WO2013076816A1 - フィードバック制御システム - Google Patents

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WO2013076816A1
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真介 青柳
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トヨタ自動車株式会社
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02D—CONTROLLING COMBUSTION ENGINES
    • F02D41/00—Electrical control of supply of combustible mixture or its constituents
    • F02D41/30—Controlling fuel injection
    • F02D41/32—Controlling fuel injection of the low pressure type
    • F02D41/34—Controlling fuel injection of the low pressure type with means for controlling injection timing or duration
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02D—CONTROLLING COMBUSTION ENGINES
    • F02D41/00—Electrical control of supply of combustible mixture or its constituents
    • F02D41/0002—Controlling intake air
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02D—CONTROLLING COMBUSTION ENGINES
    • F02D41/00—Electrical control of supply of combustible mixture or its constituents
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    • F02D41/2429—Methods of calibrating or learning
    • F02D41/2451—Methods of calibrating or learning characterised by what is learned or calibrated
    • F02D41/2454—Learning of the air-fuel ratio control
    • G—PHYSICS
    • G05—CONTROLLING; REGULATING
    • G05B—CONTROL OR REGULATING SYSTEMS IN GENERAL; FUNCTIONAL ELEMENTS OF SUCH SYSTEMS; MONITORING OR TESTING ARRANGEMENTS FOR SUCH SYSTEMS OR ELEMENTS
    • G05B11/00—Automatic controllers
    • G05B11/01—Automatic controllers electric
    • G05B11/36—Automatic controllers electric with provision for obtaining particular characteristics, e.g. proportional, integral, differential
    • G05B11/42—Automatic controllers electric with provision for obtaining particular characteristics, e.g. proportional, integral, differential for obtaining a characteristic which is both proportional and time-dependent, e.g. P. I., P. I. D.

Definitions

  • the present invention relates to a feedback control system, and more particularly to a feedback control system suitable for use in air-fuel ratio control of an automobile internal combustion engine.
  • feedback control is used for supercharging pressure control, EGR control, and air-fuel ratio control.
  • a feedback control method generally used in an internal combustion engine is PI control (proportional integral control).
  • PI control proportional integral control
  • the target air-fuel ratio is determined with respect to the air-fuel ratio that is the control amount
  • the measured air-fuel ratio by the air-fuel ratio sensor is acquired
  • the air-fuel ratio deviation that is the deviation between the target air-fuel ratio and the measured air-fuel ratio is calculated.
  • P term by multiplying a predetermined proportional gain G p the air-fuel ratio difference (proportional term) is calculated.
  • the I term is updated by adding a value obtained by multiplying the air-fuel ratio deviation by a predetermined integral gain Gp to the previous value of the I term (integral term).
  • the P term and the I term are added together, and a fuel injection amount and an air amount correction amount, which are manipulated variables, are calculated based on a PI term (proportional integral term) that is the sum of them.
  • PI term proportional integral term
  • the size of the PI term is limited by the guard.
  • the guard value is a variable value that is changed according to the operating state of the engine.
  • Limiting the size of the PI term with a guard is a known technique disclosed in, for example, Japanese Patent Laid-Open No. 2008-291752. Since the correction amount for the operation amount of the internal combustion engine is calculated based on the PI term, various problems occur with respect to the operation of the internal combustion engine when no guard is provided for the PI term.
  • the air-fuel ratio deviation does not disappear and the PI term continues to increase or decrease. is there. If the value of the PI term that continues to increase or decrease is used as it is for the calculation of the fuel injection amount and the correction amount of the air amount, the actual air-fuel ratio may be further deviated from the target air-fuel ratio.
  • the reason for providing a guard for the PI term is to prevent these problems from occurring. Taking the control logic shown in FIG. 6 as an example, if the value of the PI term exceeds the guard value, the engine is given the guard value instead of the PI term value itself. Thereby, it is avoided that the above problems occur.
  • the PI term corresponds to the correction amount necessary to eliminate the air-fuel ratio deviation
  • the PI term is not limited and feedback control is normally performed
  • the PI term is the value of the correction amount that the engine actually desires (hereinafter referred to as the engine required value) as the elimination of the air-fuel ratio deviation proceeds. ) Will converge.
  • the steady-state error included in the P term is changed to the I term
  • the P term converges to zero and the I term converges to the engine required value.
  • the air-fuel ratio deviation remains, the integration of the air-fuel ratio deviation to the I term is repeated endlessly. As a result, if the air-fuel ratio deviation is a positive value, the I term diverges to positive infinity, and if the air-fuel ratio deviation is a negative value, the I term diverges to negative infinity.
  • the divergence of the I term caused by the PI term being restricted by the guard can be prevented by the following method, for example.
  • the first method is to stop updating the I term while the value of the PI term exceeds the guard value. While the update is stopped, the value of the I term is held at the value immediately before the update is stopped. According to this method, the divergence of the I term itself can be surely prevented. However, the convergence of the I term to the engine request value is delayed by the time during which the update of the I term is stopped.
  • a second method for preventing the divergence of the I term is to provide a guard for limiting the size of the I term as disclosed in, for example, Japanese Patent Application Laid-Open Nos. 2010-249000 and 2004-060613. is there.
  • this method since the divergence of the I term is stopped by the guard, a situation where the I term diverges to infinity or minus infinity is prevented.
  • the guard of the PI term is removed and the correction of the operation amount by the feedback control is resumed, the I term changes from the guard value to the engine request value as a starting point.
  • the guard value for the I term is set to a value that is considerably larger than the normally assumed engine required value, it takes time for the I term to converge to the engine required value.
  • the present invention relates to a feedback control system that calculates a correction amount for an operation amount of a controlled object based on a PI term that is a sum of a P term and an I term based on a deviation between a target value of a control amount and a measured value.
  • An object of the present invention is to improve the convergence of the I term after the restriction by the guard of the PI term is removed while preventing the divergence of the I term in a state where the PI term is restricted by the guard.
  • a feedback control system includes a value obtained by subtracting a value obtained by subtracting a difference between a value before restriction and a value after restriction by the guard of the PI term from the value of the I term. Calculate as the previous correction value. Then, a value obtained by multiplying a deviation between the target value of the control amount and the measured value by a predetermined gain is calculated, and the value of the I term is updated by adding the value to the corrected previous value of the I term. According to this, the update of the I term is continued even after the value of the PI term hits the guard, and the I term converges to a value in the vicinity of the variable guard for the PI term. That is, the convergence of the I term after the restriction by the guard of the PI term is removed improves.
  • the feedback control system has a function of transferring the steady-state error component included in the I term to the learning term. Specifically, the sum of the PI term restricted by the guard and the learning term is calculated as a total correction term, and the value of the learning term is updated based on the value of the PI term restricted by the guard.
  • the total correction term is used to calculate the correction amount for the operation amount.
  • the size of the total correction term is limited by a guard for the total correction term. Then, the correction previous value of the I term is further corrected by subtracting the difference between the value before limitation by the guard of the total correction term and the value after limitation.
  • the operation of transferring the steady error component included in the I term to the learning term can be realized even when the total correction term is limited by the guard.
  • the corrected previous value of the I term is fixed to zero.
  • the guard for the total correction term is preferably set to a smaller value than the guard for the PI term.
  • Guards may be provided for the P term and I term.
  • the guard value for the P term is preferably set to the same value as the guard value for the PI term or a value smaller than that.
  • the guard value for the I term is preferably set to a value larger than the variable guard value for the PI term when the feedback control system does not have a learning function.
  • Embodiment 1 FIG. Embodiment 1 of the present invention will be described with reference to the drawings.
  • the feedback control system of the present invention is applied to the air-fuel ratio control of a diesel engine.
  • the air-fuel ratio control is performed by an ECU that controls the diesel engine.
  • the feedback control system of the present embodiment is realized as a part of the ECU function.
  • FIG. 1 is a block diagram showing the control logic of the feedback control system of the present embodiment.
  • the deviation air-fuel ratio deviation
  • P term is calculated by multiplying a predetermined proportional gain G p in the air-fuel ratio deviation.
  • the update of the I term by multiplying the predetermined integral gain G p to the air-fuel ratio deviation is calculated.
  • the update amount is added to the corrected previous value of the I term described later. As a result, the value of the I term is updated.
  • a guard for restricting the size of the P term (hereinafter referred to as a P term guard) is provided.
  • a guard for restricting the size of the I term (hereinafter referred to as an I term guard) is provided.
  • the P term before restriction by the guard for the P term may be referred to as the pre-guard P term in order to distinguish it from the post-guard P term.
  • the I term before restriction by the guard for I term may be referred to as the pre-guard I term.
  • a guard that limits the size of the PI term (hereinafter referred to as a guard for the PI term) is provided.
  • the PI term guard is a variable guard whose guard value is changed according to the operating state of the engine.
  • the aforementioned P-term guard is also a variable guard, and its guard value is the same as that of the PI-term guard.
  • the guard value of the P term guard may be smaller than that of the PI term guard.
  • the aforementioned I-term guard is a fixed guard, and its guard value is fixed to a value larger than that of the PI-term guard.
  • the fuel injection amount and the correction amount of the air amount are calculated based on the PI term limited by the PI term guard (hereinafter referred to as the post-guard PI term).
  • the post-guard PI term There is no particular limitation on the specific method for calculating the correction amount from the post-guard PI term.
  • the PI term before restriction by the guard for the PI term may be referred to as a pre-guard PI term.
  • the I term is updated by adding the update amount to the previous value of the I term.
  • the corrected previous value is used for updating the I term, not the previous value of the I term.
  • the corrected previous value used in the present embodiment is defined as the previous value obtained by subtracting the difference between the value of the PI term before guard and the value of the PI term after guard from the value of the I term after guard. A value obtained by adding the update amount to the corrected previous value becomes the value of the updated I term.
  • the PI term guard can be regarded as removing only the I term among the components constituting the PI term.
  • the excess can be regarded as a part of the post-guard I term cut by the PI term guard.
  • the portion of the post-guard I term that has been cut by the PI term guard is subtracted from the I term at the time of update.
  • FIG. 2 is a diagram showing a control result by the feedback control system in comparison with a comparative example.
  • the control result (A-1) is a comparative example, and shows the control result when the previous value of the guarded I term is used as it is for updating the I term.
  • the control result (B-1) is a control result by this feedback control system.
  • the PI term, the P term, and the I term each indicate a value after guard.
  • These control results are control results when the PI term is limited by the PI term guard in the course of eliminating the air-fuel ratio deviation by feedback control.
  • the proportional gain Gp and the integral gain Gp are set to the same value.
  • the I term continues to increase even after the PI term is limited by the PI term guard. This is because the air-fuel ratio deviation still remains, and the update amount calculated from the air-fuel ratio deviation continues to be accumulated in the I term. The I term continues to diverge until it hits the I term guard set to a value greater than the PI term guard.
  • the I term converges to a constant value without diverging. This is because the portion of the I term that has been cut by the PI term guard is subtracted when the I term is updated, thereby preventing the I term from further increasing.
  • the I term converges to the same value as the post-guard PI term because the proportional gain G p and the integral gain G p are set to the same value. If more of the proportional gain G p is greater than the integral gain G p, the convergence value of the I term is smaller than the value of the guard after the PI term.
  • FIG. 3 is a diagram showing a control result by the feedback control system in comparison with another comparative example.
  • the control result (A-2) is a comparative example, and shows the control result when the update of the I term is stopped while the PI term is hitting the PI term guard.
  • the control result (B-2) is a control result by this feedback control system.
  • the PI term, the P term, and the I term each indicate a value after guard.
  • These control results indicate that the feedback control is started at time t0 when the I term is in the initial state, and the PI term guard is temporarily set to a value lower than the engine required value from time t1 to time t2. It is a control result when it is changed automatically. Further, as in the case of the control results shown in FIG. 2, in these control results, the proportional gain Gp and the integral gain Gp are set to the same value.
  • the update of the I term is stopped at the time t1 when the PI term hits the guard for the PI term, and the I term is held at the value immediately before the update is stopped.
  • the PI term guard is returned to the original value at time t2 thereafter and the guard is removed from the PI term, first, the PI term converges toward the engine required value.
  • the P term decreases and converges to zero, and the I term increases by the amount of decrease of the P term and converges to the engine required value.
  • the term I converges toward the required engine value starting from the value immediately before the update stop. For this reason, a delay occurs in the completion of convergence.
  • the update of the I term is continued while the PI term hits the PI term guard, and the value of the I term increases to the value of the PI term guard. Therefore, after the guard is removed from the PI term at time t2, the I term converges toward the engine required value with the PI term guard value as the starting point.
  • the time point tb when the convergence of the I term is completed by the feedback control system is made earlier than the time point ta when the convergence of the I term is completed according to the comparative example.
  • the I term because it sets the proportional gain G p and integral gain G p the same value converges to a value of the guard PI term, the integral gain towards the proportional gain G p If G p greater than, I term converges to a value smaller than the value of the guard PI term, if more of the proportional gain G p is smaller than the integral gain G p, I term than the value of the guard PI term Converge to a larger value.
  • the I term aims at the engine required value starting from a value in the vicinity of the PI term guard, the convergence of the I term is completed faster than the comparative example. That is, according to this feedback control system, not only can the divergence of the I term be prevented, but also the convergence of the I term after the restriction by the guard of the PI term has been removed can be improved.
  • the feedback control system of the present invention is applied to the air-fuel ratio control of the diesel engine.
  • the feedback control system of the present embodiment is also realized as part of the ECU function.
  • FIG. 4 is a block diagram showing the control logic of the feedback control system of the present embodiment.
  • the difference from the feedback control system of the first embodiment is that a learning function for storing a steady error included in the air-fuel ratio deviation as a learning value is provided.
  • the learning value is learned from the post-guard PI term and stored in the map.
  • the magnitude of the post-guard PI term used for learning is limited by the map guard. Learning of the learning value based on the post-guard PI term is performed for each engine operating state, and the learning value stored in the map is updated as needed. There is no particular limitation on the specific learning method.
  • the learning value read from the map is used as a map term (learning term).
  • the map term is added to the post-guard PI term, and the sum thereof becomes the total correction term.
  • the size of the total correction term is limited by a guard (hereinafter referred to as final guard).
  • the final guard is set to the smallest guard value among all the guards so as to surely prevent misfire and smoke due to excessive correction.
  • the aforementioned map guard has a guard value of the same size as the I-term guard.
  • the guard values for the map guard and the I term guard are set to values corresponding to steady errors caused by individual differences in injectors and air flow meters included in the air-fuel ratio deviation.
  • the guard values of the PI term guard and the P term guard are set to values larger than those of the map guard and the I term guard.
  • a positive guard value and a negative guard value are set for all guards including the final guard.
  • the fuel injection amount and the air amount correction amount are calculated based on the total correction term limited by the final guard (hereinafter, the total correction term after guard).
  • the total correction term after guard There is no particular limitation on the specific method for calculating the correction amount from the post-guard total correction term.
  • the total correction term before restriction by the final guard may be referred to as a pre-guard total correction term in order to distinguish it from the post-guard total correction term.
  • the previous correction value is used to update I term.
  • a value obtained by adding the update amount to the corrected previous value becomes the value of the updated I term.
  • the previous correction value used by the feedback control system in the present embodiment is different in definition from the previous correction value used in the first embodiment.
  • the previous correction value used in the present embodiment is obtained by subtracting the difference between the value of the PI term before guard and the value of the PI term after guard from the value of the I term after guard, and further, the value of the total correction term before guard and the value after guard It is defined as the previous value obtained by subtracting the difference from the value of the total correction term.
  • SW switch
  • the condition is that the value of the pre-guard total correction term exceeds the final guard value, and the sum of the post-guard P term and the map term also exceeds the final guard value.
  • the portion of the post-guard I term that is cut by the guard for the PI term and the portion of the total correction term that is cut by the final guard are the I term. Deducted when updating. Since the total correction term is the sum of the post-guard PI term and the map term, the amount of cutting by the final guard increases as learning progresses and the map term grows, and is used to update the I term accordingly. The previous correction value is getting smaller. That is, the value of the I term converges to zero as the map term grows. As a result, even in a situation where the total correction term is limited by the final guard, it is possible to realize an operation in which the stationary error component included in the I term is transferred to the map term.
  • FIG. 5 is a diagram showing a control result by the feedback control system in comparison with a comparative example.
  • the control result (A-3) is a comparative example, and shows the control result in the case where the previous value of the I term after guard is used as it is for updating the I term.
  • the control result (B-3) is a control result by this feedback control system.
  • the total correction term, the PI term, and the P term indicate values after guarding.
  • the I term continues to increase even after the total correction term is limited by the final guard. This is because the air-fuel ratio deviation still remains, and the update amount calculated from the air-fuel ratio deviation continues to be accumulated in the I term. The I term continues to diverge until it hits the I term guard set to a value greater than the final guard.
  • the I term decreases without divergence. This is because not only the portion of the post-guard I term that is cut by the PI term guard, but also the portion of the total correction term that is cut by the final guard is subtracted from the I term at the time of update. Since the portion of the total correction term that has been cut by the final guard corresponds to the growth of the map term, the amount that is subtracted from the I term increases as the map term grows by learning, and the I term is zero. Aim and converge. The value of the I term is fixed at zero when the transfer of the steady error component from the I term to the map term is completed. Thus, according to the present feedback control system, an operation of changing the steady-state error component included in the I term to the map term, that is, a normal learning operation is realized even in a state where the total correction term is limited by the final guard. be able to.
  • the present invention is not limited to the above-described embodiment, and various modifications can be made without departing from the spirit of the present invention.
  • a control logic that does not provide an I-term guard in the first embodiment, it is possible to employ a control logic that does not provide an I-term guard.
  • a control logic that does not switch the correction previous value to zero by the switch it is possible to employ.
  • the feedback control system of the present invention can be applied to other than the air-fuel ratio control of a diesel engine.
  • the present invention may be applied to supercharging pressure control or EGR control.
  • the present invention is not limited to the control of an internal combustion engine for automobiles, and can be widely applied to other feedback control in general.

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Abstract

　本発明の課題は、制御量の目標値と計測値との偏差に基づいてＰ項とＩ項とを算出し、それらの和であるＰＩ項に基づいて制御対象の操作量に対する補正量を算出するフィードバック制御システムにおいて、ＰＩ項がガードによって制限されている状態でのＩ項の発散を防ぎつつ、ＰＩ項のガードによる制限が外れた後のＩ項の収束性を向上させることである。このため、本フィードバック制御システムは、ＰＩ項のガードによる制限前の値と制限後の値との差をＩ項の値から差し引いた値をＩ項の修正前回値として演算する。そして、制御量の目標値と計測値との偏差から算出した更新量をＩ項の修正前回値に加算することによってＩ項の値を更新する。

Description

フィードバック制御システム
　本発明は、フィードバック制御システムに関し、特に、自動車用内燃機関の空燃比制御に用いて好適なフィードバック制御システムに関する。
　自動車用の内燃機関では、様々なフィードバック制御が行われている。例えばディーゼルエンジンの場合、過給圧制御、ＥＧＲ制御、そして、空燃比制御にフィードバック制御が用いられている。
　内燃機関で一般的に用いられているフィードバック制御の手法はＰＩ制御（比例積分制御）である。例えばディーゼルエンジンの空燃比制御であれば、図６にブロック図で示すような制御ロジックを有するフィードバック制御システムが用いられている。このフィードバック制御システムでは、制御量である空燃比に関して目標空燃比が定められるとともに空燃比センサによる計測空燃比が取得され、目標空燃比と計測空燃比との偏差である空燃比偏差が計算される。そして、空燃比偏差に所定の比例ゲインＧｐを乗じることでＰ項（比例項）が算出される。また、空燃比偏差に所定の積分ゲインＧｐを乗じた値をＩ項（積分項）の前回値に加算することによってＩ項が更新される。Ｐ項とＩ項とは足し合わされ、それらの和であるＰＩ項（比例積分項）に基づいて操作量である燃料噴射量や空気量の補正量が算出される。ただし、図６の制御ロジックではＰＩ項の大きさはガードによって制限される。このガードの値はエンジンの運転状態によって変更される可変値である。
　ＰＩ項の大きさをガードで制限することは、例えば特開２００８－２９１７５２号公報にも開示されている公知の技術である。内燃機関の操作量に対する補正量はＰＩ項に基づいて算出されるため、ＰＩ項に対してガードが設けられていない場合には内燃機関の運転に関して様々な問題が生じてしまう。
　ディーゼルエンジンの空燃比制御を例にとると、エンジンの運転状態が急変した場合、空燃比偏差が急拡大することによってＰＩ項の値が急増或いは急減することがある。急増或いは急減したＰＩ項の値をそのまま燃料噴射量や空気量の補正量の演算に用いる場合、過剰な補正量をエンジンに与えてしまい、エンジンの運転状態が不安定になってしまうおそれがある。
　また、空燃比センサに異常が生じた場合、例えば、空燃比センサの出力値がある値に張り付いてしまった場合には、いつまでも空燃比偏差が無くならずＰＩ項が増大或いは減少し続けることがある。増大或いは減少し続けるＰＩ項の値をそのまま燃料噴射量や空気量の補正量の演算に用いる場合、実際の空燃比は目標空燃比からますます乖離してしまうおそれがある。
　ＰＩ項に対してガードを設ける理由は、これらのような問題が生じるのを防ぐことにある。図６に示す制御ロジックを例にとると、ＰＩ項の値がガードの値を超える場合、エンジンにはＰＩ項の値そのものではなくガードの値が与えられる。これにより、上述のような問題が生じることは回避される。
　しかし、ＰＩ項は空燃比偏差を解消するために必要な補正量に対応していることから、ＰＩ項に制限がかかった場合には補正量に不足が生じてしまい、空燃比偏差は解消されずに残ったままとなる。ＰＩ項に制限がかかっておらずフィードバック制御が正常に行われている場合には、空燃比偏差の解消が進むにつれてＰＩ項はエンジンが実際に欲している補正量の値（以下、エンジン要求値）に収束していく。そして、Ｐ項に含まれる定常誤差がＩ項に移し変えられていくことで、Ｐ項はゼロに収束していくとともに、Ｉ項はエンジン要求値に収束していく。ところが、空燃比偏差が残ったままになっていると、空燃比偏差のＩ項への積算が延々と繰り返されてしまう。その結果、空燃比偏差がプラスの値であればＩ項はプラスの無限大まで発散し、空燃比偏差がマイナスの値であればＩ項はマイナスの無限大まで発散してしまう。
　以上のように、ＰＩ項の大きさをガードで制限する場合には、Ｉ項の発散という別の問題が発生する。Ｉ項が発散してしまった場合、運転条件が変わってＰＩ項のガードが外れたときに過剰な補正量が算出されてしまう。また、ＰＩ項のガードが外れてフィードバック制御による操作量の補正が再開されることでＩ項は再びエンジン要求値を目指して収束していくが、一旦発散したＩ項がエンジン要求値に収束するまでには長い時間を要してしまう。
　ＰＩ項がガードで制限されることで起こるＩ項の発散は、例えば次のような方法で防ぐことができる。第１の方法は、ＰＩ項の値がガードの値を超えている間はＩ項の更新を停止することである。更新を停止している間、Ｉ項の値は更新停止直前の値に保持される。この方法によればＩ項の発散自体は確実に防ぐことができる。しかし、Ｉ項の更新を停止している時間の分だけ、Ｉ項のエンジン要求値への収束は遅れてしまう。
　Ｉ項の発散を防止する第２の方法は、例えば特開２０１０－２４９０００号公報や特開２００４－０６０６１３号公報に開示されているように、Ｉ項の大きさを制限するガードを設けることである。この方法によれば、Ｉ項の発散はガードで止められるので、Ｉ項が無限大或いはマイナス無限大まで発散してしまう事態は防止される。この場合、ＰＩ項のガードが外れてフィードバック制御による操作量の補正が再開されると、Ｉ項はガードの値を出発点としてエンジン要求値まで変化していく。しかし、Ｉ項用のガードの値は通常想定されるエンジン要求値に比べてかなり大きい値に設定されているので、Ｉ項がエンジン要求値に収束するまでには時間を要してしまう。
　上記の２つの方法は、ＰＩ項がガードによって制限されている状態でのＩ項の発散を防止することのできる有効な方法である。しかし、上述の通り、これらの方法にはＰＩ項のガードによる制限が外れた後のＩ項の収束性の点において問題が有った。
特開２００８－２９１７５２号公報 特開２０１０－２４９０００号公報 特開２００４－０６０６１３号公報
　本発明は、制御量の目標値と計測値との偏差に基づくＰ項とＩ項との和であるＰＩ項に基づいて制御対象の操作量に対する補正量を算出するフィードバック制御システムに関する発明である。本発明は、ＰＩ項がガードによって制限されている状態でのＩ項の発散を防ぎつつ、ＰＩ項のガードによる制限が外れた後のＩ項の収束性を向上させることを課題とする。この課題を達成するため、本発明の１つの形態としてのフィードバック制御システムは、ＰＩ項のガードによる制限前の値と制限後の値との差をＩ項の値から差し引いた値をＩ項の修正前回値として演算する。そして、制御量の目標値と計測値との偏差に所定のゲインを乗じた値を演算し、その値をＩ項の修正前回値に加算することによってＩ項の値を更新する。これによれば、ＰＩ項の値がガードに当たった後もＩ項の更新は続けられ、Ｉ項はＰＩ項用の可変ガードの近傍の値に収束するようになる。つまり、ＰＩ項のガードによる制限が外れた後のＩ項の収束性が向上する。
　本発明のより好ましい形態によれば、フィードバック制御システムは、Ｉ項に含まれる定常誤差成分を学習項に移し変える機能を備える。詳しくは、ガードによる制限後のＰＩ項と学習項との和をトータル補正項として演算するとともに、ガードによる制限後のＰＩ項の値に基づいて学習項の値を更新する。本フィードバック制御システムでは、トータル補正項を操作量に対する補正量の計算に使用する。ただし、操作量の過剰な補正を防止するため、トータル補正項の大きさはトータル補正項用のガードによって制限する。そして、トータル補正項のガードによる制限前の値と制限後の値との差を差し引くことによってＩ項の修正前回値をさらに修正する。これによれば、Ｉ項に含まれる定常誤差成分を学習項に移し変える動作をトータル補正項がガードによって制限されている状態でも実現することができる。この場合、より好ましくは、トータル補正項の値がガードの値を超え、且つ、Ｐ項と学習項との和の値もそのガードの値を超える場合、Ｉ項の修正前回値をゼロに固定する。
　なお、トータル補正項用のガードは、ＰＩ項用のガードよりも小さい値に設定するのが好ましい。また、ガードはＰ項やＩ項に対して設けても良い。ただし、Ｐ項用のガードの値は、ＰＩ項用のガードの値と同じ値かそれよりも小さい値に設定するのが好ましい。一方、Ｉ項用のガードの値は、フィードバック制御システムが学習機能を備えない場合には、ＰＩ項用の可変ガードの値よりも大きい値に設定するのが好ましい。しかし、フィードバック制御システムが学習機能を備える場合には、トータル補正項用のガードよりは大きくＰＩ項用のガードよりは小さい値に設定するのが好ましい。
本発明の実施の形態１のフィードバック制御システムの制御ロジックを示すブロック図である。 図１に示すフィードバック制御システムによる制御結果を比較例と対比して示す図である。 図１に示すフィードバック制御システムによる制御結果を比較例と対比して示す図である。 本発明の実施の形態２のフィードバック制御システムの制御ロジックを示すブロック図である。 図４に示すフィードバック制御システムによる制御結果を比較例と対比して示す図である。 空燃比制御のためのフィードバック制御システムの一般的な制御ロジックを示すブロック図である。
実施の形態１．
　本発明の実施の形態１について図を参照して説明する。
　本実施の形態では、ディーゼルエンジンの空燃比制御に本発明のフィードバック制御システムが適用されている。空燃比制御はディーゼルエンジンを制御するＥＣＵによって行われる。本実施の形態のフィードバック制御システムはＥＣＵの機能の一部として実現される。
　図１は、本実施の形態のフィードバック制御システムの制御ロジックを示すブロック図である。本フィードバック制御システムでは、目標値空燃比と空燃比センサによる計測空燃比との偏差（空燃比偏差）が計算される。そして、その空燃比偏差に所定の比例ゲインＧｐを乗じることでＰ項が算出される。また、空燃比偏差に所定の積分ゲインＧｐを乗じることでＩ項の更新量が算出される。更新量は後述するＩ項の修正前回値に加算される。これにより、Ｉ項の値が更新される。
　本フィードバック制御システムでは、Ｐ項の大きさを制限するガード（以下、Ｐ項用ガード）が設けられている。また、Ｉ項の大きさを制限するガード（以下、Ｉ項用ガード）が設けられている。Ｐ項用ガードによって制限されたＰ項（以下、ガード後Ｐ項）とＩ項用ガードによって制限されたＩ項（以下、ガード後Ｉ項）とは足し合わされ、それらの和であるＰＩ項が算出される。なお、以下の説明では、ガード後Ｐ項と区別するためにＰ項用ガードによる制限前のＰ項をガード前Ｐ項と呼ぶ場合がある。また、ガード後Ｉ項と区別するためにＩ項用ガードによる制限前のＩ項をガード前Ｉ項と呼ぶ場合がある。
　本フィードバック制御システムでは、ＰＩ項の大きさを制限するガード（以下、ＰＩ項用ガード）が設けられている。ＰＩ項用ガードは、そのガード値がエンジンの運転状態に応じて変更される可変ガードである。前述のＰ項用ガードも同じく可変ガードであり、そのガード値はＰＩ項用ガードのそれと同じ値とされている。ただし、Ｐ項用ガードのガード値はＰＩ項用ガードのそれよりも小さい値としてもよい。一方、前述のＩ項用ガードは固定ガードであって、そのガード値はＰＩ項用ガードのそれよりも大きい値に固定されている。このような設定にしておくことで、ＰＩ項がＰＩ項用ガードで削られた場合、削られた成分はＩ項であるとみなすことができる。なお、ＰＩ項用ガード、Ｐ項用ガード及びＩ項用ガードの何れのガードにもプラスのガード値とマイナスのガード値とが設定されている。ＰＩ項、Ｐ項及びＩ項のどれもがプラス値にもなるしマイナス値にもなるからである。
　本フィードバック制御システムでは、ＰＩ項用ガードによって制限されたＰＩ項（以下、ガード後ＰＩ項）に基づいて燃料噴射量や空気量の補正量が算出される。ガード後ＰＩ項から補正量を算出するための具体的方法について特に限定は無い。なお、以下の説明では、ガード後ＰＩ項と区別するためにＰＩ項用ガードによる制限前のＰＩ項をガード前ＰＩ項と呼ぶ場合がある。
　次に、本フィードバック制御システムの要部であるＩ項の更新方法に関して説明する。
　通常のフィードバック制御システムでは、Ｉ項の前回値に更新量が加算されることによってＩ項の更新が行われる。しかし、本フィードバック制御システムでは、Ｉ項の前回値ではなく修正前回値がＩ項の更新に使用される。本実施の形態で用いる修正前回値とは、ガード前ＰＩ項の値とガード後ＰＩ項の値との差をガード後Ｉ項の値から差し引いた値の前回値と定義される。この修正前回値に更新量を加算した値が更新後のＩ項の値となる。
　上記定義によれば、ガード前ＰＩ項の値がＰＩ項ガードの範囲内にある場合、つまり、ガード前ＰＩ項がＰＩ項ガードによって削られていない場合には、ガード後Ｉ項の前回値がそのまま修正前回値として用いられる。しかし、ガード前ＰＩ項の値がＰＩ項ガードの値を超える場合には、その超過分の値をガード後Ｉ項から差し引いた値の前回値がＩ項の修正前回値として用いられる。前述のとおり、本フィードバック制御システムの制御ロジックによれば、ＰＩ項用ガードではＰＩ項を構成する成分のうちＩ項のみが削られるものとみなすことができる。よって、ガード前ＰＩ項の値がＰＩ項ガードを超える場合、その超過分はＰＩ項用ガードで削られたガード後Ｉ項の一部であるとみなすことができる。つまり、本フィードバック制御システムでは、ガード後Ｉ項のうちＰＩ項用ガードで削られた分が更新時にＩ項から差し引かれる。
　本フィードバック制御システムが採っているＩ項の更新方法によれば、ＰＩ項がＰＩ項ガードに当たっている状態でのＩ項の発散を防止することができる。以下、この効果について図２及び図３を用いて説明する。
　図２は、本フィードバック制御システムによる制御結果を比較例と対比して示す図である。制御結果(A-1)が比較例であり、ガード後Ｉ項の前回値をそのままＩ項の更新に用いる場合の制御結果を示している。制御結果(B-1)は本フィードバック制御システムによる制御結果である。各制御結果において、ＰＩ項、Ｐ項及びＩ項はそれぞれガード後の値を示している。なお、これらの制御結果は、フィードバック制御によって空燃比偏差を解消している途上においてＰＩ項がＰＩ項用ガードで制限された場合の制御結果である。また、これらの制御結果では、比例ゲインＧｐと積分ゲインＧｐは同じ値に設定されている。
　制御結果(A-1)では、ＰＩ項がＰＩ項用ガードで制限された後もＩ項は増加し続けている。空燃比偏差は依然として残ったままとなっているため、空燃比偏差から算出される更新量がＩ項に積算され続けるからである。Ｉ項はＰＩ項用ガードよりも大きい値に設定されたＩ項用ガードに当たるまで発散し続ける。
　これに対し、制御結果(B-1)では、ＰＩ項がＰＩ項用ガードで制限された後、Ｉ項は発散することなく一定の値に収束している。Ｉ項のうちＰＩ項用ガードで削られた分がＩ項の更新時に差し引かれることで、Ｉ項がそれ以上に増大することが抑えられるためである。なお、ここでは、Ｉ項はガード後ＰＩ項と同じ値に収束しているが、これは比例ゲインＧｐと積分ゲインＧｐとを同じ値に設定しているからである。比例ゲインＧｐのほうが積分ゲインＧｐよりも大きければ、Ｉ項の収束値はガード後ＰＩ項の値よりも小さくなる。逆に比例ゲインＧｐのほうが積分ゲインＧｐよりも小さければ、Ｉ項の収束値はガード後ＰＩ項の値よりも大きくなる。いずれにしても、本フィードバック制御システムによれば、ＰＩ項がＰＩ項ガードに当たっている状態でのＩ項の発散を防止することができる。
　図３は、本フィードバック制御システムによる制御結果を別の比較例と対比して示す図である。制御結果(A-2)が比較例であり、ＰＩ項がＰＩ項用ガードに当たっている間はＩ項の更新を停止する場合の制御結果を示している。制御結果(B-2)は本フィードバック制御システムによる制御結果である。各制御結果において、ＰＩ項、Ｐ項及びＩ項はそれぞれガード後の値を示している。なお、これらの制御結果は、Ｉ項が初期状態となっている時点t0においてフィードバック制御が開始され、その後の時点t1からt2までの間、ＰＩ項用ガードがエンジン要求値よりも低い値に一時的に変更された場合の制御結果である。また、図２に示す制御結果の場合と同じく、これらの制御結果では、比例ゲインＧｐと積分ゲインＧｐは同じ値に設定されている。
　制御結果(A-2)では、ＰＩ項がＰＩ項用ガードに当たった時点t1においてＩ項の更新は停止され、Ｉ項は更新停止直前の値に保持される。その後の時点t2においてＰＩ項用ガードが元の値に戻されてＰＩ項からガードが外れると、まずは、ＰＩ項がエンジン要求値を目指して収束していく。そして、ＰＩ項がエンジン要求値に収束したら、Ｐ項は減少してゼロに収束していき、Ｉ項はＰ項が減少した分だけ増大してエンジン要求値に収束していく。このとき、Ｉ項は、更新停止直前の値を出発点としてエンジン要求値を目指して収束していくことになる。このため、収束の完了に遅れが生じてしまう。
　これに対し、制御結果(B-2)では、ＰＩ項がＰＩ項用ガードに当たっている間もＩ項の更新は続けられ、Ｉ項の値はＰＩ項用ガードの値まで増大する。よって、時点t2においてＰＩ項からガードが外れた後は、Ｉ項はＰＩ項用ガードの値を出発点としてエンジン要求値を目指して収束していくことになる。これにより、本フィードバック制御システムによるＩ項の収束の完了の時点tbは、比較例によるＩ項の収束の完了の時点taよりも早められる。なお、本実施の形態では比例ゲインＧｐと積分ゲインＧｐとを同じ値に設定しているためＩ項はＰＩ項用ガードの値に収束しているが、比例ゲインＧｐのほうが積分ゲインＧｐよりも大きい場合、Ｉ項はＰＩ項用ガードの値よりも小さい値に収束し、比例ゲインＧｐのほうが積分ゲインＧｐよりも小さい場合、Ｉ項はＰＩ項用ガードの値よりも大きい値に収束する。しかし、いずれにしても、Ｉ項はＰＩ項用ガードの近傍の値を出発点としてエンジン要求値を目指すので、比較例に比べればＩ項の収束が完了するのは早い。つまり、本フィードバック制御システムによれば、Ｉ項の発散を防止できるだけでなく、ＰＩ項のガードによる制限が外れた後のＩ項の収束性を向上させることができる。
　実施の形態２．
　次に、本発明の実施の形態２について図を参照して説明する。
　本実施の形態では、実施の形態１と同じく、ディーゼルエンジンの空燃比制御に本発明のフィードバック制御システムが適用されている。実施の形態１の場合と同様、本実施の形態のフィードバック制御システムもＥＣＵの機能の一部として実現される。
　図４は、本実施の形態のフィードバック制御システムの制御ロジックを示すブロック図である。実施の形態１のフィードバック制御システムとの違いは、空燃比偏差に含まれる定常誤差を学習値として記憶する学習機能を備えたことにある。学習値はガード後ＰＩ項から学習されてマップに記憶される。ただし、学習に用いられるガード後ＰＩ項は、その大きさをマップ用ガードによって制限される。ガード後ＰＩ項に基づく学習値の学習はエンジンの運転状態毎に行なわれ、マップに記憶された学習値は随時更新される。具体的な学習の方法について特に限定は無い。
　本フィードバック制御システムでは、マップから読み出された学習値がマップ項（学習項）として用いられる。マップ項はガード後ＰＩ項に足し合わされ、それらの和がトータル補正項となる。トータル補正項はその大きさをガード（以下、最終ガード）によって制限される。最終ガードは、過剰な補正による失火やスモークの発生を確実に防げるように、そのガード値を全てのガードの中で最も小さい値に設定されている。前述のマップ用ガードはＩ項用ガードと同じ大きさのガード値を有している。マップ用ガードとＩ項用ガードのガード値は、空燃比偏差に含まれるインジェクタやエアフローメータの個体差が原因の定常誤差に対応する値に設定されている。ＰＩ項用ガードとＰ項用ガードのガード値は、マップ用ガードやＩ項用ガードのそれよりも大きい値に設定されている。なお、実施の形態１の場合と同じく、最終ガードを含む全てのガードにはプラスのガード値とマイナスのガード値とが設定されている。
　本フィードバック制御システムでは、最終ガードによって制限されたトータル補正項（以下、ガード後トータル補正項）に基づいて燃料噴射量や空気量の補正量が算出される。ガード後トータル補正項から補正量を算出するための具体的方法について特に限定は無い。なお、以下の説明では、ガード後トータル補正項と区別するために最終ガードによる制限前のトータル補正項をガード前トータル補正項と呼ぶ場合がある。
　次に、本フィードバック制御システムの要部であるＩ項の更新方法に関して説明する。
　本フィードバック制御システムでは、修正前回値がＩ項の更新に使用される。修正前回値に更新量を加算した値が更新後のＩ項の値となる。ただし、本実施の形態でフィードバック制御システムが使用する修正前回値は、実施の形態１で使用されている修正前回値とは定義が異なっている。本実施の形態で用いる修正前回値とは、ガード前ＰＩ項の値とガード後ＰＩ項の値との差をガード後Ｉ項の値から差し引き、さらに、ガード前トータル補正項の値とガード後トータル補正項の値との差を差し引いた値の前回値と定義される。ただし、ある条件が満たされた場合には、修正前回値はスイッチ（ＳＷ）によりゼロに切り替えられてそのまま固定される。その条件とは、ガード前トータル補正項の値が最終ガードの値を超え、且つ、ガード後Ｐ項とマップ項との和の値も最終ガードの値を超えることである。
　本フィードバック制御システムによれば、上記の条件が満たされるまでは、ガード後Ｉ項のうちＰＩ項用ガードで削られた分と、トータル補正項のうち最終ガードで削られた分とがＩ項の更新時に差し引かれる。トータル補正項はガード後ＰＩ項とマップ項の和であることから、学習が進んでマップ項が成長するほど最終ガードで削られる量は大きくなっていき、それに応じてＩ項の更新に用いられる修正前回値は小さくなっていく。つまり、マップ項の成長に合わせてＩ項の値はゼロに収束して行く。これにより、トータル補正項が最終ガードで制限されている状況であっても、Ｉ項に含まれる定常誤差成分をマップ項に移し変える動作を実現することができる。そして、Ｉ項からマップ項への定常誤差成分の移し変えが完了したとき、Ｉ項の値はゼロに収束する。このとき、トータル補正項はガード後Ｐ項とマップ項との和に等しくなるので、上記の条件が満たされてＩ項の修正前回値はゼロに切り替えられて固定される。これにより、Ｉ項がゼロを超えてマイナス側に積算されてしまうことは防止される。
　以上述べた本フィードバック制御システムの動作によれば、図５に示すような制御結果を得ることができる。図５は、本フィードバック制御システムによる制御結果を比較例と対比して示す図である。制御結果(A-3)が比較例であり、ガード後Ｉ項の前回値をそのままＩ項の更新に用いる場合の制御結果を示している。制御結果(B-3)は本フィードバック制御システムによる制御結果である。各制御結果において、トータル補正項、ＰＩ項及びＰ項はそれぞれガード後の値を示している。なお、これらの制御結果は、フィーバック制御によって空燃比偏差を解消している途上においてトータル補正項が最終ガードで制限された場合の制御結果である。
　制御結果(A-3)では、トータル補正項が最終ガードで制限された後もＩ項は増加し続けている。空燃比偏差は依然として残ったままとなっているため、空燃比偏差から算出される更新量がＩ項に積算され続けるからである。Ｉ項は最終ガードよりも大きい値に設定されたＩ項用ガードに当たるまで発散し続ける。
　これに対し、制御結果(B-3)では、トータル補正項が最終ガードで制限された後、Ｉ項は発散することなく減少している。ガード後Ｉ項のうちＰＩ項用ガードで削られる分だけでなく、トータル補正項のうち最終ガードで削られた分も更新時にＩ項から差し引かれるからである。トータル補正項のうち最終ガードで削られた分はマップ項の成長分に対応していることから、学習によりマップ項が成長にするにつれてＩ項から差し引かれる量は多くなり、Ｉ項はゼロを目指して収束して行く。そして、Ｉ項からマップ項への定常誤差成分の移し変えが完了した時点でＩ項の値はゼロに固定される。このように、本フィードバック制御システムによれば、Ｉ項に含まれる定常誤差成分をマップ項に移し変える動作、すなわち、通常の学習動作をトータル補正項が最終ガードによって制限されている状態でも実現することができる。
その他．
　本発明は上述の実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施することができる。例えば、実施の形態１においてＩ項用ガードを設けない制御ロジックを採用することも可能である。また、実施の形態２においてＩ項用ガードを設けない制御ロジックや、マップ用ガードを設けない制御ロジックを採用することも可能である。さらに、実施の形態２において、スイッチによる修正前回値のゼロへの切り替えを行わない制御ロジックを採用することも可能である。
　本発明のフィードバック制御システムは、ディーゼルエンジンの空燃比制御以外にも適用可能である。例えば、過給圧制御やＥＧＲ制御に本発明を適用してもよい。また、本発明は自動車用内燃機関の制御に限定されず、その他のフィードバック制御一般にも広く適用することができる。

Claims (9)

  1. 　制御量の目標値と計測値との偏差に基づいてＰ項とＩ項とを算出し、前記Ｐ項と前記Ｉ項との和であるＰＩ項に基づいて制御対象の操作量に対する補正量を算出するフィードバック制御システムにおいて、
    　前記ＰＩ項の大きさを第１のガードによって制限する手段と、
    　前記ＰＩ項の前記第１のガードによる制限前の値と制限後の値との差を前記Ｉ項の値から差し引いた値を前記Ｉ項の修正前回値として算出する手段と、
    　前記偏差から算出した更新量を前記修正前回値に加算することによって前記Ｉ項の値を更新する手段と、
    を備えることを特徴とするフィードバック制御システム。
  2. 　学習項を記憶する手段と、
    　前記第１のガードによる制限後の前記ＰＩ項と前記学習項との和を前記補正量の計算に用いるトータル補正項として算出する手段と、
    　前記第１のガードによる制限後の前記ＰＩ項の値に基づいて前記学習項の値を更新する手段と、
    　前記トータル補正項の大きさを第２のガードによって制限する手段と、
    　前記トータル補正項の前記第２のガードによる制限前の値と制限後の値との差を差し引くことによって前記Ｉ項の前記修正前回値をさらに修正する手段と、
    をさらに備えることを特徴とする請求項１に記載のフィードバック制御システム。
  3. 　前記トータル補正項の値が前記第２のガードの値を超え、且つ、前記Ｐ項と前記学習項との和の値が前記第２のガードの値を超える場合、前記Ｉ項の前記修正前回値をゼロに固定することを特徴とする請求項２に記載のフィードバック制御システム。
  4. 　前記第２のガードの値は、前記第１のガードの値よりも小さい値に設定されていることを特徴とする請求項２又は３に記載のフィードバック制御システム。
  5. 　前記Ｐ項の大きさを第３のガードによって制限する手段をさらに備え、
    　前記第３のガードの値は、前記第１のガードの値と同じ値かそれよりも小さい値に設定されていることを特徴とする請求項１乃至４の何れか１項に記載のフィードバック制御システム。
  6. 　前記Ｉ項の大きさを第４のガードによって制限する手段をさらに備え、
    　前記第４のガードの値は、前記第１のガードの値よりも大きい値に設定されていることを特徴とする請求項１に記載のフィードバック制御システム。
  7. 　前記Ｉ項の大きさを第４のガードによって制限する手段をさらに備え、
    　前記第４のガードの値は、前記第１のガードの値よりも小さく前記第２のガードの値よりも大きい値に設定されていることを特徴とする請求項２乃至４の何れか１項に記載のフィードバック制御システム。
  8. 　前記制御対象は自動車用の内燃機関であり、
    　前記第１のガードの値は前記内燃機関の運転状態に応じて変更されることを特徴とする請求項１乃至７の何れか１項に記載のフィードバック制御システム。
  9. 　前記制御量は空燃比であり、
    　前記操作量は燃料噴射量及び／又は空気量であることを特徴とする請求項８に記載のフィードバック制御システム。
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