JPS5951150A - 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ダイナミッ
クな振舞い（動的挙動）を推定しながら、機関の人力変
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をデー−ティ制御
することによってリフトｔ　がＷ　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
（アイドルスイッチ）７によるアイドル（ＩＩ）ＬＥ）
信号、ニュートラルスインチ８によるニュートラル（Ｎ
ＪＤＵＴ）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１ｏによる冷却水温度（１’ｗ）に応
じた１次元テープルルンクアノプによって、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（Ａｌ６）信号、ニュートラル
（ＮｌうＵＴ）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Ｎ、に対し、機関の実際のアイドル回転速
度Ｎとその目標値Ｎｒとの偏差ＳＡが小さくなるように
制御ンレノイド３のパルス幅ＰＡを比例、積分（１）Ｉ
）のデユーティ制御をして、目標回転速度Ｎｒ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Ｐ■制御を行なっている
訳ではなく、さらには、制御手法としてのＰＩ副制御多
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
荷外乱が加わつＴこ直後等の、機関がダイナミックな振
舞いを呈する時には、制御追従性ず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
■制御の手法では適用が難しいという問題があった。

（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、
ｌＩだもので、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
、制御性な高めることを容易にし、もってより安定なア
イドル回転制御を行なうことを目的とする。

（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）、点火時期、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）の
うちのいずれが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ｍｊ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ＰｆＤ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。

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
制御方法の一笑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、アイ
ドル回転速度制御の他、空燃比フィートノ゛＜ツク制御
を含む燃料噴射制御その他を行なっている。

制御対象１２０制御出力をアイドル回転速度どした場合
、制御入力としては、空気量、点火時期、燃料供給量↑
６よび排気還流量のうちのいずれか１つま１こは任意の
２つ以上の組合せをとり得る。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Ｖ　ＣＭパルプ２の制御ルノイド（第１図）を駆動す
るパルス幅Ｐ人（すなわちバイパス空気量に和尚する量
）と点火時期Ｉ　Ｔとをとる。制御出力はアイドル回転
速度Ｎで゛、１出力て゛ある。

１３は、制御対象である機関Ｉ２のダイナミックモデル
な記憶していて、上記３つの制御入Ｌ１つ力情報１）Ａ
、　Ｉ　ｉ”　、　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
態を代表する状縛変敬量Ｘ（例えば４つの量Ｘ１゜ｘ２
．ｘｌ、ｘ４θ）ベクトル表示）の推定値Ｘを日１算ず
ろ。

状態観測器１３は制御対象で１）る機関をンミーレーン
ヨンするもので、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】２の内部状態を表わす状態変数は
、具体的には例えばイノ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。これらの値なセ
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℃・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２かしな
がら現時点て・は、それらの値を検出できる実用的なセ
ンサはあまり存在１〜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
状態な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Ｉ］は、ｎが大きい程／ミュＩノージョ
ンが精確になるが、反面計算が複雑になる。そこでモデ
ルと（〜では低次元近似さ」主ブこものを使用し、近イ
ＪＪ誤差または機関個体差による誤差を、積分動作で吸
収する。

この発明νこおける２人力］用力の場合には、ｎ−４程
度が適当である。

第３図において−１４は積分動作とゲインブロックで、
機関回転速度の指定され１こ目標値Ｎｒと実際値Ｎとの
偏差ＳＡを積分した量および状態観測器Ｉ３で計算され
た状態変数量Ｘから、２つの制御入力ＰＡとＩ　’Ｊ”
の値を計算する。そして、上記状態観測器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。

次に作用を説明ずろ。

制御対象である機関１２は２人力１出カシステムで、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１こＭＷ形近似された伝達関数行列Ｔ（Ｚ
）から、制御対象】２のダイナミノクブエ内部状態を推
庁ずろことが可能である。その１つσ）手法として状態
観測器１３がある。アイドル回転速度近辺の運転条件で
、制御対象】２の伝達関数行列’１Ｍｚｉが実験的に求
まり、 ’ｒ（ｚヒ−１、’Ｖ、（ｚ）　　Ｔ２（ｔ）　）　　
　　　　　　　　（１）と７ｘろ。１１１シ、Ｚは人出
力信号のサンプル値のｌ−３換を示し、Ｔ、（ｚ）と’
Ｊ’２（ｚ）は例えば２の２次伝達関数である。

人力、出力および伝達関数Ｔ、（ｚ）　、　Ｔ２（７，
１の関係を・ｌ＜　−’ｌ−ｊｊｉ１１イａｌ１７を象
（機関）１２のモデル構造を化４図に示す。但し、入出
力はそれぞ、１１．基準設定値からのズレδ））Ａ　＋
δＩＴ、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ろ。

先ず、’ｆ’（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）−八ｘ（ｎ−１）＋Ｂｕ（ｎ−１）　　　　（
２１ｙ　（ｎ　−］、　）＝Ｃｘ（ｎ−１）　　　　　
　　　（３）を導く。ここで、各量のカッコ内の（１］
）は現時点を、まブこ（ｎ　−］−）は１つ前のザンプ
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、
制御ルノイド３のパルス幅δＰＡ　（ｎ　−１’）と点
火時期δＩ　Ｔを要素とする。ずなわち、まムニｙ（ｎ
−１）は制御出力で、制御入カベクｌ−ルと同様に、あ
る基準回転速度Ｎａ（例えば６５０　ｒｐ＋η）からの
摂動分を表わすδＮ（ｎ−］、）を要素とする。

すなわち、 ｙ（ｎ−１）−δＮ　（ｎ　−］、　’）　　　　　　
　　　（５）Ｘ（・）は状に、す変数ベクトルであり、
行列へ、Ｂ、Ｃは伝達関斂行列’Ｉ’ｆＺｌの係数から
決まる定数行列である。

ここで、次のようなアルゴリズムを持つ状態観測器を構
成する。

Ｘ（＋］）　＝　　（Ａ　−（ＡＣ）　Ｘ　（ｎ−１）
　＋　Ｂ　ｕ　（＋コー１　）＋Ｇｙ（ｎ−１）　　　
　　　　　　（６）ここに、Ｇは任意に与えられる行列
で、Ｘ（・）（ま機関ｊ２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）　−Ｘ　（ｎ）　）　−（八−ＧＣ）（ｘ
（ｎ−１’）−ｘ（ｎ−１）：］　　　　　（７） となり、行列（八−（ｊＣ）の固有値が単位円内にある
ようにＧを選べば、 ＋１−）大で　　ｘ（ｎ）　−＞　ｘ（ｎｌ　　　　　
　　（８）となり、内部状態変数量Ｘ（Ｉ］）を入力Ｕ
（・）と出力ｙ（・）から推定ずろことができる。まプ
こ、行列Ｇを適当に選び、行列（八−しＣ）の固イ１値
を全て零にすることも可能で、この時状態観測器１３は
有限整このようにして推定された状態変数Ｘ（・）と、
目標回転速度Ｎｒと現在の実際の回転速度Ｎ（・）との
偏差５Ａ−（Ｎ、−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
（ＰＡ）ａからの線形近似が成り立つ範囲内での増量分
δＰＡ（りと、点火時期の基準設定値からの線形近似か
成り立つ範囲内での増量分δＩＴ（・）を決定し、機関
のアイドル回転速度Ｎの最適レギー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Ｎｒに合致するように制御する定値
制御を意味する。なお本発明では、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１（積分）動作を付
方ｕしてし・るが、ここではＩ動作を含めての最適レギ
ーレータ制御を行なう。

この発明の制御対象である機関は、前述し定ように２人
力１出カシステムであり、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」（昭和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ずろ。結
果のみを記述すると、いま、 δｕ（ｎ）　＝　ｕ（ｎｌ−ｕ（ｎ−１）　　　　　　
　（９）δｅ　（ｎ）　＝Ｎｒ　　Ｎ　（ｎ）　　　　
　　　　　　’　　ＱＯ）とし、評価関数Ｊを、 Ｊ＝：ｒ　　（δｅ（ｋ１２＋δｕ（（ｋｌＲδｕ（ｋ
）　）］　　　　　（団に−。

とする。ここでＲは重みパラメータ行列、ｔは転置を示
す。ｌ（は制御開始時点な０とするサンプル回数で、（
開式の右辺第２項は（９）式の２乗（Ｒを対角行列とす
ると）を表わす。また旧）式の第２項を、（９）式のよ
うな制御入力の差分の２次形式としてし・ろが、こ、ｌ
］、は第５１スのように１動作を付加したためでｋ）ろ
。（１１）式の評価関数Ｊを最小と１−ろ最適側′　個
入力ｕ”ｉｋ）は、 となる。（１２）式で に＝−（１（＋Ｂ　？Ｂ）Ｂ　ＰＡ　　　　　　（１３
）とおくと、Ｋは最適ゲイン行列である。また（１２）
式％式％ のりカッティ（Ｒｉｃｃａｔｉ　）方程式の解である。

旧）式の評価関数Ｊの意味は、制御入力Ｕ（・）の動き
を制約しつつ、制御出力ｙ（・）であるアイドル回転速
度Ｎの目標値Ｎｒからの偏差ＳＡ（回転変動）を最小に
しようと意図しＬ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℃・、（ｌ　Ｉｉ）式を解い１こ
Ｐを用いて計算し１こ（１：（）式の最適ゲイン行列Ｋ
をマイクロコンピュータに記憶し、アイドル回転速度の
目標仙Ｎ１と実際値Ｎの偏差ＳＡの積分値および推定さ
」１．た状ｉ、目変数ｚ（ｋ、）から、（１２）式によ
って最適開側１人力値ｕ＊（ｋ）を簡単に決定すること
かできる。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ｘ（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−（１，アイドル回転速度制御開始と判断した場合（
例えば、スロットルが全閉状態で、かつ、所定機関回転
速度以下となった場合）には、開始の判断と同時に状態
観測を始めろ訳であるが、（６）式のアルゴリズムから
判るように、推定状態の初期値Ｘ（０）を与えなげれば
ならない。例えば、アイドル回転速度制御を始めると判
断し１こ時の機関回転速度が９０Ｏｒｐｍだったとしブ
こも、推定状態の初期／＼ 値Ｘ（０）はその状態に近い値を設定しておけば、以後
の推定を速く確実に行なうことができ、コーステイング
から目標回転速度（例えば６５０　ｒｐｍ　）に制御す
る際の過渡応答に対する制御性もよ（なり、コーステイ
ングエンストを防止することができる。

但し、同じ９００　ｒｐｍの時の状態でも、スロットル
が全閉になったのが２０００　ｒｐｍでそこから回転速
度が落ちてきて９００　ｒｐｍになった時と、４０００
　ｒｐ目］でスロットル全閉になって回転速度が落ちて
きて９００　ｒｐｍになつ１こ時では、機関の内部状態
変数値は異なり、推定状態の初期値Ｘ（０）は、スロノ
ｔ・ルが全閉になった時の機関回転速度と、アイドル回
転速度制御を始めろと判断した時の機関回転速度に応じ
て与えることで、正しい状態推定が可能となる。つまり
、アイドル回転速度制御の開始時（にスロットルが全閉
になった時とアイドル回転速度制御の開始時の機関回転
速度に応じて状態初期値Ｘ（０）を与え、（６）式によ
り計算すればよい。この状態初期値Ｘ（０）の値は、あ
らかじめ計算機シミーレーションで求めておき、例えば
、スロットルか全閉になった時の機関回転速度と、アイ
ドル制御開始時の機関回転速度の２次元テーブルとして
マイクロコンピュータに記憶しておく。

また、アイドル回転速度制御を開始すると判断した時（
この時機関回転速度が９０Ｏｒｐｍとすると）、（０式
のΣＣＮｒ　　Ｎ（Ｊ）　：）の与え方は、本来ならば
、−Ｏ Ｎ、が６５ＯｒｐｍであればΣＣＮｒ　　Ｎ（ｊｌ〕−
一２５０ｒｐｍ−０ と力えらＪするか、この場合は制御入力値が小さくなり
、第１１図（Ａ）のように、目標アイドル回転速度（６
５０ｒｐｍ　）に対するアンダシュートを生じ、コース
テイングエンストの原因となる。そこで、Σ（Ｎ、−Ｎ
（ｊ））の値を疑似的に大きい値、ずなわ−０ ち実回転Ｎ（０）を見掛は上目標アイドル回転速度付近
あるいは、目標回転より下にあるように設定すり、ば、
制御入力値は大きくなり、第１１図ＦＢ＋に示すように
、目標回転速度への連応性が多少損われるが、アンダシ
ュートがほとんどなくなり、極めて安定に制御すること
ができる。

そして、以上の初期値は、スロットルが全閉になつ１こ
時とアイドル回転速度制御を開始すると判断した時の機
関回転速度に応じて力えてやる（例えば２次元テーブル
の形）。

第１２図ｆＡＭＢ）に、アイドル運転中空炊がしした場
合の制御性を示す。第１２図（ＡＩは、空吹かし後アイ
ドルスイッチが再び入り、この時所定回転速度（例えば
１１００　ｒｐｍ　）以下でアイドル回転制御を開始す
ると判断した時（この時の機関回転速度を例えば９５０
ｒｐｍとする）、初期値はΣ〔Ｎｒ−Ｎ（Ｊ）〕ｊ＝０ ””　　４５０　ｒｐｍとなり、その値を用いて制御し
た場合であり、第１２図（Ｂｌは、疑似的に３０Ｏｒｐ
ｍと与えた時の制御性であり、エンストを避けるための
安全マージンを大きくとるため、大きい初期値をカえた
結果である。第１２図（Ｂ）に示すこの発明の方法によ
る場合の方が、コーステイングエンストを防止できるこ
とが明らかである。なお、状態変数初期値は（Ａｌ（Ｂ
ｌ共に同じ値にしている。　　　′さて、機関］２の冷
却水温度や酸素濃度センサの活性状態が変わると、機関
のダイナミックが変わってくる。

例えば、冷却水温度が１０℃の時と６０℃の時では、機
関の振舞いは変わってくる。このように、機関のダイナ
ミックが大幅に変化する時は、機関のある１つの所定条
件で実験的に求めら牙１１こ前述の（２）９（３）式に
よるダイナミックモデルだけでは、正嫡な制御を続ける
ことは期待できず、何らかの形で適応ずろことか望まし
い。

従って、機関のダイナミックが変わったことを検知する
バラメーク（例えば冷却水温度）を決め、そのパラメー
タの種々の値に応じてダイナミックモデルを記憶Ｉ−又
ぢき−そのパラメータの値に応じてダイナミックモデル
を切り換えて制御していくことで、最適ノエ制御を続け
ろことができる。この場合、状態観測器１５の定数行列
へ、Ｂ、Ｃ，Ｇ（ｆ２）　、（３）、（６）、（７）式
）も変え、また、（１３）式の最適ゲイ７にも切り換え
ていく。

また、酸素濃度センサが伶えて、空燃比のリッチ（燃わ
１濃）−リーン（燃料薄）の判定が不能になると、空燃
比フィードバック制御は一定値にクランプされ、酸素濃
度セッサが不活性の間は、混合気濃度がリッチ側かある
し・はり一ン側に片寄ってしまう。この場合、とりもけ
リッチ側に片寄った場合は、機関のダイナミックはかな
り変化し、アイドル回転速度の制御性の悪化を呈するこ
とになる。

従って、酸素濃度センサの活性状態が変化した場合にも
、変化したその活性状態に応じて、状態観測器１３の定
数行列Ａ、Ｂ、Ｃ，Ｇおよび最適ゲインＫを切り換えて
いく。

以上の手順で、アイドル回転速度が一定の状態における
種々の外乱に対する過渡応答と、アイドル回転速度の目
標値を変更した場合の過渡応答を実験し１こ結果を、従
来のＰ　Ｉ制御とこの発明による多変数制御とで比較し
たのが第１３図（Ａ）ｆＢ］および第１４図（Ａ）（Ｂ
）である。

第１３１ａｆＡ）ｆＢ）は、冷却水温度Ｔｗに拘らずダ
イナミックモデルを単一とした場合（Ａ）と、冷却水温
度ＴＷに応じてダイナミックモデルを切り換え１こ場合
（Ｂ）の実験結果を示す。第１３図（Ａｌは、Ｔ、ｖ＝
　６０〜８０　’Ｃ位でモデリングし１こものを基に制
御系を股引し、その時の最適ゲインにと状態観測器モデ
ルで、冷却水温度′１゛いが２０℃の時に空炊しを行な
った結果であり、第１３図（Ｂ）は、Ｔｗ−１０〜３０
°Ｃ位て゛モデリングしたものを基に制御系を設計し、
その時の最適ゲインにと状態観測器モデルで、冷却水温
度２０　℃の時に空炊しを行なった結果である。いずれ
も目標回転速度Ｎｒは１２００　ｒｐ＋ｎである。図か
ら、冷却水温度Ｔｗに応じてダイナミックモデルを切り
換えた方が、良好な制御性が得られることが判る。

第１４図（Ａ）（Ｂ＋は、酸素濃度センサの活性状態に
拘らずダイナミックモデルを単一とし１こ場合（Ａｌと
、活性状態に応じてダイナミックモデルを切り換えた場
合（Ｂｌの実験結果を示す。第１４図（Ａ）は、酸素濃
度センサが活性の場合でモデリングしたものを基に制御
系を設計し、その時の最適ゲインにと状態観測器モデル
で、酸素濃度センサが不活性でリッチ側に片寄つブこ時
に空炊しを行なった結果であり、第１４図ｔＢ）は、酸
素濃度セッサが不活性でリッチ側に片寄つブこ場合でモ
デリングしたものを基に制御系を設ｄ１−シ、その時の
最適ゲインにと状態観測器モデルで、酸素濃度センサが
リッチ側に片寄っ１こ時に空炊しを行なつ１こ結果であ
る。図から、酸素濃度センサの活性状態に応じてダイナ
ミックモデルを切り換えた方が、良好な制御性が得られ
ることが判る。

以上説明してきた方法はフィードバック制御であるが、
例えばエアコン・コンプレッサ負荷、パワーステアリン
グポンプ負荷、クラッチミートによる負荷等の事前にス
イッチからの信号で予測できるような負荷が入った場合
は、上記のフィードバック制御に加えフィードフォワー
ド制御を行なうことにより、過渡時の制御性を高めるこ
とかで・きる。

一１’ｌｌヲエアコンのオンオフについて第１５図（Ａ
）（Ｂｌを参照して説明する。第１５図（Ａｌは通常の
フィードバックｆｔ１Ｊ御で制御した場合であるが、エ
アコンオンと同時にアイドル回転速度が太き（低下し、
エアコンオフの場合はアイドル回転速度が一時的に一上
昇する。第１５図（Ｂｌはこの発明によるフィードバン
ク制御にエアコンオン・オフと同時にフィードフォワー
ド制御を加え１こ方法で制御を行なつ１こ場合である。

エアコノオン・オフ時のンイードフォワード制御の具体
的な方法は、エアコンオン時点において、第１図に示ｉ
−ＶＣＭバルブ２の制御ソレノイド３を制御するデー−
ティ信号のオンデー−ティパルス幅を所定量（例えば４
ｍ５）増やし、バイパス空気量を増やしてやる。エアコ
ンオフ時点においては、この増分を取り去る。

以上、エアコンオン時につり・て説明したが、エアコン
オフ時は同様な方法で減算を行なう。

以上は工′アコンのオン・オフについて説明しプ、二が
、パワー・ステアリングポンプからの信号やクララチス
インチからの信号によっても同様の制御か行なえる。

第１６図（Ａ）（Ｂ）はパワーステアリングポンプ負荷
が加わつＩこＪＪ、合の実験結果で、第１６図［Ａ＋は
従来のフィードバンク制御によ４）場合、（Ｂ）はフィ
ードフォワードｔｌｌＪ御を加えた場合である。

ここで、エアコンやバフステ等の持続負荷外乱というの
は、外乱が力１】わり始めたことをフィードフォワード
情報として検知できるものである。また、このような持
続負荷外乱が加わつ１こ時の最適サーボ制御ゲインには
、このような持続負荷外乱がない場合の一般の外乱（例
えば機関の失火等）に対して制御性の良い（１３）式の
最適ゲインにとは異なる傾向がある。例えば第１７図（
ａ）はあるゲインＫ。

において、エアコンが入った時のサーボ制御Ａ１と一般
の定常時の外乱が加わった時の制御Ｂ１を行なつ１こ場
合、第１７図（ｂｌは別のゲインに２において、同じく
エアコンが入った時のサーボ制御Ａ２と一般）定常時の
外乱が加わつγこ時の制御１３２を行なつ１こ場合を示
す。第１７図（ａ）のＡ。はエアコンが入った時のアイ
ドル回転制御の目標値を示す。第１７図（ａ）とｆｂ）
を比較倹＃Ｊすると、エアコンが入った時のサーボ制御
は第１７図（ｂ）の方が良い制御性を示し、他方、一般
の定常時の外乱が加わった時の制御は第１７図（ａ）の
方が良い。これはそれぞり、の外乱で制御性の良いゲイ
ンＫが異なることを示す。従って定常時エアコンが入っ
ていない時はゲインに、で、またエアコンが入った時は
ゲイン４に２に切り換えてそれぞれ制御を行なうことで
、より制御性を高めることができる。

さて、次に、アイドル運転をしていると、機関に予測不
可能な空気の外乱が加わり、機関回転速度が目標より上
にあり、目標に近づかない状態が継続し、制御入力であ
るバイパス空気量が非常に少なくなり、また点火時期も
回転低下の方向（遅角（ｆｉｌｌ　）　ＶＣ動い１こ状
態で、急に外乱が除かＪｌ、１こ場合、制御入力である
空気量、点火時期が急には回転速度上昇の方向に動かな
いため、機関回転速度が低下しエンストしてしまう場合
がある。

例えば、エンジン始動後、水温が低い時、１標機関回転
速度は通常高くとられるが、ＡＡＣバルブで制御される
バイパス空気量だけでは機関回転速１１を高めることが
できない１こめ、エアレギュレータを取りイ」け、外乱
空気を供給し、時間経過により徐々に空気量を減じてい
く。この時、エアレギュレータで供給される外乱空気量
と、ｖＣＭノくルブ２（第１図）で供給される空気量と
の和が機関に供給さＪする総空気量となってし・る。こ
の時、エアレギュレータで供給される空気量が、水温等
で求めＩこ目標回転速１反Ｎ［に機関を運転するのに十
分すぎる量である場合、目標Ｎｒより上に実回転があり
、ＶＣＭバルブ２が全閉で、制御入力である空気量と点
火時期を最小にしてしまう。この状態でエアレギュレー
タが急に閉じた場合、急に回転が低下し、目標Ｎｒより
かなり実回転が低（なり、バイパス空気量、点火時期を
増す方向に制御が開始するが、空気外乱が大きく、実回
転が目標より上にある時間が長い場合、回転偏差の積分
値が太き（蓄積さＪｌていて、それをはき出すまでに時
間がかかり、実回転が目標を下まわる状態がかなり続き
、この間エンストしやすい状態となる（第１８図（Ａ）
）。

また、スロットル全閉状態を検知するスロットルバルブ
スイッチ７には不感帯があり、車両停止時にスロットル
バルブスイッチが切れなし・程度にアクセルペダルに足
を乗せ、スロットルバルブ４が少し開い１こ状態が続℃
・た場合にも前述したことと同様のことが起こり、その
状態でアクセルをはなすと急にスロットルバルブ４より
供給されてい１こ外乱空気がなくなり、また同時に点火
時期も遅角されているため、急に機関回転速度が低下し
、エンストしやすくなる（第１９図（Ａ））。

以」二のような、制御不可能状態から解放さ、ｈ、−ｒ
、口直後の回転低下を防止するため、次のような対処を
行なう。すなわち、制御不可能となる程度の外乱が加わ
っていることを、目標回転に実回転が整定さハていない
のに、制御入力であるバイパス空気量と点火時期が下限
に達しｆこことから判断し、その後、外乱が除かれ回転
が低下し、目標より小さくなつ１こ直後に、機関の状態
変数、回転偏差積分値をキャンセルし、同時に、バイパ
ス空気量、点火時期な目標回転を実現する基準設定値（
例えば、ＶＣＭチー−ティ２７％一点火時期２］０１３
’ｌ”ＤＣ）と′ｆＩ「るよう設定することで、回転低
下か持続することを避けろことができる（第１８図（Ｂ
）、第１０図（Ｂ））。

以−」二θ）アイドル回転速度制御の手順を示し１この
が、第６図て゛ある。手順を酸１明すると、ステップ（
３（１）　、　（３＋）により、アイドル制御を始める
か否かを判定する。すなわち、スロットル全閉状態（例
えばス「ｌソトルバルブスインチで）になり、かつ機関
回転速度Ｎが所定回転速度Ｎ＊（例えば１１００１’ｌ
’）１１１　）以下の時制御を開始し、そうでない場合
は、ステップ（３３）、’（３４）でフラグ１と３を１
にセントしてリタ・−ンする。制御をすると判断しブこ
時は、ステップＣ３２）で、フラグ１を見て、初めて制
御を始めろのか否かを判定し、フラグ１〜Ｏであわば初
めて制御を行なうので、スロットル全閉になった時の機
関回転速度と、アイドル制御を開始すると判断した時の
機関回転速度に応じて、回転偏差の積分初期値Ｌ’）Ｕ
Ｎと、オブザーバで推定し始めろ時の状態変数初期値を
力え、フラグ１−０とする（ステップ（３５）　、　（
３７）　）。またステップ（３２）でフラグ１−０であ
れば、既に各初期値が与えられ制御が始まっているとし
て、ステップ（３６）でフラグ１を零とする。ステップ
（３８）では、水温Ｔｗまたは０２センサの活性状態に
応じた機関ダイナミツクを表わすオブザーバのモデル並
びに制御ゲインＫを選定し、特にエアコンあるいはパワ
ステ等の負荷が加わっていることがわかれば、その時の
過渡特性を最適にずろ′ような制御ケインＫを選定する
。ステップＣ３！１）で゛は、水温′１゛ｗ−エアコン
オン・オフあるいはバッテリ電圧状態に応じた目標回転
速度Ｎ１を割算する。ステップ（、−１０）〜（４５）
では、制御不可能となるような空気外乱が加わっている
かどうか、更には、加わっている時の対処を示すフロー
であり、ステップ（＝ＩＯ）で、現回転速度Ｎが目標Ｎ
１−より大きく、かつこの時制御入力値が下限にはりつ
いていＪｌばフラグ２　＝　０としくステップ（、！３
））、その後空気外乱が除かね１、初めて回転か低下し
て目標Ｎ、−を下まわったら、（ステップ（４２）　）
、下限にはりついプこ状態をキャンセルしくステップ（
４４）　）、ステップ（５０）へ移り、制御入力値計算
を行なう。空気外乱が入っておらず、かつ初めてアイド
ル制御を始めた時でない場合（フラグ３−Ｏ）は、ステ
ップ（４０）へ移り、回転偏差ＳＡを計算し、ステップ
（４７）で積分する。ま１こ、ステップ（４８）で基準
回転設計値Ｎａとの回転摂動分δＮを計算し、ステップ
（／＋　９）で状態変数の推定を行なう。ｘ１＊〜Ｘ：
は前回削’”ｔｔ’　値である。ステップ（５（１）で
は、以上求まったｋ）ろいは−りえら第１ムニ状態変数
値と、回転偏差積分量ＤＵＮから最適ゲインＫ（ｇ素を
に１．とする）を乗じて、制御入力の基準設定値からの
増分を割算する。但し、ステップ（４９）は、（６）式
で可観測正準形（八、Ｂ、Ｃ）を用い有限整定オブザー
バを形成し１こ例であり、（八−ＧＣ）は となっている。

第６図の係数ｂｉｊ　＋　ｇｉ　＋　ｋｉｊあるいは］
）ｔｌへ、Ｘ１〜ｘ４初期値等は、予め求めておき、マ
イクロコンビーータ等に記憶しておく。

以上の手順で、アイドル回転速度が一定の状態における
種々の外乱に対する過渡応答と、アイドル回転速度の目
標値を変更しムニ場舎の過渡応答を実験した結果を、従
来の１）　Ｉ制御とこの発明による多変数制御とで比較
し１このが第７図（Ａ）（Ｂ）ないし第１０図（Ａ）（
Ｂ）で・ある。

第７図（Ａｌ（Ｂｌはクラッチ接続時（４８点で半クラ
ツチ接続、但しブレーキを踏んでいる）のアイドル回転
速度Ｎの過渡応答を示し、ｆＡ）は従来の１）　Ｉ制御
、ｆＢ）はこ−の発明の多変数制御の場合である。第８
図（Ａｌ（Ｂ＋はクラッチ遮断時（１６点で遮断）の過
渡応答を示し、（Ａ）は従来方法、（Ｂ）はこの発明の
方法の場合である。第９図ＦＡ）（Ｂｌはエアコンをオ
ンし、目標アイドル回転速度を８０Ｏｒｐｍ移行し定場
合、およびエアコンをオフし、目標アイドル回転速度を
６５Ｏｒｐｍに戻しブこ場合の過渡応答を示し、（Ａ）
は従来方法、（Ｂ）はこの発明の方法の場合である。第
１０図（ん（Ｂ）は無負荷高回転状態から目標値６５０
　ｒｐｍにコーステイングする場合の過渡応答を示し、
ｆＡ）は従来の方法、（Ｂｌはこの発明の方法の場合で
ある。

第７図（Ａ）（Ｂ）ないし第１０図（Ａ）（Ｂ）から明
らかなように、いず」９の場合もこの発明による方法に
よって、過渡制御性が大幅に改善されていることが判る
。なお第７図（Ａｌでは、アイドル回転速度が目標値に
整定しない。

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、制御入力どしては、空
気量（または４目当量）、点火時期、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
７０Ｍバルブの制御ソレノイドのパルス幅と点火時期と
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イ」加し、なおかつ、オブ
ザーバ内のエンジノモデルを低次元化したものを用い、
その近似誤差分は、積分動作で吸収するようにし、ダイ
ナミックが変化したら前記エンジンモデルを切替え、ま
た制御開始時には、以後の過渡応答で回転低下を招かな
いようオブザーバ、回転偏差初期値を与え１こため、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てき、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。

【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図は積分十ゲインブロックの詳細を示す図
、第６図はこの発明による制御方法を説明するフローチ
ャー１・、第７図（Ａｌ（Ｂ）はクラッチ接続時の過渡
応答の実験結果を示す図、第８図（Ａ）ｆＢｌはクラッ
チ遮断時の過渡応答の実験結果を示す図、第９図（Ａ）
（Ｂ）はエアコンのオンオフ時の過渡応答の実験結果を
示す図、第１０図（ＡＨＢ＋はコーステイング時の過渡
応答の実験結果を示す図、第１１図（Ａｌ（Ｂｌはコー
ステイング時の制御開始時点で与える回転偏差初期値Ｌ
）ＵＮとを変えた場合の過渡応答の実験結果を示す図、
第１２図（Ａｌ（Ｂ）は同じく空吹かしの時の場合、第
１３図ＦＡ）（Ｂ）は水温に応じてオブザーバモデル、
制御ゲインを切り替えγこ時と切り替えない場合の実験
結果を示す図、第１４図（Ａ）（Ｂｌは同じ＜０２セン
サ活性状態に応じてモデル切替えしない場合とした場合
、第１５図（Ａｌ（Ｂｌおよび第１６図（Ａ）（Ｂ）は
それぞれエアコン、パワステ等予測できる負荷が加わる
場合のフィードフォワード制御を加えない場合と加え１
こ時の結果を示す図、第１７図’（ａｌ［ｂ’ｌは外乱
の鍾類に応じて最適制御ゲインが異なることを示す図、
第１８図（Ａ）（Ｂｌおよび第１９図（Ａｌ（Ｂ）はそ
れぞれ制御不可能な空気外乱が加わった時の現状と対処
後の結果を示す図である。 １・・・・・・ＡＡＣバルブ−２・・・・・・７０Ｍ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・
・・・・・ニュートラルスインチ、１０・・・・・・水
温センサ、　１１・・・・・・エアコンスイッチ、１２
・・・・・・内燃機関（制御対象）、１３・・・・・・
状態観測器、 １４・・・・・・積分子ゲインブロック、Ｎｒ　・・・
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、 １゛１゛・・・点火時期、　　Ｘｉ　・・・状態変数量
、ｘｌ　　・・・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　　− も３（２］ 幕４　区 仄５　図 謀 、−ｆ。 １−　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　Ｊも
７図 （Ａ） 時間　ｆ；（Ｓｅｃジ （８） 時ｇｆ、　（Ｓｅｔ） 本８Ｉ７１ （Ａ） （Ｂ） 時間１（Ｓｅり 秦ｑ凹 （Ａ〕 時間ｆ、　（Ｓｅす （Ｂ） ＱＩｖｌｔ　（Ｓｅｃ　） 本ｔｏ凹 ＯｔＪン （８） 時間ｆ；（Ｓｅｃ） ２き、ｌｌ　図 （Ａ） （Ｂ） 毛１２面 （Ａ） 暴１５　Ｉ２１ （Ａ） 第１６　閏 纂７７図 （０，）

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
   １と実際値Ｎの偏差ＳＡに基づいて、アイドル１．ａ１
   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ンクモデル
   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該空気量に相当する量およ
   び該内燃機関の点火時期オ６よび該内燃機関への燃料供
   給量もしくは該燃料供給ｌＩ″目当する量および排気還
   流量もしくは該排気還流量に相当する量から選択される
   し・ずれか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　（’　””　１　＋　２＋・・・
   ・・・ｎ　）を推定し、該推定された状態変数量９．（
   ｉ＝１，２．・・・・・・１１）と前記回転速度の偏差
   ＳＡを積分した量とから、前記制御入力の値を決定し、
   アイドル回転速度制御を開始すると判断した時に、スロ
   ットル全閉状態を検知した時の機関回転速度と制御開始
   を判断した時の機関回転速度とに応じて、前記状態変数
   量ｘ１と前記回転速度の偏差ＳＡを積分した量の初期値
   を与え、なおかつＳＡを積分した量の初期値は、実回転
   速度が、見掛は上目標回転速度より下にあるように与え
   、前記機関のダイナミックモデルは、機関のダイナミッ
   クを代表する所定パラメータの変化に応じて切替えたこ
   とを特徴とする内燃機関のアイドル回転速度制御方法。