CN1416032A - 滑动模式控制装置及滑动模式控制方法 - Google Patents

Abstract

内燃机阀包括在完全打开位置和完全关闭位置之间可动的阀体，连接到上述阀体的电枢，推动上述阀体的一对弹簧，以及一对电磁体。每个电磁体产生吸引电枢的电磁力，从而移动阀体。发动机阀通过滑动模式进行控制。即当阀体从完全关闭位置运动到完全打开位置时，电磁体被这样控制，即阀体的状态量(位置和移动速度)会聚到一个预先设定的转换超平面。该转换超平面根据阀体的位置改变。因此，可以满足控制发动机阀所需的许多因素。

Description

滑动模式控制装置及滑动模式控制方法

技术领域

本发明涉及用于控制诸如弹簧质量系统的弹性系统的一种滑动模式控制装置及滑动模式控制方法。

背景技术

例如，日本公开特许公报No.9-217859公开了一种具有诸如电磁阀的弹簧质量系统的控制系统。在该控制系统中，包括诸如一受控物体的移动量和移动速度的状态量通过诸如比例、积分、微分(PID)控制被反馈控制，这样，上述状态量可以遵循一目标状态量。但是，例如PID控制的现有控制方法的鲁棒性(robustness)，不能可靠地保持抵抗干扰和受控物体特性变化的能力。

据此，滑动模式控制已经被应用在这样的控制系统。在滑动模式控制中，一受控物体的状态量会聚在一个转换超平面，该超平面由有利地设计的线性函数表示。而且，上述状态量被防止离开该转换超平面。

所以，该滑动模式控制保证了抵抗干扰和受控物体特性的变化的充分的鲁棒性，并且可以防止受控物体的状态量离开上述转换超平面。当该滑动模式控制确定用于控制一物体时，需要设定一满足若干需要的转换超平面。在这种情况下，这些需要可能会相互矛盾。

例如，在上述公开的电磁阀的控制中，在确定阀体的操作时，不仅稳定的操作是必须考虑的重要因素，而且减少功率消耗和防止阀体运动产生噪音也是必须考虑的重要因素。如果该滑动模式控制用于防止打开和关闭阀体产生噪音，上述转换超平面应当如下典型地设计。即，该转换超平面这样设计，当阀体，即受控物体，从一第一运动端部移动到一第二运动端部时，阀体的运动速度在其到达第二运动端部之前立即减少。但是，转换超平面的这种设计将延长阀体从第一运动端部移动到第二运动端部所需的时间。

以这种方式，设计滑动控制模式的转换超平面时，为了提高控制性能，经常考虑若干因素。但是，需要的因素经常相互矛盾。所需因素的矛盾极大地阻碍了控制性能的提高。

发明概述

因此，本发明的一个目的是提供在控制一个诸如弹簧质量系统的弹性系统时，满足没有矛盾的两个或更多要求的一种滑动模式控制装置和滑动模式控制方法。

为了实现前述目的和其他目的，并根据本发明的用途，提供了一种用于由一个弹性件推动的受控物体的滑动模式控制装置。当该受控物体从两个运动端部之一的第一运动端部移动到两个运动端部的另一个第二运动端部时，控制装置这样控制受控物体，即受控物体的状态量会聚到一个预先设定的转换超平面。该控制装置包括转换装置，其根据受控物体的位置改变转换超平面。

本发明还提供用于由一个弹性件推动的受控物体的滑动模式控制方法。该受控物体在两个运动端部之间可动。该方法包括：这样控制受控物体的状态量，即，当该受控物体从两个运动端部之一的第一运动端部移动到两个运动端部的另一个第二运动端部时，受控物体的状态量会聚到一个预先设定的转换超平面，并根据受控物体的位置改变转换超平面。

在下面的描述中，与示例地表示本发明的附图一起，可以清楚了解本发明的其他方面和益处。

附图简要说明

结合附图，参照下述优选实施例的描述可以更好地理解本发明及其目的和益处，其中：

附图1是一横剖面图，示出了根据本发明第一实施例用于发动机的阀控制装置上的滑动模式控制装置；

附图2示出了根据第一实施例的控制装置的转换超平面(switchinghyperplane)；

附图3示出了带有一间隙的电流与一控制输入的关系；

附图4是一个流程图，示出了控制本发明第一实施例的排气阀的程序；

附图5(a)至5(c)示出了根据第二实施例设定的转换超平面，其中根据本发明的滑动模式控制装置用于一发动机阀控制装置；

附图6是一个流程图，示出了控制本发明第二实施例的排气阀的程序；

附图7示出了根据第三实施例设定到达模式输入，其中根据本发明的滑动模式控制装置用于一发动机阀控制装置；

附图8示出了用于对第一到第三实施例修改的参考模型；

附图9示出了用于对第一到第三实施例修改的另一个参考模型；

附图10(a)到10(c)是时间图，示出了根据第四实施例对排气阀的控制，其中根据本发明的滑动模式控制装置用于一发动机阀控制装置；

附图11示出了用于第四实施例的参考模型；

附图12(a)到12(c)是时间图，示出了根据第四实施例改进的对排气阀的控制；

附图13(a)到13(c)是时间图，示出了根据第四实施例另一个改进的对排气阀的控制；

附图14示出了第一到第四实施例的更进一步的改进。

优选实施例详细描述

现在将描述根据本发明第一优选实施例的一滑动模式控制装置。该滑动模式控制装置用于电磁发动机阀的控制装置。

由于进气阀和排气阀基本具有相同的结构并且以相同的方式进行控制，在该实施例中将主要描述排气阀。

排气阀，是一个受控制的物体，具有一个第一弹性件和一个第二弹性件。第一弹性件推进阀体向第一端部运动。第二弹性件推进阀体向第二端部运动。一电枢连接到上述阀体上。电磁力施加到电枢上，这样阀体被选择性地吸引到第一运动端部和第二运动端部。

特别地是，如图1所示，排气阀1包括阀轴4，位于阀轴4一端的阀体2，对应于第一弹性件的下部弹簧14，对应于第二弹性件的上部弹簧24，以及在汽缸头部10中使阀轴4往复运动的电磁执行器30。

在汽缸头部10上形成有排气口18。该排气口18与燃烧室17相连通。在排气口18的开口处形成阀座16。阀体2被阀座16接收，即当阀轴4往复运动时，阀体2与阀座16分离和接触，以打开和关闭排气口18。

下部保持架12固定到阀轴4上，在对应于汽缸头部10与燃烧室17相反的位置。下部弹簧14位于下保持架12和汽缸头部10之间。阀体2在下部弹簧14的弹性力(推力)作用下沿关闭阀的方向被推动。

上部保持架22固定到阀轴4远离阀体2的端部。上端帽20位于电磁执行器30的壳体(未示出)中。上部弹簧24以压缩状态位于上部保持架22和上端帽20之间。阀体2在上部弹簧24的弹性力(推力)作用下沿打开阀的方向被推动。

电磁执行器30包括电枢34，下端芯部36C和上端芯部38C。电枢34固定到阀轴4。下端芯部36C和上端芯部38C在电枢34相反的两端。电枢34是由高导磁性材料制成的盘状件。下端芯部36C和上端芯部38C各有一个由高导磁性材料制成的环形件。该环形件在其中央接收阀轴4并允许阀轴4相对于环形件往复运动。

在下端芯部36C面向枢轴34的一侧形成一环形槽36h。槽36h的轴线与阀轴4的轴线共线。环形下部线圈36c位于槽36h中。下部线圈36c和下端芯部36C形成一打开电磁体36，用于在打开方向上移动阀体2。

在上端芯部38C面向枢轴34的一侧形成环形槽38h。槽38h的轴线与阀轴4的轴线共线。环形上部线圈38c位于槽38h中。上部线圈38c和上端芯部38C形成一关闭电磁体38，用于在关闭方向上移动阀体2。

图1示出了在电磁体36或38中没有电磁力产生的状态。在该状态，电枢34未被电磁体36、38吸引。因此电枢34保持在使弹簧14和24的推力平衡的位置。即，电枢34大致位于下端芯部36C和上端芯部38C的中间位置。图1中所示的阀体2的位置被定义为一个参考位置。

当电磁体36或38产生的电磁力作用到电枢时，电枢34被吸引到下端芯部36C或上端芯部38C。通过向电磁体36、38的线圈36c、38c提供电流产生电磁力。

在该实施例中，根据排气阀1(阀体2和阀轴4)的移动量控制电磁体36、38的线圈36c、38c中的电流。特别是，该实施例的发动机阀控制装置有一个位于上端帽20中的移动量传感器42或位置传感器42。移动量传感器42输出一电压(检测信号)，该值对应于传感器42和上部保持架22的距离。根据该电压值，传感器42检测阀体移动的位置，或阀体2相对于参考位置的移动量。利用位移量传感器42的检测结果，根据排气阀1的移动位置，进行上述电流控制。

电流控制是通过一个电控单元40(在下文中称作ECU40)进行的，它执行对整个发动机系统的各种控制。ECU40，是一个控制器，包括中央处理单元、存储器、驱动器、输入回路和模/数转换器(未示出)。驱动器向电磁体36、38的线圈36c、38c提供电流。输入回路接收位移量传感器42产生的检测信号。模/数转换器将接收到的检测信号从模拟信号转换为数字信号。

现在将描述排气阀1的操作。ECU40控制到达排气阀1的电流，从而打开和关闭排气阀1。

当排气阀1关闭时，保持电流供应到关闭电磁体38，以便将排气阀1保持在完全关闭的位置，换句话说，将阀体2保持在与阀座16接触的位置。保持电流使关闭电磁体38产生向上端芯部38C吸引电枢34的电磁力。相应的，阀体2抵抗上部弹簧24的力接触阀座16，且电枢34与上端芯部38C保持接触。

到了排气阀1需要打开的时刻，使保持电流关闭。这样，允许上部弹簧24的弹性力打开排气阀1。换句话说，电枢34朝下端芯部36C移动，且阀体2与阀座16分离并朝燃烧室17移动。

当排气阀1从完全关闭位置移动到完全打开位置时，到达打开电磁体36的电流被控制。当电枢34与下端芯部36C接触时，排气阀1达到完全打开位置。在该状态，保持电流供应到打开电磁体36，以便保持该状态。保持电流使打开电磁体36产生向下端芯部36C吸引电枢34的电磁力。相应的，阀体2抵抗下部弹簧14的力，被保持在完全打开位置。

到了排气阀1需要关闭的时刻，将排气阀1保持在完全打开位置的保持电流关闭。下部弹簧14的力使排气阀1沿关闭阀的方向移动。换句话说，阀体2向阀座16移动。

当排气阀1从完全打开位置移动到完全关闭位置时，到达关闭电磁体38的电流被控制。当阀体2与阀座16接触或排气阀1达到完全关闭位置时，保持该状态的保持电流被提供到关闭电磁体38。

在该实施例中，当阀体2从一端向另一端以这种方式运动时，到达电磁体36、38的电流通过下述滑动模式控制装置进行控制。从完全闭合位置到完全打开位置的运动和从完全打开位置到完全闭合位置的运动，电磁体36、38以同样的方式被控制。因此，下面将主要描述从完全闭合位置到完全打开位置的运动。

在该实施例中，被控物体阀体2在完全闭合位置到完全打开位置之间的一维空间(一线段)中运动。表示阀体2的动力性能的状态量包括阀体2的移动位置和移动速度。电磁执行器30是这样被控制的，在一个二维空间中其自由度是阀体2的移动位置和移动速度。阀体2的移动位置和移动速度，或阀体2的状态量会聚到一个预定的转换超平面，该预定的转换超平面被预先设定成二维线性空间中的一个线性子空间。该转换超平面根据阀体2的移动位置变化，从而根据发动机阀的控制特性满足若干需要。

特别地，定义了一个表示阀体2的状态量(移动位置和移动速度)转变的参考模型。阀体2的该状态量由上部弹簧24和下部弹簧14的推力确定。如下所述，该参考模型除了一个特别的部分外被定义为一个二次曲线。一超平面被设定为一转换超平面，该超平面接触对应于一个给定的移动位置的阀体2的参考模型的一部分。该参考模型根据阀体2的状态量的转变设定，该转变是在假设没有干扰、没有限制阀体2移动的因素(例如，摩擦力)、或没有电磁力存在的情况下预计的。在该实施例中，靠近运动的第二端部，对应于阀体2完全打开位置，参考模型没有通过二次曲线表示，而是通过一个线性函数或者一个一维超平面来表示。也就是说，该实施例的参考模型包括一个二次曲线参考模型部分和一个线性参考模型部分。二次曲线参考模型部分由一个仅通过上部弹簧24和下部弹簧14的推力确定的表示阀体2状态量转变的二次曲线表示。线性参考模型部分由一个线性函数的一直线表示。

线性参考模型部分对应于阀体2在靠近完全打开位置附近的一个移动区域，即，对应于阀体2在完全打开位置和距离完全打开位置一预定距离的位置之间的一个移动区域。在线性参考模型部分，阀体2在完全打开位置的移动速度设定为零。在对应于线性参考模型部分的阀体2移动区域，由线性参考模型部分表示的阀体2移动速度变化率小于仅由上部弹簧24和下部弹簧14的推力确定的阀体2的移动速度的变化率。换句话说，在阀体2完全打开位置的转换超平面被设定为阀体2在完全打开位置的移动速度为零的超平面，且使阀体2在完全打开位置附近的移动速度变化率小于仅由上部弹簧24和下部弹簧14的推力确定的阀体2的移动速度的变化率。

图2示出了一个建立该实施例的转换超平面的过程。如图2所示，二次参考模型部分，对应于除了靠近完全闭合位置之外的移动范围，以下述方式设定。即，二次参考模型部分由一个二次曲线表示，该二次曲线代表阀体2仅在上部弹簧24和下部弹簧14的推力作用下，从完全闭合位置向完全打开位置移动时的移动位置和移动速度的关系。在附图2中，水平轴线的零代表阀体2的参考位置。

由二次参考模型部分确定的二次曲线根据一个物理模型(参考物理模型)计算，在该物理模型中，物理系统是一个弹性体和一个可动件，弹性体包括下部弹簧14和上部弹簧24，可动件包括连接到弹性体的排气阀。如果可动件的重量，弹性体的弹性系数，以及阀体2相对于参考位置的移动量(位移量)分别用M、K和x表示，该参考物理模型系统的动力方程由下式(c1)表示：

(等式1) $M\·\stackrel{\·\·}{x}=-K\·x---\left(c1\right)$

位移量x，是该等式(c1)的解，作为一个周期函数得出。移动速度(位移速度)，位移量x的微分值，也作为一个周期函数得出。位移量和位移速度的关系由附图2所示的二次曲线表示。

如图2所示，对应于阀体2靠近完全打开部分的移动区域的线性参考模型部分，由一个线性函数的直线表示，换句话说，由一个一维超平面表示。如果将二次曲线设定为对应阀体2靠近完全打开位置的移动区域，在该移动区域，由线性参考模型部分表示的阀体2移动速度的变化率小于由二次参考模型部分表示的阀体2移动速度的变化率。

根据该参考模型，其包括线性参考模型部分和二次参考模型部分，上述转换超平面根据阀体2的移动位置(位移量)设定。因此，排气阀1控制中需要的因素得到了满足。即，除了靠近完全打开位置处，阀体2的实际运动状态随阀体2仅在弹性体的推力作用下移动时的移动状态进行控制。从而，阀体2利用包括排气阀1的物理系统的自然震动而移动。因此，缩短了阀体2从完全闭合位置到完全打开位置1运动所需的时间。

反之，在靠近完全打开位置，防止上述状态量离开移动速度变化率相对较小的超平面。这样，当电枢34接触下端芯部36C的上表面时，产生的震动减少。

排气阀1以这种方式被控制，这样，可以防止阀体2的状态量离开转换超平面，该转换超平面根据阀体2的移动位置变化。这不仅缩短了阀体2移动所需的时间，还减少了电枢34接触下端芯部36C时产生的震动。反之，如果排气阀1通过附图2中虚线所示的转换超平面进行控制来减少接触震动，阀体2移动所需的时间将延长。

为了实现滑动模式的控制，其中阀体2的状态量被防止离开转换超平面，到排气阀1的电流以下述方式被控制。

首先，对应于阀体2的位移量x(由附图2中二次参考模型的正切表示)，接触二次参考模型部分的一部分的转换超平面，以及线性参考模型部分由下式(c2)确定。

(等式2) $\stackrel{\·}{x}=a\·x+b---\left(c2\right)$

在该等式(c2)中，系数a、b是阀体2的位移量x的函数。一确定转换平面的线性函数的转换函数σ由下式(c3)确定。

(等式3) $\mathrm{\σ}=\stackrel{\·}{x}-a\·x-b---\left(c3\right)$

由该等式(c3)显而易见，转换函数σ为零的超平面是转换超平面。

除了包括下部弹簧14和上部弹簧24的弹性体和包括连接到弹性体的排气阀1的可动件，实际的物理系统被认为包括在可动件和一个支撑可动件的固定件之间的滑动电阻，和施加到电枢34上的电磁力。动力方程由下述等式(c4)表示，其中重量用M表示，弹性系数用K表示，位移量用x表示，阻尼系数用C表示，滑动模式输入用U1表示。阻尼系数C表示可动件和固定件之间的摩擦阻力。滑动模式输入U1表示在滑动模式状态下施加到电枢34的电磁力。

(等式4) $M\·\stackrel{\·\·}{x}=-K\·x-C\·\stackrel{\·}{x}+U1---\left(c4\right)$

在滑动模式状态，排气阀1的状态量被防止离开转换超平面，换句话说，即转换函数为零的超平面。因此，滑动模式输入U1基于动力方程(c4)和转换函数的微分为零的情况由下式(c5)表达。

(等式5) $U1=(C+M\·a)\·\stackrel{\·}{x}+K\·x---\left(c5\right)$

而且，当排气阀1的状态量离开转换超平面时，状态量通过一个到达模式输入Un1(反馈输入)集合到转换超平面。到达模式输入Un1由下式(c6)表达。

(等式6) $\mathrm{Un}1=G\·\frac{\mathrm{\σ}}{\left|\mathrm{\σ}\right|}---\left(c6\right)$

在该等式(c6)中，G表示反馈增益，被确定满足一到达条件。到达条件指排气阀1的状态量达到转换超平面的条件，换句话说，排气阀1的状态量遵循滑动模式的条件。在该实施例中，满足到达条件的增益G通过里亚普诺夫(Liapunov)函数法设定。即，例如，一等式V＝1/2×σ×σT被作为里亚普诺夫函数V，且增益G被这样确定，即下述等式(c7)表示的时间微分为负值。

(等式7) $\stackrel{\·}{V}={\mathrm{\σ}}^T\·\stackrel{\·}{\mathrm{\σ}}---\left(c7\right)$

在该等式(c7)中，增益G是这样确定的，即里亚普诺夫函数V的时间微分为负值。这允许转换函数σ通过利用到达模式输入Un1会聚到零。

现在将参照图4描述排气阀1的控制过程。附图4是程序流程图。该程序以预定的时间间隔重复执行。

在步骤100，ECU40确定阀体2的位移量x是否小于预定的临界值。如果结果是正的，ECU40进行步骤110。上述临界值这样确定，例如，通过打开电磁体36施加到电枢34的吸引力等于或大于一预定值。

在步骤110，ECU40根据位移量传感器42检测的阀体2的位移量x，计算转换函数σ。为执行步骤110，ECU40预先存储附图2所示的参考模型，并计算对应于阀体2的位移量x的参考模型的一部分的正切值。可选择的是，ECU40可以具有存储函数以存储与转换函数σ相关的数据(例如一个图)，例如，方程(c3)的对应于阀体2的位移量x的系数a和b。

ECU40根据计算的转换函数σ在步骤120计算滑动模式输入U1。特别是，ECU40利用基于对应于位移量x的转换函数σ的等式(c5)计算滑动模式输入U1。在步骤130，ECU40利用基于对应于位移量x的转换函数σ的等式(c6)计算到达模式输入Un1。

根据滑动模式输入U1和到达模式输入Un1，在步骤140，ECU40计算控制输入U，即施加到电枢34的电磁力。在步骤150，ECU40根据位移量传感器42检测的位移量x计算电枢34和下端芯部36C之间的间隙。在步骤160，ECU40通过利用上述间隙和控制输入U计算提供到排气阀1的控制电流I。控制电流I以下述方式计算。

即，控制电流I通过提供带有存储物理模型等式的函数的ECU40计算，上述物理模型等式定义了带有间隙的控制电流I和控制输入U的关系。施加到电枢34上的电磁力根据电枢34和下端芯部36C之间的间隙，以及提供到打开电磁体36的电流值确定。因此，得到了一个确定供应到带有间隙的电磁体36的电流(控制电流I)量与电磁力(控制输入U)的关系的物理模型等式。

ECU40可存储一如图3所示的图，其确定了带有间隙(间隙1、间隙2、…)的控制电流I与电磁力(U1、U2、…)的关系。

当控制输入U为负值时，需要向电枢34施加一个向完全关闭方向的力。但是，在通常状态，打开电磁体36向电枢34施加完全打开方向的力。因此，当控制输入U为负值时，控制电流I被设定为零。

在步骤170，控制电流I被提供到排气阀1。

上述实施例具有下述益处。

(1)转换超平面根据阀体2的位移量(移动位置)改变。因此，关于排气阀1的控制要求的数量是令人满意的。

(2)参考模型(二次参考模型部分)在假设只有上下弹簧24、14的推力作用在阀体2上的情况下，根据阀体2的移动设定。与对应于阀体2一给定的移动位置的参考模型的一部分相接触的一超平面作为对应于给定移动位置的转换超平面进行设定。因此，排气阀1利用自然震动控制，上述自然震动由包括上下弹簧24、14的重量以及可动件的重量确定。这样就缩短了阀体2移动所需的时间。

(3)参考模型对应于阀体2完全打开的部分，或线性参考模型部分，被设定为转换超平面，该转换超平面将阀体2在完全打开位置的移动速度设为零，且使阀体2在靠近完全打开位置的移动速度变化率小于仅由上下弹簧24、14的推力确定的阀体2的移动速度变化率。这样就减少了电枢34接触下端芯部36C时产生的震动。

现在将参照附图描述本发明的第二实施例。在此将主要讨论其与第一实施例的区别。

在该实施例中，当遵循附图2所示的参考模型的动力特性对排气阀1进行控制时，通过滑动模式对在参考模型状态量上的实际状态量的会聚进行控制。下面将描述这种控制。

首先，确定实际排气阀1的物理模型。该物理模型定义为一物理系统，该系统包括：弹性体和可动件，上述弹性体包括下部弹簧14和上部弹簧24，可动件包括排气阀1并连接到弹性体，上述可动件和支撑上述可动件的固定件之间的摩擦力，作用在电枢34上的电磁力，以及施加到可动件上的外部力。该系统的动力方程由下式(c8)表示，其中使用了在第一实施例中提及的重量M、弹性系数K，阀位移量x和阻尼系数C。此外，该等式(c8)包括外部力f，和施加到电枢34使电枢34遵循参考模型的动力特性的电磁力u。

(等式8) $M\·\stackrel{\·\·}{x}=-K\·x-C\·\stackrel{\·}{x}+u+f---\left(c8\right)$

该等式(c8)利用矩阵由下式(c9)表示。

(等式9) $\stackrel{\·}{X}=A\·X+B\·u---\left(c9\right)$ $A=\left[\begin{array}{cc}0& 1\\ -\frac{K}{M}& -\frac{C}{M}\end{array}\right]$ $B=\left[\begin{array}{c}0\\ -\frac{1}{M}\end{array}\right]$ $X=\left[\begin{array}{c}x\\ \stackrel{.}{x}\end{array}\right]$

物理系统的动力方程用下式(c10)表示，其中排气阀1的状态量遵循预定的参考模型。

(等式10) $\stackrel{\·}{X}m=\mathrm{Am}\·X+\mathrm{Bm}\·r---\left(c10\right)$ $X=\left[\begin{array}{c}x\\ \stackrel{.}{x}\end{array}\right]$

在该等式(c10)中，矩阵Am，向量Bm和输入r被设定为表示具有所需特性的参考模型的物理系统。特别是，附图2所示的参考模型的二次参考模型部分通过诸如对应于不带有阻尼系数C和输入u的上述等式(c8)的下述矩阵Am和Bm表示。

(等式11) $\mathrm{AM}=\left[\begin{array}{cc}0& 1\\ -\frac{\mathrm{Km}}{\mathrm{Mm}}& 0\end{array}\right]\mathrm{Bm}=\left[\begin{array}{c}0\\ 0\end{array}\right]---\left(c11\right)$

附图2所示的参考模型的线性参考模型部分用下述矩阵Am和Bm表示，其中阀体2的移动速度变化率用γ表示。

(等式12) $\mathrm{Am}=\left[\begin{array}{cc}\mathrm{\γ}& 0\\ 0& 0\end{array}\right]\mathrm{Bm}=\left[\begin{array}{c}0\\ 0\end{array}\right]---\left(c12\right)$

相似的参考模型可以通过在等式(c10)中适当地设定输入r表示，而不用等式(c11)或(c12)。

在等式(c9)和(c10)中，表示参考模型的动力特性的状态量和排气阀1的实际状态量的偏差由一个向量e(e＝Xm-X)表示。向量e设定在转换超平面上，这样排气阀1的状态量遵循以需要的方式表示的参考模型的动力特性的状态量。现在将参照图5(a)到5(c)描述该实施例的转换超平面设定过程。

附图5(a)表示阀体2的一移动区域A和一移动区域B。在区域A和B中设定的转换超平面互不相同。附图5(a)示出一例，其中阀体2从完全关闭位置移动到完全打开位置。区域A和B的边界位于靠近完全打开位置处。在完全打开位置处的区域定义为区域A，在完全关闭位置处的区域定义为区域B。附图5(b)示出一个用来在区域A设定一转换超平面的示图，附图5(c)示出一个用来在区域B设定一转换超平面的示图。如图5(b)和5(c)所示，在区域B关于偏差xm-x的时间微分的倾角设定为大于区域A的。这样就增加了在靠近完全打开位置的转换超平面的起点的会聚速度，在上述靠近完全打开位置处电磁力吸引电枢的性能提高。因此，参考模型的会聚速度在靠近完全打开位置处增加。

关于确定相应于区域A和B的转换超平面的转换函数的数据存储在ECU40中。

现在将描述施加到电枢34上的电磁力的设定程序。该电磁力是这样设定的，即排气阀1的状态量遵循参考模型的动力特性。

根据等式(c9)和(c10)，向量e的时间微分 如下表示。(等式13) $\stackrel{\·}{e}=\stackrel{\·}{X}m-\stackrel{\·}{X}=\mathrm{Am}\·\mathrm{Xm}-A\·X+\mathrm{Bm}\·r-B\·u-f$ $=\mathrm{Am}(\mathrm{Xm}-X)+(\mathrm{Am}-A)X+\mathrm{Bm}\·r-B\·u-f---\left(c13\right)$ $=\mathrm{Am}\·e+(\mathrm{Am}-A)+\mathrm{Bm}\·r-B\·u-f$

转换函数σ定义为S·e(σ＝S·e)。由于转换函数σ的时间微分在滑动模式状态下为零，所以满足下述等式。

(等式14) $\stackrel{\·}{\mathrm{\σ}}=S\stackrel{\·}{e}=S\{\mathrm{Am}\·e+(\mathrm{Am}-A)X+\mathrm{Bm}\·r-B\·u-f\}=0---\left(c14\right)$

因此，在滑动模式状态下的输入(滑动模式输入)由下式表示(c15)

(等式15)

u＝(SB)^-1S{Am·e+(Am-A)X+Bm·r-f}     (c15)

在该等式(c15)中，滑动模式输入U1通过等式(c9)和(c10)及附图5所示的转换超平面设定，并将外力f设定为零。由于外力f根据发动机的运行状态改变，所以滑动模式输入U1无需考虑外力f确定。外力f的影响通过到达模式输入吸收。

下述约束被增加到转换超平面的设定，这样实际的状态量会聚到代表参考模型动力特性的状态量。

首先，将等式(c15)替换到等式(c14)得到下述等式(c16)。

(等式16) $\stackrel{\·}{e}=\{I-B{\left(\mathrm{SB}\right)}^{-1}S\}\{\mathrm{Am}\·e+(\mathrm{Am}-A)X+\mathrm{Bm}\·r-f\}---\left(c16\right)$

匹配条件An-A＝B·K1，Bm＝B·K2，f＝B·K3被带入等式(c16)得到下述等式(c17)。

(等式17) $\stackrel{\·}{e}=\{I-B{\left(\mathrm{SB}\right)}^{-1}S\}\mathrm{Am}\·e---\left(c17\right)$

在该等式(c17)中，如果转换函数(转换矩阵S)被这样设定，即向量e，或状态量的偏差e的系数矩阵是稳定的，偏差e会聚在零。

下面将参照附图6描述该实施例排气阀1的打开操作。

附图6是打开操作的流程图。该程序以预定的间隔重复执行。

在步骤200，ECU40判断阀体2的位移量x是否等于或小于如附图4所示在步骤100的预定临界值。如果位移量等于或小于该临界值，ECU40执行步骤210。

在步骤210，ECU40判断阀体2位移量x在区域A还是B，通过位移量传感器42检测，或实际位移量x在哪个区域。ECU40从内存读出相应区域的转换函数。

在步骤220，ECU40计算一目标位移量xm和一目标位移速度

。上述目标位移量xm和目标位移速度

包括在代表目前程序中参考模型的动力特性的状态量中。目标状态量根据从启动打开控制或排气阀1开始移动到目前程序的时间来计算。在ECU40中根据等式(c10)进行计算。可选择的是，ECU40可以有一个函数，该函数为每个预定的取样时间存储一确定目标状态值的图。

在步骤230，参照转换函数，目标位移量xm和目标位移速度 及实际位移量x和实际位移速度 ，ECU40利用等式(c15)计算滑动模式输入U1。

在步骤240，ECU40利用等式(c6)参考从步骤210读取的转换函数计算到达模式输入Un1。如图4所示的步骤140到170的程序，ECU40执行步骤250到280，并暂时延缓该程序。

上述实施例有下述益处。

(4)在模型参考适应控制中，表示参考模型的动力特性的状态量和实际状态量之间的偏差被防止离开转换超平面。该转换超平面根据阀体2的位移量(移动量)变化。这样就允许阀体2的有关参考模型的动力特性的实际状态量会聚根据阀体位移量改变。因此到达阀体1的电流可以考虑通过上下弹簧24、14作用在排气阀1的力，打开和关闭电磁体36，38根据阀体2的移动位置变化。

现在将参照附图描述本发明的第三实施例。在此将主要讨论该实施例与第一和第二实施例的区别。

在上述实施例中，通过等式(c6)表示的到达模式输入Un1的反馈增益G是一个常数。在第三实施例中，上述增益G根据发动机转速NE，发动机负荷Q和阀体2的位移量x而改变。即，由于随着发动机转速NE和发动机负荷Q的增加，作用在阀体2上的扰动增加，增益G因更大的发动机转速NE和发动机负荷Q而增加。由于上下弹簧24，14推动阀体2的力在靠近完全打开位置沿关闭方向增加，增益G被增加以增大向完全打开位置移动阀体2的力。

在该实施例中，当排气阀1的实际状态量在靠近转换超平面的位置时，到达模式输入Un1被设定小于在实际状态量在另一个区域时情况，该到达模式输入Un1使得排气阀1的状态量达到转换超平面。这样就在转换函数为正值的区域和转换函数为负值的区域之间转换了到达模式输入Un1。这样防止了排气阀1的实际状态量在靠近转换超平面处产生高频震动或震荡。特别地，图7所示的一光滑函数用于该实施例中。

本实施例的到达模式输入Un1用下式(c18)表示。

(等式18) $\mathrm{Un}1=G(\mathrm{NE},Q,x)\·\frac{\mathrm{\σ}}{\left|\mathrm{\σ}\right|+\mathrm{\δ}}---\left(c18\right)$

δ＞0

该实施例具有下述益处。

(5)到达模式输入Un1的增益G被设定成根据发动机转速、发动机负荷和阀体2的位移量(移动位置)改变。因此，根据以下的因素进行控制，即考虑诸如缸内压力的作用在阀体2上的外力根据发动机运行状态而改变，及作用在电枢34上的电磁力和上下弹簧24，14作用在排气阀1的力根据位移的移动位置而改变。

(6)当排气阀1的实际状态量靠近转换超平面时，到达模式输入Un1设定的小于实际状态量在另一个区域的值。这样抑制了震荡。

上述实施例可以如下进行改动。

在附图5(a)到5(c)中，两个转换超平面根据阀体2的移动位置设定。但是，超平面的数量可以是三个或者更多。

参考模型可以采用附图2所示的方式之外的方式进行设定。例如，如图8所示，参考模型可以根据阀体2的状态量，在基于没有外力、没有限制阀体2移动的因素(例如，摩擦力)、或没有电磁力的假设的情况下的转换进行设定。换句话说，参考模型可以基于阀体2的状态量仅随上下弹簧24、14的推力而改变的假设进行设定。

二次参考模型部分可以不同于附图2所示。即，二次参考模型部分可以用任何方式设定，只要该部分根据阀体2的状态量，在基于没有外力，例如电磁力或内圆柱压力的假设的情况下的转换进行设定。例如，在设定二次参考模型部分时，可以考虑等式(c8)中有关阻尼系数C的条件。附图9示出了具有二次参考模型部分和线性参考模型部分的参考模型的修改。在除了靠近阀体2完全打开位置的区域之外，二次参考模型部分考虑上下弹簧24，14的推力和有关阻尼系数C的条件进行设定。在阀体2完全打开位置和靠近完全打开位置处，线性参考模型部分如图2所示设定。

在第三实施例中，在到达模式输入Un1为正值的排气阀1的状态量区域中，至少在转换超平面为零的区域和附近的区域，到达模式输入Un1可以设定得很小。这样可以防止排气阀1的实际状态量被控制到转换超平面时，控制输入U为负值。

图1中所示的排气阀1在打开电磁体36产生吸引电枢34的力时被控制。即，图4和6所示的控制输入U通过打开电磁体36作用在电枢34上的电磁力产生。当控制输入U为负值时，需要向电枢34施加一个朝向完全关闭位置的力。但是，在通常状态下施加电流时，打开电磁体36向电枢34施加一个朝向完全打开位置的力。因此，当控制输入U为负值时，控制电流设定为零。但是，在该实施例中，防止控制输入U具有负值。这样，排气阀1根据电磁力有利地控制。

现在将参照附图描述本发明的第四实施例。在此将主要讨论该实施例与第一到第三实施例的区别和改动。

在上述实施例和它们的改动中，描述了从完全关闭位置到完全打开位置移动阀体2的控制。但是，在该实施例中，阀体2从完全关闭位置移动到一个位置，该位置在马上要到达完全打开位置之前。而且，在其马上要达到完全打开位置之前执行保持(固定)阀体2的控制。从而，电枢34被固定到电枢34临近接触下端芯部36C之前的位置。因此，可以防止电枢34与下端芯部36C接触产生的震动和噪声。由于电枢34在排气阀1打开时与下端芯部36C不接触，所以提高了电枢34和下端芯部36C的耐久性。

附图10(a)到10(c)示出了根据本实施例的排气阀1的控制。附图10(a)是一个时间图，示出了阀体2从完全关闭位置(x0)移动到靠近完全打开位置(-x0)的一运动端部(xm)时，阀体2的运动的例子。附图10(b)示出了提供到关闭电磁体38的电流。附图10(c)示出了提供到打开电磁体36的电流。用于在完全关闭位置(x0)保持阀体2的保持电流在时间t1被停止供应到关闭电磁体38。然后，阀体2朝完全打开位置移动。从时间t2起，到打开电磁体36的电流这样控制，即电枢34被吸引到打开电磁体36。当阀体2在时间t3到达一保持控制起始位置(-x1)时，该位置略在运动端部(xm)之前，用于在运动端部(-xm)保持阀体2的保持电流被供应到打开电磁体36。

在该实施例中，附图11中所示的参考模型用于控制。即，参考模型包括二次参考模型部分和线性参考模型部分。二次参考模型部分对应于阀体2从完全关闭位置(x0)到保持控制起始位置(-x1)的移动区域。线性参考模型部分对应于阀体2从保持控制起始位置(-x1)到运动端部(-xm)的移动区域。类似附图9中所示的二次参考模型部分，该实施例的二次参考模型部分考虑上下弹簧24、14的推力和有关阻尼C的条件设定。该实施例的线性参考模型部分与附图2所示的线性参考模型部分以相同的方式设定。在附图11所示的线性参考模型部分，阀体2的移动速度在完全打开位置(-x0)之前的运动端部(-xm)设定为零。

本实施例与第二实施例采用相同的方式进行排气阀1的打开控制。即，当排气阀1被控制或进行参考模型适应控制时，排气阀1遵循附图11所示的参考模型的动力特性，实际状态量会聚在参考模型状态量的控制通过滑动模式控制进行。可选择的是，如第一实施例，滑动模式控制可以通过设定一个超平面进行，该超平面与对应于阀体2到相应于当前移动位置的转换超平面的移动位置的参考模型的一部分接触。

在该实施例中，参考模型不限于附图11中所示的一种，只要阀体2在运动端部(-xm)的移动速度为零即可。例如，类似附图2所示的二次参考模型部分，该实施例的二次参考模型部分可以根据阀体2仅由上下弹簧24、14的推力确定的状态量的转变设定。

该实施例具有下述益处。

(7)由于排气阀1被保持在完全打开位置之前的一运动端部，电枢34被防止与下端芯部36C接触。因此，可以防止电枢34与下端芯部36C接触产生的震动和噪音。而且，提高了电枢34和下端芯部36C的耐久性。

第四实施例可以如下进行修改。

例如，排气阀1可以采用附图12(a)到12(c)的方式进行控制。在附图12(a)中，一位置(xm)是阀体2与阀座16接触的位置，或阀体2完全关闭的位置。一超过完全关闭位置(xm)的位置(x0)是电枢34与上端芯部38C接触的位置。即，排气阀1这样设计，当阀体2在完全关闭位置(xm)时，电枢34与上端芯部38C不接触。因此，可以防止因电枢34与上端芯部38C碰撞产生的噪音。

如图13(a)到13(c)所示，可以执行改变阀体2提升量的控制。附图13(a)到13(c)示出了一个例子，其中阀体2被保持在比参考位置更靠近完全关闭位置的一个位置。在这种情况下，滑动模式控制通过关闭电磁体38吸引电枢34的力进行。

上述实施例可以如下进行修改。

在打开排气阀1时，除了打开电磁体36作用在电枢34上的吸引力，也可以利用作用在电枢34上的关闭电磁体38的吸引力。

满足到达条件的增益通过利用上述实施例中的里亚普诺夫函数进行设定。但是，该增益也可以利用其他方法设定，例如，到达定律方法。而且，到达方式输入可以是不同于等式(c6)或(c18)表示的输入。

在上述实施例中，阀体2被这样控制，即阀体2会聚在转换超平面的状态量由阀体2的每个移动位置确定。但是，阀体2也可以这样控制，即状态量会聚在一个对应于比阀体2目前的位置更靠近完全打开位置的位置的转换超平面。附图14示意地示出了第一实施例的一个改变。在该改变中，滑动模式控制通过利用一个转换超平面进行，该转换超平面在检测的阀体2的位移xy之后预定量的一个位移点xz。例如，在附图4的程序中，一预定位移量Δx被加到检测的实际位移量xy，且该增加后的结果可以用于步骤110到140。因此，执行响应电磁力延迟的一种控制。

滑动模式输入可以考虑作用在阀体2的外力进行计算。在排气阀1中，例如，作用在阀体2上的外力可以根据缸内压力和排气压力的差值进行计算。在进气阀中，作用在阀体上的外力可以根据缸内压力和进气压力的差值进行计算。上述缸内压力，排气压力和进气压力可以实际检测。可选择性的是，上述压力可以根据其他可检测的状态量进行估计。例如，可以从等式(c8)除去外力f，形成一弹簧质量振动模型，模拟阀体2的打开和关闭。在这种情况下，发动机的内部状态根据形成的模型进行观测。这样就允许根据检测的状态量估计外力。

发动机阀不限于图1所示的一种。例如，在每个电磁体36、38端部可以有一个永磁体，且阀体2可以通过永磁体的磁力保持在运动端部。通过相应的永磁体被保持在一个运动端部的阀体2向另一端移动时，在相应的电磁体36、38中产生与保持永磁体的磁力线方向相反的磁力线，这样，保持永磁体的磁力线被消除。在这种结构中，基于阀体2通过上下弹簧24、14的力变换的参考模型可以如所示的实施例及其修改进行设定。例如，设定参考模型时，有关阻尼系数C的条件在等式(c8)中不必要一定考虑。

若需要，下部弹簧14和上部弹簧24可以用其他形式的弹性件代替。可以省去向一个位移端部推动排气阀1的弹性件。除了吸力，可以在电枢和电磁体之间产生推力以驱动排气阀1。

排气阀1的位移量(移动位置)可以用上述位移量传感器之外的其他方式检测。例如，位移量可以通过一个检测阀体2、阀轴4或电枢34速度的传感器进行检测。在这种情况下，阀体的位移量(移动位置)通过对检测速度积分得到。

不用参考模型，转换超平面可以根据需要随阀体2的位移量改变。

本发明可以用于除了发动机阀的控制之外的控制中。特别是，一个物体通过一个弹性件从一个运动端部到另一个运动端部，本发明应用于该物体的状态量被控制会聚到一个转换超平面时十分有效。当该物体从一个运动端部移动到另一个运动端部时，该受控物体的运动区域不必是一个一维空间。物理系统的动力方程、参考模型和控制输入不限于线性函数所表示的。

因此，上述示例和实施例是示意性而非限定性的，且本发明不限于在此给出的细节，而可以在本发明所要求的范围内进行修改。

Claims (22)

1.用于由一个弹性件推进的受控物体的滑动模式控制装置，其中受控物体可以在两个运动端部之间运动，其中当该受控物体从运动端部之一的第一运动端部运动到另一个运动端部、第二运动端部时，该控制装置这样控制受控物体，即受控物体的状态量会聚到一个预先设定的转换超平面，该控制装置的特征在于：包括转换装置，该转换装置根据受控物体的位置改变转换超平面。

2.如权利要求1所述的受控装置，其特征在于，表示受控物体状态量转换的一参考模型被预先设定，且其中的转换装置将一超平面设定作为转换超平面，该超平面与对应于受控物体的位置的参考模型的一部分相接触。

3.如权利要求2所述的受控装置，其特征在于，上述状态量包括受控物体的位置和移动速度，且其中的参考模型表示受控物体的位置和移动速度的关系。

4.如权利要求2或3所述的受控装置，其特征在于，控制装置确定与表示参考模型动力特性的目标状态量和受控物体的实际状态量之间的偏差有关的转换超平面，因此使受控物体遵循参考模型的动力特性。

5.如权利要求2或3所述的受控装置，其特征在于，参考模型根据受控物体由弹性件的推力确定的状态量的转换进行设定。

6.如权利要求5所述的受控装置，其特征在于，参考模型作为靠近第二运动端部的一超平面设定。

7.如权利要求5所述的受控装置，其特征在于，参考模型包括由二次曲线表示的二次参考模型部分和由线性函数的一条直线表示的线性参考模型部分，其中二次参考模型部分对应于受控物体从第一运动端部到靠近第二运动端部的一位置之间的区域，线性参考模型部分对应于受控物体运动范围的剩余的运动区域。

8.如权利要求7所述的受控装置，其特征在于，在对应于线性参考模型部分的运动区域，由线性参考模型部分表示的受控物体的运动速度变化率小于仅由弹性件的推力确定的受控物体的运动速度变化率。

9.如权利要求2或3所述的受控装置，其特征在于，受控物体的运动范围被分成多个运动区域，其中参考模型由从一个区域改变到另一个区域的受控物体的物理特性得到。

10.如权利要求2或3所述的受控装置，其特征在于，控制装置这样控制受控物体，即受控物体的状态量会聚在对应于比受控物体当前位置更靠近第二运动端部的一个位置的一个转换超平面。

11.如权利要求1到3中任意一个所述的受控装置，其特征在于，当受控物体的状态量在靠近转换超平面的一个区域内时，与状态量在另一个区域的情况相比，控制装置减少使受控物体的状态量到达转换超平面所需的力。

12.如权利要求1到3中任意一个所述的受控装置，其特征在于，受控物体是一个内燃机的阀，且该阀包括一阀体和一个电磁操纵阀体的电磁执行器。

13.如权利要求12所述的受控装置，其特征在于，电磁执行器包括一连接到阀体的电枢，及一对电磁体，电枢位于一对电磁体之间，且每个电磁体产生吸引电枢的电磁力。

14.如权利要求13所述的受控装置，其特征在于，包括设定反馈增益的设定装置，使阀体的状态量达到转换超平面，且该设定装置至少根据发动机转速、发动机负荷和阀体位置中的一个改变反馈增益。

15.一种用于由一弹性件推动的受控物体的滑动模式控制方法，其中，该受控物体可以在两个运动端部之间运动，该方法的特征在于：

当该受控物体从运动端部之一的第一运动端部运动到另一个运动端部、第二运动端部时，这样控制受控物体，即受控物体的状态量会聚到一个预先设定的转换超平面；

根据受控物体的位置改变转换超平面。

16.如权利要求15所述的方法，其特征在于，设定一个表示受控物体状态量转换的参考模型，且其中超平面的转换包括将一个接触对应于受控物体的位置的参考模型的一部分的超平面设定作为转换超平面。

17.如权利要求16所述的方法，其特征在于，确定与表示参考模型的动力特性的目标状态量和受控物体的实际状态量之间的偏差有关的转换超平面，从而使受控物体遵循参考模型的动力特性。

18.如权利要求16或17所述的方法，其特征在于，根据由弹性件的推力确定的受控物体的状态量的转换设定参考模型。

19.如权利要求18所述的方法，其特征在于，参考模型包括由二次曲线表示的二次参考模型部分和由线性函数的一条直线表示的线性参考模型部分，其中二次参考模型部分对应于受控物体从第一运动端部到靠近第二运动端部的一位置之间的区域，线性参考模型部分对应于受控物体运动范围的剩余的运动区域。

20.如权利要求19所述的方法，其特征在于，在对应于线性参考模型部分的运动区域，由线性参考模型部分表示的受控物体的运动速度变化率小于仅由弹性件的推力确定的受控物体的运动速度变化率。

21.如权利要求16或17所述的方法，其特征在于，这样控制受控物体，即受控物体的状态量会聚在对应于比受控物体当前位置更靠近第二运动端部的一个位置的转换超平面。

22.如权利要求15到17之一所述的方法，其特征在于，当受控物体的状态量在靠近转换超平面的区域内时，与状态量在另一个区域的情况相比，减少使受控物体的状态量到达转换超平面所需的力。

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