專利名稱：使用遺傳算法、懲罰函數(shù)、加權(quán)和嵌入的內(nèi)燃機(jī)控制系統(tǒng)中的預(yù)定的線性控制算法的校準(zhǔn) ...的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及校準(zhǔn)預(yù)定的線性模型和控制系統(tǒng)的系統(tǒng)和方法，所述線性模型和控制系統(tǒng)日益增加地被用于內(nèi)燃機(jī)(ICE)控制系統(tǒng)中。大多數(shù)優(yōu)化方法適合于本發(fā)明描述的嵌入方法。一些標(biāo)準(zhǔn)方法，例如通過(guò)最小二乘法的回歸，不能保證模型(以及它們的逆(inverse))穩(wěn)定和非振蕩。最小二乘法的主要好處是計(jì)算解的有效數(shù)值方法。
例如多元優(yōu)化和相似梯度搜索方法的其它方法，可以和適當(dāng)選擇的懲罰函數(shù)一起使用，以確保穩(wěn)定和非振蕩狀態(tài)。然而，這些方法很容易在局部最優(yōu)上受阻而不能找到最優(yōu)解。這些方法也對(duì)啟動(dòng)點(diǎn)敏感，因此完全靠近最優(yōu)解的啟動(dòng)可以是令人滿意的。
即可以在最優(yōu)解附近啟動(dòng)時(shí)，附加的一個(gè)或者多個(gè)懲罰函數(shù)能夠讓代價(jià)函數(shù)表現(xiàn)不正常，并且引起梯度搜索方法失敗。在下面的實(shí)施例中，現(xiàn)有技術(shù)企圖使用由該原因?qū)е率〉奶荻人阉鞣椒ā?br> 對(duì)于具有少數(shù)參數(shù)的小問(wèn)題，遺傳算法(GA’s)執(zhí)行順利，因?yàn)榧词乖跊](méi)有初始估計(jì)值時(shí)GA’s也能夠找到最優(yōu)解。在這些情況下，標(biāo)準(zhǔn)過(guò)程使GA以從所有可能的解隨機(jī)選擇的初始種群?jiǎn)?dòng)。而且，因?yàn)镚A’s很少在局部極小值上受阻(對(duì)于具有較少參數(shù)的小問(wèn)題)，如果GA’s有充足的時(shí)間，GA’s經(jīng)常收斂到真實(shí)最優(yōu)解。
對(duì)于高階問(wèn)題，這些理想特征失效。特別地，必須使用這里示出的額外步驟，以減少問(wèn)題規(guī)模和在初始種群中提供一些個(gè)體，這些個(gè)體足夠好以至少滿足懲罰函數(shù)施加的約束條件。
本發(fā)明交錯(cuò)處理具有少量和大量參數(shù)的優(yōu)化問(wèn)題，以便于發(fā)現(xiàn)增加的大量的子問(wèn)題的近似最優(yōu)解。因?yàn)楸景l(fā)明的方法用先前子問(wèn)題的解對(duì)每個(gè)子問(wèn)題的播種初始種群，該方法確保GA不耗費(fèi)搜尋適當(dāng)?shù)貪M足懲罰函數(shù)施加的附加標(biāo)準(zhǔn)的一組個(gè)體的無(wú)規(guī)律的(可能無(wú)限的)時(shí)間量。
更具體地，本發(fā)明使用下列技術(shù)(1)嵌入方法，(2)用一些優(yōu)良的個(gè)體播種初始種群(來(lái)自連續(xù)的優(yōu)化問(wèn)題中的在先問(wèn)題)，(3)使用懲罰函數(shù)確保正向和逆向模型的穩(wěn)定性，(4)使用懲罰函數(shù)確保非振蕩控制。
本發(fā)明提議使用以遺傳算法(GA’s)，平衡模型(算法)性能的代價(jià)函數(shù)、加權(quán)、懲罰函數(shù)和/或嵌入為特征的優(yōu)化方案。
GA’s幫助確保即使當(dāng)代價(jià)函數(shù)表現(xiàn)不正常時(shí)(當(dāng)使用多個(gè)懲罰函數(shù)時(shí)經(jīng)常如此)，優(yōu)化也不會(huì)受阻于局部最小化。特別選擇的代價(jià)函數(shù)確保模型(算法)性能在所有運(yùn)行范圍內(nèi)平衡。加權(quán)在臨界區(qū)域內(nèi)調(diào)整模型或者控制性能。懲罰函數(shù)確保以這種方式校準(zhǔn)的模型和控制算法滿足代表性內(nèi)部發(fā)動(dòng)機(jī)控制算法所需的附加要求(起碼超過(guò)最優(yōu)性)。當(dāng)解決了具有大量參數(shù)和嚴(yán)格約束的問(wèn)題(在懲罰函數(shù)中捕獲)時(shí)，嵌入克服了GA’s的缺點(diǎn)。
GA’s是模擬進(jìn)化的生物學(xué)特性選擇、遺傳和變異的優(yōu)化方案。在GA’s中，個(gè)體是一組描述所討論問(wèn)題的可能解的性質(zhì)的參數(shù)。為了啟動(dòng)程序，產(chǎn)生和評(píng)估了個(gè)體的初始種群(即可能解的參數(shù)組)。然后，種群中的成對(duì)的個(gè)體被允許“繁殖”，產(chǎn)生包括來(lái)自父母的參數(shù)的元素的后代。
允許個(gè)體繁殖的概率隨個(gè)體的適合度而變。個(gè)體越適合(即參數(shù)獲得的解越好)，個(gè)體被選擇繁殖(和將其部分參數(shù)傳給后代)的概率越高。產(chǎn)生新后代種群之后，它的個(gè)體被估測(cè)，并且按照前述描述繁殖產(chǎn)生新一代的后代。當(dāng)種群中最適合的個(gè)體足夠好或者傳代的適合度的改進(jìn)不再明顯時(shí)，程序停止。
GA’s的標(biāo)準(zhǔn)參考建議以完全隨機(jī)分布的初始種群開(kāi)始。然而，這個(gè)方法對(duì)于這里涉及的高約束問(wèn)題是效率低的。實(shí)際上，體現(xiàn)為必須用一些“優(yōu)良的”個(gè)體“播種”初始種群，這些“優(yōu)良的”個(gè)體滿足后面討論的懲罰函數(shù)處罰的約束。
懲罰函數(shù) 為了使預(yù)定的線性模型和控制算法適用于ICE控制系統(tǒng)，模型和控制算法應(yīng)該是穩(wěn)定的。有時(shí)候，使模型具有穩(wěn)定的逆元可能是理想的。例如，燃料動(dòng)態(tài)模型應(yīng)該具有穩(wěn)定的逆元，因?yàn)樵撃嬖侨剂蟿?dòng)力控制。而且，可能必須使模型或者它的逆元是非振蕩的。
為了確保這些附加的屬性(穩(wěn)定性、非振蕩)，校準(zhǔn)器通常用處罰理想特性的違規(guī)一系列懲罰函數(shù)增擴(kuò)代價(jià)函數(shù)。為此，標(biāo)準(zhǔn)公式會(huì)按最優(yōu)化問(wèn)題計(jì)算校準(zhǔn)問(wèn)題，其中校準(zhǔn)器是要找到最小化一些代價(jià)函數(shù)C的一組模型參數(shù)。為了限制那些穩(wěn)定的解，用懲罰項(xiàng)Ci＝Ki*l增擴(kuò)代價(jià)函數(shù)，其中，Ki是增益，1是(正向或/和逆模型的)不穩(wěn)定性的度量。
現(xiàn)在校準(zhǔn)(最優(yōu)化)問(wèn)題是要找到一組最小化C+Ci的模型參數(shù)。類似的，如果要求非振蕩狀態(tài)，本發(fā)明的提出增加懲罰函數(shù)以處罰振蕩狀態(tài)。如果O是振蕩狀態(tài)的度量，Co＝Ko*O是處罰振蕩狀態(tài)的代價(jià)函數(shù)，那么校準(zhǔn)問(wèn)題是要找到一組最小化C+Co的模型參數(shù)。如果既要求穩(wěn)定又要求非振蕩狀態(tài)，則最小化C+Ci+Co。
示范性的代價(jià)函數(shù) 考慮將要被控制的發(fā)動(dòng)機(jī)程序的預(yù)定的線性模型 ymod(k)＝α1×y(k-1)+α2×y(k-2)+…+αn×y(k-n)+ (1) β0×u(k)+β1×u(k-1)+β2×u(k-2)+…+βm×u(k-m) 其中αi和βj是發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行條件的函數(shù)。當(dāng)αi和βj是多個(gè)具有結(jié)點(diǎn)Ka，i，Kb，i……Ks，i的變量Va，Vb……Vs的線性樣條函數(shù)時(shí)，那么由所述結(jié)點(diǎn)形成的超矩形區(qū) Zonem＝{Ka，i≤Va≤Ka，i+1}∪{Kb，j≤Vb≤Kb，j+1}∪…∪{Ks,l≤Vs≤Ks，l+1} (2) 被稱為“區(qū)域”(zone)。為了平衡所有工作范圍內(nèi)的模型(或者控制算法)的性能，使用代價(jià)函數(shù)，該代價(jià)函數(shù)以瞬時(shí)百分?jǐn)?shù)誤差(即每個(gè)點(diǎn)的百分?jǐn)?shù)誤差)和每個(gè)“區(qū)域”(2)的精確的統(tǒng)計(jì)為基礎(chǔ)。令， e(k)＝(ymod(k)-yact(k))/yact(k)，以及 這里，ymod(k)是在時(shí)間k處估計(jì)的模型(1)，并且yact(k)是在時(shí)間k處模擬的實(shí)際信號(hào)。定義每個(gè)區(qū)域m的局部代價(jià)， Cm＝avg(|Em(k)|)+avg(Sm(k)) (3) 那么，在所有不同區(qū)域內(nèi)平衡模型精確度的代價(jià)函數(shù)是 這里，C是代價(jià)函數(shù)，n是區(qū)域的總個(gè)數(shù)。通常，選擇區(qū)域是為了隔離構(gòu)建的模型的不同操作狀態(tài)。而且，如此選擇的區(qū)域經(jīng)常以模擬的信號(hào)的平均尺寸而隔離。在這些情況中，代價(jià)函數(shù)(4)增加了在小信號(hào)和大信號(hào)中平衡模型精確度的益處，因此所述小信號(hào)和大信號(hào)都不會(huì)過(guò)度地影響模型參數(shù)的選擇。
加權(quán) 模型或者控制性能常常在某些區(qū)域內(nèi)是更為關(guān)鍵的。在這種情況下，在代價(jià)函數(shù)(4)內(nèi)的區(qū)域代價(jià)能夠被用來(lái)提高臨界區(qū)域中的模型或者控制性能。這種情況下，代價(jià)函數(shù)變?yōu)? 其中Wm是區(qū)域m的加權(quán)。
穩(wěn)定性懲罰函數(shù) 如果模擬的實(shí)際發(fā)動(dòng)機(jī)性能是穩(wěn)定的，那么希望模型(1)也是穩(wěn)定的。在工作范圍內(nèi)的任何單個(gè)點(diǎn)，可以定義模型(1)的傳遞函數(shù)并且檢驗(yàn)它的極點(diǎn)。
(1)的極點(diǎn)是以下多項(xiàng)式的根 N(z)＝zn-α1×zn-1-α2×zn-2-…-αn (6) 其中αi是常量(在單個(gè)運(yùn)行點(diǎn)估計(jì)的)。(1)的穩(wěn)定性的充分條件是(1)的每個(gè)極點(diǎn)的模數(shù)比工作范圍內(nèi)的每個(gè)點(diǎn)的單位元素小。因?yàn)槎囗?xiàng)式的根是多項(xiàng)式系數(shù)的連續(xù)函數(shù)，(1)的穩(wěn)定性的一個(gè)量度是檢驗(yàn)在期望的工作范圍內(nèi)的足夠數(shù)量的點(diǎn)處的(1)的極點(diǎn)。而且，象代價(jià)函數(shù)一樣，可以定義懲罰函數(shù)，該懲罰函數(shù)通過(guò)對(duì)區(qū)域內(nèi)的點(diǎn)估計(jì)多項(xiàng)式N(z)的根來(lái)懲罰該區(qū)域的不穩(wěn)定性。令 是區(qū)域m中的N(z)的任一根的最大模數(shù)，并且定義
thresh的代表值是0.985。那么，處罰不穩(wěn)定模型的代價(jià)函數(shù)是 注意到，當(dāng)區(qū)域中任何位置的極點(diǎn)的最大模數(shù)比閾值小時(shí)，懲罰函數(shù)(7)為零。當(dāng)不是這種情況時(shí)，處罰很迅速地增加。基于逐個(gè)區(qū)域?qū)嵤┑膽土P允許所述最優(yōu)化在尋求一組最佳系數(shù)時(shí)違背(適度地)一些區(qū)域中的穩(wěn)定性約束。
如果要求逆模型的穩(wěn)定性，處理模型(1)的傳遞函數(shù)的零點(diǎn)的方式類似于處理極點(diǎn)的方式。(1)的零點(diǎn)是以下多項(xiàng)式的根 D(z)＝zm-β1×zm-1-β2×zm-2-…-βm (9) 其中βi是常量(在單個(gè)運(yùn)行點(diǎn)估計(jì)的)。(1)的逆元的穩(wěn)定性的充分條件是(1)的每個(gè)零點(diǎn)的模數(shù)比工作范圍內(nèi)的每個(gè)點(diǎn)的單位元素小。因?yàn)槎囗?xiàng)式的根是多項(xiàng)式系數(shù)的連續(xù)函數(shù)，(1)的穩(wěn)定性的一個(gè)量度是檢驗(yàn)在期望的工作范圍內(nèi)的足夠數(shù)量的點(diǎn)處的(1)的零點(diǎn)。而且，象代價(jià)函數(shù)一樣，可以定義懲罰函數(shù)，該懲罰函數(shù)通過(guò)對(duì)區(qū)域內(nèi)的點(diǎn)估計(jì)多項(xiàng)式D(z)的根來(lái)懲罰區(qū)域的逆元的不穩(wěn)定性。令 是區(qū)域m中的D(z)的任一根的最大模數(shù)，并且定義
thresh的代表值是0.985。那么，處罰的不穩(wěn)定的逆模型的代價(jià)函數(shù)是 當(dāng)然，如果穩(wěn)定模型和穩(wěn)定逆模型都被要求，則可以結(jié)合代價(jià)函數(shù)(8)和(11)。應(yīng)當(dāng)注意的是，具有燃料動(dòng)態(tài)模型的情況是精確的，所述燃料動(dòng)態(tài)模型模擬原本就穩(wěn)定的過(guò)程，并且因?yàn)榭刂剖钦蚰Ｐ偷哪嬖蠓€(wěn)定的逆模型。對(duì)于這種情況，代價(jià)函數(shù)是 振蕩懲罰函數(shù) 在一些情況下，要求非振蕩的模型或者控制。例如，燃料動(dòng)態(tài)補(bǔ)償要求燃料動(dòng)態(tài)模型(控制)的逆元是非振蕩的。這可以通過(guò)構(gòu)建適當(dāng)?shù)膽土P函數(shù)以類似于穩(wěn)定性要求的方式處理。
對(duì)于模型，通過(guò)檢驗(yàn)在區(qū)域內(nèi)具有在不同工作條件下估計(jì)的系數(shù)的模型(1)的脈沖響應(yīng)或者階躍響應(yīng)，從而能夠以類似于上面描述的穩(wěn)定性懲罰函數(shù)的方式檢測(cè)振蕩狀態(tài)。類似的，對(duì)于逆模型，模型(1)的逆元的脈沖響應(yīng)或者階躍響應(yīng)能夠被用來(lái)構(gòu)造懲罰函數(shù)。為此，令pulse(k)為模型(1)在時(shí)間k處對(duì)時(shí)間0處的單位脈沖的響應(yīng)。定義， pulse(0)＝β0 pulse(1)＝α1×pulse(0)+β1 pulse(2)＝α1×pulse(1)+α0×pulse(0)+β2
令， 那么，處罰基于脈沖響應(yīng)的區(qū)域內(nèi)的模型(1)中的振蕩的代價(jià)函數(shù)可能是
thresh的代表值是0.05。在這種定義下，處罰振蕩模型的代價(jià)函數(shù)是 明顯地，懲罰函數(shù)(13)也可以包括處罰其它不理想行為的上面描述的任何其它懲罰函數(shù)。
也可能加入其它特征。例如，在燃料動(dòng)態(tài)補(bǔ)償中，除了穩(wěn)定和非振蕩之外，希望逆模型是臨界阻尼的。對(duì)于這種情形，可以使用基于逆模型的階躍響應(yīng)的懲罰函數(shù)。令step(k)為模型(1)在時(shí)間k處對(duì)時(shí)間0處的單位階躍的響應(yīng)。定義， step(0)＝1/β0 step(1)＝(1/β0)×(1-α1-β1×step(0)) step(2)＝(1/β0)×(1-α1-α2-β1×step(1)-β2×step(0))
令， 那么，處罰區(qū)域內(nèi)的模型(1)的逆元中的非臨界阻尼行為和振蕩的代價(jià)函數(shù)可能是
如前所述，thresh的代表值是0.05。在這些定義下，處罰非臨界阻尼和振蕩的逆模型的代價(jià)函數(shù)是 明顯地，懲罰函數(shù)(15)也可以包括處罰其它不理想行為的上面描述的任何其它懲罰函數(shù)。
嵌入 最后，本發(fā)明通過(guò)解決一系列優(yōu)化問(wèn)題的方式提出了校準(zhǔn)預(yù)定的線性模型和控制算法，其中每一個(gè)問(wèn)題都嵌入在下一個(gè)中。優(yōu)化子問(wèn)題具有三個(gè)要素(1)參數(shù)空間；(2)預(yù)定空間的系數(shù)；以及(3)一組能夠用來(lái)“播種”初始種群的“優(yōu)良的”個(gè)體(為了遺傳優(yōu)化)。
每個(gè)子問(wèn)題按照這樣的方式被嵌入在其后繼子問(wèn)題中(1)子問(wèn)題的參數(shù)和/或系數(shù)調(diào)度空間被包含在該子問(wèn)題的后繼子問(wèn)題的參數(shù)和/或系數(shù)調(diào)度空間中，以及(2)子問(wèn)題的解被用來(lái)產(chǎn)生“播種”個(gè)體，以便初始種群被用來(lái)優(yōu)化該子問(wèn)題的后繼子問(wèn)題。為此，令是一組這樣的的子問(wèn)題，這些子問(wèn)題具有它們的關(guān)聯(lián)的參數(shù)/系數(shù)調(diào)度空間和它們各自的初始種群的“播種”個(gè)體。


圖1中示出了示范性的車輛發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)。車輛發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)可能需要被校準(zhǔn)。然后，下面將要描述的圖2中的流程圖顯示了所提出的最優(yōu)化問(wèn)題的嵌入解。
現(xiàn)在參考圖1，示出了車輛20。通過(guò)燃料管線28和通過(guò)多個(gè)燃料噴射器32將燃料從燃料箱26傳送到發(fā)動(dòng)機(jī)22。燃料傳感器30感測(cè)燃料箱26中的燃料位置并且將燃料位置傳遞到控制模塊42。通過(guò)進(jìn)氣歧管34將空氣傳送到發(fā)動(dòng)機(jī)22。
電子節(jié)氣門控制器(ETC)36調(diào)節(jié)節(jié)流板38和由控制模塊42執(zhí)行的節(jié)氣門控制算法，該節(jié)流板被設(shè)置在鄰近以加速踏板40的位置為基礎(chǔ)的進(jìn)氣歧管34的入口處。在車輛20的控制操作中，控制模塊42可以使用顯示進(jìn)氣歧管34中的壓力的傳感器信號(hào)44?？刂颇K42還可以使用顯示通過(guò)節(jié)流板38進(jìn)入進(jìn)氣歧管34中的空氣質(zhì)量流量的傳感器信號(hào)46，使用顯示進(jìn)氣岐管34中的空氣溫度的信號(hào)48，使用顯示節(jié)流板38的開(kāi)啟量的節(jié)氣門位置傳感器信號(hào)50。也可以使用其它的傳感器。
發(fā)動(dòng)機(jī)22包括布置在一個(gè)或者多個(gè)氣缸組56中的多個(gè)氣缸52。氣缸52接收燃料噴射器32噴出的燃料，該燃料在氣缸中進(jìn)行燃燒以驅(qū)動(dòng)曲軸58。從燃料箱26中出來(lái)的蒸汽可以被收集在活性炭?jī)?chǔ)存濾毒罐60中。濾毒罐60可以通過(guò)通氣閥62通入空氣。濾毒罐60可以通過(guò)凈化閥64被凈化。當(dāng)蒸汽從濾毒罐60被凈化后，該蒸汽被傳送到進(jìn)氣岐管34并且在發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸52中燃燒?？刂颇K42控制通氣閥62、凈化閥64、燃料噴射器32和點(diǎn)火系統(tǒng)54的操作?？刂颇K42也連接加速踏板傳感器66，該加速踏板傳感器66感測(cè)加速踏板40的位置，并且傳送表示踏板位置的信號(hào)給控制模塊42。
催化轉(zhuǎn)化器68通過(guò)排氣歧管70接收從發(fā)動(dòng)機(jī)22排出的排氣。成對(duì)的排氣傳感器72的每一個(gè)，例如氧氣傳感器，與相應(yīng)的氣缸組56關(guān)聯(lián)。氧氣傳感器72感測(cè)歧管70中的排氣并且傳送信號(hào)給控制模塊42，從而指示排氣是貧乏的還是豐富的?？刂颇K42以閉環(huán)方式使用氧氣傳感器72的信號(hào)輸出作為反饋，以(例如通過(guò)燃料噴射器32)調(diào)節(jié)傳遞到每個(gè)氣缸組56的燃料。應(yīng)該注意到，本發(fā)明公開(kāi)的結(jié)構(gòu)還可以被預(yù)期用在涉及具有單個(gè)氣缸組和/或單個(gè)排氣歧管氧氣傳感器的車輛中。
在一些實(shí)施例中，傳感器72是現(xiàn)有技術(shù)中公知的開(kāi)關(guān)型氧氣傳感器?？刂颇K42可以使用傳感器72的反饋使實(shí)際空氣—燃料比達(dá)到理想值，通常大約是化學(xué)計(jì)量值，其可以依賴于乙醇和汽油的濃度而變化。在控制傳送到發(fā)動(dòng)機(jī)22的燃料時(shí)，控制模塊42涉及多個(gè)預(yù)定的發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行范圍。運(yùn)行范圍可以例如根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)22的速度和/或負(fù)載進(jìn)行限定?？刂颇K42可以執(zhí)行依賴于當(dāng)前起用的車輛運(yùn)行范圍而變化的控制功能。通向發(fā)動(dòng)機(jī)22的燃料、空氣和/或再循環(huán)排氣可以被調(diào)整，即，微調(diào)，從而校正理想空氣—燃料比的偏離。能夠意識(shí)到，可以使用其它的各種車輛發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)。
現(xiàn)在參考圖2，方法以步驟100開(kāi)始，然后進(jìn)行到步驟104，在此選擇最小子問(wèn)題P1。在步驟108中，以已知/優(yōu)良的個(gè)體播種子問(wèn)題P1的初始代。在步驟112中，使用遺傳算法在參數(shù)/系數(shù)調(diào)度空間內(nèi)優(yōu)化目前子問(wèn)題的自由參數(shù)。在步驟116中，使用懲罰函數(shù)確保穩(wěn)定的、非振蕩的解。在步驟120中，確定是否解決了最終子問(wèn)題。換句話說(shuō)，參數(shù)/系數(shù)調(diào)度空間是否被覆蓋了？如果步驟120是假(false)，那么該方法繼續(xù)步驟124，并且選擇包含當(dāng)前子問(wèn)題的下一個(gè)最小子問(wèn)題。在步驟128中，使用當(dāng)前子問(wèn)題中的最好個(gè)體的已知/優(yōu)良的個(gè)體播種新的初始種群，。當(dāng)步驟120是真(true)時(shí)，該方法結(jié)束。
實(shí)施例 校準(zhǔn)燃料動(dòng)態(tài)補(bǔ)償 時(shí)常地，所需模型中的系數(shù)根據(jù)表現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行條件的特征的物理變量來(lái)調(diào)度。例如，燃料動(dòng)態(tài)補(bǔ)償(FDC)，其使用Dudek等的美國(guó)專利No.7246004的“Nonlinear Fuel Dynamics Control with Lost Fuel Compensation”(“具有燃料損失補(bǔ)償?shù)姆蔷€性燃料動(dòng)態(tài)特性控制”)中描述的非線性補(bǔ)償器的線性部分(該專利的全文在此引入作為參考)，所述燃料動(dòng)態(tài)補(bǔ)償(FDC)使用額定燃料動(dòng)態(tài)模型的逆元，該額定燃料動(dòng)態(tài)模型的系數(shù)根據(jù)MAP、RPM、溫度以及乙醇濃度來(lái)調(diào)度。
一個(gè)例子是使用本發(fā)明的方法能夠校準(zhǔn)控制算法的類型。在FDC中，系數(shù)調(diào)度函數(shù)是Dudek的美國(guó)專利No.7212915的“Application of Linear Splines toInternal Combustion Engine Control”(“線性樣條應(yīng)用于內(nèi)燃機(jī)控制”)中描述的線性樣條(該專利的全文在此引入作為參考)。系數(shù)調(diào)度中使用的溫度可以是發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻劑溫度(ECT)和/或進(jìn)氣閥溫度(IVT)。
為了校準(zhǔn)FDC，工程師校準(zhǔn)額定燃料動(dòng)態(tài)模型，該額定燃料動(dòng)態(tài)模型說(shuō)明響應(yīng)于指令的燃料質(zhì)量的測(cè)量的燃燒燃料質(zhì)量的狀態(tài)(從內(nèi)燃機(jī)的排氣口中的燃料/空氣的測(cè)量推斷)。額定燃料動(dòng)態(tài)模型和補(bǔ)償器的線性部分的方程式是 模型 FM(k)＝α1×FM(k-1)+α2×FM(k-2)+α3×FM(k-3)+ α4×FC(k)+α5×FC(k-1)+α6×FC(k-2)+α7×FC(k-3) 補(bǔ)償器 這里，F(xiàn)M(k)是發(fā)動(dòng)機(jī)循環(huán)k中從噴射的燃料得到的測(cè)量的燃燒燃料質(zhì)量，F(xiàn)C(k)是發(fā)動(dòng)機(jī)循環(huán)k中的補(bǔ)償?shù)娜剂腺|(zhì)量，以及FR(k)是發(fā)動(dòng)機(jī)循環(huán)k中被要求的(燃燒的)燃料質(zhì)量。模型(和補(bǔ)償器)系數(shù)αi是MAP，RPM，ECT和ETH的線性樣條函數(shù) 其中


以及
注意到，對(duì)于每個(gè)αi會(huì)有單獨(dú)的一組ai，bij，cij，dij，eij，wij，xij，yij和zij。還注意到，F(xiàn)DC必須是單位增益。獲得這個(gè)的最便捷的方法是令α7＝1＝(α1+α2+α3+α4+α5+α6)。因此，參數(shù)α7不再是獨(dú)立的。
函數(shù)UMAP(i)，URPM(j)，UECT(k)，以及UETH(l)都稱為“基函數(shù)”，并且常量MAPi，RPMj，ECTk，以及ETH1都稱為“結(jié)點(diǎn)”。MAPi的代表值是15、30、45、60、75和90(kPa)。RPMj的代表值是500、1300、2100、2900、3700和4500(RPM)。ECTk的代表值是245、265、285、305、325和345(deg k)。ETH1的代表值是0、20、40和60(％乙醇)。注意這些結(jié)點(diǎn)的選擇將會(huì)有270個(gè)自由參數(shù)(1個(gè)常量+(2×6+2×6＝24)MAP/RPM項(xiàng)+(2×6+2×4＝20)ECT/ETH項(xiàng))×6個(gè)系數(shù)(由其它的αi計(jì)算α7)。
校準(zhǔn)問(wèn)題 校準(zhǔn)問(wèn)題是要找到ai，bij，cij，dij，eij，wij，xij，yij和zij，以便于額定燃料動(dòng)態(tài)模型最小化代價(jià)函數(shù)其中代價(jià)函數(shù)的要素是依照上面的方程(3)(或如果使用加權(quán)，就是(5))、(7)、(10)和(15)的。注意，在(3)(或者(5))中定義的誤差是FM(k)與被適當(dāng)?shù)匾莆灰钥紤]傳輸延遲的實(shí)際測(cè)量的燃燒燃料之間的差值。
通過(guò)代價(jià)函數(shù)(具有處罰項(xiàng))的構(gòu)造，很清楚，最優(yōu)化所求的解(1)良好地匹配測(cè)試數(shù)據(jù)；(2)是穩(wěn)定的；(3)具有穩(wěn)定的逆元(注意控制是逆元)；以及(4)具有對(duì)代表性輸入量產(chǎn)生非振蕩響應(yīng)和臨界阻尼控制響應(yīng)的逆元。
解 當(dāng)在Sp中優(yōu)化時(shí)，令R是實(shí)數(shù)集，

是參數(shù)qij的最優(yōu)解。定義嵌套的子問(wèn)題的族(具有它們的關(guān)聯(lián)參數(shù)/系數(shù)調(diào)度空間)，并且通過(guò)圖1的指示求解 定義P1

其中S1＝{ai∈R，bij，cij，dij，eij，wij，xij，yij，zij＝0，ECT≤ECT1，ETH＝0} P1查找第一溫度范圍內(nèi)的最佳常數(shù)組，設(shè)置乙醇濃度為零，這些常數(shù)組仍然滿足穩(wěn)定性和非振蕩約束條件。用少數(shù)個(gè)體播種初始種群，其中，a1＝0.8，a4＝0.25，a5＝-0.05，a2＝a3＝a6＝0。
定義P2

其中S2＝{ai，wi1∈R，bij，cij，dij，eij，wi(j≠1)，xij，yij，zij＝0，ECT≤ECT1，ETH＝0} P2查找與P1相同范圍內(nèi)的最佳常數(shù)和溫度系數(shù)組。用少數(shù)個(gè)體播種初始種群，其中常數(shù)(ai)等于P1的解，溫度系數(shù)等于0。
定義P3

其中S3＝{ai，wi1，bij，cij，dij，eij∈R，wi(j≠1)，xij，yij，zij＝0，ECT≤ECT1，ETH＝0} P3查找與P1相同范圍內(nèi)的最佳常數(shù)、溫度系數(shù)、MAP系數(shù)、RPM系數(shù)以及MAP*RPM系數(shù)，用P2的最佳結(jié)果播種初始種群。對(duì)于播種個(gè)體設(shè)置MAP系數(shù)、RPM系數(shù)以及MAP*RPM系數(shù)為0。
定義P4

其中 P4在第一和第二溫度范圍內(nèi)查找最佳常數(shù)和溫度系數(shù)，將乙醇濃度設(shè)為零，將MAP、RPM和MAP*RPM系數(shù)保持為從P3得到的最佳值，并且用P3的最佳常數(shù)和溫度系數(shù)播種初始種群。對(duì)于播種個(gè)體，設(shè)置相應(yīng)于第二溫度范圍的溫度系數(shù)等于第一溫度范圍的溫度系數(shù)的負(fù)數(shù)(因此溫度系數(shù)總和為0)。
定義P5

其中S5＝{ai，wi1，wi2，bij，cij，dij，eij∈R，w(i≠1，2)j，xij，yij，zij＝0，ECT≤ECT2，ETH＝0}P5查找與P4相同范圍內(nèi)的最佳常數(shù)、溫度系數(shù)、MAP系數(shù)、RPM系數(shù)以及MAP*RPM系數(shù)，用P4的最佳結(jié)果播種初始種群。
定義P6

其中 P6在第一、第二和第三溫度范圍內(nèi)查找最佳常數(shù)和溫度系數(shù)，將乙醇濃度設(shè)為零，將MAP、RPM和MAP*RPM系數(shù)保持為從P5得到的最佳值，并且用P5的最佳常數(shù)和溫度系數(shù)播種初始種群。對(duì)于播種個(gè)體，設(shè)置相應(yīng)于第三溫度范圍的溫度系數(shù)等于第一和第二溫度范圍的溫度系數(shù)總和的負(fù)數(shù)(因此溫度系數(shù)總和為0)。
定義P7

其中S7＝{ai，wi1，wi2，wi3，bij，cij，dij，eij∈R，wi(j≠1，2，3)，xij，yij，zij＝0，ECT≤ECT3，ETH＝0}P7查找與P6相同范圍內(nèi)的最佳常數(shù)、溫度系數(shù)、MAP系數(shù)、RPM系數(shù)以及MAP*RPM系數(shù)，用P6的最佳結(jié)果播種初始種群。
定義P8

其中 P8在第一、第二、第三和第四溫度范圍內(nèi)查找最佳常數(shù)和溫度系數(shù)，將乙醇濃度設(shè)為零，將MAP、RPM和MAP*RPM系數(shù)保持為從P7得到的最佳值，并且用P7的最佳常數(shù)和溫度系數(shù)播種初始種群。對(duì)于播種個(gè)體，設(shè)置相應(yīng)于第四溫度范圍的溫度系數(shù)等于第一、第二和第三溫度范圍的溫度系數(shù)總和的負(fù)數(shù)(因此溫度系數(shù)總和為0)。
定義P9

其中S9＝{ai，wi1，wi2，wi3，wi4，bij，cij，dij，eij∈R，wi(j≠1，2，3，4)，xij，yij，zij＝0，ECT≤ECT4，ETH＝(P9查找與P8相同范圍內(nèi)的最佳常數(shù)、溫度系數(shù)、MAP系數(shù)、RPM系數(shù)以及MAP*RPM系數(shù)，用P8的最佳結(jié)果播種初始種群。
定義P10

其中 P10在第一、第二、第三、第四和第五溫度范圍內(nèi)查找最佳常數(shù)和溫度系數(shù)，將乙醇濃度設(shè)為零，將MAP、RPM和MAP*RPM系數(shù)保持為從P9得到的最佳值，并且用P9的最佳常數(shù)和溫度系數(shù)播種初始種群。對(duì)于播種個(gè)體，設(shè)置相應(yīng)于第五溫度范圍的溫度系數(shù)等于第一、第二、第三和第四溫度范圍的溫度系數(shù)總和的負(fù)數(shù)(因此溫度系數(shù)總和為0)。
定義P11

其中S11＝{ai，wi1，wi2，wi3，wi4，wi5，bij，cij，dij，eij∈R，wi6，xij，yij，zij＝0，ECT≤ECT5，ETH＝0} P11查找與P10相同范圍內(nèi)的最佳常數(shù)、溫度系數(shù)、MAP系數(shù)、RPM系數(shù)以及MAP*RPM系數(shù)，用P10的最佳結(jié)果播種初始種群。
定義P12

其中 P12在所有溫度范圍內(nèi)查找最佳常數(shù)和溫度系數(shù)，將乙醇濃度設(shè)為零，將MAP、RPM和MAP*RPM系數(shù)保持為從P11得到的最佳值，并且用P11的最佳常數(shù)和溫度系數(shù)播種初始種群。對(duì)于播種個(gè)體，設(shè)置相應(yīng)于最后的溫度范圍的溫度系數(shù)等于其余的溫度范圍的溫度系數(shù)總和的負(fù)數(shù)(因此溫度系數(shù)總和為0)。
定義P13

其中S13＝[ai，wij，bij，cij，dij，∈R，xij，yij，zij＝0，ETH＝0} P13查找與P12相同范圍內(nèi)的最佳常數(shù)、溫度系數(shù)、MAP系數(shù)、RPM系數(shù)以及MAP*RPM系數(shù)，用P12的最佳結(jié)果播種初始種群。
定義P14

其中 P14在整個(gè)運(yùn)行范圍內(nèi)查找最佳常數(shù)、溫度系數(shù)、乙醇系數(shù)以及乙醇*溫度，將MAP、RPM和MAP*RPM系數(shù)保持為從P13得到的最佳值，并且用P13的最佳常數(shù)和溫度系數(shù)播種初始種群。對(duì)于播種個(gè)體，設(shè)置乙醇和乙醇*溫度系數(shù)為0。
定義P15

其中S15＝{ai，wij，bij，cij，dij，eij，xij，yij，zij∈R} P15查找與P14相同范圍內(nèi)的最佳常數(shù)、溫度系數(shù)、MAP系數(shù)、RPM系數(shù)、MAP*RPM系數(shù)、乙醇系數(shù)以及乙醇*溫度系數(shù)，用P14的最佳結(jié)果播種初始種群。
其它的細(xì)分是可能的。特別地，子問(wèn)題P14和P15可以進(jìn)一步細(xì)分?；蛘?，可以從P1開(kāi)始，使用從P1得到的常數(shù)并且設(shè)置所有的溫度系數(shù)為0，直接運(yùn)行到P4或者P6。
本發(fā)明的益處包括更精確的控制、減少的校準(zhǔn)工作、以及對(duì)校準(zhǔn)技術(shù)的較低依賴性。更精確的控制能夠?qū)е螺^少的系統(tǒng)成本，因?yàn)槠湓试S減少的催化劑用量而仍然滿足排放標(biāo)準(zhǔn)。減少的校準(zhǔn)工作降低了系統(tǒng)的固定成本，因此對(duì)校準(zhǔn)技術(shù)的依賴性也對(duì)應(yīng)的降低了。
權(quán)利要求
1、一種用于校準(zhǔn)發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)的方法，包括
a)識(shí)別發(fā)動(dòng)機(jī)校準(zhǔn)中的發(fā)動(dòng)機(jī)校準(zhǔn)子問(wèn)題；
b)以已知/優(yōu)良的個(gè)體為一個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)校準(zhǔn)子問(wèn)題播種初始代；
c)使用遺傳算法在參數(shù)/系數(shù)調(diào)度空間內(nèi)優(yōu)化所述一個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)校準(zhǔn)子問(wèn)題的自由參數(shù)；
d)使用懲罰函數(shù)；
e)確認(rèn)包括一個(gè)之前的發(fā)動(dòng)機(jī)校準(zhǔn)子問(wèn)題的下一個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)校準(zhǔn)子問(wèn)題；
f)以已知/優(yōu)良的個(gè)體為所述下一個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)校準(zhǔn)子問(wèn)題播種初始種群；
g)重復(fù)步驟c)、d)、e)、f)，直到解決了包括發(fā)動(dòng)機(jī)校準(zhǔn)子問(wèn)題的發(fā)動(dòng)機(jī)校準(zhǔn)為止；以及
h)使用發(fā)動(dòng)機(jī)校準(zhǔn)操作車輛的發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)。
2、如權(quán)利要求1所述方法，其特征在于，使用所述懲罰函數(shù)確保所述發(fā)動(dòng)機(jī)校準(zhǔn)子問(wèn)題的穩(wěn)定的非振蕩解。
3、如權(quán)利要求2所述方法，其特征在于還包括使用加權(quán)來(lái)控制性能。
全文摘要
一種用于校準(zhǔn)發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)的方法，包括識(shí)別發(fā)動(dòng)機(jī)校準(zhǔn)中的發(fā)動(dòng)機(jī)校準(zhǔn)子問(wèn)題；以已知/優(yōu)良的個(gè)體為一個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)校準(zhǔn)子問(wèn)題播種初始代；使用遺傳算法在參數(shù)/系數(shù)調(diào)度空間內(nèi)優(yōu)化所述一個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)校準(zhǔn)子問(wèn)題的自由參數(shù)；使用懲罰函數(shù)；確認(rèn)包括一個(gè)之前的發(fā)動(dòng)機(jī)校準(zhǔn)子問(wèn)題的下一個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)校準(zhǔn)子問(wèn)題；以已知/優(yōu)良的個(gè)體為所述下一個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)校準(zhǔn)子問(wèn)題播種初始種群；重復(fù)步驟直到解決了包括發(fā)動(dòng)機(jī)校準(zhǔn)子問(wèn)題的發(fā)動(dòng)機(jī)校準(zhǔn)為止；以及使用發(fā)動(dòng)機(jī)校準(zhǔn)操作車輛的發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)。
文檔編號(hào)F02D41/00GK101387231SQ200810173729
公開(kāi)日2009年3月18日 申請(qǐng)日期2008年9月10日 優(yōu)先權(quán)日2007年9月10日
發(fā)明者K·P·杜德克 申請(qǐng)人:通用汽車環(huán)球科技運(yùn)作公司