CN101036091B - 设备的控制装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种设备控制装置。在设备控制装置中具有：设备(发动机)(10)，其具有输入(u)；施加单元(扰动信号)(100)，其对上述设备施加按预定周期变化的成分(p)；参数计算单元(Washout滤波器)(102)，其根据上述设备的输出(y)计算参数(h)；积分单元(有限区间积分器)(104)，其在上述成分p的周期的整数倍的区间内对上述计算出的参数(h)与上述所施加的成分(p)相乘所得的值(j)进行积分；以及输入计算单元(无限区间积分器(106a)，乘法器(106b)，加法器(106c))(106)，其根据上述积分所得到的积分值(g)计算上述输入(u)。由此，通过在成分(p)的周期的整数倍的区间，换句话说是有限区间内进行积分，可提供可以防止控制系统的共振并且使输出(y)最优化，从而可把设备的输出控制在极值点的控制装置。

Description

设备的控制装置

技术领域

本发明涉及设备控制装置，更具体地说涉及利用极值搜索控制的设备控制装置。

背景技术

在内燃机中，例如当把点火正时控制为MBT(Minimum SparkAdvance for Best Torque：最佳扭矩的最小点火提前角)时，作为燃烧效率指标的指示平均有效压力Pmi为最佳。如图20所示，指示平均有效压力对于点火正时具有极值特性。

以往，在进行这种控制的情况下，例如如专利文献1记载，根据检测出的缸内压力和曲轴角度计算指示平均有效压力而求平均，根据内燃机转速和负荷判定运转状态，根据在所判定的运转状态下使点火正时变化时的指示平均有效压力的变化，来把点火正时控制成使指示平均有效压力成为最大值。另外，指示平均有效压力的计算在专利文献2中作了详细记载。

然而，在专利文献1记载的技术的情况下，在控制精度和响应性方面难以充分满足，除此之外，当由于内燃机的制造偏差、老化或者燃料特性变化等而在预先设定的点火正时与最佳点火正时之间产生差异时，存在不能补偿该差异的不利情况。

另外，作为控制理论之一提出了Extremum-Seeking-Control(极值搜索控制)的理论，在例如以下的非专利文献1中记载了其详情。Extremum-Seeking-Control(以下简称为“ESC”)特别在具有非线性特性的设备中对于极值(极大值或极小值)的搜索有效，通过使用该控制理论，当进行例如上述的点火正时控制时，可提高控制精度和响应性，并且也能应对内燃机等的设备的制造偏差、老化或者燃料特性变化等。另外，同样的极值特性也可见于例如内燃机的NOx排放特性。

专利文献1：日本特许第2536243号公报

专利文献2：日本特许第2695243号公报

非专利文献1：Real-Time Optimization by Extremum-Seeking Control(Kartik B.Ariyur，Miroslaw Krsitic合著。WILEY-INTERSCIENCE出版。2003年)

在该ESC中，把用于检测输出变化相对于输入变化的关系的扰动输入(perturbation输入)p混入对设备(控制对象)的输入u内，求出此时的输出y的变化量h与扰动输入p的积，对求出的积进行积分，由此计算使输出y最优的输入f。

然而，当根据变化量h计算最优输入f时，由于是通过计算h和p的无限空间的相关函数来进行的，因而最优输入f表现出周期性特性，由于其在控制循环内递归，因而存在产生p和f的共振而使控制系统变得不稳定的不利情况。

发明内容

因此，本发明的目的是解决上述课题，提供一种可以在防止控制系统共振的同时，使输出y最优化的设备控制装置。

为了解决上述课题，本发明如后所述构成为，在第一方面的设备控制装置中具有：具有输入u的设备；施加单元，其对上述设备施加按预定周期变化的成分p；参数计算单元，其根据上述设备的输出y计算表示上述输出y的变化量的参数h；积分单元，其在上述成分p的周期的整数倍的区间内对上述计算出的参数h与上述施加的成分p相乘所得的值j进行积分；以及输入计算单元，其根据通过上述积分所得到的积分值g计算上述输入u。

此外，本发明如后所述构成为，在第二方面的设备控制装置中具有：具有多个输入u1、u2的设备；施加单元，其对上述设备的上述输入分别施加按不同周期变化的成分p1、p2；参数计算单元，其根据上述设备的输出y使用使上述输出y之内的上述周期及其附近的输出通过的带通滤波器，来计算参数h1、h2；第1积分单元，其在上述成分p1的周期的整数倍的区间内对上述 计算出的参数h1与上述施加的成分p1相乘所得的值j 1进行积分；第2积分单元，其在上述成分p2的周期的整数倍的区间内对上述计算出的参数h2与上述施加的成分p2相乘所得的值j2进行积分；以及输入计算单元，其根据通过上述第1和第2积分单元所得到的积分值g1、g2计算上述输入u1、u2。

此外，本发明如后所述构成为，在第三方面的设备控制装置中，上述设备是内燃机，上述设备输入是点火正时，并且上述设备输出是表示上述内燃机的效率的参数。

此外，本发明如后所述构成为，在第四方面的设备控制装置中，上述设备是内燃机，上述设备输入是EGR量和增压压力，并且上述设备输出是设置在上述内燃机的排气系统内的排气传感器的输出。

在第一方面的设备控制装置中构成为：对具有输入u的设备(控制对象)施加按预定周期变化的成分p，并根据设备的输出y计算表示上述输出y的变化量的参数h，在成分p的周期的整数倍的区间内对计算出的参数h与所施加的成分p相乘所得的值j进行积分，根据所得到的积分值g计算输入u，因而通过在成分p的周期的整数倍的区间，换句话说是有限区间内进行积分，可以防止控制系统的共振并且使输出y最优化，从而可把设备输出控制在极值点。

即，在现代控制或鲁棒控制中，不能有效地控制其输出具有极值特性的设备(控制对象)的输出，而ESC能实现这一点。但是，如上所述，在ESC中，当根据变化量h计算最优输入f时，由于通过计算h和p的无限空间的相关函数来进行，因而最优输入f表现出周期性特性，由于其在控制循环内递归，因而产生p和f的共振而存在使控制系统变得不稳定的不利情况。因此，如上所述，通过在有限区间内进行积分，可以防止控制系统的共振并且使输出y最优化。

在第二方面的设备控制装置中构成为，在具有多个输入u1、u2的设备中，对各个输入施加按不同周期变化的成分p1、p2，并且根据设备的输出y使用使上述输出y之内的上述周期及其附近的输出通过的带通滤波器，来计算参数h1、h2，在成分p1的周期的整数倍的区间内对计算出的参数h1与所施加的成分p1相乘所得的值j1进行积分，在成分p2的周期的整数倍的区间内对计算出的参数h2与所施加的成分p2相乘所得的值j2进行积分，根据所得到的积分值g1、g2计算输入u1、u2，因而同样通过在成分p1、p2的周期的整数倍的区间即有限区 间内进行积分，可以防止控制系统的共振并且使输出y最优化，从而可把设备输出控制在极值点。

此外，在现代控制或鲁棒控制中，不能在使多个输入平衡的同时，有效地控制其输出具有极值特性的设备(控制对象)的输出，而ESC能实现这一点，尽管如此，在ESC中，当根据变化量h计算最优输入f时，由于是通过计算h和p的无限空间的相关函数来进行的，因而最优输入f表现出周期性特性，由于其在控制循环内递归，因而产生p和f的共振而存在使控制系统变得不稳定的不利情况。然而，如上所述，通过在有限区间内进行积分，可以防止控制系统的共振并且使输出y最优化。

在第三方面的设备控制装置中构成为，设备是内燃机，设备输入是点火正时，并且设备输出是表示内燃机的效率的参数，更具体地说是作为燃烧效率指标的指示平均有效压力Pmi，因而除了上述效果以外，还可使作为燃烧效率指标的指示平均有效压力Pmi最优化，并且即使由于内燃机的制造偏差、老化、或者燃料特性变化等而在预先设定的点火正时与最佳点火正时之间产生差异，也能补偿该差异而一直使内燃机的燃烧效率最优化。

在第四方面的设备控制装置中构成为，设备是内燃机，设备输入是EGR量和增压压力，并且设备输出是设置在内燃机的排气系统内的排气传感器的输出，因而除了上述效果以外，即使由于内燃机的制造偏差、老化、或者燃料特性变化等而使把NOx和HC等的排气的排放量设定为最小的EGR量或增压压力的平衡发生变化，也能补偿该变化而一直使内燃机的燃烧效率最优化。

附图说明

图1是示意性示出本发明第1实施例的设备控制装置的概略图。

图2是以气门驱动系统为中心更具体地示出图1所示发动机的发动机侧视图。

图3是示意性示出图1所示的可变相位机构的侧视图。

图4是图3所示的可变相位机构的正视图。

图5是示意性示出图4所示可变相位机构中的电磁制动器的结构的正视图。

图6是示出图1所示缸内压力传感器在气缸盖上的安装的说明剖面图。

图7是示出图1所示ECU的动作的流程图。

图8是把ESC应用于Pmi优化控制的情况下的框图。

图9是示出图8所示控制系统的仿真结果的数据图。

图10是示出在图8所示的控制系统中使函数f1、f2的周期与计算区间不同而计算出的相关函数的说明曲线图。

图11是示出在图8所示的控制系统中使函数f1、f2的周期与计算区间相同而计算出的相关函数的说明曲线图。

图12是示出当改良了图8所示的ESC时的结构的框图。

图13是示出在使用图12所示的改良后的ESC的情况下的仿真结果的数据图。

图14是图7所示流程图的进气量控制的子例程流程图。

图15是图14所示流程图的压缩比目标值、升程目标值以及相位目标值计算的子例程流程图。

图16是图14所示流程图的压缩比、升程以及相位控制的子例程流程图。

图17是图7所示流程图的点火控制的子例程流程图。

图18是图17所示流程图的点火ESC控制的子例程流程图。

图19是示意性示出本发明第2实施例的设备控制装置的、与图12一样的框图。

图20是示出指示平均有效压力相对于点火正时的特性的说明曲线图。

具体实施方式

以下，根据附图对用于实施根据本发明的设备控制装置的最佳方式进行说明。

实施例1

图1是示意性示出本发明第1实施例的设备控制装置的概略图。

另外，作为设备控制装置，以内燃机的控制装置，更具体地说是在内燃机中控制进气量并且控制点火正时，使得在该进气量下效率为最高的装置为例。

以下进行说明，标号10表示内燃机(以下称为“发动机”)，发动机10由4冲程4气缸的DOHC型汽油发动机构成。发动机10具有进气管12，在进气管12中从空气滤清器(未作图示)所吸引的空气流经进气歧管(未作图示)。在4个气缸(仅图示出1个)14的进气口附近配置有喷射器(燃料喷射阀)16，当通电时，向所吸引的空气中喷射燃料(汽油)。

由此产生的混合气在2个进气门(仅示出1个)20打开时流入燃烧室22内，由火花塞24点火而燃烧，把活塞26向图中的下方驱动，使曲轴30旋转。燃料产生的排气在2个排气门(同样仅示出1个)32打开时通过排气歧管和与其连接的排气系统34，由催化剂装置36净化后，排出到发动机10的外部。

在发动机10中设置有：可变升程机构40，其对进气门20和排气门32的升程(打开高度)进行可变调节；可变相位机构42，其对驱动进气门20的进气凸轮轴的相位(进气门20的开闭正时)进行可变调节；以及可变压缩比机构44，其改变活塞26的上止点(和下止点)来可变地调节压缩比。

首先对可变升程机构40进行说明。

图2是以气门驱动系统为中心更具体地示出图1所示的发动机10的、发动机10的侧视图。如图所示，在进气门20和排气门32的上方平行配置有进气凸轮轴50和排气凸轮轴52，进气凸轮轴50和排气凸轮轴52经由正时皮带等(未作图示)与曲轴30连接，并分别以曲轴30的转速的1/2转速进行旋转。

在进气凸轮轴50上安装有进气凸轮50a，并在其附近将摇臂40a配置成一端与进气凸轮50a抵接，另一端与进气门20的气门杆的末端抵接。上连杆臂40b经由连接销40b1与摇臂40a连接，另一方面，下连杆臂40c也经由连接销40c1与摇臂40a连接。上连杆臂40b经由另一个连接销40b2固定在气缸体(发动机主体)14a上。

下连杆臂40c的另一个连接销40c2与平行于曲轴30配置的可动轴(控制轴。未作图示)连接，可动轴经由减速齿轮(未作图示)与电动机40d连接。在上述结构中，通过利用电动机40d经由减速齿轮使可动轴旋转，连接上连杆臂40b的连接销40b1、40b2的线与连接下连杆臂40c的连接销40c1、40c2连接的线交叉处的旋转中心移动，从而使进气凸轮50a与摇臂40b之间的距离改变，变更(控制)进气门20的升程量。

接着对可变相位机构42进行说明，可变相位机构42与进气凸轮轴50连接。

图3是示意性示出可变相位机构42的侧视图，图4是其正视图，图5是示意性示出可变相位机构42中的电磁制动器的结构的正视图。

参照图3至图5进行说明，可变相位机构42具有行星轮机构42a和固定在气缸体14a上的电磁制动器42b。在行星轮机构42a中，齿圈42a1被固定在上述的进气凸轮轴50上。3个行星轮42a2相互隔开120度的间隔与齿圈42a1啮合。

如图4充分所示，3个行星轮42a2通过在平面视图中呈正三角形的行星架42a3相互连接，并经由行星架42a3，如图3所示，与(由曲轴30驱动的)链轮56连接。行星架42a3经由图5所示的电磁制动器42b的连接构件42b1与复位弹簧(压缩弹簧)42b2的一端连接。

太阳轮42a4与3个行星轮42a2啮合。太阳轮42a4同样被固定在图5所示的电磁制动器42b的连接部件42b3上，并经由连接部件42b3与复位弹簧42b2的另一端连接。

如图5所示，电磁制动器42b具有配置在与太阳轮42a4连接的环状的连接部件42b3的外周的、同样环状的永久磁铁42b4和配置在其外周的同样环状的电磁铁42b5。永久磁铁42b4采用交替配置有4个N极和S极磁铁片的二极结构。

电磁铁42b5也由与其对应配置的4个导电体(层叠钢板)构成，当卷绕在其上的线圈(未作图示)由未作图示的通电电路通电时，根据通电方向被励磁为N极或S极。这样，电磁制动器42b具有与直流电动机相同的结构。

复位弹簧42b2经由连接部件42b1、42b3，使太阳轮42a4相对于行星架42a3在图5中的顺时针方向上旋转，具体地说是在滞后方向，更具体地说是进气门20的打开正时(和关闭正时)相对于曲轴30的旋转延迟的方向上施力。

在可变相位机构42中，在图示的结构中，链轮56随着曲轴30的旋转而在图4的箭头a所示的方向上以其1/2转速旋转。链轮56的旋转经由行星架42a3被传递给行星轮42a2，使其在图4的箭头b所示的方向上旋转，从而使齿圈42a1和与其连接的进气凸轮轴50向与链轮56的旋转方向(箭头a)相同的方向旋转，并使太阳轮42a4向图4的箭头c所示的方向旋转。

此时，当通过对电磁铁42b5的通电，对经由连接部件42b3与太阳轮42a4连接的永久磁铁42b4的旋转进行制动时，进气凸轮轴50相对于链轮56在图5的箭头d所示的超前方向上移动与该制动力相应的量，使上述的进气凸轮50a与摇臂40a的接触时刻相对于曲轴角度提前(超前)。

因此，如果当太阳轮42a4相对旋转了预定角度时制动力与复位弹簧力平衡，则行星轮42a2停止动作，链轮56和凸轮轴50维持预定的相对角而一体旋转。即，通过制动力的增减而在超前或滞后方向上控制凸轮相位。另外，尽管省略了详细说明，然而排气凸轮轴52也与同种的可变相位机构42连接，从而可变地调节(控制)排气门32的相位(开闭正时)。

接着对可变压缩比机构44进行说明。如图2所示，活塞26的连杆26a经由连接销44a与平面视图中呈大致三角形状的第1联杆44b连接。

第1联杆44b在从连接销44a偏心的位置处具有自由旋转地收容曲轴30的孔44b1，并在一端经由连接销44b2与第2联杆44c连接。第2联杆44c在末端具有小径的连接销44c1，连接销44c1与固定于气缸体14a上的第3联杆44d的末端形成的直径更大的可动轴(控制轴)44c2偏心连接。

在图示的由第1联杆44b、第2联杆44c和第3联杆44d构成的4节联杆结构中，通过经由油压机构44e使可动轴44c2旋转，变更活塞26 的上止点(和下止点)来对燃烧室22的压缩比进行可变调节(控制)。

回到图1的说明，在曲轴30的附近配置有曲轴传感器60，该曲轴传感器输出指定4个气缸14的曲轴角度位置的气缸判别信号、表示与4个活塞26的TDC(上止点)关联的位置的TDC信号、以及按照每单位曲轴角度例如1度输出表示曲轴角度的信号(CRK信号)。

在进气凸轮轴50(图2所示)的附近配置有凸轮轴传感器62，其按照进气凸轮轴50的每预定旋转角度例如1度输出信号。此外，在可变升程机构40中，在电动机40d的减速齿轮的附近配置有由旋转编码器等构成的升程传感器64，该升程传感器通过减速后的电动机40d的旋转输出与进气门20的升程量(打开量)Liftin相应的信号。而且，在可变压缩比机构44中，在油压机构44e的附近配置有压缩比传感器66，该压缩比传感器根据油压机构44e的行程(旋转量)产生与燃烧室22的实际压缩比Cr相应的输出。

在进气管12的前端附近配置有空气流量计(AFM)68，该空气流量计输出与被吸引的空气量Q对应的信号，并且在气缸14的冷却水通路(未作图示)的附近配置有水温传感器70，该水温传感器输出表示发动机10的冷却水温TW的信号。

在配置于气缸盖14a上的火花塞24的附近夹持并压接固定有缸内压力传感器72，该缸内压力传感器产生与燃烧室22的压力(缸内压力)Pcyl成正比的输出。

如图6所示，缸内压力传感器72具有由压电元件构成的传感器元件部72a和对传感器元件部72a所生成的电压进行放大输出的放大部72b，传感器元件部72a与垫圈24b一起被夹持压接固定于拧入固定在气缸盖14a1的螺纹孔14b内的火花塞安装接合面14c与火花塞24的垫圈24a之间。

回到图1的说明，在配置于搭载有发动机10的车辆(未作图示)的驾驶座底面的油门踏板(未作图示)的附近配置有油门开度传感器74，该油门开度传感器输出与驾驶员操作的油门开度(油门踏板踩下量)AP对应的信号。

上述的传感器组的输出被输入到ECU(Electronic Control Unit：电子控制单元)80。如图所示，ECU80由微计算机构成，该微计算机由CPU80a、存储器80b、输入接口80c和输出接口80d以及未作图示的A/D转换电路、波形整形电路、计数器等构成。

曲轴传感器60等的输出由波形整形电路进行波形整形，并且空气流量计68等的输出由A/D转换电路转换成数字值。ECU80通过计数器对从曲轴传感器60输出的CRK信号进行计数，检测发动机转速NE。并且，ECU80根据CRK信号和凸轮轴传感器62的输出来检测凸轮相位Cain(进气门20的开闭正时)。

然后，ECU80对根据CRK信号、每隔曲轴角度1度通过A/D转换电路将缸内压力传感器72的放大部72b的输出转换成数字值后的值进行积分，对于各气缸计算指示平均有效压力Pmi。

ECU80根据这些值以及其他的传感器输出，如后所述，控制发动机10的进气量、燃料喷射量以及点火正时。

图7是示出该ECU80的动作的流程图。

以下进行说明，在S10中执行进气量控制。更具体地说，根据从传感器输出所检测出的发动机10的运转状态控制可变升程机构40、可变相位机构42以及可变压缩比机构44，并根据检测出的运转状态进行控制以使得发动机10的进气量为最佳。另外，S10的处理在发动机10起动时开始，以后每隔规定的时间间隔例如10msec执行。

接着进到S12，根据该进气量计算燃料喷射量来执行燃料控制，并进到S14，控制点火正时，以使在该进气量下指示平均有效压力Pmi为最大。另外，S12和S14的处理在发动机10起动时开始，以后与TDC或其附近的曲轴角度同步执行。

在对图7的流程图的动作进行详细说明之前，对本发明的课题进行说明。

如先前所述，如图20所示，指示平均有效压力相对于点火正时具有极值特性，在发动机10中，例如当把点火正时控制为MBT(MinimumSpark Advance for Best Torque：最佳扭矩的最小点火提前角)时，作为燃 烧效率指标的指示平均有效压力Pmi为最佳。以往，在进行这种控制的情况下，提出了例如在专利文献1中记载的技术，但其在控制精度和响应性方面难以充分满足，除此之外，当由于内燃机的制造偏差、老化或者燃料特性变化等而在预先设定的点火正时与最佳点火正时之间产生差异时，存在不能补偿该差异的不利情况。

另一方面，在设备(控制对象)的输出特性相对于上述的输入具有极大值/极小值的情况下，不能应用基于偏差的现代控制或鲁棒控制(包含滑模控制)，因而难以实现使上述的Pmi最优化的控制(Pmi优化控制)。

因此，作为可使这种控制对象的输出收敛于极值(极大值/极小值)的控制方法，可列举出上述的ESC。图8和式1-1至式1-7示出了把ESC应用于上述的Pmi优化控制的情况下的框图和运算式。

u(k)＝IGLOG(k)       ：控制输入(例中是点火正时)         (1-1)

＝f(k)+p(k)

y(k)＝Pmi_act(k)     ：控制输出(例中是Pmi计算值Pmi_act) (1-2)

p(k)＝A sin(ωkΔT)  ：扰动输入(Perturbation signal)    (1-3)

f(k)＝Ki(k)          ：最佳输入估计值                   (1-4)

$i\left(k\right)=\underset{l=0}{\overset{k}{\mathrm{\Σ}}}j\left(l\right)$ (1-5)

j(k)＝h(k)p(k)                                          (1-6)

h(k)＝0.5y(k)-0.5y(k-1)：Washout滤波器(例如FIR2次高通滤波器)

(1-7)

k：控制时刻

ΔT：控制周期

A：扰动输入振幅

ω：扰动输入各频率(周期T_P)

图9是示出图8所示的控制系统的仿真结果的数据图。从图9可以看出，控制输入IGLOG(＝u(k))跟随最佳值，控制输出Pmi(＝y(k))收敛于最佳值。这样，现有的ESC在仿真中具有良好的控制性。

然而，如图9所示，由于最佳输入估计值f(k)具有振动特性，因而在控制循环中存在扰动输入的频率成分的递归(循环)，在控制实际的控 制对象的情况下，产生因该频率成分的递归引起的共振，控制状态有时不稳定。该频率成分的递归是由于以下原因引起的：现有的ESC中的从h(k)到f(k)的计算过程可以说是数学上的无限区间的相关函数计算。

即，在现有的ESC中，向控制对象的输入u内混入用于检测输出变化相对于输入变化的关系的扰动输入p，求出此时的输出y的变化量h与扰动输入p的积，对该积求积分，从而计算使输出y最优的输入f。此时，由h计算f的过程是h和p的无限区间的相关函数的计算。因此，最优输入f表现出周期性特性，由于该周期性特性在控制循环内递归，因而产生p和f的共振，存在控制系统不稳定的可能性。

因此，本发明的目的是解决上述课题，提供一种可防止控制系统共振并且使输出y最优化的内燃机点火正时控制等的设备控制装置。

为了说明其解决方法，首先，对相关函数的特性进行说明。函数f1和f2的相关函数(互相关函数)F一般被定义如下。

$F\left(k\right)=\frac{1}{N+1}\underset{l=0}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}\left\{f1\left(1\right)f2\left(1\right)\right\}---(2-1)$

此时，现有的ESC(图8所示)中的从h(k)到f(k)的计算过程等价于把上式设定为N→∞的情况。

这里，f1和f2分别被定义如下。

f1(k)＝sin(ωkΔT)        (2-2)

f2(k)＝sin(ωkΔT+2π/6)  (2-3)

并且，式2-1的N被定义如下。

$\mathrm{Tp}=\frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\ω}}\≠\mathrm{N\ΔT}---(2-4)$

即，当计算使函数f1、f2的周期与相关函数的计算区间不同的情况下的相关函数时，如图10所示。从图10可以看出，在使相关函数的计算区间与函数f1、f2的周期不同的情况下，相关函数F表现出周期性变化。该周期性变化引起上述的现有ESC中的扰动输入的频率成分的递归(循环)。

在此，使相关函数F的计算区间与函数f1、f2的周期相同，即如式2-5所示。

$\mathrm{Tp}=\frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\ω}}=\mathrm{N\ΔT}---(2-5)$

此时，相关函数F的计算结果如图11所示。从图11可以看出，当使F的计算区间与f1、f2的周期相同或是整数倍(更一般地说是周期的整数倍)时，F一直为恒定值，不表现出周期性特性。因此，着眼于该相关函数的特性，把现有的ESC改良成如图12和式2-6至式2-13所示。

在现有的ESC中最佳控制输入f的积分特性(稳态偏差抑制功能)与相关函数计算的积分共有，然而在改良后的ESC中消除了这种情况，用于相关函数计算的积分使用扰动输入的周期Tp的有限区间积分。图13是示出在使用该改良后的ESC的情况下的仿真结果的图，从图13可以看出，最佳控制输入f的周期性特性被消除，没有控制系统共振的可能性。

u(k)＝IGLOG(k)         ：控制输入(例中是点火正时)            (2-6)

＝f(k)+p(k)

y(k)＝Pmi_act(k)       ：控制输出(例中是Pmi计算值Pmi_act)    (2-7)

p(k)＝A sin(ωkΔT)    ：扰动输入(Perturbation signal)       (2-8)

f(k)＝Ki(k)            ：最佳输入估计值                      (2-9)

$i\left(k\right)=\underset{l=0}{\overset{k}{\mathrm{\Σ}}}g\left(l\right)---(2-10)$

$g\left(k\right)=\underset{m=k-N+1}{\overset{k}{\mathrm{\Σ}}}j\left(m\right)$ ：有限区间相关函数计算                                           (2-11)

j(k)＝h(k)p(k)                                               (2-12)

h(k)＝0.5y(k)-0.5y(k-1)  ：Washout滤波器(例如FIR2次高通滤波器)

(2-13)

N：有限积分区间 $N=\frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\ω\ΔT}}=\frac{T_P}{\mathrm{\ΔT}}$

ΔT：控制周期

ω：扰动输入各频率(周期T_P)

这样，在本实施例的设备控制装置中，如图12所示，构成为具有：设备(发动机)10，其具有输入u；施加单元(扰动信号)100，其对上述设备施加以规定周期进行变化的成分p；参数计算单元(Washout滤波器)102，其根据上述设备的输出y计算参数h；积分单元(有限区间积分器)104，其将上述计算出的参数h与上述所施加的成分p相乘所得的值j在上述成分p的周期的整数倍的区间内进行积分；以及输入计算单元(无限区间积分器106a、乘法器106b、加法器106c)106，其根据通过上述积分所得的积分值g计算上述输入u。另外，这些单元具体地说相当于由ECU 80进行的处理。

以上述为前提回到图7所示流程图的说明，在S10中根据从传感器输出所检测出的发动机10的运转状态来控制可变升程机构40、可变相位机构42以及可变压缩比机构44，根据检测出的运转状态控制发动机10的进气量。

图14是示出该处理的子例程流程图。

以下进行说明，在S100中判断由气门驱动系统，即可变升程机构40和可变相位机构42以及可变压缩比机构44构成的3种机构中的至少任意一方是否出现了故障，当为肯定时进到S102，把对可变压缩比机构44的指令值U_Cr设定为作为最终压缩比的故障时用指令值U_Cr_fs，把对可变升程机构40的指令值U_Liftin设定为可进行缓速行驶的故障时用指令值U_Liftin_fs，把对可变相位机构42的指令值U_Cain设定为相位为滞后侧的故障时用指令值U_Cain_fs(具体地说是0(通电量零))。

当在S100中为否定时进到S104，判断发动机10是否是起动中。这通过判定检测出的发动机转速NE是否小于完爆转速来进行判断。

当在S104中为肯定时进到S106，根据检测出的发动机冷却水温TW，按照图示特性检索进气量的起动用目标值Gcyl_cmd_crk，进到S108，把检索到的值设定为进气量目标值Gcyl_cmd。

当在S104中为否定时进到S110，判断检测出的油门开度AP是否是全闭开度，即是否未踩下油门踏板。当在S110中为否定时，判断为驾驶者提出了驱动请求，之后进到S112，根据检测出的发动机转速NE和油门开度AP，按照图示特性检索进气量的驱动用目标值Gcyl_cmd_drv，进到S114，把检索到的值设定为进气量目标值Gcyl_cmd。

当在S110中为肯定时判断为处于怠速状态，之后进到S116，判断催化剂装置36的暖机时间是否已经过。当在S116中为肯定时进到S112， 同样计算进气量的驱动用目标值。另外，在该情况下，由于油门开度AP是全闭，因而与在S110中为肯定的情况相比，驱动用目标值变为低负荷侧的值，即较小的值。

当在S116中为否定时进到S118，为了促进催化剂装置36的升温，根据从发动机10起动开始的经过时间和检测出的发动机冷却水温TW，按照图示特性检索进气量的起动后用目标值Gcyl_cmd_ast，进到S120，把检索出的值设定为进气量目标值Gcyl_cmd。另外，由于图示程序是随着发动机10的起动而开始，以后每隔10msec执行，因而根据其循环次数求出从发动机10起动开始的经过时间。

接着进到S122，计算作为可变压缩比机构44、可变升程机构40以及可变相位机构42的目标值的压缩比目标值、升程目标值以及相位目标值。

图15是示出该处理的子例程流程图。

首先，根据在S200中检测出的发动机转速NE和计算出的目标进气量Gcyl_cmd，按照图示特性计算升程目标值Liftin_cmd。目标进气量越增加，即越变为高负荷侧的值，并且发动机转速NE越上升，发动机10的进气行程时间就越短，因而为了确保必要的进气量，进气门20的升程目标值也被设定成增加。

接着进到S202，根据检测出的发动机转速NE和检测出的实际升程量Liftin，按照图示特性计算相位目标值Cain_cmd。这里，相位目标值被设定成，实际升程量越增加，并且发动机转速NE越上升，则越滞后、即曲轴角度越延迟，这是因为越是高转速，在进气行程中产生的进气管内的流速在压缩行程前半部分也可维持，因此使气门开角滞后，在压缩行程前半部分中也打开进气门20，从而获得较高的填充效率。

此外，设定成在低负荷侧超前，这是为了在低负荷时可进行微小的进气量控制，并通过增加重叠量实现内部EGR量的增大和泵气损失的降低，从而进一步提高效率。

然后进到S204，同样，根据检测出的发动机转速NE和检测出的实际升程量Liftin，按照图示特性计算压缩比目标值Cr_cmd。这里，压缩比目标值被设定成实际升程量越减少则越高的值，这是为了提高燃烧稳定性。并且，压缩比目标值在低转速侧被设定为低的值，这是为了避免：在低转速侧扫气效果下降，在气缸14的内部残留废气增加而使混合气温度上升，并且由于缸内流动的下降而使火焰传播变慢，爆震余裕度降低。并且，压缩比目标值在高转速侧被设定为较低的值，这是为了减少爆震抑制所需的点火正时滞后量。

另外，在S202和S204中根据实际升程量进行计算，这是为了避免活塞26与进气门20的干涉。

回到图14所示流程图的说明，然后进到S124，执行压缩比、升程以及相位控制。即，根据上述的目标值控制可变压缩比机构44、可变升程机构40以及可变相位机构42。

图16是示出这些处理的子例程流程图。

另外，在这些控制中，为了防止由于产生相对于目标值的过冲而引起的活塞26和进气门20之间的干涉，通过简易型的二自由度滑模控制来进行。

首先，在S300中根据图示的式(a)至(d)计算升程指令值(操作量)U_Liftin。

以下进行说明，滑模控制是可指定控制量的收敛速度的响应指定型控制，而二自由度滑模控制是滑模控制的发展，是可以单独指定控制量对于目标值的跟随速度和施加了干扰时控制量的收敛速度的控制。

在二自由度滑模控制中，如式(d)所示，使用目标值跟随响应指定参数pole_f_lf，根据一次延迟滤波算法计算升程目标值的滤波值Liftin_cmd_f(k)。目标值跟随响应指定参数pole_f_lf规定控制量对目标值的跟随速度，如图所示，被设定为大于-1且小于0的值。另外，(k)是离散系统的采样编号，更具体地说是图7所示流程图的执行时刻。

然后，如式(c)所示，从升程检测值Liftin(k)中减去升程目标值的滤波值Liftin_cmd_f(k)来计算偏差E_lf(k)，然后如式(b)所示，对偏差的前次值乘以干扰抑制响应指定参数pole_lf，把由此得到的积与偏差的当前次值相加来计算切换函数σ_lf(k)。干扰抑制响应指定参数pole_lf规定当施加了干扰时的偏差E_lf的收敛速度，如图所示，被设定为大于-1且小于0的值。

接着，如式(a)所示，从对切换函数σ_lf(k)乘以第1反馈增益Krch_lf的负值所得的积中减去对切换函数σ_lf(k)的积分值乘以第2反馈增益Kadp_lf所得的积，计算升程指令值(操作量)U_Liftin。

在式(a)中，右边的第1项是用于把状态量引导到切换线上的趋近律输入，如图所示作为切换函数的比例项进行计算。并且，右边的第2项是用于在抑制稳态偏差的同时，把状态量引导到切换线上的自适应律输入，如图所示被计算为切换函数的积分项。另外，第1、第2反馈增益是通过仿真和实验等而设定的值。

同时，根据计算出的升程指令值使可变升程机构40的电动机40d工作来执行升程控制。

接着进到S302，同样根据图示的式(a)至(d)计算相位指令值(操作量)U_Cain，并根据计算出的相位指令值计算对可变相位机构42的电磁制动器42b的通电量，使其工作来执行可变相位控制。

接着进到S304，同样根据图示的式(a)至(d)计算压缩比指令值(操作量)U_Cr，并根据计算出的压缩比指令值使可变压缩比机构44的油压机构44e工作来执行压缩比控制。

另外，S302和S304中的指令值的计算本身与S300的计算没有不同，而仅是下标不同，因而省略说明。

回到图7所示流程图的说明，然后进到S12，执行燃料控制。即，根据计算出的进气量目标值Gcyl_cmd和检测出的油门开度AP检索预先设定的特性，计算燃料喷射量以使空燃比成为理论空燃比，根据计算出的燃料喷射量驱动喷射器16。

然后进到S14，执行点火控制。

图17是示出该处理的、类似于图14的子例程流程图。

以下进行说明，在S400中同样判断由气门驱动系统和可变压缩比机构44构成的3种机构中的至少任意一方是否出现了故障，当为肯定时进到S402，根据与参照图16所说明的控制类似的、简易型的-自由度滑模控制来执行失效保护(fail-safe)时的NE控制。

另外，S402的处理的意图在于，由于在失效保护时不能利用气门驱动系统进行扭矩控制，因而通过把点火正时确定成使发动机转速NE保持恒定来控制扭矩。

以下进行说明，首先，如式(c)所示，从发动机转速检测值NE(k)中减去目标发动机转速NE_fs(例如2000rpm)来计算偏差Enfs(k)，然后如式(b)所示，对偏差的前次值乘以响应指定参数pole##，把由此得到的积与偏差的当前次值相加来计算切换函数σ##(k)。

然后，如式(a)所示，从失效保护用基准点火正时Ig_fs的基本值Ig_fs_base中，减去切换函数σ##(k)与第1反馈增益Krch##之积以及切换函数的积分值与第2反馈增益Kadp##之积，来计算失效保护用基准点火正时Ig_fs。

然后进到S404，把计算出的失效保护用基准点火正时设定为点火指令值IGLOG。

另一方面，当在S400中为否定时进到S406，判断发动机10是否处于起动中。当在S406中为肯定时进到S408，把起动用点火正时Ig_crk设定为点火指令值IGLOG。

当在S406中为否定时进到S410，判断检测出的油门开度AP是否是全闭开度，当为否定时判断为驾驶员提出了驱动请求，因此进到S412，根据先前描述的点火ESC控制计算点火指令值IGLOG。

图18是示出该处理的子例程流程图。

首先在S500中根据检测出的发动机转速NE和先前计算出的进气量目标值Gcyl_cmd，按照图示特性检索(计算)基准点火正时Igbase。基准点火正时Igbase的特性被设定成，负荷(进气量目标值)越增加，则由于爆震容量减小而滞后，并且在高转速区内也根据同样的理由设定为滞后。另外，在低转速区域内设定成滞后，这是由于考虑到由火焰传播速度的延迟而引起的爆震余裕度的下降。

然后进到S502，把根据先前描述的式2-6至式2-13所得的值，具体地说是根据式2-6所得的值IGLOG置换成IGLOG’，进到S504， 如图所示，对计算出的基准点火正时Igbase加上IGLOG’，把由此得到的和设定为点火指令值IGLOG。

回到图17所示流程图的说明，当在S410中为肯定时进到S414，判断催化剂装置36的暖机时间是否已经过，当为肯定时进到S412，同样执行点火ESC控制。当在S414中为否定时进到S416，与S402的处理同样，根据参照图16所说明的简易型滑模控制来执行点火正时的反馈控制。

以下进行说明，首先，如式(c)所示，从发动机转速检测值NE(k)中减去目标发动机转速NE_ast(例如1500rpm)来计算偏差Enast(k)，然后如式(b)所示，对偏差的前次值乘以响应指定参数pole#，把由此得到的积与偏差的当前次值相加来计算切换函数σ#(k)。

然后，如式(a)所示，从起动后基准点火正时Ig_ast的基本值Ig_ast_base中，减去切换函数σ#(k)与第1反馈增益Krch#之积以及切换函数σ#(k)的积分值与第2反馈增益Kadp#之积，来计算起动后基准点火正时Ig_ast(例如5度)。接着，进到S418，把计算出的起动后基准点火正时设定为点火指令值IGLOG。

参照图12对上述进行说明，点火指令值IGLOG(k)作为输入u(k)被提供给发动机10，从而使燃烧室22的混合气点火，并根据从点火前至点火后测定出(检测出)的缸内压力Pcyl，按照每1度曲轴角度计算指示平均有效压力Pmi，计算值Pmi_act(k)作为控制输出y(k)被发送到ESC控制系统。

在ESC控制系统中，向设备(控制对象)的输入u(k)中混入用于检测输出y(k)变化相对于输入u(k)变化的关系的扰动输入p(k)(＝Asin(ωkΔt))。然后，求出此时的输出y(k)的变化量h(k)与扰动输入p(k)的积，并对求出的积进行积分，从而计算输入f(k)，以使输出y(k)最优化。更具体地说，在图示的ESC控制系统中，通过对求出的积进行积分，判定在图20所示的特性中倾斜相对于极值(MBT)在哪一方向，向着该极值，换句话说为使Pmi最佳地，使点火指令值IGLOG滞后或超前。

另外，如上所述，作为相关函数计算用的积分使用了扰动输入的周期T_P的有限区间积分，因而消除了最佳控制输入f(k)的周期性特性，抑制了控制系统共振。

在该实施例的设备控制装置中，如上所述，构成为：对具有输入u的设备(发动机10)施加按预定周期变化的成分p，并根据设备的输出y计算参数h，对于计算出的参数h与所施加的成分p相乘所得的值j，在成分p的周期的整数倍的区间内进行积分，根据所得的积分值g计算输入u，因而通过在成分p的周期的整数倍的区间，换句话说是有限区间内进行积分，可在防止控制系统共振的同时，使输出y最优化，从而可把设备的输出控制在极值点。

更具体地说，构成为：设备是发动机(内燃机)10，设备输入是点火正时，并且设备输出是表示发动机(内燃机)10的效率的参数(更准确地说是指示平均有效压力Pmi)，因而除了上述效果以外，还可使作为燃烧效率指标的指示平均有效压力Pmi最优化，并且即使由于发动机10的制造偏差、老化、或者燃料特性变化等而在预先设定的点火正时与最佳点火正时之间产生差异，也能补偿该差异而一直使内燃机的燃烧效率最优化。

实施例2

图19是示意性示出本发明第2实施例的设备控制装置的、与图12相同的框图。

在第2实施例中，作为设备控制装置，以发动机的控制装置，具体地说是在柴油发动机中通过控制EGR回流量Qegr和增压压力Pc，从而控制成使NOx排放量Mnox为最佳的装置为例。

在图中，发动机10由4缸柴油发动机构成。在发动机10中，从喷射器(未作图示)喷射出的燃料(轻油)在燃烧室内与被高压缩/高温后的吸入空气接触而自然着火、燃烧。由此产生的排气(燃烧气体)流经排气系统34而排放到发动机外。

排气系统34和进气系统(未作图示)通过EGR管(未作图示)连接来进行EGR(排气回流)，并且配置在进气系统内的压缩机(未作图示)由配置在排气系统34内的涡轮机(未作图示)驱动，利用增压压力把吸入空气压送到燃烧室。在排气系统34内配置有NOx传感器(排气传感 器)84，该NOx传感器产生与排气中的NOx成分成正比的输出。

这样，本发明不仅能应用于在第1实施例中所述的1输入1输出的设备(控制对象)，而且也能应用于根据图19所示的EGR回流量Qegr和增压压力Pc的平衡来增减由NOx传感器84检测出的NOx排放量Mnox的2输入1输出的发动机(柴油发动机)10。

在该情况下，对2个输入分别提供不同周期ω1、ω2的扰动输入，Washout滤波器(Washout filter)1、2是把ω1和ω2的频率附近作为通过频带的带通滤波器，而且计算相关函数的有限区间积分的积分区间只要设为各扰动输入的周期或其整数倍(更一般地说是周期的整数倍)即可。此时的运算式由式3-1至式3-15示出。

u1(k)＝Qegr(k)           ：控制输入(EGR量)                (3-1)

＝f1(k)+p2(k)

u2(k)＝Pc_cmd(k)         ：控制输入(目标增压)             (3-2)

＝f2(k)+p2(k)

y(k)＝Mnox(k)            ：控制输出(NOx排放量)            (3-3)

p1(k)＝A1 sin(ω1 kΔT)  ：扰动输入1(Perturbation signal)(3-4)

p2(k)＝A2 sin(ω2 kΔT)                                   (3-5)

f1(k)＝K1i1(k)           ：最佳输入估计值                 (3-6)

f2(k)＝K2i2(k)                                            (3-7)

$i1\left(k\right)=\underset{l=0}{\overset{k}{\mathrm{\Σ}}}g1\left(l\right)---(3-8)$

$i2\left(k\right)=\underset{l=0}{\overset{k}{\mathrm{\Σ}}}g2\left(l\right)---(3-9)$

$g1\left(k\right)=\underset{m=k-N1+1}{\overset{k}{\mathrm{\Σ}}}j1\left(m\right)$ ：有限区间相关函数计算                                        (3-10)

$g2\left(k\right)=\underset{m=k-N2+1}{\overset{k}{\mathrm{\Σ}}}j2\left(m\right)---(3-11)$

j1(k)＝h1(k)p1(k)                                         (3-12)

j2(k)＝h2(k)p2(k)                                         (3-13)

h1(k)＝G1(z^-1)y(k)       ：Washout滤波器                  (3-14)

h2(k)＝G2(z^-1)y(k)                                        (3-15)

N1：有限积分区间 $N=\frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\ω}1\mathrm{\ΔT}}=\frac{T_{P}1}{\mathrm{\ΔT}}$

N2：有限积分区间 $N=\frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\ω}2\mathrm{\ΔT}}=\frac{T_{P}2}{\mathrm{\ΔT}}$

ΔT：控制周期

ω1：扰动输入各频率(周期T_P1)

ω2：扰动输入各频率(周期T_P2)

K1，K2：反馈增益

G1(Z^-1)：把ω1附近作为通过频带的带通滤波器

G2(Z^-1)：把ω2附近作为通过频带的带通滤波器

这样，在第2实施例的设备控制装置中，构成为具有：设备(发动机10)，其具有多个输入u1/u2；施加单元(扰动信号1、2)100，其对上述设备的上述输入的各方施加按不同周期变化的成分p1/p2；参数计算单元(Washout滤波器1、2)102，其根据上述设备的输出y计算参数h；积分单元(有限区间积分器1、2)104，其对于上述计算出的参数h与上述所施加的成分p1/p2相乘所得的值j，在上述成分p1/p2的周期的整数倍的区间内进行积分；以及输入计算单元(无限区间积分器106a1、2，乘法器106b1、2，加法器106c1、2)106，其根据通过上述积分所得的积分值g1/g2计算上述输入u1/u2。另外，这些单元具体地说也相当于由ECU80进行的处理。

在第2实施例的设备控制装置中构成为：在具有多个输入u1/u2的设备(发动机)10中，对输入的各方施加按不同周期变化的成分p1/p2，并根据设备的输出y计算参数h，将计算出的参数h与所施加的成分p1/p2相乘所得的值j在成分p1/p2的周期的整数倍的区间内进行积分，根据所得的积分值g1/g2计算输入u1/u2，因而同样通过在成分p1/p2的周期的整数倍的区间，即有限区间内进行积分，可以防止控制系统共振并使输出y最优化，从而可把设备的输出控制在极值点。

更具体地说，本发明构成为：设备是发动机(内燃机)10，设备输入是EGR量和增压压力，并且设备输出是设置在发动机(内燃机)10的排气系统32内的NOx传感器(排气传感器84)的输出，因而除了上述效果以外，即使由于发动机10的制造偏差、老化、或者燃料特性变化等 而使把NOx和HC等的排气的排放量设定为最小的EGR量或增压压力的平衡发生变化，也能补偿该变化而一直使内燃机的燃烧效率最优化。

另外，在上述中，作为设备控制装置的1输入1输出的例子，列举出了汽油发动机中的点火正时与指示平均有效压力的关系，并且作为2输入1输出的例子，列举出了柴油发动机中的EGR回流量和增压压力之间的平衡与NOx排放量的关系，然而本发明不限于此。

此外，当然，本发明也能扩大应用于多输入1输出的设备。

此外，在图12等中使用了Washout滤波器(Washout Filter)，然而也可以是高通滤波器或带通滤波器。

此外，可变升程机构40、可变相位机构42或者可变压缩比机构44也不限于图示的机构。

此外，在第1实施例中在进气量的计算等中使用了简易型的滑模控制，然而也可以使用其他的滑模控制，而且还可以使用自适应控制或者PID控制等的其他控制算法。

此外，在第2实施例中使用了NOx传感器，然而可以是HC传感器。

产业上的利用可能性

根据本发明，可提供一种控制装置，该控制装置构成为：对具有输入u的设备施加以预定周期变化的成分p，并根据设备的输出y计算参数h，将计算出的参数h与所施加的成分p相乘所得的值j在成分p的周期的整数倍的区间内进行积分，根据所得的积分值g计算输入u，因而通过在成分p的周期的整数倍的区间，换句话说是有限区间内进行积分，可以防止控制系统共振并使输出y最优化，从而可把设备的输出控制在极值点。

Claims (4)

1.一种设备控制装置，其特征在于，该控制装置具有：设备，其具有输入u；施加单元，其对上述设备施加按预定周期变化的成分p；参数计算单元，其根据上述设备的输出y计算表示上述输出y的变化量的参数h；积分单元，其在上述成分p的周期的整数倍的区间内对上述计算出的参数h与上述所施加的成分p相乘所得的值j进行积分；以及输入计算单元，其根据通过上述积分所得到的积分值g计算上述输入u。

2.一种设备控制装置，其特征在于，该控制装置具有：设备，其具有多个输入u1、施加单元，其对上述设备的上述输入分别施加按不同周期变化的成分p1、p2；参数计算单元，其根据上述设备的输出y使 用使上述输出y之内的上述周期及其附近的输出通过的带通滤波器，来计算参数h1、h2；第1积分单元，其在上述成分

的周期的整数倍的区间内对上述计算出的参数h1与上述所施加的成分相乘所得的值j1进行积分；第2积分单元，其在上述成分p2的周期的整数倍的区间 内对上述计算出的参数h2与上述所施加的成分p2相乘所得的值j2进行 积分；以及输入计算单元，其根据通过上述第1和第2积分单元所得到的积分值g1、g2计算上述输入u1、u2。

3.根据权利要求1所述的设备控制装置，其特征在于，上述设备是内燃机，上述设备输入是点火正时，并且上述设备输出是表示上述内燃机的效率的参数。

4.根据权利要求2所述的设备控制装置，其特征在于，上述设备是内燃机，上述设备输入是EGR量和增压压力，并且上述设备输出是设置在上述内燃机的排气系统内的排气传感器的输出。

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