JP5124367B2 - 車両の定速走行制御装置 - Google Patents

Description

この発明は車両の定速走行制御装置（Cruise Control。クルーズ制御）に関し、より詳しくはスロットル開度と変速比を協調させて定速走行制御するようにした装置に関する。

従来の定速走行制御装置においては、変速比によらず、スロットルバルブの開閉を独立に行い、エンジン出力を増減することにより、定速走行制御され、登坂などにおいて走行抵抗が増大すると、スロットルを開いてエンジン出力を増大させられるが、スロットルが全開に近づいてエンジン出力が飽和してしまうと、それ以上駆動力を増大できず、目標車速に追従できないことがあった。

このため、例えば特許文献１記載の技術は、駆動力の飽和状態を判定し、飽和状態と判定された場合には早期に変速比をダウンシフト方向に制御することにより、目標車速への追従性を確保するように構成される。

また、特許文献２記載の技術では、前方の物標（物体）までの距離、方向、相対速度に応じ、近い将来に運転者が減速操作を開始する可能性がある状態になった時点で変速機の変速比とスロットル開度を協調制御し、運転者の適切な運転点を算出してスロットル開度制御と変速比制御の協調制御により目標とする運転点へ移動させる技術が提案される。

さらに、特許文献３記載の技術では、ＧＰＳ、地図データ、カメラなどにより自車状態や周囲車両を検出し、モデル予測制御により、現在から所定時間先の未来までの評価区間にわたる周囲車両の挙動予測に基づいて、最適な自車の操作量パターンを生成して運転者に推奨する技術が提案される。
特許３６２４８２９号公報 特許３６３２２７３号公報 特開２００５−３３９２４１号公報

特許文献１記載の技術によれば、車速を目標車速へ追従させることは可能であるが、エンジン出力が飽和してから変速比を変更するため、目標車速への追従性に遅れが生じたり、燃費最適作動線から離れた運転でエンジンを作動させることにより燃費が悪化したりする問題がある。

また、特許文献２記載の技術にあっては、変速比は実変速比と目標運転点から変速比の微小変化量を決定し、スロットル開度は実スロットル開度と目標運転点からスロットルの微小変化量を決定すると共に、それぞれを目標に近づく方向に独立に決定しているため、互いの制御が干渉するおそれがある。

さらに、特許文献３記載の技術にあっては、周囲車両との位置関係や速度差に応じて一旦減速してから他車の後方に車線変更する、あるいは加速して前方に車線変更するなどの操作を合理的に行うことが可能であるが、操作量はスロットルとブレーキのみであり、変速比は積極的に制御されていない。

従って、この発明の目的は上記した不都合を解消し、制御系の制御対象をスロットル開度と変速比の２つを入力、車速を出力とするモデルで記述することにより、スロットル開度と変速比を協調させて定速走行制御を行うようにした定速走行制御装置を提供することを目的とする。

上記の目的を達成するために、請求項１項にあっては、エンジンと、前記エンジンの出力を変速する変速機と、前記エンジンと前記変速機が搭載される車体とを少なくとも備えた車両の定速走行制御装置において、前記車両を制御対象とし、少なくとも変速比とスロットル開度とを入力、車速を出力とするモデルで記述すると共に、前記車速が目標車速に一致するように、前記変速比と前記スロットル開度を制御する制御系と、前記制御系の指令に応じて前記エンジンのスロットルバルブを駆動してスロットル開度を調整するＤＢＷ機構と、前記制御系の指令に応じて前記変速機に油圧を供給する油圧機構とを備え、前記制御系は、少なくとも前記変速比と前記スロットル開度についてそれぞれ評価関数を設定すると共に、前記設定された評価関数にそれぞれ重みを乗じて得た積の総和が最適となるように前記変速比と前記スロットル開度を制御する如く構成した。

請求項２に係る車両の定速走行制御装置にあっては、前記制御系は、前記車速が目標車速に一致するように、前記変速比と前記スロットル開度とブレーキペダル開度とを制御する如く構成した。

請求項３に係る車両の定速走行制御装置にあっては、前記制御系は、フューエルカットが実行される場合、前記制御対象を、前記変速比とブレーキペダル開度とを入力、前記車速を出力とする第２のモデルで記述する如く構成した。請求項４に係る車両の定速走行制御装置にあっては、前記変速比とエンジン回転数と目標変速比とに制約条件が設けられる如く構成した。

上記の目的を達成するために、請求項１項に係る車両の定速走行制御装置にあっては、車両を制御対象とし、少なくとも変速比とスロットル開度とを入力、車速を出力とするモデルで記述すると共に、車速が目標車速に一致するように、変速比と前記スロットル開度を制御する制御系と、制御系の指令に応じてエンジンのスロットルバルブを駆動してスロットル開度を調整するＤＢＷ機構と、制御系の指令に応じて変速機に油圧を供給する油圧機構とを備える如く構成したので、スロットル開度と変速比を協調させて定速走行制御を行うことが可能となり、定速走行制御における目標車速への追従性を向上できると共に、燃費を向上させることも可能となる。

即ち、スロットル開度と変速比の２つを同時に操作可能なため、例えば前記した登坂の場合でも、スロットルを開けてエンジントルクが飽和してから変速比をダウンシフト側に制御するのではなく、スロットルを開けながら変速比も同時にダウンシフト側に制御することが可能となる。

従って、目標車速への追従性を向上させることができると共に、より燃費の良好な運転点を移動しながら走行することで、燃費を向上させることも可能となる。

また、スロットル開度と変速比は直接的に依存してはおらず、あくまで目標車速に追従するための最適なスロットル開度と変速比がセットで得られるので、状況に応じて柔軟に制御することが可能となる。

さらに、変速比を操作することで、加速が要求されるときであれば変速比を一旦ロー側にすることでより素早い加速を得ると共に、減速が要求されるときであればエンジンブレーキを併用することでスムーズな減速を得ることができる。また、少なくとも変速比とスロットル開度についてそれぞれ設定された評価関数にそれぞれ重みを乗じて得た積の総和が最適（あるいは最小）となるように変速比とスロットル開度を制御する如く構成したので、上記した効果に加え、評価関数を適宜設定して評価関数に重みを乗じて得た積の総和が最適（あるいは最小）となるようなスロットル開度と変速比の操作量を算出することにより、最適な経路（運転点）で目標車速に追従させることができる。

請求項２に係る車両の定速走行制御装置にあっては、車速が目標車速に一致するように、変速比とスロットル開度とブレーキペダル開度とを制御する如く構成したので、上記した効果に加え、目標車速への追従性を一層向上させることができる。

請求項３に係る車両の定速走行制御装置にあっては、フューエルカットが実行される場合、制御対象を、変速比とブレーキペダル開度とを入力、車速を出力とする第２のモデルで記述する如く構成した。請求項４に係る車両の定速走行制御装置にあっては、変速比とエンジン回転数と目標変速比とに制約条件が設けられる如く構成した。

以下、添付図面に即してこの発明に係る車両の定速走行制御装置を実施するための最良の形態を説明する。

図１は、この発明の実施例に係る車両の定速走行制御装置を全体的に示す概略図である。

図１において、符号１０はエンジン（内燃機関）を示す。エンジン１０は４気筒などの複数の気筒を備える火花点火式の水冷ガソリンエンジンであり、車両（駆動輪Ｗなどで部分的に示す）１４の車体（図示せず）に搭載される。

エンジン１０の吸気系に配置されたスロットルバルブ（図示せず）は車両運転席に配置されるアクセルペダル（図示せず）との機械的な接続が絶たれ、電動モータなどのアクチュエータからなるＤＢＷ（Drive By Wire）機構１６が接続されて駆動される。

スロットルバルブで調量された吸気はインテークマニホルド（図示せず）を通って流れ、各気筒の吸気ポート付近でインジェクタ（燃料噴射弁）２０から噴射された燃料と混合して混合気を形成し、吸気バルブ（図示せず）が開弁されたとき、当該気筒の燃焼室（図示せず）に流入する。燃焼室において混合気は点火されて燃焼し、ピストン（図示せず）を駆動してクランクシャフト２２を回転させた後、排気となってエンジン１０の外部に放出される。

エンジン１０のクランクシャフト２２の回転は、トルクコンバータ２４を介して変速機２６に入力される。変速機２６はエンジンの出力を変速する。

即ち、クランクシャフト２２はトルクコンバータ２４のポンプインペラ２４ａに接続される一方、それに対向配置されて流体（作動油）を収受するタービンランナ２４ｂはメインシャフト（ミッション入力軸）ＭＳに接続される。トルクコンバータ２４はロックアップクラッチを備える。

変速機２６はＣＶＴ（Continuous Variable Transmission）からなり、メインシャフトＭＳに配置されたドライブプーリ２６ａと、メインシャフトＭＳに平行なカウンタシャフトＣＳに配置されたドリブンプーリ２６ｂと、その間に掛け回される金属製のベルト２６ｃと、可動プーリ半体（後述）のピストン室に作動油を供給する油圧機構２６ｄとからなる。

ドライブプーリ２６ａは、メインシャフトＭＳに配置された固定プーリ半体２６ａ１と、固定プーリ半体２６ａ１に対して軸方向に相対移動可能な可動プーリ半体２６ａ２からなる。ドリブンプーリ２６ｂは、カウンタシャフトＣＳに固定された固定プーリ半体２６ｂ１と、固定プーリ半体２６ｂ１に対して軸方向に相対移動可能な可動プーリ半体２６ｂ２からなる。

ＣＶＴ２６は、前後進切換装置３０に接続される。前後進切換装置３０は、フォワード（前進）クラッチ３０ａと、後進ブレーキ３０ｂと、その間に配置されるプラネタリギヤ機構３０ｃからなる。

プラネタリギヤ機構３０ｃにおいて、サンギヤ３０ｃ１はメインシャフトＭＳに固定されると共に、リングギヤ３０ｃ２はフォワードクラッチ３０ａを介してドライブプーリ２６ａの固定プーリ半体２６ａ１に固定される。

サンギヤ３０ｃ１とリングギヤ３０ｃ２の間には、ピニオン３０ｃ３が配置される。ピニオン３０ｃ３は、キャリア３０ｃ４でサンギヤ３０ｃ１に連結される。キャリア３０ｃ４は、後進ブレーキ３０ｂが作動させられると、それによって固定（ロック）される。

カウンタシャフトＣＳの回転は減速ギヤ３４，３６を介してセカンダリシャフトＳＳに伝えられると共に、セカンダリシャフトＳＳの回転はギヤ４０とディファレンシャルＤを介して左右の駆動輪（タイヤ。右側のみ示す）Ｗに伝えられる。

駆動輪Ｗ（および従動輪）の付近にはディスクブレーキ４２が配置されると共に、その付近には作動油を供給されて運転者によるブレーキペダルの動作に独立してブレーキ開度、即ち、ブレーキ４２の作動量を調整するブレーキアクチュエータ４２ａが設けられる。

フォワードクラッチ３０ａと後進ブレーキ３０ｂの切換は、車両運転席に設けられた、例えばＰ，Ｒ，Ｎ，Ｄ，Ｓ，Ｌのポジションを備えるシフトレバー４４を運転者が操作することによって行われる。即ち、運転者によってシフトレバー４４のいずれかのポジションが選択されたとき、その選択動作は油圧機構（図示せず）のマニュアルバルブ（図示せず）に伝えられる。

例えばＤ，Ｓ，Ｌポジションが選択されると、それに応じてマニュアルバルブのスプールが移動し、後進ブレーキ３０ｂのピストン室から作動油（油圧）が排出される一方、フォワードクラッチ３０ａのピストン室に油圧が供給されてフォワードクラッチ３０ａが締結される。フォワードクラッチ３０ａが締結されると、全ギヤがメインシャフトＭＳと一体に回転し、ドライブプーリ２６ａはメインシャフトＭＳと同方向（前進方向）に駆動される。

他方、Ｒポジションが選択されると、フォワードクラッチ３０ａのピストン室から作動油が排出される一方、後進ブレーキ３０ｂのピストン室に油圧が供給されて後進ブレーキ３０ｂが作動する。それによってキャリア３０ｃ４が固定されてリングギヤ３０ｃ２はサンギヤ３０ｃ１とは逆方向に駆動され、ドライブプーリ２６ａはメインシャフトＭＳとは逆方向（後進方向）に駆動される。

また、ＰあるいはＮポジションが選択されると、両方のピストン室から作動油が排出されてフォワードクラッチ３０ａと後進ブレーキ３０ｂが共に開放され、前後進切換装置３０を介しての動力伝達が断たれ、エンジン１０とＣＶＴ２６のドライブプーリ２６ａとの間の動力伝達が遮断される。

ＣＶＴ２６においては油圧機構２６ｄから可動プーリ半体２６ａ２，２６ｂ２のピストン室に作動油が供給され、可動プーリ半体２６ａ２，２６ｂ２を軸方向に移動させるプーリ側圧（ベルト伝達トルク）が発生させられると、ドライブプーリ２６ａとドリブンプーリ２６ｂのプーリ幅が変化し、ベルト２６ｃの巻掛け半径が変化する。

このように、プーリ側圧を調整、換言すればベルト伝達トルク指令値を変更することで、エンジン１０の出力を駆動輪Ｗに伝達する変速比を無段階に変化させることができる。

エンジン１０のカム軸（図示せず）付近などの適宜位置にはクランク角センサ４８が設けられ、ピストンの所定クランク角度位置ごとにエンジン回転数ＮＥを示す信号を出力する。吸気系においてスロットルバルブの下流の適宜位置には絶対圧センサ５０が設けられ、吸気管内絶対圧（エンジン負荷）ＰＢＡに比例した信号を出力する。

ＤＢＷ機構１６のアクチュエータにはスロットル開度センサ５２が設けられ、アクチュエータの回転量を通じてスロットル開度ＴＨＬに比例した信号を出力すると共に、アクセルペダル付近にはアクセル開度センサ５４が設けられ、運転者のアクセルペダル操作量（アクセルペダル踏み込み量）に相当するアクセルペダル開度ＡＰに比例する信号を出力する。

さらに、エンジン１０の冷却水通路（図示せず）の付近には水温センサ５６が設けられ、エンジン冷却水温ＴＷ、換言すればエンジン１０の温度に応じた出力を生じると共に、吸気系には吸気温センサ５８が設けられ、エンジン１０に吸入される吸気温（外気温）に応じた出力を生じる。

上記したクランク角センサ４８などの出力は、エンジンコントローラ６０に送られる。エンジンコントローラ６０はＣＰＵ，ＲＯＭ，ＲＡＭなどを有するマイクロコンピュータを備え、それらセンサ出力に基づいて燃料噴射量を決定してインジェクタ２０を駆動すると共に、アクセルペダル開度ＡＰに応じてスロットルバルブの開度ＴＨＬを制御する。

メインシャフトＭＳにはＮＴセンサ（回転数センサ）６２が設けられ、タービンランナ２４ｂの回転数、具体的にはメインシャフトＭＳの回転数、より具体的にはフォワードクラッチ３０ａの入力軸回転数を示すパルス信号を出力する。

ＣＶＴ２６のドライブプーリ２６ａの付近の適宜位置にはＮＤＲセンサ（回転数センサ）６４が設けられてドライブプーリ２６ａの回転数、換言すればフォワードクラッチ３０ａの出力軸回転数に応じたパルス信号を出力すると共に、ドリブンプーリ２６ｂの付近の適宜位置にはＮＤＮセンサ（回転数センサ）６６が設けられ、ドリブンプーリ２６ｂの回転数を示すパルス信号を出力する。

セカンダリシャフトＳＳのギヤ３６の付近にはＶＥＬセンサ（回転数センサ）６８が設けられ、ギヤ３６の回転数を通じてＣＶＴ２６の出力回転数あるいは車速ＶＥＬを示すパルス信号を出力する。前記したシフトレバー４４の付近にはシフトレバーポジションセンサ７０が設けられ、運転者によって選択されたＲ，Ｎ，Ｄなどのポジションに応じたＰＯＳ信号を出力する。

またブレーキペダル付近にはブレーキ開度センサ７２が設けられ、運転者のブレーキペダル操作量（ブレーキペダル踏み込み量）に相当するブレーキペダル開度ＢＲＫに比例する信号を出力する。

上記したＮＴセンサ６２などの出力（ならびに前記したアクセル開度センサ５４の出力）は、図示しないその他のセンサの出力も含め、シフトコントローラ７４に送られる。シフトコントローラ７４もＣＰＵ，ＲＯＭ，ＲＡＭなどを有するマイクロコンピュータを備えると共に、エンジンコントローラ６０と通信自在に構成される。

入力されたセンサ出力のうち、ＮＴセンサ６２とＮＤＲセンサ６４とＶＥＬセンサ６８の出力はシフトコントローラ７４において波形整形回路に入力される。シフトコントローラ７４は波形整形回路の出力をカウントして回転数と車速Ｖを検出する。

シフトコントローラ７４はそれら検出値に基づき、油圧機構の電磁ソレノイド（図示せず）を励磁・非励磁してトルクコンバータ２４とＣＶＴ２６の動作を制御すると共に、フォワードクラッチ３０ａの締結を判断して操作量を決定する。

ＣＶＴ２６の動作の制御については、シフトコントローラ７４は、目標変速比（レシオ）を決定し、決定した目標変速比となるように、可動プーリ半体２６ａ２，２６ｂ２を駆動し、変速比を制御する。

さらに、車両１４の運転席のステアリングホイール（図示せず）の付近には運転者の操作自在に定速走行制御指令用のスイッチ群７６が配置される。詳細な図示は省略するが、スイッチ群７６は、定速走行制御指令を入力するためのメインスイッチ、指示車速（目標車速）を入力するためのセットスイッチ、ブレーキ操作などで定速走行制御をキャンセルした後に再開させるためのリジュームスイッチ、および定速走行制御のキャンセル指令を入力するためのキャンセルスイッチなどからなる。

以下、シフトコントローラ７４およびエンジンコントローラ６０の設計について説明する。

シフトコントローラ７４を制御理論に基づいたコントローラとして設計するため、まず制御対象の物理モデリングを行い、状態方程式を導出する。

そのため、図２に示すように、変速比、スロットル開度およびブレーキペダル開度を入力とし、車速を出力とした車両システム全体を制御対象としてモデリングする。また、エンジン２０とトルクコンバータ２４については、フューエルカットＯＦＦ（フューエルカット（燃料供給停止）が実行されない）の場合とＯＮ（フューエルカットが実行される）の場合で特性が異なるので、それぞれの場合についてモデリングを行う。

そのようにしてモデリングを行った後、車速に応じて変速比、スロットル開度およびブレーキペダル開度を制御するコントローラを設計する。

以下、エンジン１０、トルクコンバータ２４、変速機２６、車体のそれぞれのモデリングについて説明する。

エンジン１０のモデリングについて説明する。エンジン１０は、フューエルカットがＯＦＦのときとＯＮのときで特性が異なるので、それぞれの場合についてモデリングする。

まず、フューエルカットがＯＦＦのときは、図３に示すように、スロットル開度ＴＨＬとエンジン回転数ωENGに依存して、エンジントルクＴENGを出力するものとしてモデル化する。数１に示すようにフューエルカットがＯＦＦのときのエンジントルクをNormalTrqと示す。

フューエルカットがＯＮのときは、図４に示すようにエンジン回転数に依存してエンジントルクＴENGを出力するものとしてモデル化する。数３に示すようにフューエルカットがＯＮのときのエンジントルクをフリクショントルクFrictionTrqと示す。

トルクコンバータ２４のモデリングについて説明する。

トルクコンバータ２４は、図５に示すように、エンジントルクＴENGとトルクコンバータ２４の出力軸回転数ωTCを入力とし、トルクコンバータ２４の出力トルクＴTCとエンジン回転数ωENG（＝トルクコンバータの入力軸回転数）を出力とするモデルとしてモデリングする。

トルクコンバータ２４の入力軸回転数であるエンジン回転数ωENGは、次のようにして求める。即ち、トルクコンバータ２４のポンプインペラ２４ａへの入力トルクはエンジントルクであり、出力トルクはポンプトルクＴpumpとロックアップクラッチトルクＴLCであるので、入出力トルクの差をエンジン１０とポンプインペラ２４ａのイナーシャＩENG-pumpで除すことにより、エンジン回転加速度ωENGdotが求まるので、それを積分することでエンジン回転数ωENGを得る。

また、ポンプトルクＴPumpとタービントルクＴturbineはフューエルカットがＯＦＦのときとＯＮのときとで特性が異なるので、それぞれの場合についてモデル化する。

まずフューエルカットＯＦＦのときは、ポンプトルクＴpumpはエンジン回転数ωENGの２乗とトルクコンバータ容量係数τTCの積で与えられる。またタービントルクＴturbineは、ポンプトルクＴpumpにトルク比ＫTCを乗じることで得られる。尚、容量係数τＴＣとトルク比ＫTCはトルクコンバータ２４の速度比ｅに依存することから、速度比ｅの関数として表される。

速度比は、次式に示す如く、出力軸回転数ωTCを入力軸回転数ωENGで除した値である。

次に、フューエルカットＯＮのときは、ポンプインペラ２４ａとタービンランナ２４ｂの関係が逆になる。即ち、タービントルクＴturbineは、出力軸回転数ωTCの２乗とトルクコンバータ容量係数τTCと速度比ｅの積にマイナス１を乗じたもので与えられ、ポンプトルクＴpumpはタービントルクＴturbineにトルク比ＫTCと速度比を乗じることで得られる。

また、ロックアップクラッチトルクは、ロックアップクラッチの最大伝達トルクＴLCMAXにトルクコンバータ２４の入出力軸回転数ωENGとωTCの差を乗じ、係数λLCを掛けることで与えられるものとしてモデル化する。

トルクコンバータ２４の出力トルクＴTCは、タービントルクＴturbineとロックアップクラッチトルクＴLCの和により与えられる。

変速機（ＣＶＴ）２６のモデリングについて説明する。

ここでは、フォワードクラッチ３０ａ、プーリ（ドライブプーリ、ドリブンプーリ）２６ａ，２６ｂ、セカンダリギヤ（減速ギヤ）３４，３６、ファイナルギヤ（ギヤ）４０によって構成されるものとする。

図６に示すように、変速機２６は、トルクコンバータ２４の出力トルクとタイヤ回転数ωtireを入力とし、ドライブシャフトトルクＴDSとトルクコンバータ回転数ωTCを出力するモデルとしてモデリングする。

トルクコンバータ２４の出力軸回転数ωTCは、以下のようにして求める。まず、タービン回転数はフォワードクラッチ回転数に等しいと仮定する。フォワードクラッチ３０ａへの入力トルクは、トルクコンバータ２４の出力トルクからオイルポンプによるフリクションロストルクＴpumploss（＝Oilpumploss）を引き去り、フォワードギヤ効率ηFWDRVSを乗じたものである。

尚、オイルポンプによるフリクションロストルクOilpumplossは、トルクコンバータ２４の出力軸回転数ωTCに依存して与えられるものとする。一方、出力トルクは、フォワードクラッチ３０ａの出力トルクＴFWDRVSである。

従って、入出力トルクの差をフォワードクラッチ３０ａのイナーシャＩFWDRVSで除すことによってトルクコンバータ２４の出力軸回転加速度ωTCdotが求まるので、それを積分することでトルクコンバータ２４の出力軸回転数ωTCを得る。

フォワードクラッチトルクＴFWDRVSは、フォワードクラッチ３０ａの最大伝達トルクＴFWDMAXに、フォワードクラッチ３０ａの入出力軸回転数ωTCとωFWDRVSの差を乗じ、係数λFWDを掛けることで与えられるものとしてモデル化する。

次に、回転数の伝達について説明する。

ドリブンプーリ２６ｂの回転数ωDNは、タイヤ回転数ωtireにファイナルギヤレシオρFとセカンダリギヤレシオρSを掛けることで得られる。ドライブプーリ２６ａの回転数ωDRは、ドリブンプーリ回転数ωDNにプーリ変速比ρpulleyを乗ずることで得られる。フォワードクラッチ３０ａの回転数ωFWDRVSは、ドライブプーリ回転数ωDRにフォワードギヤレシオρFWDを乗ずることで求まる。

以上を整理すると、フォワードクラッチ回転数ωFWDRVSは、タイヤ回転数ωtireにフォワードギヤレシオρFWD、プーリ変速比ρpulley、セカンダリギヤレシオρS、ファイナルギヤレシオρFを乗ずることで得られる。

またプーリ変速比ρpulleyは、目標プーリ変速比ρpulleytgtに対して１次遅れで追従するものとする。

次に、トルクの伝達について説明する。

ドライブプーリトルクＴDRは、フォワードクラッチトルクＴFWDRVSにフォワードギヤレシオρFを掛けることで得られる。ドリブンプーリトルクＴDNは、ドライブプーリトルクＴDRにプーリレシオρpulleyとＣＶＴ効率ηCVTを掛けることで得られる。ドライブシャフトトルクＴDSは、ドリブンプーリトルクＴDNにセカンダリギヤレシオρSとファイナルギヤレシオρFを乗ずることで得られる。

以上を整理すると、ドライブシャフトトルクＴDSは、フォワードクラッチトルクＴFWDRVSにセカンダリギヤレシオρS、ファイナルギヤレシオρF、ＣＶＴ効率ηCVT、プーリ変速比ρpulley、フォワードギヤレシオρFWDを乗ずることで得られる。

車体のモデリングについて説明する。

図７に示すように、ドライブシャフトトルクＴDSと制動力ＦBRKを入力とし、タイヤ回転数ωtireを出力とするモデルとしてモデル化する。尚、ここでは前後方向についてのみ扱う。

車体加速度Ｖdotは駆動力から各走行抵抗と制動力ＦBRKを引き去り、車重ｍbodyで除すことで得られる。駆動力はドライブシャフトトルクＴDSをタイヤ半径Ｒtireで除すことで得られる。車速Ｖは車体加速度Ｖdotを積分することで得られる。

走行抵抗については、ここでは勾配抵抗Ｆslope、転がり抵抗Ｆroad、空気抵抗Ｆairを考慮する。勾配抵抗Ｆslopeは、車重ｍbodyに重力加速度ｇを掛け、勾配θslopeの正弦を乗ずることで与えられる。転がり抵抗Ｆroadは、車重ｍbodyに転がり抵抗係数μroadと重力加速度ｇを掛け、勾配の余弦を乗ずることで得られる。空気抵抗Ｆairは、車速Ｖの２乗値に空気抵抗係数μairを掛けることで得られる。また制動力ＦBRKについては、簡単のためブレーキペダル開度ＢＲＫに係数Ｆbrakemaxを乗じることでブレーキペダル開度に対して線形で得られるものとする。

タイヤ回転数ωtireは、車速Ｖをタイヤ半径Ｒtireで割ることにより求まる。

以上でエンジン、トルクコンバータ、トランスミッション、車体の数式モデルを記述したので、ここではそれらを結合した状態方程式を導出する。

フューエルカットＯＦＦの場合、入力を[ＴＨＬ,ρpulleytgt]、状態を[Ｖdot,ωENG,ωTC,ρpulley]としてモデルを導出する。

同様に、フューエルカットＯＮの場合、入力を[ＢＲＫ,ρpulleytgt]、状態を[Ｖdot,ωENG,ωTC,ρpulley]としてモデル（第２のモデル）を導出する。

このように、この制御対象は、フューエルカットＯＦＦ／ＯＮによって切替わるという特徴がある。従って、この制御対象を、フューエルカットＯＦＦ／ＯＮによってモデルが切替わるハイブリッドシステムと捉える。

また、目標車速への追従において、変速比を積極的に制御することにより、燃費の向上を図る。そこで、燃費最適作動線から求めるエンジン回転数も目標値として与え、目標エンジン回転数も考慮して変速比、スロットル開度およびブレーキ開度を制御する。

ここでは、定速走行制御系を図８のように構成する。まず目標車速を与え、定速走行コントローラにより、実際の車速が目標車速に一致するように変速比、スロットル開度およびブレーキ開度を制御する。

図１の構成も敷衍して具体的に説明すると、前記したシフトコントローラ７４が図８の定速走行コントローラとして機能するが、シフトコントローラ７４は、油圧機構２６ｄに指令値を送り、その動作を制御して変速機２６に油圧を供給させて決定された変速比を制御すると共に、前記したエンジンコントローラ６０を介してＤＢＷ１６に指令値を送り、その動作を制御してスロットル開度を調整する。

さらに、シフトコントローラ７４は、ブレーキアクチュエータ４２ａに指令値を送り、その動作を制御してブレーキ開度、即ち、ブレーキ４２の動作を制御する。

定速走行制御を行う際、例えばスロットル開度を制御するだけでも、目標車速にある程度追従させることは可能である。しかし、エンジン出力が飽和してしまうと、それ以上追従させることができない。

また、エンジン出力が飽和していない状況においても、スロットル開度のみで制御を行なった場合、燃費の悪化が懸念される。良好な燃費効率とするためには、スロットルと変速比を適切に制御することにより、エンジンを図９に示すような燃費最適作動線に沿って運転させれば良いことが知られている。

そのための一つの手法として、現在のエンジントルクに応じて、燃費最適作動線の特性から目標とする燃費最適なエンジン回転数を求め、実エンジン回転数がそれに一致するようにスロットルと変速比を制御することが考えられる。

しかし、常に燃費最適作動線に追従させようとすると、乗り心地に違和感が生じたりする不都合があり、加速要求があっても十分な加速力が得られないなどの別の問題が生じてしまう。

そこで、常に燃費最適作動線に追従させようとするのではなく、燃費最適作動線と実際のエンジンの運転点との差が、ある時間範囲での総和としてなるべく小さくなるように制御する如く構成する。

これにより、例えば加速要求があった場合は一時的に燃費最適作動線から離れた運転点で運転させ、加速が終了次第、速やかに燃費最適作動線近傍に戻すことにより、運転者の要求を満足しつつ燃費も向上させることが可能となる。それを実現するため、次のような評価関数を設定する。

上式は、現時刻からHp-1ステップ未来までの燃費最適作動線と実際のエンジン運転点の差ωENG-refの総和を評価する関数ＪENGであり、この評価関数を最小化（最適化）するように変速比を制御することにより、先の要求を実現することを可能とする。

また、車速をフィードバックする構成であることから、目標車速Ｖrefと実際の車速Ｖの差を評価する評価関数JVを設定し、追従性の評価を行う。

さらに、急激に変速比、スロットル開度およびブレーキ開度を変化させることは、乗り心地やドライバの安心感の観点から好ましくない。そこで、変速比と、スロットル開度とブレーキ開度からなる運転者操作量に対しても評価関数Ｊρpulley，ＪAPBRKを設定する。

以上、燃費（エンジン回転数）および車速、変速比、スロットル開度およびブレーキ開度のそれぞれを評価する評価関数を設定したが、一般に車速追従性を向上させようとすると燃費が悪化するため、評価関数ＪENGとＪVはトレードオフの関係であると考えられる。そこで、個々の評価関数を評価するのではなく、それぞれの評価関数に重み付けをして足し合わせた評価関数を新たに設定する。

このようにして、重みの調整によってどの特性をより重視したいかを考慮しつつ、それぞれの評価関数を同時に最適化することが可能となる。

変速比を変化させると同じ車速に対してエンジン回転数が変化する。例えば車速が非常に高いときに変速比をロー側へ変化させると、エンジン回転数は非常に高くなってしまう。エンジン回転数にはレブリミット回転数が設けられており、この回転数を超える運転はエンジン保護のため避けなければならない。

逆に、車速が非常に低いときに変速比をハイ側へ変化させたとき、実施例の如く、エンジン１０からタイヤ（駆動輪）Ｗまでが直結したままである場合、エンジン回転数は非常に低くなり、エンストの恐れがあるので、これも避けなければならない。

また変速比自体も、変速可能な範囲が限られており、その範囲内で変速させる必要がある。さらに、乗り心地や変速機保護などの観点から、あまり急激に変速比を変化させるのも好ましくない。

以上のことを実現するため、エンジン回転数ωENG、変速比ρpulley、目標変速比ρpulleytgtの変化速度のそれぞれに制約条件を設けることとする。

ここでΔρpulleytgtは目標変速比の変化速度であり、現在の変速比とエンジン回転数に依存して与えるものとする。このようにすることで、上記課題を考慮した変速比制御を可能とする。

この実施例における定速走行制御系の設計上の特徴を整理すると、以下のようになる。
１．未来の操作量および状態を予測できるようにする。
２．操作量や状態の動作範囲などに拘束がある。
３．制御対象はフューエルカットＯＦＦ／ＯＮによって切替わるハイブリッドシステムとされる。

１．に対する適当な手段の一つとして、モデル予測制御がある。モデル予測制御は, 図１０に示すように逐次未来の状態軌道を予測し、ある評価指標の基で予測軌道をオンラインで最適化しながら操作量を生成する手法であり、拘束条件も陽に考慮することができる。

しかしながら、オンラインで最適制御問題を解く必要があるため、計算時間の問題で適用が困難な場合が多くあり、主に化学プラントの操業などの利用に限定されている。車両への適用としても、上記した特許文献３に見られる車両の車間制御のように、比較的ダイナミクスの遅いシステムが対象である。

近年、これに代わる制御手法として、マルチパラメトリック計画法という最適化手法によって、オフラインで最適制御問題を解く手法が注目されている。この手法では最適解を初期状態に依存した形で陽に得ることができるため、実装の際にはサンプリング時刻おきに状態を得るだけで、ただちに最適値を生成することができる。

従って、この実施例においてはマルチパラメトリック計画法を用いることによって、先に述べた拘束条件や評価関数を考慮した定速走行コントローラを設計する。

また、マルチパラメトリック計画法の枠組みによりハイブリッドシステムを取り扱うことも可能であるため、フューエルカットＯＦＦ／ＯＮによるモデルの切替わりも考慮に入れて定速走行コントローラを設計することとする。

マルチパラメトリック計画法によるハイブリッド予測コントローラは、線形離散モデルに対してコントローラを設計する手法である。先に導出した状態方程式は非線形項を含むため、線形化を行う必要がある。線形化は元の非線形方程式の平衡点周りにおいて行うため、まず平衡状態における各変数の対応関係を求める必要がある。

平衡状態においては各入力、状態は変化しないため、非線形方程式の左辺は各状態の微分値であることから０となる。例えば変速比ρpulleyについては、以下の式のようにしてρpulleyとρpulleytgtの対応関係を求める。

尚、添え字のeは平衡状態における値であることを意味する。他の式についても同様にして対応関係を求めて整理すると、車速と変速比の平衡点を与えれば、他の状態、入力は一意に決定できる。

以上のようにして、車速と変速比の平衡点のみを与えて他の全ての平衡点を一意に決める。車速の平衡点としては、目標車速を与えれば良い。

平衡点周りの線形モデル導出について説明する。

先の変速比を例にとれば、δρpulley＝ρpulley−ρpulley^ｅとして、平衡点ρpulley^ｅからの変化分δρpulleyについての線形モデルを求める。他の変数についても同様である。

以上より、フューエルカットＯＦＦ／ＯＮそれぞれの線形モデルを求める。またフューエルカットＯＦＦのときはエンジン１０が回す側であるためωENG≧ωTCであり、フューエルカットＯＮのときはエンジン１０が回される側であるためωENG<ωTCであるので、ωENGとωTCの大小関係からフューエルカットＯＦＦ／ＯＮの切替わりを判断する。具体的には、以下のような線形モデルを得る。

ここで、ａ_１１ａ〜ａ_４４ａ，ｂ_２１ａ，ｂ_４２ａ，ａ_１１ｂ〜ａ_４４ｂ，ｂ_１１ｂ，ｂ_４２ｂは物理パラメータおよび平衡点周りでの線形化による線形化係数によって与えられる。さらに、ハイブリッド予測制御は離散系の設計手法であるので、上記線形モデルを離散化する。

以上の設定に基づき、マルチパラメトリック計画法によりハイブリッド予測コントローラを求める。いま扱っている問題は、時変な目標値に追従させるサーボ系のコントローラを設計することであり、そのままではマルチパラメトリック計画法に適用できないため、問題をマルチパラメトリック計画法に適用可能な形式に変更する。

Δu(k)=u(k)-u(k-1)を新たな入力とし、状態を[δx(k); δu(k − 1); δyref(k)]とする拡大系を構成する。

この拡大系に対し、先に述べた評価関数と拘束条件を設定した上で、マルチパラメトリック計画問題を解くことにより、ホライゾン区間にわたる操作量のベクトルを得る。ハイブリッド予測制御の場合、得られた操作量ベクトルのうち初期ステップの操作量Δu(k)のみをシステムへ加えるが、これは以下のように陽に得ることができる。

ここで、Fi, Giはそれぞれコントローラゲインである。Δu(k)は現在時刻における前ステップからの入力の差分なので、実際にシステムへ加える操作量は以下とする。

フューエルカットＯＦＦのとき、制御対象の入力は[ＴＨＬ,ρpulleytgt]であるため、先の操作量算出式に当てはめると、以下のようになり、目標変速比ρpulleytgtとスロットル開度ＴＨＬが同時に算出される。

以上により、運転者操作量の低減を考慮した定速走行制御を可能とする。

ここからは、具体的な数値例を用いて説明する。

ここでは、車速と対応する変速比の平衡点を（20, 0.60）と設定する。この平衡点周りの線形モデルを導出し、さらに離散化をおこなった結果、以下のようになる。ここでは０次ホールドを用いて離散化したが、１次ホールドや双１次変換などを用いても良い。

つぎに評価関数に対する重みＱ，Ｒの設定を行う。ここでは、次のように設定する。

Ｒ_１＝１０，Ｒ_２＝１０００，Ｑ_１＝１，Ｑ_２＝３００

また、制御ホライゾンＨc、予測ホライゾンＨpを次のように設定する。

Ｈc＝Ｈp＝３

さらに、拘束条件の設定を以下の通り行う。

以上の設定のもとで、マルチパラメトリック計画法によって求めたハイブリッド予測コントローラを図１２に示す。

ハイブリッド予測コントローラは、各状態の組み合わせによって得られる多面体領域に定義される。図１２は、状態のうちエンジン回転数、トルクコンバータ出力軸回転数、車速の３状態に関して、領域がどのように分割されているかを表した図である。同図から、状態に応じて領域が細かく分割されていることが分かる。

図１３に示す表から明らかなように、コントローラが各領域毎に設定される。フューエルカットのＯＦＦ／ＯＮや、他の状態変化に応じてコントローラを適宜切り替えることにより、設定した評価関数や拘束条件を考慮した最適な定速走行制御を行うことを可能とした。

先に述べた数２１においてＱ１は車速追従性に対する重みとなっている。従って、例えば車速の追従性を向上させたければ、Ｑ１を大きくすれば良い。また、変速比を積極的に変化させて車速追従性を向上したければ、入力に対する重みのうち変速比に対応する重みＲ２を小さくすれば良い。

制御対象は、スロットル、変速比それぞれから車速までの動特性を含んだモデルとなっているので、最適制御問題を解くことにより、上記のように設定した重みを加味した、スロットルと変速比の最適な組合せを求めることができる。

図１４は、この実施例のシミュレーション結果を示すデータ図である。

図１４（ａ）は、目標車速がステップ状に変化したときの本発明と従来技術の追従性を示す。減速全般において、より素早くロー側に変速することによって従来技術よりも目標車速への追従性（立下り）が向上しているのが理解できよう。

図１４（ｂ）に、この実施例による変速比（実線で表わす）と、変速比とスロットルを独立に制御した場合（従来技術）の変速比（破線で表わす）を示す。この実施例の場合、変速比とスロットルを協調させて制御することが可能なため、変速比をロー側に変更することで効果的に減速できる場合には瞬時にロー側に変速することができ、それにより、変速比とスロットルを独立に制御する場合よりも、速やかに減速させることができる。

以上述べた如く、この実施例にあっては、エンジン１０と、前記エンジン１０の出力を変速する変速機（ＣＶＴ）２６と、前記エンジンと前記変速機が搭載される車体とを少なくとも備えた車両１４の定速走行制御装置（シフトコントローラ７４）において、前記車両１４（車両システム）を制御対象とし、少なくとも変速比とスロットル開度とを入力、車速を出力とするモデルで記述すると共に、前記車速が目標車速に一致するように、前記変速比と前記スロットル開度を制御する制御系（図８の定速走行コントローラ）と、前記制御系の指令に応じて前記エンジンのスロットルバルブを駆動してスロットル開度を調整するＤＢＷ機構１６と、前記制御系の指令に応じて前記変速機２６に油圧を供給する油圧機構２６ｄとを備える如く構成したので、スロットル開度と変速比を協調させて定速走行制御を行うことが可能となり、定速走行制御における目標車速への追従性を向上できると共に、燃費を向上させることも可能となる。

即ち、スロットル開度と変速比の２つを同時に操作可能なため、例えば登坂の場合でも、スロットルを開けてエンジントルクが飽和してから変速比をダウンシフト側に制御するのではなく、スロットルを開けながら変速比も同時にダウンシフト側に制御することが可能となる。

従って、目標車速への追従性を向上させることができると共に、より燃費の良好な運転点を移動しながら走行することで、燃費を向上させることも可能となる。

また、スロットル開度と変速比は直接的に依存してはおらず、あくまで目標車速に追従するための最適なスロットル開度と変速比がセットで得られるので、状況に応じて柔軟に制御することが可能となる。

さらに、変速比を操作することで、加速が要求されるときであれば変速比を一旦ロー側にすることでより素早い加速を得ると共に、減速が要求されるときであればエンジンブレーキを併用することでスムーズな減速を得ることができる。

また、前記制御系は、少なくとも前記変速比と前記スロットル開度についてそれぞれ設定された評価関数Ｊρpulley，ＪAPBRK（数式１９，２０，２１）にそれぞれ重みＱ，Ｒを乗じて得た積の総和Jが最適となるように前記変速比と前記スロットル開度を制御する如く構成したので、上記した効果に加え、評価関数を適宜設定して評価関数に重みを乗じて得た積の総和が最適（あるいは最小）となるようなスロットル開度と変速比の操作量を算出することにより、最適な経路（運転点）で目標車速に追従させることができる。

また、前記制御系は、前記車速が目標車速に一致するように、前記変速比と前記スロットル開度とブレーキペダル開度とを制御する如く構成したので、上記した効果に加え、目標車速への追従性を一層向上させることができる。また、前記制御系は、フューエルカットが実行される場合、前記制御対象（車両１４、車両システム）を、前記変速比とブレーキペダル開度とを入力、前記車速を出力とする第２のモデル（数式１７）で記述する如く構成した。また、前記変速比ρpulleyとエンジン回転数ωENGと目標変速比ρpulleytgtとに制約条件（数式２２）が設けられる如く構成した。

尚、上記において変速機としてＣＶＴ２６を使用したが、有段変速機であっても良い。

この発明の実施例に係る車両の定速走行制御装置を全体的に示す概略図である。 図１に示す装置のシフトコントローラなどの設計を説明する、制御対象のモデリングを全体的に示すブロック図である。 図２に示すエンジンモデルのフューエルカットＯＦＦのときのブロック図である。 図２に示すエンジンモデルのフューエルカットＯＮのときのブロック図である。 図２に示すトルクコンバータモデルのブロック図である。 図２に示す変速機（ＣＶＴ）モデルのブロック図である。 図２に示す車体モデルのブロック図である。 図２に示す構成を制御対象とする定速走行制御系（シフトコントローラ）の構成を示すブロック図である。 図８に示す構成で使用される燃費最適作動線の特性を示す説明グラフである。 図８に示す構成が適用されるモデル予測制御を説明する説明図である。 図８に示す構成が適用されるマルチパラメトリック計画法によるモデル予測制御を示す説明図である。 図１１に示すマルチパラメトリック計画法のコントローラの状態空間領域を示す説明図である。 図１２に示すコントローラの制御則などの説明図である。 図８などに示す構成のシミュレーション結果を示すデータ図である。

符号の説明

１０ エンジン（内燃機関）、１４ 車両、１６ ＤＢＷ機構、２４ トルクコンバータ、２６ 変速機（ＣＶＴ）、２６ｄ 油圧機構、３０ 前後進切換装置、３０ａ フォワードクラッチ、４２ａ ブレーキアクチュエータ、６０ エンジンコントローラ、７４ シフトコントローラ、Ｗ 駆動輪（タイヤ）、７６ 定速走行制御指令用のスイッチ群

Claims (4)

1. エンジンと、前記エンジンの出力を変速する変速機と、前記エンジンと前記変速機が搭載される車体とを少なくとも備えた車両の定速走行制御装置において、
   ａ．前記車両を制御対象とし、少なくとも変速比とスロットル開度とを入力、車速を出力とするモデルで記述すると共に、前記車速が目標車速に一致するように、前記変速比と前記スロットル開度を制御する制御系と、
   ｂ．前記制御系の指令に応じて前記エンジンのスロットルバルブを駆動してスロットル開度を調整するＤＢＷ機構と、
   ｃ．前記制御系の指令に応じて前記変速機に油圧を供給する油圧機構と、
   を備え、前記制御系は、少なくとも前記変速比と前記スロットル開度についてそれぞれ評価関数を設定すると共に、前記設定された評価関数にそれぞれ重みを乗じて得た積の総和が最適となるように前記変速比と前記スロットル開度を制御することを特徴とする車両の定速走行制御装置。
2. 前記制御系は、前記車速が目標車速に一致するように、前記変速比と前記スロットル開度とブレーキペダル開度とを制御することを特徴とする請求項１記載の車両の定速走行制御装置。
3. 前記制御系は、フューエルカットが実行される場合、前記制御対象を、前記変速比とブレーキペダル開度とを入力、前記車速を出力とする第２のモデルで記述することを特徴とする請求項１または２記載の車両の定速走行制御装置。
4. 前記変速比とエンジン回転数と目標変速比とに制約条件が設けられることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の車両の定速走行制御装置。