JPS6325173B2 - - Google Patents

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JPS6325173B2
JPS6325173B2 JP57116937A JP11693782A JPS6325173B2 JP S6325173 B2 JPS6325173 B2 JP S6325173B2 JP 57116937 A JP57116937 A JP 57116937A JP 11693782 A JP11693782 A JP 11693782A JP S6325173 B2 JPS6325173 B2 JP S6325173B2
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JP
Japan
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control
air
value
fuel ratio
internal combustion
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JP57116937A
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Japanese (ja)
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JPS597751A (en
Inventor
Tooru Takahashi
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Nissan Motor Co Ltd
Original Assignee
Nissan Motor Co Ltd
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Publication of JPS6325173B2 publication Critical patent/JPS6325173B2/ja
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Classifications

    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02DCONTROLLING COMBUSTION ENGINES
    • F02D41/00Electrical control of supply of combustible mixture or its constituents
    • F02D41/02Circuit arrangements for generating control signals
    • F02D41/04Introducing corrections for particular operating conditions
    • F02D41/08Introducing corrections for particular operating conditions for idling

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。
Detailed Description of the Invention (Technical Field) The present invention relates to a method for simultaneously controlling the rotational speed and air-fuel ratio of an internal combustion engine during idling, and more specifically, the present invention relates to a method for simultaneously controlling the rotational speed and air-fuel ratio of an internal combustion engine during idling. differs from that in that it considers the engine as a dynamic system by considering its internal state, and determines the engine's input variables while estimating the engine's dynamic behavior using state variables that define the internal state. This invention relates to a method for simultaneously controlling idle rotation speed and air-fuel ratio using state variable control techniques.

(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。
(Prior Art) As a conventional method for controlling idle rotation speed in an internal combustion engine, there is a method as shown in FIG. 1, for example. AAC valve 1 for idle speed control
The lift amount changes by duty-controlling the driving pulse width P A of the control solenoid 3 of the VCM valve 2, and the amount of bypass air passing through the bypass 5 of the throttle valve 4 changes, thereby increasing the idle rotation speed. controlled.

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(Tw)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(VB)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
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Nr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PAを比例、積分
(PI)のデユーテイ制御をして、目標回転速度Nr
にフイードバツク制御する。
The control unit 6 receives an (IDLE) signal from the throttle valve switch 7, a neutral (NEUT) signal from the neutral switch 8,
When it is detected that the engine is in an idling state based on the vehicle speed (VSP) signal etc. from the vehicle speed sensor 9, the idle rotation speed is determined by a one-dimensional table search according to the cooling water temperature (T w ) by the water temperature sensor 10. Calculate the basic target value. Then, the air conditioner (A/
C) The target value of the idle rotation speed that is finally calculated by making corrections according to the signal, neutral (NEUT) signal, battery voltage (V B ) signal, etc.
With respect to N r , the drive pulse width P A of the control solenoid 3 is controlled by proportional and integral (PI) duty so that the deviation SA between the engine's actual idle rotation speed N and its target value N r becomes small. , target rotational speed N r
to control feedback.

以上の制御方法を流れ図で示したのが、第2図
である。
FIG. 2 shows a flowchart of the above control method.

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TPをTP=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TP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。
On the other hand, to control the air-fuel ratio (mixture ratio of fuel and air), first calculate the basic fuel supply amount T P from the engine rotational speed N and intake air amount Q: T P = KQ/N (K is a constant)
Find it by. Then, based on the output value of the O 2 sensor 12 (Fig. 1) which outputs a signal according to the air-fuel ratio according to the oxygen concentration of the exhaust mixture, the correction factor α for the basic fuel supply amount T P is controlled by PI. By doing this, the actual air-fuel ratio A/F can be adjusted to the target air-fuel ratio (A/F).
F) Feedback control to r .

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。
However, in such conventional idle rotation speed and air-fuel ratio control methods, idle rotation speed control by manipulating the bypass air amount and air-fuel ratio control by manipulating the fuel supply amount are independent of each other. On the other hand, if the fuel supply amount is increased or decreased to perform air-fuel ratio control, the idle rotation speed will change. Therefore, if the bypass air amount is increased or decreased to perform idle rotation control, This time, the air-fuel ratio changed, and although they were controlled independently, they affected each other, making it difficult to perform stable control of the idle speed and air-fuel ratio.

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。
In particular, when the dynamics of the engine changes due to changes in engine cooling water temperature, etc., there is a problem in that idling operation is difficult to stabilize.

(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。
(Purpose of the Invention) The present invention was made by focusing on such conventional problems, and its purpose is to optimally and stably control the idle rotation speed and the air-fuel ratio at the same time. The purpose is to provide stable control even when dynamics change.

(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。
(Structure and operation of the invention) Therefore, the present invention aims to reduce the amount of air (or equivalent amount)
and fuel supply amount (or equivalent amount),
Furthermore, based on an engine dynamic model in which the ignition timing or the exhaust gas recirculation amount (or equivalent amount) is the control input, and the idle rotation speed and the air-fuel ratio are the control outputs, the above control inputs and control outputs are calculated. It is characterized by multivariable control, and in particular, by switching the dynamic model and control gain when the dynamics of the engine changes.

以下、この発明の一実施例を図面に基づいて説
明する。
Hereinafter, one embodiment of the present invention will be described based on the drawings.

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PA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PF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。
FIG. 3 shows the configuration of an embodiment of this invention.
In the figure, 13 is the engine to be controlled, and various combinations of control inputs are possible, but here the control input is the drive pulse width P of the control solenoid 3 of the VCM valve 2 that adjusts the amount of bypass air at idle. A and the fuel injection pulse width P F that drives the fuel injection valve 14 (see Figure 1) are taken, and the control output is the air-fuel ratio A/F estimated from the engine rotation speed N and the output value of the O 2 sensor 12. .

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PA,PF,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。
Reference numeral 15 denotes a state observation device that stores a dynamic model of the engine 13 that is the controlled object and estimates the dynamic internal state of the engine from the above four control input/output information P A , P F , N, A/F. (observer) and state variable quantity x representing the internal state
(For example, a vector representation of six quantities x 1 , x 2 , x 3 , x 4 , x 5 , x 6 ) is calculated.

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〜xo)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。
The state observation device 15 simulates the engine to be controlled, and the dynamic internal state is represented by a state variable x (n-th order vector x 1 to x o ). Specifically, the state variables representing the internal state of the engine 13 that is the controlled object include, for example, the absolute pressure of the intake manifold, the suction negative pressure, the amount of air actually taken into the cylinder, the dynamic behavior of combustion, the engine torque, etc. Can be mentioned. If these values can be detected by a sensor, the detected values can be used to understand the dynamic behavior of the engine, and can be used for control to perform more precise control. However, at present, there are not many practical sensors that can detect these values. Therefore, the internal state of the engine is represented by a state variable x, but the state variable x
It is not necessary to correspond to various physical quantities representing the actual internal state, and the engine as a whole is simulated. The order n of the state variable x is
The larger n is, the more accurate the simulation will be.
On the other hand, calculation becomes complicated. Therefore, a reduced-dimensional approximation model is used, and approximation errors or errors due to individual engine differences are absorbed by integral operation. In the case of two inputs and two outputs in this invention, n=6 is appropriate.

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Nr
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PA
とPF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。
In Fig. 3, 16 is an integral operation and a gain block, which is an integral of the deviation SA between the specified target value Nr of the engine rotation speed and the actual value N, and the specified target value of the air-fuel ratio (A/F ) From the integral of the deviation SB between r and the actual value A/F and the state variable quantity x calculated by the state observer 15, two control inputs P A
and calculate the value of P F (see Figure 5). Then, the state observer 15, the integral operation, and the gain block 1
6 constitutes a controller.

次に作用を説明する。 Next, the action will be explained.

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。
The engine 13 that is the controlled object is a two-input, two-output system, and the control object 13 is It is possible to estimate the dynamic internal state of
One of the methods is the state observation device 15. Under operating conditions near the idle rotation speed, the controlled object 13
The transfer function matrix T(z) of T(z) is practically found, and becomes T(z)=T 1 (z) T 2 (z) T 3 (z) T 4 (z) (1). However, z is the sample value of the input/output signal.
- transformation, where T 1 (z) and T 2 (z) are, for example, second-order transfer functions of z, and T 3 (z) and T 4 (z) are first-order transfer functions of z.

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δPA,δPF,δN,δ(A/F)を
用いている。
Input, output and transfer functions T 1 (z) to T 4 (z)
A model structure of the controlled object (engine) 13 showing the relationship is shown in FIG. However, input and output use deviations δP A , δP F , δN, and δ(A/F) from the reference setting values, respectively.

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。
From this transfer function matrix T(z), the state observer 15 can be configured as follows.

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
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、 u(n−1)= δPA(n−1) δPF(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Na
(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。
First, a state variable model that describes the dynamic behavior of the engine from T(z) x(n)=Ax(n-1)+Bu(n-1) (2) y(n-1)=Cx(n- 1) Derive (3). Here, (n) in each quantity box represents the current time, and (n-1) represents the previous sample time. u(n-1) is a control input vector, which represents the perturbation within a range where linear approximation from a certain reference setting value holds, and the pulse width δP of the control solenoid 3 (n-1) and the fuel injection pulse width δP F (n-1)
is an element. In other words, u(n-1)= δP A (n-1) δP F (n-1) (4) Also, y(n-1) is the control output vector, and like the control input vector, a certain reference rotation Speed N a
(for example, 650 rpm) δN (n−
1) and δ(A/F)(n-1) representing the perturbation from the reference air-fuel ratio (A/F) a . That is, y(n-1) = δN(n-1) δ(A/F)(n-1) (5) x(・) is the state variable vector, and the matrix A,
B and C are constant matrices determined from the coefficients of the transfer function matrix T(z).

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。
Here, we construct a state observer with the following algorithm.

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。
x^=(A-GC)x^(n-1) +Bu(n-1)+Gy(n-1) (6) Here, G is an arbitrarily given matrix, and x^(・)
is the estimated value of the internal state variable x(·) of the engine 13. Transforming from equations (2)(3)(6), [x(n)−x^(n)]=(A−GC) [x^(n−1)−x(n−1)] (7 ), and if G is chosen so that the eigenvalues of the matrix (A-GC) are within the unit circle, then x^(n) → x(n) (8) for n→large, and the internal state variable quantity x(n ) can be estimated from the input u(·) and the output y(·). Also,
It is also possible to appropriately select the matrix G and make all the eigenvalues of the matrix (A-GC) zero, in which case the state observer 15 becomes a finitely stable state observer.

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SA=(Nr−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(PAaからの線形近似が成り
立つ範囲内での増量分δPF(・)と、燃料噴射パ
ルス幅の基準設定値(PFa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
Nr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。
The state variable x^(・) estimated in this way is
Target rotation speed N r and current actual rotation speed N (・)
The current actual air-fuel ratio (A/F) estimated from the information on the deviation SA = (N r - N (・)), the target air-fuel ratio (A/F) r , and the output signal of the O 2 sensor 12 (・) Using the information of deviation SB = ((A/F) r − (A/F) (・)), the standard setting value of the pulse width of control solenoid 3 (P A ) a The amount of increase δP F (・) within the range where the linear approximation holds from a and the standard setting value of the fuel injection pulse width (P F ) The amount of increase δP F (・) within the range where the linear approximation from a holds. The engine's idle speed N and air-fuel ratio A/F are optimally controlled by the regulator. What is regulator control?
Target rotation speed where idle rotation speed N is a constant value
Nr means constant value control in which the air-fuel ratio A/F is controlled to match a target air-fuel ratio (A/F) r , which is a constant value. In the present invention, since the experimentally obtained model is a low-dimensional approximate model as described above, an I (integral) operation is added to absorb the approximation error. Performs optimal regulator control including I operation.

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 〔δyt(k)Qδy(k)+δut(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。
As mentioned above, the engine to be controlled by this invention is a two-input, two-output system, and this is optimally controlled by a regulator. Since it is explained in the book "Linear System Control Theory" (1976) by Shokodo and others, a detailed explanation will be omitted here. To describe only the results, now δu(n)=u(n)−u(n−1) (9) δy(n)=y(n)−y(n−) (10) and the evaluation function J Let J= K=0 [δy t (k)Qδy(k)+δu t (k)Rδu(k)] (11). Here, Q, R are weight parameter matrices, t
indicates transposition. k is the number of samples with the control start point as 0, the first term on the right side of equation (11) is the square of equation (10), and the second term is the square of equation (9) (Q, R is a diagonal matrix )
respectively. Furthermore, the second term of equation (11) is made into a quadratic form of the difference in control inputs as shown in equation (9), but this is because an I (integral) operation is added as shown in FIG. Optimal control input that minimizes the evaluation function J of equation (11)
u * (k) is becomes. If we set K=-(R+ tP ) -1tP (13) in equation (12), K is the optimal gain matrix. Also, in equation (12) and P is is the solution of the Riccati equation.

(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Nr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Nr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。
The meaning of the evaluation function J in equation (11) is that the control input u(・)
While restricting the movement of the control output y (・), the deviation SA (rotation fluctuation) of the idle rotation speed N from the target value N r and the deviation of the air-fuel ratio A/F from the target value (A/F) r The intention is to minimize SB, and the weighting of the constraints can be changed using weight parameter matrices Q and R. Therefore, by selecting appropriate Q and R, using a dynamic model (state variable model) of the engine at idle, and using P obtained by solving equation (16), the optimal gain matrix K of equation (13) is calculated. are stored in the microcomputer, and the integral value of the deviation between the target value N r and the actual value N of the idle rotation speed, the integral value of the deviation between the target value (A/F) r and the actual value (A/F) of the air-fuel ratio, and From the estimated state variable x(k), the optimal control input value u * (k) can be easily determined using equation (12). Also, as mentioned above, in order to obtain the estimated value x(k) of the dynamic state variable of the engine,
The values of matrices A, B, C, and G may be stored in a microcomputer and calculated using equation (6).

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。
The method for estimating the air-fuel ratio deviation SB from the output signal of the Q2 sensor 12 is as follows. The O 2 sensor 12 outputs an on signal when the fuel is on the rich side and on the lean side when the fuel is at the stoichiometric air-fuel ratio.
Each side outputs an off signal. Shown in Figure 6
The output signal of the O 2 sensor 12 is observed at each control period. For example, measure the on time and off time in the first cycle (0 to 1), add the on (rich) signal as (+) and the off (lean) signal as (-), and get SB = -t 1 The value of SB obtained from +t 2 -t 3 +t 4 (17) can be used as a quantity that represents how much the air-fuel ratio deviates from the target value (A/F) r within that control cycle. .

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。
In particular, when the cooling temperature of the engine 13 changes, the engine dynamics change. For example, the behavior of the engine changes when the cooling water temperature is 10°C and 60°C. In this way, when the engine dynamics change significantly, the dynamic model based on equations (2) and (3), which were experimentally determined under one predetermined condition of the engine, cannot provide optimal control. It cannot be expected to continue, and it is desirable to adapt in some way.

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。
Therefore, a parameter (for example, cooling water temperature) that detects a change in engine dynamics is determined, a dynamic model is stored according to various values of that parameter, and a dynamic model is changed according to the value of that parameter. Optimal control can be maintained by switching the model and control gain. In this case, the state observer 15
constant matrices A, B, C, G (Equations (2), (3), (6), (7))
Also, the optimal gain K in equation (13) is changed.

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Twの値等によりアイドル回転速度の目
標値Nr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Tw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(bij,gij
kij)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Nr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Na(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
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δPAおよびδPF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。
FIG. 7 shows the procedure for simultaneous control of the idle rotation speed and air-fuel ratio. To explain the procedure, in step 30, the target value N r of the idle rotation speed is determined based on the on-off status of the air conditioner, the value of the water temperature T w, etc., and in step 31, the target value N r of the air-fuel ratio (A/F) r is determined in the same way. decide. In step 32, the cooling water temperature T w is detected, and a dynamic model and optimal gain K (b ij , g ij ,
k ij ) from storage. In step 33, the deviation SA between the target value N r of the idle rotation speed and the actual value N is calculated, and in step 34,
Calculate the deviation SB between the target value (A/F) r of the air-fuel ratio and the actual value (A/F). In step 35, the rotational speed deviation SA from the start of control to the previous cycle is added, and the result is transferred to a register called DUN1. In step 36, the air-fuel ratio deviation SB from the start of control to the previous cycle is added, and the result is transferred to a register called DUN2. Step 3
In step 7, the deviation of the actual value N of the rotational speed from the standard setting value N a (for example, 650 rpm) is calculated, and in step 38, the deviation of the actual value A/F of the air-fuel ratio from the standard setting value (A/F) a is calculated. Calculate each. In step 39, the state variables x 1 * to x 5 * representing the dynamic internal state of the engine estimated in the previous control cycle, the calculated control input values δP A and δP F , and the control output value are calculated. Each state variable amount x 1 to x 6 is calculated by weighting and adding certain δN and δ(A/F). However, the matrix (A-GC) of equation (6) is This is an example of forming a finitely settled observer in the form. Note that (A, B, C) uses observable canonical forms.

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kijを乗じて加算
し、基準設定値(PAaおよび(PFaに対し制御入
力値をどれだけ増量するかを計算する。
In step 40, the estimated engine dynamic internal state variables x 1 to x 6 and DUN1 and
DUN2 is multiplied by the element k ij of the optimum gain K and added to calculate how much the control input value should be increased with respect to the reference set values (P A ) a and (P F ) a .

第7図の係数bij,gij,kij等は、冷却水温度TW
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。
The coefficients b ij , g ij , k ij, etc. in Fig. 7 are the cooling water temperature T W
A value corresponding to the value is determined in advance and stored in a microcomputer or the like.

第8図A,Bは、冷却水温度TW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TW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、TW
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TWが20℃の時に空吹しを行な
つた結果であり、第8図Bは、TW=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Nrは1200rpmである。図
から、冷却水温度TW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。
Figures 8A and 8B show the experimental results of A when the dynamic model is the same regardless of the cooling water temperature TW , and B when the dynamic model is switched depending on the cooling water temperature TW . . Figure 8A shows that T W =
The control system was designed based on a model modeled at about 60 to 80℃, and the optimum gain K and state observation model were used at that time, and the results were obtained by dry-blowing when the cooling water temperature T W was 20℃. , Figure 8B shows the control system designed based on the modeling at T W = 10 to 30℃, and the optimal gain K and state observation model at that time. This is the result of doing this.
In both cases, the target rotational speed N r is 1200 rpm. From the figure, it can be seen that better controllability can be obtained by switching the dynamic model according to the cooling water temperature TW .

(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PAと燃料噴射パルス幅PF、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。
(Effect of the invention) As explained above, according to this invention,
The difference between the drive pulse width P A of the control solenoid that defines the air amount, which is the control input, and the fuel injection pulse width P F , and the idle rotation speed N, which is the control output, and the air-fuel ratio A/F detected by the O 2 sensor. The configuration performs multivariable control based on a dynamic model, and the dynamic model is switched when the dynamics of the engine changes due to changes in the engine cooling water temperature, etc., so it is possible to control the rotational speed when the engine is idling. and air-fuel ratio control can be performed simultaneously and optimally according to the dynamics of the engine, resulting in the effect that more stable idling operation can be realized.

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PA
燃料噴射パルス幅PF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。
In addition, in the above-mentioned embodiment, the case where the pulse width P A of the control solenoid that defines the air amount and the fuel injection pulse width P F are used as control inputs is shown.
If other ignition timing and EGR (exhaust gas recirculation) amount are used as control inputs, the control output is the rotational speed N.
and the air-fuel ratio A/F can be simultaneously and optimally controlled more precisely.

【図面の簡単な説明】[Brief explanation of the drawing]

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、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、
(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、PA…バイパス
空気量を規定する制御ソレノイドのパルス幅、
PF…燃料供給量を規定する燃料噴射パルス幅、xi
…状態変数量、xi…状態変数の推定量。
FIG. 1 is a block diagram of an idle rotation speed control device and an air-fuel ratio control device in a conventional internal combustion engine, FIG. 2 is a flowchart showing a conventional idle rotation speed control method, and FIG. 3 is an idle rotation speed control device in an internal combustion engine according to the present invention. A configuration diagram of a control device that realizes a simultaneous control method for rotational speed and air-fuel ratio, Figure 4 is a block diagram showing the relationship between the control input/output and engine in Figure 3, and Figure 5 is a block diagram of the integral + gain block in Figure 3. Detailed drawing, 6th
The figure is an output waveform diagram of the O 2 sensor, FIG. 7 is a flowchart explaining the control method according to the present invention, and FIG.
Figures A and B are diagrams showing experimental results when the dynamic model is not switched and when it is switched. 1...AAC valve, 2...VCM valve, 3...control solenoid, 4...throttle valve, 5...bypass, 7...throttle valve switch, 8...neutral switch, 10...water temperature sensor, 11...air conditioner switch, 12... O 2 sensor, 13...Internal combustion engine (controlled object), 14...Fuel injection valve, 15...State observation device, 16...Integrator + gain block, Nr ...Target value of idle rotation speed, N...Actual value of idle rotation speed , N a ...Reference setting value of idle rotation speed,
SA...Difference between target value and actual value of idle rotation speed,
(A/F) r ...Target value of air-fuel ratio, A/F...Actual value of air-fuel ratio, (A/F) a ...Reference setting value of air-fuel ratio, SB...
Deviation between the target value and actual value of the air-fuel ratio, P A ...Pulse width of the control solenoid that regulates the amount of bypass air,
P F …Fuel injection pulse width that defines the fuel supply amount, x i
...state variable amount, x i ...state variable estimator.

Claims (1)

【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Nr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
PA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PF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xi
(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。
[Claims] 1. Deviation SA between target value N r and actual value N of idle rotation speed and deviation SB between target value (A/F) r and actual value A/F of air-fuel ratio during idling operation of the internal combustion engine.
The amount of air supplied to said internal combustion engine based on
two control inputs: P A or an equivalent amount and a fuel amount P F or an equivalent amount supplied to the internal combustion engine, or the two control inputs are further supplemented with an ignition timing or an exhaust gas recirculation amount or an equivalent amount. In a method of determining a value of a control input and controlling an idle rotation speed N and an air-fuel ratio A/F simultaneously, the control input value and the control output value are determined based on a dynamic model of the internal combustion engine stored in a controller. From the rotational speed N and the air-fuel ratio A/F, a state variable quantity x i of an appropriate order representative of the dynamic internal state of the internal combustion engine is determined.
(i = 1, 2, ... n), and the estimated state variable quantity x^ i (i = 1, 2, ... n), the integral value of the deviation SA of the rotational speed, and the air-fuel ratio Determine the control input value from the integral value of the deviation SB, and further,
When the dynamics of the internal combustion engine changes,
Simultaneous control of idle rotation speed and air-fuel ratio in an internal combustion engine characterized by switching to a dynamic model and control gain that match the changed state, estimating the state of the internal combustion engine, and determining a control input value. Method. 2. The method according to claim 1, wherein the dynamic model and the control gain are switched in accordance with the temperature of the cooling water of the internal combustion engine.
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