JP6269565B2

JP6269565B2 - フィードフォワード制御装置

Info

Publication number: JP6269565B2
Application number: JP2015094151A
Authority: JP
Inventors: 翔中村
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2015-05-01
Filing date: 2015-05-01
Publication date: 2018-01-31
Anticipated expiration: 2035-05-01
Also published as: DE102016107989A1; DE102016107989B4; JP2016212556A

Description

本発明は、フィードフォワード制御装置に関する。

従来、例えば特開２００７−２４７４４５号公報に記載されているように、ディーゼルエンジンにおいてスロットルとＥＧＲ弁との協調制御によって空気量（新気量）を制御することが知られている。

特開２００７−２４７４４５号公報特開２０１０−１２７２６７号公報特開２００８−１５７０８６号公報

スロットルとＥＧＲ弁との協調制御の1つの方法として、一方の制御をフィードバック制御とし、他方の制御をフィードフォワード制御とすることが考えられる。

フィードフォワード制御を行うための一般的な構成は、図９に示される。図９に示すように、制御対象（上記の例ではエンジン）１１０に対するフィードフォワード制御は、フィードフォワード制御器１０２によって行われる。フィードフォワード制御器１０２は、制御対象１１０の制御特性をモデル化したフィードフォワードモデルを有している。フィードフォワードモデルは、制御対象１１０の状態量と操作量との関係を規定したモデルであって、状態量の少なくとも１つが操作量によって制御される制御対象状態量である。フィードフォワード制御器１０２には、制御対象状態量の目標値と、制御対象状態量以外の各種の状態量の計測値が入力される。フィードフォワード制御器１０２は、これらの入力された情報からフィードフォワードモデルを用いて操作量の指令値を算出するように構成されている。

図１０は、一般的なフィードフォワード制御の動作の例を示し、図１１は、一般的なフィードバック制御の動作の例を示している。制御対象に対する制御では、制御の安定化のために制御対象状態量の目標値の周辺に不感帯（不感帯上限と不感帯下限とで定義される帯域）が設定される。不感帯は目標値を基準として設定される制御対象状態量の許容範囲であり、制御対象状態量が目標値に一致していなくとも不感帯に入っていれば操作量は固定される。しかし、フィードバック制御であれば、制御対象状態量を不感帯内に収束させることができるのに対し、フィードフォワード制御では、フィードフォワードモデルのモデル化誤差等の影響によって必ずしも制御対象状態量を不感帯内に収束させることはできない。このため、フィードバック制御では、制御対象状態量が不感帯内に入ることで操作量の動作は停止するのに対し、フィードフォワード制御では、状態量に加わる外乱の影響によって操作量に振動が起きやすい。

操作量が振動すると、その操作量に係るアクチュエータの動作回数を増加させてアクチュエータの耐久性及び信頼性を低下させる可能性が有る。また、上述のようにフィードバック制御とフィードフォワード制御とを並行して実施する場合、フィードフォワード制御の操作量の振動が制御対象状態量を振動させ、その影響でフィードバック制御の制御性が悪化してしまう可能性もある。

本発明は、上述のような課題に鑑みてなされたもので、外乱の影響によって操作量が振動することを防ぐことができるフィードフォワード制御装置を提供する。

本発明は、上記の目的を達成するため、
制御対象状態量を目標値に追従させるための操作量の指令値を所定の制御周期で計算するフィードフォワード制御装置において、
前記目標値を決定する手段と、
前記目標値に基づいて前記制御対象状態量の不感帯上限を決定する手段と、
前記目標値に基づいて前記制御対象状態量の不感帯下限を決定する手段と、
前記制御対象状態量と前記操作量との関係に影響を与える状態量を計測する手段と、
フィードフォワードモデルを用いて前記目標値と前記状態量とから前記操作量のフィードフォワード値を算出する手段と、
前記フィードフォワードモデルを用いて前記不感帯上限と前記状態量とから前記操作量の第１限界を算出する手段と、
前記フィードフォワードモデルを用いて前記不感帯下限と前記状態量とから前記操作量の第２限界を算出する手段と、
前記指令値の前回値が前記第１限界から前記第２限界までの範囲に入っている場合、前記指令値を前記前回値に保持し、前記前回値が前記範囲に入っていない場合、前記指令値を前記フィードフォワード値に更新する手段と、
を備えることを特徴としている。

本発明によれば、フィードフォワード制御により制御対象の制御量を目標値に追従させるとき、外乱の影響によって操作量が振動することを防ぐことができる。

本発明の実施の形態のフィードフォワード制御装置の構成を示すブロック図である。図１に示すフィードフォワード制御装置による操作量の更新判定フローを示すフローチャートである。図１に示すフィードフォワード制御装置による操作量の更新動作を示すタイムチャートである。図１に示すフィードフォワード制御装置によるフィードフォワード制御の動作の例を示すタイムチャートである。図１に示すフィードフォワード制御装置によるフィードフォワード制御の動作の例を示すタイムチャートである。ディーゼルエンジンの吸気系のシステム図である。図１に示すフィードフォワード制御装置をディーゼルエンジンのスロットルの差圧制御に適用した実施例を示すブロック図である。差圧制御の制御フローを示すフローチャートである。フィードフォワード制御を行うための一般的な構成を示すブロック図である。一般的なフィードフォワード制御の動作の例を示すタイムチャートである。一般的なフィードバック制御の動作の例を示すタイムチャートである。本発明の創案過程で検討されたフィードフォワード制御装置の構成を示すブロック図である。図１２に示すフィードフォワード制御装置によるフィードフォワード制御の動作の例を示すタイムチャートである。図１２に示すフィードフォワード制御装置によるフィードフォワード制御の動作の例を示すタイムチャートである。

まず、本発明の実施の形態について説明するに先立ち、本発明の創案過程で検討されたフィードフォワード制御装置について説明する。本発明の創案過程では、図１２に示す構成のフィードフォワード制御装置について検討された。このフィードフォワード制御装置は、フィードフォワード制御器１０２と操作量更新許可部１０４とを備える。

フィードフォワード制御器１０２は、一般的なフィードフォワード制御器であり、制御対象状態量の目標値と各種の状態量とから、制御対象状態量を目標値に追従させるための操作量のフィードフォワード値（図ではＦ／Ｆ値と表記する）を算出するように構成される。操作量更新許可部１０４は、操作量のフィードフォワード値に所定の更新許可変化量以上の変化があった場合にのみ、制御対象１１０へ与える操作量の最終的な指令値を更新するように構成される。

これによれば、図１３に示すように、状態量に加わる外乱の影響によって操作量が振動することを防ぐことができる。ところが、操作量の制御対象状態量に対する感度（操作量の変化に対する制御対象状態量の変化の比）は運転条件によって異なる。このため、図１４に示すように、操作量の指令値が更新されたときに制御対象状態量が急激に変化する場合があることが分かった。このような急激な変化を防ぐためには、更新許可変化量を適切な値に設定する必要があるが、その適切な値を運転条件ごとに定めるための適合作業は簡単ではない。以下に説明する本発明の実施の形態は、外乱の影響によって操作量が振動することを防ぐことができ、かつ、上記適合作業を実施する必要がないものである。

以下、本発明の実施の形態について説明する。ただし、以下に示す実施の形態において各要素の個数、数量、量、範囲等の数に言及した場合、特に明示した場合や原理的に明らかにその数に特定される場合を除いて、その言及した数に、この発明が限定されるものではない。また、以下に示す実施の形態において説明する構造やステップ等は、特に明示した場合や明らかに原理的にそれに特定される場合を除いて、この発明に必ずしも必須のものではない。

図１は、本実施の形態のフィードフォワード制御装置の構成を示すブロック図である。本実施の形態のフィードフォワード制御装置は、第１から第３までの３つのフィードフォワード制御器２，４，６と操作量更新判定部８とを備える。３つのフィードフォワード制御器２，４，６は、共通のフィードフォワードモデルを使用する。フィードフォワードモデルの構造それ自体は、一般的なフィードフォワード制御器１０２（図９参照）で用いられているものと同じでよい。

まず、本実施の形態のフィードフォワード制御装置では、制御対象状態量の目標値が決定されると、目標値に不感帯上限（相対量）を加えることによって制御対象状態量の不感帯上限（絶対量）が決定される。また、目標値から不感帯下限（相対量）を差し引くことによって制御対象状態量の不感帯下限（絶対量）も決定される。第１フィードフォワード制御器２には、各種の状態量と制御対象状態量の目標値が入力される。第２フィードフォワード制御器４には、各種の状態量と制御対象状態量の不感帯上限が入力される。そして、第３フィードフォワード制御器６には、各種の状態量と制御対象状態量の不感帯下限が入力される。入力される状態量の種類はフィードフォワード制御器２，４，６間で共通であり、どのフィードフォワード制御器２，４，６にも同じ値の状態量が入力される。

第１フィードフォワード制御器２は、制御対象状態量の目標値と各種の状態量とから操作量のフィードフォワード値を算出するように構成される。第２フィードフォワード制御器４は、制御対象状態量の不感帯上限と各種の状態量とから操作量の不感帯上限相当値を算出するように構成される。第３フィードフォワード制御器６は、制御対象状態量の不感帯下限と各種の状態量とから操作量の不感帯下限相当値を算出するように構成される。特許請求の範囲との関係では、操作量の不感帯上限相当値は操作量の第１限界に該当し、操作量の不感帯下限相当値は操作量の第２限界に該当する。

操作量の最終的な指令値は、操作量更新判定部８から制御対象１０へ与えられる。操作量更新判定部８には、制御周期ごとに計算される操作量のフィードフォワード値、不感帯上限相当値、及び、不感帯下限相当値と、操作量の指令値の前回値とが入力される。操作量更新判定部８は、これらの入力情報に基づいて制御対象１０へ与える操作量の指令値を更新するように構成される。

図２は、操作量更新判定部８による操作量の更新判定フローを示すフローチャートである。操作量更新判定部８は、ステップＳ２において、操作量の指令値の前回値が操作量の不感帯上限相当値以下かどうか判定する。この判定結果が肯定である場合、操作量更新判定部８は、ステップＳ４において、操作量の指令値の前回値が操作量の不感帯下限相当値以上かどうか判定する。

ステップＳ２とＳ４の判定結果がともに肯定であった場合、操作量更新判定部８は、ステップＳ６において、操作量の指令値を前回値に保持する。ステップＳ２とＳ４の何れかの判定結果が否定であった場合、操作量更新判定部８は、ステップＳ８において、操作量の指令値をフィードフォワード値に更新する。

図３は、上述の更新判定フローを実施した場合の操作量の更新動作を示すタイムチャートである。操作量の指令値は、不感帯下限相当値から不感帯上限相当値までの範囲に入っている間は一定に保持され、不感帯下限相当値よりも小さくなる場合（或いは不感帯上限相当値よりも大きくなる場合）にのみフィードフォワード値に更新される。そして、一旦更新された後は、不感帯下限相当値よりも小さくなるまで（或いは不感帯上限相当値よりも大きくなるまで）、操作量の指令値は一定に保持される。このような動作により、状態量に加わる外乱の影響で操作量の指令値が振動することはない。

図４及び図５は、本実施の形態のフィードフォワード制御装置によるフィードフォワード制御の動作の例を示すタイムチャートである。図４は、運転条件Ａ（低負荷）において、制御対象状態量の目標値が一定で状態量に変化があった場合の操作量の時間による変化を示している。図５は、運転条件Ｂ（高負荷）において、制御対象状態量の目標値が一定で状態量に変化があった場合の操作量の時間による変化を示している。

どちらの例においても、制御対象状態量は不感帯に入っておらず、操作量のフィードフォワード値は状態量に加わる外乱の影響によって振動している。しかし、操作量の指令値には外乱の影響が及ぶことはなく、操作量の指令値は振動しない。これによりアクチュエータの振動的な動作を防ぐことができる。

また、不感帯下限相当値と不感帯上限相当値はフィードフォワードモデルによって計算されているので、運転条件による感度の違いは不感帯下限相当値と不感帯上限相当値に自動的に反映される。つまり、前述の創案過程での検討例のように運転条件ごとの複雑な適合作業を行う必要はない。図４及び図５に示す例では、運転条件Ｂのほうが運転条件Ａよりも感度は小さい（操作量の変化に対する制御対象状態量の変化が小さい）。よって、運転条件Ａから運転条件Ｂに変わったとき、不感帯下限相当値から不感帯上限相当値までの範囲は拡大され、その範囲を使って操作量の指令値の更新が行われる。これにより、運転条件が変わった場合に、操作量の指令値の更新によって制御対象状態量が過剰に変化することを防ぐことができる。

次に、具体的な実施例について説明する。実施例では、本実施の形態のフィードフォワード制御装置をディーゼルエンジンに適用する。図６はディーゼルエンジンの吸気系のシステム図である。吸気通路２０における吸気マニホールド２２の上流にＥＧＲ通路２４が接続されている。吸気通路２０のＥＧＲ通路２４が接続された位置の上流にはスロットル２６が配置され、ＥＧＲ通路２４の吸気通路２０への接続部の近傍にはＥＧＲ弁２８が配置されている。吸気通路２０のスロットル２６の上流には圧力センサ３４と温度センサ３２が取り付けられ、さらに上流の吸気通路２０の入口付近にはエアフローメータ３０が取り付けられている。また、吸気通路２０のスロットル２６の下流には圧力センサ３６が取り付けられている。

上述の各種のセンサ及びアクチュエータは、制御装置４０に電気的に接続されている。制御装置４０はＥＣＵ(Electronic Control Unit)であり、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭを含む。ＲＯＭには、各種制御のルーチンが記憶されている。制御装置４０によってそれらルーチンが実行され、センサからの信号に基づいてアクチュエータが操作されることにより、ディーゼルエンジンの運転が制御される。

制御装置４０によって行なわれるディーゼルエンジンの制御には、スロットル２６の差圧制御及び空気量制御と、ＥＧＲ弁２８の空気量制御及び差圧制御が含まれる。スロットル２６の差圧制御は、ＥＧＲ弁２８の空気量制御に組み合わせて実行される。ＥＧＲ弁２８の差圧制御は、スロットル２６の空気量制御に組み合わせて実行される。

ＥＧＲ弁２８の空気量制御では、実空気量と相関を有する実ＥＧＲ率が目標ＥＧＲ率になるように、目標ＥＧＲ率と実ＥＧＲ率との差に応じてＥＧＲ弁２８の開度をフィードバック制御することが行なわれる。スロットル２６の空気量制御では、目標空気量とエアフローメータ３０の出力から計測される実際の空気量との差に応じてスロットル２６の開度をフィードバック制御することが行なわれる。

スロットル２６の差圧制御は、スロットル２６の上流と下流との間に一定の差圧を設けておくために行われる。ＥＧＲ弁開度のフィードバック制御によって空気量制御を行っている間、スロットル２６の差圧制御を並行して行うことにより、空気量制御がスロットル開度のフィードバック制御へ切り替えられた直後における空気量の制御応答性を確保することができる。ＥＧＲ弁の差圧制御も同様の目的で行われる。

スロットル２６の差圧制御はフィードフォワード制御である。スロットル２６の差圧制御では、スロットル２６のモデル式（フィードフォワードモデル）を用いて、目標差圧からスロットル開度の指令値を計算することが行なわれる。

図７は、本実施の形態のフィードフォワード制御装置をスロットルの差圧制御に適用した実施例を示すブロック図である。この場合、制御装置４０がフィードフォワード制御装置として機能する。フィードフォワード制御装置としての制御装置４０は、第１から第３までの３つの差圧フィードフォワード制御器４２，４４，４６とスロットル開度更新判定部４８とを備える。３つの差圧フィードフォワード制御器４２，４４，４６は、共通のフィードフォワードモデルを使用する。

フィードフォワードモデルは、スロットル２６の制御特性をモデル化した次の式（１）で表される。この式において、ｍはスロットル通過流量[kg/s]、μＡは有効開口面積[m²]、Ｐ_ＵＳはスロットル前圧力[Pa]、Ｐ_ｄＳはスロットル後圧力[Pa]、Ｔ_ＵＳはスロットル前温度[K]、Ｒは気体定数[J/kg*K]、κは比熱比である。スロットル通過流量ｍはエアフローメータ３０を用いて計測される。スロットル前圧力Ｐ_ＵＳは圧力センサ３４を用いて計測される。スロットル前温度Ｔ_ＵＳは温度センサ３２を用いて計測される。スロットル後圧力Ｐ_ｄＳには後述のように目標値が用いられる。

フィードフォワード制御装置としての制御装置４０は、予め用意されたマップからエンジンの運転条件に応じた目標差圧を決定し、目標差圧に不感帯上限（相対量）を加えることによってスロットル前後差圧の不感帯上限（絶対量）を決定する。また、目標差圧から不感帯下限（相対量）を差し引くことによってスロットル前後差圧の不感帯下限（絶対量）も決定する。第１差圧フィードフォワード制御器４２には、スロットル前圧力、スロットル前温度、スロットル通過流量、及び、目標差圧が入力される。第２差圧フィードフォワード制御器４４には、スロットル前圧力、スロットル前温度、スロットル通過流量、及び、スロットル前後差圧の不感帯上限が入力される。そして、第３差圧フィードフォワード制御器４６には、スロットル前圧力、スロットル前温度、スロットル通過流量、及び、スロットル前後差圧の不感帯下限が入力される。どの差圧フィードフォワード制御器４２，４４，４６にも同じ値の状態量（スロットル前圧力、スロットル前温度、スロットル通過流量）が入力される。

第１差圧フィードフォワード制御器４２は、目標差圧、スロットル前圧力、スロットル前温度、及び、スロットル通過流量からスロットル開度のフィードフォワード値を算出するように構成される。図８は、差圧フィードフォワード制御の制御フローを示すフローチャートである。ステップＳ１２において、スロットル前圧力から目標差圧を差し引くことによって、目標スロットル後圧力が算出される。ステップＳ１４において、目標スロットル後圧力をスロットル前圧力、スロットル前温度、及び、スロットル通過流量とともに式（１）に入力することによって、目標有効開口面積が算出される。そして、ステップＳ１６において、有効開口面積とスロットル開度との関係を規定したマップを用いて、目標有効開口面積からスロットル開度のフィードフォワード値が算出される。

第２差圧フィードフォワード制御器４４は、上記の式（１）を用いて、スロットル前後差圧の不感帯上限、スロットル前圧力、スロットル前温度、及び、スロットル通過流量からスロットル開度の不感帯上限相当値を算出するように構成される。第３差圧フィードフォワード制御器４６は、上記の式（１）を用いて、スロットル前後差圧の不感帯下限、スロットル前圧力、スロットル前温度、及び、スロットル通過流量からスロットル開度の不感帯下限相当値を算出するように構成される。

スロットル開度の最終的な指令値は、スロットル開度更新判定部４８からディーゼルエンジン（内燃機関）５０へ与えられる。スロットル開度更新判定部４８には、制御周期ごとに計算されるスロットル開度のフィードフォワード値、不感帯上限相当値、及び、不感帯下限相当値と、スロットル開度の指令値の前回値とが入力される。スロットル開度更新判定部４８は、これらの入力情報に基づいてディーゼルエンジン５０へ与えるスロットル開度の指令値を更新するように構成される。詳しくは、スロットル開度の指令値は、不感帯下限相当値から不感帯上限相当値までの範囲に入っている間は一定に保持され、不感帯下限相当値よりも小さくなる場合（或いは不感帯上限相当値よりも大きくなる場合）にのみフィードフォワード値に更新される。

以上のように構成されるフィードフォワード制御装置によってスロットル２６の差圧制御を行うことにより、ＥＧＲ弁２８の空気量制御を阻害してしまうことがなく、また、スロットル２６の動作回数の増加による信頼性及び耐久性の低下を防ぐことができる。

２，４，６フィードフォワード制御器
８操作量更新判定部
１０制御対象
２０吸気通路
２２吸気マニホールド
２４ＥＧＲ通路
２６スロットル
２８ＥＧＲ弁
３０エアフローメータ
３２温度センサ
３４，３６圧力センサ
４０制御装置
４２，４４，４６差圧フィードフォワード制御器
４８スロットル開度更新判定部
５０ディーゼルエンジン（内燃機関）

Claims

制御対象状態量を目標値に追従させるための操作量の指令値を所定の制御周期で計算するフィードフォワード制御装置において、
前記目標値を決定する手段と、
前記目標値に基づいて前記制御対象状態量の不感帯上限を決定する手段と、
前記目標値に基づいて前記制御対象状態量の不感帯下限を決定する手段と、
前記制御対象状態量と前記操作量との関係に影響を与える状態量を計測する手段と、
フィードフォワードモデルを用いて前記目標値と前記状態量とから前記操作量のフィードフォワード値を算出する手段と、
前記フィードフォワードモデルを用いて前記不感帯上限と前記状態量とから前記操作量の第１限界を算出する手段と、
前記フィードフォワードモデルを用いて前記不感帯下限と前記状態量とから前記操作量の第２限界を算出する手段と、
前記指令値の前回値が前記第１限界から前記第２限界までの範囲に入っている場合、前記指令値を前記前回値に保持し、前記前回値が前記範囲に入っていない場合、前記指令値を前記フィードフォワード値に更新する手段と、
を備えることを特徴とするフィードフォワード制御装置。