JP2004176631A

JP2004176631A - 絞り弁の電子制御システム設計のためのモデル作成方法

Info

Publication number: JP2004176631A
Application number: JP2002344018A
Authority: JP
Inventors: Sautto Umerjan; サウットウメルジャン
Original assignee: Nikki Co Ltd
Current assignee: Nikki Co Ltd
Priority date: 2002-11-27
Filing date: 2002-11-27
Publication date: 2004-06-24

Abstract

【課題】非線形要素を含んでいる絞り弁の制御系に高精度の制御を行わせる制御システムの設計に役立つモデルを容易且つ適確に作成できるものとする。
【解決手段】実システム１２の状態方程式、出力方程式からモデル１４の状態方程式、出力方程式を外乱およびロバストスライディングモードオブザーバを用いて作り、これらを基に実システム１２とモデル１４との出力の誤差ｙｎ−ｙを表わす誤差方程式を作って同式中のオブザーバゲインＫおよびその他のパラメータの値を遺伝的アルゴリズムを用いて同式の評価関数を最小とする値に設定することにより同時に決定する。
【選択図】図２

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はエンジン吸気系に設置される絞り弁を電子的に制御するシステムを設計するためのモデルを作成する方法、詳しくは非線形要素を含む系における制御システムのパラメータの決定が容易且つ適確であって高精度の制御を可能とするモデルを作成する方法、換言すればパラメータの同定に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
エンジン吸気系に設置された絞り弁を電子的に制御することは、例えば特開平５−３３７１２号公報、特開平６−２１３０１２号公報、特開平６−２２１２１１号公報、特開平１０−１６９４７５号公報に記載されていることからも判るように広く知られている技術であり、絞り弁を目標開度位置に駆動する電動アクチュエータと絞り弁の実際開度位置を検知する絞り弁位置センサとを含む構造部分、およびアクセル操作量と絞り弁位置とに基づいて電動アクチュエータに所要の駆動信号を送る電子制御装置によって制御系が構成されている。そして、構造部分は一般に絞り弁の閉弁ばねを具え、また電動アクチュエータが直流モータの場合は絞り弁との間に減速装置を具えている。
【０００３】
即ち、絞り弁の電子制御システムは絞り弁に作用する負圧、絞り弁軸などの回転部分に発生する摩擦、更に閉弁ばねのばね特性、減速装置のがたつきやバックラッシなどの非線形要素を含んだ制御系である。このような非線形制御系について高精度の制御が可能な制御システムを構築するため、通常の線形化したモデルを作成し、このモデルを用いて行なったシミレーションの結果と実装して行なった実験の結果とを比較して、これらが満足できる程度に一致するまで試行錯誤的にシミュレーションと実験とを繰り返すことによりパラメータを決定するようにしている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、非線形要素を含んでいる制御系について線形化したモデルを用いてシミュレーションと実験とを行なうことを、満足できる制御システムが得られるまで試行錯誤的に繰り返す、という前記従来の手法では制御システムのパラメータを決定するのにきわめて煩雑な手順と長い時間を要する、という課題を解決するためになされたものであって、その目的とするところは前記のような手順を試行錯誤的に繰り返すことなく容易に適確なパラメータを決定することができ、従って高精度の制御を可能とする制御システムを容易に構築できるモデル作成方法を提供することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
前記課題を解決するために、本発明は（１）絞り弁を含む実システムの状態方程式および出力方程式を作ること、（２）モデルの全状態量を推定する外乱およびロバストスライディングモードオブザーバを使用して実システムの状態方程式および出力方程式を基にモデルの状態方程式および出力方程式を作ること、（３）各状態方程式、出力方程式を基に実システムとモデルとの誤差を表わす誤差方程式を作ること、（４）誤差方程式中のオブザーバゲインおよびその他のパラメータの値を、遺伝的アルゴリズムを用いて誤差方程式の評価関数を最小とする値に設定することにより同時に決定すること、を包含するプロセスによって制御系の要素に非線形要素を含んでいる絞り弁の電子制御システムを設計するためのモデルを得るものとした。
【０００６】
非線形要素に対して外乱およびロバストスライディングモードオブザーバを用いることと、遺伝的アルゴリズムを適用することとにより、線形化したモデルを用いてシミュレーションと実験とを試行錯誤的に繰り返す、という煩雑な手間と長い時間を要することなく最適のモデルを得ることができ、絞り弁の電子制御を高精度で行なわせる制御システムを容易且つ適確に設計することを可能とする。
【０００７】
【発明の実施の形態】
以下に図面を参照して本発明の実施の形態を説明すると、図１は本発明が適用される絞り弁駆動の機構部分の一例を示す配置図であって、スロットルボディ１に回転可能に支持され蝶形の絞り弁２を取り付けた絞り弁軸３に、直流モータからなる電動アクチュエータ４が歯車式の減速機５を介して接続されているとともに、ポテンショメータからなる絞り弁位置センサ６が結合されている。また、絞り弁２の閉じ方向へ働く閉弁ばね７が絞り弁軸３に作用させてある。尚、図１においてＬおよびＲａは直流モータの電機子のインダクタンスおよび抵抗、ｉａは電機子電流、Ｕａは入力電圧である。
【０００８】
また、図２はモデルを作成する実施の形態を示すブロック線図であって、入力電圧Ｕａである入力信号１１、実システム１２、実システムの出力１３、モデル１４および推定値１５によって構成される。
【０００９】
図１の機構は絞り弁軸３などの回転部分の摩擦、絞り弁２に作用する負圧、減速機５のバックラッシ、閉弁ばね７のばね特性などの非線形要素を含んでいる。このようないくつかの非線形要素を含む制御系について、高精度の電子制御を可能とする制御システムのパラメータを決定する手順として、最初に実制御系１２についての運動方程式を作るものとした。
【００１０】
即ち、絞り弁２の角度をθ、絞り弁２に作用する負圧と定数をＰとＫｂ、系の絞り弁軸換算全慣性モーメントをＪ、粘性摩擦係数およびクーロン摩擦をＤおよびｄｋ、閉弁ばね７の線形部分および非線形部分の各ばね定数をＫｓおよびＫｎ（θ）、直流モータの電機子のトルクおよび誘起電圧定数をＫｔおよびＫｅ、電機子の電磁的トルクをＴ（＝Ｋ_ｔｉ_ａ）、減速機５のギヤ比およびバックラッシ量をＮおよびΔＳとして運動方程式を求めると、次の式１が得られる。
【式１】

【００１１】
次に、実制御系１２の状態方程式および出力方程式を作る。ここで、直流モータの電機子における電流と電圧の関係は次の式２によって表される。
【式２】

【００１２】
式２の内でインダクタンスＬを含む項を無視できるものとして式２を式１に代入すると次の式３が得られる。そして、この式３から実システム１２の状態方程式および出力方程式を求めると、これらは式４および式５で表わされる。
【式３】

【式４】

【式５】

尚、式３および式４におけるθ１、θ２はθの１回微分、２回微分であり、式４においてａ１＝１、ａ２＝−Ｋｓ／Ｊ、ｂ１＝０、ｂ２＝ＮＫｔ／ＲａＪであり、式５においてｙ＝ｘ１は観測値、即ち実システムの出力である。また式４におけるａ３およびｗは下記の式６および式７で表わされる。
【式６】

【式７】

【００１３】
以上の手順によって実システム１２が数式化されたので、式４および式５で表現される実システム１２に対して適切なパラメータを決定する手順を以下に説明する。この手順を要約すると、式４および５を外乱およびロバストスライディングモードオブザーバを用いて書き換えることによって新しく状態方程式と出力方程式とを作り、この書き換えた方程式で表現される制御系をモデル１４として実システム１２とモデル１４との誤差を表わす誤差方程式を作り、この式中のオブザーバゲインおよびその他のパラメータを遺伝的アルゴリズムを用いて誤差方程式の評価関数を最小とする値に設定することにより同時に決定するものである。
【００１４】
先ず、式４の状態方程式において、同式中の状態変数をθ＝ｘ１、θ１＝ｘ２、ｗ＝ｘ３とすると、実システム１２の状態方程式はｘｄ＝ｆ（ｘ）＋ＢＵａ（式８と称する。ｘｄはｘの微分値）、出力方程式はｙ＝Ｃｘ（式９と称する）とそれぞれ書き直すことができる。尚、式９のｘはｘ＝［ｘ１，ｘ２，ｘ３］と定義した。また、式８のＢはＢ＝［ｂ１，ｂ２，０］^Ｔ、式９のＣはＣ＝［１，０，０］であり、式７のｆ（ｘ）は下記の式１０で表わされる。
【式１０】

【００１５】
ここで、パラメータを同定するにあたって、モデル１４の状態を推定するために、式４を書き直した式８および式５を書き直した式９について、モデル１４の全状態量を推定する外乱およびロバストスライディングモードオブザーバを適用して下記の式１１で表わされる状態方程式
【式１１】

および下記の式１２で表される出力方程式
【式１２】

を作る。但し、式１１におけるｓｉｇｎ（ｙｍ）は下記の式１３で表わされる。
【式１３】

【００１６】
式１１はモデル１４の状態の推定値を表わす。また、式１１および式１２におけるｘはθの実際値、ｘｎはθの推定値、ｘｐはθの推定値の１回微分、ｙｍは実システム１２とモデル１４との出力の誤差、ｙｎはモデル１４の出力（推定値）、Ｋはオブザーバゲイン行列、Ｂｓｉｇｎ（ｙｍ）はオブザーバの非線形補償入力項、ζはゲインである。
【００１７】
更に、推定誤差をｅ＝ｘｎ−ｘと置くと下記の式１４で表わされる誤差方程式が得られる。また、その評価関数は下記の式１５で表わされる。
【式１４】

【式１５】

【００１８】
そして、式１４のオブザーバゲインＫおよび他のパラメータａ１、ｂ１、ｋ（ｋ１、ｋ２、ｋ３）、ζの値について、遺伝的アルゴリズムの手法を用いて式１５の評価関数を最小とする値を求め、この値を採用することにより目標とする制御システムを設計することが可能となる。
【００１９】
遺伝的アルゴリズムは最適解を求めるための一つの手法として知られており、本実施の形態ではステップ１でＫ、ａ１、ｂ１、ｋ、ζをそれぞれ二進法で表現した所定ビットの個体を想定して一つの文字列を作成して同様の文字列の多数個をランダムに発生させ、ステップ２でこれらをデコード化し、ステップ３で個体のパラメータを用いてシミュレーションを行なう。ステップ４でシミュレーション結果で得た応答を式１５の評価関数に与えて個体の適応度を算出し、ステップ５で選択・交叉、ステップ６で突然変異を行なって、ステップ７で繰り返し指定した世代数に到達していなければステップ２に戻り、指定世代数に到達していれば終了し、全世代の内で最大の適応度をもつ個体を解とするものである。ここで、解が或る基準以上であればよい、即ち制御の精度が満足できるレベルであればよいとすれば、少ない世代数でパラメータを同定することができる。
【００２０】
次に、前述の手法で決定したパラメータを用いて構築した制御システムによって図１に示す絞り弁に高精度の制御を行わせることが可能か否かを検討するため、入力信号即ち入力電圧Ｕａに対する実システム、モデルの応答に差異があるか否かの試験を行なった。
【００２１】
図３は入力信号（入力電圧Ｕａ）の波形図であり、図４の（Ａ）は実システムの絞り弁角度（実出力）の波形図、（Ｂ）はモデルによる絞り弁角度（推定出力）の波形図、（Ｃ）は実出力と推定出力との誤差の大きさを示すグラフである。また、図５はロバスト推定器により推定された絞り弁の電子制御システムにおける非線形要素の推定値を示すグラフであって、ロバスト補償器として非線形部分を補償している。図４から実システムの応答とモデルの応答とが一致していることが判り、このことから本発明によるパラメータ同定手法が非線形要素を含む制御系の高精度制御を実現可能とすることが確認された。
【００２２】
【発明の効果】
以上のように、本発明のモデル作成方法によると非線形要素を含む絞り弁の電子制御システムについて、高精度の制御を行うことを可能とするパラメータを少ない手順で容易且つ適確に同定することができ、制御システムの設計に大きく貢献するものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明が適用される絞り弁駆動の機構部分の一例を示す配置図。
【図２】モデルを作成する実施の形態を示すブロック線図。
【図３】入力信号の波形図。
【図４】（Ａ）は実システムの実出力の波形図、（Ｂ）はモデルの推定出力の波形図、（Ｃ）は（Ａ）と（Ｂ）との誤差の大きさを示すグラフ。
【図５】非線形要素の推定値を示すグラフ。
【符号の説明】
２絞り弁、４電動アクチュエータ、５減速機、６絞り位置センサ、７閉弁ばね、１１入力信号、１２実システム、１４モデル、１５推定値

Claims

制御系の要素に非線形要素を含んでいる絞り弁の電子制御システムを設計するためのモデルを作成する方法であって、
（１）前記絞り弁を含む実システムの状態方程式および出力方程式を作ること、（２）モデルの全状態量を推定する外乱およびロバストスライディングモードオブザーバを使用して前記実システムの状態方程式および出力方程式を基にモデルの状態方程式および出力方程式を作ること、
（３）前記各状態方程式、出力方程式を基に前記実システムとモデルとの誤差を表わす誤差方程式を作ること、
（４）前記誤差方程式中のオブザーバゲインおよびその他のパラメータの値を、遺伝的アルゴリズムを用いて前記誤差方程式の評価関数を最小とする値に設定することにより同時に決定すること、
を包含することを特徴とする絞り弁の電子制御システム設計のためのモデル作成方法。
前記実システムの状態方程式および出力方程式は、非線形要素の不確定変数を用いて作った実システムの運動方程式と、絞り弁駆動用電動アクチュエータの電流・電圧の関係とから作られるものである請求項１に記載した絞り弁の電子制御システム設計のためのモデル作成方法。
前記誤差方程式は前記実システムの出力と前記モデルの出力との
誤差を表わすものである請求項１に記載した絞り弁の電子制御システム設計のためのモデル作成方法。