JP2009228605A - Method for controlling engine speed and device for controlling engine speed - Google Patents

Method for controlling engine speed and device for controlling engine speed Download PDF

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稔 茨木
Shinji Niwa
伸二 丹羽
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健児 鷺森
Mitsunobu Kajitani
満信 梶谷
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  • Electrical Control Of Air Or Fuel Supplied To Internal-Combustion Engine (AREA)

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To avoid a problem wherein a calculated control input becomes an unrealizable excessive value, and to stabilize control in performing back-stepping control of engine speed. <P>SOLUTION: A controller defining a Liapunov function V<SB>1</SB>not containing an error z<SB>2</SB>of actual virtual inputs v<SB>1</SB>,<SB>2</SB>and an ideal value α<SB>1</SB>of virtual input containing an error z<SB>1</SB>in a first step setting the ideal value α<SB>1</SB>of the virtual input x<SB>2</SB>making the error z<SB>1</SB>of control output y and its target value y<SB>r</SB>zero, defining a Liapunov function V<SB>2</SB>containing the error z<SB>2</SB>and the Liapunov function V<SB>1</SB>in a second step setting true input u making the error z<SB>2</SB>zero, and making a differential value of the Liapunov function V<SB>2</SB>not greater than zero, is designed. <P>COPYRIGHT: (C)2010,JPO&INPIT

Description

本発明は、エンジン回転数、特にアイドル回転数の制御に関する。   The present invention relates to control of engine speed, particularly idle speed.

従来、エンジン回転数の制御には、PIコントローラ、LQコントローラ等を採用することが通例となっている(例えば、下記特許文献1、2を参照)。   Conventionally, it is customary to employ a PI controller, an LQ controller, or the like for controlling the engine speed (see, for example, Patent Documents 1 and 2 below).

このようなサーボコントローラは通常、制御出力と目標値との偏差を積分する積分器を有している。いわゆる内部モデル原理が、積分器を必要とする理由である(下記非特許文献1を参照)。
特開平08−114141号公報 特開2006−233941号公報 野波健蔵編著、西村秀和共著、「MATLABによる制御理論の基礎」、第1版、東京電機大学出版局、1998年3月30日、p.191−193
Such a servo controller usually has an integrator for integrating the deviation between the control output and the target value. The so-called internal model principle is the reason why an integrator is required (see Non-Patent Document 1 below).
Japanese Patent Laid-Open No. 08-114141 JP 2006-233941 A Edited by Kenzo Nonami and Hidekazu Nishimura, “Basics of Control Theory by MATLAB”, 1st Edition, Tokyo Denki University Press, March 30, 1998, p. 191-193

積分器を持つコントローラによる制御では、偏差の積分の影響により、制御出力のオーバーシュートやハンチングを引き起こしてしまうことがある。制御出力のオーバーシュート、ハンチングを抑制するには、積分器を持たないコントローラであるバックステッピングコントローラを用いることが有効である。   In the control by a controller having an integrator, overshoot and hunting of the control output may be caused due to the influence of deviation integration. In order to suppress overshoot and hunting of the control output, it is effective to use a backstepping controller that is a controller having no integrator.

しかしながら、単純にバックステッピングコントローラを導入すると、計算上の制御入力が実現可能な制御入力の限界を超えてしまう状況が発生し得る。エンジン回転数の制御では、コントローラはISC(Idle Speed Control)バルブ、電子スロットルバルブ等を操作する。バルブの開度は当然に100%が上限であるが、バックステッピングコントローラで算出される制御入力の値は時としてその100%を超越する。   However, if a backstepping controller is simply introduced, a situation may occur in which the control input in calculation exceeds the limit of the control input that can be realized. In controlling the engine speed, the controller operates an ISC (Idle Speed Control) valve, an electronic throttle valve, and the like. The upper limit of the valve opening is naturally 100%, but the value of the control input calculated by the backstepping controller sometimes exceeds 100%.

以上に鑑みてなされた本発明は、エンジン回転数をバックステッピング制御するにあたり、計算上の制御入力が実現不可能な過大値となってしまう問題を回避し、制御の安定化を図ることを所期の目的としている。   The present invention made in view of the above is to avoid the problem that the control input in the calculation becomes an unrealizable excessive value in the backstepping control of the engine speed, and to stabilize the control. The purpose of the period.

本発明では、出力とその目標値との誤差が0となるような仮想入力の理想値を設定する第一ステップにおいて、出力と目標値との誤差を含む一方、仮想入力の理想値と実際の仮想入力との誤差を含まないリアプノフ関数を定義し、仮想入力の理想値と実際の仮想入力との誤差が0となるような真の入力を設定する第二ステップにおいて、仮想入力の理想値と実際の仮想入力との誤差と、第一ステップにて定義したリアプノフ関数とを含むリアプノフ関数を定義して、このリアプノフ関数の微分値が0以下となるコントローラを設計してエンジン回転数の制御を行うこととした。   In the present invention, in the first step of setting the ideal value of the virtual input such that the error between the output and its target value becomes zero, the error between the output and the target value is included, while the ideal value of the virtual input and the actual value are In the second step of defining a Lyapunov function that does not include an error with the virtual input and setting a true input such that the error between the ideal value of the virtual input and the actual virtual input is 0, the ideal value of the virtual input Define a Lyapunov function including the error from the actual virtual input and the Lyapunov function defined in the first step, and design a controller with a differential value of this Lyapunov function being 0 or less to control the engine speed. I decided to do it.

仮想入力の理想値と実際の仮想入力との誤差は、バックステッピングコントローラの設計過程の第二ステップで必ず取り扱う。であるから、設計過程の第一ステップにおけるリアプノフ関数に、この誤差を敢えて含めないようにした。これにより、入力即ちバルブ開度がその限界を超えた過大値となってしまう問題を回避できる。そして、設計過程の第二ステップにおけるリアプノフ関数の微分値を0以下とすれば、バックステッピング制御を安定なものとすることができる。   The error between the ideal value of the virtual input and the actual virtual input is always handled in the second step of the backstepping controller design process. Therefore, this error is not included in the Lyapunov function in the first step of the design process. Thereby, the problem that the input, that is, the valve opening degree becomes an excessive value exceeding the limit can be avoided. If the differential value of the Lyapunov function in the second step of the design process is set to 0 or less, the backstepping control can be stabilized.

システムのモデルパラメータの数は、モデルの次数に依存する。例えば、システム全体の次数が3である場合には、モデルパラメータは5つとなる。これらパラメータの更新ゲインを同等とする、つまり各パラメータを同程度のスピードで変化させると、発散してしまい出力のハンチングを招きかねない。よって、出力の目標値への収束に影響を及ぼす定常ゲインに該当するパラメータのみを素早く変化させ、他のパラメータの変化を遅らせることが望ましい。そのために、モデルのパラメータを更新するパラメータ更新ゲインのうち、定常ゲインの分子及び分母に該当するパラメータについての更新ゲインを、他のパラメータについての更新ゲインよりも大きく設定する。   The number of model parameters in the system depends on the order of the model. For example, when the order of the entire system is 3, there are five model parameters. If the update gains of these parameters are made equal, that is, if each parameter is changed at the same speed, it will diverge and may cause output hunting. Therefore, it is desirable to change only the parameter corresponding to the steady gain that affects the convergence of the output to the target value, and delay the change of other parameters. For this purpose, among the parameter update gains for updating the parameters of the model, the update gains for the parameters corresponding to the numerator and denominator of the steady gain are set larger than the update gains for the other parameters.

加えて、定常ゲインの分子に該当するパラメータと分母に該当するパラメータとを同程度のスピードで変化させると、やはり発散するおそれがあるので、両者の変化率に差異を設けておく必要がある。従って、定常ゲインの分子に該当するパラメータと分母に該当するパラメータとのうち一方についての更新ゲインを、他方についての更新ゲインよりも大きく設定しておく。   In addition, if the parameter corresponding to the numerator of the steady gain and the parameter corresponding to the denominator are changed at the same speed, there is still a possibility of divergence. Therefore, it is necessary to provide a difference between the change rates of the two. Therefore, the update gain for one of the parameter corresponding to the numerator of the steady gain and the parameter corresponding to the denominator is set larger than the update gain for the other.

本発明によれば、エンジン回転数をバックステッピング制御するにあたり、計算上の制御入力が実現不可能な過大値となってしまう問題を回避でき、制御が安定化する。   According to the present invention, when the engine speed is back-stepped, it is possible to avoid the problem that the calculated control input becomes an excessive value that cannot be realized, and the control is stabilized.

以下、本発明の実施の形態を、図面を参照して説明する。本実施形態のエンジン回転数制御装置の概要を、図1に示す。サーボコントローラ1は、エンジン2(のクランク軸等)に付帯する回転速度センサ3を介して現状のエンジン回転数を検出し、これとエンジン回転数の目標値との偏差に基づいてISCバルブ4の開度を操作し、エンジン回転数を目標値に追従させる。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. An outline of the engine speed control device of the present embodiment is shown in FIG. The servo controller 1 detects the current engine speed via a rotational speed sensor 3 attached to the engine 2 (the crankshaft thereof), and based on the deviation between this and the engine speed target value, Operate the opening to make the engine speed follow the target value.

コントローラ1は、電子制御装置を主体とする。電子制御装置は、プロセッサ1a、RAM1b、ROMまたはフラッシュメモリ1c、I/Oインタフェース1d等を備える。I/Oインタフェース1dは、A/D変換回路及び/またはD/A変換回路を含み、回転速度センサ3、ISCバルブ4と接続してセンサ信号の取得及び制御信号の入力を担う。ROMまたはフラッシュメモリ1cには実行するべき制御プログラムを予め格納しており、その実行に際してRAM1bに読み込み、プロセッサ1aにて解読する。しかして、電子制御装置は、プログラムに従い、エンジン回転数を制御するバックステッピングコントローラとして機能する。   The controller 1 is mainly an electronic control device. The electronic control device includes a processor 1a, a RAM 1b, a ROM or flash memory 1c, an I / O interface 1d, and the like. The I / O interface 1d includes an A / D conversion circuit and / or a D / A conversion circuit, and is connected to the rotation speed sensor 3 and the ISC valve 4 to acquire a sensor signal and input a control signal. A control program to be executed is stored in advance in the ROM or flash memory 1c, and when it is executed, it is read into the RAM 1b and decoded by the processor 1a. Thus, the electronic control device functions as a backstepping controller that controls the engine speed according to the program.

ここでは、特にアイドル回転数の制御に主眼を置く。アイドル回転数の低速化は、燃微の改善に少なからず寄与する。アイドル回転数を低速化しながらエンストを回避するには、アイドル回転数制御における外乱抑制性能を向上せしめることが肝要となる。そのために、本実施形態では、チューニング関数(Tuning Function)を適用することとしている。チューニング関数は、バックステッピング制御にリアプノフベースの適応制御を組み合わせた適応バックステッピング制御を改良したものである。   Here, the focus is particularly on the control of the idle speed. Decreasing the idling speed contributes to the improvement of fuel consumption. In order to avoid engine stall while reducing the idling speed, it is important to improve the disturbance suppression performance in idling speed control. Therefore, in the present embodiment, a tuning function is applied. The tuning function is an improvement of adaptive backstepping control that combines Lyapunov-based adaptive control with backstepping control.

吸気系及び回転系をそれぞれ1次遅れ系と考え、また、燃焼系はむだ時間であるがパデ近似により1次遅れ系と仮定すれば、システム全体のモデルの次数は3次となる。ISCバルブ4の開度を制御入力u、エンジン回転数を制御出力yとすると、システムの応答は下式(数1)となる。   If the intake system and the rotation system are each considered as a first-order lag system, and the combustion system is a dead time but is assumed to be a first-order lag system by Padé approximation, the order of the model of the entire system is the third order. Assuming that the opening of the ISC valve 4 is the control input u and the engine speed is the control output y, the response of the system is expressed by the following equation (Equation 1).

Figure 2009228605
Figure 2009228605

状態方程式は、下式(数2)となる。   The state equation is expressed by the following equation (Equation 2).

Figure 2009228605
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本実施形態では、出力yそのものを状態変数x1としている。状態変数x1、x2、x3のうち、x1のみが直接計測可能である。パラメータ(係数)ベクトルa、パラメータベクトルbは未知である。 In this embodiment, the output y itself is the state variable x 1 . Of the state variables x 1 , x 2 , x 3 , only x 1 can be directly measured. The parameter (coefficient) vector a and the parameter vector b are unknown.

チューニング関数を適用した制御システムのブロック線図を、図2に示す。このシステムは、入出力から状態量を算定する入力フィルタ及び出力フィルタと、チューニング関数の応答速度を決める規範(リファレンス)モデルと、非線形コントローラ及びパラメータ更新ブロックとを備えている。   A block diagram of the control system to which the tuning function is applied is shown in FIG. This system includes an input filter and an output filter that calculate state quantities from input and output, a reference model that determines a response speed of a tuning function, a non-linear controller, and a parameter update block.

まず、入力フィルタ及び出力フィルタを設計する。状態方程式(数2)は、下式(数3)のように変形できる。   First, an input filter and an output filter are designed. The equation of state (Equation 2) can be transformed as the following equation (Equation 3).

Figure 2009228605
Figure 2009228605

状態量を、未知のパラメータを含まない項と含む項とに分離するために、下式(数4)に示すξフィルタ、Ωフィルタを定義する。   In order to separate the state quantity into a term that does not include an unknown parameter and a term that includes an unknown parameter, the ξ filter and the Ω filter shown in the following equation (Equation 4) are defined.

Figure 2009228605
Figure 2009228605

ξフィルタは未知のパラメータを含まないフィルタ、Ωフィルタは未知のパラメータを含むフィルタである。両フィルタを用いると、状態量は下式(数5)のように推定できる。   The ξ filter is a filter that does not include an unknown parameter, and the Ω filter is a filter that includes an unknown parameter. When both filters are used, the state quantity can be estimated as in the following equation (Equation 5).

Figure 2009228605
Figure 2009228605

上式(数5)より、推定誤差εを加味した真の状態量は下式(数6)となる。   From the above equation (Equation 5), the true state quantity considering the estimation error ε is represented by the following equation (Equation 6).

Figure 2009228605
Figure 2009228605

状態量の推定誤差εは、下式(数7)を満たし、指数的に0に収束する。   The state quantity estimation error ε satisfies the following expression (Formula 7) and converges exponentially to 0.

Figure 2009228605
Figure 2009228605

Ωフィルタは、ベクトルv1、ベクトルv0及び行列Ξを以て下式(数8)のように表すことができる。 The Ω filter can be expressed by the following equation (Equation 8) using a vector v 1 , a vector v 0, and a matrix Ξ.

Figure 2009228605
Figure 2009228605

Ωフィルタの初頭の2列であるベクトルv1、ベクトルv0は行列F(y,u)における入力uに依存し、残りの3列である行列Ξは出力yに依存しており、下式(数9)が成立する。 The vectors v 1 and v 0 that are the first two columns of the Ω filter depend on the input u in the matrix F (y, u), and the matrix で that is the remaining three columns depends on the output y. (Equation 9) holds.

Figure 2009228605
Figure 2009228605

かくして、入力フィルタ及び出力フィルタを下式(数10)のように定義すると、ξフィルタ及びΩフィルタに関して次式(数11)が成立する。   Thus, when the input filter and the output filter are defined as in the following expression (Expression 10), the following expression (Expression 11) is established for the ξ filter and the Ω filter.

Figure 2009228605
Figure 2009228605

Figure 2009228605
Figure 2009228605

これら入出力フィルタを用いた変換により、状態量ベクトルxを、ベクトルη、ベクトルλ、ベクトルk、ベクトルa及びベクトルbを以て下式(数12)のように表すことができる。   By the conversion using these input / output filters, the state quantity vector x can be expressed by the following equation (Equation 12) with a vector η, a vector λ, a vector k, a vector a, and a vector b.

Figure 2009228605
Figure 2009228605

次に、規範モデルを設計する。規範モデルの次数は、システム全体のモデル次数に等しく3次とする。規範システムの応答は、下式(数13)となる。   Next, the reference model is designed. The order of the reference model is equal to the model order of the entire system and is the third order. The response of the reference system is expressed by the following equation (Equation 13).

Figure 2009228605
Figure 2009228605

rは、目標アイドル回転数である。状態空間モデルは、下式(数14)となる。   r is the target idle speed. The state space model is expressed by the following equation (Formula 14).

Figure 2009228605
Figure 2009228605

目標入力yr及びその微分値は、規範モデルの状態量を以て下式(数15)のように表すことができる。 The target input yr and its differential value can be expressed as the following equation (Equation 15) with the state quantity of the reference model.

Figure 2009228605
Figure 2009228605

引き続き、バックステッピングコントローラを設計する。その第一ステップでは、出力yとその目標値yrとの追従誤差z1が0となるよう、状態変数x2を仮想入力と考え、その理想値α1を設定する。誤差z1に関するリアプノフ関数V1を、下式(数16)のように定義する。 Continue designing backstepping controllers. In its first step, so that the output y and its follow-up error z 1 from the target value y r is 0, considered as a virtual input state variable x 2, sets the ideal value alpha 1. The Lyapunov function V 1 regarding error z 1, defined by the following equation (Equation 16).

Figure 2009228605
Figure 2009228605

1は、状態量推定誤差に対するゲインである。また、Γ及びγは、パラメータ更新ゲインである。行列Γ-1は、下式(数17)となる。 d 1 is a gain for the state quantity estimation error. Further, Γ and γ are parameter update gains. The matrix Γ −1 is expressed by the following equation (Equation 17).

Figure 2009228605
Figure 2009228605

上式(数17)において、Γ1はパラメータb1についての更新ゲイン、Γ2はパラメータb0についての更新ゲイン、Γ3はパラメータa2についての更新ゲイン、Γ4はパラメータa1についての更新ゲイン、Γ5はパラメータa0についての更新ゲインである。更新ゲインは、値が大きいほどパラメータの変化のスピードが速くなる。システムの定常ゲインb0/a0についての更新ゲインΓ2、Γ5は、他のパラメータについての更新ゲインΓ1、Γ3、Γ4よりも大きく設定する。これは、全てのパラメータを同程度のスピードで変化させると発散してしまうことによる。並びに、定常ゲインの分子b0と分母a0とを同程度のスピードで変化させてもやはり発散するので、Γ2とΓ5とのうち一方を他方よりも大きく設定する。本実施形態では、更新ゲインΓ2を他の更新ゲインΓ1、Γ3、Γ4、Γ5よりも大きく設定している。無論、これとは逆に、更新ゲインΓ5を他の更新ゲインΓ1、Γ2、Γ3、Γ4よりも大きく設定しても構わない。 In the above equation (Expression 17), Γ 1 is an update gain for the parameter b 1 , Γ 2 is an update gain for the parameter b 0 , Γ 3 is an update gain for the parameter a 2 , and Γ 4 is an update for the parameter a 1 Gain, Γ 5 is the update gain for parameter a 0 . The larger the value of the update gain, the faster the parameter change speed. The update gains Γ 2 and Γ 5 for the steady gains b 0 / a 0 of the system are set larger than the update gains Γ 1 , Γ 3 , and Γ 4 for the other parameters. This is because if all parameters are changed at the same speed, they diverge. In addition, even if the steady-state gain numerator b 0 and denominator a 0 are changed at the same speed, they diverge, so one of Γ 2 and Γ 5 is set larger than the other. In the present embodiment, the update gain Γ 2 is set larger than the other update gains Γ 1 , Γ 3 , Γ 4 , and Γ 5 . Of course, conversely, the update gain Γ 5 may be set larger than the other update gains Γ 1 , Γ 2 , Γ 3 , Γ 4 .

リアプノフ関数の性質上、これの微分を0以下にすることができれば、各誤差が0に近づく。よって、リアプノフ関数の微分を負にすることを考える。式(数16)の微分は、下式(数18)となる。   Due to the nature of the Lyapunov function, if the derivative of this can be made 0 or less, each error approaches 0. Therefore, let us consider making the derivative of the Lyapunov function negative. The differentiation of the equation (Equation 16) becomes the following equation (Equation 18).

Figure 2009228605
Figure 2009228605

誤差z1の微分は、下式(数19)である。 The differential of the error z 1 is the following equation (Equation 19).

Figure 2009228605
Figure 2009228605

y=x1としているので、yの微分はx1の微分に等しく、下式(数20)となる。 Since y = x 1 , the differentiation of y is equal to the differentiation of x 1 , and the following equation (Equation 20) is obtained.

Figure 2009228605
Figure 2009228605

式(数6)を上式(数20)に代入して整理すると、下式(数21)が成立する。   Substituting equation (Equation 6) into the above equation (Equation 20) and rearranging results in the following equation (Equation 21).

Figure 2009228605
Figure 2009228605

さらに、上式(数21)を式(数19)に代入して整理すると、下式(数22)が成立する。   Further, when the above equation (Equation 21) is substituted into the equation (Equation 19) and rearranged, the following equation (Equation 22) is established.

Figure 2009228605
Figure 2009228605

上式(数22)をリアプノフ関数の微分式(数18)に代入すると、下式(数23)となる。   Substituting the above equation (Equation 22) into the differential equation (Equation 18) of the Lyapunov function yields the following equation (Equation 23).

Figure 2009228605
Figure 2009228605

上式(数23)の右辺を0以下にするべく、フィルタ信号であるv1,2を状態変数x2に代わる仮想入力と考え、その理想値をα1とおく。このときのv1,2は、下式(数24)で表すことができる。 In order to make the right side of the above equation (Equation 23) 0 or less, the filter signal v 1,2 is considered as a virtual input in place of the state variable x 2 , and its ideal value is α 1 . In this case, v 1,2 can be expressed by the following equation (Equation 24).

Figure 2009228605
Figure 2009228605

2は、実際の仮想入力とその理想値との誤差である。通常のバックステッピング制御では、上式(数24)をリアプノフ関数(の微分式)に代入する。しかしながら、本実施形態では誤差z2を敢えて無視し、z2を含まない下式(数25)を代入する。誤差z2は第二ステップで必ず考慮するので、敢えて第一ステップにて考慮に入れなくともよいとの考えである。 z 2 is an error between the actual virtual input and its ideal value. In normal backstepping control, the above equation (Equation 24) is substituted into the Lyapunov function (differential equation thereof). However, in the present embodiment, the error z 2 is deliberately ignored, and the following expression (Expression 25) not including z 2 is substituted. Since the error z 2 is always considered in the second step, it is thought that it is not necessary to take it into consideration in the first step.

Figure 2009228605
Figure 2009228605

第一ステップにおけるリアプノフ関数V1に誤差z2を加味しないことで、バックステッピングコントローラの算出する入力uの肥大化を抑制できる。ひいては、ISCバルブ4の物理的限界を超える制御入力値uをISCバルブ4に与えてしまうおそれを低減ないし回避できるのである。 By not adding the error z 2 to the Lyapunov function V 1 in the first step, the enlargement of the input u calculated by the backstepping controller can be suppressed. As a result, the possibility of giving the control input value u exceeding the physical limit of the ISC valve 4 to the ISC valve 4 can be reduced or avoided.

その上で、仮想入力の理想値α1を、下式(数26)のように選定する。 Then, the ideal value α 1 of the virtual input is selected as in the following equation (Equation 26).

Figure 2009228605
Figure 2009228605

1は、誤差z1に対するゲインである。上式(数26)のα1を式(数23)のv1,2として代入し、整理すると、下式(数27)を得る。 c 1 is a gain for the error z 1 . Substituting α 1 in the above equation (Equation 26) as v 1,2 in the equation (Equation 23) and rearranging it yields the following equation (Equation 27).

Figure 2009228605
Figure 2009228605

そして、上式(数27)の右辺第2項及び第3項が0となるような更新則(数28)、(数29)を選定する。   Then, update rules (Equation 28) and (Equation 29) are selected such that the second and third terms on the right side of the above equation (Equation 27) are zero.

Figure 2009228605
Figure 2009228605

Figure 2009228605
Figure 2009228605

δは第二ステップでは出現しないので、第一ステップにて式(数28)の更新則を利用することができ、δの影響を排除できる。一方、θはα1にも含まれており、第二ステップでも出現するので、第一ステップにて式(数29)の更新則を利用することはできない。z2≠0の場合、式(数29)は保証されない。リアプノフ関数V1の微分値に関しては、下式(数30)が成立する。 Since δ does not appear in the second step, the update rule of Expression (Equation 28) can be used in the first step, and the influence of δ can be eliminated. On the other hand, since θ is also included in α 1 and appears in the second step, the update rule of Expression (Equation 29) cannot be used in the first step. When z 2 ≠ 0, the equation (Equation 29) is not guaranteed. With respect to the differential value of the Lyapunov function V 1 , the following equation (Equation 30) holds.

Figure 2009228605
Figure 2009228605

バックステッピングコントローラ設計の第二ステップでは、誤差z2=v1,2−α1が0となるよう、真の入力uを設定する。第一ステップではリアプノフ関数V1の微分値が負であることを保証できなかったので、この第二ステップでもリアプノフ関数V1を考慮に入れる必要がある。誤差z2に関するリアプノフ関数V2を、下式(数31)のように定義する。 In the second step of the backstepping controller design, the true input u is set so that the error z 2 = v 1,2 −α 1 becomes zero. Since it was not possible to guarantee that the differential value of the Lyapunov function V 1 was negative in the first step, it is necessary to take the Lyapunov function V 1 into consideration in this second step. The Lyapunov function V 2 about the error z 2, defined by the following equation (Equation 31).

Figure 2009228605
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2は、状態量推定誤差に対するゲインである。第一ステップと同様、リアプノフ関数の微分を負にすることを考える。式(数31)の微分は、下式(数32)となる。 d 2 is a gain for the state quantity estimation error. As in the first step, consider making the derivative of the Lyapunov function negative. The differentiation of the equation (Equation 31) becomes the following equation (Equation 32).

Figure 2009228605
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2の微分は、式(数11)及び式(数24)より、下式(数33)となる。 The differentiation of z 2 is expressed by the following expression (Expression 33) from Expression (Expression 11) and Expression (Expression 24).

Figure 2009228605
Figure 2009228605

式(数30)及び上式(数33)をリアプノフ関数の微分式(数32)に代入すると、下式(数34)となる。   Substituting the equation (Equation 30) and the above equation (Equation 33) into the differential equation (Equation 32) of the Lyapunov function, the following equation (Equation 34) is obtained.

Figure 2009228605
Figure 2009228605

上式(数34)の右辺を0以下にするべく、右辺第2項が0となるような更新則(数35)を選定する。   In order to make the right side of the above equation (Equation 34) 0 or less, an update rule (Equation 35) is selected so that the second term on the right side becomes 0.

Figure 2009228605
Figure 2009228605

第二ステップにて式(数35)の更新則を利用すれば、θの影響を排除できる。さらに、式(数34)の右辺第3項及び第4項を負にする制御入力uを求めると、下式(数36)となる。   If the update rule of Formula (Equation 35) is used in the second step, the influence of θ can be eliminated. Further, when the control input u that makes the third and fourth terms on the right side of the equation (Equation 34) negative is obtained, the following equation (Equation 36) is obtained.

Figure 2009228605
Figure 2009228605

2は、誤差z2に対するゲインである。上式(数36)及び式(数35)を式(数34)に代入して整理すると、リアプノフ関数V2の微分値に関する下式(数37)が成立する。 c 2 is a gain with respect to the error z 2 . By substituting the above formula (formula 36) and formula (formula 35) into the formula (formula 34) and rearranging, the following formula (formula 37) regarding the differential value of the Lyapunov function V 2 is established.

Figure 2009228605
Figure 2009228605

上式(数37)より、リアプノフ関数V2の微分値が負であることが明らかとなり、制御システムの安定性が保証される。 From the above equation (Equation 37), it becomes clear that the differential value of the Lyapunov function V 2 is negative, and the stability of the control system is guaranteed.

本実施形態によれば、積分器を持たないバックステッピング制御システムにてエンジン回転数のサーボ制御を行うこととしたため、偏差z1に対するゲインc1を高くして外乱抑制性能を向上せしめることが可能となる。尤も、偏差z1にかかるゲインc1を高くすることで制御入力uにチャタリングが発生する可能性があり、その場合には対策が必要となる。 According to the present embodiment, since the servo control of the engine speed is performed in the backstepping control system without an integrator, it is possible to improve the disturbance suppression performance by increasing the gain c 1 with respect to the deviation z 1 . It becomes. However, chattering may occur in the control input u by increasing the gain c 1 applied to the deviation z 1 , and in this case, countermeasures are required.

制御出力yとその目標値yrとの誤差z1が0となるような仮想入力x2の理想値α1を設定する第一ステップにおいて、出力yと目標値yrとの誤差z1を含む一方、仮想入力の理想値α1と実際の仮想入力v1,2との誤差z2を含まないリアプノフ関数V1を定義し、仮想入力x2の理想値α1と実際の仮想入力v1,2との誤差z2が0となるような真の入力uを設定する第二ステップにおいて、仮想入力x2の理想値α1と実際の仮想入力v1,2との誤差z2と、第一ステップにて定義したリアプノフ関数V1とを含むリアプノフ関数V2を定義して、このリアプノフ関数V2の微分値が0以下となるコントローラ1を設計してエンジン回転数の制御を行うこととしたため、入力u即ちバルブ開度がその限界を超えた過大値となってしまう問題を回避できる。そして、設計過程の第二ステップにおけるリアプノフ関数V2の微分値を0以下とすれば、バックステッピング制御を安定なものとすることができる。 In the first step of the error z 1 control output y and the target value y r to set the ideal value alpha 1 for the virtual input x 2 such that 0, the error z 1 between the output y and the target value y r On the other hand, a Lyapunov function V 1 not including an error z 2 between the ideal value α 1 of the virtual input and the actual virtual input v 1,2 is defined, and the ideal value α 1 of the virtual input x 2 and the actual virtual input v in the second step of the error z 2 sets the true input u such that 0 and 1, and the error z 2 and the actual virtual input v 2 the ideal value alpha 1 for the virtual input x 2 The Lyapunov function V 2 including the Lyapunov function V 1 defined in the first step is defined, and the controller 1 is designed so that the differential value of the Lyapunov function V 2 is 0 or less to control the engine speed. Therefore, it is possible to avoid the problem that the input u, that is, the valve opening becomes an excessive value exceeding the limit. . If the differential value of the Lyapunov function V 2 in the second step of the design process is 0 or less, the backstepping control can be made stable.

モデルのパラメータb1、b0、a2、a1、a0を更新するパラメータ更新ゲインΓ1、Γ2、Γ3、Γ4、Γ5のうち、定常ゲインの分子及び分母に該当するパラメータb0、a0についての更新ゲインΓ2、Γ5を、他のパラメータb1、a2、a1についての更新ゲインΓ1、Γ3、Γ4よりも大きく設定しているため、出力の目標値への収束に影響を及ぼす定常ゲインb0/a0のみを素早く変化させ、他のパラメータb2、b1、a1の変化を遅らせることができ、パラメータb1、b0、a2、a1、a0の発散を回避できる。定常ゲインb0/a0を真値に収束させさえすれば、たとえ他のパラメータb1、a2、a1を真値に収束させ得なかったとしても、エンジン回転数を充分に目標値に追従させることができる。 Of the parameter update gains Γ 1 , Γ 2 , Γ 3 , Γ 4 , Γ 5 for updating the parameters b 1 , b 0 , a 2 , a 1 , a 0 of the model, parameters corresponding to the numerator and denominator of the steady gain Since the update gains Γ 2 and Γ 5 for b 0 and a 0 are set larger than the update gains Γ 1 , Γ 3 and Γ 4 for the other parameters b 1 , a 2 and a 1 , Only the steady gain b 0 / a 0 that affects the convergence to the target value can be changed quickly, and the changes of the other parameters b 2 , b 1 , a 1 can be delayed, and the parameters b 1 , b 0 , a 2 can be delayed. , A 1 and a 0 can be avoided. As long as the steady gain b 0 / a 0 converges to the true value, the engine speed can be sufficiently set to the target value even if the other parameters b 1 , a 2 , a 1 cannot be converged to the true value. Can be followed.

加えて、定常ゲインの分子に該当するパラメータb0と分母に該当するパラメータa0とのうち一方についての更新ゲインΓ2を、他方についての更新ゲインΓ5よりも大きく設定しており、定常ゲインb0/a0の発散を回避してこれを確実に収束させ得る。 In addition, the update gain Γ 2 for one of the parameter b 0 corresponding to the numerator of the steady gain and the parameter a 0 corresponding to the denominator is set larger than the update gain Γ 5 for the other, and the steady gain The divergence of b 0 / a 0 can be avoided and reliably converged.

なお、本発明は以上に詳述した実施形態に限られるものではない。特に、本発明に係るバックステッピング制御を、アイドル時以外のエンジン回転数の制御に応用することは当然に可能である。   The present invention is not limited to the embodiment described in detail above. In particular, it is naturally possible to apply the backstepping control according to the present invention to control of the engine speed other than during idling.

また、バックステッピングコントローラ1が操作する操作部はISCバルブ4に限定されず、例えば電子スロットルバルブ5であってもよい。このときのコントローラ1は、制御入力として電子スロットルバルブ5の開度を算定する。   Further, the operation unit operated by the backstepping controller 1 is not limited to the ISC valve 4, and may be an electronic throttle valve 5, for example. At this time, the controller 1 calculates the opening degree of the electronic throttle valve 5 as a control input.

その他各部の具体的構成は、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形が可能である。   Other specific configurations of each part can be variously modified without departing from the spirit of the present invention.

本発明の一実施形態におけるエンジン及び回転数制御装置のハードウェア資源構成図。The hardware resource block diagram of the engine and rotation speed control apparatus in one Embodiment of this invention. 回転数制御装置のブロック線図。The block diagram of a rotation speed control apparatus.

符号の説明Explanation of symbols

1…コントローラ
2…エンジン
3…回転速度センサ
4…ISCバルブ(操作部)
5…電子スロットルバルブ(操作部)
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Controller 2 ... Engine 3 ... Rotational speed sensor 4 ... ISC valve (operation part)
5 ... Electronic throttle valve (operation part)

Claims (4)

積分器を持たないバックステッピングコントローラによりISC(Idle Speed Control)バルブ等の操作部を操作してエンジンの回転数を制御するものであって、
出力とその目標値との誤差が0となるような仮想入力の理想値を設定する第一ステップにおいて、出力と目標値との誤差を含む一方、仮想入力の理想値と実際の仮想入力との誤差を含まないリアプノフ関数を定義し、
仮想入力の理想値と実際の仮想入力との誤差が0となるような真の入力を設定する第二ステップにおいて、仮想入力の理想値と実際の仮想入力との誤差と、第一ステップにて定義したリアプノフ関数とを含むリアプノフ関数を定義して、このリアプノフ関数の微分値が0以下となるコントローラを設計してエンジン回転数の制御を行うことを特徴とするエンジン回転数制御方法。
The engine speed is controlled by operating an operation unit such as an ISC (Idle Speed Control) valve by a backstepping controller having no integrator.
In the first step of setting the ideal value of the virtual input such that the error between the output and its target value is zero, the error between the output and the target value is included, while the ideal value of the virtual input and the actual virtual input Define Lyapunov function without error,
In the second step of setting a true input such that the error between the ideal value of the virtual input and the actual virtual input is 0, the error between the ideal value of the virtual input and the actual virtual input is determined in the first step. An engine speed control method characterized in that a Lyapunov function including a defined Lyapunov function is defined and a controller in which a differential value of the Lyapunov function is 0 or less is designed to control the engine speed.
システムのモデルのパラメータを更新するパラメータ更新ゲインのうち、定常ゲインの分子及び分母に該当するパラメータについての更新ゲインを、他のパラメータについての更新ゲインよりも大きく設定している請求項1記載のエンジン回転数制御方法。 2. The engine according to claim 1, wherein among the parameter update gains for updating the parameters of the system model, the update gains for the parameters corresponding to the numerator and denominator of the steady gain are set larger than the update gains for the other parameters. Speed control method. 定常ゲインの分子に該当するパラメータと分母に該当するパラメータとのうち一方についての更新ゲインを、他方についての更新ゲインよりも大きく設定している請求項2記載のエンジン回転数制御方法。 The engine speed control method according to claim 2, wherein an update gain for one of the parameter corresponding to the numerator of the steady gain and the parameter corresponding to the denominator is set to be larger than the update gain for the other. ISCバルブ等のバルブ開度を入力、エンジン回転数を出力とし、
出力とその目標値との誤差が0となるような仮想入力の理想値を設定する第一ステップにおいて、出力と目標値との誤差を含む一方、仮想入力の理想値と実際の仮想入力との誤差を含まないリアプノフ関数を定義し、
仮想入力の理想値と実際の仮想入力との誤差が0となるような真の入力を設定する第二ステップにおいて、仮想入力の理想値と実際の仮想入力との誤差と、第一ステップにて定義したリアプノフ関数とを含むリアプノフ関数を定義して、このリアプノフ関数の微分値が0以下となるように設計したバックステッピングコントローラを具備するエンジン回転数制御装置。
Input the valve opening of an ISC valve, etc., and output the engine speed.
In the first step of setting the ideal value of the virtual input such that the error between the output and its target value is zero, the error between the output and the target value is included, while the ideal value of the virtual input and the actual virtual input Define Lyapunov function without error,
In the second step of setting a true input such that the error between the ideal value of the virtual input and the actual virtual input is 0, the error between the ideal value of the virtual input and the actual virtual input is determined in the first step. An engine speed control device comprising a backstepping controller that defines a Lyapunov function including a defined Lyapunov function and is designed so that a differential value of the Lyapunov function is 0 or less.
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