JP2010112308A - 制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】内燃機関またはそれに付帯する装置のスライディングモード制御において、ノミナルポイントからの距離が離れている場合の制御収束性の向上を図る。
【解決手段】内燃機関またはそれに付帯する装置をスライディングモード制御するものであって、制御入力Ｕをプラントに入力した結果得られる実測の制御出力Ｙと、同じ制御入力Ｕをプラントのノミナルモデルに代入して算出される仮想の制御出力との差に基づき、非線形入力を規定する切換ゲインｋ及びチャタリング低減のための平滑化係数ηをオンラインで更新し、それら切換ゲインｋ及び平滑化係数ηを用いて制御入力Ｕを演算するスライディングモード制御装置５を構成した。
【選択図】図３

Description

本発明は、内燃機関またはそれに付帯する装置をスライディングモード制御する制御装置に関する。

下記特許文献１に開示されている排気ガス再循環（Ｅｘｈａｕｓｔ Ｇａｓ Ｒｅｃｉｒｃｕｌａｔｉｏｎ）システムは、過給機を備えた内燃機関のＥＧＲ率（または、ＥＧＲ量）を制御するものである。過給圧とＥＧＲ率との間には相互干渉が存在し、１入力１出力のコントローラで過給圧、ＥＧＲ率の両方を同時に制御することは難しい。しかも、内燃機関の運転領域によって応答性が異なる上、過給機にはターボラグ（むだ時間）がある。このような事情から、特許文献１に記載のシステムでは、非線形制御対象に対して有効な制御手法であるスライディングモード制御を採用し、相互作用を考慮した他入力多出力のコントローラを設計してＥＧＲ制御をしている。
特開２００７−０３２４６２号公報

スライディングモード制御では、制御対象プラントの現在状況、具体的には内燃機関の運転領域等がノミナルポイントから離れている場合に、制御収束性に多少の遅れが発生する。プラントの現在状況がノミナルポイントからどの程度乖離しているのかを把握できれば、その距離に応じて制御入力に補正を加えるといった対処が可能となる。が、従前のスライディングモードコントローラでは、プラントの現在状況とノミナルポイントとの距離を検出することは困難である。

以上に鑑みてなされた本発明は、内燃機関またはそれに付帯する装置のスライディングモード制御において、ノミナルポイントからの距離が離れている場合の制御収束性の向上を図ることを所期の目的としている。

本発明では、内燃機関またはそれに付帯する装置をスライディングモード制御するものであって、制御入力をプラントに入力した結果得られる実測の制御出力と、同じ制御入力をプラントのノミナルモデルに代入して算出される仮想の制御出力との差に基づき、非線形入力を設計する切換ゲイン及びチャタリング低減のための平滑化係数を決定し、それら切換ゲイン及び平滑化係数を用いて非線形入力を得ることを特徴とする制御装置を構成した。

例えば、内燃機関の運転領域がノミナルポイントからどの程度乖離しているのかを見積もるためには、エンジン回転数、燃料噴射量、冷却水温、大気圧やその他の多種多様な値を取得してこれらを計算式に代入する煩瑣な処理が必要になる。本発明の制御装置を用いるならば、ノミナルポイントからの距離を直接に算定することなしに、制御収束性の向上を実現することができる。また、本発明では、プラントのモデル自体、即ち状態方程式における係数行列や入力行列等のパラメータのオンライン更新を伴わないので、電子制御装置（Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｕｎｉｔ）の演算負荷を徒に増大させることもない。

実測の制御出力と仮想の制御出力との差と、切換ゲイン及び平滑化係数との関係を定めたマップを予め記憶しておき、このマップを参照して切換ゲイン及び平滑化係数を決定するものとすれば、ＥＣＵの演算負荷の軽減に奏効する。

さらに、プラントの現在状況に基づき、制御入力の適応項を設計する適応ゲインをも決定し、それを用いて適応項を得ることとすれば、制御収束性を一層高めることができる。

本発明によれば、内燃機関またはそれに付帯する装置のスライディングモード制御において、ノミナルポイントからの距離が離れている場合の制御収束性の向上を図り得る。

本発明の一実施形態を、図面を参照して説明する。図１に示すものは、本発明の適用対象の一であるＥＧＲシステムである。内燃機関２に付帯するこのＥＧＲシステムは、吸排気系３、４における複数の流体圧または流量に関する値を検出するための計測器（または、センサ）１１、１２と、それらの値に目標値を設定し、各値を目標値に追従させるべく複数の操作部４５、４２、３３を操作する制御装置たるＥＣＵ５とを具備してなる。

内燃機関２は、例えば過給機を備えたディーゼルエンジンである。内燃機関２の吸気系３には、可変ターボのコンプレッサ３１を配設するとともに、その下流に吸気冷却用のインタークーラ３２、及び吸入空気（新気）量を調節するＤスロットルバルブ３３を設ける。また、吸入空気量を計測する流量計１１、吸気管内圧力を計測する圧力計１２をそれぞれ設置する。

内燃機関２の排気系４には、コンプレッサ３１を駆動するタービン４１を配設し、タービン４１の入口には過給機のＡ／Ｒ比を増減させるためのノズルベーン４２を設ける。そして、内燃機関２の燃焼室より排出される排気ガスの一部を吸気系３に還流させるＥＧＲ通路４３を形成する。ＥＧＲ通路４３は、吸気系３におけるスロットルバルブ３３よりも下流に接続する。ＥＧＲ通路４３には、排気冷却用のＥＧＲクーラ４４と、通過する排気ガス（ＥＧＲガス）量を調節する外部ＥＧＲバルブ４５とを設ける。

本実施形態では、ＥＧＲ率（または、ＥＧＲ量）と、吸気管内圧力とについて各々目標値を設定し、双方の制御量を一括に目標値に向かわせるべく複数の操作部、即ちＥＧＲバルブ４５、可変ターボのノズル４２及びスロットルバルブ３３を操作する制御を実施する。

ＥＧＲバルブ４５、ノズルベーン４２、スロットルバルブ３３は、ＥＣＵ５により統御されてその開度をリニアに変化させる。各操作部４５、４２、３３は、駆動信号のデューティ比を増減させることで開度を変える電気式のバルブや、あるいはバキュームコントロールバルブ等と組み合わされ弁体のリフト量を制御して開度を変える機械式のバルブ等を用いてなる。

ＥＣＵ５は、プロセッサ、ＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）、ＲＯＭ（Ｒｅａｄ Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ）またはフラッシュメモリ、Ａ／Ｄ変換回路、Ｄ／Ａ変換回路等を包有するマイクロコンピュータである。ＥＣＵ５は、ＥＧＲ率及び吸気管内圧力を検出するための計測器１１、１２の他、エンジン回転数、アクセルペダルの踏込量、冷却水温、吸気温、外部の気温、気圧等を検出する各種計測器（図示せず）と電気的に接続し、これら計測器から出力される信号を受け取って各値を知得することができる。

因みに、本実施形態では、ＥＧＲ率を直接計測していない。内燃機関２のシリンダに入る空気量は、可変ターボのノズル開度を基に予測することが可能である。その空気量の予測値をｇ_cylとおき、流量計１１で計測される吸入空気量をｇ_aとおくと、推定ＥＧＲ率ｅ_egrについて、ｅ_egr＝１−ｇ_a／ｇ_cylなる関係が成立する。ＥＣＵ５のＲＯＭまたはフラッシュメモリには予め、可変ターボのノズル開度とシリンダに入る空気量との関係を定めたマップデータが記憶されている。ＥＣＵ５は、可変ターボのノズル開度をキーとしてマップを検索し、シリンダに入る空気量の予測値を得、これと吸入空気量とを上記式に代入してＥＧＲ率を算出する。

並びに、ＥＣＵ５は、ＥＧＲバルブ４５、可変ターボのノズル４２、スロットルバルブ３３や、燃料噴射を司るインジェクタ及び燃料ポンプ等（図示せず）と電気的に接続しており、これらを駆動するための信号を入力することができる。

ＥＣＵ５で実行するべきプログラムはＲＯＭまたはフラッシュメモリに予め記憶されており、その実行の際にＲＡＭへ読み込まれ、プロセッサによって解読される。ＥＣＵ５は、プログラムに従い内燃機関２を制御する。例えば、エンジン回転数、アクセルペダルの踏込量、冷却水温等の諸条件に基づき要求される燃料噴射量（いわば、エンジン負荷）を決定し、その要求噴射量に対応する駆動信号をインジェクタ等に入力して燃料噴射を制御する。その上で、ＥＣＵ５は、プログラムに従い、図２ないし４に示すスライディングモードコントローラ５１、及び補正係数決定部５２としての機能を発揮する。

スライディングモードコントローラ５１は、ＥＧＲ率及び吸気管内圧力のスライディングモード制御を担う。フィードバック制御時、ＥＣＵ５は、各種計測器（図示せず）が出力する信号を受け取ってエンジン回転数、アクセル踏込量、冷却水温、吸気温、外部の気温及び気圧等を知得し、要求噴射量を決定する。続いて、少なくともエンジン回転数及び要求噴射量に基づき、目標ＥＧＲ率及び目標吸気管内圧力を設定する。ＥＣＵ５のＲＯＭまたはフラッシュメモリには予め、エンジン回転数及び要求噴射量に応じて設定するべき各目標値を示すマップデータが記憶されている。ＥＣＵ５は、エンジン回転数及び要求噴射量をキーとしてマップを検索し、ＥＧＲ率及び吸気管内圧力の目標値を得る。さらに、マップを参照して得た目標値を基本値とし、これを冷却水温、吸気温、外部の気温や気圧等に応じて補正して最終的な目標値とする。

そして、ＥＣＵ５は、計測器１１、１２が出力する信号を受け取ってＥＧＲ率及び吸気管内圧力の現在値を知得し、各制御量の現在値と目標値との偏差からＥＧＲバルブ４５の開度、可変ターボのノズル４２の開度及びスロットルバルブ３３の開度を演算して、各々の操作量に対応する駆動信号をそれら操作部４５、４２、３３に入力、開度を操作する。

ＥＧＲ率の適応スライディングモード制御に関して補記する。状態方程式及び出力方程式は、下式（数１）の通りである。

本実施形態では、状態量ベクトルＸを出力ベクトルＹから直接知得できる構造とする、換言すれば計測器１１、１２を介して検出可能な値を直接の制御対象とすることにより、状態推定オブザーバを排して推定誤差に伴う制御性能の低下を予防している。出力行列Ｃは既知、本実施形態では単位行列とする。

プラントのモデル化、即ち状態方程式（数１）における係数行列Ａ及び入力行列Ｂの同定にあたっては、各操作部４５、４２、３３に様々な周波数からなるＭ系列信号を入力して開度を操作し、ＥＧＲ率及び吸気管内圧力の値を観測して、その入出力データから行列Ａ、Ｂを同定する。各操作部４５、４２、３３に入力するＭ系列信号は、互いに無相関なものとする。これにより、各値の相互干渉を考慮したモデルを作成することができる。

図４に、適応スライディングモード制御系のブロック線図を示す。スライディングモードコントローラ５１の設計手順には、切換超平面の設計と、状態量を切換超平面に拘束するための非線形切換入力の設計とが含まれる。

１形のサーボ系を構成するべく、当初の状態量ベクトルＸに、目標値ベクトルＲと出力ベクトルＹとの偏差の積分値ベクトルＺを付加した新たな状態量ベクトルＸ_eを定義すると、下式（数２）に示す拡大系の状態方程式を得る。

安定余裕を考慮し、切換超平面の設計にはシステムの零点を用いた設計手法を用いる。即ち、上式（数２）の拡大系がスライディングモードを生じているときの等価制御系が安定となるように超平面を設計する。切換関数σを式（数３）で定義すると、状態が超平面に拘束されている場合にσ＝０かつ式（数４）が成立する。

故に、スライディングモードが生じているときの線形入力（等価制御入力）は、下式（数５）となる。

上式（数５）の線形入力を拡大系の状態方程式（数２）に代入すると、下式（数６）の等価制御系となる。

この等価制御系が安定になるように超平面を設計することと、目標値Ｒを無視した系に対して設計することとは等価であるので、下式（数７）が成立する。

上式（数７）の系に対して安定度εを考慮し、最適制御理論を用いてフィードバックゲインを求め、それを超平面とすると、下式（数８）となる。

行列Ｐ_sは、リカッチ方程式（数９）の正定解である。

リカッチ方程式（数９）におけるＱ_sは制御目的の重み行列で、非負定な対称行列である。ｑ₁、ｑ₂は偏差の積分Ｚに対する重みであり、制御系の周波数応答の速さの違いにより決定する。ｑ₃、ｑ₄は出力Ｙに対する重みであり、ゲインの大きさの違いにより決定する。また、リカッチ方程式（数９）におけるＲ_sは制御入力の重み行列で、正定対称行列である。εは安定余裕係数で、ε≧０となるように指定する。

なお、上記式（数８）、（数９）に替えて、以下に示す離散系の超平面構築式（数１０）及び代数リカッチ方程式（数１１）を用いてもよい。

超平面に拘束するための入力の設計には、最終スライディングモード法を用いる。ここでは、制御入力Ｕを、線形入力Ｕ_eqと新たな入力即ち非線形入力（非線形制御入力）Ｕ_nlとの和として、下式（数１２）で表す。

切換関数σを安定させたいので、σについてのリアプノフ関数を下式（数１３）のように選び、これを微分すると式（数１４）となる。

式（数１２）を式（数１４）に代入すると、下式（数１５）となる。

非線形入力Ｕ_nlを下式（数１６）とすると、リアプノフ関数の微分は式（数１７）となる。

従って、切換ゲインｋを正とすれば、リアプノフ関数の微分値を負とすることができ、スライディングモードが保証される。このときの制御入力Ｕは、下式（数１８）である。

ηはチャタリング低減のために導入した平滑化係数であって、η＞０である。

スライディングモード制御では、状態量を超平面に拘束するために非線形ゲインを大きくする必要がある。だが、非線形ゲインを大きくすると、制御入力にチャタリングが発生する。そこで、モデルの不確かさを、構造が既知でパラメータが未知な確定部分と、構造が未知だがその上界値が既知な不確定部分とに分ける。状態方程式（数１）に不確かさ（ｆ＋Δｆ）を加え、下式（数１９）で表す。

不確かさの確定部分ｆは、未知パラメータθを同定することで補償される。さすれば、切換ゲインは不確かさの不確定部分Δｆのみにかかることとなり、切換ゲインが不確実成分全体（ｆ＋Δｆ）にかかる場合と比べて制御入力のチャタリングを大幅に低減できる。

制御入力Ｕは、式（数１８）に適応項Ｕ_adを追加した下式（数２０）となる。

制御入力（数２０）におけるΓ₁は、適応ゲイン行列である。関数ｈは、一般には状態量ｘ及び／または未知パラメータθの関数とするが、本実施形態ではｈをｘ及びθに無関係な単純式、定数とすることにより、ｘを速やかに収束させ、θの適応速度を高めるようにしている。特に、ｈ＝１とした場合、推定パラメータを下式（数２１）に則って同定することができる。

本実施形態では、ＥＧＲ率ｙ₁及び吸気管内圧力ｙ₂を制御出力変数とし、ＥＧＲバルブ４５の開度ｕ₁、可変ターボのノズル４２の開度ｕ₂及びスロットルバルブ３３の開度ｕ₃を制御入力変数とした３入力２出力のフィードバック制御を行う。状態変数の個数（システムの次数）は、当初の系（数１）では出力変数の個数と同じく２、拡大系（数２）では４となる。制御出力及び状態量をこのように特定することで、排気ガスに直接触れる箇所に流量計等の計測器を設置する必要がなくなる。

尤も、本実施形態のような３入力２出力のシステムでは、ｄｅｔ（ＳＢ_e）＝０が成立し、行列（ＳＢ_e）は正則とはならない。そこで、逆行列（ＳＢ_e）^-1を、一般化逆行列として算定する。一般化逆行列には、例えばムーア・ペンローズ型の逆行列（ＳＢ_e）^†を用いる。

しかして、補正係数決定部５２は、非線形入力を規定する切換ゲインｋ及び平滑化係数η、並びに適応項を規定する適応ゲインΓ₁をオンラインで更新する。

まず、切換ゲインｋ及び平滑化係数ηの更新に関して述べると、補正係数決定部５２は、スライディングモードコントローラ５１が演算した制御入力をプラント（の操作部４５、４２、３３）に入力した結果得られる実際の制御出力と、同じ制御入力をプラントのノミナルモデルに代入して算出される仮想の制御出力との差に基づいて、切換ゲインｋ、平滑化係数ηの各々を決定する。原理的には、プラントの現在状況つまり内燃機関２の運転領域等がノミナルポイントから遠く離れるほど（下記Δｙ₁、Δｙ₂が大きくなるほど）、切換ゲインｋを大きく、平滑化係数ηを小さくして、非線形入力Ｕ_nlを増大化させる。

ＥＣＵ５のＲＯＭまたはフラッシュメモリには予め、仮想の制御出力と実際の制御出力との差に応じて設定するべき切換ゲインｋ、平滑化係数ηを示すマップデータが記憶されている。マップの概要を、図５に例示する。切換ゲインｋ及び平滑化係数ηは、入力変数毎に存在する。即ち、ＥＧＲバルブ開度ｕ₁に対する切換ゲインｋ₁及び平滑化係数η₁、可変ターボのノズル開度ｕ₂に対する切換ゲインｋ₂及び平滑化係数η₂、スロットルバルブ開度ｕ₃に対する切換ゲインｋ₃及び平滑化係数η₃である。さらに、これら切換ゲインｋ₁、ｋ₂、ｋ₃及び平滑化係数η₁、η₂、η₃のそれぞれに対し、出力変数毎のマップが与えられる。従って、切換ゲインｋについて６枚、平滑化係数ηについて６枚、都合１２枚のマップとなる。補正係数決定部５２は、これらマップを参照して切換ゲインｋ及び平滑化係数ηを決定する。プラントから得られた実際のＥＧＲ率とノミナルモデルから得られた仮想のＥＧＲ率との差をΔｙ₁、プラントから得られた実際の吸気管内圧力とノミナルモデルから得られた仮想の吸気管内圧力との差をΔｙ₂とすると、Δｙ₁をキーとしてＥＧＲ率に対応したマップを検索することで切換ゲインｋ₁、ｋ₂、ｋ₃及び平滑化係数η₁、η₂、η₃を得ることができ、また、Δｙ₂をキーとして吸気管内圧力に対応したマップを検索することでも切換ゲインｋ₁、ｋ₂、ｋ₃及び及び平滑化係数η₁、η₂、η₃を得ることができる。補正係数決定部５２は、各切換ゲインｋ₁、ｋ₂、ｋ₃については、Δｙ₁に基づく値とΔｙ₂に基づく値とのうちより大きい方を採用する。逆に、各平滑化係数η₁、η₂、η₃については、Δｙ₁に基づく値とΔｙ₂に基づく値とのうちより小さい方を採用する。

次いで、適応ゲイン行列Γ₁の更新に関して述べると、補正係数決定部５２は、プラントの現在状況に基づいて適応ゲインΓ₁を決定する。原理的には、内燃機関２の運転領域等がノミナルポイントから遠く離れるほど、適応ゲインΓ₁を大きくする。

ＥＣＵ５のＲＯＭまたはフラッシュメモリには予め、実際のＥＧＲ率と仮想のＥＧＲ率との差Δｙ₁、実際の吸気管内圧力と仮想の吸気管内圧力との差Δｙ₂に応じて設定するべき適応ゲインΓ₁を示すマップデータが記憶されている。マップの概要を、図６に例示する。適応ゲインΓ₁は、入力変数毎に存在する。即ち、ＥＧＲバルブ開度ｕ₁に対する適応ゲインγ₁、可変ターボのノズル開度ｕ₂に対する適応ゲインγ₂、スロットルバルブ開度ｕ₃に対する適応ゲインγ₃である。これら適応ゲインγ₁、γ₂、γ₃のそれぞれに対しマップが与えられるので、適応ゲインΓ₁について都合３枚のマップとなる。補正係数決定部５２は、これらマップを参照して適応ゲインΓ₁行列を決定する。即ち、Δｙ₁、Δｙ₂をキーとしてマップを検索し、適応ゲインγ₁、γ₂、γ₃を得る。

本実施形態によれば、内燃機関２またはそれに付帯する装置をスライディングモード制御するものであって、制御入力をプラントに入力した結果得られる実測の制御出力と、同じ制御入力をプラントのノミナルモデルに代入して算出される仮想の制御出力との差に基づき、非線形入力を規定する切換ゲイン及びチャタリング低減のための平滑化係数を決定し、それら切換ゲイン及び平滑化係数を用いて非線形入力を得ることを特徴とする制御装置を構成したため、ノミナルポイントからの距離が離れている場合の制御収束性の向上を実現することができる。また、プラントのモデル自体、即ち状態方程式における係数行列Ａや入力行列Ｂ等のパラメータのオンライン更新を伴わないので、ＥＣＵ５の演算負荷を徒に増大させることもない。

実測の制御出力と仮想の制御出力との差と、切換ゲイン及び平滑化係数との関係を定めたマップを予め記憶しておき、このマップを参照して切換ゲイン及び平滑化係数を決定するものとしたため、ＥＣＵ５の演算負荷の軽減に奏効する。

さらに、プラントの現在状況に基づき、制御入力の適応項を規定する適応ゲインをも決定し、それを用いて適応項を得ることとしているため、制御収束性を一層高めることが可能となっている。

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、本発明の制御装置の制御対象はＥＧＲシステムに限定されない。制御入力はＥＧＲバルブ開度、可変ノズルターボ開度及びスロットルバルブ開度には限定されず、制御出力もＥＧＲ率（または、ＥＧＲ量）及び吸気管内圧力には限定されない。

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。

本発明の一実施形態におけるＥＧＲシステムのハードウェア資源構成図。 同実施形態の制御装置の構成説明図。 同実施形態の制御装置の構成説明図。 適応スライディングモードコントローラのブロック線図。 切換ゲイン及び平滑化係数を規定するマップデータを例示する図。 適応ゲインを規定するマップデータを例示する図。

符号の説明

５…ＥＣＵ（制御装置）
５１…適応スライディングモードコントローラ
５２…補正係数決定部

Claims (3)

1. 内燃機関またはそれに付帯する装置をスライディングモード制御するものであって、
   制御入力をプラントに入力した結果得られる実測の制御出力と、同じ制御入力をプラントのノミナルモデルに代入して算出される仮想の制御出力との差に基づき、非線形入力を規定する切換ゲイン及びチャタリング低減のための平滑化係数を決定し、それら切換ゲイン及び平滑化係数を用いて非線形入力を得ることを特徴とする制御装置。
2. 実測の制御出力と仮想の制御出力との差と、切換ゲイン及び平滑化係数との関係を定めたマップを予め記憶しており、
   このマップを参照して切換ゲイン及び平滑化係数を決定する請求項１記載の制御装置。
3. プラントの現在状況に基づき、制御入力の適応項を規定する適応ゲインを決定し、それを用いて適応項を得ることを特徴とする請求項１または２記載の制御装置。

Images