JPS6325173B2

JPS6325173B2 -

Info

Publication number: JPS6325173B2
Application number: JP57116937A
Authority: JP
Inventors: Tooru Takahashi
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 1982-07-07
Filing date: 1982-07-07
Publication date: 1988-05-24
Also published as: JPS597751A

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
と空燃比を同時に制御する方法に関し、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、機関の内部状態を考慮して機関をダイ
ナミツク（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つ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、アイドル回転速度と
空燃比を同時に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P_Aをデユーテイ制御することによつてリ
フト量が変わり、スロツトルバルブ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。

コントロールユニツト６は、スロツトルバルブ
スイツチ７による（IDLE）信号、ニユートラル
スイツチ８によるニユートラル（NEUT）信号、
車速センサ９による車速（VSP）信号などによ
つ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（T_w）に
応じた１次元テーブルルツクアツプによつて、ア
イドル回転速度の基本目標値を算出する。そし
て、エアコンスイツチ１１によるエアコン（Ａ／
Ｃ）信号、ニユートラル（NEUT）信号、バツ
テリ電圧（V_B）信号などに応じた補正を行なつ
て最終的に算出されたアイドル回転速度の目標値
N_rに対し、機関の実際のアイドル回転速度Ｎと
その目標値N_rとの偏差SAが小さくなるように制
御ソレノイド３の駆動パルス幅P_Aを比例、積分
（PI）のデユーテイ制御をして、目標回転速度N_r
にフイードバツク制御する。

以上の制御方法を流れ図で示したのが、第２図
である。

一方、空燃比（燃料と空気の混合比）の制御
は、先ず機関の回転速度Ｎと吸入空気量Ｑから基
本燃料供給量T_PをT_P＝KQ／Ｎ（但しＫは定数）
によつて求める。そして、排気混合気の酸素濃度
に応じて空燃比に応じた信号を出力するO₂セン
サ１２（第１図）の出力値に基づいて、基本燃料
供給量T_Pに対する補正率αをPI制御することに
より、実際の空燃比Ａ／Ｆを目標空燃比（Ａ／
Ｆ）_rにフイードバツク制御する。

しかしながら、このような従来のアイドル回転
速度と空燃比の制御方法にあつては、バイパス空
気量を操作することによるアイドル回転速度制御
と燃料供給量を操作することによる空燃比制御と
が互いに独立して行われる構成となつていたた
め、一方で空燃比制御を行なうために燃料供給量
を増減すると、アイドル回転速度が変化してしま
い、このためアイドル回転制御を行なうためにバ
イパス空気量を増減すると、今度は空燃比が変化
してしまい、独立した制御でありながら相互に影
響を及ぼし合つて、アイドル回転速度と空燃比の
安定した制御を行なうことが難しいという問題点
があつた。

そして特に、機関の冷却水温度の変化等により
機関のダイナミクスが変化した時には、アイドル
運転が安定しにくいという問題点があつた。

（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、アイドル回転速度と空燃比と
を同時に最適に安定して制御することを目的と
し、特に、機関のダイナミクスが変化した場合に
も、安定して制御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、空気量（もしくは相当量）
と燃料供給量（もしくは相当量）をはじめとし、
更には点火時期あるいは排気還流量（もしくは相
当量）とを制御入力とし、アイドル回転速度と空
燃比とを制御出力とする機関のダイナミツクモデ
ルに基づいて、上記各制御入力と各制御出力とで
多変数制御することを特徴とし、特に、機関のダ
イナミクスが変化した時に、ダイナミツクモデル
並びに制御ゲインを切り換えることを特徴とする
ものである。

以下、この発明の一実施例を図面に基づいて説
明する。

第３図はこの発明の一実施例の構成を示すが、
図において、１３は制御対象である機関で、制御
入力としての種々の組合せが考えられるが、ここ
では制御入力はアイドル時のバイパス空気量を調
整するVCMバルブ２の制御ソレノイド３の駆動
パルス幅P_Aと燃料噴射弁１４（第１図参照）を
駆動する燃料噴射パルス幅P_Fをとり、制御出力
は機関回転速度ＮとO₂センサ１２の出力値から
推定される空燃比Ａ／Ｆをとる。

１５は、制御対象である機関１３のダイナミツ
クモデルを記憶していて、上記４つの制御入出力
情報P_A，P_F，Ｎ，Ａ／Ｆから機関のダイナミツ
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６つの量x₁，x₂，x₃，x₄，x₅，x₆のベク
トル表示）の推定値ｘを計算する。

状態観測器１５は制御対象である機関をシミユ
レーシヨンするもので、ダイナミツクな内部状態
を状態変数ｘ（ｎ次のベクトルx₁〜x_o）で代表す
る。制御対象である機関１３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つて機関の
動的な振舞いを把握し、制御に用いることによつ
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ユレーシ
ヨンさせるものである。状態変数ｘの次数ｎは、
ｎが大きい程シミユレーシヨンが精確になるが、
反面計算が複雑になる。そこでモデルとしては低
次元化近似されたものを使用し近似誤差又は機関
個体差による誤差を積分動作で吸収する。この発
明における２入力２出力の場合には、ｎ＝６程度
が適当である。

第３図において、１６は積分動作とゲインブロ
ツクで、機関回転速度の指定された目標値N_rと
実際値Ｎとの偏差SAを積分した量、空燃比の指
定された目標値（Ａ／Ｆ）_rと実際値Ａ／Ｆとの偏
差SBを積分した量、および状態観測器１５で計
算された状態変数量ｘから、２つの制御入力P_A
とP_Fの値を計算する（第５図参照）。そして、上
記状態観測器１５と積分動作とゲインブロツク１
６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１３は２入力２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１３のダイナ
ミツ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１５がある。ア
イドル回転速度近辺の運転条件で、制御対象１３
の伝達関数行列Ｔ（ｚ）が実際的に求まり、Ｔ（ｚ）＝ T₁（ｚ） T₂（ｚ） T₃（ｚ） T₄（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）とT₂（ｚ）は例えばｚの
２次伝達関数、T₃（ｚ）とT₄（ｚ）はｚの１次伝
達関数である。

入力、出力および伝達関数T₁（ｚ）〜T₄（ｚ）
の関係を示す制御対象（機関）１３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δP_A，δP_F，δN，δ（Ａ／Ｆ）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１５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、各量のカツコ内の（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
δP_A（ｎ−１）と燃料噴射パルス幅δP_F（ｎ−１）
を要素とする。すなわち、ｕ（ｎ−１）＝ δP_A（ｎ−１） δP_F（ｎ−１） (4) また、ｙ（ｎ−１）は制御出力ベクトルで、制
御入力ベクトルと同様に、ある基準回転速度N_a
（例えば650rpm）からの摂動分を表わすδN（ｎ−
１）と、基準空燃比（Ａ／Ｆ）_aからの摂動分を表
わすδ（Ａ／Ｆ）（ｎ−１）を要素とする。すなわ
ち、ｙ（ｎ−１）＝ δN（ｎ−１） δ（Ａ／Ｆ）（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。

x^＝（Ａ−GC）x^（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、x^（・）
は機関１３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）〕＝（Ａ−GC）〔x^（ｎ−１）−ｘ（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x^（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
１５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x^（・）と、
目標回転速度N_rと現在の実際の回転速度Ｎ（・）
との偏差SA＝（N_r−Ｎ（・））の情報と、目標空
燃比（Ａ／Ｆ）_rとO₂センサ１２の出力信号から推
定される現在の実際の空燃比（Ａ／Ｆ）（・）と
の偏差SB＝（（Ａ／Ｆ）_r−（Ａ／Ｆ）（・））の情報
を用いて、制御入力である制御ソレノイド３のパ
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_F（・）と、燃料噴射パ
ルス幅の基準設定値（P_F）_aからの線形近似が成り
立つ範囲内での増量分δP_F（・）を決定し、機関
のアイドル回転速度Ｎと空燃比Ａ／Ｆの最適レギ
ユレータ制御を行なう。レギユレータ制御とは、
アイドル回転速度Ｎを一定値である目標回転速度
N_rに、空燃比Ａ／Ｆを一定値である目標空燃比
（Ａ／Ｆ）_rにそれぞれ合致するように制御する定
値制御を意味する。尚本発明では、前述した様に
実験的に求めたモデルが低次元化された近似モデ
ルである為、その近次誤差を吸収する為のＩ（積
分）動作を付加しているが、ここではＩ動作を含
めての最適レギユ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２出力システムであり、これを最適に
レギユ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ユ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する。結果のみ
を記述すると、いま、 δu（ｎ）＝ｕ（ｎ）−ｕ（ｎ−１） (9) δy（ｎ）＝ｙ（ｎ）−ｙ（ｎ−） (10) とし、評価関数Ｊを、Ｊ＝_∞ 〓^K=0 〔δy^t(k)Qδy(k)＋δu^t(k)Rδu(k)〕 (11) とする。ここでＱ，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１項は(10)式の２乗、第
２項は(9)式の２乗（Ｑ，Ｒを対角行列とすると）
をそれぞれ表わす。又(11)式の第２項を、(9)式の様
な制御入力の差分の２次形式としているがこれは
第５図の様にＩ（積分）動作を付加したためであ
る。(11)式の評価関数Ｊを最小とする最適制御入力
u^*(k)は、となる。(12)式でＫ＝−（Ｒ＋^tＰ）^-1 ^tＰ (13) とおくと、Ｋは最適ゲイン行列である。また(12)式
においてであり、Ｐは、のリカツテイ（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N_rからの偏差SA（回
転変動）と空燃比Ａ／Ｆの目標値（Ａ／Ｆ）_rから
の偏差SB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Ｑ，Ｒで
変えることができる。従つて、適当なＱとＲを選
択し、アイドル時の機関のダイナミツクモデル
（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Ｋをマ
イクロコンピユータに記憶し、アイドル回転速度
の目標値N_rと実際値Ｎの偏差の積分値、空燃比
の目標値（Ａ／Ｆ）_rと実際値（Ａ／Ｆ）の偏差の
積分値および推定された状態変数ｘ(k)から、(12)式
によつて最適制御入力値u^*(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
ナミツ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ユータ
に記憶しておき、(6)式により計算すればよい。

なお、Q₂センサ１２の出力信号から空燃比の
偏差SBを推定する方法は、以下のようにして行
なう。O₂センサ１２は理論空燃比を境にして燃
料のリツチ（濃）側でオン信号を、リーン（淡）
側でオフ信号をそれぞれ出力する。第６図に示す
O₂センサ１２の出力信号を各制御周期毎に観測
する。例えば、最初の周期（０〜１）でオンの時
間とオフの時間を計測し、オン（リツチ）信号を
（＋）、オフ（リーン）信号を（−）として加算
し、 SB＝−t₁＋t₂−t₃＋t₄ (17) により得られたSBの値をもつて、その制御周期
内で空燃比が目標値（Ａ／Ｆ）_rよりどれだけズレ
ているかを表わす量とすればよい。

特に、機関１３の冷却温度が変わると、機関の
ダイナミクスが変わつてくる。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
わつてくる。この様に、機関のダイナミクスが大
幅に変化する時は、機関のある１つの所定条件で
実験的に求められた前述の(2)，(3)式によるダイナ
ミツクモデルだけでは、最適な制御を続けること
は期待できず、何らかの形で適応することが望ま
しい。

従つて、機関のダイナミクスが変わつたことを
検知するネラメータ（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
ツクモデルを記憶しておき、そのパラメータの値
に応じてダイナミツクモデル並びに制御ゲインを
切り換えて制御していくことで、最適な制御を続
けることてができる。この場合、状態観測器１５
の定数行列Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｇ（(2)，(3)，(6)，(7)式）
も変え、また、（13）式の最適ゲインＫも切り換
えていく。

以上のアイドル回転速度と空燃比の同時制御の
手順を示したのが、第７図である。手順を説明す
ると、ステツプ３０ではエアコンのオン―オフ状
態、水温T_wの値等によりアイドル回転速度の目
標値N_rを決め、ステツプ３１では、同様に空燃
比の目標値（Ａ／Ｆ）_rを決める。ステツプ３２で
は、冷却水温度T_wを検出し、それに応じたダイ
ナミツクモデルおよび最適ゲインＫ（b_ij，g_ij，
k_ij）を記憶装置からルツクアツプする。ステツ
プ３３では、アイドル回転速度の目標値N_rと実
際値Ｎの偏差SAを計算し、ステツプ３４では、
空燃比の目標値（Ａ／Ｆ）_rと実際値（Ａ／Ｆ）の
偏差SBを計算する。ステツプ３５では、制御を
始めてから前の周期までの回転速度の偏差SAを
加算していて、結果をDUN１というレジスタに
移す。ステツプ３６では、制御を始めてから前の
周期までの空燃比の偏差SBを加算していて、結
果をDUN２というレジスタに移す。ステツプ３
７では、回転速度の実際値Ｎの基準設定値N_a（例
えば650rpm）からのズレを、ステツプ３８では
空燃比の実際値Ａ／Ｆの基準設定値（Ａ／Ｆ）_aか
らのズレを、それぞれ計算する。ステツプ３９で
は、前の制御周期で推定された機関のダイナミツ
クな内部状態を表わす状態変数量x₁ ^*〜x₅ ^*と、計
算された制御入力値δP_AおよびδP_Fと、さらに制
御出力値であるδN，δ（Ａ／Ｆ）とを重みづけ加
算して各状態変数量x₁〜x₆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。尚、（Ａ，Ｂ，Ｃ）は可観測正準形を用いて
いる。

ステツプ４０では、推定された機関のダイナミ
ツクな内部状態変数量x₁〜x₆とDUN１および
DUN２に最適ゲインＫの要素k_ijを乗じて加算
し、基準設定値（P_A）_aおよび（P_F）_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b_ij，g_ij，k_ij等は、冷却水温度T_W
に応じた値を予め求めておいて、マイクロコンピ
ユータ等に記憶しておく。

第８図Ａ，Ｂは、冷却水温度T_Wに拘らずダイ
ナミツクモデルを単一とした場合Ａと、冷却水温
度T_Wに応じてダイナミツクモデルを切り換えた
場合Ｂの、実験結果を示す。第８図Ａは、T_W＝
60〜80℃位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Ｋと状態観測器モデ
ルで、冷却水温度T_Wが20℃の時に空吹しを行な
つた結果であり、第８図Ｂは、T_W＝10〜30℃位
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Ｋと状態観測器モデルで、冷却
水温度20℃の時に空吹しを行なつた結果である。
いずれも目標回転速度N_rは1200rpmである。図
から、冷却水温度T_Wに応じてダイナミツクモデ
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。

（発明の効果）以上説明してきたように、この発明によれば、
制御入力である空気量を規定する制御ソレノイド
の駆動パルス幅P_Aと燃料噴射パルス幅P_F、およ
び制御出力であるアイドル回転速度ＮとO₂セン
サで検出された空燃比Ａ／Ｆの間のダイナミツク
モデルに基づいて、多変数制御を行なう構成と
し、特に機関の冷却水温度等の変化により機関の
ダイナミクスが変化した時に、ダイナミツクモデ
ルを切り換える構成としたため、機関のアイドル
時の回転速度制御と空燃比制御とを、機関のダイ
ナミクスに応じて、同時に最適に行なうことがで
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。

なお、上述の実施例では、制御入力として、空
気量を規定する制御ソレノイドのパルス幅P_Aと
燃料噴射パルス幅P_Fとを用いる場合を示したが、
その他点火時期およびEGR（排気還流）量を制御
入力として用いれば、制御出力である回転速度Ｎ
と空燃比Ａ／Ｆとをより精密に同時かつ最適に制
御することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来の内燃機関におけるアイドル回転
速度制御装置と空燃比制御装置の構成図、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
チヤート、第３図はこの発明による内燃機関にお
けるアイドル回転速度と空燃比の同時制御方法を
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ツク図、第５図
は第３図の積分＋ゲインブロツクを詳細図、第６
図はO₂センサの出力波形図、第７図はこの発明
による制御方法を説明するフローチヤート、第８
図Ａ，Ｂはダイナミツクモデルを切り換えない場
合と切り換えた場合の実験結果を示す図である。１…AACバルブ、２…VCMバルブ、３…制御
ソレノイド、４…スロツトルバルブ、５…バイパ
ス、７…スロツトルバルブスイツチ、８…ニユー
トラルスイツチ、１０…水温センサ、１１…エア
コンスイツチ、１２…O₂センサ、１３…内燃機
関（制御対象）、１４…燃料噴射弁、１５…状態
観測器、１６…積分＋ゲインブロツク、N_r…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、N_a…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、
（Ａ／Ｆ）_r…空燃比の目標値、Ａ／Ｆ…空燃比の
実際値、（Ａ／Ｆ）_a…空燃比の基準設定値、SB…
空燃比の目標値と実際値の偏差、P_A…バイパス
空気量を規定する制御ソレノイドのパルス幅、
P_F…燃料供給量を規定する燃料噴射パルス幅、x_i
…状態変数量、x_i…状態変数の推定量。

Claims

【特許請求の範囲】１内燃機関のアイドル運転時に、アイドル回転
速度の目標値N_rと実際値Ｎの偏差SAおよび空燃
比の目標値（Ａ／Ｆ）_rと実際値Ａ／Ｆの偏差SB
に基づいて、前記内燃機関に供給される空気量
P_Aもしくは相当する量および前記内燃機関に供
給される燃料量P_Fもしくは相当する量の２つの
制御入力か、あるいは前記２つの制御入力に更に
点火時期あるいは排気還流量もしくは相当する量
を加えた制御入力の値を決定し、アイドル回転速
度Ｎと空燃比Ａ／Ｆとを同時に制御する方法にお
いて、コントローラに記憶された前記内燃機関の
ダイナミツクモデルに基づき、前記制御入力値お
よび制御出力値である前記回転速度Ｎと前記空燃
比Ａ／Ｆとから、前記内燃機関のダイナミツクな
内部状態を代表する適当な次数の状態変数量x_i
（ｉ＝１，２，……ｎ）を推定し、該推定された
状態変数量x^_i（ｉ＝１，２，…ｎ）と前記回転速
度の偏差SAの積分値と前記空燃比の偏差SBの積
分値とから、前記制御入力値を決定し、さらに、
前記内燃機関のダイナミツクスが変化した時に、
その変化した状態に合致したダイナミツクモデル
並びに制御ゲインに切り換え、該内燃機関の状態
推定を行ない、制御入力値を決定していくことを
特徴とする内燃機関におけるアイドル回転速度と
空燃比の同時制御方法。２前記ダイナミツクモデル並びに制御ゲインの
切換えを、前記内燃機関の冷却水温度に応じて行
なう特許請求の範囲第１項記載の方法。