CN114576026A - 电动致动器的磨损监测 - Google Patents

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D·赫里亚德尔
M·普科尔卡
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Abstract

本发明涉及电动致动器的磨损监测，提供了监测致动器的磨损状态的方法和系统。对致动器的一个或多个极限位置进行一个或多个观测，以确定当致动器未磨损时的参考极限位置。当致动器变得磨损时，当前极限位置和参考值之间的差值被用于监测致动器磨损。可以观测致动器磨损以识别或预测维护或更换的需要，和/或可以用于确定控制系统解决方案的健康影响。

Description

电动致动器的磨损监测
背景技术
发动机及其相关联的控制系统中的各种致动器受到磨损。例如，在电动马达和致动器的执行器之间的机械链接(诸如用于将电动马达联接到阀链接以操作阀)受到机械和热力学应力。在致动器的使用寿命期间，这样的致动器的磨损可能不总是表现在它所驱动的发动机或车辆的性能上。然而，随着磨损的进行，致动器不能到达其端部位置，导致功能的丧失，这将表现为动力的丧失。备选地，机械链接本身可能被中断，这意味着致动器不能行使任何控制。现有系统通常通过简单地对致动器已经致动的次数进行计数并与代表预期或额定寿命的固定数字进行比较来监测致动器的磨损状态。期望允许监测和理解磨损的实际状态的改进。
发明内容
本发明人已经认识到，除了别的以外，要解决的问题是需要用于监测致动器的磨损的状态的新的和/或备选的方法和系统。
第一说明性和非限制性示例采取监测致动器的方法的形式，该方法包括：在第一时间段期间，观测致动器的多次启动，并根据观测到的多次启动计算致动器的第一极限位置的至少第一参考值；在第一时间段之后的第二时间段期间，观测致动器的致动，计算致动器的第一极限位置的第二值，并将第二值与参考值进行比较以计算第一差值，并使用第一差值来确定致动器的磨损状态；和存储致动器的磨损状态。
另一个示例采取控制发动机系统的方法的形式，该发动机系统具有用于控制发动机的操作的至少一个致动器，该方法包括：应用优化例程，该优化例程集成发动机的健康因子以控制发动机的操作；执行第一说明性和非限制性示例的方法，以确定和存储致动器的磨损状态；和更新发动机的健康因子以考虑致动器的磨损状态。
附加地或备选地，发动机具有进气歧管和排气歧管，并且发动机系统包括排气再循环(EGR)阀，该阀被放置成适于允许排气从排气歧管再循环到进气歧管，并且至少一个致动器是用于EGR阀的致动器。
附加地或备选地，发动机包括进气歧管和排气歧管，并且发动机系统包括：涡轮增压器，其具有配置成压缩去往进气歧管的空气的压缩机和配置成接收来自排气歧管的排气并产生扭矩以驱动压缩机的涡轮；和废气门(WG)，其被放置成适于允许来自发动机的排气绕过涡轮，进一步其中，至少一个致动器是用于WG的致动器。
附加地或备选地，发动机包括进气歧管，并且发动机系统包括：压缩机，其被配置成压缩去往进气歧管的空气；和再循环阀(RCV)，其适于选择性地将在进气歧管处的压缩空气再循环到压缩机上游的位置；进一步其中，至少一个致动器是用于RCV的致动器。
附加地或备选地，发动机系统包括节气门，该节气门至少部分地控制到发动机的空气流，进一步其中，至少一个致动器是用于节气门的致动器。
附加地或备选地，该方法还可以包括将致动器的磨损状态与维护阈值进行比较，并且如果超过维护阈值，则宣布需要维护致动器。
附加地或备选地，该方法还可以包括：在第二时间段期间，重复确定致动器的磨损状态；确定致动器的磨损状态的趋势；和计算致动器的维护的时间。
附加地或备选地，该方法还可以包括将致动器的磨损状态传送到中央数据库。
第二说明性且非限制性示例采取用于控制物理装备的可配置控制器的形式，该物理装备具有与其相关联的用于控制物理装备的操作的多个致动器和用于观测物理装备操作的多个特性的多个传感器，该可配置控制器包括：状态观测器，其被配置成通过与多个传感器通信来捕获物理装备的当前状态；和优化器，其被配置成至少使用致动器来优化物理装备的行为；其中，状态观测器被配置成通过以下步骤来确定致动器中选定的一个的磨损状态：在第一时间段期间，观测致动器的多次启动，并且根据观测到的多次启动来计算致动器的第一极限位置的至少第一参考值；和在第一时间段之后的第二时间段期间，观测致动器的致动，计算致动器的第一极限位置的第二值，并将第二值与参考值进行比较以计算第一差值，并使用第一差值来确定致动器的磨损状态。
附加地或备选地，优化器可操作来使用与基于物理装备的当前状态的物理装备的优化性能相关联的至少一个第一项，以及与物理装备的一个或多个部件的健康退化相关联的至少一个第二项，并且优化器操作来指导致动器中的参数的使用，以最小化第一项和第二项的总和，其中，致动器的磨损状态被结合到至少一个第二项中。
第三说明性且非限制性示例采取用于控制发动机系统的可配置控制器的形式，该发动机系统包括具有进气歧管和排气歧管的发动机，该发动机系统具有与其相关联的用于控制发动机系统的部件的操作的致动器和用于感测致动器的位置的传感器，该可配置控制器包括：状态观测器，其被配置成通过至少与传感器通信来捕获物理装备的当前状态；和优化器，其被配置成至少使用致动器来优化物理装备的行为；其中，状态观测器被配置成通过以下步骤来确定致动器的磨损状态：在第一时间段期间，观测致动器的多次启动，并根据观测到的多次启动来计算致动器的第一极限位置的至少第一参考值；和在第一时间段之后的第二时间段期间，观测致动器的致动，计算致动器的第一极限位置的第二值，将第二值与参考值进行比较以计算第一差值，并使用第一差值来确定致动器的磨损状态。
附加地或备选地，优化器被配置成：将致动器的磨损状态结合到识别用于发动机的操作的控制参数的优化例程中；执行优化例程以生成控制解；并且向包括致动器的发动机系统发出控制信号，以实现控制解。
附加地或备选地，控制器还可以被配置成：响应于多次迭代，多次记录在第二时间段期间致动器的磨损状态；外推致动器的未来磨损状态；并且确定致动器的维护时间。
附加地或备选地，控制器还可以被配置成：将在第二时间段期间致动器的磨损状态与磨损阈值进行比较；并且如果致动器的磨损状态满足磨损阈值，则生成要求维护致动器的警报。
附加地或备选地，控制器还可以被配置成将致动器的磨损状态传送到中央数据库。
附加地或备选地，发动机系统包括排气再循环(EGR)阀，该阀被放置成适于允许排气从排气歧管再循环到进气歧管，并且致动器被配置成控制EGR阀。
附加地或备选地，发动机系统包括：涡轮增压器，其具有配置成压缩去往进气歧管的空气的压缩机和配置成接收来自排气歧管的排气并产生扭矩以驱动压缩机的涡轮；和废气门(WG)，其被放置成适于允许来自发动机的排气绕过涡轮，进一步其中，致动器被配置成控制WG。
附加地或备选地，发动机系统包括：压缩机，其被配置成压缩去往进气歧管的空气；和再循环阀(RCV)，其适于选择性地将在进气歧管处的压缩空气再循环到压缩机上游的位置；进一步其中，致动器被配置成控制RCV。
附加地或备选地，发动机系统包括节气门，该节气门至少部分地控制到进气歧管的空气流，进一步其中，致动器被配置成控制节气门。
该发明内容旨在介绍本专利申请的主题。它并不旨在提供排他性或详尽的解释。包括详细描述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，相同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同数字可以代表相似部件的不同实例。附图通过示例而非限制的方式大体上示出了本文献中讨论的各种实施例。
图1示出了带有涡轮增压器的说明性发动机；
图2示出了致动器的运动范围和随时间的磨损；
图3示出了致动器磨损监测的说明性方法；
图4至图5示出了使用致动器磨损计算的方法；以及
图6示出了说明性控制方法。
具体实施方式
图1示出了带有涡轮增压器的说明性发动机。整个系统以100示出，其具有在110处的具有多个气缸112的发动机，具有用于接收进入的空气流的进气歧管和用于在燃烧后释放排气的排气歧管。进入发动机的空气通过空气过滤器114被接收，并且流到压缩机122，压缩机122将空气压缩到增加的压力，以提高发动机的功率和效率。增压空气冷却器(CAC)在144处示出，用于降低从压缩机122出来的空气的温度。压缩和冷却的空气通过节气门146(表示为可调阻风阀(ACV))供给到发动机110的进气歧管。再循环阀(RCV) 140可以被提供以使压缩机122下游的压缩空气循环回到其输入端，并且可以根据需要例如在节气门关闭时被打开以防止压缩机喘振。压缩机122示出为可选的涡轮增压器120的一部分，该涡轮增压器120还包括置于从发动机110出来的排气气流中的涡轮124。涡轮124利用排气压力来旋转压缩机122。废气门(WG) 142被设置成通过将排气引导至排气口116而绕过涡轮124，从而允许调节涡轮124(和因此压缩机122)的速度。排气再循环(EGR)阀也在148处示出，其可控地将排气再循环回到发动机110的进气歧管。所示的各种阀和部件可以具有多种致动器来控制其位置，并且用来根据众所周知的方法控制和增强各种操作特性，包括效率、功率和/或诸如排气成分的环境因素。
在所示的示例中，包括了电动涡轮增压器(E-Turbo)来增强涡轮增压器120的操作。马达126机械地链接到在涡轮124和压缩机122之间的驱动轴。在低发动机速度下，并且在没有E-Turbo的情况下，当接收到增加功率的需求时，压缩机122不能提供所需的额外增压压力。在这种情况下，在进气歧管处的空气压力将保持相对较低，直到发动机速度增加，从而延迟对请求的功率增加的响应，这种现象被称为涡轮增压器滞后。对于E-Turbo设计，当在发动机以相对低的速度操作的情况下接收到功率需求时，马达126向压缩机122供应增加的功率以增加进气歧管空气压力，从而减少系统的滞后。马达126可以由专用电池130供电。在所示的示例中，电池130是可再充电的，并且充电器132被配置成从排气气流接收功率以对电池130再充电。在其他示例中，电池130可以改为从系统交流发电机充电，系统交流发电机可以直接从发动机传动系接收功率，如由虚线134所指示。
发动机控制单元(ECU)设置在150处，并经由到整个系统的致动器、阀、传感器和其他部件的各种连接件(未示出)来控制整体操作。在所示的示例中，在128处设置第二控制器作为E-Turbo控制器，其电连接到ECU。可以使用用于马达126的其他功率和控制拓扑。ECU150可以可操作地链接到下面参照图6描述的控制架构的其他部件，并且实现由控制架构生成的控制解，以控制系统中存在的各种致动器和阀，以及E-Turbo控制器128(如果包括的话)。
E-Turbo对于设计来说不是必需的，并且为了说明目的而示出。此外，如所示的涡轮增压器120可以完全省略，或者如果需要，可以用增压器(使用传动系功率来控制压缩机122，压缩机122仍将包括在增压器配置中，但是至少省略了涡轮124)或者由完全电动的压缩机122来代替。
可以监测整个系统中的任何致动器、致动器的任何子集或所有致动器，并且可以表征致动器的磨损或健康状态。例如，节气门(未示出，但是在CAC 144之后)、可变进气压缩机(VIC)(如果使用这样的压缩机)、RCV 140和/或WG 142各自与可以表征的致动器相关联。一些示例可以包括可变几何涡轮作为元件124，其本身可以与另一个致动器相关联，该致动器的磨损和/或健康可以被表征。由致动器驱动的阀或其他部件也可以被表征，并且其磨损状态被确定。
图2示出了致动器的运动范围和随时间的磨损。致动器以高度简化的形式在200处示出，移动的致动器部件在202处示出为朝向其动态范围的第一端210，并且在204处以虚线示出为朝向其动态范围的第二端212。在202和204处所示的位置可以分别是移动的致动器部件202或被致动的部件的第一和第二极限位置，这取决于人们希望如何描述它。当是新的时，致动器可以在定位在由在202处的移动致动器部件所示的位置处时完全接合，并且在定位在204处的虚线所示的位置处时完全脱离。作为示例，如果致动器驱动阀或执行器，当致动器处于位置202时，由于阀或执行器到达物理止动件，它不能在端部止动件210的方向上移动得更远。致动器在给定方向上不能移动得更远的位置是致动器在给定方向上的极限位置。随着致动器和/或其移动的部件随着时间的推移而磨损，其在接合和/或脱离位置处的端部位置可以改变，并且提供了额外的动态范围，如在206、208处所示，允许随着时间的推移进行调节以维持功能。
致动器200可以由传感器监测，其监测移动的致动器部件202的位置。因此，例如，可以提供力传感器来确定由致动器施加的力增加到力极限以上，指示完全接合或脱离。当朝向接合位置移动时，力传感器用来提供反馈，当完全接合发生时，该反馈停止致动，导致移动的致动器部件202停止。因此，可以监测朝向方向A的完全接合或朝向方向B的完全脱离的端部位置。当是新的时，有用的动态范围因此可以被确定，如在220处所示，并且完全接合和脱离的位置可以被记录。
在一些示例中，随着部件老化，无论是从动部件(例如执行器或阀)还是致动器，在完全接合方向A和完全脱离方向B中的每一个处的端部位置的变化都被监测。也就是说，从“新的”有用动态范围220到随后的有用动态范围222的变化被感测和跟踪。如在230和232处所指示，测量端部位置。这些测量的端部位置230、232然后用于分析，如图3所示。可以注意到，在其他示例中，测量的端部位置230、232也可以在其他方向上移动，或者可以各自在一个方向上偏移。例如，如果阀随着时间变得结垢，致动器不可能达到在220处所示的全动态范围，而是可能出现较小的动态范围240；如在240处所示，在范围的每一端处可能有不同的偏移。本文的方法也可以用来表征这种偏移，以确定致动器本身或其驱动的部件的磨损或健康状态。
图3示出了致动器磨损监测的说明性方法。反映感测到的致动器移动的端点的位置A和B在250、252处被用作该方法的输入值。在分析的第一阶段260期间，分别在262、264处计算位置A、B中的每一个的连续平均值。该分析的第一阶段260可以被认为是“学习”阶段，在该阶段，当致动器相对较新时，在实践中使用的实际位置被确定。第一阶段260可以被视为分析的“无磨损”阶段，如在266处所指示。在备选的公式表达式中，标称值可以被输入并用于限定位置A、B，允许省略分析的第一阶段。在学习阶段或第一阶段记录位置A、B之后，连续平均值然后被固定，例如，在经过一定时间或一定数量的驱动周期之后。
还在270处示出了第二阶段的分析。在第二阶段270，将A和B中的每一个的连续平均值与位置A和B的当前测量值进行比较，分别如在272和276处所示。所得差值的绝对值可以除以致动器的运动范围，如在274、278处所指示，并且第二阶段然后确定来自框274、278的两个结果的最大值280。范围相除步骤是可选的，并且在一些示例中可以省略。在一些示例中，提供在274、278处的相除是为了将结果归一化到零(0)和一(1)之间的区间。例如，可以使用被监测变量A和B的预期总变化范围。在其他示例中，可以省略相除步骤，并且输出值X反映了相对于来自第一阶段260的连续平均值的绝对变化。在一些示例中，监测给定致动器的更精细的方法可以省略在框280处的步骤，并且可以作为输出报告A和B位置中的每一个的值，从而允许独立于另一端点来监测致动器相对于其端点中的每一个的健康状况。
输出选择器阶段在290处示出。在292处，通过确定是否输出“无磨损”指示符或由第二阶段270输出的磨损状态指示符X来生成输出。因子C 254用来确定在292处发出哪个输出。
在一个示例中，因子C 254是基于时钟或日历时间、操作/使用时间或致动次数确定的致动器已被使用多少的指示符。例如，对于额定10000次致动、2年使用或4年日历时间(或任何其他合适的额定值)的致动器，可以使用额定使用的1%至5%的阈值(或根据需要从0.1%至99%的任何位置的某个其他分数)。在另一个示例中，可以监测向致动器发出的A、B信号变化的次数，或者可以跟踪端部位置学习阶段已经被执行的次数。大多数示例可能在因子C 254中使用相对较低的额定使用百分比，使得与致动器的总预期寿命相比，分析的第一阶段或学习阶段相对较短。如上所述，在备选方法中，可以省略分析的第一阶段，并且可以输入和固定标称值。
当学习阶段或第一时间段的结束发生时，因子C可能从“无磨损”指示符切换到“已使用”指示符。在达到该阈值之前，C可以指示“无磨损”，并且在292处的输出指示致动器或其他部件没有磨损。当C切换到“已使用”时，这可以被传送到框260，并且在262和264处的连续平均值是固定的并且不再被更新。备选地，学习阶段框260可以发出将因子C从“无磨损”切换到“已使用”的通信。此外，框290从在输出292处报告无磨损切换到在输出292处报告计算值X。其中因子C反映“无磨损”状态的操作间隔可以被认为是“第一时间段”，并且其中因子C反映“已使用”状态的操作间隔可以被认为是“第二时间段”，其中从第一时间段到第二时间段的切换可以基于例如日历持续时间、使用持续时间或致动次数中的任何一个或任何其他合适的因素而发生。
图4至图5以图表示出了图3中的这些计算如何可以随着时间的推移而操作和使用。在图4中，致动器的磨损状态示出在Y轴上，并且时间或使用量示出在X轴上。当致动器是新的时，在300处示出的区间期间，磨损的输出状态是“新的”，这用数字表示为“1”，因为在这个示例中，磨损状态被归一化到0和1之间的区间。在达到一定的使用量时，也就是说，当因子C从“无磨损”切换到“已使用”时，系统开始使用上面相对于图3描述的方法计算健康状态X。线310被说明性地示出以反映随时间推移的健康状态，在312、314处示出了单独的测量值。应当理解，可以存在几十个、几百个、几千个或更多个单独的测量值。所示出的趋势线是平滑的和线性的。可能单独的测量值在趋势线上方和下方变化。此外，趋势线可能不是线性趋势线，并且斜率可能随时间推移变化。
在所示的示例中，当X的值达到选定值时，这里示出为在330处与对应于X=0的在320处的线相交，致动器被声明为处于其使用寿命的终点，并且生成使用寿命终点警报。这种警报可以发生在致动器的实际失效之前，允许在失效之前进行预防性维护，这也可以防止例如由于实际失效而导致的损坏或操作减少。在其他示例中，在320处的线可以不在X=0处，并且可以被设置在X=0上方，以在达到X=0之前提供警报，从而可以提前安排更换或其他维护。在另一个示例中，当X的值跨越选定点时，可以生成多个警报，诸如当X=0.5时发出警报，当X=0.25时发出警报，以及当X=0.1时再次发出警报。在这些或不同的X值处，可以使用更多或更少的警报。
在一些示例中，系统可以被配置成在测量的磨损状态与预期退化不匹配的情况下警告用户。例如，如在340处所示，可以提供警报线，以在诸如在342处反映的测量值与预期退化曲线不相关或者与其他测量值不匹配的情况下警告用户。例如，可以统计地计算线340以识别异常值。例如，线340可以通过计算线310的趋势或向下斜率、确定沿着该线的测量值312、314的标准偏差、将标准偏差乘以选定的因子(例如3或4)以计算偏差阈值、以及从线310减去偏差阈值来确定。在一些示例中，如在342处所示的测量值可以被确定为异常值，在系统中引发与跟踪致动器位置的传感器相关的警报或故障代码；在线340以下的重复测量值可以用来生成另外的警报，指示致动器或传感器的意外失效。
图5示出了另一个示例。这里，同样，在因子C从“无磨损”切换之前，区域350简单地将磨损状态示出为处于上限，再次归一化到0至1的范围。当因子C切换到“磨损”时，计算的磨损状态(图3中的X)反映在图表上。随着时间的推移进行多次测量，在360处生成测量的趋势。在该示例中，在362处将测量的趋势外推至在372处指示的时间点，此时预期将达到警报极限370。在该示例中，警报极限370被提升到磨损状态等于0的点上方，在可能的失效之前提供警报。这种外推可以用来实现致动器的定期维护，避免潜在的意外停机。
对于图4至图5中的每一个，“无磨损”区域300、350可以比所示的更长或更短。应当理解，这两个图都并不旨在按比例绘制的。
在一些示例中，图4至图5中所示的数据也可以被传送到中央数据库。例如，对于一队车辆，中央数据库可以从车队中的每个车辆接收信息，以收集更广泛的车队健康情况。这种数据库可以用来识别异常车辆或车辆部件。例如，如果车队中的大多数车辆示出如图5所示的具有斜率360的退化趋势，则示出不同趋势的车辆可以被标记用于进一步分析和/或早期维护或其他干预。
图6示出了物理装备的控制架构。控制装置在400处示出，并且包括状态观测器402和优化器404。状态观测器402向优化器404提供一组当前状态变量x(k)，优化器404计算控制解并生成控制输出。
受控系统在410处示出，并且可以是例如图1所示的系统。优化器404计算可以应用于一组致动器412的过程参数的解，致动器412又控制物理装备414的操作。该组致动器412可以控制例如但不限于燃料或其他喷射器、可变喷嘴涡轮位置、节气门位置(包括相关联的致动器)、发动机制动、后处理(包括排气)元件部分、包括EGR阀及其致动器的排气再循环(EGR)、涡轮增压器、电动马达、将电动马达连接到其所作用的部件的致动器(诸如将电动马达连接到涡轮增压器的轴)、VIC、废气门(WG)致动器位置、再循环阀致动器的位置以及它们的组合。
受控系统410可以是例如但不限于内燃发动机，无论是柴油还是汽油，或者其子系统，诸如涡轮增压器、系统空气通道整体、催化剂等。本创新还可以更广泛地用于发动机或车辆环境之外的其他系统，包括例如但不限于洁净室和/或更一般的通风系统、锅炉、发电厂、熔炉和/或工厂/制造设备以及这种设备的生产线的管理，包括例如生产线中的挤出机或夹具，其中这些概念可以应用于这种产品、系统和装置中的多种致动器。
提供了多个传感器416。传感器416可以包括例如但不限于检测歧管绝对压力(MAP)、空气质量流量(MAF)、EGR流量、涡轮速度、氮氧化物、发动机速度、燃料量、增压压力等的传感器。附加的监测参数可以包括例如电动涡轮增压器的电动马达的扭矩输出、废气门(WG)标准化开度、再循环阀(RCV)标准化开度和/或可变几何压缩机配置。一些传感器可以感测致动器位置，诸如控制阀、执行器或者在电动马达和涡轮增压器的轴之间提供连接的致动器。这种传感器可以被配置成对被感测的基础参数进行采样并将这种样本的结果提供给状态观测器402。
状态观测器402可以随着时间记录感测的基础参数以及致动器位置，以提供系统操作的历史。状态观测器402还可以从健康监测器接收关于系统健康的信息，如框406所示。状态观测器402可以使用来自健康监测器406的数据来提高当前状态观测的准确性。在一些情况下，系统行为可以基于部件和致动器的磨损和/或老化程度而变化，并且因此状态观测器402可以向优化器404提供与健康和行为的变化相关的输入。例如，电池的健康状态可能随着时间的推移而劣化，从而影响诸如内阻或热导率的操作参数。通过在状态观测器中更新电池健康细节，并将该信息提供到优化器中，可以比原本的情况更准确地估计诸如充电状态的电池相关参数。例如，如果使用已知的负载条件来估计电池的充电状态，则更新电池的内阻将影响充电状态估计(这可能试图通过将电池视为具有已知内阻的电路元件来估计电池的零输出电压)。
状态观测器402和优化器404可以例如在微控制器中实现，该微控制器被配置成对一组存储的指令进行操作，以执行状态观测和优化例程。在另一个示例中，专用集成电路(ASIC)可以提供状态观测器功能，其可以包括来自致动器412和/或传感器416的数据的捕获或累积，这些数据又可以由配置有存储指令集的微控制器周期性地读取，用于使用例如模型预测控制(MPC)成本函数、线性二次调节器(LQR)控制、比例积分微分(PID)控制或其他控制算法来执行控制和/或优化计算。优化器404可以集成到车载诊断系统(未示出)中，或者与车载诊断系统分开提供，车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存储以供以后分析，如果需要，这两者可以另外集成到整个车辆处理单元中。
分析的输出被用来控制致动器412以某种方式操作系统410，以最小化操作参数与可控输出或物理装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、压缩机上的目标压差、目标质量流量或它们的组合中的任一个。例如，利用MPC函数，在预测范围内，观测到的状态到目标或参考值的距离被最小化，从而优化性能。作为示例，传统的MPC成本函数形式可以如等式1所示：
Figure 755652DEST_PATH_IMAGE001
[等式1]
其中，ud,k对应于操纵变量的期望分布，uk代表操纵变量，k表示离散时间实例，并且P代表预测控制器的预测范围。在该示例中，yr,k代表输出参考值，并且yk代表根据在相关时间范围期间要控制的物理装备的数学模型提供的预测值，而W1和W2指定加权项。传统的MPC成本函数在操作中被最小化，以便提供对物理装备的最佳控制。这样的过程可以由优化器404执行。
在另一个示例中，PID控制器可以用来考虑来自目标操作点的比例、积分和微分差值中的每一个。比例差值可以指示当前状态，积分差值可以识别随时间推移的过程偏移，并且微分差值可以指示操作中的变化的方向。利用PID控制，在监测时比例差值被最小化，以确保积分差值和微分差值不指示变化的性能，在进一步迭代后，变化的性能可能导致比例差增加。对于PID控制器，输出到致动器412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。例如，优化器404可以使用PID控制来代替MPC。如果需要，也可以使用诸如LQR控制的其他控制算法。
图6中的系统还包括在406处的单独的健康监测器框，其被配置成从传感器416、物理装备414和/或致动器412接收信息。由健康监测器框406获得的信息可以包括例如但不限于当前状态的指示(例如，阀是否打开以及打开到什么程度)、施加的控制信号等。
在一些示例中，健康监测器框406用来执行如上面图3至图5中任一个所示的方法。在其他示例中，健康监测器406可以集成到状态观测器402中。对于这样的示例，状态观测器402可以被配置成执行上面在图3至图5中示出和描述的方法，以监测、确定和/或预测致动器、阀或其他部件中的任一个的磨损状态。在一些示例中，致动器或致动器控制器可以通过从致动器的相关联的传感器获得数据并通过跟踪其自身的使用来存储与其自身健康相关的数据，并且然后执行如上面图3至图5中任一个所示的方法。
例如，状态观测器402和/或健康监测器406或致动器控制器可以记录致动器、阀或其他部件随时间推移的磨损状态。在一些示例中，状态观测器402和/或健康监测器406可以将一个或多个致动器或阀的磨损状态与一个或多个维护阈值或期望值进行比较，以确定被监测部件的磨损状态是否已经超过了要求长期、短期或即时维护中的任何一种的阈值，从而防止被监测部件的失效。
在一些示例中，状态观测器402和/或健康监测器406或致动器控制器可以确定被监测部件的磨损状态的趋势，以预测未来的维护需求或其潜在失效。例如，磨损状态可以被存储为在零(0)和一(1)之间的变量，其中一表示没有经受磨损的新致动器，并且零表示其中被监测部件已经被确定处于或接近使用寿命的终点的磨损状态。这可能类似于上面相对于图5描述的方法。
在一些示例中，状态观测器和/或健康监测器406可以诸如经由蜂窝或因特网通信将来自系统的当前或预计的磨损状态传送给监测整个车队或其他设施的健康的中央服务器。除了用于确定或预测维护需求之外，或者作为备选方案，任何这种部件的磨损状态可以用于优化例程。
框406出于说明的目的而示出，但是可以理解为被集成到优化器404中。框402、404和406的操作可以在微控制器中实现，该微控制器被配置成对一组存储的指令进行操作，用于执行状态观测、健康管理和优化例程。在另一个示例中，专用集成电路(ASIC)可以提供状态观测器402和/或健康监测器框406功能，其可以包括来自致动器412和/或传感器416的数据的捕获或累积，这些数据又可以由配置有存储指令集的微控制器周期性地(或响应于预定事件)读取，用于使用例如MPC成本函数、LQR控制、PID控制或其他控制方法来执行优化计算。针对单独的部件的各种应用描述于名称为“HEALTH CONSCIOUS CONTROLLER”的美国专利申请No. 17/008,076中。
包括致动器的磨损状态的健康因子可以结合到控制方案中。在第一方法中，在考虑健康影响后，使用MPC方法来优化性能，健康影响可以如这里在等式2中所示并入：
Figure 217857DEST_PATH_IMAGE002
[等式2]
其中，JMPC,T 代表不包括健康指示符的来自等式1的用于物理装备的传统MPC标准，HIk代表随着健康退化而降低的健康指示符，并且w1和w2是确定相对性能和健康指示符权重的加权因素。作为示例，HIk可以代表致动器的磨损状态和/或由于响应于在预测范围内的控制解而采取的动作而对致动器的磨损状态的预测影响。通过使用图3所示的方法，磨损状态可以随着时间的推移而更新，并在成本函数中实现。随着健康随着时间的推移而退化，优化计算可能改变。
为了监测每个致动对健康的影响，名称为“HEALTH CONSCIOUS CONTROLLER”的美国专利申请No. 17/008,076建议使用致动的数量来表示优化步骤的影响。因此，设置为在致动计算的时间范围内发生的致动器的每次移动将或多或少地被相等地计数。目前情况下的一个改进是使用利用图5的方法生成的趋势数据来替代对每次致动的影响的估计。因此，例如，在图5中提到的“第二时间段”期间，执行多个计算，当被监测的部件被致动时生成计算的磨损状态。使用线性外推法、最佳拟合或多项式，可以计算未来致动对致动器的磨损状态的影响，并且连续致动的该预测的健康影响可以被集成到健康优化计算中。
HIk可以是多个部件健康因子的健康指示符的组合，或者可以是单个部件的独立指示符。在一些示例中，对于几个健康影响中的每一个，可以包括多于一个的HIk因子，诸如通过具有例如用于WG的第一项、用于EGR阀的第二项、以及用于压缩机速度的变化的第三项，每个都具有单独的加权因子。在其他示例中，通过在HIk项中嵌套求和来考虑所有考虑的健康影响，从而可以修改等式2以考虑多个健康因子。HIk项内的单独的健康影响可以被进一步加权，因为更换EGR可能比更换压缩机更便宜且更简单，因此压缩机影响相对于EGR影响具有单独的加权。
备选的公式表达式在等式3中示出：
Figure 237766DEST_PATH_IMAGE003
[等式3]
其中，
Figure 115723DEST_PATH_IMAGE004
是健康指示符退化的指示，由在计算的时间范围内出现的步骤引起。使用WG作为示例，从时间实例k-1到时间实例k的增量可以反映WG被评级的致动循环的剩余部分中的变化，或者它可以反映WG的磨损状态的预计变化，未来的致动循环被计算以引起该变化。其他项与等式2中相同。因此，等式2代表健康状态最大化MPC方法，而等式3代表健康退化最小化MPC方法。
受控健康退化方法可以改为使用松弛变量来管理健康指示符退化。等式4是说明性的：
Figure 904688DEST_PATH_IMAGE005
[等式4]
这里，MPC标准(排除健康因子)可以与松弛变量一起计算，并且最小化加权和。松弛变量可以用等式5确定：
Figure 537794DEST_PATH_IMAGE006
[等式5]
其中，
Figure 44999DEST_PATH_IMAGE007
是最大允许健康退化因子，其可以使用历史数据来确定，或者可以定义为从标称值的百分比减少。松弛变量在低端可能以零为界。
在另一个示例中，使用两阶段方法来限制性能退化，同时也考虑健康退化。在该示例中，在第一阶段中确定性能优化解，并且在第二阶段中进行调整，以在有限的性能退化的情况下降低健康退化。标称性能解可以是例如但不限于使用等式1对MPC的预期限制。这里，公式2至4中的任一个都可以在实现标称性能解之后操作，同时应用等式6来限制性能退化：
Figure 661401DEST_PATH_IMAGE008
[等式6]
其中，ΔJ限定了允许健康退化优化带来的最大性能退化。因此，JHMPC的更新解受限于优化解的最大退化。
这些非限制性示例中的每一个都可以独立存在，或者可以以各种排列或组合与一个或多个其他示例组合。
以上详细描述包括对附图的参考，附图形成了详细描述的一部分。附图以举例说明的方式示出了具体实施例。这些实施例在这里也被称为“示例”。这样的示例可以包括除了所示出或描述的元素之外的元素。然而，本发明人还设想了其中仅提供所示出或描述的那些元素的示例。此外，本发明人还设想了使用示出或描述的那些元素(或其一个或多个方面)的任何组合或排列的示例，或者关于特定示例(或其一个或多个方面)，或者关于本文示出或描述的其它示例(或其一个或多个方面)。
在本文献与以引用方式并入的任何文献之间的用法不一致的情况下，以本文献中的用法为准。
在本文献中，如专利文献中常见的，术语“一”或“一个”用于包括一个或多于一个，独立于“至少一个”或“一个或多个”的任何其它实例或用法。此外，在权利要求中，术语“第一”、“第二”和“第三”等仅用作标签，并且不旨在对其对象强加数值要求。
本文描述的方法示例可以至少部分地是机器或计算机实现的。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，该指令可操作来配置电子设备以执行上述示例中描述的方法。这种方法的实施方式可以包括代码，诸如微码、汇编语言代码、高级语言代码等。这种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，在一个示例中，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它时间。这些有形计算机可读介质的示例可以包括但不限于硬盘、可移动磁盘或光盘、磁带盒、存储卡或记忆棒、随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)等。
上面的描述旨在为说明性的，而不是限制性的。例如，上述示例(或其一个或多个方面)可以彼此结合使用。可以使用其它实施例，诸如由本领域普通技术人员在阅读以上描述时使用。
提供说明书摘要以遵从37 C.F.R. §1.72(b)的规定，以允许读者快速确定技术公开的性质。提交本说明书摘要是基于这样的理解，即它将不用于解释或限制权利要求书的范围或含义。
此外，在以上详细描述中，各种特征可以被组合在一起以简化本公开。这不应该被解释为意味着未要求保护的公开的特征对于任何权利要求是必要的。相反，发明主题可以存在于特定公开的实施例的少于所有的特征中。因此，所附权利要求书由此作为示例或实施例并入详细描述中，每个权利要求独立地作为单独的实施例，并且预期这样的实施例可以以各种组合或排列彼此组合。保护范围应当参照所附权利要求书以及这些权利要求所授权的等同物的全部范围来确定。

Claims (20)

1.一种监测致动器的方法，包括：
在第一时间段期间，观测所述致动器的多次启动，并根据所述观测到的多次启动计算所述致动器的第一极限位置的至少第一参考值；
在所述第一时间段之后的第二时间段期间，观测所述致动器的致动，计算所述致动器的所述第一极限位置的第二值，并将所述第二值与所述参考值进行比较以计算第一差值，并使用所述第一差值来确定所述致动器的磨损状态；和
存储所述致动器的所述磨损状态。
2.一种控制发动机系统的方法，所述发动机系统具有用于控制发动机的操作的至少一个致动器，所述方法包括：
应用优化例程，所述优化例程集成所述发动机的健康因子以控制所述发动机的操作；
执行根据权利要求1所述的方法，以确定和存储所述致动器的磨损状态；和
更新所述发动机的所述健康因子以考虑所述致动器的所述磨损状态。
3.根据权利要求2所述的方法，其中，所述发动机具有进气歧管和排气歧管，并且所述发动机系统包括排气再循环(EGR)阀，所述排气再循环阀被放置成适于允许排气从所述排气歧管再循环到所述进气歧管，并且所述至少一个致动器是用于所述EGR阀的致动器。
4.根据权利要求2所述的方法，其中，所述发动机包括进气歧管和排气歧管，并且所述发动机系统包括：
涡轮增压器，其具有配置成压缩去往所述进气歧管的空气的压缩机和配置成接收来自所述排气歧管的排气并产生扭矩以驱动所述压缩机的涡轮；和
废气门(WG)，其被放置成适于允许来自所述发动机的排气绕过所述涡轮，
进一步其中，所述至少一个致动器是用于所述WG的致动器。
5.根据权利要求2所述的方法，其中，所述发动机包括进气歧管，并且所述发动机系统包括：
压缩机，其被配置成压缩去往所述进气歧管的空气；和
再循环阀(RCV)，其适于选择性地将在所述进气歧管处的压缩空气再循环到所述压缩机上游的位置；
进一步其中，所述至少一个致动器是用于所述RCV的致动器。
6.根据权利要求2所述的方法，其中，所述发动机系统包括节气门，所述节气门至少部分地控制到所述发动机的空气流，进一步其中，所述至少一个致动器是用于所述节气门的致动器。
7.根据权利要求1所述的方法，还包括将所述致动器的所述磨损状态与维护阈值进行比较，并且如果超过所述维护阈值，则宣布需要维护所述致动器。
8.根据权利要求1所述的方法，还包括：
在所述第二时间段期间，重复确定所述致动器的磨损状态；
确定所述致动器的所述磨损状态的趋势；和
计算所述致动器的维护时间。
9.根据权利要求1所述的方法，还包括将所述致动器的所述磨损状态传送到中央数据库。
10.一种用于控制物理装备的可配置控制器，所述物理装备具有与其相关联的用于控制所述物理装备的操作的多个致动器和用于观测所述物理装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装备的当前状态；和
优化器，其被配置成使用至少所述致动器来优化所述物理装备的行为；
其中，所述状态观测器被配置成通过以下步骤来确定所述致动器中选定的一个的磨损状态：
在第一时间段期间，观测所述致动器的多次启动，并且根据所述观测到的多次启动来计算所述致动器的第一极限位置的至少第一参考值；和
在所述第一时间段之后的第二时间段期间，观测所述致动器的致动，计算所述致动器的所述第一极限位置的第二值，并将所述第二值与所述参考值进行比较以计算第一差值，并使用所述第一差值来确定所述致动器的磨损状态。
11.根据权利要求10所述的可配置控制器，其中，所述优化器可操作来使用与基于所述物理装备的所述当前状态的所述物理装备的优化性能相关联的至少一个第一项，以及与所述物理装备的一个或多个部件的健康退化相关联的至少一个第二项，并且所述优化器操作来引导所述致动器中的参数的使用，以最小化所述第一项和所述第二项的总和，其中，所述致动器的所述磨损状态被结合到所述至少一个第二项中。
12.一种用于控制发动机系统的可配置控制器，所述发动机系统包括具有进气歧管和排气歧管的发动机，所述发动机系统具有与其相关联的用于控制所述发动机系统的部件的操作的致动器和用于感测所述致动器的位置的传感器，所述可配置控制器包括：
状态观测器，其被配置成通过与至少所述传感器通信来捕获所述物理装备的所述当前状态；和
优化器，其被配置成至少使用所述致动器来优化所述物理装备的行为；
其中，所述状态观测器被配置成通过以下步骤来确定所述致动器的磨损状态：
在第一时间段期间，观测所述致动器的多次启动，并且根据所述观测到的多次启动来计算所述致动器的第一极限位置的至少第一参考值；和
在所述第一时间段之后的第二时间段期间，观测所述致动器的致动，计算所述致动器的所述第一极限位置的第二值，将所述第二值与所述参考值进行比较以计算第一差值，并使用所述第一差值来确定所述致动器的磨损状态。
13.根据权利要求12所述的可配置控制器，其中，所述优化器被配置成：
将所述致动器的所述磨损状态结合到识别用于所述发动机的操作的控制参数的优化例程中；
执行所述优化例程以生成控制解；并且
向包括所述致动器的所述发动机系统发出控制信号，以实现所述控制解。
14.根据权利要求12所述的可配置控制器，还被配置成：
响应于多次迭代，多次记录在所述第二时间段期间所述致动器的所述磨损状态；
外推所述致动器的未来磨损状态；并且
确定所述致动器的维护时间。
15.根据权利要求12所述的可配置控制器，还被配置成：
将在所述第二时间段期间所述致动器的所述磨损状态与磨损阈值进行比较；并且
如果所述致动器的所述磨损状态满足所述磨损阈值，则生成要求维护所述致动器的警报。
16.根据权利要求12所述的可配置控制器，还被配置成将所述致动器的所述磨损状态传送到中央数据库。
17.根据权利要求12所述的可配置控制器，其中，所述发动机系统包括排气再循环(EGR)阀，所述排气再循环阀被放置成适于允许排气从所述排气歧管再循环到所述进气歧管，并且所述致动器被配置成控制所述EGR阀。
18.根据权利要求12所述的可配置控制器，其中，所述发动机系统包括：
涡轮增压器，其具有配置成压缩去往所述进气歧管的空气的压缩机和配置成接收来自所述排气歧管的排气并产生扭矩以驱动所述压缩机的涡轮；和
废气门(WG)，其被放置成适于允许来自所述发动机的排气绕过所述涡轮，
进一步其中，所述致动器被配置成控制所述WG。
19.根据权利要求12所述的可配置控制器，其中，所述发动机系统包括：
压缩机，其被配置成压缩去往所述进气歧管的空气；和
再循环阀(RCV)，其适于选择性地将在所述进气歧管处的压缩空气再循环到所述压缩机上游的位置；
进一步其中，所述致动器被配置成控制所述RCV。
20.根据权利要求12所述的可配置控制器，其中，所述发动机系统节气门，所述节气门至少部分地控制到所述进气歧管的空气流，进一步其中，所述致动器被配置成控制所述节气门。
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