JP4505340B2 - 制御装置 - Google Patents

Description

本発明は制御対象の出力を制御する制御装置に関する。

従来、この種の制御装置として、例えば特許文献１に開示されたものが知られている。この制御装置では、制御対象の出力として、内燃機関のスロットル弁の開度が制御される。このスロットル弁の開度（以下、単に「スロットル弁開度」という）は、これを閉弁方向に常に付勢するリターンスプリングの付勢力と、スロットル弁に接続されたモータの駆動力とのバランスによって決まるようになっている。また、制御装置は、モータへの制御入力を次のようにして算出することにより、スロットル弁開度を目標開度に収束させるように制御する。すなわち、まず、実際のスロットル弁開度と目標開度に基づき、スライディングモード制御アルゴリズムによって制御入力の暫定値を算出する。そして、リターンスプリングのヒステリシスを加味し、算出した暫定値にこのヒステリシスに応じた所定値を加算することによって、モータへの制御入力を算出する。これにより、リターンスプリングのヒステリシスに応じて、スロットル弁開度を精度良く制御するようにしている。

しかし、上記従来の制御装置を、安定性の低い制御対象に適用した場合には、次のような問題がある。すなわち、安定性の低い制御対象を含む制御系では、制御対象の出力を目標値になるように制御する場合において、制御対象に、周期的な外乱が作用したときには出力の揺らぎが、瞬間的に大きな外乱が作用したときには瞬間的な大きな偏差が、それぞれ発生しやすい。これに対して、従来の制御装置では、上述したようにリターンスプリングのヒステリシスに応じた所定値を加算するにすぎないので、出力の揺らぎや瞬間的な大きな偏差が発生するおそれがある。特に、スライディングモード制御は目標値に対する出力の応答性が高いため、高周波の周期的な外乱の影響によって出力が高周波で揺らいだ場合には、制御入力がこの揺らぎに対して共振することによって、偏差がさらに大きくなるおそれがある。以上のように、従来の制御装置では、制御対象の出力の高い安定性および制御精度を得ることができない。

本発明は、以上のような課題を解決するためになされたものであり、外乱に起因する出力の揺らぎなどを抑制でき、制御対象の出力の高い安定性および制御精度を得ることができる制御装置を提供することを目的とする。

特開２００１−２２７３８５号公報

上記目的を達成するため、請求項１に係る制御装置１、５０、６０は、制御対象の出力（実施形態における（以下、本項において同じ）カム位相Ｃａｉｎ、エンジン回転数ＮＥ）を検出する出力検出手段（カム角センサ２０、クランク角センサ２１、ＥＣＵ２）と、検出された制御対象の出力を所定値Ｃａｉｎ＿ｓｈ、ＮＥ＿ｓｈに保持する仮想干渉力（仮想ばね力Ｆｖｓ）を発生させるために、制御対象に入力される仮想干渉入力Ｕｓｈ、Ｕｓｈ＿ｎｅを算出する仮想干渉入力算出手段（ＳＨＤコントローラ４０、ＳＨＤコントローラ６１、ＥＣＵ２）と、制御対象の出力の目標となる目標値（目標カム位相Ｃａｉｎ＿ｃｍｄ、目標エンジン回転数ＮＥ＿ｃｍｄ）を設定する目標値設定手段（目標カム位相算出部４１、目標回転数設定部６３、ＥＣＵ２、ステップ４、６）と、仮想干渉入力Ｕｓｈ、Ｕｓｈ＿ｎｅが入力された制御対象を拡大制御対象とし、拡大制御対象に入力される仮想制御入力Ｗｃａｉｎ、Ｗｔｈを、拡大制御対象の出力（カム位相Ｃａｉｎ、エンジン回転数ＮＥ）が設定された目標値に収束するように、目標値への拡大制御対象の出力の収束速度を指定可能な所定の応答指定型制御アルゴリズム［式（４）〜（９）、式（３１）〜（３６）］に基づいて算出する仮想制御入力算出手段（２自由度ＳＬＤコントローラ４２、ＤＳＭコントローラ４４、２自由度ＳＬＤコントローラ６４、ＤＳＭコントローラ６６、ＥＣＵ２、ステップ５）と、所定値Ｃａｉｎ＿ｓｈ、ＮＥ＿ｓｈと制御対象の出力との偏差の変化速度（偏差Ｘｓｈの変化率ＤＸｓｈ、偏差Ｘｓｈ＿ｎｅの変化率ＤＸｓｈ＿ｎｅ）を算出する変化速度算出手段（ＳＨＤコントローラ４０、ＳＨＤコントローラ６１、ＥＣＵ２）と、を備え、仮想干渉入力算出手段は、仮想干渉入力Ｕｓｈ、Ｕｓｈ＿ｎｅを、算出された変化速度に応じて算出する［式（１）〜（３）、式（２５）〜（２７）］ことを特徴とする。

この制御装置によれば、検出された制御対象の出力を所定値に保持する仮想干渉力を発生させるために、制御対象に入力される仮想干渉入力が、仮想干渉入力算出手段によって算出される。これにより、制御対象の出力に、これを所定値に保持しようとする仮想干渉力が作用するので、外乱による出力の変動を抑制することができる。また、仮想干渉入力が入力された制御対象を拡大制御対象とするとともに、この拡大制御対象に入力される仮想制御入力が、拡大制御対象の出力が設定された目標値に収束するように、目標値への拡大制御対象の出力の収束速度を指定可能な所定の応答指定型制御アルゴリズムに基づき、仮想制御入力算出手段によって算出される。このように、仮想干渉入力により外乱による出力の変動を抑制することによって周期的な外乱に起因する出力の揺らぎを抑制できるとともに、そのように出力の変動を抑制した状態で、応答指定型制御アルゴリズムに基づき仮想制御入力を算出することにより出力を目標値に収束するように制御することによって、瞬間的な外乱に起因する瞬間的な大きな偏差を抑制でき、したがって、制御対象の出力の高い安定性および制御精度を得ることができる。さらに、応答指定型制御アルゴリズムに基づき仮想制御入力を算出するので、特に、低周波の外乱に起因する偏差に関しては、オーバーシュートや振動的挙動を発生させることなく、消去することができる。

また、応答指定型制御アルゴリズムに基づく出力の制御を、従来と異なり、仮想干渉入力により高周波の出力の揺らぎを抑制した状態で行えるので、高周波の出力の揺らぎに対して仮想制御入力が共振するのを抑制することができる。このため、応答指定型制御アルゴリズムのフィードバックゲインを積極的に高めることによって、偏差の抑制能力を高めることが可能になる。
さらに、前述した構成によれば、仮想干渉入力が、所定値と制御対象の出力との偏差の変化速度に応じて算出される。これにより、仮想干渉力に仮想ダンピング特性を与えることができるので、外乱による出力の変動を抑制するのに加えて、そのときの出力の変化速度を抑制でき、したがって、より高い変化速度を有する高周波の出力の揺らぎをさらに抑制することができる。

前記目的を達成するため、請求項２に係る制御装置１、５０、６０は、制御対象の出力（実施形態における（以下、本項において同じ）カム位相Ｃａｉｎ、エンジン回転数ＮＥ）を検出する出力検出手段（カム角センサ２０、クランク角センサ２１、ＥＣＵ２）と、検出された制御対象の出力を所定値Ｃａｉｎ＿ｓｈ、ＮＥ＿ｓｈに保持する仮想干渉力（仮想ばね力Ｆｖｓ）を発生させるために、制御対象に入力される仮想干渉入力Ｕｓｈ、Ｕｓｈ＿ｎｅを算出する仮想干渉入力算出手段（ＳＨＤコントローラ４０、ＳＨＤコントローラ６１、ＥＣＵ２）と、制御対象の出力の目標となる目標値（目標カム位相Ｃａｉｎ＿ｃｍｄ、目標エンジン回転数ＮＥ＿ｃｍｄ）を設定する目標値設定手段（目標カム位相算出部４１、目標回転数設定部６３、ＥＣＵ２、ステップ４、６）と、仮想干渉入力が入力された制御対象を拡大制御対象とし、拡大制御対象に入力される仮想制御入力Ｗｃａｉｎ、Ｗｔｈを、拡大制御対象の出力（カム位相Ｃａｉｎ、エンジン回転数ＮＥ）が設定された目標値に収束するように、所定の２自由度制御アルゴリズム［式（４）〜（９）、式（３１）〜（３６）］に基づいて算出する仮想制御入力算出手段（２自由度ＳＬＤコントローラ４２、ＤＳＭコントローラ４４、２自由度ＳＬＤコントローラ６４、ＤＳＭコントローラ６６、ＥＣＵ２、ステップ５）と、所定値Ｃａｉｎ＿ｓｈ、ＮＥ＿ｓｈと制御対象の出力との偏差の変化速度（偏差Ｘｓｈの変化率ＤＸｓｈ、偏差Ｘｓｈ＿ｎｅの変化率ＤＸｓｈ＿ｎｅ）を算出する変化速度算出手段（ＳＨＤコントローラ４０、ＳＨＤコントローラ６１、ＥＣＵ２）と、を備え、仮想干渉入力算出手段は、仮想干渉入力Ｕｓｈ、Ｕｓｈ＿ｎｅを、算出された変化速度に応じて算出する［式（１）〜（３）、式（２５）〜（２７）］ことを特徴とする。

この制御装置によれば、検出された制御対象の出力を所定値に保持する仮想干渉力を発生させるために、制御対象に入力される仮想干渉入力が、仮想干渉入力算出手段によって算出される。これにより、上述した請求項１と同様、制御対象の出力に、これを所定値に保持しようとする仮想干渉力が作用するので、外乱による出力の変動を抑制することができる。また、仮想干渉入力が入力された制御対象を拡大制御対象とするとともに、この拡大制御対象に入力される仮想制御入力が、拡大制御対象の出力が設定された目標値に収束するように、所定の２自由度制御アルゴリズムに基づき、仮想制御入力算出手段によって算出される。このように、仮想干渉入力により外乱による出力の変動を抑制することによって周期的な外乱に起因する出力の揺らぎを抑制できるとともに、そのように出力の変動を抑制した状態で、２自由度制御アルゴリズムに基づき仮想制御入力を算出することにより出力を目標値に収束するように制御することによって、瞬間的な外乱に起因する瞬間的な大きな偏差を抑制でき、したがって、制御対象の出力の高い安定性および制御精度を得ることができる。

さらに、２自由度制御アルゴリズムとして、例えば、目標値フィルタ型２自由度スライディングモード制御アルゴリズムを用いた場合、より速い良好な収束速度および収束挙動を指定すると、高周波の出力の揺らぎに対して制御入力が共振するおそれがある。これに対して、本発明によれば、２自由度制御アルゴリズムに基づく出力の制御を、仮想干渉入力により高周波の出力の揺らぎを抑制した状態で行えるので、高周波の出力の揺らぎに対して仮想制御入力が共振するのを回避することができる。したがって、より速い良好な収束速度および収束挙動を積極的に指定でき、これらの個別設定を適切に行うことが可能になる。
また、前述した構成によれば、仮想干渉入力が、所定値と制御対象の出力との偏差の変化速度に応じて算出される。これにより、仮想干渉力に仮想ダンピング特性を与えることができるので、外乱による出力の変動を抑制するのに加えて、そのときの出力の変化速度を抑制でき、したがって、より高い変化速度を有する高周波の出力の揺らぎをさらに抑制することができる。

前記目的を達成するため、請求項３に係る制御装置１、５０、６０は、制御対象の出力（実施形態における（以下、本項において同じ）カム位相Ｃａｉｎ、エンジン回転数ＮＥ）を検出する出力検出手段（カム角センサ２０、クランク角センサ２１、ＥＣＵ２）と、検出された制御対象の出力を所定値Ｃａｉｎ＿ｓｈ、ＮＥ＿ｓｈに保持する仮想干渉力（仮想ばね力Ｆｖｓ）を発生させるために、制御対象に入力される仮想干渉入力Ｕｓｈ、Ｕｓｈ＿ｎｅを算出する仮想干渉入力算出手段（ＳＨＤコントローラ４０、ＳＨＤコントローラ６１、ＥＣＵ２）と、仮想干渉入力が入力された制御対象を拡大制御対象とし、拡大制御対象が受ける外乱を補償するための外乱推定値ｃ１、ｃ１＿ｎｅを算出する外乱推定値算出手段（適応外乱オブザーバ４３、適応外乱オブザーバ６５、ＥＣＵ２）と、拡大制御対象の出力（カム位相Ｃａｉｎ、エンジン回転数ＮＥ）を制御するために拡大制御対象に入力される仮想制御入力Ｗｃａｉｎ、Ｗｔｈを、算出された外乱推定値ｃ１、ｃ１＿ｎｅに応じて、所定の制御アルゴリズム［式（４）〜（９），式（１６）〜（２１）、式（３１）〜（３６），式（４１）〜（４６）］により算出する仮想制御入力算出手段（２自由度ＳＬＤコントローラ４２、ＤＳＭコントローラ４４、２自由度ＳＬＤコントローラ６４、ＤＳＭコントローラ６６、ＥＣＵ２、ステップ５）と、所定値Ｃａｉｎ＿ｓｈ、ＮＥ＿ｓｈと制御対象の出力との偏差の変化速度（偏差Ｘｓｈの変化率ＤＸｓｈ、偏差Ｘｓｈ＿ｎｅの変化率ＤＸｓｈ＿ｎｅ）を算出する変化速度算出手段（ＳＨＤコントローラ４０、ＳＨＤコントローラ６１、ＥＣＵ２）と、を備え、仮想干渉入力算出手段は、仮想干渉入力Ｕｓｈ、Ｕｓｈ＿ｎｅを、算出された変化速度に応じて算出する［式（１）〜（３）、式（２５）〜（２７）］ことを特徴とする。

この制御装置によれば、検出された制御対象の出力を所定値に保持する仮想干渉力を発生させるために、制御対象に入力される仮想干渉入力が、仮想干渉入力算出手段によって算出される。これにより、上述した請求項１および２と同様、制御対象の出力に、これを所定値に保持しようとする仮想干渉力が作用するので、外乱による出力の変動を抑制することができる。また、仮想干渉入力が入力された制御対象を拡大制御対象とし、外乱推定値算出手段によって、拡大制御対象が受ける外乱を補償するための外乱推定値が算出される。そして、拡大制御対象の出力を制御するために拡大制御対象に入力される仮想制御入力が、算出した外乱推定値に応じ、所定の制御アルゴリズムにより、仮想制御入力算出手段によって算出され、それにより、拡大制御対象の出力が制御される。このように、仮想干渉入力により外乱による出力の変動を抑制した状態で、外乱推定値を算出するので、外乱推定値による外乱推定精度を向上させることができる。したがって、このように外乱推定精度の高い外乱推定値に応じて出力が制御されるので、外乱に起因する出力の揺らぎなどを抑制することができ、制御対象の出力の高い安定性および制御精度を得ることができる。
また、前述した構成によれば、仮想干渉入力が、所定値と制御対象の出力との偏差の変化速度に応じて算出される。これにより、仮想干渉力に仮想ダンピング特性を与えることができるので、外乱による出力の変動を抑制するのに加えて、そのときの出力の変化速度を抑制でき、したがって、より高い変化速度を有する高周波の出力の揺らぎをさらに抑制することができる。

請求項４に係る発明は、請求項１ないし３のいずれかに記載の制御装置１、５０、６０において、仮想干渉入力算出手段は、仮想干渉入力Ｕｓｈ、Ｕｓｈ＿ｎｅを所定周期（第１周期ΔＴｃ）で算出し、仮想制御入力算出手段は、仮想制御入力Ｗｃａｉｎ、Ｗｔｈを、仮想制御入力Ｗｃａｉｎ、Ｗｔｈと拡大制御対象の出力との関係を定義したモデル［式（１０）、式（３７ａ）］に基づいて算出し、モデルの定義のために用いられる仮想制御入力および拡大制御対象の出力のサンプリング周期（第２周期ΔＴｍ）が、所定周期と異なる値に設定されていることを特徴とする。

この構成によれば、仮想制御入力の算出に用いられるモデルを定義するための仮想制御入力および拡大制御対象の出力のサンプリング周期が、仮想干渉入力の算出周期である所定周期と異なる値に設定されている。これにより、同じ周波数域の外乱に起因する偏差に対する仮想干渉入力および仮想制御入力の感度が同時に高くなるという事態を回避できる。例えば、上記のサンプリング周期を所定周期よりも長く設定することによって、仮想制御入力はより低周波数域の外乱に起因する偏差に対して、仮想干渉入力はより高周波数域の外乱に起因する偏差に対して、それぞれ感度が高くなる。したがって、両者が共振することにより制御対象の出力が不安定になるのを防止することができる。

請求項５に係る発明は、請求項１ないし４のいずれかに記載の制御装置１、５０、６０において、所定値Ｃａｉｎ＿ｓｈ、ＮＥ＿ｓｈと制御対象の出力との偏差の変化速度（偏差Ｘｓｈの変化率ＤＸｓｈ、偏差Ｘｓｈ＿ｎｅの変化率ＤＸｓｈ＿ｎｅ）を算出する変化速度算出手段（ＳＨＤコントローラ４０、ＳＨＤコントローラ６１、ＥＣＵ２）をさらに備え、仮想干渉入力算出手段は、仮想干渉入力Ｕｓｈ、Ｕｓｈ＿ｎｅを、算出された変化速度に応じて算出する［式（１）〜（３）、式（２５）〜（２７）］ことを特徴とする。

この構成によれば、仮想干渉入力が、所定値と制御対象の出力との偏差の変化速度に応じて算出される。これにより、仮想干渉力に仮想ダンピング特性を与えることができるので、外乱による出力の変動を抑制するのに加えて、そのときの出力の変化速度を抑制でき、したがって、より高い変化速度を有する高周波の出力の揺らぎをさらに抑制することができる。

請求項５に係る発明は、請求項１ないし４のいずれかに記載の制御装置１、５０、６０において、仮想干渉入力の変化率（入力変化率Ｄｕｓｈ、入力変化率Ｄｕｓｈ＿ｔｈ）を算出する変化率算出手段（リミッタ５１、リミッタ６２、ＥＣＵ２）と、算出された仮想干渉入力の変化率が所定の変化率（増加側判定値εＨ、減少側判定値εＬ、増加側判定値εＨ＿ｔｈ、減少側判定値εＬ＿ｔｈ）よりも大きい場合に、仮想干渉入力の変化率を、仮想干渉入力Ｕｓｈ、Ｕｓｈ＿ｎｅが増加しているときと減少しているときとの間で、絶対値が互いに異なる制限値（増加時制限値Ｄｕｓｈ＿Ｈ、減少時制限値Ｄｕｓｈ＿Ｌ、増加時制限値Ｄｕｓｈ＿Ｈ＿ｔｈ、減少時制限値Ｄｕｓｈ＿Ｌ＿ｔｈ）に制限する変化率制限手段（リミッタ５１、リミッタ６２、ＥＣＵ２）をさらに備え、変化率制限手段によって変化率が制限された仮想干渉入力を制御対象に入力することを特徴とする。

この構成によれば、仮想干渉入力の変化率が所定変化率よりも大きい場合に、仮想干渉入力の変化率が変化率制限手段により制限されるとともに、変化率が制限された仮想干渉入力が、制御対象に入力される。その場合、仮想干渉入力が増加しているときと減少しているときでは、絶対値が互いに異なる制限値が用いられる。瞬間的に大きな外乱や拡大制御対象の固有振動数とほぼ等しい周波数を有する周期的な外乱が拡大制御対象に作用した場合には、そのような外乱に応じて仮想干渉力が周期的に増減することによって、出力が周期的に振動しながら、その変動幅が過大になるおそれがある。したがって、上記のように、仮想干渉入力の変化率が所定の変化率よりも大きいとき、すなわち、外乱に応じて仮想干渉力が周期的に増減しつつあるときに、仮想干渉入力の変化率を、仮想干渉入力の増減方向で互いに異なる制限値に制限することによって、仮想干渉力の周期的な増減挙動が発生するのを回避できるので、出力の変動幅の過大化を防止することができる。

請求項６に係る発明は、請求項１ないし５のいずれかに記載の制御装置１、５０において、制御対象は、内燃機関３の吸気カムシャフト５および排気カムシャフト１０の少なくとも一方の、クランクシャフト３ａに対する位相であるカム位相Ｃａｉｎを変更する可変カム位相機構（電磁式可変カム位相機構３０）を含み、制御対象の出力はカム位相Ｃａｉｎであり、仮想干渉入力Ｕｓｈ、Ｕｓｈ＿ｎｅは可変カム位相機構に入力され、拡大制御対象は、仮想干渉入力Ｕｓｈ、Ｕｓｈ＿ｎｅが入力された可変カム位相機構を含むことを特徴とする。

可変カム位相機構は、カム位相を変更することによって、燃費、排ガス特性およびドライバビリティーを向上させることなどを目的として、内燃機関に設けられるものである。これに対して、上記の構成によれば、外乱に起因するカム位相の揺らぎなどを抑制でき、カム位相の高い安定性および制御精度を得ることができるので、燃費、排ガス特性およびドライバビリティーの向上を達成することができる。

請求項７に係る発明は、請求項１ないし５のいずれかに記載の制御装置６０において、制御対象は内燃機関３を含み、制御対象の出力は内燃機関の回転数（エンジン回転数ＮＥ）であり、仮想干渉入力Ｕｓｈ、Ｕｓｈ＿ｎｅは内燃機関３に入力され、拡大制御対象は、仮想干渉入力Ｕｓｈ、Ｕｓｈ＿ｎｅが入力された内燃機関３を含むことを特徴とする。

内燃機関では、特に、通常の運転状態からアイドル運転状態に切り換わるときに、回転数が落ち込み、不安定になりやすい傾向にある。これに対して、上記の構成によれば、回転数の変動を抑制できるので、アイドル運転時における回転数の落ち込みを回避でき、回転数の高い安定性および制御精度を得ることができる。

以下、図面を参照しながら、本発明の第１実施形態による制御装置について説明する。図１に示すように、この制御装置１は、内燃機関（以下「エンジン」という）３に設けられた電磁式可変カム位相機構３０（可変カム位相機構）と、これを制御するためのＥＣＵ２を備えている。

内燃機関（以下「エンジン」という）３は、車両（図示せず）に搭載されたＤＯＨＣ型ガソリンエンジンであり、吸気ポートおよび排気ポート（いずれも図示せず）をそれぞれ開閉する吸気弁４および排気弁９と、吸気弁４を駆動するための吸気カムシャフト５および吸気ロッカーアーム６（図２参照）と、排気弁９を駆動するための排気カムシャフト１０および排気ロッカーアーム（図示せず）とを備えている。これらの吸気および排気カムシャフト５，１０には、吸気カム７および排気カム１１がそれぞれ一体に設けられている。また、吸気弁４および排気弁９には、これらを閉弁方向に常に付勢する吸気用のバルブスプリング８および排気用のバルブスプリング（図示せず）がそれぞれ設けられている。

図３に示すように、吸気カムシャフト５には、上記電磁式可変カム位相機構３０の後述する遊星歯車装置３１を介して、スプロケット１５が同軸に連結されている。このスプロケット１５は、タイミングベルト（図示せず）を介してクランクシャフト３ａに連結されており、吸気カム７は、クランクシャフト３ａが２回転するごとに１回転する。この吸気カム７の回転に伴い、吸気ロッカーアーム６が回動することによって、吸気弁４が、バルブスプリング８の付勢力Ｆｖｖｓ（図８参照）に抗しながら開閉される。

また、排気カムシャフト１０には、スプロケット（図示せず）が連結されており、このスプロケットは、タイミングベルトを介してクランクシャフト３ａに連結されており、排気カム１１は、クランクシャフト３ａが２回転するごとに１回転する。この排気カム１１の回転に伴い、上記排気ロッカーアームが回動することによって、排気弁９が、上記排気用のバルブスプリングの付勢力に抗しながら開閉される。

電磁式可変カム位相機構３０は、吸気カムシャフト５のクランクシャフト３ａに対する位相（以下「カム位相」という）Ｃａｉｎ（制御対象の出力、拡大制御対象の出力）を、所定範囲（後述する最遅角値Ｃａｉｎｒｔと最進角値Ｃａｉｎａｄとの間の範囲）内で無段階に変更するものであり、図３〜図６に示すように、遊星歯車装置３１および電磁ブレーキ３２を備えている。

この遊星歯車装置３１は、吸気カムシャフト５とスプロケット１５の間で回転を伝達するものであり、リングギヤ３１ａ、３つのプラネタリピニオンギヤ３１ｂ、サンギヤ３１ｃおよびプラネタリキャリア３１ｄを有している。このリングギヤ３１ａは、アウター３１ｅを介して吸気カムシャフト５に一体に連結されており、吸気カムシャフト５と同軸かつ一体に回転する。

プラネタリキャリア３１ｄは、ほぼ三角形に形成され、それらの３つの角部にシャフト３１ｆがそれぞれ突設されている。また、プラネタリキャリア３１ｄは、これらのシャフト３１ｆを介してスプロケット１５に一体に連結されており、それにより、スプロケット１５と同軸かつ一体に回転する。各プラネタリピニオンギヤ３１ｂは、プラネタリキャリア３１ｄの各シャフト３１ｆに回転自在に支持されるとともに、サンギヤ３１ｃとリングギヤ３１ａの間に配置され、これらと噛み合っている。

前記電磁ブレーキ３２は、アウタケーシング３３、コア３４、連結軸３５、最遅角ストッパ３６、最進角ストッパ３７およびリターンスプリング３８を有している。アウタケーシング３３は、中空に形成され、ホルダに回転不能に固定されるとともに、その内周面に複数（例えば４つ）の電磁石３３ａが周方向に互いに近接するように設けられている。これらの電磁石３３ａには、後述する制御入力ＵｃａｉｎがＥＣＵ２から入力される。

コア３４は、円盤状の基部３４ａと、基部３４ａの外周面に周方向に互いに近接するように設けられた、電磁石３３ａと同じ数の永久磁石３４ｂとを有している。隣り合う各２つの永久磁石３４ｂ，３４ｂは、互いに異なる磁極に設定されている。また、コア３４は、アウタケーシング３３の内部に回転自在に設けられており、永久磁石３４ｂは、電磁石３３ａと若干の間隔を存した状態で対向している。さらに、電磁石３３ａおよび永久磁石３４ｂは、前者を固定子とし、後者を回転子とするＤＣブラシレスモータを構成しており、電磁石３３ａに上記制御入力Ｕｃａｉｎが入力されると、コア３４が、アウタケーシング３３に対して相対的に回転する。

連結軸３５は、一端部がコア３４の基部３４ａに、他端部が前記サンギヤ３１ｃに、それぞれ同軸に接続されており、これにより、コア３４がサンギヤ３１ｃと同軸かつ一体に回転する。また、連結軸３５の中央部は、スプロケット１５の中央の孔１５ａに回転自在に挿入されており、この中央部よりも電磁ブレーキ３２側の部分に、径方向に延びるアーム３５ａが一体に設けられている。

最遅角ストッパ３６および最進角ストッパ３７は、スプロケット１５の電磁ブレーキ３２と対向する側の面に、周方向に互いに所定の間隔を存して対向するように設けられている。また、これらのストッパ３６，３７の間に、上記アーム３５ａが配置されている。この構成により、アーム３５ａは、最遅角ストッパ３６に当接し、係止される最遅角位置（図６の実線位置）と、最進角ストッパ３７に当接し、係止される最進角位置（図６の２点鎖線位置）との間で、スプロケット１５に対して相対的に回動可能に構成されている。

前記リターンスプリング３８は、引張コイルばねで構成されており、その一端部が連結軸３５のアーム３５ａの外端部に、他端部がスプロケット１５の固定部１５ｂに、それぞれ接続されている。また、リターンスプリング３８は、アーム３５ａを最遅角ストッパ３６側に付勢する。

以上の構成の電磁式可変カム位相機構３０の動作について説明する。この電磁式可変カム位相機構３０では、電磁ブレーキ３２の電磁石３３ａに制御入力Ｕｃａｉｎが入力されていないときには、リターンスプリング３８の付勢力Ｆｒｓにより、連結軸３５のアーム３５ａが最遅角ストッパ３６に当接する最遅角位置に保持され、それにより、カム位相Ｃａｉｎは、最遅角値Ｃａｉｎｒｔ（図７参照）に保持される。

この状態で、クランクシャフト３ａの回転に伴って、スプロケット１５が図６の矢印Ｙ１方向に回転すると、それと一体のプラネタリキャリア３１ｄと、スプロケット１５にリターンスプリング３８および連結軸３５を介して連結されたサンギヤ３１ｃが、スプロケット１５と同じ回転数で回転する。これにより、プラネタリピニオンギヤ３１ｂが回転せず、リングギヤ３１ａもまたスプロケット１５と同じ回転数で回転することによって、吸気カムシャフト５が、スプロケット１５と同じ回転数で矢印Ｙ１方向に回転する。

また、クランクシャフト３ａの回転中、アーム３５ａが最遅角位置に保持されている状態で、電磁石３３ａに制御入力Ｕｃａｉｎが入力されると、それまでサンギヤ３１ｃと一体に回転していたコア３４にブレーキ力Ｆｓｏｌが作用し、コア３４の回転数が減少する。このブレーキ力Ｆｓｏｌによりコア３４が減速されるのに伴い、コア３４に接続された連結軸３５がスプロケット１５に対して相対的にＹ１と逆方向に回動し、その結果、アーム３５ａが、リターンスプリング３８の付勢力Ｆｒｓに抗しながら、最進角ストッパ３７側すなわち最進角位置側に、ブレーキ力Ｆｓｏｌと付勢力Ｆｒｓとが釣り合う位置まで回動する。

これに伴い、連結軸３５に接続されたサンギヤ３１ｃが、プラネタリキャリア３１ｄに対して相対的に図４の矢印Ｙ２方向に回動することによって、プラネタリピニオンギヤ３１ｂが図４の矢印Ｙ３方向に回動することで、リングギヤ３１ａが図４の矢印Ｙ４方向に回動する。すなわち、吸気カムシャフト５が、スプロケット１５に対して相対的にスプロケット１５の回転方向（すなわち図４の矢印Ｙ４方向）に回動することになり、カム位相Ｃａｉｎが進角される。

以上のように、電磁式可変カム位相機構３０では、ブレーキ力Ｆｓｏｌがカム位相Ｃａｉｎを進角させる方向に作用し、リターンスプリング３８の付勢力Ｆｒｓがカム位相Ｃａｉｎを遅角させる方向に作用するとともに、ブレーキ力Ｆｓｏｌが変化しない限り、カム位相Ｃａｉｎは、ブレーキ力Ｆｓｏｌと付勢力Ｆｒｓとが互いに釣り合う値に保持される。また、アーム３５ａの回動範囲は、２つのストッパ３６，３７により、図６に実線で示す最遅角位置と２点鎖線で示す最進角位置との間の範囲に規制され、それにより、カム位相Ｃａｉｎの制御範囲も、最遅角値Ｃａｉｎｒｔと最進角値Ｃａｉｎａｄとの間の範囲に規制される。

次に、以上のように構成された電磁式可変カム位相機構３０の動作特性を説明する。図７に示すように、電磁式可変カム位相機構３０では、カム位相Ｃａｉｎは、電磁石３３ａへの制御入力Ｕｃａｉｎが所定値Ｕｃａｉｎ１よりも小さい範囲では、最遅角値Ｃａｉｎｒｔ（例えばカム角０゜）に保持され、所定値Ｕｃａｉｎ２よりも大きい範囲では、最進角値Ｃａｉｎａｄ（例えばカム角５５゜）に保持される。また、Ｕｃａｉｎ１≦Ｕｃａｉｎ≦Ｕｃａｉｎ２の範囲では、最遅角値Ｃａｉｎｒｔと最進角値Ｃａｉｎａｄの間で連続的に変化する。なお、図示しないが、電磁式可変カム位相機構３０は、制御入力Ｕｃａｉｎに対するカム位相Ｃａｉｎの値が、制御入力Ｕｃａｉｎが増大するときと減少するときとで互いに若干異なる、いわゆるヒシテリシス特性を有している。

また、吸気カムシャフト５の電磁式可変カム位相機構３０と反対側の端部には、カム角センサ２０（出力検出手段）が設けられている。このカム角センサ２０は、例えばマグネットロータおよびＭＲＥピックアップで構成されており、吸気カムシャフト５の回転に伴い、パルス信号であるＣＡＭ信号を所定のカム角（例えば１゜）ごとにＥＣＵ２に出力する。

また、エンジン３の吸気管１２には、スロットル機構１３が設けられており、このスロットル機構１３は、スロットル弁１３ａと、これに連結されたモータ１３ｂを有している。スロットル弁１３ａの開度（以下「スロットル弁開度」という）は、ＥＣＵ２からの後述する制御入力Ｕｔｈによりモータ１３ｂを駆動することによって制御される。

さらに、エンジン３の吸気管１２のスロットル弁１３ａよりも下流側には、インジェクタ１４が設けられており、このインジェクタ１４は、ＥＣＵ２からの制御信号によって制御され、燃料を吸気管１２内に噴射する。

また、エンジン３には、クランク角センサ２１（出力検出手段）が設けられている。このクランク角センサ２１は、クランクシャフト３ａの回転に伴い、パルス信号であるＣＲＫ信号をＥＣＵ２に出力する。

ＣＲＫ信号は、所定のクランク角（例えば３０゜）ごとに１パルスが出力される。ＥＣＵ２は、このＣＲＫ信号に応じ、エンジン３の回転数（以下「エンジン回転数」という）ＮＥ（制御対象の出力、拡大制御対象の出力）を算出するとともに、ＣＲＫ信号と前述したカム角センサ２０によるＣＡＭ信号に基づき、カム位相Ｃａｉｎを算出する。

さらに、ＥＣＵ２には、アクセル開度センサ２２およびイグニッション・スイッチ（以下「ＩＧ・ＳＷ」という）２３が接続されている。このアクセル開度センサ２２は、図示しないアクセルペダルの開度（以下「アクセル開度」という）ＡＰを検出し、その検出信号をＥＣＵ２に出力する。また、ＩＧ・ＳＷ２３は、イグニッションキー（図示せず）の操作によりＯＮ／ＯＦＦされるとともに、そのＯＮ／ＯＦＦ状態を表す信号をＥＣＵ２に出力する。

ＥＣＵ２は、Ｉ／Ｏインターフェース、ＣＰＵ、ＲＡＭおよびＲＯＭなどからなるマイクロコンピュータで構成されており、前述した各種のセンサ２０〜２２の検出信号およびＩＧ・ＳＷ２３のＯＮ／ＯＦＦ信号などに応じて、エンジン３の運転状態を判別するとともに、以下に述べるように、カム位相制御処理を実行する。

なお、本実施形態では、ＥＣＵ２により、出力検出手段、仮想干渉入力算出手段、目標値設定手段、仮想制御入力算出手段、外乱推定値算出手段、変化速度算出手段、変化率算出手段および変化率制限手段が構成されている。

次に、本実施形態の制御装置１について説明する。この制御装置１は、次のような技術的な観点に基づいて構成されている。すなわち、前述したように、電磁式可変カム位相機構３０では、スプロケット１５にリターンスプリング３８を介して連結された連結軸３５を、リターンスプリング３８の付勢力Ｆｒｓに抗して、ブレーキ力Ｆｓｏｌでスプロケット１５の回転方向と逆方向に回転させることによって、カム位相Ｃａｉｎを進角方向に変化させるので、ブレーキ力Ｆｓｏｌは、クランクシャフト３ａに負荷として作用する。したがって、カム位相Ｃａｉｎを進角させるのに必要なブレーキ力Ｆｓｏｌが大きいと、その分、エンジン３の効率が低下してしまう。このため、エンジン３の高い効率を得るべく、カム位相Ｃａｉｎの進角を小さなブレーキ力Ｆｓｏｌで行えるようにするために、リターンスプリング３８のばね定数をより小さな値に設定するのが好ましい。

一方、図２（ａ）に示すように、吸気カム７が同図の矢印Ｚ１方向に回転し、吸気弁４を開弁方向に駆動している状態では、バルブスプリング８の付勢力Ｆｖｖｓは、吸気カム７を同図の矢印Ｚ２方向に回転させる反力として作用し、カム位相Ｃａｉｎにとっては、これを遅角方向に変動させる外乱として作用する。また、図２（ｂ）に示すように、吸気カム７が吸気弁４を閉弁方向に駆動している状態では、バルブスプリング８の付勢力Ｆｖｖｓは、吸気カム７を同図の矢印Ｚ３方向に回転させる外力として作用し、カム位相Ｃａｉｎにとっては、これを進角方向に変動させる外乱として作用する。以上のようなバルブスプリング８の付勢力Ｆｖｖｓに起因する外乱は、高速で回転する吸気カムシャフト５の回転に伴って周期的に発生するので、高周波で周期的に発生する。

以上のような電磁式可変カム位相機構３０において、カム位相Ｃａｉｎを目標カム位相Ｃａｉｎ＿ｃｍｄ（目標値）に収束するように制御する制御系では、ブレーキ力Ｆｓｏｌ、リターンスプリング３８の付勢力Ｆｒｓおよびバルブスプリング８の付勢力Ｆｖｖｓは、カム位相Ｃａｉｎに対して次のように作用する。すなわち、図８に示すように、ブレーキ力Ｆｓｏｌは、カム位相Ｃａｉｎを目標カム位相Ｃａｉｎ＿ｃｍｄに収束させるように作用し、リターンスプリング３８の付勢力Ｆｒｓは、カム位相Ｃａｉｎを前述した最遅角値Ｃａｉｎｒｔに保持するように作用し、バルブスプリング８の付勢力Ｆｖｖｓは、カム位相Ｃａｉｎを周期的に変動させるように作用する。すなわち、リターンスプリング３８の付勢力Ｆｒｓは、バルブスプリング８の付勢力Ｆｖｖｓに起因するカム位相Ｃａｉｎの周期的な変動、すなわちカム位相Ｃａｉｎの揺らぎを抑制するように作用する。

これに対して、前述したように、エンジン３の高い効率を得るために、リターンスプリング３８のばね定数を小さな値に設定した場合には、アーム３５ａが空中に浮上しているような非常に不安定な状態にあるので、外乱に起因するカム位相Ｃａｉｎの変動が非常に大きくなってしまう。以上の技術的な観点から、本実施形態では、リターンスプリング３８のばね定数を大きくすることなく、上述したカム位相Ｃａｉｎの揺らぎを抑制するために、制御装置１は次のように構成されている。

すなわち、図９に示すように、カム位相Ｃａｉｎが最遅角側の所定値Ｃａｉｎ＿ｓｈに保持されるように、アーム３５ａを仮想ばね力Ｆｖｓ（仮想干渉力）によって付勢する仮想ばねＶＳと、アーム３５ａに対して、所定値Ｃａｉｎ＿ｓｈを基準とするダンパとして作用する仮想ダンパＶＤを、リターンスプリング３８に並列に仮想的に設ける。これらの仮想ばねＶＳおよび仮想ダンパＶＤは、カム位相Ｃａｉｎが最遅角値Ｃａｉｎｒｔ側の所定値Ｃａｉｎ＿ｓｈに収束するようにブレーキ力Ｆｓｏｌを制御することによって、すなわち、ブレーキ力Ｆｓｏｌに仮想ばね力Ｆｖｓおよび仮想ダンパＶＤのダンピング効果を含ませることによって構成される。そして、仮想ばね力Ｆｖｓおよび仮想ダンパＶＤのダンピング効果が作用している状態で、カム位相Ｃａｉｎが目標カム位相Ｃａｉｎ＿ｃｍｄに収束するようにブレーキ力Ｆｓｏｌをさらに制御する。

具体的には、図１０に示すように、制御装置１は、ＳＨＤコントローラ４０、目標カム位相算出部４１、２自由度ＳＬＤコントローラ４２、適応外乱オブザーバ４３、ＤＳＭコントローラ４４および加算要素４５を備えており、これらは、いずれもＥＣＵ２によって構成されている。

この制御装置１では、以下のようにして、制御入力Ｕｃａｉｎを算出するとともに、算出した制御入力Ｕｃａｉｎを電磁式可変カム位相機構３０の電磁石３３ａに入力することによって、カム位相Ｃａｉｎを目標カム位相Ｃａｉｎ＿ｃｍｄに収束するように制御する。

まず、ＳＨＤコントローラ４０において、カム位相Ｃａｉｎおよび所定値Ｃａｉｎ＿ｓｈに応じ、仮想干渉入力Ｕｓｈを算出する。なお、本実施形態では、ＳＨＤコントローラ４０が仮想干渉入力算出手段および変化速度算出手段に相当する。

また、目標カム位相算出部４１において、エンジン回転数ＮＥおよびアクセル開度ＡＰに応じて目標カム位相Ｃａｉｎ＿ｃｍｄを算出する。その算出方法の詳細については後述する。さらに、２自由度ＳＬＤコントローラ４２において、目標カム位相Ｃａｉｎ＿ｃｍｄおよびカム位相Ｃａｉｎに応じて、後述する制御アルゴリズムによって、ＳＬＤ制御入力Ｒｓｌｄを算出する。なお、本実施形態では、目標カム位相算出部４１が目標値設定手段に相当し、２自由度ＳＬＤコントローラ４２が仮想制御入力算出手段に相当する。

さらに、適応外乱オブザーバ４３において、後述する同定アルゴリズムによって、後述する拡大制御対象の外乱推定値ｃ１を算出する。この外乱推定値ｃ１は、２自由度ＳＬＤコントローラ４２において、ＳＬＤ制御入力Ｒｓｌｄの算出に用いられる。なお、本実施形態では、適応外乱オブザーバ４３が外乱推定値算出手段に相当する。

また、ＤＳＭコントローラ４４において、ＳＬＤ制御入力Ｒｓｌｄに基づき、後述する制御アルゴリズムによって、仮想制御入力Ｗｃａｉｎが算出される。そして、加算要素４５において、制御入力Ｕｃａｉｎを、仮想制御入力Ｗｃａｉｎと仮想干渉入力Ｕｓｈの和として算出する。なお、本実施形態では、ＤＳＭコントローラ４４が仮想制御入力算出手段に相当する。

次に、ＳＨＤコントローラ４０について説明する。このＳＨＤコントローラ４０では、カム位相Ｃａｉｎが所定値Ｃａｉｎ＿ｓｈに収束するように、次式（１）〜（３）に示す制御アルゴリズムによって仮想干渉入力Ｕｓｈを算出する。
Ｕｓｈ（ｋ）＝−Ｋｓｈ・Ｘｓｈ（ｋ）−Ｄｓｈ・ＤＸｓｈ（ｋ） ……（１）
Ｘｓｈ（ｋ）＝Ｃａｉｎ（ｋ）−Ｃａｉｎ＿ｓｈ ……（２）
ＤＸｓｈ（ｋ）＝Ｘｓｈ（ｋ）−Ｘｓｈ（ｋ−１） ……（３）

ここで、式（１）におけるＫｓｈおよびＤｓｈはそれぞれ、所定の仮想ばね定数および仮想減衰係数である。また、式（２）および（３）から明らかなように、Ｘｓｈはカム位相Ｃａｉｎと所定値Ｃａｉｎ＿ｓｈとの偏差であり、ＤＸｓｈは、偏差Ｘｓｈの変化率である。すなわち、式（１）において、Ｋｓｈ・ＸｓｈおよびＤｓｈ・ＤＸｓｈが、仮想ばね力Ｆｖｓおよび仮想ダンパＶＤのダンピング効果に、それぞれ相当する。さらに、所定値Ｃａｉｎ＿ｓｈは、最遅角値Ｃａｉｎｒｔよりも若干、進角側の値に設定されている。なお、記号（ｋ）付の各離散データは、所定の第１周期ΔＴｃ（例えば５ｍｓｅｃ）（所定周期）でサンプリング（または算出）されたデータであることを示しており、記号ｋは各離散データのサンプリングサイクルの順番を表している。例えば、記号ｋは今回のサンプリングタイミングでサンプリングされた値であることを、記号ｋ−１は前回のサンプリングタイミングでサンプリングされた値であることを、それぞれ示している。この点は、以下の離散データにおいても同様である。また、以下の説明では、各離散データにおける記号（ｋ）を適宜、省略する。

さらに、上記第１周期ΔＴｃは極めて短い周期に設定されている。これにより、高周波の仮想ばね力Ｆｖｓが得られるので、バルブスプリング８に起因する高周波の周期的な外乱によるカム位相Ｃａｉｎの揺らぎを、確実に抑制することができる。

次いで、前述した２自由度ＳＬＤコントローラ４２について説明する。この２自由度ＳＬＤコントローラ４２では、仮想干渉入力Ｕｓｈが入力された電磁式可変カム位相機構３０を拡大制御対象とし、この拡大制御対象の出力、すなわち仮想干渉入力Ｕｓｈが入力された状態でのカム位相Ｃａｉｎが、目標カム位相Ｃａｉｎ＿ｃｍｄに収束するように、次式（４）〜（９）に示す目標値フィルタ型２自由度スライディングモード制御アルゴリズムによってＳＬＤ制御入力Ｒｓｌｄを算出する。

この制御アルゴリズムでは、まず、式（４）に示す目標値フィルタアルゴリズムすなわち一次遅れフィルタアルゴリズムにより、目標カム位相のフィルタ値Ｃａｉｎ＿ｃｍｄ＿ｆが算出される。同式（４）において、Ｒは、目標値フィルタ設定パラメータであり、−１＜Ｒ＜０の関係が成立する値に設定される。

次いで、式（５）〜（９）に示すスライディングモード制御アルゴリズムにより、ＳＬＤ制御入力Ｒｓｌｄが算出される。すなわち、式（５）に示すように、ＳＬＤ制御入力Ｒｓｌｄは、等価制御入力Ｒｅｑと到達則入力Ｒｒｃｈの和として算出される。

等価制御入力Ｒｅｑは、式（６）により算出される。同式（６）において、ａ１，ａ２，ｂ１，ｂ２は、後述する式（１０）の拡大制御対象モデルのモデルパラメータを示しており、シミュレーションや同定などによって所定値に設定されている。なお、モデルパラメータａ１，ａ２，ｂ１，ｂ２を、オンボード同定器によって逐次、同定してもよい。また、ｃ１は、外乱およびモデル化誤差を補償するための外乱推定値を示しており、適応外乱オブザーバ４３で算出される。さらに、Ｓは、切換関数設定パラメータであり、−１＜Ｒ＜Ｓ＜０の関係が成立する値に設定されている。

また、到達則入力Ｒｒｃｈは、式（７）により算出される。同式（７）において、Ｋｒｃｈは、所定の到達則ゲインを表しており、σｓは、式（８）のように定義される切換関数である。同式（８）のｅは、式（９）により算出される追従誤差である。

以上の式（４）〜（９）は以下のように導出される。まず、前記拡大制御対象を、その入力を仮想制御入力Ｗｃａｉｎとし、離散時間系モデルとしてモデル化すると、次式（１０）が得られる。
Ｃａｉｎ（ｎ）＝ａ１・Ｃａｉｎ（ｎ−１）＋ａ２・Ｃａｉｎ（ｎ−２）
＋ｂ１・Ｗｃａｉｎ（ｎ−１）＋ｂ２・Ｗｃａｉｎ（ｎ−２） ……（１０）
ここで、記号（ｎ）付の各離散データは、所定の第２周期ΔＴｍ（例えば３０ｍｓｅｃ）でサンプリング（または算出）されたデータであることを示しており、記号ｎは、記号ｋと同様、各離散データのサンプリングサイクルの順番を表している。この第２周期ΔＴｍは、前記第１周期ΔＴｃよりも長く、ΔＴｍ＝ｍ・ΔＴｃ（ｍは整数）が成立する値に設定されており、例えば３０ｍｓｅｃである。なお、この第２周期ΔＴｍは、電磁式可変カム位相機構３０の応答速度に応じ、シミュレーションや同定などによって設定されている。

上記式（１０）の記号（ｎ）を記号（ｋ）に置き換えると、ΔＴｍ＝ｍ・ΔＴｃの関係から、次式（１１）が得られる。
Ｃａｉｎ（ｋ）＝ａ１・Ｃａｉｎ（ｋ−ｍ）
＋ａ２・Ｃａｉｎ（ｋ−２ｍ）＋ｂ１・Ｗｃａｉｎ（ｋ−ｍ）
＋ｂ２・Ｗｃａｉｎ（ｋ−２ｍ） ……（１１）

さらに、後述するように、仮想制御入力Ｗｃａｉｎは、ＤＳＭコントローラ４４でＳＬＤ制御入力Ｒｓｌｄに基づいて算出されるため、上記式（１１）における仮想制御入力ＷｃａｉｎをＳＬＤ制御入力Ｒｓｌｄに置き換え、さらに、外乱推定値ｃ１を付加すると、次式（１２）が得られる。
Ｃａｉｎ（ｋ＋ｍ）＝ａ１・Ｃａｉｎ（ｋ）＋ａ２・Ｃａｉｎ（ｋ−ｍ）
＋ｂ１・Ｒｓｌｄ（ｋ）＋ｂ２・Ｒｓｌｄ（ｋ−ｍ）
＋ｃ１（ｋ） ……（１２）
この式（１２）のモデルに基づき、カム位相Ｃａｉｎが目標カム位相Ｃａｉｎ＿ｃｍｄに収束するように、目標値フィルタ型２自由度スライディングモード制御理論を適用すると、前述した式（４）〜（９）が導出される。

以上の２自由度ＳＬＤコントローラ４２の制御アルゴリズムによれば、目標カム位相Ｃａｉｎ＿ｃｍｄへのカム位相Ｃａｉｎの収束速度、収束挙動および外乱抑制能力を高いレベルで確保することができる。すなわち、式（４）の目標値フィルタアルゴリズムでは、目標値フィルタ設定パラメータＲを、−１＜Ｒ＜０の範囲内で任意に設定することによって、収束速度を自在に設定することができる。また、式（５）〜（９）のスライディングモード制御アルゴリズムでは、外乱推定値ｃ１によってモデル化誤差および外乱の影響を抑制できるとともに、切換関数設定パラメータＳを、−１＜Ｒ＜Ｓ＜０の範囲内で任意に設定することによって、収束挙動および外乱抑制能力を自在に指定することができる。

適応外乱オブザーバ４３は、モデル化誤差および外乱を補償するための、カム位相制御用の外乱推定値ｃ１を算出するものである。具体的には、カム位相ＣａｉｎおよびＳＬＤ制御入力Ｒｓｌｄに応じて、次式（１３）〜（１５）で表される固定ゲイン法の同定アルゴリズムによって、外乱推定値ｃ１を算出する。

ここで、この式（１３）において、Ｐは所定の同定ゲインを、ｅ＿ｄｏｖは同定誤差を、それぞれ表しており、この同定誤差ｅ＿ｄｏｖは、式（１４）により算出される。また、式（１４）におけるＣａｉｎ＿ｈａｔは、カム位相Ｃａｉｎの同定値であり、式（１５）により算出される。

これらの式（１３）〜（１５）は次のように導出される。すなわち、前記式（１２）において、左辺をカム位相の同定値Ｃａｉｎ＿ｈａｔに置き換え、そのように置き換えたモデルに基づき、カム位相の同定値Ｃａｉｎ＿ｈａｔとカム位相Ｃａｉｎとの偏差が最小になるように、統計処理に基づく固定ゲイン法の同定アルゴリズムを適用すると、上記式（１３）〜（１５）が導出される。以上の式（１３）〜（１５）によって、外乱推定値ｃ１が、モデル化誤差および外乱を適切に補償できる値として算出される。

ＤＳＭコントローラ４４は、ＳＬＤ制御入力Ｒｓｌｄに基づき、次式（１６）〜（２１）に示すΔΣ変調アルゴリズムに基づく制御アルゴリズムによって、仮想制御入力Ｗｃａｉｎを算出する。
ｒ１（ｋ）＝Ｒｓｌｄ（ｋ）−Ｗ＿ｏｆｔ ……（１６）
ｒ２（ｋ）＝Ｌｉｍ（ｒ１（ｋ）） ……（１７）
δ（ｋ）＝ｒ２（ｋ）−Ｗｃａｉｎ’（ｋ−１） ……（１８）
σ（ｋ）＝σ（ｋ−１）＋δ（ｋ） ……（１９）
Ｗｃａｉｎ’（ｋ）＝ｆｎｌ（σ（ｋ）） ……（２０）
Ｗｃａｉｎ（ｋ）＝Ｗｃａｉｎ’（ｋ）＋Ｗ＿ｏｆｔ ……（２１）

上記式（１６）におけるＷ＿ｏｆｔは、所定のオフセット値（例えば６）である。また、式（１７）において、Ｌｉｍ（ｒ１（ｋ））は、ＳＬＤ制御入力Ｒｓｌｄをリミット処理した制限値を表しており、具体的には、ＳＬＤ制御入力Ｒｓｌｄを、所定の下限値ｒｍｉｎと上限値ｒｍａｘで規定される範囲内に制限した値として算出される。すなわち、ｒ１（ｋ）＜ｒｍｉｎのときにはＬｉｍ（ｒ１（ｋ））＝ｒｍｉｎとなり、ｒｍｉｎ≦ｒ１（ｋ）≦ｒｍａｘのときにはＬｉｍ（ｒ１（ｋ））＝ｒ１（ｋ）となり、ｒ１（ｋ）＞ｒｍａｘのときにはＬｉｍ（ｒ１（ｋ））＝ｒｍａｘとなる。これらの下限値ｒｍｉｎおよび上限値ｒｍａｘは、互いに絶対値が等しい所定の負値および正値（例えば、それぞれ−１、１）にそれぞれ設定されている。

また、上記式（２０）において、ｆｎｌ（σ（ｋ））は、非線形関数であり、その値は、σ（ｋ）≧０のときにはｆｎｌ（σ（ｋ））＝Ｒｄとなり、σ（ｋ）＜０のときにはｆｎｌ（σ（ｋ））＝−Ｒｄとなる（なお、σ（ｋ）＝０のときには、ｆｎｌ（σ（ｋ））＝０と設定してもよい）。また、この値Ｒｄは、Ｒｄ＞｜ｒ２（ｋ）｜の関係が常に成立するような正の所定値（例えば１．５）に設定されている。

なお、以上のΔΣ変調アルゴリズムに基づく制御アルゴリズムによって、仮想制御入力Ｗｃａｉｎを算出するのは、前述した電磁式可変カム位相機構３０が有するヒシテリシス特性を補償するためである。

以上のように、カム位相Ｃａｉｎが所定値Ｃａｉｎ＿ｓｈに収束するように仮想干渉入力Ｕｓｈを算出することによって、カム位相Ｃａｉｎを所定値Ｃａｉｎ＿ｓｈに保持するように作用する仮想ばね力Ｆｖｓおよび仮想ダンパＶＤのダンピング効果が、ブレーキ力Ｆｓｏｌに含ませられる。これにより、リターンスプリング３８のばね定数を小さな値に設定した場合でも、アーム３５ａには、リターンスプリング３８の付勢力Ｆｒｓに加え、仮想ばね力Ｆｖｓおよび仮想ダンパＶＤのダンピング効果が作用するので、バルブスプリング８の付勢力Ｆｖｖｓに起因するカム位相Ｃａｉｎの揺らぎを抑制することができる。また、このことに基づき、本実施形態のリターンスプリング３８のばね定数は小さな値に設定されており、したがって、エンジン３の高い効率を得ることができる。

以下、ＥＣＵ２によって実行されるカム位相Ｃａｉｎの制御処理について、図１１を参照しながら説明する。本処理の制御周期は前記第１周期ΔＴｃに設定されている。まず、ステップ１では、故障フラグＦ＿ＶＬＶＮＧが「１」であるか否かを判別する。この故障フラグＦ＿ＶＬＶＮＧは、故障判定処理（図示せず）において、電磁式可変カム位相機構３０が故障していると判定されたときに「１」にセットされるものである。

この答がＹＥＳで、電磁式可変カム位相機構３０が故障しているときには、制御入力Ｕｃａｉｎを値０に設定し（ステップ２）本処理を終了する。これにより、カム位相Ｃａｉｎは、最遅角値Ｃａｉｎｒｔに制御される。

一方、上記ステップ１の答がＮＯで、電磁式可変カム位相機構３０が正常であるときには、エンジン始動フラグＦ＿ＥＮＧＳＴＡＲＴが「１」であるか否かを判別する（ステップ３）。このエンジン始動フラグＦ＿ＥＮＧＳＴＡＲＴは、判定処理（図示せず）において、エンジン回転数ＮＥおよびＩＧ・ＳＷ２７の出力信号に応じ、エンジン始動制御中すなわちクランキング中であるか否かを判定することによってセットされるものであり、エンジン始動制御中であるときに「１」にセットされる。

上記ステップ３の答がＹＥＳで、エンジン始動制御中であるときには、目標カム位相Ｃａｉｎ＿ｃｍｄを所定の始動時用値Ｃａｉｎ＿ｃｍｄ＿ｓｔに設定する（ステップ４）。次いで、制御入力Ｕｃａｉｎを、前記式（１）〜（３）によって算出した仮想干渉入力Ｕｓｈと、前記式（４）〜（２１）によって算出した仮想制御入力Ｗｃａｉｎとの和として算出し（ステップ５）、本処理を終了する。

一方、前記ステップ３の答がＮＯで、エンジン始動制御中でないときには、目標カム位相Ｃａｉｎ＿ｃｍｄを、エンジン回転数ＮＥおよびアクセル開度ＡＰに応じ、図１２に示すマップを検索することによって算出する（ステップ６）。次いで、上記ステップ５を実行する。図１２において、ＡＰ１〜ＡＰ３は、アクセル開度ＡＰの所定値であり、ＡＰ１＜ＡＰ２＜ＡＰ３の関係に設定されている。このマップでは、目標カム位相Ｃａｉｎ＿ｃｍｄは、ＡＰ＝ＡＰ１で、エンジン３の負荷が低く、かつエンジン回転数ＮＥが低〜中のときには、それ以外のときよりも進角側の値に設定されている。これは、エンジン３がそのような運転状態にあるときに、カム位相Ｃａｉｎを進角側に制御することにより内部ＥＧＲガス量を増加させることによって、ポンピングロスを低減することで、燃費を向上させるためである。また、目標カム位相Ｃａｉｎ＿ｃｍｄは、エンジン３の負荷が低く、かつエンジン回転数ＮＥが極低〜低では、安定した燃焼を確保し、良好な排ガス特性およびドライバビリティーを確保するために、エンジン回転数ＮＥが低いほど、より遅角側の値に設定されている。

次に、制御装置１によるカム位相Ｃａｉｎの制御結果について説明する。図１３は、目標カム位相Ｃａｉｎ＿ｃｍｄを一定値に保持した場合の制御結果の例を示している。同図に示すように、仮想干渉入力Ｕｃｈが入力されていない状態では（〜時点ｔ１）、前述したバルブスプリング８に起因する周期的な外乱の影響によって、カム位相Ｃａｉｎが周期的に揺らいでいる。これに対して、仮想干渉入力Ｕｃｈが入力されると（時点ｔ１以降）、この揺らぎが消え、カム位相Ｃａｉｎが安定することが確認できた。

以上のように、本実施形態によれば、仮想干渉入力Ｕｓｈによって、カム位相Ｃａｉｎを所定値Ｃａｉｎ＿ｓｈに保持するように作用する仮想ばね力Ｆｖｓを発生させるので、カム位相Ｃａｉｎの変動を抑制できる。これにより、高周波の周期的な外乱に起因するカム位相Ｃａｉｎの揺らぎを抑制できるので、カム位相Ｃａｉｎの高い安定性を得ることができる。また、このように高周波のカム位相Ｃａｉｎの揺らぎを抑制できるので、前述した目標値２自由度型スライディングモード制御アルゴリズムにおいて、より速い良好な収束速度および収束挙動を指定しても、前述した高周波の揺らぎに対するカム位相Ｃａｉｎの共振を発生させることなく、カム位相Ｃａｉｎを精度良く制御できる。このことに基づき、本実施形態では、目標値２自由度型スライディングモード制御アルゴリズムにおいて、より速い良好な収束速度および収束挙動が指定されている。以上のように、カム位相Ｃａｉｎの高い安定性および制御精度が得られるので、前述した図１２のマップに基づく目標カム位相Ｃａｉｎ＿ｃｍｄの設定とあいまって、良好な燃費、排ガス特性およびドライバビリティーを得ることができる。

さらに、仮想干渉入力Ｕｓｈによりカム位相Ｃａｉｎの変動を抑制した状態で外乱推定値ｃ１を算出するので、これによる外乱推定精度を向上させることができる。したがって、カム位相Ｃａｉｎのさらに高い安定性および制御精度を得ることができる。

また、仮想干渉入力Ｕｓｈの算出周期である第１周期ΔＴｃが、仮想制御入力Ｗｃａｉｎを算出するためのモデル（前記式（１０））におけるサンプリング周期である第２周期ΔＴｍと異なる値に設定されている。これにより、仮想干渉入力Ｕｓｈおよび仮想制御入力Ｗｃａｉｎが共振することによりカム位相Ｃａｉｎが不安定になるのを、防止することができる。

さらに、仮想干渉入力Ｕｓｈによって、所定値Ｃａｉｎ＿ｓｈを基準とする仮想ダンパＶＤのダンピング効果をカム位相Ｃａｉｎに作用させるので、外乱によるカム位相Ｃａｉｎの変化速度を抑制でき、したがって、より高い変化速度を有する高周波のカム位相Ｃａｉｎの揺らぎをさらに抑制することができる。

なお、本実施形態では、所定値Ｃａｉｎ＿ｓｈを、最遅角値Ｃａｉｎｒｔから若干、進角側の値に設定したが、リターンスプリング３８のばね定数が極めて小さい場合には、最遅角値Ｃａｉｎｒｔに設定してもよい。また、逆に、このばね定数が大きく、カム位相Ｃａｉｎの遅角側への変化速度が高すぎる場合には、所定値Ｃａｉｎ＿ｓｈを最進角値Ｃａｉｎａｄ付近の値に設定してもよい。なお、本実施形態では、所定値Ｃａｉｎ＿ｓｈが上記のように設定されているので、アーム３５ａが最遅角ストッパ３６に衝突するのを防止することができる。

次に、図１４を参照しながら、本発明の第２実施形態による制御装置５０について説明する。本実施形態では、第１実施形態と比較して、仮想干渉入力Ｕｓｈを算出した後に、これに所定のリミット処理を施す点のみが異なっている。また、図１４において第１実施形態による制御装置１と同じ制御装置５０中の構成要素については、同じ符号を用いて示している。同図に示すように、制御装置１にリミッタ５１（変化率算出手段、変化率制限手段）が付加されている点のみが異なっているので、以下、このリミッタ５１を中心として説明する。なお、リミッタ５１はＥＣＵ２によって構成されている。

リミッタ５１は、前記ＳＨＤコントローラ４０で算出された仮想干渉入力を暫定値Ｕｓｈ’として取り込む。そして、この暫定値Ｕｓｈ’に次式（２２）〜（２４）で示されるリミット処理を施すことによって、仮想干渉入力Ｕｓｈを算出する。なお、この暫定値Ｕｓｈ’は、前記ＳＨＤコントローラ４０で算出される図１０の仮想干渉入力Ｕｓｈに相当するが、加算要素４５に入力される仮想干渉入力を同じ表記の「仮想干渉入力Ｕｓｈ」として、統一して取り扱うために、そのように表記されている。
Ｄｕｓｈ（ｋ）＝Ｕｓｈ’（ｋ）−Ｕｓｈ（ｋ−１） ……（２２）
Ｄｕｓｈ’（ｋ）＝Ｌｉｍ（Ｄｕｓｈ（ｋ）） ……（２３）
Ｕｓｈ（ｋ）＝Ｕｓｈ（ｋ−１）＋Ｄｕｓｈ’（ｋ） ……（２４）
ここで、式（２２）におけるＤｕｓｈは、その算出方法から明らかなように、リミット処理前の仮想干渉入力Ｕｓｈの変化率（以下、「入力変化率」という）である。また、Ｌｉｍ（Ｄｕｓｈ（ｋ））は、入力変化率Ｄｕｓｈに、以下のような制限処理を施した値である。

すなわち、このＬｉｍ（Ｄｕｓｈ（ｋ））は、Ｄｕｓｈ（ｋ）≧εＨのときにはＤｕｓｈ＿Ｈに、εＬ＜Ｄｕｓｈ（ｋ）＜εＨのときにはＤｕｓｈ（ｋ）に、Ｄｕｓｈ（ｋ）≦εＬのときにはＤｕｓｈ＿Ｌに、それぞれ設定される。ここで、εＨは、増加側判定値（所定の変化率）で、所定の正値に設定されており、εＬは、減少側判定値（所定の変化率）で、増加側判定値εＨと絶対値が等しい負値に設定されている。また、これらの増加側判定値εＨおよび減少側判定値εＬは、外乱に応じて仮想ばね力Ｆｖｓが周期的に増減しつつあるか否かを判定できるような値に設定されている。さらに、Ｄｕｓｈ＿Ｈは、所定の増加時制限値（制限値）であり、増加側判定値εＨよりも小さな正値に設定されている（Ｄｕｓｈ＿Ｈ＜εＨ）。さらに、Ｄｕｓｈ＿Ｌは、所定の減少時制限値（制限値）であり、減少側判定値εＬよりも絶対値が大きな負値に設定されている（｜Ｄｕｓｈ＿Ｌ｜＞｜εＬ｜）。すなわち、減少時制限値Ｄｕｓｈ＿Ｌの絶対値は、増加時制限値Ｄｕｓｈ＿Ｈよりも大きな値に設定されている。

そして、上記式（２４）に示すように、上述した制限処理によって算出した制限済値Ｄｕｓｈ’（ｋ）と仮想干渉入力の前回値Ｕｓｈ（ｋ−１）との和が、今回の仮想干渉入力Ｕｓｈ（ｋ）として算出される。

以上のように、リミッタ５１では、入力変化率Ｄｕｓｈが増加側判定値εＨと減少側判定値εＬの間にあるとき（εＬ＜Ｄｕｓｈ＜εＨ）には、ＳＨＤコントローラ４０から取り込んだ今回の暫定値Ｕｓｈ’（ｋ）が、そのまま今回の仮想干渉入力Ｕｓｈ（ｋ）として算出される。一方、これ以外のときには、入力変化率Ｄｕｓｈが、仮想干渉入力Ｕｓｈが増加しているときには増加時制限値Ｄｕｓｈ＿Ｈに、減少しているときには減少時制限値Ｄｕｓｈ＿Ｌに、それぞれ制限される。

以上のように、本実施形態によれば、入力変化率Ｄｕｓｈが、増加側判定値εＨ以上のとき、または減少側判定値εＬ以下のときには、周期的な外乱に応じて仮想ばね力Ｆｖｓが周期的に増減しつつあるとして、リミット処理によって制限される。また、この場合において、入力変化率Ｄｕｓｈを、仮想干渉入力Ｕｓｈが増加しているときに制限する増加時制限値Ｄｕｓｈ＿Ｈの絶対値と、減少しているときに制限する減少時制限値Ｄｕｓｈ＿Ｌの絶対値が互いに異なっている。これにより、外乱に応じた仮想ばね力Ｆｖｓの周期的な増減挙動が発生するのを回避できるので、偏差の過大化や発散を防止することができる。

また、増加時制限値Ｄｕｓｈ＿Ｈの絶対値は、減少時制限値Ｄｕｓｈ＿Ｌの絶対値よりも小さな値に設定されている。これにより、仮想干渉入力Ｕｓｈが増加している場合、すなわち、カム位相Ｃａｉｎを進角側に変化させるように作用する場合において、入力変化率Ｄｕｓｈの制限をより強めることによって、カム位相Ｃａｉｎが進角側に変化し過ぎるのを防止できる。したがって、内部ＥＧＲガス量が過大になることにより燃焼が不安定になるのを、防止することができる。

なお、前述した第１および第２実施形態では、吸気カムシャフト５のカム位相Ｃａｉｎを制御したが、これに代えて、またはこれとともに、排気カムシャフト１０のカム位相を制御してもよい。また、これらの実施形態では、可変カム位相機構として、電磁式のものを用いたが、油圧式のものを用いてもよいことは勿論である。

さらに、第２実施形態では、入力変化率Ｄｕｓｈを、仮想干渉入力Ｕｓｈの増加時に制限する増加時制限値Ｄｕｓｈ＿Ｈの絶対値が、減少時に制限する減少時制限値Ｄｕｓｈ＿Ｌの絶対値よりも小さな値に設定されている。これらの制限値Ｄｕｓｈ＿ＨおよびＤｕｓｈ＿Ｌの絶対値は、互いに異なる値に設定されていればよく、その趣旨に応じて、その大小関係を上記とは逆に設定してもよいことは勿論である。

次に、図１５を参照しながら、本発明の第３実施形態による制御装置６０について説明する。この制御装置６０は、アイドル運転中において、エンジン回転数ＮＥを後述する目標回転数ＮＥ＿ｃｍｄ（目標値）に収束するように制御するものであり、アクセル開度ＡＰおよびエンジン回転数ＮＥが、アイドル判定用の所定値ＡＰ＿ＩＤＬＥおよび所定値ＮＥ＿ＩＤＬＥよりもそれぞれ小さいときに、制御処理を実行する。具体的には、制御装置６０は、ＳＨＤコントローラ６１、リミッタ６２、目標回転数設定部６３、２自由度ＳＬＤコントローラ６４、適応外乱オブザーバ６５、ＤＳＭコントローラ６６、および加算要素６７を備えている。

このＳＨＤコントローラ６１は、前述したＳＨＤコントローラ４０とほぼ同様に構成されており、具体的には、エンジン回転数ＮＥが所定値ＮＥ＿ｓｈに収束するように、次式（２５）〜（２７）に示す制御アルゴリズムによって仮想干渉入力Ｕｓｈ＿ｔｈを算出する。なお、本実施形態では、ＳＨＤコントローラ６１が仮想干渉入力算出手段および変化速度算出手段に相当する。
Ｕｓｈ＿ｔｈ（ｋ）＝−Ｋｓｈ＿ｎｅ・Ｘｓｈ＿ｎｅ（ｋ）
−Ｄｓｈ＿ｎｅ・ＤＸｓｈ＿ｎｅ（ｋ） ……（２５）
Ｘｓｈ＿ｎｅ（ｋ）＝ＮＥ（ｋ）−ＮＥ＿ｓｈ ……（２６）
ＤＸｓｈ＿ｎｅ（ｋ）＝Ｘｓｈ＿ｎｅ（ｋ）−Ｘｓｈ＿ｎｅ（ｋ−１）
……（２７）
ここで、式（２５）におけるＫｓｈ＿ｎｅおよびＤｓｈ＿ｎｅはそれぞれ、所定の仮想ばね定数および仮想減衰係数である。また、所定値ＮＥ＿ｓｈは、目標回転数ＮＥ＿ｃｍｄよりも大きく、かつ所定値ＮＥ＿ＩＤＬＥよりも小さな値に設定されている。さらに、上記式（２５）〜（２７）から明らかなように、式（２５）におけるＫｓｈ＿ｎｅ・Ｘｓｈ＿ｎｅおよびＤｓｈ＿ｎｅ・ＤＸｓｈ＿ｎｅが、仮想ばね力Ｆｖｓおよび仮想ダンパＶＤのダンピング効果に、それぞれ相当する。また、この場合の仮想ばね力Ｆｖｓおよび仮想ダンパＶＤのダンピング効果は、エンジン回転数ＮＥを所定値ＮＥ＿ｓｈに保持するように作用する。

上記リミッタ６２は、前述したリミッタ５１とほぼ同様に構成されている。具体的には、リミッタ６２は、上記ＳＨＤコントローラ６１で算出された仮想干渉入力を、暫定値Ｕｓｈ＿ｔｈ’として取り込む。そして、この暫定値Ｕｓｈ＿ｔｈ’に次式（２８）〜（３０）で示されるリミット処理を施すことによって、仮想干渉入力Ｕｓｈ＿ｔｈを算出する。なお、本実施形態では、リミッタ６２が変化率算出手段および変化率制限手段に相当する。
Ｄｕｓｈ＿ｔｈ（ｋ）＝Ｕｓｈ＿ｔｈ’（ｋ）−Ｕｓｈ＿ｔｈ（ｋ−１）
……（２８）
Ｄｕｓｈ＿ｔｈ’（ｋ）＝Ｌｉｍ（Ｄｕｓｈ＿ｔｈ（ｋ）） ……（２９）
Ｕｓｈ＿ｔｈ（ｋ）＝Ｕｓｈ＿ｔｈ（ｋ−１）＋Ｄｕｓｈ＿ｔｈ’（ｋ）
……（３０）

これにより、前述した第２実施形態と同様、入力変化率Ｄｕｓｈ＿ｔｈを、増加側判定値εＨ＿ｔｈ（所定の変化率）以上のとき、または減少側判定値εＬ＿ｔｈ（所定の変化率）以下のときに、外乱に応じて仮想ばね力Ｆｖｓが周期的に増減しつつあるとして、リミット処理によって制限する。また、この場合において、入力変化率Ｄｕｓｈ＿ｔｈは、仮想干渉入力Ｕｓｈ＿ｔｈが増加しているときには所定の正値の増加時制限値Ｄｕｓｈ＿Ｈ＿ｔｈ（制限値）に制限され、減少しているときには所定の負値の減少時制限値Ｄｕｓｈ＿Ｌ＿ｔｈ（制限値）に制限される。さらに、これらの増加時制限値Ｄｕｓｈ＿Ｈ＿ｔｈの絶対値および減少時制限値Ｄｕｓｈ＿Ｌ＿ｔｈの絶対値は互いに異なっており、前者は後者よりも小さな値に設定されている。

前記目標回転数設定部６３は、目標回転数ＮＥ＿ｃｍｄをアイドル時用の所定値（例えば６５０ｒｐｍ）に設定する。なお、本実施形態では、目標回転数設定部６３が目標値設定手段に相当する。

また、前記２自由度ＳＬＤコントローラ６４は、前述した２自由度ＳＬＤコントローラ４２とほぼ同様に構成されている。具体的には、２自由度ＳＬＤコントローラ６４は、仮想干渉入力Ｕｓｈ＿ｔｈが入力されたスロットル機構１３を有するエンジン３を拡大制御対象とし、この拡大制御対象の出力、すなわち、仮想干渉入力Ｕｓｈ＿ｔｈが入力された状態でのエンジン回転数ＮＥが、目標回転数ＮＥ＿ｃｍｄに収束するように、次式（３１）〜（３６）に示す目標値フィルタ型２自由度スライディングモード制御アルゴリズムによってＳＬＤ制御入力Ｒｓｌｄ＿ｔｈを算出する。なお、本実施形態では、２自由度ＳＬＤコントローラ６４が仮想制御入力算出手段に相当する。

以上のように、前述した式（４）〜（９）と同様にして、ＳＬＤ制御入力Ｒｓｌｄ＿ｔｈが算出される。なお、以上の式（３１）〜（３６）は、次式（３７）に示すモデルに基づき、エンジン回転数ＮＥが目標回転数ＮＥ＿ｃｍｄに収束するように、目標値フィルタ型２自由度スライディングモード制御理論を適用することによって導出される。
ＮＥ（ｋ＋ｍ）＝ａ１＿ｎｅ・ＮＥ（ｋ）＋ａ２＿ｎｅ・ＮＥ（ｋ−ｍ）
＋ｂ１＿ｎｅ・Ｒｓｌｄ＿ｔｈ（ｋ）
＋ｂ２＿ｎｅ・Ｒｓｌｄ＿ｔｈ（ｋ−ｍ）＋ｃ１＿ｎｅ（ｋ）
……（３７）
また、この式（３７）は、前述した式（１０）〜（１２）と同様にして、上記拡大制御対象（仮想干渉入力Ｕｓｈ＿ｔｈが入力されたエンジン３）を、その入力を後述する仮想制御入力Ｗｔｈとし、離散時間系モデルとしてモデル化した次式（３７ａ）に基づいて導出される。
ＮＥ（ｎ）＝ａ１＿ｎｅ・ＮＥ（ｎ−１）＋ａ２＿ｎｅ・ＮＥ（ｎ−２）
＋ｂ１＿ｎｅ・Ｗｔｈ（ｎ−１）＋ｂ２＿ｎｅ・Ｗｔｈ（ｎ−２）
……（３７ａ）

さらに、前記適応外乱オブザーバ６５は、前述した適応外乱オブザーバ４３とほぼ同様に構成されており、モデル化誤差および外乱を補償するための、エンジン回転数制御用の外乱推定値ｃ１＿ｎｅを算出するものである。具体的には、エンジン回転数ＮＥおよびＳＬＤ制御入力Ｒｓｌｄ＿ｔｈに応じて、次式（３８）〜（４０）で表される固定ゲイン法の同定アルゴリズムによって、外乱推定値ｃ１＿ｎｅを算出する。なお、本実施形態では、適応外乱オブザーバ６５が外乱推定値算出手段に相当する。

このように、前述した式（１３）〜（１５）と同様にして、外乱推定値ｃ１＿ｎｅが算出される。なお、これらの式（３８）〜（４０）の導出方法は、式（１３）〜（１５）と同様、前記式（３７）において、左辺をエンジン回転数の同定値ＮＥ＿ｈａｔに置き換え、そのように置き換えたモデルに基づき、エンジン回転数の同定値ＮＥ＿ｈａｔとエンジン回転数ＮＥとの偏差が最小になるように、統計処理に基づく固定ゲイン法の同定アルゴリズムを適用することによって導出される。

また、前記ＤＳＭコントローラ６６は、前述したＤＳＭコントローラ４４とほぼ同様に構成されている。具体的には、 ＳＬＤ制御入力Ｒｓｌｄ＿ｔｈに基づき、次式（４１）〜（４６）に示すΔΣ変調アルゴリズムに基づく制御アルゴリズムによって、仮想制御入力Ｗｔｈを算出する。なお、本実施形態では、ＤＳＭコントローラ６６が仮想制御入力算出手段に相当する。
ｒ１＿ｔｈ（ｋ）＝Ｒｓｌｄ＿ｔｈ（ｋ）−Ｗ＿ｏｆｔ＿ｔｈ ……（４１）
ｒ２＿ｔｈ（ｋ）＝Ｌｉｍ（ｒ１＿ｔｈ（ｋ）） ……（４２）
δ＿ｔｈ（ｋ）＝ｒ２＿ｔｈ（ｋ）−Ｗｔｈ’（ｋ−１） ……（４３）
σ＿ｔｈ（ｋ）＝σ＿ｔｈ（ｋ−１）＋δ＿ｔｈ（ｋ） ……（４４）
Ｗｔｈ’（ｋ）＝ｆｎｌ（σ＿ｔｈ（ｋ）） ……（４５）
Ｗｔｈ（ｋ）＝Ｗｔｈ’（ｋ）＋Ｗ＿ｏｆｔ＿ｔｈ ……（４６）

このように、前述した式（１６）〜（２１）と同様にして、仮想制御入力Ｗｔｈが算出される。

さらに、前記加算要素６７は、前記仮想干渉入力Ｕｓｈ＿ｔｈと仮想制御入力Ｗｔｈの和を、制御入力Ｕｔｈとして算出する。そして、算出された制御入力Ｕｔｈがスロットル機構１３のモータ１３ｂに入力されることによって、スロットル弁開度が、エンジン回転数ＮＥが目標回転数ＮＥ＿ｃｍｄに収束するように制御される。

次に、図１６を参照しながら、制御装置６０によるエンジン回転数ＮＥの制御結果の例について、比較例とともに説明する。この比較例は、制御入力Ｕｔｈとして仮想制御入力Ｗｔｈをそのまま用いた場合の例である。図１６（ａ）に示す比較例では、エンジン回転数ＮＥが、所定値ＮＥ＿ＩＤＬＥを下回り、アイドル回転数制御が開始される（時点ｔａ）と、クランクシャフト３ａの慣性などの影響によって、目標回転数ＮＥ＿ｃｍｄを一旦、大きく下回った後に、これに収束する。このように、比較例では、アイドル回転数制御の開始時に、クランクシャフト３ａの慣性などが、エンジン回転数ＮＥに対して瞬間的な大きな外乱として作用することによって、エンジン回転数ＮＥが目標回転数ＮＥ＿ｃｍｄを大きく下回り、瞬間的に大きな偏差が生じる。

これに対して、図１６（ｂ）に示すように、上述した制御装置６０による制御結果では、アイドル回転数制御の開始後、エンジン回転数ＮＥが、目標回転数ＮＥ＿ｃｍｄを大きく下回らず、すなわち大きな偏差が生じることなく、目標回転数ＮＥ＿ｃｍｄに収束しており、アイドル回転数の高い安定性および制御精度が得られることが確認できた。

以上のように、本実施形態によれば、仮想干渉入力Ｕｓｈ＿ｔｈによって、目標回転数ＮＥ＿ｃｍｄよりも大きな所定値ＮＥ＿ｓｈに保持するように作用する仮想ばね力Ｆｖｓを発生させる。これにより、外乱に起因するエンジン回転数ＮＥの変動を抑制できることによって、アイドル運転時において、エンジン回転数ＮＥが目標回転数ＮＥ＿ｃｍｄに対して大きく落ち込むのを回避でき、エンジン回転数ＮＥの高い安定性および制御精度を得ることができる。

また、仮想干渉入力Ｕｓｈ＿ｔｈによりエンジン回転数ＮＥの変動を抑制した状態で外乱推定値ｃ１を算出するので、これによる外乱推定精度を向上させることができる。したがって、エンジン回転数ＮＥのさらに高い安定性および制御精度を得ることができる。

さらに、仮想干渉入力Ｕｓｈ＿ｔｈの算出周期である第１周期ΔＴｃが、仮想制御入力Ｗｔｈを算出するためのモデル（前記式（３７ａ））におけるサンプリング周期である第２周期ΔＴｍと異なる値に設定されている。これにより、仮想干渉入力Ｕｓｈ＿ｔｈおよび仮想制御入力Ｗｔｈが共振することによりエンジン回転数ＮＥが不安定になるのを、防止することができる。

また、仮想ダンパＶＤのダンピング効果を発生させる仮想干渉入力Ｕｓｈによって、所定値ＮＥ＿ｓｈを基準とする仮想ダンパＶＤのダンピング効果をエンジン回転数ＮＥに作用させるので、外乱によるエンジン回転数ＮＥの変化速度を抑制できる。したがって、より高い変化速度を有する高周波の偏差を抑制することができる。

さらに、入力変化率Ｄｕｓｈ＿ｔｈを、仮想干渉入力Ｕｓｈ＿ｔｈが増加しているときに制限する増加時制限値Ｄｕｓｈ＿Ｈ＿ｔｈの絶対値と、減少しているときに制限する減少時制限値Ｄｕｓｈ＿Ｌ＿ｔｈの絶対値が互いに異なっている。これにより、外乱に応じた仮想ばね力Ｆｖｓの周期的な増減挙動が発生するのを回避できるので、偏差の過大化や発散を防止することができる。

また、増加時制限値Ｄｕｓｈ＿Ｈ＿ｔｈの絶対値が減少時制限値Ｄｕｓｈ＿Ｌ＿ｔｈの絶対値よりも小さな値に設定されている。これにより、仮想干渉入力Ｕｓｈ＿ｔｈが増加している場合、すなわち、これがエンジン回転数ＮＥを増加側に変化させるように作用する場合において、入力変化率Ｄｕｓｈ＿ｔｈの制限をより強めることによって、エンジン回転数ＮＥが増加し過ぎるのを防止できる。したがって、停車中であるにもかかわらず、エンジン回転数ＮＥが不要に高められることにより燃費が悪化するのを防止できる。

なお、本発明は、説明した実施形態に限定されることなく、種々の態様で実施することができる。例えば、第１〜第３実施形態では、所定の応答指定型制御アルゴリズムとして、スライディングモード制御アルゴリズムを用いたが、応答指定型制御アルゴリズムはこれに限らず、バックステッピング制御アルゴリズムなどの、目標値への出力の収束速度を指定できる制御アルゴリズムであればよい。また、第１〜第３実施形態では、所定の２自由度制御アルゴリズムとして、目標値フィルタ型スライディングモード制御アルゴリズムを用いたが、２自由度制御アルゴリズムはこれに限らず、１次遅れフィルタアルゴリズムにＰＩＤ制御アルゴリズムなどのフィードバック制御アルゴリズムを組み合わせたものを用いてもよい。

さらに、実施形態では、仮想干渉入力Ｕｓｈ，Ｕｓｈ＿ｔｈの算出周期である第１周期ΔＴｃを、仮想制御入力Ｗｃａｉｎ，Ｗｔｈを算出するためのモデルにおけるサンプリング周期である第２周期ΔＴｍよりも小さな値に設定したが、両者は互いに異なっていればよく、その大小関係を、例えば、制御対象に作用する外乱の周波数に応じて、これとは逆に設定してもよいことは勿論である。また、実施形態は、本発明を、カム位相Ｃａｉｎやエンジン回転数ＮＥを制御する制御装置に適用した例であるが、本発明は、これに限らず、他の任意の制御対象の出力を制御する制御装置に、広く適用可能であることは勿論である。さらに、各種のコントローラ４０、４２〜４４、５１、６１、６２、および６４〜６６を、実施形態のプログラムに代えて、電気回路によって構成してもよい。その他、本発明の趣旨の範囲内で、細部の構成を適宜、変更することが可能である。

本発明による制御装置を、これを適用した内燃機関とともに概略的に示す図である。 周期的外乱を説明するための、（ａ）吸気カムが吸気弁を開弁方向に駆動しているときと、（ｂ）吸気弁を閉弁方向に駆動しているときの動作説明図である。 電磁式可変カム位相機構の概略構成を模式的に示す図である。 遊星歯車装置を図３の線Ａ−Ａに沿う方向から見た模式図である。 電磁ブレーキの図３の線Ｂ−Ｂに沿う断面図である。 電磁ブレーキおよびスプロケットを図３の線Ｃ−Ｃに沿う方向から見た模式図である。 電磁式可変カム位相機構の動作特性を示す特性曲線である。 カム位相Ｃａｉｎと、ブレーキ力Ｆｓｏｌ、リターンスプリングの付勢力Ｆｒｓおよびバルブスプリングの付勢力Ｆｖｖｓとの関係を説明するための図である。 本発明の概念を説明するための図である。 本発明の第１実施形態による制御装置の構成を示すブロック図である。 カム位相の制御処理を示すフローチャートである。 図１１の処理で用いられる目標カム位相Ｃａｉｎ＿ｃｍｄを算出すためのマップの一例を示す図である。 本発明の第１実施形態による制御装置の制御結果の例を示す図である。 本発明の第２実施形態による制御装置の構成を示すブロック図である。 本発明の第３実施形態による制御装置の構成を示すブロック図である。 （ａ）制御入力Ｕｔｈとして仮想制御入力Ｗｔｈをそのまま用いた場合の制御結果を、（ｂ）本発明の第３実施形態による制御装置の制御結果の例を、それぞれ示す図である。

符号の説明

１ 制御装置
２ ＥＣＵ（出力検出手段、仮想干渉入力算出手段、目標値設定手段、仮想制御入力
算出手段、外乱推定値算出手段、変化速度算出手段、変化率算出手段、
変化率制限手段）
３ エンジン
５ 吸気カムシャフト
１０ 排気カムシャフト
３ａ クランクシャフト
２０ カム角センサ（出力検出手段）
２１ クランク角センサ（出力検出手段）
３０ 電磁式可変カム位相機構（可変カム位相機構）
４０ ＳＨＤコントローラ（仮想干渉入力算出手段、変化速度算出手段）
４１ 目標カム位相算出部（目標値設定手段）
４２ ２自由度ＳＬＤコントローラ（仮想制御入力算出手段）
４３ 適応外乱オブザーバ（外乱推定値算出手段）
４４ ＤＳＭコントローラ（仮想制御入力算出手段）
５０ 制御装置
５１ リミッタ（変化率算出手段、変化率制限手段）
６０ 制御装置
６１ ＳＨＤコントローラ（仮想干渉入力算出手段、変化速度算出手段）
６２ リミッタ（変化率算出手段、変化率制限手段）
６３ 目標回転数設定部（目標値設定手段）
６４ ２自由度ＳＬＤコントローラ（仮想制御入力算出手段）
６５ 適応外乱オブザーバ（外乱推定値算出手段）
６６ ＤＳＭコントローラ（仮想制御入力算出手段）
Ｃａｉｎ カム位相（制御対象の出力、拡大制御対象の出力）
Ｃａｉｎ＿ｓｈ 所定値
Ｆｖｓ 仮想ばね力（仮想干渉力）
Ｕｓｈ 仮想干渉入力
Ｃａｉｎ＿ｃｍｄ 目標カム位相（目標値）
Ｗｃａｉｎ 仮想制御入力
ｃ１ 外乱推定値
ΔＴｃ 第１周期（所定周期）
ΔＴｍ 第２周期（モデルの定義のために用いられる仮想制御入力 および拡大制御対象の出力のサンプリング周期）
ＤＸｓｈ 偏差Ｘｓｈの変化率（所定値と前記制御対象の出力との偏差の
変化速度）
Ｄｕｓｈ 入力変化率（仮想干渉入力の変化率）
εＨ 増加側判定値（所定の変化率）
εＬ 減少側判定値（所定の変化率）
Ｄｕｓｈ＿Ｈ 増加時制限値（制限値）
Ｄｕｓｈ＿Ｌ 減少時制限値（制限値）
ＮＥ エンジン回転数（制御対象の出力、拡大制御対象の出力）
ＮＥ＿ｓｈ 所定値
Ｕｓｈ＿ｎｅ 仮想干渉入力
ＮＥ＿ｃｍｄ 目標エンジン回転数（目標値）
Ｗｔｈ 仮想制御入力
ｃ１＿ｎｅ 外乱推定値
ＤＸｓｈ＿ｎｅ 偏差Ｘｓｈ＿ｎｅの変化率（所定値と前記制御対象の出力との偏差
の変化速度）
Ｄｕｓｈ＿ｔｈ 入力変化率（仮想干渉入力の変化率）
εＨ＿ｔｈ 増加側判定値（所定の変化率）
εＬ＿ｔｈ 減少側判定値（所定の変化率）
Ｄｕｓｈ＿Ｈ＿ｔｈ 増加時制限値（制限値）
Ｄｕｓｈ＿Ｌ＿ｔｈ 減少時制限値（制限値）

Claims (7)

1. 制御対象の出力を検出する出力検出手段と、
   当該検出された制御対象の出力を所定値に保持する仮想干渉力を発生させるために、前記制御対象に入力される仮想干渉入力を算出する仮想干渉入力算出手段と、
   前記制御対象の出力の目標となる目標値を設定する目標値設定手段と、
   前記仮想干渉入力が入力された前記制御対象を拡大制御対象とし、当該拡大制御対象に入力される仮想制御入力を、前記拡大制御対象の出力が前記設定された目標値に収束するように、当該目標値への前記拡大制御対象の出力の収束速度を指定可能な所定の応答指定型制御アルゴリズムに基づいて算出する仮想制御入力算出手段と、
   前記所定値と前記制御対象の出力との偏差の変化速度を算出する変化速度算出手段と、を備え、
   前記仮想干渉入力算出手段は、前記仮想干渉入力を、前記算出された変化速度に応じて算出することを特徴とする制御装置。
2. 制御対象の出力を検出する出力検出手段と、
   当該検出された制御対象の出力を所定値に保持する仮想干渉力を発生させるために、前記制御対象に入力される仮想干渉入力を算出する仮想干渉入力算出手段と、
   前記制御対象の出力の目標となる目標値を設定する目標値設定手段と、
   前記仮想干渉入力が入力された前記制御対象を拡大制御対象とし、当該拡大制御対象に入力される仮想制御入力を、前記拡大制御対象の出力が前記設定された目標値に収束するように、所定の２自由度制御アルゴリズムに基づいて算出する仮想制御入力算出手段と、
   前記所定値と前記制御対象の出力との偏差の変化速度を算出する変化速度算出手段と、を備え、
   前記仮想干渉入力算出手段は、前記仮想干渉入力を、前記算出された変化速度に応じて算出することを特徴とする制御装置。
3. 制御対象の出力を検出する出力検出手段と、
   当該検出された制御対象の出力を所定値に保持する仮想干渉力を発生させるために、前記制御対象に入力される仮想干渉入力を算出する仮想干渉入力算出手段と、
   前記仮想干渉入力が入力された前記制御対象を拡大制御対象とし、当該拡大制御対象が受ける外乱を補償するための外乱推定値を算出する外乱推定値算出手段と、
   前記拡大制御対象の出力を制御するために当該拡大制御対象に入力される仮想制御入力を、前記算出された外乱推定値に応じて、所定の制御アルゴリズムにより算出する仮想制御入力算出手段と、
   前記所定値と前記制御対象の出力との偏差の変化速度を算出する変化速度算出手段と、を備え、
   前記仮想干渉入力算出手段は、前記仮想干渉入力を、前記算出された変化速度に応じて算出することを特徴とする制御装置。
4. 前記仮想干渉入力算出手段は、前記仮想干渉入力を所定周期で算出し、
   前記仮想制御入力算出手段は、前記仮想制御入力を、当該仮想制御入力と前記拡大制御対象の出力との関係を定義したモデルに基づいて算出し、
   当該モデルの定義のために用いられる前記仮想制御入力および前記拡大制御対象の出力のサンプリング周期が、前記所定周期と異なる値に設定されていることを特徴とする、請求項１ないし３のいずれかに記載の制御装置。
5. 前記仮想干渉入力の変化率を算出する変化率算出手段と、
   当該算出された仮想干渉入力の変化率が所定の変化率よりも大きい場合に、前記仮想干渉入力の変化率を、前記仮想干渉入力が増加しているときと減少しているときとの間で、絶対値が互いに異なる制限値に制限する変化率制限手段をさらに備え、当該変化率制限手段によって変化率が制限された前記仮想干渉入力を前記制御対象に入力することを特徴とする、請求項１ないし４のいずれかに記載の制御装置。
6. 前記制御対象は、内燃機関の吸気カムシャフトおよび排気カムシャフトの少なくとも一方の、クランクシャフトに対する位相であるカム位相を変更する可変カム位相機構を含み、
   前記制御対象の出力は前記カム位相であり、
   前記仮想干渉入力は前記可変カム位相機構に入力され、
   前記拡大制御対象は、前記仮想干渉入力が入力された前記可変カム位相機構を含むことを特徴とする、請求項１ないし５のいずれかに記載の制御装置。
7. 前記制御対象は内燃機関を含み、
   前記制御対象の出力は前記内燃機関の回転数であり、
   前記仮想干渉入力は前記内燃機関に入力され、
   前記拡大制御対象は、前記仮想干渉入力が入力された前記内燃機関を含むことを特徴とする、請求項１ないし５のいずれかに記載の制御装置。

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