JP3674049B2

JP3674049B2 - エンジン制御方法

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Publication number: JP3674049B2
Application number: JP27192993A
Authority: JP
Inventors: 充孝堀
Original assignee: Meidensha Corp
Current assignee: Meidensha Corp
Priority date: 1993-09-14
Filing date: 1993-10-29
Publication date: 2005-07-20
Anticipated expiration: 2020-07-20
Also published as: JPH07133739A

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明はスロットルアクチュエータを制御対象に含むと共に、スライディングモード制御（以下、ＳＭ制御と呼ぶ）を適用したエンジン制御方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
エンジン試験装置におけるエンジン制御方法は、エンジンスロットルバルブの開閉をアクチューエータを用いて操作をし、そのときの吸気圧、トルク、車速を制御するものである。最近、地球の環境問題からＮＯｘ規制が厳しくなりエンジンから排出されるガスが問題となっている。このため、エンジン性能の高度化が重要となり、それを試験する装置の高性能化が必要となってくる。排気ガスを測定するエンジン試験は対象エンジンの回転数とトルクを所定パターン通りに変化させることにより行われる。エンジンはスロットルアクチュエータによりスロットルバルブの開閉操作を行い、トルク、回転数のＰＩ制御により所定のパターンで試験を実行する。図１８は上述したエンジン制御方法のブロック図である。図１８において、ＰＩは比例積分部、Ｐは比例部、Ｋ_Tは定数、１／Ｓは積分要素、ＡＳＲはアクチュエータ速度制御系、ＡＱＲはアクチュエータ位置制御系、ＡＴＲはエンジントルク制御系である。
【０００３】
従来、スロットルアクチュエータのスロットルバルブ角度を制御するスロットル制御系を含むと共に、このスロットルバルブ角度からエンジン出力トルクまでを制御するエンジン制御系においては、エンジン出力指令に対してエンジン出力の偏差が零となるようにＰＩ制御を行っている。
【０００４】
図１５は、このＰＩ制御を適用したエンジン制御装置の一例をブロック図により示したものである。
【０００５】
ここでは、入力されるエンジン出力指令の一要素であるトルク出力指令信号Ｔｏｒ´に対し、ＰＩ制御部１及びスロットル制御部２を介してディザ信号値，スライディングライン定数，及び時定数を補償することによってスロットルバルブ角度制御出力信号θm を得ている。更に、この制御出力信号θm に対してヒステリシス特性設定部３を介してガタツキやヒステリシスを考慮した位置補償を行うことによって位置補償制御出力信号θs とした後、引き続いてエンジン特性設定部４を介してスライディングライン定数及び時定数を補償することによってトルク出力制御信号Ｔｏｒを得ている。ここで得られたトルク出力制御信号Ｔｏｒは、入力側に帰還されてトルク出力指令信号Ｔｏｒ´との間で合成処理される。
【０００６】
このエンジン制御装置において、ＰＩ制御部１ではスライディングライン定数がｓ，外乱として付加されるディザ信号（付加信号）値がＫ_PP及びＫ_IPで定められるとすると、ＰＩ制御はＫ_PP＋Ｋ_IP／ｓなる関係で設定される。スロットル制御部２ではスライディングライン定数がｓ，時定数がＴ₁ で定められるとすると、スロットル制御は１／１＋ｓＴ₁ なる関係で設定される。又、ヒステリシス特性設定部３では図示の如くガタツキ，ヒステリシス特性が設定されており、エンジン特性設定部４ではスライディングライン定数がｓ，時定数がＴ₂ で定められるとすると、エンジン特性は１／１＋ｓＴ₂ なる関係で設定される。
【０００７】
このエンジン制御系における伝達関数Ｔｏｒ／Ｔｏｒ´は、Ｔｏｒ／Ｔｏｒ´＝［（ｓＫ_PP＋Ｋ_IP）／Ｔ₂ ］／［ｓ² ＋（１＋Ｋ_PP）／Ｔ₂ ＋Ｋ_IP／Ｔ₂ ］なる関係で表わされる。但し、ここではスロットル制御１／１＋ｓＴ₁ における入力感度（ゲイン）は１としている。
【０００８】
ここで、エンジン制御系の一例としては、トルク出力指令信号Ｔｏｒ´に関する特性方程式［ｓ² ＋（１＋Ｋ_PP）／Ｔ₂ ＋Ｋ_IP／Ｔ₂ ］が零，√（Ｋ_IP／Ｔ₂ ）が角周波数ω_n ，（１＋Ｋ_PP）／Ｔ₂ が２ζω_n （但し、ζは定数）となって、且つ角周波数ω_n が約２．２，定数ζが約０．７程度となるように、時定数Ｔ₁ をＴ₁ ＝０．０３６秒，時定数Ｔ₂ をＴ₂ ＝１〜３秒とすると共に、ディザ信号値Ｋ_PP，Ｋ_IPをそれぞれ５とする構成が挙げられる。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
上述した従来のＰＩ制御を適用したエンジン・スロットル制御系を示すと図１９のような制御構成図になる。図１９において、２１はエンジン、２２はスロットルであり、スロットル２２はワイヤー２３、機械系に含まれる非線形要素であるアウター２４を介してアクチュエータ２５内のプーリー２５ａに巻回される。２５ｂはギャー、２５ｃはクラッチ、２５ｄはモータである。２７はプーリー２５ａに連結されたギャーで、このギャー２６はスロットル２２の開角度θを得るもので、得られた開角度θはコントローラ２７に入力される。コントローラ２７は後述の開角度指令値θ＊との偏差を得て、この偏差が零になるまで、ドライバ２８からモータ２５ｄの制御信号が送出される
２９はダイナモ３０とエンジン２１との間に設けられたトルク検出器で、このトルク検出器２９からのエンジントルクとエンジントルク指令値との偏差出力をＰＩ制御部３１に入力する。ＰＩ制御部３１の出力はスロットル開角度指令としてコントローラ２７に入力される。
【００１０】
上記のように構成されたエンジン・スロットル制御系の場合、スロットルバルブの開閉角度を制御するため、通常ＡＣサーボモータを用いてワイヤを介してスロットルバルブの開閉を行っている。このため、モータ側の回転角とスロットルバルブの開閉角との間に相対的なガタツキやヒステリシスが発生する他、エンジン特性においても時定数遅れ（一次遅れ系）が発生し、しかも機械系の摩擦により制御系が図２０に示すように不安定（ハンチング現象）になり、また制御系のゲインは実験的に調整しなければならない問題がある。
【００１１】
図１６は、上述したエンジン・スロットル制御系に対してトルク出力指令信号Ｔｏｒ´を０〜３０％のステップで変化させた場合の時間ｔ［ｓｅｃ／ｄｉｖ］に対するトルク出力制御信号Ｔｏｒの応答特性をシュミレーションによって推定した結果を示したものである。但し、ここでは制御対象における時定数Ｔ1 をＴ1 ＝０．０３６秒，時定数Ｔ₂ をＴ₂ ＝１秒とし、ディザ信号値Ｋ_PP，Ｋ_IPをそれぞれ５としている。
【００１２】
図１６からはＰＩ制御の場合、予め設定されたゲインに対してバックラッシュを零としたときの特性Ｃ１ではオーバシュートが存在していないが、バックラッシュを０．２としたときの特性Ｃ２ではかなりのオーバシュートが発生していることが判る。
【００１３】
又、図１７は予め設定されたゲインに対してバックラッシュを０．３としたときにエンジン特性が変動するものとして、時定数Ｔ₂ をＴ₂ ＝３秒とした同一条件下におけるトルク出力制御信号Ｔｏｒの応答特性をシュミレーションによって推定した結果を示したものである。尚、ここでは制御対象における時定数Ｔ₁ をＴ₁ ＝０．０３６秒とし、ディザ信号値Ｋ_PP，Ｋ_IPをそれぞれ５としている。
【００１４】
図１７からはＰＩ制御の場合、予め設定されたゲインに対し、バックラッシュを０．３としたときの特性Ｃ３では、時定数Ｔ₂ による補償を行ってもかなりのハンチングが発生していることが判る。
【００１５】
このように、従来のエンジン制御方法では構造上のガタツキやヒステリシスによる影響と共に、エンジン特性の時定数遅れ等の影響があると、ＰＩ制御を適用しても充分な補償制御を行うことができず、結果としてオーバシュートやハンチングを生じてしまうという問題がある。
【００１６】
本発明は、かかる問題点を解決すべくなされたもので、その技術的課題は、オーバシュートやハンチングの発生を安定性良く抑制し得るエンジン制御方法を提供することにある。
【００１７】
【課題を解決するための手段及び作用】
本発明によれば、スロットルアクチュエータを制御対象に含むエンジン制御方法において、前記スロットルアクチュエータのスロットル位置制御に対する入力感度を該スロットルアクチュエータのスライディングライン定数が零に向かうように可変制御するスライディングモード制御を行なうに当たり、
前記スライディングモード制御は、前記スロットル位置制御に関する位置指令と現行位置との間の誤差と該誤差を微分した微分誤差との関係を表わす位相平面における領域内で、スライディングライン定数が零よりも大きい領域にあるときには、スライディングライン定数が零よりも小さい領域に向かうようにスライディングライン定数を時間に関して微分した微分スライディングライン定数が「０」より小さくなるように制御を行ない、
また、スライディングライン定数が零よりも小さい領域にあるときには、スライディングライン定数が零よりも大きい領域に向かうように微分スライディングライン定数が「０」より大きくなるように制御を行なって、
前記スライディングライン定数が安定状態となるようにすることにより、該スロットル位置制御におけるガタツキ特性及びヒステリシス特性の補償を代用した誤差補償制御を行い、かつ、前記スライディングモード制御は、前記スロットル位置制御に対する入力感度を入力されるエンジンに関するエンジン出力指令と領域内における状態変数との間で規定することにより、前記誤差補償制御に伴って外乱から付加される付加信号を抑制するエンジン制御方法が得られる。
【００２０】
更に、本発明によれば、スライディングモード制御のゲインを調整してロバストな制御系を構成することができるようになる。
【００２１】
【実施例】
以下に実施例を挙げ、本発明のエンジン制御方法について、図面を参照して詳細に説明する。
【００２２】
最初に、本発明のエンジン制御方法の概要について簡単に説明する。このエンジン制御方法では、スロットルアクチュエータを制御対象に含むと共に、非線形制御系である従来のエンジン制御系に導入されたＰＩ制御に代えて、スロットルアクチュエータのスロットル位置制御に対する入力感度を、スロットルアクチュエータのスライディングライン定数が零に向かうように可変制御するスライディングモード制御を適用している。
【００２３】
そこで、このスライディングモード制御を簡単に説明する。一般にスロットルアクチュエータの如く所定の制御対象を位置制御する場合、位置指令Ｌ´と現行位置Ｌとの間には誤差ｅが存在し、これらの間には、ｅ＝Ｌ´−Ｌなる関係が成立する。このとき、誤差ｅを時間ｔに関して微分した微分誤差ｅ⁽¹⁾ ［＝ｄｅ／ｄｔ］と誤差ｅとの関係は、図１に示すような位相平面ψで表わされる。
【００２４】
この位相平面ψにおいて、（ｅ，ｅ⁽¹⁾ ）＝（０，０）を満たす点は定常誤差も無く、安定な状態となる。ここで、スライディングライン定数ｓをｓ＝ｃ・ｅ＋ｅ⁽¹⁾ ＝０に沿って漸近的に安定状態に向かうようにスロットル制御における入力感度を可変する制御（スライディングモード制御）が可能になる。
【００２５】
例えば図１に示す位相平面ψでスライディングライン定数ｓが零よりも大きい領域にあるときには、スライディングライン定数ｓが零よりも小さい領域に向かうような制御，即ち、スライディングライン定数ｓを時間ｔに関して微分した微分スライディングライン定数ｓ⁽¹⁾ ［＝ｄｓ／ｄｔ］がｓ⁽¹⁾ ＜０となるように制御を行えば、スライディングライン定数ｓが安定状態となる。
【００２６】
一方、位相平面ψでスライディングライン定数ｓが零よりも小さい領域にあるときには、スライディングライン定数ｓが零よりも大きい領域に向かうような制御，即ち、微分スライディングライン定数ｓ⁽¹⁾ がｓ⁽¹⁾ ＞０となるように制御を行えばスライディングライン定数ｓが安定状態となる。
【００２７】
従って、スライディングモード制御ではこれらの各条件を満たすように数１で表わされる制御を行う。
【００２８】
【数１】

【００２９】
図２は、本発明のエンジン制御方法を導入したエンジン制御装置の一例をブロック図により示したものである。
【００３０】
ここでは、入力されるエンジン出力指令の一要素であるトルク出力指令信号Ｔｏｒ´に対し、スライディング制御部５を介してスライディングライン定数ｓを補償制御することによって制御出力信号ｕを得ている。更に、この制御出力信号ｕに対してスロットル制御部２によりスライディングライン定数ｓ，及び時定数Ｔ₁ を補償することによってスロットルバルブ角度制御出力信号θm を得た後、この制御出力信号θm に対してヒステリシス特性設定部３を介してガタツキ，ヒステリシスを考慮した位置補償を行うことによって位置補償制御出力信号θs を得ている。引き続き、エンジン特性設定部４を介してスライディングライン定数ｓ及び時定数Ｔ₂ を補償することによりトルク出力制御信号Ｔｏｒを得ている。こうして得られたトルク出力制御信号Ｔｏｒは入力側に帰還され、トルク出力指令信号Ｔｏｒ´との間で合成処理される。
【００３１】
即ち、このエンジン制御系では、スロットル制御部２を一次遅れで近似（例えば、時定数Ｔ₁ は０．００３６秒）し、位置補償制御出力信号θs からトルク出力制御信号Ｔｏｒまでを一次遅れで近似（例えば、時定数Ｔ₂ は１秒）できるようにする。因みに、このエンジン制御系における制御出力信号ｕからトルク出力制御信号Ｔｏｒまでの伝達関数Ｔｏｒ／ｕは、Ｔｏｒ／ｕ＝［１／Ｔ₁ Ｔ₂ ｓ² ＋（Ｔ₁ ＋Ｔ₂ ）ｓ＋１］なる関係で表わされる。
【００３２】
ところで、上述したエンジン制御装置におけるヒステリシス特性設定部３を排除した上で、ガタツキ特性及びヒステリシス特性の補償を代用する誤差補償制御を行わせることもできる。図３は、このような誤差補償制御を行う他のエンジン制御装置におけるスライディング制御部に係る信号処理をブロック図により示したものである。そこで、この誤差補償制御処理について説明する。
【００３３】
先ず、上述した伝達関数Ｔｏｒ／ｕにおける状態変数ｘを仮定すれば、ｘ＝Ｔｏｒ＝［ｕ／Ｔ₁ Ｔ₂ ｓ² ＋（Ｔ₁ ＋Ｔ₂ ）ｓ＋１］で表わされるので、トルク出力制御信号Ｔｏｒを時間ｔに関して２階微分したＴｏｒ⁽²⁾ は、トルク出力制御信号Ｔｏｒを時間に関して微分したＴｏｒ⁽¹⁾ や制御出力信号ｕとの間でＴｏｒ⁽²⁾ ＝−（Ｔ₁ ＋Ｔ₂ ／Ｔ₁ Ｔ₂ ）・Ｔｏｒ⁽¹⁾−Ｔｏｒ／Ｔ₁ Ｔ₂ ＋Ｔ₁ Ｔ₂／ｕとなる。そこで状態変数ｘが可変された場合の状態変数ｙを新たに仮定し、ｙ＝Ｔｏｒ´−Ｔｏｒで表わされるとすると、状態変数ｙを時間ｔに関して微分したｙ⁽¹⁾ はｙ⁽¹⁾ ＝−Ｔｏｒ⁽¹⁾ ＝ｚとなり、更に状態変数ｚを時間ｔに関して微分したｚ⁽¹⁾ は、ｚ⁽¹⁾ ＝−Ｔｏｒ⁽²⁾ ＝（Ｔ₁ ＋Ｔ₂ ／Ｔ₁ Ｔ₂ ）・Ｔｏｒ⁽¹⁾ ＋Ｔｏｒ／Ｔ₁ Ｔ₂ −Ｔ₁ Ｔ₂ ／ｕ＝−（Ｔ₁ ＋Ｔ₂ ／Ｔ₁ Ｔ₂ ）ｚ−（ｙ−Ｔｏｒ´／Ｔ₁ Ｔ₂ ）−ｕ／Ｔ₁ Ｔ₂ となる。従って、誤差補償制御は数２のように表わされる。
【００３４】
【数２】

【００３５】
但し、ここではΦを制御パラメータ，Ｋf をディザ信号値とした場合、制御出力信号ｕがｕ＝Φ・ｙ＋Ｋ_f ・ｓｉｇｎ（ｓ）なる関係で表わされ、ｃをパラメータとした場合、スライディングライン定数ｓはｓ＝ｃ・ｙ＋ｚなる関係で表わされるものとしている。仮に制御パラメータΦがα，βなる要素から成り、αがｓ・ｙ＞０，βがｓ・ｙ＜０であると、ｓ＝０のときにはｚ＝−ｃｙ（但し、ｃ＞０とする）となる。従って、α，βを決定するために数３で表わされるスライディングモード制御の条件を考慮し、スライディングモード制御の条件を満たすように制御パラメータΦを状態に応じて切り換えれば良いことになる。
【００３６】
【数３】

【００３７】
ここで、微分スライディングライン定数ｓ⁽¹⁾ を算出する際、上述したｕ＝Φ・ｙ＋Ｋ_f・ｓｉｇｎ（ｓ）を代入すると、ｓ⁽¹⁾ ＝ｄｚ／ｄｔ＋ｃ・ｄｙ／ｄｔ＝ｓ［ｃ−（Ｔ₁ ＋Ｔ₂ ）／（Ｔ₁ Ｔ₂ ）］−ｙ［ｃ² ＋１／Ｔ₁ Ｔ₂ −ｃ（Ｔ₁ ＋Ｔ₂ ）／（Ｔ₁ Ｔ₂ ）＋Φ／Ｔ₁ Ｔ₂］−Ｋ_f ・ｓｉｇｎ（ｓ）／Ｔ₁ Ｔ₂＋Ｔｏｒ´／Ｔ₁ Ｔ₂ となる。即ち、ｓ・ｓ⁽¹⁾ をｓ・ｓ⁽¹⁾＝ｓ²［ｃ−（Ｔ₁＋Ｔ₂ ）／（Ｔ₁ Ｔ₂ ）］−ｙｓ［ｃ² ＋１／Ｔ₁Ｔ₂ −ｃ（Ｔ₁＋Ｔ₂）／（Ｔ₁ Ｔ₂ ）＋Φ／Ｔ₁ Ｔ₂ ］−ｓ・［Ｋ_f ・ｓｉｇｎ（ｓ）−Ｔｏｒ´］／Ｔ₁ Ｔ₂ として得ることができる。因みに、図４はこうした信号処理を更に具体的なブロック図により示したものである。
【００３８】
即ち、この信号処理において、ｓ・ｓ⁽¹⁾ ＜０の条件を満足させるためには、第１にｃ＞０のときにはｃ＜（Ｔ₁ ＋Ｔ₂ ）／（Ｔ₁ Ｔ₂ ）なる関係を満足させ、第２にｙｓ≧０のときにはΦ＝α＞ｃ（Ｔ₁＋Ｔ₂）−Ｔ₁ Ｔ₂ｃ²−１であって、ｙｓ＜０のときにはΦ＝β＜ｃ（Ｔ₁ ＋Ｔ₂ ）−Ｔ₁Ｔ₂ ｃ² −１である条件を満足させ、第３にディザ信号値Ｋ_f がトルク出力指令信号Ｔｏｒ´の絶対値における最大値よりも大きくなる条件を満足させれば良いことになる。
【００３９】
図５は、上述した信号処理を含むエンジン制御系におけるスライディングモード制御によってトルク出力指令信号Ｔｏｒ´を０〜３０％のステップで変化させると共に、バックラッシュを変えた場合の時間ｔ［ｓｅｃ／ｄｉｖ］に対するトルク出力制御信号Ｔｏｒの応答特性をシュミレーションによって推定した結果を示したものである。但し、ここでは制御対象における時定数Ｔ₁ がＴ₁ ＝０．０３６秒，時定数Ｔ₂ がＴ₂ ＝１．０秒，バックラッシュが０．２であって、制御パラメータΦにおけるαをα＝１３．２８（ｓ・ｙ＞０），βをβ＝−６．７２（ｓ・ｙ＜０）とし、パラメータｃをｃ＝５，ディザ信号値Ｋf をＫ_f ＝１．０としている。
【００４０】
図５からはこのスライディングモード制御の場合、バックラッシュを零としたときの特性Ｃ４，バックラッシュを０．２としたときの特性Ｃ５，バックラッシュを０．３としたとき（但し、この場合は時定数Ｔ₂ をＴ₂ ＝３秒としている）の特性Ｃ６の何れにおいても、オーバシュートやハンチングの影響が認められず、ロバストな制御を行い得ることが判る。
【００４１】
又、図６，図７，及び図８は、それぞれ上述した条件下の特性Ｃ４，Ｃ５，Ｃ６に関しての位相平面ψにおけるスライディング状態をシュミレーションによって推定した結果を示したものである。
【００４２】
図６からは、バックラッシュが零の場合、位相平面ψ＝ｙ−ｚ（ｅ−ｅ⁽¹⁾ ）においてスライディングライン定数ｓが零に向かって安定状態となるような特性Ｃ７を示すことが判り、又図７の特性Ｃ８や図８の特性Ｃ９においても、それぞれ位相平面ψ＝ｙ−ｚにおいてスライディングライン定数ｓが零に向かって安定状態となることが判る。
【００４３】
図９は、上述した信号処理を含むエンジン制御方法を導入したエンジン制御装置の他例をブロック図により示したものである。
【００４４】
このエンジン制御装置では、図２に示したものと比較してヒステリシス特性設定部３を排除してその機能を代用するスライディング制御部５´を設けている。このスライディング制御部５´では、入力側に帰還されるトルク出力制御信号Ｔｏｒから微分誤差ｅ₁ を得るために、時定数Ｔ₃ を選定してスライディングライン定数ｓに関する特性をｓ／１＋ｓＴ₃ なる関係で設定するスライディングライン定数設定部を備える他、パラメータ設定部，スライディングライン定数処理部，及び制御出力信号処理部を備えている。即ち、図９におけるスライディング制御部５´は、図４を参照して説明した信号処理を簡略的に行うものとして例示したものである。
【００４５】
一方、スライディング制御部５´では、制御出力信号ｕをｕ＝Φ・ｙ＋Ｋ_f ・ｓｉｇｎ（ｓ）なる関係で定め、制御パラメータΦを状態に応じて切り換えるようにしたが、上述した信号処理の場合、１／Ｔ₁ Ｔ₂ 項を残すためにＫ_f ・ｓｉｇｎ（ｓ）を要しているので、このＫ_f ・ｓｉｇｎ（ｓ）によってスライディングライン定数ｓ＝ｃ・ｙ＋ｚの符号次第でスライディングモード制御がディザ信号値Ｋf の正負に従って振られるチャタリングを誘発してしまう。
【００４６】
即ち、エンジン制御系において、外乱として付加されるディザ信号値Ｋ_f によりトルク出力指令信号Ｔｏｒ´が大きい場合を仮定すると、誤差補償制御はＴｏｒ´⁽²⁾ ＝Ｔｏｒ´⁽¹⁾ ＝０を満たす数４のように表わされる。
【００４７】
【数４】

【００４８】
ここで、ｙ＝Ｔｏｒ´−Ｔｏｒ，ｚ＝ｙ⁽¹⁾ ＝−Ｔｏｒ⁽¹⁾ ，ｚ⁽¹⁾ ＝−Ｔｏｒ⁽²⁾ であり、ｚ⁽¹⁾ ＝Ｔｏｒ⁽²⁾ ＝−Ｔｏｒ⁽¹⁾・（Ｔ₁＋Ｔ₂）／（Ｔ₁ Ｔ₂ ）−Ｔｏｒ／（Ｔ₁ Ｔ₂ ）−ｕ／（Ｔ₁ Ｔ₂ ）＝−Ｔｏｒ⁽¹⁾ ・（Ｔ₁ ＋Ｔ₂ ）／（Ｔ₁ Ｔ₂ ）−（Ｔｏｒ´−Ｔｏｒ）／（Ｔ₁ Ｔ₂ ）−ｕ／（Ｔ₁ Ｔ₂ ）＋Ｔｏｒ´／（Ｔ₁ Ｔ₂ ）となる。
【００４９】
そこで、誤差ｅをｅ＝Ｔｏｒ´−Ｔｏｒで考えると、Ｔｏｒ´⁽²⁾−Ｔｏｒ⁽²⁾＝−（Ｔｏｒ´⁽¹⁾ −Ｔｏｒ⁽¹⁾ ）（Ｔ₁ ＋Ｔ₂ ）／（Ｔ₁ Ｔ₂ ）−（Ｔｏｒ−Ｔｏｒ⁽¹⁾ ）／（Ｔ₁ Ｔ₂ ）＋（−ｕ＋Ｔｏｒ´）／（Ｔ₁ Ｔ₂ ）であるから、誤差ｅを時間で２階微分したｅ⁽²⁾ ［＝ｄ² ｅ／ｄｔ² ］は、ｅ⁽²⁾ ＝−ｅ⁽¹⁾ （Ｔ₁ ＋Ｔ₂ ）／（Ｔ₁ Ｔ₂ ）−ｅ／（Ｔ₁ Ｔ₂ ）−ｕ／（Ｔ₁ Ｔ₂ ）＋Ｔｏｒ´／（Ｔ₁ Ｔ₂ ）として表わされる。ここで、更に制御パラメータΦ，スライディングライン定数ｓ，及びディザ信号値Ｋf を考慮すれば、誤差ｅは以下の関係で表わされる。
【００５０】
即ち、ｅ［ｓ² ＋ｓ（Ｔ₁ ＋Ｔ₂ ）／（Ｔ₁ Ｔ₂ ）＋１／（Ｔ₁ Ｔ₂ ）］＝−［Φ・ｅ＋Ｋ_f ・ｓｉｇｎ（ｓ）＋Ｔｏｒ´／（Ｔ₁ Ｔ₂ ）］／（Ｔ₁ Ｔ₂ ）はｅ［ｓ² ＋ｓ（Ｔ₁ ＋Ｔ₂ ）／（Ｔ₁ Ｔ₂ ）＋（１＋Φ）／（Ｔ₁ Ｔ₂ ）］＝［Ｔｏｒ´−Ｋ_f ・ｓｉｇｎ（ｓ）］／（Ｔ₁ Ｔ₂ ）となり、誤差ｅはｅ＝［Ｔｏｒ´−Ｋ_f ・ｓｉｇｎ（ｓ）］／［Ｔ₁ Ｔ₂ ｓ² ＋（Ｔ₁ ＋Ｔ₂ ）ｓ＋１＋Φ］となる。
【００５１】
この誤差ｅはステップ状のトルク出力指令信号Ｔｏｒ´において数５のように表わされる。
【００５２】
【数５】

【００５３】
これによりトルク出力指令信号Ｔｏｒ´は、定常偏差を生じることが判る。こうした要因によるチャタリングは、スロットル位置制御に対する入力感度となる制御出力信号ｕをトルク出力指令信号Ｔｏｒ´とスライディングライン定数ｓを安定状態となるようにする位相平面ψにおける領域内の状態変数ｙとの間で規定し、誤差補償制御に伴って外乱から付加されるディザ信号値Ｋ_fを抑制することによって回避することができる。
【００５４】
即ち、このためには制御出力信号ｕをｕ＝Φｙ＋Ｔｏｒ´として得られるようにすれば良い。ここでは、上述したスライディングモード制御の条件を決定する項であるｓ・ｓ⁽¹⁾ がｓ・ｓ⁽¹⁾ ＝ｚ⁽¹⁾ ＋ｃｙ⁽¹⁾ ＝ｓ² ［ｃ−（Ｔ₁ ＋Ｔ₂ ）／（Ｔ₁ Ｔ₂ ）］−ｙｓ［ｃ² ＋１／（Ｔ₁ Ｔ₂ ）−ｃ（Ｔ₁ ＋Ｔ₂ ）／（Ｔ₁ Ｔ₂ ）＋Φ／（Ｔ₁ Ｔ₂ ）］−ｓ［（Ｔｏｒ´⁽¹⁾ −Ｔｏｒ´）／（Ｔ₁ Ｔ₂ ）］＝ｓ² ［ｃ−（Ｔ₁ ＋Ｔ₂ ）／（Ｔ₁ Ｔ₂ ）］−ｙｓ［ｃ² ＋１／（Ｔ₁ Ｔ₂ ）−ｃ（Ｔ₁ ＋Ｔ₂ ）／（Ｔ₁ Ｔ₂ ）＋Φ／（Ｔ₁ Ｔ₂ ）］となり、ディザ信号値Ｋ_f を必要としなくなる。
【００５５】
図１０は、このようなディザ信号値Ｋ_f を不要にした信号処理を含むエンジン制御方法を導入したエンジン制御装置の別例をブロック図により示したものである。
【００５６】
このエンジン制御装置では、図９に示したものと比較して制御出力信号処理部を変更したスライディング制御部５０を設けている。このスライディング制御部５０では、スライディングライン定数設定部，パラメータ設定部，及びスライディングライン定数処理部と、制御出力信号ｕをｕ＝Φｙとして設定した制御出力信号処理部とが備えられている。
【００５７】
最後に、このエンジン制御装置に対しても、このような信号処理を含むエンジン制御系におけるスライディングモード制御によってトルク出力指令信号Ｔｏｒ´を０〜３０％のステップで変化させると共に、ディザ信号値Ｋ_f を抑制しながら変えた場合の時間ｔ［ｓｅｃ／ｄｉｖ］に対するトルク出力制御信号Ｔｏｒの応答特性をシュミレーションによって推定したところ、図１１に示すような結果となった。但し、ここでは制御対象における時定数Ｔ₁ がＴ₁ ＝０．０３６秒，時定数Ｔ₂ が１．０秒，時定数Ｔ₃ が０．００１秒，バックラッシュが零であって、制御パラメータΦにおけるαをα＝１３．２８（ｓ・ｙ＞０），βをβ＝−６．７２（ｓ・ｙ＜０）とし、パラメータｃをｃ＝５としている。
【００５８】
図１１からはこのスライディングモード制御の場合、ディザ信号値Ｋ_f を零としたときの特性Ｃ１０，ディザ信号値Ｋ_f を１．０としたときの特性Ｃ１１，ディザ信号値Ｋ_f を０．２としたときの特性Ｃ１２を比較すると、特性Ｃ１１，Ｃ１２は同等に一致されたものとなり、特性Ｃ１０ではＴｏｒ´＞Ｋ_f となって定常偏差が発生していることが判る。
【００５９】
又、図１２，図１３，及び図１４は、それぞれ上述した条件下の特性Ｃ１０，Ｃ１１，Ｃ１２に関しての位相平面ψにおけるスライディング状態をシュミレーションによって推定した結果を示したものである。
【００６０】
図１２と図１３とからは、ディザ信号値Ｋ_fが零や１．０の場合、位相平面ψ＝ｙ−ｚにおいてスライディングライン定数ｓがチャタリングの抑制された条件下で零に向かってそれぞれ安定状態となる特性Ｃ１３，Ｃ１４を示すことが判る。又、図１４からは、ディザ信号値Ｋ_fが０．２の場合、位相平面ψ＝ｙ−ｚにおいてスライディングライン定数ｓがチャタリング無しの条件下で零に向かって安定状態となる特性Ｃ１５を示すことが判る。このように、ディザ信号値Ｋ_f を排除したり、或いはトルク出力指令信号Ｔｏｒ´をフィードフォワードすることによってチャタリングを抑制することができる。
【００６１】
上述した図１０において、スロットル制御系のエンジン特性をそれぞれ１次遅れ系で近似し、スライディングモード制御法を適用した設計を行った。この時、スライディンモード状態に拘束するため数６のように表す。
【００６２】
【数６】

【００６３】
数６の条件を満足するように、ｘ₁・ｓ＞０のとき、Φ＝α，ｘ₁・ｓ＜０のとき、Φ＝βｔｏゲインを切り換えている。この制御系のロバスト性を考えるときα＝ｃ（Ｔ₁＋Ｔ₂）−Ｔ₁Ｔ₂・ｃ²−１、β＝ｃ（Ｔ１＋Ｔ２）−Ｔ₁Ｔ₂・Ｃ²−１、における制御対象のパラメータＴ₁，Ｔ₂の変動幅を考えて、Ｔ_1min＜Ｔ₁＜Ｔ_1max、Ｔ_2min＜Ｔ₂＜Ｔ_2maxと限定できれば、次の数７のように設定すれば良い。
【００６４】
【数７】

【００６５】
しかし、エンジン特性は非常に非線形が強く、特性変動が激しい、例えば、エンジン特性のむだ時間や吸気圧系の時定数は状態量の１つであるエンジン回転数に依存するためその変動幅は１０倍に達すると言われている（参考文献：計測と制御Ｖｏｌ２５Ｎｏ１１エンジン制御を中心とした自動車における制御技術）また、エンジンの種類によりその特性が異なる。スライディングモード制御系のロバスト性はパラメータ変動幅を考慮してゲインを決定することにより生まれるが、変動幅が大きいと、ゲイン決定が困難になって来る。
【００６６】
そこで、スロットル制御系の特性の変動幅は小さいと考えられるので（スロットル制御系は速度制御ループに外乱オブザーバを組み込みノミナル値化することができる）、エンジン特性を１次遅れ系のモデルで同定するシステムを組み込むことにより、スライディングモード制御のゲイン決定方法を容易とすることが可能となる。
【００６７】
一般に、エンジン試験装置において、エンジン・スロットルバルブの開角度を直接検出することができない。そこで、スロットルアクチュエータの回転角θ_mからエンジントルクＴｅまでの伝達関数を１次遅れ系で近似し、図２１に示す最小二乗法を用いて同定する。差分法を用いて現された１次遅れ系は次の数８、数９で表される。
【００６８】
【数８】

【００６９】
【数９】

【００７０】
前記式において、アクチュエータ回転角θ_mに対し実際のエンジントルクをＴｅで表し、近似モデルの推定トルクを∧Ｔｅ（推定値には∧の記号を付す）とすると、その偏差ｅは数１０で表される。
【００７１】
【数１０】

【００７２】
ここで、エンジントルクのステップ応答を行い、アクチュエータ回転角θ_mとエンジントルクの定常状態に達する、ｉ＝１〜ｋ個のデータに関し最小二乗法を用いると偏差ｅ_i(n)は数１１のようになる。また、ｅは数１２のようになる。
【００７３】
【数１１】

【００７４】
【数１２】

【００７５】
偏差の二乗和は次の数１３のようになる。
【００７６】
【数１３】

【００７７】
最小二乗法は１次遅れ系伝達関数の係数Ｋにより数１３を最小とする係数を求めることである。同定するシステムが１次の場合、係数Ｋは１個であるので、スカラ量として計算すると次の数１４となる。
【００７８】
【数１４】

【００７９】
そのご、最小二乗法の条件である∂Ｓ／∂α＝０を求めることにより、αが掛かる項のみを考えて、αを次の数１５により決定する。
【００８０】
【数１５】

【００８１】
すなわち、α＝Ｔ／（Ｔｓ＋Ｔ）、Ｔ＝α／（１−α）より、１次遅れ系の時定数を決定することができる。
【００８２】
上記のように決定したシステム同定機構を組み込んだ実施例を示すと、図２２のようになる。図２２において、２２１は１次遅れ系、２２２は最小二乗法算出部（システム同定機構は１次遅れ系と最小二乗法算出部とで構成される）、２２３は最小二乗法算出部２２２の出力が供給されるスライディングゲイン調整機構である。スライディングゲイン調整機構２２３の出力はスライディングモード制御部に供給される。これにより、スライディングゲインがチューニングされることにより、ロバストな制御系を構成することができる。
【００８３】
図２２のように構成された実施例においては、エンジン特性の１次遅れ近似の時定数Ｔｚを用いてスライディングモード制御部のゲインΦを以下のように調整し、決定する。すなわち、Φを、
ｉｆｓｘ₁＞０のとき α＞ｃ（Ｔ₁＋Ｔ₂）−Ｔ₁Ｔ₂ｃ²−１
ｉｆｓｘ₁＜０のとき β＜ｃ（Ｔ₁＋Ｔ₂）−Ｔ₁Ｔ₂ｃ²−１
とする。このように調整したゲインΦをスライディングゲイン調整機構としている。
【００８４】
【発明の効果】
以上に述べた通り、本発明のエンジン制御方法によれば、従来のＰＩ制御に代えてスライディングモード制御を導入しているので、オーバシュートやハンチングを起こさずにロバストな制御を行い得るようになる。又、エンジン出力指令の定常偏差により生じるチャタリングを付加信号を抑制することによって回避できるようにしているので、極めて円滑にして高精度なスロットル制御が可能になる。更に、エンジン特性を１次遅れで近似し、スライディングモード制御を適用し、エンジン特性の変動、多種多用に対してシステム同定、チューニング機構を付加することにより、ロバスト性が増大し、ゲイン決定、調整の作業時間の短縮を図ることがきる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のエンジン制御方法に導入されたスライディングモード制御の概要を説明するために示した位置制御系における位相平面説明図である。
【図２】本発明のエンジン制御方法を導入したエンジン制御装置の一例を示したブロック図である。
【図３】図２に示すエンジン制御装置に備えられるヒステリシス特性設定部の補償処理を代用する誤差補償制御を行う他のスライディング制御部の信号処理を示したブロック図である。
【図４】図３に示す他のスライディング制御部に係る信号処理を詳細に示したブロック図である。
【図５】図４に示す信号処理を行う他のエンジン制御装置のエンジン制御系に対してトルク出力指令信号を変化させると共に、バックラッシュを変えた場合の時間に対するトルク出力制御信号の応答特性を推定したシュミレーションの結果を示した特性図である。
【図６】図４に示す信号処理を行う他のエンジン制御装置のエンジン制御系におけるバックラッシュを零としたときの位相平面におけるスライディング状態を推定したシュミレーションの結果を示した特性図である。
【図７】図４に示す信号処理を行う他のエンジン制御装置のエンジン制御系におけるバックラッシュを０．２としたときの位相平面におけるスライディング状態を推定したシュミレーションの結果を示した特性図である。
【図８】図４に示す信号処理を行う他のエンジン制御装置のエンジン制御系におけるバックラッシュを０．３としたときの位相平面におけるスライディング状態を推定したシュミレーションの結果を示した特性図である。
【図９】図４に示す信号処理を含むエンジン制御方法を導入した他のエンジン制御装置を示したブロック図である。
【図１０】ディザ信号値を不要にした信号処理を含むエンジン制御方法を導入した別のエンジン制御装置を示したブロック図である。
【図１１】図１０に示す信号処理を行う別のエンジン制御装置のエンジン制御系に対してトルク出力指令信号を変化させると共に、ディザ信号値を変えた場合の時間に対するトルク出力制御信号の応答特性を推定したシュミレーションの結果を示した特性図である。
【図１２】図１０に示す信号処理を行う他のエンジン制御装置のエンジン制御系におけるディザ信号値を零としたときの位相平面におけるスライディング状態を推定したシュミレーションの結果を示した特性図である。
【図１３】図１０に示す信号処理を行う他のエンジン制御装置のエンジン制御系におけるディザ信号値を１．０としたときの位相平面におけるスライディング状態を推定したシュミレーションの結果を示した特性図である。
【図１４】図１０に示す信号処理を行う他のエンジン制御装置のエンジン制御系におけるディザ信号値を０．２としたときの位相平面におけるスライディング状態を推定したシュミレーションの結果を示した特性図である。
【図１５】ＰＩ制御を適用した従来のエンジン制御装置を示したブロック図である。
【図１６】図１５に示す従来のエンジン制御装置のエンジン制御系に対してトルク出力指令信号を変化させた場合の時間に対するトルク出力制御信号の応答特性を推定したシュミレーションの結果を示した特性図である。
【図１７】図１６に示す同一条件下でバックラッシュ，時定数を変えた場合の時間に対するトルク出力制御信号の応答特性を推定したシュミレーションの結果を示した特性図である。
【図１８】従来のエンジン制御方法を示すブロック図である。
【図１９】ＰＩ制御を適用した従来のエンジンスロットル制御構成図である。
【図２０】機械系の摩擦により制御系がハンチングを発生する様子を示す特性図である。
【図２１】１次遅れ系と最小二乗法算出部を示すブロック図である。
【図２２】本発明の他の実施例を示すシステム同定機構を組み込んだ構成図である。
【符号の説明】
１…ＰＩ制御部
２…スロットル制御部
３…ヒステリシス特性設定部
４…エンジン特性設定部
５，５´，５０…スライディング制御部

Claims

スロットルアクチュエータを制御対象に含むエンジン制御方法において、
前記スロットルアクチュエータのスロットル位置制御に対する入力感度を該スロットルアクチュエータのスライディングライン定数が零に向かうように可変制御するスライディングモード制御を行なうに当たり、
前記スライディングモード制御は、前記スロットル位置制御に関する位置指令と現行位置との間の誤差と該誤差を微分した微分誤差との関係を表わす位相平面における領域内で、スライディングライン定数が零よりも大きい領域にあるときには、スライディングライン定数が零よりも小さい領域に向かうようにスライディングライン定数を時間に関して微分した微分スライディングライン定数が「０」より小さくなるように制御を行ない、
また、スライディングライン定数が零よりも小さい領域にあるときには、スライディングライン定数が零よりも大きい領域に向かうように微分スライディングライン定数が「０」より大きくなるように制御を行なって、
前記スライディングライン定数が安定状態となるようにすることにより、該スロットル位置制御におけるガタツキ特性及びヒステリシス特性の補償を代用した誤差補償制御を行い、かつ、前記スライディングモード制御は、前記スロットル位置制御に対する入力感度が入力されるエンジンに関するエンジン出力指令と前記領域内における状態変数との間で規定することにより、前記誤差補償制御に伴って外乱から付加される付加信号を抑制するものであることを特徴とするエンジン制御方法。
請求項１記載のエンジン制御方法において、スロットルアクチュエータのスロットル位置制御出力からエンジントルクの近似モデルを１次遅れ系として算出し、算出された近似モデルの推定トルクとエンジントルクとの偏差から最小二乗法を用いて１次遅れ系の同定を行うとともに前記スライディグモード制御のゲインを調整するようにしたことを特徴とするエンジン制御方法。