JP2011503415A - 制御器を安定化させる方法および相応する制御装置 - Google Patents

Abstract

本発明は制御器を安定化させる方法と該方法を内燃機関内の全制御器を安定化させるために使用することに関する。本発明は、まず制御器の安定性を確認または排除し、制御器の特性を変化させ、安定性を改めて調べ、これらのステップをループで繰り返す。内燃機関で使用するためには、安定化の優先順位を決め、この順位を外的な環境パラメータに選択的に依存させる。

Description

本発明は、制御器を安定化させる方法、内燃機関内の全制御器を安定化させるための、前記方法の使用、および、前記方法を実行する制御装置に関する。

背景技術
機械の自動制御のため、一般的には、種々の被制御系の自動制御のために、制御量の変化に様々なストラテジで反応する標準的な制御回路が公知である。これに関して、操作量によって外乱量を補償するために、目標値に対する制御量の変化に比例して操作量を変化させる制御器を使用することが公知である。これがいわゆるＰ要素である。さらに、実際値に比例して操作量を連続的に上げる制御器（Ｉ要素）と、制御量の経時的変化に比例して操作量を変化させる制御器（Ｄ要素）も公知である。３つのストラテジをすべて統合した制御器はＰＩＤ制御器と呼ばれ、制御が振動的になることなく、制御量を特に迅速に制御することを特徴としている。互いに影響し合う様々な制御量を使用する種々の制御器を機械の制御に使用している場合、全制御器が振動に陥る可能性がある。同様に、機械が使用中に変化または摩耗し、それによって制御が振動的または不安定になることもあり得る。

発明の説明
例えば現代の内燃機関のような機械では、複数の制御量を同時に制御することが多い。しかし、その際、種々の操作量を変化させることによって個々の制御量を独立して制御できるということは保証されていない。したがって、２つより多くの制御器が対立して動作するので、制御が振動的になる可能性がある。それゆえ、日常的な使用の場面で、内燃機関におけるアイドリングの安定性に問題が生じることがよくある。この不安定性は運転者が聴いたり感じたりできるような雑音の増大と車両の揺れを生じさせ兼ねない。しかし、その原因は必ずしも制御回路間の不十分な相互調整に帰されるのではなく、摩耗および／または損耗による車両のパワートレインにおける変化などの、機械自体の経年変化が原因になることもあるし、許される許容差範囲の限界近くで動作しているエンジン部材があいにく組み合わさっていることが原因になることもありうる。考えられる様々な原因、とりわけ原因の多様な組合せのせいで、車両開発時には、車両内の内燃機関の制御回路を不安定な状態から十分に保護することがほぼ不可能なほどである。内燃機関における不安定な制御状態はエンジン回転の知覚可能なミスチューニングの原因にならない程度には無害であるが、車両使用者がこの不安定性を煩わしく感じ、車両全体に対して文句を言うほど強く現れる。

本発明は、制御器の不安定性を検出する少なくとも１つのステップ、制御器の特性を変化させる少なくとも１つのステップおよび制御器の制御挙動の変化を検出する少なくとも１つのステップを有する制御ループと、この方法を実行する制御装置とを提供する。

本発明によれば、制御器の制御挙動の持続的な安定性を保証するために、制御量を制御する公知の方法に別の方法が付加される。本発明では、少なくとも１つの第１のステップにおいて、制御器の不安定性が確かめられる。制御器の不安定性は例えば制御挙動の統計的評価によって確認することができる。最良のケースでは、この第１のステップが制御器出力量の標準偏差の計算から成っていると有利であることが分かった。その際、求められた標準偏差は所定の最大標準偏差と比較され、最大標準偏差を超えていれば、不安定性が確認される。第２のステップでは、制御器の特性が変更される。特性の変更は、最も単純なケースでは、制御器の出力値を、例えば乗数を乗じたり、除数で除したりすることによって、変化させることで行われる。これによって、操作量が外乱量に対して強くなったり弱くなったりし、このことが制御器の特性の変化をもたらす。特性を変化させた後、本発明によれば、制御挙動の変化の検出が行われる。この検出は、最も単純なケースでは、制御挙動を改めて統計的に分析することによって行われる。制御器の出力量の標準偏差を例えば改めて求めれば、第１のステップにおいて改めて制御ループを開始し、制御器の特性が、ここでは制御器の出力量の標準偏差が標準偏差の所定の範囲内にあるか否かを改めて確認することができる。しかし、例えば標準偏差がより大きくなることで、制御器の特性の一度の変更だけで制御器の不安定性が強くなることもあり得る。この場合には、制御器の出力量の変更を、乗数を乗じることによってではなく、ある値で除することによって行い、そうすることで制御器の出力量の有効振幅を低減させることが可能である。しかし、統計的分析の際には、乗算又は除算による歪曲を防ぐために、乗数又は除数で変化させた値ではなく、制御器の実際の出力値が用いられる。

内燃機関で使用する場合、制御器のこのような安定化には、例えばアイドリングが安定化し、ある値の周りで不規則に又は周期的に振動することがないという利点がある。本発明による制御器の安定化方法によって得られるアイドリング挙動の改善によって、生産工場での品質管理の莫大なコストが節約される。なぜならば、制御器の安定性に関する品質管理をしなくてもよいからである。それにも関わらず、車両の排気ガスと車室内騒音を最小化することができ、エンジンの走行挙動も最適化することができる。

制御器特性の際限ない適応調整は制御振動においても見られるが、こうした制御器特性の際限ない適応調整を避けるために、制御サイクルの数は制限される。例えば本発明による方法によって安定化が達成されない、又は安定化措置にもかかわらず制御挙動が振動する場合には、通常、エンジン部品が正常に働いていないか又は摩耗していると仮定される。この場合には、エンジンの不安定性の原因を診断し、場合によっては原因となっている部品を交換することが必要になるだろう。

多くの場合、安定化は様々な外的条件の下で行われなければならず、またその際、外的条件のパラメータは制御できないので、外的条件に依存して安定化を行うと有利であることが分かった。このために、外的パラメータとして大気圧、エンジン温度および燃料温度を考慮してもよい。その際、上記外的条件の組合せにそれぞれ１つの安定化パラメータが割り当てられる。制御器を安定化させる機能は、上記外的パラメータのすべてが予め決められた閾値を超えており、同時にアイドリングが予め決められた時間持続したときに実施すると有利であることが分かった。これにより、過補償、つまり、制御器パラメータの絶え間ない変更が防がれるだけでなく、頻繁な制御による過補償から生じる制御振動の発生も防がれる。本発明によれば、制御器の安定化機能は上記パラメータのうちの１つ、つまり、大気圧、エンジン温度および燃料温度ならびにアイドリング持続時間のうちの１つが予め決められた値を下回ったときに停止される。

明らかに制御量の間に依存性のある種々の制御器を同時に安定化させなくてもよくするためには、内燃機関内の１つよりも多くの制御器を同時に安定化させなければならないときに、内燃機関の個々の制御器の安定化を所定の順序で行うと有利であることが分かった。内燃機関内の制御器をこのように安定化させる場合、種々の制御器を同時に安定化させるために３つの変数が用意される。第１の変数は安定化させるべき制御器の順序を把握し、第２の変数は全制御器の安定性状態を把握し、第３の変数は成功した安定化措置、例えば制御器出力信号の乗算または除算と最後に安定化された制御器を把握する。中央ユニットはこの安定化措置によって全制御器を安定化させることができる。

まず第１の制御器の第１の安定化が第１の制御器を安定化させたならば、別の制御器の不安定性が検出されても、本発明によりこの制御器を安定化順序に従って安定化させることができる。その時その時の安定化させるべき制御器は上に例として最初に示した変数によって決まる。安定化の順序はもちろん１つより多くの制御器が不安定な制御挙動を示す場合にだけ守ればよい。

全制御器の安定性状態も同様に変数によって記録される。システム全体の状態の数は２のべき乗であり、各制御器は２つの状態、すなわち「安定」と「非安定」によってシステム全体を制御する。

最後の制御ループは第３の変数に記録される。この情報を用いて、最後の制御器を安定化させる最後の措置が確認され、場合によっては同一のまま、または変化を加えて繰り返される。

制御器を安定化させる本発明の一連のステップのフローチャートである。 本発明の制御装置のブロック回路図である。 １つより多くの制御器に対する安定化装置のブロック回路図である。

図１には、制御器を安定化させる本発明による方法のフローチャートが示されている。本発明の方法を実行する電子回路やマイクロコントローラに初期化の機会を与えるスタート１から始まって、制御器挙動の標準偏差σ₁の検出２が続く。これは、最も単純なケースでは、例えば電圧、最大電流または操作量への変換前のディジタル値などの制御器出力量を相応の入力素子によって検出し、数によって把握できる値に変換することによって行われる。標準偏差σ₁の検出２は制御器出力量を決まった時間にまたは制御器出力量の変わり目において複数回検出することによって行われるので、制御器出力量のその時その時の最大値が把握される。入出力制御器では相応してパルスと休止との比を検出してよい。統計的分析に十分な数の値が検出された後、標準偏差σ₁が公知の計算方法で求められ、本発明による方法において後で使用するために内部的に記憶される。標準偏差σ₁の検出２の後には予め決められた最大標準偏差σ_maxとの比較が続く。検出された標準偏差σ₁が所定値σ_maxを下回っていれば、標準偏差σ₁は許容範囲内にある。したがって、方法はパス３ａｂをたどり、制御器の標準偏差σ₁が再び求められる。ステップ２と３の間のこの閉じたループは、制御器出力量の標準偏差σ₁が予め決められた値σ_maxを超えて、安定化させるべき制御器の許容されない範囲を示すまで繰り返される。その後、本発明の方法は次のステップに従う。この箇所４ではまず、制御器の安定化の試行が何回行われたかを示すカウンタｎが増分される。カウンタｎが予め決められた値ｎ_maxを超えていることが比較ステップ５ａで確認されると、制御器を安定化させる試行が断念される。というのも、最大数ｎ_maxを超えたということは、システム全体の一部、ここでは内燃機関が故障しているかまたは摩耗しており、交換が必要であるということが仮定されるからである。その場合、本発明の方法はステップ５ａｂに従い、ステップ５ｂで停止する。しかし、カウンタｎの値が最大値ｎ_maxよりも小さければ、方法はパス５ａａをたどってステップ６へ進み、そこで制御挙動の変化を確かめる。この選択は、１よりも大きな値による乗算または１よりも大きな値による除算のいずれかを示す変数（英語では"Ｆｌａｇ"）によって記録される。この変数"Ｆｌａｇ"に従って、安定化させるべき制御器の出力は１よりも大きな値で乗算されるかまたは１よりも大きな値で除算される。制御器挙動の変化が確認された後、ステップ８において制御器挙動が再び求められ、標準偏差σ₂の値が後の使用のためにバッファ記憶される。ステップ９では、標準偏差σ₂が冒頭で求められた標準偏差σ₁と比較される。新たな標準偏差σ₂が第１の標準偏差σ₁を下回っていれば、方法はパス９ａａをたどる。そして、標準偏差σ₂はステップ１０において標準偏差σ₁として記憶され、方法はジャンプ１０−３によってステップ３へと進み、そこでステップ２と３の間の閉ループに再び飛び込む。しかし、標準偏差σ₂の新たな値が冒頭で求めた標準偏差σ₁よりも大きければ、制御器挙動を変更する手続きを示す変数が変更され、標準偏差σ₂はステップ１０において標準偏差σ₁として記憶され、方法は再びジャンプ１０−３をたどる。

全制御器を安定化させる場合には、個々の制御器を安定化させる順序が決定される。これにはすべての制御器を同時に安定化させなくてもよいという利点があるが、場合によってはそのせいでシステム全体の制御振動が低減する代わりに大きくなってしまうことがある。第１の制御器が安定化された後、第２の制御器は図１に示されているフローチャートの順序に従って安定化され、方法はすべての制御器が安定化されるまで更なる制御器に対して続行される。

安定化の順序は以下の表で定義されている安定性ステータスに即して決めることもできるし、他の順序に従ってもよい。

表１：アイドル回転数、レール圧および排気ガス再循環のための制御器から成る全制御器の安定性ステータス

制御器の安定化シーケンスに上記の安定性ステータスの表を使用する場合、不安定なアイドリング制御器が検出されると、この制御器がまず安定化される（順序ｂ）。新たな段階で２つの制御器の不安定性が確認された、例えば安定性ステータス４，５または６の場合、個々の制御器を安定化するために、これらの安定性ステータスに対して予め決められた順序ｅ，ｆまたはｇに従う。個々の制御器は、全制御器の不安定性の振動を防ぐために、この順序で安定化される。

本発明の実施形態では、大気圧、エンジン温度および燃料温度のような外部環境パラメータに対して、安定化のために個々の制御器出力量に対する乗数または除数の固有のパラメータセットがそれぞれ１つ与えられる。同様に、大気圧、エンジン温度および燃料温度の組合せ１つごとに安定化試行の最大回数ｎ_maxを用意することも可能である。

さらに、表の中の回転数に依存した乗数／除数の表を特性曲線として格納しておくことも可能である。これらの乗数は、各エントリに対して、複数回の乗算および／または除算によって、関連する制御器に対して現在の動作パラメータの組合せで１つの値が表の中で提示されることによって実現される。これらの外的な動作パラメータが検出される限り、これらの乗数／除数は個々の制御器に割り当てられ、制御器出力量はこれらの乗数／除数と結合される。これにより、安定化のための正しい値が直ちに得られるので、安定化のサイクルが回避される。

要するに、制御器乗数／除数の大規模な表を複雑なデータセットとして格納することができ、これらのデータセットに対して、制御器挙動と安定化試行の許容される回数を設定するパラメータセットがそれぞれ１つ用意される。こうして、日常の使用において、制御器は各エンジン状態に対して外的条件に依存して調整および安定化される。表が十分に大きく、温度間の間隔と圧力間の間隔が十分に細かければ、非常に多数の異なる制御パラメータを調整することができる。したがって、制御すべき内燃機関は広い圧力および温度範囲にわたって安定して制御される。なおここで、制御パラメータは環境パラメータに適合するよう調整されている。

図２には、本発明による制御装置のブロック回路図が示されている。本発明による制御装置は、制御量４００を制御するためのユニット１００、制御装置の不安定性を検出するためのユニット２００、および制御装置の特性を変化させるためのユニット３００を有している。本発明による制御装置は図１に示されている方法に従って動作する。制御ユニット１００が安定している限り、ユニット３００は制御器の特性を変化させない。しかし、ユニット２００によって不安定性が確認されると、ユニット３００は制御器１００の特性を本発明に従って変更するよう指示される。

図３には、本発明に従って制御器の不安定性の検出と安定化のためのユニット２０１によって一緒に安定化される複数の制御器のブロック回路図が示されている。このブロック回路図には、制御量４０１と４０２のそれぞれを制御する２つの簡単なユニット１０１および１０２が図示されている。ここで、ユニット２０１は、制御器特性を変化させるユニット３０１および３０２によって制御器１０１および１０２の特性を制御器出力値の乗算または除算により変化させることで、ユニット１０１と１０２の両方を本発明の方法に従って安定化させる。

Claims (11)

1. 制御ループによって制御器を安定化させる方法であって、制御器の不安定性を検出する少なくとも１つのステップ（２）と、前記制御器の特性を変化させる少なくとも１つのステップ（７）と、前記制御器の制御挙動の変化を検出する少なくとも１つのステップ（８）を有することを特徴とする、制御ループによって制御器を安定化させる方法。
2. 不安定性を検出するために、所定の期間にわたる制御器出力信号の標準偏差（σ₁）を求め、該標準偏差（σ₁）を予め決められた値（σ_max）と比較する、請求項１記載の方法。
3. 前記制御器の特性を変化させる可変の値によって前記制御器出力信号の乗算（７ａ）または除算（７ｂ）を行う、請求項１または２記載の方法。
4. 前記制御器の特性を変化させた（７ａ，７ｂ）後、所定の期間にわたって前記制御器出力信号の標準偏差（σ₂）を検出し、続いて、前記制御器の特性を変化させる（７ａ，７ｂ）前の前記制御器出力信号の標準偏差（σ₁）と比較する（９ａ）、請求項１から３のいずれか１項記載の方法。
5. 以前に実行した制御器特性の変更（７ａ，７ｂ）の措置が不安定性の低減（９ａａ）をもたらした場合には、制御器特性の変更（７ａ，７ｂ）の前記措置をそのまま繰り返し（１０−３）、以前に実行した制御器特性の変更（７ａ，７ｂ）の措置が不安定性の増大（９ａｂ）をもたらした場合には、制御器特性の変更（７ａ，７ｂ）の前記措置に変化を加えて繰り返す（１０−３）、請求項１から４のいずれか１項記載の方法。
6. 前記制御ループの通過の繰り返し（１０−３）に予め決められた最大回数（ｎ_max）が存在する、請求項１から５のいずれか１項記載の方法。
7. 請求項１から６のいずれか１項記載の方法を内燃機関のアイドリングの安定化に使用する、請求項１から６のいずれか１項記載の方法の使用。
8. アイドリング回転数の制御器、レール圧の制御器および供給空気量の制御器の制御器特性の同時安定化を行う、請求項７記載の使用。
9. 前記制御器の安定化の予め決められた順序が存在する、請求項８記載の使用。
10. 所与の大気圧ごとに、および／または燃料温度ごとに、および／またはエンジン温度ごとに、前記制御ループの通過の最大回数（ｎ_max）が存在する、請求項７から９のいずれか１項記載の使用。
11. 制御器の不安定性を検出するための少なくとも１つのユニット（２００）と、制御ユニット（１００）の特性を変化させるための少なくとも１つのユニット（３００）を有することを特徴とする、請求項１から１０のいずれか１項記載の方法を実行するための制御装置。

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