JP2014227974A - 内燃機関の制御システム - Google Patents

Abstract

【課題】過給機とＥＧＲ装置とを備えた内燃機関の制御システムにおいて、制約が満足されるようにリファレンスガバナを用いて過給圧及びＥＧＲ率の目標値を修正するにあたり、過給圧及びＥＧＲ率の修正目標値の探索にかかる演算負荷を低減する。【解決手段】リファレンスガバナは、過給圧とＥＧＲ率とを軸とする状態空間を複数の四角形小領域に分割し、四角形小領域ごとに過給圧及びＥＧＲ率の修正目標値を計算する修正目標値式を予め割り当てておく。そして、目標値の最大変域及び外乱の最大変域に基づいてモデルを用いて状態空間上での過給圧及びＥＧＲ率の最大変域を予測する。さらに、予測した過給圧及びＥＧＲ率の最大変域内において、過給圧の軸に対しては現在値の近傍の領域から領域探索を実施し、ＥＧＲ率の軸に対しては単位時間あたりのＥＧＲ率変化量の上限値の範囲で領域探索を実施する。【選択図】図３

Description

本発明は、過給機とＥＧＲ装置とを備えた内燃機関の制御システムに関し、詳しくは過給圧とＥＧＲ率のそれぞれに課せられた制約が満足されるようにリファレンスガバナを用いて過給圧目標値及びＥＧＲ率目標値を修正する制御システムに関する。

プラントの制御においては、プラントの状態変数や制御入力に関して様々な制約が存在している。それらの制約が満たされない場合、ハードの破損や制御性能の低下が生じるおそれがある。このため、プラントの制御装置を設計する際には、所望の応答性能を得ることに加えて上記制約を満たすことが同時に求められている。リファレンスガバナはそのような要求を満たすための１つの手段である。リファレンスガバナはプラントとフィードバックコントローラとを含む閉ループシステム（フィードバック制御システム）をモデル化したプラントモデルを備え、制約が課せられている状態変数の将来値をプラントモデルによって予測する。そして、状態変数の予測値とそれに課せられた制約とに基づいてプラントの制御量の目標値を修正する。

リファレンスガバナをプラントの制御に適用した例としては、特開２０１０−２５３５０１号公報に開示された、多段圧延装置の圧延スタンドで圧延される圧延材の張力制御方法に関する先行技術を挙げることができる。この先行技術によれば、プラントモデルが既知の線形システムとしてモデル化され、圧延材の張力の時間変化を規定した目標軌道データがリファレンスガバナによって予め演算される。そして、圧延材の張力実績値と目標軌道データとの偏差に基づいて圧延材の張力が制御される。

特開２０１０−２５３５０１号公報

しかしながら、上記先行技術は、制御対象が非線形性の強い場合やプラントモデルが変動したときに対応できない。また、制御対象の特性が変動したときや過渡運転の際に応答が乱れる可能性がある。プラントモデルが線形システムとしてモデル化されているために、複雑な制御対象には適用できないことがその理由である。また、上記先行技術では、修正目標値を計算する際に制御対象の特性変化に対応できる調整を行うこともできない。このようなことから、複雑な制御対象の典型である自動車用の内燃機関、特に、過給機とＥＧＲ装置とを備えた内燃機関には、上記先行技術をそのまま応用することはできない。

ところで、リファレンスガバナの演算手法には、オンライン最適化による修正目標値生成手法と、オフライン最適化による修正目標値生成手法とがある。今後もメモリ容量や演算資源の拡大が予測されることから、ここではオフライン最適化による修正目標値生成手法について検討する。

オフライン最適化手法では、プラントモデルの式を用いて線形式等の切替関数で目標修正式を求めておくことが行われる。その際の課題は、内燃機関のような非線形性の強い制御対象に対しては、修正目標値算出式を導出しようとすると、区分線形式の切替数が非常に多くなってしまい、どの切替式を用いるかの検索に演算負荷がかかってしまうことである。

本発明は、上述の課題に鑑みてなされたものであり、過給機とＥＧＲ装置とを備えた内燃機関の制御システムにおいて、制約が満足されるようにリファレンスガバナを用いて過給圧及びＥＧＲ率の目標値を修正するにあたり、過給圧及びＥＧＲ率の修正目標値の探索にかかる演算負荷を低減することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明に係る内燃機関の制御システムは、
過給機とＥＧＲ装置とを備えた内燃機関の制御システムにおいて、
過給圧及びＥＧＲ率の出力値を目標値に近づけるようにフィードバック制御によって前記内燃機関の制御入力を決定するフィードバックコントローラと、
前記内燃機関と前記フィードバックコントローラとを含む閉ループシステムのモデルを用いて過給圧及びＥＧＲ率の将来の予測値を計算し、前記予測値と制約とに基づいて前記フィードバックコントローラに与えられる前記目標値を修正するリファレンスガバナと、を備え、
前記リファレンスガバナは、
過給圧とＥＧＲ率とを軸とする状態空間を複数の四角形小領域に分割し、前記四角形小領域ごとに修正目標値式を予め割り当てておき、
前記目標値の最大変域及び外乱の最大変域に基づいて前記モデルを用いて前記状態空間上での過給圧及びＥＧＲ率の最大変域を予測し、
予測した過給圧及びＥＧＲ率の最大変域内において、過給圧の軸に対しては現在値の近傍の領域から領域探索を実施し、ＥＧＲ率の軸に対しては単位時間あたりのＥＧＲ率変化量の上限値の範囲で領域探索を実施することを特徴としている。

本発明に係る内燃機関の制御システムによれば、毎時間ステップごとに領域探索を全探査せず、制御対象である内燃機関の物理的応答特性に応じて領域探索の範囲を限定することにより、過給圧及びＥＧＲ率の修正目標値の探索にかかる演算負荷を低減することができる。

本発明の実施の形態の内燃機関の制御システムの目標値追従制御構造を示す図である。 図１に示す目標値追従制御構造を等価変形した図である。 状態空間上の領域区分について説明するための図である。 本発明に係る内燃機関の制御システムを適用可能なディーゼルエンジンの制御入力及び制御出力の例を示す図である。

以下、本発明の実施の形態について図を用いて説明する。

本実施の形態に係る制御システムは、ディーゼルエンジンを制御対象とする制御システムである。制御対象であるディーゼルエンジンは、詳しくは、可変容量ターボチャージャーとＥＧＲ装置とを備えるディーゼルエンジンである。可変容量ターボチャージャーには可変ノズルが備えられ、ＥＧＲ装置にはＥＧＲ弁が備えられている。また、ディーゼルエンジン本体にはディーゼルスロットルが備えられている。

図１は本実施の形態に係る制御システムが有するディーゼルエンジンの目標値追従制御構造を示す図である。本実施の形態に係る目標値追従制御構造は、目標値マップ（ＭＡＰ）、リファレンスガバナ（ＲＧ）、及び、フィードバックコントローラを備える。

目標値マップは、ディーゼルエンジン（制御対象）の運転条件を示す外生入力ｄが与えられると、制御量である過給圧及びＥＧＲ率の目標値ｒを出力する。外生入力ｄには、エンジン回転数と燃料噴射量が含まれる。

リファレンスガバナは、過給圧及びＥＧＲ率の目標値ｒが与えられると、過給圧及びＥＧＲ率に関する制約、具体的には、過給圧の上下限制約とＥＧＲ率の上下限制約とが満たされるように目標値ｒを修正し、過給圧及びＥＧＲ率の修正目標値ｇを出力する。リファレンスガバナの詳細については後述する。

フィードバックコントローラは、リファレンスガバナから過給圧及びＥＧＲ率の修正目標値ｇが与えられると、過給圧及びＥＧＲ率の現在値を示す状態変数ｘを取得し、修正目標値ｇと状態変数ｘとの偏差ｅに基づくフィードバック制御によって制御対象に与える制御入力ｕを決定する。制御入力ｕには、ディーゼルスロットル開度、ＥＧＲ弁開度、可変ノズル開度が含まれる。フィードバックコントローラの仕様に限定はなく、公知のフィードバックコントローラを用いることができる。例えば、比例積分フィードバックコントローラを用いることが可能である。

図２は図１に示す目標値追従制御構造を等価変形して得られたフィードフォワード構造を示す図である。図１において破線で囲まれた閉ループシステムは既に設計済みであるとして、図２に示すフィードフォワード構造では１つのモデルとされている。閉ループシステムのモデルＰは次の式（１）で表される。式（１）において、ｆ，ｈはモデル式の関数である。また、ｋは離散時間ステップを表している。なお、出力ｚは制約のある信号で制御入力、制御出力の制約を表現するものであり、具体的には、過給圧上下限制約とＥＧＲ率上下限制約である。

上記の式（１）で表されるモデルを用いることで、次の式（２）によって将来の状態変数ｘや出力ｚを予測することができる。ここで、ｘ(ｉ|ｋ)、ｚ(ｉ|ｋ)は時刻ｋの情報を元に推定されたｉステップ将来の状態変数及び出力の予測値である。Ｎ_hは予測長（予測ステップ数）である。

リファレンスガバナは、式（２）による将来予測を目標値ｇ（ｋ）の最大変域｛ｇ_min，ｇ_max｝と、外乱ｄ（ｋ）の最大変域｛ｄ_min，ｄ_max｝に対して行うことによって状態変数ｘの最大変域を予測する。つまり、目標値や外乱の最大変域に基づくモデル予測（大まかな探索）により、どの領域まで状態変数が到達するのか目処付けを行う。

状態変数ｘの最大変域の目処付けが完了したら、リファレンスガバナは次に詳細探索を実行する。詳細探索は図３に示す状態空間で行われる。状態空間は過給圧とＥＧＲ率とをそれぞれ軸とする二次元平面で定義される。図中に破線で示すように、状態空間は複数の四角形小領域に分割されて、四角形小領域ごとに過給圧及びＥＧＲ率の修正目標値を計算するための修正目標値式が予め割り当てられている。修正目標値式は次の式（３）で表される。式（３）においてｗは修正目標値候補、ｉ，ｊは状態空間（平面）の区域のインデックス、Ｋ，Ｌは係数である。

詳細探索は予測した状態変数ｘの最大変域内において行うが、リファレンスガバナは全域探索ではなく領域探索範囲を限定して行う。具体的には、時定数の長い過給圧の軸では単位時間での応答が遅く領域を大きく変化させることがないため、リファレンスガバナは、過給圧の軸に対しては現在の領域（現在値を含む四角形小領域）の近傍の四角形小領域から探索を行う。一方、時定数の短いＥＧＲ率の軸では応答性が速いために現在の領域よりも遠い領域へ変化する可能性がある。このため、リファレンスガバナは、ＥＧＲの軸に対しては単位時間あたりの状態変化量（ＥＧＲ率変化量）の上限値の範囲で領域探索を実施する。

リファレンスガバナは、探索する各領域について修正目標値式を用いて修正目標値候補ｗを算出し、所定の評価関数を用いて修正目標値候補ｗの制約の充足性を評価する。そして、高い評価が得られた修正目標値候補ｗを最終的な修正目標値ｇとして出力する。

以上述べたように、本実施の形態に係る内燃機関の制御システムによれば、毎時間ステップごとに領域探索を全探査せず、内燃機関の物理的応答特性、つまり、過給圧及びＥＧＲ率の応答特性に応じて領域探索の範囲を限定することにより、過給圧及びＥＧＲ率の修正目標値の探索にかかる演算負荷を低減することができる。

なお、図４の（ａ）は上述の実施の形態における制御入力と制御出力との組み合わせを示している。しかし、図１に示す目標値追従制御構造は、制御対象のディーゼルエンジンが低圧ＥＧＲシステムと高圧ＥＧＲシステムとを有する場合には、図４の（ｂ）〜（ｅ）に示すような制御入力と制御出力との組み合わせにも適用することができる。図４の（ｂ）及び（ｃ）では、低圧ＥＧＲシステムのＥＧＲ弁開度（ＬＰＬ−ＥＧＲ弁開度）と高圧ＥＧＲシステムのＥＧＲ弁開度（ＨＰＬ−ＥＧＲ弁開度）とが制御入力に含まれている。図４の（ｄ）及び（ｅ）では、低圧ＥＧＲシステムのＥＧＲ量（ＬＰＬ−ＥＧＲ量）と高圧ＥＧＲシステムのＥＧＲ量（ＨＰＬ−ＥＧＲ量）とが制御出力に含まれている。

Claims (1)

1. 過給機とＥＧＲ装置とを備えた内燃機関の制御システムにおいて、
   過給圧及びＥＧＲ率の出力値を目標値に近づけるようにフィードバック制御によって前記内燃機関の制御入力を決定するフィードバックコントローラと、
   前記内燃機関と前記フィードバックコントローラとを含む閉ループシステムのモデルを用いて過給圧及びＥＧＲ率の将来の予測値を計算し、前記予測値と制約とに基づいて前記フィードバックコントローラに与えられる前記目標値を修正するリファレンスガバナと、を備え、
   前記リファレンスガバナは、
   過給圧とＥＧＲ率とを軸とする状態空間を複数の四角形小領域に分割し、前記四角形小領域ごとに修正目標値式を予め割り当てておき、
   前記目標値の最大変域及び外乱の最大変域に基づいて前記モデルを用いて前記状態空間上での過給圧及びＥＧＲ率の最大変域を予測し、
   予測した過給圧及びＥＧＲ率の最大変域内において、過給圧の軸に対しては現在値の近傍の領域から領域探索を実施し、ＥＧＲ率の軸に対しては単位時間あたりのＥＧＲ率変化量の上限値の範囲で領域探索を実施する
   ことを特徴とする内燃機関の制御システム。

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