JP2011001870A - Control device - Google Patents
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Abstract
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。EGR率と過給圧との間には相互干渉が存在し、一入力一出力のコントローラでEGR率及び吸気管内圧力(または、吸気量)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多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
車載の内燃機関のように、状態がしばしば大きく変化する制御対象では、その運転状態に応じて切換関数σの値が大きく変動する。切換関数σは、切換超平面を構成する行列Sと状態量Xとの積であって、現在の状態から切換超平面またはノミナル点までの距離を示している。切換関数σは、スライディングモードコントローラの算出する非線形入力項を決定づけるものであり、σの増大は非線形入力項の0への収束の遅れ、ひいては制御出力の目標収束性の劣化をもたらす。 In a control target whose state often changes greatly, such as an in-vehicle internal combustion engine, the value of the switching function σ varies greatly depending on the operating state. The switching function σ is a product of the matrix S constituting the switching hyperplane and the state quantity X, and indicates the distance from the current state to the switching hyperplane or the nominal point. The switching function σ determines a nonlinear input term calculated by the sliding mode controller, and an increase in σ causes a delay in convergence of the nonlinear input term to 0, and thus a deterioration in target convergence of the control output.
制御の収束の遅れを緩和ないし解消するための手法として、適応制御を導入することが知られている。下記特許文献2に記載の制御装置では、内燃機関の運転領域に応じて定められた適応項(マップ項)をマップデータとして予め記憶保持しておき、当該マップから内燃機関の現在の運転領域に対応したマップ項を読み出して、制御入力に加味するようにしている。この適応制御により、目標収束性の改善を図ることが可能である。
It is known to introduce adaptive control as a technique for alleviating or eliminating control convergence delay. In the control device described in
ところで、加速中のような高負荷かつ高回転の運転領域では、高い出力トルクを確保する目的でEGRバルブを絞りEGRガスを減らすことが通例である。時には、完全にEGRをカットしてしまう場合もある。EGRカット中は、EGRバルブは全閉ないし略全閉し、Dスロットルバルブは全開ないし略全開する。 By the way, in a high load and high rotation operation region such as during acceleration, it is usual to reduce the EGR gas by restricting the EGR valve in order to ensure a high output torque. Sometimes, EGR is completely cut. During the EGR cut, the EGR valve is fully closed or substantially fully closed, and the D throttle valve is fully opened or substantially fully opened.
運転者がアクセルを緩め、加速が終了すると、エンジン回転数及び燃料噴射量が減少する。これに伴い、マップを参照して決定されるマップ項の値も急変する。通常は、可変ターボのノズルベーン開度を絞る方向に変動する。加えて、吸気管内圧力の目標値もまたエンジン回転数及び燃料噴射量に依存しており、加速終了とともにこの目標値は下降する。 When the driver relaxes the accelerator and the acceleration is completed, the engine speed and the fuel injection amount decrease. Along with this, the value of the map term determined with reference to the map also changes suddenly. Usually, it fluctuates in the direction of reducing the nozzle vane opening of the variable turbo. In addition, the target value of the intake pipe pressure also depends on the engine speed and the fuel injection amount, and this target value decreases with the end of acceleration.
一方で、エンジン回転数及び燃料噴射量が減少するにもかかわらず、慣性により排気タービンの回転は瞬時には衰えず、過給圧も低下しない。故に、吸気管内圧力の実測値は、一旦目標値を大きく超過してしまう。その後、排気タービンの回転が衰えて吸気管内圧力の実測値は目標値近傍に落ち着くが、一時的に大きな偏差が発生するために、この偏差を縮小しようとしてEGRバルブやDスロットルバルブの開度が操作され、EGR率の実測値も目標値を外れてしまう。そのため、一時的であるにせよ、ドライバビリティの低下や排気ガスの悪化等を招くことがあり得た。 On the other hand, despite the decrease in the engine speed and the fuel injection amount, the rotation of the exhaust turbine does not decay instantaneously due to inertia, and the supercharging pressure does not decrease. Therefore, the actually measured value of the intake pipe pressure once greatly exceeds the target value. After that, the rotation of the exhaust turbine decays and the actual measured value of the intake pipe pressure settles near the target value. However, since a large deviation occurs temporarily, the opening degree of the EGR valve or the D throttle valve is reduced to reduce this deviation. When operated, the measured value of the EGR rate also deviates from the target value. For this reason, although it is temporary, drivability may be deteriorated and exhaust gas may be deteriorated.
上述の問題に鑑みてなされた本発明は、内燃機関の運転領域の変化に伴う一時的な偏差の増大を抑制することを所期の目的としている。 The present invention, which has been made in view of the above-described problems, is intended to suppress a temporary increase in deviation associated with a change in the operating range of an internal combustion engine.
本発明では、内燃機関またはこれに付帯する装置に係る制御出力を目標値に追従させる制御を実施するものであって、制御出力とその目標値との偏差に基づいて制御入力を反復的に演算するサーボコントローラと、内燃機関またはそれに付帯する装置の現在状況に関する指標値と制御入力に加味するマップ項との関係を示すマップを予め記憶し、前記指標値をキーとして当該マップを検索し、前記マップ項を知得してこれを操作部に与えるべき制御入力に加味する入力補正部と、所定の条件(制御出力の一時的なオーバーシュートまたはアンダーシュートを招来する特定の事象)が成立したときに、サーボコントローラが参照する制御出力の目標値または偏差をなまし処理する目標補正部とを具備し、前記入力補正部は、前記制御出力と前記制御入力との入出力特性関係を示すマップを予め記憶し、前記なまし処理を施した目標値または偏差と本来の目標値または偏差との差分をキーとして当該マップを検索することで、前記マップ項の補正量を知得することを特徴とする制御装置を構成した。 In the present invention, the control output related to the internal combustion engine or the device attached thereto is controlled to follow the target value, and the control input is repeatedly calculated based on the deviation between the control output and the target value. A map indicating a relationship between a servo controller that performs the process and an index value related to a current state of the internal combustion engine or an apparatus attached thereto and a map term that is added to the control input, and searches the map using the index value as a key, When an input correction unit that knows the map term and adds it to the control input to be given to the operation unit, and a predetermined condition (a specific event that causes temporary overshoot or undershoot of the control output) is established A target correction unit that smoothes a target value or deviation of a control output referred to by the servo controller, and the input correction unit includes the control output and the control output A map showing an input / output characteristic relationship with the control input is stored in advance, and the map is searched by using the difference between the target value or deviation subjected to the annealing process and the original target value or deviation as a key. A control device characterized by knowing the correction amount of the term was constructed.
上述した問題は、制御入力に加味するマップ項が制御出力である吸気管内圧力の実測値に基づいて決定されておらず、マップ項の変動が排気タービンの回転のスローダウンに比して早すぎることに起因していた。本発明は、この点に着目したものであり、EGRカットの最中における加速終了等の所定条件が成立したときに、制御出力の目標値になまし処理を施して目標値の変化を遅らせ、偏差の拡大を防止する。または、サーボコントローラに与える偏差自体をなまし処理する。これにより、サーボコントローラが算出する制御入力の変動、換言すれば操作部となるバルブ類の開閉操作量を抑制することができる。同時に、なまし処理後の目標値と本来の目標値との差分をキーとして入出力特性マップを検索し、その差分を埋め合わせるような補正量を知得して、マップ項の急変動の一部を補正量を以て打ち消すようにする。目標値のなましは時間が経過すれば消失し、目標値は本来あるべき設定値に収束する。その頃には排気タービンの回転も衰え、補正量による補正をしていない本来のマップ項を用いて適切に制御を実施できる状況に落ち着く。本発明によれば、一時的な偏差の増大を有効に回避でき、ドライバビリティの向上、排気ガスの清浄化等に少なからず寄与する。 The problem described above is that the map term added to the control input is not determined based on the actually measured value of the intake pipe pressure as the control output, and the fluctuation of the map term is too early compared to the slowdown of the rotation of the exhaust turbine. It was due to that. The present invention focuses on this point, and when a predetermined condition such as the end of acceleration during the EGR cut is satisfied, the target value of the control output is subjected to a smoothing process to delay the change of the target value, Prevent the spread of deviation. Or, the deviation itself given to the servo controller is smoothed. Thereby, the fluctuation | variation of the control input which a servo controller calculates, ie, the opening / closing operation amount of the valves used as an operation part, can be suppressed. At the same time, the input / output characteristics map is searched using the difference between the target value after the annealing process and the original target value as a key, and the correction amount that compensates for the difference is obtained, and part of the sudden change in the map term Is canceled with a correction amount. The annealing of the target value disappears as time elapses, and the target value converges to the desired setting value. At that time, the rotation of the exhaust turbine also declines, and the situation where the control can be appropriately performed using the original map term that is not corrected by the correction amount is settled. According to the present invention, it is possible to effectively avoid an increase in temporary deviation, contributing to improvement of drivability and purification of exhaust gas.
特に、可変ターボ過給機を備えた内燃機関を制御するものであり、前記制御出力に吸気管内圧力または吸気量が含まれ、前記制御入力を与える操作部にターボ過給機の可変ノズルが含まれている制御系では、例えばEGRカット中の加速が終了した後の一時期において、吸気管内圧力または吸気量の目標値をなまし処理する。加速終了後は外乱として過給圧が自然に低下するので、そのことを利用して、敢えて操作部を操作することなしに吸気管内圧力または吸気量を低減制御するのである。 In particular, it controls an internal combustion engine equipped with a variable turbocharger, the control output includes the intake pipe pressure or intake air amount, and the operation unit for supplying the control input includes a turbocharger variable nozzle. In the control system, the target value of the intake pipe pressure or the intake air amount is smoothed, for example, at one timing after the acceleration during the EGR cut is completed. Since the supercharging pressure naturally decreases as a disturbance after the end of acceleration, the intake pipe pressure or the intake air amount is reduced and controlled without intentionally operating the operating portion.
内燃機関またはそれに付帯する装置の現在状況に関する指標値と、前記制御出力の目標値との関係を定めたマップを予め記憶し、前記指標値をキーとして当該マップを検索することを通じて前記制御出力の目標値を知得するものであれば、コントローラで吸収可能な程度の外乱は指標値に対応した目標値の設定によって制御できる。吸収不可能な急激な外乱に対してのみ、指標値に応じて上下する目標値になまし処理を施し、偏差の拡大を抑止する。 A map that defines a relationship between an index value related to the current status of the internal combustion engine or the device attached thereto and a target value of the control output is stored in advance, and the control output is obtained by searching the map using the index value as a key. As long as the target value is known, the disturbance that can be absorbed by the controller can be controlled by setting the target value corresponding to the index value. Only for sudden disturbances that cannot be absorbed, the target value that rises and falls according to the index value is subjected to a smoothing process to prevent the deviation from increasing.
本発明によれば、内燃機関の運転領域の変化に伴う一時的な偏差の増大を抑制することができる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the increase of the temporary deviation accompanying the change of the operation area | region of an internal combustion engine can be suppressed.
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. The EGR system incidental to the
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、及び新気量を調節するDスロットルバルブ33を設ける。また、新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
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。
A
本実施形態では、EGR率(または、EGR量)と、吸気管内圧力(または、吸気量)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 (or intake air amount), and a plurality of operation units are set so that both control amounts are directed toward the target value. That is, control for operating the
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
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
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で計測される新気量を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、これと新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
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
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ないし図4に示すサーボコントローラ51、入力補正部52及び目標補正部53としての機能を発揮する。
A program to be executed by the
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。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。
The
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。
Then, the
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).
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
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。
In plant modeling, that is, identification of the coefficient matrix A and the input matrix B in the state equation (Equation 1), the opening degree is manipulated by inputting M-sequence signals having various frequencies to the
図3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. 3 shows a block diagram of the adaptive sliding mode control system of the present embodiment. The design procedure of the sliding
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.
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).
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).
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.
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.
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).
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.
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 .
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).
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).
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).
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).
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.
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
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.
入力補正部52は、スライディングモードコントローラ51が演算する制御入力Uに加算するマップ項Uadを決定する。
The
ECU5のROMまたはフラッシュメモリには予め、内燃機関2またはそれに付帯する装置の現在状況に関する指標値と、制御入力Uに加味するマップ項Uadとの関係を定めたマップが記憶されている。指標値は、例えばエンジン回転数及び要求燃料噴射量である。マップは、個々の運転領域[エンジン回転数,燃料噴射量]毎にその運転領域に適した(または、代表的な)目標EGR率及び目標吸気管内圧力を定め、この目標を実機の内燃機関2で達成した定常状態における各操作部45、42、33の開度Ubaseを計測するとともに、同一の目標をスライディングモードコントローラ51に与えて偏差のない定常状態における線形入力Ueqを演算させることによって作成する。実機での操作部45、42、33の開度の実測値Ubaseと、スライディングモードコントローラ51による線形入力の算出値Ueqとから、個々の運転領域[エンジン回転数,吸気管内圧力]に対応したマップ項Uad=[u1ad,u2ad,u3ad]Tは下式(数19)となる。
The ROM or flash memory of the
マップ項Uadは、スライディングモードコントローラ51を用いて内燃機関2を制御するときのモデル化誤差(摂動)を縮小し、速やかに非線形入力項Unlを0へと収束させる役割を果たす。
The map term U ad serves to reduce the modeling error (perturbation) when the
図5に、マップ項Uadの決定の際に参照されるマップの例を示す。図示例は、ノズルベーン42に与えるべき制御入力u2に加味するマップ項u2adを規定したものである。マップ項u2adの値は、エンジン回転数が低いほど大きく、また燃料噴射量が少ないほど大きい。
FIG. 5 shows an example of a map referred to when the map term U ad is determined. The illustrated example defines a map term u 2ad that is added to the control input u 2 to be given to the
但し、本実施形態では、ノズルベーン42に係る制御入力u2の数値の大小と、ノズルベーン42の実際の開度の大小とは正反対の関係になっている。即ち、開度値u2が大きいことはノズルベーン42が閉じられることを意味し、開度値u2が小さいことはノズルベーン42が開かれることを意味する。このことは、マップ項u2adについても同様である。マップ項u2adにより、エンジン回転数が低い/燃料噴射量が少ないほどノズルベーン42は開かれる方向に操作され、エンジン回転数が高い/燃料噴射量が多いほどノズルベーン42は閉じられる方向に操作される。
However, in this embodiment, the magnitude of the numerical value of the control input u 2 related to the
なお、現実の内燃機関2の制御では、運転領域[エンジン回転数,燃料噴射量]が同一であったとしても、達成するべき目標EGR率及び/または目標吸気管内圧力が相異するケースが発生し得る。現実の制御における目標がマップの作成の際に定めた目標と異なる場合、最適なマップ項Uadも変わってくる可能性がある。そこで、マップを参照して知得したマップ項Uadに、環境補正を加えるようにすることがより好ましい。環境補正は、目標EGR率及び/または目標吸気管内圧力の基本値を補正するパラメータである冷却水温、吸気温、外気温、大気圧等に応じてマップ項Uadを補正するものである。
In the actual control of the
入力補正部52は、通常時、上記のマップデータを参照してマップ項Uadを決定する。即ち、エンジン回転数及び燃料噴射量をキーとしてマップを検索し、マップ項Uadを知得する。必要であれば、マップから知得したUadに環境補正を加える。結果的に、操作部45、42、33に与えられる制御入力は、スライディングモードコントローラ51が算出した制御入力Uと入力補正部52が決定したマップ項Uadとの和(Ueq+Unl+Uad)となる。
The
しかして、目標補正部53は、所定の条件が成立したときに、スライディングモードコントローラ51が参照する吸気管内圧力の目標値r2をなまし処理する。所定の条件とは、例えば、エンジン回転数及び要求燃料噴射量が充分に高いEGRカット域において自動車の加速が終了した場合等である。
Thus, the
加速が終了すると、エンジン回転数及び燃料噴射量はともに減少する。これら指標値の減少に伴い、吸気管内圧力y2の目標値r2は下降する。同時に、マップ項Uadもまた変動する。ノズルベーン42に係るマップ項u2adについて言えば、エンジン回転数及び燃料噴射量の減少により、その値がノズルベーン42の開度を絞る方向に変動(増大)する。ノズルベーン42の開度を絞るのは、排気タービンの回転の鈍化による過給圧の低下を補うためである。
When the acceleration ends, both the engine speed and the fuel injection amount decrease. As the index values decrease, the target value r 2 of the intake pipe pressure y 2 decreases. At the same time, the map term U ad also varies. Speaking of the map term u 2ad related to the
しかしながら、高回転高負荷の運転領域にて加速が終了したときには、慣性により排気タービンの回転は瞬時には衰えない。従って、マップ項u2adによるノズルベーン42の開度縮小が排気タービンの回転のスローダウンに先んじてしまい、過給圧が過剰となって、吸気管内圧力y2が目標値r2を大きく超過するオーバーシュートを引き起こしていた。そして、吸気管内圧力y2の偏差の増大は、協調制御しているEGR率y1の偏差の増大へとつながり、一時的なドライバビリティの低下、排気ガスの悪化等を招来する。
However, when the acceleration is finished in the operation region of high rotation and high load, the rotation of the exhaust turbine does not decay instantaneously due to inertia. Therefore, the opening reduction of the
目標補正部53は、このような吸気管内圧力y2の偏差の増大を抑制ないし回避する目的で、目標値r2になまし処理を加えて、目標値r2の下降を実効的に遅らせる。なまし処理は、例えば目標値r2の移動平均をとることによって行う。エンジン回転数及び燃料噴射量等を基にして設定される本来の目標値をr2i(添字iはECU5の演算サイクルを表す)とおくと、直近の過去n回の演算サイクルにおける本来の目標値r2iから、コントローラ51に与える目標値r2’を下式(数20)に則って算定することができる。
目標値r2をなまし処理した例を、図6に示す。但し、このような単純移動平均フィルタではなく、加重平均フィルタやローパスフィルタ等を用いて目標値r2のなまし処理を実行してもよい。また、目標値r2ではなく、コントローラ51に与える吸気管内圧力の偏差(r2−y2)をなまし処理するようにしても、所期の目的を達成することが可能である。
An example in which the target value r 2 is smoothed is shown in FIG. However, the target value r 2 may be smoothed using a weighted average filter, a low-pass filter, or the like instead of such a simple moving average filter. Further, the intended purpose can be achieved by smoothing the deviation (r 2 −y 2 ) of the intake pipe pressure applied to the
さらに、目標補正部53が目標値r2のなまし処理を実行している間、入力補正部52は、なまし処理後の目標値r2’と本来の目標値r2iとの差分(または、なまし処理後の偏差と本来の偏差との差分)Δrに基づく補正量Δuを決定し、この補正量Δuによってマップ項u2adを補正する。
Furthermore, while the
ECU5のROMまたはフラッシュメモリには予め、プラントの入出力特性を示すマップが記憶されている。図7に、入出力特性マップの例を示す。図示例は、制御出力y2と制御入力u2との入出力特性関係を規定したものである。入力補正部52は、このマップデータを基に、マップ項u2adの補正量Δuを決定する。即ち、入力補正部52は、なまし処理後の目標値r2’に対応する制御入力u2’と、本来の目標値r2iに対応する制御入力u2iとを検索して知得する。これらu2’とu2iとの差分(u2’−u2i)が、Δuとなる。
A map indicating the input / output characteristics of the plant is stored in advance in the ROM or flash memory of the
その上で、入力補正部52は、補正量Δuをマップ項u2adひいては制御入力u2から減算する。これにより、マップ項u2adの値はノズルベーン42の開度が開く方向に補正される(値が小さくなる)。ノズルベーン42に係るマップ項u2adを補正する一方でEGRバルブ45に係るマップ項u1adやDスロットルバルブ33に係るマップ項u3adを補正しないのは、EGRカット域ではEGRバルブ45は全閉ないし略全閉、Dスロットルバルブ33は全開ないし略全開であり、これらの開度を補正する意義に乏しいからである。
After that, the
図8に、本実施形態の制御装置が実行する処理の手順例を示す。エンジン回転数及び燃焼噴射量がともに所定閾値を上回っているEGRカット域にある最中、制御装置は、エンジン回転数が低下傾向にあるか否かを判定する(ステップS1)。ステップS1では、現在のエンジン回転数Neiと、過去の演算サイクルにおけるエンジン回転数Nei-1との関係において、Nei-1−Nei<0が成立する場合に、エンジン回転数が低下傾向にあると判定する。 FIG. 8 shows a procedure example of processing executed by the control device of the present embodiment. While the engine speed and the combustion injection amount are both in the EGR cut region where the engine speed exceeds the predetermined threshold, the control device determines whether or not the engine speed tends to decrease (step S1). In step S1, the current engine speed Ne i, in relation to the engine speed Ne i-1 in the past operation cycle, when Ne i-1 -Ne i <0 is satisfied, lowering the engine speed It is determined that there is a tendency.
エンジン回転数が低下傾向にあるならば、要求燃料噴射量が低下傾向にあるか否かを判定する(ステップS2)。ステップS2では、現在の燃料噴射量Qiと、過去の演算サイクルにおける燃料噴射量Qi-1との関係において、Qi-1−Qi<0が成立する場合に、燃料噴射量が低下傾向にあると判定する。 If the engine speed tends to decrease, it is determined whether or not the required fuel injection amount tends to decrease (step S2). In step S2, the fuel injection amount decreases when Q i-1 -Q i <0 holds in the relationship between the current fuel injection amount Q i and the fuel injection amount Q i-1 in the past calculation cycle. It is determined that there is a tendency.
燃料噴射量も低下傾向にあるならば、アクセルペダルの踏み込み量が低下傾向にあるか否かを判定する(ステップS3)。ステップS3では、現在のアクセル踏み込み量accpfiと、過去の演算サイクルにおけるアクセル踏み込み量accpfi-1との関係において、accpfi-1−accpfi<0が成立する場合に、アクセル踏み込み量が低下傾向にあると判定する。 If the fuel injection amount also tends to decrease, it is determined whether or not the accelerator pedal depression amount tends to decrease (step S3). In step S3, the accelerator depression amount decreases when accpf i-1 -accpf i <0 holds in the relationship between the current accelerator depression amount accpf i and the accelerator depression amount accpf i-1 in the past calculation cycle. It is determined that there is a tendency.
ステップS1ないしS3を通じて、条件の全てが成立した暁には、吸気管内圧力の目標値r2のなまし処理を実行開始する。なまし処理では、本来あるべき目標値r2iの移動平均r2’を算出し(ステップS4)、このr2’を吸気管内圧力の目標値としてコントローラ51に与え、制御入力Uの演算を実施させる(ステップS5)。並びに、エンジン回転数、燃料噴射量等から、マップ項Uadを決定する(ステップS6)。
Through steps S1 to S3, the Xiao all conditions are satisfied, it starts to execute the smoothing processing of the target value r 2 of the intake pipe pressure. In the annealing process, the moving average r 2 'of the target value r 2i that should be originally calculated is calculated (step S4), and this r 2 ' is given to the
さらに、なまし処理後の目標値r2’と本来の目標値r2iとから補正量Δuを決定する(ステップS7)。そして、この補正量Δuをマップ項u2adから減算する補正処理を施した上で(ステップS8)、制御入力(Ueq+Unl+Uad)を操作部45、42、33に入力しこれらを操作する(ステップS9)。
Further, the correction amount Δu is determined from the target value r 2 ′ after the annealing process and the original target value r 2i (step S7). Then, after performing a correction process for subtracting the correction amount Δu from the map term u 2ad (step S8), a control input (U eq + U nl + U ad ) is input to the
なまし処理を実行開始してから所定期間が経過したら(ステップS10)、なまし処理を終了して本来の目標値r2をコントローラ51に与える。また、補正量Δuによるマップ項u2adの補正を終了する。
When a predetermined period has elapsed since the start of the annealing process (step S10), the annealing process is terminated and the original target value r 2 is given to the
ステップS1ないしS3を通じて、何れかの条件が成立していないのであれば、目標値r2のなまし処理及びマップ項u2adの補正処理を実行しない。即ち本来の目標値r2をコントローラ51に与え続けて制御入力Uを演算させ(ステップS11)、マップ項Uadを決定して(ステップS12)、制御入力Uに補正しないマップ項Uadを加算した制御入力(Ueq+Unl+Uad)を操作部45、42、33に入力する(ステップS13)ことは言うまでもない。
If any of the conditions is not satisfied through steps S1 to S3, the target value r 2 smoothing process and the map term u 2ad correction process are not executed. That is, the control input U is continuously calculated by giving the original target value r 2 to the controller 51 (step S11), the map term U ad is determined (step S12), and the uncorrected map term U ad is added to the control input U. Needless to say, the control input (U eq + U nl + U ad ) is input to the
本実施形態によれば、内燃機関2またはこれに付帯する装置に係る制御出力y1、y2を目標値r1、r2に追従させる制御を実施するものであって、各制御出力y1、y2とその目標値r1、r2との偏差に基づいて制御入力u1、u2、u3を反復的に演算するサーボコントローラ51と、内燃機関2またはそれに付帯する装置の現在状況に関する指標値と制御入力u1、u2、u3に加味するマップ項u1ad、u2ad、u3adとの関係を示すマップを予め記憶し、前記指標値をキーとして当該マップを検索し、前記マップ項を知得してこれを操作部45、42、33に与えるべき制御入力u1、u2、u3に加味する入力補正部52と、所定の条件が成立したときに、サーボコントローラ51が参照する制御出力y2の目標値r2または偏差をなまし処理する目標補正部53とを具備し、前記入力補正部52は、前記制御出力y1、y2と前記制御入力u1、u2、u3との入出力特性関係を示すマップを予め記憶し、前記なまし処理を施した目標値r2’または偏差と本来の目標値r2iまたは偏差との差分Δrをキーとして当該マップを検索することで、前記マップ項u2adの補正量Δuを知得することを特徴とする制御装置を構成したため、所定条件が成立したときに制御出力y2の目標値r2になまし処理を施して目標値r2’の変化を遅らせることができる。これにより、サーボコントローラ51が算出する制御入力u1、u2、u3の変動、換言すれば操作部の45、42、33の操作量を抑制することができる。並びに、特定の操作部42に係るマップ項u2adの急変動の一部を補正量Δuを以て打ち消し、以てマップ項u2adが内燃機関2の現在状況から一時的に乖離する問題を解消することができる。従って、制御出力y2の偏差の拡大を有効に回避でき、ドライバビリティの向上、排気ガスの清浄化等に寄与する。
According to this embodiment, it is one that implements the control to follow the control output y 1, y 2 of the apparatus attached to the internal combustion engine 2 or its target value r 1, r 2, each control output y 1 , the servo controller 51 to the control input u 1, u 2, u 3 iteratively calculated on the basis of the deviation y 2 and the target value r 1, r 2, the current status of the device to be attached to the internal combustion engine 2 or A map showing the relationship between the index value and the map terms u 1ad , u 2ad , u 3ad added to the control inputs u 1 , u 2 , u 3 in advance, and searching the map using the index value as a key, Knowing the map term and giving it to the control inputs u 1 , u 2 , u 3 to be given to the operation units 45, 42, 33, and the servo controller when a predetermined condition is satisfied 51 is the target value r 2 or deviations of the control output y 2 reference ; And a target correction unit 53 for better processing, the input correction unit 52, in advance a map showing the input-output characteristic relationship between the control output y 1, y 2 and the control input u 1, u 2, u 3 By storing the map and searching for the map using the difference Δr between the target value r 2 ′ or the deviation subjected to the smoothing process and the original target value r 2i or the deviation as a key, the correction amount Δu of the map term u 2ad Therefore, when the predetermined condition is satisfied, the target value r 2 of the control output y 2 can be smoothed to delay the change of the target value r 2 ′. Thereby, fluctuations in the control inputs u 1 , u 2 , u 3 calculated by the
特に、可変ターボ過給機を備えた内燃機関2を制御するものであり、吸気管内圧力または吸気量が制御出力y2、ターボ過給機の可変ノズル42が制御入力u2となっている制御系において、例えばEGRカット中の加速終了後の一時期に、吸気管内圧力または吸気量y2の目標値r2をなまし処理し、過給圧の自然低下を利用して、敢えて操作部45、42、33を操作することなしに吸気管内圧力または吸気量y2を低減制御することができる。
In particular, it controls the
内燃機関2またはそれに付帯する装置の現在状況に関する指標値と、前記制御出力y2の目標値r2との関係を定めたマップを予め記憶し、前記指標値をキーとして当該マップを検索することを通じて前記制御出力y2の目標値r2を知得するものであるため、コントローラ51で吸収可能な程度の外乱は指標値に対応した目標値r2の設定によって制御できる。吸収不可能な急激な外乱に対してのみ、指標値に応じて設定される目標値r2になまし処理を施し、偏差の拡大を抑止することが可能である。
Storing in advance a map that defines the relationship between the index value relating to the current status of the
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。まず、サーボコントローラ51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ない。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することを妨げない。
The present invention is not limited to the embodiment described in detail above. First, the multi-input feedback control technique realized by the
内燃機関または付帯装置の現在状況に関する指標値は、エンジン回転数及び燃料噴射量には限られない。外部の気圧や冷却水温等を指標値として参照した上で、目標値r2を設定することも当然に可能である。 The index value relating to the current state of the internal combustion engine or the auxiliary device is not limited to the engine speed and the fuel injection amount. It is naturally possible to set the target value r 2 after referring to the external atmospheric pressure, the cooling water temperature, and the like as index values.
目標値のなまし処理及びマップ項の補正処理を開始する条件の内容も、上記実施形態におけるものには限定されない。条件によっては、EGR率の目標値r1(または、EGR率の偏差)になまし処理を施したり、EGRバルブ45に係るマップ項u1adやDスロットルバルブ33に係るマップ項u3adに補正処理を施したりすることも想定される。
The conditions for starting the target value smoothing process and the map term correction process are not limited to those in the above embodiment. Depending on the conditions, the target value r 1 (or the deviation of the EGR rate) of the EGR rate may be smoothed, or the map term u 1ad related to the
また、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(または、吸気量)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。 Further, the 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 (or intake amount). 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.
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、過給機及びEGR装置が付帯した内燃機関の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 internal combustion engine attached with a supercharger and an EGR device.
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…入力補正部
53…目標補正部
5 ... ECU (control device)
51 ... Adaptive sliding mode controller (servo controller)
52 ...
Claims (3)
制御出力とその目標値との偏差に基づいて制御入力を反復的に演算するサーボコントローラと、
内燃機関またはそれに付帯する装置の現在状況に関する指標値と制御入力に加味するマップ項との関係を示すマップを予め記憶し、前記指標値をキーとして当該マップを検索し、前記マップ項を知得してこれを操作部に与えるべき制御入力に加味する入力補正部と、
所定の条件が成立したときに、サーボコントローラが参照する制御出力の目標値または偏差をなまし処理する目標補正部と
を具備し、
前記入力補正部は、前記制御出力と前記制御入力との入出力特性関係を示すマップを予め記憶し、前記なまし処理を施した目標値または偏差と本来の目標値または偏差との差分をキーとして当該マップを検索することで、前記マップ項の補正量を知得することを特徴とする制御装置。 The control for causing the control output related to the internal combustion engine or the device attached thereto to follow the target value is performed,
A servo controller that repeatedly calculates a control input based on a deviation between the control output and its target value;
A map indicating the relationship between an index value related to the current status of the internal combustion engine or the device attached thereto and a map term added to the control input is stored in advance, the map is searched using the index value as a key, and the map term is obtained. An input correction unit that takes this into consideration for the control input to be given to the operation unit,
A target correction unit for smoothing a target value or deviation of a control output referred to by a servo controller when a predetermined condition is satisfied,
The input correction unit stores in advance a map indicating an input / output characteristic relationship between the control output and the control input, and uses a difference between the target value or deviation subjected to the annealing process and the original target value or deviation as a key. The control device is characterized in that the correction amount of the map term is obtained by searching the map.
前記制御出力に、吸気管内圧力または吸気量が含まれ、
前記制御入力を与えるべき操作部に、ターボ過給機の可変ノズルが含まれている請求項1記載の制御装置。 It controls an internal combustion engine equipped with a variable turbocharger,
The control output includes the intake pipe pressure or intake air amount,
The control device according to claim 1, wherein a variable nozzle of a turbocharger is included in the operation unit to which the control input is to be given.
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