JPS6325176B2

JPS6325176B2 -

Info

Publication number: JPS6325176B2
Application number: JP57116940A
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: JPS597754A

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（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と吸入空気流量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上、
エアコンスイツチやパワステスイツチやクラツチ
スイツチ等で予測できるエアコンがパワステやク
ラツチ接続等による持続負荷外乱が加わつている
時も同じ制御ゲインで行う構成となつていたた
め、一方で空燃比制御を行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
響を及ぼし合つてしまうと共に、エアコンやパワ
ステ等の外乱に対する制御性も悪く、アイドル回
転速度と空燃比の安定した制御を行うことが難し
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、予測できる外乱が加わつた時
にもより安定にアイドル回転速度と空燃比とを同
時に最適に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
多変数制御すると共に、エアコンやパワステ、ク
ラツチ接続等のオン情報が検知できる持続負荷外
乱が加わつた時には、持続負荷外乱に対して制御
性の良い最適制御ゲインに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、次のように状
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、次のようなアルゴリズムを持つ状態観
測器を構成する。

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。

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_A（・）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。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、その近次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 〔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。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
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。

この発明の特徴は、上述した制御において、持
続負荷外乱が加わつた時に、制御入力値を決定す
る最適ゲインを切り換えて制御することにある。

ここで、エアコンやパワステ等の持続負荷外乱
というのは、外乱が加わり始めたことをフイード
フオ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た時の最適
サーボ制御ゲインＫ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Ｋと
は異なる傾向がある。例えば第７図ａはあるゲイ
ンK₁において、エアコンが入り切れた時のサー
ボ制御A₁と一般の定常時の外乱が加わつた時の
制御B₁を行つた場合、第７図ｂは別のゲインK₂
において、同じくエアコンが入り切れた時のサー
ボ制御A₂と一般の定常時の外乱が加わつた時の
制御B₂を行つた場合を示す。第７図ａのA₀はエ
アコンが入つた時のアイドル回転制御の目標値を
示す。第７図ａとｂを比較検討すると、エアコン
が入つた時のサーボ制御は第７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つ
た時の制御は第７図ａの方が良い。これはそれぞ
れの外乱で制御性の良いゲインＫが異なることを
示す。従つて、定常時エアコンが入つていない時
はゲインK₁で、またエアコンが入つた時はゲイ
ンK₂に切り換えてそれぞれ制御を行うことで、
より制御性を高めることができる。

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８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
エアコンやパワステ等の持続負荷外乱がオンであ
るフイードフオワード剤報があるか否かを判定
し、この判定に応じて、ステツプ３３で最適ゲイ
ンk_ijをテーブルルツクアツプする。ステツプ３
４ではアイドル回転数の目標値N_rと実際値Ｎと
の偏差SAを計算し、ステツプ３５では空燃比の
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３６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３７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３８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δNを、ステツプ３９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δ
（Ａ／Ｆ）を、それぞれ計算する。ステツプ４０
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。なお、（Ａ，Ｂ，Ｃ）は可観測正準形を用い
ている。

ステツプ４１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８図の係数b_ij，g_ij，k_ij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。

（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と共に、
エアコンやパワステ等の持続負荷外乱が加わつた
時に最適ゲインに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を同
時に最適に行うことができ、また、エアコンやパ
ワステ等の持続負荷外乱が印加された時も、より
安定なアイドル運転が実現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）量なども
制御入力として用いることができる。

【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＋ゲインブロツクの詳細図、第６
図はO₂センサの出力波形図、第７図ａ，ｂは異
なつた最適ゲインに対して持続負荷外乱と一般外
乱が加わつた時のアイドル回転速度の状態を示す
図、第８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、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すると共
に、予測できる持続負荷外乱が加わつた時に、前
記制御入力値を決定する最適ゲインを切り換えて
制御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。