JP6553580B2 - 内燃機関の空気経路制御のための離散時間レートベースモデル予測制御方法 - Google Patents

Description

同時係属中の出願の相互参照
本出願は、「内燃機関の空気経路制御のためのレートベースモデル予測制御方法」と題して、２０１２年１２月２１日に出願された同時係属中の米国特許出願番号第１３／７２４，９５７号の一部継続出願であり、その全体の内容は、参照によりその全体が本明細書に組み込まれる。

本明細書は、概して、内燃機関のための方法及び制御に関し、より詳細には、ディーゼルエンジンを制御するための方法に関する。

本明細書中で提供される背景の説明は、本開示の内容を一般的に提示することを目的とするものである。本発明者らの研究は、この背景技術の項に記載されている限りにおいて、出願時の先行技術として認められないであろう当該記載の態様と同様に、現在の技術に対する先行技術としては明示的にも黙示的にも認められない。

現在のディーゼルエンジンは、可変気筒タービン（ＶＧＴ）を使用して、エンジンシリンダに供給される空気量を増加させる。ＶＧＴは、タービン固定子吸気口ベーンの角度を変えてエンジンシリンダに供給する空気量を変化させる。

最適な性能及び燃料経済性を提供することに加えて、最新のディーゼルエンジンは、排出物、特に粒子状物質及び窒素酸化物に関する厳しい連邦規制、をも満たさなければならない。これらの要求をすべて満たすために、ＶＧＴを備えたディーゼルエンジンは、排気ガス再循環（ＥＧＲ）バルブを使用する。このＥＧＲは、可変制御位置を有し、この可変制御位置は、様々な量のエンジン排気ガスを、より完全な燃焼及びエンジン排気の低減のためにエンジンシリンダに再循環させる。

エンジンが速度、燃費、エンジン負荷などを含む広い範囲の動作条件にわたって動作するためには、１つの及び典型的には複数のコントローラがエンジン制御ユニット（ＥＣＵ）に組み込まれ、このＥＣＵが、エンジン性能、排気ガスなどを最適化するために、エンジン性能を検出するセンサに反応して様々なエンジンアクチュエータを制御する。

モデル予測制御（ＭＰＣ）の使用は、エンジン制御のために増加している。標準的なＭＰＣアプローチは、積分型動作を組み込み、ゼロ状態間誤差を保証する。このゼロ状態間誤差は、追加的な積分状態を予測制御モデルに加える。ＭＰＣモデルは、異なるエンジン動作範囲（燃料比及びエンジン速度）を多数使用し、エンジンアクチュエータを制御するために各範囲のコントローラを構築する。

ディーゼルエンジン空気流に適用されるモデル予測制御の具体例において、エンジン内の流れは、可変気筒タービン（ＶＧＴ）、ＥＧＲスロットル及びＥＧＲバルブアクチュエータを使用して制御される。これらのシステムは強く結合しており、極めて非線形である。

しかしながら、内燃機関、特にディーゼルエンジン、へのモデル予測コントローラの従来の応用は、エンジン性能の複数の動作範囲が利用されてきたが、各動作範囲が別個の予測コントローラを必要としていた。さらに、各予測コントローラは、積分型動作を使用するが、この積分型動作は、制御されたエンジン変数のオーバーシュート抑制について問題を提示している。

本発明の目的は、内燃機関と共に使用するためのモデル予測コントローラを提供することであり、これは計算時間を短縮するための最小限の動作範囲及びメモリ記憶要求を有すると同時に、エンジン制御された性能変数のゼロ状態間追跡誤差を提供する。

このセクションは、本開示の概要を提供し、その全範囲又はその特徴の全ての包括的な開示ではない。

様々な態様において、本願の教示は、エンジン動作を最適化するためのシステムを提供することである。このシステムは、ディーゼルエンジンなどの内燃機関と、コントローラとを含んでいても良い。このコントローラは、エンジン動作中に可変気筒タービン（ＶＧＴ）及び排気ガス再循環（ＥＧＲ）バルブを制御するように構成されてもよい。コントローラは、エンジン動作パラメータ、例えばエンジン吸気マニホールド圧力及びＥＧＲレート、に応じて離散時間レートベース予測モデルを構築する。コントローラは、離散時間レートベース予測モデルを使用してＶＧＴ位置及びＥＧＲバルブ位置を生成する。

別の態様において、本願の教示は、内燃機関を制御するための方法を提供することである。本方法は、吸気マニホールド圧力及びＥＧＲ率の計測値又は推定値を取得することを含んでいても良い。また、本方法は、コントローラを使用して、吸気マニホールド圧力及びＥＧＲ率の計測値又は推定値に応じて離散時間レートベース予測モデルを構築することを含んでいても良い。ＶＧＴ位置及びＥＧＲバルブ位置は、コントローラにより離散時間レートベース予測モデルを使用して生成される。

別の態様において、本願の教示は、非一過性コンピュータ記憶媒体を提供することである。この非一過性コンピュータ記憶媒体には、実行されたときに内燃機関を制御するための方法を実行する、コンピュータ利用可能な命令が組み込まれている。本方法は、吸気マニホールド圧力及びＥＧＲ率の計測値又は推定値を取得することを含んでいても良い。また、本方法は、コントローラを使用して、吸気マニホールド圧力及びＥＧＲ率の計測値又は推定値に応じて離散時間レートベース予測モデルを構築することを含んでいても良い。ＶＧＴ位置及びＥＧＲバルブ位置は、コントローラにより離散時間レートベース予測モデルを使用して生成される。

上記のカップリング技術を強化するためのさらなる適用の領域及び様々な方法は、本明細書中で提供される説明から明確になるであろう。この要約における説明及び具体例は、説明のみを目的としており、本開示の範囲を限定するものではない。

本エンジン制御方法の様々な特徴、利点及び他の用途は、以下の詳細な説明及び図面を参照することにより、より明確にされるであろう。

レートベース予測モデルコントローラを使用するディーゼルエンジンの図。 レートベース予測モデルコントローラの入力及び出力を示すブロック図。 図２のレートベース予測モデルコントローラを使用するエンジンの概略ブロック図。 レートベース予測モデル制御方法を動作させる一連のステップを示す流れ図。 ＥＧＲバルブ位置対サンプル数を示すグラフ。 ＶＧＴデューティサイクルを示すグラフ。 オーバーシュート制約実行を示すグラフ。 経時的な吸気圧が投影された軌道を示すグラフ。 経時的にサンプリングされた領域の数を示すグラフ。 吸気圧及びＥＧＲ率の時間履歴を示すグラフ。 ＥＧＲスロットル位置の時間履歴を示すグラフ。 指定されたＥＧＲバルブ流量及びＥＧＲバルブ流量の時間履歴を示すグラフ。 指定されたＶＧＴリフトの時間履歴を示すグラフ。 図４の代替的な流れ図であり、離散時間レートベース予測モデル制御方法を動作させる一連のステップを示す図。 離散時間レートベース非線形モデル予測制御を使用する、閉ループシミュレーションを表すグラフの集合。この閉ループシミュレーションは、トヨタＧＤエンジンの平均値モデルとループする。

本明細書中で説明する図などは、特定の態様の説明目的のために、本技術のうちの方法、アルゴリズム及び装置の一般的な特徴を説明することが意図されていることに留意すべきである。これらの図は、任意の所与の態様の特徴を正確に反映するわけではなく、必ずしも本技術の範囲内の特定の実施形態を定義し又は限定することを意図するわけではない。さらに、特定の態様は、図の組合せからの機能を組み込んでもよい。

ここで図１を参照すると、ディーゼルエンジンの例として後述する内燃機関２０は、複数のシリンダ２４を収容するエンジンブロック２２を含む。不図示の燃料供給源と接続された燃料レール２６は、複数の燃料噴射器２８にディーゼル燃料を供給する。各シリンダ２４には、１つの燃料噴射器が設けられている。

吸気マニホールド３０は、複数のシリンダ２４に結合され、各シリンダに吸入空気を供給する。吸気マニホールド圧力センサ３２は、吸気マニホールド３０に結合され、吸気マニホールド空気圧を計測する。

排気マニホールド３４は、エンジンブロック２２と離れたシリンダ２４から燃焼ガスを排出する。

ＥＧＲバルブ４０は、吸入マニホールド３０と排気マニホールド３４との間のバイパス経路に結合され、排気マニホールド３４からの排気ガスの一部をシリンダ２４に供給するために吸入マニホールド３２に戻して再循環させる。ＥＧＲ冷却器４２は、ＥＧＲバルブ４０に沿ってバイバス経路に結合されてもよい。

ＥＧＲスロットル４４は、可変気筒タービン（ＶＧＴ）４８の圧縮器４６からの空気流路に取り付けられ、ガス循環を制御する。

内部冷却器５０は、ＥＧＲスロットル４４の手前の吸入空気経路に取り付けられてもよい。

可変気筒タービン４８は、タービン入力ベーンの角度を制御することにより、圧縮器４６を介して吸気マニホールド圧力を制御する。

本方法によれば、エンジン２０用レートベース予測モデル制御（Ｒａｔｅ−Ｂａｓｅｄ Ｐｒｅｄｉｃｔｉｖｅ Ｍｏｄｅｌ Ｃｏｎｔｒｏｌ： ＲＢ−ＭＰＣ）は、複数の制御入力、例えば図２に示すように吸気マニホールド圧力６２及びＥＧＲ率６４、を使用する。後述する部分的非線形反転は、２つの入力６２及び６４をＶＧＴ位置及びＥＧＲバルブ位置にそれぞれバックトラックするために使用される。部分的反転は、モデルの非線形性の程度を減らし、そしてエンジン動作範囲をカバーするゾーン数を減らす目的の最初のステップであって、これにより計算の複雑性を減らす。

また、部分的反転は、ＤＣ利得反転を処理する必要性を回避する。コントローラ６０の設計は、エンジン速度及び燃料比から構成されるエンジン動作範囲のパーティショニングを使用して、各動作ゾーン内の線形化エンジンモデルを低次元化させる。１つのゾーンのみが、制御及び状態の制約の下、良好な追跡性能のために使用されてもよい。このように、コントローラ補正時間と同様にＥＣＵ内のＲＯＭ使用量を削減することができる。別個のコントローラは、ＥＧＲスロットルの使用に用いられることができる。

明示的なＭＰＣ解は、オンボードの二次計画法に基づくものよりもむしろ、図３のＥＣＵ内で計算及び使用可能である。この実装は、限られた計算能力及びコードの単純さによって動機付けられている。

レートベース予測モデルは、以下の非限定的な要素又は機能を含んでいても良い。
・ 吸気圧及びＥＧＲ率の設定点を規定する設定点マップ。
・ ディーゼルエンジンモデルの低次元化線形に基づく予測モデル。
・ 吸気圧及び最大ＥＧＲ流量の時変制約を実行する間、要求されたＶＧＴリフト及び要求されたＥＧＲ流量を生成する明示的なモデル予測コントローラ。
・ ＶＧＴデューティサイクル（閉度％）及びＥＧＲバルブ位置（開度％）を計算する部分的反転ブロック。
・ 吸気圧、ＥＣＵが推定したＥＧＲ率及び質量空気流量（Ｍａｓｓ Ａｉｒｆｌｏｗ： ＭＡＦ）の計測値に基づいて推定するカルマンフィルタ。
・ 要求されたＥＧＲ流量と最大ＥＧＲ流量との間のマージンに基づいてスロットルを閉じるＥＧＲスロットル（閉度％）コントローラ。
・ 明示的なモデル予測コントローラの適切な領域が尤度順に探索される、マルコフ連鎖ベースのＭＰＣ領域選択プロセス。

エンジン２０用非線形モデルは、図４中のステップ１００において、平均値、即ち物理学及びデータの適合を利用したグレーボックスモデルアプローチ、を使用して構築されることができる。モデルにおいて主要な動的状態は、吸気マニホールド圧力、排気マニホールド圧力、プレスロットル圧力、ターボ充電タービン速度、ＥＧＲ冷却器出口温度、吸気マニホールド密度、排気マニホールド密度、吸気マニホールド燃焼ガス留分、排気マニホールド燃焼ガス留分及びエンジン温度である。モデルへの入力は、エンジン速度、燃料比、ＶＧＴデューティサイクル及びＥＧＲスロットル位置である。

モデルをさらに線形に描くために、制御入力には、ＶＧＴデューティサイクル及びＥＧＲバルブ位置の代わりに、吸気マニホールド圧力６２及びＥＧＲバルブ流量率６４が選択される。制御戦略は、部分的非線形反転を使用して、規定された制御入力６２及び６４からのＶＧＴデューティサイクル及びＥＧＲバルブ位置を回復する。残りの入力、即ち、エンジン速度、燃料比及びＥＧＲスロットル位置は、変更されないままである。出力は、不図示のＶＧＴリフトとＥＧＲバルブ流量率及びＭＡＦとして選択される。ＭＡＦは、カルマンフィルタへの入力としてのみ使用される。

エンジン動作範囲（燃料比及びエンジン速度範囲）は、選択された動作点を中心とする複数のゾーンに分割される。各動作点において、非線形モデルは、１０次元線形モデルとなるように線形化される。平衡化打ち切りは、モデルの次元を減らすために適用される。ハンケル特異値の分析及び予備設計に基づいて、線形モデルの次元は、２次元までに低次元化できることが判った。低次元化モデルの状態では、物理的状態が遷移するため、状態観察を使用して計測された出力から状態を推定する。線形設計及びモデルの次元を低くすることは、コントローラのＲＯＭサイズを小さくし、状態観察を低次元化するので有利である。

レートベース予測モデルを定式化するには、ステップ１０２の二次元連続時間線形モデルが使用される。次いで、ステップ１０４のレートベースモデルは、以下のように、線形モデルの導関数として生成される。

モデルは、制御率

を最適化する。状態

は、現在の制御値である。計測された外乱の導関数であるｄ_kは、外乱導関数の予測減衰率である０＜λ＜１の代わりに拡張され、シミュレーションに基づいて選択される。ｏ_k及びｒ_kは変化しない。

増分コストは、追跡エラー、制御エフォート及びスラック変数に重みを付ける。結果として最適化問題は、現在時刻インスタントをｋ＝１と仮定すると、以下の式となる。

その際、以下の制御抑制を受ける。

その際、以下の１の制御範囲（ホライズン）を使用する。

その際、以下のソフト吸気圧のオーバーシュート制約を受ける。このオーバーシュート制約は、ｎ∈Ｉ⊂｛１，２，．．．，Ｎ_C｝で間欠的に実行される。

ξ_d＝［０ｒ_N］^Tは、所望された定常状態の値である。終了コスト（ξ_N−ξ_d）^TＰ（ξ_N−ξ_d）は、Ｐ行列を使用し、このＰ行列は、関連する線形二次（ＬＱ）問題に制約されない代数リカッチ方程式の解に相当する。

明示的なコントローラにおける領域の数を減らすためには、制御ホライズンが１つのステップとして選択される。予測ホライズンを選択するためのＭＰＣガイドラインを使用して、シミュレーションにおいてコントローラをチューニングした後、出力制約ホライズンがＮ_C＝３０ステップとして、且つ、予測ホライズンがＮ＝５０ステップとして、設定される。

明示的なＭＰＣレートベースコントローラ６０は、マットラボ用のＭＰＴツールボックスを使用して、ステップ１０６において、区分的アフィン制御法の式で生成される。このコントローラ６０は、区分的アフィン制御法の式を有する。

ｉ∈｛１，．．．，ｎ_r｝は、ｉ番目の多面体領域を表し、（Ｆ_i ^x _aug＋Ｇ_i）は、要求された制御率

を与える。

部分的反転は、レートベース予測モデルコントローラ６０に適用され、ＥＧＲ流量制御信号によりＥＧＲバルブ位置制御信号を置換し、ＶＧＴリフト制御信号によりＶＧＴデューティサイクル信号を置換する。ＥＧＲバルブ流量は、吸気圧、排気圧、排気温度、ＥＧＲバルブ位置及びエンジン速度の関数である。ＥＧＲバルブ位置に対するＥＧＲ流量の反転は、ファンらによる「ディーゼルエンジンの非線形制御及び予測制御の統合に向けて」にて説明される。２０１３年６月米国ワシントンＤＣ、２０１３米国制御学会予稿集。また、ＥＧＲバルブ流量は、ＥＣＵ推定値として利用可能であるので、ＰＩＤコントローラは、ＥＧＲ流量推定値と要求されたＥＧＲ流量との間の差に適用されることができる。図５は、ＰＩＤコントローラを有さなくても、反転は十分に正確であることを示唆する。不一致は、ＰＩＤフィードバック及び外ループＭＰＣフィードバックにより補正される。

また、部分的反転（ＶＧＴリフトは計測されないので、動的補正なし）が、ＭＰＣコントローラにより要求されたＶＧＴリフトを指定されたＶＧＴデューティサイクルに変換するために、使用される。空気式ＶＧＴアクチュエータの力学は、複雑であり且つヒステリシスを含む。それにもかかわらず、このモデルは、ＶＧＴリフト、エンジン速度、排気圧及び排気温度（これらはＥＣＵ推定値として利用可能）をＶＧＴデューティサイクルに変える。図６を参照されたい。

スロットルコントローラは、ＲＢ−ＭＰＣコントローラ６０とは別であって、以下の式を有する。

要求されたＥＧＲ流量

と最大の実行可能なＥＧＲ流量

との間にマージンＭ_egrが維持されると、スロットルコントローラは、スロットル位置を、スロットル位置フィードフォワードマップによって予め決定されたエンジン速度と燃料依存の設定点

に設定する。もし、このマージンが侵食されると、ＰＩＤコントローラＣ_PID(s)が適用され、ＥＧＲスロットルを閉じることによりマージンを回復する。

いくつかの戦略を使用して計算の複雑性を減少させることができる。間欠的な制約の適用を使用して、生成された領域の数を減少させる。次いで、まれに訪れた領域は削除される。また、マルコフ連鎖領域選択プロセスを使用して、活動領域を特定するのに要する平均時間を減少させる。表１は、最悪のケースの計算の複雑性ＲＢ−ＭＰＣを６又は１の増分吸気圧オーバーシュート制約の適用と比較する。ｎ_zはゾーン数であり、ｎ_rはゾーン毎の領域の数である。

典型的な運転サイクルの間中の広範なシミュレーションにより、まれに訪れる領域は削除することができ、それによって計算の複雑性を減少させる。加えて、小さな領域、即ち小さなチェビシェフ半径を有する領域、を削除することができる。領域削除において、選択された領域は以下の式によって与えられる。

ｊは、ｉ番目の領域の定義においてｊ番目の不等式に相当し、そのｉ番目の領域にｘ_augが厳密に属していることが見出される。間欠的制約の適用を使用するという戦略のため、領域のおよそ半分は追加的に削除される。

領域の数は、有効な制約の可能性のある組合せの数による。従って、領域の数を減少させるために、予測範囲にわたる全ての時刻インスタンスにおいて制約を実行するアプローチを、さらに少ない数の時刻インスタンスにおいて厳しい制約を実行することにより、修正する。ＲＢ−ＭＰＣ６０の最終設計は、たった１つの時刻インスタンス（２０ステップ先）を使用して吸気圧オーバーシュート制約を実行する。

図７は、ＲＢ−ＭＰＣコントローラ６０を用いて本アプローチを実証する。この場合において、本アプローチは、５〜５５ｍｍ³／ストロークの燃料レートの大きなステップの間、オーバーシュート制約を対処することができる。この大きなステップは、吸気圧設定点の１２４ｋＰａ〜２３２ｋＰａステップに対応する。遷移挙動は、レートベースアプローチを使用する利点を強調する。

ＲＢ−ＭＰＣのパフォーマンスの利点は、図９にさらに例示され、範囲Ｎ＝５０ステップにわたってＲＢ−ＭＰＣの予測された軌道を示す。

図９において、線形化点３２５０ｒｐｍよりも線形化点１７５０ｒｐｍの方が、刺激された動作条件３５００ｒｐｍから離れているにもかかわらず、ＲＢ−ＭＰＣの予測された軌道は真の軌道の近くにある。

ＲＢ−ＭＰＣコントローラ６０を使用するときに、領域ごとに不等式をチェックすることにより、計算コストが膨大になる。マルコフ連鎖プロセスは、尤度順で現在内部にある領域Ｘ_auxを検索することにより、平均的なケースの領域選択プロセスをスピードアップすることが意図されている。運転サイクルのシミュレーション及び訪問した領域の軌跡から、関連した領域遷移のマルコフ連鎖モデルのための遷移確率行列が作成される。各エントリは、前回の領域から遷移する確率を示し、前回の領域は列によりインデックスされている。次いで、確率遷移行列は、前回の領域ごとに、現在の領域をチェックするための順番を生成するためにソートされる。図８は、このシミュレーションの間にチェックされる領域の数を示す。最悪なケースにおいて、計算時間は表１に示すものと同じである。この最悪なケースは、１０個の領域が次のようにチェックされることに相当するものである。即ち、１０番目の領域にＸ_auxが本当にあるか否か、又は、削除された領域のうちの１つの中にＸ_auxがあるか否か、がチェックされる。シミュレーションの大部分は、１つの領域のみがチェックされる。１つの領域のみのチェックが想定されるのは、前回のタイムステップの間、通常は同じ領域にそのままＸ_augがあるからである。

図１０〜１３に示すのは、エンジン２０の非線形モデルにおけるＲＢ−ＭＰＣコントローラ６０のシミュレーション結果である。これらの図は、燃料ステップの反応を示し、この反応は、１０００〜４０００ｒｐｍのエンジン速度範囲と、５〜５５ｍｍ³／ストロークの間の燃料比とをカバーする。１００秒毎に、エンジン速度が５００ｒｐｍずつステップアップする。１つのＲＢ−ＭＰＣコントローラ６０が使用され、線形化点が１７５０ｒｐｍ、４５ｍｍ³／ストロークに位置付けられる。コントローラは、優れた追跡パフォーマンスと、全体の動作範囲を通して対処するオーバーシュート制約とを実証する。図１１から明らかなように、ＥＧＲスロットルは、時々、閉じる。即ち、ＥＧＲスロットルは、ＥＧＲ流量マージンを回復するために、ＥＧＲスロットル設定点によって指示されるよりも、例えば２５秒間、閉じる。

図４に戻って参照し、ステップ１０６において、レートベース予測モデルコントローラ６０が一旦生成されると、図３に示すように、コントローラ６０は、エンジン２０のＥＣＵ７０に実装される。

ＥＣＵ７０は、コンピュータプログラムを実行するプロセッサを有する。このコンピュータプログラムは、コンピュータ利用可能なメディアに有形的に組み込まれ、プロセッサにより命令が実行されたとき、上記に説明されたレートベース予測モデルコントローラを実装する命令を備える。

ＥＣＵ７０は、中央処理装置を含めてもよく、この中央処理装置は、情報を操作可能又は処理可能な任意の種類の装置又は複数の装置となり得る。この中央処理装置は、１つのプロセッサ又は複数のプロセッサを用いて実行される。

中央処理装置は、メモリにアクセスし、このメモリは、ランダムアクセスメモリ又は他のあらゆる適切な記憶装置であり得る。メモリは、コードと、中央処理装置によりアクセスされるデータとを含むことができる。メモリは、さらにオペレーティングシステムと、アプリケーションプログラムとを含み、これらは本明細書に記載された方法を実行するために使用されるレートベース予測モデルコントローラを含む。様々な態様において、非一過性のコンピュータ記憶媒体が使用されてもよい。この非一過性のコンピュータ記憶媒体には、コンピュータ利用可能な命令が組み込まれ、命令が実行されたとき、本発明の教示による内燃機関を制御するための様々な方法を実施する。

このレートベース予測モデルコントローラ６０を使用するＥＣＵ７０は、エンジン状態空間を推定してもよい。エンジン状態空間は、アルゴリズム又は公式を利用して、複数の領域に分割される。ステップ１１０において、一旦状態が決定されると、ＥＣＵ７０は、レートベース予測モデルコントローラ６０を介して、ステップ１０８で推定された状態を使用することにより、ステップ１１２において生成された区分的アフィン制御法の領域を決定する。

ステップ１１２において一旦領域が決定されると、ＥＣＵ７０は、レートベース予測モデルコントローラ６０を介して、ステップ１１４において、メモリに記憶されているフィードバック利得を適用してエンジンアクチュエータ６１又は６３のそれぞれの制御率を決定する。このフィードバック利得は、選択された領域に関連付けられている。最終的に、ＥＣＵ７０は、レートベース予測モデルコントローラ６０を介して、ステップ１１６において、ステップ１１４で決定された制御率を統合してアクチュエータ６１又は６３の制御値を決定する。次いで、この制御値は、出力６１又は６３のためにＥＣＵ７０によりアクチュエータに適用される。

図１４は、図４の代替的フロー図であり、離散時間レートベース非線形予測モデル制御方法を動作させる一連のステップを示す。図４と関連して上記に説明された方法ステップと同様に、図１４の方法は、ＥＣＵ７０及びコントローラ６０を使用するが、このコントローラは、非線形予測モデルを構築することができ、プラントモデルを複数の領域に分けて各領域を線形化させる必要がない。図１４の方法は、内燃機関空気経路制御のためのレートベースＮＭＰＣである。このレートベースＮＭＰＣは、ゼロオフセット定常状態の追跡を達成することができ、一方で、外乱推定器を使用するという戦略と関連した共通の問題、例えば不連続ゾーンの切り替え、推定器及びフィードバックコントローラを個別に調整する必要性、を回避する。

離散時間レートベース非線形モデル予測制御のために、線形離散時間レートベースモデルの予測制御と同様のアイディアが使用されてもよい。ステップ２００を参照すると、標準の非線形モデル予測最適化問題が形成される。状態更新式は、Δｘ_k＝ｘ_k−ｘ_k-1にとって必要であろう。したがって、この離散時間モデルは、以下の式を有してもよい。

ステップ２０２を参照すると、状態及び出力の方程式（１５）及び（１６）は、最適制御問題の観点から等式制約がある。例えば、（１５）及び（１６）の等式制約は、

である。

制約（１７）及び（１８）を使用して、以下の離散時間レートベース非線形モデル予測制御コスト関数、

は、以下の制約を受けて最小化される。

ステップ２０４で示すように、状態、例えば吸気マニホールド圧力及びＥＧＲ率は、計測されるか、或いは、コントローラにより推定される。その後、ステップ２０６を参照すると、レートベースＮＭＰＣの最適化問題、例えばＶＧＴリフト位置及びＥＧＲバルブ位置、が求められる。一旦これらの値を求めると、ステップ２０８が示すように、コントローラは、制御シークエンスの第１要素をプラントに適用することができる。ステップ２１０により記される、次のサンプルタイムステップが一旦経過すると、ステップ２０４に戻って、追加的な計測値を得ること又は計測することができる。

図１５は、閉ループシミュレーションの様々なチャートを示す。この閉ループシミュレーションでは、離散時間レートベース非線形モデル予測制御（多項式予測モデルを用いる）を使用し、この制御はトヨタＧＤエンジン平均値モデルとともにループする。この制御目標は、ＶＧＴ位置（ｕ_VGT）及びＥＧＲ位置（ｕ_EGR）の協働制御を介して、吸気マニホールド圧力（Ｐ_in）及びＥＧＲ率（ｘ_EGR)を追跡することである。予測ホライズンはＮ＝５であり、サンプリング周期及び離散化周期はΔＴ＝Δｔ＝３２ｍｓｅｃを用いる。コントローラは、制御制約実行のための外部ペナルティ、ヤコビアンの必要条件の簡単な生成を容易にするための複数のシューティング、及び、サンプルインスタント毎の１つのニュートン（カントロヴィチではない）ステップとともに、上記のレートベース方程式（１９）〜（２３）及び（２５）を使用する。以上のように、レートベース非線形モデル予測制御は、推定器、適応又はフィードフォワードのいずれをも用いることなく、ゼロオフセット定常状態の追跡の達成に成功することができる。図１５上部の上２つのチャートによる、吸気マニホールド圧力（ｐ_in）及びＥＧＲ率（ｘ_EGR［％］）のプロットは、基準点と、当該基準と通常は適合する閉ループ反応との両方を含む。図１５の中心部の中央２つのチャートによる、ＥＧＲ位置（ｕ_EGR［開度％］）及びＶＧＴ位置（ｕ_VGT［閉度％］）のプロットは、最小値及び最大値とともに閉ループ反応を含む。

前述の説明は、本質的には単なる例示にすぎず、本開示、本適用又は本用途に限定することを意図するわけではない。本明細書中で使用する場合、Ａ、Ｂ及びＣのうち少なくとも１つというフレーズは、非排他的論理「ｏｒ」を使用して、論理（ＡｏｒＢｏｒＣ）を意味するように構築されるべきである。本方法中の様々なステップは、本開示の本質を変更することなく、異なる順序で実行されてもよいと理解されるべきである。本開示の範囲は、全ての開示範囲及び全範囲内の分割された範囲を含む。

本明細書中で使用する見出し（「背景」及び「概要」など）及び小見出しは、本開示のトピックの通常の構成のためのみであると意図され、本技術の開示又は当該開示の任意の態様に限定することを意図するわけではない。特徴を言及した複数の実施形態の列挙は、追加的な特徴を有する他の実施形態、又は、言及された特徴の異なる組合せを組み込む他の実施形態を除外することを意図するわけではない。

本明細書中で使用する、用語「備える」及び「含む」及びこれらの異形は、非限定的であると意図され、一連のアイテム又はリストの列挙は、本技術の装置及び方法にとって有用となり得るその他同様のアイテムを除外するわけではない。同様に、用語「できる」及び「し得る」及びこれらの異形は、非限定的であると意図され、特定の要素又は特徴を備えることができる又は備え得る実施形態の列挙は、これらの要素又は特徴を含まない本技術の他の実施形態を除外するわけではない。

本開示の広汎な教示は、多様な形態で実装されることができる。したがって、本開示は特定の例を含むが、本明細書及び後述する特許請求の範囲を検討の上、他の修正がなされることは当業者にとって明らかであるので、本開示の真の範囲は限定されるべきではない。一態様又は様々な態様についての本明細書の参照は、一実施形態又は特定のシステムと関連して説明された特定の特徴、構造又は特性を意味する。この特定の特徴、構造又は特性は、少なくとも１つの実施形態又は態様に含まれる。フレーズ「一態様」（又はこの異形）の表現は、必ずしも同じ態様又は実施形態を参照する必要があるわけではない。本明細書中で説明される様々な方法ステップは、記載されている同じ順番で実行されなければならないわけではなく、各方法ステップは、態様又は実施形態毎に要求されるわけではないと理解すべきである。

これらの実施形態の前述の記載は、説明及び記載の目的で提供されてきた。本開示が包括的であること又は本開示に限定することを意図するわけではない。特定の実施形態の個々の要素又は特徴は、通常は特定の実施形態に限定されるわけではないが、適用可能な場合に置換可能であり、選択された実施形態において、具体的に示され又は記載されていなくても使用されることができる。また、同じことが様々な方法で変更されてもよい。このような変形が本開示から逸脱するものとして捉えるべきではなく、全ての変更が本開示の範囲内に包含されるものとして意図される。
本明細書に開示される発明は以下の実施形態を含む。
（１）エンジン動作を最適化するためのシステムであって、前記システムは、
内燃機関と、
エンジン動作中に可変気筒タービン（ＶＧＴ）及び排気ガス再循環（ＥＧＲ）バルブを制御するように構成されているコントローラと、を備え、
前記コントローラは、エンジン動作パラメータに応じて離散時間レートベース予測モデルを構築し、且つ、ＶＧＴ位置及びＥＧＲバルブ位置を生成するために前記離散時間レートベース予測モデルを使用する、システム。
（２）上記（１）に記載のシステムであって、前記エンジン動作パラメータは、エンジン吸気マニホールド圧力及びＥＧＲ率を含む、システム。
（３）上記（２）に記載のシステムであって、前記コントローラは、吸気マニホールド圧力及びＥＧＲ率のうち少なくとも１つを計測又は推定するように構成されている、システム。
（４）上記（１）に記載のシステムであって、前記コントローラは、エンジン動作パラメータを使用して非線形離散時間レートベース予測モデルを構築するようにさらに構成され、前記ＶＧＴ位置及びＥＧＲバルブ位置を生成するために前記非線形離散時間レートベース予測モデルを使用する、システム。
（５）上記（１）に記載のシステムであって、前記内燃機関は、ディーゼルエンジンである、システム。
（６）内燃機関を制御するための方法であって、前記方法は、
吸気マニホールド圧力及びＥＧＲ率の計測値又は推定値を取得すること、
コントローラを使用して、前記吸気マニホールド圧力及びＥＧＲ率の計測値に応じて離散時間レートベース予測モデルを構築すること、及び、
コントローラにより、ＶＧＴ位置及びＥＧＲバルブ位置を生成するために前記離散時間レートベース予測モデルを使用すること、を含む方法。
（７）上記（６）に記載の方法であって、エンジン動作パラメータを使用して非線形離散時間レートベース予測モデルを構築すること、及び、前記ＶＧＴ位置及びＥＧＲバルブ位置を生成するために前記非線形離散時間レートベース予測モデルを使用すること、を含む、方法。
（８）上記（６）に記載の方法であって、前記内燃機関は、ディーゼルエンジンである、方法。
（９）上記（６）に記載の方法であって、前記コントローラは、前記吸気マニホールド圧力及び前記ＥＧＲ率のうち少なくとも１つを計測又は推定するように構成されている、方法。
（１０）コンピュータ利用可能な命令が組み込まれた非一過性コンピュータ記憶媒体であって、前記命令は実行されたときに内燃機関を制御するための方法を実行し、前記方法は、
吸気マニホールド圧力及びＥＧＲ率の計測値又は推定値を取得すること、
コントローラを使用して、前記吸気マニホールド圧力及びＥＧＲ率の計測値又は推定値に応じて離散時間レートベース予測モデルを構築すること、及び、
コントローラにより、ＶＧＴ位置及びＥＧＲバルブ位置を生成するために前記離散時間レートベース予測モデルを使用すること、を含む、非一過性コンピュータ記憶媒体。
（１１）上記（１０）に記載の非一過性コンピュータ記憶媒体であって、前記のコントローラを使用して、離散時間レートベース予測モデルを構築することは、エンジン動作パラメータを使用して非線形離散時間レートベース予測モデルを構築すること、を含む非一過性コンピュータ記憶媒体。
（１２）上記（１０）に記載の非一過性コンピュータ記憶媒体であって、前記方法は、ディーゼルエンジンを制御することを含む、非一過性コンピュータ記憶媒体。
（１３）上記（１０）に記載の非一過性コンピュータ記憶媒体であって、前記の吸気マニホールド圧力及びＥＧＲ率の計測値又は推定値を取得することは、前記コントローラにより実行される、非一過性コンピュータ記憶媒体。

Claims (10)

1. エンジン動作を最適化するためのシステムであって、前記システムは、
   内燃機関と、
   エンジン動作中に可変気筒タービン（ＶＧＴ）及び排気ガス再循環（ＥＧＲ）バルブを制御するように構成されているコントローラと、を備え、
   前記コントローラは、エンジン動作パラメータに応じた、及びゼロオフセット定常状態の追跡を達成できる非線形離散時間レートベース予測モデルを構築するために、最初に、標準の非線形モデル予測制御の最適化問題を構築し、次に、状態と共に前記標準の非線形モデル予測制御の最適化問題において等式制約を変更し、そして、等式を出力し、且つ、前記コントローラは、ＶＧＴ位置及びＥＧＲバルブ位置を生成するために、推定器、適応又はフィードフォワードのいずれもなしに、前記非線形離散時間レートベース予測モデルを使用して前記内燃機関の動作を制御し、
   前記内燃機関の動作は、前記生成されたＶＧＴ位置及びＥＧＲバルブ位置に基づいて持続する、システム。
2. 請求項１に記載のシステムであって、前記エンジン動作パラメータは、エンジン吸気マニホールド圧力及びＥＧＲ率を含む、システム。
3. 請求項２に記載のシステムであって、前記コントローラは、吸気マニホールド圧力及びＥＧＲ率のうち少なくとも１つを計測又は推定するように構成されている、システム。
4. 請求項１に記載のシステムであって、前記内燃機関は、ディーゼルエンジンである、システム。
5. 内燃機関を制御するための方法であって、前記方法は、
   吸気マニホールド圧力及びＥＧＲ率の計測値又は推定値を取得すること、
   コントローラを使用して、前記吸気マニホールド圧力及びＥＧＲ率の計測値に応じた、及びゼロオフセット定常状態の追跡を達成できる非線形離散時間レートベース予測モデルを構築するために、標準の非線形モデル予測制御の最適化問題を構築し、次に、状態と共に前記標準の非線形モデル予測制御の最適化問題において等式制約を変更し、そして、等式を出力すること、
   前記コントローラにより、ＶＧＴ位置及びＥＧＲバルブ位置を生成するために、推定器、適応又はフィードフォワードのいずれもなしに、前記非線形離散時間レートベース予測モデルを使用すること、及び、
   前記生成されたＶＧＴ位置及び前記ＥＧＲバルブ位置を使用して、前記内燃機関の動作を制御すること、を含む方法。
6. 請求項５に記載の方法であって、前記内燃機関は、ディーゼルエンジンである、方法。
7. 請求項５に記載の方法であって、前記コントローラは、前記吸気マニホールド圧力及び前記ＥＧＲ率のうち少なくとも１つを計測又は推定するように構成されている、方法。
8. コンピュータ利用可能な命令が組み込まれた非一過性コンピュータ記憶媒体であって、前記命令は、実行されたときに内燃機関を制御するための方法を実行し、前記方法は、
   吸気マニホールド圧力及びＥＧＲ率の計測値又は推定値を取得すること、
   コントローラを使用して、前記吸気マニホールド圧力及びＥＧＲ率の計測値又は推定値に応じた、及びゼロオフセット定常状態の追跡を達成できる非線形離散時間レートベース予測モデルを構築するために、標準の非線形モデル予測制御の最適化問題を構築し、次に、状態と共に前記標準の非線形モデル予測制御の最適化問題において等式制約を変更し、そして、等式を出力すること、
   前記コントローラにより、ＶＧＴ位置及びＥＧＲバルブ位置を生成するために、推定器、適応又はフィードフォワードのいずれもなしに、前記非線形離散時間レートベース予測モデルを使用すること、及び、
   前記生成されたＶＧＴ位置及び前記ＥＧＲバルブ位置を使用して、前記内燃機関の動作を制御すること、
   を含む、非一過性コンピュータ記憶媒体。
9. 請求項８に記載の非一過性コンピュータ記憶媒体であって、前記方法は、ディーゼルエンジンを制御することを含む、非一過性コンピュータ記憶媒体。
10. 請求項８に記載の非一過性コンピュータ記憶媒体であって、前記の吸気マニホールド圧力及びＥＧＲ率の計測値又は推定値を取得することは、前記コントローラにより実行される、非一過性コンピュータ記憶媒体。

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