JPS6325175B2 - - Google Patents
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- Publication number
- JPS6325175B2 JPS6325175B2 JP57116939A JP11693982A JPS6325175B2 JP S6325175 B2 JPS6325175 B2 JP S6325175B2 JP 57116939 A JP57116939 A JP 57116939A JP 11693982 A JP11693982 A JP 11693982A JP S6325175 B2 JPS6325175 B2 JP S6325175B2
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- air
- value
- control
- fuel ratio
- rotation speed
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Expired
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Classifications
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
- F02D—CONTROLLING COMBUSTION ENGINES
- F02D31/00—Use of speed-sensing governors to control combustion engines, not otherwise provided for
- F02D31/001—Electric control of rotation speed
- F02D31/002—Electric control of rotation speed controlling air supply
- F02D31/003—Electric control of rotation speed controlling air supply for idle speed control
- F02D31/005—Electric control of rotation speed controlling air supply for idle speed control by controlling a throttle by-pass
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Combustion & Propulsion (AREA)
- Mechanical Engineering (AREA)
- General Engineering & Computer Science (AREA)
- Electrical Control Of Ignition Timing (AREA)
- Exhaust-Gas Circulating Devices (AREA)
- Output Control And Ontrol Of Special Type Engine (AREA)
- Electrical Control Of Air Or Fuel Supplied To Internal-Combustion Engine (AREA)
- Combined Controls Of Internal Combustion Engines (AREA)
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挙動を
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。
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挙動を
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。
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によるアイドル（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。
スイツチ７によるアイドル（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。
以上の制御方法を流れ図で示したのが、第２図
である。
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と吸入空気流量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。
は、先ず機関の回転速度Ｎと吸入空気流量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。
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。
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。
（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す
る。
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）
あるいは燃料供給量（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するものであ
る。
あるいは燃料供給量（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。
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。
図において、１３は制御対象である機関で、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。
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。
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。
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動的挙
動を把握し、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。
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動的挙
動を把握し、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Nr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。
ツクで、機関回転速度の指定された目標値Nr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。
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。
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δPA，δPF，δN，δ（Ａ／Ｆ）を
用いている。
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。
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。
観測器１５を構成することができる。
先ず、Ｔ（ｚ）から機関の動的な挙動を記述す
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。
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。
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。
器を構成する。
x^（ｎ）＝（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。
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（PA）aからの線形近似が成り
立つ範囲内での増量分δPA（・）と、燃料噴射パ
ルス幅の基準設定値（PF）a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う。
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（PA）aからの線形近似が成り
立つ範囲内での増量分δPA（・）と、燃料噴射パ
ルス幅の基準設定値（PF）a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−１） (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。
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−１） (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。
(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。
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。
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。
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。
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、この目標値Nrと実際値Ｎとの偏
差SAを計算する。ステツプ３１では同様にして
空燃比の目標値（Ａ／Ｆ）rを決め、この目標値
（Ａ／Ｆ）rと実際値（Ａ／Ｆ）との偏差SBを計算
する。ステツプ３２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
３３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３４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３５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３６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。なお、（Ａ，Ｂ，Ｃ）は可観測正準形を用い
ている。ステツプ３７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（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。
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、この目標値Nrと実際値Ｎとの偏
差SAを計算する。ステツプ３１では同様にして
空燃比の目標値（Ａ／Ｆ）rを決め、この目標値
（Ａ／Ｆ）rと実際値（Ａ／Ｆ）との偏差SBを計算
する。ステツプ３２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
３３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３４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３５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３６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。なお、（Ａ，Ｂ，Ｃ）は可観測正準形を用い
ている。ステツプ３７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（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，gij，kij等は予め求めておい
て、マイクロコンピユータ等に記憶しておく。
て、マイクロコンピユータ等に記憶しておく。
（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
たため、機関のアイドル時の回転速度制御と空燃
比制御を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。
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
たため、機関のアイドル時の回転速度制御と空燃
比制御を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PAと
燃料噴射パルス幅PFとを用いる場合を示したが、
その他点火時期あるいはEGR（排気還流）量を制
御入力として加えれば、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。
気量を規定する制御ソレノイドのパルス幅PAと
燃料噴射パルス幅PFとを用いる場合を示したが、
その他点火時期あるいはEGR（排気還流）量を制
御入力として加えれば、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。
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に示した
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。
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に示した
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。
Claims (1)
- 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＝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することを特徴
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。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP57116939A JPS597753A (ja) | 1982-07-07 | 1982-07-07 | 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 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP57116939A JPS597753A (ja) | 1982-07-07 | 1982-07-07 | 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 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS597753A JPS597753A (ja) | 1984-01-14 |
| JPS6325175B2 true JPS6325175B2 (ja) | 1988-05-24 |
Family
ID=14699446
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP57116939A Granted JPS597753A (ja) | 1982-07-07 | 1982-07-07 | 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 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPS597753A (ja) |
Family Cites Families (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS5578138A (en) * | 1978-12-06 | 1980-06-12 | Nissan Motor Co Ltd | Idling speed control for internal combustion engine |
-
1982
- 1982-07-07 JP JP57116939A patent/JPS597753A/ja active Granted
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPS597753A (ja) | 1984-01-14 |
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