JP2010229968A - Control device - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To improve the responsiveness of control by a simple method. <P>SOLUTION: Average values ave_eegr, ave_epim for output data used in a system identification stage are subtracted from actually measured values eegr, epim for control outputs given to a sliding mode controller 51, and average values ave_EGRv, ave_VNT, ave_Dth for input data are added to control inputs u<SB>1</SB>, u<SB>2</SB>, u<SB>3</SB>calculated by the sliding mode controller 51. Thus, deviation between a model and an actual plant is reduced and opportunities of increasing nonlinear input terms and application terms resulting from other elements than disturbance are reduced, thus improving the responsiveness of control. <P>COPYRIGHT: (C)2011,JPO&INPIT

Description

本発明は、内燃機関またはそれに付帯する装置を制御する制御装置に関する。   The present invention relates to a control device for controlling an internal combustion engine or a device attached thereto.

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。   An exhaust gas recirculation system disclosed in Patent Document 1 below controls an EGR rate (or EGR amount) of an internal combustion engine equipped with a supercharger. There is mutual interference between the supercharging pressure and the EGR rate, and it is difficult to simultaneously control both the supercharging pressure and the EGR rate with a one-input one-output controller. In addition, the responsiveness varies depending on the operation region of the internal combustion engine, and the turbocharger has a turbo lag (dead time). Under such circumstances, the system described in Patent Document 1 adopts sliding mode control, which is an effective control method for a non-linear control target, and designs an EGR controller by designing a multi-input multi-output controller in consideration of interaction. I have control.

制御コントローラを設計する際には、制御対象プラントの特性を同定する必要がある。下記非特許文献1にも述べられているように、システム同定では、実験により制御対象の入出力データを収集し、その入出力データの直流(バイアス)成分を除去する前処理を施した後、状態空間モデルの構築(パラメータの同定)を試みることが通例となっている。   When designing a controller, it is necessary to identify the characteristics of the plant to be controlled. As described in Non-Patent Document 1 below, in system identification, input / output data to be controlled is collected by experiment, and after performing a preprocessing to remove a direct current (bias) component of the input / output data, It is customary to try to build a state space model (identify parameters).

入出力データから直流成分を取り除き平均値を0とするのは、第一に、実験時間を短縮するためである。例えば、周波数応答法を用いて同定を行う場合、対象とする周波数の正弦波が数周期分以上測定できるような実験時間が必要になる。1Hzの正弦波周期は1秒であるが、0.001Hzの正弦波の周期は1000秒、約16分にも達する。このように、低周波成分ほど長い実験時間を消費する。特に、直流成分は周期が無限大の低周波信号と考えることができるので、直流成分を同定するためには極めて長大な入出力データが要求される。最小二乗法のような予測誤差法を用いて同定を行う場合でも、低周波成分ほど測定に時間がかかるという点は同じである。   The reason for removing the direct current component from the input / output data and setting the average value to 0 is to shorten the experiment time. For example, when performing identification using the frequency response method, an experiment time is required so that a sine wave having a target frequency can be measured for several cycles or more. The 1 Hz sine wave period is 1 second, but the 0.001 Hz sine wave period is 1000 seconds, reaching about 16 minutes. Thus, the longer the experiment time is consumed, the lower the frequency component. In particular, since the DC component can be considered as a low-frequency signal having an infinite cycle, extremely long input / output data is required to identify the DC component. Even in the case of performing identification using a prediction error method such as the least square method, it is the same in that the measurement takes time for the low frequency component.

第二に、計算機を使用した数値計算上、データから直流成分を除去した方が数値の桁が小さくなり、計算精度が高くなるからでもある。   Second, in the numerical calculation using a computer, the removal of the DC component from the data results in smaller numerical digits and higher calculation accuracy.

直流成分を除去した入出力データを基に設計したコントローラは、0を中心とした制御入力を以て0を中心とした制御出力を実現するものとなる。しかしながら、一般に、実際のプラントの操作部は操作量0を中心として操作されるわけではなく、その制御出力も0を中心として変動するわけではない。そして、モデルがとる制御入力及び制御出力の値域と、実際のプラントがとるそれとが乖離している分、その乖離を補って(適応スライディングモード制御の場合、これは主として非線形入力項及び適応項の増大によってなされる)実際の制御目標に到達するまでに時間を要することになり、応答性の劣化を招く結果となっていた。   A controller designed on the basis of input / output data from which a direct current component has been removed realizes a control output centered on 0 with a control input centered on 0. However, in general, the actual operation unit of the plant is not operated around the operation amount 0, and the control output does not fluctuate around 0. Then, the range of the control input and control output taken by the model and the one taken by the actual plant are offset to compensate for the difference (in the case of adaptive sliding mode control, this is mainly due to the nonlinear input terms and adaptive terms). It takes time to reach the actual control target (due to the increase), resulting in a deterioration in responsiveness.

特開2007−032462号公報JP 2007-032462 A

足立修一著、「MATLABによる制御のための上級システム同定」、第1版、東京電機大学出版局、2004年3月10日、p.7−9Shuichi Adachi, “Advanced System Identification for Control by MATLAB”, 1st Edition, Tokyo Denki University Press, March 10, 2004, p. 7-9

上記の問題に初めて着目してなされた本発明は、簡便な手法によって制御の応答性の良化を図ることを所期の目的としている。   The present invention, which has been made by paying attention to the above problem for the first time, is intended to improve control responsiveness by a simple method.

本発明では、内燃機関またはそれに付帯する装置を操作部を操作して制御するものであって、操作部に与えるべき制御入力を反復的に演算するサーボコントローラと、プラントの実際の制御出力から、前記サーボコントローラを設計する目的でプラントのモデルを同定する際に用いた入出力データのうちの出力データの平均を減算したものを当該プラントの制御出力としてサーボコントローラに与える出力オフセット部と、前記サーボコントローラが算出した制御入力に、前記入出力データのうちの入力データの平均を加算したものを実際の制御入力として操作部に与える入力オフセット部とを具備することを特徴とする制御装置を構成した。   In the present invention, an internal combustion engine or a device attached thereto is controlled by operating an operation unit, and a servo controller that repeatedly calculates a control input to be given to the operation unit, and an actual control output of the plant, An output offset unit that gives the servo controller a control output of the plant that is obtained by subtracting the average of the output data from the input / output data used when identifying the plant model for the purpose of designing the servo controller, and the servo A control device comprising an input offset unit that gives an operation unit an actual control input obtained by adding an average of the input data of the input / output data to the control input calculated by the controller. .

即ち、システム同定段階で用いた出力データの平均値をサーボコントローラに与える制御出力の実測値から減算するとともに、入力データの平均値をサーボコントローラが算出する制御入力に加算するようにしたのである。これにより、モデルと実際のプラントとの乖離を縮小することができ、制御の応答性が改善する。   That is, the average value of the output data used in the system identification stage is subtracted from the actually measured value of the control output given to the servo controller, and the average value of the input data is added to the control input calculated by the servo controller. Thereby, the divergence between the model and the actual plant can be reduced, and the control responsiveness is improved.

本発明によれば、簡便に制御の応答性の良化を図ることができる。   According to the present invention, it is possible to easily improve control responsiveness.

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。The hardware resource block diagram of the EGR system in one Embodiment of this invention. 同実施形態の制御装置の構成説明図。Configuration explanatory drawing of the control apparatus of the embodiment. プラントのモデルの同定に使用する入出力データを例示する図。The figure which illustrates the input-output data used for the identification of the model of a plant. 同実施形態の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。The block diagram of the adaptive sliding mode controller of the embodiment.

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ECU(Electronic Control Unit)5とを具備してなる。   An embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. What is shown in FIG. 1 is an EGR system that is one of the objects to which the present invention is applied. This EGR system attached to the internal combustion engine 2 includes measuring devices (or sensors) 11 and 12 for detecting values related to a plurality of fluid pressures or flow rates in the intake and exhaust systems 3 and 4, and target values for these values. An ECU (Electronic Control Unit) 5 serving as a control device that operates the plurality of operation units 45, 42, and 33 to set each value and follow the target value is provided.

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。   The internal combustion engine 2 is a diesel engine equipped with a supercharger, for example. The intake system 3 of the internal combustion engine 2 is provided with a variable turbo compressor 31 and an intercooler 32 for intake air cooling and a D throttle valve 33 for adjusting the intake air (fresh air) amount downstream thereof. Further, a flow meter 11 for measuring the intake air amount and a pressure meter 12 for measuring the intake pipe pressure are installed.

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。   The exhaust system 4 of the internal combustion engine 2 is provided with a turbine 41 for driving the compressor 31, and a nozzle vane 42 for increasing or decreasing the A / R ratio of the supercharger is provided at the inlet of the turbine 41. Then, an EGR passage 43 for recirculating a part of the exhaust gas discharged from the combustion chamber of the internal combustion engine 2 to the intake system 3 is formed. The EGR passage 43 is connected downstream of the throttle valve 33 in the intake system 3. The EGR passage 43 is provided with an EGR cooler 44 for cooling the exhaust, and an external EGR valve 45 that adjusts the amount of exhaust gas (EGR gas) that passes therethrough.

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。   In the present embodiment, a target value is set for each of the EGR rate (or EGR amount) and the intake pipe pressure, and a plurality of operation units, that is, an EGR valve 45, Control is performed to operate the variable turbo nozzle 42 and the throttle valve 33.

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。   The EGR valve 45, the nozzle vane 42, and the throttle valve 33 are controlled by the ECU 5 to change their opening degrees linearly. Each operation unit 45, 42, 33 is combined with an electric valve that changes the opening by increasing or decreasing the duty ratio of the drive signal, or a vacuum control valve, etc. It uses mechanical valves that change.

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、外部の気圧を検出する計測器(大気圧センサ)13や、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。   The ECU 5 is a microcomputer including a processor, a RAM (Random Access Memory), a ROM (Read Only Memory) or a flash memory, an A / D conversion circuit, a D / A conversion circuit, and the like. In addition to the measuring instruments 11 and 12 for detecting the EGR rate and the intake pipe pressure, the ECU 5 detects the external atmospheric pressure (atmospheric pressure sensor) 13, engine speed, accelerator pedal depression amount, cooling water temperature Each value can be obtained by electrically connecting to various measuring devices (not shown) for detecting the intake air temperature, the outside air temperature, etc., and receiving signals output from these measuring devices.

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gcylとおき、流量計11で計測される吸入空気量をgaとおくと、推定EGR率eegrについて、eegr=1−ga/gcyl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。   Incidentally, in this embodiment, the EGR rate is not directly measured. The amount of air entering the cylinder of the internal combustion engine 2 can be predicted based on the nozzle opening of the variable turbo. When the predicted value of the air amount is set as gcyl and the intake air amount measured by the flow meter 11 is set as ga, the relationship of eegr = 1−ga / gcyl is established for the estimated EGR rate eegr. The ROM or flash memory of the ECU 5 stores in advance map data that defines the relationship between the variable turbo nozzle opening and the amount of air entering the cylinder. The ECU 5 searches the map using the nozzle opening of the variable turbo as a key, obtains a predicted value of the air amount entering the cylinder, and substitutes this and the intake air amount into the above formula to calculate the EGR rate.

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。   In addition, the ECU 5 is electrically connected to the EGR valve 45, the variable turbo nozzle 42, the throttle valve 33, an injector for controlling fuel injection, a fuel pump, and the like (not shown), and signals for driving them. Can be entered.

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。   A program to be executed by the ECU 5 is stored in advance in a ROM or a flash memory, and is read into the RAM at the time of execution and is decoded by the processor. The ECU 5 controls the internal combustion engine 2 according to a program. For example, the required fuel injection amount (in other words, engine load) is determined based on various conditions such as engine speed, accelerator pedal depression amount, and coolant temperature, and a drive signal corresponding to the required injection amount is input to an injector or the like. And control the fuel injection.

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ref_eegr、ref_epimを設定する。   During feedback control, the ECU 5 receives signals output from various measuring instruments (not shown), and knows the engine speed, accelerator depression amount, cooling water temperature, intake air temperature, external temperature and pressure, etc., and the required injection amount To decide. Subsequently, the target EGR rate and the target intake pipe pressure are set based on at least the engine speed and the required injection amount. The ROM or flash memory of the ECU 5 stores in advance map data indicating each target value to be set according to the engine speed and the required injection amount. The ECU 5 searches the map using the engine speed and the required injection amount as keys, and obtains target values for the EGR rate and the intake pipe pressure. Further, the target value obtained by referring to the map is set as a basic value, and this is corrected according to the cooling water temperature, the intake air temperature, the external air temperature, the atmospheric pressure, etc., and final target values ref_egr and ref_epim are set.

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eegr、epimを知得し、各制御量の現在値eegr、epimと目標値ref_eegr、ref_epimとの偏差からEGRバルブ45の開度EGRv、可変ターボのノズル42の開度VNT及びスロットルバルブ33の開度Dthを演算して、各々の操作量EGRv、VNT、Dth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。   The ECU 5 receives the signals output from the measuring instruments 11 and 12 to obtain the current values eegr and epim of the EGR rate and the intake pipe pressure, and the current values eegr and epim of the control amounts and the target values ref_eegr and ref_epim. Of the EGR valve 45, the opening VNT of the variable turbo nozzle 42, and the opening Dth of the throttle valve 33 are calculated from the deviations, and the drive signals corresponding to the respective operation amounts EGRv, VNT, Dth are operated. Input to parts 45, 42 and 33, and manipulate the opening.

その上で、ECU5は、プログラムに従い、図2及び図4に示すサーボコントローラ51、出力オフセット部52及び入力オフセット部53としての機能を発揮する。   In addition, the ECU 5 exhibits functions as the servo controller 51, the output offset unit 52, and the input offset unit 53 shown in FIGS. 2 and 4 according to the program.

サーボコントローラ51は、スライディングモードコントローラであって、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。   The servo controller 51 is a sliding mode controller and is responsible for the sliding mode control of the EGR rate and the intake pipe pressure.

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。   A supplementary explanation will be given regarding adaptive sliding mode control of the EGR rate. The state equation and the output equation are as shown in the following equation (Equation 1).

Figure 2010229968
Figure 2010229968

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。   In this embodiment, the state quantity vector X has a structure that can be directly obtained from the output vector Y. In other words, a value that can be detected via the measuring instruments 11 and 12 is directly controlled, so that the state estimation observer. This prevents the deterioration of the control performance due to the estimation error. The output matrix C is known, and is a unit matrix in this embodiment.

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、図3に例示するように、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出力値を観測した後、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。   In plant modeling, that is, identification of the coefficient matrix A and the input matrix B in the state equation (Equation 1), as illustrated in FIG. 3, each operation unit 45, 42, 33 has an M-sequence signal having various frequencies. , The opening degree is manipulated, the output values of the EGR rate and the intake pipe pressure are observed, and then the matrices A and B are identified from the input / output data. It is assumed that the M-sequence signals input to the operation units 45, 42, and 33 are uncorrelated with each other. This makes it possible to create a model that takes into account the mutual interference between the values.

なお、同定を行う前に、予め入出力データの直流(バイアス)成分を除去する処理を施しておく。即ち、EGRバルブ45への入力データからその時間平均値ave_EGRvを、ノズルベーン42への入力データからその時間平均値ave_VNTを、Dスロットルバルブ33への入力データからその時間平均値ave_Dthを、それぞれ減じる。並びに、EGR率の出力データからその時間平均値ave_eegrを減じ、吸気管内圧力の出力データからその時間平均値ave_epimを減じる。   In addition, before performing identification, the process which removes the direct current (bias) component of input-output data is performed beforehand. That is, the time average value ave_EGRv is subtracted from the input data to the EGR valve 45, the time average value ave_VNT is subtracted from the input data to the nozzle vane 42, and the time average value ave_Dth is subtracted from the input data to the D throttle valve 33. In addition, the time average value ave_egr is subtracted from the output data of the EGR rate, and the time average value ave_epim is subtracted from the output data of the intake pipe pressure.

図4に、本実施形態の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Xe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。 FIG. 4 shows a block diagram of the adaptive sliding mode control system of the present embodiment. The design procedure of the sliding mode controller 51 includes the design of the switching hyperplane and the design of a nonlinear switching input for constraining the state quantity to the switching hyperplane. If a new state quantity vector Xe is defined by adding an integral value vector Z of the deviation between the target value vector R and the output vector Y to the original state quantity vector X in order to constitute a type 1 servo system, The equation of state of the expanded system shown in (Expression 2) is obtained.

Figure 2010229968
Figure 2010229968

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。   In consideration of the stability margin, the design method using the zero of the system is used to design the switching hyperplane. That is, the hyperplane is designed so that the equivalent control system is stable when the expansion system of the above equation (Equation 2) is generating the sliding mode. When the switching function σ is defined by Expression (Expression 3), σ = 0 and Expression (Expression 4) holds when the state is constrained to the hyperplane.

Figure 2010229968
Figure 2010229968

Figure 2010229968
Figure 2010229968

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。   Therefore, the linear input (equivalent control input) when the sliding mode occurs is expressed by the following equation (Equation 5).

Figure 2010229968
Figure 2010229968

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。   Substituting the linear input of the above equation (Equation 5) into the state equation (Equation 2) of the expanded system results in an equivalent control system of the following equation (Equation 6).

Figure 2010229968
Figure 2010229968

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。   Since designing a hyperplane so that this equivalent control system is stable is equivalent to designing a system ignoring the target value R, the following equation (Equation 7) holds.

Figure 2010229968
Figure 2010229968

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。   Taking the stability ε into consideration for the system of the above equation (Equation 7), obtaining the feedback gain using the optimal control theory, and making it a hyperplane, the following equation (Equation 8) is obtained.

Figure 2010229968
Figure 2010229968

行列Psは、リカッチ方程式(数9)の正定解である。 The matrix P s is a positive definite solution of the Riccati equation (Equation 9).

Figure 2010229968
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リカッチ方程式(数9)におけるQs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Rs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。 Q s in the Riccati equation (Equation 9) is a weight matrix for control purposes, and is a non-negative definite symmetric matrix. q 1 and q 2 are weights for the integral Z of the deviation, and are determined by the difference in the speed of the frequency response of the control system. q 3 and q 4 are weights for the output Y, and are determined by the difference in the magnitude of the gain. Further, R s in the Riccati equation (Equation 9) is a weight matrix of the control input and is a positive definite symmetric matrix. ε is a stability margin coefficient and is specified so that ε ≧ 0.

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。   Instead of the above equations (Equation 8) and (Equation 9), the following discrete hyperplane construction equation (Equation 10) and algebraic Riccati equation (Equation 11) may be used.

Figure 2010229968
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Figure 2010229968
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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Ueqと新たな入力即ち非線形入力(非線形制御入力)Unlとの和として、下式(数12)で表す。 The final sliding mode method is used to design the input for constraining to the hyperplane. Here, the control input U is expressed by the following expression (Equation 12) as the sum of the linear input U eq and a new input, that is, a nonlinear input (nonlinear control input) U nl .

Figure 2010229968
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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。   Since it is desired to stabilize the switching function σ, the Lyapunov function for σ is selected as shown in the following equation (Equation 13) and differentiated to obtain the equation (Equation 14).

Figure 2010229968
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Figure 2010229968
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式(数12)を式(数14)に代入すると、下式(数15)となる。   Substituting the equation (Equation 12) into the equation (Equation 14) yields the following equation (Equation 15).

Figure 2010229968
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非線形入力Unl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。 When the nonlinear input U nl to the following expression (Expression 16), the derivative of the Lyapunov function becomes equation (17).

Figure 2010229968
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Figure 2010229968
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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。   Therefore, if the switching gain k is positive, the differential value of the Lyapunov function can be negative, and the sliding mode is guaranteed. The control input U at this time is expressed by the following equation (Equation 18).

Figure 2010229968
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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。   η is a smoothing coefficient introduced to reduce chattering, and η> 0.

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。   In the sliding mode control, it is necessary to increase the nonlinear gain in order to constrain the state quantity to the hyperplane. However, if the nonlinear gain is increased, chattering occurs in the control input. Therefore, the uncertainty of the model is divided into a definite part whose structure is unknown and whose parameter is unknown, and an uncertain part whose structure is unknown but whose upper bound is known. Uncertainty (f + Δf) is added to the state equation (Equation 1), and is expressed by the following equation (Equation 19).

Figure 2010229968
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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。   The uncertainty determination part f is compensated by identifying the unknown parameter θ. In this case, the switching gain is applied only to the uncertain part Δf of the uncertainty, and the chattering of the control input can be greatly reduced as compared with the case where the switching gain is applied to the entire uncertain component (f + Δf).

制御入力Uは、式(数18)に適応項Uadを追加した下式(数20)となる。 The control input U is represented by the following equation (Equation 20) obtained by adding the adaptive term U ad to the equation (Equation 18).

Figure 2010229968
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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。 Γ 1 at the control input (Equation 20) is an adaptive gain matrix. The function h is generally a function of the state quantity x and / or the unknown parameter θ. However, in the present embodiment, by making h a simple expression and a constant unrelated to x and θ, x is quickly converged, and θ To increase the adaptation speed. In particular, when h = 1, the estimated parameter can be identified according to the following equation (Equation 21).

Figure 2010229968
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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。 In the present embodiment, the EGR ratio y 1 and the intake pipe pressure y 2 as a control output variable, the opening degree u 1 of the EGR valve 45, the opening degree u 3 of opening u 2 and the throttle valve 33 of the variable turbo nozzle 42 Performs 3-input 2-output feedback control using control input variables. The number of state variables (system order) is 2 in the initial system (Equation 1), and 4 in the expanded system (Equation 2). By specifying the control output and the state quantity in this way, there is no need to install a measuring instrument such as a flow meter at a location where it directly contacts the exhaust gas.

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(SBe)=0が成立し、行列(SBe)は正則とはならない。そこで、逆行列(SBe-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(SBeを用いる。 However, in a three-input two-output system as in this embodiment, det (SB e ) = 0 holds, and the matrix (SB e ) is not regular. Therefore, the inverse matrix (SB e ) −1 is calculated as a generalized inverse matrix. As the generalized inverse matrix, for example, a Moore-Penrose-type inverse matrix (SB e ) is used.

しかして、出力オフセット部52は、プラントの制御出力及びその目標値から、プラントのモデルを同定する際に用いた出力データの平均を減算した上で、コントローラ51に与える。即ち、計測器11を介して検出されるEGR率の実測値eegrから時間平均値ave_eegrを減じた値y1と、計測器12を介して検出される吸気管内圧力の実測値epimから時間平均ave_epim値を減じた値y2とを、制御出力Yとしてコントローラ51に与える。並びに、エンジン回転数及び燃料噴射量等に基づいて設定されるEGR率の目標値ref_eegrから時間平均値ave_eegrを減じた値r1と、同様に設定される吸気管内圧力の目標値ref_epimから時間平均値ave_epimを減じた値r2とを、目標値Rとしてコントローラ51に与える。 Thus, the output offset unit 52 subtracts the average of the output data used when identifying the model of the plant from the control output of the plant and its target value, and gives it to the controller 51. That is, a value y 1 obtained by subtracting the time average value ave_eegr from the actual measured value eegr of the EGR rate detected via the measuring instrument 11, and the time average ave_epim from the actual measured value epim of the intake pipe pressure detected via the measuring instrument 12. The value y 2 obtained by subtracting the value is given to the controller 51 as the control output Y. In addition, a value r 1 obtained by subtracting the time average value ave_eegr from the target value ref_eegr of the EGR rate set based on the engine speed, the fuel injection amount, and the like, and a time average from the target value ref_epim of the intake pipe pressure that is similarly set The value r 2 obtained by subtracting the value ave_epim is given to the controller 51 as the target value R.

また、入力オフセット部53は、コントローラ51が演算する制御入力に、プラントのモデルを同定する際に用いた入力データの平均を加算した上で、これを操作部45、42、33に与える。即ち、コントローラ51が算出した制御入力値u1に時間平均値ave_EGRvを加えた値EGRvをEGRバルブ45に与え、コントローラ51が算出した制御入力値u2に時間平均値ave_VNTを加えた値VNTをノズルベーン42に与える。並びに、コントローラ51が算出した制御入力値u3に時間平均値ave_Dthを加えた値DthをDスロットルバルブ33に与える。 The input offset unit 53 adds the average of the input data used when identifying the plant model to the control input calculated by the controller 51, and gives this to the operation units 45, 42, and 33. That is, a value EGRv obtained by adding the time average value ave_EGRv to the control input value u 1 calculated by the controller 51 is given to the EGR valve 45, and a value VNT obtained by adding the time average value ave_VNT to the control input value u 2 calculated by the controller 51 is given. It is given to the nozzle vane 42. In addition, a value Dth obtained by adding the time average value ave_Dth to the control input value u 3 calculated by the controller 51 is given to the D throttle valve 33.

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複数の操作部45、42、33を操作して制御するものであって、各操作部45、42、33に与えるべき制御入力u1、u2、u3を反復的に演算するサーボコントローラ51と、プラントの実際の制御出力eegr、epimから、前記サーボコントローラ51を設計する目的でプラントのモデルを同定する際に用いた入出力データのうちの出力データの平均ave_eegr、ave_epimを減算したものを当該プラントの制御出力y1、y2としてサーボコントローラ51に与える出力オフセット部52と、前記サーボコントローラ51が算出した制御入力u1、u2、u3に、前記入出力データのうちの入力データの平均ave_EGRv、ave_VNT、ave_Dthを加算したものを実際の制御入力EGR、VNT、Dthとして操作部45、42、33に与える入力オフセット部53とを具備する制御装置を構成したため、モデルと実際のプラントとの乖離を縮小することができる。そして、その乖離を補う必要がなくなる分、非線形入力項Unlや適応項Uadが増大する機会が少なくなる。外乱以外の要素に起因してこれらの項Unl、Uadが変動し難くなるため、Unl、Uadが収束するまでにかかる時間遅れが短縮され、制御の応答性、追従性が良化する。 According to the present embodiment, the internal combustion engine 2 or a device attached thereto is controlled by operating the plurality of operation units 45, 42, 33, and a control input u to be given to each operation unit 45, 42, 33. Input / output used to identify a plant model for the purpose of designing the servo controller 51 from the servo controller 51 that repeatedly calculates 1 , u 2 , u 3 and the actual control outputs eegr, epim of the plant An output offset unit 52 that gives the average of ave_eegr and ave_epim of the output data of the data to the servo controller 51 as the control outputs y 1 and y 2 of the plant, and the control input u 1 calculated by the servo controller 51, to u 2, u 3, the average of the input data of the input and output data ave_EGRv, ave_VNT, ave Since the control device including the input offset unit 53 that gives the operation units 45, 42, and 33 to the operation units 45, 42, and 33 as the actual control inputs EGR, VNT, and Dth added with Dth is configured, the difference between the model and the actual plant is reduced. be able to. Since there is no need to compensate for the deviation, the opportunity for increasing the nonlinear input term U nl and the adaptive term U ad is reduced. Because these terms U nl and U ad are less likely to fluctuate due to factors other than disturbances, the time delay required for U nl and U ad to converge is shortened, and control response and tracking are improved. To do.

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。EGR制御における制御入力変数は、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ない。制御出力変数も、EGR率(または、EGR量)及び吸気管内圧力には限定されない。新たな入力変数、出力変数を付加して、4入力3出力の3次システムを構築するようなことも可能である。例えば、吸気系に過給機(のコンプレッサ)をバイパスする通路が存在している場合、その通路上に設けられたバルブをも操作することがある。このとき、当該バイパス通路内の圧力または流量等を制御出力変数に含め、当該バイパス通路上のバルブの開度を制御入力変数に含めることができる。   The present invention is not limited to the embodiment described in detail above. Control input variables in the EGR control are not limited to the EGR valve opening, the variable nozzle turbo opening, and the throttle valve opening. The control output variable is not limited to the EGR rate (or EGR amount) and the intake pipe pressure. It is also possible to construct a tertiary system with four inputs and three outputs by adding new input variables and output variables. For example, when a passage that bypasses the supercharger (compressor) is present in the intake system, a valve provided on the passage may be operated. At this time, the pressure or flow rate in the bypass passage can be included in the control output variable, and the opening of the valve on the bypass passage can be included in the control input variable.

サーボコントローラが実現する多入力フィードバック制御の手法はスライディングモード制御には限定されず、スライディングモード制御以外の手法、例えば最適制御、H∞制御、バックステッピング制御等を採用しても構わない。   The method of multi-input feedback control realized by the servo controller is not limited to the sliding mode control, and a method other than the sliding mode control, for example, optimal control, H∞ control, backstepping control, etc. may be adopted.

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.

本発明は、例えば、過給機を備えた内燃機関に付帯するEGR装置のEGR率を制御するための制御コントローラとして利用することができる。   The present invention can be used, for example, as a control controller for controlling the EGR rate of an EGR device attached to an internal combustion engine including a supercharger.

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(サーボコントローラ)
52…出力オフセット部
53…入力オフセット部
5 ... ECU (control device)
51 ... Adaptive sliding mode controller (servo controller)
52 ... Output offset part 53 ... Input offset part

Claims (1)

内燃機関またはそれに付帯する装置を操作部を操作して制御するものであって、
操作部に与えるべき制御入力を反復的に演算するサーボコントローラと、
プラントの実際の制御出力から、前記サーボコントローラを設計する目的でプラントのモデルを同定する際に用いた入出力データのうちの出力データの平均を減算したものを当該プラントの制御出力としてサーボコントローラに与える出力オフセット部と、
前記サーボコントローラが算出した制御入力に、前記入出力データのうちの入力データの平均を加算したものを実際の制御入力として操作部に与える入力オフセット部と
を具備することを特徴とする制御装置。
Controlling an internal combustion engine or a device attached thereto by operating an operation unit,
A servo controller that repeatedly calculates a control input to be given to the operation unit;
Subtracting the average of the output data from the input / output data used to identify the plant model for the purpose of designing the servo controller from the actual control output of the plant as the control output of the plant. An output offset section to give,
A control apparatus comprising: an input offset unit that gives an operation unit an actual control input obtained by adding an average of input data of the input / output data to the control input calculated by the servo controller.
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