JP2004270657A - Device for controlling plant using prediction control - Google Patents
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- Electrical Control Of Air Or Fuel Supplied To Internal-Combustion Engine (AREA)
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Abstract
Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
この発明は、予見制御を用いて、外乱に対してロバストにプラントを制御する装置に関し、より具体的には、予見制御を用いて、吸気管に印加される外乱に対してロバストにエンジンへの吸入空気量を制御する装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
従来、所定のエンジントルクを実現するために、エンジンへの吸入空気量を制御することが行われている。一手法によると、アクセルペダル開度、車速、およびトランスミッションの選択に基づいて所定のマップを参照し、目標吸入空気量を求める。目標吸入空気量に応じて、スロットル弁の開度が調節される。
【0003】
他の手法によると、検出されたアクセルペダル開度およびトルクコンバータ出力軸の回転数に応じて、目標エンジン出力軸トルクが算出される。実際のエンジン回転数と目標エンジン出力軸トルクに基づいて所定のテーブルを参照し、目標スロットル弁開度を求める。該目標スロットル弁開度に応じた空気量がエンジンに吸入される(例えば、特許文献1を参照)。
【0004】
【特許文献1】
特許第2780345号公報
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来のエンジントルク制御では、吸気管に印加される外乱、および、スロットル弁からエンジンに至るむだ時間が考慮されていない。そのため、エンジンへの吸入空気量の制御を十分な精度で行うことができず、エンジントルクが振動的に変化する現象を引き起こすことがあった。
【0006】
したがって、吸気管に印加される外乱に対してロバストである吸気量制御が必要とされている。また、スロットル弁からエンジンまでのむだ時間を考慮した吸気量制御が必要とされている。
【0007】
【課題を解決するための手段】
本発明の一つの側面によると、モデル化されたプラントを制御する制御装置は、プラントに印加される外乱を推定する推定器と、プラントの出力が目標値に収束するように、予見制御アルゴリズムを用いてプラントへの入力を算出する制御ユニットとを備える。制御ユニットは、該推定器によって推定された外乱推定値に所定のゲインを乗じた値を含むように、プラントへの入力を算出する。この発明によれば、外乱推定値を含むようプラントへの入力が算出されるので、プラントに外乱が印加されたときに生じるプラントの出力とその目標値の間の偏差を速やかに収束させることができる。
【0008】
この発明の一実施形態によると、外乱推定器は、逐次型同定アルゴリズムを用いて外乱を同定する適応外乱オブザーバである。逐次型同定アルゴリズムにより、外乱推定値を速やかかつ安定的に同定することができる。また、プラントの出力にノイズ等が混入した場合にも、逐次型同定アルゴリズムの統計処理効果により、該ノイズ等によって外乱推定値が変動することを防止することができる。
【0009】
この発明の一実施形態によると、制御ユニットはさらに、プラントの出力の目標値に所定のゲインを乗じた値を含むように、該プラントへの入力を算出する。したがって、プラントの出力がその目標値に追従する特性を向上させることができる。
【0010】
この発明の他の側面によると、制御装置は、さらに、プラントが有するむだ時間および外乱推定値に基づいて、プラントから出力される値を予測する状態予測器を備える。制御ユニットは、予測値がプラントの出力の目標値に収束するように、予見制御アルゴリズムを用いて該プラントへの入力を算出する。
【0011】
従来の一般化予測制御では、むだ時間を考慮するとゲインを低く設定する必要があった。この発明によれば、状態予測器を導入することによりプラントのむだ時間が補償されるので、ゲインのこのような低減が必要とされず、制御の速応性を高めることができる。
【0012】
この発明の他の側面によると、プラントは、エンジンに連通された吸気管である。吸気管は、プラントへの入力が、該吸気管に流入する空気量を制御する弁の開度の目標値であり、プラントの出力が、エンジンに吸入される空気量であるようにモデル化される。この発明によると、エンジンへの吸気量を高精度に目標値に収束させることができ、よって車両のエンジントルクが良好に制御される。一実施形態においては、プラントへの入力は、吸気管に設けられたスロットル弁の開度の目標値である。
【0013】
この発明の一実施形態によると、制御装置は、モデル化されたプラントについて、エンジン回転数およびスロットル弁の開度に基づくモデルパラメータを格納する記憶装置を備える。制御ユニットは、検出されたエンジン回転数および検出されたスロットル弁の開度に基づくモデルパラメータを、記憶装置から抽出する。抽出されたモデルパラメータを用いて、プラントへの入力が算出される。この発明によると、様々なエンジン運転条件について、エンジントルクを高精度かつ高応答に制御することができる。
【0014】
この発明の他の側面によると、プラントの出力の目標値は、目標吸気量である。エンジンがアイドリング状態にある時またはトランスミッションが変速している状態にある時、エンジンの目標回転数を実現するのに必要な吸気量が、目標吸気量に設定される。車両が通常の運転状態にあるとき、エンジンの目標エンジントルクを実現するのに必要な吸気量が、目標吸気量に設定される。この発明によれば、エンジンの運転状態に応じたエンジントルク特性を実現することができる。
【0015】
【発明の実施の形態】
内燃機関および制御装置の構成
次に図面を参照してこの発明の実施の形態を説明する。図1は、この発明の実施形態による内燃機関(以下、「エンジン」という)およびその制御装置の全体的なシステム構成図である。
【0016】
電子制御ユニット(以下、「ECU」)という)1は、車両の各部から送られてくるデータを受け入れる入力インターフェース1a、車両の各部の制御を行うための演算を実行するCPU1b、読み取り専用メモリ(ROM)およびランダムアクセスメモリ(RAM)を有するメモリ1c、および車両の各部に制御信号を送る出力インターフェース1dを備えている。メモリ1cのROMには、車両の各部の制御を行うためのプログラムおよび各種のデータが格納されている。ROMは、EEPROMのような書き換え可能なROMでもよい。RAMには、CPU1bによる演算のための作業領域が設けられる。車両の各部から送られてくるデータおよび車両の各部に送り出す制御信号は、RAMに一時的に記憶される。
【0017】
エンジン2は、たとえば4気筒を備えるエンジンである。エンジン2には、燃焼室7を吸気管3に連通するための吸気弁5および燃焼室7を排気管4に連通するための排気弁6が各気筒ごとに設けられている。
【0018】
吸気管3の上流側にはスロットル弁8が設けられている。スロットル弁8は、電子制御弁であり、ECU1からの制御信号によって開度が制御される。スロットル弁8に連結されたスロットル弁開度センサ(θTH)9は、スロットル弁8の開度に応じた電気信号を、ECU1に供給する。
【0019】
スロットル弁8の上流には、エアフローセンサ(AFS)10が設けられている。エアフローセンサ10は、スロットル弁8を通過する空気量Gthを検出し、それをECU1に送る。エアフローセンサ10は、ベーン式エアフローセンサ、カルマン渦式エアフローセンサ、および熱線式エアフローセンサ等であることができる。
【0020】
吸気管圧力(Pb)センサ11は、吸気管3のスロットル弁8の下流側に設けられている。Pbセンサ11によって検出された吸気管圧力Pbは、ECU1に送られる。
【0021】
燃料噴射弁12は、吸気管3の吸気弁5の少し上流側に各気筒毎に設けられている。燃料噴射弁12は、燃料タンク(図示せず)から燃料の供給を受け、ECU1からの制御信号に従って駆動される。
【0022】
回転数(Ne)センサ13は、エンジン2のカム軸またはクランク軸(共に図示せず)周辺に取り付けられる。Neセンサ13は、たとえばピストンのTDC位置に関連したクランク角度で出力されるTDC信号パルスの周期よりも短いクランク角度(たとえば、30度)の周期で、CRK信号パルスを出力する。CRK信号パルスは、ECU5によってカウントされ、エンジン回転数Neが検出される。
【0023】
ECU1に向けて送られた信号は入力インターフェース1aに渡され、アナログ−デジタル変換される。CPU1bは、変換されたデジタル信号を、メモリ1cに格納されているプログラムに従って処理し、制御信号を生成する。出力インターフェース1dは、これらの制御信号を、燃料噴射弁12、およびその他のアクチュエータに送る。
【0024】
吸気管3に吸入された空気は、スロットル弁8を経由してチャンバ14に充填される。吸気弁5が開くと、チャンバ14に充填された空気がエンジン2の燃焼室7に供給される。燃料噴射弁12を介して燃料が供給され、混合気は、燃焼室7内で点火装置によって点火される。
【0025】
制御装置の全体的なブロック図
図2は、本発明の一実施例に従う制御装置の全体的なブロック図を示す。エンジントルク設定部20、回転数フィードバック(FB)制御部21、スイッチ22および吸気量フィードバック(FB)制御部23は、典型的にはコンピュータプログラムによって実現される。
【0026】
エンジントルク設定部20は、アクセルペダル開度、車速およびトランスミッションの変速比等に基づいて、メモリ1cに予め記憶されたマップを参照し、目標エンジントルクを決定する。エンジントルク設定部20は、目標エンジントルクに必要な吸気量を、目標吸気量Gcyl_cmdとして算出する。
【0027】
回転数FB制御部21は、エンジン回転数NEをフィードバック制御する。回転数FB制御の制御対象(以下、プラントと呼ぶ)は、エンジン2である。制御入力は、目標吸気量Gcyl_cmdであり、制御出力は、エンジン回転数NEである。回転数FB制御部21は、エンジン回転数NEが目標値に収束するように、目標吸気量Gcyl_cmdを算出する。
【0028】
スイッチ22により、車両が通常走行している時には、吸気量FB制御部23がエンジントルク設定部20に接続される。この場合、吸気量FB制御部23では、エンジントルク設定部20によって算出された目標吸気量Gcyl_cmdが用いられる。車両がアイドリング運転状態にある時、または車両のトランスミッションが変速中である時には、吸気量FB制御部23は、回転数FB制御部21に接続される。この場合、吸気量FB制御部23では、回転数FB制御部21によって算出された目標吸気量Gcyl_cmdが用いられる。
【0029】
吸気量FB制御部23は、エンジンのシリンダに吸入される空気量Gcylをフィードバック制御する。プラントは吸気管3である。制御入力は、スロットル開度の目標値THcmdであり、制御出力は、エンジンに吸入される空気量Gcylである。吸気量FB制御部23は、吸気量Gcylが目標値Gcyl_cmdに収束するように、目標スロットル開度THcmdを算出する。スロットル弁8は、目標スロットル開度THcmdに従って、ECU1により制御される。
【0030】
このように、車両がアイドリング運転状態にある時、またはトランスミッションが変速中である時は、回転数NEを目標値に収束するための吸気量が目標吸気量として設定される。したがって、アイドリング中におけるエンジンのストールを抑制することができる。また、トランスミッションの変速中における回転数を安定かつ高速に目標値に収束させることができる。
【0031】
本明細書では、最初に吸気量FB制御を説明し、次に回転数FB制御を説明する。
【0032】
1.吸気量フィードバック制御
1.1 吸気動特性のモデル化
まず、吸気管3の吸気動特性をモデル化する手法を説明する。吸気管3を、入力をTHcmd、出力をGcylとしたモデルで表す。
【0033】
各サイクルにおける各シリンダへの吸入空気量Gcyl’は、既知の気体状態方程式から式(1)のように表すことができる。Kηc’はインマニの充填効率(%)であり、Pbは吸気管内の圧力(Pa)であり、Vcylはシリンダの容積(m3)であり、Tcylはシリンダ内の温度(K)であり、Rは気体定数(m3・Pa/g・K)であり、nはサンプリングサイクルを識別する識別子である。
【0034】
【数1】
【0035】
直列型4気筒エンジンの場合、エンジンが1回転するたびに吸気が2回実施されるので、単位時間あたりのシリンダに流入する空気量Gcylは、式(2)のように表される。NEはエンジン回転数(rpm)であり、kはサンプリングサイクルを識別する識別子である。Fcylは、回転数NEの関数である。
【0036】
【数2】
【0037】
一方、チャンバ14内の充填される空気量ΔGbは、式(3)で表される。
【0038】
【数3】
【0039】
チャンバ14について、気体状態方程式(4)から、式(5)が導かれる。Pb、Vb、Tbは、それぞれ、吸気管の圧力(Pa)、体積(m3)および温度(K)である。Rは、前述した気体定数である。
【0040】
【数4】
【0041】
式(5)を式(3)に代入すると、式(6)が得られる。式(6)は、吸気量Gcylを、吸気管内圧力Pbの関数として表したものである。Tは、サンプリング周期を示す。
【0042】
【数5】
【0043】
式(6)のPbをGcylを用いて表すようにするため、式(6)に式(2)を代入して式(7)を導く。式(7)は、Gthを入力とした吸気動特性モデルを表している。
【0044】
【数6】
【0045】
一方、スロットル弁を通過する空気量Gthとスロットル開度THの関係は、式(8)によって表すことができる。Pcは、スロットル弁の上流の圧力(Pc)である。Fthは、スロットル弁の有効開度当たりの流量(g/deg)を示し、スロットル弁の下流の圧力Pb(すなわち、吸気管圧力)およびスロットル弁の上流の圧力Pcに応じて決定される。式(8)を式(7)に代入すると、式(9)が得られる。式(9)は、スロットル弁の開度THを入力とした吸気動特性モデルを表す。
【0046】
【数7】
【0047】
さらに、電子制御スロットル弁の目標スロットル開度THcmdと実開度THとの関係を、式(10)のように近似することができる。式(10)は、むだ時間dthを有する一次遅れ系である。むだ時間dthは、主に、スロットル弁を操作するのに要する電気的な通信により生ずる。式(10)を式(9)に代入すると、式(11)が得られる。
【0048】
【数8】
【0049】
式(9)から、TH(k−1)をGcyl(k−1)およびGcyl(k−2)で表すことができる。このTH(k−1)を式(11)に代入すると、式(12)が得られる。式(12)が、入力として目標スロットル開度THcmd、出力として吸気量Gcylを持つ吸気動特性のモデル式である。
【0050】
【数9】
【0051】
モデルパラメータAair1、Aair2およびBair1は、回転数NE、吸気管圧力Pbおよびスロットル弁上流の圧力Pcに応じて変動する値FcylおよびFthを含む。回転数NEおよびスロットル開度THに基づくモデルパラメータを、マップとして予めメモリ1cに記憶しておくことができる。代替的に、制御装置に同定器を設けて該モデルパラメータを同定してもよい。
【0052】
1.2 一般化予測制御(GPC)の適用の問題点
本発明では、予見制御アルゴリズムを用いて吸気量フィードバック制御を実現する。予見制御に類似した制御手法として、一般化予測制御(以下、GPCと呼ぶ)が知られている(GPCを、予見制御のカテゴリに含める場合もある)。しかしながら、従来のGPCを単に用いるだけでは、実現可能な吸気量フィードバック制御部23を構成することができない。その理由を、まず説明する。
【0053】
式(12)で表される吸気動特性モデルは、式(13)のように表される。ここで、むだ時間dthの値を「2」と仮定する。
【0054】
【数10】
【0055】
式(13)を状態空間表現で表すと、式(14)を得る。
【0056】
【数11】
【0057】
Δ=1−Z−1と定義される差分演算子Δを導入し、式(15)で示される拡大系を定義する。拡大系では1行成分が付加されているが、これは、定常偏差を抑制する積分項を導出するためである。
【0058】
【数12】
【0059】
GPCは、時点kから時点(k+M)までのM区間において、制御量Gcylを目標値Gcyl_cmdに収束させる制御手法である。そこで、式(16)に示されるような評価関数JGを定義する。Hは、重みパラメータ(>0)である。
【0060】
【数13】
【0061】
評価関数JGを最小とする制御入力ΔTHcmdを、最適性の原理を用いて求めることができる。制御入力ΔTHcmdは、式(18)のRiccati方程式の解Pを用いて、式(17)のように表される。
【0062】
【数14】
【0063】
【数15】
【0064】
式(19)のような初期条件を定めることにより、PおよびDを逐次的に求めることができる。
【0065】
【数16】
【0066】
M=1の場合(1ステップ先の目標値が使用可能な場合)、式(16)は式(20)のように表され、式(17)は式(21)のように表される。
【0067】
【数17】
【0068】
式(21)のX’(k)およびGcyl_cmd(k+1)のフィードバック係数を具体的に計算する。
【0069】
【数18】
【0070】
このように、従来のGPCを実行するだけでは、むだ時間が存在することによってGおよびG’ベクトルの1行目の成分がゼロの場合、実行可能な吸気量FB制御部23を構成することができない。
【0071】
1.3 吸気量FB制御部の構成
図3は、本発明の一実施形態に従う、吸気量FB制御部23の構成を示す。本願発明では、このように吸気量FB制御部23を構成することによって、予見制御を用いた実行可能な吸気量フィードバック制御を実現する。
【0072】
吸気量FB制御部23は、適応外乱オブザーバ31、状態予測器32、制御ユニット33を備える。適応外乱オブザーバ31は、吸気管3に印加される外乱の推定値γ1を同定する。状態予測器32は、外乱推定値γ1を用いて、プラントである吸気管3の出力の予測値Pre_Gcylを算出する。制御ユニット33は、予測値Pre_Gcylを用いた予見制御アルゴリズムにより、プラントへの制御入力である目標スロットル開度THcmdを算出する。制御入力THcmdには、外乱推定値γ1に所定のゲインを乗じた値が含まれる。予測値Pre_Gcylを目標値に収束させることにより、プラントの出力Gcylを該目標値に収束させることができる。
【0073】
上記のGおよびG’ベクトルの1行目成分がゼロにされてしまうという問題は、状態予測器32を導入することによって防止することができる。状態予測器32について説明する。
【0074】
電子制御スロットル弁に起因するむだ時間dthを補償するのに必要な値はGcyl(k+dth−1)であるので、吸気動特性モデル式(13)を、(dth−1)ステップだけ未来にシフトする。
【0075】
【数19】
【0076】
式(23)は、観測不可能な未来値Gcyl(k+dth−2)およびGcyl(k+dth−3)を含んでいるので、これらの未来値を消去する。消去は、以下に示すような再帰的な計算によって求めることができる。式(24)は、吸気量Gcylの予測式を表す。
【0077】
【数20】
【0078】
GPCは、最適性の原理を用いた制御理論であるが、モデル化誤差および予測誤差を考慮した設計がなされていないため、これらに対するロバスト性が十分ではない。そこで、予測式(24)に、モデル化誤差および予測誤差を補償するための外乱推定値γ1を含める。式(25)が、状態予測器32によって実行される、予測値Pre_Gcylを求めるための式である。
【0079】
【数21】
【0080】
状態予測器32によって予測値を算出することにより、むだ時間が補償され、よって吸気量制御の速応性を高めることができる。また、予測値に外乱推定値γ1を含めることにより、制御対象である吸気管の出力Gcylと予測値Pre_Gcylの間の定常偏差を解消することができる。
【0081】
外乱推定値γ1は、適応外乱オブザーバ31によって同定される。式(26)は、適応外乱オブザーバ31によって実行される、外乱推定値γ1を求めるための式である。
【0082】
【数22】
【0083】
式(26)から明らかなように、適応外乱オブザーバ31は、現在のサイクルに対する予測値Gcyl_hat(k)を算出する(算出方法は、予測式(25)と同様である)。さらに、適応外乱オブザーバ31は、予測値Gcyl_hat(k)と実際に検出された値Gcyl(k)との偏差e_dovを算出する。その後、逐次型同定アルゴリズムを用い、偏差e_dovを無くすように外乱推定値γ1が算出される。逐次型同定アルゴリズムを用いることにより、外乱推定値を速やかかつ安定的に同定することができる。また、制御対象である吸気管3の出力にノイズが混入した場合でも、逐次型同定アルゴリズムの統計処理効果により、該ノイズによって外乱推定値が変動することを防止することができる。
【0084】
λ1およびλ2は重みパラメータである。λ1=1およびλ2=1の場合は、最小2乗法、λ1<1およびλ2=1の場合は重み付き最小2乗法、λ1=1およびλ2=0の場合は固定ゲイン法、λ11およびλ2<1の場合は漸減ゲイン法となる。
【0085】
次に、制御ユニット33について説明する。予測式(25)を1ステップだけ未来へシフトし、さらに、未来値を含むよう変換すると、式(27)が得られる。未来値を含める該変換は、式(23)から式(24)への変換処理の逆を行えばよい。
【0086】
【数23】
【0087】
Δ=1−Z−1と定義される差分演算子Δを導入し、式(28)のような拡大系を定義する。Egcは、実際の吸気量Gcylと目標値Gcyl_cmdの偏差である。拡大系において1行成分を付加するのは、定常偏差を抑制する積分項を導出するためである。また、外乱の変動は一定していると仮定する(すなわち、Δγ1(k)=Δγ1(k+1))。
【0088】
【数24】
【0089】
評価関数JSGを定義する。目標予見段数をNrで表し、外乱予見段数をNdで表すと、評価関数JSGは、N=Max(Nr,Nd)を用いて定義される。目標予見段数Nrは、前述した区間Mと同じであり、目標値Gcyl_cmdについて、どの区間の未来値を使うかを規定する。外乱予見段数Ndは、適応外乱オブザーバ31によって算出された外乱推定値γ1について、どの区間の未来値を使うかを規定する。本実施例では、Ndはゼロであり、Nrは1である。したがって、Nは1である。評価関数JSGを、式(29)に示す。
【0090】
【数25】
【0091】
評価関数JSGを最小とする制御入力ΔTHcmdを、最適性の原理を用いて求めることができる。式(31)で示されるRiccati方程式の解Πを用いると、制御入力ΔTHcmdは式(30)のように表される。
【0092】
【数26】
【0093】
【数27】
【0094】
式(32)の初期条件に基づいて式(30)を解く。N=1(すなわち、Nr=1およびNd=0)の場合、式(33)が得られる。
【0095】
【数28】
【0096】
【数29】
【0097】
式(33)のフィードバック係数Fx、Fdおよびフィードフォワード係数Frを具体的に計算する。
【0098】
【数30】
【0099】
N=1の場合の制御入力ΔTHcmdは、式(33)および(34)に基づいて算出されることができる。
【0100】
【数31】
【0101】
式(35)は、差分ΔTHcmdを算出する式である。式(35)を積分して、制御入力THcmdを算出する。
【0102】
【数32】
【0103】
Gcyl(0+dth−1)〜Gcyl(0)、Gcyl_cmd(0+dth)〜Gcyl_cmd(0)、γ1(0)およびTHcmd(0)の初期値をゼロとすると、式(36)は式(37)のように表される。
【0104】
【数33】
【0105】
式(37)は、現時点kでは観測不可能な未来値Gcyl(k+dth−1)およびGcyl(k+dth−2)を含んでいる。これらの値の代わりに、状態予測器32によって算出された予測値Pre_Gcyl(k)およびPre_Gcyl(k−1)を用いる。式(38)は、制御ユニット33によって実行される式である。こうして、制御ユニット33によって、制御入力THcmd(k)が生成される。
【0106】
【数34】
【0107】
制御入力THcmdには外乱推定値γ1のフィードバック項が含まれるので、外乱が印加されることによって生じる吸気量Gcylと目標値Gcyl_cmdの偏差を速やかに収束させることができる。また、制御入力THcmdには、目標値のフィードフォワード項Gcyl_cmd(k+dth)が含まれているので、吸気量Gcylの目標値Gcyl_cmdに対する追従速度を向上させることができる。
【0108】
1.4 吸気量FB制御のシミュレーション結果
図4は、本願発明の一実施例に基づく吸気量FB制御のシミュレーションで用いられた仮想の制御対象モデルを示す。仮想制御対象は、式(13)のモデル式に基づく構造を有している。制御入力は、時間dthだけ遅延された目標スロットル開度THcmd(k−dth)である。制御出力は吸気量Gcyl(k)である。1サイクル前の吸気量Gcyl(k−1)および2サイクル前の吸気量Gcyl(k−2)が、フィードバックされる。
【0109】
シミュレーションは、仮想制御対象に3つの外乱を加えることができるよう構成される。図4には、入力外乱d1、状態量外乱d2および出力外乱d3が示されている。入力外乱d1には、たとえばスロットル弁の挙動のバラツキが含まれる。状態量外乱d2には、たとえばモデル化誤差が含まれる。出力外乱d3には、たとえばセンサのノイズが含まれる。
【0110】
表1に、シミュレーションで実施されたケースG−1〜G−5の条件を示す。
【表1】
【0111】
ケースG−1では、外乱は全く加えられない。状態予測器32および制御ユニット33では、外乱推定値γ1を使用して、予測値Pre_Gcylおよび目標スロットル開度THcmdがそれぞれ算出される。図5は、ケースG−1におけるシミュレーション結果を示す。外乱が無いので、予測値Pre_Gcylと実吸気量Gcylとの間に偏差は無い。制御ユニット33は、オーバーシュートを生じさせることなく、吸気量Gcylを目標値Gcyl_cmdに追従させることができる。
【0112】
ケースG−2では、外乱d1〜d3が加えられ、状態予測器32および制御ユニット33の両方で、外乱推定値γ1が用いられない。図6は、ケースG−2におけるシミュレーション結果を示す。外乱によって予測値Pre_Gcylと実吸気量Gcylの間に定常偏差が生じる。制御ユニット33は、予測値Pre_Gcylに基づいて制御入力THcmdを算出するので、吸気量Gcylを目標値Gcyl_cmdに収束させることができない。
【0113】
ケースG−3では、外乱d1〜d3が加えられ、予測器32では外乱推定値γ1が用いられるが、制御ユニット33では外乱推定値γ1が用いられない。図7は、ケースG−3におけるシミュレーション結果を示す。外乱によって生じた、Pre_GcylとGcylの間の定常偏差が、予測器32によって解消されている。そのため、制御器33は、吸気量Gcylを目標値Gcyl_cmdに収束させることができる。しかしながら、制御入力THcmdに、外乱推定値γ1に基づくフィードバック項が含まれないので、収束速度が比較的遅い。
【0114】
ケースG−4では、外乱d1〜d3が加えられ、予測器32および制御ユニット33の両方で、外乱推定値γ1が用いられる。ケースG−4は、図3を参照して説明した本願発明の好ましい実施例に対応する。図8は、ケースG−4におけるシミュレーション結果を示す。図7と比較して明らかなように、吸気量Gcylと目標値Gcyl_cmdの偏差が収束するのに要する時間が飛躍的に短くなっている。
【0115】
ケースG−5では、外乱d1〜d3が加えられ、予測器32よび制御ユニット33の両方で、外乱推定値γ1が用いられる。しかしながら、制御入力THcmdには、目標値のフィードフォワード項Gcyl_cmd(k+dth)が含まれない。図9は、ケースG−5におけるシミュレーション結果を示す。図8と比較して明らかなように、吸気量Gcylの目標値Gcyl_cmdに対する追従速度が遅くなっている。これは、制御入力THcmdに含まれる偏差(GcylとGcyl_cmd)の項が積分項(Pre_Egc項)のみであるためである。このように、目標値フィードフォワード項を制御入力に含めることにより、吸気量Gcylの目標値Gcyl_cmdに対する追従性を向上させることができる。
【0116】
ここで、制御モデルがむだ時間を持たないケースを考察する。この場合、状態予測器32を含めなくてもよく、吸気量Gcylを制御するための吸気動特性モデルは、式(39)のように表されることができる。
【0117】
【数35】
【0118】
むだ時間が存在しないので、適応外乱オブザーバ31によって実行される式(26)は、式(40)によって表される。
【0119】
【数36】
【0120】
むだ時間が存在しないので、制御ユニット33によって実行される式(38)は、式(41)によって表される。
【0121】
【数37】
【0122】
このようなモデルがむだ時間を含まないケースについて、表2に示されるようなシミュレーションを行った。
【0123】
【表2】
【0124】
ケースG−6では、外乱d1〜d3が加えられ、制御ユニット33が、外乱推定値γ1を用いて目標スロットル開度THcmdを算出する。制御入力THcmdには、目標値のフィードフォワード項Gcyl_cmd(k+dth)が含まれる。図10は、ケースG−6におけるシミュレーション結果を示す。
【0125】
ケースG−7では、外乱d1〜d3が加えられ、制御ユニット33が、外乱推定値γ1を用いずに、目標スロットル開度THcmdを算出する。制御入力THcmdには、目標値のフィードフォワード項Gcyl_cmd(k+dth)が含まれる。図11は、ケースG−7におけるシミュレーション結果を示す。
【0126】
図12において、図10(ケースG−6)のGcylの挙動と図11(ケースG−7)のGcylの挙動とが比較されている。前者の方が、後者よりも収束性が良いことがわかる。このように、制御ユニット33において、外乱推定値γ1を用いて制御入力THcmdを算出することにより、制御量Gcylの目標値Gcyl_cmdに対する収束性を高めることができる。
【0127】
前述した実施形態においては、外乱を推定するのに、逐次型同定アルゴリズムを用いる適応外乱オブザーバが用いられている。代替的に、所定のマップ等を参照することによって外乱を推定する他の適切な推定器を用いてもよい。
【0128】
また、前述した実施形態においては、吸入空気量を制御する弁としてスロットル弁が用いられている。代替的に、吸入空気量を制御する他の弁、たとえばバイパス弁等を用いてもよい。
【0129】
2.回転数フィードバック制御
2.1 エンジンのモデル化
まず、エンジン2をモデル化する手法を説明する。エンジン2を、入力を吸気量Gcyl、出力を回転数NEとしたモデルで表す。
【0130】
エンジンの慣性系の運動方程式は、式(42)で表される。Iengはエンジンの慣性モーメント(kgm2)であり、Kneはエンジンのフリクション係数であり、NEは、エンジン回転数(rad/秒)である。Tengはエンジンのトルク(Nm)であり、Tloadは、車両に搭載されたエアーコンディショナーや発電機等の電装部品を駆動するための機器駆動トルク(Nm)であり、Tdrvは、車両の駆動系に配分される、車両を駆動するためのトルク(Nm)である。tは、時間を示す。
【0131】
【数38】
【0132】
エンジントルクTengは、式(43)のように表される。Ktrqは、トルク係数であり、エンジン回転数NE、エンジンの点火時期IG、および当量比(空燃比の逆数)λに応じて決定される。Gcylは、エンジンに吸入される空気量(g)である。
【0133】
【数39】
【0134】
式(43)を式(42)に代入すると、式(44)が得られる。式(44)は、吸気量Gcylを入力とした回転数NEの一次遅れ系を表している。外乱項として、”−(Tload+Tdrv)/Ieng”が付加されている。
【0135】
【数40】
【0136】
式(44)を離散時間系に変換し、式(45)を得る。Tはサンプリング周期を示し、kはサンプリングサイクルを識別する識別子である。式(45)が、エンジン慣性系のモデル式である。
【0137】
【数41】
【0138】
モデルパラメータAne、BneおよびCneは、回転数NEおよびスロットル開度THに応じて変化する。回転数NEおよびスロットル開度THに基づくモデルパラメータを、マップとして予めメモリ1cに記憶しておくことができる。代替的に、制御装置に同定器を設けて該モデルパラメータを同定してもよい。
【0139】
2.2 回転数FB制御部の構成
図13は、本願発明の一実施形態に従う回転数FB制御部21のブロック図を示す。回転数FB制御部21は、適応外乱オブザーバ41、状態予測器42、および制御ユニット43を備える。適応外乱オブザーバ41および状態予測器42は、吸気量FB制御部21について図3に示されるものと同様の構成を有する。
【0140】
適応外乱オブザーバ41は、エンジン2に印加される外乱の推定値δneを同定する。状態予測器42は、外乱推定値δneに基づいて、プラントであるエンジンの出力(すなわちエンジン回転数)の予測値Pre_NEを算出する。制御ユニット43は、予測値Pre_NEを用いた応答指定型制御により、プラントへの制御入力である目標吸気量Gcyl_cmdを算出する。制御入力Gcyl_cmdには、外乱推定値δneに所定のゲインが乗算された値が含まれる。予測値Pre_NEを目標値に収束させることにより、プラントの出力NEを目標値に収束させることができる
まず、状態予測器42について説明する。図2を参照して説明したように、回転数FB制御部21は、吸気量FB制御部23の上流に位置づけられる。吸気管3の吸気動特性にはむだ時間が含まれるが、これを回転数FB制御と吸気量FB制御の両方で補償すると干渉が起こる。したがって、吸気管3が有するむだ時間を吸気量FB制御部23によって補償し、回転数FB制御部21からは、吸気管3をむだ時間要素とみなす。その結果、回転数FB制御部21からは、Gcyl_cmd(k−dth)=Gcyl(k)と見える。言い換えると、回転数FB制御部21からは、Gcyl_cmdの算出からむだ時間dth後に、吸気量Gcylがエンジンに吸入されるように見える。したがって、式(45)のエンジン慣性系のモデル式は、式(46)のように表すことができる。ここで、外乱Tdは、TloadとTdrvの和を示す。
【0141】
【数42】
【0142】
むだ時間dthを補償するためには、制御出力NE(k+dth)を予測する必要がある。したがって、式(46)を未来に(dth−1)ステップだけシフトする。
【0143】
【数43】
【0144】
式(47)は、観測不可能な未来値NE(k+dth−1)およびTd(k+dth−1)を含んでいるので、これらの未来値を消去する。消去は、前述した式(23)からの未来値の消去と同様の手法で実施されることができる。
【0145】
【数44】
【0146】
式(48)における、Td(k+dth−1)〜Td(k)は、ドライバの運転操作や走行条件によって変動するので、その予測は困難である。したがって、式(49)に示されるように、外乱Tdは一定であると仮定する。この仮定により、式(48)は、式(50)で表される。
【0147】
【数45】
【0148】
式(50)に、外乱推定値δneを導入する。外乱推定値δneは、外乱Tdの推定誤差だけでなく、プラントに印加される他の外乱をも含む。式(51)は、回転数の予測値Pre_NEを算出する式であり、状態予測器42によって実行される。
【0149】
【数46】
【0150】
状態予測器42によって予測値を算出することにより、むだ時間が補償され、よって回転数制御の速応性を高めることができる。また、外乱推定値δneに基づいて予測値Pre_NEが算出されるので、制御対象であるエンジンの出力NEと予測値Pre_NEの間の定常偏差を解消することができる。
【0151】
外乱推定値δneは、適応外乱オブザーバ41によって同定される。式(52)は、適応外乱オブザーバ41によって実行される、外乱推定値δneを求めるための式である。
【0152】
【数47】
【0153】
式(52)から明らかなように、適応外乱オブザーバ41は、現在のサイクルに対する推定値NE_hat(k)を算出する(これは、予測式(51)を過去にdthステップだけシフトすることによって算出される)。ここで、外乱推定値δneは一定と仮定する。すなわち、δne(k−dth)=δne(k−1)である。さらに、適応外乱オブザーバ41は、予測値NE_hat(k)と実際に検出された値NE(k)との偏差e_dneを算出する。その後、逐次型同定アルゴリズムを用い、偏差e_dneを無くすように外乱推定値δneが算出される。
【0154】
逐次型同定アルゴリズムを用いることにより、外乱推定値δneを速やかかつ安定的に推定することができる。前述したように、λ1およびλ2は重みパラメータであり、逐次型同定アルゴリズムの種類に応じて決定される。
【0155】
次に、制御ユニット43について説明する。予測式(51)を1ステップだけ未来にシフトし、さらに、未来値を含むように変換すると、式(53)が得られる。未来値を含める該変換は、式(47)から式(48)への変換の逆を行えばよい。ここで、外乱Tdおよび外乱推定値δneの未来値の変動は一定と仮定する。すなわち、Td(k+dth)=Td(k)およびδne(k+dth)=δne(k)である。
【0156】
【数48】
【0157】
応答指定型制御を実施するため、切り換え関数σneを定義する。切り換え関数σneにより、実回転数NEの目標値NE_cmdに対する収束挙動を規定することができる。E_neは、実回転数NEと目標値NE_cmdの偏差である。
【0158】
【数49】
【0159】
切り換え関数σneがゼロとなるように制御入力を決定する。
【0160】
【数50】
【0161】
式(55)は、入力の無い一次遅れ系を示す。すなわち、制御ユニット43は、制御量E_neを、式(55)に示される一次遅れ系に拘束するように動作する。
【0162】
図14は、縦軸にE_ne(k)および横軸にE_ne(k−1)を有する位相平面を示す。位相平面には、式(55)によって表現される切り換え線61が示されている。点62を状態量(E_ne(k−1), E_ne(k))の初期値と仮定すると、制御ユニット43は、該状態量を、切り換え線61上に載せて該切り換え線61上に拘束させる。こうして、状態量が入力の無い一次遅れ系に拘束されるので、時間の経過とともに、状態量は、位相平面の原点(すなわち、E_ne(k), E_ne(k−1)=0)に自動的に収束する。状態量を切り換え線61上に拘束することにより、外乱の影響を受けることなく、状態量を原点に収束させることができる。
【0163】
式(55)の設定パラメータS_neは、−1<S_ne<1を満たすよう設定される。好ましくは、−1<S_ne<0を満たすよう設定される。これは、S_neが正の値を持つと、式(55)の一次遅れ系が振動安定系となるためである。
【0164】
設定パラメータS_neは、偏差E_neの収束の速さを規定するパラメータである。図15には、S_ne=−1、−0.8、および−0.5の場合の収束速度が、グラフ63、64および65でそれぞれ示されている。設定パラメータS_neの絶対値が小さくなるにつれ、偏差E_neの収束速度は速くなる。
【0165】
制御ユニット43は、式(56)に従って制御入力Upasを求める。等価制御入力Ueqは、状態量を切り換え線上に拘束するための入力である。到達則入力Urchは、状態量を切り換え線上に載せるための入力である。
【0166】
【数51】
【0167】
等価制御入力Ueqを求める手法について説明する。等価制御入力Ueqは、位相平面上の任意の場所に、状態量をホールドする機能を持つ。したがって、式(57)を満たす必要がある。
【0168】
【数52】
【0169】
式(54)から、式(57)は式(58)で表される。
【0170】
【数53】
【0171】
式(58)に式(53)を代入すると、式(59)が得られる。
【0172】
【数54】
【0173】
制御入力Ueq(k)は、式(60)により算出される。
【0174】
【数55】
【0175】
式(60)は、現時点kでは観測不可能な未来値NE(k+dth)およびNE(k+dth−1)を含んでいる。これらの値の代わりに、状態予測器42によって算出された予測値Pre_NE(k)およびPre_NE(k−1)を用いる。制御ユニット43は、式(61)を実行して、等価制御入力Ueq(k)を生成する。
【0176】
【数56】
【0177】
このように、等価制御入力Ueqには、外乱フィードバック項δneおよび外乱フィードフォワード項Tdが含まれる。したがって、制御対象であるエンジン2に外乱が印加されることによって生じる回転数NEと目標値NE_cmdの偏差を速やかに収束させることができる。
【0178】
制御ユニット43は、さらに、式(62)を実行して、到達則入力Urchを生成する。Fは、到達則ゲインを示す。
【0179】
【数57】
【0180】
2.3 回転数FB制御のシミュレーション結果
図16は、本願発明の一実施形態に基づく回転数FB制御のシミュレーションで用いられる仮想の制御対象モデルを示す。仮想制御対象は、エンジンのモデル式(46)に基づく構造を有している。制御入力は、時間dthだけ遅延された目標吸気量Gcyl_cmdである。制御出力は、回転数NEである。さらに、制御対象には、外乱として駆動トルクTdが入力される。1サイクル前の回転数NEがフィードバックされる。
【0181】
シミュレーションは、仮想制御対象に3つの外乱を加えることができるよう構成されている。図には、入力外乱L1、状態量外乱L2および出力外乱L3が加えられる場所が示されている。入力外乱L1には、たとえば駆動トルクTdの推定誤差Td_errorが含まれる。状態量外乱L2には、たとえばモデル化誤差が含まれる。出力外乱L3には、たとえばセンサのノイズが含まれる。
【0182】
表3に、シミュレーションで実施されたケースN−1〜ケースN−5の条件を示す。
【0183】
【表3】
【0184】
ケースN−1では、外乱L1〜L3が加えられる。予測器42および制御ユニット43の両方で、外乱推定値δneおよび駆動トルクTdが用いられる。ケースN−1は、図13の本願発明の回転数FB制御に基づく好ましいケースである。図17は、ケースN−1のシミュレーション結果を示す。外乱が加えられた状態で、回転数NEを目標値NE_cmdに定常偏差無く収束させることができる。目標値NE_cmdが変動した時、回転数NEの目標値NE_cmdへの追従特性も良好である。
【0185】
ケースN−2では、予測器42および制御ユニット43で、外乱推定値δneおよび駆動トルクTdが用いられない。図18は、ケースN−2のシミュレーション結果を示す。外乱により、実回転数NEと予測値Pre_NEの間に定常偏差が生じている。制御ユニット43は、予測値Pre_NEに基づいて応答指定型制御を実施するので、実回転数NEを目標値NE_cmdに収束させることができない。
【0186】
ケースN−3では、予測器42および制御ユニット43において、駆動トルクTdは用いられるが、外乱推定値δneは用いられない。図19は、ケースN−3のシミュレーション結果を示す。時間t1において、駆動トルクTdの推定誤差Td_errorがステップ入力される。これに応じて、外乱推定値δneも増加する。駆動トルクTdのフィードフォワード項が用いられているので、実回転数NEと予測値Pre_NEの間の偏差は変化しない。
【0187】
時間t2において、駆動トルクTdが変動する。この時、他の外乱L2およびL3もプラントに印加されている。駆動トルクTdのフィードフォワード項により、駆動トルクTdが変動しても、実回転数NEと目標値NE_cmdの偏差は変化しない。しかしながら、外乱推定値δneが用いられていないので、実回転数NEと予測値Pre_NEの間の定常偏差は解消されず、よって回転数NEを目標値NE_cmdに収束することはできない。
【0188】
ケースN−4では、予測器42および制御ユニット43において、外乱推定値δneおよび駆動トルクTdが用いられないが、制御ユニット43で、制御入力に適応則入力Uadpが付加された場合を示す。適応則入力Uadpは、式(63)で示される。Gは、適応則入力のゲインを示す。
【0189】
【数58】
【0190】
図20は、ケースN−4のシミュレーション結果を示す。制御ユニット43により、予測値Pre_NEは目標値NE_cmdに収束する。しかしながら、予測値Pre_NEが外乱推定値δneに基づいて算出されないので、実回転数NEと予測値Pre_NEの定常偏差が解消されず、よって回転数NEを目標値NE_cmdに収束させることができない。
【0191】
ケースN−5では、予測器42において、駆動トルクTdおよび外乱推定値δneが使用される。制御ユニット43では、駆動トルクTdは用いられるが、外乱推定値δneは使用されない。代わりに、制御ユニット43では、適応則入力Uadpが制御入力に付加される。
【0192】
図21に、ケースN−5のシミュレーション結果を示す。適応則入力UadpのゲインGを大きくすることにより、回転数NEの収束時間を短縮させることができる。しかしながら、図17と比較して明らかなように、ゲインGを大きくすると、積分的なオーバーシュートが生じる。
【0193】
ここで、制御モデルがむだ時間を持たないケースを考察する。この場合、状態予測器42を含めなくてもよく、エンジン回転数NEを制御するためのエンジン慣性系のモデルは、式(64)のように表されることができる。
【0194】
【数59】
【0195】
むだ時間が存在しないので、適応外乱オブザーバ41によって実行される式(52)は、式(65)によって表される。
【0196】
【数60】
【0197】
むだ時間が存在しないので、制御ユニット43によって実行される式(61)および(62)は、式(66)および(67)によって表される。
【0198】
【数61】
【0199】
【数62】
【0200】
このような、モデルがむだ時間特性を含まないケースN−6〜N−9について、表4に示されるようなシミュレーションを行った。
【0201】
【表4】
【0202】
ケースN−6では、外乱L1〜L3が加えられる。制御ユニット43で、外乱推定値δneおよび駆動トルクTdが用いられる。ケースN−6は、前述したように、本願発明の回転数FB制御に基づく好ましいケースである。図22は、ケースN−6のシミュレーション結果を示す。外乱が加えられた状態で、回転数NEを目標値NE_cmdに定常偏差無く収束させることができる。目標値NE_cmdが変動した時、回転数NEの目標値NE_cmdへの追従特性も良好である。
【0203】
ケースN−7では、制御ユニット43において、駆動トルクTdは用いられるが、外乱推定値δneは用いられない。図23は、ケースN−7のシミュレーション結果を示す。外乱が印加されるたびに、実回転数NEと目標値NE_cmdの偏差が大きくなっていくのがわかる。外乱推定値δneが用いられていないので、実回転数NEを目標値NE_cmdに収束することはできない。
【0204】
ケースN−8では、制御ユニット43において、外乱推定値δneが用いられないが、制御入力に適応則入力Uadpが付加された場合を示す。ケースN−8では、比較的小さい値を持つゲインGが用いられる。図24は、ケースN−8のシミュレーション結果を示す。ケースN−9では、制御ユニット43において、比較的大きい値を持つゲインGが用いられる。図25は、ケースN−9のシミュレーション結果を示す。図26は、図24(ケースN−8)の回転数NEの挙動と、図25(ケースN−9)の回転数NEの挙動とを比較した図である。適応則入力UadpのゲインGを大きくすることにより、回転数NEの収束時間を短縮させることができるが、積分的なオーバーシュートが生じていることがわかる。それに対し、ケースN−6に対応する外乱推定値δneを用いると、積分的なオーバーシュートを生じさせることなく、回転数NEを目標値NE_cmdに収束させることができる。
【0205】
前述した実施形態においては、外乱を推定するのに、逐次型同定アルゴリズムを用いる適応外乱オブザーバが用いられている。代替的に、所定のマップ等を参照することによって外乱を求める他の適切な推定器を用いてもよい。
【0206】
3 動作フロー
図27は、図2に示される本発明の一実施形態に従う回転数FB制御および吸気量FB制御のフローチャートを示す。このフローチャートは、マニュアルトランスミッション(MT)、自動マニュアルトランスミッション(自動MT)および自動トランスミッション(AT)のいずれの車両にも適用されることができる。
【0207】
ステップS1において、車両がアイドリング運転状態にあるかどうか、またはトランスミッションの変速中であるかどうかが判断される。ステップS1の判断がYesならば、前述した回転数FB制御を実施するため、ステップS2に進む。
【0208】
ステップS2において、目標エンジン回転数NE_cmdを求める。たとえば、アイドリング運転状態にあるときは、走行条件、暖機状態等に応じた値が、目標値NE_cmdに設定される。変速中であるときは、車速および変速比に応じた値が、目標値NE_cmdに設定される。
【0209】
ステップS3において、検出された実回転数NEに基づいて、ECU1のメモリ1cに記憶されたマップを参照し、モデルパラメータAneおよびBneを抽出する。ステップS4において、機器駆動トルクTloadおよび車両駆動トルクTdrvを求める。車両に搭載された電装部品のオン/オフ状態等に応じて、機器駆動トルクTloadは算出されることができる。また、走行抵抗、クラッチの状態等に応じて、車両駆動トルクTdrvは算出されることができる。TloadおよびTdrvは加算され、外乱としての駆動トルクTdが算出される。ステップS5において、前述した回転数FB制御を実施し、目標吸気量Gcyl_cmdを算出する。
【0210】
一方、車両が通常走行にあるとき、ステップS6に進み、目標エンジントルクを求める。目標エンジントルクは、アクセルペダルの開度、車速、トランスミッションの変速比、および走行環境等に応じて算出されることができる。ステップS7において、目標エンジントルクを実現するのに必要なエンジン吸気量Gcyl_cmdを算出する。たとえば、空燃比および点火時期に基づいて所定のマップを参照し、目標吸気量Gcyl_cmdを得ることができる。
【0211】
ステップS8において、吸気量Gcylを推定する。エアフローメータ10およびPbセンサ11からの出力値に基づいて、吸気量Gcylを推定することができる。ステップS9において、エンジン回転数NEおよびスロットル開度THに基づいて所定のマップを参照し、モデルパラメータAair1、Aair2およびBair1を抽出する。スロットル開度の代わりに、スロットルを通過する空気量GthやステップS8において算出された吸気量Gcylを用いてもよい。
【0212】
ステップS10において、前述した吸気量FB制御を実施し、目標スロットル開度THcmdを算出する。
【0213】
本発明は、クランク軸を鉛直方向とした船外機などのような船舶推進機用エンジンにも適用が可能である。
【図面の簡単な説明】
【図1】この発明の一実施例に従う、内燃機関および制御装置を概略的に示す図。
【図2】この発明の一実施例に従う、制御装置の概略を示す図。
【図3】この発明の一実施例に従う、吸気量フィードバック制御の構成を示す図。
【図4】この発明の一実施例に従う、吸気量フィードバック制御のシミュレーションにおける仮想制御対象を示す図。
【図5】この発明の一実施例に従う、吸気量制御シミュレーションのケースG−1の結果を示す図。
【図6】この発明の一実施例に従う、吸気量制御シミュレーションのケースG−2の結果を示す図。
【図7】この発明の一実施例に従う、吸気量制御シミュレーションのケースG−3の結果を示す図。
【図8】この発明の一実施例に従う、吸気量制御シミュレーションのケースG−4の結果を示す図。
【図9】この発明の一実施例に従う、吸気量制御シミュレーションのケースG−5の結果を示す図。
【図10】この発明の一実施例に従う、吸気量制御シミュレーションのケースG−6の結果を示す図。
【図11】この発明の一実施例に従う、吸気量制御シミュレーションのケースG−7の結果を示す図。
【図12】この発明の一実施例に従う、吸気量制御シミュレーションのケースG−7とケースG−8を比較するための図。
【図13】この発明の一実施例に従う、回転数フィードバック制御の構成を示す図。
【図14】この発明の一実施例に従う、応答指定型制御の切り換え線を示す図。
【図15】この発明の一実施例に従う、応答指定型制御の切り換え関数の設定パラメータの値と収束速度の関係を示す図。
【図16】この発明の一実施例に従う、回転数フィードバック制御のシミュレーションにおける仮想制御対象を示す図。
【図17】この発明の一実施例に従う、回転数制御シミュレーションのケースN−1の結果を示す図。
【図18】この発明の一実施例に従う、回転数制御シミュレーションのケースN−2の結果を示す図。
【図19】この発明の一実施例に従う、回転数制御シミュレーションのケースN−3の結果を示す図。
【図20】この発明の一実施例に従う、回転数制御シミュレーションのケースN−4の結果を示す図。
【図21】この発明の一実施例に従う、回転数制御シミュレーションのケースN−5の結果を示す図。
【図22】この発明の一実施例に従う、回転数制御シミュレーションのケースN−6の結果を示す図。
【図23】この発明の一実施例に従う、回転数制御シミュレーションのケースN−7の結果を示す図。
【図24】この発明の一実施例に従う、回転数制御シミュレーションのケースN−8の結果を示す図。
【図25】この発明の一実施例に従う、回転数制御シミュレーションのケースN−9の結果を示す図。
【図26】この発明の一実施例に従う、回転数制御シミュレーションのケースN−8とケースN−9を比較するための図。
【図27】この発明の一実施例に従う、回転数フィードバック制御および吸気量フィードバック制御のフローチャート。
【符号の説明】
1 ECU
2 エンジン
3 吸気管[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to an apparatus for controlling a plant robustly against disturbances using predictive control, and more specifically, to a system for predictively controlling the engine against disturbances applied to an intake pipe using predictive control. The present invention relates to a device for controlling an intake air amount.
[0002]
[Prior art]
2. Description of the Related Art Conventionally, in order to achieve a predetermined engine torque, an amount of intake air to an engine is controlled. According to one method, a target map is obtained by referring to a predetermined map based on the selection of the accelerator pedal opening, the vehicle speed, and the transmission. The opening of the throttle valve is adjusted according to the target intake air amount.
[0003]
According to another method, the target engine output shaft torque is calculated according to the detected accelerator pedal opening and the rotation speed of the torque converter output shaft. A target throttle valve opening is obtained by referring to a predetermined table based on the actual engine speed and the target engine output shaft torque. An air amount corresponding to the target throttle valve opening is sucked into the engine (for example, see Patent Document 1).
[0004]
[Patent Document 1]
[Patent Document 2] Japanese Patent No. 2780345
[Problems to be solved by the invention]
However, conventional engine torque control does not take into account disturbance applied to the intake pipe and dead time from the throttle valve to the engine. Therefore, the control of the amount of intake air to the engine cannot be performed with sufficient accuracy, which may cause a phenomenon in which the engine torque vibrates.
[0006]
Therefore, there is a need for intake amount control that is robust against disturbance applied to the intake pipe. Further, there is a need for intake air amount control that takes into account the dead time from the throttle valve to the engine.
[0007]
[Means for Solving the Problems]
According to one aspect of the present invention, a control device for controlling a modeled plant includes an estimator for estimating a disturbance applied to the plant, and a preview control algorithm so that the output of the plant converges to a target value. And a control unit for calculating an input to the plant using the control unit. The control unit calculates an input to the plant so as to include a value obtained by multiplying the disturbance estimation value estimated by the estimator by a predetermined gain. According to the present invention, since the input to the plant is calculated to include the disturbance estimation value, it is possible to quickly converge the deviation between the output of the plant and the target value generated when the disturbance is applied to the plant. it can.
[0008]
According to one embodiment of the present invention, the disturbance estimator is an adaptive disturbance observer that identifies a disturbance using a sequential identification algorithm. With the sequential identification algorithm, the disturbance estimation value can be quickly and stably identified. Further, even when noise or the like is mixed in the output of the plant, it is possible to prevent the disturbance estimation value from fluctuating due to the noise or the like due to the statistical processing effect of the sequential identification algorithm.
[0009]
According to an embodiment of the present invention, the control unit further calculates an input to the plant so as to include a value obtained by multiplying a target value of the output of the plant by a predetermined gain. Therefore, the characteristic that the output of the plant follows the target value can be improved.
[0010]
According to another aspect of the present invention, the control device further includes a state predictor that predicts a value output from the plant based on a dead time and a disturbance estimated value of the plant. The control unit calculates the input to the plant using a predictive control algorithm such that the predicted value converges to the target value of the output of the plant.
[0011]
In the conventional generalized predictive control, the gain has to be set low in consideration of the dead time. According to the present invention, since the dead time of the plant is compensated by introducing the state predictor, such a reduction in the gain is not required, and the responsiveness of the control can be increased.
[0012]
According to another aspect of the invention, the plant is an intake pipe communicating with the engine. The intake pipe is modeled such that the input to the plant is the target value of the opening of the valve that controls the amount of air flowing into the intake pipe, and the output of the plant is the amount of air taken into the engine. You. According to the present invention, the amount of intake air to the engine can be made to converge to the target value with high accuracy, so that the engine torque of the vehicle is favorably controlled. In one embodiment, the input to the plant is a target value for the opening of a throttle valve provided in the intake pipe.
[0013]
According to one embodiment of the present invention, the control device includes a storage device that stores model parameters based on the engine speed and the opening of the throttle valve for the modeled plant. The control unit extracts, from the storage device, model parameters based on the detected engine speed and the detected opening of the throttle valve. The input to the plant is calculated using the extracted model parameters. According to the present invention, the engine torque can be controlled with high accuracy and high response under various engine operating conditions.
[0014]
According to another aspect of the present invention, the target output value of the plant is a target intake air amount. When the engine is idling or the transmission is shifting, the intake air amount necessary to achieve the target engine speed is set to the target intake air amount. When the vehicle is in a normal driving state, the intake air amount required to achieve the target engine torque of the engine is set to the target intake air amount. According to the present invention, it is possible to realize an engine torque characteristic according to the operating state of the engine.
[0015]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Configuration of Internal Combustion Engine and Control Device Next, an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is an overall system configuration diagram of an internal combustion engine (hereinafter, referred to as “engine”) and a control device thereof according to an embodiment of the present invention.
[0016]
An electronic control unit (hereinafter, referred to as an “ECU”) 1 includes an input interface 1a that receives data transmitted from each part of the vehicle, a
[0017]
The
[0018]
A
[0019]
An air flow sensor (AFS) 10 is provided upstream of the
[0020]
The intake pipe pressure (Pb)
[0021]
The
[0022]
The rotation speed (Ne)
[0023]
The signal sent to the
[0024]
The air sucked into the
[0025]
Overall block diagram of control device Fig . 2 shows an overall block diagram of a control device according to an embodiment of the present invention. The engine
[0026]
The engine
[0027]
The rotation speed FB control unit 21 performs feedback control of the engine rotation speed NE. A control target (hereinafter, referred to as a plant) of the rotation speed FB control is the
[0028]
The switch 22 connects the intake air amount
[0029]
The intake air amount
[0030]
Thus, when the vehicle is in the idling operation state or when the transmission is shifting, the intake air amount for converging the rotational speed NE to the target value is set as the target intake air amount. Therefore, the engine stall during idling can be suppressed. In addition, the number of revolutions during gear shifting of the transmission can be stably and quickly converged to the target value.
[0031]
In this specification, the intake air amount FB control will be described first, and then the rotational speed FB control will be described.
[0032]
1. Intake volume feedback control
1.1 Modeling of intake dynamics First, a method of modeling the intake dynamics of the
[0033]
The intake air amount Gcyl ′ to each cylinder in each cycle can be expressed as a formula (1) from a known gas state equation. Kηc ′ is the filling efficiency (%) of the intake manifold, Pb is the pressure (Pa) in the intake pipe, Vcyl is the volume (m 3 ) of the cylinder, Tcyl is the temperature (K) in the cylinder, R Is a gas constant (m 3 · Pa / g · K), and n is an identifier for identifying a sampling cycle.
[0034]
(Equation 1)
[0035]
In the case of an inline four-cylinder engine, intake is performed twice each time the engine makes one revolution, so the amount of air Gcyl flowing into the cylinder per unit time is expressed as in equation (2). NE is the engine speed (rpm), and k is an identifier for identifying a sampling cycle. Fcyl is a function of the rotational speed NE.
[0036]
(Equation 2)
[0037]
On the other hand, the amount of air ΔGb to be filled in the chamber 14 is represented by Expression (3).
[0038]
[Equation 3]
[0039]
For the chamber 14, Equation (5) is derived from the gas state equation (4). Pb, Vb and Tb are the pressure (Pa), volume (m 3 ) and temperature (K) of the intake pipe, respectively. R is the gas constant described above.
[0040]
(Equation 4)
[0041]
By substituting equation (5) into equation (3), equation (6) is obtained. Equation (6) expresses the intake air amount Gcyl as a function of the intake pipe pressure Pb. T indicates a sampling cycle.
[0042]
(Equation 5)
[0043]
In order to express Pb in equation (6) using Gcyl, equation (7) is derived by substituting equation (2) into equation (6). Equation (7) represents an intake dynamic characteristic model in which Gth is input.
[0044]
(Equation 6)
[0045]
On the other hand, the relationship between the amount of air Gth passing through the throttle valve and the throttle opening TH can be expressed by equation (8). Pc is the pressure (Pc) upstream of the throttle valve. Fth indicates a flow rate (g / deg) per effective opening of the throttle valve, and is determined according to the pressure Pb downstream of the throttle valve (that is, the intake pipe pressure) and the pressure Pc upstream of the throttle valve. By substituting equation (8) into equation (7), equation (9) is obtained. Equation (9) represents an intake dynamic characteristic model in which the throttle valve opening TH is input.
[0046]
(Equation 7)
[0047]
Further, the relationship between the target throttle opening THcmd and the actual opening TH of the electronically controlled throttle valve can be approximated as shown in Expression (10). Equation (10) is a first-order lag system having a dead time dth. The dead time dth is mainly caused by electrical communication required to operate the throttle valve. By substituting equation (10) into equation (9), equation (11) is obtained.
[0048]
(Equation 8)
[0049]
From equation (9), TH (k-1) can be represented by Gcyl (k-1) and Gcyl (k-2). By substituting TH (k-1) into equation (11), equation (12) is obtained. Equation (12) is a model equation of the intake dynamic characteristic having the target throttle opening THcmd as an input and the intake air amount Gcyl as an output.
[0050]
(Equation 9)
[0051]
The model parameters Aair1, Aair2, and Bair1 include values Fcyl and Fth that vary according to the rotational speed NE, the intake pipe pressure Pb, and the pressure Pc upstream of the throttle valve. Model parameters based on the rotational speed NE and the throttle opening TH can be stored in the memory 1c in advance as a map. Alternatively, an identifier may be provided in the control device to identify the model parameters.
[0052]
1.2 Problems of application of generalized predictive control (GPC) In the present invention, intake air amount feedback control is realized using a preview control algorithm. As a control method similar to preview control, generalized predictive control (hereinafter, referred to as GPC) is known (GPC may be included in the category of preview control). However, the mere use of the conventional GPC does not make it possible to configure the feasible intake air amount
[0053]
The intake dynamic characteristic model represented by Expression (12) is represented by Expression (13). Here, it is assumed that the value of the dead time dth is “2”.
[0054]
(Equation 10)
[0055]
When Expression (13) is represented by a state space expression, Expression (14) is obtained.
[0056]
[Equation 11]
[0057]
A difference operator Δ defined as Δ = 1−Z −1 is introduced to define an expansion system represented by Expression (15). One row component is added in the enlarged system, but this is to derive an integral term that suppresses the steady-state error.
[0058]
(Equation 12)
[0059]
GPC is a control method for converging the control amount Gcyl to the target value Gcyl_cmd in the M section from the time point k to the time point (k + M). Therefore, an evaluation function J G as shown in Expression (16) is defined. H is a weight parameter (> 0).
[0060]
(Equation 13)
[0061]
The control input ΔTHcmd that minimizes the evaluation function J G can be obtained using the principle of optimality. The control input ΔTHcmd is expressed by Expression (17) using the solution P of the Riccati equation of Expression (18).
[0062]
[Equation 14]
[0063]
(Equation 15)
[0064]
P and D can be obtained sequentially by determining an initial condition as shown in Expression (19).
[0065]
(Equation 16)
[0066]
When M = 1 (when the target value one step ahead can be used), Expression (16) is expressed as Expression (20), and Expression (17) is expressed as Expression (21).
[0067]
[Equation 17]
[0068]
The feedback coefficients of X ′ (k) and Gcyl_cmd (k + 1) in equation (21) are specifically calculated.
[0069]
(Equation 18)
[0070]
As described above, if only the conventional GPC is performed, the executable intake air amount
[0071]
1.3 Configuration of intake air amount FB control unit FIG. 3 shows a configuration of the intake air amount
[0072]
The intake air amount
[0073]
The problem that the first row components of the G and G ′ vectors are made zero can be prevented by introducing the
[0074]
Since the value required to compensate for the dead time dth due to the electronically controlled throttle valve is Gcyl (k + dth−1), the intake dynamic characteristic model equation (13) is shifted in the future by (dth−1) steps. .
[0075]
[Equation 19]
[0076]
Since the expression (23) includes the unobservable future values Gcyl (k + dth-2) and Gcyl (k + dth-3), these future values are deleted. Erasure can be obtained by a recursive calculation as described below. Equation (24) represents a prediction equation for the intake air amount Gcyl.
[0077]
(Equation 20)
[0078]
GPC is a control theory based on the principle of optimality, but robustness against these is not sufficient because no design is made in consideration of modeling errors and prediction errors. Therefore, a disturbance estimation value γ1 for compensating for the modeling error and the prediction error is included in the prediction formula (24). Equation (25) is an equation for calculating the predicted value Pre_Gcyl, which is executed by the
[0079]
(Equation 21)
[0080]
By calculating the predicted value by the
[0081]
The disturbance estimation value γ1 is identified by the
[0082]
(Equation 22)
[0083]
As is clear from the equation (26), the
[0084]
λ 1 and λ 2 are weight parameters. For lambda 1 = 1 and lambda 2 = 1, least squares method, lambda 1 <1 and lambda 2 = 1 Weighted least square method when a fixed gain method in the case of lambda 1 = 1 and lambda 2 = 0 , Λ 11 and λ 2 <1, the gradual gain method is used.
[0085]
Next, the
[0086]
[Equation 23]
[0087]
A difference operator Δ defined as Δ = 1−Z −1 is introduced to define an expansion system as in Expression (28). Egc is a deviation between the actual intake air amount Gcyl and the target value Gcyl_cmd. The reason why the one-line component is added in the expansion system is to derive an integral term that suppresses a steady-state error. It is also assumed that the fluctuation of the disturbance is constant (that is, Δγ1 (k) = Δγ1 (k + 1)).
[0088]
(Equation 24)
[0089]
An evaluation function J SG is defined. When the target preview stage number is represented by Nr and the disturbance preview stage number is represented by Nd, the evaluation function J SG is defined using N = Max (Nr, Nd). The target preview step number Nr is the same as the section M described above, and defines which section of the future value to use for the target value Gcyl_cmd. The disturbance prediction step number Nd defines which section of the estimated disturbance value γ1 calculated by the
[0090]
(Equation 25)
[0091]
The control input ΔTHcmd that minimizes the evaluation function J SG can be obtained using the principle of optimality. When the solution の of the Riccati equation shown in Expression (31) is used, the control input ΔTHcmd is expressed as Expression (30).
[0092]
(Equation 26)
[0093]
[Equation 27]
[0094]
Equation (30) is solved based on the initial condition of equation (32). If N = 1 (ie, Nr = 1 and Nd = 0), equation (33) is obtained.
[0095]
[Equation 28]
[0096]
(Equation 29)
[0097]
The feedback coefficients Fx and Fd and the feedforward coefficient Fr in Expression (33) are specifically calculated.
[0098]
[Equation 30]
[0099]
The control input ΔTHcmd in the case of N = 1 can be calculated based on Expressions (33) and (34).
[0100]
[Equation 31]
[0101]
Equation (35) is an equation for calculating the difference ΔTHcmd. The control input THcmd is calculated by integrating the equation (35).
[0102]
(Equation 32)
[0103]
Assuming that the initial values of Gcyl (0 + dth−1) to Gcyl (0), Gcyl_cmd (0 + dth) to Gcyl_cmd (0), γ1 (0), and THcmd (0) are zero, equation (36) can be expressed as equation (37). Is represented by
[0104]
[Equation 33]
[0105]
Equation (37) includes future values Gcyl (k + dth−1) and Gcyl (k + dth−2) that cannot be observed at the current time k. Instead of these values, the predicted values Pre_Gcyl (k) and Pre_Gcyl (k-1) calculated by the
[0106]
(Equation 34)
[0107]
Since the control input THcmd includes the feedback term of the disturbance estimated value γ1, the deviation between the intake air amount Gcyl and the target value Gcyl_cmd caused by the application of the disturbance can be quickly converged. Further, since the control input THcmd includes the feedforward term Gcyl_cmd (k + dth) of the target value, the following speed of the intake air amount Gcyl with respect to the target value Gcyl_cmd can be improved.
[0108]
1.4 Simulation result of intake air amount FB control FIG. 4 shows a virtual control target model used in the simulation of the intake air amount FB control based on one embodiment of the present invention. The virtual control target has a structure based on the model expression of Expression (13). The control input is the target throttle opening THcmd (k-dth) delayed by the time dth. The control output is the intake air amount Gcyl (k). The intake air amount Gcyl (k-1) one cycle ago and the intake air amount Gcyl (k-2) two cycles ago are fed back.
[0109]
The simulation is configured so that three disturbances can be applied to the virtual control target. FIG. 4 shows an input disturbance d1, a state quantity disturbance d2, and an output disturbance d3. The input disturbance d1 includes, for example, variations in the behavior of the throttle valve. The state quantity disturbance d2 includes, for example, a modeling error. The output disturbance d3 includes, for example, sensor noise.
[0110]
Table 1 shows conditions of cases G-1 to G-5 performed in the simulation.
[Table 1]
[0111]
In case G-1, no disturbance is applied. The
[0112]
In case G-2, the disturbances d1 to d3 are added, and the disturbance estimation value γ1 is not used in both the
[0113]
In case G-3, the disturbances d1 to d3 are added, and the
[0114]
In case G-4, disturbances d1 to d3 are added, and both the
[0115]
In case G-5, the disturbances d1 to d3 are added, and both the
[0116]
Here, consider the case where the control model has no dead time. In this case, the
[0117]
(Equation 35)
[0118]
Since no dead time exists, equation (26) executed by the
[0119]
[Equation 36]
[0120]
Since there is no dead time, equation (38) executed by the
[0121]
(37)
[0122]
For the case where such a model does not include dead time, a simulation as shown in Table 2 was performed.
[0123]
[Table 2]
[0124]
In case G-6, the disturbances d1 to d3 are added, and the
[0125]
In case G-7, the disturbances d1 to d3 are added, and the
[0126]
In FIG. 12, the behavior of Gcyl in FIG. 10 (case G-6) and the behavior of Gcyl in FIG. 11 (case G-7) are compared. It can be seen that the former has better convergence than the latter. As described above, in the
[0127]
In the above-described embodiment, an adaptive disturbance observer using a sequential identification algorithm is used to estimate the disturbance. Alternatively, another suitable estimator that estimates the disturbance by referring to a predetermined map or the like may be used.
[0128]
In the above-described embodiment, a throttle valve is used as a valve for controlling the amount of intake air. Alternatively, another valve for controlling the intake air amount, such as a bypass valve, may be used.
[0129]
2. Speed feedback control
2.1 Modeling of engine First, a method of modeling the
[0130]
The equation of motion of the inertial system of the engine is expressed by equation (42). Ieng is the moment of inertia of the engine (kgm 2 ), Kne is the friction coefficient of the engine, and NE is the engine speed (rad / sec). Teng is an engine torque (Nm), Tload is a device drive torque (Nm) for driving electric components such as an air conditioner and a generator mounted on the vehicle, and Tdrv is a drive system of the vehicle. The torque (Nm) for driving the vehicle, which is distributed. t indicates time.
[0131]
[Equation 38]
[0132]
The engine torque Teng is represented by Expression (43). Ktrq is a torque coefficient, and is determined according to the engine speed NE, the ignition timing IG of the engine, and the equivalence ratio (the reciprocal of the air-fuel ratio) λ. Gcyl is the amount of air (g) taken into the engine.
[0133]
[Equation 39]
[0134]
By substituting equation (43) into equation (42), equation (44) is obtained. Equation (44) represents a first-order lag system of the rotation speed NE to which the intake air amount Gcyl is input. “− (Tload + Tdrv) / Ieng” is added as a disturbance term.
[0135]
(Equation 40)
[0136]
Equation (44) is converted to a discrete time system to obtain Equation (45). T indicates a sampling cycle, and k is an identifier for identifying the sampling cycle. Equation (45) is a model equation of the engine inertia system.
[0137]
(Equation 41)
[0138]
The model parameters Ane, Bne and Cne change according to the rotational speed NE and the throttle opening TH. Model parameters based on the rotational speed NE and the throttle opening TH can be stored in the memory 1c in advance as a map. Alternatively, an identifier may be provided in the control device to identify the model parameters.
[0139]
2.2 Configuration of rotation speed FB control unit FIG. 13 is a block diagram of the rotation speed FB control unit 21 according to an embodiment of the present invention. The rotation speed FB control unit 21 includes an
[0140]
The
[0141]
(Equation 42)
[0142]
In order to compensate for the dead time dth, it is necessary to predict the control output NE (k + dth). Therefore, equation (46) is shifted by (dth-1) steps in the future.
[0143]
[Equation 43]
[0144]
Since the expression (47) includes the unobservable future values NE (k + dth−1) and Td (k + dth−1), these future values are deleted. Erasure can be performed in a manner similar to the erasure of future values from equation (23) above.
[0145]
[Equation 44]
[0146]
Since Td (k + dth-1) to Td (k) in the equation (48) varies depending on the driving operation of the driver and the running conditions, it is difficult to predict them. Therefore, it is assumed that the disturbance Td is constant as shown in Expression (49). With this assumption, equation (48) is represented by equation (50).
[0147]
[Equation 45]
[0148]
The disturbance estimation value δne is introduced into the equation (50). The disturbance estimation value δne includes not only the estimation error of the disturbance Td but also other disturbances applied to the plant. Expression (51) is an expression for calculating the predicted value Pre_NE of the rotation speed, and is executed by the
[0149]
[Equation 46]
[0150]
By calculating the predicted value by the
[0151]
The disturbance estimation value δne is identified by the
[0152]
[Equation 47]
[0153]
As is clear from equation (52), the
[0154]
By using the sequential identification algorithm, the disturbance estimation value δne can be quickly and stably estimated. As described above, λ 1 and λ 2 are weight parameters, and are determined according to the type of the sequential identification algorithm.
[0155]
Next, the
[0156]
[Equation 48]
[0157]
In order to implement response assignment type control, a switching function σne is defined. The convergence behavior of the actual rotational speed NE with respect to the target value NE_cmd can be defined by the switching function σne. E_ne is a deviation between the actual rotational speed NE and the target value NE_cmd.
[0158]
[Equation 49]
[0159]
The control input is determined so that the switching function σne becomes zero.
[0160]
[Equation 50]
[0161]
Equation (55) shows a first-order lag system with no input. That is, the
[0162]
FIG. 14 shows a phase plane having E_ne (k) on the vertical axis and E_ne (k-1) on the horizontal axis. In the phase plane, a
[0163]
The setting parameter S_ne in the equation (55) is set so as to satisfy -1 <S_ne <1. Preferably, it is set so as to satisfy -1 <S_ne <0. This is because if S_ne has a positive value, the first-order lag system of Expression (55) becomes a vibration stable system.
[0164]
The setting parameter S_ne is a parameter that defines the speed at which the deviation E_ne converges. FIG. 15 shows convergence speeds in the case of S_ne = -1, -0.8 and -0.5 by
[0165]
The
[0166]
(Equation 51)
[0167]
A method for obtaining the equivalent control input Ueq will be described. The equivalent control input Ueq has a function of holding a state quantity at an arbitrary position on the phase plane. Therefore, equation (57) needs to be satisfied.
[0168]
(Equation 52)
[0169]
From Expression (54), Expression (57) is expressed by Expression (58).
[0170]
(Equation 53)
[0171]
By substituting equation (53) into equation (58), equation (59) is obtained.
[0172]
(Equation 54)
[0173]
The control input Ueq (k) is calculated by Expression (60).
[0174]
[Equation 55]
[0175]
Equation (60) includes future values NE (k + dth) and NE (k + dth−1) that cannot be observed at the current time k. Instead of these values, the predicted values Pre_NE (k) and Pre_NE (k-1) calculated by the
[0176]
[Equation 56]
[0177]
As described above, the equivalent control input Ueq includes the disturbance feedback term δne and the disturbance feedforward term Td. Therefore, the deviation between the rotational speed NE and the target value NE_cmd caused by the application of the disturbance to the
[0178]
The
[0179]
[Equation 57]
[0180]
2.3 Simulation result of rotation speed FB control Fig. 16 shows a virtual control target model used in a simulation of rotation speed FB control based on one embodiment of the present invention. The virtual control target has a structure based on the model equation (46) of the engine. The control input is the target intake air amount Gcyl_cmd delayed by the time dth. The control output is the rotational speed NE. Further, the drive torque Td is input to the control target as a disturbance. The rotation speed NE one cycle before is fed back.
[0181]
The simulation is configured so that three disturbances can be applied to the virtual control target. The figure shows where the input disturbance L1, the state quantity disturbance L2 and the output disturbance L3 are applied. The input disturbance L1 includes, for example, an estimation error Td_error of the driving torque Td. The state quantity disturbance L2 includes, for example, a modeling error. The output disturbance L3 includes, for example, sensor noise.
[0182]
Table 3 shows conditions of case N-1 to case N-5 performed in the simulation.
[0183]
[Table 3]
[0184]
In case N-1, disturbances L1 to L3 are added. Both the
[0185]
In case N-2, the
[0186]
In case N-3, the
[0187]
At time t2, the drive torque Td fluctuates. At this time, other disturbances L2 and L3 are also applied to the plant. Due to the feedforward term of the driving torque Td, even if the driving torque Td fluctuates, the deviation between the actual rotational speed NE and the target value NE_cmd does not change. However, since the disturbance estimation value δne is not used, the steady-state deviation between the actual rotation speed NE and the predicted value Pre_NE is not eliminated, and therefore, the rotation speed NE cannot converge to the target value NE_cmd.
[0188]
Case N-4 shows a case where the disturbance estimation value δne and the driving torque Td are not used in the
[0189]
[Equation 58]
[0190]
FIG. 20 shows a simulation result of Case N-4. The
[0191]
In case N-5, the
[0192]
FIG. 21 shows a simulation result of Case N-5. By increasing the gain G of the adaptive law input Uadp, the convergence time of the rotational speed NE can be reduced. However, as apparent from comparison with FIG. 17, when the gain G is increased, integral overshoot occurs.
[0193]
Here, consider the case where the control model has no dead time. In this case, it is not necessary to include the
[0194]
[Equation 59]
[0195]
Since there is no dead time, equation (52) executed by the
[0196]
[Equation 60]
[0197]
Since there is no dead time, equations (61) and (62) executed by
[0198]
[Equation 61]
[0199]
(Equation 62)
[0200]
For the cases N-6 to N-9 in which the model does not include the dead time characteristic, a simulation as shown in Table 4 was performed.
[0201]
[Table 4]
[0202]
In case N-6, disturbances L1 to L3 are added. The
[0203]
In case N-7, the
[0204]
Case N-8 shows a case where the disturbance estimation value δne is not used in the
[0205]
In the above-described embodiment, an adaptive disturbance observer using a sequential identification algorithm is used to estimate the disturbance. Alternatively, another suitable estimator that determines the disturbance by referring to a predetermined map or the like may be used.
[0206]
3. Operation flow FIG. 27 shows a flowchart of the rotational speed FB control and the intake air amount FB control according to the embodiment of the present invention shown in FIG. This flowchart can be applied to any of a manual transmission (MT), an automatic manual transmission (automatic MT), and an automatic transmission (AT).
[0207]
In step S1, it is determined whether the vehicle is in an idling operation state or whether the transmission is shifting. If the determination in step S1 is Yes, the process proceeds to step S2 to execute the above-described rotation speed FB control.
[0208]
In step S2, a target engine speed NE_cmd is determined. For example, when the vehicle is in an idling operation state, a value corresponding to a traveling condition, a warm-up state, and the like is set as the target value NE_cmd. During a gear shift, a value corresponding to the vehicle speed and the gear ratio is set as the target value NE_cmd.
[0209]
In step S3, based on the detected actual rotational speed NE, model parameters Ane and Bne are extracted with reference to a map stored in the memory 1c of the
[0210]
On the other hand, when the vehicle is running normally, the process proceeds to step S6, and a target engine torque is obtained. The target engine torque can be calculated according to the accelerator pedal opening, the vehicle speed, the transmission gear ratio, the driving environment, and the like. In step S7, the engine intake amount Gcyl_cmd required to achieve the target engine torque is calculated. For example, the target intake air amount Gcyl_cmd can be obtained by referring to a predetermined map based on the air-fuel ratio and the ignition timing.
[0211]
In step S8, the intake air amount Gcyl is estimated. The intake air amount Gcyl can be estimated based on the output values from the
[0212]
In step S10, the above-described intake air amount FB control is performed to calculate a target throttle opening THcmd.
[0213]
The present invention can also be applied to a marine propulsion engine such as an outboard motor having a vertical crankshaft.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a diagram schematically showing an internal combustion engine and a control device according to one embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a diagram schematically showing a control device according to one embodiment of the present invention.
FIG. 3 is a diagram showing a configuration of intake air amount feedback control according to an embodiment of the present invention.
FIG. 4 is a diagram showing a virtual control object in a simulation of intake air amount feedback control according to one embodiment of the present invention.
FIG. 5 is a diagram showing a result of a case G-1 of intake air amount control simulation according to the embodiment of the present invention.
FIG. 6 is a diagram showing a result of a case G-2 of the intake air amount control simulation according to the embodiment of the present invention.
FIG. 7 is a diagram showing a result of a case G-3 of the intake air amount control simulation according to the embodiment of the present invention.
FIG. 8 is a diagram showing a result of a case G-4 of intake air amount control simulation according to the embodiment of the present invention.
FIG. 9 is a diagram showing a result of a case G-5 of the intake air amount control simulation according to the embodiment of the present invention.
FIG. 10 is a diagram showing a result of a case G-6 of intake air amount control simulation according to the embodiment of the present invention.
FIG. 11 is a diagram showing a result of a case G-7 of the intake air amount control simulation according to the embodiment of the present invention.
FIG. 12 is a diagram for comparing case G-7 and case G-8 of the intake air amount control simulation according to one embodiment of the present invention.
FIG. 13 is a diagram showing a configuration of rotation speed feedback control according to one embodiment of the present invention.
FIG. 14 is a diagram showing a switching line of response designation type control according to an embodiment of the present invention.
FIG. 15 is a diagram showing a relationship between a value of a setting parameter of a switching function of response assignment control and a convergence speed according to an embodiment of the present invention.
FIG. 16 is a diagram showing a virtual control object in a simulation of the rotational speed feedback control according to one embodiment of the present invention.
FIG. 17 is a view showing a result of a rotation speed control simulation case N-1 according to one embodiment of the present invention;
FIG. 18 is a diagram showing a result of a rotation speed control simulation in case N-2 according to one embodiment of the present invention.
FIG. 19 is a diagram showing a result of a rotation speed control simulation case N-3 according to one embodiment of the present invention.
FIG. 20 is a diagram showing a result of a rotation speed control simulation case N-4 according to one embodiment of the present invention.
FIG. 21 is a diagram showing a result of a rotation speed control simulation case N-5 according to an embodiment of the present invention.
FIG. 22 is a diagram showing a result of a rotation speed control simulation case N-6 according to an embodiment of the present invention.
FIG. 23 is a view showing a result of a rotation speed control simulation case N-7 according to an embodiment of the present invention.
FIG. 24 is a diagram showing a result of a rotation speed control simulation in case N-8 according to one embodiment of the present invention;
FIG. 25 is a diagram showing a result of a rotation speed control simulation case N-9 according to an embodiment of the present invention.
FIG. 26 is a diagram for comparing case N-8 and case N-9 of the rotation speed control simulation according to one embodiment of the present invention.
FIG. 27 is a flowchart of rotation speed feedback control and intake air amount feedback control according to one embodiment of the present invention.
[Explanation of symbols]
1 ECU
2
Claims (13)
前記プラントに印加される外乱を推定する推定器と、
前記プラントの出力が目標値に収束するように、予見制御アルゴリズムを用いて該プラントへの入力を算出する制御ユニットであって、前記推定器によって推定された外乱推定値の所定のゲインを乗じた値を含むように該プラントへの入力を算出する制御ユニットと、
を備える制御装置。A control device for controlling a modeled plant,
An estimator for estimating a disturbance applied to the plant,
A control unit that calculates an input to the plant using a preview control algorithm so that the output of the plant converges to a target value, wherein the control unit multiplies a predetermined gain of a disturbance estimation value estimated by the estimator. A control unit for calculating an input to the plant to include the value,
A control device comprising:
該吸気管は、該プラントへの入力が、該吸気管に流入する空気量を制御する弁の開度の目標値であり、該プラントの出力が、該エンジンに吸入される空気量であるようにモデル化される、請求項1に記載の制御装置。The plant is an intake pipe connected to an engine,
In the intake pipe, an input to the plant is a target value of an opening degree of a valve that controls an amount of air flowing into the intake pipe, and an output of the plant is an amount of air taken into the engine. The control device according to claim 1, wherein the control device is modeled as follows.
前記制御ユニットは、検出されたエンジン回転数および検出されたスロットル弁の開度に基づくモデルパラメータを該記憶装置から抽出し、該抽出したモデルパラメータを用いて、前記プラントへの入力を算出する、請求項4に記載の制御装置。A storage device for storing model parameters based on an engine speed and an opening of a throttle valve for the modeled plant,
The control unit extracts a model parameter based on the detected engine speed and the detected opening of the throttle valve from the storage device, and calculates an input to the plant using the extracted model parameter. The control device according to claim 4.
前記制御ユニットは、さらに、
前記エンジンがアイドリング運転状態にある時またはトランスミッションが変速している状態にある時、該エンジンの目標回転数を実現するのに必要な吸入空気量を、前記目標吸入空気量に設定し、
前記エンジンが通常の運転状態にある時、該エンジンの目標エンジントルクを実現するのに必要な吸気量を、前記目標吸入空気量に設定する、
請求項4に記載の制御装置。The target value of the output of the plant is a target intake air amount,
The control unit further comprises:
When the engine is in an idling operation state or when a transmission is shifting, an intake air amount required to achieve a target rotation speed of the engine is set to the target intake air amount,
When the engine is in a normal operating state, an intake air amount required to achieve a target engine torque of the engine is set to the target intake air amount.
The control device according to claim 4.
前記プラントに印加される外乱を推定する推定器と、
前記プラントが有するむだ時間および前記推定器によって推定された外乱推定値に基づいて、該プラントから出力される値を予測する状態予測器と、
前記予測値が前記プラントの出力の目標値に収束するように、予見制御アルゴリズムを用いて該プラントへの入力を算出する制御ユニットと、
を備える、制御装置。A control device for controlling a modeled plant,
An estimator for estimating a disturbance applied to the plant,
A state predictor that predicts a value output from the plant based on a disturbance time estimated by the estimator and a dead time of the plant,
A control unit that calculates an input to the plant using a preview control algorithm so that the predicted value converges to a target value of the output of the plant;
A control device comprising:
該吸気管は、該プラントへの入力が、該吸気管に流入する空気量を制御する弁の開度の目標値であり、該プラントの出力が、該エンジンに吸入される空気量であるようにモデル化される、請求項8に記載の制御装置。The plant is an intake pipe connected to an engine,
In the intake pipe, an input to the plant is a target value of an opening degree of a valve that controls an amount of air flowing into the intake pipe, and an output of the plant is an amount of air taken into the engine. The control device according to claim 8, wherein the control device is modeled as follows.
前記制御ユニットは、検出されたエンジン回転数および検出されたスロットル弁の開度に基づくモデルパラメータを該記憶装置から抽出し、該抽出したモデルパラメータを用いて、前記プラントへの入力を算出する、請求項8に記載の制御装置。A storage device for storing model parameters based on an engine speed and an opening of a throttle valve for the modeled plant,
The control unit extracts a model parameter based on the detected engine speed and the detected opening of the throttle valve from the storage device, and calculates an input to the plant using the extracted model parameter. The control device according to claim 8.
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