JP2005038322A - アクチュエータ故障診断装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 積分飽和を効率的に防止して、アクチュエータモデルを用いることなくアクチュエータの追従性能の故障診断をすることができるアクチュエータ故障診断装置を提供する。
【解決手段】 実要求位置と移動した位置のフィードバック信号との差を取る第２減算器１１と、この差を制御動作信号としゲインＫｓで増幅する第２比例要素１２と、この比例要素の出力電流を制限する第２電流リミッタ１３と、この電流リミッタの出力電流を積分した積分出力を第１減算器１へ修正要求位置として入力する積分要素１４と、積分要素４の出力を第２減算器１１にフィードバックする第２フィードバックライン１５とを備え、第２電流リミッタ１３により積分要素１４への積分入力をアクチュエータの最大移動速度の範囲内に制限し、更に第１減算器の出力を所定のしきい値と比較する比較器１０を備え、しきい値を超えるときに故障と診断する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、アクチュエータモデルを用いることなくアクチュエータの追従性能の故障診断をするアクチュエータ故障診断装置に関する。

アクチュエータシステムの故障診断の１つに、指令に対して期待される性能でアクチュエータが追従しているかを診断する追従性診断がある。この追従性診断は、期待する性能を示すアクチュエータモデルと実際のアクチュエータの動きを比較することによりアクチュエータが正常な状態にあるかを判断するものである。以下、かかる追従性診断を「トラックチェック」と呼ぶ。
なお、関連する故障診断手段として、特許文献１、２等が開示されている。

特許文献１の「内燃機関用バルブタイミング制御装置」は、図５において、内燃機関５１がアイドル運転時であるにも関わらずＩＳＣバルブ５５のＩＳＣ開度、イグナイタ５８による点火時期またはクランク角センサ５３による機関回転数の回転変動量の少なくとも何れか１つが所定値以上であるときには内燃機関５１の燃焼状態が不安定であると言える。このことから、ＶＶＴ（可変バルブタイミング制御機構）５０に対する制御量としての目標進角値が最遅角側であるにも関わらず実進角値が追従せず最遅角側近傍になくバルブオーバラップが大きいと判断するものである。

特許文献２の「エンジン制御装置」は、図６において、エンジン運転状態計測手段と、該エンジン運転状態計測手段の計測に基づきフィードバック制御して目標値に追従させる電制スロットル弁と、エンジンの運転条件に応じて排気ガスを吸気通路に環流させる排気ガス再循環手段とを備えたエンジン制御装置であって、該エンジン制御装置は、前記排気ガスの再循環量を制御する手段と、前記排気ガス再循環手段の故障を診断する手段とを備え、前記排気ガス再循環故障診断手段は、診断時に前記排気ガスの環流量を強制的に変化させるべく、前記排気ガス再循環量制御手段を制御して故障を診断するものである。

特開２０００−７３７９５号公報 特開２００１−１８２６０２号公報

従来、アクチュエータ等のシステムの健全性を確認する手段として、図４のような数学的なアクチュエータモデルとの比較により追従性能を判断する故障診断（トラックチェック）を実施していた。
しかしながら、この手段の場合、使用状況によりアクチュエータモデルがアクチュエータを正確に再現できないことがあった。すなわちアクチュエータの変動および速度制限の変動が発生すると、これを数学的にシミュレーションできないことによりアクチュエータモデルとの間に誤差が生じるため、特に動作中のアクチュエータの精度のよいトラックチェックができない問題点があった。

図３は、従来のアクチュエータ制御手段の模式図である。図３（Ａ）（Ｂ）に示す油圧サーボシリンダは、トルクモータＴＭ、油圧アクチュエータ、センサ等からなり、トルクモータＴＭに入力された電流値ｍＡに応じて油圧アクチュエータのシリンダ側又はロッド側に油圧を流してシリンダを作動させ、その動きをセンサで検出してフィードバック信号（ｆ／ｂ）を出すようになっている。以下、この油圧サーボシリンダを単に、アクチュエータ又はハードウェアと呼ぶ。

図３（Ｃ）は、従来の最も単純なフィードバック系の制御ブロック図である。この図において、制御系は、要求位置と移動した位置のフィードバック信号との差を取る減算器１と、この差を制御動作信号とし、ゲインＫｐで増幅する比例要素２と、この比例要素２の出力（電流）を制限する電流リミッタ３と、電流リミッタ３の制御出力（電流）によりアクチュエータの動作を行なう積分要素４と、この積分要素４の出力を減算器１にフィードバックするフィードバックライン５とから構成される。
かかるアクチュエータ制御において、通常アクチュエータにフェールセーフとなるようにオフセットを持たせている。しかし、このオフセットは運用中変動する。この変動を補正するために積分制御を持つ。一方、アクチュエータにはハードウェアの制限が存在し、この制限を超える要求（位置）が入力された場合、積分の飽和という事象が発生する。

従来、様々な積分飽和防止方法が提案されている。図３（Ｄ）は、かかる従来の積分飽和防止方法を示す図である。この図に示すように、従来は積分飽和を防止するために、制御出力（電流）に対して制限を設け、次のように積分入力を０に切り換えていた。
（１）制御出力が「最大制限」を超え、かつ積分入力が「正」の場合、積分入力を「０」とする。
（２）制御出力が「最小制限」を超え、かつ積分入力が「負」の場合積分入力を「０」とする。
しかし、かかる従来の方法は複雑であり、積分飽和防止の定数の決定は、アクチュエータ特性と経験に頼っているのが現状だった。すなわち、積分飽和防止を行うための従来の方法は複雑であり、デジタル制御の場合、積分飽和防止の処置が遅れる問題点があった。また、判断規準の決定に経験的要素が含まれる問題があった。

本発明は、上述した問題点を解決するために創案されたものである。すなわち、本発明の目的は、積分飽和を効率的に防止して、アクチュエータモデルを用いることなくアクチュエータの追従性能の故障診断をすることができるアクチュエータ故障診断装置を提供することにある。

本発明によれば、修正要求位置と移動した位置のフィードバック信号との差を取る第１減算器と、この差を制御動作信号としゲインＫｐで増幅する第１比例要素と、この比例要素の出力電流により動作を行なうアクチュエータと、該アクチュエータの位置を検出するセンサと、該センサの出力を前記第１減算器にフィードバックする第１フィードバックラインと、
実要求位置と移動した位置のフィードバック信号との差を取る第２減算器と、この差を制御動作信号としゲインＫＩで増幅する第２比例要素と、この比例要素の出力を制限する速度リミッタと、この速度リミッタの出力を積分した積分出力を第１減算器へ修正要求位置として入力する積分要素と、前記センサの出力を第２減算器にフィードバックする第２フィードバックラインとを備え、
前記速度リミッタにより前記積分要素への積分入力をアクチュエータの最大移動速度の範囲内に制限し、
更に前記第１減算器の出力を所定のしきい値と比較する比較器を備え、該しきい値を超えるときに故障と診断する、ことを特徴とするアクチュエータの故障診断装置が提供される。

本発明は、１つのリミッタのみで、上述した積分飽和防止を実現すると共に、経験によらず、定数の決定が可能であることに特徴をもつ。すなわち、積分飽和は、要求に対してハードウェアが追従できない場合に発生する。従って、積分出力をハードウェアが追従できる範囲に抑えることが可能であれば、積分飽和は発生しない点に着目し、積分入力に制限を加えることにより積分飽和を防止することができる。
すなわち、上述した本発明の構成によれば、速度リミッタにより、積分要素への積分入力をアクチュエータの最大移動速度の範囲内に制限する。この積分入力の制限値は、通常、アクチュエータの最大移動速度（正負方向供）が既知であるため、この最大移動速度以内の任意の値を設定する。
この構成により、アクチュエータの最大移動速度の範囲内に、積分入力を制限しているため、演算順序からわかるように、積分飽和防止の処置に遅れがない。

また第１減算器の出力、すなわち第１比例要素への比例入力を所定のしきい値と比較する比較器を備え、このしきい値を超えるときに故障と診断することにより、アクチュエータシステムの追従性の故障診断をすることができる。
従って本発明により、アクチュエータの制御状態によらず、トラックチェックの精度を向上させることができるため、アクチュエータの故障が発生した場合に早期に故障を検出することが可能となる。また、アクチュエータモデルをなくすことができるため、回路またはソフトウェアを簡略化できる。

以下、本発明の好ましい実施形態を図面を参照して説明する。
図１は、本発明によるアクチュエータ故障診断装置の制御ブロック図である。この図に示すように、本発明のアクチュエータ故障診断装置は、第１減算器１、第１比例要素２、アクチュエータ４、センサ６、及び第１フィードバックライン５を有する。
第１減算器１は、修正要求位置と移動した位置のフィードバック信号との差を取る。第１比例要素２は、第１減算器１による差を制御動作信号としゲインＫｐで増幅する。アクチュエータ４は、例えば油圧サーボシリンダであり、第１比例要素２の制御出力電流により作動する。センサ６はアクチュエータ４の位置を検出する。第１フィードバックライン５は、センサ６の出力を第１減算器１にフィードバックする。
以上の構成は、第１減算器１に直接要求位置（実要求位置）が入力されずに、修正要求位置が入力される点を除いて、図４に示した従来のアクチュエータ故障診断装置と同様である。

本発明のアクチュエータ故障診断装置は、更に、第２減算器１１、第２比例要素１２、速度リミッタ１３、積分要素１４、及び第２フィードバックライン１５を有する。
第２減算器１１は、実要求位置と移動した位置のフィードバック信号との差を取る。第２比例要素１２は、第２減算器１１による差を制御動作信号としゲインＫＩで増幅する。速度リミッタ１３は、第２比例要素１２の出力を制限する。本発明によれば、この速度リミッタ１３により積分要素１４への積分入力をアクチュエータの最大移動速度の範囲内に制限するようになっている。
積分要素１４は、速度リミッタ１３の出力電流を積分した積分出力を第１減算器１へ修正要求位置として入力する。更に、第２フィードバックライン１５は、センサ６の出力を第２減算器１１にフィードバックする。

言い換えれば、第２減算器１１、第２比例要素１２、速度リミッタ１３、積分要素１４、及び第２フィードバックライン１５は、実要求位置から修正要求位置を演算し、同時に速度リミッタ１３により第２積分要素１４への積分入力をアクチュエータの最大移動速度の範囲内に制限するようになっている。

本発明のアクチュエータ故障診断装置は、更に、第１減算器１の出力、すなわち第１比例要素２への比例入力を所定のしきい値と比較する比較器１０を備える。この比較器１０は、比例入力が所定のしきい値を超えるときに故障と診断し、所定の出力（例えば故障信号）を出力する。

図２は、本発明の効果を示す模式図である。この図において、（Ａ）は、本発明による制御特性、（Ｂ）は従来の積分飽和防止装置の制御特性、（Ｃ）は積分飽和防止装置を持たない場合、または積分飽和防止装置の定数設定不良時の制御特性を示し、特に（Ｃ）は積分飽和状態を示している。

上述した本発明の構成によれば、速度リミッタ１３により、第２積分要素１４への積分入力をアクチュエータの最大移動速度の範囲内に制限している。この積分入力の制限値は、通常、アクチュエータの最大移動速度（正負方向共）が既知であるため、この最大移動速度以内の任意の値を設定する。したがって、この構成により、積分出力はアクチュエータが動ける範囲となるため、図２（Ａ）に示すように、アクチュエータが追従できるためアクチュエータの動きとフィードバックの動きとがほぼ一致する。また、この比例入力を比較器１０でモニタすることによりアクチュエータシステムの故障診断に利用できる。また、積分入力制限が演算上流に位置するためデジタル制御においても積分飽和防止の処置に遅れがない。

これに対して、従来の制御では、図２（Ｂ）に示すように、条件による切換のため段差ができ、フィードバックの動きとは一致しない。更に、定数の設定によっては、積分飽和が生じると図２（Ｃ）のように、その差は更に大きくなる。

なお、本発明は上述した実施形態に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々変更できることは勿論である。

本発明によるアクチュエータ故障診断装置の制御ブロック図である。 本発明の効果を示す模式図である。 従来のアクチュエータ制御手段の模式図である。 従来のアクチュエータ故障診断装置の制御ブロック図である。 特許文献１の「内燃機関用バルブタイミング制御装置」の模式図である。 特許文献２の「エンジン制御装置」の模式図である。

符号の説明

１ 減算器（第１減算器）
２ 比例要素（第１比例要素）
３ 電流リミッタ
４ アクチュエータ（積分要素）
５ フィードバックライン（第１フィードバックライン）
６ センサ
１０ 比較器
１１ 第２減算器
１２ 第２比例要素
１３ 速度リミッタ
１４ 積分要素
１５ 第２フィードバックライン

Claims (1)

1. 修正要求位置と移動した位置のフィードバック信号との差を取る第１減算器と、この差を制御動作信号としゲインＫｐで増幅する第１比例要素と、この比例要素の出力電流により動作を行なうアクチュエータと、該アクチュエータの位置を検出するセンサと、該センサの出力を前記第１減算器にフィードバックする第１フィードバックラインと、
   実要求位置と移動した位置のフィードバック信号との差を取る第２減算器と、この差を制御動作信号としゲインＫＩで増幅する第２比例要素と、この比例要素の出力を制限する速度リミッタと、この速度リミッタの出力を積分した積分出力を第１減算器へ修正要求位置として入力する積分要素と、前記センサの出力を第２減算器にフィードバックする第２フィードバックラインとを備え、
   前記速度リミッタにより前記積分要素への積分入力をアクチュエータの最大移動速度の範囲内に制限し、
   更に前記第１減算器の出力を所定のしきい値と比較する比較器を備え、該しきい値を超えるときに故障と診断する、ことを特徴とするアクチュエータ故障診断装置。
   
   

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