JP2009299509A - 燃料供給制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】規範モデルにしたがったフィードバック制御と、システム同定された制御対象の逆フィルタを適用するフィードフォワード制御とによる２自由度制御系を利用して、安定性と応答性の両立を図る燃料供給制御装置を提供する。
【解決手段】燃料供給制御装置におけるフィードバック制御部１１０は、規範モデル部１０２に従って制御対象部１０１が出力する燃料圧力に応じてフィードバック制御を実施する。また、フィードフォワード制御部１２０は、インバースフィルタ１２１を適用したフィードフォワード制御を実施する。
【選択図】図２

Description

本発明は、コモンレールを用いた燃料供給制御装置に関する。

ディーゼルエンジンに適用される燃料供給制御装置においては、エンジンの燃焼室内に燃料を直接噴射するインジェクター（以下、燃料噴射弁ともいう）に蓄圧された燃料を供給するコモンレールシステムが多く利用されている。このようなコモンレールシステムでは、瞬時に規定量を噴射させることができるように、高圧ポンプによって加圧された燃料が供給されている。
また、インジェクターの応答性改善によりインジェクターから短い噴射時間で燃料を噴射することもできるようになっている。このような応答性のよいインジェクターと前述した高圧に蓄圧できるコモンレールを組み合わせることによって燃料を勢いよくエンジンの燃焼室内に噴射し、燃料を微粒化して、燃焼特性を改善することができるようになっている。このように燃焼特性を改善することによって、排出ガスのさらなるクリーン化を図ることが行われている。

また、ディーゼルエンジンでは、噴射される燃料の量によって出力特性が左右される。つまり、必要なときに必要な量の燃料をエンジンに供給するために、燃料供給制御装置では燃料の圧力を適切に管理することが必要とされている。

このようなディーゼルエンジンに適した燃料供給制御装置において、コモンレールの圧力制御に関するいくつかの技術が存在する（例えば、特許文献１〜特許文献３）。
特開２００４−１０８２１６号公報 特開２００５−３０１７６４号公報 特許第３９４４１４３号公報

ところで、ディーゼルエンジンでは、燃料の噴射量によって出力トルクが変化する。
また、ディーゼルエンジン特有の燃料の分割噴射によって、エンジン燃焼効率の向上や、振動・作動音を低減させる効果があることが知られている。しかし、燃料の分割噴射による噴射量の調節を適切に制御できないと、その効果が低減してしまう。
燃料の噴射量を適切に制御するには、インジェクターへの供給燃料の圧力制御、すなわちコモンレールに蓄圧される圧力の制御を適切に制御することが必要とされる。特に微小量の噴射においても適切な容量を噴射できるような圧力制御は、燃費の向上・応答性向上などエンジンの特性改善に必要なものとなっている。
しかし、これまでのコモンレールシステムにおいては、コモンレールの圧力測定はされていたものの、様々な要因によりコモンレールに蓄圧される圧力の変動が生じていたので、燃料噴射における圧力制御は十分に行えていなかった。

一方、燃料圧力を制御する際に利用されてきたフィードバック制御では、応答性を確保しようとしてフィードバック制御系のループゲインを高くすると、制御系は不安定となって出力にハンチングが生じたり、外乱入力に対しての耐力が低下して異常な出力値を出力し続けたりすることがある。
また、多くのフィードバック制御系では、制御対象が追従できる応答性を加味せずに過剰な操作量を制御対象に供給している場合がある。そのような制御系では、制御対象が追従できない分の過剰な操作量の入力が余計に入力されることになる。このことは、エンジンの燃料供給制御装置においては、実質的な燃料消費率を悪化させる要因となっている。

フィードバック制御のほかに応答性を改善させる方法として、例えば特許文献１〜３に示されるフィードフォワード制御が知られている。
特許文献１では、フィードフォワード項における逆モデルのパラメータを逐次同定する技術が開示されている。この技術によると、逐次同定することによりその時々の状態に適した同定とすることができるが、きめ細かい同定結果を得るには演算量が多くなり演算の都度行われる処理が複雑化したり、また、演算処理により演算遅延が発生するために制御対象に対しての操作量出力に遅れが生じたりする問題がある。

また、特許文献２では、フィードフォワード項で逆モデルを求めることなく逐次同定で実現する技術が開示されている。この技術によると、特許文献１に開示されている技術に比べ演算負荷を軽減することができるが、逐次同定となるため外乱入力に対しての安定度確保に問題が生じたり、規範モデルを用いていないことによりハンチングを生じたりする問題がある。

また、特許文献３では、フィードフォワード項にクランク角度ごとに補正を設定する技術が開示されている。この技術によると、クランク角度に依存するフィードフォワード制御となるので、動作状態に応じて生じうる変動に対しての適応性に問題が生じたり、規範モデルを用いていないためハンチングを生じたりする問題がある。
このように、前述したそれぞれの技術を利用しても、安定性と応答性を両立して制御できる形態を実現できていないという問題がある。

本発明は、上記問題を解決すべくなされたもので、その目的は、規範モデルにしたがったフィードバック制御と、システム同定された制御対象の逆フィルタを適用するフィードフォワード制御とによる２自由度制御系を利用して、安定性と応答性の両立を図る燃料供給制御装置を提供することにある。

上記問題を解決するために、請求項１に記載した発明は、制御対象（例えば、実施の形態における制御対象部１０１）となるコモンレール（例えば、実施の形態におけるコモンレール１３）の圧力を検出する圧力検出手段（例えば、実施の形態における燃料圧力センサ３７）と、前記圧力検出手段によって検出された圧力に応じて前記コモンレールの圧力を目標圧力に制御する圧力制御手段（例えば、実施の形態におけるＥＣＵ２）とを備えた燃料供給制御装置（例えば、実施の形態における燃料供給制御装置１０）において、前記圧力検出手段によって検出された圧力に応じて前記制御対象の規範モデル（例えば、実施の形態における規範モデル部１０２）に従ってフィードバック制御を実施するフィードバック制御部（例えば、実施の形態におけるフィードバック制御部１１０）と、逆フィルタ（例えば、実施の形態におけるインバースフィルタ１２１）を適用したフィードフォワード制御を実施するフィードフォワード制御部（例えば、実施の形態におけるフィードフォワード制御部１２０）とを備えることを特徴とする燃料供給制御装置である。
これにより、制御対象のシステム同定に基づく規範モデルにしたがってフィードバック制御することによって安定性を確保し、制御対象の逆フィルタを適用したフィードフォワード制御することによって応答性を確保する２自由度制御系を利用して、安定性と応答性の両立を図ることができる。

請求項２に記載した発明は、前記規範モデルは、１次遅れ以上の伝達関数で示される関係式により、システム同定されることを特徴とする。
これにより、規範モデルは１次遅れ系、２次遅れ系など必要な次数で表される伝達関数で示される規範モデルとして同定することができ、規範モデルの出力により示される出力の軌道によって安定動作とすることができる。

請求項３に記載した発明は、前記規範モデルは、２次遅れで表される伝達関数

により、システム同定されることを特徴とする。
これにより、規範モデルは２次遅れ系によるモデルによって応答性を確保した制御量を出力することができる。

請求項４に記載した発明は、前記フィードフォワード制御による操作量（例えば、実施の形態におけるＦＦ操作量）とフィードバック制御による操作量（例えば、実施の形態におけるＦＢ操作量）とから、運転モードに応じて操作量への適応割合（例えば、実施の形態における補正係数（Ｇａｉｎ））を制御されることを特徴とする。
これにより、運転モードによってフィードフォワード制御による操作量とフィードバック制御による操作量との適応割合を制御することができる。

請求項１に記載した発明によれば、制御対象のシステム同定に基づく動作でフィードバック制御することによって安定性を確保し、制御対象の動作特性を把握してフィードフォワード制御することによって応答性を確保することができる。

請求項２に記載した発明によれば、規範モデルは１次遅れ系以上の伝達関数で示される規範モデルとしてシステム同定することができ、規範モデルの出力によって示される出力の軌道にしたがう安定動作とすることができる。

請求項３に記載した発明によれば、規範モデルは２次遅れ系によるモデルよって応答性を改善した制御量を出力し、２次遅れ特性としてシステム同定される制御対象に対して適切な制御量を出力することができる。

請求項４に記載した発明によれば、運転モードによって区別することができる安定性と応答性のバランスをフィードフォワード制御による操作量とフィードバック制御による操作量との適応割合を制御することで、それぞれ両立できる適応制御を実現できる。

（第１実施形態）
図１を参照し本発明における実施形態の燃料供給制御装置１０について説明する。燃料供給制御装置１０は、図示されない車両に搭載されるディーゼルエンジン（以下、エンジン１という）に適応され、エンジン１の燃焼室に供給される燃料の圧力を制御する。

燃料タンク１１は、エンジン１に供給される燃料が収容される。その燃料タンク１１内には、低圧ポンプＰ１が設けられている。
低圧ポンプＰ１には、ＥＣＵ（Electronic Control Unit）２に接続されているモータＰ１−Ｍが設けられている。低圧ポンプＰ１は、ＥＣＵ２によってモータＰ１−Ｍが制御され、エンジン１の運転中に常時作動する電動ポンプであり、燃料タンク１１内の燃料を所定圧（例えば、５ｂａｒ（バール））まで増圧して吐出する。
低圧ポンプＰ１の吸入側にはフィルタ１７が設けられ、吐出側には燃料供給路１２が接続される。接続される燃料供給路１２には、ＥＣＵ２からの制御によって燃料の温度制御を行うヒータを備えるフィルタ１８と、同じくＥＣＵ２からの制御によって低圧ポンプＰ１から供給される燃料の流量を制御する電磁流量制御弁２１とが順次設けられている。

フィルタ１８と電磁流量制御弁２１の間の燃料供給路１２には、燃料タンク１１に燃料を戻す燃料戻し路１６が分岐接続される。燃料戻し路１６には、燃料供給路１２の圧力制御を行う圧力制御弁２２が介装されている。圧力制御弁２２は、燃料供給路１２の圧力が前述の所定圧を超えたときに開弁して燃料戻し路１６を介して燃料を燃料タンク１１内に戻す。

電磁流量制御弁２１の下流側には、高圧ポンプＰ２が接続され、高圧ポンプＰ２の吐出側には高圧配管１３ａを介してコモンレール１３が接続されている。高圧ポンプＰ２は、低圧ポンプＰ１から供給され燃料をさらに増圧してコモンレール１３に供給する。高圧ポンプＰ２によって吐出される燃料は、電磁流量制御弁２１において流量制御されることにより、その圧力が制御されることとなる。
高圧ポンプＰ２に取り付けられた燃料温度センサ３５は、高圧ポンプＰ２によって加圧された燃料の温度を検出し、検出された温度を示す検出信号をＥＣＵ２に出力する。

コモンレール１３の戻し路側には、高圧配管１３ｃが接続され、この高圧配管１３ｃには、燃料戻し路１６が接続されている。高圧配管１３ｃには、電磁圧力制御弁２３が設けられ、電磁圧力制御弁２３から燃料戻し路１６までは、燃料戻し路１４で接続されている。
この電磁圧力制御弁２３は、機械的に動作する機能と、接続されるＥＣＵ２からの制御によって電気的に動作する機能を有している。機械的な動作では、高圧ポンプＰ２の運転により燃料圧力Ｐｒａｉｌが所定の設定圧Ｐｒａｉｌ＿ｍａｘ（例えば、２０００ｂａｒ（バール））を超えたときに、開弁する。これにより、コモンレール１３内の燃料が燃料タンク１１内に戻され、燃料圧力Ｐｒａｉｌが所定の設定圧Ｐｒａｉｌ＿ｍａｘまで低減される。また、電気的動作では、必要に応じて出力されるＥＣＵ２からの減圧指示にしたがって弁が開放されることによりコモンレール１３内に蓄圧された燃料を放出し減圧することができる。

また、コモンレール１３は、高圧ポンプＰ２によって加圧され供給される燃料の量と、電磁圧力制御弁２３などで放出され減圧される量とをバランスさせることによって、その内部空間を高圧の状態（例えば、２０００ｂａｒ（バール））で蓄える燃料室となる。コモンレール１３には燃料圧力センサ３７が取り付けられ、この燃料圧力センサ３７は、コモンレール１３内の燃料圧力である燃料圧力Ｐｒａｉｌを検出し、検出された圧力を示す検出信号をＥＣＵ２に出力する。
このコモンレール１３には、エンジン１に燃料を噴射する４つの燃料噴射弁６−１〜６−４（以下、まとめて示すときには「燃料噴射弁６」という。）に燃料を供給する高圧配管１３ｂ−１〜１３ｂ−４が接続されている。
燃料噴射弁６は、ＥＣＵ２からの信号により開弁してコモンレール１３から供給される燃料をエンジン１の燃焼室内に噴射する。

燃料戻し路１５は、それぞれの燃料噴射弁６からの燃料の戻り路を示し、並列に接続されるチェック弁２４と圧力制御バルブ２５を介して低圧ポンプＰ１とフィルタ１８との間の燃料供給路１２に接続されている。
この燃料戻し路１５の途中に設けられるチェック弁２４と圧力制御バルブ２５は、燃料噴射弁６からの排出油の圧力を一定に調整する。圧力制御バルブ２５は、エンジン１の運転開始時には、燃料供給路１２から燃料噴射弁６に至る燃料戻し路１５を燃料供給路１２に接続される低圧ポンプＰ１によって加圧させる働きも有する。

ＥＣＵ２は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＲＡＭ（Random Access Memory）、ＲＯＭ（Read Only Memory）およびＩ／Ｏ（Input/Output）インターフェース（いずれも図示せず）などからなるマイクロコンピュータで構成される。
ＥＣＵ２は、エンジン１に設けられたクランク角センサ３３によって検出されるエンジン１のクランク角度情報から、燃料噴射弁６での燃料噴射タイミングを制御する。また、ＥＣＵ２は、前述した燃料温度センサ３５、燃料圧力センサ３７などの検出信号に応じてエンジン１の運転状態を判断し、電磁流量制御弁２１、電磁圧力制御弁２３、低圧ポンプＰ１を制御することによりコモンレール１３の圧力を制御するとともに、燃料噴射弁６を開閉動作させることにより燃料噴射制御を実行する。

以上に示した構成により、この燃料供給制御装置１０では、電磁流量制御弁２１により流量制御される高圧ポンプＰ２の運転状態、電磁圧力制御弁２３の開閉状態、および燃料噴射弁６の開閉状態により、コモンレール１３の燃料圧力Ｐｒａｉｌが所定の設定値Ｐｒａｉｌ＿ｍａｘを上限とする範囲内で制御される。
なお、図１で示される実線での接続は、燃料系の配管を示し、一点鎖線での接続は、電気信号による制御線での接続を示すものとする。また、燃料タンク１１内に低圧ポンプＰ１が設けられていることとしたが、低圧ポンプＰ１を燃料タンク１１の外に配置したものでも良い。

続いて、本発明の燃料供給制御装置１０における燃料供給制御系統について説明する。
図２は、燃料供給制御装置１０のＥＣＵ２を用いて実現される燃料供給制御系統１００を示すブロック図である。
燃料供給制御系統１００は、フィードバック制御部１１０とフィードフォワード制御部１２０を備える。
燃料供給制御系統１００において、フィードバック制御部１１０は、制御対象部１０１、規範モデル部１０２、加算器１０３、ＦＢ（Feed Back）制御器１０４、ゲイン制御器１０５、加算器１０６を備える。

フィードバック制御部１１０において、制御対象部１０１は、入力された操作量で動作するアクチュエータと、その動作によって変化するコモンレール１３の燃料圧力の変化を検出する燃料圧力センサ３７までの構成とする。コモンレール１３に蓄圧される燃料圧力を制御するアクチュエータは、電磁流量制御弁２１、電磁圧力制御弁２３、燃料噴射弁６を有し、それぞれＥＣＵ２からの信号によって制御される。ここで、制御対象部１０１の特性をＧ_ｒ（ｓ）として、システム同定された特性をＧ（ｓ）として示すことにする。

規範モデル部１０２は、制御対象部１０１の動作特性に基づいてモデル化された演算処理部であり、入力される制御目標である目標燃料圧力に対して演算を行い、制御対象部１０１における燃料圧力として期待する燃料圧力の遷移を示す信号を規範燃圧信号として出力する。ここで、規範モデル部１０２が有する特性を、Ｇ_ｍ（ｓ）で示すことにする。

加算器１０３は、規範モデル部１０２が出力する規範圧力信号の値から制御対象部１０１で検出された燃料圧力信号で示される値を減算し、その減算結果をフィードバック制御における偏差（以下、ＦＢ（Feed Back）偏差量という）として出力する。

ＦＢ制御器１０４は、規範モデル部１０２が出力する規範とする制御対象部１０１が備えるべき規範圧力信号の値に対して、制御対象部１０１で検出された燃料圧力信号で示される値の差によるＦＢ偏差量に対し必要とされる操作量を出力する演算要素であり、入力されるＦＢ偏差量に基づいてフィードバック制御における操作量（以下、ＦＢ（Feed Back）操作量という）を出力する。ここで、ＦＢ制御器１０４が有する伝達特性を、Ｋ_ＦＢ（ｓ）で示し、その関係を式（１）で示す。

式（１）において、Ｋｐが比例演算要素の係数を示し、Ｋｉが積分演算要素の係数を示し、Ｋｄが微分演算要素の係数を示す。

ゲイン制御器１０５は、ＦＢ制御器１０４から出力されるＦＢ操作量を入力し、また、制御信号として入力されるゲイン制御信号Ｇａｉｎによって示される減衰率Ｇａｉｎで、入力されたＦＢ操作量を減衰したＦＢ（Feed Back）操作量Ｖを出力する。ＦＢ操作量Ｖの関係を、式（２）に示す。

式（２）において、Ｇａｉｎ_ｂはゲイン制御器１０５に設定されるゲインの値を示す。
加算器１０６は、ＦＢ制御器１０４が出力するＦＢ操作量が減衰比率Ｇａｉｎで減衰されたＦＢ操作量Ｖと、後述のフィードフォワード制御部１２０から出力されるＦＦ操作量Ｖと、を加算して制御対象部１０１に対する操作量を出力する。

続いて、フィードフォワード制御部１２０は、インバースフィルタ１２１、ゲイン制御器１２２を備える。
フィードフォワード制御部１２０におけるインバースフィルタ１２１は、制御対象部１０１が備える応答特性の逆特性と規範モデル部１０２の特性との乗算によって求められる応答特性を有するフィルタであり、入力される制御目標値に対して、上記による演算を行った結果をフィードフォワード操作量（以下、ＦＦ（Feed Flowered）操作量という）として出力する。インバースフィルタ１２１が有する特性は、制御対象部１０１の逆特性と規範モデル部１０２の特性に基づくものであり、（Ｇ^−１（ｓ）Ｇ_ｍ（ｓ））で示すことができる。
ゲイン制御器１２２は、インバースフィルタ１２１から出力されるＦＦ操作量を入力し、また、制御信号として入力されるゲイン制御信号Ｇａｉｎに応じた減衰率（１−Ｇａｉｎ）で、入力されたＦＦ操作量を減衰したＦＦ（Feed Flowered）操作量Ｖを出力する。ＦＦ操作量Ｖの関係を、式（３）に示す。

式（３）において、Ｇａｉｎ_ｆはゲイン制御器１１２に設定されるゲインの値を示す。
ゲイン制御器１２２は、インバースフィルタ１２１が出力するＦＦ操作量を減衰比率（１−Ｇａｉｎ）で減衰されたＦＦ操作量Ｖをフィードフォワード制御部１２０の出力として出力し、前述の加算器１０６に入力する。

次に、燃料供給制御系統１００の動作について説明する。
ここで、規範モデル部１０２は、目標燃圧ｒ（ｓ）が入力されると規範燃圧ｙ_ｍ（ｓ）を出力する。ここで、規範燃圧ｙ_ｍ（ｓ）は、式（４）として示すことができる。

また、説明を簡略化するためインバースフィルタ１２１の特性をＦ_１（ｓ）として式（５）に示す。

また、規範モデル部１０２の特性をＦ_２（ｓ）として式（６）に示す。

ここで、式（５）、式（６）に示される関係ならびにＦＢ操作量とＦＦ操作量との比率を対等とすることとして、ゲイン制御器１０５、１２２のそれぞれのゲインを１として、目標燃圧ｒ（ｓ）が、燃料供給制御系統１００に入力されたときの実際燃圧ｙ（ｓ）は、次式（７）で示すことができる。

ここで、制御対象部１０１の実際の特性Ｇ_ｒ（ｓ）と同定結果Ｇ（ｓ）との特性が近く、またＫ_ＦＢ（ｓ）が十分に作用できる特性を有するものであれば、式（８）に示す関係となる。

式（８）は、規範モデルの出力ｙ_ｍ（ｓ）と実際燃圧ｙ（ｓ）が等しく、規範モデル部１０２が出力する規範出力ｙ_ｍ（ｓ）に対して、実際燃圧ｙ（ｓ）が追従していることがわかる。

燃料供給制御系統１００における制御対象部１０１において、入力される操作量に対しコモンレール１３の燃料圧力が制御され、実際燃圧を出力するシステムとしてシステム同定を行う。
コモンレール１３の燃料圧力変化は、２次遅れ系によって表される伝達関数で示される制御要素と、制御対象部１０１に入力された操作入力から出力変化が起こるまでの時間遅れによるむだ時間要素とを組み合わせて示される応答特性を有するシステムとしてシステム同定することにする。ここで、システム同定された特性式を周波数領域で表される伝達関数として式（９）に示す。

式（９）において、ｓはラプラス演算子、ｋは定数、ζは減衰係数、ωは角振動数、Ｔ_ｄはむだ時間による遅延時間を示す。また各振動数ωは、式（１０）に示される関係がある。ｆは、周波数を示す。

図３（ａ）、（ｂ）は、式（９）で示される伝達特性に基づいて、定数ｋ、減衰係数ζ、むだ時間Ｔ_ｄを特定し次式（１１）で示される値でシステム同定された結果に基づく周波数応答特性を示すグラフ３ａ１と位相特性を示すグラフ３ｂ１である。
それぞれのグラフの横軸は周波数を示し、単位はＨｚ（ヘルツ）である。グラフ３ａ１の縦軸はゲインを示し、単位はｄＢ（デシベル）であり、グラフ３ｂ１の縦軸は位相を示し、単位は度である。

グラフ３ａ１は、周波数０．２０１Ｈｚ（ヘルツ）において、ピークゲイン９．４４ｄＢ（デシベル）を示し、その周波数以上の特性は緩やかに高域周波数が遮断される特性を示している。
グラフ３ｂ１は、位相余裕２８度、遅れ余裕０．２７４度、そのときの周波数は０．２８４Ｈｚ（ヘルツ）となる高域周波数での遅れ特性を示している。
グラフ３ａ２は、周波数０．４９Ｈｚ（ヘルツ）において、ピークゲイン１３．１ｄＢ（デシベル）を示し、その周波数以上の特性は緩やかに高域周波数が遮断される特性を示している。
グラフ３ｂ２は、位相余裕１８．１度、遅れ余裕０．０７２８度、そのときの周波数は０．６９２Ｈｚ（ヘルツ）となる高域周波数での遅れ特性を示している。

なお、グラフ３ａ２およびグラフ３ｂ２は、制御対象部１０１を構成する要素部品を変えたときに得られたシステム同定結果であり、要素部品の性能により先に示したグラフ３ａ１およびグラフ３ｂ１とは異なる特性となるが、似た傾向を示していることから要素部品の変更においてもこのシステム同定結果は対応させることが可能であることが示されている。

次に、式（９）における定数ｋ、減衰係数ζの値について、式（１１）で示される値でシステム同定したときの結果に基づいて、実際の制御対象を用いて比較を行った結果を示す。ここで、システム同定結果との比較における操作量ｕには、信号間の相関が低く、周波数帯域が広い白色雑音として扱えるランダム信号としてＭ系列信号を選択した。
図４（ａ）〜図４（ｅ）は、制御対象部１０１への操作量ｕとして与えられたＭ系列信号の変化を示すグラフ４ａと、与えられた操作量ｕに応じて制御対象部１０１から出力される圧力の値の変化を示すグラフ４ｂ、４ｃ、４ｄ，４ｅを示したものである。
また、図４（ｄ）と図４（ｅ）は、図４（ｂ）と図４（ｃ）で示した制御対象部１０１からの出力、すなわち燃料圧力の値の変化を示すグラフを示す時間範囲を広げて示したものである。図４（ａ）、（ｂ）、（ｃ），（ｄ），（ｅ）に示した横軸の値が等しい範囲は、同じ時間における状態を示している。
それぞれのグラフの横軸は時間の経過を示し、その単位は秒で示される。また、縦軸は圧力を示し、その単位はｂａｒ（バール）である。
ここで、入力されるＭ系列の信号の振幅は、７００ｂａｒ（バール）から１２００ｂａｒ（バール）までの振幅である。

同図で示されるグラフ４ｂと４ｄは、操作量ｕが入力されたときの制御対象部１０１における出力応答の観測値を示したグラフである。また、グラフ４ｃと４ｅは、システム同定結果に基づいて操作量ｕに対する出力の推定値を示したグラフである。観測結果に基づくグラフ４ｂとグラフ４ｄは、操作量ｕとしてのＭ系列信号の成分が重畳されているので振幅方向に変化するグラフとなっている。グラフ４ｂとグラフ４ｄで示される結果に対して、同定結果に基づいたグラフ４ｃとグラフ４ｅが追従できていることが示されている。
この比較により、同定結果に基づく制御出力の推定値が実際の制御対象部１０１の動作による制御出力の観測値との乖離が少なく、同定結果が有効であることが示されている。乖離がある部分は、変化の急峻な部分であり、先に示されたシステム同定の範囲を超える周波数領域において生じているので、このグラフで示されている差異が問題となることはない。

図５〜図６を参照し、上記の同定結果を基にして、図２に示した規範モデルを用いて目標圧力にステップ波形を入力信号としたときのフィードバック制御系のステップ応答に関するシミュレーション結果について説明する。それぞれのグラフの横軸は、時間の経過を示し、その単位は秒である。また、縦軸は、目標圧力、操作量、制御量を示し圧力を示し、その単位は規格化された値で示されている。

最初に示す図５（ａ）は、目標圧力のステップ波形の入力信号と、入力された目標圧力に対して規範モデルによって制定される圧力変化特性における出力応答の関係を示すグラフである。
グラフ５ａ２は、グラフ５ａ１で示される上記の目標圧力のステップ波形の入力信号が入力されたときに、入力された目標圧力に応じて規範モデルによって制定される燃料圧力変化の参照軌道を示す出力応答波形である。
制御対象部１０１はこの参照軌道として示されるグラフ５ａ２の波形にしたがって、制御対象部１０１の出力となる燃料圧力を変化させるモデルとしてフィードバック制御されることになる。

次に、図５（ｂ）は、目標圧力のステップ波形の入力信号と、入力された目標圧力に対してインバースフィルタ１２１によって出力されるＦＦ操作量の出力応答の関係を示すグラフである。
グラフ５ｂ２は、グラフ５ｂ１で示される上記の目標圧力のステップ波形の入力信号が入力されたときに、入力された目標圧力に応じてインバースフィルタ１２１によって出力されるＦＦ操作量の出力応答波形であり、ステップ応答入力時点でピークを有する波形となっている。
ステップ応答入力時点でピークを有する波形は、ステップ波形の入力のあった時点で不足する操作量を、制御対象部１０１が有する特性のインバースフィルタ処理を用いるフィードフォワード制御によって補償する効果がある。

次に、図５（ｃ）は、入力された目標圧力に対して、規範モデル１０２によって制定される圧力変化特性に基づく出力信号と、インバースフィルタ１２１によって出力される出力信号とを同じ比率で加算して、振幅を１として規格化した信号の波形を示すグラフである。
ここではそれぞれ加算するときの重み付けを対等としたのでゲイン制御器１０６、１２２におけるそれぞれのゲインの値を０．５とした結果に相当する。すなわち、Ｇａｉｎ_ｂ＝Ｇａｉｎ_ｆ＝０．５としたときの操作量について、式（１２）に示す。

このグラフ５ｃでは、ステップ波形の入力直後のインバースフィルタ１２１からの急峻な変化を示す過程と、規範モデル１０２の出力波形によって示される安定に目標入力に収斂する変化の過程が示され、制御対象部１０１への操作量に相当する波形が現されている。

次に、図６（ａ）は、目標圧力のステップ波形の入力と、入力された目標圧力に対しての規範モデルを用いてフィードフォワード制御による補償を合わせた操作量を制御対象部１０１に入力したときの制御対象部１０１からの出力応答の関係を示すグラフである。
グラフ６ａ２は、グラフ６ａ１で示される上記の目標圧力のステップ波形の入力信号が入力されたときに、入力された目標圧力に応じて規範モデル１０２を用いてインバースフィルタ１２１によるフィードフォワード制御による補償を合わせて実施したときの制御対象部１０１からの出力応答波形である。
また、比較のために参考に示されるグラフ６ａ３は、入力された目標圧力に対して規範モデルを用いずに、フィードフォワード制御による補償処理もすることなく制御対象部１０１にステップ波形の入力信号が入力されたときの出力応答波形である。制御されないときのグラフ６ａ３における出力信号の挙動には、大きく振動する変化が示され、このグラフ６ａ３で示される制御対象部１０１の状態は不安定な状態といえる。それに対し、規範モデル１０２を用いてインバースフィルタ１２１によるフィードフォワード制御による補償を合わせて実施したグラフ６ａ２の出力信号の挙動は、振動することもなく安定に目標値に収斂していることが示されている。また、収斂時間も大幅に短縮され応答性も改善されている。

次に、図６（ｂ）は、規範モデル部１０２が出力する規範圧力信号の値から制御対象部１０１の制御出力である燃料圧力信号で示される値を減算した減算結果であるＦＢ偏差量の変化を示すグラフである。
グラフ６ｂが示すＦＢ偏差量の状況から、微小な範囲内に収まる偏差量となっておりフィードバック動作が良好に機能していることが示されている。

ここで、これまでの一般的なＰＩＤ制御方式における制御性能を比較のために示す。
図７は、前述の図６（ａ）と対比されるものであり、グラフ６ａ１に相当するグラフ７１として示される目標圧力のステップ波形の入力信号と、入力された目標圧力に対して一般的なＰＩＤ制御方式によって制御対象部１０１を制御したときの過度応答についてシミュレーションした結果を示すグラフ７２が示されるグラフである。また、比較のために参考に示されるグラフ６ａ３は、図６（ａ）で示したものと同じものである。
制御されない条件でのグラフ６ａ３における出力信号の挙動に比べ、ＰＩＤ制御方式としたグラフ７２の出力信号の挙動の方が、オーバーシュート量は小さくなっているが依然としてオーバーシュートが生じてしまう。また、収斂時間を短縮しているものの、出力信号は振動をともなって収斂しているので収斂するのに時間がかかっている。
それに対して、本実施形態による図６（ａ）で示されたグラフ６ａ２の結果とグラフ７２とを比べると、グラフ６ａ２は、オーバーシュートを生じることもなく安定に収斂し、その収斂時間は、ＰＩＤ制御方式と比べても半分以下とすることができ応答性も改善できることが示された。

以上に示されたシミュレーション結果および、実際の制御対象部１０１を用いた動作検証により、本実施形態で示される燃料供給制御系統１００において、安定性と応答性を両立できることが示される。

（第２実施形態）
第２実施形態では、ＦＢ操作量とＦＦ操作量から求められる操作量について、エンジン１の運転状態に応じて重み付けすることにより比率を変えて操作量を生成する実施形態について説明する。

第２実施形態における構成は、同じく図２を参照することとして燃料供給制御系統１００における別の制御方法について説明する。図に示される構成は、第１実施形態と同じであり、第１実施形態を参照することとする。

ここで示す制御方法では、ＦＢ操作量とＦＦ操作量のそれぞれの操作量の比率を変える方法として、加算器１０６に入力される信号において比率を変更する方法を、次式（１３）による関係式で示す。

式（１３）において、比率を変えて加算するための設定値Ｇａｉｎの値は運転状況に応じて設定される値であり、入力された設定値Ｇａｉｎの値にしたがってゲイン制御器１０５、１２２において演算が行われる。ここで、ゲイン制御器１０５、１２２におけるそれぞれの補正係数（Ｇａｉｎ_ｂ）と補正係数（Ｇａｉｎ_ｆ）は、次式（１４）で示される関係を有することにする。

運転状態において、Ｇａｉｎの値を変更することが有効となる状態について例示する。
例えば、次に示される状態でエンジン１が運転されるときに、より安定に燃料圧力制御を行うことができる。
容器に密閉された液体の圧力変化は、その容器に出入りする液体の容量に依存する関係を式（１５）で示されることが知られている。

式（１５）において、ｄＰ／ｄｔが容器内圧力変化量を示し、Ｋが体積弾性係数を示し、Ｖが容器の容積を示し、Ｑ_ｉｎとＱ_ｏｕｔが容器に対しての流入量と排出量とをそれぞれ示している。

燃料がコモンレール１３に対し出入りする量によってコモンレール１３に生じる燃料の収支バランスが崩れることにより式（１５）にしたがって圧力変動が生じることになる。
また、エンジン１の運転状態で燃料圧力が低い時には、コモンレール１３に供給される燃料が燃料噴射弁６における噴射量に対して過剰となり、過剰となった燃料が燃料戻し路１４に排出されて循環流が生じる。その循環流が生じている場合には、見かけ上の燃料の体積弾性係数Ｋは小さくなる。このように、コモンレール１３における燃料に循環流が生じることにより体積弾性係数Ｖが見かけ上小さくなる場合には、式（１５）で得られる圧力変化量の計算値が密閉時における計算値よりも小さくなる。

よって、下記に示されるように、コモンレール１３の圧力絶対値、変化幅により、制御対象部１０１に対する操作量を補正することによって、体積弾性係数Ｋの見かけ上の変化（ばらつき）を吸収でき、燃料圧力レンジに依存せずに安定的に燃料圧力の制御が可能になる。

ここで、見かけ上の燃料の体積弾性係数Ｋを変化させる燃料の循環流が生じる状態であるかの判定を、燃料圧力値に基づいて判定することとし、その判定によって制御対象部１０１に対する操作量を補正する処理方法について示す。

図８（ａ）と（ｂ）は、燃料圧力に対するＦＢ操作量についての補正係数（Ｇａｉｎ_ｂ）と、燃料圧力に対するＦＦ操作量についての補正係数（Ｇａｉｎ_ｆ）を示すグラフである。その横軸は、燃料圧力を示し、縦軸は、補正係数（Ｇａｉｎ_ｂ）と補正係数（Ｇａｉｎ_ｆ）の値をそれぞれ示している。
ここで、燃料圧力センサ３７で検出されるコモンレール１３における燃料圧力の値が高くなるほど、ＦＢ操作量を増加させ、ＦＦ操作量を減少させることが必要となることが示される。燃料圧力が高いと燃料の循環流が少なくなり、体積弾性係数Ｋは見かけ上大きくなる。このような状態では、流量変化に対する圧力変化が小さくなるので、規範モデル１０２の出力と実際の圧力とから生じる偏差に対するＦＢ操作量を多くする補正を行うこととする。燃料圧力センサ３７で検出された圧力情報をＥＣＵ２が検出し、ＥＣＵ２は、図８で示されるマップを参照して補正係数（Ｇａｉｎ）を選定する。ＥＣＵ２は、燃料供給制御装置１０におけるゲイン制御器１０５、１２２に補正係数（Ｇａｉｎ）を入力し、それぞれの補正係数（Ｇａｉｎ_ｂ）と補正係数（Ｇａｉｎ_ｆ）の値を変更する。

次に、見かけ上の燃料の体積弾性係数Ｋを変化させる燃料の循環流が生じる状態であるかの判定を、目標燃料圧力の変化量に基づいて判定することとし、その判定によって制御対象部１０１に対する操作量を補正する処理方法について示す。

図９（ａ）と（ｂ）は、目標燃料圧力の変化量に対するＦＢ操作量についての補正係数（Ｇａｉｎ_ｂ）と、燃料圧力に対するＦＦ操作量についての補正係数（Ｇａｉｎ_ｆ）を示すグラフである。その横軸は、目標燃料圧力の変化量を示し、縦軸は、補正係数（Ｇａｉｎ_ｂ）と補正係数（Ｇａｉｎ_ｆ）の値をそれぞれ示している。
同図に示されるように、目標燃料圧力の変化量が大きくなるほど、ＦＢ操作量を増加させ、ＦＦ操作量を減少させることが必要となることが示される。
目標燃料圧力の変化量が大きいと燃料の循環流が少なくなり、体積弾性係数Ｋは見かけ上大きくなる。このような状態では、流量変化に対する圧力変化が小さくなるので、規範モデル１０２の出力と実際の圧力とから生じる偏差に対するＦＢ操作量を多くする補正を行うこととする。
目標燃料圧力の変化量をＥＣＵ２が検出し、ＥＣＵ２は、図９で示されるマップを参照して補正係数（Ｇａｉｎ）を選定する。ＥＣＵ２は、燃料供給制御装置１０におけるゲイン制御器１０５、１２２に補正係数（Ｇａｉｎ）を入力し、それぞれの補正係数（Ｇａｉｎ_ｂ）と補正係数（Ｇａｉｎ_ｆ）の値を変更する。

以上に示した第２実施形態のように、ＦＢ操作量とＦＦ操作量から求められる操作量について、式（１２）で示されたように対等に加算するのではなく、エンジン１の運転状態に応じて重み付けすることにより比率を変えて操作量を生成することができ、運転状態に応じて適切な燃料圧力制御を行うことが可能となる。

なお、制御対象部１０１においてむだ時間Ｔｄを用いた伝達関数でシステム同定を行う形態を示した。このむだ時間Ｔｄの値は、個々の制御系に依存しそれぞれ異なる遅延時間によって規定される値であり、上記の説明の中で値を０としている条件（式（１１））があるが、それぞれの制御対象が有する遅延時間と、制御装置の特性とを考慮して適した大きさに設定する必要がある定数であって、システムごとに異なる値が設定される。

本実施形態では、フィードバック制御とフィードフォワード制御を行う２自由度制御を実現している。またフィードバック制御では、規範モデルを用いた制御を行うこととした。
そのため、フィードバック制御において、応答性を確保するためにループゲインを高くしても、燃料供給制御系統は不安定となり難く、規範モデル部１０２によって動作がモデル化されているので外乱入力に対しての耐性が高く異常な出力値を早期に収斂させることができる。

また、規範モデルによって目標入力値を制御対象部１０１の動作特性に応じて操作量を適正化することができる。制御目標値に急峻な変化があっても、制御対象部１０１の動作に適正な値を操作量とする制御を行うことにより、制御対象部１０１が応答しきれない過大な操作量を制御対象部１０１に与えることを防ぐことができる。
すなわち、コモンレール１３への燃料の過大な注入を防ぎ、燃料圧力を加圧しすぎることを防ぎ、燃料の循環量を低減できる。これにより、エンジン１における高圧ポンプＰ２の負荷を低減でき、燃費の向上に貢献できる。

また、規範モデル部１０２およびインバースフィルタ１２１の特性は予め定めることができ、燃料供給制御系統１００の動作時に逐次演算することなく実現できるので、演算量を低減でき演算出力時間を短縮することができる。
すなわち、規範モデル部１０２の出力およびインバースフィルタ１２１の出力の目標入力への追従性を上げることができ、操作量の適切な制御の応答性を確保することができる。

また、規範モデル部１０２およびインバースフィルタ１２１の特性は予め定めることができるので、予め定められるＭＡＰを参照し、逐次行う演算量を低減することができる。
制御対象部１０１の燃料圧力の変化を、規範モデル部１０２によってモデル化することで燃料圧力のハンチングを防止でき、異常値を生じることになる外乱があっても早くに収斂させることができる。

また、規範モデル１０１の特性は、必要とされる目標制御入力あるいは運転状態により予め用意された複数の規範とするモデルを切り替えることで変更することができる。
例えば、応答性より安定性が必要となる領域でエンジン１を運転する際には、より安定なモデルである１次遅れ系によってモデル化されたモデルとし、応答性が必要となる領域でエンジン１を運転する際には、応答性を確保できる２次遅れ系によってモデル化とする。これにより、制御対象部１０１への操作量を適正化でき効率のよいエンジン１の運転を可能とすることができる。

なお、本実施形態では、燃料噴射弁６の数を４個、コモンレール１３の数を１個として説明しているが、それぞれ４個と１個に制限されるものではなく、エンジン１の構成によってその数量は任意に設定することができる。
なお、エンジン１はディーゼルエンジンであることとして説明したが、この燃料供給制御装置１０はガソリンエンジンに対する適応も可能である。
また、本発明は、船外機のような船舶推進機用の内燃機関を含む、様々な産業用の内燃機関に適用することが可能である。

本発明の第１実施形態における燃料供給制御装置を示すブロック図である。 第１実施形態における燃料供給制御系統を示すブロック図である。 第１実施形態における制御対象部のシステム同定結果による周波数応答特性と位相特性を示すグラフである。 第１実施形態における制御対象部のシステム同定結果による応答特性を示すグラフである。 第１実施形態における燃料供給制御系統の過度応答についてのシミュレーション結果を示すグラフ（その１）である。 第１実施形態における燃料供給制御系統の過度応答についてのシミュレーション結果を示すグラフ（その２）である。 ＰＩＤ制御方式による燃料供給制御系統過度応答についてのシミュレーション結果を示すグラフである。 第２実施形態における燃料供給制御系統の特性切り替え条件を示すグラフ（その１）である。 第２実施形態における燃料供給制御系統特性切り替え条件を示すグラフ（その２）である。

符号の説明

２ ＥＣＵ（圧力制御手段）
１０ 燃料供給制御装置
１３ コモンレール
３７ 燃料圧力センサ（圧力検出手段）
１００ 燃料供給制御系統
１０１ 制御対象部（制御対象）
１０２ 規範モデル部（規範モデル）
１０３ 加算器
１０４ ＦＢ制御器
１０５ ゲイン制御器
１０６ 加算器
１１０ フィードバック制御部
１２０ フィードフォワード制御部
１２１ インバースフィルタ（逆フィルタ）
１２２ ゲイン制御器

Claims (4)

1. 制御対象となるコモンレールの圧力を検出する圧力検出手段と、前記圧力検出手段によって検出された圧力に応じて前記コモンレールの圧力を目標圧力に制御する圧力制御手段とを備えた燃料供給制御装置において、
   前記圧力検出手段によって検出された圧力に応じて前記制御対象の規範モデルに従ってフィードバック制御を実施するフィードバック制御部と、
   逆フィルタを適用したフィードフォワード制御を実施するフィードフォワード制御部と
   を備えることを特徴とする燃料供給制御装置。
2. 前記規範モデルは、
   １次遅れ以上の伝達関数で示される関係式により、システム同定されることを特徴とする請求項１に記載の燃料供給制御装置。
3. 前記規範モデルは、
   ２次遅れで表される伝達関数
   

   

   により、システム同定されることを特徴とする請求項２に記載の燃料供給制御装置。
4. 前記フィードフォワード制御による操作量とフィードバック制御による操作量とは、運転モードに応じて適応割合を制御される操作量である
   ことを特徴とする請求項１記載の燃料供給制御装置。

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