JP4397868B2

JP4397868B2 - Ｐｗｍアルゴリズムを用いたプラントの制御装置

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Publication number: JP4397868B2
Application number: JP2005265657A
Authority: JP
Inventors: 裕司安井
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2005-09-13
Filing date: 2005-09-13
Publication date: 2010-01-13
Anticipated expiration: 2025-09-13
Also published as: US7527029B2; JP2007079829A; US20070062471A1; EP1762719A2; EP1762719A3

Description

本発明は、プラントのフィードバック制御手法に関する。より具体的には、内燃機関の可変リフト機構制御、可変位相機構の制御、および空燃比制御に関する。

プラントが強い非線形特性を有する場合、ＰＤやＰＩＤなど一般的な線形フィードバック制御器では追従性や安定性に問題があり、高精度な制御を実現することは困難である。例えば、内燃機関の可変リフト機構は、フリクションが大きく、リフト量の増減に対するヒステリシス特性を有するといった非線形特性を有するため、高精度なフィードバック制御は難しい。同様に、内燃機関の可変位相機構や空燃比制御機構、および自動変速機のアクチュエータ制御機構も、強い非線形を有する。

内燃機関の制御は、複数の構成要素それぞれの高精度な動作の実現の上に成り立っており、上に列挙したような非線形特性の強い構成要素についても、動作安定性や追従性に高い精度が要求される。したがって、このような非線形特性の強いプラントにも適用可能な制御技術が必要となる。

プラントの非線形特性を補償する制御手法として、２自由度スライディングモード制御が提案されている（例えば特許文献１を参照）。２自由度スライディングモード制御は、フリクションやヒステリシス特性のような非線形特性を有する制御対象を制御する際に、非線形入力を導入することによって、この非線形特性を補償し、高精度かつ高応答に制御対象の出力を目標値に制御することができる。このとき、目標値への追従応答と外乱によって偏差の収束特性を個別に指定できるため、目標値変化が生じた際に優れたオーバーシュート抑制能力を示す。

また、特許文献２では、スライディングモードコントローラにディザ入力を付加した制御手法が開示されている。この手法は、プラントを目標値にフィードバック制御するためにスライディングモードコントローラから算出される制御量を、ディザ入力によって補正している。この処理により、フリクション特性などプラントの非線形特性による制御性の低下を補償する。
特開２００５−１１０３６号特開２００１−１５２８８５号

しかし、特許文献１のような２自由度スライディングモード制御の場合、プラントの非線形特性によってはプラントの出力が振動的になるという課題がある。プラントの非線形特性がある程度高まると、非線形入力の振幅を大きく設定しなければならなくなる。これにより、非線形特性の補償によるオーバーシュート特性の抑制は実現できるものの、制御対象の出力を振動的にしてしまう。

また、特許文献２の手法では、制御の追従性や安定性に問題がある。特許文献２の手法は、ディザ入力のスライディングモードコントローラの切換関数がしきい値を超えた場合に、所定の振幅のディザ入力が制御量に付加される。つまり、目標値に近づいた状態（切換関数がしきい値以下）では、ディザ入力の付加は停止されるので、通常のフィードバック制御と同様となる。このため、フィードバック制御時の挙動は平滑化されるが、追従遅れと定常偏差の発生は改善されていない。また、これらの問題を改善するために、切換関数がしきい値以下の場合にもディザを加え、ディザ信号の振幅を大きくすると、目標値付近で振動が発生する場合がある。

制御対象の非線形特性が高い場合でも、非線形特性を補償して、制御対象の出力の振動を抑制することができる制御手法が望まれている。

本発明は、ＰＷＭ（Pulse Width Modulation、パルス幅変調）アルゴリズムを用いたプラントの制御装置を提供する。この装置は、前記プラントの出力を目標値に制御するための仮制御入力を算出する手段と、前記仮制御入力を複数の成分に分割する手段と、前記複数の成分のうち少なくとも１つをＰＷＭ変調する手段と、前記ＰＷＭ変調された成分と、他の成分を加算して前記プラントへの制御入力を生成する手段と、を有する。

この発明により、ＰＷＭ変調によるプラントの非線形特性の補償能力を維持しつつ、入力変動を最小化することができる。これにより、仮制御入力が大きく変化するプラントにおいても、出力が振動的になることを回避でき、制御性が向上する。

本発明の一実施形態によると、仮制御入力を分割して得られる複数の成分は、仮制御入力をフィルタ処理して算出される第１の成分と、仮制御入力と第1の成分の差分のうち、所定の絶対値内に含まれる第２の成分と、を有する。そして、第２の成分がＰＷＭ変調される。

これにより、ＰＷＭ変調の振幅を仮制御入力の変化幅を包括するように設定する必要がなくなるので、非線形特性の補償とプラントの出力の振動的挙動の抑制の両立を図ることができる。また、ＰＷＭ変調される成分の振幅が最小化されるため、制御分解能が向上して出力の微小変動を抑制することが可能となり、制御性が向上する。

本発明の一実施形態によると、仮制御入力を分割して得られた第1の成分は、変化量が所定の範囲内になるように制限されている。この所定の範囲は目標値の変化量に応じて変更される。これにより、目標値が大きく変動した場合に、追従遅れが生じて非線形特性の補償性能が低下するのを防止することができる。

本発明の一実施形態によると、仮制御入力を分割して得られた第1の成分は、変化量が所定の範囲内になるように制限されている。この所定の範囲は外乱の変化量に応じて変更される。これにより、例えばエンジン回転数の急激な変化などの大きな外乱が印加され、仮制御入力が大きく変化した場合に、追従遅れが生じて非線形特性の補償性能が低下するのを防止することができる。

本発明の一実施形態によると、ＰＷＭ変調する手段は、ＰＷＭ変調する成分を所定の方向にオフセットし、このオフセットした成分をＰＷＭ変調する。そしてＰＷＭ変調した成分を反対方向へ再びオフセットする。これにより、プラントの出力の定常偏差を抑制することができる。

本発明の一実施形態によると、ＰＷＭアルゴリズムを用いた制御装置は、内燃機関の可変リフト機構、可変位相機構、空燃比制御、または自動変速機に適用することができる。

以下、図面を参照して本発明の実施形態について説明する。図１は、本発明の一実施形態に係る内燃機関（以下「エンジン」という）およびその制御装置の構成を示す概略図である。

電子制御ユニット（以下、「ＥＣＵ」）という）１０は、車両各部から送られてくるデータを受け入れる入力インタフェース１０a、車両の各部の制御を行うための演算を実行するＣＰＵ１０ｂ、読取り専用メモリ（ＲＯＭ）および一時記憶用のランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）を有するメモリ１０ｃ、および車両の各部に制御信号を送る出力インタフェース１０ｄを備えるコンピュータである。メモリ１０ｃ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。

本発明に従う可変リフト機構の制御入力を算出するためのプログラム、および該プログラムの実行の際に用いるデータおよびテーブルは、メモリ１０ｃのＲＯＭに格納されている。このＲＯＭは、ＥＥＰＲＯＭのような書替え可能なＲＯＭであっても良い。ＲＡＭには、ＣＰＵ１０ｂによる演算の作業領域が設けられ、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が一時的に記憶される。

ＥＣＵ１０に向けて送られたセンサ出力等の各種信号は入力インタフェース１０ａに渡され、アナログ−デジタル変換される。ＣＰＵ１０ｂは、変換されたデジタル信号をメモリ１０ｃに格納されているプログラムに従って処理して、制御信号を作り出す。出力インタフェース１０ｄは、これらの制御信号を車両の各部位へと送る。

エンジン１１は、例えば４気筒４サイクルのエンジンであり、図には、そのうちの一つの気筒が概略的に示されている。エンジン１１は、吸気バルブ１２を介して吸気管１４に連結され、排気バルブ１３を介して排気管１５に連結されている。ＥＣＵ１０からの制御信号に従って燃料を噴射する燃料噴射弁１６が、吸気管１４に設けられている。燃料室１１ｃには、ＥＣＵ１０からの点火時期信号に従って火花を飛ばす点火プラグ１７が設けられている。

エンジン１１は、吸気管１４から吸入される空気と、燃料噴射弁１６から噴射される燃料との混合気を、燃焼室１１ｃに吸入し、該混合気を、点火プラグ１７による火花により燃焼する。この燃焼により混合気の体積は増大し、ピストン１１ａを下方に押し下げる。ピストン１１ａの往復運動は、クランクシャフト（図示せず）の回転運動に変換される。４サイクルエンジンでは、エンジンのサイクルは、吸入、圧縮、燃焼、および排気行程からなる。ピストン１１ａは、１サイクルにつき２往復する。

エンジン１１は、ＥＣＵ１０からの指令に応じて、吸気バルブ１２と排気バルブ１３の開閉タイミングを変化させて、運転条件に応じた最適なバルブタイミングを実現する。

エンジン１１には、クランク角センサ１８が設けられている。クランク角センサ１８は、クランクシャフト（図示せず）の回転に伴い、パルス信号であるＣＲＫ信号およびＴＤＣ信号をＥＣＵ１０に出力する。

ＣＲＫ信号は、所定のクランク角で（たとえば、３０度ごとに）出力されるパルス信号である。ＥＣＵ１０は、該ＣＲＫ信号に応じ、エンジン１１の回転数ＮＥを算出する。ＴＤＣ信号は、ピストン１１ａのＴＤＣ位置（上死点）に関連したクランク角度で出力されるパルス信号である。

アクセルペダル開度（ＡＰ）センサ２０が、ＥＣＵ１０に接続されている。ＡＰセンサ２０は、アクセルペダルの開度を検出し、それをＥＣＵ１０に送る。

可変リフト機構１９は、ＥＣＵ１０からの制御信号uに従って、吸気バルブ１２のリフト量を変更することができる機構である。バルブの最大リフト量は、エンジンの運転状態や要求駆動力に応じて決定される。

可変リフト機構１９は、任意の既知の手法により実現することができる。本実施形態で用いる可変リフト機構は、例えば、カム、リフト可変リンク、アッパーリンク、ロアリンクから構成され、ロアリンクの角度をアクチュエータなどを用いて変更することにより、バルブの最大リフト量を調整する機能を有する。この可変リフト機構の詳細については、例えば特開２００４−０３６５６０号を参照されたい。

リフト量センサ２１が、ＥＣＵ１０に接続されている。リフト量センサ２１は、吸気バルブ１２のリフト量Liftinを検出し、それをＥＣＵ１０に送る。本実施形態では、リフト量Liftinは、所定の時間間隔（たとえば、５ミリ秒）で検出される。

続いて、図２を参照して、可変リフト機構１９の非線形特性について説明する。可変リフト機構１９はフリクションが大きく、図２に示すようなヒステリシス特性を備える。図２を参照すると、可変リフト機構１９は、リフト量を増大するときには、リフト量を変更するアクチュエータを駆動させるために大きな電圧を必要とする。一方、リフト量を減少するときには、アクチュエータを駆動する電圧はリフト量増大時に比べて小さくなる。

このような非線形特性を持つ可変リフト機構の制御において、特許文献１のような２自由度スライディングモード制御手法は、その非線形特性がある程度小さければ、目標値に対して比較的良好な制御結果を得ることができる。

しかし、可変リフト機構の場合、制御入力の変動幅は±１０Ｖと大きく、その変化も速い。このような変動幅を補償しようとすると、制御入力が振動して制御の精度が低下してしまう。

この問題を解消するために、本実施形態では、２自由度スライディングモード制御などの既知の制御手法により算出された制御入力のうち一部分をＰＷＭ変調して、可変リフト機構１９への制御入力uを生成する（以下「バイパス式ＰＷＭアルゴリズム」という）。

図３は、本実施形態によるバイパス式ＰＷＭアルゴリズムの概略図である。以下、この概略図に従って説明すると、バイパス式ＰＷＭアルゴリズムは、まずコントローラからの参照入力u’を式（１）のように３成分に分割する（図中Ａ）。

u’(k) = u_cent(k) + u_L(k) + u_H(k) （１）
ここで、u_cent(k)は参照入力の変動幅の中心値成分を表し、u_L(k)は中心値成分u_cent(k)からの一定範囲内の変動である小変動成分を表し、u_H(k)はu_cent(k)からの一定範囲以上の変動である大変動成分を表す。

次に、小変動成分u_L(k)のみをＰＷＭアルゴリズムによって変調し、小変動成分の変調成分u_L_pwm(k)を得る（図中Ｂ）。その後、式（２）のように変調成分u_L_pwm(k)と他成分を再合成して制御入力u(k)を算出する（図中Ｃ）。

u(k) = u_cent(k) + u_L_pwm(k) + u_H(k) （２）
これにより、参照入力u’の大局的な動きに沿った、振幅の小さいＰＷＭ信号を制御入力として生成することができる。制御信号のうち、変動の大きい成分はそのまま保存し、残りの成分のうち、所定の振幅以内の信号成分のみをＰＷＭ変調する手法は、ＰＷＭアルゴリズムの特徴である非線形特性の補償能力を有し、さらに振動も抑制される制御信号を生成することを可能にする。

図４は、本実施形態に従う、可変リフト機構１９の制御装置のブロック図である。この制御装置は、典型的にはＥＣＵ１０において実現される。

コントローラ３１は、吸気バルブ１２のリフト量Liftinが目標値Liftin_cmdに収束するための制御入力（以下「参照入力」という）u’を算出する。本実施形態では、２自由度スライディングモード制御を用いて参照入力u’を求める。２自由度スライディングモード制御は、目標値に対する偏差の収束速度と、制御対象に外乱が印加された時の偏差の収束速度とを個別に指定することができる制御である。２自由度スライディングモード制御の詳細については、特許文献１を参照されたい。コントローラ３１は、２自由度スライディングモード制御以外の任意の既知の制御手法を用いても良い。

目標値算出部３３は、吸気バルブ１２のリフト量の目標値Liftin_cmdを算出する。目標値算出部３３は、アクセルペダル開度ＡＰと、エンジン回転数ＮＥに基づき、予めＥＣＵ１０のメモリ１０ｃに記憶されているマップを参照して、目標値Liftin_cmdを算出する。

図５は、リフト量の目標値Liftin_cmdを算出するマップの一例である。グラフの横軸はエンジン回転数NEを表し、グラフの縦軸はリフト量目標値Liftin_cmdを表す。リフト量目標値Liftin_cmdは、エンジン回転数NEが高くなるほど、大きな値をとるように設定されている。また、リフト量目標値Liftin_cmdは、要求される駆動力（典型的にはアクセルペダル開度により表される）が大きくなるほど、大きな値をとるように設定されている。

図４に戻り説明を続けると、中心値成分算出部３５は、参照入力u’の変動幅の中心値成分u_centを抽出する。中心値成分u_centは、参照入力u’のインパルス的な挙動や小振幅の変動に追従せず（条件１）、かつ参照入力のステップ状波形などの大きな変動に追従する（条件２）ことが求められる。条件１は、制御の収束性を高めるためであり、条件２は、制御の追従性を高めるための条件である。

条件１と条件２は相反する条件であり、両条件を満たすことは一般的な線形フィルタでは不可能である。線形フィルタでインパルス波形や微小振動などの高周波成分を除去する（条件１）と、ステップ状波形なども形状が平滑化されてしまい、逆に、ステップ状波形などの大きな変動を保持する（条件２）と、高周波成分の除去が不完全なものになるからである。

したがって、本実施形態では、次式で示す非線形フィルタを適用して所望の中心値成分u_centを抽出する。

ここで、ｋは時間ステップを表す。du_cent(k)は、今回の参照入力u’(k)と前記の中心値成分u_cent(k-1)との偏差であり、次式で表される。

du_cent(k) = u’(k) − u_cent(k-1) （４）
また、εmax(k)は、レイトリミット処理のためのレイトリミット値であり、次式で表される。

εmax(k) = MAX ( εd(k), εr(k) ) （５）
ここでMAX( )は最大値関数であり、（５）式では、εd(k)またはεr(k)のうち大きい方を選択する。

εd(k)およびεr(k)は、条件１（制御の収束性）および条件２（制御の追従性）に関するパラメータである。これらのパラメータが外乱印加や目標値Liftin_cmdの変動に応じて逐次更新され、現時点でいずれの条件を重視するかを決定する指標となる。εd(k)およびεr(k)は、次式から得られる変数FdおよびFrに基づいて、図６に示すマップから検索される。
Fd(k) = (1−Kd) Fd(k-1) + Kd( NE(k) − NE(k-1)) （６）
Fr(k) = (1−Kr) Fr(k-1) + Kr(Liftin_cmd(k)−Liftin_cmd(k-1)) （７）
ここで、KdおよびKrはフィルタ定数であり、０＜Kd＜１、０＜Kr＜１である。

（６）式は、外乱の印加に応じて変動する変数Fdを算出する。本実施形態では、外乱と相関の高いパラメータとしてエンジン回転数ＮＥを用いる。エンジン回転数ＮＥに応じて、リフト量Liftinを目標値Liftin_cmdに平衡させる制御入力ｕは異なる値となる。したがって、エンジン回転数ＮＥの変動は、可変リフト機構の制御系にとって外乱として作用すると考えられる。（６）式より、変数Fdは、エンジン回転数NEが大きく変動するほど、大きな値をとるよう設定されている。

（７）式は、リフト量目標値Liftin_cmdに応じて変動する変数Frを算出する。（７）式より、変数Frは、リフト量目標値Liftin_cmdが大きく変動するほど、大きな値をとるよう設定されている。

図６（ａ）は、（６）式で求めた変数Fdに基づくパラメータεdの推移を示す図である。グラフの横軸が変数Fdであり、グラフの縦軸がパラメータεdである。（６）式より、変数Fdはエンジン回転数NEの変動に比例して増減するパラメータである。

図６（ａ）を参照すると、エンジン回転数ＮＥに大きな変動が生じて変数Fdの絶対値｜Fd｜が所定値を超えると、パラメータεdは｜Fd｜の増加に比例して増加していく。そして所定の最大値に達した後は、パラメータεdは｜Fd｜の増加によらず所定の最大値となる。このとき、（３）式の非線形フィルタは、リミット値εmaxを大きくとるので、ステップ状波形などの大きな変動を保持することができ、上述の条件２（制御の追従性）を重視したフィルタとなる。

また、エンジン回転数NEの変動が小さく｜Fd｜が所定値以下のとき、パラメータεdは所定の最小値となる。このとき、（３）式の非線形フィルタは、リミット値εmaxを小さくとるので、インパルス波形や微小振動などの高周波成分を除去することができ、上述の条件１（制御の収束性）を重視したフィルタとなる。

図６（ｂ）は、（７）式で求められた変数Frに基づくパラメータεrの推移を示す図である。グラフの横軸が変数Frであり、グラフの縦軸がパラメータεrである。（７）式より、変数Frはリフト量目標値Liftin_cmdの変動に比例して増減するパラメータである。

図６（ｂ）を参照すると、リフト量目標値Liftin_cmdに大きな変動が生じて変数Frの絶対値｜Fr｜が所定値を超えると、パラメータεrは｜Fr｜の増加に比例して増加していく。そして所定の最大値に達した後は、パラメータεrは｜Fr｜の増加によらず所定の最大値となる。このとき、（３）式の非線形フィルタは、リミット値εmaxを大きくとるので、ステップ状波形などの大きな変動を保持することができ、上述の条件２（制御の追従性）を重視したフィルタとなる。

また、リフト量目標値Liftin_cmdの変動が小さく｜Fr｜が所定値以下のとき、パラメータεrは所定の最小値となる。このとき、（３）式の非線形フィルタは、リミット値εmaxを小さくとるので、インパルス波形や微小振動などの高周波成分を除去することができ、上述の条件１（制御の収束性）を重視したフィルタとなる。

図６（ａ）および（ｂ）を比較すると、パラメータεdの最大値は、パラメータεrのものよりも大きく設定されている。これは、エンジンの回転数ＮＥの変動など外乱が印加されたときの方が、コントローラ３１からの参照入力u’の変動が大きく、非線形フィルタが保持すべき信号の変動の範囲が大きいためである。

中心値成分算出部３５で算出された中心値成分u_centは、信号分解部３７および信号合成部４１に入力される。

信号分解部３７は、参照入力u’を図３のＡおよび（１）式に示したように３成分に分割する。

図７は、参照入力u’に対する小変動成分u_Lと大変動成分u_Hの関係を示す図である。参照入力u’に対して、まず中心値成分u_centが算出され、両者の差分u’’が求められる。そして、差分u’’のうち、所定の分割しきい値u_L_lmt範囲内の参照入力信号を、小変動成分u_Lとして抽出する。分割しきい値を超える信号成分は、大変動成分u_Hとして抽出される。

本実施形態では、小変動成分u_Lと大変動成分u_Hは、式（８）〜式（１０）のように算出される。

信号分解部３７で算出された小変動成分u_Lは、ＰＷＭ変調部３７へ入力される。大変動成分u_Hは、信号合成部４１へと入力される。

ＰＷＭ変調部３９は、参照入力u’の小変動成分u_LをＰＷＭ変調し、ＰＷＭ変調した小変動成分u_L_pwmを算出する。図８はＰＷＭ変調部３９における変調処理を示したブロック図である。以下、図８に沿って説明する。

ＰＷＭ変調部３９は、まず小変動成分u_Lにオフセット値Ｒを加算してオフセット処理を行う。

r(k) = u_L(k) + R （１１）
ここでオフセット値Ｒは、信号分解部３７で使用した分割しきい値u_L_lmt以上の値に設定されており、０＜u_L_lmt≦Rである。また、オフセット値Ｒは、ＰＷＭ変調振幅MAMPの半分である。

続いて、ＰＷＭアルゴリズム４５が実行される。ＰＷＭアルゴリズム４５は（１２）式〜（１５）式を用いてs(k)を算出する。

ここで、ＭＡＭＰはＰＷＭ変調振幅（＞０）であり、ＭＰＲＤはＰＷＭ変調周期幅（＞０）であり、ΔＴは制御周期（例えば５ミリ秒）である。

ＰＷＭ変調部３９は、最後にＰＷＭアルゴリズムの出力s(k)からオフセット値Ｒを減算して、オフセット処理を戻してu_L_pwmを算出する。

u_L_pwm(k) = s(k) − R （１６）
図４に戻り説明を続けると、信号合成部４１は、参照入力の中央値成分u_cent、大変動成分u_H、およびＰＷＭ変調小変動成分u_L_pwmを（２）式のように合計して、可変リフト機構１９への制御入力uを算出する。算出された制御入力uは、可変リフト機構１９へ送られる。

図９は、本実施形態に従う、可変リフト機構１９を制御するプロセスのフローチャートである。このプロセスは、所定の時間間隔（たとえば５ミリ秒）で実施される。

ステップＳ１０１において、可変リフト機構１９が正常かどうかを確認する。例えば、このフローチャートと並行してＥＣＵ１０によって実施される異常検知処理の判定結果などを参照する。可変リフト機構１９が正常に作動していると確認されると、ステップＳ１０３に進む。可変リフト機構１９に何らかの異常が確認されると、ステップＳ１１５に進み、制御入力uを０として処理を終了する。制御入力u＝０の場合、デフォルト機構により２ミリ程度のリフトに保持される。

ステップＳ１０３において、エンジン１１が始動中であるかどうかを確認する。エンジン１１が通常運転中である場合には、ステップＳ１０５に進む。エンジン１１が始動運転の場合には、ステップＳ１１７に進み、筒内流動を向上させるために、リフト量目標値Lifiin_cmdを通常時より小さい値Liftin_cmd_st（たとえば0.8ミリ）に設定して処理を終了する。

ステップＳ１０５において、リフト量の目標値Liftin_cmdを求める。目標値Liftin_cmdは、エンジン回転数ＮＥおよびアクセルペダル開度ＡＰに基づき、例えば図５に示したマップから算出される。

ステップＳ１０７において、コントローラ３１で可変リフト機構１９への参照入力u’を算出する。吸気バルブ１２のリフト量Liftinおよびリフト量目標値Liftin_cmdから、２自由度スライディングモード制御などの既知の制御手法を用いて、リフト量Liftinを目標値Liftin_cmdに近づけるように参照入力u’を求める。

ステップＳ１０９において、参照入力u’を中央値成分u_cent、小変動成分u_L、および大変動成分u_Hの３つの成分に分解する。まず（３）式から（７）式を用いて中央値成分u_centを求める。続いて、（８）式から（１０）式を用いて小変動成分u_Lおよび大変動成分u_Hを求める。

ステップＳ１１１において、小変動成分u_LをＰＷＭ変調する。小変動成分u_Lは、（１１）式から（１６）式を用いてPWM変調を施され、ＰＷＭ変調された小変動成分u_L_pwmに変換される。

ステップＳ１１３において、中央値成分u_cent、ＰＷＭ変調された小変動成分u_L_pwm、および大変動成分u_Hを合計して、可変リフト機構への制御入力uを算出する。

本実施形態の派生形態として、図４のＰＷＭ変調部３９の構成を図１０のように変更した実施形態について説明する。この実施形態では、ＰＷＭ変調部３９は、オフセット処理を行わずに小変動成分u_Lの正負を判定し、変調された成分に符号を乗じて変調成分u_L_pwmを算出する。

図１０において、ＰＷＭ変調部３９は、まず小変動成分u_Lの絶対値をとり（ブロック４７）、u_Lの絶対値r_absを得る。

r_abs(k) = abs( u_L(k)) （１７）
続いて、ＰＷＭアルゴリズム５１を実施する。ＰＷＭアルゴリズム５１は、（１８）式〜（２１）式を用いてr_abs(k)からs’(k)を算出する。

ここで、ＭＡＭＰ’はＰＷＭ変調振幅（＞０）であり、ＭＰＲＤ’はＰＷＭ変調周期幅（＞０）であり、ΔＴは制御周期（例えば５ミリ秒）である。

ＰＷＭ変調部３９は、最後にＰＷＭアルゴリズム５１の出力s’(k)に、符号判定部４９でsgn関数を使って算出した符号を乗じてu_L_pwmを算出する。

u_L_pwm(k) = s’(k)sgn(u_L(k)) （２２）
本発明によるバイパス式ＰＷＭアルゴリズムは、可変リフト機構以外の非線形特性の高いプラントに対しても適用することができる。

図１１は、バイパス式ＰＷＭアルゴリズムを可変位相機構１０１に適用した制御システム１００のブロック図である。バイパス式ＰＷＭ部１０２は、図４の中心値成分算出部３５、信号分解部３７、ＰＷＭ変調部３９、および信号生成部４１までを含んだ制御ブロックである。可変位相機構１０１は、油圧や電磁ブレーキなどを用いてカム位相Cainを変化させることによりバルブタイミングを制御する。この場合、従来の変調器にくらべて、変調幅を小さくしつつ、油圧ソレノイドや電磁ブレーキのヒステリシス特性や制御分解能の低さを、変調入力により補償することができるため、位相Cainの制御性が向上する。

図１２は、バイパス式ＰＷＭアルゴリズムを空燃比制御に適用したシステム１１０のブロック図である。バイパス式ＰＷＭ部１０２は図１１のものと同じである。空燃比制御システム１１０は、エンジン１１６の排気系に取り付けられた排ガスセンサ１１５の出力Vexを、燃料パラメータUfuel（たとえば燃料補正量）の調整により目標値Vex_cmdに制御する。この場合、エンジン１１６や触媒の応答遅れやばらつきを補償し、排ガスセンサ出力Vexを排ガス中の有害成分が少なくなる目標値Vex_cmdに精度良く制御することができる。また、制御入力である燃料パラメータUfuelの変化幅を小さくすることにより、エンジン１１６での燃焼変動が少なくなり、未燃ＨＣ（炭化水素）をより少なくすることができる。

図１３は、バイパス式ＰＷＭアルゴリズムを自動変速機１２６のアクチュエータ制御に適用したシステム１２０のブロック図である。バイパス式ＰＷＭ部１０２は図１１のものと同じである。自動変速機１２６のアクチュエータ制御は、ＡＭＴ（自動マニュアル付きトランスミッション）のクラッチやシフト制御用の油圧または電動アクチュエータの位置決め制御、ＡＴ（自動トランスミッション）の油圧多板クラッチの締結、切り離し、滑り率制御、およびベルト式ＣＶＴ（無段変速機）の側圧制御などが挙げられる。これらの制御では、自動変速機機構１２６やアクチュエータのフリクションやヒステリシス特性により、高い制御性を確保することが困難である。そこで、図１３のようにバイパス式ＰＷＭアルゴリズムを適用することにより、高い制御性を実現し、変速時の変速ショックの低減や伝達効率の向上による燃費の向上を実現することができる。

以上にこの発明を特定の実施例について説明したが、この発明はこのような実施例に限定されるものではない。

本発明の一実施形態に係る内燃機関（以下「エンジン」という）およびその制御装置の構成を示す概略図である。可変リフト機構のヒステリシス特性を示す図である。本実施形態によるバイパス式ＰＷＭアルゴリズムの概略図である。本実施形態に従う、可変リフト機構の制御装置のブロック図である。リフト量目標値Liftin_cmdを算出するマップを示す図である。変数Fd、Frに基づくパラメータεd、εrの推移を示す図である。参照入力u’に対する小変動成分u_Lと大変動成分u_Hの関係を示す図である。ＰＷＭ変調部における変調処理を示したブロック図である。本実施形態に従う、可変リフト機構を制御するプロセスのフローチャートである。本発明の別の実施形態におけるＰＷＭ変調部の変調処理を示したブロック図である。バイパス式ＰＷＭアルゴリズムを可変位相機構に適用した制御システムのブロック図である。バイパス式ＰＷＭアルゴリズムを空燃比制御に適用したシステムのブロック図である。バイパス式ＰＷＭアルゴリズムを自動変速機のアクチュエータ制御に適用したシステムのブロック図である。

符号の説明

１０ＥＣＵ
３１コントローラ
３７信号分解部
３９ＰＷＭ変調部
４１信号合成部

Claims

ＰＷＭアルゴリズムを用いたプラントの制御装置であって、
前記プラントの出力を目標値に制御するための仮制御入力を算出する手段と、
前記仮制御入力を、変動幅の中心値成分と、中心値成分から一定範囲内の変動である小変動成分と、中心値成分から一定範囲以上の変動である大変動成分とに分割する手段と、
前記小変動成分をＰＷＭ変調する手段と、
前記ＰＷＭ変調された小変動成分と、他の２つの成分を加算して前記プラントへの制御入力を生成する手段と、を有するプラントの制御装置。
前記ＰＷＭ変調する手段は、前記小変動成分を所定の方向にオフセットし、該オフセットした小変動成分をＰＷＭ変調し、該ＰＷＭ変調した小変動成分を反対方向へオフセットする、請求項１に記載のプラントの制御装置。
ＰＷＭアルゴリズムを用いた内燃機関の可変リフト機構の制御装置であって、
前記可変リフト機構の最大リフト量を目標リフト量に制御するための仮制御入力を算出する手段と、
前記仮制御入力を、変動幅の中心値成分と、中心値成分から一定範囲内の変動である小変動成分と、中心値成分から一定範囲以上の変動である大変動成分とに分割する手段と、
前記小変動成分をＰＷＭ変調する手段と、
前記ＰＷＭ変調された小変動成分と、他の２つの成分を加算して制御入力を生成する手段と、を有する内燃機関の可変リフト機構の制御装置。
ＰＷＭアルゴリズムを用いた内燃機関の可変位相機構の制御装置であって、
前記可変位相機構のカム位相を目標位相に制御するための仮制御入力を算出する手段と、
前記仮制御入力を、変動幅の中心値成分と、中心値成分から一定範囲内の変動である小変動成分と、中心値成分から一定範囲以上の変動である大変動成分とに分割する手段と、
前記小変動成分をＰＷＭ変調する手段と、
前記ＰＷＭ変調された小変動成分と、他の２つの成分を加算して制御入力を生成する手段と、を有する内燃機関の可変位相機構の制御装置。
ＰＷＭアルゴリズムを用いた内燃機関の空燃比制御装置であって、
排ガスセンサ出力を目標値に制御するための仮制御入力を算出する手段と、
前記仮制御入力を、変動幅の中心値成分と、中心値成分から一定範囲内の変動である小変動成分と、中心値成分から一定範囲以上の変動である大変動成分とに分割する手段と、
前記小変動成分をＰＷＭ変調する手段と、
前記ＰＷＭ変調された小変動成分と、他の２つの成分を加算して制御入力を生成する手段と、を有する内燃機関の空燃比制御装置。
ＰＷＭアルゴリズムを用いた内燃機関の自動変速機の制御装置であって、
前記自動変速機の出力位置を目標位置に制御するための仮制御入力を算出する手段と、
前記仮制御入力を、変動幅の中心値成分と、中心値成分から一定範囲内の変動である小変動成分と、中心値成分から一定範囲以上の変動である大変動成分とに分割する手段と、
前記小変動成分をＰＷＭ変調する手段と、
前記ＰＷＭ変調された小変動成分と、他の２つの成分を加算して制御入力を生成する手段と、を有する内燃機関の自動変速機の制御装置。