用于对燃烧发动机的基于模型的控制和调节的方法与流程

发动机及配件附件的制造及其应用技术1.本发明涉及一种根据专利权利要求1的前序部分所述的用于对燃烧发动机的基于模型的控制和调节的方法。背景技术：2.燃烧发动机的行为在很大程度上通过发动机控制设备根据性能要求来确定。为此，在发动机控制设备的软件中应用相对应的特征曲线和综合特性曲线。通过这些特征曲线和综合特性曲线，根据性能要求来计算燃烧发动机的操纵参量，例如喷射开始和所需的油轨压力。这些特征曲线/综合特性曲线在燃烧发动机的制造商那里在试验台运行时被配备数据。然而，这些特征曲线/综合特性曲线的多条特征曲线/综合特性曲线以及这些特征曲线/综合特性曲线的彼此间的相互作用引起的协调花费高。3.因而，在实践中，试图通过使用数学模型来降低协调花费。这样，例如de 10 2018 001 727 a1描述了一种基于模型的方法，其中根据目标扭矩通过燃烧模型来计算用于操控喷射系统执行机构的喷射系统目标值并且通过气路模型来计算用于操控气路执行机构的气路目标值。接着，优化器根据喷射系统目标值和气路目标值来计算质量量度并且对这些目标值进行更改，目的在于在预测范围内找到最小值。接着，在找到最小值的情况下，优化器将喷射系统目标值和气路目标值设置成对于设定燃烧发动机的工作点来说是决定性的。补充地，从该引用中公知的是：燃烧模型在燃烧发动机正在运行时根据模型值来适应，其中该模型值进而通过用于表示基本网格的第一高斯过程模型并且通过用于表示适应数据点的第二高斯过程模型来计算。在试验台试验的情况下，现在已经表明：在不利的运行情况下的适应可能造成针对该优化的局部最小值。那么，该优化的结果并不对应于用于燃烧发动机的运行的全局最优值。技术实现要素：4.因而，本发明的任务在于：关于更高的质量而进一步发展上述方法。5.该任务通过权利要求1的特征来解决。设计方案在从属权利要求中呈现。6.本发明提出了一种方法，在该方法中，模型值关于指定的单调性来监控。按照本发明的方法是对从de 10 2018 001 727 a1中公知的做法的补充。根据用于表示基本网格的第一高斯过程模型和用于表示适应数据点的第二高斯过程模型来计算该模型值。单调性在具有针对该模型值的正目标梯度的递增趋势的意义上被限定或者在具有针对该模型值的负目标梯度的递减趋势的意义上被限定。通过评估在工作点处的该模型值的梯度来监控该单调性。在发现单调性偏差的情况下，对该单调性进行校正，其方式是对第二高斯过程模型的数据点进行平滑以实现该单调性。换言之：存储在第二高斯过程模型中的数据点通过该平滑来移动，直至该单调性重新符合规定为止。在通过第二高斯过程模型对第一高斯过程模型的反向适配的情况下，使第一高斯过程模型的单调特性保持不变。7.通过对该单调性的监控，例如测量误差、即不准确的数据值的影响被显著降低。由此，确保了燃烧模型在物理上正确且良好地表现。由于优化器动用燃烧模型，所以得以保证足够精确的喷射系统目标值和全局最优值。此外，燃烧模型的外推能力保持不变。附图说明8.在附图中示出了优选的实施例。其中：图1示出了系统图；图2示出了框图；图3示出了图表；图4示出了表格；图5示出了关于模型行为的图表；图6示出了框图；以及图7示出了程序流程图。具体实施方式9.图1示出了基于模型的、电子控制的燃烧发动机1、例如具有共轨系统的柴油机的系统图。燃烧发动机的结构和共轨系统的功能例如从de 10 2018 001 727 a1中公知。用附图标记ein和mess来呈现电子控制设备2的输入参量。例如，在附图标记ein下汇总有操作者的性能要求、用于规定imo的排放等级marpol（海洋污染（marine pollution））或者排放等级eu iv/tier 4 final的库，以及最大机械构件负载。性能要求通常被指定为目标扭矩、目标转速或者加速踏板位置。输入参量mess不仅表征直接测量的物理量而且表征从中计算出的辅助参量。电子控制设备2的输出参量是用于下级调节回路的目标值和喷射开始sb以及喷射结束se。10.在电子控制设备2之内布置有燃烧模型4、适应6、平滑7、气路模型5和优化器3。不仅燃烧模型4而且气路模型5都将燃烧发动机1的系统行为描绘成数学方程。11.燃烧模型4静态地描绘燃烧时的过程。不同于此，气路模型5描绘空气引导和废气引导的动态行为。燃烧模型4包含例如用于nox和烟灰形成、用于废气温度、用于废气质量流和用于峰值压力的单独模型。这些单独模型进而根据气缸中的边界条件和喷射参数来规定。燃烧模型4在在试验台运行、即所谓的doe试验台运行（doe：实验设计（design of experiments））中在参考燃烧发动机的情况下被确定。在doe试验台运行的情况下，系统性地改变运行参数和操纵参量，目的在于根据发动机参量和环境边界条件来描绘燃烧发动机的整体行为。给燃烧模型4补充适应6和平滑7。该适应的目的在于：使燃烧模型与发动机系统的真实行为适配。平滑7进而用于监控和保持单调性。12.在激活燃烧发动机1之后，优化器3首先例如读入排放等级、最大机械构件负载和目标扭矩，作为性能要求。然后，优化器3对燃烧模型4进行评估，更确切地说关于目标扭矩、排放极限值、环境边界条件、例如增压空气的湿度phi、燃烧发动机的运行情况和适应数据点方面对该燃烧模型进行评估。运行情况尤其是通过发动机转速、增压空气温度和增压空气压力来限定。现在，优化器3的功能在于；评价用于操控喷射系统执行机构的喷射系统目标值和用于操控气路执行机构的气路目标值。在这种情况下，优化器3选择其中质量量度被最小化的那个解。质量量度j被计算为在预测范围内的目标-实际平方差的积分。例如以如下形式：其中，w1、w2和w3表示相对应的权重因子。众所周知，氮氧化物排放nox根据增压空气的湿度、增压空气温度、喷射开始sb和轨道压力来得出。适应9干预真实的实际值，例如nox实际值或废气温度实际值。质量量度和中断标准的详细描述可以从de 10 2018 001 727 a1中得知。13.将该质量量度最小化，其方式是由优化器3在第一时间点计算第一质量量度，然后改变喷射系统目标值以及气路目标值并且依据这些目标值来预测在预测范围内的第二质量量度。接着，依据这两个质量量度彼此间的偏差，优化器3规定最小质量量度并且将该最小质量量度设置成对于燃烧发动机来说是决定性的。对于在该图中示出的示例，这对于喷射系统来说是目标轨道压力pcr(sl)、喷射开始sb和喷射结束se。目标轨道压力pcr(sl)是针对下级轨道压力调节回路8的指令参量。轨道压力调节回路8的操纵参量对应于用于加载吸入节流阀的pwm信号。利用喷射开始sb和喷射结束se来直接加载喷射器。对于气路来说，优化器3间接确定气路目标值。在所示出的示例中，这是用于针对下级lambda调节回路9和下级agr调节回路10的规定的lambda目标值lam(sl)和agr目标值agr(sl)。在使用可变阀控制的情况下，气路目标值相对应地被适配。这两个调节回路9和10的操纵参量对应于用于操控涡轮旁路的信号tbp、用于操控agr执行机构的信号agr和用于操控节气门的信号dk。返回的测量参量mess被电子控制设备2读入。这些测量参量mess应被理解成直接测量的物理量和从中计算出的辅助参量。在所示出的示例中，读入lambda实际值和agr实际值。14.图2以框图示出了用于使燃烧模型适应和用于规定模型值e[x]的两个高斯过程模型的相互作用。高斯过程模型对于本领域技术人员来说公知，例如从de 10 2014225039 a1或者de 10 2013 220 432 a1中公知。十分普遍地，高斯过程通过均值函数和协方差函数来限定。均值函数通常被假设为零或者采用线性/多项式曲线。协方差函数说明了任意点的关系。第一功能块11包含全发动机的doe数据（doe：实验设计）。这些数据在试验台运行时针对参考燃烧发动机被确定，其方式是在燃烧发动机的可静态行驶的范围内确定输入参量在其整个调整范围内的所有变化。这些数据以高精度表征燃烧发动机在可静态行驶的范围内的行为。第二功能块12包含在单缸试验台上获得的数据。在单缸试验台的情况下，可以设定在doe试验台运行时无法被检查的那些工作范围，例如高的大地高度或者极端温度。这些少量的测量数据用作物理模型的参数化的基础，该物理模型大致正确地再现燃烧的全局行为。该物理模型大致代表燃烧发动机在极端边界条件下的行为。通过外推来使该物理模型完整，使得正常工作范围大致正确地被描述。在图2中，用附图标记13来表征有外推能力的模型。从该模型进而产生用于表示基本网格的第一高斯模型14（gp1）。[0015]两个数据点集合的合并形成第二高斯过程模型（gp2）15。借此，燃料发动机的通过doe数据所描述的工作范围也通过这些值来规定，并且对其来说不存在doe数据的工作范围通过物理模型的数据来再现。由于第二高斯过程模型15在正在运行时被适应，所以该第二高斯过程模型用于表示适应点。十分普遍地，即，参见附图标记16，针对模型值e[x]适用：(2) e[x] = gp1 + gp2在这种情况下，gp1对应于用于表示基本网格的第一高斯过程模型，gp2对应于用于表示适应数据点的第二高斯过程模型，并且模型值e[x]对应于不仅针对平滑而且针对优化器的输入参量，例如nox实际值或者废气温度实际值。通过在该图中的双箭头，示出了两条信息路径。第一信息路径表征基本网格的从第一高斯过程模型14向模型值16的数据提供。第二信息路径表征通过第二高斯过程模型15对第一高斯过程模型14的反向适配。[0016]在图3中，以图表示出了针对单储存器压力pes的第一高斯过程模型，该单储存器压力被归一化到最大压力pmax。在纵坐标上绘制所测量的nox值。在该图表之内，用叉号来表征在全发动机处所确定的doe数据值。来自第一高斯过程模型中的数据点被呈现为圆圈。通过如下方式来产生这些数据点：根据单缸试验台的数据来确定趋势并且良好地映射doe数据。例如，这是点a、b和c的三个数据值。在第一步骤中，确定这些数据值相对于彼此的方位、即趋势信息。由于根据点b的数据值得出比在点a处更高的nox实际值，所以函数在该范围内是单调的。这类似地适用于在点c处的数据值，也就是说，在点c处的nox实际值高于在点b处。因而，对于数据值a至c来说得出的趋势信息是；单调且线性递增。接着，在第二步骤中，使这些数据值相对于doe数据的偏差（模型误差）最小化。换言之：确定数学函数，该数学函数在考虑趋势信息的情况下尽可能好地映射doe数据值。对于数据值a、b和c来说，这是单调、线性递增函数f1。函数f2通过数据值a、d和e仅被表征为单调。函数f3通过数据值a、f和g来映射。看图4，示范性示出的测量参量 单储存器压力pes、燃料质量mkrst、喷射开始sb、轨道压力pcr和增压空气温度tll与函数f1相对应地来表现，也就是说单调且线性递增。测量参量 发动机转速nist与函数f3相对应地表现，即不受限制。“不受限制”意味着：对于该测量参量来说不存在趋势信息。增压空气压力pll表现得单调递减。如从图3可同样得出的那样，中间值、例如数据值h可以被外推。即，该模型有外推能力（图2：13）。对第一高斯过程模型的确定自动化地进行，也就是说不需要专家知识。该模型的自动化的外推能力进而保证了高度鲁棒性，原因在于在未知范围内，该模型依据趋势信息不溶于发生极端或者突然反应。[0017]图5示出了关于燃烧模型的行为的图表。在该图中，在横坐标上示出了第一参量x，例如单储存器压力（图4：pes）。在纵坐标上示出了第二参量y，例如nox值。用附图标记17作为点划线示出了第一高斯过程模型gp1、即基本网格的取决于第一参量x和第二参量y的曲线。虚线18表征了模型值e[x]在初始状态下的曲线，即没有平滑。根据第一高斯过程模型和第二高斯过程模型之和来计算模型值e[x]。实线19表征模型值e[x]的平滑曲线。绘制参量x的工作点、即横坐标值ap，作为纵坐标平行线20。[0018]关于图5的进一步阐述所基于的是在第一高斯过程模型中的具有正递增趋势和正目标梯度的单调性。补充地，针对模型行为规定：第一高斯过程模型的单调特性不允许被第二高斯过程模型改变并且在当前工作点、即运行点处的单调特性得以保证。在检测到当前工作点ap之后，计算对应于该工作点的模型值e[x]，这里是：e(ap)。然后，评估在工作点e(ap)的模型曲线e[x]。在工作点ap，模型值曲线18示出了具有负实际梯度的递减趋势。该行为通过模型的局部最大值所引起，这进而引起了在计算质量量度时的局部最小值。因此，优化器接着依据模型值来计算对于下级调节回路来说不合适的操纵参量。换言之：根据第一高斯过程模型和第二高斯过程模型来计算的模型值e[x]与所需的单调特性相矛盾，使得优化器没有设定燃烧发动机的最佳工作点。[0019]根据本发明的方法现在规定：模型值的单调性被监控并且在发现违反该单调性时使燃烧模型平滑。具体来说，这通过改变第二高斯过程模型的适应数据值来实现。如图中所示，因而，所存储的具有坐标（xd/yd）的数据点yd朝着基本网格（线17）的方向被改变。在该示例中，横坐标值保持恒定。相对于原始数据点yd的变化尽可能小地被实施。这可以被描述为以如下形式的对平滑数据点的平方差的最小化：(3) min yg s (yd(i)ꢀ‑ꢀyg(i))2 在考虑单调特性的情况下在其中，yd表示所存储的数据点，i表示控制变量并且yg表示在位置xd处的平滑数据点。即，通过关系式（3），所存储的数据点yd以及借此用于实现指定的单调特性的模型值曲线18朝着第一高斯过程模型的曲线17的方向被改变。为了确保在平滑之前和在平滑之后的预测相同，使用偏移量。为此参见该图。[0020]图6再次以框图来示出该方法。这里，输入参量是参量mess，该参量表征当前工作点。输出参量对应于针对下级调节回路的操纵参量sg。在功能块 适应6中，根据参量mess和已经存储的数据点来计算模型值e[x]。通过用于表示基本网格的第一高斯过程模型并且通过用于计算适应数据值的第二高斯过程模型来确定该模型值。按照图5，在该图示中从适应6向平滑7转交数据点yd的集合、横坐标值xd的集合以及逆协方差矩阵inv(kd)。通过平滑7，依据在工作点的目标梯度来监控指定的单调性，并且在发现违反该单调性时使燃烧模型平滑。接着，从平滑7向燃烧模型4并且借此向优化器3转交平滑值yg、平滑值xg、相关的逆协方差矩阵inv(kg)以及相对应的偏移量。[0021]在图7中，以程序流程图示出了本发明。该程序流程图是对从de 10 2018001 727 a1中公知的程序流程图的补充。在s1处读入测量值mess，并且在s2处通过第一高斯过程模型和第二高斯过程模型来计算模型值e[x]，这里是：在工作点的模型值e(ap)。然后，在s3处确定在工作点处的实际梯度。在s4处进而依据目标梯度与实际梯度的比较来检查单调性。在符号相同的情况下，分岔回到点a。如果在s4处识别出了违反单调性，则在s5处以使梯度的符号相同的目的并且在保持单调性的情况下通过关系式（3）将所存储的数据点yd改变成平滑数据点yg。接着，在s6处计算偏移量并且借此然后在s7处产生经平滑的燃烧模型。经平滑的燃烧模型进而是优化器的输入参量，也就是说返回到主程序。[0022]附图标记1ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ燃烧发动机2ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ电子控制设备3ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ优化器4ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ燃烧模型5ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ气路模型6ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ适应7ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ平滑8ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ轨道压力调节回路9ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀlambda调节回路10ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀagr调节回路11ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ第一功能块（doe数据）12ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ第二功能块（数据单缸）13ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ模型，有外推能力14ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ第一高斯过程模型（gp1）15ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ第二高斯过程模型（gp2）16ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ模型值17ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ曲线gp118ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ曲线 模型值，初始状态19ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ曲线 模型值，经平滑20ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ线









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