DE102019106991A1 - Konsolidierung von beschränkungen in der modellprädiktiven steuerung - Google Patents

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Abstract

Ein Verfahren, ein Steuersystem und ein Antriebssystem verwenden eine modellprädiktive Steuerung, um mehrere Parameter für eine verbesserte Leistung des Antriebssystems zu steuern und zu verfolgen. Es werden zahlreiche Sätze von möglichen Sollwerten für einen Satz von Regelgrößen bestimmt. Es werden Anfangsbeschränkungen für die Regelgrößen bestimmt, die Ober- und Untergrenzen für jede Regelgröße und obere und untere Änderungsratengrenzen für jede Regelgröße beinhalten. Anschließend wird ein Satz von konsolidierten Beschränkungen für die Regelgrößen bestimmt. Jede konsolidierte Beschränkungsgrenze wird bestimmt, indem eine der oberen und unteren Grenzen mit einer der oberen und unteren Änderungsratengrenzen konsolidiert wird. Es werden Kosten für jeden Satz von möglichen Sollwerten bestimmt, und der Satz von möglichen Sollwerten, der die niedrigsten Kosten aufweist und innerhalb des Satzes von konsolidierten Beschränkungsgrenzen liegt, wird zur Verwendung beim Steuern des Antriebssystems ausgewählt.

Description

  • TECHNISCHES GEBIET
  • Die Offenbarung betrifft ein Steuersystem und Verfahren zum Steuern eines Antriebssystems eines Kraftfahrzeugs, insbesondere ein Steuersystem und Verfahren, das eine multivariable Steuerung verwendet.
  • EINLEITUNG
  • Verbrennungsmotoren verbrennen ein Luft-/Kraftstoffgemisch in Zylindern zum Antreiben der Kolben zum Erzeugen des Antriebsmoments. Die Luftzufuhr in den Motor wird über eine Drosselklappe geregelt. Genauer gesagt stellt die Drosselklappe den Drosselöffnungsbereich ein, der den Luftstrom in den Motor erhöht oder verringert. Wenn sich der Drosselöffnungsbereich vergrößert, erhöht sich auch der Luftstrom in den Motor. Ein Kraftstoffregelsystem passt die Kraftstoffeinspritzmenge an, um die Zylinder mit einem erwünschten Luft-/Kraftstoffgemisch zu versorgen und/oder um ein erwünschtes Abtriebsdrehmoment zu erzielen. Eine Versorgung der Zylinder mit mehr Kraftstoff und Luft erhöht das Abtriebsdrehmoment des Motors.
  • In Fremdzündungsmotoren löst ein Zündfunke die Verbrennung eines den Zylindern zugeführten Luft-/Kraftstoffgemischs aus. In Selbstzündungsmotoren wird das den Zylindern zugeführte Luft-/Kraftstoffgemisch durch die Kompression in den Zylindern gezündet. Der Zündzeitpunkt und die Luftzufuhr sind die wesentlichen Faktoren zur Regelung der Drehmomentausgabe von Fremdzündungsmotoren, während die Kraftstoffzufuhr ein wesentlicher Faktor zur Regelung der Drehmomentausgabe von Selbstzündungsmotoren sein kann.
  • Motorsteuerungssysteme wurden entwickelt, um das Motorabtriebsdrehmoment zu regeln und ein erwünschtes Drehmoment zu erzielen. Herkömmliche Motorsteuerungssysteme steuern jedoch das Motorabtriebsdrehmoment nicht so genau wie gewünscht und unter Berücksichtigung anderer Variablen, wie beispielsweise des Kraftstoffverbrauchs. Weiterhin liefern herkömmliche Motorsteuersysteme keine schnelle Reaktion auf Steuersignale oder koordinieren die Drehmomentregelung des Motors zwischen mehreren Vorrichtungen, die das Motorausgangsdrehmoment beeinflussen.
  • Modellprädiktive Steuerungs-(MPC)-Systeme wurden zur Verbesserung der Steuerung und Reaktion des Antriebssystems vorgeschlagen. Allerdings sind umfangreiche Rechenzeit und Rechenleistung erforderlich, um große komplexe Probleme mit mehreren Regelgrößen zu lösen, von denen jede mehrere Einschränkungen aufweist, darunter obere und untere Grenzwerte sowie Änderungsratenbegrenzungen.
  • KURZDARSTELLUNG
  • Die vorliegende Offenbarung sieht ein Verfahren und System zur Konsolidierung der oberen und unteren Beschränkungen mit Änderungsratenbeschränkungen für Regelgrößen in einem MPC-Steuerungssystem vor. Daher wird das MPC-Problem durch die Verwendung des einen oder anderen (aber nicht beider) der oberen Beschränkung und der oberen Änderungsbeschränkung gelöst; und das MPC-Problem wird durch die Verwendung des einen oder anderen (aber nicht beider) der unteren Beschränkung und der unteren Änderungsbeschränkung gelöst. Dadurch werden Rechenzeit und Rechenleistung reduziert und das MPC-Problem kann schneller und einfacher gelöst werden.
  • In einer Form, die zusammen mit oder getrennt von anderen hierin offenbarten Formen sein können, ist ein Verfahren zum Steuerung eines Antriebssystems eines Kraftfahrzeugs vorgesehen. Das Verfahren beinhaltet einen Schritt zum Erzeugen einer Vielzahl von Sätzen von möglichen Befehlswerten für eine Vielzahl von Regelgrößen und zum Erzeugen eines Satzes von Anfangsbedingungen für die Vielzahl von Regelgrößen. Der Satz der Anfangsbeschränkungen beinhaltet obere und untere Grenzwerte für jede Regelgröße und obere und untere Änderungsratenbegrenzungen für jede Regelgröße. Das Verfahren beinhaltet auch das Erzeugen eines Satzes von konsolidierten Beschränkungsgrenzen für die Vielzahl von Regelgrößen. Jede konsolidierte Beschränkungsgrenze wird bestimmt, indem eine der oberen und unteren Grenzen mit einer der oberen und unteren Änderungsratengrenzen für eine jeweilige Regelgröße konsolidiert wird. Das Verfahren beinhaltet ferner das Ermitteln der Kosten für jeden Satz von möglichen Befehlswerten und das Auswählen des Satzes von möglichen Befehlswerten, der die niedrigsten Kosten aufweist und innerhalb des Satzes von konsolidierten Beschränkungen liegt, um einen Satz von ausgewählten Befehlswerten zu definieren. Der Satz von ausgewählten Sollwerten beinhaltet für jede Regelgröße einen ausgewählten Sollwert.
  • In einer anderen Form, die kombiniert mit oder separat von den anderen Formen hierin offenbart sein kann, ist ein Steuersystem zum Steuern eines Antriebssystems eines Kraftfahrzeugs mit einem Verbrennungsmotor vorgesehen. Das Steuersystem beinhaltet ein Befehlsgeneratormodul, das zum Erzeugen einer Vielzahl von Sätzen von möglichen Sollwerten für eine Vielzahl von Regelgrößen konfiguriert ist. Das Steuersystem weist auch ein Beschränkungskonsolidierungsmodul auf, das konfiguriert ist, um einen Satz von Anfangsbeschränkungen für die Vielzahl von Regelgrößen zu erzeugen, wobei der Satz von Anfangsbeschränkungen obere und untere Grenzen für jede Regelgröße und obere und untere Änderungsratengrenzen für jede Regelgröße beinhaltet. Das Beschränkungskonsolidierungsmodul ist auch konfiguriert, um einen Satz von konsolidierten Beschränkungsgrenzen für die Vielzahl von Regelgrößen zu erzeugen, wobei jede konsolidierte Beschränkungsgrenze durch Konsolidierung einer der oberen und unteren Grenzen mit einer der oberen und unteren Änderungsratengrenzen bestimmt wird. Das Steuersystem beinhaltet ferner ein Kostenmodul und ein Auswahlmodul. Das Kostenmodul ist konfiguriert, um für jeden Satz von möglichen Sollwerten die Kosten zu bestimmen. Das Auswahlmodul ist konfiguriert, um den Satz von möglichen Sollwerten auszuwählen, der die niedrigsten Kosten verursacht und innerhalb des Satzes von konsolidierten Beschränkungen liegt, um einen Satz von ausgewählten Sollwerten zu definieren. Der Satz von ausgewählten Sollwerten beinhaltet für jede Regelgröße einen ausgewählten Sollwert.
  • In noch einer anderen Form, die kombiniert mit oder getrennt von anderen Formen hier offenbart sein kann, wird ein Antriebssystem für ein Kraftfahrzeug bereitgestellt. Das Antriebssystem beinhaltet einen Verbrennungsmotor und einen Ansaugkrümmer mit einer Drosselklappe, die konfiguriert sind, um eine in den Ansaugkrümmer eingesaugte Luftmenge über einen selektiv variablen Drosselöffnungsbereich zu steuern. Der Verbrennungsmotor definiert mindestens eine Kolben-Zylinder-Anordnung mit einem Kolben, der verschiebbar in einer Zylinderbohrung angeordnet ist. Die Kolben-Zylinder-Anordnung ist konfiguriert, um ein Luft-/Kraftstoffgemisch zu verbrennen, um eine Kurbelwelle zu drehen und ein Antriebsmoment zum Antreiben des Kraftfahrzeugs bereitzustellen. Ein Einlassventil ist konfiguriert, um Luft aus dem Ansaugkrümmer in die Kolben-Zylinder-Anordnung zu saugen, und eine Einlassnockenwelle ist so konfiguriert, dass sie gedreht werden kann, um das Einlassventil zu steuern. Ein Einlassnockenversteller ist konfiguriert, um die Drehung der Einlassnockenwelle durch Steuern eines Einlassnockenphasenwinkels zu steuern. Ebenso ist ein Auslassventil konfiguriert, um Abgase aus der Kolben-Zylinder-Anordnung auszutreiben, und eine Auslassnockenwelle ist so konfiguriert, dass sie gedreht werden kann, um das Auslassventil zu steuern. Ein Auslassnockenwellenversteller ist konfiguriert, um die Drehung der Auslassnockenwelle durch Steuern eines Auslassnockenphasenwinkels zu steuern. Ein Turbolader weist eine Turbine auf, die so konfiguriert ist, dass sie durch die Abgase angetrieben wird, und der Turbolader ist so konfiguriert, dass er Druckluft an die Drosselklappe abgibt. Ein Wastegate ist so konfiguriert, dass mindestens ein Teil der Abgase die Turbine des Turboladers durch einen selektiv variablen Wastegate-Öffnungsbereich umgehen kann. Ein Abgasrückführungs-(AGR)-Ventil ist konfiguriert, um einen Teil der Abgase selektiv durch einen selektiv variablen AGR-Ventilöffnungsbereich zum Ansaugkrümmer zurückzuleiten.
  • Das Antriebssystem beinhaltet ferner ein Steuersystem mit einem Befehlsgeneratormodul, einem Beschränkungskonsolidierungsmodul, einem Kostenmodul und einem Auswahlmodul. Das Befehlsgeneratormodul ist zum Erzeugen einer Vielzahl von Sätzen von möglichen Sollwerten für eine Vielzahl von Regelgrößen konfiguriert. Die Vielzahl von Regelgrößen ist ausgewählt aus den Folgenden: dem Wastegate-Öffnungsbereich, dem Drosselklappenöffnungsbereich, dem AGR-Ventilöffnungsbereich, dem Einlassnockenphasenwinkel und dem Auslassnockenphasenwinkel. Das Beschränkungskonsolidierungsmodul ist konfiguriert um: einen Satz von Anfangsbeschränkungen für die Vielzahl von Regelgrößen zu erzeugen, den Satz von Anfangsbeschränkungen, der obere und untere Grenzen für jede Regelgröße und obere und untere Änderungsratengrenzen für jede Regelgröße beinhaltet; und zum Erzeugen eines Satzes von konsolidierten Beschränkungsgrenzen für die Vielzahl von Regelgrößen. Jede konsolidierte Beschränkungsgrenze wird bestimmt, indem eine der oberen und unteren Grenzen mit einer der oberen und unteren Änderungsratengrenzen konsolidiert wird. Das Kostenmodul ist konfiguriert, um für jeden Satz von möglichen Sollwerten die Kosten zu bestimmen. Das Auswahlmodul ist konfiguriert, um den Satz von möglichen Sollwerten auszuwählen, der die niedrigsten Kosten verursacht und innerhalb des Satzes von konsolidierten Beschränkungen liegt, um einen Satz von ausgewählten Sollwerten zu definieren. Der Satz von ausgewählten Sollwerten beinhaltet für jede Regelgröße einen ausgewählten Sollwert.
  • Es können zusätzliche Merkmale vorgesehen werden, einschließlich, aber nicht beschränkt auf Folgendes: den Satz von konsolidierten Beschränkungsgrenzen, der eine obere konsolidierte Beschränkungsgrenze für jede Regelgröße und eine untere konsolidierte Beschränkungsgrenze für jede Regelgröße umfasst. Das Verfahren und/oder Steuersystem kann ferner konfiguriert werden, um eine obere, auf der Ratenbegrenzung basierende Einschränkung für jede Regelgröße zu bestimmen, indem: die obere Änderungsbegrenzung für eine jeweilige Regelgröße mit einer Zeitschrittdauer multipliziert wird, um ein oberes Ratenbegrenzungsprodukt für die jeweilige Regelgröße zu bestimmen; und das obere Ratenbegrenzungsprodukt für die jeweilige Regelgröße zu dem ausgewählten Sollwert für einen unmittelbar vergangenen Zeitschritt der jeweiligen Regelgröße hinzugefügt wird. Ebenso kann das Verfahren und/oder das Steuersystem ferner konfiguriert werden, um eine auf einer niedrigeren Ratenbegrenzung basierende Beschränkung für jede Regelgröße zu bestimmen, indem: die untere Änderungsratenbegrenzung für eine jeweilige Regelgröße mit der Zeitschrittdauer multipliziert wird, um ein niedrigeres Ratenbegrenzungsprodukt für die jeweilige Regelgröße zu bestimmen; und das untere Ratenbegrenzungsprodukt für die jeweilige Regelgröße von dem ausgewählten Sollwert für den unmittelbar vergangenen Zeitschritt der jeweiligen Regelgröße abgezogen wird. Das Verfahren und/oder Steuersystem kann konfiguriert werden, um: jede obere konsolidierte Beschränkungsgrenze durch Auswahl der kleineren der oberen Grenze für die jeweilige Regelgröße und der oberen ratenbegrenzenden Beschränkung für die jeweilige Regelgröße zu bestimmen; und jede untere konsolidierte Beschränkungsgrenze durch Auswahl der größeren der unteren Grenze für die jeweilige Regelgröße und der unteren ratenbegrenzenden Beschränkung für die jeweilige Regelgröße zu bestimmen.
  • Das Verfahren und/oder Steuersystem kann konfiguriert werden, um einen Fahrzeugparameter basierend auf mindestens einem Sollwert des ausgewählten Sollwertsatzes zu steuern; eine Vielzahl von angeforderten Werten zu bestimmen; eine Vielzahl von vorhergesagten Werten zu bestimmen; und die Kosten für jeden Satz von möglichen Sollwerten basierend auf der Vielzahl von angeforderten Werten, der Vielzahl von vorhergesagten Werten und einer Vielzahl von Gewichtungsfaktoren zu ermitteln.
  • Noch weitere zusätzliche Merkmale können vorgesehen werden, einschließlich, aber nicht beschränkt auf Folgendes: die Vielzahl von Regelgrößen, die einen Wastegate-Öffnungsbereich, einen AGR-Ventilöffnungsbereich, einen Drosselklappenöffnungsbereich, einen Einlassnockenphasenwinkel und einen Auslassnockenphasenwinkel beinhalten; und die Vielzahl von vorhergesagten Werten, die ein vorhergesagtes Motorabtriebsdrehmoment, einen vorhergesagten APC, eine vorhergesagte Menge einer externen Verwässerung, eine vorhergesagte Menge einer internen Verwässerung, einen vorhergesagten Kurbelwellenwinkel und einen vorhergesagten Wert einer Verbrennungsqualität beinhalten; und wobei der vorhergesagte Wert mit einem vorhergesagten Variationskoeffizienten übereinstimmt.
  • Auf Wunsch können die Kosten für jeden Satz von möglichen Sollwerten aus der Vielzahl von Sätzen von möglichen Sollwerten mit der folgenden Kostengleichung bestimmt werden: K o s t e n = ∑ ( y ( i | k ) − y r e f ) T Q Y ( y ( i | k ) − y r e f ) + ( u ( i | k ) − u r e f ) T Q U ( u ( i | k ) − u r e f ) + Δ u ( i | k ) T Q Δ u ( i | k )
    Figure DE102019106991A1_0001
     y = [ T e _ p A P C _ p D i l _ e x t _ p D i l _ r e s _ p C A _ p C O V _ p ]
    Figure DE102019106991A1_0002
     y r e f = [ T e _ r A P C _ r D i l _ e x t _ r D i l _ r e s _ r C A _ r C O V _ r ]
    Figure DE102019106991A1_0003
     u = [ W G O _ c E G R O _ c T O _ c I C P A _ c E C P A _ c ]
    Figure DE102019106991A1_0004
     u r e f = [ W G O _ r E G R O _ r T O _ r I C P A _ r E C P A _ r ]
    Figure DE102019106991A1_0005
    wobei Te_p = das vorhergesagte Motorabtriebsdrehmoment ist; APC_p = der vorhergesagte APC ist; Dil_ext_p = der vorhergesagte Betrag der externen Verwässerung ist; Dil_res_p = die vorhergesagte Menge der internen Verwässerung ist; CA_p = der vorhergesagte Kurbelwellenwinkel in Bezug auf einen vorbestimmten CA50-Wert ist; COV_p = der vorhergesagte Variationskoeffizient ist; Te_r = das gewünschte Motorabtriebsdrehmoment ist; APC_r = der angeforderte APC ist; Dil_ext_r = die angeforderte Menge einer externen Verwässerung ist; Dil_res_r= die angeforderte Menge der internen Verwässerung ist; CA_r = der angeforderte Kurbelwellenwinkel in Bezug auf den vorgegebenen CA50-Wert ist; COV_r = der angeforderte Schwankungsfaktor ist; WGO c = der angewiesene Wastegate-Öffnungsbereich ist; EGRO_c = der angewiesene AGR-Ventilöffnungsbereich ist; TO_c = der angewiesene Drosselklappenöffnungsbereich ist; ICPA_c = der angewiesene Einlassnockenphasenwinkel ist; ECPA_c = der angewiesene Auslassnockenphasenwinkel ist; WGO_r = der angeforderte Wastegate-Öffnungsbereich ist; EGRO_r = der angeforderte AGR-Ventilöffnungsbereich ist; TO_r = der angeforderte Drosselklappenöffnungsbereich ist; ICPA_r = der angeforderte Einlassnockenphasenwinkel ist; ECPA_r = der angeforderte Auslassnockenphasenwinkel ist; Qy = ein vorgegebener Gewichtungswert für jeden y-Wert ist; Qu = ein vorgegebener Gewichtungswert für jeden u-Wert ist; QΔu = ein vorgegebener Gewichtungswert für eine Änderungsrate jedes u-Wertes ist; i = ein Indexwert ist; k = ein Vorhersageschritt ist; und T = ein transponierter Vektor ist.
  • Weitere zusätzliche Merkmale können ohne Einschränkung sein: ein vorgegebener Gewichtungswert für das vorhergesagte Motorabtriebsdrehmoment, der größer ist als alle anderen vorgegebenen Gewichtungswerte für die anderen y-Werte (Qy); wobei jeder Satz von möglichen Sollwerten einen möglichen vorgegebenen Wastegate-Öffnungsbereich, einen möglichen vorgegebenen Drosselklappenöffnungsbereich, einen möglichen vorgegebenen AGR-Ventilöffnungsbereich, einen möglichen vorgegebenen Einlassnockenphasenwinkel und einen möglichen vorgegebenen Auslassnockenphasenwinkel beinhaltet; wobei der ausgewählte Satz von möglichen Sollwerten einen ausgewählten vorgegebenen Wastegate-Öffnungsbereich, einen ausgewählten vorgegebenen Drosselklappenöffnungsbereich, einen ausgewählten vorgegebenen AGR-Ventilöffnungsbereich, einen ausgewählten vorgegebenen Einlassnockenphasenwinkel und einen ausgewählten vorgegebenen Auslassnockenphasenwinkel beinhaltet; wobei ein Verstärkungsstellgliedmodul konfiguriert ist, um den Wastegate-Öffnungsbereich basierend auf dem ausgewählten angewiesenen Wastegate-Öffnungsbereich einzustellen; ein Drosselklappenstellgliedmodul, das konfiguriert ist, um den Drosselöffnungsbereich basierend auf dem ausgewählten angewiesenen Drosselöffnungsbereich einzustellen; ein AGR-Stellgliedmodul, das konfiguriert ist, um den AGR-Ventilöffnungsbereich basierend auf dem ausgewählten angewiesenen AGR-Ventilöffnungsbereich einzustellen; ein Phasenbetätigungsmodul, das konfiguriert ist, um den Einlassnockenphasenwinkel basierend auf dem ausgewählten angewiesenen Einlassnockenphasenwinkel anzupassen; wobei das Phasenbetätigungsmodul ferner konfiguriert ist, um den Auslassnockenphasenwinkel basierend auf dem ausgewählten vorgegebenen Auslassnockenphasenwinkel einzustellen; und die Vielzahl der angeforderten Werte mindestens einen angeforderten Wastegate-Öffnungsbereich, einen angeforderten Drosselklappenöffnungsbereich, einen angeforderten AGR-Ventilöffnungsbereich, einen angeforderten Einlassnockenphasenwinkel und einen angeforderten Auslassnockenphasenwinkel beinhaltet.
  • Weitere Ziele, Vorteile und Anwendungsgebiete werden aus der hierin vorgestellten Beschreibung offensichtlich. Es ist zu beachten, dass die Beschreibung und die spezifischen Beispiele nur dem Zweck der Veranschaulichung dienen und nicht dazu beabsichtigt sind, den Umfang der vorliegenden Offenbarung zu begrenzen.
  • Figurenliste
  • Die hierin beschriebenen Zeichnungen dienen lediglich der Veranschaulichung und sollen den Umfang der vorliegenden Offenbarung in keiner Weise einschränken.
    • 1 ist ein schematisches Blockdiagramm eines exemplarischen Antriebssystems, gemäß den Prinzipien der vorliegenden Offenbarung;
    • 2 ist ein schematisches Blockdiagramm eines Abschnitts des exemplarischen Antriebssystems von 1, das zusätzliche Details eines Motorsteuerungsmoduls (ECM) gemäß den Prinzipien der vorliegenden Offenbarung darstellt;
    • 3 ist ein schematisches Blockdiagramm eines Abschnitts des Antriebssystems der 1 und 2, das ein MPC-Modul gemäß den Prinzipien der vorliegenden Offenbarung veranschaulicht;
    • 4 ist ein schematisches Blockdiagramm eines Abschnitts des Antriebssystems der 1-3 gemäß den Prinzipien der vorliegenden Offenbarung; und
    • 5 ist ein Blockdiagramm, das Schritte eines Verfahrens zum Steuern eines Antriebssystems gemäß den Prinzipien der vorliegenden Offenbarung darstellt.
  • AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
  • Die folgende Beschreibung ist ihrer Art nach lediglich exemplarisch und beabsichtigt nicht, die vorliegende Offenbarung, Anwendung oder Verwendungen zu begrenzen.
  • Unter Bezugnahme auf 1 wird nun ein Funktionsblockdiagramm eines exemplarischen Antriebssystems 100 präsentiert. Das Antriebssystem 100 beinhaltet einen Fremdzündungs-Verbrennungsmotor 102, der ein Luft-/Kraftstoffgemisch verbrennt, um ein Antriebsmoment für ein Kraftfahrzeug (nicht veranschaulicht), basierend auf Fahrereingaben von einem Fahrereingabemodul 104, zu erzeugen.
  • Der Verbrennungsmotor 102 beinhaltet einen Ansaugkrümmer 110 in den durch die Drosselklappe 112 Luft eingezogen wird. Die Drosselklappe 112 beinhaltet typischerweise eine Drosselplatte 113, die beweglich ist, um einen selektiv variablen Drosselöffnungsbereich zu definieren. Ein Motorsteuergerät (ECM) 114, das nachfolgend ausführlicher beschrieben wird, steuert ein Drosselstellgliedmodul 116, das wiederum das Öffnen der Drosselplatte 113 innerhalb der Drosselklappe 112 regelt, um die in den Ansaugkrümmer 110 angesaugte Luftmenge zu steuern. Somit ist die Drosselklappe 112 konfiguriert, um eine Luftmenge zu steuern, die über einen selektiv variablen Drosselklappenöffnungsbereich in den Ansaugkrümmer 110 gesaugt wird.
  • Der Motor 102 definiert eine Vielzahl von Kolben-Zylinder-Anordnungen 99, von denen eine in 1 veranschaulicht ist. Jede Kolben-Zylinder-Anordnung 99 beinhaltet einen Kolben 125, der verschiebbar in einer Zylinderbohrung 118 angeordnet ist. Der Motor 102 kann beispielsweise 3, 4, 5, 6, 8, 10 oder 12 Kolben-Zylinder-Anordnungen 99 beinhalten. Die Luft vom Ansaugkrümmer 110 wird in die Vielzahl von Zylindern 118 des Motors 102 gezogen. Das ECM 114 kann ein Zylinderstellgliedmodul 120 zum gezielten Deaktivieren bestimmter Zylinder 118 anweisen, wodurch unter bestimmten Betriebsbedingungen des Motors die Kraftstoffeffizienz verbessert werden kann.
  • Der Motor 102 arbeitet unter Verwendung eines Viertakt-Zyklus. Die vier Takte werden als Einlasstakt, Verdichtungstakt, Verbrennungstakt und Auslasstakt bezeichnet. Während jeder Umdrehung einer Kurbelwelle 119 (schematisch veranschaulicht) erfolgen zwei der vier Takte innerhalb des Zylinders 118. Daher sind zwei Kurbelwellenumdrehungen notwendig, damit die Kolben-Zylinder-Anordnung 99 einen vollständigen Viertakt-Verbrennungszyklus vollendet.
  • Während des Einlasstakts wird die Luft aus dem Ansaugkrümmer 110 durch ein Einlassventil 122 in den Zylinder 118 gesaugt. Das ECM 114 steuert ein Kraftstoffstellgliedmodul 124, das die Kraftstoffeinspritzung so regelt, dass ein bestimmtes Soll-Kraftstoff-/Luftverhältnis erreicht wird. Kraftstoff kann in den Ansaugkrümmer 110 an einer zentralen Stelle oder mehreren Stellen wie beispielsweise nahe am Einlassventil 122 jedes Zylinders 118 eingespritzt werden. Alternativ kann Kraftstoff direkt in die Zylinder 118 oder in die den Zylindern 118 zugeordneten Mischkammern eingespritzt werden. Das Kraftstoffstellgliedmodul 124 beendet das Einspritzen von Kraftstoff in die deaktivierten Zylinder.
  • Der eingespritzte Kraftstoff vermischt sich mit Luft und bildet innerhalb des Zylinders 118 ein Kraftstoff-/Luftgemisch. Während des Verdichtungstaktes komprimiert ein Kolben 125 im Zylinder 118 das Luft-/Kraftstoffgemisch. Ein Zündfunkenstellgliedmodul 126 legt basierend auf einem Signal vom ECM 114 Spannung an eine Zündkerze 128 im Zylinder 118 an, die das Kraftstoff-/Luftgemisch zündet.
  • Das Zündstellgliedmodul 126 wird durch ein Zeitsignal gesteuert, das festlegt, wie lange vor oder nach der oberen Totpunktposition (OT-Position) des Kolbens 125 der Funke erzeugt werden soll. Da die Kolbenposition direkt mit der Kurbelwellendrehung zusammenhängt, ist der Betrieb des Zündstellgliedmoduls 126 vorzugsweise mit dem Kurbelwellenwinkel synchronisiert. Das Zündstellgliedmodul 126 hat die Fähigkeit, das Zeitsignal für den Zündfunken relativ zu dem oberen Totpunkt des Kolbens 125 konstant zu variieren. Das Zündstellgliedmodul 126 kann die Zündung für deaktivierte Zylinder sperren.
  • Während des Verbrennungstaktes treibt die Verbrennung des Luft-/Kraftstoffgemischs den Kolben 125 weg von dem OT, wodurch die Kurbelwelle 119 angetrieben wird. Somit ist die Kurbelwelle 119 drehbar, um ein Antriebsmoment zum Antreiben des Kraftfahrzeugs bereitzustellen, wobei die Kolben-Zylinder-Anordnung 99 konfiguriert ist, um das Luft-/Kraftstoffgemisch zum Drehen der Kurbelwelle 119 zu verbrennen. Der Verbrennungstakt kann als die Zeit zwischen dem Moment bezeichnet werden, in dem der Kolben 125 den OT erreicht und dem Moment, in dem der Kolben 125 den unteren Totpunkt (UT) erreicht.
  • Während des Auslasstaktes bewegt sich der Kolben 125 von dem UT weg und stößt die Verbrennungsprodukte (Abgase) durch ein Auslassventil 130 aus. Somit ist das Auslassventil 130 konfiguriert, um die Abgase aus der Kolben-Zylinder-Anordnung 99 auszutreiben. Die Verbrennungsprodukte werden über ein Abgassystem 134 aus dem Fahrzeug ausgestoßen.
  • Das Einlassventil 122 wird durch eine Einlassnockenwelle 140 gesteuert, während das Auslassventil 130 durch eine Auslassnockenwelle 142 gesteuert wird. Somit ist die Einlassnockenwelle 140 zum Steuern des Einlassventils 122 und die Auslassnockenwelle 142 zum Steuern des Auslassventils 130 zum Drehen konfiguriert. Es versteht sich, dass die Einlassnockenwelle 140 oder mehrere Einlassnockenwellen 140 typischerweise eine Vielzahl von Einlassventilen 122 steuern, die mit einem oder mehreren Zylindern 118 in einer oder mehreren Zylinderbänken assoziiert sind. Gleichermaßen steuert die Auslassnockenwelle 142 oder mehrere Auslassnockenwellen 142 typischerweise eine Vielzahl von Auslassventilen 130, die einem oder mehreren Zylindern 118 in einer oder mehreren Zylinderbänken zugeordnet sind. Es versteht sich auch, dass das Einlassventil 122 und/oder das Auslassventil 130 durch andere Vorrichtungen als Nockenwellen gesteuert werden, wie z. B. durch nockenlose Ventilstellglieder. Das Zylinderstellgliedmodul 120 kann den Zylinder 118 durch Deaktivieren des Öffnens des Einlassventils 122 und/oder des Auslassventils 130 deaktivieren.
  • Die Zeit, wenn das Einlassventil 122 in Bezug auf den OT des Kolbens geöffnet und geschlossen wird, wird durch einen Einlassnockenversteller 148 variiert. Der Einlassnockenversteller 148 ist beispielsweise konfiguriert, um die Drehung der Einlassnockenwelle 140 durch Steuern eines Einlassnockenphasenwinkels der Einlassnockenwelle 140 zu steuern. Entsprechend wird die Zeit, zu der das Auslassventil 130 in Bezug auf den OT des Kolbens geöffnet und geschlossen wird, durch einen Auslassnockenversteller 150 variiert. Der Auslassnockenwellenversteller 150 kann konfiguriert werden, um die Drehung der Auslassnockenwelle 142 durch Steuern eines Auslassnockenphasenwinkels der Auslassnockenwelle 142 zu steuern. Ein Phasenstellgliedmodul 158 steuert den Einlassnockenphasensteller 148 und den Auslassnockenphasensteller 150 basierend auf Signalen von dem ECM 114. Optional kann der variable Ventilhub ebenfalls durch das Verstellerstellgliedmodul 158 gesteuert werden.
  • Das Antriebssystem 100 kann einen Turbolader 160 beinhalten, der wiederum eine Turbine 160A beinhaltet, die von den durch das Abgassystem 134 strömenden heißen Abgasen angetrieben wird. Der Turbolader 160 beinhaltet zudem einen Luftkompressor 160B, der von der Turbine 160A angetrieben wird. Der Kompressor 160B komprimiert die in das Drosselventil 112 geführte Luft. Somit ist der Turbolader 160 konfiguriert, um Druckluft an die Drosselklappe 112 zu liefern. Die Turbine 160A und der Kompressor 160B sind durch ein Drehelement, wie eine Welle 160C, gekoppelt. Obwohl in 1 getrennt dargestellt, können die Turbine 160A und der Kompressor 160B angrenzend zueinander und miteinander befestigt sein. Alternativ kann ein Kompressor (nicht veranschaulicht), der von der Motorkurbelwelle 119 angetrieben wird, verwendet werden, um Luft, beispielsweise von der Drosselklappe 112, zu verdichten und an den Ansaugkrümmer 110 zu liefern.
  • Ein Ladedruckregelventil (Wastegate) 162, das parallel zur Turbine 160A des Turboladers 160 angeordnet ist, ermöglicht zumindest einem Teil des Abgases die Turbine 160A zu umgehen, wodurch der Ladedrucköffnungsbereich, d. h. die Menge an durch den Turbolader 160 bereitgestellter Ansaugluftkompression, reduziert wird. Ein Ladedruckstellgliedmodul 164 steuert den Ladedruck des Turboladers 160 durch Steuern der Öffnung des Ladedruckregelventils 162. Es versteht sich, dass zwei oder mehr Turbolader 160 und Ladedruckregelventile 162 von dem Ladedruckstellgliedmodul 164 verwendet und gesteuert werden können.
  • Das Antriebssystem 100 beinhaltet auch ein Abgasrückführungs-(AGR)-Ventil 170, das konfiguriert ist, um einen Teil der Abgase selektiv über einen selektiv variablen AGR-Ventilöffnungsbereich zurück zum Ansaugkrümmer 110 zu leiten. Das AGR-Ventil 170 kann stromaufwärts der Turbine 160A des Turboladers nachgelagert angeordnet sein. Das AGR-Ventil 170 wird von einem AGR-Stellgliedmodul 172 basierend auf Signalen des ECM 114 gesteuert.
  • Die Position der Kurbelwelle 119 wird unter Verwendung eines Kurbelwellenpositionssensors 180 gemessen. Die Drehzahl der Kurbelwelle 119, die der Drehzahl des Motors 102 entspricht, kann basierend auf der Kurbelwellenposition ermittelt werden. Die Temperatur des Motorkühlmittels wird durch einen Motorkühlmitteltemperatursensor (ECT) 182 gemessen. Der ECT-Sensor 182 ist vorzugsweise innerhalb des Motors 102 oder an einer anderen Stelle angeordnet, an der das Kühlmittel umgewälzt wird, wie beispielsweise einem Radiator (nicht dargestellt).
  • Der Druck im Ansaugkrümmer 110 wird mit einem Einlasskrümmerdrucksensor (MAP) 184 gemessen. Optional kann der aus der Differenz zwischen dem Umgebungsluftdruck und dem Druck innerhalb des Ansaugkrümmers 110 bestehende Motorunterdruck gemessen werden. Der Massenstromdurchsatz der in den Ansaugkrümmer 110 strömenden Luft wird mit einem Massenluftstromsensor (MAF) 186 gemessen.
  • Das Drosselstellgliedmodul 116 überwacht die Echtzeitposition der Drosselklappe 112 unter Verwendung eines oder mehrerer Drosselpositionssensoren (TPS) 190. Die Temperatur der in den Motor 102 gezogenen Umgebungsluft wird durch einen Sensor für die Einlasslufttemperatur (IAT) 192 gemessen. Die Feuchtigkeit der in den Motor 102 gezogenen Umgebungsluft wird durch einen Sensor für die Einlassluftfeuchtigkeit (IAH) 193 gemessen. Das Antriebssystem 100 kann auch zusätzliche Sensoren 194, wie beispielsweise einen oder mehrere Klopfsensoren, einen Kompressorauslass-Drucksensor, einen Drosseleinlassdrucksensor, einen Ladedrucksteuerventil-Positionssensor, einen AGR-Positionssensor als auch andere geeignete Sensoren beinhalten. Die Signale (Ausgänge) aller dieser Sensoren werden dem ECM 114 bereitgestellt, um Steuerentscheidungen für das Antriebssystem 100 zu treffen.
  • Das ECM 114 steht mit einem Getriebesteuermodul 195 in Verbindung, um den Gangwechsel in einem Getriebe zu koordinieren (nicht dargestellt). So kann beispielsweise das ECM 114 bei einem Gangwechsel das Motordrehmoment reduzieren. Das ECM 114 steht mit einem Hybridsteuermodul 196 in Verbindung, um den Betrieb des Motors 102 mit einem Elektromotor 198 zu koordinieren, falls ein Elektromotor 198 integriert ist. Der Elektromotor 198 arbeitet typischerweise auch als ein Generator und kann zum Erzeugen von Elektroenergie für die Nutzung in dem elektrischen System des Fahrzeugs oder zur Speicherung in einer Batterie verwendet werden.
  • Jedes System, das einen Motorparameter beeinflusst, wird als Motorstellglied bezeichnet. So stellt beispielsweise das Drosselstellgliedmodul 116 die Öffnung des Drosselventils 112 ein, um einen Soll-Drosselöffnungsbereich zu erreichen. Das Zündstellgliedmodul 126 steuert den Zündzeitpunkt, um einen Sollzündzeitpunkt relativ zu dem Kolben-OT zu erreichen. Das Kraftstoffstellgliedmodul 124 steuert die Einspritzdüsen so, dass bestimmte Kraftstoffzufuhr-Sollwerte erreicht werden. Das Verstellerstellgliedmodul 158 steuert die Einlass- und Auslassnockenversteller 148 und 150 so, dass jeweils SollPhasenwinkel für Einlass- und Auslassnocken erreicht werden. Das AGR-Stellgliedmodul 172 steuert das AGR-Ventil 170, um einen AGR-Sollöffnungsbereich zu erreichen. Das Ladedruck-Stellgliedmodul 164 steuert das Ladedruckregelventil 162 so, dass ein Sollöffnungsbereich für das Ladedruckregelventil erzielt wird. Das Zylinderstellgliedmodul 120 steuert die Zylinderdeaktivierung so, dass eine Sollanzahl aktivierter und deaktivierter Zylinder erreicht wird.
  • Das ECM 114 erzeugt die Sollwerte für die Motorstellglieder, um zu bewirken, dass der Motor 102 ein Soll-Motorabtriebsdrehmoment erzeugen kann. Das ECM 114 erzeugt die Sollwerte für die Motorstellglieder unter Verwendung der modellprädikativen Steuerung, wie nachfolgend ausführlicher erörtert wird.
  • Unter jetziger Bezugnahme auf 2 ist ein Funktionsblockdiagramm des Motorsteuergeräts (ECM) 114 dargestellt. Das ECM 114 beinhaltet ein Fahrerdrehmomentmodul 202, ein Drehmomentanforderungsmodul 224 und ein Luftsteuermodul 228.
  • Das Fahrerdrehmomentmodul 202 ermittelt ein angefordertes Fahrerdrehmoment 254 basierend auf einer Fahrereingabe 255 von dem in 1 veranschaulichten Fahrereingabemodul 104. Die Fahrereingabe 255 basiert beispielsweise auf der Position eines Gaspedals und der Position eines Bremspedals. Die Fahrereingabe 255 kann auch auf einer Einstellung der Geschwindigkeitsregelung oder einem adaptiven Geschwindigkeitsregelungssystem basieren, das die Fahrzeuggeschwindigkeit variiert, um einen zuvor festgelegten Folgeabstand beizubehalten.
  • Das Drehmomentanforderungsmodul 224 ermittelt eine Luftdrehmomentanforderung 265 basierend auf der Antriebsmomentanforderung 254. Die Luftdrehmomentanforderung 265 kann ein Bremsmoment sein.
  • Sollwerte zur Luftstromsteuerung der Motorstellglieder werden basierend auf der Luftdrehmomentanforderung 265 ermittelt. Genauer gesagt, ermittelt das Luftsteuermodul 228 basierend auf der Luftdrehmomentanforderung 265 einen Ladedrucksteuerventil-Sollöffnungsbereich 266, einen Soll-Drosselöffnungsbereich 267, einen AGR-Ventil-Sollöffnungsbereich 268, einen Soll-Einlassnockenphasenwinkel 269 und einen Soll-Auslassnockenphasenwinkel 270 unter Verwendung einer modellprädiktiven Steuerung, wie im Folgenden in Bezug auf die 2 und 3 ausführlich erläutert.
  • Unter nunmehriger Bezugnahme auf die 2 und 3 beinhaltet das Luftsteuermodul 228 ein Drehmomentumwandlungsmodul 304, das die Luftdrehmomentanforderung 265 empfängt, die, wie oben erörtert, ein Bremsmoment sein kann. Ein Drehmomentumwandlungsmodul 304 wandelt die Luftdrehmomentanforderung 265 in Basismoment um. Basisdrehmomente sind als das an der Kurbelwelle 119 während des Motorbetriebs 102 mit einem Drehmomentmesser generierte Drehmoment bezeichnet, während der Motor 102 bei Betriebstemperatur ist und der Motor 102 nicht unter Drehmomentlasten durch Zubehör, wie eine Lichtmaschine oder ein Klimaanlagen-Kompressor, steht. Das Drehmomentumwandlungsmodul 304 wandelt die Luftdrehmomentanforderung 265 in eine Basis-Luftdrehmomentanforderung 308 um, beispielsweise unter Verwendung von Zuordnung oder einer Funktion, die Bremsmomente Basismomenten zuordnet. Die aus der Umwandlung in Basismoment resultierende Drehmomentanforderung wird hierin als Basis-Luftdrehmomentanforderung 308 bezeichnet.
  • Ein modellprädiktives Steuerungsmodul (MPC) 312 steuert eine Vielzahl von Regelgrößen („u“-Variablen), während es eine Vielzahl von verfolgten Variablen („y“-Variablen) verfolgt, die von den Regelgrößen beeinflusst werden. Das MPC-Modul 312 erzeugt daher mit einem modellprädiktiven Steuerschema die Sollwerte 266-270 für die Regelgrößen. Das MPC-Modul 312 verwendet Modell-prädiktive Steuerung und kann auch als Quadratprogrammierungslöser, wie etwa ein Dantzig QP-Löser, bezeichnet werden. In dem veranschaulichten Beispiel sind die Sollwerte: der angewiesene Wastegate-Öffnungsbereich 266, der angewiesene Drosselklappenöffnungsbereich 267, der angewiesene AGR-Ventilöffnungsbereich 268, der angewiesene Einlassnockenphasenwinkel 269 und der angewiesene Auslassnockenphasenwinkel 270, die Befehle für die Regelgrößen des Wastegate-Öffnungsbereichs, der Drosselöffnungsbereich, der AGR-Ventilöffnungsbereich, der Einlassnockenphasenwinkel und der Auslassnockenphasenwinkel.
  • Die verfolgten Variablen können das Motorabtriebsdrehmoment (oder das Basisdrehmoment), das Luft-per-Zylinder (APC), die Menge der externen Verwässerung, die Menge der internen Verwässerung, den Kurbelwellenwinkel (kann in Bezug auf CA50 sein) und einen Wert für die Verbrennungsqualität, wie beispielsweise den Variationskoeffizienten, beinhalten. In diesem Zusammenhang bezieht sich die Verwässerung auf eine Abgasmenge aus einer vorherigen Verbrennung, die bei einer Verbrennung in einem Zylinder 118 bleibt. Die externe Verwässerung bezieht sich auf Abgas, das über das AGR-Ventil 170 zur Verbrennung eingeleitet wird. Residuelle Verwässerung (auch als interne Verwässerung bezeichnet) bezieht sich auf Abgas, das in einem Zylinder 118 verbleibt, oder Abgas, das nach dem Auslasshub eines Verbrennungstakts in den Zylinder 118 zurückgedrückt wird. Verbrennungsphasenverstellung bezieht sich auf eine Kurbelwellenstellung, bei der eine vorbestimmte eingespritzte Kraftstoffmenge in einem Zylinder 118 verbrennt, im Verhältnis zu einer vorbestimmten Kurbelwellenstellung für die Verbrennung der vorbestimmten eingespritzten Kraftstoffmenge. So kann beispielsweise die Verbrennungsphase in Form des Kurbelwellenwinkels in Bezug auf einen vorgegebenen CA50 ausgedrückt werden. CA50 bezieht sich auf einen Kurbelwellenwinkel (CA), wobei 50 Prozent einer Masse des eingespritzten Kraftstoffs in einem Zylinder 118 verbrannt wurden. Der vorbestimmte CA50 entspricht einem Kurbelwellenwinkel, wobei ein maximaler Arbeitsaufwand aus dem eingespritzten Kraftstoff erzeugt wird und liegt etwa 8,5 bis etwa 10 Grad nach OT in verschiedenen Implementierungen. Obwohl die Verbrennungsphase in Form von Kurbelwellenwinkelwerten erläutert wird, kann ein anderer geeigneter Parameter verwendet werden, der die Verbrennungsphase anzeigt. Außerdem kann ein anderer passender, für die Verbrennungsqualität aussagekräftiger Parameter angewendet werden, während die Verbrennungsqualität als Variationskoeffizient (COV) des angezeigten mittleren Effektivdrucks (IMEP) erörtert wird.
  • Ein Referenzgenerator 368, der ein stationäres Optimierungsmodul sein kann, wird zum Bestimmen von Referenzwerten 356 (Soll- oder Anforderungswerte) für die „u“-Variablen (Regelgrößen) („u_refs“) und die „y“-Variablen (die optimierten, verfolgbaren Ausgangsgrößen) („y_refs“) bereitgestellt. Die u-Referenzen und y-Referenzen sind Werte, die wünschenswert sind während eines stationären Zustands. Andere Module des MPC-Moduls 312, die im Folgenden beschrieben werden, optimieren die Trajektorie, insbesondere der y-Variablen oder der verfolgten Variablen, während des Übergangs von einem stationären Zustand zu einem anderen.
  • Der Referenzgenerator 368 ist konfiguriert, um für jede der y-Variablen und die u-Variablen, z. B. u_refs und y_refs, Referenz- oder Anforderungswerte 356 zu erzeugen. In diesem Beispiel beinhalten die u_refs einen angeforderten Wastegate-Öffnungsbereich WGO r, einen angeforderten AGR-Ventilöffnungsbereich EGRO_r, einen angeforderten Drosselklappenöffnungsbereich TO_r, einen angeforderten Einlassnockenphasenwinkel ICPA_r und einen angeforderten Auslassnockenphasenwinkel ECPA_r, während die y_refs einen angeforderten Luft/Zylinder APC_r, eine angeforderte Menge einer externen Verwässerung Dil_ext_r, eine angeforderte Menge einer internen Verwässerung Dil_res_r, einen angeforderten Kurbelwellenwinkel CA_r (der in Bezug auf einen vorbestimmten CA50-Wert identifiziert werden kann), einen angeforderten Variationskoeffizienten COV_r (eine Metrik der Verbrennungsqualität) und ein angefordertes Motorabtriebsdrehmoment Te r (das gleich dem bestimmten Basisdrehmoment 308 sein kann) beinhalten können.
  • Die Hilfseingaben 328 stellen Parameter bereit, die nicht direkt durch das Drosselventil 112, das AGR-Ventil 170, den Turbolader 160, den Einlassnockenversteller 148 und den Auslassnockenversteller 150 beeinflusst werden, die jedoch vom Referenzgenerator 368 oder dem MPC-Modul 312 verwendet werden können. Die Hilfseingaben 328 können die Motordrehzahl, den Turbolader-Einlassluftdruck, die IAT oder einen oder mehrere weitere Parameter beinhalten. Die Feedbackeingaben 330 können tatsächliche Mess-, Schätz- oder Berechnungswerte für die verfolgten Variablen, auch y_m's genannt, sowie andere Parameter beinhalten. Die Feedbackeingaben 330 beinhalten beispielsweise ein geschätztes Abtriebsdrehmoment des Motors 102, einen Abgasdruck stromabwärts der Turbine 160A des Turboladers, die IAT, eine APC des Motors 102, eine geschätzte Restverwässerung, eine geschätzte externe Verwässerung und andere geeignete Parameter. Die Feedbackeingaben 330 werden mit Sensoren (z. B. die IAT 192) gemessen oder basierend auf einem oder mehreren weiteren Parametern geschätzt.
  • Nachdem die angeforderten Werte oder die Referenzwerte 356 bestimmt wurden, gibt der Referenzgenerator 368 diese (die u_refs und die y_refs) an ein Befehlsgeneratormodul 316 des MPC-Moduls 312 aus, das ein Sequenzbestimmungsmodul sein kann. Das Befehlsgeneratormodul 316 bestimmt mögliche Sequenzen der Sollwerte 266-270, die zusammen während der künftigen N Steuerschleifen genutzt werden könnten. Jede der möglichen Sequenzen, die durch das Befehlsgeneratormodul 316 identifiziert werden, beinhaltet eine Sequenz von N-Werten für jeden der Sollwerte 266-270. Mit anderen Worten beinhaltet jede mögliche Sequenz eine Sequenz von N Werten für den Ladedrucksteuerventil-Sollöffnungsbereich 266, eine Sequenz von N Werten für den Soll-Drosselöffnungsbereich 267, eine Sequenz von N Werten für den AGR-Sollöffnungsbereich 268, eine Sequenz von N Werten für den Soll-Einlassnockenphasenwinkel 269 und eine Sequenz von N-Werten für den Soll-Auslassnockenphasenwinkel 270. Jeder der N Werte steht für einen entsprechenden Wert der künftigen N Regelkreise. N ist eine Ganzzahl größer oder gleich eins.
  • Ein Vorhersagemodul 323 bestimmt vorhergesagte Reaktionen des Motors 102 auf die möglichen Sequenzen der Sollwerte 266-270 jeweils basierend auf einem mathematischen Modell 324 des Motors 102, der Hilfseingaben 328 und Feedbackeingaben 330. Das Modell 324 kann beispielsweise eine Funktion oder eine Zuordnung basierend auf Kenngrößen des Motors 102 sein. Das Vorhersagemodul 323 kann auch als ein Zustandsbeobachter, der einen Kalman-Filter verwendet, bezeichnet werden. Insbesondere erzeugt das Vorhersagemodul 323 basierend auf einer möglichen Sequenz der Sollwerte 266-270, den Hilfseingaben 328 und den Feedbackeingaben 330 unter Verwendung des Modells 324 eine Sequenz von vorhergesagten Drehmomenten des Motors 102 für die N-Regelkreise, eine Sequenz von vorhergesagten Luft-pro-Zylinder-Werten (APCs) für die N-Regelkreise, eine Sequenz von vorhergesagten Mengen einer externen Verwässerung für die N-Regelkreise, eine Sequenz von vorhergesagten Mengen einer Restverwässerung für die N-Regelkreise, eine Sequenz von vorhergesagten Verbrennungsphasenwerten für die N-Regelkreise und eine Sequenz von vorhergesagten Verbrennungsqualitätswerten für die N-Regelkreise.
  • So ist beispielsweise das Vorhersagemodul 323 konfiguriert, um einen ersten Satz von vorhergesagten y-Variablenwerten basierend auf einem ersten Satz von möglichen Sollwerten zu erzeugen. Das Vorhersagemodul 323 ist ferner konfiguriert, um mindestens einen zweiten Satz von vorhergesagten y-Variablenwerten basierend auf einem zweiten Satz von möglichen Sollwerten zu erzeugen. In der Praxis kann eine wesentlich größere Anzahl an vorhergesagten Werten erzeugt werden, basierend auf zusätzlichen Sätzen von möglichen Sollwerten (dritte, vierte, fünfte usw. Sätze von möglichen Sollwerten).
  • Das MPC-Modul 312 enthält ein Kostenmodul 332, das konfiguriert ist, um einen ersten Kostenblock für den ersten Satz von möglichen Sollwerten basierend auf einer Vielzahl von vorbestimmten Gewichtungswerten, dem ersten Satz von vorhergesagten Werten und den angeforderten Werten zu bestimmen. Ebenso ist das Kostenmodul 332 konfiguriert, um einen zweiten Kostenblock für den zweiten Satz von möglichen Sollwerten basierend auf der Vielzahl von vorbestimmten Gewichtungswerten, dem zweiten Satz von vorhergesagten Werten und den angeforderten Werten zu bestimmen. Ebenso können viele zusätzliche Kosten ermittelt werden, basierend auf zusätzlichen Sätzen von vorhergesagten Werten und Sollwerten, um die geringsten Kosten zu erreichen.
  • Die Kosten für jeden Satz von möglichen Sollwerten aus der Vielzahl von Sätzen von möglichen Sollwerten kann mit der folgenden Kostengleichung bestimmt werden: K o s t e n = ∑ ( y ( i | k ) − y r e f ) T Q Y ( y ( i | k ) − y r e f ) + ( u ( i | k ) − u r e f ) T Q U ( u ( i | k ) − u r e f ) + Δ u ( i | k ) T Q Δ u ( i | k )
    Figure DE102019106991A1_0006
     y = [ T e _ p A P C _ p D i l _ e x t _ p D i l _ r e s _ p C A _ p C O V _ p ]
    Figure DE102019106991A1_0007
     y r e f = [ T e _ r A P C _ r D i l _ e x t _ r D i l _ r e s _ r C A _ r C O V _ r ]
    Figure DE102019106991A1_0008
     u = [ W G O _ c E G R O _ c T O _ c I C P A _ c E C P A _ c ]
    Figure DE102019106991A1_0009
     u r e f = [ W G O _ r E G R O _ r T O _ r I C P A _ r E C P A _ r ]
    Figure DE102019106991A1_0010
    wobei Te_p = das vorhergesagte Motorabtriebsdrehmoment ist; APC_p = der vorhergesagte APC ist; Dil_ext_p = der vorhergesagte Betrag der externen Verwässerung ist; Dil_res_p = die vorhergesagte Menge der internen Verwässerung ist; CA_p = der vorhergesagte Kurbelwellenwinkel in Bezug auf einen vorbestimmten CA50-Wert ist; COV_p = der vorhergesagte Variationskoeffizient ist; Te_r = das gewünschte Motorabtriebsdrehmoment ist; APC_r = der angeforderte APC ist; Dil_ext_r = die angeforderte Menge einer externen Verwässerung ist; Dil_res_r= die angeforderte Menge der internen Verwässerung ist; CA_r = der angeforderte Kurbelwellenwinkel in Bezug auf den vorgegebenen CA50-Wert ist; COV_r = der angeforderte Schwankungsfaktor ist; WGO c = der angewiesene Wastegate-Öffnungsbereich ist; EGRO_c = der angewiesene AGR-Ventilöffnungsbereich ist; TO_c = der angewiesene Drosselklappenöffnungsbereich ist; ICPA_c = der angewiesene Einlassnockenphasenwinkel ist; ECPA_c = der angewiesene Auslassnockenphasenwinkel ist; WGO_r = der angeforderte Wastegate-Öffnungsbereich ist; EGRO_r = der angeforderte AGR-Ventilöffnungsbereich ist; TO_r = der angeforderte Drosselklappenöffnungsbereich ist; ICPA_r = der angeforderte Einlassnockenphasenwinkel ist; ECPA_r = der angeforderte Auslassnockenphasenwinkel ist; Qy = ein vorgegebener Gewichtungswert für jeden y-Wert ist; Qu = ein vorgegebener Gewichtungswert für jeden u-Wert ist; QΔu = ein vorgegebener Gewichtungswert für eine Änderungsrate jedes u-Wertes ist; i = ein Indexwert ist; k = ein Vorhersageschritt ist; und T = ein transponierter Vektor ist.
  • Das Vorhersagemodul 332 kann Gleichungen, wie die folgenden, verwenden, um die vorhergesagten Werte zu bestimmen: y k = C * x k + w
    Figure DE102019106991A1_0011
     y k + 1 = C * x k + 1 + w
    Figure DE102019106991A1_0012
     x k + 1 = A * x k + B * u k + v + K K F * ( y k − y m k )
    Figure DE102019106991A1_0013
     y k = [ T e _ p k A P C _ p k D i l _ e x t _ p k D i l _ r e s _ p k C A _ p k C O V _ p k ]
    Figure DE102019106991A1_0014
     y k + 1 = [ T e _ p k + 1 A P C _ p k + 1 D i l _ e x t _ p k + 1 D i l _ r e s _ p k + 1 C A _ p k + 1 C O V _ p k + 1 ]
    Figure DE102019106991A1_0015
     u k = [ W G O _ c k E G R O _ c k T O _ c k I C P A _ c k E C P A _ c k ]
    Figure DE102019106991A1_0016
     y m k = [ T e _ m k A P C _ m k D i l _ e x t _ m k D i l _ r e s _ m k C A _ m k C O V _ m k ]
    Figure DE102019106991A1_0017
    wobei A = eine Zustands-(oder Übertragungs)-Matrix ist; B = eine Eingangsmatrix ist; C = eine Ausgangs-(oder gemessene) Matrix ist; Te_pk = ein vorhergesagtes tatsächliches Motorabtriebsdrehmoment bei dem Vorhersageschritt k ist; APC_pk = eine vorhergesagte tatsächliche Luft pro Zylinder bei dem Vorhersageschritt k ist; Dil_ext_pk = die vorhergesagte tatsächliche Menge der externen Verwässerung bei dem Vorhersageschritt k ist; Dil_res_pk = die vorhergesagte tatsächliche Menge der internen Verwässerung bei dem Vorhersageschritt k ist; CA_pk = der vorhergesagte tatsächliche Kurbelwellenwinkel, bezogen auf einen CA50-Punkt, bei dem Vorhersageschritt k ist; COV_pk = der vorhergesagte tatsächliche Variationskoeffizient bei dem Vorhersageschritt k ist; xk = die Zustandsgröße bei dem Vorhersageschritt k ist; Te_pk+1 = das vorhergesagte tatsächliche Motorabtriebsdrehmoment bei dem Vorhersageschritt k+1 ist; APC_pk+1 = die vorhergesagte tatsächliche Luft pro Zylinder bei dem Vorhersageschritt k+1 ist; Dil_ext_pk+1 = die vorhergesagte tatsächliche Menge der externen Verwässerung bei dem Vorhersageschritt k+1 ist; Dil_res_pk+1 = die vorhergesagte tatsächliche Menge der internen Verwässerung bei dem Vorhersageschritt k+1 ist; CA_pk+1 = der vorhergesagte tatsächliche Kurbelwellenwinkel in Bezug auf einen CA50-Punkt beim Vorhersage-Schritt k+1 ist; COV_pk+1 = der vorhergesagte tatsächliche Variationskoeffizient bei dem Vorhersageschritt k+1 ist; xk+1 = die Zustandsgröße bei dem Vorhersageschritt k+1 ist; WGO_ck = der Soll-Wastegate-Öffnungsbereich bei dem Vorhersageschritt k ist; EGRO_ck = die angewiesene AGR-Ventilöffnung bei dem Vorhersage-Schritt k ist; TO_ck = der Soll-Drosselklappenöffnungsbereich bei dem Vorhersageschritt k ist; ICPA_ck = der Soll-Einlassnockenphasenwinkel bei dem Vorhersageschritt k ist; ECPA_ck = der Soll-Auslassnockenphasenwinkel bei dem Vorhersageschritt k ist; KKF = eine Kalman-Filterverstärkung ist; Te_mk = das gemessene tatsächliche Motorabtriebsdrehmoment bei dem Vorhersageschritt k ist; APC_mk = die gemessene tatsächliche Luft pro Zylinder bei dem Vorhersageschritt k ist; Dil_ext_mk = die gemessene tatsächliche Menge der externen Verwässerung bei dem Vorhersageschritt k ist; Dil_res_mk = die gemessene tatsächliche Menge der internen Verwässerung bei dem Vorhersageschritt k ist; CA_mk = der gemessene tatsächliche Kurbelwellenwinkel, bezogen auf einen CA50-Punkt, bei dem Vorhersageschritt k ist; COV_mk = der gemessene tatsächliche Variationskoeffizient bei dem Vorhersageschritt k ist; v = Prozessgeräusche sind; und w = Messgeräusche sind. Der Prädiktionsschritt k ist ein Prädiktionsschritt zum gegenwärtigen Zeitpunkt (z. B. jetzt), und der Prädiktionsschritt k+1 ist eine Vorhersage einen Schritt voraus. Obwohl die „m“ Werte als „gemessen“ beschrieben werden, können diese Werte alternativ auch auf andere Weise bestimmt werden, wie beispielsweise durch eine indirekte Messung oder durch Schätzung.
  • Die Messwerte, wie beispielsweise Te_mk, ACP_mk, Dil_ext_mk, Dil_res_mk, CA_mk, COV_mk können gemessen werden, beispielsweise mit einem Sensor, oder diese Werte können alternativ auf andere Weise, wie beispielsweise durch eine indirekte Messung oder durch Schätzung bestimmt werden. So kann beispielsweise das Motorabtriebsdrehmoment Te_m von einem Motordrehmomentsensor erfasst und der Kurbelwellenwinkel CA_m mit dem Kurbelwellenpositionssensor 180 bestimmt werden.
  • Die vorstehend aufgeführten Konstanten, Matrizen und Verstärkungen einschließlich A, B, C, KKF, Qy, Qu, QΔu sind Parameter des Systems, die ermittelt wurden durch Prüfungen, physikalische Modelle oder andere Mittel. In einigen Variationen wird ein Systemidentifikationsverfahren offline durchlaufen, beispielsweise bei einer Kalibrierung zum Identifizieren der Konstanten, Matrizen und Verstärkungen und auch um anfängliche u- und y-Werte, uo und yo zu definieren. Sobald uo und yo bekannt sind, kann dann xo von den Vorhersagemodulgleichungen (z. B. Gleichungen (2)-(4) oder einer Teilmenge davon) berechnet werden. Danach kann jede der Gleichungen des Vorhersagemoduls 323 und des Kostenmoduls 332 (z. B. die Gleichungen (1)-(4) oder eine Teilmenge derselben) ausgeführt werden, um offline Anfangswerte zu erhalten. Anschließend kann das MPC-Modul 312 online ausgeführt werden, um die gesteuerten Parameter u_c konstant zu optimieren, wenn das Fahrzeug den stationären und transienten Zustand durchläuft. Die Konstanten ermöglichen es, die Kosten basierend auf dem Verhältnis und der relativen Bedeutung jedes der angewiesenen u-Werte und der verfolgten y-Werte zu bestimmen. Die Beziehungen werden gewichtet, um den Effekt, den jede Beziehung auf die Kosten hat, zu steuern.
  • Das MPC-Modul 312 kann auch ein Auswahlmodul 344 beinhalten, das konfiguriert ist, um einen der Vielzahl von Sätzen von möglichen Sollwerten basierend auf den niedrigsten der bestimmten Kosten auszuwählen. Somit wählt das Auswahlmodul 344 eine der möglichen Sequenzen der Sollwerte 266-270 basierend auf den Kosten der möglichen Sequenzen aus. So kann beispielsweise das Auswahlmodul 344 die mögliche Sequenz mit den geringsten Kosten auswählen, die gleichzeitig die Stellgliedeinschränkungen 348 und die Ausgabeeinschränkungen 352 erfüllt.
  • Das MPC-Modul 312 bestimmt die Sollwerte 266-270 unter Verwendung eines quadratischen Programmier-(QP)-Lösers, wie beispielsweise eines Dantzig QP-Lösers. So kann beispielsweise das MPC-Modul 312 eine Oberfläche von Kostenwerten für die möglichen Sequenzen der Sollwerte 266-270 erzeugen und, basierend auf dem Anstieg der Kostenoberfläche, einen Satz von möglichen Sollwerten mit den niedrigsten Kosten identifizieren. Das MPC-Modul 312 prüft dann diesen Satz von möglichen Sollwerten 266-270, um zu bestimmen, ob der Satz von möglichen Sollwerten 266-270 die Stellgliedeinschränkungen 348 und die Ausgabeeinschränkungen 352 erfüllen wird. Das MPC-Modul 312 wählt den Satz von möglichen Sollwerten 266-270 mit den niedrigsten Kosten aus, während die Stellgliedeinschränkungen 348 und 352 erfüllt werden.
  • Das Ladedruckstellgliedmodul 164 steuert das Ladedruckregelventil 162, um den Ladedruckregelventil-Sollöffnungsquerschnitt 266 zu erreichen. So wandelt beispielsweise ein erstes Umwandlungsmodul 272 den Ladedrucksteuerventil-Sollöffnungsbereich 266 in einen Sollarbeitszyklus 274 um, der für das Ladedruckregelventil 162 angewendet wird, und das Ladedruckstellgliedmodul 164 gibt ein Signal an das Ladedruckregelventil 162 basierend auf dem Sollarbeitszyklus 274 aus. Alternativ wandelt das erste Umwandlungsmodul 272 den Ladedruckregelventil-Sollöffnungsbereich 266 in eine Ladedruckregelventil-Sollposition um und wandelt die Ladedruckregelventil-Sollposition in den Sollarbeitszyklus 274 um.
  • Das Drosselstellgliedmodul 116 steuert die Drosselklappe 112 so, dass der Soll-Drosselöffnungsbereich 267 erreicht wird. So wandelt beispielsweise ein zweites Umwandlungsmodul 276 den Soll-Drosselöffnungsbereich 267 in einen Sollarbeitszyklus 278 um, der für die Drosselklappe 112 angewendet wird, und das Drosselstellgliedmodul 116 gibt ein Signal an die Drosselklappe 112 aus, das auf dem Sollarbeitszyklus 278 basiert. Alternativ wandelt das zweite Umwandlungsmodul 276 den Soll-Drosselöffnungsbereich 267 in eine Soll-Drosselstellung um und wandelt die Soll-Drosselstellung in den Sollarbeitszyklus 278 um.
  • Das AGR-Stellgliedmodul 172 steuert das AGR-Ventil 170 so, dass der AGR-Sollöffnungsquerschnitt 268 erreicht wird. So wandelt beispielsweise ein drittes Umwandlungsmodul 280 den AGR-Sollöffnungsbereich 268 in einen Sollarbeitszyklus 282 um, der an dem AGR-Ventil 170 zur Anwendung kommt, und das AGR-Stellgliedmodul 172 gibt ein Signal an das AGR-Ventil 170 basierend auf dem Sollarbeitszyklus 282 aus. Alternativ wandelt das dritte Umwandlungsmodul 280 den AGR-Sollöffnungsbereich 268 in eine AGR-Sollposition um und wandelt die AGR-Sollposition in den Sollarbeitszyklus 282 um.
  • Das Verstellerstellgliedmodul 158 steuert sowohl den Einlassnockenversteller 148 für das Einstellen des Einlassnocken-Sollphasenwinkels 269, als auch den Auslassnockenversteller 150, um den Auslassnocken-Sollphasenwinkel 270 zu erreichen. Alternativ kann ein viertes Umwandlungsmodul (nicht veranschaulicht) enthalten sein, um die Einlassnocken- und Auslassnocken-Sollphasenwinkel in Einlass- und Auslass-Sollarbeitszyklen umzuwandeln, die an Einlass-und Auslassnockenverstellern 148 bzw. 150 angelegt werden. Das Luftsteuermodul 228 kann ebenfalls einen Soll-Überschneidungsfaktor und eine Soll-Effektivverschiebung bestimmen und das Verstellerstellgliedmodul 158 kann die Ein- und Auslassnockenversteller 148 und 150 steuern, um den Soll-Überschneidungsfaktor und die Soll-Effektivverschiebung zu erreichen.
  • Das Kostenmodul 332 kann die Kosten für die möglichen Sequenzen der Sollwerte 266-270 basierend auf Beziehungen zwischen: dem vorhergesagten Drehmoment und der Basis-Luftdrehmomentanforderung 308; der vorhergesagten APC und Null; den möglichen Sollwerten 266-270 und den jeweiligen Stellgliedeinschränkungen 348; den anderen vorhergesagten Parametern und den jeweiligen Ausgabeeinschränkungen 352; und den möglichen Sollwerten 266-270 und den jeweiligen Referenzwerten 356 bestimmen.
  • Die Erfüllung der Stellgliedeinschränkungen 348 und Ausgabeeinschränkungen 352 können bei der Kostenbestimmung in Betracht gezogen werden. Mit anderen Worten kann das Kostenmodul 332 die Kostenwerte weiter basierend auf den Stellgliedeinschränkungen 348 und Ausgabeeinschränkungen 352 bestimmen. Wie weiter unten ausführlicher erörtert, wird das Auswahlmodul 344 je nachdem, wie die Kostenwerte ermittelt werden, diejenige der möglichen Sequenzen auswählen, die bei gleichzeitiger Minimierung des APC am besten die Basis-Luftdrehmomentanforderung 208 erfüllt, vorbehaltlich der Stellgliedeinschränkungen 348 und Ausgabeeinschränkungen 352.
  • Ein Ausgabeeinschränkungsmodul 364 stellt die Ausgabeeinschränkungen 352 für die vorhergesagte Drehmomentausgabe des Motors 102, den vorhergesagten APC, den vorhergesagten COV des IMEP, der vorhergesagten Restverwässerung und der vorhergesagten externen Verwässerung ein. Die Ausgabeeinschränkungen 352 für jeden vorausgesagten Wert können einen Maximalwert für einen verbundenen vorausgesagten Parameter und einen Minimalwert für diesen vorausgesagten Parameter beinhalten. So können beispielsweise die Ausgabeeinschränkungen 352 ein Minimaldrehmoment, ein Maximaldrehmoment, einen minimalen APC und einen maximalen APC (typischerweise null), einen minimalen Kurbelwellenwinkel und einen maximalen Kurbelwellenwinkel, einen minimalen IMEP-COV und einen maximalen IMEP-COV, eine minimale Restverwässerung und eine maximale Restverwässerung und eine minimale externe Verwässerung und eine maximale externe Verwässerung beinhalten.
  • Das Ausgabeeinschränkungsmodul 364 stellt im Allgemeinen die Ausgabeeinschränkungen 352 auf vorbestimmte Bereiche für die zugeordneten vorausgesagten Parameter ein. Das Ausgabeeinschränkungsmodul 364 kann jedoch eine oder mehrere Ausgabeeinschränkungen 352 unter bestimmten Voraussetzungen variieren. So kann beispielsweise das Ausgabeeinschränkungsmodul 364 den maximalen Kurbelwellenwinkel verzögern, wenn Klopferscheinungen im Motor 102 auftreten.
  • Ein Stellgliedeinschränkungsmodul 360 stellt die Stellgliedeinschränkungen 348 für jeden der Sollwerte 266-270 ein, einschließlich des Drosselklappenöffnungsbereichs der Drosselklappe 112, des AGR-Ventilöffnungsbereichs des AGR-Ventils 170, des Wastegate-Öffnungsbereichs des Ladedruckregelventils 162, des Einlassnockenphasenwinkels des Einlassnockenphasenverstellers 148 und des Auslassnockenphasenwinkels des Auslassnockenverstellers 150.
  • Unter Bezugnahme auf 4 sind zusätzliche Einzelheiten des Stellgliedeinschränkungsmoduls 360 veranschaulicht. Das Stellgliedeinschränkungsmodul 360 ist ein Beschränkungskonsolidierungsmodul, das konfiguriert ist, um einen Satz von anfänglichen Einschränkungen in einem oberen Begrenzungsmodul 402 und einem oberen Änderungsmodul 404, einem Untergrenzenmodul 406 und einem unteren Änderungsmodul 408 zu erzeugen.
  • Das Obergrenzenmodul 402 bestimmt für jede der Regelgrößen eine Obergrenze oder u_max. So bestimmt beispielsweise das Obergrenzenmodul 402 die Obergrenzen für jeden der Wastegate-Öffnungsbereiche, den Drosselklappenöffnungsbereich, den AGR-Ventilöffnungsbereich, den Einlassnockenphasenwinkel und den Auslassnockenphasenwinkel. Die oberen Grenzen u_max können auf einer Reihe von Fahrzeug- und Umweltfaktoren beruhen.
  • Das obere Änderungsratenmodul 404 bestimmt für jede der Regelgrößen eine obere Änderungsgrenze oder du_max. So bestimmt beispielsweise das obere Änderungsratenmodul 404 die oberen Änderungsgrenzen für jeden der Wastegate-Öffnungsbereiche, den Drosselklappenöffnungsbereich, den AGR-Ventilöffnungsbereich, den Einlassnockenphasenwinkel und den Auslassnockenphasenwinkel. Die oberen Änderungsratenbegrenzungen du_max können auf einer Reihe von Fahrzeug- und Umweltfaktoren beruhen.
  • Das Untergrenzenmodul 406 bestimmt für jede der Regelgrößen eine Untergrenze oder u_min. So bestimmt beispielsweise das Untergrenzenmodul 406 die Untergrenzen für jeden der Wastegate-Öffnungsbereiche, den Drosselklappenöffnungsbereich, den AGR-Ventilöffnungsbereich, den Einlassnockenphasenwinkel und den Auslassnockenphasenwinkel. Die Untergrenzen u_min können auf einer Reihe von Fahrzeug- und Umweltfaktoren beruhen. In einigen Fällen kann die Untergrenze u_min Null sein.
  • Das untere Änderungsratenmodul 408 bestimmt für jede der Regelgrößen eine untere Änderungsgrenze oder du_min. So bestimmt beispielsweise das untere Änderungsratenmodul 408 die unteren Änderungsgrenzen für jeden der Wastegate-Öffnungsbereiche, den Drosselklappenöffnungsbereich, den AGR-Ventilöffnungsbereich, den Einlassnockenphasenwinkel und den Auslassnockenphasenwinkel. Die unteren Änderungsratenbegrenzungen du_min können auf einer Reihe von Fahrzeug- und Umweltfaktoren beruhen. In einigen Fällen kann die untere Änderungsrate du_min Null sein.
  • Von den Modulen 402 und 404 werden die Obergrenze u_max für jede Regelgröße u und die obere Änderungsgrenze du_max für jede Regelgröße an ein Obergrenzenkonsolidierungsmodul 410 ausgegeben. Das Obergrenzenkonsolidierungsmodul 410 konsolidiert die Obergrenze u_max mit der oberen Änderungsrate du_max für jede Regelgröße u, um eine obere konsolidierte Einschränkung u_max* für jede Regelgröße u zu erzeugen. So wird beispielsweise die Obergrenze für den Wastegate-Öffnungsbereich WGO_max mit der oberen Änderungsgrenze für den Wastegate-Öffnungsbereich ΔWGO_max konsolidiert; die Obergrenze für den Drosselöffnungsbereich TO_max mit der oberen Änderungsgrenze für den Drosselöffnungsbereich ΔTO_max; die Obergrenze für den AGR-Ventilöffnungsbereich EGRO_max mit der oberen Änderungsgrenze für den AGR-Ventilöffnungsbereich ΔEGRO_max, die Obergrenze für den Einlassnockenphasenwinkel ICPA_max mit der oberen Änderungsgrenze für den Einlassnockenphasenwinkel ΔICPA_max und die Obergrenze für den Auslassnockenphasenwinkel ECPA_max mit der oberen Änderungsgrenze für den Auslassnockenphasenwinkel ΔECPA_max. Die oberen konsolidierten Beschränkungen u_max* werden dann als Teil der Stellgliedeinschränkungen 348 an das MPC-Modul 312 gesendet. Somit basiert u_max* letztlich nur auf einer, aber nicht sowohl der u_max- als auch der du_max-Beschränkung, was die Lösung der Kostengleichung im MPC-Modul 312 vereinfacht.
  • Von den Modulen 406 und 408 werden die Untergrenze u_min für jede Regelgröße u und die untere Änderungsgrenze du_min für jede Regelgröße an ein Untergrenzenkonsolidierungsmodul 412 ausgegeben. Das Untergrenzenkonsolidierungsmodul 412 konsolidiert die Untergrenze u_min mit der unteren Änderungsrate du_min für jede Regelgröße u, um eine untere konsolidierte Einschränkung u_min* für jede Regelgröße u zu erzeugen. So wird beispielsweise die Untergrenze für den Wastegate-Öffnungsbereich WGO_min mit der unteren Änderungsgrenze für den Wastegate-Öffnungsbereich ΔWGO_min konsolidiert; die Untergrenze für den Drosselöffnungsbereich TO_min mit der unteren Änderungsgrenze für den Drosselöffnungsbereich ΔTO_min; die Untergrenze für den AGR-Ventilöffnungsbereich EGRO_min mit der unteren Änderungsgrenze für den AGR-Ventilöffnungsbereich ΔEGRO_min, die Untergrenze für den Einlassnockenphasenwinkel ICPA_min mit der unteren Änderungsgrenze für den Einlassnockenphasenwinkel ΔICPA_min und die Untergrenze für den Auslassnockenphasenwinkel ECPA_min mit der unteren Änderungsgrenze für den Auslassnockenphasenwinkel ΔECPA_min. Die unteren konsolidierten Beschränkungen u_min* werden dann als Teil der Stellgliedeinschränkungen 348 an das MPC-Modul 312 gesendet. Somit basiert u_min* letztlich nur auf einer, aber nicht sowohl der u_min- als auch der du_min-Beschränkung, was die Lösung der Kostengleichung im MPC-Modul 312 vereinfacht.
  • Das Obergrenzenkonsolidierungsmodul 410 kann konfiguriert werden, um die oberen konsolidierten Beschränkungen u_max* für jede Regelgröße zu bestimmen, indem zunächst die obere Änderungsrate du_max mit einer Zeitschrittdauer k multipliziert wird, um ein Obergrenzenprodukt du(k)_max für die jeweilige Regelgröße u zu bestimmen. Anschließend kann das Obergrenzenprodukt du(k)_max für die jeweilige Regelgröße u zum ausgewählten Sollwert u für einen unmittelbar vergangenen Zeitschritt k der jeweiligen Regelgröße addiert werden, um eine obere ratenbegrenzungsbasierte Einschränkung RLB_max zu bestimmen. Zum Beispiel: RLB _ max = du ( k ) + u ( k ) .
    Figure DE102019106991A1_0018
  • Drittens kann die obere konsolidierte Beschränkung u_max* für jede Regelgröße u durch Auswahl des kleineren der Obergrenze u_max und der oberen ratenbegrenzenden Beschränkung RLB_max bestimmt werden. Zum Beispiel, u _ max * = min ( u _ max , RLB _ max ) .
    Figure DE102019106991A1_0019
  • Das Untergrenzenkonsolidierungsmodul 412 kann konfiguriert werden, um die unteren konsolidierten Beschränkungen u_min* für jede Regelgröße u zu bestimmen, indem zunächst die untere Änderungsrate du_min mit einer Zeitschrittdauer k multipliziert wird, um ein Untergrenzenprodukt du(k)_min für die jeweilige Regelgröße u zu bestimmen. Anschließend kann das Untergrenzenprodukt du(k)_min für die jeweilige Regelgröße u vom gewählten Sollwert u für einen unmittelbar zurückliegenden Zeitschritt k der jeweiligen Regelgröße subtrahiert werden, um eine niedrigere ratenbegrenzungsbasierte Beschränkung RLB_min zu bestimmen. Zum Beispiel: RLB _ min = u ( k ) − du ( k ) .
    Figure DE102019106991A1_0020
  • Drittens kann die untere konsolidierte Beschränkung u_min* für jede Regelgröße u durch Auswahl der größeren der Untergrenze u_min und der unteren ratenbegrenzenden Beschränkung RLB_min bestimmt werden. Zum Beispiel, u _ min * = max ( u _ min , RLB _ min ) .
    Figure DE102019106991A1_0021
  • Daher kann die Kostengleichung (z. B. die Gleichung (1)) den folgenden Beschränkungen unterliegen: u_min*≤u_ck≤u_max* für jede Regelgröße u, ohne die Kostengleichung einem anderen Satz von du-Beschränkungen zu unterwerfen. Ähnliche Konsolidierungen der Beschränkungen 352 für die verfolgten Variablen y können bei Bedarf durchgeführt werden. Somit wird die Anzahl der Beschränkungen 348, 352, die in das MPC-Modul 312 eingegeben werden, deutlich reduziert, und dementsprechend wird auch die Rechenzeit und Leistung, die zum Ausführen der MPC-Berechnungen benötigt werden, reduziert.
  • Unter Bezugnahme auf 5 sieht die vorliegende Offenbarung auch ein Verfahren 500 zum Steuern eines Antriebssystems eines Kraftfahrzeugs vor, wobei das Verfahren 500 durch eines der vorstehend beschriebenen Merkmale des Antriebssystems 100 oder des Steuersystems (wie beispielsweise das Motorsteuergerät 114) durchgeführt werden kann. So kann beispielsweise das Verfahren 500 einen Schritt 502 zum Erzeugen einer Vielzahl von Sätzen von möglichen Sollwerten für eine Vielzahl von Regelgrößen und einen Schritt 504 zum Erzeugen eines Satzes von Anfangsbedingungen für die Vielzahl von Regelgrößen beinhalten. Der Satz der Anfangsbeschränkungen beinhaltet obere und untere Grenzwerte für jede Regelgröße und obere und untere Änderungsratenbegrenzungen für jede Regelgröße. Das Verfahren 500 beinhaltet auch den Schritt 506 zum Erzeugen eines Satzes von konsolidierten Beschränkungsgrenzen für die Vielzahl von Regelgrößen. Jede konsolidierte Beschränkungsgrenze wird bestimmt, indem eine der oberen und unteren Grenzen mit einer der oberen und unteren Änderungsratengrenzen konsolidiert wird. Die konsolidierten Beschränkungsgrenzen können, falls gewünscht, wie vorstehend beschrieben in Bezug auf die Gleichungen (5)-(8) bestimmt werden. Das Verfahren 500 beinhaltet ferner einen Schritt 508 zum Bestimmen der Kosten für jeden Satz von möglichen Sollwerten und einen Schritt 510 zum Auswählen des Satzes von möglichen Sollwerten, der die niedrigsten Kosten aufweist und innerhalb des Satzes von konsolidierten Beschränkungen liegt, um einen Satz von ausgewählten Sollwerten zu definieren. Der Satz von ausgewählten Sollwerten beinhaltet für jede Regelgröße einen ausgewählten Sollwert.
  • Die Begriffe Steuereinheit, Steuermodul, Modul, Steuerung, Steuergerät, Prozessor und Ähnliches beziehen sich auf eine oder mehrere Kombinationen anwendungsspezifischer integrierter Schaltkreise (ASIC), elektronische(r) Schaltkreis(e), Zentraleinheit(en), z. B. Mikroprozessor(en) und deren zugeordneten nicht-transitorische Speicherkomponenten in Form von Arbeitsspeicher- und Datenspeichergeräten (Lesespeicher, programmierbarer Lesespeicher, Direktzugriffsspeicher, Festplattenspeicher usw.). Die nicht transitorische Speicherkomponente ist in der Lage, maschinenlesbare Anweisungen in der Form eines oder mehrerer Software- oder Firmware-Programme oder -Routinen, kombinatorischen Logikschaltung(en), Eingangs-/Ausgangsschaltung(en) und -Vorrichtungen, Signalaufbereitungs- und Pufferschaltungen und anderen Komponenten zu speichern, auf die durch den einen oder mehrere Prozessoren zugegriffen werden kann, um eine beschriebene Funktionalität bereitzustellen.
  • Eingangs-/Ausgangsschaltung(en) und Vorrichtungen beinhalten Analog-/Digitalwandler und verwandte Geräte, die Sensoreingaben mit einer vorgegebenen Abruffrequenz oder in Reaktion auf ein Auslöseereignis überwachen. Software, Firmware, Programme, Befehle, Steuerroutinen, Code, Algorithmen und ähnliche Begriffe beziehen sich auf sämtliche von einer Steuereinheit ausführbaren Befehlssätze, wie z. B. Kalibrierungen und Nachschlagetabellen. Jede Steuerung führt Steuerroutine(n) aus, um die gewünschten Funktionen, darunter auch die Überwachung der Eingaben von Sensorvorrichtungen und anderen vernetzten Steuereinheiten, bereitzustellen, und führt zudem Steuer- und Diagnoseroutinen aus, um die Betätigung von Stellgliedern zu steuern. Die Routinen können in regelmäßigen Intervallen, wie z. B. während des laufenden Betriebs alle 100 Mikrosekunden, ausgeführt werden. Alternativ dazu können Routinen in Reaktion auf ein Auslöseereignis ausgeführt werden.
  • Die Kommunikation zwischen den Steuerungen und zwischen Steuerungen, Stellgliedern und/oder Sensoren kann über eine Direktverkabelung, eine vernetzte Kommunikationsbus-Verbindung, eine drahtlose Verbindung oder jede andere geeignete Kommunikationsverbindung bewerkstelligt werden. Kommunikationsinhalte beinhalten das Austauschen von Datensignalen auf jede beliebige geeignete Art und Weise, einschließlich z. B. elektrischer Signale über ein leitfähiges Medium, elektromagnetischer Signale über die Luft, optischer Signale über Lichtwellenleiter und dergleichen.
  • Datensignale können unter anderem Signale beinhalten, die Eingaben von Sensoren repräsentieren, Signale, die Stellgliedbefehle und Kommunikationssignale zwischen Steuerungen repräsentieren. Der Begriff ,Modell‘ bezeichnet einen prozessorbasierten oder einen über einen Prozessor ausführbaren Code und die zugehörige Kalibrierung, die die physische Existenz einer Vorrichtung oder eines physischen Prozesses simuliert. Wie hier verwendet, beschreiben die Begriffe ,dynamisch‘ und ,in dynamischer Weise‘ Schritte oder Prozesse, die in Echtzeit ausgeführt werden und gekennzeichnet sind durch das Überwachen oder sonstiges Bestimmen der Parameterzustände und dem regelmäßigen oder periodischen Aktualisieren von Parameterzuständen beim Ausführen einer Routine oder zwischen Iterationen beim Ausführen der Routine.
  • Das MPC-Modul 312 oder andere Module des beschriebenen Steuersystems (z. B. das Motorsteuergerät 114) können konfiguriert werden, um jeden der Schritte des Verfahrens 500 auszuführen. Somit kann die gesamte Beschreibung bezogen auf die 1-5 durch das Steuersystem auf das in 5 dargestellte Verfahren 500 angewendet werden. Weiterhin kann das Steuersystem eine Steuerung beinhalten oder eine sein, die Anzahl an Steuerlogiken beinhaltet, die konfiguriert sind zum Ausführen der Schritte aus dem Verfahren 500.
  • Die Steuerung(en) des Steuersystems kann/können ein computerlesbares Medium (auch als prozessorlesbares Medium bezeichnet) einschließlich aller nichtflüchtigen (z. B. konkreten) Medien, die an der Bereitstellung von Daten (z. B. Anweisungen) beteiligt sind, die von einem Computer gelesen werden können (z. B. durch den Prozessor eines Computers), beinhalten. Ein solches Medium kann viele Formen annehmen, einschließlich, aber nicht beschränkt auf nichtflüchtige Medien und flüchtige Medien. Nichtflüchtige Medien können beispielsweise optische oder magnetische Platten und andere persistente Speicher beinhalten. Flüchtige Medien können zum Beispiel dynamische Direktzugriffsspeicher (DRAM) beinhalten, die einen Hauptspeicher darstellen können. Derartige Anweisungen können von einem oder mehreren Übertragungsmedien, einschließlich Koaxialkabel, Kupferdraht und Faseroptik übertragen werden, einschließlich der Drähte, die einen mit dem Prozessor gekoppelten Systembus beinhalten. Einige Formen von computerlesbaren Medien beinhalten beispielsweise eine Floppy Disk, eine flexible Platte, Festplatte, Magnetband, jedes andere magnetische Medium, eine CD-ROM, DVD, jedes andere optische Medium, Lochkarten, Lochstreifen, jedes andere physische Medium mit Lochmustern, einen RAM, einen PROM, einen EPROM, einen FLASH-EEPROM, jeden anderen Speicherchip oder jede andere Speicherkassette oder jedes andere Medium, von dem ein Computer lesen kann.
  • Nachschlagetabellen, Datenbanken, Datendepots oder andere hierin beschriebene Datenspeicher können verschiedene Arten von Mechanismen zum Speichern, zum Zugreifen und zum Abrufen verschiedener Arten von Daten beinhalten, einschließlich einer hierarchischen Datenbank, eines Satzes von Dateien in einem Dateisystem, einer Anwendungsdatenbank in einem proprietären Format, eines relationalen Datenbankverwaltungssystems (RDBMS) usw. Jeder dieser Datenspeicher kann in einem Computergerät beinhaltet sein, das ein Computerbetriebssystem wie beispielsweise eines der vorstehend aufgeführten einsetzt und auf das über ein Netzwerk in einer oder mehreren der Vielzahl von Arten zugegriffen werden kann. Ein Dateisystem kann durch ein Computerbetriebssystem zugänglich sein und Dateien beinhalten, die in verschiedenen Formaten gespeichert sind. Ein RDBMS kann die Structured Query Language (SQL) zusätzlich zu einer Sprache zum Erstellen, Speichern, Bearbeiten und Ausführen gespeicherter Prozeduren, wie beispielsweise die vorstehend aufgeführte PL/SQL-Sprache, einsetzen.
  • Die ausführliche Beschreibung sowie die Zeichnungen oder Figuren unterstützen und beschreiben viele Aspekte der vorliegenden Offenbarung. Während bestimmte Aspekte im Detail beschrieben wurden, existieren verschiedene alternative Aspekte in den beigefügten Ansprüchen.

Claims (10)

  1. Verfahren zum Steuern eines Antriebssystems eines Kraftfahrzeugs, das Verfahren umfassend: Erzeugen einer Vielzahl von Sätzen von möglichen Sollwerten für eine Vielzahl von Regelgrößen; Erzeugen eines Satzes von Anfangsbeschränkungen für die Vielzahl von Regelgrößen, wobei der Satz von Anfangsbeschränkungen obere und untere Begrenzungen für jede Regelgröße und obere und untere Änderungsratenbegrenzungen für jede Regelgröße beinhaltet; Erzeugen eines Satzes von konsolidierten Beschränkungsgrenzen für die Vielzahl von Regelgrößen, wobei jede konsolidierte Beschränkungsgrenze des Satzes von konsolidierten Beschränkungsgrenzen durch Konsolidieren einer der oberen und unteren Begrenzungen mit einer der oberen und unteren Änderungsratengrenzen bestimmt wird; Bestimmen, welcher Satz möglicher Sollwerte der Vielzahl von Sätzen möglicher Sollwerte die geringsten Kosten aufweist; und Auswählen des Satzes möglicher Sollwerte aus der Vielzahl möglicher Sätze von Sollwerten, der die niedrigsten Kosten aufweist und innerhalb des Satzes der konsolidierten Beschränkungsgrenzen liegt, um einen Satz ausgewählter Sollwerte zu definieren, wobei der Satz ausgewählter Sollwerte einen ausgewählten Sollwert für jede Regelgröße beinhaltet.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Satz von konsolidierten Beschränkungsgrenzen eine obere konsolidierte Beschränkungsgrenze für jede Regelgröße und eine untere konsolidierte Beschränkungsgrenze für jede Regelgröße umfasst, wobei das Verfahren ferner Folgendes umfasst: Bestimmen einer oberen, ratenbegrenzungsbasierten Beschränkung für jede Regelgröße durch: Multiplizieren der oberen Änderungsrate für eine jeweilige Regelgröße mit einer Zeitschrittdauer, um ein oberes Ratenbegrenzungsprodukt für die jeweilige Regelgröße zu bestimmen; und Hinzufügen des oberen Ratenbegrenzungsprodukts für die jeweilige Regelgröße zu dem ausgewählten Sollwert für einen unmittelbar zurückliegenden Zeitschritt der jeweiligen Regelgröße; Bestimmen einer auf einer niedrigeren ratenbegrenzungsbasierten Beschränkung für jede Regelgröße durch: Multiplizieren der unteren Änderungsgrenze für eine jeweilige Regelgröße mit der Zeitschrittdauer, um ein unteres Ratengrenzprodukt für die jeweilige Regelgröße zu bestimmen; und Subtrahieren des unteren Ratengrenzprodukts für die jeweilige Regelgröße vom ausgewählten Sollwert für den unmittelbar vergangenen Zeitschritt der jeweiligen Regelgröße; Bestimmen jeder oberen konsolidierten Beschränkungsgrenze durch Auswählen der kleineren der oberen Grenze für die jeweilige Regelgröße und der oberen ratengrenzbasierten Beschränkung für die jeweilige Regelgröße; und Bestimmen jeder unteren konsolidierten Beschränkungsgrenze durch Auswählen der größeren der unteren Grenze für die jeweilige Regelgröße und der niedrigeren ratenbegrenzungsbasierten Beschränkung für die jeweilige Regelgröße.
  3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner umfassend das Steuern eines Fahrzeugparameters basierend auf mindestens einem Sollwert des Satzes von ausgewählten Sollwerten.
  4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, worin die Kosten basierend auf einer, aber nicht beiden, der Obergrenze für eine jeweilige Regelgröße und der oberen Änderungsgrenze für die jeweilige Regelgröße bestimmt werden, wobei die Kosten basierend auf einer, aber nicht beiden, der Untergrenze für eine jeweilige Regelgröße und der unteren Änderungsgrenze für die jeweilige Regelgröße bestimmt werden, wobei das Verfahren ferner umfasst: das Bestimmen einer Vielzahl von angeforderten Werten; das Bestimmen einer Vielzahl von vorhergesagten Werten; und Bestimmen der Kosten für jeden Satz von möglichen Sollwerten der Vielzahl von Sätzen von möglichen Sollwerten basierend auf der Vielzahl von Sollwerten, der Vielzahl von Sollwerten und einer Vielzahl von Gewichtungsfaktoren, worin die Vielzahl von Sollwerten einen Wastegate-Öffnungsbereich, einen AGR-Ventilöffnungsbereich, einen Drosselöffnungsbereich, einen Einlassnockenphasenwinkel und einen Auslassnockenphasenwinkel beinhaltet, worin die Vielzahl von vorhergesagten Werten ein vorhergesagtes Motorabtriebsdrehmoment, einen vorhergesagten APC, eine vorhergesagte Menge einer externen Verwässerung, eine vorhergesagte Menge einer internen Verwässerung, einen vorhergesagten Kurbelwellenwinkel und einen vorhergesagten Verbrennungsqualitätswert beinhaltet, wobei der vorhergesagte Verbrennungsqualitätswert ein vorhergesagter Variationskoeffizient ist, wobei das Verfahren ferner das Bestimmen der Kosten für jeden Satz von möglichen Sollwerten der Vielzahl von Sätzen von möglichen Sollwerten mit der folgenden Kostengleichung umfasst: K o s t e n = ∑ ( y ( i | k ) − y r e f ) T Q Y ( y ( i | k ) − y r e f ) + ( u ( i | k ) − u r e f ) T Q U ( u ( i | k ) − u r e f ) + Δ u ( i | k ) T Q Δ u ( i | k )
    Figure DE102019106991A1_0022
     y = [ T e _ p A P C _ p D i l _ e x t _ p D i l _ r e s _ p C A _ p C O V _ p ]
    Figure DE102019106991A1_0023
     y r e f = [ T e _ r A P C _ r D i l _ e x t _ r D i l _ r e s _ r C A _ r C O V _ r ]
    Figure DE102019106991A1_0024
     u = [ W G O _ c E G R O _ c T O _ c I C P A _ c E C P A _ c ]
    Figure DE102019106991A1_0025
     u r e f = [ W G O _ r E G R O _ r T O _ r I C P A _ r E C P A _ r ]
    Figure DE102019106991A1_0026
     wobei Te_p = das vorhergesagte Motorabtriebsdrehmoment ist; APC_p = der vorhergesagte APC; Dil_ext_p = die voraussichtliche Menge der externen Verwässerung; Dil_res_p = die vorhergesagte Menge der internen Verwässerung; CA_p = der vorhergesagte Kurbelwellenwinkel, bezogen auf einen vorbestimmten CA50-Wert; COV_p = der vorhergesagte Variationskoeffizient; Te_r = ein angefordertes Motorabtriebsdrehmoment; APC_r = ein angeforderter APC; Dil_ext_r = eine gewünschte Menge einer externen Verwässerung; Dil_res_r = eine angeforderte Menge einer internen Verwässerung; CA_r = ein gewünschter Kurbelwellenwinkel in Bezug auf den vorgegebenen CA50-Wert; COV_r = ein angeforderter Variationskoeffizient; WGO_c = ein Soll-Ladedruckregelventil-Öffnungsbereich; EGRO_c = ein Soll-AGR-Ventilöffnungsbereich; TO_c = ein Soll-Drosselklappenöffnungsbereich; ICPA_c = ein Soll-Einlassnockenphasenwinkel; ECPA_c = ein Soll-Auslassnockenphasenwinkel; WGO_r = ein angeforderter Ladedruckregelventil-Öffnungsbereich; EGRO_r = ein angeforderter AGR-Ventilöffnungsbereich; TO_r = ein angeforderter Drosselklappenöffnungsbereich; ICPA_r = ein angeforderter Einlassnockenphasenwinkel; ECPA_r = ein angeforderter Auslassnockenphasenwinkel; Qy = ein vorgegebener Gewichtungswert für jeden y-Wert; Qu = ein vorgegebener Gewichtungswert für jeden u-Wert; QΔu = ein vorgegebener Gewichtungswert für eine Änderungsrate jedes u-Wertes; i = ein Index-Wert; k = ein Vorhersageschritt; und T = ein transponierter Vektor, worin ein vorgegebener Gewichtungswert für das vorhergesagte Motorabtriebsdrehmoment größer ist als alle anderen vorgegebenen Gewichtungswerte für jeden y-Wert (Qy).
  5. Steuersystem zum Steuern eines Antriebssystems eines Kraftfahrzeugs mit einem Verbrennungsmotor, wobei das Steuersystem Folgendes umfasst: ein Befehlsgeneratormodul, das zum Erzeugen einer Vielzahl von Sätzen von möglichen Sollwerten für eine Vielzahl von Regelgrößen konfiguriert ist; ein Beschränkungskonsolidierungsmodul, das konfiguriert ist zum: Erzeugen eines Satzes von Anfangsbeschränkungen für die Vielzahl von Regelgrößen, wobei der Satz von Anfangsbeschränkungen obere und untere Begrenzungen für jede Regelgröße und obere und untere Änderungsratenbegrenzungen für jede Regelgröße beinhaltet; und Erzeugen eines Satzes von konsolidierten Beschränkungsgrenzen für die Vielzahl von Regelgrößen, wobei jede konsolidierte Beschränkungsgrenze des Satzes von konsolidierten Beschränkungsgrenzen durch Konsolidieren einer der oberen und unteren Begrenzungen mit einer der oberen und unteren Änderungsratengrenzen bestimmt wird; ein Kostenmodul, das konfiguriert ist, um die Kosten für jeden Satz möglicher Sollwerte aus der Vielzahl der Sätze möglicher Sollwerte zu bestimmen; und ein Auswahlmodul, das konfiguriert ist, um den Satz möglicher Sollwerte der Vielzahl von Sätzen möglicher Sollwerte auszuwählen, der die niedrigsten Kosten aufweist und innerhalb des Satzes konsolidierter Beschränkungsgrenzen liegt, um einen Satz ausgewählter Sollwerte zu definieren, wobei der Satz ausgewählter Sollwerte einen ausgewählten Sollwert für jede Regelgröße beinhaltet.
  6. Steuersystem nach Anspruch 5, wobei der Satz von konsolidierten Beschränkungsgrenzen eine obere konsolidierte Beschränkungsgrenze für jede Regelgröße und eine untere konsolidierte Beschränkungsgrenze für jede Regelgröße beinhaltet, wobei das Beschränkungskonsolidierungsmodul konfiguriert ist zum: Bestimmen einer oberen, ratenbegrenzungsbasierten Beschränkung für jede Regelgröße durch: Multiplizieren der oberen Änderungsrate für eine jeweilige Regelgröße mit einer Zeitschrittdauer, um ein oberes Ratenbegrenzungsprodukt für die jeweilige Regelgröße zu bestimmen; und Hinzufügen des oberen Ratenbegrenzungsprodukts für die jeweilige Regelgröße zu dem ausgewählten Sollwert für einen unmittelbar zurückliegenden Zeitschritt der jeweiligen Regelgröße; Bestimmen einer auf einer niedrigeren ratenbegrenzungsbasierten Beschränkung für jede Regelgröße durch: Multiplizieren der unteren Änderungsgrenze für eine jeweilige Regelgröße mit der Zeitschrittdauer, um ein unteres Ratengrenzprodukt für die jeweilige Regelgröße zu bestimmen; und Subtrahieren des unteren Ratengrenzprodukts für die jeweilige Regelgröße vom ausgewählten Sollwert für den unmittelbar vergangenen Zeitschritt der jeweiligen Regelgröße; Bestimmen jeder oberen konsolidierten Beschränkungsgrenze durch Auswählen der kleineren der oberen Grenze für die jeweilige Regelgröße und der oberen ratengrenzbasierten Beschränkung für die jeweilige Regelgröße; und Bestimmen jeder unteren konsolidierten Beschränkungsgrenze durch Auswählen der größeren der unteren Grenze für die jeweilige Regelgröße und der niedrigeren ratenbegrenzungsbasierten Beschränkung für die jeweilige Regelgröße.
  7. Steuersystem nach Anspruch 5 oder Anspruch 6, ferner umfassend ein Betätigungsmodul, das konfiguriert ist, um einen Fahrzeugparameter basierend auf mindestens einem Sollwert des ausgewählten Satzes von Sollwerten zu steuern.
  8. Steuersystem nach Anspruch 5, Anspruch 6 oder Anspruch 7, ferner umfassend: einen Referenzgenerator, der konfiguriert ist, um eine Vielzahl von angeforderten Werten zu bestimmen; und ein Vorhersagemodul, das konfiguriert ist, um eine Vielzahl von vorhergesagten Werten zu bestimmen, wobei das Kostenmodul konfiguriert ist, um die Kosten für jeden Satz von möglichen Sollwerten der Vielzahl von Mengen von möglichen Sollwerten basierend auf der Vielzahl von Sollwerten, der Vielzahl von vorhergesagten Werten und einer Vielzahl von Gewichtungsfaktoren zu bestimmen, worin die Vielzahl von Sollwerten einen Wastegate-Öffnungsbereich, einen AGR-Ventilöffnungsbereich, einen Drosselöffnungsbereich, einen Einlassnockenphasenwinkel und einen Auslassnockenphasenwinkel beinhaltet, und worin die Vielzahl der vorhergesagten Werte ein vorhergesagtes Motorabtriebsdrehmoment, einen vorhergesagten APC, eine vorhergesagte Menge einer externen Verwässerung, eine vorhergesagte Menge einer internen Verwässerung, einen vorhergesagten Kurbelwellenwinkel und einen vorhergesagten Verbrennungsqualitätswert beinhaltet, worin der vorhergesagte Verbrennungsqualitätswert ein vorhergesagter Variationskoeffizient ist, worin das Kostenmodul konfiguriert ist, um die Kosten für jeden Satz von möglichen Sollwerten der Vielzahl von Mengen von möglichen Sollwerten mit der folgenden Kostengleichung zu bestimmen: K o s t e n = ∑ ( y ( i | k ) − y r e f ) T Q Y ( y ( i | k ) − y r e f ) + ( u ( i | k ) − u r e f ) T Q U ( u ( i | k ) − u r e f ) + Δ u ( i | k ) T Q Δ u ( i | k )
    Figure DE102019106991A1_0027
     y = [ T e _ p A P C _ p D i l _ e x t _ p D i l _ r e s _ p C A _ p C O V _ p ]
    Figure DE102019106991A1_0028
     y r e f = [ T e _ c A P C _ c D i l _ e x t _ c D i l _ r e s _ c C A _ c C O V _ c ]
    Figure DE102019106991A1_0029
     u = [ W G O _ c E G R O _ c T O _ c I C P A _ c E C P A _ c ]
    Figure DE102019106991A1_0030
     u r e f = [ W G O _ r E G R O _ r T O _ r I C P A _ r E C P A _ r ]
    Figure DE102019106991A1_0031
     wobei Te_p = das vorhergesagte Motorabtriebsdrehmoment ist; APC_p = der vorhergesagte APC; Dil_ext_p = die voraussichtliche Menge der externen Verwässerung; Dil_res_p = die vorhergesagte Menge der internen Verwässerung; CA_p = der vorhergesagte Kurbelwellenwinkel, bezogen auf einen vorbestimmten CA50-Wert; COV_p = der vorhergesagte Variationskoeffizient; Te_r = ein angefordertes Motorabtriebsdrehmoment; APC_r = ein angeforderter APC; Dil_ext_r = eine gewünschte Menge einer externen Verwässerung; Dil_res_r = eine angeforderte Menge einer internen Verwässerung; CA_r = ein gewünschter Kurbelwellenwinkel in Bezug auf den vorgegebenen CA50-Wert; COV_r = ein angeforderter Variationskoeffizient; WGO_c = ein Soll-Ladedruckregelventil-Öffnungsbereich; EGRO_c = ein Soll-AGR-Ventilöffnungsbereich; TO_c = ein Soll-Drosselklappenöffnungsbereich; ICPA_c = Soll-Einlassnockenphasenwinkel; ECPA_c = ein Soll-Auslassnockenphasenwinkel; WGO_r = ein angeforderter Ladedruckregelventil-Öffnungsbereich; EGRO_r = ein angeforderter AGR-Ventilöffnungsbereich; TO_r = ein angeforderter Drosselklappenöffnungsbereich; ICPA_r = ein angeforderter Einlassnockenphasenwinkel; ECPA_r = ein angeforderter Auslassnockenphasenwinkel; Qy = ein vorgegebener Gewichtungswert für jeden y-Wert; Qu = ein vorgegebener Gewichtungswert für jeden u-Wert; QΔu = ein vorgegebener Gewichtungswert für eine Änderungsrate jedes u-Wertes; i = ein Index-Wert; k = ein Vorhersageschritt; und T= ein transponierter Vektor.
  9. Antriebssystem für ein Kraftfahrzeug, wobei das Antriebssystem Folgendes umfasst: einen Ansaugkrümmer mit einer Drosselklappe, die konfiguriert ist, um eine Luftmenge zu steuern, die durch einen selektiv variablen Drosselöffnungsbereich in den Ansaugkrümmer gesaugt wird; einen Verbrennungsmotor der mindestens eine Kolben-Zylinder-Anordnung mit einem Kolben definiert, der verschiebbar in einer Zylinderbohrung angeordnet ist; eine Kurbelwelle, die drehbar ist, um ein Antriebsdrehmoment zum Antreiben des Kraftfahrzeugs bereitzustellen, wobei die Kolben-Zylinder-Anordnung konfiguriert ist, um ein Luft-/Kraftstoffgemisch zum Drehen der Kurbelwelle zu verbrennen; ein Einlassventil, das konfiguriert ist, um Luft aus dem Ansaugkrümmer in die Kolben-Zylinder-Anordnung zu saugen; eine Einlassnockenwelle, die zum Drehen konfiguriert ist, um das Einlassventil zu steuern; ein Einlassnockenversteller, der konfiguriert ist, um die Drehung der Einlassnockenwelle durch Steuern eines Einlassnockenphasenwinkels zu steuern; ein Auslassventil, das konfiguriert ist, um die Abgase aus der Kolben-Zylinder-Anordnung auszutreiben; eine Auslassnockenwelle, die zum Drehen konfiguriert ist, um das Auslassventil zu steuern; ein Auslassnockenwellenversteller, der konfiguriert ist, um die Drehung der Auslassnockenwelle durch Steuern eines Auslassnockenphasenwinkels zu steuern; einen Turbolader mit einer Turbine, die so konfiguriert ist, dass sie von den Abgasen angetrieben wird, wobei der Turbolader so konfiguriert ist, dass er Druckluft an die Drosselklappe liefert; ein Ladedruckregelventil, das so konfiguriert ist, dass mindestens ein Teil der Abgase die Turbine des Turboladers durch einen selektiv variablen Ladedruckregelvolumenbereich umgehen kann; ein Abgasrückführungs-(AGR)-Ventil, das konfiguriert ist, um einen Teil der Abgase selektiv durch einen selektiv variablen AGR-Ventilöffnungsbereich zum Ansaugkrümmer zurückzuleiten; und ein Steuersystem, umfassend: ein Befehlsgeneratormodul, das konfiguriert ist, um eine Vielzahl von Sätzen von möglichen Sollwerten für eine Vielzahl von Regelgrößen zu erzeugen, wobei die Vielzahl von Regelgrößen ausgewählt ist aus den folgenden: dem Wastegate-Öffnungsbereich, dem Drosselklappenöffnungsbereich, dem AGR-Ventilöffnungsbereich, dem Einlassnockenphasenwinkel und dem Auslassnockenphasenwinkel; ein Beschränkungskonsolidierungsmodul, das konfiguriert ist zum: Erzeugen eines Satzes von Anfangsbeschränkungen für die Vielzahl von Regelgrößen, wobei der Satz von Anfangsbeschränkungen obere und untere Begrenzungen für jede Regelgröße und obere und untere Änderungsratenbegrenzungen für jede Regelgröße beinhaltet; und Erzeugen eines Satzes von konsolidierten Beschränkungsgrenzen für die Vielzahl von Regelgrößen, wobei jede konsolidierte Beschränkungsgrenze des Satzes von konsolidierten Beschränkungsgrenzen durch Konsolidieren einer der oberen und unteren Begrenzungen mit einer der oberen und unteren Änderungsratengrenzen bestimmt wird; ein Kostenmodul, das konfiguriert ist, um die Kosten für jeden Satz möglicher Sollwerte aus der Vielzahl der Sätze möglicher Sollwerte zu bestimmen; und ein Auswahlmodul, das konfiguriert ist, um den Satz möglicher Sollwerte der Vielzahl von Sätzen möglicher Sollwerte auszuwählen, der die niedrigsten Kosten aufweist und innerhalb des Satzes konsolidierter Beschränkungsgrenzen liegt, um einen Satz ausgewählter Sollwerte zu definieren, wobei der Satz ausgewählter Sollwerte einen ausgewählten Sollwert für jede Regelgröße beinhaltet.
  10. Antriebssystem nach Anspruch 9, wobei der Satz von konsolidierten Beschränkungsgrenzen eine obere konsolidierte Beschränkungsgrenze für jede Regelgröße und eine untere konsolidierte Beschränkungsgrenze für jede Regelgröße beinhaltet, wobei das Beschränkungskonsolidierungsmodul konfiguriert ist zum: Bestimmen einer oberen, ratenbegrenzungsbasierten Beschränkung für jede Regelgröße durch: Multiplizieren der oberen Änderungsrate für eine jeweilige Regelgröße mit einer Zeitschrittdauer, um ein oberes Ratenbegrenzungsprodukt für die jeweilige Regelgröße zu bestimmen; und Hinzufügen des oberen Ratenbegrenzungsprodukts für die jeweilige Regelgröße zu dem ausgewählten Sollwert für einen unmittelbar zurückliegenden Zeitschritt der jeweiligen Regelgröße; Bestimmen einer auf einer niedrigeren ratenbegrenzungsbasierten Beschränkung für jede Regelgröße durch: Multiplizieren der unteren Änderungsgrenze für eine jeweilige Regelgröße mit der Zeitschrittdauer, um ein unteres Ratengrenzprodukt für die jeweilige Regelgröße zu bestimmen; und Subtrahieren des unteren Ratengrenzprodukts für die jeweilige Regelgröße vom ausgewählten Sollwert für den unmittelbar vergangenen Zeitschritt der jeweiligen Regelgröße; Bestimmen jeder oberen konsolidierten Beschränkungsgrenze durch Auswählen der kleineren der oberen Grenze für die jeweilige Regelgröße und der oberen ratengrenzbasierten Beschränkung für die jeweilige Regelgröße; und Bestimmen jeder unteren konsolidierten Beschränkungsgrenze durch Auswählen der größeren der Untergrenze für die jeweilige Regelgröße und der niedrigeren ratenbegrenzungsbasierten Beschränkung für die jeweilige Regelgröße, worin jeder Satz von möglichen Sollwerten einen möglichen Soll-Wastegate-Öffnungsbereich, einen möglichen Soll-Drosselöffnungsbereich, einen möglichen Soll-AGR-Ventilöffnungsbereich, einen möglichen Soll-Einlassnockenphasenwinkel und einen möglichen Soll-Abgasnockenphasenwinkel beinhaltet, und wobei der ausgewählte Satz von möglichen Sollwerten einen ausgewählten Soll-Wastegate-Öffnungsbereich, einen ausgewählten Soll-Drosselöffnungsbereich, einen ausgewählten Soll-AGR-Ventilöffnungsbereich, einen ausgewählten Soll-Einlassnockenphasenwinkel und einen ausgewählten Soll-Abgasnockenphasenwinkel beinhaltet, wobei das Antriebssystem ferner Folgendes umfasst: ein Ladedruckstellgliedmodul, das konfiguriert ist, um den Wastegate-Öffnungsbereich basierend auf dem ausgewählten, vorgegebenen Wastegate-Öffnungsbereich einzustellen; ein Drosselstellgliedmodul, das konfiguriert ist, um den Drosselöffnungsbereich basierend auf dem ausgewählten, vorgegebenen Drosselöffnungsbereich einzustellen; ein AGR-Stellgliedmodul, das konfiguriert ist, um den AGR-Ventilöffnungsbereich basierend auf dem ausgewählten vorgegebenen AGR-Ventilöffnungsbereich einzustellen; ein Phasenbetätigungsmodul, das konfiguriert ist, um den Einlassnockenphasenwinkel basierend auf dem ausgewählten vorgegebenen Einlassnockenphasenwinkel einzustellen, wobei das Phasenbetätigungsmodul ferner konfiguriert ist, um den Auslassnockenphasenwinkel basierend auf dem ausgewählten vorgegebenen Auslassnockenphasenwinkel einzustellen; einen Referenzgenerator, der konfiguriert ist, um eine Vielzahl von angeforderten Werten zu bestimmen, einschließlich eines angeforderten Wastegate-Öffnungsbereichs, eines angeforderten Drosselklappenöffnungsbereichs, eines angeforderten AGR-Ventilöffnungsbereichs, eines angeforderten Einlassnockenphasenwinkels und eines angeforderten Auslassnockenphasenwinkels; und ein Vorhersagemodul, das konfiguriert ist, um eine Vielzahl von vorhergesagten Werten zu bestimmen, wobei das Kostenmodul konfiguriert ist, um die Kosten für jeden Satz von möglichen Sollwerten der Vielzahl von Sätzen von möglichen Sollwerten basierend auf der Vielzahl von Sollwerten, der Vielzahl von vorhergesagten Werten und einer Vielzahl von Gewichtungsfaktoren zu bestimmen, worin die Vielzahl von vorhergesagten Werten ein vorhergesagtes Motorabtriebsdrehmoment beinhaltet, einen vorhergesagten APC, eine vorhergesagte Menge einer externen Verwässerung, eine vorhergesagte Menge einer internen Verwässerung, einen vorhergesagten Kurbelwellenwinkel und einen vorhergesagten Wert der Verbrennungsqualität, worin der vorhergesagte Wert der Verbrennungsqualität ein vorhergesagter Variationskoeffizient ist, worin das Kostenmodul konfiguriert ist, um die Kosten für jeden Satz von möglichen Sollwerten der Vielzahl von Sätzen von möglichen Sollwerten mit der folgenden Kostengleichung zu bestimmen: K o s t e n = ∑ ( y ( i | k ) − y r e f ) T Q Y ( y ( i | k ) − y r e f ) + ( u ( i | k ) − u r e f ) T Q U ( u ( i | k ) − u r e f ) + Δ u ( i | k ) T Q Δ u ( i | k )
    Figure DE102019106991A1_0032
     y = [ T e _ p A P C _ p D i l _ e x t _ p D i l _ r e s _ p C A _ p C O V _ p ]
    Figure DE102019106991A1_0033
     y r e f = [ T e _ r A P C _ r D i l _ e x t _ r D i l _ r e s _ r C A _ r C O V _ r ]
    Figure DE102019106991A1_0034
     u = [ W G O _ c E G R O _ c T O _ c I C P A _ c E C P A _ c ]
    Figure DE102019106991A1_0035
     u r e f = [ W G O _ r E G R O _ r T O _ r I C P A _ r E C P A _ r ]
    Figure DE102019106991A1_0036
     wobei Te_p = das vorhergesagte Motorabtriebsdrehmoment ist; APC_p = der vorhergesagte APC; Dil_ext_p = die voraussichtliche Menge der externen Verwässerung; Dil_res_p = die vorhergesagte Menge der internen Verwässerung; CA_p = der vorhergesagte Kurbelwellenwinkel, bezogen auf einen vorbestimmten CA50-Wert; COV_p = der vorhergesagte Variationskoeffizient; Te_r = ein angefordertes Motorabtriebsdrehmoment; APC_r = ein angeforderter APC; Dil_ext_r = eine gewünschte Menge einer externen Verwässerung; Dil_res_r = eine angeforderte Menge einer internen Verwässerung; CA_r = ein gewünschter Kurbelwellenwinkel in Bezug auf den vorgegebenen CA50-Wert; COV_r = ein angeforderter Variationskoeffizient; WGO_c= der mögliche Soll-Ladedruckregelventil-Öffnungsbereich; EGRO_c = der mögliche Soll-AGR-Ventilöffnungsbereich, TO_c = der mögliche Soll-Drosselklappenöffnungsbereich; ICPA_c = der mögliche Soll-Einlassnockenphasenwinkel; ECPA_c = der mögliche Soll-Auslassnockenphasenwinkel; WGO_r = der angeforderte Ladedruckregelventil-Öffnungsbereich; EGRO_r = der angeforderte AGR-Ventilöffnungsbereich; TO_r = der angeforderte Drosselklappenöffnungsbereich, ICPA_r = der angeforderte Einlassnockenphasenwinkel; ECPA_r = der angeforderte Auslassnockenphasenwinkel; Qy = ein vorgegebener Gewichtungswert für jeden y-Wert; Qu = ein vorgegebener Gewichtungswert für jeden u-Wert; QΔu = ein vorgegebener Gewichtungswert für eine Änderungsrate jedes u-Wertes; i = ein Index-Wert; k = ein Vorhersageschritt; und T= ein transponierter Vektor.
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