JP2011043148A - 制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】一部の制御出力の偏差を見かけ上０とする特定の状況下において、有利な制御入力を再現できるようにする。
【解決手段】内燃機関またはこれに付帯する装置に係る複数の制御出力をそれぞれの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の時間積分ｘ_z及びそれ以外のものｘ_yを含む、各制御出力毎に個別の状態変数を参照して、線形入力及び非線形入力を反復的に演算するスライディングモードコントローラ５１と、ある制御出力の偏差を０と見なす特定期間にあるときに、前記非線形入力を規定する、当該制御出力に係る状態変数ｘ_z及びｘ_yについての多項式Ｓ_zｘ_z＋Ｓ_yｘ_yを０とする補正制御部５２とを具備する制御装置５を構成した。ここで、Ｓ_zは切換超平面を構成する行列Ｓの成分のうち前記状態変数ｘ_zに乗ずる列ベクトルであり、Ｓ_yは同行列Ｓの成分のうち前記状態変数ｘ_yに乗ずる列ベクトルである。
【選択図】図２

Description

本発明は、内燃機関またはこれに付帯する装置に係る複数の制御出力を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。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。

とは言え、あらゆる運転領域における制御を完全にスライディングモードコントローラのみに委ねることは最良ではない。

例示すると、ＥＧＲシステムを持つ内燃機関では、時としてそのＥＧＲをカット、即ちＥＧＲ通路を閉鎖して排気ガスの還流を停止する必要が生じる。他方、スライディングモードコントローラによる多入力多出力の協調制御では、吸気管内圧力をＥＧＲ率とともにあるべき目標値に追従させようとすると、ＥＧＲバルブが協調して開いてしまう。そのため、ＥＧＲカット条件が成立している状況下であっても、ＥＧＲ通路が常に遮断状態になることは保証されず、排気ガスが漏流するＥＧＲ未カット期間が発生することがあり得た。そこで、ＥＧＲカット条件が成立した暁には、ＥＧＲ率の実測値としてその目標値をスライディングモードコントローラに与え、スライディングモードコントローラ内でＥＧＲ率の偏差を０と見なさせるようにして、ＥＧＲバルブの協調作動による開弁を防止している。

あるいは、アイドル運転時のようなエンジン回転数も要求トルクも低いＮＡ域（負圧域、または無過給域）では、吸気管内圧力はおおよそ大気圧に近い大きさとなる。つまり、可変ターボのノズル開度を幾ら変えても過給機が仕事をしてくれない状態になる。そのような場合に、吸気管内圧力の目標値が実際の吸気管内圧力より少しでも高いと、可変ターボのノズル開度が絞られ、ついには飽和（極小化）してそれ以上ノズル開度が変化しなくなる。そうなれば、アイドル運転時にも重要なＥＧＲ率の制御に支障を来たしてしまう。この問題を回避するため、ＮＡ域においては、吸気管内圧力の実測値としてその目標値をスライディングモードコントローラに与え、スライディングモードコントローラ内で吸気管内圧力の偏差を０と見なさせるようにして、吸気管内圧力の制御を度外視してＥＧＲ率の制御に注力させている。

上述した通り、特定の状況下では、制御対象となる複数の制御出力のうちの一部の制御を停止する処理を行っている。だが、この処理が別の問題を招来することがある。

この種のサーボ制御系では、偏差を時間積分（または、積算）したものを参照して制御入力を演算することが多い。制御出力の実測値として目標値をコントローラに与えることとすると、その瞬間から見かけ上の偏差が０となり、偏差の時間積分の増減が止まる。しかしながら、偏差の時間積分値がどのような値に固定されるかは、ＥＧＲカット域やＮＡ域等に遷移する機会毎にまちまちである。それ故に、ＥＧＲカット域やＮＡ域等における、各バルブの開度の再現性が失われてしまう。結果、燃費や燃焼安定性に不利な制御入力が選択されたり（ディーゼルエンジンのＤスロットルバルブの開度を不適当に絞ってしまう等）、エンジン出力がその時々でばらついたり、ＥＧＲカット域またはＮＡ域等からノーマル域に復帰する際の制御追従性の一時的劣化（ひいては、排気ガスの一時的悪化）を招いたりしていた。

特開２００７−０３２４６２号公報

以上に鑑みてなされた本発明は、一部の制御出力の偏差を見かけ上０とする特定の状況下において、有利な制御入力を再現できるようにすることを所期の目的としている。

本発明では、内燃機関またはこれに付帯する装置に係る複数の制御出力をそれぞれの目標値に追従させるスライディングモード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の時間積分ｘ_z及びそれ以外のものｘ_yを含む、各制御出力毎に個別の状態変数を参照して、線形入力及び非線形入力を反復的に演算するスライディングモードコントローラと、ある制御出力の偏差を０と見なす特定期間にあるときに、前記非線形入力を規定する、当該制御出力に係る状態変数ｘ_z及びｘ_yについての多項式Ｓ_zｘ_z＋Ｓ_yｘ_yを０とする補正制御部とを具備することを特徴とする制御装置を構成した。ここで、Ｓ_zは切換超平面を構成する行列Ｓの成分のうち前記状態変数ｘ_zに乗ずる列ベクトルであり、Ｓ_yは同行列Ｓの成分のうち前記状態変数ｘ_yに乗ずる列ベクトルである。

本発明によれば、偏差を見かけ上０と見なす対象の制御入力に係る状態変数ｘ_zの固定値が恒常的に一定とならないことに起因した不都合を緩和ないし解消できる。即ち、ＥＧＲカット域またはＮＡ域等における燃費や燃焼安定性の悪化、エンジン出力のばらつき、ＥＧＲカット域またはＮＡ域等からノーマル域に復帰する際の制御追従性の一時的劣化等を回避することが可能となる。

なお、状態変数ｘ_yは出力方程式を介して制御出力自体と結びついているため、これを書き換えることは必ずしも得策でない。従って、前記補正制御部は、ある制御出力の偏差を０と見なす特定期間において、当該制御出力に係る状態変数ｘ_z及びｘ_yについてＳ_zｘ_z＋Ｓ_yｘ_y＝０となるようなｘ_zを逆算してｘ_zを書き換えるものとすることが好ましい。

ＥＧＲ装置が付帯した内燃機関を制御する制御系では、前記補正制御部が、ＥＧＲガスの還流を停止するＥＧＲカットを実施するＥＧＲカット域の期間において、ＥＧＲ率またはＥＧＲ量とその目標値との偏差を０と見なすとともに、ＥＧＲ率またはＥＧＲ量に係る前記状態変数ｘ_z及びｘ_yについての多項式Ｓ_zｘ_z＋Ｓ_yｘ_yを０とする。

並びに、排気ターボ過給機が付帯した内燃機関を制御する制御系では、前記補正制御部が、エンジン回転数及び要求燃料噴射量が低い、または、吸気管内圧力が大気圧に近い値をとるＮＡ域の期間において、吸気管内圧力または吸気量とその目標値との偏差を０と見なすとともに、吸気管内圧力または吸気量に係る前記状態変数ｘ_z及びｘ_yについての多項式Ｓ_zｘ_z＋Ｓ_yｘ_yを０とする。

本発明によれば、一部の制御出力の偏差を見かけ上０とする特定の状況下において、有利な制御入力を再現できるようになる。

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。 内燃機関の現在状況に関する指標値（エンジン回転数及び要求負荷）と、ＥＧＲカット条件及びＮＡ条件との関係を概説する図。 同実施形態の制御装置が実行する処理の手順を示すフローチャート。

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。

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。

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。タービン４１の下流には、ＤＰＦ（Ｄｉｅｓｅｌ Ｐａｒｔｉｃｕｌａｔｅ Ｆｉｌｔｅｒ）（図示せず）を設置する。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（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。

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、大気圧、ＤＰＦの前後差圧（ＤＰＦの上流側排気圧と下流側排気圧との差）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で計測される新気量を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、これと新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、要求されるエンジン負荷）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、図３に示すサーボコントローラ５１及び補正制御部５２としての機能を発揮する。

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。

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の安定性が保証される。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。

ＥＧＲバルブ４５に係る制御入力ｕ₁、ノズルベーン４２に係る制御入力ｕ₂、Ｄスロットルバルブに係る制御入力ｕ₃はそれぞれ、下式（数２２）に示すように、線形入力項と非線形入力項と適応項との和となる。

スライディングモードコントローラ５１が参照する状態量ベクトルＸ_e＝［ｘ_e1 ｘ_e2 ｘ_e3 ｘ_e4］^Tは、その成分に、制御出力Ｙとその目標値Ｒとの偏差の時間積分ｘ_e1、ｘ_e2と、それ以外のものｘ_e3、ｘ_e4とを含んでいる。ｘ_e1及びｘ_e3は第一の制御出力たるＥＧＲ率ｙ₁に係り、ｘ_e2及びｘ_e4は第二の制御出力たる吸気管内圧力ｙ₂に係り、これら状態変数ｘ_e1及びｘ_e3、ｘ_e2及びｘ_e4は各制御出力ｙ₁、ｙ₂毎に個別のものとなっている。また、ｘ_e3、ｘ_e4は出力方程式（数１）を介して各制御出力ｙ₁、ｙ₂とそれぞれ結びついている。

しかして、補正制御部５２は、複数の制御出力ｙ₁、ｙ₂のうち一部のものの偏差を０と見なす特定の期間において、スライディングモードコントローラ５１が制御入力Ｕの演算に際し参照する状態量Ｘ_eの書き換えを行う。ここに言う特定の期間とは、例えば、ＥＧＲガスの還流を停止するＥＧＲカット域にある期間、または、エンジン回転数及び要求燃料噴射量が低く吸気管内圧力が大気圧に近い値をとるＮＡ域にある期間である。

まず、ＥＧＲカット域について述べる。ＥＧＲカットを実施するための条件は、内燃機関２や自動車の種類等に応じて異なるが、具体例を列挙すると、
（Ｉ）高回転で高負荷の運転領域にあるとき。つまり、エンジン回転数が閾値以上かつ燃料噴射量が閾値以上であるとき
（II）標高の高い場所に所在し、ある程度以上の負荷運転領域にあるとき。換言すれば、外部の気圧が、エンジン回転数及び燃料噴射量を基に定まる閾値（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燃料噴射量に応じて設定するべき外気圧の閾値を示すマップデータが記憶されている）以下であるとき
（III）標高の低い場所に所在し、暖気運転を必要としているとき。つまり、外部の気圧が所定閾値以上かつ冷却水温が所定閾値（典型的には、４０℃）以下であるとき
等に、ＥＧＲカットを行う。

補正制御部５２は、ＥＧＲカット中、スライディングモードコントローラ５１に与える目標値Ｒを切り換える。即ち、補正制御部５２は、ＥＧＲカット用のＥＧＲ率目標値ｅｇｒｔａｒｇを、目標値ｒ₁としてスライディングモードコントローラ５１に与える。このｅｇｒｔａｒｇは、通常０である。他方、吸気管内圧力の目標値ｒ₂については、ＥＧＲカットの有無にかかわらず、エンジン回転数や燃料噴射量等に基づいて定まる本来の目標値をスライディングモードコントローラ５１に与え、制御出力ｙ₂を目標値ｒ₂に追従させる制御を継続させる。

さらに、補正制御部５２は、同じｅｇｒｔａｒｇを、ＥＧＲ率ｙ₁及びｘ_e3（本実施形態では、状態量Ｘ＝出力Ｙとしていることに留意）としてスライディングモードコントローラ５１に与える。つまり、計測器１１、１２を介して検出したＥＧＲ率の実測値を無視する。これにより、ＥＧＲカット中のＥＧＲ率の偏差が０と見なされる。

また、補正制御部５２は、ＥＧＲカット中、ＥＧＲバルブ４５及びＤスロットルバルブ３３のそれぞれの開度を、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ｕ₁、ｕ₃によらない値に強制操作する。通常は、ＥＧＲバルブ４５を全閉するとともに、Ｄスロットルバルブ３３を全開または大きく開放した開度値に固定する。

以上に加え、補正制御部５２は、ＥＧＲカット中、ＥＧＲ率ｙ₁に係る状態変数ｘ_e1及びｘ_e3についての多項式Ｓ₁ｘ_e1＋Ｓ₃ｘ_e3を０とする。

スライディングモードコントローラ５１が算出する非線形入力Ｕ_nlは、下式（数２３）に示す切換関数σに依存する。

Ｓ₁、Ｓ₂、Ｓ₃、Ｓ₄はそれぞれ、ｘ_e1に乗ずる列ベクトル、ｘ_e2に乗ずる列ベクトル、ｘ_e3に乗ずる列ベクトル、ｘ_e4に乗ずる列ベクトルである。既に述べた通り、状態変数ｘ_e1はＥＧＲ率ｙ₁とその目標値ｒ₁との偏差の積分であり、状態変数ｘ_e2は吸気管内圧力ｙ₂とその目標値ｒ₂との偏差の積分である。並びに、状態変数ｘ_e3はＥＧＲ率ｙ₁そのものであり、状態変数ｘ_e4は吸気管内圧力ｙ₂そのものである。

ＥＧＲカット中は、ＥＧＲバルブ４５を強制的に全閉してしまうことから、ＥＧＲ率ｙ₁の制御を考慮しなくてよい。つまり、上式（数２３）におけるＳ₁ｘ_e1の項及びＳ₃ｘ_e3の項が必要ない。よって、ＥＧＲカット中、Ｓ₁ｘ_e1＋Ｓ₃ｘ_e3＝０となるように状態変数ｘ_e1、ｘ_e3を反復継続的に書き換えて、これら状態変数ｘ_e1、ｘ_e3が非線形入力Ｕ_nlに与える影響を除去する。

但し、状態変数ｘ_e3は線形入力Ｕ_eqにも影響を及ぼすので、ｘ_e3を書き換えることは得策でない。翻って、状態変数ｘ_e1は線形入力Ｕ_eqに影響を及ぼさない（行列Ａ_eの定義に留意）。従って、状態変数ｘ_e1を書き換えることを通じて、Ｓ₁ｘ_e1＋Ｓ₃ｘ_e3＝０を実現する。そのために必要なｘ_e1は、下式（数２４）となる。

上式（数２４）において、行列Ｓ₁は正方行列ではない。そこで、逆行列Ｓ₁ ^-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Ｓ₁ ^†を用いる。

次いで、ＮＡ域について述べる。ＮＡ域に遷移する条件であるＮＡ条件は、具体的には、
（IV）低回転で低負荷の運転領域にあるとき。つまり、エンジン回転数が閾値以下かつ燃料噴射量が閾値以下であるとき
（Ｖ）吸気管内圧力と大気圧との差が閾値以下であるとき
等である。なお、図４に、ＥＧＲカット条件（Ｉ）とＮＡ条件（IV）との関係を概念的に示している。

補正制御部５２は、ＮＡ域にある期間中、スライディングモードコントローラ５１に与える目標値Ｒを切り換える。即ち、補正制御部５２は、ＮＡ域用の吸気管内圧力目標値ｐｉｍｔａｒｇを、目標値ｒ₂としてスライディングモードコントローラ５１に与える。他方、ＥＧＲ率の目標値ｒ₁については、ＮＡ域にあるかそうでないかにかかわらず、エンジン回転数や燃料噴射量等に基づいて定まる本来の目標値をスライディングモードコントローラ５１に与え、制御出力ｙ₁を目標値ｒ₁に追従させる制御を継続させる。

さらに、補正制御部５２は、同じｐｉｍｔａｒｇを、吸気管内圧力ｙ₂及びｘ_e4としてスライディングモードコントローラ５１に与える。つまり、計測器１１、１２を介して検出した吸気管内圧力の実測値を無視する。これにより、ＮＡ域にある期間中の吸気管内圧力の偏差が０と見なされる。

また、補正制御部５２は、ＮＡ域にある期間中、ノズルベーン４２の開度をスライディングモードコントローラ５１が算出する制御入力値ｕ₂によらない所定値に固定する。

以上に加え、補正制御部５２は、ＮＡ域にある期間中、吸気管内圧力ｙ₂に係る状態変数ｘ_e2及びｘ_e4についての多項式Ｓ₂ｘ_e2＋Ｓ₄ｘ_e4を０とする。

ＮＡ域では、ノズルベーン４２を開閉操作しても排気ターボが殆ど仕事をしてくれないことから、吸気管内圧力ｙ₂の制御を度外視してＥＧＲ率ｙ₁の制御に注力した方がよい。つまり、式（数２３）におけるＳ₂ｘ_e2の項及びＳ₄ｘ_e4の項が必要ない。よって、ＮＡ域にある期間中、Ｓ₂ｘ_e2＋Ｓ₄ｘ_e4＝０となるように状態変数ｘ_e2、ｘ_e4を反復継続的に書き換えて、これら状態変数ｘ_e2、ｘ_e4が非線形入力Ｕ_nlに与える影響を除去する。

但し、状態変数ｘ_e4は線形入力Ｕ_eqにも影響を及ぼすので、ｘ_e4を書き換えることは得策でない。翻って、状態変数ｘ_e2は線形入力Ｕ_eqに影響を及ぼさない（行列Ａ_eの定義に留意）。従って、状態変数ｘ_e2を書き換えることを通じて、Ｓ₂ｘ_e2＋Ｓ₄ｘ_e4＝０を実現する。そのために必要なｘ_e2は、下式（数２５）となる。

上式（数２５）において、行列Ｓ₂は正方行列ではない。そこで、逆行列Ｓ₂ ^-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Ｓ₂ ^†を用いる。

図５に、ＥＣＵ５が実行する処理の手順例を示す。ＥＣＵ５は、エンジン回転数及び要求燃料噴射量、冷却水温、大気圧等を参照して、ＥＧＲカット条件が成立したか否かを判断する（ステップＳ１）。ＥＧＲカット条件が成立していれば、Ｓ₁ｘ_e1＋Ｓ₃ｘ_e3＝０の関係を満足する状態変数ｘ_e1を算出し（ステップＳ２）、ＥＣＵ５のメモリに記憶保持しているｘ_e1の書き換えを行う（ステップＳ３）。

その上で、スライディングモード制御の手法に則り、制御入力Ｕを算出する（ステップＳ４）。しかる後、算出した制御入力Ｕに基づいて操作部４５、４２、３３を操作する（ステップＳ５）。但し、ＥＧＲカット中は、ステップＳ４にて所定の目標ＥＧＲ率ｅｇｒｔａｒｇをＥＧＲ率の目標値ｒ₁及び実測値ｙ₁、ｘ_e3としてスライディングモードコントローラ５１に与えるとともに、ステップＳ５にてスライディングモードコントローラ５１の演算した制御入力値ｕ₁、ｕ₃を無視してＥＧＲバルブ４５及びＤスロットルバルブ３３を強制操作する。

ステップＳ２ないしＳ５を含むＥＧＲカット処理は、ＥＧＲカット条件が成立しなくなるまで、即ちＥＧＲカットを終了するまで続行する（ステップＳ６）。

また、ＥＣＵ５は、エンジン回転数及び要求燃料噴射量、大気圧及び吸気管内圧力等を参照して、ＮＡ条件が成立したか否かを判断する（ステップＳ７）。ＮＡカット条件が成立していれば、Ｓ₂ｘ_e2＋Ｓ₄ｘ_e4＝０の関係を満足する状態変数ｘ_e2を算出し（ステップＳ８）、ＥＣＵ５のメモリに記憶保持しているｘ_e2の書き換えを行う（ステップＳ９）。

その上で、スライディングモード制御の手法に則り、制御入力Ｕを算出する（ステップＳ１０）。しかる後、算出した制御入力Ｕに基づいて操作部４５、４２、３３を操作する（ステップＳ１１）。但し、ＮＡ域にある期間中は、ステップＳ１０にて所定の目標吸気管内圧力ｐｉｍｔａｒｇを吸気管内圧力の目標値ｒ₂及び実測値ｙ₂、ｘ_e4としてスライディングモードコントローラ５１に与えるとともに、ステップＳ１１にてスライディングモードコントローラ５１の演算した制御入力値ｕ₂を無視してノズルベーン４２を強制操作する。

ステップＳ８ないしＳ１１を含むＮＡ域の処理は、ＮＡ条件が成立しなくなるまで続行する（ステップＳ１２）。

ＥＧＲカット条件もＮＡ条件も成立していない期間は、通常通り制御入力Ｕを算出し（ステップＳ１３）、その制御入力Ｕをそのまま操作部４５、４２、３３に与えてこれらを操作する（ステップＳ１４）。

ＥＣＵ５は、上記のステップＳ１ないしＳ１４を、反復的に実施する。

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複数の制御出力ｙ₁、ｙ₂をそれぞれの目標値ｒ₁、ｒ₂に追従させるスライディングモード制御を実施するものであって、制御出力ｙ₁、ｙ₂とその目標値ｒ₁、ｒ₂との偏差の時間積分ｘ_e1、ｘ_e2及びそれ以外のものｘ_e3、ｘ_e4を含む、各制御出力毎に個別の状態変数ｘ_e1、ｘ_e2、ｘ_e3、ｘ_e4を参照して、線形入力Ｕ_eq及び非線形入力Ｕ_nlを反復的に演算するスライディングモードコントローラ５１と、制御出力ｙ₁またはｙ₂の偏差を０と見なす特定期間（ＥＧＲカット域またはＮＡ域）にあるときに、前記非線形入力Ｕ_nlを規定する、当該制御出力ｙ₁またはｙ₂に係る状態変数ｘ_e1、ｘ_e3またはｘ_e2、ｘ_e4についての多項式Ｓ₁ｘ_e1＋Ｓ₃ｘ_e3またはＳ₂ｘ_e2＋Ｓ₄ｘ_e4を０とする補正制御部５２とを具備する制御装置５を構成したため、ＥＧＲカット域におけるｘ_e1の固定値またはＮＡ域におけるｘ_e2の固定値が恒常的に一定とならないことに起因した不都合を緩和ないし解消できる。即ち、ＥＧＲカット域またはＮＡ域等における燃費や燃焼安定性の悪化、エンジン出力のばらつき、ＥＧＲカット域またはＮＡ域等からノーマル域に復帰する際の制御追従性の一時的劣化等を回避することが可能となる。

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。例えば、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。

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。

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…補正制御部

Claims (4)

1. 内燃機関またはこれに付帯する装置に係る複数の制御出力をそれぞれの目標値に追従させるスライディングモード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の時間積分ｘ_z及びそれ以外のものｘ_yを含む、各制御出力毎に個別の状態変数を参照して、線形入力及び非線形入力を反復的に演算するスライディングモードコントローラと、
   ある制御出力の偏差を０と見なす特定期間にあるときに、前記非線形入力を規定する、当該制御出力に係る状態変数ｘ_z及びｘ_yについての多項式Ｓ_zｘ_z＋Ｓ_yｘ_yを０とする補正制御部と
   を具備することを特徴とする制御装置。
   但し、Ｓ_zは切換超平面を構成する行列Ｓの成分のうち前記状態変数ｘ_zに乗ずる列ベクトルであり、Ｓ_yは同行列Ｓの成分のうち前記状態変数ｘ_yに乗ずる列ベクトルである
2. 前記補正制御部は、ある制御出力の偏差を０と見なす特定期間において、当該制御出力に係る状態変数ｘ_z及びｘ_yについてＳ_zｘ_z＋Ｓ_yｘ_y＝０となるようなｘ_zを逆算してｘ_zを書き換える請求項１記載の制御装置。
3. 排気ガス再循環（Ｅｘｈａｕｓｔ Ｇａｓ Ｒｅｃｉｒｃｕｌａｔｉｏｎ）装置が付帯した内燃機関を制御するものであり、
   前記補正制御部は、ＥＧＲガスの還流を停止するＥＧＲカットを実施する期間において、ＥＧＲ率またはＥＧＲ量とその目標値との偏差を０と見なすとともに、ＥＧＲ率またはＥＧＲ量に係る前記状態変数ｘ_z及びｘ_yについての多項式Ｓ_zｘ_z＋Ｓ_yｘ_yを０とする請求項１または２記載の制御装置。
4. 排気ターボ過給機が付帯した内燃機関を制御するものであり、
   前記補正制御部は、エンジン回転数及び要求燃料噴射量が低い、または、吸気管内圧力が大気圧に近い値をとる期間において、吸気管内圧力または吸気量とその目標値との偏差を０と見なすとともに、吸気管内圧力または吸気量に係る前記状態変数ｘ_z及びｘ_yについての多項式Ｓ_zｘ_z＋Ｓ_yｘ_yを０とする請求項１または２記載の制御装置。

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