JPH07247886A

JPH07247886A - 適応制御を用いたフィードバック制御装置

Info

Publication number: JPH07247886A
Application number: JP6066594A
Authority: JP
Inventors: Hidetaka Maki; 秀隆牧; Yusuke Hasegawa; 祐介長谷川; Isao Komoriya; 勲小森谷; Yoichi Nishimura; 要一西村
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 1994-03-09
Filing date: 1994-03-09
Publication date: 1995-09-26
Anticipated expiration: 2016-11-26
Also published as: EP0671554A3; EP0671554B1; JP3233526B2; EP0671554A2; DE69524895T2; US5692485A; DE69524895D1

Abstract

(57)【要約】【構成】漸化式形式のパラメータ調整機構を備える適
応制御器を備え、その適応制御器にフィードバック制御
系の目標値と制御量とを入力して制御量が目標値に一致
するようにフィードバック補正値を適応的に決定。【効果】収束性が向上すると共に、外乱に対するタフ
ネス性も向上する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は適応制御を用いたフィ
ードバック制御装置に関し、より具体的には内燃機関の
空燃比などのフィードバック制御装置であって、適応制
御器を備え、その適応制御器の制御量が目標値に一致す
るようにフィードバック補正値を適応的に決定できるよ
うにしたものに関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、フィードバック制御においては一
般にＰＩＤコントローラが用いられ、目標値と操作量
（制御対象出力）との偏差に比例項、積分項および微分
項を乗じてフィードバック補正値を求めている。また、
それを簡略したものも良く用いられる。しかしながら、
制御対象の状態が変化すると、望ましい収束速度が変化
するような制御対象の場合、かかるＰＩＤ制御などで
は、偏差を解消するのにかなりの時間を要する場合があ
る。従って、例えば内燃機関の空燃比フィードバック制
御を例にとると、リーンスパイクやリッチスパイクが生
じたとき、速やかにそれを打ち消すことが困難であっ
た。

【０００３】そのために例えば内燃機関の空燃比フィー
ドバック制御では、予めフィードバックゲインをマップ
値として求めておき、機関回転数や機関負荷など内燃機
関の運転状態を示すパラメータから検索してフィードバ
ックゲインを求める手法も行われている。しかし、この
手法によるときは内燃機関の運転領域ごとにマップ値を
正確にセッティングする必要があるが、実際には正確な
セッティングは困難であり、マップ値の決定には多くの
テストを必要として時間がかかっていた。

【０００４】そこで、近時、特開平５−２４８２８６号
公報に示されるように、状態フィードバック手法を用い
た制御装置が提案されている。この従来技術において
は、内燃機関のモデルを設定し、状態変数の一部をオブ
ザーバで推定している。より詳しくは、内燃機関の動特
性を正確にモデル化するのが難しいことから、運転状態
に応じてチューニングゲインなどを設定して内燃機関モ
デルを同定し、同定されたモデルに基づいてフィードバ
ックゲインを決定すると共に、オブザーバを通じて状態
量を推定する。そして、推定された状態量に決定された
フィードバックゲインを乗じて状態フィードバック制御
を行い、制御対象の変化に追従するように構成してい
る。特に、運転状態ごとに同定した制御定数を記憶して
おき、次回の制御周期の初期値として用いて収束性を早
めている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記し
た従来技術においては、制御対象（内燃機関など）の入
力と出力とを入力して内燃機関モデルを同定（チューニ
ング）し、同定されたモデルから状態変数推定値とフィ
ードバック補正値とを求め、その積を目標値に乗算し、
操作量として制御対象に入力しているに止まるため、換
言すれば、ＰＩＤコントローラに代えて状態フィードバ
ックコントローラを用いたのに止まるため、目標値への
収束性において必ずしも十分ではなかった。

【０００６】ところで、最近、内燃機関の排出ガス浄化
にますます関心がもたれ、例えば燃料蒸発ガスについて
も燃料タンクやキャブレタなどを大気に開放している
と、燃料が蒸発してＨＣが排出されるため、チャコール
キャニスタに一旦吸着させ、運転状態に応じて吸気系に
パージしている。このパージガスの流量、特にＨＣの量
を精度良く測定することは現在の技術では困難であるた
め、このパージガスは内燃機関の燃料系を制御するとき
に外乱となり、内燃機関の過渡運転時にリーンスパイク
やリッチスパイクなどを多く発生させる要因となる。

【０００７】従って、例えば内燃機関の空燃比を制御す
るとき、排出ガス浄化の点からも、リーンスパイクやリ
ッチスパイクなどが生じたときに迅速に打ち消すことが
できる制御技術の開発が待たれていたが、上記した従来
技術においては外乱に対するタフネスが低く、結果的に
収束性の点で十分なものではなかった。更には、フィー
ドバック制御技術においては、内燃機関の空燃比制御に
止まらず、外乱に対するタフネス性はあらゆる意味で望
ましい。

【０００８】従って、この発明の第１の目的は、操作量
を目標値に適応的に一致させ、もって目標値への収束性
を向上させたフィードバック制御装置を提供することに
ある。

【０００９】更に、この発明の第２の目的は、操作量を
目標値に適応的に一致させ、もって外乱に対するタフネ
ス性を向上させたフィードバック制御装置を提供するこ
とにある。

【００１０】更に、この発明の第３の目的は、制御対象
の状態に応じて収束特性を変化させるためのフィードバ
ックゲインをマップとして備える必要のないフィードバ
ック制御装置を提供することにある。

【００１１】更に、この発明の第４の目的は、内燃機関
の空燃比制御において、排気空燃比を目標空燃比に適応
的に一致させ、目標値への収束性を向上させると共に、
外乱に対するタフネス性を向上させたフィードバック制
御装置を提供することにある。更には、併せて付着など
による燃料の輸送遅れをも補償するようにした内燃機関
の空燃比フィードバック制御装置を提供することを付随
的な目的とする。

【００１２】更に、適応制御を用いたフィードバック制
御をコンピュータ上で実現するとき、比較的語長の短い
低レベルのものが使用できることが望ましい。

【００１３】従って、この発明の第５の目的は、適応制
御を用いたフィードバック制御においてパラメータ調整
機構の中間変数の変化範囲を制限して比較的語長の短い
低レベルのコンピュータを用いても高速動作を可能にし
たフィードバック制御装置を提供を提供にすることにあ
る。

【００１４】

【課題を解決するための手段】第１、第２および第３の
目的を達成するために、請求項１項にあっては、制御量
を目標値に収束させるフィードバック制御系において、
漸化式形式のパラメータ調整機構を備える適応制御器を
設け、その適応制御器に前記目標値と制御量とを入力
し、前記制御量が前記目標値に一致するようにフィード
バック補正値を適応的に決定するように構成した。

【００１５】第４の目的を達成するために、請求項２項
にあっては、内燃機関の空燃比フィードバック制御装置
において、前記内燃機関の目標空燃比を決定する目標空
燃比決定手段、前記内燃機関に入力する燃料噴射量を決
定する燃料噴射量決定手段、前記内燃機関が排気する空
燃比を検出する空燃比検出手段、漸化式形式のパラメー
タ調整則を備え、前記目標空燃比と排気空燃比とを入力
し、前記排気空燃比が前記目標空燃比に一致するように
フィードバック補正係数を適応的に決定する適応制御
器、および前記フィードバック補正係数で前記燃料噴射
量を補正して前記内燃機関に入力する燃料噴射量入力手
段、を備える如く構成した。

【００１６】第５の目的を達成するために、請求項３項
にあっては、前記適応制御器のパラメータ調整機構のゲ
イン形式にリミッタを設ける如く構成した。

【００１７】第５の目的を達成するために、請求項４項
にあっては、前記リミッタは、前記ゲイン行列の要素の
いずれかがリミット値を超えるとき、所定値に戻すもの
である如く構成した。

【００１８】更に、第５の目的を達成するために、請求
項５項にあっては、前記リミッタは、前記ゲイン行列の
要素ないしは要素の過去値の少なくとも１つがリミット
値を超えるか若しくはリミット値と等しくなったとき、
または所定の制御サイクルごとに、前記ゲイン行列の少
なくとも１つの要素を所定値に持ち替える如く構成し
た。

【００１９】

【作用】請求項１項にあっては、漸化式形式のパラメー
タ調整機構を備え、目標値と制御量とを入力し、制御量
が目標値に一致するようにフィードバック補正値を適応
的に決定する適応制御器を備えることから、制御対象が
状態によって変化する場合でも収束速度を自動的に調整
することとなり、制御量が目標値へ速やかに収束して収
束性が向上する。また操作量に外乱が加わって制御量が
目標値とずれた場合も、適応制御器が制御対象の変化と
して動作することにより、制御量が目標値に一致するよ
うにフィードバック補正値が決定されるので、外乱に対
するタフネス性も向上する。尚、フィードバック補正値
は操作量に乗算されるものであっても加算されるもので
あっても良い。

【００２０】請求項２項にあっては、漸化式形式のパラ
メータ調整機構を備え、目標空燃比と排気空燃比とを入
力し、排気空燃比が目標空燃比に一致するようにフィー
ドバック補正係数を適応的に決定する適応制御器を備え
ることから、内燃機関の運転状態が変化しても収束速度
を自動的に調整することとなり、排気空燃比が目標空燃
比に速やかに収束して収束性が向上する。またキャニス
タパージなどが外乱として操作量に加わって排気空燃比
が目標空燃比とずれた場合も、適応制御器が制御対象の
変化として把えて動作することにより、排気空燃比が目
標空燃比に一致するようにフィードバック補正値が決定
されるので、外乱に対するタフネス性も向上する。尚、
空燃比に代えて当量比を用いても良い。またフィードバ
ック補正係数は操作量に乗算されるものであっても加算
されるものであっても良い。

【００２１】請求項３項にあっては、適応制御器のパラ
メータ調整機構のゲイン行列にリミッタを設けたことか
ら、パラメータ調整機構の中間変数などの変化範囲を制
限することができ、このフィードバック制御装置を、比
較的短い語長の低レベルかつ安価なコンピュータを用い
て実現することができる。

【００２２】請求項４項にあっては、ゲイン行列の要素
のいずれかがリミット値を超えるとき、所定値に戻すよ
うにしたことから、同様にパラメータ調整機構の中間変
数などの変化範囲を制限することができ、このフィード
バック制御装置を、比較的短い語長の低レベルかつ安価
なコンピュータを用いても高速に動作させることができ
る。所定値は例えば初期値である。

【００２３】請求項５項にあっては、前記ゲイン行列の
要素ないしは要素の過去値の少なくとも１つがリミット
値を超えるか若しくはリミット値と等しくなったとき、
または所定の制御サイクルごとに、前記ゲイン行列の少
なくとも１つの要素を所定値に持ち替えるようにしたの
で、このフィードバック制御装置を、比較的短い語長の
低レベルかつ安価なコンピュータを用いても高速に動作
させることができる。所定値は例えば初期値である。

【００２４】

【実施例】以下、添付図面に即してこの発明の実施例を
説明する。

【００２５】図１はこの発明に係るフィードバック制御
装置を概略的に示すブロック図である。図示の如く、こ
の制御装置はＳＴＲ（SELF TUNING REGULATOR)からなる
適応制御器１を備え（図でＳＴＲコントローラと示
す）、フィードバック制御系の目標値と制御量ｙ（ｋ）
とが入力され、漸化式を用いてフィードバック補正係数
（フィードバック補正値）ＫＳＴＲ（ｋ）を演算する。
ここでＳＴＲコントローラは、パラメータ調整機構によ
って同定された係数ベクトルを受け取ってフィードバッ
ク補償器を形成する。

【００２６】図１の構成において、適応制御の調整則
（機構）としては、ランダウらの提案したパラメータ調
整則（機構）を用いている。この手法は、適応システム
を線形ブロックと非線形ブロックとから構成される等価
フィードバック系に変換し、非線形ブロックについては
入出力に関するポポフの積分不等式が成立し、線形ブロ
ックは強正実となるように調整則を決めることによっ
て、適応システムの安定を保証する手法である。この手
法は、例えば、「コンピュートロール」（コロナ社刊）
Ｎｏ．２７．２８頁〜４１頁、ないしは「自動制御ハン
ドブック」（オーム社刊）７０３頁〜７０７頁に記載さ
れているように、公知技術となっている。

【００２７】ＳＴＲコントローラを構成する、ゲインを
決定するスカラ量ｂｏハット^-1（ｋ）、操作量を用いた
制御要素ＢR ハット( Ｚ^-1，ｋ）、および制御量を用い
た制御要素Ｓハット（Ｚ^-1，ｋ）は、それぞれ数１ない
し数３のように表わした。ここで、ｍ，ｎはそれぞれ制
御プラントの伝達関数の分子、分母の次数、ｄは無駄時
間のサイクル数である。以下では、ｍ＝１、ｎ＝１、ｄ
＝３の場合（数２および数３の２行目はこれを代入して
いる）、即ち、１次系で３サイクル分の無駄時間を持つ
プラントを例にとって説明する。

【００２８】

【数１】

【００２９】

【数２】

【００３０】

【数３】

【００３１】このスカラ量と制御要素の各係数をパラメ
ータ調整機構によって同定し、ＳＴＲコントローラに供
給する。パラメータ調整機構は先に述べたランダウらに
よる手法に従えば、この係数をひとまとめにしてベクト
ルθハット（ｋ）で示すと、一般的には数４のようにな
る。

【００３２】

【数４】

【００３３】パラメータ調整機構は、制御対象への操作
量ｕ（ｉ）および制御量ｙ（ｊ）（過去の値も含む）の
ベクトルを用いて、目標値と制御量との差が零になるよ
うにθハット（ｋ）を調整する。

【００３４】数４において、ζ（ｋ）はパラメータ調整
機構に必要なパラメータを示し、実施例の場合には前述
のｍ＝１，ｎ＝１，ｄ＝３の例をとって図１に示す如く
設定した。尚、ｅアスタリスク（ｋ）は誤差の評価関
数、Γ（ｋ）はＳＴＲの適応速度を決定するゲイン行列
であり、それぞれ一般的には数５および数６のように示
される。

【００３５】

【数５】

【００３６】

【数６】

【００３７】上記で数６に示すゲイン行列Γのλ₁，λ
₂の選び方により、種々の具体的なアルゴリズムが与え
られる。例えば、λ１（ｋ）＝１，λ２（ｋ）＝０のと
き固定ゲインアルゴリズム、λ１（ｋ）＝１、λ２
（ｋ）＝λ（０＜λ＜２）のとき漸減ゲインアルゴリズ
ム（λ＝１の場合、最小二乗法）、λ１（ｋ）＝λ１
（０＜λ１＜１）、λ２（ｋ）＝λ２（０＜λ２＜λ）
とすると、可変ゲインアルゴリズム（λ２＝１の場合、
重み付き最小二乗法）となる。またλ３を用い、λ１＝
λ２＝σとすると、固定トレースアルゴリズムとなる。
後で述べるような空燃比制御などの時変のプラントには
漸減ゲインアルゴリズム、可変ゲインアルゴリズム、固
定ゲインアルゴリズム、もしくは固定トレースアルゴリ
ズムのいずれもが適している。

【００３８】図１において特徴的なことは、フィードバ
ック系の目標値が、ＳＴＲコントローラに入力されるこ
とである。他方、制御量（プラント出力）の計測値ｙ
（ｋ）もＳＴＲコントローラに入力され、ＳＴＲコント
ローラで上記の如くにして、フィードバック係数（フィ
ードバック補正値）ＫＳＴＲ（ｋ）が算出される。算出
されたフィードバック係数は操作量に乗算され、その積
がプラントに入力される。

【００３９】この実施例においては上記の如く構成した
ので、制御量の計測を通じて外乱が検出されたときは、
操作量を目標値に収束させるようにパラメータ調整機構
が動作することとなり、前記した特開平５−２４８２８
６号公報記載の技術および周知のＰＩＤ制御技術と比較
すると、収束性が格段に向上する。更に、操作量に外乱
が加わっても、操作量を目標値に収束させるようにパラ
メータ調整機構が動作することから、外乱に対するタフ
ネス性が向上する。尚、フィードバック補正値を乗算係
数として求めるているが、加算係数であっても良い。

【００４０】図２はこの発明の第２実施例を示し、図１
の構成を内燃機関の空燃比フィードバック制御装置に適
用した例を示す。

【００４１】最初に図３を参照して第２実施例に係る内
燃機関の空燃比フィードバック制御装置を全体的に説明
する。図において、符号１０は４気筒の内燃機関を示し
ており、吸気路１２の先端に配置されたエアクリーナ１
４から導入された吸気は、スロットル弁１６でその流量
を調節されつつサージタンク１８とインテークマニホル
ド２０を経て第１〜第４気筒に流入される。各気筒の吸
気弁（図示せず）の付近にはインジェクタ２２が設けら
れて燃料を噴射する。噴射され吸気と一体となった混合
気は各気筒内で図示しない点火プラグで点火されて燃焼
してピストン（図示せず）を駆動する。燃焼後の排気ガ
スは排気弁（図示せず）を介してエキゾーストマニホル
ド２４に排出され、エキゾーストパイプ２６を経て三元
触媒コンバータ２８で浄化されて機関外に排出される。

【００４２】内燃機関１０のディストリビュータ（図示
せず）内にはピストン（図示せず）のクランク角度位置
を検出するクランク角センサ３４が設けられると共に、
スロットル弁１６の開度θTHを検出するスロットル開度
センサ３６、スロットル弁１６下流の吸気圧力Ｐb を絶
対圧力で検出する吸気圧センサ３８も設けられる。また
スロットル弁１６の上流側には、大気圧Ｐa を検出する
大気圧センサ４０、吸入空気の温度を検出する吸気温セ
ンサ４２、吸入空気の湿度を検出する湿度センサ４４が
設けられる。更に、排気系においてエキゾーストマニホ
ルド２４の下流側で三元触媒コンバータ２８の上流側に
は酸素濃度検出素子からなる広域空燃比センサ４６が設
けられ、排気ガスの空燃比を検出する。これらセンサ３
４などの出力は、制御ユニット５０に送られる。

【００４３】図４は制御ユニット５０の詳細を示すブロ
ック図である。広域空燃比センサ４６の出力は検出回路
５２に入力され、そこで適宜な線型化処理が行われてリ
ーンからリッチにわたる広い範囲において排気ガス中の
酸素濃度に比例したリニアな特性からなる空燃比（Ａ／
Ｆ）が検出される。尚、その詳細は先に本出願人が提案
した出願（特開平４−３６９４７１号、３頁以降）に述
べてあるので、これ以上の説明は省略する。検出回路５
２の出力はＡ／Ｄ変換回路５４を介してＣＰＵ５６，Ｒ
ＯＭ５８，ＲＡＭ６０からなるマイクロ・コンピュータ
内に取り込まれ、ＲＡＭ６０に格納される。

【００４４】同様にスロットル開度センサ３６などのア
ナログ出力はレベル変換回路６２、マルチプレクサ６４
及び第２のＡ／Ｄ変換回路６６を介して、またクランク
角センサ３４の出力は波形整形回路６８で波形整形され
た後、カウンタ７０で出力値がカウントされ、カウント
値はマイクロ・コンピュータ内に入力される。マイクロ
・コンピュータにおいてＣＰＵ５６はＲＯＭ５８に格納
された命令に従って前記の如く制御値を演算し、駆動回
路７２を介して各気筒のインジェクタ２２を駆動する。

【００４５】第２実施例において、図４のマイクロコン
ピュータ内には、図２に示す構成が設けられる。即ち、
図２に示す構成では、図１に示す第１実施例と同様のＳ
ＴＲ（SELF TUNING REGULATOR)からなる適応制御器１０
を備え（図でＳＴＲコントローラと示す）、フィードバ
ック制御系の目標値と操作量とが入力されて漸化式を用
いてフィードバック補正係数（フィードバック補正値Ｋ
ＳＴＲ（ｋ））を演算する。実施例の場合、目標値は当
量比で示される。

【００４６】操作量は燃料噴射量（計算噴射量）Ｔｉｍ
で示され、よって排気系に生じた排気当量比と目標当量
比とが一致するようにパラメータ調整機構が動作し、フ
ィードバック補正係数ＫＳＴＲ（ｋ）を決定する。決定
されたフィードバック補正係数ＫＳＴＲ（ｋ）は計算さ
れた燃料噴射量Ｔｉｍに乗算されて出力燃料噴射量Ｔｏ
ｕｔ（操作量）が決定され、内燃機関１０に供給され、
よって生じた排気空燃比が空燃比センサ４６を通じて検
出され、当量比が求められて目標当量比と一致するよう
にパラメータ調整機構が動作する。

【００４７】以上の動作を図５フロー・チャートを参照
して説明する。

【００４８】先ずＳ１０において検出した機関回転数Ｎ
ｅおよび吸気圧力Ｐb などを読み込む。次いでＳ１２に
進んでクランキングか否か判断し、否定されるときはＳ
１４に進んでフュエルカットか否か判断する。そこでも
否定されたときはＳ１６に進んで検出した機関回転数Ｎ
ｅと吸気圧力Ｐｂとからマップを検索して燃料噴射量Ｔ
ｏｕｔを算出する。

【００４９】次いでＳ１８に進んで空燃比センサ４６の
活性化が完了したことを確認してＳ２０に進み、検出し
た排気空燃比Ａ／Ｆを読み込む。続いてＳ２２に進んで
検出した空燃比Ａ／Ｆから当量比Ｋａｃｔ（ｋ）を求
め、Ｓ３４に進んでフィードバック補正係数ＫＳＴＲ
（ｋ）を求める（これは適応制御器自らが自動的に算出
するものであるが、理解の便宜のため、こう説明す
る）。次いでＳ２６に進んで求めたフィードバック補正
係数ＫＳＴＲ（ｋ）を燃料噴射量Ｔｉｍなどに図示の如
く乗算して出力燃料噴射量Ｔout を決定する。ここで、
ＫＣＭＤは目標空燃比、ＫＴＯＴＡＬは水温補正などの
補正乗算項の合算値である（更に、バッテリ電圧補正な
どの加算項もあるが、省略する。

【００５０】次いでＳ２８に進んで出力燃料噴射量Ｔou
t を操作量としてインジェクタ２２に出力する。尚、Ｓ
１２でクランキングと判断されたときはＳ３０，Ｓ３２
に進んで始動モードの式によって出力燃料噴射量Ｔｏｕ
ｔを算出すると共に、Ｓ１４でフュエルカットと判断さ
れたときはＳ３４に進んで出力燃料噴射量Ｔｏｕｔを零
とする。またＳ１８でセンサが活性化していないと判断
されるときは直ちにＳ２８にジャンプして燃料噴射量Ｔ
ｉｍに基づいてインジェクタを駆動する。

【００５１】尚、上記の空燃比制御では排気系集合部に
設けた単一の空燃比センサの出力を用いているが、それ
に限られるものではなく、気筒毎に空燃比センサを設け
て検出した空燃比から気筒ごとに空燃比フィードバック
制御を行っても良い。

【００５２】第２実施例では上記の如く、ＳＴＲコント
ローラには目標当量比と計測（排気）当量比とが入力さ
れる。パラメータ調整機構においては計測当量比の変化
波形によりフィードバック補正係数を演算するため、シ
ャープなリッチスパイクやリーンスパイクが生じても、
迅速に打ち消すことができる。その結果、例えばキャニ
スタパージ量などが外乱として加わっても、計測当量比
（排気当量比）を迅速に目標当量比に収束させるので、
エミッション特性も向上する。

【００５３】更に、目標当量比自体は頻繁に変更される
ものではなく、特に理論空燃比が目標とされるときは固
定した値となるので、制御の安定性が高い。尚、図２の
構成では無駄時間ｄは３次、即ち、３サイクル遅れまで
対応可能にした（ここで「サイクル」は第１気筒から第
４気筒にわたる燃焼サイクルなどの制御周期を意味す
る）。尚、これまでの説明では当量比を用いたが、空燃
比でも良いことは言うまでもない。

【００５４】図６はこの発明の第３実施例を示し、第２
実施例の変形例で、燃料の付着補正を伴うものを示す。
図７は第３実施例の動作を示すフロー・チャートであ
る。

【００５５】この燃料付着補正について、本出願人は先
に提出した出願（特開平６−１７６８０号）などで、図
８に示す如き適応制御を用いたものを提案している。そ
の提案ではＳＴＲコントローラを燃料量演算経路に直列
に接続し、気筒内に吸入させたい目標燃料量と、気筒内
に実際に吸入される吸入燃料量（前記した実吸入燃料量
Ｇｆｕｅｌ）とを常に一致させるように動作させてい
る。パラメータ調整機構は、空燃比のスパイクから演算
される実吸入燃料量の挙動より制御対象に応じた適応パ
ラメータを自動的に演算する。また運転パラメータから
検索自在に付着係数を予めマップ化しており、ＳＴＲコ
ントローラは適応パラメータを入力して付着補正と実機
の付着係数のズレをなくすように燃料量を補償する。

【００５６】この先に提案した図８に示す構成では、正
確に目標燃料量を計算することを前提としている。何故
ならば、目標燃料量がずれていると、ＳＴＲコントロー
ラはそのずれた値に実吸入燃料量を合わせてしまうから
である。その結果、実吸入燃料量が実機の要求する値か
らずれてしまい、空燃比のスパイクを生じてしまう。パ
ラメータ調整機構は、そのスパイクが付着係数のずれか
ら生じたものなのか、外乱によるものなのかを分離して
判定することができないため、系が不安定になったり、
発散してしまう不都合があった。従って、キャニスタパ
ージなどの目標燃料量演算に誤差を生じさせる外乱分も
正確に目標燃料量に反映させなければならないと言う問
題があった。

【００５７】第３実施例はその対策としてなされたもの
であり、前記の如く、ＳＴＲコントローラの目標値を目
標空燃比（より具体的には目標当量比）とし、計測した
空燃比（より具体的には当量比）が目標空燃比に常に一
致させるべく動作させるようにした。この構成により、
外乱によって起きる空燃比スパイクも、付着係数のずれ
によって起こるスパイクも、ＳＴＲコントローラでは同
じスパイクと認識され、スパイクを検出した際に目標空
燃比に収束させるようにパラメータ調整機構が動作す
る。よって、外乱分が正確に目標燃料量に反映できなく
ても、系が不安定となったり、発散したりしないと言う
利点がある。

【００５８】第３実施例の動作を図７フロー・チャート
を参照して説明すると、先に説明した第２実施例の図５
フロー・チャートと同様のステップを経てＳ２８まで進
み、次いでＳ２８０に進んで出力燃料噴射量Ｔｏｕｔの
壁面付着補正を行う。これは具体的には図６に示すよう
に、予め付着係数マップを用意しておき、検出した水温
Ｔｗ、吸気圧力Ｐｂ、機関回転数Ｎｅなどから付着係数
を検索し、検索値を用いて出力燃料噴射量Ｔｏｕｔを補
正することで行う。

【００５９】第３実施例をシミュレーションで検証す
る。図９はシミュレーションで用いた構成を示す。図示
の如く、外乱に対するタフネス性を確認するために、実
機で運転する場合の外乱を疑似的に作り出すための外乱
を加えた。付着補正と実機のずれに相当する外乱とし
て、付着補正と実機（付着プラントモデル）とに渡す付
着係数（Ａ，Ｂ）の間にも外乱を加える。更に、キャニ
スタパージやマップずれに対する外乱として、付着補正
と付着プラントモデルとの間にも外乱を加えた。尚、上
記で付着係数Ａ，Ｂの中、Ａは直接率（気筒流入率）、
Ｂは持ち去り率（蒸発率）を示すが、その詳細は前記し
た先願（特開平６−１７６８０号、３頁以降）に述べら
れているので、説明は省略する。

【００６０】図１０は図８に示す先の提案に係る構成の
適応制御を行ったときと、この発明に係るフィードバッ
ク型ＳＴＲによる制御を行ったときとの当量比の挙動を
示すシミュレーション結果である。図示の如く、スパイ
クが大幅に減少すると共に、１を中心とする所定範囲内
の当量比の出現頻度が格段に向上している。即ち、図８
に示す先の提案に係る構成ではＳＴＲコントローラに目
標値として目標燃料量を入力していたため、外乱が存在
する場合、目標値が望ましい値から外乱分だけずれたた
め十分な制御性能が得られなかったのに対し、第３実施
例に係るフィードバック型ＳＴＲでは外乱を吸収し、優
れた制御性を有している。特に目標当量比が理論空燃比
相当の当量比であるとき、目標値の変化頻度が著しく低
いため、安定性も高い。

【００６１】また、図８に示す先の出願に係る構成と比
較すると、付着係数のずれを直接補償することができな
いと言う短所があるが、ＰＩＤフィードバック制御に比
較すると、デッドビート性（制御対象に変化がなければ
数サイクル後にかならず収束する性質）は確保されてい
るため、シミュレーションで検証したように制御性が向
上している。また付着係数のずれを直接には補償できな
いが、マップ値を用いて補償することにより、かなりの
程度まで燃料の輸送遅れを補償することができる。

【００６２】図１１はこの発明の第４実施例を示す説明
図である。

【００６３】第４実施例は、中間変数の変化範囲（取り
得る値の範囲）を制限して低レベルのマイクロコンピュ
ータ上でも適応制御を実現できるようにした。

【００６４】実際のデジタル計算機で演算を行う場合、
その計算機で通常用いることができるビット数は限られ
ていることから、計算機内で扱う変数は、所定の範囲内
に収めざるを得ない場合がある。例えば、演算の精度を
高く設定したいため変数のＬＳＢを小さな値にすると、
許されているビット数から変数の最大値が自ずと決定さ
れ、そのために範囲が制限されてしまう。この問題は、
パラメータ調整機構をデジタル計算機によって実現しよ
うとするとき、どの変数についてもあてはまる。尚、こ
の明細書で「変数」ないし「中間変数」とは前記した数
式に示す、Γ（ｋ），Γ（ｋ−１）ζ（ｋ−ｄ），Γ
（ｋ−１）ζ（ｋ−ｄ）Γ^T（ｋ−１），θハット
^T（ｋ−１）ζ（ｋ−ｄ）など適応制御器内で一時的に
せよ計算される全ての変数を言う。

【００６５】上記した適応制御器をコンピュータで実現
するとき、パラメータ調整機構の中間変数、例えばΓ₁₁
（ｋ）の値が範囲として４×１０⁷ 〜８×１０⁸ 程度の
比較的大きな値をとることがある。例えば１６ビット程
度の比較的小さな語長をもつコンピュータでは、このよ
うな大きな数を扱うことは困難である。またオーバーフ
ローを避けて制御精度を上げるには、中間変数を含む変
数全てに比較的小さなＬＳＢを与えるのは望ましい。そ
の意味では、語長が１６ビット程度の低レベルで安価な
マイクロコンピュータでは上記した適応制御器の実現が
困難である。特に、空燃比制御のようにサンプリング周
期が短い場合には、実現が尚更困難となる。

【００６６】ここで、先に示した数６に注目すると、中
間変数の値の取り得る範囲は、パラメータ調整機構への
入力ζ（ｋ）により決定される。そこで第４実施例で
は、中間変数の値を取り得る範囲を変えるために、ζ
（ｋ）に１以外の所定の係数（ここではＣ１とする）を
乗じた後に、パラメータ調整機構に入力するようにし
た。例えば、Γ（ｋ）の値は数６から導出できるよう
に、係数Ｃ１の二乗に反比例する。このとき、パラメー
タ調整機構の出力であるθハット（ｋ）は制御プラント
によってのみ一意に決定され、ζ（ｋ）およびｙ（ｋ）
の値に係数が乗じられても同じ出力がコントローラに与
えられることは、原理上明白である。その構成を示す
と、図１１のようになる。

【００６７】第４実施例は上記の如く、中間変数がパラ
メータ調整機構に入力される値の二乗に反比例すること
に着目し、入力する値を大きくすることによって中間変
数の値を小さくしたので、制御精度を保つために小さな
ＬＳＢをとっても、ビット長を増やすことなく、オーバ
ーフローしないように中間変数の変化範囲を制限するこ
とができた。よって、安価なマイクロコンピュータを用
いてもビット長が短いまま演算を行うことが可能とな
り、高速処理が可能となるため、より短いサンプリング
周期に対応することができる。

【００６８】尚、入力値に係数を乗じても原理上制御性
能が悪化しない。尚、上記は可変ゲインアルゴリズムな
いしは漸減ゲインアルゴリズムを前提としている。固定
ゲインアルゴリズムや固定トレースアルゴリズムにおい
ては、Γ（ｋ）が固定であるか、ないしは値の変化幅は
大きくないが、Γ（ｋ）以外の中間変数、例えばΓ（ｋ
−１）ζ（ｋ−ｄ）やθハット^T（ｋ−１）ζ（ｋ−
ｄ）などはζ（ｋ−ｄ）に係数を乗じることによってそ
の変化幅を変化させることが可能なことは自明である。

【００６９】続いて、この発明の第５実施例を説明す
る。

【００７０】図１２はそれを示す図１１と同様のブロッ
ク図であり、この例では、コントローラへの入力ｒ
（ｋ）に所定の係数Ｃ１を乗じたｒダッシュ（ｋ）をコ
ントローラに入力し、コントローラの出力ｕダッシュ
（ｋ）をＣ１で除算した値ｕ（ｋ）を制御プラントに入
力し、さらに制御プラントの出力ｙ（ｋ）にＣ１を乗じ
た値ｙダッシュ（ｋ）をパラメータ調整機構に入力する
ようにした。この例で、パラメータ調整機構に入力され
るｙダッシュ（ｋ）は今述べた如くｙ（ｋ）にＣ１を乗
じたものであり、出力ｕダッシュ（ｋ）にはコントロー
ラの入力にＣ１のゲインが乗じられていない場合に対し
てＣ１倍となっている。よって、ζ（ｋ）およびｙダッ
シュ（ｋ）は図１２に示したものと同じ値となる。

【００７１】また制御プラントに入力されるｕ（ｋ）は
１／Ｃ１が乗じられているため、図１２に示したものと
同じ値となる。よって、図１２に示した構成は、図１１
に示した構成と同じ効果を奏する。尚、第４実施例の変
形例は第５実施例に限られるものではなく、これ以外に
も種々の変形が可能である。要は、パラメータ調整機構
の入力のみ係数倍にすると共に、制御プラントへは初期
の値が入力されるようにすれば良い。

【００７２】続いて、この発明の第６の実施例を説明す
る。

【００７３】図１３は第６実施例の構成を示すブロック
図、図１４はその動作を示すフロー・チャートである。

【００７４】上記のようにΓ（ｋ）などの中間値を小さ
くすることができたので、１６ビットの整数演算を行っ
てもオーバーフローしないようなＬＳＢを各変数に設定
して、シミュレーションを行ったところ、中間値の最大
値を制限するために図１１または図１２の構成を採用し
ても、最小値も小さくなっているため、十分な小ささの
ＬＳＢをとることができず、制御性が悪化してしまっ
た。固定ゲインアルゴリズムや固定トレースアルゴリズ
ムにおいては、ゲイン行列Γ（ｋ）は一定もしくは変化
範囲はある程度制限されるため問題は少ないが、Γ
（ｋ）の値がζ（ｋ）の二乗に反比例することから、漸
減ゲインアルゴリズムもしくは可変ゲインアルゴリズム
においてはｒ（ｋ）の変化率や最大値／最小値によって
はΓ（ｋ）の最大値／最小値を小さくすることができ
ず、よって小さなＬＳＢを設定してもビット長の制限が
あると、オーバーフローすることがある。このΓ（ｋ）
の値を制限するためにリミッタに通すことも考えられる
が、単にリミッタを通しただけではθハット（ｋ）が収
束方向に向かわず、発散してしまう場合がある。

【００７５】第６実施例はその不都合を解消するために
Γ（ｋ）の範囲をさらに制限するもので、図１４フロー
・チャートを参照して説明すると、Ｓ１００でΓ（ｋ）
を計算した後Ｓ１０２に進んでΓ_ij（ｋ）を所定の制限
値と比較し、制限値未満であるときはＳ１０４に進んで
算出値をそのまま使用すると共に、制限値以上であると
きＳ１０６に進んでΓ（ｋ）を復帰値（初期値）に持ち
替えるようにした。尚、初期値に戻すことで発散を防止
できることは、固定ゲインアルゴリズムが発散しないこ
とや、漸減ゲインアルゴリズムまたは可変ゲインアルゴ
リズムの動作開始時にΓ（ｋ）の初期値から始めて発散
しないことから、明らかである。図１３にそれを図示す
る。

【００７６】第６実施例は上記の如く構成したので、制
御精度を保つために小さなＬＳＢをとってもビット長を
増やすことがなく、オーバーフローしないように中間変
数の変化範囲を一層制限することができる。よって、漸
減ゲインアルゴリズムや可変ゲインアルゴリズムなどを
用いて安価なマイクロコンピュータで短いサンプリング
周期で適応制御を一層容易に実現することができる。
尚、中間変数としてΓ（ｋ）を示したが、他の変数につ
いても同様なことは言うまでもない。

【００７７】図１５はこの発明の第７実施例を示す図１
４と同様のフロー・チャートである。この例の場合は、
Γ₁₁（ｋ）の値が制限値を超えると否とに関わりなく、
所定の制御サイクル、例えば３サイクルごとに復帰値
（初期値）に戻すようにした（Ｓ２００〜Ｓ２０６）。
尚、所定の制御サイクル数は２サイクル以上であればど
のような値でも良く、制御プラントの運転状態によって
そのサイクルを持ち換えても良い。（毎サイクルとする
と、固定ゲインアルゴリズムと同じになるため、それは
除く。）

【００７８】図１６はこの発明の第８実施例を示す同様
のフロー・チャートである。この例の場合は、Γ
₁₁（ｋ）が制限値以上になるか、所定の制御サイクルに
達したとき、復帰値（初期値）に戻すようにした（Ｓ３
００〜Ｓ３０８）。第７実施例と同様に、効果は第６実
施例と異ならない。

【００７９】尚、上記において、第４（ないし第５）実
施例と第６（第７ないし第８）実施例を独立に用いても
良く、あるいは第４（ないし第５）実施例を用いて中間
変数の変化幅を制限した後、更に第６（第７ないし第
８）実施例を用いて中間変数の変化幅を更に制限するよ
うにしても良い。

【００８０】また第６実施例と第８実施例において、Γ
_ij（ｋ）が制限値を超えた場合にΓ_ij（ｋ）を復帰値
（初期値）に戻しているが、Γ_ij（ｋ）が制限値を超え
た場合にΓ_pq（ｋ）（ｉ≠ｐ）または（ｊ≠ｑ）を復帰
値（初期値）に戻しても良く、或いはΓ（ｋ）の１つの
要素だけではなく、Γ（ｋ）の複数の要素を復帰値（初
期値）に戻しても良く、更には複数の要素に制限値を設
けても良い。

【００８１】また上記において、第６実施例以降で初期
値に戻す例を示したが、必ずしも初期値でなくても、そ
れに代わる適当な値を用いても良い。

【００８２】尚、上記において、適応制御器としてＳＴ
Ｒを例にとって説明したが、ＭＲＡＣＳ（モデル規範型
適応制御）を用いても良い。

【００８３】

【発明の効果】請求項１項にあっては、制御量が目標値
へ速やかに収束して収束性が向上する。また目標値と操
作量とを直列に接続していないことから、操作量に外乱
が加わっても、制御量が目標値に一致するようにフィー
ドバック補正値が決定されるので、外乱に対するタフネ
ス性も向上する。また、制御対象が状態によって変化す
る場合でも収束速度を自動的に調整するので、制御量が
目標値に速やかに収束する。

【００８４】請求項２項にあっては、排気空燃比が目標
空燃比に速やかに収束して収束性が向上する。また目標
空燃比と燃料噴射量などの操作量を直列に接続していな
いことから、キャニスタパージなどが外乱として操作量
に加わっても、排気空燃比が目標空燃比に一致するよう
にフィードバック補正値が決定されるので、外乱に対す
るタフネス性も向上する。

【００８５】請求項３項にあっては、パラメータ調整機
構の中間変数などの変化範囲を制限することができ、こ
のフィードバック制御装置を、比較的短い語長の低レベ
ルかつ安価なコンピュータを用いて実現することができ
る。

【００８６】請求項４項にあっては、同様にパラメータ
調整機構の中間変数などの変化範囲を制限することがで
き、このフィードバック制御装置を、比較的短い語長の
低レベルかつ安価なコンピュータを用いて実現すること
ができる。

【００８７】請求項５項にあっては、同様にパラメータ
調整機構の中間変数などの変化範囲を制限することがで
き、このフィードバック制御装置を、比較的短い語長の
低レベルかつ安価なコンピュータを用いて実現すること
ができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明に係る適応制御を用いたフィードバッ
ク制御装置を適応制御器を中心に示すブロック図であ
る。

【図２】この発明の第２実施例に係る内燃機関の空燃比
フィードバック制御装置を適応制御器を中心に示すブロ
ック図である。

【図３】第２実施例に係る内燃機関の空燃比フィードバ
ック制御装置を全体的に示す説明図である。

【図４】図３の装置の中の制御ユニットの詳細を示すブ
ロック図である。

【図５】第２実施例の動作を示すフロー・チャートであ
る。

【図６】この発明の第３実施例に係る内燃機関の空燃比
フィードバック制御装置を適応制御器を中心に示すブロ
ック図である。

【図７】第３実施例の動作を示すフロー・チャートであ
る。

【図８】第３実施例に関して本出願人が先に提案した構
成を示すブロック図である。

【図９】第３実施例のシミュレーションに使用した構成
を示すブロック図である。

【図１０】第３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１１】この発明の第４実施例を示すブロック図であ
る。

【図１２】この発明の第５実施例を示すブロック図であ
る。

【図１３】この発明の第６実施例を示すブロック図であ
る。

【図１４】第６実施例の動作を示すフロー・チャートで
ある。

【図１５】この発明の第７実施例を示すフロー・チャー
トである。

【図１６】この発明の第８実施例を示すフロー・チャー
トである。

【符号の説明】１適応制御器（ＳＴＲコントローラ）１０内燃機関１６スロットル弁２０インテークマニホルド２２インジェクタ２４エキゾーストマニホルド３６スロットル開度センサ３８吸気圧センサ４６広域空燃比センサ５０制御ユニット

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者西村要一埼玉県和光市中央１丁目４番１号株式会社本田技術研究所内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】制御量を目標値に収束させるフィードバ
ック制御系において、漸化式形式のパラメータ調整機構
を備える適応制御器を設け、その適応制御器に前記目標
値と制御量とを入力し、前記制御量が前記目標値に一致
するようにフィードバック補正値を適応的に決定するよ
うにしたことを特徴とする適応制御を用いたフィードバ
ック制御装置。
【請求項２】内燃機関の空燃比フィードバック制御装
置において、ａ．前記内燃機関の目標空燃比を決定する目標空燃比決
定手段、ｂ．前記内燃機関に入力する燃料噴射量を決定する燃料
噴射量決定手段、ｃ．前記内燃機関が排気する空燃比を検出する空燃比検
出手段、ｄ．漸化式形式のパラメータ調整則を備え、前記目標空
燃比と排気空燃比とを入力し、前記排気空燃比が前記目
標空燃比に一致するようにフィードバック補正係数を適
応的に決定する適応制御器、およびｅ．前記フィードバック補正係数で前記燃料噴射量を補
正して前記内燃機関に入力する燃料噴射量入力手段、を備えたことを特徴とする適応制御を用いた内燃機関の
空燃比フィードバック制御装置。
【請求項３】前記適応制御器のパラメータ調整機構の
ゲイン行列にリミッタを設けたことを特徴とする請求項
１項または２項のいずれかに記載のフィードバック制御
装置。
【請求項４】前記リミッタは、前記ゲイン行列の要素
のいずれかがリミット値を超えるとき、所定値に戻すも
のであることを特徴とする請求項３項記載のフィードバ
ック制御装置。
【請求項５】前記リミッタは、前記ゲイン行列の要素
ないしは要素の過去値の少なくとも１つがリミット値を
超えるか若しくはリミット値と等しくなったとき、また
は所定の制御サイクルごとに、前記ゲイン行列の少なく
とも１つの要素を所定値に持ち替えるようにしたことを
特徴とする請求項３項記載のフィードバック制御装置。