JP5250826B2 - Control device - Google Patents

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Description

本発明は、内燃機関またはそれに付帯する装置を制御する制御装置に関する。   The present invention relates to a control device for controlling an internal combustion engine or a device attached thereto.

下記特許文献1に開示されている排気ガス再循環(Exhaust Gas Recirculation)システムは、過給機を備えた内燃機関のEGR率(または、EGR量)を制御するものである。過給圧とEGR率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率の両方を同時に制御することは難しい。しかも、内燃機関の運転領域によって応答性が異なる上、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。   An exhaust gas recirculation system disclosed in Patent Document 1 below controls an EGR rate (or EGR amount) of an internal combustion engine equipped with a supercharger. There is mutual interference between the supercharging pressure and the EGR rate, and it is difficult to simultaneously control both the supercharging pressure and the EGR rate with a one-input one-output controller. In addition, the responsiveness varies depending on the operation region of the internal combustion engine, and the turbocharger has a turbo lag (dead time). Under such circumstances, the system described in Patent Document 1 adopts sliding mode control, which is an effective control method for a non-linear control target, and designs an EGR controller by designing a multi-input multi-output controller in consideration of interaction. I have control.

通常時は、EGRバルブや可変ターボのノズルベーン、Dスロットルバルブといった各操作部を、スライディングモードコントローラが算出した制御入力(開度)値の通りに操作する。だが、時として、スライディングモードコントローラによる演算結果とは無関係に操作部を操作したいケースもある。例えば、減速に伴う燃料カット中は、燃料の燃焼がないのでEGR率を制御する必要性から解放される。その間、振動や騒音の抑制、あるいはダイアグノーシスの目的で、操作部を自由に操作したいという要求がある。   During normal operation, the operation units such as the EGR valve, the variable vane nozzle vane, and the D throttle valve are operated according to the control input (opening) value calculated by the sliding mode controller. However, sometimes there is a case where it is desired to operate the operation unit regardless of the calculation result by the sliding mode controller. For example, during fuel cut due to deceleration, there is no combustion of fuel, which frees you from the need to control the EGR rate. Meanwhile, there is a demand to freely operate the operation unit for the purpose of suppressing vibration and noise or for the purpose of diagnosis.

このような要求を満たすために、燃料カット中等の期間にはプラントからスライディングモードコントローラを切り離し、替わりにプラントを別のオープンコントローラで制御する切換制御機構を採用することが考えられる。しかしながら、当該期間においてもスライディングモードコントローラは制御入力の演算を継続しており、オープンコントローラによる制御からスライディングモードコントローラによる制御に切り換える時点で両コントローラの算出する制御入力値に乖離が発生していると、スライディングモード制御への復帰によって制御入力や制御出力にハンチングを引き起すおそれがあった。   In order to satisfy such a requirement, it is conceivable to adopt a switching control mechanism in which the sliding mode controller is disconnected from the plant during a period such as during fuel cut and the plant is controlled by another open controller instead. However, even during this period, the sliding mode controller continues to calculate the control input, and there is a difference between the control input values calculated by both controllers when switching from the control by the open controller to the control by the sliding mode controller. The return to the sliding mode control may cause hunting to the control input or control output.

特開2007−032462号公報JP 2007-032462 A

上記の問題に着目してなされた本発明は、スライディングモード制御以外の制御からスライディングモード制御に移行する際の制御の連続性を維持し、制御入力や制御出力のハンチングを抑止することを所期の目的とする。   The present invention, which has been made paying attention to the above problems, is intended to maintain control continuity when shifting from control other than sliding mode control to sliding mode control, and to suppress hunting of control inputs and control outputs. The purpose.

本発明では、線形入力項Ueq、非線形入力項Unl及びそれら以外の項である適応項Uadの和である、操作部に与えるべき制御入力を式(数20)に則って反復的に演算するスライディングモードコントローラと、操作部に与える制御入力を前記スライディングモードコントローラが算出する本来の制御入力とは無関係の入力Uopに設定する所定の期間は、前記スライディングモードコントローラが演算するパラメータZ及びUadを式(数22)に示す値に置き換える補正制御部とを具備する制御装置を構成した。 In the present invention, the control input to be given to the operation unit, which is the sum of the linear input term U eq , the nonlinear input term U nl, and the adaptive term U ad which is other term, is recursively according to the equation (Equation 20). A predetermined period in which the sliding mode controller to be calculated and the control input to be given to the operation unit is set to an input U op irrelevant to the original control input calculated by the sliding mode controller is a parameter Z calculated by the sliding mode controller and A control device is provided that includes a correction control unit that replaces U ad with a value represented by Equation (22).

このようなものであれば、所定の期間において、切換関数σ=0、非線形入力項Unl=0となって、スライディングモードコントローラ自体から任意の入力Uopを制御入力Uとして出力させることが可能となる。そして、その後にスライディングモード制御へと復帰する際にも制御の連続性を維持することができ、制御入力や制御出力のハンチングを予防できる。 If this is the case, the switching function σ = 0 and the nonlinear input term U nl = 0 in a predetermined period, and the sliding mode controller itself can output an arbitrary input U op as the control input U. It becomes. Then, the control continuity can be maintained even when the control returns to the sliding mode control thereafter, and hunting of the control input and control output can be prevented.

前記所定の期間以外の期間において、前記スライディングモードコントローラが算出する適応項Uadが前記パラメータZの時間積分の関数であれば、スライディングモード制御への復帰以降、偏差の積分Zとともに適応項Uadが徐々に変化しながら制御出力をその目標値に追従させることとなる。従って、制御の切換が一層円滑なものになる。 If the adaptive term U ad calculated by the sliding mode controller in a period other than the predetermined period is a function of time integration of the parameter Z, the adaptive term U ad together with the deviation integral Z after returning to the sliding mode control. The control output follows the target value while gradually changing. Therefore, switching of control becomes smoother.

本発明によれば、スライディングモード制御以外の制御からスライディングモード制御に移行する際の制御の連続性を維持でき、制御入力や制御出力のハンチングを抑止することが可能である。   According to the present invention, continuity of control when shifting from control other than sliding mode control to sliding mode control can be maintained, and hunting of control inputs and control outputs can be suppressed.

本発明の一実施形態におけるEGRシステムのハードウェア資源構成図。The hardware resource block diagram of the EGR system in one Embodiment of this invention. 同実施形態の制御装置の構成説明図。Configuration explanatory drawing of the control apparatus of the embodiment. 同実施形態の適応スライディングモードコントローラのブロック線図。The block diagram of the adaptive sliding mode controller of the embodiment.

本発明の一実施形態を、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システムである。内燃機関2に付帯するこのEGRシステムは、吸排気系3、4における複数の流体圧または流量に関する値を検出するための計測器(または、センサ)11、12と、それらの値に目標値を設定し、各値を目標値に追従させるべく複数の操作部45、42、33を操作する制御装置たる電子制御装置(Electronic Control Unit)5とを具備してなる。   An embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. What is shown in FIG. 1 is an EGR system that is one of the objects to which the present invention is applied. This EGR system attached to the internal combustion engine 2 includes measuring devices (or sensors) 11 and 12 for detecting values related to a plurality of fluid pressures or flow rates in the intake and exhaust systems 3 and 4, and target values for these values. An electronic control unit (Electronic Control Unit) 5 serving as a control device that operates the plurality of operation units 45, 42, and 33 to set and make each value follow the target value is provided.

内燃機関2は、例えば過給機を備えたディーゼルエンジンである。内燃機関2の吸気系3には、可変ターボのコンプレッサ31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32、及び吸入空気(新気)量を調節するDスロットルバルブ33を設ける。また、吸入空気量を計測する流量計11、吸気管内圧力を計測する圧力計12をそれぞれ設置する。   The internal combustion engine 2 is a diesel engine equipped with a supercharger, for example. The intake system 3 of the internal combustion engine 2 is provided with a variable turbo compressor 31 and an intercooler 32 for intake air cooling and a D throttle valve 33 for adjusting the intake air (fresh air) amount downstream thereof. Further, a flow meter 11 for measuring the intake air amount and a pressure meter 12 for measuring the intake pipe pressure are installed.

内燃機関2の排気系4には、コンプレッサ31を駆動するタービン41を配設し、タービン41の入口には過給機のA/R比を増減させるためのノズルベーン42を設ける。そして、内燃機関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EGR通路43を形成する。EGR通路43は、吸気系3におけるスロットルバルブ33よりも下流に接続する。EGR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(EGRガス)量を調節する外部EGRバルブ45とを設ける。   The exhaust system 4 of the internal combustion engine 2 is provided with a turbine 41 for driving the compressor 31, and a nozzle vane 42 for increasing or decreasing the A / R ratio of the supercharger is provided at the inlet of the turbine 41. Then, an EGR passage 43 for recirculating a part of the exhaust gas discharged from the combustion chamber of the internal combustion engine 2 to the intake system 3 is formed. The EGR passage 43 is connected downstream of the throttle valve 33 in the intake system 3. The EGR passage 43 is provided with an EGR cooler 44 for cooling the exhaust, and an external EGR valve 45 that adjusts the amount of exhaust gas (EGR gas) that passes therethrough.

本実施形態では、EGR率(または、EGR量)と、吸気管内圧力とについて各々目標値を設定し、双方の制御量を一括に目標値に向かわせるべく複数の操作部、即ちEGRバルブ45、可変ターボのノズル42及びスロットルバルブ33を操作する制御を実施する。   In the present embodiment, a target value is set for each of the EGR rate (or EGR amount) and the intake pipe pressure, and a plurality of operation units, that is, an EGR valve 45, Control is performed to operate the variable turbo nozzle 42 and the throttle valve 33.

EGRバルブ45、ノズルベーン42、スロットルバルブ33は、ECU5により統御されてその開度をリニアに変化させる。各操作部45、42、33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。   The EGR valve 45, the nozzle vane 42, and the throttle valve 33 are controlled by the ECU 5 to change their opening degrees linearly. Each operation unit 45, 42, 33 is combined with an electric valve that changes the opening by increasing or decreasing the duty ratio of the drive signal, or a vacuum control valve, etc. It uses mechanical valves that change.

ECU5は、プロセッサ、RAM(Random Access Memory)、ROM(Read Only Memory)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。ECU5は、EGR率及び吸気管内圧力を検出するための計測器11、12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、大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値を知得することができる。   The ECU 5 is a microcomputer including a processor, a RAM (Random Access Memory), a ROM (Read Only Memory) or a flash memory, an A / D conversion circuit, a D / A conversion circuit, and the like. In addition to the measuring instruments 11 and 12 for detecting the EGR rate and the intake pipe pressure, the ECU 5 performs various measurements for detecting the engine speed, the accelerator pedal depression amount, the cooling water temperature, the intake air temperature, the outside air temperature, the atmospheric pressure, and the like. Each value can be obtained by electrically connecting to a measuring instrument (not shown) and receiving signals output from these measuring instruments.

因みに、本実施形態では、EGR率を直接計測していない。内燃機関2のシリンダに入る空気量は、可変ターボのノズル開度を基に予測することが可能である。その空気量の予測値をgcylとおき、流量計11で計測される吸入空気量をgaとおくと、推定EGR率eegrについて、eegr=1−ga/gcylなる関係が成立する。ECU5のROMまたはフラッシュメモリには予め、可変ターボのノズル開度とシリンダに入る空気量との関係を定めたマップデータが記憶されている。ECU5は、可変ターボのノズル開度をキーとしてマップを検索し、シリンダに入る空気量の予測値を得、これと吸入空気量とを上記式に代入してEGR率を算出する。 Incidentally, in this embodiment, the EGR rate is not directly measured. The amount of air entering the cylinder of the internal combustion engine 2 can be predicted based on the nozzle opening of the variable turbo. When the predicted value of the air amount is set as g cyl and the intake air amount measured by the flow meter 11 is set as g a , the relationship of e egr = 1−g a / g cyl is established for the estimated EGR rate e egr. To do. The ROM or flash memory of the ECU 5 stores in advance map data that defines the relationship between the variable turbo nozzle opening and the amount of air entering the cylinder. The ECU 5 searches the map using the nozzle opening of the variable turbo as a key, obtains a predicted value of the air amount entering the cylinder, and substitutes this and the intake air amount into the above formula to calculate the EGR rate.

並びに、ECU5は、EGRバルブ45、可変ターボのノズル42、スロットルバルブ33や、燃料噴射を司るインジェクタ及び燃料ポンプ等(図示せず)と電気的に接続しており、これらを駆動するための信号を入力することができる。   In addition, the ECU 5 is electrically connected to the EGR valve 45, the variable turbo nozzle 42, the throttle valve 33, an injector for controlling fuel injection, a fuel pump, and the like (not shown), and signals for driving them. Can be entered.

ECU5で実行するべきプログラムはROMまたはフラッシュメモリに予め記憶されており、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。ECU5は、プログラムに従い内燃機関2を制御する。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インジェクタ等に入力して燃料噴射を制御する。その上で、ECU5は、プログラムに従い、図2及び図3に示すサーボコントローラ51及び補正制御部52としての機能を発揮する。   A program to be executed by the ECU 5 is stored in advance in a ROM or a flash memory, and is read into the RAM at the time of execution and is decoded by the processor. The ECU 5 controls the internal combustion engine 2 according to a program. For example, the required fuel injection amount (in other words, engine load) is determined based on various conditions such as engine speed, accelerator pedal depression amount, and coolant temperature, and a drive signal corresponding to the required injection amount is input to an injector or the like. And control the fuel injection. In addition, the ECU 5 exhibits functions as the servo controller 51 and the correction control unit 52 shown in FIGS. 2 and 3 according to the program.

サーボコントローラ51は、スライディングモードコントローラであって、EGR率及び吸気管内圧力のスライディングモード制御を担う。フィードバック制御時、ECU5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EGR率及び目標吸気管内圧力を設定する。ECU5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応じて設定するべき各目標値を示すマップデータが記憶されている。ECU5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、EGR率及び吸気管内圧力の目標値を得る。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。   The servo controller 51 is a sliding mode controller and is responsible for the sliding mode control of the EGR rate and the intake pipe pressure. During feedback control, the ECU 5 receives signals output from various measuring instruments (not shown), and knows the engine speed, accelerator depression amount, cooling water temperature, intake air temperature, external temperature and pressure, etc., and the required injection amount To decide. Subsequently, the target EGR rate and the target intake pipe pressure are set based on at least the engine speed and the required injection amount. The ROM or flash memory of the ECU 5 stores in advance map data indicating each target value to be set according to the engine speed and the required injection amount. The ECU 5 searches the map using the engine speed and the required injection amount as keys, and obtains target values for the EGR rate and the intake pipe pressure. Further, the target value obtained by referring to the map is set as a basic value, and this is corrected according to the cooling water temperature, the intake air temperature, the outside air temperature, the atmospheric pressure, and the like to obtain the final target value.

そして、ECU5は、計測器11、12が出力する信号を受け取ってEGR率及び吸気管内圧力の現在値を知得し、各制御量の現在値と目標値との偏差からEGRバルブ45の開度、可変ターボのノズル42の開度及びスロットルバルブ33の開度を演算して、各々の操作量に対応する駆動信号をそれら操作部45、42、33に入力、開度を操作する。   Then, the ECU 5 receives signals output from the measuring instruments 11 and 12 to obtain the current values of the EGR rate and the intake pipe pressure, and the opening of the EGR valve 45 from the deviation between the current value of each control variable and the target value. Then, the opening degree of the variable turbo nozzle 42 and the opening degree of the throttle valve 33 are calculated, and a drive signal corresponding to each operation amount is input to the operation units 45, 42, 33 to operate the opening degree.

EGR率の適応スライディングモード制御に関して補記する。状態方程式及び出力方程式は、下式(数1)の通りである。   A supplementary explanation will be given regarding adaptive sliding mode control of the EGR rate. The state equation and the output equation are as shown in the following equation (Equation 1).

Figure 0005250826
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本実施形態では、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を介して検出可能な値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。出力行列Cは既知、本実施形態では単位行列とする。   In this embodiment, the state quantity vector X has a structure that can be directly obtained from the output vector Y. In other words, a value that can be detected via the measuring instruments 11 and 12 is directly controlled, so that the state estimation observer. This prevents the deterioration of the control performance due to the estimation error. The output matrix C is known, and is a unit matrix in this embodiment.

プラントのモデル化、即ち状態方程式(数1)における係数行列A及び入力行列Bの同定にあたっては、各操作部45、42、33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、EGR率及び吸気管内圧力の値を観測して、その入出力データから行列A、Bを同定する。各操作部45、42、33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、各値の相互干渉を考慮したモデルを作成することができる。   In plant modeling, that is, identification of the coefficient matrix A and the input matrix B in the state equation (Equation 1), the opening degree is manipulated by inputting M-sequence signals having various frequencies to the operation units 45, 42, and 33. Then, the values of the EGR rate and the intake pipe pressure are observed, and the matrices A and B are identified from the input / output data. It is assumed that the M-sequence signals input to the operation units 45, 42, and 33 are uncorrelated with each other. This makes it possible to create a model that takes into account the mutual interference between the values.

図3に、本実施形態の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、当初の状態量ベクトルXに、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を付加した新たな状態量ベクトルXeを定義すると、下式(数2)に示す拡大系の状態方程式を得る。 FIG. 3 shows a block diagram of the adaptive sliding mode control system of the present embodiment. The design procedure of the sliding mode controller 51 includes the design of the switching hyperplane and the design of a nonlinear switching input for constraining the state quantity to the switching hyperplane. If a new state quantity vector Xe is defined by adding an integral value vector Z of the deviation between the target value vector R and the output vector Y to the original state quantity vector X in order to constitute a type 1 servo system, The equation of state of the expanded system shown in (Expression 2) is obtained.

Figure 0005250826
Figure 0005250826

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かつ式(数4)が成立する。   In consideration of the stability margin, the design method using the zero of the system is used to design the switching hyperplane. That is, the hyperplane is designed so that the equivalent control system is stable when the expansion system of the above equation (Equation 2) is generating the sliding mode. When the switching function σ is defined by Expression (Expression 3), σ = 0 and Expression (Expression 4) holds when the state is constrained to the hyperplane.

Figure 0005250826
Figure 0005250826

Figure 0005250826
Figure 0005250826

故に、スライディングモードが生じているときの線形入力(等価制御入力)は、下式(数5)となる。   Therefore, the linear input (equivalent control input) when the sliding mode occurs is expressed by the following equation (Equation 5).

Figure 0005250826
Figure 0005250826

上式(数5)の線形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。   Substituting the linear input of the above equation (Equation 5) into the state equation (Equation 2) of the expanded system results in an equivalent control system of the following equation (Equation 6).

Figure 0005250826
Figure 0005250826

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。   Since designing a hyperplane so that this equivalent control system is stable is equivalent to designing a system ignoring the target value R, the following equation (Equation 7) holds.

Figure 0005250826
Figure 0005250826

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。   Taking the stability ε into consideration for the system of the above equation (Equation 7), obtaining the feedback gain using the optimal control theory, and making it a hyperplane, the following equation (Equation 8) is obtained.

Figure 0005250826
Figure 0005250826

行列Psは、リカッチ方程式(数9)の正定解である。 The matrix P s is a positive definite solution of the Riccati equation (Equation 9).

Figure 0005250826
Figure 0005250826

リカッチ方程式(数9)におけるQsは制御目的の重み行列で、非負定な対称行列である。q1、q2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。q3、q4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。また、リカッチ方程式(数9)におけるRsは制御入力の重み行列で、正定対称行列である。εは安定余裕係数で、ε≧0となるように指定する。 Q s in the Riccati equation (Equation 9) is a weight matrix for control purposes, and is a non-negative definite symmetric matrix. q 1 and q 2 are weights for the integral Z of the deviation, and are determined by the difference in the speed of the frequency response of the control system. q 3 and q 4 are weights for the output Y, and are determined by the difference in the magnitude of the gain. Further, R s in the Riccati equation (Equation 9) is a weight matrix of the control input and is a positive definite symmetric matrix. ε is a stability margin coefficient and is specified so that ε ≧ 0.

なお、上記式(数8)、(数9)に替えて、以下に示す離散系の超平面構築式(数10)及び代数リカッチ方程式(数11)を用いてもよい。   Instead of the above equations (Equation 8) and (Equation 9), the following discrete hyperplane construction equation (Equation 10) and algebraic Riccati equation (Equation 11) may be used.

Figure 0005250826
Figure 0005250826

Figure 0005250826
Figure 0005250826

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、線形入力Ueqと新たな入力即ち非線形入力(非線形制御入力)Unlとの和として、下式(数12)で表す。 The final sliding mode method is used to design the input for constraining to the hyperplane. Here, the control input U is expressed by the following expression (Equation 12) as the sum of the linear input U eq and a new input, that is, a nonlinear input (nonlinear control input) U nl .

Figure 0005250826
Figure 0005250826

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13)のように選び、これを微分すると式(数14)となる。   Since it is desired to stabilize the switching function σ, the Lyapunov function for σ is selected as shown in the following equation (Equation 13) and differentiated to obtain the equation (Equation 14).

Figure 0005250826
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Figure 0005250826
Figure 0005250826

式(数12)を式(数14)に代入すると、下式(数15)となる。   Substituting the equation (Equation 12) into the equation (Equation 14) yields the following equation (Equation 15).

Figure 0005250826
Figure 0005250826

非線形入力Unlを下式(数16)とすると、リアプノフ関数の微分は式(数17)となる。 When the nonlinear input U nl to the following expression (Expression 16), the derivative of the Lyapunov function becomes equation (17).

Figure 0005250826
Figure 0005250826

Figure 0005250826
Figure 0005250826

従って、切換ゲイン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18)である。   Therefore, if the switching gain k is positive, the differential value of the Lyapunov function can be negative, and the sliding mode is guaranteed. The control input U at this time is expressed by the following equation (Equation 18).

Figure 0005250826
Figure 0005250826

ηはチャタリング低減のために導入した平滑化係数であって、η>0である。   η is a smoothing coefficient introduced to reduce chattering, and η> 0.

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、構造が既知でパラメータが未知な確定部分と、構造が未知だがその上界値が既知な不確定部分とに分ける。状態方程式(数1)に不確かさ(f+Δf)を加え、下式(数19)で表す。   In the sliding mode control, it is necessary to increase the nonlinear gain in order to constrain the state quantity to the hyperplane. However, if the nonlinear gain is increased, chattering occurs in the control input. Therefore, the uncertainty of the model is divided into a definite part whose structure is unknown and whose parameter is unknown, and an uncertain part whose structure is unknown but whose upper bound is known. Uncertainty (f + Δf) is added to the state equation (Equation 1), and is expressed by the following equation (Equation 19).

Figure 0005250826
Figure 0005250826

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。   The uncertainty determination part f is compensated by identifying the unknown parameter θ. In this case, the switching gain is applied only to the uncertain part Δf of the uncertainty, and the chattering of the control input can be greatly reduced as compared with the case where the switching gain is applied to the entire uncertain component (f + Δf).

制御入力Uは、式(数18)に適応項Uadを追加した下式(数20)となる。 The control input U is represented by the following equation (Equation 20) obtained by adding the adaptive term U ad to the equation (Equation 18).

Figure 0005250826
Figure 0005250826

制御入力(数20)におけるΓ1は、適応ゲイン行列である。関数hは、一般には状態量x及び/または未知パラメータθの関数とするが、本実施形態ではhをx及びθに無関係な単純式、定数とすることにより、xを速やかに収束させ、θの適応速度を高めるようにしている。特に、h=1とした場合、推定パラメータを下式(数21)に則って同定することができる。 Γ 1 at the control input (Equation 20) is an adaptive gain matrix. The function h is generally a function of the state quantity x and / or the unknown parameter θ. However, in the present embodiment, by making h a simple expression and a constant unrelated to x and θ, x is quickly converged, and θ To increase the adaptation speed. In particular, when h = 1, the estimated parameter can be identified according to the following equation (Equation 21).

Figure 0005250826
Figure 0005250826

本実施形態では、EGR率y1及び吸気管内圧力y2を制御出力変数とし、EGRバルブ45の開度u1、可変ターボのノズル42の開度u2及びスロットルバルブ33の開度u3を制御入力変数とした3入力2出力のフィードバック制御を行う。状態変数の個数(システムの次数)は、当初の系(数1)では出力変数の個数と同じく2、拡大系(数2)では4となる。制御出力及び状態量をこのように特定することで、排気ガスに直接触れる箇所に流量計等の計測器を設置する必要がなくなる。 In the present embodiment, the EGR ratio y 1 and the intake pipe pressure y 2 as a control output variable, the opening degree u 1 of the EGR valve 45, the opening degree u 3 of opening u 2 and the throttle valve 33 of the variable turbo nozzle 42 Performs 3-input 2-output feedback control using control input variables. The number of state variables (system order) is 2 in the initial system (Equation 1), and 4 in the expanded system (Equation 2). By specifying the control output and the state quantity in this way, there is no need to install a measuring instrument such as a flow meter at a location where it directly contacts the exhaust gas.

尤も、本実施形態のような3入力2出力のシステムでは、det(SBe)=0が成立し、行列(SBe)は正則とはならない。そこで、逆行列(SBe-1を、一般化逆行列として算定する。一般化逆行列には、例えばムーア・ペンローズ型の逆行列(SBeを用いる。 However, in a three-input two-output system as in this embodiment, det (SB e ) = 0 holds, and the matrix (SB e ) is not regular. Therefore, the inverse matrix (SB e ) −1 is calculated as a generalized inverse matrix. As the generalized inverse matrix, for example, a Moore-Penrose-type inverse matrix (SB e ) is used.

しかして、補正制御部52は、操作部45、42、33に与える制御入力Uを制御出力Y及び目標値Rに依存しない任意の入力Uopに設定する所定の期間、例えば燃料カット中のEGRダイアグノーシス(EGRバルブ45の強制開弁を伴う)等の実施期間において、スライディングモードコントローラ51が演算する偏差の積分Z及び適応項Uadを下式(数22)に示す値に置き換える。 Thus, the correction control unit 52 sets the control input U given to the operation units 45, 42, and 33 to an arbitrary input U op that does not depend on the control output Y and the target value R, for example, EGR during fuel cut In an implementation period such as diagnosis (with forced opening of the EGR valve 45), the integral Z of the deviation and the adaptive term U ad calculated by the sliding mode controller 51 are replaced with values shown in the following equation (Equation 22).

Figure 0005250826
Figure 0005250826

1、S2は、それぞれ切換超平面を構成する行列Sの部分行列である。これらS1、S2を用いると、切換関数σは下式(数23)のように表すことができる。 S 1 and S 2 are sub-matrices of the matrix S constituting the switching hyperplane. Using these S 1 and S 2 , the switching function σ can be expressed as the following equation (Equation 23).

Figure 0005250826
Figure 0005250826

1はEGR率の偏差の時間積分(または、積算)、z2は吸気管内圧力の時間積分である。x1はEGR率に関連するプラントの状態、x2は吸気管内圧力に関連するプラントの状態であるが、本実施形態ではそれぞれEGR率の実測値y1、吸気管内圧力の実測値y2に等しい。 z 1 is the time integration (or integration) of the deviation of the EGR rate, and z 2 is the time integration of the intake pipe pressure. x 1 is a plant related to the EGR ratio state, x 2 is the state of the plant associated with the intake pipe pressure, found y 1, respectively in the present embodiment the EGR rate, the measured value y 2 of the intake pipe pressure equal.

補正制御部52は、任意の制御入力Uopをスライディングモードコントローラ51から出力させるために、非線形入力項Unlを0にする。非線形入力項Unl=0を満たすには、切換関数σ=0である必要がある。式(数23)にて、状態Xを強制的に変更することは制御出力Yを強制的に変更することと同義であり、通常のスライディングモード制御に復帰する際に出力のハンチングを引き起す原因となるおそれがある。よって、補正制御部52は、偏差Zを下式(数24)に示す値に置き換えることにより、非線形入力項Unlを0にする。 The correction control unit 52 sets the nonlinear input term Unl to 0 in order to output an arbitrary control input U op from the sliding mode controller 51. In order to satisfy the nonlinear input term U nl = 0, the switching function σ = 0 needs to be satisfied. In Formula (Equation 23), forcibly changing state X is synonymous with forcibly changing control output Y, and causes output hunting when returning to normal sliding mode control. There is a risk of becoming. Therefore, the correction control unit 52 sets the nonlinear input term Unl to 0 by replacing the deviation Z with a value represented by the following equation (Equation 24).

Figure 0005250826
Figure 0005250826

この偏差Zの置換が、線形入力項Ueqに影響を及ぼすことはない(式(数2)におけるXe及びAeの定義に留意)。 This substitution of deviation Z does not affect the linear input term U eq (note the definition of X e and A e in equation (Equation 2)).

但し、本実施形態のような3入力2出力のシステムでは、S1は非正方行列となり、S1 -11=Iを満たす逆行列S1 -1は一意には定まらない。そこで、逆行列S1 -1を、一般化逆行列として算定する。一般化逆行列には、例えばムーア・ペンローズ型の逆行列S1 を用いる。 However, in the three-input two-output system as in this embodiment, S 1 is a non-square matrix, and the inverse matrix S 1 −1 that satisfies S 1 −1 S 1 = I is not uniquely determined. Therefore, the inverse matrix S 1 −1 is calculated as a generalized inverse matrix. As the generalized inverse matrix, for example, the Moore-Penrose-type inverse matrix S 1 is used.

非線形入力項Unl=0とし、なおかつ適応項Uad=Uop−Ueqとすれば、制御出力Y及び目標値R如何によらず制御入力U=Uopとなる。 If the nonlinear input term U nl = 0 and the adaptive term U ad = U op −U eq , the control input U = U op regardless of the control output Y and the target value R.

操作部45、42、33に与える制御入力Uを任意の入力Uopに設定する期間が終わり、プラントの制御を再びスライディングモードコントローラ51に委ねるときには、その直前の時点における(補正制御部52がスライディングモードコントローラ51に強制的に与えていた)Z及びUadをそのままZ及びUadとして引き継がせた上で、制御出力Y及び目標値Rに応じた制御入力Uの演算を開始させればよい。以後、偏差の積分Z及び非線形入力項Unl、適応項Uadがそれぞれ徐変しつつ、制御出力Yをその目標値Rに追従させることとなる。既に述べた通り、操作部45、42、33を任意の開度Uopとするオープン制御の最中も、σ=0として状態Xeを切換超平面上に拘束し続けているので、スライディングモード制御への移行により速やかに操作部45、42、33が操作されて制御入力Yが本来の目標Rに到達し得る。 When the period for setting the control input U to be given to the operation units 45, 42, and 33 to an arbitrary input U op is over and the control of the plant is again left to the sliding mode controller 51, the correction control unit 52 performs the sliding control at the time immediately before that. The calculation of the control input U according to the control output Y and the target value R may be started after Z and U ad ( forcibly given to the mode controller 51) are taken over as Z and U ad as they are. Thereafter, the control output Y follows the target value R while the integral Z of the deviation, the nonlinear input term U nl , and the adaptive term U ad change gradually. As already described, even during the open control in which the operation units 45, 42, and 33 are set to the arbitrary opening degree U op , the state X e is continuously restrained on the switching hyperplane with σ = 0. The operation units 45, 42, and 33 are quickly operated by the shift to the control, and the control input Y can reach the original target R.

本実施形態によれば、内燃機関2またはそれに付帯する装置を操作部45、42、33を操作して制御するものであって、線形入力項Ueq、非線形入力項Unl及びそれら以外の項である適応項Uadの和である、操作部45、42、33に与えるべき制御入力Uを式(数20)に則って反復的に演算するスライディングモードコントローラ51と、操作部45、42、33に与える制御入力Uを前記スライディングモードコントローラ51が制御出力Y及び目標値Rに基づいて算出する本来の値とは無関係の値Uopに設定する所定の期間には、前記スライディングモードコントローラ51が演算するパラメータZ及びUadを式(数22)に示す値に置き換える補正制御部52とを具備する制御装置を構成したため、当該期間において、スライディングモードコントローラ51自体から任意の制御入力Uopを出力させることが可能となる。そして、その後にスライディングモード制御へと復帰する際にも制御の連続性を維持することができ、制御入力Uや制御出力Yのハンチングを予防できる。 According to the present embodiment, the internal combustion engine 2 or a device attached thereto is controlled by operating the operation units 45, 42, and 33, and the linear input term U eq , the nonlinear input term U nl, and other terms A sliding mode controller 51 that repetitively calculates a control input U to be given to the operation units 45, 42, 33, which is a sum of the adaptive terms U ad , according to the equation (Equation 20), and the operation units 45, 42, In a predetermined period in which the sliding mode controller 51 sets the control input U to be given to a value U op that is unrelated to the original value calculated by the sliding mode controller 51 based on the control output Y and the target value R, the sliding mode controller 51 Since the control device including the correction control unit 52 that replaces the parameters Z and U ad to be calculated with the values shown in the formula (Equation 22) is configured, It is possible to output an arbitrary control input U op from the wing mode controller 51 itself. Then, the continuity of control can be maintained even after returning to the sliding mode control, and hunting of the control input U and the control output Y can be prevented.

前記所定の期間以外の期間において、前記スライディングモードコントローラ51が算出する適応項Uadが、式(数21)に示しているように前記パラメータZの時間積分の関数となっているため、スライディングモード制御への復帰以降、偏差の積分Zとともに適応項Uadを徐々に変化させながら制御出力Yをその目標値Rに追従させることができる。従って、制御の切換が一層円滑になる。 In a period other than the predetermined period, the adaptive term U ad calculated by the sliding mode controller 51 is a function of the time integration of the parameter Z as shown in Expression (21). After returning to the control, the control output Y can follow the target value R while gradually changing the adaptive term U ad together with the integral Z of the deviation. Therefore, switching of control becomes smoother.

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、本発明の適用対象は、可変ターボ過給機及びEGR装置を備えた内燃機関には限定されない。   The present invention is not limited to the embodiment described in detail above. In particular, the application target of the present invention is not limited to an internal combustion engine provided with a variable turbocharger and an EGR device.

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。   Other specific configurations of each part can be variously modified without departing from the spirit of the present invention.

本発明は、例えば、過給機を備えた内燃機関に付帯するEGR装置のEGR率を制御するためのコントローラとして利用することができる。   The present invention can be used, for example, as a controller for controlling the EGR rate of an EGR device attached to an internal combustion engine equipped with a supercharger.

5…ECU(制御装置)
51…適応スライディングモードコントローラ(サーボコントローラ)
52…補正制御部
5 ... ECU (control device)
51 ... Adaptive sliding mode controller (servo controller)
52. Correction control unit

Claims (2)

内燃機関またはそれに付帯する装置を操作部を操作して制御するものであって、
線形入力項Ueq、非線形入力項Unl及びそれら以外の項である適応項Uadの和である、操作部に与えるべき制御入力を式(数25)に則って反復的に演算するスライディングモードコントローラと、
操作部に与える制御入力を前記スライディングモードコントローラが算出する本来の制御入力とは無関係の入力Uopに設定する所定の期間は、前記スライディングモードコントローラが演算するパラメータZ及びUadを式(数26)に示す値に置き換える補正制御部と
を具備することを特徴とする制御装置。
Figure 0005250826
Figure 0005250826
An internal combustion engine or a device attached thereto is controlled by operating an operation unit,
A sliding mode in which a control input to be given to the operation unit, which is a sum of a linear input term U eq , a nonlinear input term U nl, and an adaptive term U ad as other terms, is iteratively calculated according to the equation (Equation 25). A controller,
For a predetermined period in which the control input given to the operation unit is set to the input U op irrelevant to the original control input calculated by the sliding mode controller, the parameters Z and U ad calculated by the sliding mode controller are expressed by the following equation (26). And a correction control unit that replaces the value shown in FIG.
Figure 0005250826
Figure 0005250826
前記所定の期間以外の期間において、前記スライディングモードコントローラが算出する適応項Uadは、前記パラメータZの時間積分の関数である請求項1記載の制御装置。 The control device according to claim 1, wherein the adaptive term U ad calculated by the sliding mode controller in a period other than the predetermined period is a function of time integration of the parameter Z.
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