DE69819632T2

DE69819632T2 - Steuersystem für eine Anlage

Info

Publication number: DE69819632T2
Application number: DE69819632T
Authority: DE
Inventors: Yuji Wako-shi Yasui; Yusuke Wako-shi Hasegawa; Yoshihisa Wako-shi Iwaki; Hiroshi Wako-shi Kitagawa; Shusuke Wako-shi Akazaki
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 1997-08-29
Filing date: 1998-08-20
Publication date: 2004-04-15
Anticipated expiration: 2018-08-21
Also published as: JPH1173205A; JP3304844B2; EP0899440A3; EP0899440B1; DE69819632D1; US6125831A; EP0899440A2

Description

Gebiet der Endung
Diese Erfindung betrifft ein Steuersystem für Anlagen, welches eine Anlage mit Hilfe einer Rückkopplungssteuerung auf der Basis einer adaptiven Steuertheorie steuert.
Stand der Technik
Herkömmlich ist ein Luft/Kraftstoff-Verhältnis-Steuersystem für Verbrennungsmotoren bekannt, z. B. aus US-Patent Nr. 5,636,621, in welchem ein Parameter-Einstellmechanismus adaptive Parameter berechnet und eine adaptive Steuereinheit eine Rückkopplungssteuerung des Luft/Kraftstoff-Verhältnisses einer dem Motor zugeführten Mischung auf ein gewünschtes Luft/Kraftstoff-Verhältnis durch Verwendung der adaptiven Parameter ausführt. In dem bekannten Luft/Kraftstoff-Verhältnis-Steuersystem detektiert ein Luft/Kraftstoff-Verhältnis-Sensor, der in dem Auspuffsystem des Motors angeordnet ist, das Luft/Kraftstoft-Verhältnis der Mischung und liefert ein Signal, das das detektierte Luft/Kraftstoff-Verhältnis angibt, an die adaptive Steuereinheit, welche wiederum eine dem Motor zu liefernde Kraftstoffmenge derart bestimmt, dass das detektierte Luft/Kraftstoff-Verhältnis gleich einem gewünschten Luft/Kraftstoft-Verhältnis wird. In diesem Fall ist der Verbrennungsmotor eine Anlage als ein zu steuernder Gegenstand, während die an den Motor zu liefernde Kraftstoffmenge und das gewünschte Luft/Kraftstoff-Verhältnis eine Stellgröße bzw. ein gewünschter Wert, auf welchen ein Betrieb der Anlage gesteuert werden soll, sind.
In dem Luft/Kraftstoff-Verhältnis-Steuersystem, das in der obigen Publikation offenbart ist, wird, um die adaptive Steuerung auf eine stabile Weise durchzuführen, eine Grenzprüfung eines Identifikationsfehlersignals, (das einen Abweichungsgrad der adaptiven Parameter von ihren optimalen Werten angibt) zur Verwendung bei der Berechnung der adaptiven Parameter von dem Adaptivparameter-Einstellmechanismus derart ausgeführt, dass der Wert des Signals in einen vorbestimmten Bereich fällt, der durch obere und untere Grenzwerte definiert ist.
Sogar wenn der Wert des Identifikationsfehlersignals innerhalb des vorbestimmten Bereiches liegt, wird eine Berechnung des adaptiven Parametervektors ^(k) durchgeführt, indem das Produkt des Identifikationsfehlersignals e*, multipliziert mit einer vorbestimmten Verstärkung, zu dem unmittelbar vorhergehenden Wert ^(k – 1) addiert wird, wie in der mathematischen Gleichung (8) in der obigen Publikation gezeigt ist. Folglich wird das Identifikationsfehlersignal e* in dem adaptiven Parametervektor ^ durch die Multiplikation akkumuliert. Daher kann bei dem herkömmlichen Steuersystem, wenn die adaptive Steuerung weitergeführt wird, während der Motor als der zu steuernde Gegenstand in einer gleichbleibenden und stabilen Betriebsbedingung ist, nicht verhindert werden, dass der adaptive Parametervektor ^ driftet (progressiv von dem optimalen Wert abweicht).
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Steuersystem für Anlagen bereitzustellen, welches verhindern kann, dass der adaptive Parametervektor progressiv von seinem optimalen Wert abweicht (driftet), während Zeit vergeht, sogar wenn die adaptive Steuerung kontinuierlich in einer gleichbleibenden Betriebsbedingung der Anlage ausgeführt wird, um dadurch zu ermöglichen, dass die adaptive Steuerung in einer gleichbleibenden Weise weitergeführt wird.
Um die obige Aufgabe zu erreichen, wird gemäß einem ersten Aspekt der Endung bereitgestellt ein Steuersystem für eine Anlage mit einer Detektiereinrichtung zum Detektieren einer Ausgabe der Anlage, einer adaptiven Steuereinheit zum Steuern einer Stellgröße, die angewandt wird, um die Anlage in solch einer Weise zu steuern, dass eine Ausgabe der Detektiereinrichtung gleich einem gewünschten Wert wird, und einer Adaptivparameter-Einstelleinrichtung zum Einstellen von adaptiven Parametern, die von der adaptiven Steuereinheit verwendet werden, wobei die Adaptivparameter-Einstelleinrichtung eine Identifikationsfehler-Berechnungseinrichtung zum Berechnen eines Identifikationsfehlers der adaptiven Parameter und zum Erzeugen eines Identifikationsfehlersignals, das den berechneten Identifikationsfehler angibt, und eine Einstelleinrichtung zum Einstellen der adaptiven Parameter auf der Basis des berechneten Identifikationsfehlers aufweist.
Das Steuersystem ist dadurch gekennzeichnet, dass die Adaptivparameter-Einstelleinrichtung eine nichtlineare Filtereinrichtung zum Erzeugen einer Ausgabe von 0 oder annähernd 0 als Antwort auf das Identifikationsfehlersignal, wenn der Identifikationsfehler innerhalb eines vorbestimmten Bereichs liegt, umfasst, wobei die Einstelleinrichtung die adaptiven Parameter durch Verwendung der Ausgabe der nichtlinearen Filtereinrichtung einstellt.
Vorzugsweise schließt die Adaptivparameter-Einstelleinrichtung eine Tiefpass-Filtereinrichtung zum Abschwächen von Hochfrequenzkomponenten des Identifikationsfehlersignals der Identifikationsfehlersignal-Berechnungseinrichtung ein, um eine Ausgabe des resultierenden abgeschwächten Signals zu erzeugen, wobei die Einstelleinrichtung eine Summe der Ausgabe der nichtlinearen Filtereinrichtung und der Ausgabe der Tiefpass-Filtereinrichtung verwendet, um die adaptiven Parameter einzustellen.
Besonders bevorzugt schließt die Adaptivparameter-Einstelleinrichtung eine Begrenzungseinrichtung zum Begrenzen der Ausgabe der Tiefpass-Filtereinrichtung auf einen vorbestimmten Bereich ein, wobei die Einstelleinrichtung eine Summe der Ausgabe der nichtlinearen Filtereinrichtung und eine Ausgabe der Begrenzungseinrichtung verwendet, um die adaptiven Parameter einzustellen.
Vorzugsweise ist die nichtlineare Filtereinrichtung auf solch eine Weise ausgebildet, dass es keine Diskontinuität in ihrer Eingangs-/Ausgangs-Charakteristik gibt.
Vorzugsweise schließt die Adaptivparameter-Einstelleinrichtung eine Mittelungseinrichtung zum Berechnen von Gleitmittelwerten der adaptiven Parameter ein und liefert die Gleitmittelwerte an die adaptive Steuereinheit.
Vorzugsweise ist die Anlage ein Verbrennungsmotor mit einem Auspuffsystem, wobei die Detektiereinrichtung eine Luft/Kraftstoff-Verhältnis-Detektiereinrichtung ist, die in dem Auspuffsystem angeordnet ist, um ein Luft/Kraftstoff-Verhältnis einer dem Motor zugeführten Luft/Kraftstoff-Mischung zu detektieren, wobei der gewünschte Wert ein gewünschtes Luft/Kraftstoff-Verhältnis der Luft/Kraftstoff-Mischung ist, wobei die Stellgröße eine dem Motor zuzuführende Kraftstoffmenge ist.
Besonders bevorzugt wird die Stellgröße als ein Korrekturkoeffizient berechnet, um eine einfache Kraftstoffmenge, die einer dem Motor zugeführten Einlassluftmenge entspricht, zu korrigieren.
Um die obige Aufgabe zu erreichen, ist ein Steuersystem für eine Anlage gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung dadurch gekennzeichnet, dass die Einstelleinrichtung einen Einfluss des Identifikationsfehlersignals, das in der Vergangenheit durch Verwendung eines vergessenen Faktors berechnet wird, beim Einstellen der adaptiven Parameter eliminiert.
Vorzugsweise berechnet die Einstelleinrichtung jeden der adaptiven Parameter als eine Summe eines Anfangswerts jedes der adaptiven Parameter und einer aktualisierten Komponente jedes der adaptiven Parameter.
Vorzugsweise schließt die Adaptivparameter-Einstelleinrichtung eine Mittelungseinrichtung zum Berechnen von Gleitmittelwerten der adaptiven Parameter ein und liefert die Gleitmittelwerte an die adaptive Steuereinheit.
Die obigen und andere Aufgaben und Vorteile der Erfindung werden deutlicher aus der folgenden detaillierten Beschreibung, genommen in Verbindung mit den begleitenden Zeichnungen.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist ein Blockdiagramm, das die Anordnung eines Verbrennungsmotors und ein Luft/Kraftstoff-Verhältnis-Steuersystem dafür als eine Anlage bzw. ein Steuersystem dafür gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung zeigt;
2 ist ein Blockdiagramm, das beim Erklären, wie das Luft/Kraftstoff-Verhältnis einer dem in 1 gezeigten Motor zugeführten Mischung gesteuert wird, nützlich ist;
3 ist ein Flussdiagramm, das eine Hauptroutine zum Berechnen eines adaptiven Steuerkorrekturkoeffizienten KSTR als Antwort auf eine Ausgabe eines in 1 gezeigten LAF-Sensors zeigt;
4 ist ein Flussdiagramm, das eine Unterroutine zum Ausführen eines LAF-Rückkoppiungssteuerbereich-Bestimmungsprozesses zeigt, welcher bei einem Schritt S6 in 3 ausgeführt wird;
5 ist ein Blockdiagramm, das beim Erklären, wie der adaptive Steuerkorrekturkoeffizient KSTR berechnet wird, nützlich ist;
6A und 6B sind Diagramme, die beim Erklären der verbesserten Steuerleistung nützlich sind, die sich bei einem in der ersten Ausführungsform verwendeten Steuerverfahren zeigt;
7A ist ein Blockdiagramm, das einen Adaptivparametervektor-Berechnungsabschnitt zum Berechnen eines adaptiven Parametervektors gemäß der ersten Ausführungsform zeigt;
7B ist ein Blockdiagramm, das eine Änderung des Adaptivparametervektor-Berechnungsabschnittes zeigt;
8A und 8B sind Diagramme, die zum Erklären von Charakteristiken eines in 7A gezeigten Filters nützlich sind;
8C ist ein Diagramm, das zum Erklären von Charakteristiken eines in 7B gezeigten Filters nützlich ist;
9 ist ein Flussdiagramm, das eine Unterroutine zum Berechnen des adaptiven Steuerkorrekturkoeffizienten KSTR zeigt;
10 ist ein Flussdiagramm, das eine Unterroutine zum Berechnen von adaptiven Parametern zeigt;
11 ist ein Diagramm, welches beim Erklären eines Berechnungsverfahrens von Gleitmittelwerten der adaptiven Parameter nützlich ist;
12 ist ein Diagramm, das Änderungen in adaptiven Parameterwerten und ihren Gleitmittelwerten zeigt; und
13A ist ein Blockdiagramm, das einen Adaptivparametervektor-Berechnungsabschnitt zum Berechnen des adaptiven Parametervektors zeigt, welcher in einem Steuersystem gemäß einer zweiten Ausführungsform der Endung verwendet wird; und
13B ist ein Blockdiagramm, das einen Adaptivparametervektor-Berechnungsabschnitt zum Berechnen des adaptiven Parametervektors zeigt, welcher in einem Steuersystem gemäß einer dritten Ausführungsform der Erfindung verwendet wird.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Die Erfindung wird nun im Detail mit Bezug auf die Zeichnungen beschrieben, die Ausführungsformen davon zeigen.
1 zeigt schematisch die gesamte Anordnung eines Verbrennungsmotors (im Folgenden einfach als der Motor bezeichnet) und ein Steuersystem dafür als eine Anlage bzw. ein Steuersystem für die Anlage gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung. Das heißt, in der Figur ist die Anordnung des Steuersystems für die Anlage gezeigt, in welcher die Anlage als der Motor verkörpert ist und eine Stellgröße des Steuersystems als das Luft/Kraftstoff-Verhältnis (Kraftstoffmenge) einer dem Motor zugeführten Mischung verkörpert ist.
In 1 bezeichnet die Bezugsziffer 1 einen Verbrennungsmotor vom Vier-Zylindertyp. Der Motor 1 hat ein Einlassrohr 2 mit einem Verteilerteil (Einlassverteiler) 11, der direkt mit der Verbrennungskammer jedes Zylinders verbunden ist. Ein Drosselventil 3 ist in dem Einlassrohr 2 an einer Stelle stromaufwärts des Verteilerteils 11 angeordnet. Ein Drosselventilöffnung(θTH)-Sensor 4 ist mit dem Drosselventil 3 verbunden, um ein elektrisches Signal zu erzeugen, das die gemessene Drosselventilöffnung θTH angibt, und dieses an eine elektrische Steuereinheit (im Folgenden als die ECU bezeichnet) 5 zu liefern. Das Einlassrohr 2 ist mit einer Hilfsluftpassage 6 versehen, die das Drosselventil 3 umgeht, und ein Hilfsluftmenge-Steuerventil (elektromagnetisches Ventil) 7 ist über der Hilfsluftpassage 6 angeordnet. Das Hilfsluftmenge-Steuerventil 7 ist elektrisch verbunden mit der ECU 5, um eine Öffnungsgröße durch ein Signal davon zu steuern. Ein Einlasslufttemperatur(TA)-Sensor 8 ist in das Einlassrohr 2 an einer Stelle stromaufwärts des Drosselventils 3 eingesetzt, um ein elektrisches Signal, das die gemessene Einlasslufttemperatur TA angibt, an die ECU 5 zu liefern. Das Einlassrohr 2 hat einen bauchigen Abschnitt 9 als eine Kammer, die zwischen dem Drosselventil 3 und dem Einlassverteiler 11 angeordnet ist. Ein Einlassrohrabsolutdruck(PBA)-Sensor 10 ist in der Kammer 9 angeordnet, um ein Signal, das den gemessenen Einlassrohrabsolutdruck PBA angibt, an die ECU 5 zu liefern. Ein Motorkühlmitteltemperatur(TW)-Sensor 13, welcher aus einem Thermistor oder dergleichen gebildet sein kann, ist in dem Zylinderblock des Motors 1 befestigt, der mit einem Motorkühlmittel gefüllt ist, um ein elektrisches Signal, das die gemessene Motorkühlmitteltemperatur TW angibt, an die ECU 5 zu liefern. Ein Kurbelwinkelpositionssensor 14 zum Detektieren des Drehwinkels einer Kurbelwelle, nicht gezeigt, des Motors 1 ist elektrisch verbunden mit der ECU 5, um ein elektrisches Signal, das den gemessenen Drehwinkel der Kurbelwelle angibt, an die ECU 5 zu liefern. Der Kurbelwinkelpositionssensor 14 besteht aus einem Zylinderunterscheidungssensor, einem TDC-Sensor und einem CRK-Sensor. Der Zylinderunterscheidungssensor erzeugt einen Signalimpuls (im Folgenden als ein CYL-Signalimpuls bezeichnet) an einem vorbestimmten Kurbelwinkel eines bestimmten Zylinders des Motors 1, der TDC-Sensor erzeugt einen Signalimpuls an jedem der vorbestimmten Kurbelwinkel (z. B. jedes Mal, wenn sich die Kurbelwelle um 180 Grad dreht, wenn der Motor von dem 4-Zylinder-Typ ist), welcher jeweils einem vorbestimmten Kurbelwinkel vor einem oberen Totpunkt (TDC) jedes Zylinders entsprechend dem Start des Saughubs des Zylinders entspricht, und der CRK-Sensor erzeugt einen Signalimpuls bei jedem von vorbestimmten Kurbelwinkeln (z. B. jedes Mal, wenn sich die Kurbelwelle um 30 Grad dreht) mit einer vorbestimmten Wiederholperiode kürzer als die Wiederholperiode von TDC-Signalimpulsen. Der CYL-Signalimpuls, TDC-Signalimpuls und CRK-Signalimpuls werden an die ECU 5 geliefert, welche zum Steuern von verschiedenen Timing-Arten verwendet werden, z. B. Kraftstoffeinspritztiming und Zündtiming, und um die Motordrehzahl NE zu detektieren. Kraftstoffeinspritzventile 12 sind in den Einlassverteiler 11 für jeweilige Zylinder an Stellen etwas stromaufwärts der Einlassventile, nicht gezeigt, angeordnet. Die Kraftstoffeinspritzventile 12 sind mit einer Kraftstoffpumpe, nicht gezeigt, verbunden und elektrisch mit der ECU 5 verbunden, damit das Kraftstoffeinspritztiming und die Kraftstoffeinspritzperioden (Ventilöffnungsperioden) durch Signale davon gesteuert werden. Zündkerzen, nicht gezeigt, des Motors 1 sind ebenfalls mit der ECU 5 elektrisch verbunden, um das Zündtiming θIG durch Signale davon zu steuern. Ein Auspuffrohr 16 des Motors hat ein Verteilerteil (Auspuffverteiler) 15, das direkt mit den Verbrennungskammern der Zylinder des Motors 1 verbunden ist. Ein Luft/Kraftstoff-Verhältnis-Sensor 17 mit linearem Ausgang (im Folgenden als der LAF-Sensor bezeichnet) ist in einem zusammenfließenden Abschnitt des Auspuffrohres 16 an einer Stelle unmittelbar stromabwärts des Auspuffverteilers 15 angeordnet. Weiterhin sind ein erster Drei-Wege-Katalysator (unmittelbar stromabwärtiger Drei-Wege-Katalysator) 19 und ein zweiter Drei-Wege-Katalysator (stromabwärtiger Drei-Wege-Katalysator) 20 in dem zusammenfließenden Abschnitt des Auspuffrohres 16 an Stellen stromabwärts des LAF-Sensors 17 angeordnet, um schädliche Komponenten, die in Auspuffgasen vorhanden sind, z. B. HC, CO und NOx, zu reinigen. Ein Sauerstoffkonzentrationssensor (im Folgenden als der O2-Sensor bezeichnet) 18 ist in das Auspuffrohr 16 an einer Stelle unmittelbar zwischen den Drei-Wege-Katalysatoren 19 und 20 eingefügt.
Der LAF-Sensor 17 ist mittels eines Tiefpassfilters 22 mit der ECU 5 verbunden, um die ECU 5 mit einem elektrischen Signal zu versorgen, das im Wesentlichen proportional im Wert zu der Konzentration des in Abgasen vom Motor vorhandenen Sauerstoffs (d. h. dem Luft/Kraftstoff-Verhältnis) ist. Der O2-Sensor 18 hat eine Ausgangscharakteristik, dass seine Ausgangsspannung sich drastisch ändert, wenn das Luft/Kraftstoff-Verhältnis von Abgasen des Motors sich über ein stöchiometrisches Luft/Kraftstoff-Verhältnis ändert, um ein Hochpegelsignal zu liefern, wenn die Mischung fetter als das stöchiometrische Luft/Kraftstoff-Verhältnis ist, und ein Tiefpegelsignal, wenn die Mischung magerer als dieses ist. Der O2-Sensor 18 ist elektrisch mittels eines Tiefpassfilters 23 mit der ECU 5 verbunden, um die ECU 5 mit dem hohen oder niedrigen Pegelsignal zu versorgen. Die Tiefpassfilter 22 und 23 sind zum Eliminieren von Hochfrequenzrauschkomponenten vorgesehen, und ihr Einfluss auf die Ansprechbarkeit des Luft/Kraftstoff-Verhältnis-Steuersystems ist vernachlässigbar.
Der Motor 1 schließt einen Ventilzeitänderungsmechanismus 60 ein, welcher die Ventilzeit von mindestens den Einlassventilen von den Einlassventilen und den Auslassventilen, nicht gezeigt, zwischen einer Hochgeschwindigkeit-Ventilzeit, die zum Betrieb des Motors in einem Hochgeschwindigkeit-Betriebsbereich geeignet ist, und einer Niedriggeschwindigkeit-Ventilzeit, die zum Betrieb des Motors in einem Niedriggeschwindigkeit-Betriebsbereich geeignet ist, ändert. Das Ändern der Ventilzeit schließt nicht nur Öffnungszeit und Schließzeit des Ventils, sondern auch eine Änderung der Ventilhubmenge ein, und weiterhin, wenn die Niedriggeschwindigkeit-Ventilzeit ausgewählt wird, wird eines der beiden Einlassventile deaktiviert, wodurch eine stabile Verbrennung sichergestellt wird, sogar wenn das Luft/Kraftstoff-Verhältnis der Mischung auf einen magereren Wert als das stöchiometrische Luft/Kraftstoff-Verhältnis gesteuert wird.
Der Ventilzeitänderungsmechanismus 60 ändert die Ventilzeit mittels hydraulischen Drucks, und ein elektromagnetisches Ventil zum Ändern des hydraulischen Druckes und ein hydraulischer Drucksensor, die beide nicht gezeigt sind, sind elektrisch mit der ECU 5 verbunden. Ein Signal, das den gemessenen hydraulischen Druck angibt, wird an die ECU 5 geliefert, welche wiederum das elektromagnetische Ventil zum Ändern der Ventilzeit ansteuert.
Weiterhin elektrisch verbunden mit der ECU 5 ist ein Atmosphärendruck(PA)-Sensor 21, um den Atmosphärendruck PA zu detektieren und ein Signal, das den gemessenen Atmosphärendruck PA angibt, an die ECU 5 zu liefern.
Die ECU 5 besteht aus einer Eingangsschaltung mit den Funktionen Formen der Wellenformen von Eingangssignalen der verschiedenen Sensoren, einschließlich der oben genannten, Verschieben der Spannungspegel von Sensorausgangssignalen auf einen vorbestimmten Pegel, Konvertieren von analogen Signalen der Sensoren mit analogem Ausgang in digitale Signale, usw., einer zentralen Verarbeitungseinheit (im Folgenden als die CPU bezeichnet), einer Speicherschaltung, die aus einem ROM, das verschiedene Betriebsprogramme speichert, welche von der CPU ausgeführt werden, und verschiedene Kennfelder und Tabellen speichert, auf die unten Bezug genommen wird, und einem RAM zum Speichern von Berechnungsergebnissen der CPU etc. besteht, und einer Ausgangsschaltung, welche Treibersignale an die Kraftstoffeinspritzventile 12 und andere elektromagnetische Ventile, Zündkerzen, etc. ausgibt.
Die ECU 5 arbeitet in Antwort auf die oben genannten Signale der Sensoren, um Betriebsbedingungen zu bestimmen, bei welchen der Motor 1 arbeitet, wie z. B. einen Luft/Kraftstoff-Verhältnis-Rückkopplungssteuerbereich, in welchem die Luft/Kraftstoff-Verhältnis-Rückkopplungssteuerung in Antwort auf Ausgaben des LAF-Sensors 17 und des O2-Sensors 18 ausgeführt wird, und Luft/Kraftstoff-Verhältnis-Steuerbereiche mit offenem Kreis, und berechnet auf der Basis der bestimmten Motorbetriebsbedingungen die Kraftstoffeinspritzperiode TOUT, über welche die Kraftstoffeinspritzventile 12 geöffnet werden sollen, durch Verwendung der folgenden Gleichung (1), um Signale zum Treiben der Kraftstoffeinspritzventile 12 auszugeben, auf der Basis der Berechnungsergebnisse: TOUT = TIMF × KTOTAL × KCMDM × KFB (1)wobei TIMF einen einfachen Wert der Kraftstoffeinspritzmenge TOUT, KTOTAL einen Korrekturkoeffizienten, KCMDM einen endgültigen gewünschten Luft/Kraftstoff-Verhältnis-Koeffizienten und KFB einen Rückkopplungskorrekturkoeffizienten darstellen.
2 ist ein Blockdiagramm, das beim Erklären, wie die Kraftstoffeinspritzperiode TOUT durch Verwendung der Gleichung (1) berechnet wird, nützlich ist. Mit Bezug auf die Figur werden Grundzüge, wie die Kraftstoffeinspritzperiode TOUT gemäß der vorliegenden Erfindung berechnet wird, beschrieben. Es sollte angemerkt sein, dass in der vorliegenden Ausführungsform die an den Motor zu liefernde Kraftstoffmenge aktuell berechnet wird in Termen einer Zeitperiode, über welche das Kraftstoffeinspritzventil 6 geöffnet wird (Kraftstoffeinspritzperiode), aber in der vorliegenden Beschreibung die Kraftstoffeinspritzperiode TOUT als die Kraftstoffeinspritzmenge oder die Kraftstoffmenge verstanden wird, da die Kraftstoffeinspritzperiode äquivalent zu der eingespritzten oder einzuspritzenden Kraftstoffmenge ist.
In 2 berechnet ein Block B1 die einfache Kraftstoffmenge (einfacher Wert der Kraftstoffeinspritzmenge) TIMF entsprechend einer an den Motor 1 gelieferten Einlassluftmenge. Die einfache Kraftstoffmenge TIMF wird einfach gemäß der Motordrehzahl NE und dem Einlassrohr-Absolutdruck PBA gesetzt. Jedoch ist es bevorzugt, dass ein Modell, das einen Teil des sich von dem Drosselventil 3 zu den Verbrennungskammern des Motors 1 erstreckenden Einlasssystems darstellt, im Voraus vorbereitet wird, und eine Korrektur wird an der einfachen Kraftstoffmenge TIMF in Abhängigkeit von einer Verzögerung des Einlassluftflusses, der auf der Basis des Modells erhalten wird, durchgeführt. Bei diesem bevorzugten Verfahren werden die Drosselventilöffnung θTH und der Atmosphärendruck PA auch als zusätzliche Parameter verwendet, die Betriebsbedingungen des Motors anzeigen.
Bezugsziffern B2 bis B4 bezeichnen Multiplizierblöcke, welche die einfache Kraftstoffmenge TIMF mit entsprechenden eingegebenen Parameterwerten multiplizieren und die Produktwerte liefern. Diese Blöcke führen die arithmetische Operation der Gleichung (1) aus, um dadurch die Kraftstoffeinspritzmenge TOUT zu erzeugen.
Ein Block B9 multipliziert alle zugeführten Optimalwert-Korrekturkoeffizienten, wie z. B. einen von der Motorkühlmitteltemperatur abhängigen Korrekturkoeffizienten KTW, der gemäß der Motorkühlmitteltemperatur TW gesetzt wird, einen EGR-abhängigen Korrekturkoeffizienten KEGR, der gemäß der Abgasrückzirkuiationsmenge während der Ausführung der Abgasrückzirkulation gesetzt wird, und einen reinigungsabhängigen Korrekturkoeffizienten KPUG, der gemäß einer Menge an gereinigtem verdampften Kraftstoff während der Ausführung der Reinigung durch ein Verdampfungskraftstoff-Verarbeitungssystem des Motors, nicht gezeigt, gesetzt wird, um den Korrekturkoeffizienten KTOTAL zu erhalten, welcher an den Block B2 geliefert wird.
Ein Block B21 bestimmt einen gewünschten Luft/Kraftstoff-Verhältnis-Koeffizienten KCMD auf der Basis der Motordrehzahl NE, des Einlassrohr-Absolutdruckes PBA, etc., und liefert diesen an den Block B22. Der gewünschte Luft/Kraftstoff-Verhältnis-Koeffizient KCMD ist direkt proportional zu dem Kehrwert des Luft/Kraftstoff-Verhältnisses A/F, d. h. dem Kraftstoff-Luft-Verhältnis F/A, und nimmt einen Wert von 1,0 an, wenn er äquivalent zu dem stöchiometrischen Luft/Kraftstoff-Verhältnis ist. Aus diesem Grund wird dieser Koeffizient KCMD auch als das gewünschte Äquvalentverhältnis bezeichnet. Der Block B22 korrigiert den gewünschten Luft/Kraftstoff-Verhältnis-Koeffizienten KCMD auf der Basis einer Ausgabe VMO2 des O2-Sensors 18, die über den Tiefpassfilter 23 geliefert wird, und liefert den korrigierten KCMD-Wert an Blöcke B17, B19 und B23. Der Block B23 führt eine von der Kraftstoffkühlung abhängige Korrektur des korrigierten KCMD-Wertes aus, um den endgültigen gewünschen Luft/Kraftstoff-Verhältnis-Koeffizienten KCMDM zu berechnen, und liefert diesen an den Block B3.
Ein Block B10 tastet die über den Tiefpass-Filter 22 gelieferte Ausgabe des LAF-Sensors 17 mit einer Abtastperiode synchron zur Erzeugung jedes CRK-Signalimpulses ab, speichert nachfolgend die abgetasteten Werte in einen Ringpufferspeicher, nicht gezeigt, und wählt einen der gespeicherten Werte abhängig von Betriebsbedingungen des Motors, welche zum optimalen Zeitpunkt für jeden Zylinder abgetastet waren, aus (LAF-Sensorausgabe-Auswahlverarbeitung), um den ausgewählten Wert an einen Block B17 zu liefern. Die LAF-Sensorausgabe-Auswahlverarbeitung eliminiert die Unbequemlichkeit, dass das Luft/Kraftstoff-Verhältnis, welches sich jeden Moment ändern kann, nicht genau detektiert werden kann abhängig von dem Abtastzeitpunkt der Ausgabe des LAF-Sensors 17, dass es eine Zeitverzögerung gibt, bevor von der Verbrennungskammer abgegebene Abgase den LAF-Sensor 17 erreichen, und dass die Antwortzeit des LAF-Sensors per se sich abhängig von Betriebsbedingungen des Motors ändert.
Der Block B17 berechnet einen Adaptivsteuerung-Korrekturkoeffizienten KSTR durch den Betrieb einer adaptiven Steuereinheit (selbst abstimmender Regler), der darin eingebaut ist, auf der Basis des von dem LAF-Sensor detektierten Luft/Kraftstoff-Verhältnisses und liefert den berechneten KSTR-Wert an den Block B19. Der Grund für die Verwendung der adaptiven Steuerung ist wie folgt: Wenn die einfache Kraftstoffmenge TIMF bloß mit dem gewünschten Luft/Kraftstoff-Verhältnis-Koeffizienten KCMD (KCMDM) multipliziert wird, können das resultierende gewünschte Luft/Kraftstoff-Verhältnis und folglich das aktuelle Luft/Kraftstoff-Verhältnis ungenügend aufgrund einer Antwortverzögerung des Motors werden. Die adaptive Steuerung wird verwendet, um die Antwortverzögerung des Motors dynamisch zu kompensieren, um dadurch die Robustheit der Luft/Kraftstoff-Verhältnissteuerung gegenüber äußeren Störungen zu verbessern. Der Block B19 teilt den Adaptivsteuerung-Korrekturkoeffizienten KSTR durch den gewünschten Luft/Kraftstoff-Verhältnis-Koeffizienten KCMD, um dadurch den Rückkopplungskorrekturkoeffizienten KFB zu berechnen, und liefert den berechneten KFB-Wert an den Block B4. Die Teilungsverarbeitung wird ausgeführt, um zu verhindern, dass die einfache Kraftstoffmenge TIMF doppelt mit einem Faktor, der den gewünschten Luft/Kraftstoff-Verhältnis-Koeffizienten KCMD darstellt, multipliziert wird, da der Adaptivsteuerung-Korrekturkoeffizient KSTR derart berechnet wird, dass das aktuelle Äquvalentverhältnis KACT gleich dem gewünschten Luft/Kraftstoff-Verhältniskoeffizienten KCMD wird, und folglich schließt sie einen Faktor, der dem gewünschten Luft/Kraftstoff-Verhältnis-Koeffizienten KCMD entspricht, ein.
Gemäß der vorliegenden Ausführungsform, wie sie oben beschrieben ist, wird der Adaptivsteuerung-Korrekturkoeffizient KSTR, der durch die adaptive Steuerung berechnet wird, welche auf die Ausgabe des LAF-Sensors 17 anspricht, durch den gewünschten Luft/Kraftstoff-Verhältnis-Koeffizienten KCMD geteilt, und der resultierende Quotient wird als der Korrekturkoeffizient KFB auf die Gleichung (1) angewandt, um die Kraftstoffeinspritzmenge TOUT zu berechnen. Wenn der Korrekturkoeffizient KSTR so angewandt wird, können die Empfindlichkeit der Luft/Kraftstoff-Verhältnis-Steuerung auf Änderungen des Luft/Kraftstoff-Verhältnisses und die Robustheit davon gegen äußere Störungen verbessert werden, und folglich kann die Reinigungsgeschwindigkeit der Katalysatoren verbessert werden, um gute Abgasemissionscharakteristiken des Motors in verschiedenen Betriebsbedingungen sicher zu stellen.
Bei der vorliegenden Ausführungsform sind die oben beschriebenen Funktionen der in 2 gezeigten Blöcke durch arithmetische Operationen realisiert, die von der CPU der ECU 5 ausgeführt werden, und Details der Operationen werden mit Bezug auf Programmroutinen geschrieben, die in den Zeichnungen gezeigt sind. Es sollte angemerkt sein, dass in der folgenden Beschreibung das Sufix (k) die Abtastzeit in dem vorliegenden diskreten System darstellt und beispielsweise (k) und (k – 1) anzeigen, dass Werte mit diesen Suffixen der vorliegende Wert bzw. der unmittelbar vorhergehende Wert sind. Jedoch wird das Suffix (k) weggelassen, außer wenn speziell erforderlich.
3 zeigt eine Hauptroutine zum Berechnen des Adaptivsteuerung-Korrekturkoeffizienten KFTR in Antwort auf die Ausgabe des LAF-Sensors 17. Diese Routine wird synchron zur Erzeugung von TDC-Signalimpulsen ausgeführt.
Bei einem Schritt S1 wird bestimmt, ob der Motor in einem Startmodus ist oder nicht, d. h., ob der Motor leer läuft oder nicht. Wenn der Motor im Startmodus ist, schreitet das Programm weiter zu einem Schritt S10, um eine Unterroutine für den Startmodus, nicht gezeigt, auszuführen. Wenn der Motor nicht in dem Startmodus ist, werden der gewünschte Luft/Kraftstoff-Verhältniskoeffizient (gewünschtes Äquvaleniverhältnis) KCMD und der endgültige gewünschte Luft/Kraftstoff-Verhältnis-Koeffizient KCMDM bei einem Schritt S2 berechnet, und ein LAF-Sensorausgabe-Auswahlprozess wird bei einem Schritt S3 ausgeführt. Weiterhin wird das aktuelle Äquvalentverhältnis KACT bei einem Schritt S4 berechnet. Das aktuelle Äquvalentverhältnis KACT wird erhalten, indem die Ausgabe des LAF-Sensors 17 auf einen Äquvalentverhältniswert umgewandelt wird.
Dann wird bei einem Schritt S5 bestimmt, ob der LAF-Sensor 17 aktiviert worden ist oder nicht. Diese Bestimmung wird ausgeführt, indem die Differenz zwischen der Ausgangsspannung des LAF-Sensors 17 und einer Mittelspannung davon mit einem vorbestimmten Wert (z. B. 0,4 V) verglichen wird und bestimmt wird, dass der LAF-Sensor 17 aktiviert worden ist, wenn die Differenz kleiner als der vorbestimmte Wert ist.
Dann wird bei einem Schritt S6 bestimmt, ob der Motor in einem Betriebsbereich ist, in welchem die Luft/Kraftstoff-Verhältnis-Rückkopplungssteuerung, die empfindlich auf die Ausgabe des LAF-Sensors 17 ist, ausgeführt werden soll (im Folgenden als der LAF-Rückkopplung-Steuerbereich bezeichnet), oder nicht. Genauer gesagt, es wird bestimmt, dass der Motor 1 in dem LAF-Rückkopplung-Steuerbereich ist, z. B. wenn der LAF-Sensor 17 aktiviert worden ist, aber zur gleichen Zeit weder eine Kraftstoffunterbrechung noch ein weit geöffneter Drosselbetrieb ausgeführt worden ist. Wenn bestimmt wird, dass der Motor nicht in dem LAF-Rückkopplung-Steuerbereich ist, wird ein Rücksetzkennzeichen FKLAF-RESET, welches, wenn auf 1 gesetzt, anzeigt, dass der Motor nicht in dem LAF-Rückkopplung-Steuerbereich ist, auf 1 gesetzt, wohingegen, wenn bestimmt wird, dass der Motor in dem LAF-Rückkopplung-Steuerbereich ist, das Reset-Kennzeichen FKLAF-RESET auf 0 gesetzt wird.
Bei dem folgenden Schritt S7 wird bestimmt, ob das Reset-Kennzeichen FKLAF-RESET 1 annimmt oder nicht. Wenn FKLAF-RESET = 1 gilt, schreitet das Programm weiter zu einem Schritt S8, wobei der Adaptivsteuerung-Korrekturkoeffizient KSTR auf 1,0 gesetzt wird, gefolgt von der Beendigung des Programms. Wenn andererseits FKLAF-RESET = 0 gilt, wird der Adaptivsteuerung-Korrekturkoeffizient KSTR bei einem Schritt S9 berechnet, gefolgt von der Beendigung der vorliegenden Routine.
4 zeigt eine Unterroutine zum Ausführen eines LAF-Rückkopplung-Steuerbereich-Bestimmungsprozesses, welcher bei dem Schritt S6 in 3 ausgeführt wird.
Zuerst wird bei einem Schritt S121 bestimmt, ob der LAF-Sensor 17 in einem inaktiven Zustand ist oder nicht. Wenn der LAF-Sensor 17 in dem inaktiven Zustand ist, wird bei einem Schritt S122 bestimmt, ob ein Kennzeichen FFC, welches, wenn auf 1 gesetzt, anzeigt, dass eine Kraftstoffunterbrechung ausgeführt wird, 1 annimmt oder nicht. Wenn FFC = 0 gilt, wird bei einem Schritt S123 bestimmt, ob das WOT-Kennzeichen FWOT, welches, wenn auf 1 gesetzt, anzeigt, dass der Motor in dem weit offenen Drosselzustand betrieben wird, 1 annimmt oder nicht. Wenn FWOT = 1 nicht gilt, wird bei einem Schritt 124 bestimmt, ob eine Batteriespannung VBAT, die von einem Batteriespannungssensor, nicht gezeigt, detektiert wird, niedriger als ein vorbestimmter niedriger Grenzwert VBLOW ist oder nicht. Wenn VBAT VBLOW gilt, wird bei einem Schritt 125 bestimmt, ob es eine Abweichung der LAF-Sensorausgabe von dem richtigen Wert, der dem stöchiometrischen Luft/Kraftstoff-Verhältnis entspricht, gibt oder nicht (LAF-Sensorausgabe-Abweichung). Wenn irgendeine der Antworten auf die Fragen der Schritte S121 bis S125 bejahend (JA) ist, wird das Reset-Kennzeichen FKLAF-RESET, welches, wenn auf 1 gesetzt, anzeigt, dass die Rückkopplungssteuerung auf der Basis der LAF-Sensorausgabe beendet werden sollte, bei einem Schritt S132 auf 1 gesetzt.
Wenn andererseits all die Antworten auf die Fragen der Schritte S121 bis S125 negativ (NEIN) sind, wird bestimmt, dass die Rückkopplungssteuerung auf der Basis der LAF-Sensorausgabe ausgeführt werden kann, und daher wird das Reset-Kennzeichen FKLAF-RESET bei einem Schritt S131 auf 0 gesetzt.
Als nächstes wird die Berechnung des Adaptivsteuerung-Korrekturkoeffizienten KSTR mit Bezug auf 5 beschrieben.
5 zeigt den Aufbau des Blockes B17 in 2, d. h. des selbstdrehenden Reglerblocks – (im Folgenden als der STR bezeichnet). Der STR-Block besteht aus einer STR-Steuereinheit als dem selbstdrehenden Regler zum Setzen des Adaptivsteuerung-Korrekturkoeffizienten KSTR derart, dass das aktuelle Äquvalentverhältnis KACT(k) gleich dem gewünschten Luft/Kraftstoff-Verhältnis-Koeffizienten (gewünschtes Äquivalentverhältnis) KCMD(k) wird, und einem Adaptivparameter-Einstellmechanismus als der Adaptivparameter-Einstelleinrichtung zum Setzen von adaptiven Parametern, die von der STR-Steuereinheit verwendet werden sollen.
Bekannte Einstellgesetze (Mechanismen) für eine adaptive Steuerung schließen ein Parametereinstellgesetz ein, das von Landau et al. vorgeschlagen wurde. Dieses Verfahren ist beschrieben z. B. in Computrole Nr. 27, CORONA PUBLISHING CO., LTD., Japan, Seiten 28–41, Automatic control handbook OHM, LTD., Japan, Seiten 703–707, A Survey of Model Reference Adaptive Techniques – Theory and Application, I.D. LANDAU Automatic Vol. 10, Seiten 353–379, 1974, Unification of Discrete Time Explicit Model Reference Adaptive Control Designs, I.D. LANDAU et al. Automatic Vol. 17, Nr. 4, Seiten 593–611, 1981, und Combining Model Reference Adaptive Controllers and Stochastic Selftuning Regulators, I.D. LANDAU Automatic Vol. 18, Nr. 1., Seiten 77–84, 1982. In der vorliegenden Ausführungsform wird das obige Parametereinstellgesetz, das von LANDAU et al. vorgeschlagen wurde, verwendet. Dieses Parametereinstellgesetz wird im Detail unten beschrieben: Gemäß diesem Einstellgesetz, wenn Polynome des Nenners und Zählers der Transferfunktion A(Z^–1)/B(Z^–1) des von einem diskreten System gesteuerten Objektes durch die folgenden Gleichungen (2) und (3) ausgedrückt werden, werden der adaptive Parametervektor ^T(k) und der Eingang ζT(k) an den Adaptivparameter-Einstellmechanismus definiert durch die folgenden Gleichungen (4) und (5). Die Gleichungen (4) und (5) definieren ein Beispiel einer Anlage, bei welcher m = 1, n = 1 und d = 3 gilt, d. h., ein System erster Ordnung hat eine Totzeit so lang wie drei Steuerzyklen. Das hier verwendete Symbol k zeigt an, dass der Parameter mit (k) den vorliegenden Wert hat, einer mit (k – 1) den unmittelbar vorhergehenden Wert und so fort, welches den jeweiligen Steuerzyklen entspricht. u(k) und y(k) in der Gleichung (5) entsprechen jeweils den KSTR(k)- und KACT(k)-Werten in der vorliegenden Ausführungsform.
A(z–1) = 1 + a1z–1 + ... + anz–n (2) B(z–1) = b0 + b1z–1 + ... + bmz–m (3)
Der adaptive Parametervektor ^(k) ist durch die folgende Gleichung (6) ausgedrückt: ^(k) = ^(k – 1) + Γ(k – 1)ζ(k – d)e*(k) (6) wobei die Symbole Γ(k) und e*(k) eine Verstärkungsmatrix bzw. ein Identifikationssignal darstellen und durch die folgenden Rekursionsgleichungen (7) und (8) ausgedrückt werden können:
Weiterhin ist es möglich, verschiedene spezifische Algorithmen abhängig von gesetzten Werten von λ₁(k) und λ₂(k) in der Gleichung (7) bereitzustellen. Wenn zum Beispiel λ₁(k) = 1 und λ₂(k) = λ (0 < λ < 2) gilt, wird ein progressiv abnehmender Verstärkungsalgorithmus bereitgestellt (wenn λ = 1, das Kleinstquadrateverfahren), wenn λ₁(k) = λ₁ (0 < λ₁ < 1) und λ₂(k) = λ₂ (0 < λ₂ < 2) gilt, ein variabler Verstärkungsalgorithmus (wenn λ₂ = 1, das Verfahren der gewichteten kleinsten Quadrate), und, wenn λ₁(k)/λ₂(k) = α und wenn λ₃ durch die folgende Gleichung (9) ausgedrückt wird, liefert λ₁(k) = λ₃ einen festen Spuralgorithmus. Wenn weiterhin λ₁(k) = 1 und λ₂(k) = 0 gilt, wird ein fester Verstärkungsalgorithmus erhalten. In diesem Fall, wie sich aus der Gleichung (6) klar ergibt, gilt Γ(k) = Γ(k – 1), und folglich wird Γ(k) = Γ (fester Wert) erhalten.
Weiterhin ist D(Z^–1) in der Gleichung (8) ein asymptotisch stabiles Polynom, welches von einem Systemdesigner wie gewünscht definiert werden kann, um die Konvergenz des Systems zu bestimmen. In der vorliegenden Ausführungsform ist es auf einen Wert 1,0 gesetzt.
In der Gleichung (9) ist trΓ(0) eine Spurfunktion der Matrix Γ(0), und, genauer gesagt, ist sie eine Summe (Skalar) von diagonalen Komponenten der Matrix Γ(0).
Die STR-Steuereinheit und der Adaptivparameter-Einstellmechanismus sind außerhalb des Kraftstoffeinspritzmenge-Rechnungssystems angeordnet und arbeiten, um den Adaptivsteuerung-Korrekturkoeffizienten KSTR(k) derart zu berechnen, dass das aktuelle Äquivalentverhältnis KACT(k + d) gleich dem gewünschten Äquivalentverhältnis KCMD(k) in einer adaptiven Weise wird.
Wie in 5 gezeigt, werden der Adaptivsteuerung-Korrektureffizient KSTR(k) und das aktuelle Äquivalentverhältnis KACT(k) bestimmt, welche dem Adaptivparameter-Einstellmechanismus eingegeben werden, wobei der adaptive Parametervektor ^(k) berechnet wird, um der STR-Steuereinheit eingegeben zu werden. Die STR-Steuereinheit wird auch mit dem gewünschten Äquivalentverhältnis KCMD(k) beliefert und berechnet den Adaptivsteuerung-Korrekturkoeffizienten KSTR(k) derart, dass das aktuelle Äquivalentverhältnis KACT(k + d) gleich dem gewünschten Äquivalentverhälnis KCMD(k) wird, durch Verwendung der folgenden Rekursionsgleichung (10):
Die Gleichung (10) (und die Gleichungen (4) und (5)) werden erhalten, wenn die STR-Steuereinheit auf der Annahme ausgebildet ist, dass die Totzeit d des Motors 1 als eine Anlage und der LAF-Sensor 17 als eine Einrichtung zum Detektieren der Ausgabe der Anlage so lang wie drei Steuerzyklen sind. Jedoch aufgrund einer Modifikation der Spezifikationen des Motors 1 oder des LAF-Sensors 17 kann in einigen Fällen die Totzeit d länger als drei Steuerzyklen sein. Unter der Annahme, dass zum Beispiel die Totzeit d = 5 gilt, werden der adaptive Parametervektor ^(k) und die Eingabe ζΓ(k) an den Adaptivparameter-Einstellmechanismus durch die folgenden Gleichungen (11) und (12) ausgedrückt: ^T(k) = [b0(k), r1(k), r2(k), r3(k), r4(k), r5(k), s0(k)] (11) ζT(k) = [u(k), u(k – 1), u(k – 2), u(k – 3), u(k – 4), u(k – 5), y(k)] (12)
Weiterhin wird die Gleichung zum Berechnen des Adaptivsteuerung-Korrekturkoeffizienten KSTR(k) durch die folgende Gleichung (13) ausgedrückt:
Daher steigt die Menge an arithmetischen Operationen, die erforderlich sind, um den Adaptivsteuerung-Korrekturkoeffizienten KSTR zu berechnen, auf solch ein Niveau stark an, dass es unpraktisch ist, den Koeffizienten KSTR unter Verwendung der CPU, die an dem Kraftfahrzeug zur Steuerung des Motors installiert ist, zu berechnen. Um diese Unannehmlichkeit zu eliminieren, ist in der vorliegenden Ausführungsform die Konfiguration der STR-Steuereinheit auf die Totzeit d = 3 angepasst, wie in 5 gezeigt ist, und die Abtastzeit (in der vorliegenden Erfindung wird der Betriebszyklus, in welchem der bei den arithmetischen Operationen verwendete Eingangsvektor ζ berechnet wird, als Abtastzeit bezeichnet) des Eingangsvektors ζ an den Adaptivparameter-Einstellmechanismus auf eine Periode entsprechend einer aktuellen Totzeit DACT (DACT > d, z. B. 5) gesetzt (im folgenden als „STR verringerter Ordnung" bezeichnet). Genauer gesagt, wird in den obigen Gleichungen (6) bis (8), wenn d = DACT = 3 gilt, ζ(k – d) gleich ζ(k – 3) gemacht, was ebenso der Fall mit ζ^T(k – d) ist, d. h. die transponierte Determinante von ζ(k – d), und dieses wird auf die folgende Beschreibung angewandt. Wenn jedoch die aktuelle Totzeit DACT größer als 3 ist, z. B. gleich 5, wird die STR-Steuereinheit per se auf d = 3 angepasst, und der Eingangsvektor ζ(k – d) der Gleichungen (6) bis (8) wird auf ζ(k – 5) gesetzt, welches auf die aktuelle Totzeit DACT angepasst ist. Dann wird der adaptive Parametervektor ^(k) (welcher aus Elementen b₀, s₀, r₁, r₂ und r₃, ausgenommen r₄ und r₅, besteht) auf die Gleichung (10) angewandt, um den Adaptivsteuerung-Korrekturkoeffizienten KSTR zu berechnen. In diesem Fall wird der Vektor ζ(k) durch die rechte Seite der Gleichung (5) ausgedrückt, welche natürlich d = 3 entspricht, und die Ordnungen von Termen der angewandten Gleichung werden nicht erhöht. Die Verwendung des STR verringerter Ordnung macht es möglich, die adaptive Steuerung in einer auf die aktuelle Totzeit DACT angepassten Weise auszuführen, ohne die Ordnungen von Termen der verwendeten Gleichungen in der STR-Steuereinheit und dem Adaptivparameter-Einstellmechanismus zu erhöhen, und um folglich eine hochgenaue adaptive Steuerung auszuführen, während ein Anwachsen der Menge von arithmetischen Operationen, die erforderlich sind, um den Adaptivsteuerung-Korrekturkoeffizienten KSTR zu erhalten, minimiert wird.
6A und 6B zeigen Beispiele von Änderungen in dem adaptiven Korrekturkoeffizienten KSTR und dem aktuellen Äquivalentverhältnis KACT, welche auftreten, wenn das gewünschte Äquivalentverhältnis KCMD in dem Fall geändert wurde, wo die aktuelle Totzeit DACT des gesteuerten Gegenstandes länger als drei Steuerzyklen ist. 6A zeigt einen Fall, in welchem die STR-Steuereinheit auf die Todzeit d = 3 angepasst ist, und die Abtastzeit des Eingangsvektors ζT(k) an den Adaptivparameter-Einstellmechanismus ist ebenfalls auf die Totzeit d = 3 angepasst, indem der Faktor ζ(k – d) in den Gleichungen (6) bis (8) auf ζ(k – 3) gesetzt wird, während 6B einen Fall zeigt, bei welchem die STR-Steuereinheit auf die Totzeit d = 3 angepasst ist und die Abtastzeit des Eingangsvektors ζ an den Adaptivparameter-Einstellmechanismus auf die Totzeit d = 4 angepasst ist, welche im Wesentlichen gleich der aktuellen Totzeit DACT ist, indem der Faktor ζ(k – d) in den Gleichungen (6) bis (8) auf ζ(k – 4) gesetzt wird. Wie aus diesen Figuren klar ist, ist es möglich, sogar wenn die beim Entwerfen der STR-Steuereinheit verwendete Totzeit d kleiner als die aktuelle Totzeit DACT ist, die Ansprechbarkeit und Stabilität der adaptiven Steuerung stark zu verbessern.
Im Allgemeinen ist die aktuelle Totzeit des gesteuerten Gegenstands ein analoger Wert, welcher sich kontinuierlich ändert. Jedoch muss bei der adaptiven Steuerung die Totzeit in einen diskreten oder digitalen Wert umgewandelt werden. Unter der Annahme, dass die aktuelle Totzeit zum Beispiel so lang wie 4,5 Steuerzyklen ist, ist es daher bevorzugt, den geeigneteren Wert von Werten 4 und 5 für die Totzeit durch Vergleich zwischen Steuerleistung zu wählen, die sich zeigt, wenn die Totzeit DACT auf 4 gesetzt wird, und die sich zeigt, wenn diese auf 5 gesetzt wird.
Wie oben beschrieben, kann die Verwendung des STR verringerter Ordnung die Leistung der adaptiven Steuerung erhöhen, ohne die Menge an arithmetischen Operationen zu vergrößern. Jedoch ist das Modell, das beim Entwerfen des Steuersystems angenommen wird, unterschiedlich zu dem zu steuernden aktuellen Gegenstand, so dass der adaptive Parametervektor ^ einem Driften unterworfen sein kann. Weiterhin führt die Gleichung (6), sogar wenn das Erniedrigen von Ordnungen von Gleichungen nicht ausgeführt wird, eine Akkumulation von leichten Identifikationsfehlern durch, die durch externe Störungen in dem adaptiven Parametervektor verursacht werden. Daher, solange wie der adaptive Parametervektor ^ durch Verwendung der Gleichung (6) berechnet wird, ist es unvermeidlich, dass der adaptive Parametervektor ^ driftet, wenn sich der Motor weiterhin in einer stabilen Arbeitsbedingung befindet.
Um diese Unannehmlichkeit zu eliminieren, ist bei der vorliegenden Ausführungsform zusätzlich eine Einrichtung vorgesehen, um den adaptiven Parametervektor am Driften zu hindern. Diese Einrichtung wird im Detail später beschrieben werden.
7A zeigt einen Adaptivparametervektor-Berechnungsabschnitt, der bei dem Steuersystem gemäß der vorliegenden Ausführungsform verwendet wird, um den adaptiven Parametervektor ^ zu berechnen. In der Figur stellen eid(k) und Q(k) den Identifikationsfehler bzw. die variable Verstärkung dar, welche durch die folgenden Gleichungen (14) bzw. (15) definiert sind: eid (k) = D(Z–1)y(k) – ^ T(k – 1)(k – d) (14)
Der Identifikationsfehler eid(k) entspricht dem Zähler des Identifikationsfehlersignals e* (Gleichung (8)), während die variable Verstärkung Q(k) einem Quotienten entspricht, der durch Teilen des zweiten Terms der Gleichung (6) durch den Indentifikationsfehler eid(k) erhalten wird. Wenn der Identifikationsfehler eid und die variable Verstärkung Q(k) verwendet werden, wird der adaptive Parametervektor ^(k) durch die folgende Gleichung (16) ausgedrückt: ^(k) = ^(k – 1) + Q(k)eid(k) (16)
Wein 7A gezeigt ist, wird der Identifikatiosfehler eid(k) einem nichtlinearen Filter B51 eingegeben, und eine Ausgabe eida(k) davon wird mittels eines Multiplizierers B52 einem Integrator B53 eingegeben. Der nichtlineare Filter B51 hat eine Eingang/Ausgang-Charakteristik, z. B. wie in 8A gezeigt. Genauer gesagt, wenn –η ≤ eid ≤ η gilt (η stellt einen vorbestimmten Wert dar, der empirisch erhalten wird), was bedeutet, dass eid in die durch –η und η definierte Totzone fällt, wird der Ausgang eida gleich 0 gesetzt, und, wenn der Identifikationsfehler eid außerhalb der Totzone liegt, wird der Ausgang eida gleich dem Eingang eida gesetzt.
Die bei den Blöcken B52 und B53 ausgeführten arithmetischen Operationen entsprechen denen, die durch Verwendung der Gleichung (16) ausgeführt werden, in welcher eid(k) durch eida(k) ersetzt wird.
In der vorliegenden Ausführungsform wird der Prozess des nichtlinearen Filters B51 zusätzlich ausgeführt. Als ein Ergebnis, wenn der Motor in eine gleichbleibende Betriebsbedingung eintritt und eine Identifikation des adaptiven Parametervektors ^ im Wesentlichen beendet ist, fällt der Identifikationsfehler eid in die zwischen –η und +η definierte Totzone, so dass die Ausgabe eida des Blockes B51 gleich 0 ist, welches leichte Identifikationsfehler verhindert, die durch Differenzen in Charakteristiken zwischen dem beim Entwerfen des Steuersystems angenommenen Modells und der aktuellen Anlage verursacht werden, und verhindert, dass externe Störungen in dem adaptiven Parametervektor ^ akkumuliert werden, um dadurch ein Driften des adaptiven Parametervektors ^ zu verhindern.
Die Eingang/Ausgang-Charakteristik des in 8A gezeigten nichtlinearen Filters B51 zeigt eine Diskontinuität, während sich der Eingang eid über –η oder η ändert, welches eine drastische Änderung in dem Vektor θ bewirkt, wenn der Identifikationsfehler eid über die Totzone hinausgeht. Um diese Unannehmlichkeit zu eliminieren, ist es bevorzugt, dass der nichtlineare Filter B51 eine Eingang/Ausgang-Charakteristik hat, die frei von Diskontinuitäten ist, wie z. B. in 8B gezeigt ist. Das heißt, wenn –η 5 eid ≤ η gilt, wird der Ausgang eida auf 0 gesetzt, während, wenn eid > η gilt, dieses auf eid –η gesetzt wird und, wenn eid < –η gilt, dieses auf eid +η gesetzt wird.
Weiterhin ist die Anordnung von 7A, bei weicher der nichtlineare Filter B51 allein addiert wird, einem Auftreten eines gleichbleibenden Zustandsfehlers der adaptiven Steuerung (Differenz zwischen dem gewünschten Äquvalentverhältnis KCMD und dem aktuellen Äquvalentverhältnis KACT) unterworden. Dies ist der Fall, weil der Identifikationsfehler in der Totzone nicht auf den adaptiven Parametervektor ^ reflektiert.
Um diese Unannehmlichkeit zu überwinden, ist es wünschenswert, das Blöcke B61 bis B66 zusätzlich vorgesehen sind, wie in 7B gezeigt ist. Multiplizieren B61, B64, ein Addieren B62 und ein Verzögerer B63 bilden einen Verzögerungsfilter erster Ordnung (Tiefpassfilter). Der Ausgang eidf dieses Filters hat seinen Pegel durch einen Begrenzungsfilter B65 begrenzt und wird zu dem Ausgang eida des nichtlinearen Filters B51 durch einen Addierer B66 addiert. Der Ausgang des Addierers B66 wird dem Multiplizieren B52 eingegeben.
Der Ausgang eidf des Verzögerungsfilters erster Ordnung wird durch die folgende Gleichung (17) ausgedrückt: eidf = CLF × eidfa (k – 1) + (1 – CLF) × eid(k) (17)wobei CLF einen Mittelungskoeffizienten darstellt, welcher auf einen Wert kleiner als 1, aber sehr nahe bei 1, z. B. „0,988", gesetzt wird. Mit anderen Worten ist der Koeffizient CLF vorgesehen, um die Abschneidefrequenz des Tiefpassfüters auf einen Wert nahe bei 0 zu setzen.
Der Begrenzungsfilter B65 bildet einen Begrenzer mit einer Charakteristik, wie sie in 8C gezeigt ist. Genauer gesagt, wenn die Ausgabe eidf des Verzögerungfilters erster Ordnung, welche diesem Begrenzer eingegeben wird, kleiner als –η ist, wird eine Ausgabe eidfa des Begrenzers auf –η gesetzt, wohingegen, wenn die Ausgabe idf größer als η ist, die Ausgabe eidfa auf η gesetzt wird. Wenn –η ≤ eid ≤ η gilt, wird eidfa auf eidf gesetzt.
Bei einer in 7B gezeigten Variation wird eine gleichbleibende Zustandsfehlerkomponente des Identifikationsfehlers eid durch den Tiefpassfilter mit einer Abschneidefrequenz nahe bei 0 extrahiert und zu der Ausgabe eida des nichtlinearen Filters B51 addiert. Als ein Ergebnis wird die Fehlerkomponente des gleichbleibenden Zustands in dem Identifikationsfehler eid auf den adaptiven Parametervektor ^ reflektiert, um dadurch den Fehler des gleichbleibenden Zustands der adaptiven Steuerung (Fehler des gleichbleibenden Zustands zwischen dem gewünschten Äquvalentverhältnis KCMD und dem aktuellen Äquvalentverhältnis KACT) zu reduzieren.
Weiterhin verhindert das Vorsehen des Begrenzungsfilters B65, dass die Fehlerkomponente des gleichbleibenden Zustands des Identifikationsfehlers eid, die zum Berechnen des adaptiven Parametervektors ^ verwendet wird, größer als der ursprüngliche Wert aufgrund der Addition durch den Addierer B66 wird, wenn der Identifikationsfehler außerhalb der Totzone (d. h. eid > η oder eid < –η) fällt.
Als nächstes wird die Gleichung zum Berechnen des in der vorliegenden Ausführungsform aktuell verwendeten Adaptivsteuerung-Korrekturkoeffizienten KSTR beschrieben. Die obigen Gleichungen (5) bis (10) werden auf einen Fall angewandt, wo der Steuerzyklus und die Wiederholperiode der Berechnung des KSTR-Wertes (Wiederholperiode der Erzeugung von TDC-Signalimpulsen) miteinander zusammenfallen, und der so berechnete Adaptivsteuerung-Korrekturkoeffizient KSTR wird gemeinsam für alle Zylinder verwendet. In der vorliegenden Ausführungsform jedoch ist der Steuerzyklus so lang wie vier TDC-Signalimpulse entsprechend der Anzahl von Zylindern, wodurch der Adaptivsteuerung-Korrekturkoeffizient KSTR Zylinder für Zylinder bestimmt wird. Genauer gesagt, die oben genannten Gleichungen (5) bis (10) werden jeweils durch die folgenden Gleichungen (18) bis (23) ersetzt, um den Adaptivsteuerung-Korrekturkoeffizienten KSTR Zylinder für Zylinder zur Verwendung in der adaptiven Steuerung zu berechnen:
^(k) = ^(k – 4) + Γ(k – 4)ζ(k – 4 × d)*(k) (19)
Es sollte angemerkt sein, dass, wenn die aktuelle Totzeit DACT z. B. 4 ist, die adaptiven Parameter b₀, s₀, r₁, bis r₃ berechnet werden, indem die Gleichungen (19) bis (22) verwendet werden, wobei d auf 4 gesetzt wird.
9 zeigt eine Unterroutine zum Berechnen des Adaptivsteuerung-Korrekturkoeffizienten KSTR, welche bei dem Schritt S9 in 3 ausgeführt wird.
Zuerst wird bei einem Schritt S401 bestimmt, ob das Rücksetz-Kennzeichen FKLAFRESET in der letzten Schleife „1" annahm oder nicht. Wenn FKLAFRESET = „1" in der letzten Schleife galt, was bedeutet, dass die adaptive Steuerung in der letzten Schleife nicht ausgeführt wurde, wird die Initialisierung der adaptiven Parameter b₀, s₀ und r₁ bis r₃ ausgeführt, indem sie auf entsprechende Anfangswerte gesetzt werden, und dann geht das Programm weiter zu einem Schritt S404. Wenn andererseits bei dem Schritt S401 bestimmt wird, dass FKLAFRESET = „1" galt, was bedeutet, dass die adaptive Steuerung auch in der letzten Schleife ausgeführt wurde, wird der Prozess zum Berechnen der adaptiven Parameter b₀, s₀ und r₁ bis r₃ ausgeführt, indem eine in 10 gezeigte Routine ausführt wird.
In der vorliegenden Ausführungsform wird die Berechnung von ^(k), d. h. von adaptiven Parametern b₀, s₀ und r₁ bis r₃, durch Verwendung der Gleichung (19) einmal pro vier TDC-Perioden (Zeitperiode, über welche vier TDC-Signalimpulse erzeugt werden, d. h. ein Verbrennungszyklus) ausgeführt. Daher wird bei einem Schritt S431 in 10 bestimmt, ob vier TDC-Perioden seit der letzten, die Gleichung (19) verwendenden Berechnung der adaptiven Parameter vergangen sind oder nicht. Wenn bestimmt wird, dass vier TDC-Perioden vergangen sind, werden die adaptiven Parameter b₀(k), s₀(k) und r₁(k) bis r₃(k) berechnet, indem die Gleichung (19) bei einem Schritt S432 verwendet wird. Wenn vier TDC-Perioden nicht vergangen sind, werden die adaptiven Parameter b₀, s₀ und r₁ bis r₃ auf jeweils unmittelbar vorhergehende Werte b₀(k – 1), s₀(k – 1) und r₁(k – 1) bis r₃(k – 1) gesetzt.
Nach Ausführung des Schrittes S432 oder S433 werden Gleitmittelwerte b₀AV, s₀AB, r₁AV, r₂AV und r₃AV über p TDC-Perioden (z. B. p = 8, d. h. 8 TDC-Perioden) berechnet, indem die folgenden Gleichungen (24) bis (28) bei einem Schritt S434 verwendet werden, gefolgt von der Beendigung des Programms. Das Steuersystem umfasst einen Ringpuffer (Speichereinrichtung) zum Speichern von Werten der adaptiven Parameter b₀, s₀, r₁ bis r₃, die über die p TDC-Perioden (im Folgenden wird p als „die Mittelungsperiode" bezeichnet) erhalten werden, um die Gleitmittelwerte zu berechnen. Der Inhalt des Ringpuffers wird auf neu berechnete adaptive Parameterwerte oder auf die unmittelbar vorhergehenden Werte aktualisiert, jedes Mal wenn eine TDC-Periode verstreicht, wodurch die darin gespeicherten ältesten Daten gelöscht werden. Das Aktualisieren des Inhalts des Ringpuffers kann ausgeführt werden, indem ein neu berechneter Wert des adaptiven Parameter Vektor ^ über vier TDC-Perioden gespeichert wird (d. h., indem der neu berechnete Wert θ(k) als die Werte θ(k) bis θ(k + 3) gespeichert wird):
11 zeigt ein Verfahren zum Berechnen eines Gleitmittelwertes ^AV, wenn die Mittelungsperiode p = 8 gilt. In der Figur wird das Aktualisieren des adaptiven Parametervektors ^ einmal je vier TDC-Perioden ausgeführt, und folglich gilt ^(k – 8) = ^(k – 7) = ^(k – 6) = ^(k – 5) und ^(k – 4) = ^(k – 3) = ^(k – 2) = ^(k – 1). Daher wird der aktualisierte ^Wert progressiv auf den Gleitmittelwert ^AV reflektiert. Das heißt, die Berechnung des Gleitmittelwertes soll nicht bloß den Wert auf der Basis von Gleitmittelwerten ^(k – 8), ^(k – 4), ^(k), etc. mitteln.
12 zeigt ein Beispiel von Änderungen in dem adaptiven Parameter b₀ und dem Gleitmittelwert b₀AV. In dieser Figur sind die Anfangswerte der adaptiven Parameterwerte b₀(0) bis b₀(4) auf einen identischen Wert gesetzt. Ein Gleitmittelwert b₀AV(8) wird als ein Mittelwert von adaptiven Parameterwerten b₀(1) bis b₀(8) berechnet, und ein Gleitmittelwert b₀AV(13) wird als ein Mittelwert von adaptiven Parameterwerten b₀(6) bis b₀(13) berechnet. Genauer gesagt, der Gleitmittelwert b₀AV(8) kann als ein Wert betrachtet werden, der sich durch gewichtete Interpolation eines Anfangswertes, welcher durch den adaptiven Parameterwert b₀(0) dargestellt wird, eines ersten aktualisierten Wertes, der durch den adaptiven Parameterwert b₀(4) dargestellt wird, und eines zweiten aktualisierten Wertes, der durch den adaptiven Parameterwert b₀(8) dargestellt wird, ergibt, hingegen sich der Gleitmittelwert b₀AV(13) als ein Wert, der sich durch gewichtete Interpolation des ersten aktualisierten Wertes, welcher durch den adaptiven Parameterwert b₀(4) dargestellt wird, des zweiten aktualisierten Wertes, der durch den adaptiven Parameterwert b₀(8) dargestellt wird, und eines dritten aktualisierten Wertes, der durch einen adaptiven Parameterwert b₀(12) dargestellt wird, ergibt.
Mit Bezug wieder auf 9 wird bei einem Schritt S404 der Adaptivsteuerung-Korrekturkoeffizient KSTR berechnet, indem die Gleitmittelwerte b₀AV, s₀AV, r₁AV bis r₃AV der bei dem Schritt S434 in 10 erhaltenen adaptiven Parameter verwendet werden. Die Verwendung der Gleitmittelwerte macht es möglich zu verhindern, dass die adaptive Steuerung aufgrund der Aktualisierung der adaptiven Parameter b₀, s₀, r₁ bis r₃ bei einer Frequenz von einmal je vier TDC-Perioden und der Tiefpass-Charakteristiken des LAF-Sensors 17 instabil wird. Genauer gesagt, die Berechnung der Gleitmittelwerte kann Komponenten des Identifikations-Fehlersignals e* eliminieren, welche Spitzen (Resonanz) bei einer bestimmten Frequenz und deren harmonischen Frequenzen zeigen, um dadurch die adaptive Steuerung zu stabilisieren. Diese vorteilhafte Wirkung zeigt sich bis zum höchsten Grad, wenn die Mittelungsperiode p auf einen Wert entsprechend einer Wiederholperiode gesetzt wird, die der bestimmten Frequenz (z. B. p = 12, wenn der Reziprokwert der bestimmen Frequenz so lang wie zwölf TDC-Perioden ist) entspricht. Unter der Annahme, dass der optimale Wert der Mittelungsperiode p 12 ist, ist es jedoch möglich, eine praktisch ausreichende Stabilität zu erreichen, sogar wenn die Mittelungsperiode p auf 4 gesetzt wird.
Bei dem folgenden Schritt S405 wird eine Grenzprüfung des berechneten KSTR-Wertes ausgeführt. Genauer gesagt, wenn der berechnete KSTR-Wert größer als ein vorbestimmter oberer Grenzwert ist, wird der Koeffizient KSTR auf den vorbestimmten oberen Grenzwert gesetzt, wohingegen, wenn der selbe kleiner als ein vorbestimmter unterer Grenzwert ist, der Koeffizient KSTR auf den vorbestimmten unteren Grenzwert gesetzt wird. Wenn der berechnete KSTR-Wert innerhalb eines zwischen dem oberen und dem unteren Grenzwert definierten Bereiches liegt, wird das Programm sofort beendet.
In der vorliegenden Ausführungsform entspricht der Motor 1 einer Anlage, der LAF-Sensor 17 einer Detektiereinrichtung oder einer Luft/Kraftstoff-Verhältnis-Detektiereinrichtung, die STR-Steuereinheit in 5 einer adaptiven Steuereinheit und der Adaptivparameter-Einstellmechanismus einer Adaptivparameter-Einstelleinrichtung. Die STR-Steuereinheit und der Adaptivparameter-Einstellmechanismus sind durch die ECU 5 verkörpert.
Obwohl in der oben beschriebenen Ausführungsform der Identifikationsfehler eid, der dem Zähler des Identifikationsfehlersignals e* entspricht, dem nichtlinearen Filterprozess und dem Tiefpassfilterprozess unterworfen werden, ist dies nicht beschränkend, sondern die gleichen Prozesse können an dem Identifikationsfehlersignal e* ausgeführt werden. Weiterhin hat in der oben beschriebenen Ausführungsform der nichtlineare Filter B51 eine Charakteristik, dass, wenn der Identifikationsfehler eid innerhalb der Totzone liegt, der Ausgang eida auf 0 gesetzt wird; dies ist nicht beschränkend, sondern der Filter B51 kann derart ausgebildet sein, dass der Ausgang eida auf einen Wert sehr nahe bei 0 gesetzt wird, sogar wenn der nicht gleich 0 ist.
Weiterhin ist die Wiederholperiode des Aktualisierens des adaptiven Parametervektor ^ nicht notwendigerweise auf vier TDC Perioden beschränkt, sondern sie kann auf zwei, sechs, acht oder andere TDC Perioden gesetzt werden. Weiterhin brauchen die oben beschriebenen Gleitmittelwerte des adaptiven Parametervektors ^ nicht notwendigerweise zur Berechnung des adaptiven Parameterkoeffizienten KSTR verwendet werden, die jedes Mal ausgeführt wird, wenn eine TDC-Periode verstreicht, sondern Werte, die durch Interpolation durch Verwendung von Elementen der vorher aktualisierten Vektorwerte ^(k – 4), ^(k – 8), etc. berechnet werden, und entsprechende Elemente des gegenwärtig aktualisierten Vektorwertes ^(k) oder durch einen bekannten Glättungsprozess (Tiefpass-Filterprozess) unter Verwendung der folgenden Gleichung (29) können alternativ zur Berechnung des Koeffizienten KSTR verwendet werden: ^AV(k) = CAV × ^AV(k – 1) + (1 – CAV) ^k) (29)wobei CAV einen Mittelungskoeffizienten darstellt, der auf einen Wert zwischen 0 und 1 gesetzt ist.
Genauer gesagt, Elemente des adaptiven Parametervektors ^, der jedesmal aktualisiert wird, wenn vier TDC-Perioden verstreichen, sind dem Glätten jedesmal unterworfen, wenn eine TDC-Periode verstreicht, um die so erhaltenen adaptiven Parameterwerte zur Berechnung des Koeffizienten KSTR zu verwenden. Gemäß dem Glättungsprozess durch Berechnen der Gleitmittelwerte ist es jedoch möglich, eine Kammfiltercharakteristik zu erhalten, die den Abschwächungsgrad bei einer Frequenz erhöht, die dem Reziprokwert der Mittelungsperiode p und Frequenzen von ganzzahligen Vielfachen der Frequenz entspricht, wodurch unnötige Frequenzkomponenten allein effektiv abgeschwächt werden können. Daher ist es besonders bevorzugt, die adaptiven Parameterwerte, die durch Berechnen der Gleitmittelwerte erhalten werden, zu verwenden.
Weiterhin in dem Fall, wo der adaptive Parametervektor ^ jedesmal aktualisiert wird, wenn vier TDC-Perioden verstreichen, werden zu einem Zeitpunkt k des Aktualisierens des adaptiven Parametervektors ^ dessen Werte zu entsprechenden Zeitpunkten (k + 1), (k + 2), (k + 3) ebenfalls bestimmt, und daher braucht die Mittelungsberechnung nicht notwendigerweise jede TDC-Periode ausgeführt zu werden, aber die Mittelungswerte können kollektiv berechnet und gespeichert werden zu einer Zeit, wenn der adaptive Parametervektor ^ aktualisiert wird, und, wenn der Koeffizient KSTR berechnet wird, können entsprechende gespeicherte Werte zur Verwendung bei der Berechnung des Koeffizienten KSTR ausgelesen werden. Alternativ kann die Mittelungsberechnung mit einer Wiederholperiode kürzer als eine TDC-Periode (z. B. jede Zeitperiode, während der die Kurbelwelle des Motors um 30° rotiert) ausgeführt werden.
Als nächstes wird eine zweite Ausführungsform der Erfindung beschrieben.
In der oben beschriebenen ersten Ausführungsform wird der nichtlineare Filter verwendet, um zu verhindern, dass die adaptiven Parameter driften. Gemäß dieser Technik jedoch kann der optimale Wert des vorbestimmten Wertes η, der die Totzone definiert, variieren abhängig von Betriebsbedingungen des Motors als dem gesteuerten Gegenstand aufgrund von Alterungsänderungen in Charakteristiken des LAF-Sensors 17 etc., so dass die Totzone ungeeignet für die adaptive Steuerung wird, nachdem sie für eine lange Zeit angewandt worden ist.
Um diese Unbequemlichkeit zu eliminieren, wird gemäß der zweiten Ausführungsform anstelle des nichtlinearen Filters eine andere Einrichtung verwendet, um die Drift der adaptiven Parameter zu verhindern. Mit Ausnahme davon ist die zweite Ausführungsform im Wesentlichen identisch im Aufbau mit der ersten Ausführungsform.
In der vorliegenden Ausführungsform, welche nicht gemäß der Erfindung ist, wird die Gleichung (6) durch die folgende Gleichung (30) zur Berechnung des adaptiven Parametervektors ^ ersetzt. Die Gleichung (30) kann als ein Adaptivparameter-Berechnungsabschnitt ausgebildet sein, der in 13A gezeigt ist. In der Figur stellen B71 und B74 Multiplizierer, B72 einen Addieren und B73 einen Verzögerungsblock zum Verzögern des Signals um eine Abtastperiode dar.
wobei σ einen vergessenen Faktorvektor darstellt, der durch die folgende Gleichung (31) gesetzt oder ausgedrückt wird:
wobei die zweite Gleichung in dem Fall erhalten wird, bei dem m = n = 1 und d = 3 gilt.
Die zweite Gleichung der Gleichung (30) kann in die folgende Gleichung (32) erweitert werden:
In dieser Gleichung werden die Identifikationsfehler eid(1), eid(2), ..., die in der Vergangenheit erhalten wurden, jeweils mit der (k – 1).ten-Potenz, (k-2).ten-Potenz, ...., des vergessenen Faktorvektors σ multipliziert.
Indem daher die Elemente Sb₀, Sr₁, ..., Ss₀, etc. des vergessenen Faktorvektors σ auf Werte größer als 0 aber kleiner als 1 gesetzt werden, kann daher der Einfluss des in der Vergangenheit erhaltenen Identifikationsfehlers eid reduziert werden, während der Wert von k ansteigt, d. h., der Einfluss der vorhergehenden eid-Werte kann progressiv verringert werden. Dies verhindert einen leichten Identifikationsfehler, der durch Differenz in Charakteristiken zwischen dem beim Entwerfen des Steuersystems verwendeten Modells und der aktuellen Anlage verursacht wird, und verhindert, dass externe Störungen endlos in dem adaptiven Parametervektor ^ akkumuliert werden, um dadurch den selbigen am Driften zu hindern. Wie aus der Gleichung (31) klar ist, nimmt der Grad des Einflusses der vorhergehenden Werte des Identifikationsfehlers eid ab, wenn die Elemente Sb₀, Sr₁, ..., Ss₀ etc. des vergessenen Faktorvektors σ näher an 0 kommen. Daher ist es bevorzugt, die Werte dieser Elemente empirisch zu bestimmen, indem der älteste der vorhergehenden Werte des adaptiven Parametervektors, der auf den vorliegenden Wert reflektiert werden soll, empirisch bestimmt wird, um gute Steuercharakteristiken der adaptiven Steuereinheit sicherzustellen.
Die Einführung des vergessenen Faktors σ bewirkt, dass die Elemente oder adaptiven Parameter des adaptiven Parametervektors ^ progressiv kleinere Werte in Richtung 0 annehmen, wenn der Motor in einer gleichbleibenden Betriebsbedingung arbeitet, in welcher das Identifikationsfehlersignal e* (Identifikationsfehler eid) sehr klein im Wert wird. Der adaptive Parameter b₀ ist jedoch der Nenner der Gleichung (10) (oder der Gleichung (23)), so dass, wenn der adaptive Parameter b₀ progressiv näher an 0 wird, der Adaptivsteuerung-Korrekturkoeffizient KSTR infinit wird, um eine Divergenz der Steuerung zu bewirken. Um diese Unannehmlichkeit zu vermeiden, ist es bevorzugt, dass das Element Sb₀ des vergessenen Faktorvektors σ auf 1 gesetzt wird. Sogar mit dieser Einstellung werden die anderen adaptiven Parameter r₁, r₂, ..., s₀ etc. auf finite Werte durch die vergessenen Faktoren Sr₁, Sr₂, ..., Ss₀ etc. begrenzt, um eine Divergenz des absoluten Wertes des adaptiven Parameters b₀ zu verhindern. Eine Beschreibung wird in dieser Hinsicht weiterhin gemacht:
Der adaptive Parametervektor ^ wird derart eingestellt, dass der Identifikationsfehler eid(k), der durch die Gleichung (14) ausgedrückt ist, gleich 0 wird. In der vorliegenden Ausführungsform gilt das Polynom D(Z^–1) = 1, und folglich gilt unter der Annahme, dass eid(k) gleich 0 ist, die durch die folgende Gleichung (33) ausgedrückte Beziehung: y(k) = ^ T(k – 1)ζ(k – d) (33)
Wenn in der Gleichung (33) y(k) = KACT(k), u(k) = KSTR(k) und d = 3 gelten, kann die Gleichung (33) in die folgende Gleichung (34) umgewandelt werden:
In der Gleichung (34) sind das aktuelle Äquvalentverhältnis KACT(k) und der Adaptivsteuerung-Korrekturkoeffizient KSTR(k) finite Werte, und daher, solange wie die adaptiven Parameter r₁, r₂, r3 und s₀ finite Werte sind, nimmt der adaptive Parameter b₀ natürlich einen finiten Wert an, so dass keine Divergenz der adaptiven Steuerung auftritt.
Die Elemente Sr₁, Sr₂, ..., Ss₀ etc. können anders als das Element Sb₀ des vergessenen Faktorvektors σ alle auf einen identischen Wert S gesetzt werden, z. B. auf einen Wert innerhalb eines Bereiches von 0,95 bis 0,99.
Auch wenn einige der Elemente Sr₁, Sr₂, ..., Ss₀ etc. anders als das Element Sb₀ des vergessenen Faktorvektors σ auf 1 gesetzt werden können, um so seine vergessene Funktion zu hindern, ist es weiterhin möglich, effektiver den adaptiven Parametervektor ^ am Driften zu hindern als in dem Fall der Verwendung der Gleichungen (6), bei welcher keine Multiplikation mit dem vergessenen Faktor δ ausgeführt wird.
In der vorliegenden Ausführungsform entsprechen die in 5 gezeigte STR-Steuereinheit der adaptiven Steuereinheit, der Adaptivparameter-Einstellmechanismus der Adaptivparametervektor-Einstelleinrichtung und die Elemente des vergessenen Faktorvektors σ vorbestimmten Koeffizienten.
Als nächstes wird eine dritte Ausführungsform der Erfindung beschrieben.
In der oben beschriebenen zweiten Ausführungsform wird der vergessene Faktor σ eingeführt, um das Driften der adaptiven Parameter zu verhindern. Diese Technik hat jedoch die Unannehmlichkeit, dass die Fähigkeit, dynamische Charakteristiken des Motors zu kompensieren, welche ursprünglich durch die adaptive Steuerung bereitgestellt wird, sich verringern kann, da die Elemente r₁, r₂, s₀ etc. anders als das Element b₀ des adaptiven Parametervektors auf 0 oder Werte nahe daran konvergieren, wenn der Motor weiterhin in einer gleichbleibenden Betriebsbedingung ist.
Um diese Unannehmlichkeit zu eliminieren, wird gemäß der vorliegenden Ausführungsform, wenn der Motor sich weiterhin in einer gleichbleibenden Betriebsbedingung befindet, die Gleichung zum Berechnen des adaptiven Parametervektors ^ derart modifiziert, dass der adaptive Parametervektor ^ zu einem Anfangswert konvergiert, und gleichzeitig wird der Anfangswert derart gesetzt, dass die Fähigkeit, die dynamischen Motorcharakteristiken zu kompensieren, auf ein richtiges Maß durch die adaptive Steuerung gezeigt werden kann, wenn der Motor sich in einer gleichbleibenden Betriebsbedingung befindet. Sonst ist die vorliegende Ausführungsform im Wesentlichen identisch im Aufbau zu der ersten Ausführungsform.
In der vorliegenden Ausführungsform wird die Gleichung (6) transformiert in die Summe des Anfangswertes ^(0) des adaptiven Parametervektors und einer Aktuallisierungskomponente dθ(k), wie durch die folgende Gleichung (35) ausgedrückt wird: ^(k) = ^(0) + d ^(k) (35)und gleichzeitig wird die Aktuallisierungskomponente d ^(k) durch die folgende Gleichung (36) berechnet:
wobei δ einen vergessenen Faktorvektor darstellt, der durch die folgende Gleichung (37) gesetzt wird:
wobei sich die zweite Gleichung in dem Fall ergibt, bei dem m = n = 1 und d = 3 gilt. Die Gleichungen (35) und (36) können als ein Adaptivparameter-Einstellabschnitt verkörpert sein, wie in 13b gezeigt ist. In der Figur stellen B71 und B75 Multiplizieren, B72 und B76 Addieren und B73 einen Verzögerungsblock zum Verzögern des Signals um eine Abtastperiode dar.
Die Aktualisierungskomponente dθ(k) wird in die dritte Gleichung der Gleichung (36) expandiert, und, wenn diese dritte Gleichung auf die
Gleichung (35) angewandt wird, ergibt sich die folgende Gleichung (38):
Der Vergleich der Gleichung (38) mit der Gleichung (32) zeigt, dass die Gleichung (37) zum Berechnen des adaptiven Parametervektors gemäß der vorliegenden Ausführungsform sich von der Gleichung (32) darin unterscheidet, dass der Anfangswert θ(0) des adaptiven Parametervektors des ersteren nicht mit dem vergessenen Faktorvektor δ multipliziert wird. Genauer gesagt, die zweite Ausführungsform, die die Gleichung (32) verwendet, kann als äquivalent zu einem Fall betrachtet werden, bei dem in der dritten Ausführungsform, die die Gleichung (38) verwendet, der Anfangswert θ(0) ebenfalls mit dem vergessenen Faktor multipliziert wird.
Elemente Db₀, Dr₁, Dr₂, ..., Ds₀, etc. des vergessenen Faktors δ sind auf Werte größer als 0 aber kleiner als 1 gesetzt. Es ist jedoch bevorzugt, dass das Element Db₀ allein auf 1 gesetzt wird, um so den gleichbleibenden Fehler der adaptiven Steuerung auf Null zu setzen unabhängig von dem Setzen des Anfangswertes ^(0). Auch wenn Db₀ = 1 gilt, tritt keine Drift des adaptiven Parametervektors ^ aus dem gleichen Grund auf, dass keine Drift desselben auftritt, sogar wenn das Element Sb₀ = 1 in der Gleichung (31) der zweiten Ausführungsform gilt.
Die Elemente Dr₁, Dr₂, ..., Ds₀ etc. können anders als das Element Db₀ des vergessenen Faktorvektors σ alle auf einen identischen Wert D (0 < D < 1, z. B. innerhalb eines Bereiches von 0,95 bis 0,99) gesetzt sein, ohne irgendwelche nachteiligen Effekte auf die Steuerperformance zu verursachen. Daher ist es bevorzugt, dass der vergessene Faktorvektor δ = [1, D, D, ..., D] gilt.
Wie oben beschrieben, wird gemäß der vorliegenden Ausführungsform der adaptive Parametervektor ^ berechnet durch Verwendung der Gleichung (35) (d. h. der Gleichung (38)), indem der vergessene Faktorvektor δ verwendet wird. Als ein Ergebnis, wenn sich der Motor weiterhin in einer gleichbleibenden Betriebsbedingung befindet, wird der adaptive Parametervektor ^ auf einen Wert nahe des Anfangswertes ^(0) konvergiert. Daher ist es durch Setzen des Anfangswertes ^(0) auf einen geeigneten Wert möglich, eine exzellente Dynamikcharakteristik-Kompensationsfähigkeit der adaptiven Steuerung aufrecht zu erhalten, während der adaptive Parametervektor ^ am Driften gehindert wird, sogar wenn sich der Motor weiterhin in einer gleichbleibenden Betriebsbedingung befindet.
Es sollte angemerkt sein, dass, sogar wenn einige der Elemente Dr₁, Dr₂, ..., Ds₀, etc. anders als das Element Db₀ des vergessenen Faktorvektors δ auf 1 gesetzt werden, um so seine vergessene Funktion zu hemmen, es möglich ist, wirksamer den adaptiven Parametervektor ^ am Driften zu hindern als in dem Fall der Verwendung der Gleichung (6), bei welcher keine Multiplikation mit dem vergessenen Faktor δ ausgeführt wird.
In der vorliegenden Ausführungsform entsprechen die in 5 gezeigte STR-Steuereinheit der adaptiven Steuereinheit, der Adaptivparameter-Einstellmechanismus der Adaptivparametervektor- Einstelleinrichtung und die Elemente des vergessenen Faktorvektors δ vorbestimmten Koeffizienten.
Die oben beschriebenen Ausführungsformen, von denen nur die erste Ausführungsform gemäß der Erfindung ist, sind nur mittels eines Beispiels bereitgestellt, aber sollen keineswegs die Erfindung beschränken, und verschiedene Änderungen und Modifikationen daran können gemacht werden. Zum Beispiel, obwohl in den oben beschriebenen Ausführungsformen die adaptive Steuereinheit derart ausgebildet ist, dass sie an die Totzeit d = 3 angepasst ist, und die Abtastzeit des Eingabevektors ζ an den Adaptivparameter-Einstellmechanismus auf eine Periode gesetzt wird, die einer aktuellen Totzeit länger als die Totzeit d entspricht, ist dies nicht beschränkend, sondern die adaptive Steuereinheit kann derart ausgebildet werden, dass sie auf die Totzeit d = 3 angepasst wird, und die Abtastzeit des Eingabevektors ζ an den Adaptivparameter-Einstellmechanismus kann auf eine Periode eingestellt werden, die einer aktuellen Totzeit länger als die Totzeit d = 2 entspricht.
Weiterhin ist die Erfindung anwendbar auf ein Steuersystem, das eine adaptive Steuereinheit verwendet, in welcher irgendein Erniedrigen von Ordnungen von Gleichungstermen, die beim Berechnen von adaptiven Parametern verwendet werden, nicht angewendet wird, z. B. ein Steuersystem, in welchem die adaptive Steuereinheit auf eine Totzeit d = 2 angepasst ist, und die Abtastperiode des Eingabevektors ζ an den Adaptivparameter-Einstellmechanismus auf eine Periode, die d = 2 entspricht, eingestellt wird.
Noch weiterhin, obwohl in den obigen Ausführungsformen als die Stellengröße der adaptiven Steuerung der Korrekturkoeffizient KSTR zum Korrigieren der einfachen Kraftstoffmenge TIMF, die einer dem Motor zugeführten Einlassluftmenge entspricht, verwendet wird, ist dies nicht beschränkend, sondern die Kraftstoffeinspritzperiode TOUT kann direkt von der adaptiven Steuerung berechnet werden. Wenn jedoch der Korrekturkoeffizient KSTR als die Stellgröße verwendet wird, ist der Wertebereich der Stellgröße, der angenommen werden kann, nicht mehr beschränkt, verglichen mit dem Fall des Setzens der Kraftstoffeinspritzperiode TOUT auf die Stellgröße, wodurch es möglich ist, eine stabilere adaptive Steuerung zu erreichen.
Weiterhin ist die zu steuernde Anlage nicht auf einen Verbrennungsmotor beschränkt, sondern sie kann z. B. ein Prozess zum Herstellen eines chemischen Produktes sein. In solch einem Fall ist die zu detektierende physikalische Menge z. B. eine Flussgeschwindigkeit eines Fluids, eine Konzentration einer Substanz oder dgl., und die Stellgröße ist z. B. ein Öffnungsgrad eines Steuerventils.

Claims

Steuersystem für eine Anlage, mit einer Detektiereinrichtung zum Detektieren einer Ausgabe von der Anlage, einer adaptiven Steuereinrichtung zum Steuern einer Stellgröße, die auf die Steuerung der Anlage in solch einer Weise angewandt wird, dass eine Ausgabe von der Detektiereinrichtung gleich einem gewünschten Wert wird, und einer Adaptivparameter-Einstelleinrichtung zum Einstellen von adaptiven Parametern, die von der adaptiven Steuereinrichtung verwendet werden, wobei die Adaptivparameter-Einstelleinrichtung eine Identifikationsfehler-Berechnungseinrichtung zum Berechnen eines Identifikationsfehlers der adaptiven Parameter und zum Erzeugen eines Identifikationsfehlersignals, welches den berechneten Identifikationsfehler angibt, und eine Einstelleinrichtung zum Einstellen der adaptiven Parameter auf der Basis des berechneten Identifikationsfehlers aufweist, wobei der Identifikationsfehler eine Variable ist, die einen Abweichungsgrad der adaptiven Parameter von ihren optimalen Werten angibt, wobei die Verbesserung darin besteht, dass die Adaptivparameter-Einstelleinrichtung eine nicht-lineare Filtereinrichtung umfasst, um eine Ausgabe von 0 oder annähernd 0 als Antwort auf das Identifikationsfehlersignal zu erzeugen, wenn der Identifikationsfehler innerhalb eines vorbestimmten Bereiches liegt, dass die Einstelleinrichtung die adaptiven Parameter durch Verwendung der Ausgabe von der nicht-linearen Filtereinrichtung einstellt.
Steuersystem nach Anspruch 1, wobei die Adaptivparameter-Einstelleinrichtung eine Tiefpass-Filtereinrichtung einschließt, um Hochfrequenzkomponenten des Identifikationsfehlersignals von der Identifikationsfehlersignal-Berechnungseinrichtung abzuschwächen, um eine Ausgabe des resultierenden abgeschwächten Signals zu erzeugen, wobei die Einstelleinrichtung eine Summe der Ausgabe von der nicht-linearen Filtereinrichtung und der Ausgabe von der Tiefpass-Filtereinrichtung verwendet, um die adaptiven Parameter einzustellen.
Steuersystem nach Anspruch 2, wobei die Adaptivparameter-Einstelleinrichtung eine Begrenzungseinrichtung einschließt, um die Ausgabe von der Tiefpass-Filtereinrichtung innerhalb des vorbestimmten Bereiches zu begrenzen, wobei die Einstelleinrichtung eine Summe der Ausgabe von der nicht-linearen Filtereinrichtung und einer Ausgabe von der Begrenzungseinrichtung verwendet, um die adaptiven Parameter einzustellen.
Steuersystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die nicht-lineare Filtereinrichtung in solch einer Weise ausgebildet ist, dass es keine Diskontinuität in ihrer Eingangs/Ausgangs-Charakteristik gibt.
Steuersystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Adaptivparameter-Einstelleinrichtung eine Mittelungseinrichtung einschließt, um gleitende Durchschnittswerte der adaptiven Parameter zu berechnen, und die gleitenden Durchschnittswerte an die adaptive Steuereinrichtung liefert.
Steuersystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Anlage ein Verbrennungsmotor mit einem Auspuffsystem ist, wobei die Detektiereinrichtung eine Luft/Kraftstoff-Verhältnis-Detektiereinrichtung ist, die in dem Auspuffsystem angeordnet ist, um ein Luft/Kraftstoff-Verhältnis einer dem Motor zugeführten Luft/Kraftstoff-Mischung zu detektieren, wobei der gewünschte Wert ein gewünschtes Luft/Kraftstoff-Verhältnis der Luft/Kraftstoff-Mischung ist, wobei die Stellgröße eine dem Motor zu liefernde Kraftstoffmenge ist.
Steuersystem nach Anspruch 6, wobei die Stellgröße als ein Korrekturkoeffizient berechnet wird, um eine einfache Kraftstoffmenge, die einer dem Motor gelieferten Einlassluftmenge entspricht, zu korrigieren.