JP5191261B2

JP5191261B2 - サーボ制御方法、サーボ制御装置

Info

Publication number: JP5191261B2
Application number: JP2008083279A
Authority: JP
Inventors: 健児鷺森; 伸二丹羽
Original assignee: Daihatsu Motor Co Ltd
Current assignee: Daihatsu Motor Co Ltd
Priority date: 2008-03-27
Filing date: 2008-03-27
Publication date: 2013-05-08
Anticipated expiration: 2028-03-27
Also published as: JP2009237903A

Description

本発明は、適応スライディングモードコントローラと他の種類のコントローラとを選択的に切り換えてサーボ制御する方法に関する。

排気ガスの一部を吸入空気と混合することによって最高燃焼温度を低下させ、燃焼時に発生する有害物質量を抑制することが一般に知られている。下記特許文献１に開示されている排気ガス再循環（ＥｘｈａｕｓｔＧａｓＲｅｃｉｒｃｕｌａｔｉｏｎ）システムは、過給機を備えたエンジンのＥＧＲ量を制御するものである。過給圧とＥＧＲ量との間には相互干渉が存在し、１入力１出力のコントローラで過給圧、ＥＧＲ量の両方を同時に制御することは難しい。加えて、エンジンの運転領域によって応答性が異なる上に、過給機にはターボラグ（むだ時間）がある。このような事情から、特許文献１に記載のシステムでは、非線形制御対象に対して有効な制御手法であるスライディングモード制御を採用し、相互作用を考慮した他入力多出力のコントローラを設計してＥＧＲ制御をしている。

さらには、制御対象の動特性の変化に応じてコントローラをオンラインで自動調整する適応スライディングモード制御を行うことも試みられている。
特開２００７−０３２４６２号公報

実際の自動車では、フェイルセーフ等の目的で、フィードバック制御とオープン制御とを併用することが多い。上述のＥＧＲシステムの例に則して述べると、適応スライディングモードコントローラとオープンコントローラとを適宜切り換えてＥＧＲ量を制御するということになる。

オープン制御中は、オープンコントローラから制御対象に制御入力がなされる。この間の適応スライディングモードコントローラは、状態量を初期値にリセットするか、あるいはオープン制御に移行する直前の状態量をホールドしている。そして、適応スライディングモード制御に復帰する際には、その状態量を基に制御入力の演算を開始する。そのため、オープン制御から適応スライディングモード制御への移行の前後で制御入力が非連続的に変動してしまい、制御性の一時的悪化を招くことがあった。

以上の問題に初めて着目してなされた本発明は、他の種類の制御から適応スライディングモード制御に移行する際の制御性の悪化を回避することを所期の目的とする。

本発明では、制御入力に線形項、非線形項以外の項である適応項を含む適応スライディングモードコントローラである第一のコントローラと他の種類のコントローラである第二のコントローラとを両備し、何れかを選択的に用いて制御を行うものであって、第二のコントローラによる制御から第一のコントローラによる制御へと移行する際に、第一のコントローラの制御入力が移行直前の第二のコントローラの制御入力と一致するように、移行直前、第二のコントローラにより制御出力がその目標値に偏差なく追従していると見なし、第一のコントローラの制御入力の非線形項を０として、第一のコントローラにおける状態量及び同コントローラの制御入力の線形項を算定するとともに、移行直前の第二のコントローラの制御入力と算定した線形項との差分を第一のコントローラの制御入力の適応項とすることとした。このような方法をとれば、制御入力の急変動を防止して制御性の悪化を回避することができる。

適応スライディングモードコントローラの制御入力は、線形項と、非線形項と、適応項との和となる。適応スライディングモード制御に移行する直前の制御において、第二のコントローラにより制御出力がその目標値に偏差なく追従していると見なせば、上記の非線形項を０にできる。また、線形項は、目標値と出力（から推定される状態量）とによって一意に定まる。従って、適応項を算定するには、移行直前の制御入力から線形項を減算すればよい。

第二のコントローラがオープンコントローラである場合、実際の制御出力と一致する目標値を与えることで偏差を０にでき、適応スライディングモード制御に移行する際の状態量の算定が容易になる。

本発明によれば、他の種類の制御から適応スライディングモード制御に移行する際の制御性の悪化を有効に回避できる。

以下、本発明の実施の形態を、図面を参照して説明する。図１に示すものは、本発明の適用対象の一であるＥＧＲ（ＥｘｈａｕｓｔＧａｓＲｅｃｉｒｃｕｌａｔｉｏｎ）システムである。このＥＧＲシステムは、吸排気系３、４における複数の流量または流体圧に関するパラメータを計測する計測器１１、１２、１３と、それらのパラメータに目標値を設定し、各パラメータを目標値に追従させるべく複数の操作部４５、４２、３４を操作する電子制御装置５とを具備してなる。

エンジン２の吸気系３には、スーパーチャージャ３１、可変容量ターボ（ＶａｒｉａｂｌｅＧｅｏｍｅｔｒｙＴｕｒｂｏｃｈａｒｇｅｒ）コンプレッサ３２を配設するとともに、その下流に吸気冷却用のインタークーラ３３を設ける。過給機より上流側には、吸入空気（新気）量を調節するＤスロットルバルブ３４を設ける。加えて、吸入空気量を検出する流量計１１、過給圧を検出する圧力計１２、スロットル下流圧を検出する圧力計１３をそれぞれ設置する。

エンジン２の排気系４には、コンプレッサ３２を駆動するＶＧＴタービン４１を配設し、タービン４１に流入する排気ガス量を調節するノズルベーン（図示せず）やウェイストゲートバルブ４２を設ける。そして、エンジン２の燃焼室より排出される排気ガスの一部を吸気系３に還流させる排気ガス再循環通路４３を形成する。排気ガス再循環通路４３は、吸気系３におけるスロットルバルブ３４と過給機３１、３２との中間部に接続する。排気ガス再循環通路４３には、排気冷却用のＥＧＲクーラ４４と、通過する排気ガス量を調節する外部ＥＧＲバルブ４５とを設ける。

ＥＧＲには、排気ガス再循環通路４３を介して吸気系３に排気ガスを還流する外部ＥＧＲと、燃焼室内に既燃ガスを残留させる内部ＥＧＲとがある。吸入空気量及び過給圧を制御すれば外部ＥＧＲを、スロットル下流圧を制御すれば内部ＥＧＲを、それぞれ制御し得る。本実施形態では、ＥＧＲ量を決定する複数のパラメータ、即ち吸入空気量、過給圧及びスロットル下流圧にそれぞれ目標値を設定し、各パラメータを一括に目標値に向かわせるべく複数の操作部、即ち外部ＥＧＲバルブ４５、ウェイストゲートバルブ４２（または、ＶＧＴノズルベーン）、スロットルバルブ３４を制御することによって、ＥＧＲ量の制御を実現する。

外部ＥＧＲバルブ４５、ウェイストゲートバルブ４２、スロットルバルブ３４は、電子制御装置５により制御されてその開度をリニアに変化させる。各バルブ４５、４２、３４は、駆動信号のデューティ比を増減させることで開度を変える電気式のバルブや、あるいはバキュームコントロールバルブ等と組み合わされ弁体のリフト量を制御して開度を変える機械式のバルブ等を用いてなる。

電子制御装置５は、プロセッサ、ＲＡＭ、ＲＯＭまたはフラッシュメモリ、Ａ／Ｄ変換回路、Ｄ／Ａ変換回路等を包有するマイクロコンピュータである。電子制御装置５は、吸入空気量、過給圧及びスロットル下流圧を検出する計測器１１、１２、１３の他、エンジン回転数、アクセルペダルの踏込量、冷却水温、吸気温、外部の気温、気圧等を検出する各種計測器（図示せず）と電気的に接続し、これら計測器から出力される信号を受け取って各パラメータを知得することができる。並びに、電子制御装置５は、外部ＥＧＲバルブ４５、ウェイストゲートバルブ４２、スロットルバルブ３４や燃料噴射ポンプ２１等と電気的に接続しており、これらバルブ３４、４５、４２やポンプ２１等を駆動するための信号を入力することができる。

電子制御装置５で実行するべきプログラムは予めＲＯＭまたはフラッシュメモリに格納されており、その実行の際にＲＡＭへ読み込まれ、プロセッサによって解読される。電子制御装置５は、プログラムに従いエンジン２の制御を実行する。例えば、エンジン回転数、アクセルペダルの踏込量、冷却水温等の諸条件に基づき要求される燃料噴射量（いわば、エンジン負荷）を決定し、その要求噴射量に対応する駆動信号を燃料噴射ポンプ２１に入力して燃料噴射を制御する。その上で、電子制御装置５は、プログラムに従い、図２に示す適応スライディングモードコントローラ５１、オープンコントローラ５２及び状態量算定部５３としての機能を発揮する。適応スライディングモードコントローラ５１、オープンコントローラ５２及び状態量算定部５３はそれぞれ、本実施形態におけるサーボ制御装置の要素となる。

適応スライディングモードコントローラ５１は、ＥＧＲ量のフィードバック制御を担う。フィードバック制御時、電子制御装置５は、各種計測器（図示せず）が出力する信号を受け取ってエンジン回転数、アクセル踏込量、冷却水温、吸気温、外部の気温及び気圧等を知得し、要求噴射量を決定する。続いて、少なくともエンジン回転数及び要求噴射量に基づき、目標吸入空気量、目標過給圧及び目標スロットル下流圧を設定する。電子制御装置５のＲＯＭまたはフラッシュメモリには予め、エンジン回転数及び要求噴射量に対応して設定するべき各目標値を示すマップデータが格納されている。マップに記述される各目標値は、エンジン回転数、要求噴射量等に応じた適切なＥＧＲ量を実現する値であって、ベンチ試験によって適合したものである。電子制御装置５は、エンジン回転数及び要求噴射量をキーとしてマップを検索し、吸入空気量、過給圧及びスロットル下流圧の目標値を得る。さらに、マップを参照して得た目標値を基本値とし、これを冷却水温、吸気温、外部の気温や気圧等に応じて補正して最終的な目標値とする。そして、電子制御装置５は、計測器１１、１２、１３が出力する信号を受け取って吸入空気量、過給圧及びスロットル下流圧の現在値を知得し、各パラメータの現在値と目標値との偏差から外部ＥＧＲバルブ４５の開度、ウェイストゲートバルブ４２の開度（ＶＧＴの開度）及びスロットルバルブ３４の開度を演算して、各々の操作量に対応する駆動信号をバルブ３４、４５、４２に入力、開度を操作する。

ＥＧＲ量の適応スライディングモード制御に関して補記する。本実施形態では、吸入空気量ｙ₁、過給圧ｙ₂、スロットル下流圧ｙ₃を制御出力ベクトルＹとし、外部ＥＧＲバルブ４５の開度ｕ₁、ウェイストゲートバルブ４２の開度ｕ₂、スロットルバルブ３４の開度ｕ₃を制御入力ベクトルＵとした３入力３出力のフィードバック制御を行う。但し、下の状態方程式（数１）に示すように、状態量ベクトルＸを出力ベクトルＹから直接知得できる構造とする、換言すれば計測器１１、１２、１３を介して検出可能なパラメータを直接の制御対象とすることにより、状態推定オブザーバを排して推定誤差に伴う制御性能の低下を予防している。

行列Ａ、Ｂ、Ｃは、それぞれ３×３行列である。行列Ｃは既知、本実施形態では単位行列とする。プラントのモデル化、即ち状態方程式（数１）における行列Ａ、Ｂの同定にあたっては、各バルブ４５、４２、３４に様々な周波数からなるＭ系列信号を入力して開度を操作し、吸入空気量、過給圧及びスロットル下流圧の値を観測して、その入出力データから行列Ａ、Ｂを同定する。各バルブ４５、４２、３４に入力するＭ系列信号は、互いに無相関なものとする。これにより、各パラメータの相互干渉を考慮したモデルを作成することができる。

図３に、適応スライディングモード制御系のブロック線図を示す。スライディングモードコントローラ５１の設計手順には、切換超平面の設計と、状態量を切換超平面に拘束するための非線形切換入力の設計とが含まれる。

１形のサーボ系を構成するべく、目標値ベクトルＲと出力ベクトルＹとの偏差の積分値ベクトルＺを新たな状態量として定義すると、下式（数２）を得る。

安定余裕を考慮し、切換超平面の設計にはシステムの零点を用いた設計手法を用いる。即ち、上式（数２）の拡大系がスライディングモードを生じているときの等価制御系が安定となるように超平面を設計する。切換関数σを式（数３）で定義すると、状態が超平面に拘束されている場合にσ＝０となり、式（数４）が成立する。

故に、スライディングモードが生じているときの等価制御入力は、下式（数５）となる。

上式（数５）の等価制御入力を拡大系の状態方程式（数２）に代入すると、下式（数６）の等価制御系となる。

この等価制御系が安定になるように超平面を設計することと、目標値Ｒを無視した系に対して設計することとは等価であるので、下式（数７）が成立する。

上式（数７）の系に対して安定度εを考慮し、最適制御理論を用いてフィードバックゲインを求め、それを超平面とすると、下式（数８）となる。

行列Ｐ_sは、リカッチ方程式（数９）の正定解である。

リカッチ方程式（数９）の重みＱ_sのうち、ｑ₁、ｑ₂、ｑ₃は偏差の積分Ｚに対する重みであり、制御系の周波数応答の速さの違いにより決定する。また、ｑ₄、ｑ₅、ｑ₆は出力Ｙに対する重みであり、ゲインの大きさの違いにより決定する。

超平面に拘束するための入力の設計には、最終スライディングモード法を用いる。ここでは、制御入力Ｕを、等価制御入力（線形入力）Ｕ_eqと新たな入力Ｕ_nl（非線形入力）との和として、下式（数１０）で表す。

切換関数σを安定させたいので、σについてのリアプノフ関数を下式（数１１）のように選び、これを微分すると式（数１２）となる。

式（数１０）を式（数１２）に代入すると、下式（数１３）となる。

非線形入力Ｕ_nlを下式（数１４）とすると、リアプノフ関数の微分は式（数１５）となる。

従って、ｋを正とすれば、リアプノフ関数の微分値を負とすることができ、スライディングモードが保証される。このときの制御入力Ｕは、下式（数１６）である。

ηはチャタリング低減のために導入した平滑関数であって、η＞０である。

スライディングモード制御では、状態量を超平面に拘束するために非線形ゲインを大きくする必要がある。だが、非線形ゲインを大きくすると、制御入力にチャタリングが発生する。そこで、モデルの不確かさを二つの部分に分ける。一つは、構造が既知でパラメータが未知な確定部分、もう一つは、構造が未知だがその上界値が既知な不確定部分である。状態方程式（数１）に不確かさ（ｆ＋Δｆ）を加え、下式（数１７）で表す。

不確かさの確定部分ｆは、未知パラメータθを同定することで補償される。さすれば、切換ゲインは不確かさの不確定部分Δｆのみにかかることとなり、切換ゲインが不確実成分全体（ｆ＋Δｆ）にかかる場合と比べて制御入力のチャタリングを大幅に低減できる。

制御入力Ｕは、式（数１６）に適応項Ｕ_adを追加した下式（数１８）となる。

一方、オープンコントローラ５２は、ＥＧＲ量のオープン制御を担う。本実施形態では、このオープンコントローラ５２と、上記の適応スライディングモードコントローラ５１とを選択的に切り換えて用いる。

しかして、状態量算定部５３は、オープン制御から適応スライディングモード制御へと移行する際に、適応スライディングモードコントローラ５１の制御入力が移行直前のオープンコントローラ５２の制御入力と一致するよう、適応スライディングモードコントローラ５１における状態量Ｘ_eを算定する。

詳述すると、オープン制御から適応スライディングモード制御に移行する直前において、オープンコントローラ５２により制御出力が目標値に偏差なく追従しているとすれば、適応スライディングモード制御開始時の切換関数σ＝０（即ち、適応される）と見なすことができる。となれば、非線形入力Ｕ_nlも０であり、制御入力Ｕは線形入力Ｕ_eqと適応項Ｕ_adとの和となる。オープン制御では実際の制御出力と一致する目標値を与えることができるので、結局のところ下式（数１９）が成立するようにＵ_eq及びＵ_adを決めてやればよいことになる。

Ｕ_opは、オープンコントローラ５２の制御入力である。

σ＝０となる状態量Ｘ_eは、下式（数２０）、（数２１）に則って演算すればよい。

ｘ_e4、ｘ_e5、ｘ_e6はそれぞれ、制御出力（または、目標値）ｙ₁、ｙ₂、ｙ₃である。

また、オープン制御中、適応スライディングモードコントローラ５１における適応項Ｕ_adは下式（数２２）に則って演算する。言うまでもなく、線形入力Ｕ_eqは、目標値Ｒ及び状態量Ｘ（または、制御出力Ｙ）から一意に定まる。

本実施形態によれば、適応スライディングモードコントローラである第一のコントローラ５１と他の種類のコントローラである第二のコントローラ５２とを両備し、何れかを選択的に用いて制御を行うものであって、第二のコントローラ５２による制御から第一のコントローラ５１による制御へと移行する際に、第一のコントローラ５１の制御入力が移行直前の第二のコントローラ５２の制御入力と一致するように、第一のコントローラ５１における状態量を算定することとしたため、制御入力の急変動を防止して制御性の悪化を回避することができる。

第二のコントローラ５２はオープンコントローラであるので、実際の制御出力と一致する目標値を与えることで偏差を０にでき、適応スライディングモード制御に移行する際の状態量の算定が容易である。

なお、本発明は以上に詳述した実施形態に限られるものではない。特に、第二のコントローラがオープンコントローラであるとは限られない。第二のコントローラの制御の種類如何を問わず、適応スライディングモード制御に移行する直前の偏差を０と見なせるならば、上記実施形態と同様にして制御移行時の状態量を算定することが可能である。

また、制御対象はＥＧＲシステムに限定されない。

その他各部の具体的構成は、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形が可能である。

本発明の一実施形態のサーボ制御装置のハードウェア資源構成図。同サーボ制御装置の構成説明図。適応スライディングコントローラのブロック線図。

符号の説明

５…電子制御装置（サーボ制御装置）
５１…適応スライディングコントローラ（第一のコントローラ）
５２…オープンコントローラ（第二のコントローラ）
５３…状態量算定部

Claims

制御入力に線形項、非線形項以外の項である適応項を含む適応スライディングモードコントローラである第一のコントローラと他の種類のコントローラである第二のコントローラとを両備し、何れかを選択的に用いて制御を行うものであって、
第二のコントローラによる制御から第一のコントローラによる制御へと移行する際に、第一のコントローラの制御入力が移行直前の第二のコントローラの制御入力と一致するように、
移行直前、第二のコントローラにより制御出力がその目標値に偏差なく追従していると見なし、第一のコントローラの制御入力の非線形項を０として、第一のコントローラにおける状態量及び同コントローラの制御入力の線形項を算定するとともに、移行直前の第二のコントローラの制御入力と算定した線形項との差分を第一のコントローラの制御入力の適応項とすることを特徴とするサーボ制御方法。
第二のコントローラがオープンコントローラである請求項１記載のサーボ制御方法。
制御出力そのものを状態量として第一のコントローラを設計しオブザーバを排している請求項１または２記載のサーボ制御方法。
制御入力に線形項、非線形項以外の項である適応項を含む適応スライディングモードコントローラである第一のコントローラと、
他の種類のコントローラである第二のコントローラと、
第二のコントローラによる制御から第一のコントローラによる制御へと移行する際に、第一のコントローラの制御入力が移行直前の第二のコントローラの制御入力と一致するように、移行直前、第二のコントローラにより制御出力がその目標値に偏差なく追従していると見なし、第一のコントローラの制御入力の非線形項を０として、第一のコントローラにおける状態量及び同コントローラの制御入力の線形項を算定するとともに、移行直前の第二のコントローラの制御入力と算定した線形項との差分を第一のコントローラの制御入力の適応項とする状態量算定部とを具備するサーボ制御装置。