JP2008309110A - 可変動弁機構の制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】リフト特性値の変更に関するリンク機構の変位と、バルブスプリングに抗する駆動力との関係が非線形である可変動弁機構において、可変動弁機構を適切にモデル化するとともに、Ｉ−ＰＤ制御によるフィードバック性能と、制御応答性の設定自由度とを両立させる。
【解決手段】可変動弁機構Ａについて、リンク機構の変位に応じて変更されるバネ定数Ｋを用いてそのモデルを推定する。また、可変動弁機構Ａに対し、フィードフォワード補償器１０４と、Ｉ−ＰＤ制御によるフィードバック補償器１０２，１０３とを設け、フィードフォワード補償器１０４を、可変動弁機構Ａに比例微分補償器１０３によるフィードバック補償を施した閉ループ系の部分を擬似制御対象Ｄ１として、少なくともこの擬似制御対象Ｄ１の逆系のモデルを含むものとして構成する。
【選択図】 図６

Description

本発明は、可変動弁機構の制御装置に関し、詳細には、Ｉ−ＰＤ制御によるフィードバック補償器が構成されたものにおいて、この補償器によるフィードバック性能を損なうことなく、フィードフォワード補償器との２自由度制御系を構築し、フィードバック性能と制御応答性の設定自由度とを両立させるための技術に関する。

内燃機関の吸気弁又は排気弁のリフト特性値（たとえば、リフト量）を可変に制御可能に構成された可変動弁機構として種々のものが提案され、既に実用化されているものも存在する。可変動弁機構によれば、内燃機関の低速低負荷時における燃費を改善し、運転性を安定させるとともに、リフト量の増大による吸気充填効率の向上により、高速高負荷時における充分な出力を確保することができる。

このような可変動弁機構として、バルブスプリングにより可変動弁機構の制御軸に非線形の反力トルクが作用するものが知られており、その制御装置として、反力トルクに対してサーボコントローラ等による安定した制御応答性が得られるように、反力トルクを外乱として推定し、反力トルクによる制御軸の作動角変動を修正するものが知られている（特許文献１）。
特開２００１−００３７７３号公報（段落番号０００８，００１１）

しかしながら、前掲特許文献１に記載の可変動弁機構の制御装置においては、フィードバック制御系の安定性と反力トルクとの関係を明らかにすることができず、また、フィードバック制御に対するバラツキ又は経年変化の影響を容易に扱うことができないという問題がある。安定性解析においては、制御対象の伝達関数とフィードバック補償器の伝達関数とを掛け合わせた一巡伝達関数が必要とされるところ、上記の可変動弁機構においては、バルブスプリングによる反力トルクが外乱として推定され、制御対象である可変動弁機構のモデルにその作用が組み込まれていないことから、正しくモデル化されていない制御対象の伝達関数により一巡伝達関数が求められることとなり、安定性解析を正しく行うことができないのである。

更に、内燃機関の可変動弁機構については、ロバスト安定性及び外乱抑止性能等のフィードバック性能を確保するばかりでなく、このようなフィードバック補償器の利点を損なうことなく、目標とする制御応答性を自由に設定可能であることが望ましい。

本発明は、以上の問題を考慮した可変動弁機構の制御装置を提供することを目的とするものである。

本発明は、バルブスプリングに連係したリンク機構を介して、機関バルブをそのリフト特性値を可変として駆動する可変動弁機構の制御装置を提供するものであり、可変動弁機構は、リフト特性値の変更に関するリンク機構の変位と、バルブスプリングに抗する駆動力との関係が非線形であるものとして構成される。このような可変動弁機構に対し、本発明は、目標とするリフト特性値に基づいて、可変動弁機構に対する第１の操作量を設定するフィードフォワード補償器と、実際のリフト特性値に基づいて、可変動弁機構に対する第２の操作量を設定する、Ｉ−ＰＤ制御によるフィードバック補償器とを設け、フィードフォワード補償器を、制御対象である可変動弁機構にＰＤ補償器によるフィードバック補償を施した閉ループ系の部分を擬似制御対象として、少なくともこの擬似制御対象の逆系のモデルを含むものとして構成し、可変動弁機構について、リンク機構の変位に応じて変更されるバネ定数を用いてそのモデルを推定するものである。

本発明によれば、制御対象である可変動弁機構のモデルにバネ定数を組み込み、かつこのバネ定数をリンク機構の変位に応じて変更されるものとして可変動弁機構のモデルを推定することとしたので、リフト特性値の可変域全体に亘ってバルブスプリングによる反力トルクの作用を組み込んだ、適切な可変動弁機構のモデルを採用することができる。また、フィードフォワード補償器を、可変動弁機構にＰＤ補償器によるフィードバック補償を施した擬似制御対象の逆系のモデルを持たせて構成したことで、Ｉ−ＰＤ制御により得られるフィードバック性能を損なうことなく、２自由度制御系の構築により、所望の目標応答性を達成することができる。

以下に図面を参照して、本発明の実施の形態について説明する。

図１は、本発明の一実施形態に係る内燃機関（以下「エンジン」という。）の可変動弁機構の構成を、エンジンのシリンダヘッド１０を上方から見た平面により示している。本実施形態では、可変動弁機構をエンジンの吸気弁１９に対して設けることとしている。しかしながら、これと同様の可変動弁機構が、吸気弁１９に加えて排気弁に対しても、又は吸気弁１９に代えて排気弁に対して設けられてもよい。

シリンダヘッド１０の上部には、可変動弁機構の駆動軸１１が配設されており、この駆動軸１１は、全気筒に亘って連続している。駆動軸１１は、図示しないスプロケットがその一端に取り付けられて、タイミングチェーン等の動力伝達媒体を介してクランクシャフトと接続されており、エンジン回転と連動して回転する。

図２は、本実施形態に係る可変動弁機構の構成を、駆動軸１１に対して垂直な断面により示している。

駆動軸１１の外周には、揺動カム１８の軸受け１８ａが駆動軸１１に対して相対回転可能に取り付けられている。この揺動カム１８は、吸気弁１９のバルブリフタ１９ａと当接しており、このバルブリフタ１９ａを介して吸気弁１９を開閉させる。また、駆動軸１１の外周には、偏心カム１２が圧入等の手段により固定されている。この偏心カム１２は、円形をなしており、駆動軸１１に対し、その中心Ｃ２を駆動軸１１の中心Ｃ１に対して所定の量だけ偏心させて固定されている。更に、偏心カム１２の外周には、リング状リンク１３の基部１３ａが偏心カム１２に対して相対回転可能に取り付けられている。揺動カム１８の揺動中心は、駆動軸１１の中心Ｃ１と一致している。

駆動軸１１の上方には、吸気弁１９のリフト特性値を変化させるための制御軸１４が設けられており、この制御軸１４は、全気筒に亘って駆動軸１１と略平行に延設されている（図１）。制御軸１４の外周には、制御カム１５が圧入等の手段により固定されている。この制御カム１５は、円形をなしており、制御軸１４に対し、その中心Ｃ４を制御軸１４の中心Ｃ３に対して所定の量だけ偏心させて固定されている。また、制御カム１５の外周には、ロッカーアーム１６の基部１６ａが制御カム１５に対して相対回転可能に取り付けられている。このロッカーアーム１６は、基部１６ａの一側に形成された第１のアーム部１６ｂにおいて、リング状リンク１３に対してピン２９ａにより回動可能に接続されるとともに、他側に形成された第２のアーム部１６ｂにおいて、ロッド状リンク１７を介して揺動カム１８と連係されている。すなわち、ロッカーアーム１６は、第２のアーム部１６ｃにおいて、ロッド状リンク１７の一端１７ａに対してピン２９ｂにより回動可能に接続され、また、ロッド状リンク１７の他端１７ｂが揺動カム１８に対してピン２９ｃにより回動可能に接続されることで、揺動カム１８と連係されている。

吸気弁１９のリフト特性値は、駆動部２０により制御軸１４の回転角を変化させることにより制御される。図１に示すように、制御軸１４は、シリンダヘッド１０外まで延設されており、その先端に、ウォームホイール２１が固定されている。制御軸１４の先端及びこのウォームホイール２１は、シリンダヘッド１０に固定されたケース２２に収められている。このケース２２の側面に、可変動弁機構のアクチュエータとしての電動モータ２６が設置されている。この電動モータ２６の回転軸は、ケース２２内に挿入されており、その先端に、ウォームホイール２１との対をなすウォームギア（図示せず。）が取り付けられている。電動モータ２６によりこのウォームギアを回転させることにより、ウォームホイール２１が回転し、制御軸１４の回転角が変化する。また、ケース２２の他の側面に、制御軸１４の回転角を検出するための回転角センサ２３が設置されている。回転角センサ２３の出力は、電子制御ユニットとして構成されるエンジン制御ユニット（以下「ＥＣＵ」という。）５０に読み込まれ、ＥＣＵ５０は、読み込んだ回転角に基づいて、吸気弁１９のリフト特性値を制御する。

次に、以上のように構成される可変動弁機構の動作について説明する。

図２において、エンジン回転に連動して駆動軸１１が回転すると、Ｃ１を中心とした偏心カム１２の回転によりリング状リンク１３が並進移動し、これに応じてロッカーアーム１６がＣ４を中心として揺動する。このロッカーアーム１６の揺動により、ロッド状リンク１７を介して揺動カム１８がＣ１を中心として揺動する。揺動カム１８がその動きに応じてバルブリフタ１９ａをバルブスプリング１９ｂに抗して上下させることにより、吸気弁１９がエンジン回転に連動して開閉する。

また、電動モータ２６により、ウォームギア及びウォームホイール２１を介して制御軸１４が回転すると、ロッカーアーム１６の揺動中心となる制御カム１５の中心Ｃ４が変位し、これにより吸気弁１９のリフト特性値が変化する。本実施形態では、制御軸１４の作動角（「リンク機構の変位」に相当し、以下「ＶＥＬ作動角」という。）が大側に回転されて、制御カム１５の中心Ｃ４と、駆動軸１１の中心Ｃ１との距離が近付けられるほど、リフト特性値としての吸気弁１９のリフト量及び弁作動角が増大する。

次に、本実施形態に係る可変動弁機構におけるＶＥＬ作動角と、バルブスプリング１９ｂ（図２）に抗する駆動力との関係について説明する。

図３は、バルブスプリング１９ｂにより制御軸１４に対して作用する反力トルクＦ３を模式的に示している。電動モータ２６は、制御軸１４を駆動し、及びエンジン回転に連動して吸気弁１９を開閉させる際に、この反力トルクＦ３に抗して制御軸１４の回転角を保持しなければならない。

ロッカーアーム１６の第２のアーム部１６ｃには、バルブスプリング１９からの反力Ｆ１が、揺動カム１８、ロッド状リンク１７及びピン２９ｂ等を介して作用する。他方、第１のアーム部１６ｂには、その反作用として、反力Ｆ２が作用する。従って、ロッカーアーム１６の揺動中心Ｃ４には、実質的に反力Ｆ１，Ｆ２の合成反力Ｆ３が作用し、制御軸１４には、中心Ｃ３から合成反力Ｆ３の方向線までの腕長さｒ１と合成反力Ｆ３との積として表されるトルクＴ１が作用することになる。駆動部２０が制御軸１４を所定の作動角に保持するためには、少なくともこの反力トルクＦ３に釣り合う逆向きのトルクを生じさせることが必要となる。制御軸１４が所定の作動角に保持された状態では、図４に示すように、揺動カム１８が最も高リフト側に押し下げられたときに、すなわち、図４の反時計方向に最も揺動したときに、合成反力Ｆ３が最大となる。このときの合成反力Ｆ３の方向は、駆動軸１１の中心Ｃ１と制御軸１４の中心Ｃ３とを結ぶ直線Ｌ１に対して略平行となる。ここで、図５に示すように、合成反力Ｆ３は、リフト量（又は弁作動角）の増大に応じて増大するが、腕長さｒ１は、偏心カム１２の回転に応じて、最小作動角（ａ）から中間作動角（ｂ）までは増大する一方、中間作動角以降、最大作動角（ｃ）までは減少する。従って、合成反力Ｆ３と腕長さｒ１との積である反力トルクＴ１は、ＶＥＬ作動角θに対して非線形な特性を有することとなる。

図６は、本実施形態に係る可変動弁機構のシステム構成を、機能ブロックにより示している。各ブロックの機能は、ＥＣＵ５０において、ソフトウェアにより実現される。

本システムは、目標とするＶＥＬ作動角θｃｓｔ（エンジンの運転状態に基づいて、ＥＣＵ５０により設定される。）が達成されるように、可変動弁機構に対する操作量としての電動モータ２６の駆動電流ｉｃｓを制御するものであり、大別すると、制御対象である可変動弁機構Ａと、補償要素としての外乱補償部Ｂ１及び応答性補償部Ｃ１とから構成される。

可変動弁機構Ａは、駆動電流ｉｃｓを入力、ＶＥＬ作動角θｃｓを出力として、その動特性及び静特性が、０次／２次の伝達関数として次式により表される。式（１）において、Ｊを可変動弁機構の慣性モーメント、Ｄを可変動弁機構における粘性抵抗、Ｋ_Tを電動モータ２６のトルク定数、Ｋをバネ定数とする。式（１）の右辺、第１の項が動特性を示し、第２の項が静特静を示す。バネ定数Ｋは、後述するように定義され、かつＥＣＵ５０により、ＶＥＬ作動角θｃｓ毎に算出されるものである。

・・・（１）
外乱補償部Ｂ１は、規範応答形成部１０１、積分補償器１０２及び比例微分補償器１０３を含んで構成され、積分補償器１０２及び比例微分補償器１０３により、Ｉ−ＰＤ制御によるフィードバック補償器が構成される。

規範応答形成部１０２は、目標とするＶＥＬ作動角θｃｓｔ（運転状態の変化によりステップ的に変化する。）に到達するまでの過渡的な目標作動角を算出するものであり、その特性は、次式により表される。式（２）において、減衰比をζ、固有振動数をωとする。ζ及びωは、本システムの設計者により、持たせようとする制御応答性に応じて任意に設定される制御パラメータである。

・・・（２）
積分補償器１０２は、実際のＶＥＬ作動角θｃｓ（回転角センサ２３により検出される。）の、目標とするＶＥＬ作動角θｃｓｔに対する偏差に基づいて、可変動弁機構に対するフィードバック操作量の積分項を算出するものであり、その特性は、次式により表される。式（３）において、積分ゲインをＫ_Iとする。

・・・（３）
比例微分補償器１０３は、比例補償器と、近似微分による微分補償器とから構成され、実際のＶＥＬ作動角θｃｓに基づいて、可変動弁機構に対するフィードバック操作量の比例微分項を算出するものである。比例微分補償器１０３の特性は、次式により表される。式（４）において、比例ゲインをＫ_p、微分ゲインをＫ_d、近似微分の時定数をＴ_Dとする。比例ゲインＫ_p及び微分ゲインＫ_d、ならびに先の積分ゲインＫ_Iにより、本システムのフィードバック性能（ロバスト安定性及び外乱抑止性能を含む。）を調整することができる。比例微分補償器１０３により算出される比例微分項と、先の積分項との和が、可変動弁機構に対する「第２の操作量」に相当する。

・・・（４）
応答性補償部Ｃ１は、目標とするＶＥＬ作動角θｃｓｔに基づいて、可変動弁機構に対する「第１の操作量」を設定するものであり、フィードフォワード補償器１０４として構成される。フィードフォワード補償器１０４の特性は、可変動弁機構Ａと、比例微分補償器１０３とから構成される閉ループ系の部分を擬似制御対象Ｄ１（その特性は、式（５）により表される。）として、規範応答形成部１０１の特性を示す式（２）に、この擬似制御対象Ｄ１の逆系のモデルを掛け合わせた式（６）により表される。応答性補償部Ｃ１により設定される第１の操作量に、外乱補償部Ｂ１により設定される第２の操作量を加算した合計操作量が、駆動電流ｉｃｓとして可変動弁機構Ａに入力される。

・・・（５）

・・・（６）
次に、可変動弁機構Ａのモデルに用いられるバネ定数Ｋの算出について説明する。

バネ定数Ｋは、ＶＥＬ作動角θｃｓに対して非線形性を有するものである。本実施形態では、バネ定数Ｋを、ＶＥＬ作動角θｃｓに対する駆動電流ｉｃｓ（バルブスプリング１９ｂによる反力トルクＦ３に相関する。）の比の関数として、次式により定義する。式（７）において、電動モータ２６のトルク定数をＫ_Tとする。ＶＥＬ作動角θｃｓと駆動電流ｉｃｓとの関係（図７）を実験等により予め把握したうえで、式（７）によりバネ定数Ｋを算出し、更にこれをＶＥＬ作動角θｃｓに対応させて、図８に示すようなテーブルデータとしてＥＣＵ５０に記憶させておく。

Ａ（θｃｓ）＝（ｉｃｓ／θｃｓ）×Ｋ_T ・・・（７）
ＥＣＵ５０は、目標とするＶＥＬ作動角θｃｓｔにより図８のテーブルデータを検索し、得られたバネ定数Ｋに基づいて、式（６）によりＶＥＬ作動角θｃｓｔに対する可変動弁機構のフィードフォワード操作量を算出する。

なお、可変動弁機構Ａの作動角が動き始めるのに必要な駆動電流（以下「オフセット電流」という。）ｉｃｓ０がエンジン回転数に応じて異なることから、フィードバック補償器１０２，１０３及びフィードフォワード補償器１０４により算出された操作量に対し、エンジン回転数に応じたオフセット電流ｉｃｓ０を加算して、可変動弁機構Ａに対する最終的な操作量を設定するようにしてもよい。具体的には、高回転側の領域にあるほど、大きなオフセット電流ｉｃｓ０が加算されるようにする。

ｉｃｓ＝ｉｃｓ＋ｉｃｓ０ ・・・（８）
また、エンジン回転数が一定であっても、可変動弁機構Ａにおける摩擦等の影響により、ＶＥＬ作動角θｃｓを増大させる場合と、これを減少させる場合とでＶＥＬ作動角θｃｓ毎のバネ定数Ｋが異なることから、このヒステリシスを考慮したバネ定数Ｋを算出するようにしてもよい。具体的には、バネ定数Ｋのテーブルデータを、ＶＥＬ作動角θｃｓを増大させる場合と、減少させる場合とで切り換えて使用することとし、ＶＥＬ作動角θｃｓを増大させる（すなわち、吸気弁１９のリフト量を増大させる）場合に、バネ定数Ｋが大きな値のものとして算出されるようにする。

本実施形態によれば、次のような効果を得ることができる。

本実施形態では、制御対象である可変動弁機構のモデルを、ＶＥＬ作動角θｃｓに応じて変更されるバネ定数Ｋを用いて推定することとしたので、ＶＥＬ作動角θｃｓの可変域全体に亘ってバルブスプリング１９ｂによる反力トルクの作用を組み込んだ、適切な可変動弁機構のモデルを設定することができる。

また、本実施形態では、フィードフォワード補償器１０４を、可変動弁機構Ａに比例微分補償器１０３によるフィードバック補償を施した擬似制御対象Ｄ１の逆系のモデルを持たせて構成したことで、Ｉ−ＰＤ制御により得られるフィードバック性能を損なうことなく、２自由度制御系の構築により、目標とする制御応答性を自由に設定することが可能となる。

図９は、本実施形態に係る制御システムによる場合のステップ応答のシミュレーション結果を示している。目標とするＶＥＬ作動角θｃｓｔのステップ的な変化を実線Ｌｔにより示すとともに、本実施形態による場合の応答を直線Ｌａにより示している（図１２，１５及び１８についても同様とする。）。本実施形態よれば、Ｉ−ＰＤ制御により得られるフィードバック性能が確保されるとともに、規範応答（直線Ｌａと重なり合っており、表示されていない。）に即した制御応答性が実現されている。これに対し、図１０に示すような一般的なフィードバック補償器によるシステムでは、バネ定数ＫがＶＥＬ作動角θｃｓ毎に非線形に変化することから、ＶＥＬ作動角θｃｓｔの変化に対し、安定した収束性が得られないことが明らかである。また、応答性補償部を構成するフィードフォワード補償器に対し、２自由度制御系の一般的な設計手法に従って、規範応答の特性式と、制御対象である可変動弁機構の逆系のモデルとの積として表される特性を持たせたシステム（図１１）では、比例微分補償器がＶＥＬ作動角θｃｓの偏差の有無によらず、ＶＥＬ作動角θｃｓの大きさに応じて動作することとなるため、図１２に示すように、ＶＥＬ作動角θｃｓの偏差Ｅが増大して、制御応答性が悪化する。図１２において、規範応答を点線Ｌｍにより示している（図１５及び１６についても同様とする。）なお、後者の一般的な２自由度制御系による場合のフィードフォワード補償器の特性は、次式により表される。

・・・（９）
以下、本発明の他の実施形態について説明する。

本発明に係る第２の実施形態では、Ｉ−ＰＤ制御のゲインをＶＥＬ作動角θｃｓに対応させてスケジューリングする。可変動弁機構及びその制御システムの構成は、第１の実施形態（図１，６）におけると同様である。

擬似制御対象Ｄ１のモデルである式（５）の分母の０次及び１次の係数に、ＶＥＬ作動角θｃｓ毎に変化するバネ定数項が含まれている。この０次の係数と、１次の係数の一部（式（５）中に下線により示す。）とは、次式により表される。

・・・（１０）
本実施形態では、バネ定数ＫがＶＥＬ作動角θｃｓに応じて変化したとしても、係数Ａが略一定となるように、Ｉ−ＰＤ制御の比例ゲインＫ_pをＶＥＬ作動角θｃｓに対応させてスケジューリングする。

式（１０）により比例ゲインＫ_pをスケジューリングした例を、図１３に示す。ＥＣＵ５０は、目標とするＶＥＬ作動角θｃｓｔによりこのテーブルデータを検索し、得られた比例ゲインＫ_pに基づいて、式（６）によりＶＥＬ作動角θｃｓｔに対する可変動弁機構のフィードフォワード操作量を算出する。

本実施形態によれば、Ｉ−ＰＤ制御のゲイン（ここでは、比例ゲインＫ_p）をＶＥＬ作動角θｃｓに対応させてスケジューリングすることとしたので、ＶＥＬ作動角θｃｓに対するバネ定数Ｋの非線形性によらず、ロバスト安定性を損なうことなく、外乱抑止性能を向上させることができる。

図１４は、擬似制御対象Ｄ１におけるＶＥＬ作動角θｃｓ及び駆動電流ｉｃｓの関係を示している。図中、本実施形態により制御ゲインをスケジューリングした場合のものを実線Ａにより、制御ゲインを一定の値に固定した場合のものを二点鎖線Ｂにより示している。本実施形態によれば、図１４に示すように、駆動電流ｉｃｓに関して完全な非線形補償が実現されており、ＶＥＬ作動角θｃｓの変化に対して良好な制御応答性を実現することができる。

図１５は、本実施形態により制御ゲインをスケジューリングした場合のステップ応答のシミュレーション結果を示している。規範応答Ｌｍに対して完全には一致しないものの、良好な制御応答性が実現されている。これに対し、制御ゲインを固定した場合であっても、比例又は微分ゲインを増大させることにより、相対的な線形性を確保することができる。しかしながら、この手法により、充分な線形性が得られるほどに制御ゲインを増大させた場合は、ロバスト安定性が損なわれ、図１６に示すように、ＶＥＬ作動角θｃｓの応答（点線Ｌｚにより示す。）に発振を生じさせるおそれがある。

図１７は、本発明の第３の実施形態に係る可変動弁機構のシステム構成を、機能ブロックにより示している。第１の実施形態におけると同様に、各ブロックの機能は、ＥＣＵ５０において、ソフトウェアにより実現される。

本システムについても、第１の実施形態におけると同様に、制御対象である可変動弁機構Ａと、補償要素としての外乱補償部Ｂ２及び応答性補償部Ｃ２とに大別される。

可変動弁装置Ａの特性は、第１の実施形態におけると同様に、０次／２次の伝達関数として式（１）により表される。

図示しない規範応答形成部の特性は、２次系の伝達関数と、１次系の伝達関数とを掛け合わせたものとして、次式により表される。式（１１）に１次系の伝達関数が含まれるのは、後述するフィードフォワード補償器２０４との関係で必要とされるからである。時定数Ｔは、１次系の極が２次系の極の３倍以上の大きさとなる値に設定する。なお、制御パラメータζ，ωが本システムの設計者により任意に設定されるものであることは、第１の実施形態におけると同様である。

・・・（１１）
本実施形態において、外乱補償部Ｂ２は、積分補償器２０２及び比例微分補償器２０３を含んで構成され、これらの特性は、次式により夫々表される。第１の実施形態におけると同様に、積分補償器２０２及び比例微分補償器２０３により、Ｉ−ＰＤ制御によるフィードバック補償器が構成される。

・・・（１２）

・・・（１３）
応答性補償部Ｃ２は、フィードフォワード補償器２０４として構成され、その特性は、可変動弁機構Ａ、積分補償器２０２及び比例微分補償器２０３から構成される閉ループ系の部分を擬似制御対象Ｄ２（その特性は、式（１４）により表される。）として、規範応答形成部の特性式（１１）に、この擬似制御対象Ｄ２の逆系のモデルを掛け合わせた式（１５）により表される。なお、式（１４），（１５）において、ｎ₀＝Ｋ_T／Ｊ，ｄ₁＝Ｄ／Ｊ，ｄ₀（θｃｓ）＝Ｋ（θｃｓ）／Ｊとする。

・・・（１４）

・・・（１５）
本実施形態では、比例微分補償器２０３によるゲインを、式（１５）により表される伝達特性が一定となるように設定する。式（１）を参照すると、式（１５）における変動パラメータは、バネ定数Ｋを含む係数ｄ₀（θｃｓ）（＝Ｋ（θｃｓ）／Ｊ）のみである。従って、比例ゲインＫ_pを係数ｄ₀（θｃｓ）と比較して充分に大きな値に設定することで、係数ｄ₀（θｃｓ）の変動の影響を相対的に減殺し、擬似制御対象Ｄ２の特性を、式（１７）により表されるように一定にし、実質的にバネ定数Ｋの非線形性を補償することができる。

・・・（１６）

・・・（１７）
本実施形態によれば、Ｉ−ＰＤ制御と２自由度制御との両立により、フィードバック性能を損なうことなく、これとは独立に目標とする制御応答性を自由に設定することが可能となる。

また、比例ゲインＫ_pの設定により、バネ定数Ｋの実質的な非線形補償を達成し、規範応答に対する追従性の高い制御を実現することができる。図１８は、本実施形態により制御ゲインを設定した場合のステップ応答のシミュレーション結果を示している。本実施形態によれば、特に、比例ゲインＫ_pを増大させる手法によることとしたので、第１の実施形態におけるような制御ゲインのスケジューリングが不要となり、制御を簡単にすることができる。

以上では、エンジンの吸気弁又は排気弁の可変動弁機構に本発明を適用する場合について説明したが、本発明は、これに限らず、リフト特性値が可変とされる吸気弁等以外の機関バルブの可変動弁機構に適用することもできる。

本発明の第１の実施形態に係る可変動弁機構の構成図 同上実施形態に係る可変動弁機構の要部断面図 同上実施形態に係る可変動弁機構に作用する、バルブスプリングによる反力トルクの説明図 図３に示す反力トルクの補助説明図 ＶＥＬ作動角に応じた反力トルクの変化を示す説明図 本発明の第１の実施形態に係る可変動弁機構のシステム構成図 ＶＥＬ作動角と駆動電流との関係を示す説明図 ＶＥＬ作動角とバネ定数との関係を示す説明図 本発明の第１の実施形態に係る制御システムによるステップ応答のシミュレーション結果 一般的なフィードバック補償器のシステム構成図 一般的なフィードフォワード補償器による２自由度制御系のシステム構成図 同上制御システムによるステップ応答のシミュレーション結果 ＶＥＬ作動角に対応させた制御ゲインのスケジューリングの一例を示す説明図 制御ゲインのスケジューリングによる非線形補償の効果を示す説明図 制御ゲインをスケジューリングした場合のステップ応答のシミュレーション結果 制御ゲインを固定した場合のステップ応答のシミュレーション結果 本発明の第３の実施形態に係る可変動弁機構のシステム構成図 同上実施形態に係る制御システムによるステップ応答のシミュレーション結果

符号の説明

１０…シリンダヘッド、１１…駆動軸、１２…偏心カム、１３…リング状リンク、１４…制御軸、１５…制御カム、１６…ロッカーアーム、１７…ロッド状リンク、１８…揺動カム、１９…吸気弁、１９ａ…バルブリフタ、１９ｂ…バルブスプリング、２０…可変動弁機構の駆動部、２１…ウォームホイール、２２…電動モータのケース、２３…回転角センサ、２６…電動モータ、５０…エンジン制御ユニット、１０１…規範応答形成部、１０２…積分補償器、１０３…比例微分補償器、１０４…フィードフォワード補償器、Ａ…可変動弁機構、Ｂ…外乱補償部、Ｃ…応答性補償部、Ｄ…擬似制御対象。

Claims (12)

1. バルブスプリングに連係したリンク機構を介して、機関バルブをそのリフト特性値を可変として駆動する可変動弁機構の制御装置であって、前記リフト特性値の変更に関する前記リンク機構の変位と、前記バルブスプリングに抗する駆動力との関係が非線形であるものにおいて、
   目標とするリフト特性値に基づいて、前記可変動弁機構に対する第１の操作量を設定するフィードフォワード補償器と、
   実際のリフト特性値に基づいて、前記可変動弁機構に対する第２の操作量を設定する、Ｉ−ＰＤ制御によるフィードバック補償器と、を含んで構成され、
   前記フィードフォワード補償器は、制御対象である前記可変動弁機構にＰＤ補償器によるフィードバック補償を施した閉ループ系の部分を擬似制御対象として、少なくともこの擬似制御対象の逆系のモデルを含み、
   前記可変動弁機構は、前記リンク機構の変位に応じて変更されるバネ定数を用いてそのモデルが推定される可変動弁機構の制御装置。
2. 前記フィードバック補償器は、前記リンク機構の変位に応じて前記Ｉ−ＰＤ制御のゲインが変更される請求項１に記載の可変動弁機構の制御装置。
3. バルブスプリングに連係したリンク機構を介して、機関バルブをそのリフト特性値を可変として駆動する可変動弁機構の制御装置であって、前記リフト特性値の変更に関する前記リンク機構の変位と、前記バルブスプリングに抗する駆動力との関係が非線形であるものにおいて、
   制御対象である前記可変動弁機構のモデルと、
   前記可変動弁機構にＰＤ補償器によるフィードバック補償を施したものとして構成される、閉ループ系の擬似制御対象のモデルと、が設定され、
   前記可変動弁機構のモデルは、前記リンク機構の変位に応じて変更されるバネ定数を用いて推定される可変動弁機構の制御装置。
4. 前記ＰＤ補償器によるゲインが前記リンク機構の変位に応じて変更される請求項３に記載の可変動弁機構の制御装置。
5. 前記リンク機構の変位が回転駆動手段として構成されるアクチュエータにより与えられるものにおいて、
   前記可変動弁機構のモデルＧ_P（ｓ）が、前記リンク機構の変位をθ、前記可変動弁機構の慣性モーメントをＪ、前記可変動弁機構における粘性抵抗をＤ、前記アクチュエータのトルク定数をＫ_T、前記バネ定数をＫθとして、下式により推定される請求項１〜４のいずれかに記載の可変動弁機構の制御装置。
   Ｇ_P（ｓ）＝｛（Ｋθ／Ｊ）／（ｓ²＋（Ｄ／Ｊ）ｓ＋Ｋθ／Ｊ）｝×（Ｋ_T／Ｋθ）
6. 前記バネ定数を算出する手段を更に含んで構成され、
   この手段は、前記バネ定数を、前記リンク機構の変位毎に、駆動力／変位として算出する請求項１〜５のいずれかに記載の可変動弁機構の制御装置。
7. 前記バネ定数として、前記リフト特性値としての機関バルブのリフト量を増大させる場合の第１のバネ定数と、これを減少させる場合の、前記第１のバネ定数とは前記リンク機構の変位毎の大きさが異なる第２のバネ定数とを有する請求項１〜６のいずれかに記載の可変動弁機構の制御装置。
8. 前記可変動弁装置のモデルが静特性項と、動特性項とを含み、前記バネ定数及びエンジン回転数に基づいて、前記静特性項が推定される請求項１〜７のいずれかに記載の可変動弁機構の制御装置。
9. バルブスプリングに連係したリンク機構を介して、機関バルブをそのリフト特性値を可変として駆動する可変動弁機構であって、前記リフト特性値の変更に関する前記リンク機構の変位と、前記バルブスプリングに抗する駆動力との関係が非線形であるものにおいて、
   目標とするリフト特性値に基づいて、前記可変動弁機構に対する第１の操作量を設定するフィードフォワード要素と、実際のリフト特性値に基づいて、前記可変動弁機構に対する第２の操作量を設定する、Ｉ−ＰＤ制御によるフィードバック要素とを含む、２自由度制御系の補償器が構成され、
   前記補償器において、制御対象である前記可変動弁機構にＰＤ補償器によるフィードバック補償を施した閉ループ系の部分を擬似制御対象として、前記フィードフォワード要素に関して少なくともこの擬似制御対象の逆系のモデルが設定され、
   前記可変動弁機構は、前記リンク機構の変位に応じて変更されるバネ定数を用いてそのモデルが推定される可変動弁機構。
10. 前記補償器は、前記リンク機構の変位に応じて前記Ｉ−ＰＤ制御のゲインが変更される請求項９に記載の可変動弁機構。
11. 前記バネ定数が、前記リンク機構の変位毎に、駆動力／変位として算出されるものである請求項９又は１０に記載の可変動弁機構。
12. エンジン回転に連動して回転する駆動軸と、
    前記駆動軸の外周に相対回転可能に取り付けられた、前記機関バルブを開閉駆動するための揺動カムと、
    前記駆動軸の外周に偏心して固定された偏心カムと、
    前記偏心カムの外周に相対回転可能に取り付けられたリング状リンクと、
    前記駆動軸と略平行に配置された制御軸と、
    前記制御軸の外周に偏心して固定された制御カムと、
    前記制御カムの外周に相対回転可能に取り付けられ、その一端で前記リング状リンクと連係されたロッカーアームと、
    前記ロッカーアームをその他端で前記揺動カムと連係させるロッド状リンクと、
    前記制御軸と接続され、前記制御軸を回転させることにより、前記ロッカーアームの揺動中心を変位させて、前記リフト特性値を変化させるアクチュエータと、を含んで構成される請求項９〜１１のいずれかに記載の可変動弁機構。

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