[发明专利]用于内燃机空气路径控制的基于速率的模型预测控制方法

说明书

本发明涉及一种用于柴油发动机的空气路径控制的基于速率的模型预测控制器，其通过进气歧管空气压力和EGR阀流量的协调控制而将涡轮升程和EGR阀流量调节至特定的设定点。控制器利用基于速率的降阶线性模型来用于模型预测控制。

技术领域

本发明整体涉及用于内燃机的方法和控制器，更具体地，本发明涉及用于控制柴油发动机的方法。

背景技术

现代的柴油发动机采用可变几何尺寸涡轮(VGT)来增加供应到发动机气缸的空气量。VGT改变涡轮定子入口叶片的角度，以改变供应到发动机气缸的空气量。

除了提供最佳的性能和燃料经济性之外，现代柴油发动机还必须满足严格的排放规定，尤其是颗粒物和氮氧化物。为了满足所有这些要求，具有VGT的柴油发动机还利用废气再循环(EGR)阀，该废气再循环阀具有可变控制位置，以便使得变化量的发动机废气再循环回到发动机气缸中，以进行更加完全的燃烧并降低发动机排放。

当发动机在大范围的操作条件(包括发动机速度、燃料消耗、发动机负荷等)下操作时，一个控制器且典型地多个控制器嵌入到发动机控制单元(ECU)中，以便响应于检测发动机性能的传感器来控制各种发动机致动器，从而优化发动机性能、排放等。

越来越多地使用模型预测控制(MPC)来用于发动机控制。标准MPC方法结合有一体类型的动作，以确保零态态误差，为预测控制模型增加额外的一体状态。MPC模型利用多个不同的发动机操作范围(燃料消耗率和发动机速度)，并且提供用于每个范围的控制器，以控制发动机致动器。

在应用于柴油发动机空气流的模型预测控制的具体例子中，利用可变几何尺寸涡轮(VGT)、EGR节流阀和EGR阀致动器控制发动机中的流动。这些系统是强耦合的，并且是高度非线性的。

然而，此前的模型预测控制器应用于内燃机，尤其是柴油发动机，已经利用了多个发动机性能操作范围，每个范围需要单独的预测控制器。另外，每个预测控制器利用一体类型的动作，其存在的问题是受控的发动机变量的超调限制。

希望提供用于内燃机的模型预测控制器，其具有最少数量的操作范围，以减少计算时间和存储要求，同时提供发动机控制性能变量的零态态跟踪误差。

发明内容

一种用于控制内燃机的方法，其利用控制器在发动机操作期间控制可变几何尺寸涡轮(VGT)和EGR阀，所述方法包括：响应于发动机进气歧管压力和EGR阀流量，利用控制器中的基于速率的预测模型，生成所要求的EGR流量和发动机涡轮升程。

该方法还包括：限定用于发动机速度范围和燃料消耗率范围的处于中心线性化点附近的至少一个发动机操作区。

该方法还包括：提供发动机操作参数的非线性模型。

该方法还包括：提供每个区中的线性二次模型预测控制器。

该方法还包括：在每个操作区中的中心操作点处将非线性模型线性化。

该方法还包括：基于非线性模型提供二阶降阶线性模型。

该方法还包括：生成基于速率的预测模型，作为线性模型的衍生物。

该方法还包括：生成作为线性二次模型的为分段仿射控制规则形式的线性模型，其中：

u_k+1＝u_k+T_s(F_ix_aug+G_i),如果H_ix_aug≤K_k (11)

该方法还包括：将部分反演应用于基于速率的预测模型控制器输出，以转换EGR流量控制信号，将VGT占空比信号转换为VGT升程控制信号。