高度動態發動機系統的優化實時控制的製作方法
2023-08-09 05:45:21 1
高度動態發動機系統的優化實時控制的製作方法
【專利摘要】大量發動機參數造成需要相當大的處理功率來實時使用算法計算發動機控制值。本發明提供一種具有資料庫的發動機控制系統，該資料庫包括顯式模型預測控制導出的輸出數據值集合。資料庫包括關於輸入數據值的每個組合的輸出數據值子集。輸出數據值子集可被構造成控制發動機性能的一個或多個方面。
【專利說明】高度動態發動機系統的優化實時控制
【技術領域】
[0001]高度動態發動機系統使用顯式模型預測控制的優化實時控制。
【背景技術】
[0002]發動機性能受大量參數的影響。這種參數包括例如速度、轉矩/功率需求和環境壓力的操作條件，它們很大程度上受外部因素支配。所述參數還包括可控條件，例如燃料噴射量和噴射開始(SOI)正時，它們會響應於外部因素變化。
[0003]每個這些參數可根據影響發動機的內部和外部因素的改變而高頻率變化。
[0004]已知提供一種算法或者多個相關的算法來確定影響支配發動機性能的可控條件的控制信號的值。這種算法具有作為輸入的一些或者全部當前發動機參數。當具有支配發動機性能的特定方面的大量不同發動機參數時，所述算法會變得複雜。需要相當大的處理功率來使用所述算法實時計算發動機控制值。
[0005]而且，隨著對改善的燃料效率和減少的排放以滿足法規要求的希望不斷增加，以不斷增加的更高頻率監視和控制發動機性能的希望意味著使用算法的實時計算必須更快地執行，從而要求增加的處理器能力。
[0006]在這種背景下，提供如這裡公開的發動機控制系統。
【發明內容】
[0007]本發明提供一種用於發動機的發動機控制系統，該發動機控制系統包括:
[0008]第一輸入，其能夠接收有關第一發動機參數的第一輸入數據值，第一輸入數據值是第一組可能第一輸入數據值的一個；
[0009]第二輸入，其能夠接收有關第二發動機參數的第二輸入數據值，第二輸入數據值是第二組可能第二輸入數據值的一個；
[0010]資料庫，其包括顯式模型預測控制導出的輸出數據值集合，包括關於第一組和第二組可能輸入數據值的第一和第二輸入數據值的每個組合的輸出數據值子集；和
[0011]輸出，其能夠提供從資料庫導出的輸出數據值集合的子集，輸出數據值子集對應於在第一輸入處接收的第一輸入數據值和在第二輸入處接收的第二輸入數據值，輸出數據值子集能夠控制發動機性能的一個或多個方面。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0012]現在將僅通過實例參考附圖描述本發明的實施方式，在附圖中:
[0013]圖1是顯示本發明的發動機控制系統的一種實施方式的特徵的示意圖；
[0014]圖2是顯示本發明的顯式模型預測控制資料庫如何經過發動機系統的建模導出、確定優化庫值並上載到圖1所示的發動機控制系統的顯式模型預測控制功能的示意圖。
【具體實施方式】
[0015]參考圖1，示出了包括發動機2和用於控制發動機2的發動機控制系統3的發動機組件I。
[0016]發動機控制系統3可包括分別被構造成接收當前的第一輸入數據值、當前的第二輸入數據值和當前的第三輸入數據值的第一輸入31、第二輸入32和第三輸入33。第一、第二和第三數據值分別提供第一、第二和第三發動機參數的測量值。第一輸入數據值可以是當前的排氣溫度數據值，第二輸入32可以是當前的一氧化氮(NOx)量數據值，第三輸入33可以是當前的發動機速度數據值。輸入可以通過攝取發動機參數的當前快照獲得。
[0017]發動機控制系統3可進一步包括顯式模型預測控制(EMPC)資料庫35。發動機控制系統3可進一步包括用於輸出輸出數據值的第一輸出38和第二輸出39。
[0018]EMPC資料庫35可包括輸出數據值的集合，其中所述輸出數據值集合的子集針對第一輸入數據值、第二輸入數據值和第三輸入數據值的每個組合或者每個組合的適當三角形(delta)提供。因此，所述數據值集合的子集可以針對可能的排氣溫度值、可能的NOx量數據值和可能的發動機速度數據值的廣泛範圍的組合提供。等同於第一、第二和第三數據值的確切組合或者等同於第一、第二和第三數據值的多個密切可用組合的一個的子集可通過搜索與在第一輸入31、第二輸入32和第三輸入33處接收的當前數據值相關的所述數據值集合的相關子集找回。
[0019]第一輸出38和第二輸出39可提供用於後續處理並最終用於控制發動機性能的方面的數據值子集。關鍵的發動機性能特徵包括瞬態響應能力、燃料經濟性和排放物控制。
[0020]以此方式，存儲在EMPC資料庫35中的相關預先計算的優化數據值可針對第一、第二和第三輸入值的確切組合或者針對第一、第二和第三數據值的多個密切可用組合的一個獲得，以便作為來自顯式模型預測控制(EMPC)資料庫35的輸出使用，從而維持優化發動機性能。
[0021]輸入可以任何頻率改變，例如每10ms的頻率。系統可以相同或不同頻率設定時鐘。當系統以與一個或多個輸入可改變的頻率相同的頻率，例如每10ms設定時鐘時，輸出數據值的子集可以該頻率，即每10ms檢查和獲得。這相當於以所述頻率，例如10ms從資料庫35獲得輸出數據值的相關子集(即，確切或者多個最密切匹配的一個)。
[0022]圖2示出圖1的發動機控制系統3以及顯式模型預測控制系統100，通過該顯式模型預測控制系統100，可離線獲得包含在發動機控制系統3的EMPC資料庫35中的輸出數據值的集合。
[0023]可以產生發動機組件I的模型。該模型可以離線運用以針對範圍非常廣泛的預期輸入條件的組合計算優化方案。這可使得能夠使用發動機控制系統3中可能不可用的大量(離線)處理器功率。
[0024]模型可通過改變輸入和操作條件(可能是隨機地或任意地)並測量非常廣泛的不同組合下的發動機組件表現經過發動機組件的廣泛測試產生。通過這種技術，可產生模型，發動機響應於發動機內部和外部的各種不同因素有可能以何模型表現。
[0025]模型可從高階簡化到低階模型，可能為線性模型。模型可通過比較由模型預測的表現與發動機組件的測試中觀察的行為來精煉。模型可因此被迭代地精煉。模型可進一步通過針對關鍵操作條件或者針對發動機的特定驅動周期(drive cycle)更加精確地建模發動機表現來增強。因此，對於發動機操作的更加頻繁地使用的模型具有更大量的輸出值子集。
[0026]模型可以對發動機五金件(hardware)具有特異性。當相同的發動機五金件用於具有不同驅動周期的不同應用(其中驅動周期表示發動機有可能被使用的重複方式)時，可不需要不同的模型。相反，可以使用相同的模型但具有不同的限制，以便提供對於特定應用的特定驅動周期來說特定的不同資料庫。相比而言，具有完全不同五金件的發動機可需要完全不同的模型。
[0027]一旦已經針對特定發動機五金件產生了模型，就可執行模型以針對範圍廣泛的第一、第二和第三輸入值以這些範圍廣泛的第一、第二和第三輸入值的每一排列計算數據集合。也就是說，針對範圍廣泛的第一、第二和第三輸入值的每一可行排列提供數據子集。這並不必然意味針對每一可想到的第一、第二和第三輸入值提供數據子集。當數據子集沒有針對特定的例如可想到第一輸入值提供時，顯然的是數據子集沒有針對可以看到與特定可想到第一輸入值組合的第二和第三輸入值的每一排列提供。通過模型提供的數據集合可被描述為「輸出數據值的完整集合」，然而該輸出數據值的完整集合可不包括針對每一個可想到的第一、第二和第三輸入值的輸出值子集。這樣，術語「輸出數據值的完整集合」可被簡單用來區分輸出數據值的特定子集。
[0028]一旦產生，可以接著上載輸出數據值的完整集合-一次從模型到發動機控制系統3，可能是在製造或編程或預先編程發動機控制系統3的時候。可以用以產生資料庫35的僅僅是EMPC資料庫35而非整個模型，其需要上載到發動機控制系統以便使用。
[0029]一旦輸出數據值的完整集合被上載到EMPC資料庫35，輸出數據值的特定子集可根據當前的第一、第二和第三輸入值從EMPC資料庫35找回，以針對特定的當前發動機條件提供如通過模型導出的優化輸出值。
[0030]使用中，輸入值被讀入發動機控制系統3，以從資料庫35確定相關輸出值以實現希望的發動機性能。EMPC控制器將尋求在多個(η個)時鐘周期上計算實現希望發動機性能的一系列輸出值集合。
[0031]通過針對輸出值集合搜索EMPC資料庫，發動機控制系統3針對第一時鐘周期提出第一輸出值集合，基於之前的建模和分析，該第一輸出值集合將造成測量發動機狀態和希望發動機狀態之間的最為減小誤差。
[0032]之後，在已經基於由第一輸出值集合造成的建模發動機狀態提出了該輸出值集合後，由第一輸出值集合造成的建模發動機狀態可用來確定第二輸出值集合。
[0033]通過針對基於之前的建模和分析將導致由第一輸出值集合造成的建模發動機狀態和希望發動機狀態之間的最為減小誤差的輸出值集合搜索EMPC資料庫來提出第二輸出值集合。
[0034]之後，在已經基於由第二輸出值集合造成的建模發動機狀態提出了這些輸出值後，由第二輸出值集合造成的建模發動機狀態可用來確定第三輸出值集合。
[0035]通過針對基於之前的建模和分析將導致由第二輸出值集合造成的建模發動機狀態和希望發動機狀態之間的最為減小誤差的輸出值集合搜索EMPC資料庫來提出第三輸出值集合。
[0036]該過程繼續，直至針對第η個時鐘周期提出第η個輸出值集合，由此由第η個輸出值集合造成的狀態和希望狀態之間的誤差充分小。
[0037]已經確定了預測實現與希望發動機狀態的充分小誤差的這一系列提出的輸出值集合後，執行第一輸出值集合，其實現發動機的狀態/性能改變。新的發動機狀態被測量並且變為輸入值，被讀入控制器，過程繼續。因此，由控制器外部的影響造成的發動機狀態的改變使希望發動機狀態改變，或者在確定控制器的下一動作時可以捕捉、考慮和補償模型不準確。
[0038]有效地，輸出值的資料庫35允許發動機控制系統需要比針對特定集合的輸入條件實時計算優選輸出值集合所需的更小的處理器功率。此外，它允許值通過比有理由包括每一個發動機控制系統相當更具處理能力的模型優化。
[0039]可能並非針對第一、第二和第三輸入的每個的每一個可能輸入值都列在資料庫35中。例如，通過一個輸入值表示的發動機參數可以I個單位的增量測量，但該輸入值可僅以2個單位的增量存在於資料庫。類似地，通過第二輸入值表示的發動機參數可以I個單位的增量測量，但該輸入值可僅以2個單位的增量存在於資料庫。因此，可以具有許多數據輸入值排列，因此沒有確切的方案在資料庫可用。當是這種情況時，可適用控制器邏輯以基於關於最接近當前輸入值組合的輸入值的資料庫輸出值選擇最合適的控制器動作。這種合適邏輯的一個例子可以是模糊邏輯。當控制器面臨一方面選擇有關第一輸入值數據的確切匹配和第二輸入數據值的密切匹配的輸出值子集還是另一方面有關第一輸入數據值的密切匹配和第二輸入數據值的確切匹配的輸出值子集時，尤其合適。
[0040]在資料庫不包含用於特定組合輸入值的確切方案的特定情況下，可具有用來選擇的大量可能的密切方案。模糊邏輯可在這種情況下特別合適，以從確認的密切方案選擇被認為最合適的單個方案。
[0041]數據輸入可涉及任何數量的以下非窮盡列舉的發動機參數:速度；排氣溫度；Ν0χ排放；顆粒物質排放；大氣壓力；功率需求和轉矩需求。
[0042]輸出數據值可支配任何數量的發動機參數。例如，輸出數據值子集可包括第一輸出數據值和第二輸出數據值，其中第一輸出數據值支配例如燃料噴射壓力，第二輸出數據值支配例如噴射開始正時。
[0043]數據輸出可涉及任何數量的以下非窮盡列舉的發動機性能方面:燃料量；燃料噴射壓力；噴射之間的燃料比；噴射開始正時。這些方面繼而對例如NOx排放水平和顆粒物質發動機排放等因素具有影響。
[0044]所述布置的總體目標例如是最小化顆粒和NOx排放。在此情況下，模型將需要根據發動機的當前狀態(即，參數)考慮發動機的希望狀態(即，參數)並提供由模型導出的優化數據輸出以便在尋求最小化顆粒和NOx排放的同時實現希望狀態。
[0045]已經論證了本發明的布置特別合適用於具有三個輸入和三個輸出的系統。在這種情況下，第一、第二和第三輸入值的可能排列數足夠大以保證離線EMPC建模(因為控制器本身中的在線算法計算會是太過處理器集中的)但又不能太大以致需要通常設置在發動機控制器五金件中的存儲器外的另外存儲器，還不能太大以致產生具有如此多維度(dimens1n)從而需要相當大處理功率來從庫內確認和找回最合適的輸出子集的資料庫。當需要相當大的處理器功率來找到最合適的輸出子集時，這會取消該布置的一個優點，即避免執行算法計算以實時確定優化輸出所需的處理器功率水平(不使用通過EMPC導出模型構成的庫)。
[0046]雖然所示的實施方式涉及發動機的燃料系統的控制，具有對應輸入和輸出的對應控制系統可用來控制發動機性能的任何方面，例如具有廢氣再循環控制的發動機氣體系統。在此情況下，模型可被構造成確定例如最小化燃料消耗和/或CO2排放的輸出。本發明的另一示例性實施方式涉及廢氣後處理設備的控制。在此情況下，模型可被構造成確定例如涉及顆粒過濾器再生的輸出。
[0047]事實上，如對本領域及人員清楚的，還可設想範圍廣泛的進一步應用。
[0048]雖然本發明的發動機組件I可能被描述為混合電發動機，但在車輛具有都直接連接到功率分配裝置(其輸出是載荷和/或齒輪箱)的內燃發動機和電馬達的意義上，這並非暗示(並且肯定不限制)所述布置用於混合電發動機，雖然本發明的發動機組件確實可用作該種類的混合電發動機的發動機。實際上，本發明的布置對於任何種類的發動機具有廣得多的應用，不管是否提供另外的電(或其他)能力以輔助驅動載荷。
[0049]已經關於代表本發明的布置的一種狹窄實施的單個實施方式對本發明的最寬意義進行了詳細描述。本發明的範圍根據權利要求書考慮。不應當推斷詳細說明的具體實施旨在限制超過權利要求書本身的範圍的權利要求範圍。
[0050]工業實用性
[0051]本發明提供一種發動機控制系統，其利用顯式模型預測控制來提供包括用於有關發動機參數的每個發動機輸入組合的輸出數據值的資料庫。
[0052]有利地，這可允許需要減小的處理功率以高效地管理發動機控制。
【權利要求】
1.一種用於發動機的發動機控制系統，該發動機控制系統包括: 第一輸入，其能夠接收有關第一發動機參數的第一輸入數據值，第一輸入數據值是第一組可能第一輸入數據值的一個； 第二輸入，其能夠接收有關第二發動機參數的第二輸入數據值，第二輸入數據值是第二組可能第二輸入數據值的一個； 資料庫，其包括顯式模型預測控制導出的輸出數據值集合，包括關於第一組和第二組可能輸入數據值的第一和第二輸入數據值組合的至少子集的輸出數據值子集；和 輸出，其能夠提供從資料庫導出的輸出數據值集合的子集，輸出數據值子集對應於在第一輸入處接收的第一輸入數據值和在第二輸入處接收的第二輸入數據值，輸出數據值子集能夠控制發動機性能的一個或多個方面。
2.如權利要求1所述的發動機控制系統，其中，資料庫的對應於在第一輸入處接收的第一輸入數據值和在第二輸入處接收的第二輸入數據值的輸出數據值子集對應於在第一輸入處接收的確切的第一輸入數據值和在第二輸入處接收的確切的第二輸入數據值。
3.如權利要求1所述的發動機控制系統，其中，對應於在第一輸入處接收的第一輸入數據值和在第二輸入處接收的第二輸入數據值的輸出數據值子集對應於輸出數據值子集群的輸出數據值子集，子集群是與以下兩者相關的: 與在第一輸入處接收的確切第一輸入數據值密切的第一輸入數據值；和 與在第二輸入處接收的確切第二輸入數據值密切的第二輸入數據值。
4.如權利要求3所述的發動機控制系統，其中，對應於在第一輸入處接收的第一輸入數據值和在第二輸入處接收的第二輸入數據值的輸出數據值子集通過模糊邏輯從子集群選擇。
5.如前述任一項權利要求所述的發動機控制系統，其中，發動機控制系統進一步包括: 第三輸入，其能夠接收有關第三發動機參數的第三輸入數據值，第三輸入數據值是第三組可能第三輸入數據值的一個；並且其中 資料庫包括顯式模型預測控制導出的輸出數據值集合，包括關於第一組、第二組和第三組可能輸入數據值的第一、第二和第三輸入數據值組合的子集的輸出數據值子集。
6.如前述任一項權利要求所述的發動機控制系統，其中，發動機控制系統是發動機燃料控制系統。
7.如權利要求6所述的發動機控制系統，其中，第一、第二和存在時的第三輸入均涉及發動機參數中的一種: 速度； 排氣溫度； NOx排放； 顆粒物質排放； 大氣壓力； 功率需求；和 轉矩需求。
8.如權利要求6或7所述的發動機控制系統，其中，輸出數據值集合支配發動機性能的以下方面的一個或多個方面，優選為三個方面: 燃料噴射量； 燃料噴射壓力； 噴射之間的燃料比；和 噴射開始正時。
9.如權利要求1-5中任一項所述的發動機控制系統，其中，發動機控制系統是發動機氣流控制系統。
10.如權利要求9所述的發動機控制系統，其中，發動機控制系統是電渦輪增壓系統。
11.用於控制發動機的發動機管理系統，該發動機管理系統包括如任一前述權利要求所述的發動機控制系統。
12.如權利要求11所述的發動機管理系統，其中，發動機管理系統還包括等同消耗極簡化策略。
13.一種導出顯式模型預測控制輸出數據值集合以用於控制發動機的方法，其中發動機性能特徵受有關多個發動機參數的多個輸入值影響， 所述方法包括: 運行發動機； 針對一定範圍的輸入值排列測量發動機性能特徵； 使用測量的發動機性能特徵和對應的輸入值來發展發動機表現的模型； 針對一定範圍的輸入值運行模型以確定針對一定範圍的輸入值排列的預測發動機性能特徵；和 用在運行模型的步驟中導出的值構成資料庫。
14.如權利要求13所述的方法，其中，針對多個驅動周期重複針對一定範圍的輸入值排列測量發動機性能特徵的步驟。
15.—種編程發動機的發動機控制系統的方法，所述方法包括執行如權利要求13和14所述的方法並將資料庫上載到發動機控制系統。
【文檔編號】G05B13/04GK104302896SQ201380014355
【公開日】2015年1月21日 申請日期:2013年3月15日 優先權日:2012年3月16日
【發明者】T·朗利, R·斯託巴特, 鄧佳美, 趙德宗 申請人:珀金斯發動機有限公司