JPS6340928B2 - - Google Patents

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ツク（動
的）なシステムとして捕え、内部状態を期定する
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、アイドル回転速度を制御する方法
に関する。

（従来技術） 従来の内燃機関の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。
第１図において、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（アイドルスイツチとも言う。）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、目標アイドル回転速度
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。

しかしながら、このような従来の内燃機関のア
イドル回転速度制御方法にあつては、機関、アク
チユエータおよびセンサの動特性を効果的に用い
たPI制御を行なつている訳ではなく、さらには、
制御手法としてのPI制御は多入出力システムに
対する制御には不向きなものとなつていたため、
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
負荷外乱が加わつた直後等の、機関がダイナミツ
クな振舞いを呈する時には、制御追従性すなわち
過渡応答が悪いという問題があつた。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、PI制御の手法では適用
が難しいという問題があつた。

そして特に、アイドル回転速度制御を行なうか
どうかの判定をニユートラルスイツチ８、スロツ
トルバルブスイツチ７および車速で行なうと、高
速でギヤをニユートラルにした場合にエンストし
易く、またニユートラルスイツチ８での判定を除
いた場合でも、エンジンブレーキで減速してクラ
ツチを切つた場合にエンストし易いという問題点
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、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、されには負荷外乱が加わつた直後等の、機関
がダイナミツ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、制御性を
高めることを容易にし、もつてより安定なアイド
ル回転速度制御を行なうことを目的とする。そし
て特に、アイドル回転速度制御を行なうかどうか
の判定を適切に行なうようにして、高速運転での
ギヤ抜き時やエンジンブレーキでの減速時の耐ス
トール性を増すことを目的とする。

（発明の構成） そこでこの発明は、内燃機関、アクチユエータ
およびセンサの動特性をモデル化したものをマイ
クロコンピユータ等からなるコントローラに記憶
しておき、バイパス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）量もしくは相当量から選択されるいずれ
か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
御入力と制御出力から、ダイナミツクモデルであ
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、および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
標値にフイードバツ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PID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。

そして特に、アイドル回転速度制御を行なうか
どうかの判定をスロツトルバルブスイツチ、およ
び車速と機関回転速度との比に注目して行なうこ
とを特徴とするものである。

（実施例） 以下、この発明の実施例を図面を参照して説明
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実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、空燃比フイード
バツク制御を含む燃料噴射制御その他を行なつて
いる。制御対象１２の制御出力をアイドル回転速
度とした場合、制御入力としては、空気量、点火
時期、燃料供給量および排気還流量から選択され
たいずれか１つまたは任意の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
VCMバルブ２の制御ソレノイド３（第１図）を
駆動するパルス幅P_A（すなわちバイパス空気量に
相当する量）と点火時期ITとをとる。制御出力
はアイドル回転速度Ｎで、１出力である。

１３は、制御対象である内燃機関１２のダイナ
ミツクモデルを記憶していて、上記３つの制御入
出力情報P_A，IT，Ｎから機関１２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
（＝x_i，ｉ＝１，２，…，ｎ。例えば４つの量x₁，
x₂，x₃，x₄のベクトル表示）の推定値x^（＝x^_i，ｉ
＝１，２，…，ｎ）を計算する。

状態観測器１３は制御対象である機関１２をシ
ミユレーシヨンするもので、ダイナミツクな内部
状態を状態変数量ｘで代表する。制御対象である
機関１２の内部状態を表わす状態変数としては、
具体的には例えばインテークマニホールドの絶体
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な振舞いを把
握し、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
用的なセンサはあまり存在しない。そこで機関１
２の内部状態を状態変数量ｘで代表させるが、但
し状態変数量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
１２をシミユレーシヨンさせるものである。状態
変数量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
(I)動作で吸収する。この発明における２入力１出
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
ツクで、第４図に詳細に示すように、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
を積分した量および状態観測器１３で計算された
状態変数量の推定値x^から、２つの制御入力P_Aと
ITの値を計算する。そして、上記状態観測器１
３と積分動作とゲインブロツク１４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１２は２入力１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、機関１２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１３がある。アイド
ル回転速度近辺の運転条件で、機関１２の伝達関
数行列Ｔ（ｚ）が実験的に求まり、 Ｔ（ｚ）＝〔T₁（ｚ） T₂（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次伝達関数である。

入力、出力および伝達関数T₁（ｚ），T₂（ｚ）の
関係を示す機関１２のモデル構造を第５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，δIT，δN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１３を構成することができる。

先ず、Ｔ（ｚ）から機関１２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、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（第１図）の駆動パル
ス幅δP_A（ｎ−１）と点火時期δITを要素とする。
すなわち、 また、ｙ（ｎ−１）は制御出力で、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）を
要素とする。すなわち、 ｙ（ｎ−１）＝δN（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１２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
１３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量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（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、点火時期の基
準設定値IT_aからの線形近似が成り立つ範囲内で
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に合致するように制御す
る定値制御を意味する。なおこの発明では、前述
したように実際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
るための積分(I)動作を付加しているが、ここでは
積分動作を含めて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１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) δe（ｎ）＝N_r−Ｎ（ｎ） (10) とし、評価関数Ｊを、 Ｊ＝_∞ 〓^k=0 〔δe(k)²＋δu^t(k)Rδu(k)〕 (11) とする。ここで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、Ｒを対角行列とすると(11)式の右辺第２項
は(9)式の２乗を表わす。また、(11)式の右辺第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４図のように積分動作を付加し
たためである。

制御入力u^*(k)は、 となる。(12)式で、 Ｋ＝−（Ｒ＋^tＰ）^{-1 t}Ｐ (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）を最小にしようと意図したもので、その
制約の重み付けは重みパラメータ行列Ｒで変える
ことができる。従つて、適当な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SAの積分値および推定され
た状態変数量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１２のダイナミツクな状態
変数量の推定値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。

このような内燃機関のアイドル回転速度制御方
法において、前述したように、特に、アイドル回
転速度制御を行なうかどうかの判定（アイドル判
定）を、従来のようにニユートラルスイツチ８、
スロツトルバルブスイツチ７および車速で行なう
と、高速回転中にギヤをニユートラルにした場合
にエンストし易いという問題があり、ニユートラ
ルスイツチによる判定を除いても、エンジンブレ
ーキによる減速時にアイドル回転速度制御を行な
つてしまうため、減速途中で実際の機関回転速度
Ｎが目標回転速度N_rより高い状態で、バイパス
空気量を減少させる方向に制御が行われる。この
状態でクラツチを切ると、機関回転速度が低下
し、エンストしてしまうという問題がある。

従つてこの発明では、アイドル判定をニユート
ラルスイツチ８では行わず、スロツトルバルブス
イツチ７、および車速と機関回転速度との比に注
目して行なうこととした。

以上のアイドル回転速度制御の手順を示したの
が第６図である。手順を説明すると、ステツプ３
０では、エアコンのオン・オフ状態、冷却水温度
T_Wの値等によりアイドル回転速度の目標値N_rを
決める。ステツプ３１では、スロツトルバルブス
イツチ７が入つているかどうかを判定し、入つて
いなければリターンし、入つていればステツプ３
２に進む。ステツプ３２では、車速と機関回転速
度との比から、クラツチがつながつているかどう
かを判定し、つながつていればリターンし、つな
がつていなければステツプ３３に進す。ステツプ
３３では、初めてアイドル回転速度制御に入つた
かどうかを判定し、初めて入つた場合は、ステツ
プ３４でスムーズにアイドル回転速度制御に入れ
るように、実際の機関回転速度Ｎに応じて状態変
数量x₁，x₂，x₃，x₄およびDUNに初期値を与え、
ステツプ３９へ進む。

ステツプ３３でアイドル回転速度制御が初めて
入つたものではない場合は、ステツプ３５でアイ
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DUNというレジスタに移す。ステツ
プ３７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を計算する。
ステツプ３８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
x^* ₁〜x^* ₃（前回計算値）と、計算された制御入力値
δP_AおよびδITと、さらに制御出力値であるδNと
を重み付け加算して、各状態変数量x₁〜x₄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３９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〜x₄とDUN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IT_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６図の係数b_ij，g_i，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。

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
実験した結果、従来のPI制御とこの発明による
多変数制御とで比較したのが第７図ないし第１０
図である。

第７図はクラツチ接続時（t₀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、Ａは従来のPI制御、
Ｂはこの発明の多変数制御の場合である。第８図
はクラツチ遮断時（t₀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図はエアコンをオンし、目標アイドル
回転速度N_rを800rpmに移行した場合、およびエ
アコンをオフし、目標アイドル回転速度N_rを
650rpmに戻した場合に過渡応答を示し、Ａは従
来方法、Ｂはこの発明の方法の場合である。第１
０図は無負荷高回転状態から目標値N_r＝650rpm
にコーステイングする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７図ないし第１０図から明らかなように、いず
れの場合もこの発明の方法による方が、過渡応答
が大幅に改善されていることがわかる。なお、第
７図Ａではアイドル回転速度が目標値N_rに整定
しない。

第１１図は高速回転中にギヤをニユートラルに
した場合の実験結果で、Ａはニユートラルスイツ
チをアイドル判定に入れた従来方法、Ｂはニユー
トラルスイツチをアイドル判定に入れないこの発
明の方法をそれぞれ示す。Ｂの方が目標回転速度
N_r＝650rpmからの落込みが小さいことがわか
る。なお、Ｂでは機関回転速度が1100rpmを通過
する点t₁で、第６図のステツプ３４で説明した初
期値をセツトしている。

第１２図はエンジンブレーキで減速後にクラツ
チを切つた場合の実験結果であり、Ａは従来方
法、Ｂはこの発明の方法である。期間t₀〜t₁中に
エンジンブレーキで減速し、時刻t₁でクラツチを
切つている。Ｂの方が目標回転速度N_rからの落
込みが小さいことがわかる。

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
力としては、空気量（または相当量）、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）から選択されたいずれか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VCMバルブの制御ソレノイドの駆動パル
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、この発明の内燃機関のア
イドル回転速度制御方法によれば、内燃機関のダ
イナミツ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速度制御を行ない、しかも内
燃機関のダイナミツクな状態を推定する手順を付
加し、なおかつ、状態観測器内の機関モデルを低
次元化したものを用いて計算時間を短縮し、その
近似誤差分は積分動作で吸収するようにしたた
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で
き、しかも制御自由度を上げて制御性を高めるた
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。

そして特に、アイドル判定を、アイドルスイツ
チおよび車速と機関回転速度との比に注目して行
なう構成としたため、高速回転中のギヤ抜き時に
エンストしにくく、かつエンジンブレーキで減速
した後の耐ストール性が向上し、より安定なアイ
ドル運転を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ヤート、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
積分動作とゲインブロツクの詳細な構成図、第５
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６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７図Ａ，Ｂはクラツチ接
続時の過渡応答の実験結果を示す図、第８図Ａ，
Ｂはクラツ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Ａ，Ｂ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Ａ，Ｂはアイドル判定にニユートラルスイ
ツチを用いた場合と用いない場合の高速ギヤ抜き
時の実験結果を示す図、第１２図Ａ，Ｂはエンジ
ンブレーキで減速後にクラツチを切つた場合の実
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…内燃機関（制御対象）、１
３…状態観測器、１４…積分動作とゲインブロツ
ク、Ｎ…アイドル回転速度の実際値、N_r…アイ
ドル回転速度の目標値、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、P_A…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、IT…点火時
期、ｘ（＝x_i）…状態変数量、x^（＝x^_i）…状態変
数の推定量。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 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_rと実際値Ｎの偏差SAに基づいてアイ
   ドル回転速度をフイードバツ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
   ダイナミツクモデルに基づき、前記内燃機関の制
   御入力値であるスロツトルバルブをバイパスして
   該内燃機関に供給されるバイパス空気量もしくは
   該バイパス空気量に相当する量、該内燃機関の点
   火時期、該内燃機関への燃料供給量もしくは該燃
   料供給量に相当する量および該内燃機関への排気
   還流量もしくは該排気還流量に相当する量から選
   択されるいずれか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）と前記アイドル
   回転速度の偏差SAを積分した量とから前記制御
   入力値を決定し、さらに、アイドル回転速度制御
   を行なうかどうかの判定を、スロツトルバルブス
   イツチ、車速と機関回転速度との比および機関回
   転速度によつて行なう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。