DE102016121338B4 - System und Verfahren zum Steuern einer Brennkraftmaschine sowie nichtflüchtiges Speichermedium - Google Patents

Abstract

System zur Optimierung eines Maschinenbetriebs, wobei das System aufweist:eine Brennkraftmaschine (20); undeinen Regler (60), der derart konfiguriert ist, dass er eine Turbine mit variabler Geometrie und ein Abgasrückführventil während des Maschinenbetriebs steuert, wobei der Regler (60) zunächst ein standardmäßiges nichtlineares modellprädiktives Regelungsoptimierungsproblem (200) entwickelt und dann Gleichheitsbeschränkungen im standardmäßigen nichtlinearen modellprädiktiven Regelungsoptimierungsproblem mit Zustands- und Ausgabegleichungen (202) ändert, um dann ansprechend auf Maschinenbetriebsparameter ein nichtlineares, zeitdiskretes, ratenbasiertes, prädiktives Modell zu entwickeln und in der Lage ist, eine stationäre Nullverschiebungsspurverfolgung zu erzielen, und der Regler (60) das nichtlineare, zeitdiskrete, ratenbasierte, prädiktive Modell ohne Schätzer, Adaption oder Vorwärtsregelung verwendet, um eine Position der Turbine mit variabler Geometrie (66) und eine Abgasrückführventilposition (68) zum Steuern des Betriebs der Brennkraftmaschine (20) zu erzeugen, wobei der Betrieb der Brennkraftmaschine (20) basierend auf der erzeugten Position der Turbine mit variabler Geometrie (66) und der erzeugten Abgasrückführventilposition (68) fortgesetzt wird.

Description

• QUERVERWEIS AUF PARALLELANMELDUNG
• Diese Anmeldung ist eine Teilfortsetzung der US-Parallelanmeldung mit der Veröffentlichungsnummer US 2014 / 0 174 413 A1 und dem Aktenzeichen 13/724,957 , die am 21. Dezember 2012 unter dem Titel „RATE-BASED MODEL PREDICTIVE CONTROL METHOD FOR INTERNAL COMBUSTION ENGINE AIR PATH CONTROL“ eingereicht worden ist, und deren gesamter Inhalt hierin mit Bezugnahme aufgenommen ist.
• TECHNISCHES GEBIET
• Die vorliegende Beschreibung betrifft im Allgemeinen Verfahren und Steuerungen bzw. Regelungen für Brennkraftmaschinen, und insbesondere Verfahren zum Steuern von Dieselmaschinen.
• HINTERGRUND
• Die hierin als Hintergrund bereitgestellte Beschreibung dient dem Zweck, den Offenbarungsgehalt darzulegen. Die Arbeit der gegenwärtig benannten Erfinder ist in dem Ausmaß, wie sie in diesem Abschnitt „HINTERGRUND“ beschrieben sein kann, zusammen mit den Aspekten der Beschreibung, die anderweitig zum Einreichungszeitpunkt nicht als Stand der Technik angesehen werden können, weder explizit noch implizit als Stand der Technik gegen die vorliegende Technologie zugestanden.
• US 2007 / 0 174 003 offenbart ein System zum Betreiben einer Brennkraftmaschine mit einem Regler. Der Regler steuert u.a. eine Turbine mit variabler Geometrie und eine Abgasrückführung und verwendet ein ratenbasiertes, prädiktives Modell. WO 2006/ 107 525 A1 und US 2006 / 0 137 335 A1 beschreiben weitere Systeme und Steuerverfahren für Brennkraftmaschinen.
• Moderne Dieselmaschinen verwenden Turbinen mit variabler Geometrie (VGT), um die Luftmenge, die den Maschinenzylindern zugeführt wird, zu erhöhen. Die VGT variieren den Winkel der Turbinenstator-Einlassschaufeln, um die Luftmenge, die den Maschinenzylindern zugeführt wird, zu ändern.
• Moderne Dieselmaschinen müssen nicht nur optimale Leistung und optimalen Kraftstoffverbrauch bieten, sondern zusätzlich auch strenge staatliche Verordnungen für Emissionen, insbesondere Feinstaub und Stickstoffoxide bzw. Stickoxide, erfüllen. Um all diese Anforderungen zu erfüllen, verwenden Dieselmaschinen mit einem VGT auch ein Abgasrückführ-(AGR)-Ventil, das eine variabel gesteuerte Position zum Rückführen variierender Mengen von Maschinenabgas in die Maschinenzylinder zum Zweck einer vollständigeren Verbrennung und verringerter Maschinenemissionen hat.
• Da die Maschine mit einem breiten Spektrum von Betriebszuständen, umfassend die Maschinendrehzahl, den Kraftstoffverbrauch, die Maschinenlast, etc., arbeitet, ist ein, oder typischerweise mehrere, Regler in der Maschinensteuereinheit (ECU) integriert, um verschiedene Maschinenstellglieder als Reaktion auf Sensoren, die die Maschinenleistung erfassen, zu steuern, um die Maschinenleistung, die Emissionen, etc. zu optimieren.
• Die Verwendung von modellprädiktiven Regelungen (MPC) nimmt bei Maschinenregelungen zu. Eine standardmäßige Herangehensweise bei MPCs umfasst ein Integralverfahren, um einen nullprozentigen Fehler von Zustand zu Zustand sicherzustellen, das zusätzliche integrale Zustände zu dem prädiktiven Regelungsmodell hinzufügt. Das MPC-Modell verwendet eine Reihe verschiedener Maschinenbetriebsbereiche (Kraftstoffrate und Maschinendrehzahl), und entwickelt für jeden Bereich einen Regler zur Steuerung der Maschinenstellglieder.
• Bei einem spezifischen Beispiel einer auf eine Luftströmung einer Dieselmaschine angewandten modellprädiktiven Regelung werden die Strömungen in der Maschine unter Verwendung der Turbine mit variabler Geometrie (VGT), der AGR-Drossel, und einem AGR-Ventilstellglied gesteuert. Diese Systeme sind eng miteinander verbunden und sind stark nichtlinear.
• Vorherige Anmeldungen modellprädiktiver Regler für Brennkraftmaschinen und insbesondere für Dieselmaschinen haben jedoch eine Mehrzahl von Betriebsbereichen der Maschinenleistung verwendet, welche jeweils einen separaten prädiktiven Regler erforderten. Ferner verwendet jeder prädiktive Regler ein integral wirkendes Verhalten, das Probleme mit übermäßigen Beschränkungen der gesteuerten Maschinenvariablen bereiten.
• Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen modellprädiktiven Regler für eine Brennkraftmaschine zu schaffen, der zum einen eine geringe Anzahl an Betriebsbereichen für eine verringerte Rechenzeit, sowie Speicheranforderungen hat, während er zugleich keinerlei Spurverfolgungsfehler von Zustand zu Zustand der maschinengesteuerten Leistungsvariablen aufweist.
• Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen gehen aus den Unteransprüchen hervor.
• KURZFASSUNG
• Dieser Abschnitt stellt eine allgemeine Kurzfassung der Offenlegung bereit, und stellt keine umfassende Offenlegung des vollen Schutzumfangs ihrer Merkmale dar.
• Nach verschiedenen Aspekten schafft die vorliegende Lehre ein System zur Optimierung des Maschinenbetriebs. Das System kann eine Brennkraftmaschine, beispielsweise eine Dieselmaschine, und einen Regler umfassen. Der Regler kann derart konfiguriert sein, dass er während des Maschinenbetriebs eine Turbine mit variabler Geometrie (VGT) sowie ein Abgasrückführ-(AGR)-Ventil steuert. Der Regler entwickelt als Reaktion auf Maschinenbetriebsparameter wie dem Maschinenansaugkrümmerdruck und der AGR-Rate ein zeitdiskretes, ratenbasiertes, prädiktives Modell. Der Regler verwendet das zeitdiskrete, ratenbasierte, prädiktive Modell, um eine VGT-Position und eine AGR-Ventilposition zu erzeugen.
• Nach anderen Aspekten schafft die vorliegende Lehre ein Verfahren zum Steuern einer Brennkraftmaschine. Das Verfahren kann das Gewinnen von Messungen und Schätzungen des Ansaugkrümmerdrucks und der AGR-Rate umfassen. Das Verfahren kann ebenso das Entwickeln eines zeitdiskreten, ratenbasierten, prädiktiven Modells als Reaktion auf die Messungen des Ansaugkrümmerdrucks und der AGR-Rate, unter Verwendung eines Reglers umfassen. Der Regler kann unter Verwendung des zeitdiskreten, ratenbasierten, prädiktiven Modells eine VGT-Position und eine AGR-Ventilposition erzeugen.
• Nach weiteren Aspekten schafft die vorliegende Lehre ein nichtflüchtiges Speichermedium mit darauf gespeicherten computernutzbaren Anweisungen, die bei Ausführung ein Verfahren zum Steuern einer Brennkraftmaschine durchführen. Das Verfahren kann das Gewinnen von Messungen und Schätzungen des Ansaugkrümmerdrucks und einer AGR-Rate umfassen. Das Verfahren kann ebenso das Entwickeln eines zeitdiskreten, ratenbasierten, prädiktiven Modells als Reaktion auf die Messungen des Ansaugkrümmerdrucks und der AGR-Rate, unter Verwendung eines Reglers umfassen. Der Regler kann unter Verwendung des zeitdiskreten, ratenbasierten, prädiktiven Modells eine VGT-Position und eine AGR-Ventilposition erzeugen.
• Weitere Anwendungsbereiche und verschiedene Verfahren zum Verbessern vorstehender Verbindungstechnik gehen aus der hier dargelegten Beschreibung hervor. Die Beschreibung und die in dieser Kurzfassung aufgeführten spezifischen Beispiele dienen lediglich zur Veranschaulichung und sollen den Schutzumfang der vorliegenden Offenlegung nicht einschränken.
• Figurenliste
• Die verschiedenen Merkmale, Vorteile und weiteren Verwendungen des vorliegenden Maschinensteuerverfahrens gehen aus der folgenden detaillierten Beschreibung und der Zeichnung deutlicher hervor, wobei in dieser:
• 1 eine bildliche Darstellung einer Dieselmaschine ist, die einen ratenbasierten modellprädiktiven Regler verwendet;
• 2 ein Blockdiagramm ist, das die Eingaben und Ausgaben des ratenbasierten modellprädiktiven Reglers zeigt;
• 3 ein schematisches Blockdiagramm einer Maschine ist, die den ratenbasierten modellprädiktiven Regler aus 2 verwendet;
• 4 ein Flussdiagramm ist, das die Sequenzschritte und den Betrieb des ratenbasierten modellprädiktiven Steuerverfahrens darstellt;
• 5 ein Graph ist, der eine AGR-Ventilposition in Bezug auf eine Abtastwertzahl darstellt;
• 6 ein Graph ist, der einen VGT-Arbeitszyklus darstellt;
• 7 ein Graph ist, der eine Überschwingungsbeschränkungsdurchsetzung (eng.: „overshoot constraint enforcement“) darstellt;
• 8 ein Graph ist, der projizierte Trajektorien bzw. Kurven eines Ansaugdrucks im Zeitverlauf darstellt;
• 9 ein Graph ist, der eine Anzahl von abgetasteten Bereichen im Zeitverlauf darstellt;
• 10 ein Graph ist, der Zeithistorien des Ansaugdrucks und der AGR-Rate darstellt;
• 11 ein Graph ist, der Zeithistorien der AGR-Drosselposition darstellt;
• 12 ein Graph ist, der Zeithistorien der AGR-Ventilströmung und der befohlenen AGR-Ventilströmung darstellt;
• 13 ein Graph ist, der Zeithistorien des befohlenen VGT-Auftriebs darstellt;
• 14 ein alternative Flussdiagramm zu 4 ist, das die Sequenzschritte und den Betrieb eines zeitdiskreten ratenbasierten modellprädiktiven Steuerverfahrens darstellt; und
• 15 eine Graphenserie ist, die eine Closed-Loop-Simulation bzw. Simulation im geschlossenen Regelkreis unter Verwendung des zeitdiskreten ratenbasierten nichtlinearen modellprädiktiven Regelung in Schleife mit einem Toyota GD-Maschinen-Mittelwertmodell darstellt.
• Es ist zu beachten, dass die hier dargelegten Figuren dazu dienen sollen, die allgemeinen Charakteristika derjenigen Verfahren, Algorithmen, und Vorrichtungen der vorliegenden Technologie zu veranschaulichen, die zum Zweck der Beschreibung bestimmter Aspekte dienen. Diese Figuren drücken gegebenenfalls nicht die exakten Charakteristika eines gegebenen Aspekts aus, und sollen nicht notwendigerweise dazu dienen, die spezifischen Ausführungsformen innerhalb des Schutzumfangs dieser Technologie zu definieren oder zu beschränken. Ferner können bestimmte Aspekte Merkmale einer Kombination der Figuren beinhalten.
• DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
• In Bezug auf 1 umfasst eine nachstehend mit einer Dieselmaschine als Beispiel beschriebene Brennkraftmaschine 20 einen Maschinenblock 22, der eine Mehrzahl von Zylindern 24 aufnimmt. Eine mit einer nicht gezeigten Kraftstoffzufuhr verbundene Kraftstoffschiene 26 führt einer Mehrzahl von Kraftstoffinjektoren 28 Dieselkraftstoff zu, wobei für jeden Zylinder 24 ein Kraftstoffinjektor vorgesehen ist.
• Ein Ansaugkrümmer 30 ist mit den Zylindern 24 gekoppelt, um jedem der Zylinder Ansaugluft zuzuführen. Ein Ansaugkrümmer-Drucksensor 32 ist mit dem Ansaugkrümmer 30 gekoppelt, um den Luftdruck in dem Ansaugkrümmer zu messen.
• Ein Abgaskrümmer 34 führt Verbrennungsgase von den Zylindern 24 aus dem Maschinenblock 22 ab.
• Ein AGR-Ventil 40 ist mit einem Umgehungspfad zwischen dem Ansaugkrümmer 30 und dem Abgaskrümmer 34 gekoppelt, um einen Teil der Abgase von dem Abgaskrümmer 34 zur Zufuhr zu den Zylindern 24 in den Ansaugkrümmer 32 zurückzuführen. Ein AGR-Kühler 42 kann zusammen mit dem AGR-Ventil 40 mit dem Umgehungspfad gekoppelt sein.
• Eine AGR-Drossel 44 ist in dem Luftströmungspfad des Kompressors 46 der Turbine mit variabler Geometrie (VGT) 48 angebracht, um die Gaszirkulation zu steuern.
• Ein Zwischenkühler 50 kann vor der AGR-Drossel 44 vorgeschaltet in dem Ansaugluftpfad angeordnet sein.
• Die Turbine mit variabler Geometrie 48 steuert den Ansaugkrümmerdruck mittels des Kompressors 46, indem sie den Winkel der Turbineneinlassschaufeln steuert.
• Gemäß dem vorliegenden Verfahren verwendet eine ratenbasierte modellprädiktive Regelung (RB-MPC) für die Maschine 20, wie in 2 gezeigt ist, eine Mehrzahl von Steuereingängen, z. B. den Ansaugkrümmerdruck 62 und die AGR-Rate 64. Wie nachstehend beschrieben wird, wird eine partielle nichtlineare Invertierung bzw. Umkehrung verwendet, um die zwei Eingaben 62 und 64 jeweils auf die VGT-Position und die AGR-Ventilposition zurückzuverfolgen. Die partielle Invertierung bzw. Umkehrung verringert das Maß der Modell-Nichtlinearität, und stellt einen ersten Schritt zum Verringern der Anzahl von Zonen zur Abdeckung des Maschinenbetriebsbereichs und somit der Rechenkomplexität dar.
• Die partielle Inversion bzw. Umkehrung verhindert auch die Notwendigkeit eine Gleichstromverstärkungsumkehr zu bewältigen. Die Gestaltung des Reglers 60 verwendet eine Partitionierung des Maschinenbetriebsbereichs, bestehend aus der Maschinendrehzahl und der Kraftstoffrate, für Maschinenmodelle mit reduzierter Ordnung innerhalb jeder Betriebszone. Unter den Regelungs- und Zustandsbeschränkungen muss gegebenenfalls nur eine einzige Zone für eine gute Spurverfolgungsleistung verwendet werden. Daher kann die ROM-Nutzung in der ECU, sowie die Regler-Kalibrierungszeit verringert werden. Für den Betrieb der AGR-Drossel kann ein separater Regler eingesetzt werden.
• Eine explizite MPC-Lösung kann berechnet werden und wird in der ECU 70, 3, anstelle einer auf einer bordeigenen quadratischen Programmierung basierenden Lösung verwendet. Diese Umsetzung ist durch eine eingeschränkte Rechenleistung und die Einfachheit der Kodierung motiviert.
• Das ratenbasierte prädiktive Modell kann die folgenden nicht beschränkenden Elemente oder Merkmale umfassen:
• • ein Sollwert-Kennfeld, das Sollwerte für den Ansaugdruck und die AGR-Rate vorgibt;
• • ein Vorhersage- bzw. Prädiktionsmodell basierend auf Linearisierung in reduzierter Ordnung des Dieselmaschinenmodells;
• • einen expliziten, modellprädiktiven Regler, der einen angeforderten VGT-Auftrieb und eine angeforderte AGR-Strömung erzeugt, während er zeitvariierende Beschränkungen auf den Ansaugdruck und die maximale AGR-Strömung umsetzt;
• • einen partiellen Invertierungsblock, der den VGT-Arbeitszyklus (Schließgrad in %) und die AGR-Ventilposition (Öffnungsgrad in %) berechnet;
• • Kalmanfilter-Schätzungen basierend auf Messungen des Ansaugdrucks, der von der ECU geschätzten AGR-Rate, und dem Luftmassenstrom (MAF);
• • einen AGR-Drossel-Regler (Schließgrad in %), der die Drossel basierend auf der Spanne zwischen der angeforderten AGR-Strömung und der maximalen AGR-Strömung schließt; und
• • einen auf der Markovkette basierenden MPC-Bereichsauswahlprozess, der die Wahrscheinlichkeitsordnung für den geeigneten Bereich des expliziten, modellprädiktiven Reglers sucht.
• Das nichtlineare Modell für die Maschine 20 kann bei Schritt 100, 4, unter Verwendung eines Mittelwert-Gray-Box-Modellierungsansatzes, der Physik und Datenabgleiche verwendet, entwickelt werden. Die hauptsächlichen dynamischen Zustände in dem Modell bilden der Ansaugkrümmerdruck, der Abgaskrümmerdruck, der Vordrosseldruck, die Turbolader-Turbinendrehzahl, die AGR-Kühler-Auslasstemperatur, die Ansaugkrümmerdichte, die Abgaskrümmerdichte, Ansaugkrümmer-Verbrennungsgasfraktion, die Abgaskrümmer-Verbrennungsgasfraktion und die Maschinentemperatur. Die Eingaben in das Modell sind die Maschinendrehzahl, die Kraftstoffrate, der VGT-Arbeitszyklus, und die AGR-Drosselposition.
• Um das Modell linearer zu gestalten, werden der Ansaugkrümmerdruck 62 und die AGR-Ventilströmungsrate 64 anstelle des VGT-Arbeitszykluses und der AGR-Ventilposition als Steuereingaben gewählt. Die Steuerstrategie verwendet eine partielle nichtlineare Invertierung bzw. Umkehrung, um den VGT-Arbeitszyklus und die AGR-Ventilposition aus den vorgegebenen Steuereingaben 62 und 64 zu gewinnen. Die übrigen Eingaben, das heißt, die Maschinendrehzahl, die Kraftstoffrate und die AGR-Drosselposition bleiben unverändert. Die Ausgaben werden als VGT-Auftrieb und AGR-Ventilströmungsrate, sowie die nicht gezeigte MAF ausgewählt. Die MAF wird nur als eine Eingabe für den Kalmanfilter verwendet.
• Der Maschinenbetriebsbereich (Kraftstoffraten- und Maschinendrehzahlbereich) ist in Zonen aufgeteilt, die auf ausgewählte Betriebspunkte zentriert sind. An jedem Betriebspunkt ist das nichtlineare Modell linearisiert, wodurch sich ein lineares Modell 10. Ordnung ergibt. Ausgewogene Trunkierung bzw. symmetrische Rundung bzw. „Balanced truncation“ wird angewandt, um die Modellordnung zu reduzieren. Basierend auf der Analyse Hankel'scher Singulärwerten und einem Vorentwurf wurde bestimmt, dass die Ordnung des linearen Modells um zwei reduziert werden kann. Da die Zustände des Modells mit reduzierter Ordnung physikalische Zustände transformieren, wird ein Zustandsbeobachter verwendet, um diese durch die gemessenen Ausgaben zu schätzen. Das Herabsetzen der Ordnung der linearen Gestaltung und des Modells ist vorteilhaft, da die Größe des Regler-ROMs verringert wird und der Zustandsbeobachter geringer dimensioniert ist.
• Um das ratenbasierte, prädiktive Modell zu formulieren, wird bei Schritt 102 ein zeitkontinuierliches, lineares Modell zweiter Ordnung verwendet. Bei Schritt 104 wird anschließend, wie folgt, ein ratenbasiertes Model als Derivat des linearen Modells erzeugt, $$\xi ={\left[\dot{x},y\right]}^T$$

  

  $$\dot{\xi }=\overline{A}\xi +{\overline{B}}_1\dot{u}+{\overline{B}}_2\dot{d},y=\overline{C}\xi$$

  

  $$\overline{A}=\left[\begin{array}{cc}A& 0\\ C& 0\end{array}\right],{\overline{B}}_1=\left[\begin{array}{l}{B}_1\\ D_1\end{array}\right],{\overline{B}}_2=\left[\begin{array}{l}{B}_2\\ D_2\end{array}\right],\overline{C}=\left[\begin{array}{cc}0& I\end{array}\right])$$

  

  wobei ξ ein erweiterter Zustand, bestehend aus dem Zustandsderivat der zwei reduzierten Ordnungszustände, x, und der Ausgaben, y, des Ansaugdrucks und der AGR-Rate ist. Das u ist der Vektor der Ausgaben (VGT-Auftrieb, AGR-Ventilströmung), und d ist der Vektor der gemessenen Störgrößen, (AGR-Drosselposition, Maschinendrehzahl, und Kraftstoffrate). Die zeitkontinuierliche Systemrealisierung entsprechend A, B₁. B₂, C wird anschließend mit einer Zeitspanne von T_s =32_{m sec} zeitdiskret umgewandelt, um jeweils A_d, B_1d, B_2d, C_d zu erzeugen. Das ratenbasierte, prädiktive Modell (RB-MPC) nimmt die folgende Form an: $$\left[\begin{array}{c}{\xi }_{k+1}\\ u_{k+1}\\ {\dot{d}}_{k+1}\\ o_{k+1}\\ r_{k+1}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{ccccc}{\overline{A}}_d& 0& {\overline{B}}_{2d}& 0& 0\\ 0& I& 0& 0& 0\\ 0& 0& \lambda & 0& 0\\ 0& 0& 0& I& 0\\ 0& 0& 0& 0& I\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{\xi }_k\\ u_k\\ {\dot{d}}_k\\ o_k\\ r_k\end{array}\right]+\left[\begin{array}{c}{B}_{1d}\\ T_s\\ 0\\ 0\\ 0\end{array}\right]{\dot{u}}_k$$

  
• Das Modell optimiert die Regelgeschwindigkeiten u̇_k. Die Zustände u̇_k sind momentane Werte der Regelungen. Der abgeleitete Wert d_k der gemessenen Störgrößen wird mit 0 ≤ λ. ≤ 1 vergrößert, und ist eine Vorhersageverzögerungsrate des abgeleiteten Werts der Störgröße und wird basierend auf Simulationen ausgewählt. o_k und r_k bleiben unverändert.
• Die Mehrkosten gewichten Spurverfolgungsfehler, Regelungsaufwand, und Schlupfvariablen. Des resultierende Optimierungsproblem hat, unter Annahme von k = 1 als derzeitigen Zeitpunkt, die folgende Form, $$minimiere{\left({\xi }_N-{\xi }_d\right)}^{T}P\left({\xi }_N-{\xi }_d\right)+{\displaystyle {\sum }_{i=1}^N{\left(y_i-r_i\right)}^{T}Q\left(y_i-r_i\right)+{\dot{u}}_i^{T}R{\dot{u}}_i+M{\in }^2}$$

  

  Regelungsbeschränkungen unterliegend: $$u_{min}\le u_k\le u_{max},\forall k=1\dots N$$

  

  unter Verwendung eines Steuerhorizonts von 1: $${\dot{u}}_k=0fork\ge \mathrm{2,}$$

  

  und in Abhängigkeit von einer Ansaugdrucküberschwingungsbeschränkung, die intermittierend bei n ∈ I ⊂ {1,2,....,N_c} durchgeführt wird: $$y_{MAPn}-r_n\le o_{Überschreitungen,n}+\in \text{,}$$

  

  $$\in \ge 0.$$

  

  wobei ξ_d=[0r_N]^T die gewünschte stationäre Größe ist. Die terminalen Kosten, (ξ_N - ξ_d)^TP(ξ_N - ξ_d), verwenden die P Matrix entsprechend der Lösung der algebraischen Riccati-Gleichung des zugehörigen unbeschränkten LQ-Problems.
• Um die Anzahl von Bereichen in dem expliziten Regler zu reduzieren, wurde der Steuerhorizont als einzelner Schritt ausgewählt. Unter Verwendung der MPC-Richtlinien zur Auswahl des Vorhersagehorizonts, und nach Einstellen des Reglers in der Simulation, wurde der Ausgabebeschränkungshorizont als Nc = 30 Schritte festgelegt und der Vorhersagehorizont als N = 50 Schritte.
• Der explizite MPC ratenbasierte Regler 60 wird bei Schritt 106 in Form eines stückweise affinen Regelgesetzes unter Verwendung einer MPT-Toolbox für Matlab erzeugt. Der Regler 60 hat eine stückweise affine Regelgesetzform. $$u_{k+1}=u_k+T_s\left(F_i{x}_{aug}+G_i\right),if{H}_i{x}_{aug}\le K_k)$$

  

  wobei i ∈ {1,...,n_r} den ith vielflächigen Bereich kennzeichnet, (F_i ^X _aug + G_i) die angeforderten Steuersätze liefert, und ü, $$x_{aug}=\left[\begin{array}{c}{\widehat{\xi }}_k\\ u_k\\ {\dot{d}}_k\\ o_k\\ r_k\end{array}\right]$$

  

  wobei ξ̂_k der geschätzte Regelstreckenmodellzustand ist. Der gesamte erweiterte Zustand, Xa_ug, in (12) hat eine Dimension von 16.
• Die partielle Invertierung bzw. Umkehrung wird in dem ratenbasierten modellprädiktiven Regler 60 angewandt, um das AGR-Ventilpositionsregelsignal durch das AGR-Strömungsregelsignals zu ersetzen und das VGT-Arbeitszyklussignal durch das VGT-Auftriebsregelsignal zu ersetzen. Die AGR-Ventilströmung ist eine Funktion des Ansaugdrucks, des Abgasdrucks, der Abgastemperatur, der AGR-Ventilposition, und der Maschinendrehzahl. Die Invertierung bzw. Umkehrung der AGR-Strömung zur AGR-Ventilposition ist in Huang et al., Towards Combining Nonlinear and Predictive Control of Diesel Engines beschrieben. Proceedings of the 2013 American Control Conference; Washington, DC, USA, June 2013. Da die AGR-Ventilströmung als eine ECU-Schätzung verfügbar ist, kann ein PID-Regler auch auf die Differenz zwischen der AGR-Strömungsschätzung und der angeforderten AGR-Strömung angewandt werden. 5 deutet an, dass die Invertierung bzw. Umkehrung selbst ohne den PID-Regler ausreichend präzise ist. Die Abweichungen werden durch die PID-Rückkoppelung und durch die MPC-Rückkoppelung der äußeren Regelschleife kompensiert.
• Die partielle Invertierung bzw. Umkehrung (jedoch ohne dynamische Kompensierung, da der VGT-Auftrieb nicht gemessen wird) wird auch dazu verwendet, den von dem MPC-Regler angeforderten VGT-Auftrieb in einen befohlenen VGT-Arbeitszyklus umzuwandeln. Die pneumatischen VGT-Stellglied-Dynamiken sind komplex und umfassen Schaltdifferenzen bzw. Hysterese. Dennoch übersetzt das Modell den VGT-Auftrieb, die Maschinendrehzahl, den Abgasdruck und die Abgastemperatur (die als ECU-Schätzungen verfügbar sind) in den VGT-Arbeitszyklus, siehe 6.
• Die Drosselsteuervorrichtung ist unabhängig von dem RB-MPC Regler 60 und nimmt die folgende Form an: $$\begin{array}{c}{\theta }_{thr}=\{\begin{array}{c}{\theta }^{req}if{W}_{egr}^{max}-W_{egr}^{req}>M_{egr}\\ {\theta }^{req}+C_{PID}\left(s\right)\left(M_{egr}-W_{egr}^{max}+W_{egr}^{req}\right)\end{array}\\ \text{andernfalls}\end{array}$$

  
• Die Drosselsteuervorrichtung stellt die Drosselposition auf den Maschinendrehzahl- und Kraftstoff-abhängigen Sollwert Θ^req ein, der von dem vorwärtsgekoppelten Drosselpositionskennfeld vorgegeben ist, sofern eine Spanne M_egr, zwischen der angeforderten AGR-Strömung, $W_{egr}^{req},$

  

  und der größtmöglichen AGR-Strömung $W_{egr}^{max}$

  

  beibehalten wird. Wenn diese Spanne abgebaut wird, wird ein PID-Regler, C_PID(s), angewandt, um die Spanne durch Schließen der AGR-Drossel wiederherzustellen.
• Es können verschiedene Strategien verwendet werden, um die Rechenkomplexität zu verringern. Es wird eine intermittierende Beschränkungsdurchsetzung verwendet, um die Anzahl an erzeugten Bereichen zu reduzieren. Selten besuchte Bereiche werden entfernt. Es wird außerdem ein Markovketten-Bereichsauswahlprozess verwendet, um die zum Identifizieren eines aktiven Bereichs erforderliche Durchschnittszeit zu verringern. Die Tabelle 1 vergleicht die Rechenkomplexität RB-MPC im schlimmsten Fall mit Durchsetzung entweder von 6 oder 1 inkrementellen Ansaugdrucküberschwingungsbeschränkungen. n_z ist die Anzahl von Zonen und n_r ist die Anzahl von Bereichen pro Zone. Tabelle 1

  	nz	∑nr	[kB]	Flops	[µs]
  RB-MPC w/6 i.c.	1	28	141,3	6551	406,2
  RB-MPC w/1 i.c.	1	10	35,0	1615	100,0

• Aufgrund ausführlicher Simulationen typischer Antriebszyklen, können selten besuchte Bereiche entfernt werden, um die Rechenkomplexität zu verringern. Zudem können kleine Bereich, d. h., Bereiche, die einen geringen Tschebyschow-Radius haben, entfernt werden. Bei der Bereichsentfernung ist der ausgewählte Bereich durch $$i\in argmi{n}_i\left\{ma{x}_j\left\{H_{ij}{x}_{aug}-K_{ij}\right\}\right\}$$

  

  gegeben, wobei j entsprechend der jth-Ungleichheit bei der Definition des ith-Bereichs ist, zu welchem x_aug unbedingt gehört. Bei Strategien, die die intermittierende Beschränkungsdurchsetzung verwenden, sind etwa die Hälfte der Bereiche zusätzlich entfernt worden.
• Die Anzahl der Bereich hängt von der Anzahl der möglichen Kombinationen mit aktiven Beschränkungen ab. Daher wird der Ansatz des Durchsetzens der Beschränkungen zu allen Zeitpunkten zur Reduzierung der Anzahl von Bereichen durch Durchsetzen verschärfter Beschränkungen zu einer geringeren Anzahl von Zeitpunkten modifiziert. Die endgültige Gestaltung des RB-MPC Reglers 60 verwendet nur einen einzigen Zeitpunkt (20 Schritte im Voraus), um die Ansaugdrucküberschwingungsbeschränkung durchzusetzen.
• 7 stellt diesen Ansatz mit dem RB-MPC-Regler 60 dar. In diesem Fall kann dieser Ansatz die Überschwingungsbeschränkung während eines großen Schritts der Kraftstoffzufuhrrate von 5 auf 55 mm³/Takt bewältigen, was einem Schritt von 124 kPa auf 232 kPA bei dem Ansaugdrucksollwert entspricht. Das transiente Verhalten verdeutlicht die Vorteile der Verwendung eines ratenbasierten Ansatzes.
• Der Leistungsvorteil der RB-MPC wird weiter in 9 veranschaulicht, welche die vorhergesagten Trajektorien für die RB-MPC über einen Horizont von N = 50 Schritte zeigt.
• In 9 liegen die vorhergesagten Trajektorien für die RB-MPC nahe an der tatsächlichen Trajektorie, obwohl der Linearisierungspunkt bei 1750 U/min weiter von dem stimulierten Betriebszustand von 3500 U/mini entfernt ist als ein Linearisierungspunkt bei 3250 U/min.
• Bei Verwendung des RB-MPC Reglers 60 werden die Rechenkosten durch Prüfung der Ungleichheit für jeden Bereich dominiert. Der Markovkettenprozess zielt darauf ab, den durchschnittlichen Bereichsauswahlprozess durch Suchen des derzeitigen Bereichs x_aug nach Wahrscheinlichkeitsreihenfolge zu beschleunigen. Anhand der Antriebszyklusstimulationen und der Trajektorie der besuchten Bereiche wird eine Übergangswahrscheinlichkeitsmatrix für ein zugehöriges Markovkettenmodell von Bereichsübergängen erstellt. Jeder Eintrag gibt die Wahrscheinlichkeit des Übergangs von dem vorherigen Bereich, indiziert durch eine Trennsäule dar. Die Übergangswahrscheinlichkeitsmatrix wird anschließend sortiert, um für jeden vorherigen Bereich die Ordnung zu erzeugen, in welcher der derzeitige Bereich geprüft werden soll. 8 zeigt die Anzahl von geprüften Bereichen während dieser Simulation. Im ungünstigsten Fall ist die Rechenzeit die gleiche wie die in Tabelle 1 gezeigte. Dies entspricht 10 abgetasteten Bereichen, wenn x_aug tatsächlich im 10. Bereich liegt, oder wenn x_aug in einem der entfernten Bereiche liegt. Für den Großteil der Simulation wird nur ein einziger Bereich abgetastet. Dies ist zu erwarten, da x_aug im Allgemeinen in dem gleichen Bereich verbleibt wie während des vorherigen Zeitschritts.
• Die Simulationsergebnisse des RB-MPC Reglers 60 mit dem nichtlinearen Modell der Maschine 20 sind wie in den 10-13 gezeigt. Diese Figuren zeigen die Kraftstoffsprungantworten über die Drehzahlbereiche von 1000 bis 4000 U/min und Kraftstoffrate zwischen 5 und 55 mm³/Takt. Alle 100 Sekunden wird die Maschinendrehzahl um 500 U/min heraufgesetzt. Ein einziger RB-MPC Regler 60 wird verwendet und der Linearisierungspunkt liegt bei 1750 U/min, 45 mm³/Takt. Der Regler weist über den gesamten Betriebsbereich gute Spurverfolgungsleistungen und Überschwingungsbeschränkungsverarbeitung auf. Wie aus 11 ersichtlich ist, schließt sich die AGR-Drossel gelegentlich, z. B. bei 25 sec, weiter als durch den AGR-Drossel-Sollwert angegeben, um die AGR-Strömungsspanne wiederherzustellen.
• In Bezug auf 4 wird der Regler 60, wie in 3 gezeigt ist, in der ECU 70 der Maschine 20 implementiert, sobald der ratenbasierte modellprädiktive Regler 60 bei Schritt 106 erzeugt worden ist.
• Die ECU 70 hat einen Prozessor, der ein Computerprogramm ausführt, das auf einem computernutzbaren Medium greifbar gespeichert ist und Anweisungen enthält, die bei Ausführen durch den Prozessor die vorstehend beschriebene ratenbasierte, modellprädiktive Regelung implementieren.
• Die ECU 70 kann eine Zentraleinheit aufweisen, die jede Art von Vorrichtung oder eine Mehrzahl von Vorrichtungen sein kann, die Informationen bearbeiten oder verarbeiten kann. Die Zentraleinheit wird mit einem einzigen Prozessor oder mehreren Prozessoren betrieben.
• Die Zentraleinheit greift auf einen Speicher zu, der ein Direktzugriffsspeicher oder eine beliebige andere geeignete Art von Speichervorrichtung sein kann. Der Speicher kann einen Code bzw. eine Kodierung und Daten enthalten, auf die die Zentraleinheit zugreift. Der Speicher kann ferner ein Betriebssystem und Anwendungsprogramme, einschließlich der modellprädiktiven Regelung zum Durchführen des hierin beschriebenen Verfahrens enthalten. Im Hinblick auf verschiedene Aspekte kann ein nicht flüchtiges Computerspeichermedium verwendet werden, auf welchen computernutzbare Anweisungen gespeichert sind, die bei Ausführen dieser verschiedene Verfahren zum Steuern einer Brennkraftmaschine gemäß der vorliegenden Lehre durchführen.
• Die ECU 70, die den ratenbasierten, modellprädiktiven Regler 60 verwendet, kann den Maschinenzustandsraum schätzen, der durch einen Algorithmus oder Formeln in Bereiche aufgeteilt ist. Sobald der Zustand bei Schritt 110 bestimmt worden ist, bestimmt die ECU 70 mittels des ratenbasierten, modellprädiktiven Reglers 60 unter Verwendung des bei Schritt 108 geschätzten Zustands den Bereich eines bei Schritt 112 erzeugten stückweise affinen Regelgesetzes.
• Sobald bei Schritt 112 ein Bereich bestimmt worden ist, wendet die ECU 70 mittels des ratenbasierten, modellprädiktiven Reglers 60 bei Schritt 114 einen in dem Speicher gespeicherten Rückkoppelungsverstärkungsfaktor an, der dem gewählten Bereich zugeordnet ist, um die Regelgeschwindigkeiten der jeweiligen Maschinenstellglieder 61, 63 zu bestimmen. Abschließend integriert die ECU 70 mittels des ratenbasierten, modellprädiktiven Reglers 60 bei Schritt 116 die bei Schritt 114 bestimmte Regelgeschwindigkeit, um einen Steuerwert für das Stellglied 61 oder 63 zu bestimmen, der anschließend von der ECU 70 für die Ausgaben 61 oder 63 auf das Stellglied angewandt wird.
• 14 ist ein alternatives Flussdiagramm zu 4, das Sequenzschritte und den Betrieb eines zeitdiskreten, ratenbasierten, nichtlinearen, modellprädiktiven Regelungsverfahrens darstellt. Ähnlich wie die vorstehend in Bezug auf 4 beschriebenen Verfahrensschritte, verwenden die Verfahren in 14 ebenfalls die ECU 70 und den Regler 60, wobei die Regelung ein nichtlineares, prädiktives Modell entwickeln kann, ohne dass ein Aufteilen des Regelstreckenmodells in Bereiche und das Linearisieren jeder der Bereiche nötig ist. Das Verfahren von 14 ist eine ratenbasierte, nichtlineare, modellprädiktive Regelung (NMPC) für eine Luftpfadregelung der Brennkraftmaschine, die eine stationäre Nullverschiebungsspurverfolgung bei gleichzeitigem Umgehen üblicher Probleme in Bezug auf die Strategie des Verwendens eines Störgrößenschätzers, z. B., diskontinuierliche Zonenumschaltung, und die Notwendigkeit, den Schätzer und die Rückkoppelungsregelung separat einzustellen, erreicht werden.
• Für eine zeitdiskrete, ratenbasierte, nichtlineare, modellprädiktive Regelung können ähnliche Konzepte wie bei der linearen, zeitdiskreten, ratenbasierten, modellprädiktiven Regelung verwendet werden. In Bezug auf Schritt 200 entsteht ein übliches Problem der nichtlinearen modellprädiktiven Optimierung. Für Δx_k = x_k - x_k-1 können Zustandsaktualisierungsgleichungen nötig sein, wodurch das zeitdiskrete Modell die folgende Form haben kann, $$x_{k+1}=f^d\left(x_k,u_k\right),$$

  

  $$y_k=f^y\left(x_k,u_k\right).$$

  

  wobei die Zustands- und Ausgabegleichungen (15) und (16) Gleichheitsbeschränkungen aus Sicht des optimalen Regelungsproblems in Bezug auf Schritt 202 sind. Eine zu (15) und (16) äquivalente Beschränkung ist beispielsweise: $$\Delta x_{k+1}=x_{k+1}-x_k=f^d\left(x_k,u_k\right)-f^d\left(x_{k-1},u_{k-1}\right),$$

  

  $$\Delta y_k=y_k-y_{k-1}=f^y\left(x_k,u_k\right)-f^y\left(x_{k-1},u_{k-1}\right).$$

  
• Unter Verwendung der Beschränkungen (17) und (18) wird die folgende zeitdiskrete, ratenbasierte, nichtlineare, modellprädiktive Regelungskostenfunktion $$\begin{array}{c}{J}_{DRB}=\varphi \left(x_{N|k}-x_{N-1|k},y_{N|k}-r\right)+{\displaystyle \sum _{i=0}^{N-1}{\left(y_{i|k}-r\right)}^{T}Q\left(y_{i|k}-r\right)+{\left(u_{i|k}-u_{i-1|k}\right)}^{T}R(u_{i|k}}\\ -u_{i-1|k})\end{array}$$

  

  minimiert in Abhängigkeit von den Beschränkungen, $$x_{i+1|k}-x_{i|k}=f^d\left(x_{i|k},u_{i|k}\right)-f^d\left(x_{i-1|k},u_{i-1|k}\right),$$

  

  $$y_{i|k}-y_{i-1|k}=f^y\left(x_{i|k},u_{i|k}\right)-f^y\left(x_{i-1|k},u_{i-1|k}\right),$$

  

  $$g\left(x_{i|k,}{\text{ u}}_{i|k}\right)=\mathrm{0,}$$

  

  $$h\left(x_{i|k,}{u}_{i|k}\right)\le \mathrm{0,}$$

  

  $$\psi \left(x_{N|k}-x_{N-1|k,}{y}_{N|k}-r\right)\le \mathrm{0,}$$

  

  $$x_{0|k}=x_k,x_{-1|k}=x_{k-1},y_{0|k}=y_k,y_{-1|k}=y_{k-\mathrm{1,}}{u}_{-1|k}=u_{k-1}.$$

  
• Wie bei Schritt 204 gezeigt ist, werden die Zustände wie der Ansaugkrümmerdruck und die AGR-Raten von dem Regler gemessen oder anderweitig geschätzt. Anschließend wird das ratenbasierte NMPC-Optimierungsproblem, beispielsweise für die VGT-Auftriebsposition und die AGR-Ventilposition gelöst, worauf bei Schritt 206 Bezug genommen wird. Sobald diese Werte gelöst worden sind, kann der Regler das erste Element der Steuersequenz, wie bei Schritt 208 gezeigt ist, auf die Regelstrecke anwenden. Sobald der nächste Abtastzeitschritt verstrichen ist, wie bei Schritt 210 festgestellt ist, können durch Rückkehr zu Schritt 204 zusätzliche Messungen gewonnen oder gemessen werden.
• 15 stellt verschiedene Diagramme für eine Simulation mit geschlossenem Regelkreis unter Verwendung der zeitdiskreten, ratenbasierten, nichtlinearen, modellprädiktiven Regelung (mit polynomischem prädiktivem Modell) in Schleife mit dem Toyota GD Maschinen-Mittelwertmodell dar. Es ist das Steuerziel, den Ansaugkrümmerdruck (p_in ) und die AGR-Rate x_EGR ) durch koordiniertes Steuern der VGT-Position (u_VCT ) und der AGR-Position (u_EGR ) zu verfolgen. Der Prädiktionshorizont ist N=5 mit einer Abtastperiode und Diskretisierungsperiode von ΔT = Δτ = 32 msec. Der Regler verwendet die vorstehenden ratenbasierten Formeln (19)-(23) und (25), mit den externen „Strafen“ für die Regelungsbeschränkungsdurchsetzung, mehreren Aufnahmen, um die Erzeugung der Jacobimatrix der benötigten Bedingungen zu erleichtern, und einem einzigen Newton-Schritt (nicht Kantorowitsch) je Abtastzeitpunkt. Wie ersichtlich ist, kann die ratenbasierte, nichtlineare, modellprädiktive Regelung die stationäre Nullverschiebungsspurverfolgung ohne Schätzer, Adaption oder Vorwärtsregelung erfolgreich erzielen. Für den oberen Abschnitt in 15 mit den beiden oberen Diagrammen umfassen die Pläne für den Ansaugkrümmerdruck (p_in ) und die AGR-Rate (x_EGR[%]) jeweils einen Referenzpunkt und eine Ansprechgröße des Regelkreises, die in der Regel mit der Referenz übereinstimmt. Für den Mittelabschnitt in 15 mit den beiden mittleren Diagrammen umfassen die Pläne für die AGR-Position (u_EGR[Öffnungsgrad in %]) und die VGT-Position (u_VGT [Schließgrad in %]) die Ansprechgröße im geschlossenen Regelkreis sowie Minimal- und Maximalwerte.
• Die vorgehende Beschreibung ist lediglich veranschaulichend und soll die Offenlegung, deren Anwendung oder Verwendungen in keiner Weise beschränken. Die hierin verwendete Formulierung „zumindest eines von A, B oder C“ ist als logisches (A oder B oder C) unter Verwendung eines nicht ausschließlichen „oder“ zu verstehen. Es ist verständlich, dass die verschiedenen Schritte innerhalb eines Verfahrens in verschiedener Reihenfolge durchgeführt werden können, sofern die Prinzipien der vorliegenden Offenlegung nicht verändert werden. Die Offenlegung der Bereiche umfasst die Offenlegung aller Bereiche und unterteilten Bereich innerhalb des gesamten Bereichs.
• Die verwendeten Überschriften (z. B., „Hintergrund“ und „Kurzfassung“) und Unterüberschriften dienen lediglich zur allgemeinen Organisation von Themen innerhalb der vorliegenden Offenlegung und sollen die Offenlegung der Technologie oder irgendeines Aspekts hiervon nicht beschränken. Die Rezitation verschiedener Ausführungsformen mit den genannten Merkmalen soll andere Ausführungsformen mit zusätzlichen Merkmalen, oder andere Ausführungsformen mit anderen Kombinationen der genannten Merkmale nicht ausschließen.
• Die hierin verwendeten Begriffe „enthalten“ und „umfassen“ und ihre Variationen sollen nicht beschränkend sein, so dass Rezitationen aufeinander folgender Elemente oder eine Liste nicht dazu dienen, andere Elemente auszuschließen, die für die Vorrichtungen und Verfahren dieser Technologie ebenfalls nützlich sein könnten. Ebenso sollen die Begriffe „kann“ und „können“ und deren Variationen nicht beschränken sein, so dass Rezitationen, dass eine Ausführungsform bestimmte Elemente oder Merkmale aufweisen kann oder gegebenenfalls aufweist, andere Ausführungsformen der vorliegenden Technologie, die diese Elemente oder Merkmale nicht aufweist, nicht ausschließt.
• Die umfassende Lehre der vorliegenden Offenlegung kann in einer Reihe verschiedener Formen realisiert werden. Daher soll der tatsächliche Umfang der Offenlegung nicht beschränkt sein, obwohl diese Offenlegung spezielle Beispiele umfasst, da weitere Ausführungsform für den Fachmann bei Studieren der Beschreibung und der folgenden Ansprüche ersichtlich werden. Die Bezugnahme auf einen Aspekt, oder mehrere Aspekte bedeutet, dass ein bestimmtes Merkmal, eine Struktur, oder Charakteristik, die in Verbindung mit einer Ausführungsform oder bestimmtem System beschrieben wird, Bestandteil zumindest einer Ausführungsform oder eines Aspekts ist. Das Erscheinen der Formulierung „gemäß einem Aspekt“ (oder Variationen hiervon) bezieht sich nicht notwendigerweise auf den gleichen Aspekt oder die gleiche Ausführungsform. Es ist außerdem verständlich, dass die verschiedenen in dieser Beschreibung genannten Verfahrensschritte nicht in der gleichen Reihenfolge ausgeführt werden müssen wie dargestellt, und dass nicht jeder Verfahrensschritt bei jedem Aspekt oder jeder Ausführungsform erforderlich ist.
• Die vorstehende Beschreibung der Ausführungsformen wurde zum Zwecke der Darstellung und Beschreibung bereitgestellt. Sie soll weder erschöpfend sein noch die Offenlegung beschränken. Einzelne Elemente und Merkmale einer bestimmten Ausführungsform sind im Allgemeinen nicht auf diese bestimmte Ausführungsform beschränkt, sondern sind, wenn geeignet, austauschbar und können in einer ausgewählten Ausführungsform verwendet werden, selbst wenn dies nicht konkret gezeigt oder beschrieben ist. Selbige kann ebenso in vielen verschiedenen Weisen variiert werden. Derartige Variationen sind nicht als Abweichung von der Offenlegung anzusehen, und alle derartigen Modifikationen sind als im Schutzumfang der Offenlegung beinhaltet vorgesehen.

Claims (10)

1. System zur Optimierung eines Maschinenbetriebs, wobei das System aufweist: eine Brennkraftmaschine (20); und einen Regler (60), der derart konfiguriert ist, dass er eine Turbine mit variabler Geometrie und ein Abgasrückführventil während des Maschinenbetriebs steuert, wobei der Regler (60) zunächst ein standardmäßiges nichtlineares modellprädiktives Regelungsoptimierungsproblem (200) entwickelt und dann Gleichheitsbeschränkungen im standardmäßigen nichtlinearen modellprädiktiven Regelungsoptimierungsproblem mit Zustands- und Ausgabegleichungen (202) ändert, um dann ansprechend auf Maschinenbetriebsparameter ein nichtlineares, zeitdiskretes, ratenbasiertes, prädiktives Modell zu entwickeln und in der Lage ist, eine stationäre Nullverschiebungsspurverfolgung zu erzielen, und der Regler (60) das nichtlineare, zeitdiskrete, ratenbasierte, prädiktive Modell ohne Schätzer, Adaption oder Vorwärtsregelung verwendet, um eine Position der Turbine mit variabler Geometrie (66) und eine Abgasrückführventilposition (68) zum Steuern des Betriebs der Brennkraftmaschine (20) zu erzeugen, wobei der Betrieb der Brennkraftmaschine (20) basierend auf der erzeugten Position der Turbine mit variabler Geometrie (66) und der erzeugten Abgasrückführventilposition (68) fortgesetzt wird.
2. System nach Anspruch 1, wobei die Maschinenbetriebsparameter den Ansaugkrümmerdruck (62) und die Abgasrückführrate (64) umfassen.
3. System nach Anspruch 2, wobei der Regler (60) derart konfiguriert ist, dass er den Ansaugkrümmerdruck (62) und/oder die Abgasrückführrate (64) misst oder schätzt.
4. System nach Anspruch 1, wobei die Brennkraftmaschine (20) eine Dieselmaschine ist.
5. Verfahren zum Steuern einer Brennkraftmaschine (20), das Verfahren aufweisend: Gewinnen von Messungen oder Schätzungen des Ansaugkrümmerdrucks (62) und der Abgasrückführrate (64); Entwickeln, unter Verwendung eines Reglers (60), eines standardmäßigen nichtlinearen modellprädiktiven Regelungsoptimierungsproblems (200) und dann Ändern von Gleichheitsbeschränkungen im standardmäßigen nichtlinearen modellprädiktiven Regelungsoptimierungsproblem mit Zustands- und Ausgabegleichungen (202), um dann ein nichtlineares, zeitdiskretes, ratenbasiertes, prädiktives Modell ansprechend auf die Messungen des Ansaugkrümmerdrucks (62) und der Abgasrückführrate und fähig zum Erzielen einer stationären Nullverschiebungsspurverfolgung zu entwickeln; Verwenden des nichtlinearen, zeitdiskreten, ratenbasierten, prädiktiven Modells ohne Schätzer, Adaption oder Vorwärtsregelung, um unter Verwendung des Reglers (60) eine Position der Turbine mit variabler Geometrie (66) und eine Abgasrückführventilposition (68) zu erzeugen; und Steuern der Brennkraftmaschine (20) unter Verwendung der erzeugten Position der Turbine mit variabler Geometrie (66) und der Abgasrückführventilposition.
6. Verfahren nach Anspruch 5, wobei die Brennkraftmaschine (20) eine Dieselmaschine ist.
7. Verfahren nach Anspruch 5, wobei der Regler (60) derart konfiguriert ist, dass er den Ansaugkrümmerdruck (62) und/oder die Abgasrückführrate (64) misst oder schätzt.
8. Nichtflüchtiges Speichermedium mit darauf gespeicherten computernutzbaren Anweisungen, die bei Ausführung ein Verfahren zum Steuern einer Brennkraftmaschine (20) durchführen, das Verfahren aufweisend: Gewinnen von Messungen und Schätzungen des Ansaugkrümmerdrucks (62) und einer Abgasrückführrate (64); Entwickeln, unter Verwendung eines Reglers (60), eines standardmäßigen nichtlinearen modellprädiktiven Regelungsoptimierungsproblems (200) und dann Ändern von Gleichheitsbeschränkungen im standardmäßigen nichtlinearen modellprädiktiven Regelungsoptimierungsproblem mit Zustands- und Ausgabegleichungen (202), um dann ein nichtlineares, zeitdiskretes, ratenbasiertes, prädiktives Modell als Reaktion auf die Messungen des Ansaugkrümmerdrucks (62) und der Abgasrückführrate und fähig zum Erzielen einer stationären Nullverschiebungsspurverfolgung zu entwickeln; Verwenden des nichtlinearen, zeitdiskreten, ratenbasierten, prädiktiven Modells ohne Schätzer, Adaption oder Vorwärtsregelung, um unter Verwendung des Reglers (60) eine Position der Turbine mit variabler Geometrie (66) und eine Abgasrückführventilposition (68) zu erzeugen; und Steuern der Brennkraftmaschine (20) unter Verwendung der erzeugten Position der Turbine mit variabler Geometrie (66) und der Abgasrückführventilposition.
9. Nichtflüchtiges Speichermedium nach Anspruch 8, wobei das Verfahren das Steuern einer Dieselmaschine umfasst.
10. Nichtflüchtiges Speichermedium nach Anspruch 8, wobei der Verfahrensschritt des Gewinnens der Messungen oder Schätzungen des Ansaugkrümmerdrucks (62) und der Abgasrückführrate (64) von dem Regler (60) durchgeführt wird.

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