DE102018101007A1

DE102018101007A1 - Lineare parametervariable modellprädiktive steuerung für motoranordnungen

Info

Publication number: DE102018101007A1
Application number: DE102018101007.9A
Authority: DE
Inventors: Yue-Yun Wang; Ruixing Long; Julian R. Verdejo; Jyh-Shin Chen
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2017-01-18
Filing date: 2018-01-17
Publication date: 2018-07-19
Anticipated expiration: 2038-01-18
Also published as: US10060373B2; US20180328299A1; DE102018101007B4; US10605187B2; CN108333923B; CN108333923A; US20180202380A1

Abstract

Ein LPV/MPC-Motorsteuersystem, das eine Motorsteuereinheit beinhaltet, die an mehrere Sensoren angeschlossen ist, wird offenbart. Die Motorsteuereinheit empfängt von den Sensoren Signale, die das gewünschte Motordrehmoment und das Motorausgangsdrehmoment anzeigen, und bestimmt aus diesen Signalen optimale Motorsteuerbefehle unter Verwendung einer stückweisen LPV/MPC-Routine. Diese Routine beinhaltet: das Ermitteln eines nichtlinearen und eines linearen Systemmodells für die Motoranordnung, das Minimieren einer Steuerkostenfunktion in einem sich zurückziehenden Horizont für das lineare Systemmodell, das Ermitteln von Systemreaktionen für die nichtlinearen und linearen Systemmodelle, das Ermitteln, ob eine Norm einer Fehlerfunktion zwischen den Systemreaktionen kleiner als ein kalibrierter Schwellenwert ist, und, wenn die Norm kleiner als der vorgegebene Schwellenwert ist, das Anwenden des linearisierten Systemmodells in einer nächsten Abtastzeit für einen nächsten sich zurückziehenden Horizont, um den optimalen Steuerbefehl zu ermitteln. Nach dem Ermitteln wird der optimale Steuerbefehl an die Motoranordnung ausgegeben.

Description

EINFÜHRUNG
Die vorliegende Offenbarung bezieht sich im Allgemeinen auf die modellbasierte Steuerung zum Regeln des Betriebs von Motoranordnungen. Genauer gesagt, beziehen sich Aspekte dieser Offenbarung auf modellprädikative Regelstrategien für Verbrennungsmotoranordnungen.
Die derzeitigen Kraftfahrzeuge, wie das moderne Automobil, sind ursprünglich mit einem Antriebsstrang ausgestattet, der das Fahrzeug antreibt und die Bordfahrzeugelektronik versorgt. Der Antriebsstrang, der einen Antrieb einschließt und zum Teil fälschlich als solcher bezeichnet wird, umfasst im Allgemeinen eine Antriebsmaschine, die durch eine mehrstufige Energieübertragung die Antriebskraft zum Fahrzeug-Endantriebssystem (z. B. Differential, Achsen und Straßenräder) liefert. Automobile wurden herkömmlich mit einem Verbrennungsmotor (ICE) nach Hubkolbenbauart angetrieben, aufgrund dessen leichter Verfügbarkeit und relativ preiswerter Kosten, geringem Gewicht und dessen Gesamtwirkungsgrad. Die besagten Motoren beinhalten als nicht einschränkende Beispiele Zwei- oder Viertakt-kompressionsgezündete Dieselmotoren, Viertakt-Ottobenzinmotoren, Sechstakt-Motoren und Drehkolbenmotoren. Hybridfahrzeuge nutzen andererseits alternative Energiequellen, wie batteriebetriebene Elektromotorgeneratoren, um das Fahrzeug anzutreiben, die Abhängigkeit des Motors von der Energie zu minimieren und die gesamten Kraftstoffeinsparungen zu erhöhen.
Ein typischer Überkopfventil-Verbrennungsmotor beinhaltet einen Motorblock mit einer Reihe von Zylinderbohrungen, von denen jeder einen Kolben aufweist, der hin- und her bewegbar ist. Gekoppelt an einer Oberseite des Motorblocks ist ein Zylinderkopf, der mit der Kolben- und Zylinderbohrung zusammenwirkt, um eine Brennkammer mit variablem Volumen zu formen. Diese Kolben werden verwendet, um Druck - der durch Zünden eines Kraftstoff-Luft-Gemisches in der Brennkammer erzeugt wird - in Drehkräfte umzuwandeln und eine Kurbelwelle anzutreiben. Der Zylinderkopf definiert Einlassöffnungen, durch die Luft, die durch einen Ansaugkrümmer vorgesehen ist, selektiv in die Brennkammer eingeführt wird. Ebenfalls in dem Zylinderkopf definiert sind Auspufföffnungen, durch die Abgase und Verbrennungs-Abfallprodukte selektiv von den Brennkammern zu einem Abgaskrümmer abgeleitet werden. Der Abgaskrümmer sammelt und kombiniert Abgase für die Rückführung in den Ansaugkrümmer, die Abgabe an einen turbinenangetriebenen Turbolader und/oder die Ableitung vom ICE über ein Abgassystem.
Abgase, die während jedes Verbrennungsarbeitszyklus einer ICE-Anordnung erzeugt werden, beinhalten normalerweise Partikel und andere bekannte Verbrennungs-Abfallprodukte, wie Kohlenmonoxid (CO), Kohlenwasserstoffe (HC), flüchtige organische Verbindungen (VOCs) und Stickoxide (NOx). Abgasnachbehandlungssysteme arbeiten, um unverbrannte Kohlenwasserstoffe und Kohlenmonoxid zu Kohlendioxid und Wasser zu oxidieren und Mischungen von Stickoxiden zu Stickstoff und Wasser zu reduzieren, bevor das Gas in die Atmosphäre abgegeben wird. Die Abgasbehandlung kann einzeln und in beliebiger Kombination einen Oxidationskatalysator (OC), NOx-Absorber/Adsorber, Abgasrückführung (AGR), ein selektives katalytisches Reduktions (SCR)-System, einen Partikelmaterial (PM)-Filter, katalytische Konverter und andere Mittel der Emissionskontrolle einbeziehen. Die selektive katalytische Reduktion ist eine fortschrittliche aktive Emissionskontrolltechnologie, die ein Dosiermittel, wie wasserfreies oder wässriges Ammoniak (NH3) oder Harnstoff automotiver Qualität (auch bekannt als AdBlue oder Diesel Exhaust Fluid (DEF)), in den Abgasstrom einspritzt. Dieses Dosierungsmittel beinhaltet ein Reduktionsmittel, das mit dem NOx im Abgas reagiert und sich damit vermischt und das Gemisch kann auf einen SCR-Katalysator absorbiert werden. Der SCR-Katalysator kann dann die absorbierte Mischung, die Wasserdampf (H2O) und Stickstoffgas (N2) bildet, zersetzen.
ZUSAMMENFASSUNG
Hierin offenbart sind multivariable modellprädiktive Regelsysteme zum Regulieren des Betriebs von Motoranordnungen, Verfahren zur Herstellung und Verfahren zur Verwendung derartiger modellprädiktiver Regelsysteme und Kraftfahrzeuge mit einer Verbrennungsmotoranordnung und einem Abgasnachbehandlungssystem mit Drehmoment- und Emissionssteuerungsfähigkeiten. Als Beispiel, und nicht als Einschränkung, wird eine neuartige stückweise lineare parametervariierende (LPV) modellprädiktive Steuerungs (MPC)-Strategie und -Architektur zum Regulieren des Betriebs von Motorsystemen vorgestellt. In dieser neuen Lösung wird ein nichtlineares, physikalisch basiertes Anlagenmodell erstellt oder anderweitig abgerufen, z. B. für ein Motorluftladesystem und ein Drehmomentmodell. Das nichtlineare Anlagenmodell wird dann bei aktuellem Betriebszustand linearisiert, und die systemdynamischen Matrizen A, B, C, D und V werden z. B. basierend auf dem Jacobian des nichtlinearen Systems berechnet, z. B. teilweise Ableitungen in Bezug auf Systemzustände und Eingänge.
Nach der Linearisierung des nichtlinearen Anlagenmodells wird eine Steuerkostenfunktion im zurückgehenden endlichen Zeithorizont gegen das aktuelle linearisierte System optimiert und eine Steuerungslösung für einen aktuellen Schritt ermittelt. Sowohl das nichtlineare Systemverhalten als auch das linearisierte Systemverhalten kann mit einem aktuellen optimalen Steuereingang u(k) simuliert werden. Eine Vektor- oder Zeitreihennorm kann basierend auf einer Fehlerfunktion zwischen den beiden Reaktionen berechnet werden; wenn die Norm kleiner als ein vorgegebener Schwellenwert ist, kann dieses linearisierte System oder die A-, B-, C-, D- und V-Matrizen oder beides in einer nächsten Abtastzeit für einen nächsten zurückgehenden Horizont wiederverwendet werden, um eine optimale Steuerung u(k+1) zu finden. Dieser Vorgang wiederholt sich beispielsweise in einer Endlosschleife, bis eine Norm der Fehlerreaktion als nicht mehr akzeptabel erachtet wird. Wenn es nicht mehr akzeptabel ist, wird ein neues linearisiertes Systemmodell erstellt, um eine neue Steuerreihe zu berechnen. Im Allgemeinen können Zonen basierend auf physikalischen Anlagenmodellen online bestimmt werden, da der Entwurfsprozess die Kalibrierung des nichtlinearen Anlagenmodells beinhaltet und nicht per se eine Aufteilung oder Bestimmung von Steuerzonen durch umfangreiche Experimente erfordert.
Begleitende Vorteile für mindestens einige der offenbarten Konzepte schließen Motorsystemsteuerungslogik ein, die bei der Reduzierung der Systemkalibrierungszeit und der Rechenlast unterstützt, die von bekannten zonenbasierten Linearisierungssteuerungsschemata und konventionellen MPC-Steuerungsschemata gefordert werden. Im Gegensatz zu bekannten MPC-Steuerungsmethoden erfordert die stückweise offenbarte LPV-MCP-Steuerlogik keine erhöhte rechnerische Belastbarkeit, um eine Lösung für unendliche Zonen zu erreichen. Im Gegensatz zur zonenbasierten Linearisierung nichtlinearer Systeme mittels Motorsystemidentifikation erfordern offenbarte Systeme, Verfahren und Vorrichtungen keine umfangreichen Tests oder zeitaufwändige Kalibrierungen zum Ermitteln zahlreicher Zonen, um eine adäquate Aufteilung zu gewährleisten, z.B. um die Systemstabitität zu gewährleisten. Offenbarte Algorithmen und Architekturen können so betrieben werden, dass Drehmoment- und Emissionssteuerung in geschlossenem Kreislauf unter Verwendung eines Echtzeit-Drehmomentsensors oder gespeicherter Modelldaten sowie Echtzeit-NOx-Sensordaten angewendet werden. Offenbarte Algorithmen und Architekturen können erweitert werden, um Echtzeit-Partikel-Rückmeldesteuerung für Sensoren zu beinhalten.
Aspekte der vorliegenden Offenbarung richten sich an multivariable modellprädiktive Steuerungssysteme zum Regulieren des Betriebs von Verbrennungsmotoranordnungn vom Typ eines Hubkolbens. Offenbart wird beispielsweise ein LPV/MPC-Motorsteuersystem für eine Motoranordnung. Dieses LPV/MPC-Motorsteuersystem beinhaltet einen Motorsensor, der das Motordrehmoment der Motoranordnung erfasst und entsprechende Signale erzeugt, und einen Eingangssensor, der das gewünschte Motordrehmoment für die Motoranordnung erfasst und Signale erzeugt, die dieses anzeigen. Ein Motorsteuergerät ist kommunikativ mit dem Motorsensor und dem Eingangssensor verbunden, um Sensorsignale zu empfangen, die ein gewünschtes Motordrehmoment und ein abgehendes Motordrehmoment anzeigen. Das Motorsteuergerät ist programmiert, um aus dem gewünschten Motordrehmoment und dem ausgegebenen Motordrehmoment einen optimalen Steuerbefehl mittels einer stückweisen LPV/MPC-Routine zu ermitteln und den optimalen Steuerbefehl anschließend an die Motoranordnung auszugeben. Die stückweise LPV/MPC-Routine beinhaltet Anweisungen wie folgt: das Ermitteln eines nichtlinearen Systemmodells des Motormoments für die Motoranordnung; das Ermitteln eines linearen Systemmodells für die Motoranordnung bei einem aktuellen Motorbetriebszustand; das Minimieren einer Steuerkostenfunktion in einem sich zurückziehenden Horizont für das lineare Systemmodell; das Ermitteln der jeweiligen Systemreaktionen für die nichtlinearen und linearen Systemmodelle mit einem aktuellen optimalen Steuereingang; das Ermitteln, ob eine Norm einer Fehlerfunktion zwischen den Systemreaktionen kleiner als ein vorgegebener Schwellenwert ist; und, in Reaktion auf das Ermitteln, dass die Norm kleiner als der vorgegebene Schwellenwert ist, das Anwenden des linearisierten Systemmodells in einer nächsten Abtastzeit für einen nächsten sich zurückziehenden Horizont, um den optimalen Steuerbefehl zu ermitteln.
Wenn festgestellt wird, dass die Norm kleiner als der vorgegebene Schwellenwert ist, kann die stückweise LPV/MPC-Routine die folgenden Anweisungen in einer Endlosschleife ausführen, bis die Norm nicht kleiner als der Schwellenwert ist: Minimieren der Steuerkostenfunktion bei den nächsten Abtastzeiten k+1, 2... N in den jeweils nächsten sich zurückziehenden Horizonten für das lineare Systemmodell; Ermitteln neuer jeweiliger Systemreaktionen für die nichtlinearen und linearen Systemmodelle mit dem aktuell optimalen Steuereingang; und ermitteln, ob die Norm der Fehlerfunktion zwischen den neuen Systemreaktionen kleiner als der vorgegebene Schwellenwert ist. In Reaktion auf ein Ermitteln, dass die Norm der Fehlerfunktion nicht kleiner als der vorgegebene Schwellenwert ist, kann die stückweise LPV/MPC-Routine folgende Anweisungen beinhalten: das Ermitteln eines neuen linearen Systemmodells für die Motoranordnung, das Minimieren der Steuerkostenfunktion in einem neuen sich zurückziehenden Horizont für das neue lineare Systemmodell, das Ermitteln neuer jeweiliger Systemreaktionen für das nichtlineare Systemmodell und das neue lineare Systemmodell und das Ermitteln, ob die Norm der Fehlerfunktion zwischen den neuen Systemreaktionen kleiner als der vorgegebene Schwellenwert ist.
Andere Aspekte der vorliegenden Offenbarung sind auf Kraftfahrzeuge mit Hubkolbenmotoranordnungen mit multivariablem Motordrehmoment- und Emissionsregelungsfähigkeiten gerichtet. Ein „Kraftfahrzeug“, wie hierin verwendet, kann sich auf jede relevante Fahrzeugplattform, wie z. B. Personenkraftwagen (Verbrennungsmotoren, Hybrid-, Elektro-, Brennstoffzellenantrieben, vollständig oder teilweise autonom usw.), Transportfahrzeuge, Industriefahrzeuge, Raupenfahrzeuge, Geländefahrzeuge (ATV), landwirtschaftliche Geräte, Boote, Flugzeuge, Züge usw. beziehen. In einem Beispiel wird ein Kraftfahrzeug dargestellt, das eine Fahrzeugkarosserie mit einem Motorraum und eine Verbrennungsmotor (ICE)-Anordnung beinhaltet, die ganz oder teilweise innerhalb des Motorraums verstaut ist. Ein Motorsensor ist funktionsfähig mit der ICE-Anordnung gekoppelt und so konfiguriert, dass er das Motordrehmoment der ICE-Anordnung erfasst. Ein Eingangssensor ist so konfiguriert, dass er das vom Fahrer gewünschte Motordrehmoment für die ICE-Anordnung bestimmt.
Eine Motorsteuereinheit ist kommunikativ mit der ICE-Anordnung, dem Motorsensor und dem Eingangssensor verbunden. Diese Motorsteuereinheit ist auf Folgendes programmiert: Empfangen von Signalen der Motor- und Eingangssensoren, die ein gewünschtes Motordrehmoment und ein abgehendes Motordrehmoment anzeigen; Ermitteln eines optimalen Steuerbefehls aus dem ausgehenden Motordrehmoment und dem gewünschten Motordrehmoment unter Verwendung einer stückweisen LPV/MPC-Routine; und, einmal bestimmt, ausgeben des optimalen Steuerbefehls an die ICE-Anordnung. Die stückweise LPV/MPC-Routine beinhaltet prozessorausführbare Anweisungen für das ECU wie folgt: das Ermitteln eines nichtlinearen Systemmodells des Motormoments für die ICE-Anordnung; das Ermitteln eines linearen Systemmodells für die ICE-Anordnung bei einem aktuellen Motorbetriebszustand; das Minimieren einer Steuerkostenfunktion in einem sich zurückziehenden Horizont für das lineare Systemmodell; das Ermitteln der jeweiligen Systemreaktionen für die nichtlinearen und linearen Systemmodelle mit einem aktuellen optimalen Steuereingang; das Ermitteln, ob eine Norm einer Fehlerfunktion zwischen den Systemreaktionen kleiner als ein vorgegebener Schwellenwert ist; und, in Reaktion auf das Ermitteln, dass die Norm kleiner als der vorgegebene Schwellenwert ist, das Anwenden des linearisierten Systemmodells in einer nächsten Abtastzeit für einen nächsten sich zurückziehenden Horizont, z. B. solange, bis die Norm größer als der vorgegebene Schwellenwert ist, um den optimalen Steuerbefehl zu ermitteln. Die vorgenannten Schritte können in einer Endlosschleife durchgeführt werden, bis die Norm den Schwellwert überschreitet.
Weitere Aspekte der vorliegenden Offenbarung richten sich auf Herstellungsverfahren und Verfahren zur Verwendung multivariabler modellprädiktiver Steuerungssysteme zum Regulieren des Betriebs von Verbrennungsmotoranordnungen vom Typ eines Hubkolbens. Zum Beispiel ist ein Verfahren zum Betrieb eines LPV/MPC-Motorsteuerungssystems für eine Motoranordnung offenbart. Das Verfahren beinhaltet in beliebiger Reihenfolge und in beliebiger Kombination mit den offenbarten Funktionen: das Empfangen eines Signals von einem Motorsensor, das auf ein Motordrehmoment hinweist, das von der Motoranordnung ausgegeben wird; das Empfangen eines Signals von einem Eingangssensor, das ein gewünschtes Motordrehmoment für die Motoranordnung anzeigt; das Ermitteln eines optimalen Steuerbefehls unter Verwendung einer stückweisen LPV/MPC-Routine aus der Motordrehmomentausgabe und dem gewünschten Motordrehmoment, einschließlich: das Ermitteln eines nichtlinearen Systemmodells des Motordrehmoments für die Motoranordnung, das Ermitteln eines linearen Systemmodells für die Motoranordnung bei einem aktuellen Betriebszustand des Motors, das Minimieren einer Steuerkostenfunktion in einem sich zurückziehenden Horizont für das lineare Systemmodell, das Ermitteln der jeweiligen Systemreaktionen für die nichtlinearen und linearen Systemmodelle mit einem aktuellen optimalen Steuereingang, das Ermitteln, ob eine Norm einer Fehlerfunktion zwischen den Systemreaktionen kleiner als ein vorgegebener Schwellenwert ist, und reagieren auf ein Ermitteln, dass die Norm kleiner als der vorgegebene Schwellenwert ist, das Anwenden des linearisierten Systemmodells in einer nächsten Abtastzeit für einen nächsten sich zurückziehenden Horizont, um den optimalen Steuerbefehl zu ermitteln; und das Ausgeben des bestimmten optimalen Steuerbefehls an die Motoranordnung.
Die vorstehende Kurzdarstellung soll nicht jede Ausführungsform oder jeden Aspekt der vorliegenden Offenbarung repräsentieren. Vielmehr veranschaulicht die vorstehende Kurzdarstellung lediglich einige der neuartigen Aspekte und Merkmale, wie hierin dargelegt. Die vorstehend aufgeführten Merkmale und Vorteile sowie andere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Offenbarung werden aus der folgenden ausführlichen Beschreibung der dargestellten Ausführungsformen und der repräsentativen Arten zum Ausführen der vorliegenden Offenbarung in Verbindung mit den begleitenden Zeichnungen und den beigefügten Ansprüchen leicht ersichtlich. Darüber hinaus beinhaltet die vorliegende Offenbarung ausdrücklich alle Kombinationen und Teilkombinationen der vorangehenden Elemente und Merkmale, die oben und im Folgenden dargestellt sind.
Figurenliste

1 ist eine perspektivische Frontansicht eines repräsentativen Kraftfahrzeugs mit einer eingesetzten schematischen Darstellung einer repräsentativen Hubkolbenverbrennungsmotor-(ICE)-Anordnung mit linearen Parameter variierenden (LPV) modellprädiktiven Steuerungs-(MPC)-Fähigkeiten gemäß den Aspekten der vorliegenden Offenbarung.
2 ist ein schematisches Diagramm einer repräsentativen stückweisen LPV/MPC-Motorsteuerungsarchitektur gemäß den Aspekten der vorliegenden Offenbarung.
3 ist ein Diagramm, das ein Beispiel für die stückweise Steuerung des LPV/MPC-Motorsteuerungssystems gemäß den Aspekten der vorliegenden Offenbarung veranschaulicht, wobei ein nichtlineares Systemmodell erzeugt und zu spärlichen Abtastzeiten k linearisiert wird, wenn die lineare Modellgenauigkeit bei Vorhersagehorizonten basierend auf Online-Testkriterien ausreichend ist.
4 ist ein schematisches Diagramm einer repräsentativen stückweisen LPV/MPC-Motordrehmoment- und Emissionsarchitektur in einem geschlossenen Kreislauf gemäß den Aspekten der vorliegenden Offenbarung.
5 ist ein Flussdiagramm für einen Motorsystem-Steuerungsalgorithmus mit einer stückweisen LPV/MPC-Motorsystemsteuerungsroutine, die den Anweisungen entsprechen kann, die von einer integrierten Steuerlogikschaltung, einer programmierbaren Motorsteuerungseinheit oder einer anderen computergestützten Vorrichtung eines Kraftfahrzeugs gemäß den Aspekten der offenbarten Konzepte ausgeführt werden.

Für die vorliegende Offenbarung können verschiedene Modifikationen und alternative Formen zur Anwendung kommen und einige exemplarische Ausführungsformen werden hierin anhand der Zeichnungen in Form von Detailbeispielen dargestellt. Es versteht sich allerdings, dass die neuartigen Aspekte dieser Offenbarung nicht auf die in den hinzugefügten Zeichnungen dargestellten besonderen Formen beschränkt sind. Vielmehr umfasst diese Offenbarung alle Modifikationen, Entsprechungen, Kombinationen, Teilkombinationen Permutationen, Gruppierungen und Alternativen, die dem Erfindungsgedanken und dem Umfang der Offenbarung entsprechen, wie sie durch die beigefügten Ansprüche definiert sind.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
Diese Offenbarung eignet sich für eine Vielzahl von Ausführungsformen. Diese sind in den Zeichnungen dargestellt und hierin in detaillierten exemplarischen Ausführungsformen der Offenbarung beschrieben, mit der Erkenntnis, dass die vorliegende Offenbarung als eine Veranschaulichung der Prinzipien der Offenbarung zu betrachten ist, und nicht als eine Einschränkung der breiten Aspekte der Offenbarung bezüglich der dargestellten Ausführungsformen. Entsprechend sollten Elemente und Einschränkungen, die beispielsweise in den Abschnitten der Kurzdarstellung, der Zusammenfassung und der ausführlichen Beschreibung offenbart, aber nicht explizit in den Patentansprüchen aufgeführt sind, nicht per Schlussfolgerung, Rückschluss oder anderweitig einzeln oder insgesamt in die Patentansprüche integriert werden. Zu Zwecken der vorliegenden ausführlichen Beschreibung, soweit nicht ausdrücklich dementiert: beinhaltet die Singularform die Pluralform und umgekehrt; die Wörter „und“ und „oder“ sind beide verbindend und trennend; das Wort „alle“ bedeutet „alle und jegliche“; das Wort „jegliche“ bedeutet „alle und jegliche“; und die Wörter „einschließlich“ und „umfassend“ bedeuten „einschließlich ohne Einschränkung“. Darüber hinaus können beispielsweise Wörter für Annäherungen, wie „etwa“, „fast“, „wesentlich“, „ungefähr“ und dergleichen, hierin im Sinne von „bei, nahe oder nahezu“, oder „innerhalb 3-5 % von“ oder „innerhalb akzeptabler Herstellungstoleranzen“ oder jegliche logische Kombination davon verwendet werden.
Mit Bezug auf die Zeichnungen, worin sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche Merkmale in den verschiedenen Ansichten beziehen, ist 1 die perspektivische Darstellung eines repräsentativen Fahrzeugs, das im Allgemeinen mit 10 bezeichnet wird und hierin zu Zwecken der Erörterung einer Vier-Personen-Limousine-Version eines Pkws dargestellt wird. An einem vorderen Teil des Automobils 10, z. B. hinter einer vorderen Stoßfängerverkleidung und einem Gitter und vor einem Fahrgastraum ist die ICE-Anordnung 12 in einem Motorraum montiert, der von einer Motorhaube 14 bedeckt ist. Das dargestellte Automobil 10 - hier auch kurz als „Kraftfahrzeug“ oder „Fahrzeug“ bezeichnet - ist lediglich eine exemplarische Anwendung, mit der die neuartigen Aspekte und Merkmale dieser Offenbarung praktiziert werden können. In gleicher Weise sollte die Implementierung der vorliegenden Konzepte in eine funkengezündete Direkteinspritzungs (SIDI)-Motorkonfiguration ebenfalls als eine exemplarische Anwendung der hierin offenbarten neuartigen Konzepte betrachtet werden. Demgemäß versteht es sich, dass die Aspekte und Merkmale der vorliegenden Offenbarung auf andere Motorarchitekturen angewendet werden können, die für andere Abgasnachbehandlungssysteme implementiert sind und für jeden logisch relevanten Typ eines Kraftfahrzeugs verwendet werden können. Letztendlich sind die hierin abgebildeten Zeichnungen nicht unbedingt maßstabsgetreu und dienen lediglich Anleitungszwecken. Somit gelten die spezifischen und relativen Maße der Zeichnungen nicht als einschränkend.
Dort ist in 1 ein Beispiel einer mehrzylindrigen Reihen-ICE-Anordnung mit dualer obenliegender Nockenwelle (DOHC) 12 gezeigt. Die dargestellte ICE-Anordnung 12 ist eine Viertakt-Hubkolbenmotorkonfiguration, die das Fahrzeug 10 antreibt, beispielsweise als Benzinmotor mit Direkteinspritzung, einschließlich Flexible Fuel-Fahrzeuge (FFV) und Hybridfahrzeugvarianten davon. Die ICE-Anordnung 12 kann wahlweise in einem beliebigen aus einer Auswahl von auswählbaren Verbrennungsmodi, einschließlich eines Verbrennungsmodus mit homogener Selbstzündung (Homogeneous Charge Compression Ignition, HCCI) und anderer Selbstzündungs (CI)-Verbrennungsmodi, arbeiten. Zusätzlich kann die ICE-Anordnung 12 bei einem stöchiometrischen Luft/Kraftstoff-Verhältnis und/oder einem Luft/Kraftstoff-Verhältnis betrieben werden, das hauptsächlich stöchiometrisch mager ist. Dieser Motor 12 beinhaltet eine Reihe von Hubkolben 16, die in Zylinderbohrungen 15 eines Motorblocks 13 verschiebbar beweglich sind. Die obere Oberfläche jedes Kolbens 16 wirkt mit dem Innenumfang seines entsprechenden Zylinders 15 und einer ausgesparten Kammeroberfläche 19 eines Zylinderkopfes 25 zusammen, um eine Brennkammer 17 mit variablem Volumen zu definieren. Jeder Kolben 16 ist mit einer rotierenden Kurbelwelle 11 verbunden, durch die eine lineare Hin- und Herbewegung der Kolben 16 beispielsweise über die Kurbelwelle 11 als Drehbewegung an eine Kraftübertragung (nicht dargestellt) abgegeben wird.
Ein Lufteinlasssystem überträgt zum Zylinder 15 durch einen Ansaugkrümmer 29, der Einlassluft in die Verbrennungskammern 17 lenkt und verteilt, z. B. über Ansaugkanäle des Zylinderkopfes 25. Das Lufteinlasssystem des Motors verfügt über Luftstromkanäle und verschiedene elektronische Vorrichtungen zum Überwachen und Steuern des Luftstroms. Die Luftansaugvorrichtungen können als ein nicht einschränkendes Beispiel einen Luftmassenströmungssensor 32 zum Überwachen des Luftmassenstroms (MAF) 33 und der Einlasslufttemperatur (IAT) 35 beinhalten. Ein Drosselventil 34 steuert den Luftstrom zu der ICE-Anordnung 12 in Reaktion auf ein Steuersignal (ETC) 120 von einer programmierbaren Motorsteuereinheit (ECU) 5. Ein Drucksensor 36, der funktionsfähig mit dem Ansaugkrümmer 29 verbunden ist, überwacht beispielsweise den Krümmerabsolutdruck (MAP) 37 und den barometrischen Druck. Ein optional externer Strömungskanal führt Abgase vom Motorauspuff zum Ansaugkrümmer 29, z. B. über ein Steuerventil, zurück, das als ein Abgasrückführungsventil (AGR) 38 bezeichnet wird. Die programmierbare ECU 5 steuert den Massestrom des Abgases zum Ansaugkrümmer 29, indem sie das Öffnen des AGR-Ventils 38 über den AGR-Befehl 139 steuert. In 1 sind die Pfeile, die die Motorsteuereinheit 5 mit den verschiedenen Komponenten der ICE-Anordnung 12 verbinden, für elektronische Signale oder andere Kommunikationsvermittlungen repräsentativ, mit denen Daten und/oder Steuerbefehle von einer Komponente zur anderen übertragen werden.
Der Luftstrom von dem Ansaugkrümmer 29 in jede Verbrennungskammer 17 wird durch ein oder mehrere dedizierte Einlass-Motorventile 20 gesteuert. Das Abführen von Abgasen aus der Verbrennungskammer 17 über einen Abgaskrümmer 39 zu einem Abgasnachbehandlungssystem 55 wird durch ein oder mehrere dedizierte Abgasmotorventile 18 gesteuert. Gemäß mindestens einiger der offenbarten Ausführungsform beinhaltet das Abgasnachbehandlungssystem 55 ein Abgasrückführungssystem (AGR-System) und/oder ein System für selektive katalytische Reduktion (SCR). Die Motorventile 18, 20 sind hier als federvorgespannte Tellerventile dargestellt; Es können jedoch auch andere bekannte Arten von Motorventilen verwendet werden. Das Ventiltriebsystem der ICE-Anordnung 12 ist dazu eingerichtet, das Öffnen und Schließen der Einlass- und Auslassventile 20, 18 zu steuern und einzustellen. In einer Ausführungsform kann das Öffnen und Schließen der Einlass- und Auslassventile 20 und 18 moduliert werden, indem die entsprechenden variablen Einlass- und Auslassnockenverstellungs-/variablen Hubsteuerungsvorrichtungen (VCP/VLC) 22 und 24 gesteuert werden. Diese zwei VCP/VLC-Vorrichtungen 22 und 24 sind dazu konfiguriert, jeweils die Einlassnockenwelle 21 und die Auslassnockenwelle 23 zu steuern und zu betreiben. Die Drehung dieser Einlass- und Auslassnockenwellen 21 und 23 ist mit der Drehung der Kurbelwelle 11 verbunden und/oder auf diese begrenzt, wodurch Öffnungen und Schließungen der Einlass- und Auslassventile 20 und 18 mit Positionen der Kurbelwelle 11 und der Kolben 16 verbunden werden.
Die Einlass-VCP/VLC-Vorrichtung 22 kann mit einem Mechanismus hergestellt werden, um den Ventilhub des Einlassventils 20 in Reaktion auf ein Steuersignal (iVLC) 125 zu schalten und zu steuern und die Phasenlage der Einlassnockenwelle 21 für jeden Zylinder 15 in Reaktion auf ein Steuersignal (iVCP) 126 variabel einzustellen und zu steuern. Die Auslass-VCP/VLC-Vorrichtung 24 beinhaltet vorzugsweise einen steuerbaren Mechanismus, um den Ventilhub des Auslassventils 18 in Reaktion auf ein Steuersignal (eVLC) 123 und die Phasenlage der Auslassnockenwelle 23 für jeden Zylinder 15 in Reaktion auf ein Steuersignal (eVCP) 124 variabel einzustellen und zu steuern. Die VCP/VLC-Vorrichtungen 22, 24 können unter Verwendung einer elektrohydraulischen, hydraulischen, elektromechanischen oder elektrischen Steuerungskraft in Reaktion auf die jeweiligen Steuersignale eVLC 123, eVCP 124, iVLC 125 und iVCP 126 betätigt.
Mit weiterer Bezugnahme auf die repräsentative Konfiguration von 1, verwendet die ICE-Anordnung 12 ein Benzin-Direkteinspritzungs (GDI)-Kraftstoffeinspritzuntersystem mit mehreren Hochdruck-Kraftstoffeinspritzdüsen 28, die Kraftstoffpulse direkt in die Verbrennungskammern 17 einspritzen. Jeder Zylinder 15 ist mit einer oder mehreren Einspritzdüsen 28 versehen, die in Reaktion auf einen Einspritzdüsenpulsbreitebefehl (INJ_PW) 112 von der Motorsteuereinheit 5. aktiviert werden. Diese Einspritzdüsen 28 werden mit unter Druck gesetztem Kraftstoff von einem Kraftstoffverteilungssystem (nicht dargestellt) versorgt. Eine oder mehrere oder alle der Kraftstoffeinspritzdüsen 28 können, wenn sie aktiviert werden, betreibbar werden, um mehrere Kraftstoffpulse (z. B. eine Folge von ersten, zweiten, dritten usw. Einspritzungen von Kraftstoffmasse) pro Arbeitszyklus in einen entsprechenden Zylinder der ICE-Anordnungszylinder 15 einzuspritzen. Die ICE-Anordnung 12 verwendet ein fremdgezündetes Untersystem, durch das die durch Kraftstoffverbrennung initiierte Energie - typischerweise in Art einer plötzlichen elektrischen Entladung - über eine Zündkerze 26 zum Zünden oder zur Unterstützung beim Zünden der Zylinderfüllungen in jeder der Verbrennungskammern 17 in Reaktion auf einen Zündbefehl (IGN) 118 von der Motorsteuereinheit 5 bereitgestellt wird. Aspekte und Merkmale der vorliegenden Offenbarung können in ähnlicher Weise bei kompressionsgezündeten (CI) Dieselmotoren angewendet werden.
Die ICE-Anordnung 12 ist mit verschiedenen Abtastvorrichtungen zum Überwachen des Motorbetriebs einschließlich eines Kurbelsensors 42 mit einem Ausgang, der die Kurbelwellen-Drehposition anzeigt, z. B. Kurbelwellen-Kurbelwinkel, Drehmoment und/oder -drehzahl (RPM) Signal 43, ausgestattet. Ein Temperatursensor 44 ist zum Überwachen beispielsweise einer oder mehrerer motorbedingter Temperaturen (z. B. Kühlmitteltemperatur, Kraftstofftemperatur, Abgastemperatur usw.) funktionsfähig und gibt ein Signal 45 aus, das dafür kennzeichnend ist. Ein Verbrennungssensor 30 im Zylinder überwacht verbrennungsbezogene Variablen, wie z. B. Verbrennungsdruck im Zylinder, Ladungstemperatur, Kraftstoffmasse, Luft-/Kraftstoff-Verhältnis usw. und gibt ein Signal 31 aus, das dafür kennzeichnend ist. Ein Abgassensor 40 ist zum Überwachen von abgasbezogenen Variablen, z. B. des tatsächlichen Luft/Kraftstoff-Verhältnisses (AFR), des verbrannten Gasanteils usw., konfiguriert und gibt ein Signal 41 aus, das dafür kennzeichnend ist.
Der Verbrennungsdruck und die Kurbelwellendrehzahl werden durch die Motorsteuereinheit 5 überwacht, um den Verbrennungszeitpunkt zu ermitteln, d. h. die Zeitsteuerung des Verbrennungsdrucks relativ zum Kurbelwinkel der Kurbelwelle 11 für jeden Zylinder 15 für jeden Arbeitsverbrennungszyklus. Es versteht sich, dass der Verbrennungszeitpunkt durch andere Verfahren ermittelt werden kann. Der Verbrennungsdruck kann durch die Motorsteuereinheit 5 überwacht werden, um einen mittleren Arbeitsdruck (IMEP) für jeden Zylinder 15 für jeden Arbeitsverbrennungszyklus zu ermitteln. Die ICE-Anordnung 12 und Motorsteuereinheit 5 überwachen und ermitteln gemeinsam die Zustände des IMEP für jeden der Motorzylinder 15 während jedes Zylinderzündereignisses. Alternativ dazu können andere Erfassungssysteme genutzt werden, um Zustände anderer Verbrennungsparameter innerhalb des Umfangs der Offenbarung zu überwachen, z. B. Zünd systeme mit Ionenerfassung, AGR-Fraktionen und nicht-intrusive Zylinderdrucksensoren.
Steuermodul, Modul, Steuerung, Steuergerät, Steuereinheit, Prozessor und ähnliche Begriffe beziehen sich auf eine oder mehrere Kombinationen einer oder mehrerer anwendungsspezifischer integrierter Schaltung(en) (ASIC), elektronische Schaltung(en), zentrale Verarbeitungseinheit(en) (z. B. Mikroprozessor(en)) und dazugehörige Arbeits- und Datenspeicher (Lesespeicher, programmierbare Lesespeicher, Direktzugriffsspeicher, Festplattenlaufwerke usw.), die ein oder mehrere Software- oder Firmware-Programme oder Routinen, kombinatorische Logikschaltung(en), Eingangs-/Ausgangsschaltung(en) und - geräte, entsprechende Signal-Konditionierungs- und Pufferschaltungen ausführen, sowie weitere Komponenten, die die beschriebene Funktionalität bereitstellen. Software, Firmware, Programme, Anweisungen, Steuerroutinen, Codes, Algorithmen und ähnliche Begriffe beziehen sich auf jedwede von einer Steuerung ausführbare Befehlssätze inklusive Kalibrierungen und Lookup-Tabellen. Die Motorsteuereinheit kann mit einem Satz von Steuerroutinen konstruiert sein, die ausgeführt werden, um die gewünschten Funktionen bereitzustellen. Steuerroutinen werden, zum Beispiel durch eine zentrale Verarbeitungseinheit ausgeführt und dienen dazu, die Eingänge der Sensorgeräte und anderer vernetzter Steuermodule zu überwachen und um Steuer- und Diagnoseroutinen auszuführen, um den Betrieb von Vorrichtungen und Stellantrieben zu steuern. Routinen können in regelmäßigen Abständen, z. B. nach jeweils 100 Mikrosekunden, 3,125, 6,25, 12,5, 25 und 100 Millisekunden im laufenden Motor- und Fahrzeugbetrieb ausgeführt werden. Alternativ dazu können die Routinen in Reaktion auf ein auftretendes Ereignis ausgeführt werden.
In 2 ist eine repräsentative, stückweise lineare parametervariierende (LPV) modellprädiktive (LPV) Motorsteuer (MPC)-Architektur dargestellt, die im Allgemeinen mit 200 bezeichnet ist und die zum Beispiel so betrieben werden kann, dass sie eine Steuerung des Motorsystems im geschlossenen Kreislauf ermöglicht, um ein optimales Motordrehmoment bereitzustellen und/oder Verbrennungsemissionen zu minimieren. Wie unten noch ausführlicher beschrieben ist, kann die LPV/MPC-Architektur 200 dazu beitragen, die Verbrennungseffizienz zu optimieren und kann helfen, eine schnelle Drehmomentreaktionsverfolgung bereitzustellen, während der Kraftstoffverbrauch minimiert wird. Grundsätzlich stellt die offenbarte LPV/MPC-Architektur 200 eine neue Lösung dar, indem sie die modellprädiktive Steuerung auf Motorsysteme anwendet, die durch stückweise lineare Parameter variierende Modelle beschrieben werden. In dem veranschaulichten Beispiel linearisiert die stückweise LPV/MPC-Architektur 200 ein physikalisch basiertes nichtlineares Motormodell online zu geringen Abtastzeiten und wechselt zwischen linearisierten Modellen, wenn es aufgrund eines Kriteriums der Modelleigenschaften als notwendig erachtet wird. Der Einsatz dieses Steuerungsschemas kann bei gleichzeitiger Erhöhung des ECU-Durchsatzes zur Einsparung von ECU-Verarbeitungszeit beitragen, ohne die Systemleistung zu beeinträchtigen.
In dem veranschaulichten Beispiel sind Teile der stückweisen LPV-MPC-Architektur 200 allgemein als interoperable Steuermodule verkörpert - ein Stückweises LPV (PLPV)-Modul 202, ein modellprädiktives Steuerungs-(MPC)-Modul 204 und ein Vorhersagefehler-(PO)-Modul 206 - die jeweils eine entsprechende Softwareanwendung mit prozessorausführbaren Anweisungen umfassen können, die beispielsweise durch die in 1 dargestellte bordeigene Motorsteuereinheit (ECU) 5 des Kraftfahrzeugs 10 bewirkt wird. Für zumindest einige Anwendungen kann das MPC-Modul 204 durch ein Proportional Integral Derivat-(PID)-Modul ersetzt oder ergänzt werden. In gleicher Weise ist vorgesehen, dass jedes Steuermodul eine diskrete Steuerung, einen Mikroprozessor oder eine andere integrierte Schaltung (IC) umfassen kann, die alle operativ miteinander verbunden sind, um beliebige der hierin offenbarten Funktionen und Merkmale auszuführen. Als ein geschlossenes System funktionieren die PLPV-, MPC- und PO-Steuermodule 202, 204, 206 durch die Implementierung über die ECU 5, um den Betrieb der ICE-Anordnung 12 und des Abgasnachbehandlungssystems 55 basierend auf Feedback-Sensordaten vom Motor- und Abgassystem (d. h. die Ausgabemengen bewirken Eingabemengen für den Steuerungsprozess) zu steuern.
Um Rückmeldedaten der geschlossenen Regelung bereitzustellen, kann die stückweise LPV/MPC-Architektur 200 mit einer Zusammenstellung von Sensoreinrichtungen im und außerhalb des Fahrzeugs kommunizieren, einschließlich derjenigen, die in 1 dargestellt und oben beschrieben sind, um relevante Informationen für den Betrieb und die Optimierung des Motor- und Abgassystems zu aggregieren. In 2 werden zum Beispiel ein oder mehrere Motorsensoren 208, die in der Art eines magnetoelastischen Drehmomentsensors, vom Typ eines rotierenden Transformators oder eines SAW-Drehmomentsensors vorliegen können, die an der Kurbelwelle 11 oder einer anderen geeigneten Komponente der ICE-Anordnung 12 montiert sind. Jeder Motorsensor 208 ist betreibbar zum Ermitteln - Überwachen in Echtzeit, systematisch oder zufällig nachverfolgen und/oder anderweitig selektiv erfassen - einer gemessenen Ausgabe y_m(t) der ICE-Anordnung, wie beispielsweise dem aktuellen Motordrehmoment (Tq), und zum Erzeugen eines oder mehrerer darauf hinweisender Signale. Alternative Systemarchitekturen können die Daten des Motorsensors 208 eliminieren oder ergänzen, indem zum Beispiel ein gespeichertes mathematisches Modell oder eine Nachschlagetabelle verwendet wird, um das Motordrehmoment oder beliebige andere Systemparameter zu schätzen.
Zusätzlich zu dem (den) Motorsensor(en) 208 ist (sind) ein oder mehrere Eingangssensoren 210, die in der Art eines linearen Wandlers oder eines berührungslosen Positionssensors („NPS“) vorliegen können, an einem elektronischen Gaspedal „Drive-by-Wire“ oder einer anderen geeigneten Komponente der ICE-Anordnung 12 montiert. Jeder Eingangssensor 210 ist betreibbar, um z. B. in Echtzeit, systematisch oder zufällig eine Spur zu überwachen und/oder anderweitig selektiv einen gewünschten Ausgang r(t), wie beispielsweise eine gewünschte Trajektorie oder ein gewünschtes Motordrehmoment, zu ermitteln und ein oder mehrere Signale zu erzeugen, die dies anzeigen. Es ist vorgesehen, dass das Motorsteuersystem 200 mehr oder weniger Sensoren von den in den Zeichnungen dargestellten Sensoren verwendet, sowohl im Fahrzeug als auch entfernt vom Fahrzeug. Ebenso kann das System analoge Schaltungen oder andere Signalverarbeitungshardware verwenden, z. B. zum Umwandeln von Sensorinformationen in analoge elektrische Signale, die zum Steuern des Motorbetriebs verwendet werden. Aus diesen Eingängen hilft das MPC-Modul 204, einen optimalen Steuereingang u(t) zu ermitteln, von dem einige Beispiele nachfolgend aufgeführt sind, um die Motorleistung zur Verfolgung der Referenz zu unterstützen (so dass die Differenz zwischen Referenz und gemessenem Ausgang minimal ist).
Für ein gegebenes nichtlineares System, z. B. aus dem PLPV-Modul 202, kann der Luftweg und das Drehmomentsystem einer Motoranordnung durch ein nichtlineares Zustandsraummodell beschrieben werden: $\begin{array}{l} \dot{x} = f (x, u, ω, {\dot{m}}_{f}, ρ,) \\ y = T_{q} = g (x, u, ω, {\dot{m}}_{f}, ρ) \end{array}$
wobei p ein Vektor ist, der Umgebungstemperatur und -druck enthält, ω die Motordrehzahl ist und ṁ_f der Kraftstofffluss ist. Aus diesen Zustandsraummodellen kann der Zustand des Motorsystems x und der Steuereingang u wie folgt gewählt werden: $\begin{array}{l} Zustand x = [\begin{matrix} N_{t} \\ {\dot{m}}_{a} \\ p_{t h} \\ p_{i} \end{matrix}] \\ E i n g a n g u = [\begin{matrix} u_{w g} \\ u_{t h} \\ u_{I M O P} \\ u_{E M O P} \\ u_{S P K} \end{matrix}] \end{array}$
wobei N_t die Motordrehzahl ist, ṁ_a die Frischluftströmung ist, p_th der Druck vor der Drosselklappe ist, p_i der Ansaugkrümmerdruck als nicht einschränkende Beispiele für Variablen des Motorzustandes ist; x; und u_wg ist das Turbolader Wastegate, u_th ist die Luftdrosselklappe, u_IMOP ist das Einlassventil des Motors in einer max. geöffneten Position; uEMOP ist die maximale geöffnete Position des Auslassventils des Motors, und u _spk ist der Zündzeitpunkt als nicht einschränkendes Beispiel für die Systemeingabe u. Ein linearisiertes System zu einer Abtastzeit k kann vom PLPV-Modul 202 abgeleitet werden (oder diskretisiert werden als): $\begin{matrix} \frac{d x}{d t} = \underset{F_{0}}{\underset{︸}{f (x_{k}, u_{k})}} + \underset{A}{\underset{︸}{{\frac{\partial f}{\partial x} |}_{k}}} (x - x_{k}) + \underset{B}{\underset{︸}{{\frac{\partial f}{\partial u} |}_{k}}} (u - u_{k}) = A_{k} x + B_{k} u + V (x_{k}, u_{k}) \\ y = g (x_{k}, u_{k}) + \underset{C}{\underset{︸}{{\frac{\partial g}{\partial x} |}_{k}}} (x - x_{k}) + \underset{D}{\underset{︸}{{\frac{\partial g}{\partial u} |}_{k}}} (u - u_{k}) = C_{k} x + D_{k} u + G (x_{k,} u_{k}) \end{matrix}$
wobei x ein repräsentativer Motorzustand ist; dx/dt eine Änderung des Motorzustandes im Laufe der Zeit ist; x_k ist der Motorzustand bei geringer Abtastzeit k; u ist ein repräsentativer Steuereingang; u_k ist der Steuereingang bei geringer Abtastzeit k; y ist eine repräsentative Systemausgabe; und A_k, B_k, C_k, D_k, V_k und G_k sind linearisierte Systemmatrizen, welche die Systemdynamik bei geringer Abtastzeit k charakterisieren. Unter Verwendung einer teilweisen Ableitung kann ein nichtlineares System an den Betriebspunkten x_k und u_k bei geringer Abtastzeit k linearisiert werden, wie in den vorstehenden Gleichungen beschrieben. Das linearisierte System bei geringer Abtastzeit k wird durch das PLPV-Modul 202 an MPC-Modul 204 zur Optimierung des Algorithmus bereitgestellt, wie nachfolgend näher beschrieben wird.
Ausgehend von der Abtastzeit k, kann das MPC-Steuerungsmodul 204 eine optimale Steuersequenz u_k, u_k+1, ... u_N ermitteln und an das PLPV-Modul 202 ausgeben, sodass es eine Kostenfunktion minimiert: $min_{u} {\sum_{i = k}^{k + N} ‖ W^{y} (y_{i + 1} - r (t)) ‖}^{2} + {‖ W^{u} (u_{i} - u_{r e f} (t)) ‖}^{2} + ‖ W^{Δ u} Δ u_{i} ‖$
wobei y_i+1 ein repräsentatives System ist, das zur Abtastzeit i+1 ausgegeben wird; in diesem Fall ist r(t) eine Referenz für einen Steuerausgang; u_i ist ein repräsentativer Steuereingang zur Abtastzeit i; u_ref ist eine Steuereingangsreferenz; und W^y, W^u und W^Δu sind Gewichtungsfaktoren bei der Optimierung. Die Optimierung der Kostenfunktion kann einer oder mehreren linearisierten systemischen dynamischen Randbedingungen unterliegen: $\begin{array}{l} x_{i + 1} = A_{k} x_{i} + B_{k} u_{i} + V_{k} (x_{k}, u_{k}) \\ y_{i} = C_{k} x_{i} + D_{k} u_{i} + G_{k} (x_{k,} u_{k}) \end{array}$
wobei x_i ein repräsentativer Motorzustand zur Abtastzeit i ist; x_i+Iist ein Motorzustand zur Abtastzeit i+1; u_i ist ein Steuereingang zur Abtastzeit i; y_i ist eine repräsentative Systemausgabe zur Abtastzeit i. Das Symbol |||*||| ist repräsentativ für eine Norm eines Vektors, d. h. eine allgemeine Vektornorm, die ein Maß für die jeweilige Größe der Variablen in der Norm ist.
Die Optimierung zur Minimierung der vorstehend in Gleichung (4) dargestellten Kostenfunktion hilft dabei, eine Steuersequenz u_k, u_k+1, ... u_N zu finden, die zum Beispiel zum Steuern linearer Systemreaktionen y_k, y_k+1, und y_N implementiert werden kann, um ein Referenzsignal r(_t) zu verfolgen, z. B. so, dass der Unterschied zwischen ||y_i-r(t)|| gering ist. In diesem Beispiel kann N·Δt verwendet werden, um einen Vorhersagehorizont zu bezeichnen, der N Anzahl der Abtastwerte des Systems mit der Abtastzeit Δt enthält. Eine erste Norm in der Kostenfunktion hilft, einen Trackingfehler zwischen der vom System gemessenen Ausgabe y und der Referenz r(t) zu minimieren. Eine zweite und dritte Norm in der Kostenfunktion kann für bestimmte Einschränkungen des Steuersignals repräsentativ sein, z. B. um sicherzustellen, dass das Steuersignal nicht zu stark springt oder signifikant von einer bestimmten Eingangsreferenz u_ref entfernt ist. Sobald eine optimale Steuersequenz gefunden ist, kann ein erstes Steuerelement u_k auf die Motoranordnung 12 angewendet werden, z. B. über das MPC-Modul 204 aus 2. Die optimale Steuersequenz kann durch das MPC-Modul 204 an das PLPV-Modul 202 bereitgestellt werden, um die Reaktionen des Systemmodells zu simulieren.
Der vorgenannte Vorgang kann dann wiederholt werden, um bei der nächsten Abtastzeit (k+1) eine optimale Steuerung zu berechnen. Dies kann das Ermitteln eines neuen linearisierten Systems des ursprünglichen nichtlinearen Systems zur nächsten Abtastzeit (k+1) erfordern, z. B. über das PLPV-Modul 202, was die Berechnung einer neuen Steuersequenz u_k+1, u_k+2, ... u_N+1, z. B. über das MPC-Modul 204, erfordern kann. Die stückweise LPV/MPC-Architektur 200 wiederholt diesen Vorgang zu jeder Abtastzeit, um für jeden Prognosehorizont, der sich in Echtzeit vorwärts bewegt, ein optimales Steuerelement zu finden. Dieser Vorgang hilft dabei, die Komplexität zu vermeiden, die mit der Kalibrierung der Zoneneinteilung verbunden ist. In der Praxis kann das Finden einer optimalen Steuersequenz für jedes linearisierte Systemmodell beim Berechnen der MPC-Optimalsteuerung das Lösen eines quadratischen Programms erfordern, dessen Formulierung auf einer komplizierten Manipulation von Matrizen A_k, B_k, C_k, D_k, V_k and G_k bei einer Abtastzeit k beruht. Die Formulierung und anschließende Lösung dieses quadratischen Programms verbraucht tendenziell eine große Menge an Rechenzeit und Speicherplatz für des ECU-Durchsatzes. Diese rechnerische Belastung kann dazu führen, dass ECU/ECU-Ressourcen nicht in der Lage sind, andere Aufgaben zu erfüllen.
Um die bereits erwähnten rechnerischen Belastungen, die mit der Komplexität der Kalibrierung in zonenbasierten MPC-Algorithmen und der Komplexität von LPV/MPC-Optimierungsprozessen verbunden sind, zu eliminieren, nutzt die in 2 vorgestellte repräsentative Motorsystemsteuerungsarchitektur 200 eine stückweise LPV/MPC-Steuerroutine, die ein linearisiertes System A_k, B_k, C_k, D_k, V_k, und G_k bei einer geringen Abtastzeit k erhält, und wendet dann die MPC-Steuerung an, um eine optimale Steuersequenz u_k, u_k+1, ... u_N zu finden, dann finden eines optimalen Steuerelements u_k, das auf die Motoranordnung 12 angewendet wird. Diese Steuersequenz wird verwendet, um sowohl das linearisierte System als auch das ursprüngliche nichtlineare Modell zu simulieren. Befinden sich die Reaktionen beider Systemmodelle innerhalb einer vorgegebenen Toleranz - eines kalibrierten Schwellenwerts - bei der nächsten Abtastzeit (k+1), z. B. gemäß PO-Modul 206, verzichtet das PLPV-Modul 202 auf das Linearisieren eines anderen Systemmodells oder führt eine neue quadratische Programmieroptimierung durch. Stattdessen verwendet das Steuerungsmodell den existierenden quadratischen Programmieralgorithmus basierend auf dem existierenden linearen Systemmodell (A_k, B_k, C_k, D_k, V_k, und G_k) erhalten bei einer Abtastzeit k um die nächste optimale Steuersequenz u_k+1, u_k+2, ... u_N+1 zu finden. Dieser Vorgang kann in einer Endlosschleife wiederholt werden, bis die aktuell vorhergesagten Reaktionen des linearen Systemmodells zur vergangenen Abtastzeit k signifikant von den aktuell vorhergesagten Reaktionen des nichtlinearen Systemmodells abweichen. In Reaktion auf eine oder mehrere vorhergesagte Reaktionen der linearen und nichtlinearen Systemmodelle, die von einem kalibrierten Schwellenwert abweichen, wird ein neues linearisiertes System erzeugt.
Die Anwendung der vorstehend aufgeführten stückweisen LPV/MPC-Motorsteuerungsroutine ist in 3 dargestellt, wobei ein nichtlineares Systemmodell 220 erzeugt und zu geringen Abtastzeiten k linearisiert wird, wenn die Genauigkeit des linearen Systemmodells 222 bei Vorhersagehorizonten basierend auf Online-Testkriterien ausreichend ist. Die stückweise LPV/MPC-Architektur 200 erübrigt die Notwendigkeit des Linearisierens des nichtlinearen Systemmodells zu jeder Abtastzeit; vielmehr muss das System das nichtlineare System lediglich an sehr spärlichen Abtastpunkten linearisieren, z. B. bei k=0, k=10, k=20 und k=35. Zwischen diesen geringen Abtastzeiten nutzt die LPV/MPC-Architektur 200 den vorhandenen quadratischen Programmieralgorithmus zu einer vorgegebenen geringen Abtastzeit k, um eine aktuelle optimale Steuersequenz zu finden.
Das PO-Modul 206 vergleicht die Systemreaktionen, um festzustellen, ob ein neues linearisiertes Systemmodell erforderlich ist; in diesem Fall kann das PO-Modul 206 für eine nächste Linearisierung zurückgesetzt werden. Es stehen verschiedene Verfahren zum Berechnen von Vorhersagefehlern zur Verfügung, um zu ermitteln, wann das nächste Linearisierungsmodell erforderlich ist. In 2 repräsentiert e(y, y_i) einen Modellierungsfehler als Funktion der Reaktionsfolgen (oder Vektoren) y des nichtlinearen Systemmodells und y_i des linearisierten Systemmodells. Im dargestellten Beispiel: ${‖ e (y, y_{i}) ‖}_{k + n}^{k + n + N}$
definiert eine Vektor-Norm, die für eine Anzahl an Abtastwerten N berechnet wird. Es stehen verschiedene Möglichkeiten zur Verfügung, um die Norm zu messen, wie beispielweise: $\begin{array}{l} 1) . {‖ e (y, y_{i}) ‖}_{k + n}^{k + n + N} = max | y - y_{i} |, i = [k + n k + n + N]) . \\ 2) . {‖ e (y, y_{i}) ‖}_{k + n}^{k + n + N} = \sqrt{\frac{1}{N} \sum_{i = k + n}^{k + n + N} {[(y - y_{i}) / y]}^{2}} \end{array}$
Diese Ansätze werden als „Fehlerbasierte Schalt“-Testfunktionen bezeichnet. Im ersten exemplarischen Verfahren des Gleichungssatzes (7) kann die Norm für eine Anzahl an Abtastwerten N als maximale absolute Differenz zwischen der nichtlinearen Systemreaktion und der linearisierten Systemreaktion während des Vorhersagefensters definiert werden. Im zweiten exemplarischen Verfahren des Gleichungssatzes (7) kann eine Norm definiert werden als ein Effektivwert der relativen Fehler der Reaktionsunterschiede zwischen dem ursprünglichen nichtlinearen Modell und dem linearisierten Modell.
In einem dritten Verfahren: $\begin{array}{l} \begin{array}{l} d e r_{1} = A_{k - 1} x (k | k - 1) + B_{k - 1} \bar{u} + v_{k - 1} & d e r 2 = f (x (k | k - 1), \bar{u}) \end{array} \\ \begin{matrix} \begin{matrix} \begin{matrix} \begin{matrix} \end{matrix} \end{matrix} \end{matrix} \end{matrix} Schalter, wenn ‖ {der}_{1} - {der}_{2} ‖ > ε, \end{array}$
Dieses Verfahren berechnet die Ableitung des nichtlinearen Systems der₂(k+1)=f(x_k,u_k,ωk m_fk) und den nächsten Zustand des linearisierten Systems der₁(k+1)=x_k+₁₌A_kx_k+B_ku_k+V_k,, wenn ||e(y,yi)||=| der₂(k+1)- der₁(k+1)|>ε, und schaltet auf ein anderes linearisiertes Modell um.
Die Modellumschaltung, wie in Gleichung (8) nachstehend angegeben, kann auch basierend auf der Überprüfung zwischen linearisierten Modellen verwendet werden, um zu vermeiden, dass ein neues Optimierungsproblem zu jeder Abtastzeit gelöst wird. Anders ausgedrückt, kann die Modellumschaltung durch Überprüfen einer Differenz zwischen linearisierten Modellen bestimmt werden, um eine neue quadratische Programmierung oder ein rechnerisch umfangreiches Optimierungsproblem bei jeder Abtastzeit zu vermeiden: $4) . D i f f e r e n z (L i n S y s (k), L i n S y s (k + n)) > ε, n = M, (n = 1,2,3 \dots)$
Die Differenz kann basierend auf den Ergebnissen zweier linearer Systeme in einem Vorhersagehorizont oder den charakteristischen Eigenschaften der beiden linearen Systeme berechnet werden. Hier ist LinSys(k) das linearisierte System zur Abtastzeit k: $\begin{array}{l} x_{k + 1} = A_{k} x_{k} + B_{k} u_{k} + V_{k} (x_{k}, u_{k}) \\ y_{k} = C_{k} x_{k} + D_{k} u_{k} + G_{k} (x_{k,} u_{k}) \end{array}$
wobei LinSys(k) das linearisierte System zur Abtastzeit k+n ist: $\begin{array}{l} x_{k + n + 1} = A_{k + n} x_{k + n} + B_{k + n} u_{k + n} + V_{k + n} (x_{k + n}, u_{k + n}) \\ y_{k + n} = C_{k + n} x_{k + n} + D_{k + n} u_{k + n} + G_{k + n} (x_{k + n,} u_{k + n}) \end{array}$
Die Differenz kann basierend auf den Ergebnissen zweier linearer Systeme in einem Vorhersagehorizont oder den charakteristischen Eigenschaften der beiden linearen Systeme berechnet werden, wie beispielsweise Systempole und Nullen.
4 veranschaulicht schematisch eine repräsentative stückweise Motordrehmoment -und Emissionsarchitektur 300 in einem geschlossenen Kreislauf. Obwohl sich das Erscheinungsbild der Architektur 300 in 4 unterscheidet, kann sie, einzeln oder in Kombination, alle der vorstehend und nachfolgend aufgeführten Merkmale und Optionen in Bezug auf die anderen Motorsteuerungsarchitekturen aufnehmen und umgekehrt. In diesem Beispiel ist T_qm(t) ein gemessenes Drehmoment der Motoranordnung 12 und T_qr(t) ist ein Solldrehmoment, das parallel zum gemessenen Drehmoment durch das robuste MPC-Steuerungsmodul 304 verfolgt wird. Optimale Steuerausgänge werden in 4 dargestellt, z. B. als: eine optimale Wastegate-Position u_wg; eine optimale Drosselklappenstellung u_ITV; eine optimale Einlassventilposition u_IMOP, und eine optimale Auslassventilposition u_EMOP. Einer oder mehrere oder alle dieser Steuerausgänge können zum Steuern der Motoranordnung 12 verwendet werden, sodass das resultierende Drehmoment T_qm dem Solldrehmoment T_qr folgt. Da es sich bei MPC um einen modellbasierten Steueralgorithmus handelt, kann ein Modellierungsfehler unter Umständen verhindern, dass das Motordrehmoment das Solldrehmoment genau verfolgt. In diesem Fall kann man jedoch mehrere Proportional- und Integral-(PI)-Steuerungen hinzufügen, die zusammen bei 302 ausgewiesen sind. In einem Beispiel können diese PI-Steuerungen 302 basierend auf einem oder mehreren Steuerfehlern zwischen dem gemessenen Drehmoment und dem Solldrehmoment des Motors implementiert werden, um die MPC-Steuerung u_wg, u_ITV, u_IMOP, u_EMOP zu modifizieren, um die gemessene Drehmomentspur auf das Solldrehmoment präziser zu gestalten. In diesem Diagramm sind R1, R2, R3 und R4 Gewichtungsfunktionen in einer MPC-Kostenfunktion, n1, n2, n3, n4 sind Binärzahlen, die Werte entweder von 1 oder 0 annehmen. In diesem Fall schaltet 1 die entsprechende PI-Steuerung für ein bestimmtes Stellglied ein; umgekehrt schaltet 0 die PI-Steuerung für dieses Stellglied aus.
Mit weiterem Bezug auf das Flussdiagramm von 5 ist ein verbessertes Verfahren oder eine verbesserte Steuerungsstrategie zum Betreiben eines stückweisen LPV/MPC Verbrennungsmotorsystems, wie beispielsweise der ICE-Anordnung 12 von 1, für ein Kraftfahrzeug, wie zum Beispiel das Automobil 10, gemäß den Aspekten der vorliegenden Offenbarung im Allgemeinen bei 400 beschrieben. 5 kann repräsentativ für einen Algorithmus sein, der prozessorausführbaren Anweisungen entspricht, die beispielsweise im Haupt- oder Hilfsspeicher gespeichert werden können und beispielsweise durch eine ECU, CPU, einer im Fahrzeug oder entfernt befindlichen Fahrzeugsteuerlogikschaltung oder einer anderen Vorrichtung ausgeführt werden können, um beliebige oder alle der oben und/oder unten beschriebenen Funktionen auszuführen, die den offenbarten Konzepten zugeordnet sind.
Das Verfahren 400 von 4 beginnt bei Block 401 mit dem Empfangen, z.B. über das MPC-Modul 204 von 2, eines oder mehrerer Signale, die das aktuelle Motordrehmoment anzeigen, z.B. von einem Motorsensor 208. Block 401 kann ferner das MPC-Modul 204 umfassen, das ein oder mehrere Signale empfängt, die das gewünschte Motordrehmoment anzeigen, z. B. vom Eingangssensor 210. Bei Block 403 bestimmt das Verfahren 400 dann aus den empfangenen Signalen, die auf das gewünschte Motordrehmoment und das abgehende Motordrehmoment hindeuten, einen optimalen Steuerbefehl für die Motoranordnung unter Verwendung einer stückweisen LPV/MPC-Routine. Diese stückweise LPV/MPC-Routine, die alle Aspekte und Merkmale umfassen kann, die vorstehend in Bezug auf die 1-4 erläutert wurden, ist kollektiv bei den Blöcken 405-413 abgebildet.
Mit weiterführender Bezugnahme auf 5, fährt das Verfahren 400 mit Block 405 fort, der repräsentativ für eine erste Anweisung innerhalb der stückweisen LPV/MPC-Routine sein kann, um ein nichtlineares Systemmodell des Motordrehmoments für die Motoranordnung zu ermitteln. Dies kann den Aufbau eines nichtlinearen, physikalisch basierten Anlagenmodells umfassen, z.B. für ein Motor-Luftladesystem und ein Drehmomentmodell. Bei Block 407 wird ein Linearsystemmodell für die Motoranordnung bei einem aktuellen Motorbetriebszustand bestimmt. Wie vorstehend beschrieben, kann dies die Linearisierung des nichtlinearen Anlagenmodells bei einem aktuellen Betriebszustand und das Berechnen einer dynamischen Systemmatrix A, B, C, D und V basierend auf einer Jacobi-Matrix aus Derivaten der nichtlinearen Systemfunktion umfassen.
Die stückweise LPV/MPC-Routine fährt mit Block 409 fort, um eine Kontrollkostenfunktion in einem sich zurückziehenden Horizont für das lineare Systemmodell zu minimieren oder anderweitig zu optimieren, und bestimmt dann bei Block 411 die jeweiligen Systemreaktionen für die nichtlinearen und linearen Systemmodelle mit einem aktuellen optimalen Steuereingang. Wie bereits vorstehend erwähnt, wird nach der Linearisierung des nichtlinearen Anlagenmodells wird eine Steuerkostenfunktion im zurückgehenden endlichen Zeithorizont gegen das aktuelle linearisierte System optimiert und eine Steuerungslösung für einen aktuellen Schritt ermittelt. Sowohl das nichtlineare Systemverhalten als auch das linearisierte Systemverhalten kann mit einem aktuellen optimalen Steuereingang u(k) simuliert werden.
Bei Schritt 413 bestimmt die stückweise LPV/MPC-Routine, ob eine Norm einer Fehlerfunktion zwischen den Systemreaktionen kleiner als ein vorgegebener Schwellenwert ist. Wie vorstehend angedeutet, kann eine Vektor- oder Zeitreihennorm basierend auf einer Fehlerfunktion zwischen den beiden Reaktionen berechnet werden; wenn die Norm kleiner als der vorgegebene Schwellenwert ist, kann dieses linearisierte System und die entsprechenden die A-, B-, C-, D- und V-Matrizen in einer nächsten Abtastzeit für einen nächsten zurückgehenden Horizont wiederverwendet werden, um eine optimale Steuerung u(k+1) zu finden. Wenn also bei Block 415 bestimmt wird, dass die Norm kleiner als der vorgegebene Schwellenwert ist, wendet die stückweise LPV/MPC-Routine das linearisierte Systemmodell in einer nächsten Abtastzeit für einen nächsten sich zurückziehenden Horizont an, um den optimalen Steuerbefehl zu ermitteln. Dieser Vorgang kann beispielsweise in einer Endlosschleife wiederholt werden, bis eine Norm der Fehlerreaktion als nicht mehr akzeptabel erachtet wird. Wenn es nicht mehr akzeptabel ist, wird ein neues linearisiertes Systemmodell erstellt, um eine neue Steuerreihe zu berechnen. Wenn ein optimaler Steuerbefehl bestimmt ist, gibt Block 415 den Steuerbefehl an die Motoranordnung aus.
Aspekte dieser Offenbarung können in einigen Ausführungsformen durch ein computerausführbares Programm von Anweisungen implementiert werden, wie zum Beispiel Programmmodulen, die allgemein als Softwareanwendungen oder Anwendungsprogramme bezeichnet werden, die von einem Onboard-Computer ausgeführt werden. Die Software kann in nicht einschränkenden Beispielen Routinen, Programme, Objekte, Komponenten und Datenstrukturen enthalten, die bestimmte Aufgaben ausführen oder bestimmte abstrakte Datentypen implementieren. Die Software kann eine Schnittstelle bilden, damit ein Computer entsprechend einer Eingabequelle reagieren kann. Die Software kann auch mit anderen Codesegmenten zusammenarbeiten, um eine Vielzahl von Aufgaben in Reaktion auf Daten zu initiieren, die in Verbindung mit der Quelle der empfangenen Daten empfangen werden. Die Software kann auf einem beliebigen einer Vielzahl von Speichermedien, wie CD-ROM, Magnetplatte, Blasenspeicher und Halbleiterspeicher (z. B. verschiedene Arten von RAM oder ROM), gespeichert sein.
Darüber hinaus können Aspekte der vorliegenden Offenbarung mit einer Vielzahl von Computersystem- und Computernetzkonfigurationen einschließlich Mehrprozessorsystemen, Mikroprozessor-basierter oder programmierbarer Unterhaltungselektronik, Minicomputern, Mainframe-Computern und dergleichen durchgeführt werden. Zusätzlich können Aspekte der vorliegenden Offenbarung in Umgebungen mit verteilter Datenverarbeitung ausgeführt werden, bei denen Aufgaben durch Fernverarbeitungsvorrichtungen ausgeführt werden, die durch ein Kommunikationsnetzwerk verbunden sind. In einer verteilten Computerumgebung können Programmmodule sowohl auf lokalen als auch entfernten Computerspeichermedien einschließlich Speichergeräten angeordnet sein. Aspekte der vorliegenden Offenbarung können daher in Verbindung mit verschiedener Hardware, Software oder einer Kombination davon in einem Computersystem oder einem anderen Verarbeitungssystem implementiert werden.
Jedes der hierin beschriebenen Verfahren kann maschinenlesbare Anweisungen zur Ausführung enthalten durch: (a) einen Prozessor, (b) eine Steuerung, und/oder (c) jede andere geeignete Verarbeitungsvorrichtung. Jeder hierin offenbarte Algorithmus, jede Software oder jedes Verfahren kann in einer Software enthalten sein, die auf einem greifbaren Medium, wie beispielsweise einem Flash-Speicher, einer CD-ROM, einer Diskette, einer Festplatte, einer Digital Versatile Disk (DVD) oder andere Speichervorrichtungen, gespeichert ist, jedoch werden Fachleute leicht erkennen, dass der gesamte Algorithmus und/oder Teile davon alternativ durch eine andere Vorrichtung als eine Steuerung ausgeführt werden können und/oder in Firmware oder dedizierter Hardware in einer gut bekannten Weise implementiert werden können (z. B. kann er durch einen anwendungsspezifischen integrierter Schaltkreis (Application Specific Integrated Circuit), eine programmierbare Logikvorrichtung (PLD), eine feldprogrammierbare Logikvorrichtung (FPLD), eine diskrete Logik usw. implementiert werden). Obwohl spezielle Algorithmen unter Bezugnahme auf die hier dargestellten Flussdiagramme beschrieben werden, wird der Durchschnittsfachmann leicht erkennen, dass viele andere Verfahren zum Implementieren der exemplarischen maschinenlesbaren Anweisungen alternativ verwendet werden können. Zum Beispiel kann die Reihenfolge der Ausführung der Blöcke geändert werden und/oder einige der beschriebenen Blöcke können geändert, eliminiert oder kombiniert werden.
Obwohl einige Aspekte der vorliegenden Offenbarung im Detail unter Bezugnahme auf die dargestellten Ausführungsformen beschrieben worden sind, werden Fachleute auf dem Gebiet erkennen, dass viele Änderungen an denselben vorgenommen werden können, ohne vom Schutzumfang der vorliegenden Offenbarung abzuweichen. Die vorliegende Offenbarung ist nicht beschränkt auf die hierin offenbarte genaue Konstruktion und Zusammensetzung; jegliche und alle Modifikationen, Änderungen und Variationen, ersichtlich aus den vorangehenden Beschreibungen, liegen innerhalb des Umfangs der Offenbarung, wie in den hinzugefügten Ansprüchen festgelegt. Darüber hinaus beinhalten die vorliegenden Konzepte ausdrücklich alle Kombinationen und Teilkombinationen der vorangehenden Elemente und Merkmale.

Claims

Lineares parametervariables (LPV) modellprädiktives Steuerungs (MPC)-Motorsteuersystem für eine Motoranordnung, das LPV/MPC-Motorsteuersystem umfassend: einen Motorsensor der dazu konfiguriert ist, eine Motordrehmomentausgabe der Motoranordnung zu erfassen und ein dafür indikatives Signal auszugeben; einen Eingangssensor der dazu konfiguriert ist, ein gewünschtes Motordrehmoment für die Motoranordnung zu erfassen und ein dafür indikatives Signal zu erzeugen; und eine Motorsteuereinheit, die kommunikativ mit dem Motorsensor und dem Eingangssensor der Motorsteuereinheit verbunden ist, programmiert auf Folgendes: das Empfangen von Signalen von den Motor- und Eingangssensoren, die ein gewünschtes Motordrehmoment und ein Motorausgangsdrehmoment anzeigen; das Ermitteln eines optimalen Steuerbefehls unter Verwendung einer stückweisen LPV/MPC-Routine aus dem gewünschten Motordrehmoment und des Motorausgangsdrehmoments, einschließlich: das Ermitteln eines nichtlinearen Systemmodells des Motordrehmoments für die Motoranordnung, das Ermitteln eines linearen Systemmodells für die Motoranordnung bei einem aktuellen Motorbetriebszustand, das Minimieren einer Kostenfunktion in einem sich zurückziehenden Horizont für das lineare Systemmodell, das Ermitteln der jeweiligen Systemreaktionen für die nichtlinearen und linearen Systemmodelle mit einem aktuellen optimalen Steuereingang, das Ermitteln, ob eine Norm einer Fehlerfunktion zwischen den Systemreaktionen kleiner als ein vorgegebener Schwellenwert ist, und das Reagieren auf das Ermitteln, dass die Norm kleiner als der vorgegebene Schwellenwert ist, Anwenden des linearisierten Systemmodells in einer nächsten Abtastzeit für einen nächsten sich zurückziehenden Horizont, um den optimalen Steuerbefehl zu ermitteln; und das Ausgeben des bestimmten optimalen Steuerbefehls an die Motoranordnung.
LPV/MPC Motorsteuersystem nach Anspruch 1, worin die stückweise LPV/MPC-Routine des Weiteren, in Reaktion auf das Ermitteln, dass die Norm kleiner als der vorgegebene Schwellenwert ist, das Ausführen des Folgenden in einer Endlosschleife beinhaltet, beginnend mit der Abtastzeit k, bis bestimmt wird, dass die Norm nicht kleiner als der vorgegebene Schwellenwert ist: das Minimieren der Steuerkostenfunktion bei den nächsten Abtastzeiten k+1, 2... N in den jeweils nächsten sich zurückziehenden Horizonten für das lineare Systemmodell, das Ermitteln der neuen jeweiligen Systemreaktionen für die nichtlinearen und linearen Systemmodelle mit einem aktuellen optimalen Steuereingang, und das Ermitteln, ob die Norm der Fehlerfunktion zwischen den neuen Systemreaktionen kleiner als der vorgegebene Schwellenwert ist.
LPV/MPC Motorsteuersystem nach Anspruch 1, worin die stückweise LPV/MPC-Routine, in Reaktion auf ein Ermitteln, dass die Norm nicht kleiner als der vorgegebene Schwellenwert ist, ferner Folgendes beinhaltet: das Ermitteln eines neuen nichtlinearen Systemmodells der Motoranordnung, das Minimieren der Steuerkostenfunktion in einem neuen sich zurückziehenden Horizont für das neue lineare Systemmodell, das Ermitteln der neuen jeweiligen Systemreaktionen für das nichtlineare Systemmodell und das lineare Systemmodell mit dem aktuellen optimalen Steuereingang, und das Ermitteln, ob die Norm der Fehlerfunktion zwischen den neuen Systemreaktionen kleiner als der vorgegebene Schwellenwert ist.
LPV/MPC Motorsteuersystem nach Anspruch 1, worin das Ermitteln des linearen Systemmodells für die Motoranordnung das Berechnen einer dynamischen Systemmatrix A, B, C, D und V zu einer Abtastzeit k beinhaltet.
LPV/MPC Motorsteuersystem nach Anspruch 1, worin das Ermitteln des linearen Systemmodells das Linearisieren des nichtlinearen Systemmodells zur Abtastzeit k gemäß Folgendem beinhaltet: $\begin{matrix} \frac{d x}{d t} = \underset{F_{0}}{\underset{︸}{f (x_{k}, u_{k})}} + \underset{A}{\underset{︸}{{\frac{\partial f}{\partial x} |}_{k}}} (x - x_{k}) + \underset{B}{\underset{︸}{{\frac{\partial f}{\partial u} |}_{k}}} (u - u_{k}) = A_{k} x + B_{k} u + V (x_{k}, u_{k}) \end{matrix}$
$y = g (x_{k}, u_{k}) + \underset{C}{\underset{︸}{{\frac{\partial g}{\partial x} |}_{k}}} (x - x_{k}) + \underset{D}{\underset{︸}{{\frac{\partial g}{\partial u} |}_{k}}} (u - u_{k}) = C_{k} x + D_{k} u + G (x_{k,} u_{k})$
wobei x ein Motorzustand ist; x_k der Motorzustand bei geringer Abtastzeit k ist; u ein Steuereingang ist; u_k der Steuereingang bei geringer Abtastzeit k ist; y eine Systemausgabe ist; und A_k, B_k, C_k, D_k, V_k und G_k linearisierte Systemmatrizen sind, welche die Systemdynamik bei geringer Abtastzeit k charakterisieren.
LPV/MPC Motorsteuersystem nach Anspruch 5, worin der Motorzustand eine Turbogeschwindigkeit, einen Frischluftmassenfluss, einen Druck vor Drosselklappe oder einen Ansaugkrümmerdruck oder eine beliebige Kombination davon beinhaltet.
LPV/MPC Motorsteuersystem nach Anspruch 5, worin der Steuereingang einen Wastegate-Eingang eines Turboladers, einen Luftdrossel-Eingang, einen Eingang für die maximale offene Position eines Motoreinlassventils, einen Eingang für die maximale offene Position eines Motorauslassventils beinhaltet.
LPV/MPC Motorsteuersystem nach Anspruch 1, worin das Ermitteln des nichtlinearen Systemmodells das Erstellen eines nichtlinearen, physikalisch basierten Anlagenmodells für die Motoranordnung beinhaltet.
LPV/MPC Motorsteuersystem nach Anspruch 8, worin das Ermitteln des linearen Systemmodells das Linearisieren des auf nichtlinearer Physik basierenden Anlagenmodells im aktuellen Betriebszustand und das Berechnen einer dynamischen Systemmatrix A, B, C, D und V basierend auf einer Jacobi-Matrix aus Derivaten einer nichtlinearen Systemfunktion beinhaltet.
LPV/MPC Motorsteuersystem nach Anspruch 9, worin die Kostenfunktion zu einer Abtastzeit k gemäß Folgendem minimiert wird: $min_{u} {\sum_{i = k}^{k + N} ‖ W^{y} (y_{i + 1} - r (t)) ‖}^{2} + {‖ W^{u} (u_{i} - u_{r e f} (t)) ‖}^{2} + ‖ W^{Δ u} Δ u_{i} ‖$
wobei y_i+1 ein Systemausgang bei einer Abtastzeit i+1 ist; r(t) eine Referenz für den gesteuerten Ausgang ist; u_i ein Steuereingang zur Abtastzeit i ist; u_ref ein Steuereingangssollwert ist; und W^y, W^u und W^Δu Gewichtungsfaktoren in der Optimierung sind.