JPS59120753A - 内燃機関のアイドル回転速度制御方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （技術分野） この発明は、内燃機関のアイドル時の回転速度の制御方
法に関し、より詳細には、従来一般的なＰＩＤ（比例積
分微分）制御とは異なり、内燃機関の内部状態を考慮し
て機関をダイナミック（動的）なシステムとして捕え、
内部状態を規定する状態変数によって機関の動的な振舞
いを推定しながら、機関の入力変数を決定する状態変数
制御の手法を用いて、アイドル回転速度を制御する方法
に関する。

（従来技術） 従来の内燃機関におけるアイドル回転速度制御方法とし
ては、例えば第１図に示すようなものがある。アイドル
回転速度制御用のＡＡＣバルブ１は、ＶＣＭバルブ２の
制御ソレノイド３の駆動パルス幅ＰＡをデューティ制御
することによってリフト量が変わり、スロットルバルブ
４のバイパス５を通過するバイパス空気量が変化して、
アイドル回転速度が制御される。

コントロールユニット６は、スロットルバルブスイッチ
７によるアイドル（ＩＤＬＥ）信号、ニュートラルスイ
ッチ８によるニュートラル（ＮＥＵＴ）信号、車速セン
サ９による車速（ＶＳＰ）信号などによって機関がアイ
ドル状態にあることを検知すると、水温センサ１０によ
る冷却水温度（Ｔｗ）に応じた１次元テーブルルックア
ップによって、アイドル回転速度の基本目標値を算出す
る。そして、エアコンスイッチ１１によるエアコン（Ａ
／Ｃ）信号、ニュートラル（ＮＥＵＴ）信号、バッテリ
電圧（ＶＢ）信号などに応じた補正を行なって最終的に
算出されたアイドル回転速度の目標値Ｎｒに対し、機関
の実際のアイドル回転速度Ｎとその目標値Ｎγとの偏差
ＳＡが小さくなるように制御ソレノイド３のパルス幅２
Ａを比例、積分（ＰＩ）のデューティ制御をして、目標
回転速度Ｎγにフィードバック制御する。

以上の制御方法を流れ図で示したのが、第２図である。

しかしながら、このような従来の内燃機関のアイドル回
転速度制御方法にあっては、機関、アクチュエータおよ
びセンサの動特性を効果的に用いたＰＩ制御行なってい
る訳ではなく、さらには、制御手法としてのＰＩ制御は
多入出力システムに対する制御には不向きなものとなっ
ていたため、機関が他の運転状態からアイドル状態に入
る時、またはアイドル状態から出る時、さらには種々の
負荷外乱が加わった直後等の、機関がダイナミックな振
舞いを呈する時には、制御追従性すなわち過渡応答が悪
いという問題があった。また、他の制御入力を加えて制
御の自由度を上げ、制御性を高めようとする時には、Ｐ
Ｉ制御手法では適用が難しいという問題があった。

そして特に、予測できる外乱、例えばエアコン負荷外乱
等が加わる場合には、予めエアコンスイッチ１１のオン
によるフィードフォワード情報が入り、それに伴って、
フィードバック制御にフィードフォワード制御を付加し
てアイドル回転速度低下を阻止しようとする訳であるが
、しかしながら、制御入力である空気量、燃料供給量あ
るいは排気還流量を供給するためのアクチュエータの応
答は遅く、またインテークマニホールド通過の遅れ時間
もあり、どうしても負荷外乱投入直後の回転速度の低下
を抑えられない。加えて、回転速度が低下した時にさら
に他の外乱（例えば電気負荷やクラッチ接続）が加わる
とエンスト（機関が停止）するという問題点があった。

（発明の目的） この発明は、このような従来の問題点に着目してなされ
たもので、機関が他の運転状態からアイドル状態へ入る
時、またはアイドル状態から出る時、さらには大きな負
荷外乱が加わった直後等の、機関がダイナミックな振舞
いを呈する時の制御追従性すなわち過渡応答を最適にし
、さらに、多数の制御入力変数を加えて制御自由度を上
げ、制御性を高めることを容易にし、もってより安定な
アイドル回転速度制御を行なうことを目的とする。

そして特に、予測できる負荷外乱が投入された時の制御
性を良好にすることを目的とする。

（発明の構成および作用） そこでこの発明は、内燃機関、アクチュエータおよびセ
ンサの動特性をモデル化したものをマイクロコンピュー
タ等からなるコントローラに記憶しておき、空気量（も
しくは相当量）、燃料供給量（もしくは相当量）および
排気還流（ＥＧＲ）量（もしくは相当量）から選択され
たいずれか１つまたは任意の２つ以上の組合せを制御入
力とし、かつアイドル回転速度を制御出力とし、制御入
力と制御出力から、ダイナミックモデルである内燃機関
等の内部状態を代表する状態変数量を推定し、その推定
値とアイドル回転速度の目標値と実際値の偏差の積分値
とを用いて、制御入力値を決定し、内燃機関のアイドル
回転速度を目標値にフィードバック制御することを特徴
とする。この制御手法は、従来一般的なＰＩＤ制御に代
わり多数の入出力変数を総合的に制御する多変数制御の
手法を用いるものである。そして特に、予測できる負荷
外乱が投入された時には、制御応答性の良い点火時期を
効果的に変えることを特徴とするものである。

以下、この発明を図面に基づいて説明する。

第３図は、この発明による内燃機関のアイドル回転速度
制御方法の一実施例を実現する装置の構成図である。

同図において、１２は制御対象である内燃機関で、制御
対象１２の制御出力をアイドル回転速度とした場合、制
御入力としては、空気量（もしくは相当量）、点火時期
、燃料供給量（もしくは相当量）および排気還流量（も
しくは相当量）から選択されたいずれか１つまたは任意
の２つ以上の組合せを採り得る。しかしながら点火時期
を制御入力として用いると、他の制御入力に比べて応答
性は良いものの、外乱が加入した時の過渡時のオーバシ
ュートとアンダシュートが大きく出て、アイドル回転速
度の安定性の点からは点火時期を制御入力として用いる
のは好ましくなく、他の制御入力で制御範囲を越えた場
合とか、特に応答性を要求される場合に点火時期を効果
的に用いるのが好ましい。

本実施例では、２制御入力として、アイドル時のバイパ
ス空気量を調整するためのＶＣＭバルブ２の制御ソレノ
イド（第１図）を駆動するパルス幅ＰＡ（すなわちバイ
パス空気量に相当する量）と、燃料を噴射する電磁弁を
駆動するパルス幅ＰＦ（すなわち燃料供給量に相当する
量）とを採る。

制御出力はアイドル回転速度Ｎで、１出力である。

１３は、制御対象である機関１２のダイナミックモデル
を記憶していて、上記３つの制御入出力情報ＰＡ、ＰＦ
、Ｎから機関のダイナミックな内部状態を推定する状態
観測器（オブザーバ）であり、内部状態を代表する状態
変数量Ｘ（例えば４つの量ｘ１、ｘ２、ｘ３、ｘ４のベ
クトル表示）の推定値■を計算する。

状態観測器１３は制御対象である機関をシミュレーショ
ンするもので、ダイナミックな内部状態を状態変数ｘ（
ｎ次のベクトルｘ１〜ｘｎ）で代表する。制御対象であ
る機関１２の内部状態を表わす状態変数は、具体的には
例えばインテークマニホールドの絶対圧や吸入負圧、実
際にシリンダに吸入された空気量、燃焼の動的挙動、機
関トルク等が挙げられる。これらの値をセンサにより検
出できれば、その検出値を用いることによって、動的な
振舞いを把握し、制御に用いることによって制御をより
精密に行なうことができる。しかしながら現時点ではそ
れらの値を検出できる実用的センサはあまり存在しない
。そこで機関の内部状態を状態変数Ｘで代表させるが、
但し状態変数Ｘは実際の内部状態を表わす種々の物理量
に対応させる必要はなく、全体として機関をシミュレー
ションさせるものである。状態変数Ｘの次数ｎは、ｎが
大きい程シミュレーションが精確になるが、反面計算が
複雑になる。この発明における２入力１出力の場合には
、ｎ＝４程度が適当である。

また、このようにモデルの低次元近似化を行うと、その
誤差の影響が出てしまうが、この点は後述するようにＩ
（積分）動作の付加により吸収できる。

第３図において、１４は積分（Ｉ）動作とゲインブロッ
クで、機関回転速度の指定された目標値Ｎγと実際値Ｎ
との偏差ＳＡを積分した量および状態観測器１３で計算
された状態変数量Ｘから、２つの制御入力ＰＡとＰＦの
値を計算する（第５図参照）。

そして上記の状態観測器１３と積分動作とゲインブロッ
ク１４とでコントローラを構成する。

次に作用を説明する。

制御対象である機関１２は２入力１出力システムで、こ
の入出力間の回転同期サンプル値系のある基準設定値近
辺で求められた線形近似された伝達関数行列Ｔ（ｚ）か
ら、制御対象１２のダイナミックな内部状態を推定する
ことが可能である。その１つの手法として状態観測器１
３がある。アイドル回転速度近辺の運転条件で、制御対
象１２の伝達関数行列Ｔ（ｚ）が実験的に求まり、Ｔ（
ｚ）＝〔Ｔ１（ｚ）Ｔ２（ｚ）〕（１）となる。但し、
ｚは入出力信号のサンプル値のｚ−変換を示し、Ｔ１（
ｚ）、Ｔ２（ｚ）は例えばｚの２次伝達関数である。

入力、出力および伝達関数Ｔ１（ｚ）、Ｔ２（ｚ）の関
係を示す制御対象（機関）１２のモデル構造を第４図に
示す。但し、入出力はそれぞれ基準設定値からのズレδ
ＰＡ、δＰＦ、δＮを用いている。

この伝達関数行列Ｔ（ｚ）から、次の様に状態観測器１
３を構成することができる。

先ず、Ｔ（ｚ）から機関の動的な振舞いを記述する状態
変数モデル Ｘ（ｎ）＝ＡＸ（ｎ−１）＋Ｂｕ（ｎ−１）（２）ｙ（
ｎ−１）＝Ｃｘ（ｎ−１）（３） を導く。ここで、各量のカッコ内の（ｎ）は現時点を、
また（ｎ−１）は１つ前のサンプル時点を表わす。ｕ（
ｎ−１）は制御入力ベクトルで、ある基準設定値からの
線形近似が成り立つ範囲内での摂動分を表わす、制御ソ
レノイド３のパルス幅δＰＡ（ｎ−１）と燃料噴射パル
ス幅δＰＦ（ｎ−１）を要素とする。すなわち、 また、ｙ（ｎ−１）は制御出力で、制御入力ベクトルと
同様に、ある基準回転速度Ｎａ（例えば６５０ｒｐｍ）
からの摂動分を表わすδＮ（ｎ−１）を要素とする。す
なわち、 ｙ（ｎ−１）＝δＮ（ｎ−１）（５） Ｘ（・）は状態変数ベクトルであり、行列Ａ、Ｂ、Ｃは
伝達関数行列Ｔ（ｚ）の係数から決まる定数行列である
。

ここで、次の様なアルゴリズムを持つ状態観測器を構成
する。

■（ｎ）＝（Ａ−ＧＣ）■（ｎ−１）＋Ｂｕ（ｎ−１）
＋Ｇｙ（ｎ−１）（６）ここに、Ｇは任意に与えられる
行列で、■（・）は機関１２の内部状態変数Ｘ（・）の
推定値である。（２）（３）（６）式より変形すると、 〔Ｘ（ｎ）−■（ｎ）〕＝（Ａ−ＧＣ）〔Ｘ（ｎ−１）
−■（ｎ−１）〕（７）となり、行列（Ａ−ＧＣ）の固
有値が単位円内にあるようにＧを選べば、 ｎ→大で　■（ｎ）→Ｘ（ｎ）（８） となり、内部状態変数量Ｘ（ｎ）を入力ｕ（・）と出力
ｙ（・）から推定することができる。また、行列Ｇを適
当に選び、行列（Ａ−ＧＣ）の固有値を全て零にするこ
とも可能で、この時、状態観測器１３は有限整定状態観
測器となる。

このようにして推定された状態変数■（・）と、目標回
転速度Ｎγと現在の実際の回転速度Ｎ（・）との偏差Ｓ
Ａ＝（Ｎγ、−Ｎ（・））の情報を用いて、制御入力で
ある制御ソレノイド３の駆動パルス幅の基準設定値（Ｐ
Ａ）ａからの線形近似が成り立つ範囲内での増量分δＰ
Ａ（・）と、燃料噴射パルス幅の基準設定値からの線形
近似が成り立つ範囲内での増量分δＰＦ（・）を決定し
、機関のアイドル回転速度Ｎの最適レギュレータ制御を
行なう。レギュレータ制御とは、アイドル回転速度Ｎを
一定値である目標回転速度Ｎγに合致するように制御す
る定値制御を意味する。

なおこの発明では、前述したように実験的に求めたモデ
ルが低次元化された近似モデルであるため、その近似誤
差を吸収するためのＩ（積分）動作を付加しているが、
ここでは■動作を含めての最適レギュレータ制御を行な
う。

この発明の制御対象である機関は、前述したように２入
力１出力システムであり、これを最適にレギュレータ制
御するものであるが、一般的な多変数システムの最適レ
ギュレータ制御アルゴリズムは、例えば古田勝久著「線
形システム制御理論」（昭５１年）昭晃堂その他に説明
されているので、ここでは詳細な説明は省略する。結果
のみを記述すると、いま、 δｕ（ｎ）＝ｕ（ｎ）−ｕ（ｎ−１）（９）δｅ（ｎ）
＝Ｎｒ−Ｎ（ｎ）（１０） とし、評価関数Ｊを、 とする。ここで、Ｒは重みパラメータ行列、ｔは転置を
示す。ｋは制御開始時点を０とするサンプル回数で、（
１１）式の右辺第２項は（Ｒを対角行列とすると）（９
）式の２乗を表わす。また、（１１）式の第２項を（９
）式のような制御入力の差分の２次形式としているが、
これは第５図のようにＩ動作付加によるものである。

（１１）式の評価関数Ｊを最小とする最適制御入力■（
ｋ）は、 となる。（１２）式で Ｋ＝−（Ｒ＋ＢｔＰＢ）−１ＢｔＰＡ（１３）とおくと
、Ｋは最適ゲイン行列である１、また（１２）式におい
て であり、Ｐは、 のリカッティ（Ｒｉｃｃａｔｉ）方程式の解である。

（１１）式の評価関数Ｊの意味は、制御入力ｕ（・）の
動きを５−制約しつつ、制御出力ｙ（・）であるアイド
ル回転速度Ｎの目標値Ｎγからの偏差ＳＡ（回転変動）
を最小にしようと意図したもので、その制約の重みづけ
は重みパラメータ行列Ｒで変えることができる。従って
、適当なＲを選択し、アイドル時の機関のダイナミック
モデル（状態変数モデル）を用い、（１６）式を解いた
Ｐを用いて計算した（１３）式の最適ゲイン行列にＫマ
イクロコンピュータに記憶し、アイドル回転速度の目標
値Ｎγと実際値Ｎの偏差ＳＡの積分値および推定された
状態変数■（ｋ）から、（１２）式によって最適制御入
力値■（ｋ）を簡単に決定することができる。また前述
したように、機関のダイナミックな状態変数の推定値■
（ｋ）を求めるには、行列Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｇの値をマイク
ロコンピュータに記憶しておき、（６）式により計算す
ればよい。

さて、予測外乱（すなわち投入されることが予め判かる
外乱）、例えばエアコン負荷外乱等は、エアコンスイッ
チ１１のオン信号で、外乱投入がフィードフォワード情
報として使え、通常のフィードバック制御に加えて、空
気量や燃料供給量のフィードフォワード制御を付加する
ことができる。

しかしながら、空気量や燃料供給量を駆動調整してアイ
ドル回転速度の応答を得るまでには時間が掛かり、第６
図（Ａ）（Ｂ）に示すように、エアコン投入直後のアイ
ドル回転速度の低下は避けられない（第６図（Ｂ）の実
線）。さらにこの間に、他の負荷外乱、例えばパワステ
、電気、クラッチ接続等の負荷が加わると、さらに回転
速度が低下し、エンストする場合もある。

そこで、エアコン等の予測できる負荷外乱が加わった時
には、応答性の良い点火時期■Ｔをフィードフォワード
制御として加え（第６図（Ｅ））アイドル回転速度の低
下を抑えることができる（第６図（Ｂ）の一点鎖線）。

なお、点火時期の変え方には種々考えられるが、第６図
（Ｅ）では一律にある値（例えば８°）だけ進角させる
例である。また第６図（Ｂ）ではアイドル回転速度の目
標値Ｎγは６５０ｒｐｍであり、エアコンスイッチ１１
投入と同時に目標値Ｎγを８００γｐｍにし、エアコン
スイッチ１１のオフと同時に６５Ｏγｐｍに戻した例で
ある。

以上のアイドル回転速度制御の手順を示したのが、第７
図である。手順を説明すると、ステップ３０では、エア
コンのオン−オフ状態、水温Ｔｗの値等によりアイドル
回転速度の目標値Ｎγを決める。ステップ３１では、予
測外乱（例えばエアコン）投入時に点火時期ＩＴを進角
させる。ステップ３２では、アイドル回転速度の目標値
Ｎγと実際値Ｎの偏差ＳＡを計算する。ステップ３３で
は、制御を始めてから前の周期までの回転速度の偏差Ｓ
Ａを加算していて、結果をＤＵＮというレジスタに移す
。ステップ３４では、回転速度の実際値Ｎの基準設定値
Ｎａ（例えば６５０γｐｍ）からのズレδＮを計算する
。ステップ３５では、前の制御周期で推定された機関の
ダイナミックな内部状態を表わす状態変数量■１〜■３
（前回計算値）と、計算された制御入力値δＰＡおよび
δＰＦと、さらに制御出力値であるδＮとを重みづけ加
算して各状態変数量ｘ１〜ｘ４を計算する。但し（６）
式の行列（Ａ−ＧＣ）は、 の形で、有限整定オブザーバを形成した例である。

なお、（Ａ、Ｂ、Ｃ）は可観測正準形を用いている。

ステップ３６では、推定された機関のダイナミックな内
部状態変数量ｘ１〜ｘ４とＤＵＮに最適ゲインＫの要素
にｋｉｊを乗じて加算し、基準設定値（ＰＡ）ａおよび
（ＰＦ）ａに対し制御入力値をどれだけ増量するかを計
算する。

第７図の係数ｂｉｊ、ｇｉ、ｋｉｊ等は、予め求めてお
いてマイクロコンピュータ等に記憶しておく。

前述したように、この発明における内燃機関の制御出力
をアイドル回転速度とした時に、制御入力としては、空
気量（または相当量）、燃料供給量（または相当量）お
よび排気還流量（または相当量）のいずれか１つまたは
任意の２つ以上の組合せを用いることができ、上述の実
施例では、バイパス空気量の相当量であるＶＣＭバルブ
の制御ソレノイドのパルス幅δＰＡと、燃料供給量の相
当量である燃料噴射パルス幅δＰＦとを制御入力とする
場合について説明した。

（発明の効果） 以上説明したように、この発明によれば、内燃機関のダ
イナミックなモデルに基づく多変数制御手法を適用して
アイドル回転速度制御を行ない、しかも内燃機関のダイ
ナミックな状態を推定する手順を付加し、なおかつ、状
態観測器内の機関モデルを低次元化したものを用いて計
算時間を短縮し、その近似誤差分は積分動作で吸収する
ようにしたため、アイドル状態で問題となる失火外乱や
負荷外乱などの外乱に対する制御過渡応答を最適にでき
、しかも制御自由度を上げ制御性を高めるために多変数
制御入力を加えて制御することも容易であり、より安定
なアイドル回転速度制御が実現できるという効果が得ら
れる。

そして特に、予測できる負荷外乱が加わる時には、点火
時期をフィードフォワード制御として効果的に変えるこ
とで、回転速度の低下を抑えることができ、より安定な
アイドル運転を実現することができるという効果が得ら
れる。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来の内燃機関のアイドル回転速度制御装置の
構成図、第２図は従来のアイドル回転速度制御方法を示
すフローチャート、第３図はこの発明による内燃機関の
アイドル回転速度制御方法を実現する制御装置の構成図
、第４図は第３図の制御入出力と機関の関係を示すブロ
ック図、第５図は第３図の積分動作とゲインブロックの
詳細な構成図、第６図（Ａ）（Ｂ）（Ｃ）（Ｄ）はこの
発明による方法の実験結果を示す図、第７図はこの発明
による方法を説明するフローチャートである。 １・・・ＡＡＣバルブ、２・・・ＶＣＭバルブ、３・・
・制御ソレノイド、４・・・スロットルバルブ、５・・
・バイパス、７・・・スロットルバルブスイッチ、８・
・・ニュートラルスイッチ、１０・・・水温センサ、１
１・・・エアコンスイッチ、１２・・・内燃機関（制御
対象）、１３・・・状態観測器、１４・・・積分動作と
ゲインブロック、Ｎγ・・・アイドル回転速度の目標値
、Ｎ・・・アイドル回転速度の実際値、Ｎａ・・・アイ
ドル回転速度の基準設定値、ＳＡ・・・アイドル回転速
度の目標値と実際値の偏差、ＰＡ・・・バイパス空気量
を規定する制御ソレノイドの駆動パルス幅、ＰＦ・・・
燃料供給量を規定する噴射電磁弁の駆動パルス幅、ＩＴ
・・・点火時期、ｘｉ（＝ｘ）・・・状態変数量、■（
＝■）・・・状態変数の推定量。 特許出願人 日産自動車株式会社 特許出願代理人 弁理士　　山本恵一 菓３図 −３１１− 翼４　図 ／４ 「←□□□←□←□□□□□□□□ニー□□□コＬ　　
　−、−−−−−、−−−−Ｊ 手続補正書（方式） 昭和５８年４月１４日 特許庁長官　　若　杉　相　夫　殿 １、事件の表示 昭和５７年　特　許　願　第２２７５４９号２、発明の
名称 内燃機関のアイドル回転速度制御方法 ３　補正をする者 事件との関係　　特許出願人 名　称　　（３９９）　Ｂ産自動車株式会社６補正の対
象 左丈　　」二

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 内燃機関のアイドル時に、アイドル回転速度の目標値Ｎ
   γと実際値Ｎの偏差ＳＡに基づいて、アイドル回転速度
   をフィードバック制御する方法において、コントローラ
   に記憶された前記内燃機関のダイナミックモデルに基づ
   き、前記内燃機関の制御入力値である該内燃機関に供給
   される空気量もしくは相当する量および該内燃機関への
   燃料供給量もしくは相当する量および排気還流量もしく
   は相当する量から選択される１つまたは任意の２つ以上
   の組合せと、該内燃機関の制御出力値であるアイドル回
   転速度とから、該内燃機関のダイナミックな内部状態を
   代表する適当な次数の状態変数量ｘｉ（ｉ＝１、２、・
   ・・ｎ）を推定し、該推定された状態変数量■（ｉ＝１
   ，２，・・・ｎ）と前記回転速度の偏差ＳＡの積分量と
   から、前記制御入力値を決定し、さらに、予測できる持
   続外乱が加わった時に点火時期を変えることを特徴とす
   る内燃機関のアイドル回転速度制御方法。