JP2011043149A - 制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】入出力特性が刻々と変化するプラントに対して高い制御性能を維持することができるスライディングモード制御装置を実現する。
【解決手段】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、所定条件に応じて前記非線形入力を規定する切換ゲイン及び平滑化係数のうち一方または両方を変更するとともに、その変更をした後の非線形入力がその変更をする前の非線形入力と同値となるような状態変数を逆算して状態変数を書き換える補正制御部５２とを具備する制御装置５を構成した。
【選択図】図２

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。

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。

コントローラを設計する際には、ノミナルモデルと呼称する特定の状態空間モデルから一つの切換超平面を導き、この超平面に状態を留めることを考える。ノミナルモデルは、例えば、特定の回転数及び燃料噴射量の下で運転している機関の入出力特性を同定することによって得られる。だが、現実の自動車では、運転領域即ちエンジン回転数及び燃料噴射量が刻々と変化する。そして、機関の入出力特性もまた、運転領域に応じて少なからず変動する。

スライディングモード制御はロバスト性の高い制御手法であり、コントローラ設計時に想定した入出力特性モデルと実際のプラントの入出力特性との誤差（摂動）をうまく吸収することができる。とは言え、アイドルのような低回転低負荷域や高速巡航のような高回転高負荷域等では摂動が大きくなり、オフラインで設計した単一のコントローラを全運転領域に適用することは必ずしも最善ではなかった。

特開２００７−０３２４６２号公報

上述の問題に着目してなされた本発明は、入出力特性が刻々と変化するプラントに対して高い制御性能を維持することができるスライディングモード制御装置を実現しようとするものである。

本発明では、内燃機関またはこ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、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、所定条件に応じて前記非線形入力を規定する切換ゲイン及び平滑化係数のうち一方または両方を変更するとともに、その変更をした後の非線形入力がその変更をする前の非線形入力と同値となるような状態変数を逆算して状態変数を書き換え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。

つまり、スライディングモードコントローラの非線形入力項の要素である切換ゲイン及び／または平滑化係数を適宜変更することを通じて、プラントの入出力特性の変化に追随し、摂動の過大化を防止するようにしたのである。このようなものであれば、低回転低負荷域、高回転高負荷域等においても制御性能が劣化せず、一時的な排気ガスの悪化や出力トルクの低下を抑制ないし回避することができる。

しかしながら、単純に切換ゲイン及び／または平滑化係数を変更すると、当然のことながら、その変更前と変更後とでスライディングモードコントローラが算出する非線形入力がステップ的に変動する。これにより、操作部たる各バルブの開度が跳躍するように変わってしまうため、制御入出力のハンチングを引き起こしかねない。従って、本発明では、切換ゲイン及び／または平滑化係数を変更する際、スライディングモードコントローラが参照する状態変数の書き換えを行い、以て変更前の非線形入力と変更後の非線形入力との乖離の鎮圧を図る。

前記補正制御部が、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、前記切換ゲインまたは前記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、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変更後の切換ゲインまたは平滑化係数を知得するものであれば、切換ゲイン及び／または平滑化係数を変更する際にＥＣＵ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｕｎｉｔ）に余計な演算負荷をかけずに済む。

本発明によれば、入出力特性が刻々と変化するプラントに対して高い制御性能を維持することのできるスライディングモード制御装置を実現し得る。

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。 エンジン回転数及び燃料噴射量と切換ゲインｋ、平滑化係数ηとの関係を規定するマップを例示する図。 切換関数σと因数ＪΣとの関係を例示するグラフ。 切換関数σと因数ＪΣとの関係を例示するグラフ。 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。 切換関数σと因数ＪΣとの関係を例示するグラフ。 切換関数σと因数ＪΣとの関係を例示するグラフ。

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。

しかして、補正制御部５２は、内燃機関２の現況に応じた制御の切り換えを司る。本実施形態では、内燃機関２の運転領域の区分として、少なくとも下記の四種を想定している。

（ｉ）ＮＡ域（負圧域、無過給域）；アイドル運転のような低負荷領域、即ちエンジン回転数もトルクも低い領域である。ＮＡ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。このとき、ノズルベーン４２の開度を幾ら変えても排気ターボ過給機が仕事をしてくれない状態になる。そして、吸気管内圧力の目標値が吸気管内圧力の実測値より少しでも高いと、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。となれば、排気ガス浄化能率の維持に重要なＥＧＲ率の制御に支障を来たしてしまいかねない。

（ii）ＥＧＲカット域；ＥＧＲ通路４３を経由したＥＧＲガスの還流を停止する領域である。高い出力トルクが必要とされる高回転高負荷領域や、燃焼不安定ないし失火のおそれのある高地（大気圧が低い状況）にてある程度以上の負荷運転を行うとき、暖気運転を要するとき等が、ＥＧＲカット域に該当する。

（iii）ＥＧＲカットＮＡ域；やはり、ＥＧＲ通路４３を経由したＥＧＲガスの還流を停止する領域である。ＥＧＲカット域との相異は、ＥＧＲカット域ではノズルベーン４２の開閉操作を通じて吸気管内圧力を増減させ得るのに対し、ＥＧＲカットＮＡ域ではそうではない点にある。例えば、ＤＰＦの再生を行うときや、高地にて低負荷低回転運転を行うとき等が、ＥＧＲカットＮＡ域に該当する。前者においては、（ＤＰＦに捕集しているＰＭ（Ｐａｒｔｉｃｕｌａｔｅ Ｍａｔｔｅｒ）を酸化させて除去する目的で）ポスト噴射等を伴いつつ高温の排気ガスをどんどんＤＰＦに送り込みＤＰＦの温度を高めなければならないので、吸気管内圧力制御の目的でノズルベーン４２の開度を絞りたくない。また、後者においては、燃焼不安定ないし失火を予防するべくＥＧＲをカットするが、元々排気ガス量が少なく排気圧も低いために、ＮＡ域と同様に排気ターボ過給機が仕事をしてくれないという事情がある。

（iv）ノーマル域；上記の何れにも該当せず、内燃機関２の制御をスライディングモードコントローラ５１に完全に委ねてよい領域である。

補正制御部５２は、エンジン回転数及び要求燃料噴射量（要求負荷）、冷却水温、大気圧、ＤＰＦの前後差圧等に基づいて、現在の内燃機関２の運転領域区分を判断する。

図４に、エンジン回転数及び燃料噴射量と運転領域との関係を示す。原則として、エンジン回転数及び燃料噴射量がそれぞれ閾値Ｌ₁よりも低い低回転低負荷の領域をＮＡ域、エンジン回転数及び燃料噴射量がそれぞれ閾値Ｌ₂よりも高い高回転高負荷の領域をＥＧＲカット域とし、それ以外の領域をノーマル域とする。

但し、大気圧が閾値よりも低く、自動車が高地に所在していると考えられる状況下では、低回転低負荷の領域をＥＧＲカットＮＡ域とし、中回転以上または中負荷以上の領域をＥＧＲカット域とする。

また、冷却水温が所定値（典型的には、４０℃）を下回っているときには、暖機運転のためにＥＧＲカット域とする。並びに、ＤＰＦの前後差圧が所定値を越えているときには、ＤＰＦ再生のためにＥＧＲカットＮＡ域とする。

次いで、補正制御部５２は、判断した運転領域区分に応じて、非線形入力項Ｕ_nlを規定する切換ゲインｋ及び／または平滑化係数ηを変更する。

既に述べた通り、スライディングモードコントローラ５１を設計する際には、特定の運転領域、即ちあるエンジン回転数及び要求燃料噴射量の下における内燃機関２のノミナルモデル（行列Ａ、Ｂ）を同定し、状態方程式（数２）を得て切換超平面Ｓを導出している。このノミナルモデルと実プラントとの間のモデル化誤差（摂動）は、ノーマル域では比較的小さいが、それ以外の領域では拡大する。そこで、本実施形態では、ＮＡ域、ＥＧＲカット域、ＥＧＲカットＮＡ域及びノーマル域という各領域区分毎に、相異なる切換ゲインｋ及び／または平滑化係数ηを設定することとして、摂動の抑制を図っている。

ＥＣＵ５のＲＯＭまたはフラッシュメモリには予め、図４に示しているような、各領域区分と、切換ゲインｋ及び／または平滑化係数ηとの関係を定めたマップが記憶されている。補正制御部５２は、このマップデータを参照して、ｋ及び／またはηを決定する。即ち、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（エンジン回転数及び燃焼噴射量、冷却水温、大気圧、ＤＰＦの前後差圧等）をキーとしてマップを検索し、設定するべきｋ及び／またはηを知得する。

さらに、補助制御部５２は、ＮＡ域、ＥＧＲカット域、ＥＧＲカットＮＡ域、ノーマル域の間で領域区分の遷移が発生した場合において、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がステップ的に急変動しないよう、ｋ及び／またはηを変更した後の非線形入力Ｕ_nlとその変更をする前の非線形入力Ｕ_nlとが同値となるような状態変数Ｘ_eを逆算し、状態変数Ｘ_eを書き換える。

因数ＪΣを下式（数２２）とおくと、非線形入力Ｕ_nlは一般化逆行列（−（ＳＢ_e）^†）にこの因数ＪΣを乗じたものとなる。

図５に、切換関数σと因数ＪΣとの関係を模式的に例示する。本実施形態において、σ及びＪΣはともに３次元ベクトルであるので、図５は数学的に正確ではない。が、敢えてこの図５に則して述べる（あるいは、σ及びＪΣをともにスカラ値と考える）と、ＪΣはσが増大するにつれて切換ゲインｋに漸近する。また、ＪΣが漸近線ｋへと近づく変化は、平滑化係数ηが小さいほど急速になり、ηが小さいほど緩慢になる。

ｋ及び／またはηの変更後と変更前とで非線形入力Ｕ_nlが変動しないようにするためには、その変更後と変更前とでＪΣが同値にならなければいけない。従って、下式（数２３）が成立する必要がある。

ＪΣ_n-1、σ_n-1、ｋ_n-1、η_n-1はそれぞれ、運転領域の区分が遷移する直前の時点における因数、切換関数、切換ゲイン、平滑化係数である。同様に、ＪΣ_n、σ_n、ｋ_n、η_nはそれぞれ、運転領域の区分が遷移した直後の時点における因数、切換関数、切換ゲイン、平滑化係数である。図６に、ＮＡ域からノーマル域に遷移する場合を例示している。

式（数２３）を変形すると、式（数２４）となる。

因数ベクトルＪΣ_n-1＝［ｊσ₁ ｊσ₂ ｊσ₃］^T、切換関数ベクトルσ_n＝［σ_n1 σ_n2 σ_n3］^Tとすると、因数ベクトルＪΣ_n-1の各成分ｊσ_i（ｉ＝１，２，３）について、ｊσ_i＞０であれば式（数２５）が、ｊσ_i≦０であれば式（数２６）が成立する。

式（数２５）を変形すれば式（数２７）となり、式（数２６）を変形すれば式（数２８）となる。

式（数２７）ないし（数２８）により、因数ＪΣひいては非線形入力Ｕ_nlの変動を招かないような切換関数σ_nが明らかとなる。この切換関数σ_nから、状態量Ｘ_eを逆算することを試みる。

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。

式（数３）より、切換関数σ_nと状態量ｘ_eとの間には下式（数２９）の関係が成立する。

Ｓ_j（ｊ＝１，２，３，４）は，切換超平面を構成する行列Ｓの成分のうち，状態変数ｘ_ejに乗ずる列ベクトルである。

上式（数２９）から、切換関数σ_nを実現する状態変数ｘ_e1、ｘ_e2、ｘ_e3、ｘ_e4を逆算することができる。但し、本実施形態では、ｘ_e3はＥＧＲ率そのものであり、ｘ_e4は吸気管内圧力そのものである。また、状態変数ｘ_e1及びｘ_e2は、非線形入力Ｕ_nlに影響を及ぼすが、線形入力Ｕ_eqには影響を及ぼさない（行列Ａ_eの定義に留意）。それ故、状態変数ｘ_e3及びｘ_e4を書き換えることはせず、状態変数ｘ_e1及びｘ_e2を書き換えることによって式（数２７）ないし（数２８）に示している切換関数σ_nを実現、非線形入力Ｕ_nlの変動を阻止する。そのために必要となるｘ_e1及びｘ_e2は、下式（数３０）となる。

尤も、行列［Ｓ₁ Ｓ₂］は正方行列ではない。そこで、逆行列［Ｓ₁ 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［Ｓ₁ Ｓ₂］^†を用いる。

加えて、補正制御部５２は、現在の運転領域がＮＡ域、ＥＧＲカット域またはＥＧＲカットＮＡ域にあると判断した場合に、それぞれの領域毎に所要の補正を施す。

ＮＡ域においては、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。それとともに、吸気管内圧力の実測値ｙ₂及びｘ_e4として、吸気管内圧力の目標値ｒ₂をスライディングモードコントローラ５１に与える。スライディングモードコントローラ５１内では、吸気管内圧力の偏差が０であると見なされる。

ＥＧＲカット域においては、ＥＧＲバルブ４５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ｕ₁を無視して全閉し、なおかつ、Ｄスロットルバルブ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ｕ₃を無視して全開する。それとともに、ＥＧＲ率の実測値ｙ₁及びｘ_e3として、ＥＧＲ率の目標値ｒ₁をスライディングモードコントローラ５１に与える。スライディングモードコントローラ５１内では、ＥＧＲ率の偏差が０であると見なされる。

ＥＧＲカットＮＡ域においては、ＥＧＲバルブ４５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ｕ₁を無視して全閉する。それとともに、ＥＧＲ率の実測値ｙ₁及びｘ_e3として、ＥＧＲ率の目標値ｒ₁をスライディングモードコントローラ５１に与える。スライディングモードコントローラ５１内では、ＥＧＲ率の偏差が０であると見なされる。なお、ノズルベーン４２については、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をそのまま与えて操作してもよいし、その開度を制御入力値ｕ₂によらない所定値に固定してもよい。

ノーマル域においては、これらの如き補正を行わない。

図７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、ＤＰＦの前後差圧等を参照して、ＮＡ域／ＥＧＲカット域／ＥＧＲカットＮＡ域／ノーマル域の間で領域の遷移が発生したか否かを判断する（ステップＳ１）。領域の遷移が発生したと判断したならば、エンジン回転数及び要求燃料噴射量等に基づいて設定するべき切換ゲインｋ及び／または平滑化係数ηを知得し（ステップＳ２）、そのｋ及び／またはηの設定変更後の切換関数σ_nがその設定変更直前のσ_n-1に等しくなるような状態変数ｘ_e1、ｘ_e2を逆算する（ステップＳ３）。そして、ＥＣＵ５のメモリに記憶保持しているｋ及び／またはη、ｘ_e1、ｘ_e2の書き換えを行う（ステップＳ４）。領域の遷移が発生しなければ、ステップＳ２ないしＳ４を実施しないことは言うまでもない。

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Ｓ５）。しかる後、算出した制御入力Ｕを操作部４５、４２、３３に与えてこれらを操作する（ステップＳ６）。但し、現在の運転領域がＮＡ域、ＥＧＲカット域またはＥＧＲカットＮＡ域にある場合には、ステップＳ５にて本来のＥＧＲ率または吸気管内圧力とは異なる値を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Ｓ６にてスライディングモードコントローラ５１の演算結果を無視してＥＧＲバルブ４５、ノズルベーン４２またはＤスロットルバルブ３３を操作する。

ＥＣＵ５は、上記のステップＳ１ないしＳ６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をスライディングモード制御するものであって、状態変数Ｘ_e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、所定条件に応じて前記非線形入力Ｕ_nlを規定する切換ゲインｋ及び平滑化係数ηのうち一方または両方を変更するとともに、その変更をした後の非線形入力Ｕ_nlがその変更をする前の非線形入力Ｕ_nlと同値となるような状態変数Ｘ_eを逆算して状態変数Ｘ_eを書き換える補正制御部５２とを具備する制御装置５を構成したため、切換ゲインｋ及び／または平滑化係数ηの適宜変更を通じてプラントの入出力特性の変化に追随し、摂動の過大化を防止することができる。従って、低回転低負荷域、高回転高負荷域等においても制御性能が劣化せず、一時的な排気ガスの悪化や出力トルクの低下を抑制ないし回避することが可能となる。

前記補正制御部５２が、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、前記切換ゲインｋまたは前記平滑化係数ηとの関係を定めたマップを予め記憶しており、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変更後の切換ゲインｋまたは平滑化係数ηを知得するものであるため、切換ゲインｋ及び／または平滑化係数ηを変更する際にＥＣＵ５に余計な演算負荷をかけずに済む。

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、ある領域から他の領域へと遷移するときに、どうしてもＪΣを一定に保つことができないケースが発生し得る。例えば、各領域毎に切換ゲインｋの大きさが異なっている場合、ｋが比較的大きい領域からｋが比較的小さい領域へと遷移する際に一致するＪΣが存在しないことがある。このような問題への対処法としては、下記の二通りが考えられる。

（Ｉ）各領域毎のｋを統一する；図８に示すように、全ての領域のｋを同一値とすれば、どの領域においても必ず同じＪΣが存在する。領域の遷移が発生したときには、平滑化係数ηのみを変更する。

（II）切換関数σの上下限を設定する；図９に示すように、全ての領域でＪΣが存在するようなσの上限σ_max、下限σ_minを定めておく。σがこれら閾値σ_maxまたはσ_minを超越してしまう暁には、σをσ_maxまたはσ_minにクリップする。

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。

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 (2)

1. 内燃機関またはこ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、
   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、
   所定条件に応じて前記非線形入力を規定する切換ゲイン及び平滑化係数のうち一方または両方を変更するとともに、その変更をした後の非線形入力がその変更をする前の非線形入力と同値となるような状態変数を逆算して状態変数を書き換える補正制御部と
   を具備することを特徴とする制御装置。
2. 前記補正制御部は、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、前記切換ゲインまたは前記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、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変更後の切換ゲインまたは平滑化係数を知得する請求項１記載の制御装置。

Images