本专利申请的主题的介绍。不意图提供排他性或穷尽的解释。详细描述被包括以提供关于本专利申请的进一步信息。
附图说明
在不一定按比例绘制的附图中，相似的数字可以在不同的视图中描述相似的部件。具有不同字母后缀的相似数字可以表示类似部件的不同实例。附图以示例的方式而非以限制的方式一般性地图示了本文档中所讨论的各种实施例。
图1示出了操作控制系统的模型；
图2示出了说明性压缩机图；
图3是用于计算健康指示器的说明性示例的框图方法流程图；
图4是用于使用健康指示器的说明性示例的框图方法流程图；
图5-6图示了控制相关值的操纵；以及
图7示出了对压缩机图的修改。
具体实施方式
图1示出了操作控制系统的模型。控制装置在100处示出，并且包括状态观测器102，所述状态观测器102将一组当前状态变量馈送到低级别控制器104。低级别控制器计算可以被应用于一组致动器112的过程参数的解，所述致动器112继而控制物理设备114的操作。该组致动器可以控制例如并且不限于燃料或其他喷射器、可变喷嘴涡轮位置、引擎制动、后处理（after-treatment）（包括排气）、节流阀位置、排气气体再循环（EGR）、电动机（例如在可以经由脉宽调制（PWM）控制的电动涡轮增压器中）、废气门（WG）位置（冲程）、增压空气冷却器（CAC）功能、再循环阀的位置、可变压缩机几何形状致动器的位置；以及该系统中的其他阀、喷嘴、部分和位置。
物理设备114可以是例如并且不限于内燃机，无论是柴油还是汽油。提供了多个传感器116。传感器116可以包括例如并且不限于检测歧管绝对压力（MAP）、质量空气流量（MAF）、EGR流量、涡轮速度、NOx、引擎速度、燃料量、增压压力等的传感器。另外的监视参数可以包括例如电动涡轮增压器的电动机的扭矩输出、废气门（WG）标准化开度、再循环阀（RCV）标准化开度和/或可变几何压缩机位置和配置。在一些示例中，传感器116可以感测用户输入，诸如制动器或加速踏板上的压力和/或方向盘位置（以及对其的改变）。传感器116可以被配置成对被感测的基础参数进行采样，并且将此类样本的结果提供给状态观测器102。状态观测器102可以记录随时间的传感器输出和致动器位置，以提供系统操作的历史。
在一些示例中，该系统包括eTurbo装置。eTurbo的设计和使用的一些示例在美国PG专利公开号2009/0000298和美国专利6,637,205中被示出。在某些条件下，ETurbo使用电动机来驱动涡轮增压器的压缩机。例如，当排气压力由于低引擎速度而为低时，电动机可以用来将压缩机速度增加到仅依赖于引擎排气压力所能够提供的速度以上。例如，电动机可以由电池进行电池供电，所述电池可以被充电以存储回收的能量，否则该能量将会在使eTurbo减速时丢失，或者可以使用经由交流发电机从引擎本身汲取能量来对电动机进行供电。传感器116可以用来感测电机和/或电池特性（充电状态、温度等），并且致动器112可以控制电动机的操作，并且可以包括例如并且不限于电信号控制器（诸如，开关和其他电子元件部分）。
状态观测器102和低级别控制器104可以例如在微控制器中实现，该微控制器被配置成对用于执行状态观测和优化例程的一组所存储的指令进行操作。在另一示例中，专用集成电路（ASIC）可以提供状态观测器功能，所述状态观测器功能可以包括捕获或累积来自致动器112和/或传感器116的数据，所述数据继而可以由微控制器周期性地读取。低级别控制器104可以被配置有电路、逻辑和/或所存储的指令集，以用于使用例如模型预测性控制（MPC）成本函数、线性二次调节器（LQR）控制、比例积分微分（PID）控制或其他控制方法来执行控制和/或优化计算。
低级别控制器104可以被集成到板载诊断系统（未示出）中，或者与板载诊断系统分开地提供，该板载诊断系统可以用来记录诊断变量，并且根据需要将它们呈现给用户、或者将它们存储以用于以后分析。低级别控制器104被示成操作地链接到总体引擎控制单元（ECU）120。在一些示例中，可以使得ECU 120能够操纵在低级别控制器中使用的一个或多个控制值，诸如通过修改一个或多个设定点（例如在PID控制中），或者操纵在MPC成本函数中使用的一个或多个因子，诸如在其中使用的系数或加权值。示出了分离的框102、104和120，然而，应当理解的是，如果期望的话，这个架构可以被集成到单个处理器或微控制器中。在其他示例中，在期望时，可以针对每个框102、104和120提供分离的ASIC、（多个）状态机、（多个）微控制器或微处理器。
由低级别控制器104计算的控制解被用来生成一个或多个输出，所述输出继而被用来控制致动器112以操作物理设备114。一般而言，目的是最小化操作参数与可控输出或物理设备操作特性的一个或多个目标输出值的距离。例如，目标可以是目标涡轮增压器速度、目标增压压力、压缩机上的目标压力差异、目标空气质量流量或其组合中的任一个。在利用MPC函数的情况下，针对一个或多个输出值（或所得到的操作特性）与目标值或参考值的距离被最小化，从而优化了性能。作为示例，传统MPC成本函数形成可以如等式1中所示：
[等式1]
其中ud,k对应于所操纵变量的期望简档（profile），uk代表所操纵变量，k表示离散时间实例，并且P代表预测性控制器的预测范围。在这个示例中，yr,k和yk分别表示输出参考和测量值，并且W1和W2指定了加权项。MPC成本函数在操作中被最小化，以便向物理设备提供最优控制，并且低级别控制器104可以相应地使用MPC。
在另一示例中，PID控制器可以被用来计及与目标操作点的比例、积分和微分差异中的每个。用于PID控制的目标操作点可以使用诸如压缩机增压压力之类的单个值，或者可以使用诸如压缩机速度和压缩机增压压力之类的多个值，同时控制其他因子（例如致动器位置）以指导操作来维持（多个）此类目标。比例差异可以指示当前状态，积分差异可以标识随时间的过程移位，并且微分差异可以指示操作中的改变的方向。在利用PID控制的情况下，在监视的同时最小化比例差异，以确保积分和微分差异不指示改变的性能，该改变的性能在进一步迭代之后可能导致比例差异增加。针对PID控制器，输出到致动器112的控制参数被调整，以在迭代的基础上减小或最小化实际性能与一个或多个目标的距离。PID控制可以并入多个不同的目标操作特性。例如，低级别控制器104可以使用PID控制来代替MPC。如果期望的话，可以代替地使用LQR控制，从而应用类似的概念。
ECU 120（或者作为替代，分离的控制器或ASIC）可以被用来计算和存储某些值，所述值被计算以反映致动器112、物理设备114和/或传感器116中的一个或多个的健康状态（SOH），所述值要么存储在板载存储器中、要么通过传输到远程数据存储。在一些示例中，ECU 120可以操纵在低级别控制器104中使用的一个或多个参数，或者可以操纵由ECU 120存储并依赖于ECU 120的值，以向低级别控制器104提供信息。
图2示出了说明性且简化的压缩机图。压缩机图使用经校正的空气质量流量作为X轴，并且使用压缩机的压力比作为Y轴。若干涡轮增压器速度线150穿过该图形，并且与不同的压缩机速度相关联。边界条件被包括在内，其中喘振线152在该附图的左侧，并且节流线（choke line）154在该附图的右侧。喘振线152指示在给定质量流量下涡轮增压器能够生成的最大压力。节流线154指示在给定压力比下的质量流量的最大量。在这些边界152、154之外的操作被避免，以防止退化（和不可预测的）操作以及对部件的潜在损害。
涡轮增压器的效率反映了在不增加过多热量的情况下压缩空气的能力。针对给定的增压压力，效率越高，出口温度就越冷（尽管仍超过环境温度）。在该图形中以160和162示出了效率岛，其中每个“岛”定义了导致改进的效率的因子的组合。例如，在边界160内部进行操作可以与65%处或65%以上的效率相关，并且在岛162内部进行操作可以与75%或更高的效率相关。
针对给定的涡轮增压器安装，可以在测试台架处执行测试以建立压缩机图，并且ECU然后被加载有代表压缩机图的数据。然后，使用压缩机图和其他系统特性以及至少在一些示例中的用户偏好来导出用于在控制中使用的因子，诸如MPC、PID和/或LQR。图2中的压缩机图是被简化的；实际的压缩机图将包括更多的线以提供更大的粒度。在使用中，该系统经受若干竞争的目标，包括例如在给定涡轮速度和空气质量流量下使效率最大化，并且如所示的压缩机图将被转换成数据并且由 ECU 存储。
图3是用于计算健康指示器的说明性示例的框图方法流程图。在200处示出了开始框。在一些示例中，开始框首先确保存在适当的合格条件（qualifying condition），如例如通过要求最小涡轮增压器速度、环境或内部温度、最小和/或最大负载边界内的引擎负载、以及针对至少最小时间段的操作或稳态操作。在开始框200中，可以应用其他合格条件。
接下来，压缩机图被用来使用经校正的压缩机质量流量以及经校正的涡轮增压器速度来获得标称压缩机效率ηc，如202处所指示的。在202处使用的“压缩机图”可以是标称压缩机图，或者它可以是先前已经通过如下面所解释的图4的方法而调整的压缩机图。经校正的压缩机质量流量考虑了系统温度和压力，以调整已知（所测量）的压缩机质量流量。经校正的涡轮增压器速度可以是所测量的涡轮速度，该涡轮速度针对实际压缩机入口温度条件与压缩机图参考压缩机入口温度条件的差异而被调整。
接下来，如204处所示，使用ηc、和压缩机入口处的所估计或测量的温度TCI、以及压缩机压力比Пc中的每一个来计算所估计的压缩机出口温度TCO。
在框206中，使用多项式或其他数学公式或模型来获得CAC温度的估计。例如，该公式或模型可以接受压缩机质量流量、CAC冷却剂温度、以及所估计的压缩机出口温度TCO。与这个活动并行，在框230处测量实际的CAC温度Tcac。例如，可以应用扩展卡尔曼滤波器来找到CAC温度的最优估计/>，并且抑制传感器噪声和模型不准确性。此类滤波器可以使用基于气体压缩公式的压缩机出口温度的动态模型，该模型本身可以关于传递通过该系统的空气的流体动力学而被调整。
在框208处，将所估计的CAC温度与所测量的CAC温度Tcac进行比较。所标识的（多个）差异被用来计算指示CAC SOH的一组残差。特别地，所估计的CAC温度/>与测量值Tcac的变化被用来确定包括压缩机图的基础模型是否匹配该系统的操作。例如，所估计与所测量的CAC温度之间的变化可以指示与压缩机图所指示的压缩机效率不同的压缩机效率ηc。在另一非限制性示例中，可以使用观测器来监视该系统，并且可以将残差计算为所预测的CAC出口温度与测量值之间的差异。
通常，如本文中所使用的，残差表示针对给定参数/变量的测量值与估计值之间的差异。在没有故障的标称情况下，残差将非常小。如果该系统经受故障模式，则残差会增长。残差可以与数值故障阈值进行比较以标识实际故障，和/或可以在趋向过程中跟踪残差以估计何时可能超过故障阈值。不是直接的比较和趋向，而是可以将残差变换成辅助变量或辅助变量的集合，该辅助变量表示该系统的健康的标准化状态。然后，（多个）辅助变量可以用于故障阈值和趋势分析。
在框208中可以并入另外的数据，诸如通过计算涡轮增压器速度残差或其他值，该涡轮增压器速度残差或其他值可以鉴于可用传感器和该系统的配置而变化。可能期望在可能的情况下并入冗余信息，以估计任何系统部件的健康状态。在示例中，涡轮速度测量结果的可用性可以与压缩机图函数一起使用，以通过计算涡轮速度估计和/或涡轮速度测量结果的残差来确定压缩机图移位。然而，本文中描述的方法和系统不限于涡轮速度传感器的使用，并且可以代替地使用与测量结果并行的、可以通过使用依赖于其他系统变量的模型来估计的其他可测量因子。
最后，通过直接地或作为加权的或以加权组合对来自框208的残差进行变换来估计压缩机健康状态（SOH）。在一些示例中，SOH然后被缩放到间隔<0,1>，尽管可以使用任何其他缩放间隔（诸如，出于数据存储的目的而缩放到8位或4位范围）。
图4是用于使用健康指示器的说明性示例的框图方法流程图。健康指示器可以是如图3中计算的SOH，和/或可以并入残差，而不仅仅是最终值。在框250处，计算SOH。该方法在框260处确定云存储是否可用，并且如果可用，则可以使用例如并且不限于蜂窝或其他无线通信将SOH如在266处所指示的那样传输到云服务器或其他存储位置。在框266中，可以周期性地传输数据，诸如通过将SOH数据临时在板上存储，直到该系统处于其中传输可用的位置中，例如诸如如果乘客交通工具的用户将该交通工具链接到家庭WiFi或蜂窝电话的话。如在262处所指示的，如果期望的话，可以减少数据，以用于传输266或用于存储在板载存储系统264中。数据减少262可以包括例如并且不限于：计算单个驾驶循环/行程中的平均或中间SOH，从而潜在地减少存储要求（其在板载环境中可能非常有限）和/或数据传输需要。
在一些示例中，图4中的方法更进一步，如在280处所指示的那样，以修改一个或多个所存储的参数、设定点或控制权重或系数。例如，可以修改控制方法中使用的一个或多个设定点、目标、加权值或其他系数，如在282处所指示的。例如，在框282中，可以修改在PID控制中使用的设定点，或者可以更新在MPC或其他优化控制方法中使用的加权值或系数。在另一示例中，如在284处所指示的，可以修改压缩机图的一个或多个部分。如上面所指出的，在图3的框208中找到的CAC温度中的差异可以指示效率ηc不同于压缩机图的效率，并且压缩机图然后可以被调整以计及这个差异。然而，各种示例不限于仅在单个点处修改压缩机图以提供不同/新的效率；压缩机图的远离该系统的实际操作位置的部分也可以被修改。例如，框284可以要求调整喘振线或节流线中的一个或多个，或者例如通过改变一个或多个效率岛。如在286处所指示的，可以修改CAC设置、设定点和/或边界条件，诸如通过改变CAC操作的最大温度设置，或通过增加或减少CAC冷却剂的循环。步骤280可以由ECU执行，所述ECU继而可以应用在282、284、286处所标识的改变来修改例如低级别控制器操作（图1，框104）。
框280处的修改可以包括使用在250处确定的残差和/或SOH值的多项式变换来计算参数移位，诸如压缩机图参数的移位。在一些示例中，当基础物理设备在多种操作设定点（不同速度、温度、负载等）下操作时，可以重复地执行SOH估计的过程，要么在所指导的过程中（其中在诊断过程中在ECU的指导下测试输入的不同组合）、要么通过在正常操作期间找到机会（其中观测用户在操作物理设备中的决策，并且当在不同操作点处执行图3的方法的机会出现时，运行该方法）。在这个示例中，通过获得不同操作点处的SOH估计，可以确定当前健康状态的模型，并且将该模型用来与一个或多个所存储的替代压缩机图进行比较，以例如找到最佳拟合。
例如，参考图2，可能期望获得压缩机图中的两个或更多位置处（诸如，图2中所示的点A、B、C处）的SOH的读数（例如，使用图3的方法）。通过这样做，该系统然后可以将性能（或例如ηc）与所存储的压缩机图进行比较，该所存储的压缩机图是通过在健康退化的不同阶段处操作类似物理设备和/或涡轮增压器、和/或具有各种类型的健康退化而生成的（诸如，通过针对具有降低的WG可操作性、退化的压缩机状态、积垢、和/或没有特定致动器或部件问题的典型老化的安装来确定压缩机图）。此外，从每个与特定类型的退化相关联的多个替代压缩机图中选择最佳拟合或最相关的压缩机图还可以允许标识特定类型的健康退化，从而帮助任何随后的故障排除或其他维护。例如，健康退化信息可以在预测性维护框架内使用以预测健康退化的趋势。针对交通工具操作者，此类增强对于在交通工具可用性和维护成本方面优化整个维护过程可能是有价值的。
在诸如OEM汽车、卡车和飞机之类的大规模生产系统的情境下，此类方法的使用相对容易观测，然而，就涡轮增压器本身的操作（独立于其他配置因子）可能能够进行类似的建模方法而言，它也可能是有用的。在一些示例中，计算SOH和/或相关残差的过程可以在多个操作点处执行，并且进一步地，可以由板载系统来执行，而最佳拟合或最相关的压缩机图（或其他健康退化模型）的标识由维护系统或在远程服务器处离线地执行。
依赖于CAC温度执行的SOH计算（与测量值相比所估计的）也可以用来排除压缩机性能作为导致该系统的降低性能的问题。更特别地，例如，通过依赖于与涡轮增压器操作相关联的空气流动模型，可以看到的是，该分析独立于其他因子，诸如燃料喷射器性能。例如，假设SOH估计接近健康状态，这意味着CAC温度预测与观测值对准，从而进一步指示正在递送标称压缩机性能。如果该系统中存在未知故障并且SOH估计接近健康状态，则可以排除该压缩机作为故障源。在另一方面，如果SOH退化，诸如接近故障状态，则可以假设未知故障源自于该压缩机或去往该压缩机的输入（诸如，相关的传感器和致动器），直到可以排除该压缩机和/或去往该压缩机的输入为止。然后，使用涡轮增压器示例，如果观测到退化的性能（功率损失、降低的燃料效率），则SOH可以通过故障排除来将诊断朝向或远离压缩机引导。
在一些示例中，在框280处，可以使用最佳拟合分析来驱动修改。例如，可以使用该系统的标称性能并且作出关于健康退化的各种模式的假设来计算多个修改的操作模型。使用来自框208的残差，可以确定对修改的模型之一的最佳拟合，并且所标识的最佳拟合模型然后可以用来调整控制方法282或压缩机图284中、或CAC 286的过热保护中的一个或多个因子。此外，示出了对实际性能的最佳拟合的模型可以用来通过标识最佳拟合模型表示若干可能故障模式中的哪一个来确定健康相关退化为什么发生。
在另一示例中，链接函数可以用于以预定方式来链接SOH和图参数。例如，可以操作ECU（或远程服务器）以基于所计算的SOH来跟踪至预期图移位的性能。因此，不是尝试对多个模型图进行最佳拟合分析，而是链接函数可以根据所计算的SOH来更新图参数。
在方法和系统实现方式两者的示例中，SOH分析可以在物理设备和相关联的可配置控制器中使用，所述物理设备具有与其相关联的用于控制所述物理设备的操作的多个致动器和用于观测所述物理设备操作的多个特性的多个传感器，其中所述多个致动器和多个传感器可操作地链接到所述可配置控制器。在一个示例中，所述可配置控制器可以适于存储随时间的多个SOH值，计算SOH趋势，以及预测所述物理设备的一个或多个部件的性能故障的时间。在另一示例中，所述可配置控制器可以适于将随时间的多个SOH值传送到远程服务器或外部服务或诊断系统，所述远程服务器或外部服务或诊断系统然后可以计算SOH趋势并且预测所述物理设备的一个或多个部件的性能故障的时间。所述物理设备的此类部件可以包括个体部件或系统，包括操作部分（阀、CAC、压缩机等）、致动器和/或传感器。
在更进一步的方法和系统实现方式示例中，SOH分析可以由板载或外部系统使用，以使用SOH来确定所述物理设备的部件是否达到性能故障的阈值；标识所述物理设备的性能降低或接收所述物理设备的性能降低的指示；以及或者：如果部件已经达到性能故障的阈值，则向用户报告所述部件是性能降低的候选根本原因；或者如果所述部件没有达到性能故障的阈值，则向用户报告所述部件不是性能降低的候选根本原因。另一示例可以使用相对阈值，而不是确定是否已经达到性能故障的阈值，诸如通过确定SOH是否指示所述系统的给定部件相对于性能故障阈值已经消耗到所选百分比。例如，给定部件的SOH可以被评定为从0%被消耗至100%被消耗，其中0%是标称条件（完全健康），并且100%是故障条件（或者，使用替代语言，寿命终止条件），并且警报阈值可以被设置在0-100%范围内，诸如在75%被消耗处，因此给定部件可以被认为是性能降低事件中的候选根本原因。在更进一步的示例中，可以针对部件确定寿命终止条件，并且可以相对于寿命终止条件来设置故障阈值，诸如再次使用0-100%范围，在75%被消耗处。可以使用其他数字边界。
图5-7图示了控制相关值的操纵。例如，如图5中所示，系统存储器可以被用来存储具有最小值和/或最大值的监视参数的表。标称表在300处示出，其具有多个此类监视参数，包括例如并且不限于歧管绝对压力（MAP）、质量空气流量（MAF）和涡轮速度（在该表中是TS）。参数可以具有允许的操作范围，并且因此图5中的表示出了此类操作的最大值和最小值。然而，如302处所示，可以修改参数中的一个或多个，诸如通过改变最大TS（在这个示例中）以计及该系统的SOH。例如，随着健康退化，在与SOH的关系（诸如，线性、二次、指数等）下，最大TS可能会降低。例如，可以使用基于总SOH或SOH的一个或多个残差元素的多项式来确定ΔTSH（其在图5中将是负的）。一个或多个其他参数（诸如MAP或MAF）也可以以类似的方式被改变。
图6示出了另一示例，其中标称表400图示了一个或多个参数的目标值，而不是操作的边界条件。在这里，再次，可以修改参数中的一个或多个，如402处所示。在进行此类修改中，个体参数（MAP、MAF、TS或其他）可以每个以不同的方式被修改，诸如通过针对每个使用不同的函数（多项式、指数等），和/或通过在每个分析中使用SOH计算的不同残差分量或总SOH。在又一些示例中，可以通过与SOH或其残差分量的直接关系来修改参数之一，而然后在先前修改的参数的基础上修改其他参数。更具体地，在非限制性示例中，如果SOH计算导致最大或目标涡轮速度降低，则可以相应地调整MAF目标。
虽然图5示出了对操作边界条件的调整，但是图6示出了对控制目标的调整，这可以在优化或PID类型控制方法中使用。
图7示出了特定于涡轮增压器图的另一示例。在这里，标称地在500处的喘振线已经被移动到位置502，从而减少了该系统的操作的可用区域。这个移位将再次通过使用SOH值本身或与SOH计算相关的残差中一个或多个来确定。也可以通过使用对一个或多个所存储的压缩机图的最佳拟合建模来采用如所示出的移位，可以如上面所描述的那样标识和实现该最佳拟合建模。因此，还可以修改其他特征（包括曲线、效率岛和节流线），而不仅仅是如图7中所示的那样移动喘振线500/502。
上面的详细描述包括对附图的参考，所述附图形成了本详细描述的一部分。附图以说明的方式示出了具体实施例。这些实施例在本文中也被称为“示例”。在本文档中，如专利文件中常见的那样，术语“一”或“一个”被用来包括一个或多于一个，其独立于“至少一个”或“一个或多个”的任何其他实例或使用。此外，在下面的权利要求中，术语“第一”、“第二”和“第三”等仅仅用作标签，并且不意图对它们的对象强加数字要求。
以上描述意图是说明性的，并且不是限制性的。例如，上面描述的示例（或其一个或多个方面）可以彼此结合地使用。诸如可以由本领域普通技术人员在回顾以上描述时使用其他实施例。一些示例可以包括除所示出或描述的那些之外的元素。本发明人还考虑了使用本文中示出或描述的那些元素的任何组合或排列的示例。
本文中描述的方法示例可以是至少部分地机器实现的或计算机实现的。一些示例可以包括用指令编码的计算机可读介质或机器可读介质，所述指令可操作来配置电子设备以执行以上示例中描述的方法。此类方法的实现方式可以包括代码，诸如微代码、汇编语言代码、高级语言代码等。此类代码可以包括用于执行各种方法的计算机可读指令。代码可以形成计算机程序产品的部分。此外，在示例中，代码可以有形地存储在一个或多个易失性、非暂时性、或非易失性有形计算机可读介质上，诸如在执行期间或在其他时间处。这些有形计算机可读介质的示例可以包括但不限于：硬盘、可移除磁盘或光盘、盒式磁带、存储卡或记忆棒、随机存取存储器（RAM）、只读存储器（ROM）等。
提供摘要是为了遵从37 C.F.R. §1.72（b），以允许读者快速地确定本技术公开的性质。它是以如下理解来提交的：即，它将不会被用来解释或限制权利要求的范围或含义。而且，在以上详细描述中，各种特征可以被分组在一起以简化本公开。这不应当被解释为意图未要求保护的所公开特征对于任何权利要求都是必不可少的。更确切地说，本发明的主题可在于比特定所公开实施例的所有特征更少的特征。因此，以下权利要求作为示例或实施例在此并入到本详细描述中，其中每个权利要求独立地作为单独的实施例，并且要设想此类实施例可以以各种组合或排列而彼此组合。应当参考所附权利要求、连同此类权利要求所享有的等同物的全部范围来确定保护范围。

Claims (16)

1.一种用于控制物理设备的可配置控制器，所述物理设备具有与其相关联的用于控制所述物理设备的操作的多个致动器和用于观测所述物理设备操作的多个特性的多个传感器，所述可配置控制器包括：
状态观测器，其被配置成通过与所述多个传感器通信来捕获所述物理设备的当前状态；以及
低级别控制器，其被配置成使用所述多个致动器的至少一个来控制所述物理设备的行为；以及
引擎控制单元(ECU)，其耦合到所述低级别控制器，所述ECU被配置用于通过以下各项来分析所述物理设备的健康状态(SOH)：
使用所述物理设备的一个或多个模型和所述物理设备的当前状态来估计所述物理设备中的第一参数的操作值；
使用所述多个传感器中的一个来测量所述物理设备中的第一参数的操作值；
将针对第一参数的估计值与测量值进行比较，以计算第一参数中的差异；以及
使用第一参数中的差异来计算所述物理设备的SOH，
其中所述物理设备是具有与其相关联的涡轮增压器的内燃机，所述涡轮增压器具有压缩机，并且所述低级别控制器使用针对涡轮增压器的压缩机图，进一步地，其中所述ECU被配置成使用SOH来修改所述压缩机图；并且
其中所述压缩机图包括喘振线，并且所述ECU被配置成鉴于SOH来调整喘振线。
2.根据权利要求1所述的可配置控制器，其中所述物理设备是具有与其相关联的涡轮增压器和增压空气冷却器(CAC)的内燃机，所述CAC具有出口，所述多个传感器中的一个传感器被定位在所述出口处以用于感测CAC出口的温度，并且第一参数是CAC出口温度。
3.根据权利要求1所述的可配置控制器，其中所述ECU被配置成存储SOH，以用于以后在对所述物理设备的维护操作期间来检索。
4.根据权利要求1所述的可配置控制器，其中所述ECU被配置成将所述SOH传输到远程存储器位置，以用于在所述物理设备的维护操作中使用。
5.根据权利要求1所述的可配置控制器，其中所述低级别控制器被配置成使用一个或多个边界条件来控制所述物理设备的行为，并且所述ECU被配置成使用SOH来修改由所述低级别控制器使用的边界条件中的一个或多个。
6.根据权利要求1所述的可配置控制器，其中所述低级别控制器被配置成使用一个或多个目标条件来控制所述物理设备的行为，并且所述ECU被配置成使用SOH来修改由所述低级别控制器使用的目标条件中的一个或多个。
7.根据权利要求1所述的可配置控制器，其中所述可配置控制器进一步被配置成：
存储随时间的多个SOH值，
计算SOH趋势，以及
预测所述物理设备的一个或多个部件的性能故障的时间。
8.根据权利要求1所述的可配置控制器，其中所述可配置控制器进一步被配置成：
使用SOH来确定所述物理设备的部件是否达到性能故障的阈值；
标识所述物理设备的性能降低或接收所述物理设备的性能降低的指示；以及：
如果所述部件已经达到性能故障的阈值，则向用户报告所述部件是性能降低的候选根本原因；或者
如果所述部件没有达到性能故障的阈值，则向用户报告所述部件不是性能降低的候选根本原因。
9.一种操作物理设备和相关联的可配置控制器的方法，所述物理设备具有用于控制所述物理设备的操作的多个致动器和用于观测所述物理设备操作的多个特性的多个传感器，其中所述多个致动器和多个传感器可操作地链接到所述可配置控制器，所述方法包括：
通过与所述多个传感器通信来捕获所述物理设备的当前状态；
使用所述多个致动器中的至少一个来控制所述物理设备的行为；
使用所述物理设备的一个或多个模型以及所述物理设备的当前状态来估计所述物理设备中的第一参数的操作值；
使用所述多个传感器中的一个来测量所述物理设备中的第一参数的操作值；
将针对第一参数的估计值与测量值进行比较，以计算第一参数中的差异；
使用第一参数中的差异来计算所述物理设备的健康状态(SOH)；以及
使用所述可配置控制器来存储SOH，
其中所述物理设备是具有与其相关联的涡轮增压器的内燃机，所述涡轮增压器具有压缩机，并且所述可配置控制器使用针对涡轮增压器的压缩机图来控制引擎操作，进一步地，其中所述方法包括通过鉴于SOH来调整喘振线，使用SOH来修改所述压缩机图。
10.一种方法，包括：
使用权利要求9所述的方法来存储随时间的多个SOH值；
计算SOH趋势；以及
预测所述物理设备的一个或多个部件的性能故障的时间。
11.一种方法，包括：
使用权利要求9的方法来存储一个或多个SOH值；
使用SOH来确定所述物理设备的部件是否达到性能故障的阈值；
标识所述物理设备的性能降低；以及：
如果所述部件已经达到性能故障的阈值，则向用户报告所述部件是性能降低的候选根本原因；或者
如果所述部件没有达到性能故障的阈值，则向用户报告所述部件不是性能降低的候选根本原因。
12.根据权利要求9所述的方法，其中所述物理设备是具有与其相关联的涡轮增压器和增压空气冷却器(CAC)的内燃机，所述CAC具有出口，所述多个传感器中的一个传感器被定位在所述出口处以用于感测CAC出口的温度，并且第一参数是CAC出口温度。
13.根据权利要求9所述的方法，其中所述可配置控制器将SOH存储在板载存储器中，以用于以后在对所述物理设备的维护操作期间来检索。
14.根据权利要求9所述的方法，其中存储SOH的步骤包括：所述可配置控制器将用于存储的SOH传输到远程存储器位置，以用于在所述物理设备的维护操作中使用。
15.根据权利要求9所述的方法，其中使用所述多个致动器中的至少一个来控制所述物理设备的行为的步骤包括：使用一个或多个边界条件来控制所述物理设备的行为，并且所述方法进一步包括所述可配置控制器使用SOH来修改所述边界条件中的一个或多个。
16.根据权利要求9所述的方法，其中使用所述多个致动器中的至少一个来控制所述物理设备的行为的步骤包括：使用一个或多个目标条件来控制所述物理设备的行为，并且所述方法进一步包括所述可配置控制器使用SOH来修改所述目标条件中的一个或多个。
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