JP4242182B2 - 応答指定型制御を用いてプラントを制御する装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、応答指定型制御を用いて、外乱に対してロバストにプラントを制御する装置に関し、より具体的には、エンジンがアイドリング運転状態にある時またはトランスミッションが変速している時に、外乱に対してロバストにエンジン回転数を制御する装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
車両がアイドリング運転状態にあるとき、エンジン回転数をＰＩＤ制御により制御する手法が知られている。
【０００３】
また、車両が自動変速機で変速されている時、乗車員に不快感を与える変速ショックを低減する手法が提案されている（例えば、特許文献１を参照）。この手法によると、車速とアクセル開度から、駆動軸トルクの目標値を求める。該目標駆動軸トルクを与えるエンジントルクの目標値およびエンジン回転数の目標値が算出される。該エンジントルク目標値およびエンジン回転数目標値から、スロットル開度が決定される。決定されたスロットル開度に応じて、スロットル弁が調節される。
【０００４】
【特許文献１】
特許第３２０３６０２号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
従来の回転数制御では、アイドリング状態にあるときに負荷の急激な変動がエンジンにかかった場合、回転数を安定的に維持することができずに、エンジン停止を起こしやすかった。たとえば、マニュアルトランスミッションが採用されている車両が発進した時に、クラッチを急激に締結すると、エンジンが停止しやすい。
【０００６】
また、とりわけ自動マニュアルトランスミッション（自動ＭＴ）または自動トランスミッション（ＡＴ）が採用されている車両では、該トランスミッションの変速時において、十分な速応性をもった回転数同期制御が行われていなかった。そのため、トランスミッションの選択された変速比に適合した回転数を速やかに得られないおそれがあった。
【０００７】
したがって、アイドリング運転時およびトランスミッションの変速時の回転数同期制御において、高応答および高安定の制御が必要とされている。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
この発明の一つの側面によると、モデル化されたプラントを制御する制御装置は、プラントに印加される外乱を推定する推定器と、プラントの出力が目標値に収束するように、応答指定型アルゴリズムを用いてプラントへの入力を算出する制御ユニットとを備える。制御ユニットは、推定器によって推定された外乱推定値を含むように、プラントへの入力を算出する。この発明によれば、外乱推定値を含むようプラントへの入力が算出されるので、プラントに外乱が印加されたときに生じるプラントの出力とその目標値の間の定常偏差を、オーバーシュートを生じさせることなく収束させることができる。
【０００９】
この発明の一実施形態によると、外乱推定器は、逐次型同定アルゴリズムを用いて外乱を同定する適応外乱オブザーバである。逐次型同定アルゴリズムにより、外乱推定値を速やかかつ安定的に同定することができる。また、プラントの出力にノイズ等が混入した場合にも、逐次型同定アルゴリズムの統計処理効果により、該ノイズ等によって外乱推定値が変動することを防止することができる。
【００１０】
この発明の他の側面によると、制御装置は、さらに、プラントが有するむだ時間および外乱推定値に基づいて、プラントから出力される値を予測する状態予測器を備える。制御ユニットは、予測値がプラントの出力の目標値に収束するように、応答指定型制御アルゴリズムを用いて該プラントへの入力を算出する。この発明によると、状態予測器によってプラントのむだ時間が補償されるので、制御の速応性を高めることができる。
【００１１】
この発明の他の側面によると、プラントはエンジンである。エンジンは、該プラントへの入力が、該エンジンに吸入される空気量の目標値であり、該プラントの出力が、該エンジンの回転数であるようにモデル化される。この発明によれば、車両発進時のストールを抑制することができる。さらに、トランスミッションの変速時におけるエンジン回転数制御の速応性を向上させることができる。
【００１２】
この発明の一実施形態によると、制御装置は、モデル化されたプラントについて、エンジン回転数に基づくモデルパラメータを格納する記憶装置を備える。制御ユニットは、検出されたエンジン回転数に基づくモデルパラメータを、記憶装置から抽出する。抽出されたモデルパラメータを用いて、プラントへの入力が算出される。この発明によれば、様々なエンジン回転数において、安定性を損なうことなく、エンジン回転数制御の速応性を向上させることができる。
【００１３】
この発明の一実施形態によると、プラントへの入力は、車両を駆動するのに必要な車両駆動トルクの推定値に所定のゲインを乗じた値を含む。この発明の他の実施形態によると、プラントへの入力は、車両に搭載された機器を駆動するのに必要な機器駆動トルクの推定値に所定のゲインを乗じた値を含む。したがって、車両駆動トルクおよび（または）機器駆動トルクに起因する、プラントの出力とその目標値との偏差を収束させることができる。
【００１４】
この発明の他の実施形態によると、状態予測器は、さらに、車両を駆動するのに必要な車両駆動トルクに基づいて、予測値を算出する。また、状態予測器は、車両に搭載された機器を駆動するのに必要な機器駆動トルクに基づいて、予測値を算出する。したがって、車両駆動トルクおよび（または）機器駆動トルクに起因する、予測値とプラントの出力とその目標値との偏差を収束させることができる。
【００１５】
この発明の他の実施形態によると、制御ユニットは、さらに、車両駆動トルクに所定のゲインを乗じた値を前記プラントへの入力が含むように、該プラントへの入力を算出する。また、制御ユニットは、機器駆動トルクに所定のゲインを乗じた値を前記プラントへの入力が含むように、該プラントへの入力を算出することもできる。したがって、車両駆動トルクおよび（または）機器駆動トルクの変動に起因する、予測値と、プラントの出力の目標値との間の偏差を収束させることができる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
内燃機関および制御装置の構成
次に図面を参照してこの発明の実施の形態を説明する。図１は、この発明の実施形態による内燃機関（以下、「エンジン」という）およびその制御装置の全体的なシステム構成図である。
【００１７】
電子制御ユニット（以下、「ＥＣＵ」）という）１は、車両の各部から送られてくるデータを受け入れる入力インターフェース１ａ、車両の各部の制御を行うための演算を実行するＣＰＵ１ｂ、読み取り専用メモリ（ＲＯＭ）およびランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）を有するメモリ１ｃ、および車両の各部に制御信号を送る出力インターフェース１ｄを備えている。メモリ１ｃのＲＯＭには、車両の各部の制御を行うためのプログラムおよび各種のデータが格納されている。ＲＯＭは、ＥＥＰＲＯＭのような書き換え可能なＲＯＭでもよい。ＲＡＭには、ＣＰＵ１ｂによる演算のための作業領域が設けられる。車両の各部から送られてくるデータおよび車両の各部に送り出す制御信号は、ＲＡＭに一時的に記憶される。
【００１８】
エンジン２は、たとえば４気筒を備えるエンジンである。エンジン２には、燃焼室７を吸気管３に連通するための吸気弁５および燃焼室７を排気管４に連通するための排気弁６が各気筒ごとに設けられている。
【００１９】
吸気管３の上流側にはスロットル弁８が設けられている。スロットル弁８は、電子制御弁であり、ＥＣＵ１からの制御信号によって開度が制御される。スロットル弁８に連結されたスロットル弁開度センサ（θＴＨ）９は、スロットル弁８の開度に応じた電気信号を、ＥＣＵ１に供給する。
【００２０】
スロットル弁８の上流には、エアフローセンサ（ＡＦＳ）１０が設けられている。エアフローセンサ１０は、スロットル弁８を通過する空気量Ｇｔｈを検出し、それをＥＣＵ１に送る。エアフローセンサ１０は、ベーン式エアフローセンサ、カルマン渦式エアフローセンサ、および熱線式エアフローセンサ等であることができる。
【００２１】
吸気管圧力（Ｐｂ）センサ１１は、吸気管３のスロットル弁８の下流側に設けられている。Ｐｂセンサ１１によって検出された吸気管圧力Ｐｂは、ＥＣＵ１に送られる。
【００２２】
燃料噴射弁１２は、吸気管３の吸気弁５の少し上流側に各気筒毎に設けられている。燃料噴射弁１２は、燃料タンク（図示せず）から燃料の供給を受け、ＥＣＵ１からの制御信号に従って駆動される。
【００２３】
回転数（Ｎｅ）センサ１３は、エンジン２のカム軸またはクランク軸（共に図示せず）周辺に取り付けられる。Ｎｅセンサ１３は、たとえばピストンのＴＤＣ位置に関連したクランク角度で出力されるＴＤＣ信号パルスの周期よりも短いクランク角度（たとえば、３０度）の周期で、ＣＲＫ信号パルスを出力する。ＣＲＫ信号パルスは、ＥＣＵ５によってカウントされ、エンジン回転数Ｎｅが検出される。
【００２４】
ＥＣＵ１に向けて送られた信号は入力インターフェース１ａに渡され、アナログ−デジタル変換される。ＣＰＵ１ｂは、変換されたデジタル信号を、メモリ１ｃに格納されているプログラムに従って処理し、制御信号を生成する。出力インターフェース１ｄは、これらの制御信号を、燃料噴射弁１２、およびその他のアクチュエータに送る。
【００２５】
吸気管３に吸入された空気は、スロットル弁８を経由してチャンバ１４に充填される。吸気弁５が開くと、チャンバ１４に充填された空気がエンジン２の燃焼室７に供給される。燃料噴射弁１２を介して燃料が供給され、混合気は、燃焼室７内で点火装置によって点火される。
【００２６】
制御装置の全体的なブロック図
図２は、本発明の一実施例に従う制御装置の全体的なブロック図を示す。エンジントルク設定部２０、回転数フィードバック（ＦＢ）制御部２１、スイッチ２２および吸気量フィードバック（ＦＢ）制御部２３は、典型的にはコンピュータプログラムによって実現される。
【００２７】
エンジントルク設定部２０は、アクセルペダル開度、車速およびトランスミッションの変速比等に基づいて、メモリ１ｃに予め記憶されたマップを参照し、目標エンジントルクを決定する。エンジントルク設定部２０は、目標エンジントルクに必要な吸気量を、目標吸気量Gcyl_cmdとして算出する。
【００２８】
回転数ＦＢ制御部２１は、エンジン回転数NEをフィードバック制御する。回転数ＦＢ制御の制御対象（以下、プラントと呼ぶ）は、エンジン２である。制御入力は、目標吸気量Gcyl_cmdであり、制御出力は、エンジン回転数NEである。回転数ＦＢ制御部２１は、エンジン回転数NEが目標値に収束するように、目標吸気量Gcyl_cmdを算出する。
【００２９】
スイッチ２２により、車両が通常走行している時には、吸気量ＦＢ制御部２３がエンジントルク設定部２０に接続される。この場合、吸気量ＦＢ制御部２３では、エンジントルク設定部２０によって算出された目標吸気量Gcyl_cmdが用いられる。車両がアイドリング運転状態にある時、または車両のトランスミッションが変速中である時には、吸気量ＦＢ制御部２３は、回転数ＦＢ制御部２１に接続される。この場合、吸気量ＦＢ制御部２３では、回転数ＦＢ制御部２１によって算出された目標吸気量Gcyl_cmdが用いられる。
【００３０】
吸気量ＦＢ制御部２３は、エンジンのシリンダに吸入される空気量Gcylをフィードバック制御する。プラントは吸気管３である。制御入力は、スロットル開度の目標値THcmdであり、制御出力は、エンジンに吸入される空気量Gcylである。吸気量ＦＢ制御部２３は、吸気量Gcylが目標値Gcyl_cmdに収束するように、目標スロットル開度THcmdを算出する。スロットル弁８は、目標スロットル開度THcmdに従って、ＥＣＵ１により制御される。
【００３１】
このように、車両がアイドリング運転状態にある時、またはトランスミッションが変速中である時は、回転数NEを目標値に収束するための吸気量が目標吸気量として設定される。したがって、アイドリング中におけるエンジンのストールを抑制することができる。また、トランスミッションの変速中における回転数を安定かつ高速に目標値に収束させることができる。
【００３２】
本明細書では、最初に吸気量ＦＢ制御を説明し、次に回転数ＦＢ制御を説明する。
【００３３】
１．吸気量フィードバック制御
１．１ 吸気動特性のモデル化
まず、吸気管３の吸気動特性をモデル化する手法を説明する。吸気管３を、入力をTHcmd、出力をGcylとしたモデルで表す。
【００３４】
各サイクルにおける各シリンダへの吸入空気量Gcyl’は、既知の気体状態方程式から式（１）のように表すことができる。Kηc’はインマニの充填効率(%)であり、Pbは吸気管内の圧力（Pa）であり、Vcylはシリンダの容積（ｍ３）であり、Tcylはシリンダ内の温度（K）であり、Ｒは気体定数（m3・Pa/g・K）であり、ｎはサンプリングサイクルを識別する識別子である。
【００３５】
【数１】
【００３６】
直列型４気筒エンジンの場合、エンジンが１回転するたびに吸気が２回実施されるので、単位時間あたりのシリンダに流入する空気量Gcylは、式（２）のように表される。ＮＥはエンジン回転数（rpm）であり、ｋはサンプリングサイクルを識別する識別子である。Fcylは、回転数NEの関数である。
【００３７】
【数２】
【００３８】
一方、チャンバ１４内の充填される空気量ΔＧｂは、式（３）で表される。
【００３９】
【数３】
【００４０】
チャンバ１４について、気体状態方程式（４）から、式（５）が導かれる。Pb、Vb、Tbは、それぞれ、吸気管の圧力（Pa）、体積（m3）および温度（K）である。Ｒは、前述した気体定数である。
【００４１】
【数４】
【００４２】
式（５）を式（３）に代入すると、式（６）が得られる。式（６）は、吸気量Gcylを、吸気管内圧力Pbの関数として表したものである。Ｔは、サンプリング周期を示す。
【００４３】
【数５】
【００４４】
式（６）のPbをGcylを用いて表すようにするため、式（６）に式（２）を代入して式（７）を導く。式（７）は、Gthを入力とした吸気動特性モデルを表している。
【００４５】
【数６】
【００４６】
一方、スロットル弁を通過する空気量Gthとスロットル開度THの関係は、式（８）によって表すことができる。Pcは、スロットル弁の上流の圧力（Pc）である。Fthは、スロットル弁の有効開度当たりの流量(g/deg)を示し、スロットル弁の下流の圧力Pb（すなわち、吸気管圧力）およびスロットル弁の上流の圧力Pcに応じて決定される。式（８）を式（７）に代入すると、式（９）が得られる。式（９）は、スロットル弁の開度THを入力とした吸気動特性モデルを表す。
【００４７】
【数７】
【００４８】
さらに、電子制御スロットル弁の目標スロットル開度THcmdと実開度THとの関係を、式（１０）のように近似することができる。式（１０）は、むだ時間dthを有する一次遅れ系である。むだ時間dthは、主に、スロットル弁を操作するのに要する電気的な通信により生ずる。式（１０）を式（９）に代入すると、式（１１）が得られる。
【００４９】
【数８】
【００５０】
式（９）から、TH(k-1)をGcyl(k-1)およびGcyl(k-2)で表すことができる。このTH(k-1)を式（１１）に代入すると、式（１２）が得られる。式（１２）が、入力として目標スロットル開度THcmd、出力として吸気量Gcylを持つ吸気動特性のモデル式である。
【００５１】
【数９】
【００５２】
モデルパラメータAair1、Aair2およびBair1は、回転数NE、吸気管圧力Pbおよびスロットル弁上流の圧力Pcに応じて変動する値FcylおよびFthを含む。回転数NEおよびスロットル開度THに基づくモデルパラメータを、マップとして予めメモリ１ｃに記憶しておくことができる。代替的に、制御装置に同定器を設けて該モデルパラメータを同定してもよい。
【００５３】
１．２ 一般化予測制御（ＧＰＣ）の適用の問題点
本発明では、予見制御アルゴリズムを用いて吸気量フィードバック制御を実現する。予見制御に類似した制御手法として、一般化予測制御（以下、ＧＰＣと呼ぶ）が知られている（ＧＰＣを、予見制御のカテゴリに含める場合もある）。しかしながら、従来のＧＰＣを単に用いるだけでは、実現可能な吸気量フィードバック制御部２３を構成することができない。その理由を、まず説明する。
【００５４】
式（１２）で表される吸気動特性モデルは、式（１３）のように表される。ここで、むだ時間dthの値を「２」と仮定する。
【００５５】
【数１０】
【００５６】
式（１３）を状態空間表現で表すと、式（１４）を得る。
【００５７】
【数１１】
【００５８】
Δ＝１−Ｚ-1と定義される差分演算子Δを導入し、式（１５）で示される拡大系を定義する。拡大系では１行成分が付加されているが、これは、定常偏差を抑制する積分項を導出するためである。
【００５９】
【数１２】
【００６０】
ＧＰＣは、時点ｋから時点（ｋ＋M）までのＭ区間において、制御量Gcylを目標値Gcyl_cmdに収束させる制御手法である。そこで、式（１６）に示されるような評価関数JGを定義する。Ｈは、重みパラメータ（＞０）である。
【００６１】
【数１３】
【００６２】
評価関数JGを最小とする制御入力ΔTHcmdを、最適性の原理を用いて求めることができる。制御入力ΔTHcmdは、式（１８）のRiccati方程式の解Ｐを用いて、式（１７）のように表される。
【００６３】
【数１４】
【００６４】
【数１５】
【００６５】
式（１９）のような初期条件を定めることにより、ＰおよびＤを逐次的に求めることができる。
【００６６】
【数１６】
【００６７】
Ｍ＝１の場合（１ステップ先の目標値が使用可能な場合）、式（１６）は式（２０）のように表され、式（１７）は式（２１）のように表される。
【００６８】
【数１７】
【００６９】
式（２１）のX’(k)およびGcyl_cmd(k+1)のフィードバック係数を具体的に計算する。
【００７０】
【数１８】
【００７１】
このように、従来のＧＰＣを実行するだけでは、むだ時間が存在することによってＧおよびＧ’ベクトルの１行目の成分がゼロの場合、実行可能な吸気量ＦＢ制御部２３を構成することができない。
【００７２】
１．３ 吸気量ＦＢ制御部の構成
図３は、本発明の一実施形態に従う、吸気量ＦＢ制御部２３の構成を示す。本願発明では、このように吸気量ＦＢ制御部２３を構成することによって、予見制御を用いた実行可能な吸気量フィードバック制御を実現する。
【００７３】
吸気量ＦＢ制御部２３は、適応外乱オブザーバ３１、状態予測器３２、制御ユニット３３を備える。適応外乱オブザーバ３１は、吸気管３に印加される外乱の推定値γ１を同定する。状態予測器３２は、外乱推定値γ１を用いて、プラントである吸気管３の出力の予測値Pre_Gcylを算出する。制御ユニット３３は、予測値Pre_Gcylを用いた予見制御アルゴリズムにより、プラントへの制御入力である目標スロットル開度THcmdを算出する。制御入力THcmdには、外乱推定値γ１に所定のゲインを乗じた値が含まれる。予測値Pre_Gcylを目標値に収束させることにより、プラントの出力Gcylを該目標値に収束させることができる。
【００７４】
上記のＧおよびＧ’ベクトルの１行目成分がゼロにされてしまうという問題は、状態予測器３２を導入することによって防止することができる。状態予測器３２について説明する。
【００７５】
電子制御スロットル弁に起因するむだ時間dthを補償するのに必要な値はGcyl(k+dth-1)であるので、吸気動特性モデル式（１３）を、(dth-1)ステップだけ未来にシフトする。
【００７６】
【数１９】
【００７７】
式（２３）は、観測不可能な未来値Gcyl(k+dth-2)およびGcyl(k+dth-3)を含んでいるので、これらの未来値を消去する。消去は、以下に示すような再帰的な計算によって求めることができる。式（２４）は、吸気量Gcylの予測式を表す。
【００７８】
【数２０】
【００７９】
ＧＰＣは、最適性の原理を用いた制御理論であるが、モデル化誤差および予測誤差を考慮した設計がなされていないため、これらに対するロバスト性が十分ではない。そこで、予測式（２４）に、モデル化誤差および予測誤差を補償するための外乱推定値γ１を含める。式（２５）が、状態予測器３２によって実行される、予測値Pre_Gcylを求めるための式である。
【００８０】
【数２１】
【００８１】
状態予測器３２によって予測値を算出することにより、むだ時間が補償され、よって吸気量制御の速応性を高めることができる。また、予測値に外乱推定値γ１を含めることにより、制御対象である吸気管の出力Gcylと予測値Pre_Gcylの間の定常偏差を解消することができる。
【００８２】
外乱推定値γ１は、適応外乱オブザーバ３１によって同定される。式（２６）は、適応外乱オブザーバ３１によって実行される、外乱推定値γ１を求めるための式である。
【００８３】
【数２２】
【００８４】
式（２６）から明らかなように、適応外乱オブザーバ３１は、現在のサイクルに対する予測値Gcyl_hat(k)を算出する（算出方法は、予測式（２５）と同様である）。さらに、適応外乱オブザーバ３１は、予測値Gcyl_hat(k)と実際に検出された値Gcyl(k)との偏差e_dovを算出する。その後、逐次型同定アルゴリズムを用い、偏差e_dovを無くすように外乱推定値γ１が算出される。逐次型同定アルゴリズムを用いることにより、外乱推定値を速やかかつ安定的に同定することができる。また、制御対象である吸気管３の出力にノイズが混入した場合でも、逐次型同定アルゴリズムの統計処理効果により、該ノイズによって外乱推定値が変動することを防止することができる。
【００８５】
λ１およびλ２は重みパラメータである。λ１＝１およびλ２＝１の場合は、最小２乗法、λ１＜１およびλ２＝１の場合は重み付き最小２乗法、λ１＝１およびλ２＝０の場合は固定ゲイン法、λ１１およびλ２＜１の場合は漸減ゲイン法となる。
【００８６】
次に、制御ユニット３３について説明する。予測式（２５）を１ステップだけ未来へシフトし、さらに、未来値を含むよう変換すると、式（２７）が得られる。未来値を含める該変換は、式（２３）から式（２４）への変換処理の逆を行えばよい。
【００８７】
【数２３】
【００８８】
Δ＝１−Ｚ-1と定義される差分演算子Δを導入し、式（２８）のような拡大系を定義する。Egcは、実際の吸気量Gcylと目標値Gcyl_cmdの偏差である。拡大系において１行成分を付加するのは、定常偏差を抑制する積分項を導出するためである。また、外乱の変動は一定していると仮定する（すなわち、Δγ１(k)＝Δγ1(k+1)）。
【００８９】
【数２４】
【００９０】
評価関数JSGを定義する。目標予見段数をNrで表し、外乱予見段数をNdで表すと、評価関数JSGは、N=Max（Nr，Nｄ）を用いて定義される。目標予見段数Nrは、前述した区間Ｍと同じであり、目標値Gcyl_cmdについて、どの区間の未来値を使うかを規定する。外乱予見段数Ndは、適応外乱オブザーバ３１によって算出された外乱推定値γ１について、どの区間の未来値を使うかを規定する。本実施例では、Ndはゼロであり、Nrは１である。したがって、Nは１である。評価関数JSGを、式（２９）に示す。
【００９１】
【数２５】
【００９２】
評価関数JSGを最小とする制御入力ΔTHcmdを、最適性の原理を用いて求めることができる。式（３１）で示されるRiccati方程式の解Πを用いると、制御入力ΔTHcmdは式（３０）のように表される。
【００９３】
【数２６】
【００９４】
【数２７】
【００９５】
式（３２）の初期条件に基づいて式（３０）を解く。N=1（すなわち、Nr=1およびNd=0）の場合、式（３３）が得られる。
【００９６】
【数２８】
【００９７】
【数２９】
【００９８】
式（３３）のフィードバック係数Fx、Fdおよびフィードフォワード係数Frを具体的に計算する。
【００９９】
【数３０】
【０１００】
N=1の場合の制御入力ΔTHcmdは、式（３３）および（３４）に基づいて算出されることができる。
【０１０１】
【数３１】
【０１０２】
式（３５）は、差分ΔTHcmdを算出する式である。式（３５）を積分して、制御入力THcmdを算出する。
【０１０３】
【数３２】
【０１０４】
Gcyl(0+dth-1)〜Gcyl(0)、Gcyl_cmd(0+dth)〜Gcyl_cmd(0)、γ1(0)およびTHcmd(0)の初期値をゼロとすると、式（３６）は式（３７）のように表される。
【０１０５】
【数３３】
【０１０６】
式（３７）は、現時点ｋでは観測不可能な未来値Gcyl(k+dth-1)およびGcyl(k+dth-2)を含んでいる。これらの値の代わりに、状態予測器３２によって算出された予測値Pre_Gcyl(k)およびPre_Gcyl(k-1)を用いる。式（３８）は、制御ユニット３３によって実行される式である。こうして、制御ユニット３３によって、制御入力THcmd(k)が生成される。
【０１０７】
【数３４】
【０１０８】
制御入力THcmdには外乱推定値γ１のフィードバック項が含まれるので、外乱が印加されることによって生じる吸気量Gcylと目標値Gcyl_cmdの偏差を速やかに収束させることができる。また、制御入力THcmdには、目標値のフィードフォワード項Gcyl_cmd(k+dth)が含まれているので、吸気量Gcylの目標値Gcyl_cmdに対する追従速度を向上させることができる。
【０１０９】
１．４ 吸気量ＦＢ制御のシミュレーション結果
図４は、本願発明の一実施例に基づく吸気量ＦＢ制御のシミュレーションで用いられた仮想の制御対象モデルを示す。仮想制御対象は、式（１３）のモデル式に基づく構造を有している。制御入力は、時間dthだけ遅延された目標スロットル開度THcmd(k-dth)である。制御出力は吸気量Gcyl(k)である。１サイクル前の吸気量Gcyl(k-1)および２サイクル前の吸気量Gcyl(k-2)が、フィードバックされる。
【０１１０】
シミュレーションは、仮想制御対象に３つの外乱を加えることができるよう構成される。図４には、入力外乱ｄ１、状態量外乱ｄ２および出力外乱ｄ３が示されている。入力外乱ｄ１には、たとえばスロットル弁の挙動のバラツキが含まれる。状態量外乱ｄ２には、たとえばモデル化誤差が含まれる。出力外乱ｄ３には、たとえばセンサのノイズが含まれる。
【０１１１】
表１に、シミュレーションで実施されたケースＧ−１〜Ｇ−５の条件を示す。
【０１１２】
【表１】
【０１１３】
ケースＧ−１では、外乱は全く加えられない。状態予測器３２および制御ユニット３３では、外乱推定値γ１を使用して、予測値Pre_Gcylおよび目標スロットル開度THcmdがそれぞれ算出される。図５は、ケースＧ−１におけるシミュレーション結果を示す。外乱が無いので、予測値Pre_Gcylと実吸気量Gcylとの間に偏差は無い。制御ユニット３３は、オーバーシュートを生じさせることなく、吸気量Gcylを目標値Gcyl_cmdに追従させることができる。
【０１１４】
ケースＧ−２では、外乱ｄ１〜ｄ３が加えられ、状態予測器３２および制御ユニット３３の両方で、外乱推定値γ１が用いられない。図６は、ケースＧ−２におけるシミュレーション結果を示す。外乱によって予測値Pre_Gcylと実吸気量Gcylの間に定常偏差が生じる。制御ユニット３３は、予測値Pre_Gcylに基づいて制御入力THcmdを算出するので、吸気量Gcylを目標値Gcyl_cmdに収束させることができない。
【０１１５】
ケースＧ−３では、外乱ｄ１〜ｄ３が加えられ、予測器３２では外乱推定値γ１が用いられるが、制御ユニット３３では外乱推定値γ１が用いられない。図７は、ケースＧ−３におけるシミュレーション結果を示す。外乱によって生じた、Pre_GcylとGcylの間の定常偏差が、予測器３２によって解消されている。そのため、制御器３３は、吸気量Gcylを目標値Gcyl_cmdに収束させることができる。しかしながら、制御入力THcmdに、外乱推定値γ１に基づくフィードバック項が含まれないので、収束速度が比較的遅い。
【０１１６】
ケースＧ−４では、外乱ｄ１〜ｄ３が加えられ、予測器３２および制御ユニット３３の両方で、外乱推定値γ１が用いられる。ケースＧ−４は、図３を参照して説明した本願発明の好ましい実施例に対応する。図８は、ケースＧ−４におけるシミュレーション結果を示す。図７と比較して明らかなように、吸気量Gcylと目標値Gcyl_cmdの偏差が収束するのに要する時間が飛躍的に短くなっている。
【０１１７】
ケースＧ−５では、外乱ｄ１〜ｄ３が加えられ、予測器３２よび制御ユニット３３の両方で、外乱推定値γ１が用いられる。しかしながら、制御入力THcmdには、目標値のフィードフォワード項Gcyl_cmd(k+dth)が含まれない。図９は、ケースＧ−５におけるシミュレーション結果を示す。図８と比較して明らかなように、吸気量Gcylの目標値Gcyl_cmdに対する追従速度が遅くなっている。これは、制御入力THcmdに含まれる偏差（GcylとGcyl_cmd）の項が積分項（Pre_Egc項）のみであるためである。このように、目標値フィードフォワード項を制御入力に含めることにより、吸気量Gcylの目標値Gcyl_cmdに対する追従性を向上させることができる。
【０１１８】
ここで、制御モデルがむだ時間を持たないケースを考察する。この場合、状態予測器３２を含めなくてもよく、吸気量Gcylを制御するための吸気動特性モデルは、式（３９）のように表されることができる。
【０１１９】
【数３５】
【０１２０】
むだ時間が存在しないので、適応外乱オブザーバ３１によって実行される式（２６）は、式（４０）によって表される。
【０１２１】
【数３６】
【０１２２】
むだ時間が存在しないので、制御ユニット３３によって実行される式（３８）は、式（４１）によって表される。
【０１２３】
【数３７】
【０１２４】
このようなモデルがむだ時間を含まないケースについて、表２に示されるようなシミュレーションを行った。
【０１２５】
【表２】
【０１２６】
ケースＧ−６では、外乱ｄ１〜ｄ３が加えられ、制御ユニット３３が、外乱推定値γ１を用いて目標スロットル開度THcmdを算出する。制御入力THcmdには、目標値のフィードフォワード項Gcyl_cmd(k+dth)が含まれる。図１０は、ケースＧ−６におけるシミュレーション結果を示す。
【０１２７】
ケースＧ−７では、外乱ｄ１〜ｄ３が加えられ、制御ユニット３３が、外乱推定値γ１を用いずに、目標スロットル開度THcmdを算出する。制御入力THcmdには、目標値のフィードフォワード項Gcyl_cmd(k+dth)が含まれる。図１１は、ケースＧ−７におけるシミュレーション結果を示す。
【０１２８】
図１２において、図１０（ケースＧ−６）のGcylの挙動と図１１（ケースＧ−７）のGcylの挙動とが比較されている。前者の方が、後者よりも収束性が良いことがわかる。このように、制御ユニット３３において、外乱推定値γ１を用いて制御入力THcmdを算出することにより、制御量Gcylの目標値Gcyl_cmdに対する収束性を高めることができる。
【０１２９】
前述した実施形態においては、外乱を推定するのに、逐次型同定アルゴリズムを用いる適応外乱オブザーバが用いられている。代替的に、所定のマップ等を参照することによって外乱を推定する他の適切な推定器を用いてもよい。
【０１３０】
また、前述した実施形態においては、吸入空気量を制御する弁としてスロットル弁が用いられている。代替的に、吸入空気量を制御する他の弁、たとえばバイパス弁等を用いてもよい。
【０１３１】
２．回転数フィードバック制御
２．１ エンジンのモデル化
まず、エンジン２をモデル化する手法を説明する。エンジン２を、入力を吸気量Gcyl、出力を回転数NEとしたモデルで表す。
【０１３２】
エンジンの慣性系の運動方程式は、式（４２）で表される。Iengはエンジンの慣性モーメント（kgm2）であり、Kneはエンジンのフリクション係数であり、NEは、エンジン回転数（rad/秒）である。Tengはエンジンのトルク（Nm）であり、Tloadは、車両に搭載されたエアーコンディショナーや発電機等の電装部品を駆動するための機器駆動トルク（Nm）であり、Tdrvは、車両の駆動系に配分される、車両を駆動するためのトルク（Nm）である。ｔは、時間を示す。
【０１３３】
【数３８】
【０１３４】
エンジントルクTengは、式（４３）のように表される。Ktrqは、トルク係数であり、エンジン回転数NE、エンジンの点火時期IG、および当量比（空燃比の逆数）λに応じて決定される。Gcylは、エンジンに吸入される空気量(g)である。
【０１３５】
【数３９】
【０１３６】
式（４３）を式（４２）に代入すると、式（４４）が得られる。式（４４）は、吸気量Gcylを入力とした回転数NEの一次遅れ系を表している。外乱項として、”-(Tload+Tdrv)/Ieng”が付加されている。
【０１３７】
【数４０】
【０１３８】
式（４４）を離散時間系に変換し、式（４５）を得る。Ｔはサンプリング周期を示し、ｋはサンプリングサイクルを識別する識別子である。式（４５）が、エンジン慣性系のモデル式である。
【０１３９】
【数４１】
【０１４０】
モデルパラメータAne、BneおよびCneは、回転数NEおよびスロットル開度THに応じて変化する。回転数NEおよびスロットル開度THに基づくモデルパラメータを、マップとして予めメモリ１ｃに記憶しておくことができる。代替的に、制御装置に同定器を設けて該モデルパラメータを同定してもよい。
【０１４１】
２．２ 回転数ＦＢ制御部の構成
図１３は、本願発明の一実施形態に従う回転数ＦＢ制御部２１のブロック図を示す。回転数ＦＢ制御部２１は、適応外乱オブザーバ４１、状態予測器４２、および制御ユニット４３を備える。適応外乱オブザーバ４１および状態予測器４２は、吸気量ＦＢ制御部２１について図３に示されるものと同様の構成を有する。
【０１４２】
適応外乱オブザーバ４１は、エンジン２に印加される外乱の推定値δneを同定する。状態予測器４２は、外乱推定値δneに基づいて、プラントであるエンジンの出力（すなわちエンジン回転数）の予測値Pre_NEを算出する。制御ユニット４３は、予測値Pre_NEを用いた応答指定型制御により、プラントへの制御入力である目標吸気量Gcyl_cmdを算出する。制御入力Gcyl_cmdには、外乱推定値δneに所定のゲインが乗算された値が含まれる。予測値Pre_NEを目標値に収束させることにより、プラントの出力NEを目標値に収束させることができる
まず、状態予測器４２について説明する。図２を参照して説明したように、回転数ＦＢ制御部２１は、吸気量ＦＢ制御部２３の上流に位置づけられる。吸気管３の吸気動特性にはむだ時間が含まれるが、これを回転数ＦＢ制御と吸気量ＦＢ制御の両方で補償すると干渉が起こる。したがって、吸気管３が有するむだ時間を吸気量ＦＢ制御部２３によって補償し、回転数ＦＢ制御部２１からは、吸気管３をむだ時間要素とみなす。その結果、回転数ＦＢ制御部２１からは、Gcyl_cmd(k-dth)=Gcyl(k)と見える。言い換えると、回転数ＦＢ制御部２１からは、Gcyl_cmdの算出からむだ時間dth後に、吸気量Gcylがエンジンに吸入されるように見える。したがって、式（４５）のエンジン慣性系のモデル式は、式（４６）のように表すことができる。ここで、外乱Tdは、TloadとTdrvの和を示す。
【０１４３】
【数４２】
【０１４４】
むだ時間dthを補償するためには、制御出力NE(k+dth)を予測する必要がある。したがって、式（４６）を未来に（dth-1）ステップだけシフトする。
【０１４５】
【数４３】
【０１４６】
式（４７）は、観測不可能な未来値NE(k+dth-1)およびTd(k+dth-1)を含んでいるので、これらの未来値を消去する。消去は、前述した式（２３）からの未来値の消去と同様の手法で実施されることができる。
【０１４７】
【数４４】
【０１４８】
式（４８）における、Td(k+dth-1)〜Td(k)は、ドライバの運転操作や走行条件によって変動するので、その予測は困難である。したがって、式（４９）に示されるように、外乱Tdは一定であると仮定する。この仮定により、式（４８）は、式（５０）で表される。
【０１４９】
【数４５】
【０１５０】
式（５０）に、外乱推定値δneを導入する。外乱推定値δneは、外乱Tdの推定誤差だけでなく、プラントに印加される他の外乱をも含む。式（５１）は、回転数の予測値Pre_NEを算出する式であり、状態予測器４２によって実行される。
【０１５１】
【数４６】
【０１５２】
状態予測器４２によって予測値を算出することにより、むだ時間が補償され、よって回転数制御の速応性を高めることができる。また、外乱推定値δneに基づいて予測値Pre_NEが算出されるので、制御対象であるエンジンの出力NEと予測値Pre_NEの間の定常偏差を解消することができる。
【０１５３】
外乱推定値δneは、適応外乱オブザーバ４１によって同定される。式（５２）は、適応外乱オブザーバ４１によって実行される、外乱推定値δneを求めるための式である。
【０１５４】
【数４７】
【０１５５】
式（５２）から明らかなように、適応外乱オブザーバ４１は、現在のサイクルに対する推定値NE_hat(k)を算出する（これは、予測式（５１）を過去にdthステップだけシフトすることによって算出される）。ここで、外乱推定値δneは一定と仮定する。すなわち、δne(k-dth)=δne(k-1)である。さらに、適応外乱オブザーバ４１は、予測値NE_hat(k)と実際に検出された値NE(k)との偏差e_dneを算出する。その後、逐次型同定アルゴリズムを用い、偏差e_dneを無くすように外乱推定値δneが算出される。
【０１５６】
逐次型同定アルゴリズムを用いることにより、外乱推定値δneを速やかかつ安定的に推定することができる。前述したように、λ１およびλ２は重みパラメータであり、逐次型同定アルゴリズムの種類に応じて決定される。
【０１５７】
次に、制御ユニット４３について説明する。予測式（５１）を１ステップだけ未来にシフトし、さらに、未来値を含むように変換すると、式（５３）が得られる。未来値を含める該変換は、式（４７）から式（４８）への変換の逆を行えばよい。ここで、外乱Tdおよび外乱推定値δneの未来値の変動は一定と仮定する。すなわち、Td(k+dth)=Td(k)およびδne(k+dth)=δne(k)である。
【０１５８】
【数４８】
【０１５９】
応答指定型制御を実施するため、切り換え関数σneを定義する。切り換え関数σneにより、実回転数NEの目標値NE_cmdに対する収束挙動を規定することができる。E_neは、実回転数NEと目標値NE_cmdの偏差である。
【０１６０】
【数４９】
【０１６１】
切り換え関数σneがゼロとなるように制御入力を決定する。
【０１６２】
【数５０】
【０１６３】
式（５５）は、入力の無い一次遅れ系を示す。すなわち、制御ユニット４３は、制御量E_neを、式（５５）に示される一次遅れ系に拘束するように動作する。
【０１６４】
図１４は、縦軸にE_ne(k)および横軸にE_ne(k-1)を有する位相平面を示す。位相平面には、式（５５）によって表現される切り換え線６１が示されている。点６２を状態量（E_ne(k-1), E_ne(k)）の初期値と仮定すると、制御ユニット４３は、該状態量を、切り換え線６１上に載せて該切り換え線６１上に拘束させる。こうして、状態量が入力の無い一次遅れ系に拘束されるので、時間の経過とともに、状態量は、位相平面の原点（すなわち、E_ne(k), E_ne(k-1)=0）に自動的に収束する。状態量を切り換え線６１上に拘束することにより、外乱の影響を受けることなく、状態量を原点に収束させることができる。
【０１６５】
式（５５）の設定パラメータS_neは、-1<S_ne<1を満たすよう設定される。好ましくは、−１＜S_ne<0を満たすよう設定される。これは、S_neが正の値を持つと、式（５５）の一次遅れ系が振動安定系となるためである。
【０１６６】
設定パラメータS_neは、偏差E_neの収束の速さを規定するパラメータである。図１５には、S_ne=−１、−０．８、および−０．５の場合の収束速度が、グラフ６３、６４および６５でそれぞれ示されている。設定パラメータS_neの絶対値が小さくなるにつれ、偏差E_neの収束速度は速くなる。
【０１６７】
制御ユニット４３は、式（５６）に従って制御入力Upasを求める。等価制御入力Ueqは、状態量を切り換え線上に拘束するための入力である。到達則入力Urchは、状態量を切り換え線上に載せるための入力である。
【０１６８】
【数５１】
【０１６９】
等価制御入力Ueqを求める手法について説明する。等価制御入力Ueqは、位相平面上の任意の場所に、状態量をホールドする機能を持つ。したがって、式（５７）を満たす必要がある。
【０１７０】
【数５２】
【０１７１】
式（５４）から、式（５７）は式（５８）で表される。
【０１７２】
【数５３】
【０１７３】
式（５８）に式（５３）を代入すると、式（５９）が得られる。
【０１７４】
【数５４】
【０１７５】
制御入力Ueq(k)は、式（６０）により算出される。
【０１７６】
【数５５】
【０１７７】
式（６０）は、現時点ｋでは観測不可能な未来値NE(k+dth)およびNE(k+dth-1)を含んでいる。これらの値の代わりに、状態予測器４２によって算出された予測値Pre_NE(k)およびPre_NE(k-1)を用いる。制御ユニット４３は、式（６１）を実行して、等価制御入力Ueq(k)を生成する。
【０１７８】
【数５６】
【０１７９】
このように、等価制御入力Ueqには、外乱フィードバック項δneおよび外乱フィードフォワード項Tdが含まれる。したがって、制御対象であるエンジン２に外乱が印加されることによって生じる回転数NEと目標値NE_cmdの偏差を速やかに収束させることができる。
【０１８０】
制御ユニット４３は、さらに、式（６２）を実行して、到達則入力Urchを生成する。Fは、到達則ゲインを示す。
【０１８１】
【数５７】
【０１８２】
２．３ 回転数ＦＢ制御のシミュレーション結果
図１６は、本願発明の一実施形態に基づく回転数ＦＢ制御のシミュレーションで用いられる仮想の制御対象モデルを示す。仮想制御対象は、エンジンのモデル式（４６）に基づく構造を有している。制御入力は、時間dthだけ遅延された目標吸気量Gcyl_cmdである。制御出力は、回転数NEである。さらに、制御対象には、外乱として駆動トルクTdが入力される。１サイクル前の回転数NEがフィードバックされる。
【０１８３】
シミュレーションは、仮想制御対象に３つの外乱を加えることができるよう構成されている。図には、入力外乱L１、状態量外乱L２および出力外乱L３が加えられる場所が示されている。入力外乱L1には、たとえば駆動トルクTdの推定誤差Td_errorが含まれる。状態量外乱L2には、たとえばモデル化誤差が含まれる。出力外乱L3には、たとえばセンサのノイズが含まれる。
【０１８４】
表３に、シミュレーションで実施されたケースＮ−１〜ケースＮ−５の条件を示す。
【０１８５】
【表３】
【０１８６】
ケースＮ−１では、外乱L1〜L3が加えられる。予測器４２および制御ユニット４３の両方で、外乱推定値δneおよび駆動トルクTdが用いられる。ケースＮ−１は、図１３の本願発明の回転数ＦＢ制御に基づく好ましいケースである。図１７は、ケースＮ−１のシミュレーション結果を示す。外乱が加えられた状態で、回転数NEを目標値NE_cmdに定常偏差無く収束させることができる。目標値NE_cmdが変動した時、回転数NEの目標値NE_cmdへの追従特性も良好である。
【０１８７】
ケースＮ−２では、予測器４２および制御ユニット４３で、外乱推定値δneおよび駆動トルクTｄが用いられない。図１８は、ケースＮ−２のシミュレーション結果を示す。外乱により、実回転数NEと予測値Pre_NEの間に定常偏差が生じている。制御ユニット４３は、予測値Pre_NEに基づいて応答指定型制御を実施するので、実回転数NEを目標値NE_cmdに収束させることができない。
【０１８８】
ケースＮ−３では、予測器４２および制御ユニット４３において、駆動トルクTdは用いられるが、外乱推定値δneは用いられない。図１９は、ケースＮ−３のシミュレーション結果を示す。時間ｔ１において、駆動トルクTdの推定誤差Td_errorがステップ入力される。これに応じて、外乱推定値δneも増加する。駆動トルクTdのフィードフォワード項が用いられているので、実回転数NEと予測値Pre_NEの間の偏差は変化しない。
【０１８９】
時間ｔ２において、駆動トルクTdが変動する。この時、他の外乱L２およびL3もプラントに印加されている。駆動トルクTdのフィードフォワード項により、駆動トルクTdが変動しても、実回転数NEと目標値NE_cmdの偏差は変化しない。しかしながら、外乱推定値δneが用いられていないので、実回転数NEと予測値Pre_NEの間の定常偏差は解消されず、よって回転数NEを目標値NE_cmdに収束することはできない。
【０１９０】
ケースＮ−４では、予測器４２および制御ユニット４３において、外乱推定値δneおよび駆動トルクTdが用いられないが、制御ユニット４３で、制御入力に適応則入力Uadpが付加された場合を示す。適応則入力Uadpは、式（６３）で示される。Gは、適応則入力のゲインを示す。
【０１９１】
【数５８】
【０１９２】
図２０は、ケースＮ−４のシミュレーション結果を示す。制御ユニット４３により、予測値Pre_NEは目標値NE_cmdに収束する。しかしながら、予測値Pre_NEが外乱推定値δneに基づいて算出されないので、実回転数NEと予測値Pre_NEの定常偏差が解消されず、よって回転数NEを目標値NE_cmdに収束させることができない。
【０１９３】
ケースＮ−５では、予測器４２において、駆動トルクTdおよび外乱推定値δneが使用される。制御ユニット４３では、駆動トルクTdは用いられるが、外乱推定値δneは使用されない。代わりに、制御ユニット４３では、適応則入力Uadpが制御入力に付加される。
【０１９４】
図２１に、ケースＮ−５のシミュレーション結果を示す。適応則入力UadpのゲインGを大きくすることにより、回転数NEの収束時間を短縮させることができる。しかしながら、図１７と比較して明らかなように、ゲインGを大きくすると、積分的なオーバーシュートが生じる。
【０１９５】
ここで、制御モデルがむだ時間を持たないケースを考察する。この場合、状態予測器４２を含めなくてもよく、エンジン回転数NEを制御するためのエンジン慣性系のモデルは、式（６４）のように表されることができる。
【０１９６】
【数５９】
【０１９７】
むだ時間が存在しないので、適応外乱オブザーバ４１によって実行される式（５２）は、式（６５）によって表される。
【０１９８】
【数６０】
【０１９９】
むだ時間が存在しないので、制御ユニット４３によって実行される式（６１）および（６２）は、式（６６）および（６７）によって表される。
【０２００】
【数６１】
【０２０１】
【数６２】
【０２０２】
このような、モデルがむだ時間特性を含まないケースＮ−６〜Ｎ−９について、表４に示されるようなシミュレーションを行った。
【０２０３】
【表４】
【０２０４】
ケースＮ−６では、外乱L1〜L3が加えられる。制御ユニット４３で、外乱推定値δneおよび駆動トルクTdが用いられる。ケースＮ−６は、前述したように、本願発明の回転数ＦＢ制御に基づく好ましいケースである。図２２は、ケースＮ−６のシミュレーション結果を示す。外乱が加えられた状態で、回転数NEを目標値NE_cmdに定常偏差無く収束させることができる。目標値NE_cmdが変動した時、回転数NEの目標値NE_cmdへの追従特性も良好である。
【０２０５】
ケースＮ−７では、制御ユニット４３において、駆動トルクTdは用いられるが、外乱推定値δneは用いられない。図２３は、ケースＮ−７のシミュレーション結果を示す。外乱が印加されるたびに、実回転数NEと目標値NE_cmdの偏差が大きくなっていくのがわかる。外乱推定値δneが用いられていないので、実回転数NEを目標値NE_cmdに収束することはできない。
【０２０６】
ケースＮ−８では、制御ユニット４３において、外乱推定値δneが用いられないが、制御入力に適応則入力Uadpが付加された場合を示す。ケースＮ−８では、比較的小さい値を持つゲインGが用いられる。図２４は、ケースＮ−８のシミュレーション結果を示す。ケースＮ−９では、制御ユニット４３において、比較的大きい値を持つゲインGが用いられる。図２５は、ケースＮ−９のシミュレーション結果を示す。図２６は、図２４（ケースＮ−８）の回転数NEの挙動と、図２５（ケースＮ−９）の回転数NEの挙動とを比較した図である。適応則入力UadpのゲインGを大きくすることにより、回転数NEの収束時間を短縮させることができるが、積分的なオーバーシュートが生じていることがわかる。それに対し、ケースＮ−６に対応する外乱推定値δneを用いると、積分的なオーバーシュートを生じさせることなく、回転数NEを目標値NE_cmdに収束させることができる。
【０２０７】
前述した実施形態においては、外乱を推定するのに、逐次型同定アルゴリズムを用いる適応外乱オブザーバが用いられている。代替的に、所定のマップ等を参照することによって外乱を求める他の適切な推定器を用いてもよい。
【０２０８】
３ 動作フロー
図２７は、図２に示される本発明の一実施形態に従う回転数ＦＢ制御および吸気量ＦＢ制御のフローチャートを示す。このフローチャートは、マニュアルトランスミッション（ＭＴ）、自動マニュアルトランスミッション（自動ＭＴ）および自動トランスミッション（ＡＴ）のいずれの車両にも適用されることができる。
【０２０９】
ステップＳ１において、車両がアイドリング運転状態にあるかどうか、またはトランスミッションの変速中であるかどうかが判断される。ステップＳ１の判断がＹｅｓならば、前述した回転数ＦＢ制御を実施するため、ステップＳ２に進む。
【０２１０】
ステップＳ２において、目標エンジン回転数NE_cmdを求める。たとえば、アイドリング運転状態にあるときは、走行条件、暖機状態等に応じた値が、目標値NE_cmdに設定される。変速中であるときは、車速および変速比に応じた値が、目標値NE_cmdに設定される。
【０２１１】
ステップＳ３において、検出された実回転数NEに基づいて、ＥＣＵ１のメモリ１ｃに記憶されたマップを参照し、モデルパラメータAneおよびBneを抽出する。ステップＳ４において、機器駆動トルクTloadおよび車両駆動トルクTdrvを求める。車両に搭載された電装部品のオン／オフ状態等に応じて、機器駆動トルクTloadは算出されることができる。また、走行抵抗、クラッチの状態等に応じて、車両駆動トルクTdrvは算出されることができる。TloadおよびTdrvは加算され、外乱としての駆動トルクTdが算出される。ステップＳ５において、前述した回転数ＦＢ制御を実施し、目標吸気量Gcyl_cmdを算出する。
【０２１２】
一方、車両が通常走行にあるとき、ステップＳ６に進み、目標エンジントルクを求める。目標エンジントルクは、アクセルペダルの開度、車速、トランスミッションの変速比、および走行環境等に応じて算出されることができる。ステップＳ７において、目標エンジントルクを実現するのに必要なエンジン吸気量Gcyl_cmdを算出する。たとえば、空燃比および点火時期に基づいて所定のマップを参照し、目標吸気量Gcyl_cmdを得ることができる。
【０２１３】
ステップＳ８において、吸気量Gcylを推定する。エアフローメータ１０およびＰｂセンサ１１からの出力値に基づいて、吸気量Gcylを推定することができる。ステップＳ９において、エンジン回転数NEおよびスロットル開度THに基づいて所定のマップを参照し、モデルパラメータAair1、Aair2およびBair1を抽出する。スロットル開度の代わりに、スロットルを通過する空気量GthやステップＳ８において算出された吸気量Gcylを用いてもよい。
【０２１４】
ステップＳ１０において、前述した吸気量ＦＢ制御を実施し、目標スロットル開度THcmdを算出する。
【０２１５】
本発明は、クランク軸を鉛直方向とした船外機などのような船舶推進機用エンジンにも適用が可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の一実施例に従う、内燃機関および制御装置を概略的に示す図。
【図２】この発明の一実施例に従う、制御装置の概略を示す図。
【図３】この発明の一実施例に従う、吸気量フィードバック制御の構成を示す図。
【図４】この発明の一実施例に従う、吸気量フィードバック制御のシミュレーションにおける仮想制御対象を示す図。
【図５】この発明の一実施例に従う、吸気量制御シミュレーションのケースＧ−１の結果を示す図。
【図６】この発明の一実施例に従う、吸気量制御シミュレーションのケースＧ−２の結果を示す図。
【図７】この発明の一実施例に従う、吸気量制御シミュレーションのケースＧ−３の結果を示す図。
【図８】この発明の一実施例に従う、吸気量制御シミュレーションのケースＧ−４の結果を示す図。
【図９】この発明の一実施例に従う、吸気量制御シミュレーションのケースＧ−５の結果を示す図。
【図１０】この発明の一実施例に従う、吸気量制御シミュレーションのケースＧ−６の結果を示す図。
【図１１】この発明の一実施例に従う、吸気量制御シミュレーションのケースＧ−７の結果を示す図。
【図１２】この発明の一実施例に従う、吸気量制御シミュレーションのケースＧ−７とケースＧ−８を比較するための図。
【図１３】この発明の一実施例に従う、回転数フィードバック制御の構成を示す図。
【図１４】この発明の一実施例に従う、応答指定型制御の切り換え線を示す図。
【図１５】この発明の一実施例に従う、応答指定型制御の切り換え関数の設定パラメータの値と収束速度の関係を示す図。
【図１６】この発明の一実施例に従う、回転数フィードバック制御のシミュレーションにおける仮想制御対象を示す図。
【図１７】この発明の一実施例に従う、回転数制御シミュレーションのケースＮ−１の結果を示す図。
【図１８】この発明の一実施例に従う、回転数制御シミュレーションのケースＮ−２の結果を示す図。
【図１９】この発明の一実施例に従う、回転数制御シミュレーションのケースＮ−３の結果を示す図。
【図２０】この発明の一実施例に従う、回転数制御シミュレーションのケースＮ−４の結果を示す図。
【図２１】この発明の一実施例に従う、回転数制御シミュレーションのケースＮ−５の結果を示す図。
【図２２】この発明の一実施例に従う、回転数制御シミュレーションのケースＮ−６の結果を示す図。
【図２３】この発明の一実施例に従う、回転数制御シミュレーションのケースＮ−７の結果を示す図。
【図２４】この発明の一実施例に従う、回転数制御シミュレーションのケースＮ−８の結果を示す図。
【図２５】この発明の一実施例に従う、回転数制御シミュレーションのケースＮ−９の結果を示す図。
【図２６】この発明の一実施例に従う、回転数制御シミュレーションのケースＮ−８とケースＮ−９を比較するための図。
【図２７】この発明の一実施例に従う、回転数フィードバック制御および吸気量フィードバック制御のフローチャート。
【符号の説明】
１ ＥＣＵ
２ エンジン
３ 吸気管
【発明の属する技術分野】
この発明は、応答指定型制御を用いて、外乱に対してロバストにプラントを制御する装置に関し、より具体的には、エンジンがアイドリング運転状態にある時またはトランスミッションが変速している時に、外乱に対してロバストにエンジン回転数を制御する装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
車両がアイドリング運転状態にあるとき、エンジン回転数をＰＩＤ制御により制御する手法が知られている。
【０００３】
また、車両が自動変速機で変速されている時、乗車員に不快感を与える変速ショックを低減する手法が提案されている（例えば、特許文献１を参照）。この手法によると、車速とアクセル開度から、駆動軸トルクの目標値を求める。該目標駆動軸トルクを与えるエンジントルクの目標値およびエンジン回転数の目標値が算出される。該エンジントルク目標値およびエンジン回転数目標値から、スロットル開度が決定される。決定されたスロットル開度に応じて、スロットル弁が調節される。
【０００４】
【特許文献１】
特許第３２０３６０２号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
従来の回転数制御では、アイドリング状態にあるときに負荷の急激な変動がエンジンにかかった場合、回転数を安定的に維持することができずに、エンジン停止を起こしやすかった。たとえば、マニュアルトランスミッションが採用されている車両が発進した時に、クラッチを急激に締結すると、エンジンが停止しやすい。
【０００６】
また、とりわけ自動マニュアルトランスミッション（自動ＭＴ）または自動トランスミッション（ＡＴ）が採用されている車両では、該トランスミッションの変速時において、十分な速応性をもった回転数同期制御が行われていなかった。そのため、トランスミッションの選択された変速比に適合した回転数を速やかに得られないおそれがあった。
【０００７】
したがって、アイドリング運転時およびトランスミッションの変速時の回転数同期制御において、高応答および高安定の制御が必要とされている。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
この発明の一つの側面によると、モデル化されたプラントを制御する制御装置は、プラントに印加される外乱を推定する推定器と、プラントの出力が目標値に収束するように、応答指定型アルゴリズムを用いてプラントへの入力を算出する制御ユニットとを備える。制御ユニットは、推定器によって推定された外乱推定値を含むように、プラントへの入力を算出する。この発明によれば、外乱推定値を含むようプラントへの入力が算出されるので、プラントに外乱が印加されたときに生じるプラントの出力とその目標値の間の定常偏差を、オーバーシュートを生じさせることなく収束させることができる。
【０００９】
この発明の一実施形態によると、外乱推定器は、逐次型同定アルゴリズムを用いて外乱を同定する適応外乱オブザーバである。逐次型同定アルゴリズムにより、外乱推定値を速やかかつ安定的に同定することができる。また、プラントの出力にノイズ等が混入した場合にも、逐次型同定アルゴリズムの統計処理効果により、該ノイズ等によって外乱推定値が変動することを防止することができる。
【００１０】
この発明の他の側面によると、制御装置は、さらに、プラントが有するむだ時間および外乱推定値に基づいて、プラントから出力される値を予測する状態予測器を備える。制御ユニットは、予測値がプラントの出力の目標値に収束するように、応答指定型制御アルゴリズムを用いて該プラントへの入力を算出する。この発明によると、状態予測器によってプラントのむだ時間が補償されるので、制御の速応性を高めることができる。
【００１１】
この発明の他の側面によると、プラントはエンジンである。エンジンは、該プラントへの入力が、該エンジンに吸入される空気量の目標値であり、該プラントの出力が、該エンジンの回転数であるようにモデル化される。この発明によれば、車両発進時のストールを抑制することができる。さらに、トランスミッションの変速時におけるエンジン回転数制御の速応性を向上させることができる。
【００１２】
この発明の一実施形態によると、制御装置は、モデル化されたプラントについて、エンジン回転数に基づくモデルパラメータを格納する記憶装置を備える。制御ユニットは、検出されたエンジン回転数に基づくモデルパラメータを、記憶装置から抽出する。抽出されたモデルパラメータを用いて、プラントへの入力が算出される。この発明によれば、様々なエンジン回転数において、安定性を損なうことなく、エンジン回転数制御の速応性を向上させることができる。
【００１３】
この発明の一実施形態によると、プラントへの入力は、車両を駆動するのに必要な車両駆動トルクの推定値に所定のゲインを乗じた値を含む。この発明の他の実施形態によると、プラントへの入力は、車両に搭載された機器を駆動するのに必要な機器駆動トルクの推定値に所定のゲインを乗じた値を含む。したがって、車両駆動トルクおよび（または）機器駆動トルクに起因する、プラントの出力とその目標値との偏差を収束させることができる。
【００１４】
この発明の他の実施形態によると、状態予測器は、さらに、車両を駆動するのに必要な車両駆動トルクに基づいて、予測値を算出する。また、状態予測器は、車両に搭載された機器を駆動するのに必要な機器駆動トルクに基づいて、予測値を算出する。したがって、車両駆動トルクおよび（または）機器駆動トルクに起因する、予測値とプラントの出力とその目標値との偏差を収束させることができる。
【００１５】
この発明の他の実施形態によると、制御ユニットは、さらに、車両駆動トルクに所定のゲインを乗じた値を前記プラントへの入力が含むように、該プラントへの入力を算出する。また、制御ユニットは、機器駆動トルクに所定のゲインを乗じた値を前記プラントへの入力が含むように、該プラントへの入力を算出することもできる。したがって、車両駆動トルクおよび（または）機器駆動トルクの変動に起因する、予測値と、プラントの出力の目標値との間の偏差を収束させることができる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
内燃機関および制御装置の構成
次に図面を参照してこの発明の実施の形態を説明する。図１は、この発明の実施形態による内燃機関（以下、「エンジン」という）およびその制御装置の全体的なシステム構成図である。
【００１７】
電子制御ユニット（以下、「ＥＣＵ」）という）１は、車両の各部から送られてくるデータを受け入れる入力インターフェース１ａ、車両の各部の制御を行うための演算を実行するＣＰＵ１ｂ、読み取り専用メモリ（ＲＯＭ）およびランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）を有するメモリ１ｃ、および車両の各部に制御信号を送る出力インターフェース１ｄを備えている。メモリ１ｃのＲＯＭには、車両の各部の制御を行うためのプログラムおよび各種のデータが格納されている。ＲＯＭは、ＥＥＰＲＯＭのような書き換え可能なＲＯＭでもよい。ＲＡＭには、ＣＰＵ１ｂによる演算のための作業領域が設けられる。車両の各部から送られてくるデータおよび車両の各部に送り出す制御信号は、ＲＡＭに一時的に記憶される。
【００１８】
エンジン２は、たとえば４気筒を備えるエンジンである。エンジン２には、燃焼室７を吸気管３に連通するための吸気弁５および燃焼室７を排気管４に連通するための排気弁６が各気筒ごとに設けられている。
【００１９】
吸気管３の上流側にはスロットル弁８が設けられている。スロットル弁８は、電子制御弁であり、ＥＣＵ１からの制御信号によって開度が制御される。スロットル弁８に連結されたスロットル弁開度センサ（θＴＨ）９は、スロットル弁８の開度に応じた電気信号を、ＥＣＵ１に供給する。
【００２０】
スロットル弁８の上流には、エアフローセンサ（ＡＦＳ）１０が設けられている。エアフローセンサ１０は、スロットル弁８を通過する空気量Ｇｔｈを検出し、それをＥＣＵ１に送る。エアフローセンサ１０は、ベーン式エアフローセンサ、カルマン渦式エアフローセンサ、および熱線式エアフローセンサ等であることができる。
【００２１】
吸気管圧力（Ｐｂ）センサ１１は、吸気管３のスロットル弁８の下流側に設けられている。Ｐｂセンサ１１によって検出された吸気管圧力Ｐｂは、ＥＣＵ１に送られる。
【００２２】
燃料噴射弁１２は、吸気管３の吸気弁５の少し上流側に各気筒毎に設けられている。燃料噴射弁１２は、燃料タンク（図示せず）から燃料の供給を受け、ＥＣＵ１からの制御信号に従って駆動される。
【００２３】
回転数（Ｎｅ）センサ１３は、エンジン２のカム軸またはクランク軸（共に図示せず）周辺に取り付けられる。Ｎｅセンサ１３は、たとえばピストンのＴＤＣ位置に関連したクランク角度で出力されるＴＤＣ信号パルスの周期よりも短いクランク角度（たとえば、３０度）の周期で、ＣＲＫ信号パルスを出力する。ＣＲＫ信号パルスは、ＥＣＵ５によってカウントされ、エンジン回転数Ｎｅが検出される。
【００２４】
ＥＣＵ１に向けて送られた信号は入力インターフェース１ａに渡され、アナログ−デジタル変換される。ＣＰＵ１ｂは、変換されたデジタル信号を、メモリ１ｃに格納されているプログラムに従って処理し、制御信号を生成する。出力インターフェース１ｄは、これらの制御信号を、燃料噴射弁１２、およびその他のアクチュエータに送る。
【００２５】
吸気管３に吸入された空気は、スロットル弁８を経由してチャンバ１４に充填される。吸気弁５が開くと、チャンバ１４に充填された空気がエンジン２の燃焼室７に供給される。燃料噴射弁１２を介して燃料が供給され、混合気は、燃焼室７内で点火装置によって点火される。
【００２６】
制御装置の全体的なブロック図
図２は、本発明の一実施例に従う制御装置の全体的なブロック図を示す。エンジントルク設定部２０、回転数フィードバック（ＦＢ）制御部２１、スイッチ２２および吸気量フィードバック（ＦＢ）制御部２３は、典型的にはコンピュータプログラムによって実現される。
【００２７】
エンジントルク設定部２０は、アクセルペダル開度、車速およびトランスミッションの変速比等に基づいて、メモリ１ｃに予め記憶されたマップを参照し、目標エンジントルクを決定する。エンジントルク設定部２０は、目標エンジントルクに必要な吸気量を、目標吸気量Gcyl_cmdとして算出する。
【００２８】
回転数ＦＢ制御部２１は、エンジン回転数NEをフィードバック制御する。回転数ＦＢ制御の制御対象（以下、プラントと呼ぶ）は、エンジン２である。制御入力は、目標吸気量Gcyl_cmdであり、制御出力は、エンジン回転数NEである。回転数ＦＢ制御部２１は、エンジン回転数NEが目標値に収束するように、目標吸気量Gcyl_cmdを算出する。
【００２９】
スイッチ２２により、車両が通常走行している時には、吸気量ＦＢ制御部２３がエンジントルク設定部２０に接続される。この場合、吸気量ＦＢ制御部２３では、エンジントルク設定部２０によって算出された目標吸気量Gcyl_cmdが用いられる。車両がアイドリング運転状態にある時、または車両のトランスミッションが変速中である時には、吸気量ＦＢ制御部２３は、回転数ＦＢ制御部２１に接続される。この場合、吸気量ＦＢ制御部２３では、回転数ＦＢ制御部２１によって算出された目標吸気量Gcyl_cmdが用いられる。
【００３０】
吸気量ＦＢ制御部２３は、エンジンのシリンダに吸入される空気量Gcylをフィードバック制御する。プラントは吸気管３である。制御入力は、スロットル開度の目標値THcmdであり、制御出力は、エンジンに吸入される空気量Gcylである。吸気量ＦＢ制御部２３は、吸気量Gcylが目標値Gcyl_cmdに収束するように、目標スロットル開度THcmdを算出する。スロットル弁８は、目標スロットル開度THcmdに従って、ＥＣＵ１により制御される。
【００３１】
このように、車両がアイドリング運転状態にある時、またはトランスミッションが変速中である時は、回転数NEを目標値に収束するための吸気量が目標吸気量として設定される。したがって、アイドリング中におけるエンジンのストールを抑制することができる。また、トランスミッションの変速中における回転数を安定かつ高速に目標値に収束させることができる。
【００３２】
本明細書では、最初に吸気量ＦＢ制御を説明し、次に回転数ＦＢ制御を説明する。
【００３３】
１．吸気量フィードバック制御
１．１ 吸気動特性のモデル化
まず、吸気管３の吸気動特性をモデル化する手法を説明する。吸気管３を、入力をTHcmd、出力をGcylとしたモデルで表す。
【００３４】
各サイクルにおける各シリンダへの吸入空気量Gcyl’は、既知の気体状態方程式から式（１）のように表すことができる。Kηc’はインマニの充填効率(%)であり、Pbは吸気管内の圧力（Pa）であり、Vcylはシリンダの容積（ｍ３）であり、Tcylはシリンダ内の温度（K）であり、Ｒは気体定数（m3・Pa/g・K）であり、ｎはサンプリングサイクルを識別する識別子である。
【００３５】
【数１】
直列型４気筒エンジンの場合、エンジンが１回転するたびに吸気が２回実施されるので、単位時間あたりのシリンダに流入する空気量Gcylは、式（２）のように表される。ＮＥはエンジン回転数（rpm）であり、ｋはサンプリングサイクルを識別する識別子である。Fcylは、回転数NEの関数である。
【００３７】
【数２】
一方、チャンバ１４内の充填される空気量ΔＧｂは、式（３）で表される。
【００３９】
【数３】
チャンバ１４について、気体状態方程式（４）から、式（５）が導かれる。Pb、Vb、Tbは、それぞれ、吸気管の圧力（Pa）、体積（m3）および温度（K）である。Ｒは、前述した気体定数である。
【００４１】
【数４】
式（５）を式（３）に代入すると、式（６）が得られる。式（６）は、吸気量Gcylを、吸気管内圧力Pbの関数として表したものである。Ｔは、サンプリング周期を示す。
【００４３】
【数５】
式（６）のPbをGcylを用いて表すようにするため、式（６）に式（２）を代入して式（７）を導く。式（７）は、Gthを入力とした吸気動特性モデルを表している。
【００４５】
【数６】
一方、スロットル弁を通過する空気量Gthとスロットル開度THの関係は、式（８）によって表すことができる。Pcは、スロットル弁の上流の圧力（Pc）である。Fthは、スロットル弁の有効開度当たりの流量(g/deg)を示し、スロットル弁の下流の圧力Pb（すなわち、吸気管圧力）およびスロットル弁の上流の圧力Pcに応じて決定される。式（８）を式（７）に代入すると、式（９）が得られる。式（９）は、スロットル弁の開度THを入力とした吸気動特性モデルを表す。
【００４７】
【数７】
さらに、電子制御スロットル弁の目標スロットル開度THcmdと実開度THとの関係を、式（１０）のように近似することができる。式（１０）は、むだ時間dthを有する一次遅れ系である。むだ時間dthは、主に、スロットル弁を操作するのに要する電気的な通信により生ずる。式（１０）を式（９）に代入すると、式（１１）が得られる。
【００４９】
【数８】
式（９）から、TH(k-1)をGcyl(k-1)およびGcyl(k-2)で表すことができる。このTH(k-1)を式（１１）に代入すると、式（１２）が得られる。式（１２）が、入力として目標スロットル開度THcmd、出力として吸気量Gcylを持つ吸気動特性のモデル式である。
【００５１】
【数９】
モデルパラメータAair1、Aair2およびBair1は、回転数NE、吸気管圧力Pbおよびスロットル弁上流の圧力Pcに応じて変動する値FcylおよびFthを含む。回転数NEおよびスロットル開度THに基づくモデルパラメータを、マップとして予めメモリ１ｃに記憶しておくことができる。代替的に、制御装置に同定器を設けて該モデルパラメータを同定してもよい。
【００５３】
１．２ 一般化予測制御（ＧＰＣ）の適用の問題点
本発明では、予見制御アルゴリズムを用いて吸気量フィードバック制御を実現する。予見制御に類似した制御手法として、一般化予測制御（以下、ＧＰＣと呼ぶ）が知られている（ＧＰＣを、予見制御のカテゴリに含める場合もある）。しかしながら、従来のＧＰＣを単に用いるだけでは、実現可能な吸気量フィードバック制御部２３を構成することができない。その理由を、まず説明する。
【００５４】
式（１２）で表される吸気動特性モデルは、式（１３）のように表される。ここで、むだ時間dthの値を「２」と仮定する。
【００５５】
【数１０】
式（１３）を状態空間表現で表すと、式（１４）を得る。
【００５７】
【数１１】
Δ＝１−Ｚ-1と定義される差分演算子Δを導入し、式（１５）で示される拡大系を定義する。拡大系では１行成分が付加されているが、これは、定常偏差を抑制する積分項を導出するためである。
【００５９】
【数１２】
ＧＰＣは、時点ｋから時点（ｋ＋M）までのＭ区間において、制御量Gcylを目標値Gcyl_cmdに収束させる制御手法である。そこで、式（１６）に示されるような評価関数JGを定義する。Ｈは、重みパラメータ（＞０）である。
【００６１】
【数１３】
評価関数JGを最小とする制御入力ΔTHcmdを、最適性の原理を用いて求めることができる。制御入力ΔTHcmdは、式（１８）のRiccati方程式の解Ｐを用いて、式（１７）のように表される。
【００６３】
【数１４】
【数１５】
式（１９）のような初期条件を定めることにより、ＰおよびＤを逐次的に求めることができる。
【００６６】
【数１６】
Ｍ＝１の場合（１ステップ先の目標値が使用可能な場合）、式（１６）は式（２０）のように表され、式（１７）は式（２１）のように表される。
【００６８】
【数１７】
式（２１）のX’(k)およびGcyl_cmd(k+1)のフィードバック係数を具体的に計算する。
【００７０】
【数１８】
このように、従来のＧＰＣを実行するだけでは、むだ時間が存在することによってＧおよびＧ’ベクトルの１行目の成分がゼロの場合、実行可能な吸気量ＦＢ制御部２３を構成することができない。
【００７２】
１．３ 吸気量ＦＢ制御部の構成
図３は、本発明の一実施形態に従う、吸気量ＦＢ制御部２３の構成を示す。本願発明では、このように吸気量ＦＢ制御部２３を構成することによって、予見制御を用いた実行可能な吸気量フィードバック制御を実現する。
【００７３】
吸気量ＦＢ制御部２３は、適応外乱オブザーバ３１、状態予測器３２、制御ユニット３３を備える。適応外乱オブザーバ３１は、吸気管３に印加される外乱の推定値γ１を同定する。状態予測器３２は、外乱推定値γ１を用いて、プラントである吸気管３の出力の予測値Pre_Gcylを算出する。制御ユニット３３は、予測値Pre_Gcylを用いた予見制御アルゴリズムにより、プラントへの制御入力である目標スロットル開度THcmdを算出する。制御入力THcmdには、外乱推定値γ１に所定のゲインを乗じた値が含まれる。予測値Pre_Gcylを目標値に収束させることにより、プラントの出力Gcylを該目標値に収束させることができる。
【００７４】
上記のＧおよびＧ’ベクトルの１行目成分がゼロにされてしまうという問題は、状態予測器３２を導入することによって防止することができる。状態予測器３２について説明する。
【００７５】
電子制御スロットル弁に起因するむだ時間dthを補償するのに必要な値はGcyl(k+dth-1)であるので、吸気動特性モデル式（１３）を、(dth-1)ステップだけ未来にシフトする。
【００７６】
【数１９】
式（２３）は、観測不可能な未来値Gcyl(k+dth-2)およびGcyl(k+dth-3)を含んでいるので、これらの未来値を消去する。消去は、以下に示すような再帰的な計算によって求めることができる。式（２４）は、吸気量Gcylの予測式を表す。
【００７８】
【数２０】
ＧＰＣは、最適性の原理を用いた制御理論であるが、モデル化誤差および予測誤差を考慮した設計がなされていないため、これらに対するロバスト性が十分ではない。そこで、予測式（２４）に、モデル化誤差および予測誤差を補償するための外乱推定値γ１を含める。式（２５）が、状態予測器３２によって実行される、予測値Pre_Gcylを求めるための式である。
【００８０】
【数２１】
状態予測器３２によって予測値を算出することにより、むだ時間が補償され、よって吸気量制御の速応性を高めることができる。また、予測値に外乱推定値γ１を含めることにより、制御対象である吸気管の出力Gcylと予測値Pre_Gcylの間の定常偏差を解消することができる。
【００８２】
外乱推定値γ１は、適応外乱オブザーバ３１によって同定される。式（２６）は、適応外乱オブザーバ３１によって実行される、外乱推定値γ１を求めるための式である。
【００８３】
【数２２】
式（２６）から明らかなように、適応外乱オブザーバ３１は、現在のサイクルに対する予測値Gcyl_hat(k)を算出する（算出方法は、予測式（２５）と同様である）。さらに、適応外乱オブザーバ３１は、予測値Gcyl_hat(k)と実際に検出された値Gcyl(k)との偏差e_dovを算出する。その後、逐次型同定アルゴリズムを用い、偏差e_dovを無くすように外乱推定値γ１が算出される。逐次型同定アルゴリズムを用いることにより、外乱推定値を速やかかつ安定的に同定することができる。また、制御対象である吸気管３の出力にノイズが混入した場合でも、逐次型同定アルゴリズムの統計処理効果により、該ノイズによって外乱推定値が変動することを防止することができる。
【００８５】
λ１およびλ２は重みパラメータである。λ１＝１およびλ２＝１の場合は、最小２乗法、λ１＜１およびλ２＝１の場合は重み付き最小２乗法、λ１＝１およびλ２＝０の場合は固定ゲイン法、λ１１およびλ２＜１の場合は漸減ゲイン法となる。
【００８６】
次に、制御ユニット３３について説明する。予測式（２５）を１ステップだけ未来へシフトし、さらに、未来値を含むよう変換すると、式（２７）が得られる。未来値を含める該変換は、式（２３）から式（２４）への変換処理の逆を行えばよい。
【００８７】
【数２３】
Δ＝１−Ｚ-1と定義される差分演算子Δを導入し、式（２８）のような拡大系を定義する。Egcは、実際の吸気量Gcylと目標値Gcyl_cmdの偏差である。拡大系において１行成分を付加するのは、定常偏差を抑制する積分項を導出するためである。また、外乱の変動は一定していると仮定する（すなわち、Δγ１(k)＝Δγ1(k+1)）。
【００８９】
【数２４】
評価関数JSGを定義する。目標予見段数をNrで表し、外乱予見段数をNdで表すと、評価関数JSGは、N=Max（Nr，Nｄ）を用いて定義される。目標予見段数Nrは、前述した区間Ｍと同じであり、目標値Gcyl_cmdについて、どの区間の未来値を使うかを規定する。外乱予見段数Ndは、適応外乱オブザーバ３１によって算出された外乱推定値γ１について、どの区間の未来値を使うかを規定する。本実施例では、Ndはゼロであり、Nrは１である。したがって、Nは１である。評価関数JSGを、式（２９）に示す。
【００９１】
【数２５】
評価関数JSGを最小とする制御入力ΔTHcmdを、最適性の原理を用いて求めることができる。式（３１）で示されるRiccati方程式の解Πを用いると、制御入力ΔTHcmdは式（３０）のように表される。
【００９３】
【数２６】
【数２７】
式（３２）の初期条件に基づいて式（３０）を解く。N=1（すなわち、Nr=1およびNd=0）の場合、式（３３）が得られる。
【００９６】
【数２８】
【数２９】
式（３３）のフィードバック係数Fx、Fdおよびフィードフォワード係数Frを具体的に計算する。
【００９９】
【数３０】
N=1の場合の制御入力ΔTHcmdは、式（３３）および（３４）に基づいて算出されることができる。
【０１０１】
【数３１】
式（３５）は、差分ΔTHcmdを算出する式である。式（３５）を積分して、制御入力THcmdを算出する。
【０１０３】
【数３２】
Gcyl(0+dth-1)〜Gcyl(0)、Gcyl_cmd(0+dth)〜Gcyl_cmd(0)、γ1(0)およびTHcmd(0)の初期値をゼロとすると、式（３６）は式（３７）のように表される。
【０１０５】
【数３３】
式（３７）は、現時点ｋでは観測不可能な未来値Gcyl(k+dth-1)およびGcyl(k+dth-2)を含んでいる。これらの値の代わりに、状態予測器３２によって算出された予測値Pre_Gcyl(k)およびPre_Gcyl(k-1)を用いる。式（３８）は、制御ユニット３３によって実行される式である。こうして、制御ユニット３３によって、制御入力THcmd(k)が生成される。
【０１０７】
【数３４】
制御入力THcmdには外乱推定値γ１のフィードバック項が含まれるので、外乱が印加されることによって生じる吸気量Gcylと目標値Gcyl_cmdの偏差を速やかに収束させることができる。また、制御入力THcmdには、目標値のフィードフォワード項Gcyl_cmd(k+dth)が含まれているので、吸気量Gcylの目標値Gcyl_cmdに対する追従速度を向上させることができる。
【０１０９】
１．４ 吸気量ＦＢ制御のシミュレーション結果
図４は、本願発明の一実施例に基づく吸気量ＦＢ制御のシミュレーションで用いられた仮想の制御対象モデルを示す。仮想制御対象は、式（１３）のモデル式に基づく構造を有している。制御入力は、時間dthだけ遅延された目標スロットル開度THcmd(k-dth)である。制御出力は吸気量Gcyl(k)である。１サイクル前の吸気量Gcyl(k-1)および２サイクル前の吸気量Gcyl(k-2)が、フィードバックされる。
【０１１０】
シミュレーションは、仮想制御対象に３つの外乱を加えることができるよう構成される。図４には、入力外乱ｄ１、状態量外乱ｄ２および出力外乱ｄ３が示されている。入力外乱ｄ１には、たとえばスロットル弁の挙動のバラツキが含まれる。状態量外乱ｄ２には、たとえばモデル化誤差が含まれる。出力外乱ｄ３には、たとえばセンサのノイズが含まれる。
【０１１１】
表１に、シミュレーションで実施されたケースＧ−１〜Ｇ−５の条件を示す。
【０１１２】
【表１】
ケースＧ−１では、外乱は全く加えられない。状態予測器３２および制御ユニット３３では、外乱推定値γ１を使用して、予測値Pre_Gcylおよび目標スロットル開度THcmdがそれぞれ算出される。図５は、ケースＧ−１におけるシミュレーション結果を示す。外乱が無いので、予測値Pre_Gcylと実吸気量Gcylとの間に偏差は無い。制御ユニット３３は、オーバーシュートを生じさせることなく、吸気量Gcylを目標値Gcyl_cmdに追従させることができる。
【０１１４】
ケースＧ−２では、外乱ｄ１〜ｄ３が加えられ、状態予測器３２および制御ユニット３３の両方で、外乱推定値γ１が用いられない。図６は、ケースＧ−２におけるシミュレーション結果を示す。外乱によって予測値Pre_Gcylと実吸気量Gcylの間に定常偏差が生じる。制御ユニット３３は、予測値Pre_Gcylに基づいて制御入力THcmdを算出するので、吸気量Gcylを目標値Gcyl_cmdに収束させることができない。
【０１１５】
ケースＧ−３では、外乱ｄ１〜ｄ３が加えられ、予測器３２では外乱推定値γ１が用いられるが、制御ユニット３３では外乱推定値γ１が用いられない。図７は、ケースＧ−３におけるシミュレーション結果を示す。外乱によって生じた、Pre_GcylとGcylの間の定常偏差が、予測器３２によって解消されている。そのため、制御器３３は、吸気量Gcylを目標値Gcyl_cmdに収束させることができる。しかしながら、制御入力THcmdに、外乱推定値γ１に基づくフィードバック項が含まれないので、収束速度が比較的遅い。
【０１１６】
ケースＧ−４では、外乱ｄ１〜ｄ３が加えられ、予測器３２および制御ユニット３３の両方で、外乱推定値γ１が用いられる。ケースＧ−４は、図３を参照して説明した本願発明の好ましい実施例に対応する。図８は、ケースＧ−４におけるシミュレーション結果を示す。図７と比較して明らかなように、吸気量Gcylと目標値Gcyl_cmdの偏差が収束するのに要する時間が飛躍的に短くなっている。
【０１１７】
ケースＧ−５では、外乱ｄ１〜ｄ３が加えられ、予測器３２よび制御ユニット３３の両方で、外乱推定値γ１が用いられる。しかしながら、制御入力THcmdには、目標値のフィードフォワード項Gcyl_cmd(k+dth)が含まれない。図９は、ケースＧ−５におけるシミュレーション結果を示す。図８と比較して明らかなように、吸気量Gcylの目標値Gcyl_cmdに対する追従速度が遅くなっている。これは、制御入力THcmdに含まれる偏差（GcylとGcyl_cmd）の項が積分項（Pre_Egc項）のみであるためである。このように、目標値フィードフォワード項を制御入力に含めることにより、吸気量Gcylの目標値Gcyl_cmdに対する追従性を向上させることができる。
【０１１８】
ここで、制御モデルがむだ時間を持たないケースを考察する。この場合、状態予測器３２を含めなくてもよく、吸気量Gcylを制御するための吸気動特性モデルは、式（３９）のように表されることができる。
【０１１９】
【数３５】
むだ時間が存在しないので、適応外乱オブザーバ３１によって実行される式（２６）は、式（４０）によって表される。
【０１２１】
【数３６】
むだ時間が存在しないので、制御ユニット３３によって実行される式（３８）は、式（４１）によって表される。
【０１２３】
【数３７】
このようなモデルがむだ時間を含まないケースについて、表２に示されるようなシミュレーションを行った。
【０１２５】
【表２】
ケースＧ−６では、外乱ｄ１〜ｄ３が加えられ、制御ユニット３３が、外乱推定値γ１を用いて目標スロットル開度THcmdを算出する。制御入力THcmdには、目標値のフィードフォワード項Gcyl_cmd(k+dth)が含まれる。図１０は、ケースＧ−６におけるシミュレーション結果を示す。
【０１２７】
ケースＧ−７では、外乱ｄ１〜ｄ３が加えられ、制御ユニット３３が、外乱推定値γ１を用いずに、目標スロットル開度THcmdを算出する。制御入力THcmdには、目標値のフィードフォワード項Gcyl_cmd(k+dth)が含まれる。図１１は、ケースＧ−７におけるシミュレーション結果を示す。
【０１２８】
図１２において、図１０（ケースＧ−６）のGcylの挙動と図１１（ケースＧ−７）のGcylの挙動とが比較されている。前者の方が、後者よりも収束性が良いことがわかる。このように、制御ユニット３３において、外乱推定値γ１を用いて制御入力THcmdを算出することにより、制御量Gcylの目標値Gcyl_cmdに対する収束性を高めることができる。
【０１２９】
前述した実施形態においては、外乱を推定するのに、逐次型同定アルゴリズムを用いる適応外乱オブザーバが用いられている。代替的に、所定のマップ等を参照することによって外乱を推定する他の適切な推定器を用いてもよい。
【０１３０】
また、前述した実施形態においては、吸入空気量を制御する弁としてスロットル弁が用いられている。代替的に、吸入空気量を制御する他の弁、たとえばバイパス弁等を用いてもよい。
【０１３１】
２．回転数フィードバック制御
２．１ エンジンのモデル化
まず、エンジン２をモデル化する手法を説明する。エンジン２を、入力を吸気量Gcyl、出力を回転数NEとしたモデルで表す。
【０１３２】
エンジンの慣性系の運動方程式は、式（４２）で表される。Iengはエンジンの慣性モーメント（kgm2）であり、Kneはエンジンのフリクション係数であり、NEは、エンジン回転数（rad/秒）である。Tengはエンジンのトルク（Nm）であり、Tloadは、車両に搭載されたエアーコンディショナーや発電機等の電装部品を駆動するための機器駆動トルク（Nm）であり、Tdrvは、車両の駆動系に配分される、車両を駆動するためのトルク（Nm）である。ｔは、時間を示す。
【０１３３】
【数３８】
エンジントルクTengは、式（４３）のように表される。Ktrqは、トルク係数であり、エンジン回転数NE、エンジンの点火時期IG、および当量比（空燃比の逆数）λに応じて決定される。Gcylは、エンジンに吸入される空気量(g)である。
【０１３５】
【数３９】
式（４３）を式（４２）に代入すると、式（４４）が得られる。式（４４）は、吸気量Gcylを入力とした回転数NEの一次遅れ系を表している。外乱項として、”-(Tload+Tdrv)/Ieng”が付加されている。
【０１３７】
【数４０】
式（４４）を離散時間系に変換し、式（４５）を得る。Ｔはサンプリング周期を示し、ｋはサンプリングサイクルを識別する識別子である。式（４５）が、エンジン慣性系のモデル式である。
【０１３９】
【数４１】
モデルパラメータAne、BneおよびCneは、回転数NEおよびスロットル開度THに応じて変化する。回転数NEおよびスロットル開度THに基づくモデルパラメータを、マップとして予めメモリ１ｃに記憶しておくことができる。代替的に、制御装置に同定器を設けて該モデルパラメータを同定してもよい。
【０１４１】
２．２ 回転数ＦＢ制御部の構成
図１３は、本願発明の一実施形態に従う回転数ＦＢ制御部２１のブロック図を示す。回転数ＦＢ制御部２１は、適応外乱オブザーバ４１、状態予測器４２、および制御ユニット４３を備える。適応外乱オブザーバ４１および状態予測器４２は、吸気量ＦＢ制御部２１について図３に示されるものと同様の構成を有する。
【０１４２】
適応外乱オブザーバ４１は、エンジン２に印加される外乱の推定値δneを同定する。状態予測器４２は、外乱推定値δneに基づいて、プラントであるエンジンの出力（すなわちエンジン回転数）の予測値Pre_NEを算出する。制御ユニット４３は、予測値Pre_NEを用いた応答指定型制御により、プラントへの制御入力である目標吸気量Gcyl_cmdを算出する。制御入力Gcyl_cmdには、外乱推定値δneに所定のゲインが乗算された値が含まれる。予測値Pre_NEを目標値に収束させることにより、プラントの出力NEを目標値に収束させることができる
まず、状態予測器４２について説明する。図２を参照して説明したように、回転数ＦＢ制御部２１は、吸気量ＦＢ制御部２３の上流に位置づけられる。吸気管３の吸気動特性にはむだ時間が含まれるが、これを回転数ＦＢ制御と吸気量ＦＢ制御の両方で補償すると干渉が起こる。したがって、吸気管３が有するむだ時間を吸気量ＦＢ制御部２３によって補償し、回転数ＦＢ制御部２１からは、吸気管３をむだ時間要素とみなす。その結果、回転数ＦＢ制御部２１からは、Gcyl_cmd(k-dth)=Gcyl(k)と見える。言い換えると、回転数ＦＢ制御部２１からは、Gcyl_cmdの算出からむだ時間dth後に、吸気量Gcylがエンジンに吸入されるように見える。したがって、式（４５）のエンジン慣性系のモデル式は、式（４６）のように表すことができる。ここで、外乱Tdは、TloadとTdrvの和を示す。
【０１４３】
【数４２】
むだ時間dthを補償するためには、制御出力NE(k+dth)を予測する必要がある。したがって、式（４６）を未来に（dth-1）ステップだけシフトする。
【０１４５】
【数４３】
式（４７）は、観測不可能な未来値NE(k+dth-1)およびTd(k+dth-1)を含んでいるので、これらの未来値を消去する。消去は、前述した式（２３）からの未来値の消去と同様の手法で実施されることができる。
【０１４７】
【数４４】
式（４８）における、Td(k+dth-1)〜Td(k)は、ドライバの運転操作や走行条件によって変動するので、その予測は困難である。したがって、式（４９）に示されるように、外乱Tdは一定であると仮定する。この仮定により、式（４８）は、式（５０）で表される。
【０１４９】
【数４５】
式（５０）に、外乱推定値δneを導入する。外乱推定値δneは、外乱Tdの推定誤差だけでなく、プラントに印加される他の外乱をも含む。式（５１）は、回転数の予測値Pre_NEを算出する式であり、状態予測器４２によって実行される。
【０１５１】
【数４６】
状態予測器４２によって予測値を算出することにより、むだ時間が補償され、よって回転数制御の速応性を高めることができる。また、外乱推定値δneに基づいて予測値Pre_NEが算出されるので、制御対象であるエンジンの出力NEと予測値Pre_NEの間の定常偏差を解消することができる。
【０１５３】
外乱推定値δneは、適応外乱オブザーバ４１によって同定される。式（５２）は、適応外乱オブザーバ４１によって実行される、外乱推定値δneを求めるための式である。
【０１５４】
【数４７】
式（５２）から明らかなように、適応外乱オブザーバ４１は、現在のサイクルに対する推定値NE_hat(k)を算出する（これは、予測式（５１）を過去にdthステップだけシフトすることによって算出される）。ここで、外乱推定値δneは一定と仮定する。すなわち、δne(k-dth)=δne(k-1)である。さらに、適応外乱オブザーバ４１は、予測値NE_hat(k)と実際に検出された値NE(k)との偏差e_dneを算出する。その後、逐次型同定アルゴリズムを用い、偏差e_dneを無くすように外乱推定値δneが算出される。
【０１５６】
逐次型同定アルゴリズムを用いることにより、外乱推定値δneを速やかかつ安定的に推定することができる。前述したように、λ１およびλ２は重みパラメータであり、逐次型同定アルゴリズムの種類に応じて決定される。
【０１５７】
次に、制御ユニット４３について説明する。予測式（５１）を１ステップだけ未来にシフトし、さらに、未来値を含むように変換すると、式（５３）が得られる。未来値を含める該変換は、式（４７）から式（４８）への変換の逆を行えばよい。ここで、外乱Tdおよび外乱推定値δneの未来値の変動は一定と仮定する。すなわち、Td(k+dth)=Td(k)およびδne(k+dth)=δne(k)である。
【０１５８】
【数４８】
応答指定型制御を実施するため、切り換え関数σneを定義する。切り換え関数σneにより、実回転数NEの目標値NE_cmdに対する収束挙動を規定することができる。E_neは、実回転数NEと目標値NE_cmdの偏差である。
【０１６０】
【数４９】
切り換え関数σneがゼロとなるように制御入力を決定する。
【０１６２】
【数５０】
式（５５）は、入力の無い一次遅れ系を示す。すなわち、制御ユニット４３は、制御量E_neを、式（５５）に示される一次遅れ系に拘束するように動作する。
【０１６４】
図１４は、縦軸にE_ne(k)および横軸にE_ne(k-1)を有する位相平面を示す。位相平面には、式（５５）によって表現される切り換え線６１が示されている。点６２を状態量（E_ne(k-1), E_ne(k)）の初期値と仮定すると、制御ユニット４３は、該状態量を、切り換え線６１上に載せて該切り換え線６１上に拘束させる。こうして、状態量が入力の無い一次遅れ系に拘束されるので、時間の経過とともに、状態量は、位相平面の原点（すなわち、E_ne(k), E_ne(k-1)=0）に自動的に収束する。状態量を切り換え線６１上に拘束することにより、外乱の影響を受けることなく、状態量を原点に収束させることができる。
【０１６５】
式（５５）の設定パラメータS_neは、-1<S_ne<1を満たすよう設定される。好ましくは、−１＜S_ne<0を満たすよう設定される。これは、S_neが正の値を持つと、式（５５）の一次遅れ系が振動安定系となるためである。
【０１６６】
設定パラメータS_neは、偏差E_neの収束の速さを規定するパラメータである。図１５には、S_ne=−１、−０．８、および−０．５の場合の収束速度が、グラフ６３、６４および６５でそれぞれ示されている。設定パラメータS_neの絶対値が小さくなるにつれ、偏差E_neの収束速度は速くなる。
【０１６７】
制御ユニット４３は、式（５６）に従って制御入力Upasを求める。等価制御入力Ueqは、状態量を切り換え線上に拘束するための入力である。到達則入力Urchは、状態量を切り換え線上に載せるための入力である。
【０１６８】
【数５１】
等価制御入力Ueqを求める手法について説明する。等価制御入力Ueqは、位相平面上の任意の場所に、状態量をホールドする機能を持つ。したがって、式（５７）を満たす必要がある。
【０１７０】
【数５２】
式（５４）から、式（５７）は式（５８）で表される。
【０１７２】
【数５３】
式（５８）に式（５３）を代入すると、式（５９）が得られる。
【０１７４】
【数５４】
制御入力Ueq(k)は、式（６０）により算出される。
【０１７６】
【数５５】
式（６０）は、現時点ｋでは観測不可能な未来値NE(k+dth)およびNE(k+dth-1)を含んでいる。これらの値の代わりに、状態予測器４２によって算出された予測値Pre_NE(k)およびPre_NE(k-1)を用いる。制御ユニット４３は、式（６１）を実行して、等価制御入力Ueq(k)を生成する。
【０１７８】
【数５６】
このように、等価制御入力Ueqには、外乱フィードバック項δneおよび外乱フィードフォワード項Tdが含まれる。したがって、制御対象であるエンジン２に外乱が印加されることによって生じる回転数NEと目標値NE_cmdの偏差を速やかに収束させることができる。
【０１８０】
制御ユニット４３は、さらに、式（６２）を実行して、到達則入力Urchを生成する。Fは、到達則ゲインを示す。
【０１８１】
【数５７】
２．３ 回転数ＦＢ制御のシミュレーション結果
図１６は、本願発明の一実施形態に基づく回転数ＦＢ制御のシミュレーションで用いられる仮想の制御対象モデルを示す。仮想制御対象は、エンジンのモデル式（４６）に基づく構造を有している。制御入力は、時間dthだけ遅延された目標吸気量Gcyl_cmdである。制御出力は、回転数NEである。さらに、制御対象には、外乱として駆動トルクTdが入力される。１サイクル前の回転数NEがフィードバックされる。
【０１８３】
シミュレーションは、仮想制御対象に３つの外乱を加えることができるよう構成されている。図には、入力外乱L１、状態量外乱L２および出力外乱L３が加えられる場所が示されている。入力外乱L1には、たとえば駆動トルクTdの推定誤差Td_errorが含まれる。状態量外乱L2には、たとえばモデル化誤差が含まれる。出力外乱L3には、たとえばセンサのノイズが含まれる。
【０１８４】
表３に、シミュレーションで実施されたケースＮ−１〜ケースＮ−５の条件を示す。
【０１８５】
【表３】
ケースＮ−１では、外乱L1〜L3が加えられる。予測器４２および制御ユニット４３の両方で、外乱推定値δneおよび駆動トルクTdが用いられる。ケースＮ−１は、図１３の本願発明の回転数ＦＢ制御に基づく好ましいケースである。図１７は、ケースＮ−１のシミュレーション結果を示す。外乱が加えられた状態で、回転数NEを目標値NE_cmdに定常偏差無く収束させることができる。目標値NE_cmdが変動した時、回転数NEの目標値NE_cmdへの追従特性も良好である。
【０１８７】
ケースＮ−２では、予測器４２および制御ユニット４３で、外乱推定値δneおよび駆動トルクTｄが用いられない。図１８は、ケースＮ−２のシミュレーション結果を示す。外乱により、実回転数NEと予測値Pre_NEの間に定常偏差が生じている。制御ユニット４３は、予測値Pre_NEに基づいて応答指定型制御を実施するので、実回転数NEを目標値NE_cmdに収束させることができない。
【０１８８】
ケースＮ−３では、予測器４２および制御ユニット４３において、駆動トルクTdは用いられるが、外乱推定値δneは用いられない。図１９は、ケースＮ−３のシミュレーション結果を示す。時間ｔ１において、駆動トルクTdの推定誤差Td_errorがステップ入力される。これに応じて、外乱推定値δneも増加する。駆動トルクTdのフィードフォワード項が用いられているので、実回転数NEと予測値Pre_NEの間の偏差は変化しない。
【０１８９】
時間ｔ２において、駆動トルクTdが変動する。この時、他の外乱L２およびL3もプラントに印加されている。駆動トルクTdのフィードフォワード項により、駆動トルクTdが変動しても、実回転数NEと目標値NE_cmdの偏差は変化しない。しかしながら、外乱推定値δneが用いられていないので、実回転数NEと予測値Pre_NEの間の定常偏差は解消されず、よって回転数NEを目標値NE_cmdに収束することはできない。
【０１９０】
ケースＮ−４では、予測器４２および制御ユニット４３において、外乱推定値δneおよび駆動トルクTdが用いられないが、制御ユニット４３で、制御入力に適応則入力Uadpが付加された場合を示す。適応則入力Uadpは、式（６３）で示される。Gは、適応則入力のゲインを示す。
【０１９１】
【数５８】
図２０は、ケースＮ−４のシミュレーション結果を示す。制御ユニット４３により、予測値Pre_NEは目標値NE_cmdに収束する。しかしながら、予測値Pre_NEが外乱推定値δneに基づいて算出されないので、実回転数NEと予測値Pre_NEの定常偏差が解消されず、よって回転数NEを目標値NE_cmdに収束させることができない。
【０１９３】
ケースＮ−５では、予測器４２において、駆動トルクTdおよび外乱推定値δneが使用される。制御ユニット４３では、駆動トルクTdは用いられるが、外乱推定値δneは使用されない。代わりに、制御ユニット４３では、適応則入力Uadpが制御入力に付加される。
【０１９４】
図２１に、ケースＮ−５のシミュレーション結果を示す。適応則入力UadpのゲインGを大きくすることにより、回転数NEの収束時間を短縮させることができる。しかしながら、図１７と比較して明らかなように、ゲインGを大きくすると、積分的なオーバーシュートが生じる。
【０１９５】
ここで、制御モデルがむだ時間を持たないケースを考察する。この場合、状態予測器４２を含めなくてもよく、エンジン回転数NEを制御するためのエンジン慣性系のモデルは、式（６４）のように表されることができる。
【０１９６】
【数５９】
むだ時間が存在しないので、適応外乱オブザーバ４１によって実行される式（５２）は、式（６５）によって表される。
【０１９８】
【数６０】
むだ時間が存在しないので、制御ユニット４３によって実行される式（６１）および（６２）は、式（６６）および（６７）によって表される。
【０２００】
【数６１】
【数６２】
このような、モデルがむだ時間特性を含まないケースＮ−６〜Ｎ−９について、表４に示されるようなシミュレーションを行った。
【０２０３】
【表４】
ケースＮ−６では、外乱L1〜L3が加えられる。制御ユニット４３で、外乱推定値δneおよび駆動トルクTdが用いられる。ケースＮ−６は、前述したように、本願発明の回転数ＦＢ制御に基づく好ましいケースである。図２２は、ケースＮ−６のシミュレーション結果を示す。外乱が加えられた状態で、回転数NEを目標値NE_cmdに定常偏差無く収束させることができる。目標値NE_cmdが変動した時、回転数NEの目標値NE_cmdへの追従特性も良好である。
【０２０５】
ケースＮ−７では、制御ユニット４３において、駆動トルクTdは用いられるが、外乱推定値δneは用いられない。図２３は、ケースＮ−７のシミュレーション結果を示す。外乱が印加されるたびに、実回転数NEと目標値NE_cmdの偏差が大きくなっていくのがわかる。外乱推定値δneが用いられていないので、実回転数NEを目標値NE_cmdに収束することはできない。
【０２０６】
ケースＮ−８では、制御ユニット４３において、外乱推定値δneが用いられないが、制御入力に適応則入力Uadpが付加された場合を示す。ケースＮ−８では、比較的小さい値を持つゲインGが用いられる。図２４は、ケースＮ−８のシミュレーション結果を示す。ケースＮ−９では、制御ユニット４３において、比較的大きい値を持つゲインGが用いられる。図２５は、ケースＮ−９のシミュレーション結果を示す。図２６は、図２４（ケースＮ−８）の回転数NEの挙動と、図２５（ケースＮ−９）の回転数NEの挙動とを比較した図である。適応則入力UadpのゲインGを大きくすることにより、回転数NEの収束時間を短縮させることができるが、積分的なオーバーシュートが生じていることがわかる。それに対し、ケースＮ−６に対応する外乱推定値δneを用いると、積分的なオーバーシュートを生じさせることなく、回転数NEを目標値NE_cmdに収束させることができる。
【０２０７】
前述した実施形態においては、外乱を推定するのに、逐次型同定アルゴリズムを用いる適応外乱オブザーバが用いられている。代替的に、所定のマップ等を参照することによって外乱を求める他の適切な推定器を用いてもよい。
【０２０８】
３ 動作フロー
図２７は、図２に示される本発明の一実施形態に従う回転数ＦＢ制御および吸気量ＦＢ制御のフローチャートを示す。このフローチャートは、マニュアルトランスミッション（ＭＴ）、自動マニュアルトランスミッション（自動ＭＴ）および自動トランスミッション（ＡＴ）のいずれの車両にも適用されることができる。
【０２０９】
ステップＳ１において、車両がアイドリング運転状態にあるかどうか、またはトランスミッションの変速中であるかどうかが判断される。ステップＳ１の判断がＹｅｓならば、前述した回転数ＦＢ制御を実施するため、ステップＳ２に進む。
【０２１０】
ステップＳ２において、目標エンジン回転数NE_cmdを求める。たとえば、アイドリング運転状態にあるときは、走行条件、暖機状態等に応じた値が、目標値NE_cmdに設定される。変速中であるときは、車速および変速比に応じた値が、目標値NE_cmdに設定される。
【０２１１】
ステップＳ３において、検出された実回転数NEに基づいて、ＥＣＵ１のメモリ１ｃに記憶されたマップを参照し、モデルパラメータAneおよびBneを抽出する。ステップＳ４において、機器駆動トルクTloadおよび車両駆動トルクTdrvを求める。車両に搭載された電装部品のオン／オフ状態等に応じて、機器駆動トルクTloadは算出されることができる。また、走行抵抗、クラッチの状態等に応じて、車両駆動トルクTdrvは算出されることができる。TloadおよびTdrvは加算され、外乱としての駆動トルクTdが算出される。ステップＳ５において、前述した回転数ＦＢ制御を実施し、目標吸気量Gcyl_cmdを算出する。
【０２１２】
一方、車両が通常走行にあるとき、ステップＳ６に進み、目標エンジントルクを求める。目標エンジントルクは、アクセルペダルの開度、車速、トランスミッションの変速比、および走行環境等に応じて算出されることができる。ステップＳ７において、目標エンジントルクを実現するのに必要なエンジン吸気量Gcyl_cmdを算出する。たとえば、空燃比および点火時期に基づいて所定のマップを参照し、目標吸気量Gcyl_cmdを得ることができる。
【０２１３】
ステップＳ８において、吸気量Gcylを推定する。エアフローメータ１０およびＰｂセンサ１１からの出力値に基づいて、吸気量Gcylを推定することができる。ステップＳ９において、エンジン回転数NEおよびスロットル開度THに基づいて所定のマップを参照し、モデルパラメータAair1、Aair2およびBair1を抽出する。スロットル開度の代わりに、スロットルを通過する空気量GthやステップＳ８において算出された吸気量Gcylを用いてもよい。
【０２１４】
ステップＳ１０において、前述した吸気量ＦＢ制御を実施し、目標スロットル開度THcmdを算出する。
【０２１５】
本発明は、クランク軸を鉛直方向とした船外機などのような船舶推進機用エンジンにも適用が可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の一実施例に従う、内燃機関および制御装置を概略的に示す図。
【図２】この発明の一実施例に従う、制御装置の概略を示す図。
【図３】この発明の一実施例に従う、吸気量フィードバック制御の構成を示す図。
【図４】この発明の一実施例に従う、吸気量フィードバック制御のシミュレーションにおける仮想制御対象を示す図。
【図５】この発明の一実施例に従う、吸気量制御シミュレーションのケースＧ−１の結果を示す図。
【図６】この発明の一実施例に従う、吸気量制御シミュレーションのケースＧ−２の結果を示す図。
【図７】この発明の一実施例に従う、吸気量制御シミュレーションのケースＧ−３の結果を示す図。
【図８】この発明の一実施例に従う、吸気量制御シミュレーションのケースＧ−４の結果を示す図。
【図９】この発明の一実施例に従う、吸気量制御シミュレーションのケースＧ−５の結果を示す図。
【図１０】この発明の一実施例に従う、吸気量制御シミュレーションのケースＧ−６の結果を示す図。
【図１１】この発明の一実施例に従う、吸気量制御シミュレーションのケースＧ−７の結果を示す図。
【図１２】この発明の一実施例に従う、吸気量制御シミュレーションのケースＧ−７とケースＧ−８を比較するための図。
【図１３】この発明の一実施例に従う、回転数フィードバック制御の構成を示す図。
【図１４】この発明の一実施例に従う、応答指定型制御の切り換え線を示す図。
【図１５】この発明の一実施例に従う、応答指定型制御の切り換え関数の設定パラメータの値と収束速度の関係を示す図。
【図１６】この発明の一実施例に従う、回転数フィードバック制御のシミュレーションにおける仮想制御対象を示す図。
【図１７】この発明の一実施例に従う、回転数制御シミュレーションのケースＮ−１の結果を示す図。
【図１８】この発明の一実施例に従う、回転数制御シミュレーションのケースＮ−２の結果を示す図。
【図１９】この発明の一実施例に従う、回転数制御シミュレーションのケースＮ−３の結果を示す図。
【図２０】この発明の一実施例に従う、回転数制御シミュレーションのケースＮ−４の結果を示す図。
【図２１】この発明の一実施例に従う、回転数制御シミュレーションのケースＮ−５の結果を示す図。
【図２２】この発明の一実施例に従う、回転数制御シミュレーションのケースＮ−６の結果を示す図。
【図２３】この発明の一実施例に従う、回転数制御シミュレーションのケースＮ−７の結果を示す図。
【図２４】この発明の一実施例に従う、回転数制御シミュレーションのケースＮ−８の結果を示す図。
【図２５】この発明の一実施例に従う、回転数制御シミュレーションのケースＮ−９の結果を示す図。
【図２６】この発明の一実施例に従う、回転数制御シミュレーションのケースＮ−８とケースＮ−９を比較するための図。
【図２７】この発明の一実施例に従う、回転数フィードバック制御および吸気量フィードバック制御のフローチャート。
【符号の説明】
１ ＥＣＵ
２ エンジン
３ 吸気管
Claims (15)
- プラントを制御する制御装置であって、該プラントへの入力および該プラントの出力を用いたモデル式で、該プラントはモデル化されており、
前記モデル式に基づいて推定される該プラントの出力についての推定値と、該推定と同じタイミングで検出された該プラントの出力との偏差を用いて、前記プラントに印加される外乱を推定して外乱推定値を算出する推定器と、
前記プラントの出力が目標値に収束するように、該収束の速度を指定可能な応答指定型制御アルゴリズムを用いて該プラントへの入力を算出する制御ユニットであって、前記プラントの出力と該プラントの出力の目標値との偏差の現在値および前回値を軸とした位相平面上に、前記収束の速度を規定するパラメータに基づいて切り換え線を設定し、該プラントの出力と該プラントの出力の目標値との偏差の現在値と前回値からなる状態量を該切り換え線上に拘束するための入力項を、前記推定器によって算出された外乱推定値に所定のゲインを乗じた値を含むように算出し、該算出された入力項を少なくとも含むように前記プラントへの入力を算出する制御ユニットと、
を備える制御装置。 - 前記推定器は、逐次型同定アルゴリズムを用いて前記外乱推定値を同定する適応外乱オブザーバである、請求項１に記載の制御装置。
- 前記プラントはエンジンであり、
該エンジンは、該プラントへの入力が、該エンジンに吸入される空気量の目標値であり、該プラントの出力が、該エンジンの回転数であるようにモデル化される、請求項１または請求項２に記載の制御装置。 - 前記モデル化されたプラントについて、エンジン回転数に基づくモデルパラメータを格納する記憶装置をさらに備え、
前記制御ユニットは、検出されたエンジン回転数に基づくモデルパラメータを該記憶装置から抽出し、該抽出したモデルパラメータを用いて、前記プラントへの入力を算出する、請求項３に記載の制御装置。 - 前記制御ユニットは、さらに、車両を駆動するのに必要な車両駆動トルクの推定値に所定のゲインを乗じた値を含むように、前記プラントへの入力を算出する、請求項３または請求項４に記載の制御装置。
- 前記制御ユニットは、さらに、車両に搭載された機器を駆動するのに必要な機器駆動トルクの推定値に所定のゲインを乗じた値を含むように、前記プラントへの入力を算出する、請求項３から請求項５のいずれかに記載の制御装置。
- 前記制御ユニットは、エンジンがアイドリング運転状態にある時、またはトランスミッションが変速中である時、前記応答指定型制御アルゴリズムを実行する、請求項３から請求項６のいずれかに記載の制御装置。
- プラントを制御する制御装置であって、該プラントの出力に応じて変化するモデルパラメータを用いたモデル式で該プラントはモデル化されており、
前記プラントに印加される外乱を推定する推定器と、
前記プラントが有するむだ時間および前記推定器によって推定された外乱推定値に基づいて、該プラントから出力される値を予測する状態予測器と、
前記予測値が前記プラントの出力の目標値に収束するように、該収束の速度を指定可能な応答指定型制御アルゴリズムを用いて、前記外乱推定値に前記モデルパラメータを乗じた値を含むよう該プラントへの入力を算出する制御ユニットと、を備える、制御装置。 - 前記外乱推定器は、逐次型同定アルゴリズムを用いて、前記外乱を同定する適応外乱オブザーバである、請求項８に記載の制御装置。
- 前記プラントはエンジンであり、
該エンジンは、該プラントへの入力が、該エンジンに吸入される空気量の目標値であり、該プラントの出力が、該エンジンの回転数であるようにモデル化される、請求項８または請求項９に記載の制御装置。 - 前記モデル化されたプラントについて、エンジン回転数に基づく前記モデルパラメータを格納する記憶装置をさらに備え、
前記制御ユニットは、検出されたエンジン回転数に基づくモデルパラメータを該記憶装置から抽出し、該抽出したモデルパラメータを用いて、前記プラントへの入力を算出する、請求項１０に記載の制御装置。 - 前記制御ユニットは、さらに、車両を駆動するのに必要な車両駆動トルクの推定値に所定のゲインを乗じた値を含むように、前記プラントへの入力を算出する、請求項１０または請求項１１に記載の制御装置。
- 前記制御ユニットは、さらに、車両に搭載された機器を駆動するのに必要な機器駆動トルクの推定値に前記モデルパラメータを乗じた値を含むように、前記プラントへの入力を算出する、請求項１０から請求項１２のいずれかに記載の制御装置。
- 前記状態予測器は、さらに、車両を駆動するのに必要な車両駆動トルクの推定値に基づいて、前記予測値を算出する、請求項１０から請求項１３のいずれかに記載の制御装置。
- 前記状態予測器は、さらに、車両に搭載された機器を駆動するのに必要な機器駆動トルクの推定値に基づいて、前記予測値を算出する、請求項１０から請求項１４のいずれかに記載の制御装置。
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