CN100495260C - 使用δς调制算法来控制设备的控制装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种使用Δ∑调制算法来控制设备的控制装置。本发明所要解决的技术问题是使得在施加给控制对象的操作量发生了变动时，也可以对该操作量进行适当的Δ∑调制，以将该调制后的操作量施加给控制对象。本发明的控制装置包括：控制器，用于计算用于操作控制对象的操作量，以使该控制对象的输出收敛于目标值；和调制器，用于使用Δ∑调制算法、∑Δ调制算法和Δ调制算法中的一种对所述操作量进行调制，以生成施加给所述控制对象的调制信号。所述调制器进一步将所述调制信号生成为，使得所述调制信号的振幅的中心值跟随操作量的变化。因而，即使当操作量变动时也能够生成无任何损失地反映所述操作量的调制信号。

Description

使用ΔΣ调制算法来控制设备的控制装置

技术领域

本发明涉及一种通过使用ΔΣ调制算法来对设备进行精确控制的控制装置。

背景技术

使用ΔΣ调制算法(或ΣΔ调制算法或Δ调制算法)来对设备(控制对象)进行控制的方法是已公知的(参见专利文献1)。只要该设备装置能够响应于具有开/闭切换特性的控制输入而生成合适的控制输出，就能够通过ΔΣ调制算法来对该设备进行精确的控制。

图15是表示使用ΔΣ调制算法的控制方案的示例的方框图。控制器101计算用于使设备的控制量收敛于目标值的操作量。调制器102使用Δ∑调制算法来对该操作量进行调制。将调制后的操作量输入给设备103。将作为控制量的设备103的输出反馈给控制器101。

【专利文献1】特开平2003-195908号公报

图16示出了根据使用常规ΔΣ调制算法的控制方案，各种信号的行为示例。Rcain表示控制器101计算出的操作量。Vcain表示作为调制器102输出的调制信号的调制后操作量。CAIN表示设备103的输出，即控制量。CAIN_cmd表示该控制量的目标值。调制信号Vcain被生成为相对于预定的中心值在+d和-d之间切换。调制信号Vcain的幅度振幅是2d。当操作量Rcain的大小处于调制信号的振幅2d的范围之内时，ΔΣ调制算法能够将操作量Rcain再现为调制信号Vcain。在从t0至t1的时间内，因为操作量Rcain的大小小于该调制信号的振幅2d，所以生成了合适的调制信号Vcain。因而，通过向设备施加调制信号Vcain，能够对控制量CAIN进行合适地控制，以跟从目标值CAIN_cmd。

然而，如时间t1以后所示的，当操作量Rcain的大小超过调制信号的振幅2d时，因为调制信号的振幅被限制为2d，所以不能正确地对该增大后的操作量Rcain进行调制。操作量超过振幅2d的部分并未反映在调制信号Vcain中，实际上，操作量Rcain被限制为如虚线105所示。因为在操作量Rcain的一部分丢失的情况下生成调制信号，所以在控制量CAIN和目标值CAIN_cmd之间出现了偏差。因而，从时间t1开始，不能对设备进行合适的控制。

例如在车辆内燃机的凸轮轴相位控制中，可能会出现这种情况。当通过致动器来控制凸轮轴的相位时，将该致动器视为设备。如果致动器生成的转矩因致动器产生的热而降低，或者如果由于致动器的变动和老化而导致致动器的摩擦特性变化，则可能会出现这种情况。

为了处理这种情况，考虑了预先计算操作量的最大值和最小值的方法。设定调制信号的振幅2d以包含该最大值和最小值。然而，根据这一方法，调制信号的振幅可能增大。这种振幅的增大会使设备的控制输出不稳定。

另外，可以将电磁铁用作致动器。电磁铁的电流随着电磁铁电阻的增大而减小。这种电流的减小降低了由致动器产生的转矩。为了避免这种转矩的降低，考虑了如下一种方法：对电磁铁电流进行反馈控制并生成与通过反馈控制而确定的操作量相对应的转矩。根据该方法，即使由于电流导致在转矩内出现某些变化时，控制量也能够收敛于目标值。然而，这种电流控制不能处理摩擦特性的变动。

因而，需要一种进行ΔΣ调制的装置，其能够生成适应于操作量的变动的调制信号。

发明内容

根据本发明的一个方面，一种控制装置包括：控制器，用于确定用于操作控制对象的操作量，以使控制对象的输出收敛于目标值；调制器，用于通过使用ΔΣ调制算法、ΣΔ调制算法和Δ调制算法中的一种来对该操作量进行调制，以生成施加给控制对象的调制信号。调制器生成调制信号，以使调制信号的振幅的中心值跟随操作量的变化。

根据本发明，由于调制信号的振幅的中心值根据操作量的变化而变动，所以操作量不会由于调制信号的振幅而受到破坏。由于将在未受到破坏的情况下生成的调制信号施加给控制对象，因此，控制对象的输出能够精确地收敛于目标值。

因为调制信号的振幅的中心值根据操作量的变化而变动，所以不需要提高调制信号的振幅以包含操作量的最大值和最小值。因为可以将调制信号的振幅保持较小，所以能够抑制由于调制信号的切换特性而导致控制对象的输出发生振荡。

根据本发明的一个实施例，调制器还包括自适应偏移发生器，用于根据操作量生成自适应偏移值。调制器生成调制信号，以使得自适应偏移值是调制信号的振幅的中心值。因此，由于通过自适应偏移发生器基于操作量生成自适应偏移值，所以能够适当地生成调制信号以适应操作量的变化。

根据本发明的一个实施例，自适应偏移发生器还包括滤波器，用于对操作量进行滤波，以抑制自适应偏移值的急剧变化。自适应偏移发生器根据滤波器的输出来生成自适应偏移值。

如果作为自适应偏移值的调制信号的振幅的中心值急剧变化，则使控制对象的输出稳定于目标值的精确度(换句话说，控制对象的输出对于目标值的收敛程度)可能降低。具体而言，当控制对象的输出的目标值变得恒定时，在控制对象的输出中可能出现“波动”。可以通过对操作量进行滤波来抑制这种波动。

根据本发明的一个实施例，自适应偏移发生器还包括用于将操作量限制在预定范围内的单元和用于对经限制的操作量进行滤波的滤波器。根据自适应偏移值的过去值来确定该预定范围。

即使当由于干扰和噪声导致在操作量中出现脉冲变化时，这种限制处理也可以防止调制信号的振幅的中心值发生急剧的变化。

可以将本发明应用于各种控制对象。在一个实施例中，控制对象是用于改变内燃机凸轮相位的相位机构。该相位机构根据调制信号来变动凸轮的相位。

在用于改变内燃机凸轮相位的相位机构中，用于驱动凸轮的转矩可能会由于在相位机构内产生的热而降低。另外，相位机构的摩擦特性可能由于变化和/或老化而变动。通过将根据本发明的控制方案应用于该相位机构，根据操作量的变化来变动调制信号的振幅的中心值。因此，即使当转矩降低或摩擦特性变化时，相位也可以在不产生稳态偏差的情况下收敛于目标值。由于调制信号的振幅可以保持为较小，所以能够改善相位的稳定性。降低了由相位变化所导致的内燃机的喘振，并改善了操纵性能。

在另一实施例中，控制对象是用于改变内燃机阀门提升量的提升机构。该提升机构根据调制信号来变动提升量。在这种情况中也可以实现与相位机构同样的效果。

在又一实施例中，控制对象是从用于控制内燃机的空燃比的控制机构延伸到设置在内燃机的排气管中的废气传感器的***。该控制机构根据调制信号来改变空燃比。

在这样一种***内，实现最佳空燃比所需要的操作量可能由于燃油特性、催化剂的劣化条件和内燃机的运转状态等的不同而变化。根据本发明的控制方案，由于调制信号的振幅的中心值根据操作量的变化而变动，所废气传感器的输出可以在不生成稳态偏差的情况下收敛于目标值。因此，能够实现最佳空燃比。由于调制信号的振幅可以保持较小，因此空燃比变化的范围可以保持较小。这使得转矩稳定，减少了内燃机的喘振，并改善了操纵性能。

附图说明

图1是根据本发明一个实施例的发动机及其控制装置的简图。

图2是根据本发明一个实施例的连续可变相位装置的框图。

图3示出了根据本发明一个实施例的控制装置的功能框图。

图4示出了根据本发明另一实施例的响应指定型控制的切换函数。

图5示出了根据本发明另一实施例的响应指定型控制的响应指定参数。

图6是表示根据本发明一个实施例的ΔΣ调制器的框图。

图7示出了根据本发明一个实施例通过将偏移值应用于ΔΣ调制器的参考信号而实现的效果。

图8示出了根据本发明一个实施例通过计算自适应偏移值而实现的效果。

图9是表示根据本发明一个实施例的自适应偏移发生器的框图。

图10示出了根据本发明一个实施例的自适应偏移发生器的各种参数的行态和通过引入非线性函数而实现的效果。

图11是表示根据本发明一个实施例的ΣΔ调制器的框图。

图12是表示根据本发明一个实施例的Δ调制器的框图。

图13是示出了根据本发明一个实施例的控制流程。

图14示出了根据本发明一个实施例的用于计算凸轮相位目标值的映射图。

图15是表示根据常规技术的使用ΔΣ调制算法来对设备进行控制的控制装置的框图。

图16示出了根据常规技术当使通过ΔΣ调制算法生成的调制信号振幅的中心值固定时可能出现的不可控制状态。

具体实施方式

将参照附图来描述本发明的具体实施例。图1是表示根据本发明一个实施例的内燃机(在下文中称作发动机)和该发动机的控制装置的框图。

电子控制单元(在下文中称作ECU)1包括：输入接口1a，用于接收从车辆的各个部件发送来的数据；CPU 1b，用于执行控制车辆的各个部件的操作；存储器1c，包括只读存储器(ROM)和随机存取存储器(RAM)；以及，输出接口1d，用于将控制信号发送给车辆的各个部件。在存储器1c的ROM中存储了用于控制车辆的各个部件的程序和各种数据。用于实现根据本发明的控制的程序存储在该ROM中。ROM可以是诸如EPROM的可重写ROM。RAM提供用于由CPU 1b进行运算的工作区域。从车辆的各个部件发送来的数据和发送给车辆的各个部件的控制信号临时地存储在RAM中。

发动机2例如是四冲程DOHC型汽油发动机。该发动机2包括进气凸轮轴5和废气凸轮轴6。进气凸轮轴5包括用于驱动进气阀3开启和关闭的进气凸轮5a。废气凸轮轴6包括用于驱动废气阀4开启和关闭的废气凸轮6a。这些进气和废气凸轮轴5和6通过定时带(未图示)连接到曲轴7。曲轴7每旋转两周这些凸轮轴旋转一周。

连续可变相位装置10具有连续可变相位机构11和油压驱动部12。油压驱动部12根据由ECU 1提供的指令值、利用油压来驱动连续可变相位机构11。由此，进气凸轮5a的实际相位CAIN可相对于曲轴7连续地超前或滞后。下面将参考图2详细地描述连续可变相位装置10。

在进气凸轮轴5的端部设置有凸轮角度传感器20。当进气凸轮轴5旋转时，凸轮角度传感器20每隔预定的凸轮角度(例如每隔1度)向ECU1输出作为脉冲信号的CAM信号。

在发动机2的进气管15上设置有节气门16。通过来自ECU 1的控制信号来控制节气门16的开度。连接到节气门16的节气门开度传感器(θTH)17向ECU 1提供与节气门16的开度相对应的电信号。

进气管压力(Pb)传感器18设置在节气门16的下游。将Pb传感器18检测到的进气管压力Pb发送给ECU 1。

还在进气管15内为每个汽缸提供了燃油喷射阀19。从燃油箱(未示出)向燃油喷射阀19提供燃油，以根据来自ECU 1的控制信号来喷射燃油。

在发动机2内设置有曲柄角度传感器21。曲柄角度传感器21根据曲轴7的旋转向ECU 1输出CRK信号和TDC信号。

CRK信号是每隔预定曲柄角度(例如30度)输出的脉冲信号。ECU1根据CRK信号计算发动机2的转速NE。ECU 1还根据CRK信号和CAM信号计算相位CAIN。TDC信号也是按照与活塞9的TDC位置相关联的曲柄角度输出的脉冲信号。

排气管22连接在发动机2的下游侧。发动机2通过排气管22排出废气。设置在排气管22中的催化剂装置23对废气内含有的有害成分(例如HC、CO、No_x)进行净化。

广域空燃比(LAF)传感器24设置在催化剂装置23的上游。LAF传感器24检测从浓到稀的宽范围的空燃比。将所检测的空燃比发送给ECU 1。

O2(废气)传感器25设置在催化剂装置23的下游。O2传感器25是二值型废气浓度传感器。O2传感器在空燃比高于理论空燃比时输出高电平信号，并在空燃比低于理论空燃比时输出低电平信号。将所输出的电信号发送给ECU 1。

将发送给ECU 1的信号传送到输入接口1a。输入接口1a将模拟信号值转换成数字信号值。CPU 1b根据存储器1c内存储的程序对转换后的数字信号进行处理，并生成待传送给车辆的致动器的控制信号。输出接口1d将这些控制信号发送给节气门16、油压驱动部12、燃油喷射阀19和其他机械组件的致动器。

下面以连续可变相位装置作为控制对象对根据本发明的控制方案进行说明。

图2示出了图1所示的连续可变相位装置10的示例。连续可变相位装置10具有如上所述的连续可变相位机构11和油压驱动部12。

将来自ECU 1的指令值Vcain提供给螺线管31。根据指令值Vcain使螺线管31通电，随后通过螺线管1驱动油压滑阀32。油压滑阀32通过泵34抽取油箱33中的工作油。

油压滑阀32通过超前油路36a和滞后油路36b连接到连续可变相位机构11。根据指令值Vcain，通过油压滑阀32对提供给超前油路36a的工作油的油压OP1和提供给滞后油路36b的工作油的油压OP2进行控制。

连续可变相位机构11包括壳体41和叶片42。壳体41通过链轮和定时带(均未图示)连接到曲轴7。壳体41沿与曲轴7的旋转相同的方向进行旋转。

叶片42自***到壳体41内的进气凸轮轴5放射状地延伸。叶片42容纳在壳体41内，使其可以在预定范围内相对于壳体41进行旋转。通过叶片42将壳体41内形成的扇状空间划分成三个超前室43a、43b和43c和三个滞后室44a、44b和44c。超前油路36a连接到三个超前室43a至43c。将油压为OP1的工作油通过超前油路36a提供给超前室43a至43c。滞后油路36b连接到三个滞后室44a至44c。将油压为OP2的工作油通过滞后油路36b提供给滞后室44a至44c。

当油压OP1和油压OP2之差为零时，叶片42相对于壳体41不旋转，从而维持相位值CAIN。当根据来自ECU 1的指令值Vcain，油压OP1大于油压OP2时，叶片42相对于壳体41向超前侧旋转，从而使相位CAIN超前。当根据来自ECU 1的指令值Vcain、油压OP2大于油压OP1时，叶片42相对于壳体41向滞后侧旋转，从而使相位CAIN滞后。

在这样一种连续可变相位装置中，在从泵出去的油压中可能会出现变化，工作油的粘度可能会变化。叶片和壳体之间的间隙可能随着时间而变化。出现这些状况时，连续可变相位装置的动作特性会发生变化。最好对相位CAIN进行控制，使得相位CAIN针对连续可变相位装置的特性变化稳固地收敛于目标值。

另外，相位CAIN相对于油压的变动非线性地变化。使用ΔΣ调制算法的控制对于具有这种非线性特性的***来说是有效的。

图3示出了根据本发明一个实施例的用于控制连续可变相位装置10的控制装置的框图。该控制装置包括控制器51和调制器52。控制器51和调制器52的功能可以在ECU 1内实现。在一个实施例中，典型地，通过存储在ECU 1的存储器1c中的计算机程序来实现这些功能。另选地，也可以通过软件、硬件、固件或其他任意组合来实现这些功能。

如上面所述，作为设备(控制对象)的连续可变相位装置10的控制输入Vcain是用于驱动螺线管31的指令值。控制输出CAIN是进气凸轮5a相对于曲轴7的实际相位。

控制器51计算操作量Rcain，以使连续可变相位装置10的输出CAIN收敛于目标值CAIN_cmd(更准确地说，后述的修正后的目标值CAIN_cmd_f)。优选地，根据驾驶员要求的驱动力(典型地，由油门踏板的开度表示)和/或发动机的运转状态来设置目标值CAIN_cmd。

在这一实施例中，控制器51通过执行2自由度滑动模式控制来计算操作量Rcain。另选地，也可以使用其他控制方案来计算操作量Rcain。下面将描述2自由度滑动模式控制。

Δ∑调制器52接收操作量Rcain作为参考输入。Δ∑调制器52使用Δ∑调制算法来对参考输入Rcain进行调制。通过Δ∑调制算法，将参考输入Rcain调制成具有切换特性的调制信号Vcain。调制信号Vcain是将施加给连续可变相位装置10的控制输入。根据调制信号Vcain的切换特性，精确地控制连续可变相位装置10，使得控制量CAIN收敛于目标值CAIN_cmd。

现在，将描述2自由度滑动模式控制。滑动模式控制是能够指定控制量收敛速度的响应指定型控制。2自由度滑动模式控制是滑动模式控制的扩展。根据2自由度滑动模式控制，能够分别指定当施加干扰时控制量跟随目标值的速度和控制量收敛的速度。

如式(1)所示，2自由度滑动模式控制器51使用目标值响应指定参数POLE_f，将一阶延迟滤波器(低通滤波器)应用于目标值CAIN_cmd。目标值响应指定参数POLE_f指定控制量跟随目标值的速度。优选地，将其设置为满足-1<POLE_f<0。k表示循环次数。

CAIN_cmd_f(k)＝-POLE_f·CAIN_cmd_f(k-1)+(1+POLE_f)·CAIN_cmd(k)

                                                 (1)

如式(1)所示，通过目标值响应指定参数POLE_f来确定目标值CAIN_cmd_f的轨迹。可根据为目标值设置何种轨迹来指定控制量跟随目标值的速度。控制器51计算操作量Rcain，使得控制量CAIN收敛于如此通过响应指定参数POLE_f修正后的目标值CAIN_cmd_f。

控制器51定义如式(2)所示的切换函数σs。Ecain是实际相位CAIN和目标值CAIN_cmd_f之间的偏差。切换函数σs规定偏差Ecain的收敛行为。POLE是用于指定施加干扰时可能出现的偏差Ecain的收敛速度的干扰抑制响应指定参数。优选地，将响应指定参数POLE设置为满足-1<POLE<0。

σs(k)＝Ecain(k)+POLE·Ecain(k-1)        (2)

其中，Ecain(k)＝CAIN(k)-CAIN_cmd_f(k-1)

如式(3)所示，控制器51确定控制信号，使得切换函数σs达到0。

σs(k)＝0

    

Ecain(k)＝-POLE·Ecain(k-1) (3)

式(3)表示无输入的一阶延迟***。滑动模式控制对偏差Ecain，以便将该偏差限定在式(3)所示的一阶延迟***内。

图4示出了纵轴为Ecain(k)和横轴为Ecain(k-1)的相位平面。在相位平面内示出了由式(3)表达的切换线61。假设点62是状态量(Ecain(k-1)，Ecain(k))的初始值，控制器51将该状态值放在切换线61上，随后将其约束在切换线61上。因而，由于该状态量被约束在无输入的一阶延迟***内，所以状态量随着时间自动地收敛到相位平面的原点(即Ecain(k)＝0，Ecain(k-1)＝0)。通过将状态量约束在切换线61上，状态量可以在不受干扰影响的情况下收敛于原点。

参照图5，标号63、64和65表示当干扰抑制响应指定参数POLE分别取值为-1、-0.8或-0.5时偏差Ecain的收敛速度。随着响应指定参数POLE的绝对值减小，偏差Ecain的收敛速度加快。

控制器51计算简易型等价控制输入Rff、到达规则输入Rrch、自适应规则输入Radp和阻尼器输入Rdump，以确定操作量Rcain。

可根据等价控制输入来计算简易型等价控制输入Rff。下面将简要地描述等价控制输入的计算。由于等价控制输入是用于将状态量约束在切换线上的输入，所以等价控制输入需要满足式(4)。假设可以按式(5)对设备建模(其中a1、a2和b1是模型参数)，则可以通过将式(5)代入式(4)推导出式(6)。

σs(k+1)＝σs(k)        (4)

CAIN(k+1)＝a1·CAIN(k)+a2·CAIN(k-1)+b1·Vcain(k)       (5)

由式(6)计算出的Vcain(k)是等价控制输入。等价控制输入具有用项(I)和项(II)表示的两个函数。项(I)表示当目标值恒定时使状态量(CAIN(k)，CAIN(k-1))稳定为目标值的输入。项(II)是当目标值变动时用于改善状态量跟随目标值的性能的前馈输入。将项(II)称作简易型等价控制输入。在这个实施例中，实际上，并未使用如式(5)所示的模型表达式。在不使用模型表达式的情况下，仅可以使用项(II)的简易型等价控制输入来提高对目标值的跟随性能。式(7)表示简易型等价控制输入的计算表达式。

Rff(k)＝

CAIN_cmd_f(k)+(POLE-1)·CAIN_cmd_f(k-1)-POLE·CAIN_cmd_f(k-2)

                                        (7)

控制器51还根据式(8)计算到达规则输入Rrch，根据式(9)计算自适应规则输入Radp，并根据式(10)计算阻尼器输入Rdump。到达规则输入Rrch是用于将状态量置于切换线上的输入，作为切换函数σs的比例项而计算。自适应规则输入Radp是用于在抑制稳态偏差时将状态量置于切换线上的输入，作为切换函数σs的积分项而计算。阻尼器输入Rdump是用于当实际相位CAIN过度加速时使实际相位CAIN减速的输入。Krch、Kadp和Kdump是通过模拟等预先确定的反馈增益。

Rrch(k)＝-Krch·σs(k)  (8)

$\mathrm{Radp}\left(k\right)=-\mathrm{Kadp}\&CenterDot;\underset{i=0}{\overset{k}{\mathrm{\&Sigma;}}}\mathrm{\&sigma;s}\left(k\right)---\left(9\right)$

Rdump(k)＝-Kdump·(CAIN(k)-CAIN(k-1))(10)

如式(11)所示，控制器51计算简易型等价控制输入Rff、到达规则输入Rrch、自适应规则输入Radp和阻尼器输入Rdump之和以确定操作量Rcain。将该操作量Rcain作为参考信号输入到ΔΣ调制器52内。

Rcain(k)＝Rff(k)+Rrch(k)+Radp(k)+Rdump(k)       (11)

图6示出了ΔΣ调制器52的详细功能框图。如式(12)所示，由限幅器71对从控制器51接收到的参考信号Rcain进行限幅处理。通过函数Lim()将参考信号Rcain限制在下限值(例如2V)和上限值(例如+7V)的范围内。

r1(k)＝Lim(Rcain(k))        (12)

如果不提供限幅器71，则相位CAIN可能显示出在控制器的控制周期内不能观察到的急剧变化。为了防止这样一种不可控制的状况，提供限幅器71。

如式(13)所示，从限幅器71的输出信号r1中减去从自适应偏移发生器80接收到的自适应偏移值Vcain_oft_adp。

r2(k)＝r1(k)-Vcain_oft_adp(k)    (13)

减法器73计算通过偏移处理获得的信号r2(k)和由延迟单元75延迟的调制信号u”(k-1)之间的偏差δ(k)，如式(14)所示。积分器74将该偏差信号δ(k)和由延迟单元76延迟的偏差δ的积分值σ(k-1)进行相加,以确定偏差积分值σ(k)，如式(15)所示。 $\begin{array}{cc}\mathrm{\&delta;}\left(k\right)=r2\left(k\right)-u\&prime;\&prime;(k-1)& \left(14\right)\\ \mathrm{\&sigma;}\left(k\right)=\mathrm{\&sigma;}(k-1)+\mathrm{\&delta;}\left(k\right)& \left(15\right)\end{array}$

非线性函数部77对该偏差积分值σ(k)进行编码，以输出调制信号u”(k)，如式(16)所示。通过将非线性函数fnl()应用于偏差积分值σ(k)来执行编码，如式(17)所示。当积分值σ(k)等于或大于零时，非线性函数部77输出值为+R的信号。当偏差积分值σ(k)小于零时，非线性函数部77输出值为—R的信号。设置R使其值大于参考信号r2可以取得的最大绝对值。另选地，当偏差积分值σ等于零时，非线性函数部77可以输出值为零的信号。

u＂(k)＝fnl(σ(k))      (16)

$\mathrm{fnl}\left(\right):\left\{\begin{array}{c}\mathrm{\&sigma;}\&GreaterEqual;0\&RightArrow;\mathrm{fnl}\left(\mathrm{\&sigma;}\right)=R\\ \mathrm{\&sigma;}<0\&RightArrow;\mathrm{fnl}\left(\mathrm{\&sigma;}\right)=-R\end{array}\right.---\left(17\right)$

其中R>|r2|的最大值。

在典型的ΔΣ调制器中，使用输出±1的编码函数来替换非线性函数fnl()。当在|r2|≥1的情况下使用这样一种编码函数时，可以生成保持为最大值或最小值的调制信号u”。如果调制信号保持为最大值或最小值的频率很高，则控制精确度可能恶化。当信号r2超过反馈回减法器73的调制信号u”的绝对值(即值1)时，出现这样一种保持状态。在本实施例中，引入非线性函数fnl()，以便调制信号u”的绝对值并不为1，而具有一大于信号r2可以取得的最大值的值R。因而，即使当信号r2的绝对值等于或大于1时，也能够避免调制信号u”的保持状态。

放大器78如式(18)所示对调制信号u”(k)进行放大，以生成经放大的调制信号u(k)。F是用于调整调制信号Vcain的振幅的增益(例如1)。

u(k)＝F·u＂(k)  (18)

如式(19)所示，将从自适应偏移发生器80接收到的自适应偏移值Vcain_oft_adp与经放大的调制信号u(k)相加，以确定将施加给设备的调制信号Vcain。

Vcain(k)＝u(k)+Vcain_oft_adp(k)        (19)

将描述引入自适应偏移值Vcain_oft_adt的减法和加法处理(图6中的标号72和79)的原因。为了改善相位CAIN的控制精度，优选地，将控制输入Vcain生成为取得最大值的频度和将控制输入Vcain生成为采取最小值的频度几乎是相同的(即分别为50％)。然而，实际上，因为控制输入Vcain具有正值，所以由控制器51计算的参考信号Rcain具有正值。因此，如图7(a)所示，将调制信号u”输出为取得最大值的频度较高。

在本实施例中，如式(13)所示，加法器72从参考信号Rcain(更准确地说，在限幅处理之后获得的信号r1)中减去自适应偏移值Vcain_oft_adp。通过这一偏移处理，将调制信号u”生成为采取最大值的频度和将调制信号u”生成为采取最小值的频度几乎相同，如图7(b)所示。如式(19)所示，当对将输入给设备的控制输入Vcain进行计算时，通过加法器79来相加自适应偏移值Vcain_oft_adp。

以前，由加法器72和79使用的偏移值是固定值。相反地，根据本发明，使偏移值适应于参考信号Rcain。根据本发明的一个实施例，如图6所示，提供自适应偏移发生器80以计算适应于参考信号Rcain的偏移值Vcain_oft_adp。

对自适应偏移值Vcain_oft_adp进行计算，以跟随参考信号Rcain。通过在加法器72中从参考信号Rcain(k)中减去自适应偏移值Vcain_oft_adp(k)，将调制信号u(k)生成为使最大值的频度和最小值的频度相等的切换信号(参见图7)。

通过在加法器79中将自适应偏移值Vcain_oft_adp(k)和调制信号u(k)进行相加，调制信号u(k)的振幅中心值变成等于Vcain_oft_adp(k)。因而，调制信号Vcain在相对于中心值Vcain_oft_adp的正值和负值之间切换。通过非线性函数fnl中R的值和放大器78的增益F确定调制信号Vcain的振幅。

因此，由于将自适应偏移值Vcain_oft_adp生成为跟随参考信号Rcain，所以还生成调制信号Vcain以跟随参考信号Rcain。

将参考图8描述使用自适应偏移值实现的效果。在时刻t1，在参考信号Rcain中出现台阶状的变化。计算自适应偏移值Vcain_oft_adp以具有某个响应延时地跟随参考信号Rcain。调制信号Vcain是具有相对于自适应偏移值Vcain_oft_adp从-R×F延伸到+R×F的振幅D的切换信号(如上面所描述的，R表示非线性函数77的参数，F表示放大器78的增益)。

由于对作为自适应偏移值Vcain_oft_adp的调制信号Vcain的中心值进行了计算，以跟随参考信号Rcain的变动，所以参考信号Rcain并不偏离调制信号Vcain的振幅D。因此，能够适当地控制相位CAIN以跟随目标值CAIN_cmd(在图中，由于相位CAIN和目标值CAIN_cmd相互重叠，所以将它们表示为一条线)。

根据参考信号Rcain的变动自动地调整自适应偏移值Vcain_oft_adp。因此，即使当由于发热而导致的转矩特性变化和/或由于连续可变相位装置10的变动和老化而导致的摩擦特性变化使参考信号Rcain变动时，相位CAIN也能够精确地收敛于目标值CAIN_cmd。

由于对偏移值Vcain_oft_adp进行了计算，以适应于参考信号Rcain，因此不需要放大调制信号的振幅D以包含参考信号Rcain的最大值和最小值。由于不需要放大施加给设备的调制信号Vcain的振幅，所以能够避免使设备的控制输出或相位CAIN不稳定。

图9是自适应偏移发生器80的框图。从限幅器71(图6)的输出信号r1中减去预定基准偏移值Vcain_oft以生成信号r3。非线性函数部82将非线性函数Tnl应用于信号r3，如式(20)所示。

$r\_\mathrm{tnl}\left(k\right)=\left\{\begin{array}{c}\mathrm{Vcain}\_\mathrm{oft}\_\mathrm{adp}\&prime;(k-1)+\mathrm{Eps}(r3\left(k\right)>\mathrm{Vcain}\_\mathrm{oft}\_\mathrm{adp}\&prime;(k-1)+\mathrm{Eps})\\ r3(\mathrm{Vcain}\_\mathrm{oft}\_\mathrm{adp}\&prime;(k-1)-\mathrm{Eps}\&le;r3\left(k\right)\&le;\mathrm{Vcain}\_\mathrm{oft}\_\mathrm{adp}\&prime;(k-1)+\mathrm{Eps})\\ \mathrm{Vcain}\_\mathrm{oft}\_\mathrm{adp}\&prime;(k-1)-\mathrm{Eps}(r3\left(k\right)<\mathrm{Vcain}\_\mathrm{oft}\_\mathrm{adp}\&prime;(k-1)-\mathrm{Eps})\end{array}\right.$

                                                   (20)

当信号r3处于(Vcain_oft_adp’(k-1)-Eps(k))到(Vcain_oft_adp’(k-1)+Eps(k))的范围内时，函数Tnl输出信号r3。当信号r3超过该范围的上限值(Vcain_oft_adp’(k-1)+Eps(k))时，输出该上限值。当信号r3低于下限值(Vcain_oft_adp’(k-1)-Eps(k))时，输出该下限值。因而，将信号r3控制为保持在预定的范围内，在该范围内，前一偏移值Vcain_oft_adp(k-1)(更准确地说，从前一自适应偏移值Vcain_oft_adp(k-1)中减去基准偏移值Vcain_oft而获得的Vcain_oft_adp’)定位在该范围的中心。

如果在信号r3内出现可能偏离上述范围的脉冲行为，则自适应偏移值Vcain_oft_adp也可以显示脉冲行为。可以通过施加函数Tnl来避免在自适应偏移值Vcain_oft_adp中出现这样的脉冲状态。

通过放大器83、加法器84、延迟单元85和放大器86构成非线性滤波器。该非线性滤波器对由非线性函数部82生成的信号r_tnl进行滤波，以输出偏移修正量Vcain_oft_adp”，如式(21)所示。G表示滤波器系数，并将其设置为满足0<G<1。

Vcain_oft_adp＂(k)＝(1-G)·Vcain_oft_adp′(k-1)+G·r_tnl(k)(21)当控制输出CAIN的目标值变得恒定时，在控制输出中可能出现“波动”。当由于噪声和/或突发干扰在参考信号Rcain内发生瞬间变动时，由于调制信号中心值的大变化导致这种“波动”。式(21)所示的滤波处理能够抑制由于这种条件在控制输出内出现的“波动”。

限幅器87根据式(22)限制偏移修正量Vcain_oft_adp”。通过函数Lim’()将偏移修正量Vcain_oft_adp”限制在下限值(例如-0.5V)和上限值(例如+3V)之间的范围内。设置限幅器87的原因与上述限幅器71的相同。

Vcain_oft_adp′(k)＝Lim′(Vcain_oft_adp＂(k))(22)

加法器88将基准偏移值Vcain_oft与经限幅的偏移修正量Vcain_oft_adp’进行相加，以计算自适应偏移值Vcain_oft_adp，如式(23)所示。

Vcain_oft_adp(k)＝Vcain_oft_adp′(k)+Vcain_oft  (23)

因而，计算了与参考信号Rcain和基准偏移值Vcain_oft之间差值相对应的自适应偏移值Vcain_oft_adp。通过这种计算，自适应偏移值Vcain_oft_adp跟随参考信号Rcain的变化。

参照图10，将描述与自适应偏移发生器相关的各种参数的状态和通过引入非线性函数Tnl实现的效果。

图10(a)图示通过限幅器71进行限幅处理后的信号r1。在信号r1中出现了急剧变化(如由标号91和92所表示的)。这意味着这样的急剧变化包含在参考信号Rcain内。

如果未引入非线性函数Tnl，则由于将自适应偏移值计算为跟随信号r1，所以信号r1内的这种急剧变化可能将反映在自适应偏移值Vcain_oft_adp内。自适应偏移值中的这种急剧变化可能导致调制信号Vcain中的急剧变化，这最终会导致控制输出CAIN的不稳定性。通过引入非线性函数Tnl，能够计算自适应偏移值Vcain_oft_adp，以使得自适应偏移值不会跟随信号r1中的这种急剧变化(如由标号91和92所表示的)。

图10(b)示出了通过从信号r1中减去基准偏移值Vcain_oft而获得的信号r3。如用线r_tnl所表示的，通过非线性函数Tnl将信号r3限制在预定范围内(从Vcain_oft_adp’(k-1)-Eps到Vcain_oft_adp’(k-1)+Eps)，其中Vcain_oft_adp’(k-1)定位在该范围的中心位置上。如时刻t1所示，当信号r3显示脉冲状态，并由此超出该预定范围时，将信号r3限制到该预定范围的上限值(Vcain_oft_adp’(k-1)+Eps)。如时刻t2所示，当信号r3急剧变化，并由此超出该预定范围时，将信号r3限制到该预定范围的上限值(Vcain_oft_adp’(k-1)+Eps)。

由于将非线性函数部82的输出信号r_tnl确定为限制在预定范围内，所以根据输出信号r_n1计算出的值Vcain_oft_adp’平滑地变动，如图10(b)所示。通过将基准偏移值Vcain_oft与值Vcain_oft_adp’相加，确定出自适应偏移值Vcain_oft_adp，如图10(a)所示。可以看出：计算了自适应偏移值Vcain_oft_adp，使得自适应偏移值并不跟随信号r1中的急剧变化(如由标号91和92所表示的)。

图11示出了根据本发明一个实施例的控制流程。以预定的时间间隔执行该控制流程。该控制流程可以由ECU 1执行。典型地，通过存储在ECU 1的存储器1c中的程序来执行该控制流程。

在步骤S1，判断连续可变相位装置10是否正常。可以通过使用任一种合适的技术来检测连续可变相位装置的异常(例如故障等)。如果在连续可变相位装置10中检测到异常，则在步骤S2将控制输入Vcain设置为0。在该实施例中，将连续可变相位装置10配置为，使得当控制输入Vcain为0时进气凸轮轴的实际相位CAIN是最滞后的。

如果在步骤S1判定连续可变相位装置10正常，则判断发动机是否处于启动中(S3)。如果发动机处于启动中，则在步骤S4中，在目标值CAIN_cmd中设置预定值CAIN_cmd_st。将预定值CAIN_cmd_st设置得略微超前(例如当假设最滞后的相位是0度时为大约10度)，从而提高了缸内流动。

如果发动机不处于启动中，则在步骤S5中根据发动机转速NE来参考一个映射图，以确定目标值CAIN_cmd。在图12中示出了映射表的一个示例。当转速NE越高时，将目标值CAIN_cmd设置得越滞后。此外，当要求驱动力(典型地用油门踏板的开度表示)增大时，将目标值CAIN_cmd设置得越滞后。在该实施例中，当发动机负载较低时，通过使残留在发动机汽缸内的气体燃烧来降低发动机的驱动力。因此，当发动机负载较低时，将相位CAIN设置得超前。随着将相位设置得越超前，废气和进气阀都开启的重叠时间越长，从而增加了用于燃烧的残留汽油。

在步骤S6中，通过使用上述ΔΣ调制算法来计算控制输入Vcain。

在一另选实施例中，可以使用ΣΔ调制算法或Δ调制算法来替代ΔΣ调制算法。在图13中示出了使用∑Δ调制算法的调制器的功能框图。在式(24)至(31)中示出了由ΣΔ调制算法执行的计算。根据如上文参照图9描述的方法计算自适应偏移值Vcain_oft_adp。

r1(k)＝Lim(Rcain(k))  (24)

r2(k)＝r1(k)-Vcain_oft_adp(k)  (25)

σr(k)＝σr(k-1)-r2(k)  (26)

σu(k)＝σu(k-1)-u＂(k-1)    (27)

δ(k)＝σr(k)-σu(k)          (28)

u＂(k)＝fnl(δ(k))          (29)

u(k)＝F·u＂(k)            (30)

Vcain(k)＝u(k)+Vcain_oft_adp(k)  (31)

在图14中示出了使用Δ调制算法的调制器的功能框图。在式(32)至(38)中示出了通过Δ调制算法执行的计算。根据以上参考图9描述的方法计算自适应偏移值Vcain_oft_adp。

r1(k)＝Lim(Rcain(k))  (32)

r2(k)＝r1(k)-Vcain_oft_adp(k)  (33)

σu(k)＝σu(k-1)+u＂(k-1)  (34)

δ(k)＝r2(k)-σu(k)  (35)

u＂(k)＝fnl(δ(k))  (36)

u(k)＝F·u＂(k)  (37)

Vcain(k)＝u(k)+Vcain_oft_adp(k)  (38)

上面已经对优选实施例进行了说明。应当指出：可以通过与上述控制进气凸轮轴的相位类似的方式来控制废气凸轮轴的相位。

另外，可以使用不同于2自由度滑动模式的其它响应指定型控制(例如后步进(back-stepping)控制)。可以使用诸如H∞控制或最优控制等其他控制方案来计算操作量Rcain。

根据本发明的控制方案可以应用于各种控制对象。应当指出：根据本发明的控制方案并不限制于车辆的内燃机。

在一个实施例中，控制对象是从用于控制发动机的空燃比的控制机构延伸到设置在排气管中的废气传感器(例如图1中所示的O2传感器)的***。在这种情况下，控制器对用于控制发动机的空燃比以使废气传感器的输出收敛于目标值的操作量进行计算。该操作量例如是提供给内燃机的燃油量。控制机构驱动燃油喷射阀19(图1)，从而将由此计算出的燃油量提供给发动机。因而，适当地控制了内燃机的空燃比。

在另一实施例中，控制对象是用于可变地控制发动机的进气阀和/或废气阀的提升量的致动器。控制器计算操作量，以使得该阀的提升量收敛于目标值。致动器根据操作量改变阀的提升量。由此，能够适当地控制进入发动机的空气量。

本发明可以应用于通用内燃机(例如船外机等)。

Claims (14)

1.一种控制装置，包括：

控制器，用于确定用于操作控制对象的操作量，以使该控制对象的输出收敛于目标值；

调制器，用于使用ΔΣ调制算法、ΣΔ调制算法和Δ调制算法中的一种对所述操作量进行调制，以生成调制信号；

自适应偏移发生器，用于生成跟随所述操作量的变化的自适应偏移值；和

偏移部件，用于根据所述自适应偏移值对所述调制信号进行偏移，以使所述调制信号的振幅的中心值与所述自适应偏移值相等，由此使施加给所述控制对象的所述调制信号跟随所述操作量。

2.根据权利要求1所述的控制装置，其中所述调制信号的振幅的大小是恒定的，与所述操作量的变化无关。

3.根据权利要求2所述的控制装置，其中所述自适应偏移发生器还包括滤波器，用于对所述操作量进行滤波，以抑制所述自适应偏移值的急剧变化；并且

所述自适应偏移发生器根据所述滤波器的输出来生成所述自适应偏移值。

4.根据权利要求3所述的控制装置，其中所述自适应偏移发生器还包括用于将所述操作量限制在预定范围内的单元；

所述滤波器对经限制的操作量进行滤波；并且

所述预定范围是根据所述自适应偏移值的过去值而确定的。

5.根据权利要求1所述的控制装置，其中：

所述控制对象是用于改变内燃机凸轮相位的相位机构；

所述控制对象的输出是所检测的所述凸轮的相位；并且

所述相位机构根据所述调制信号来变动所述凸轮的相位。

6.根据权利要求1所述的控制装置，其中：

所述控制对象是用于改变内燃机阀门的提升量的提升机构；

所述控制对象的输出是所检测的所述阀门的提升量；并且

所述提升机构根据所述调制信号来变动所述阀门的提升量。

7.根据权利要求1所述的控制装置，其中：

所述控制对象是从用于控制内燃机的空燃比的控制机构延伸到设置在该内燃机的排气管内的废气传感器的***；

所述控制对象的输出是所述废气传感器的输出；并且

所述控制机构根据所述调制信号来变动该内燃机的空燃比。

8.一种对控制对象进行控制的方法，所述方法包括以下步骤：

确定用于操作控制对象的操作量，以使该控制对象的输出收敛于目标值；

使用ΔΣ调制算法、ΣΔ调制算法和Δ调制算法中的一种来对所述操作量进行调制；

生成跟随所述操作量的自适应偏移值；以及

根据所述自适应偏移值对所述调制信号进行偏移，以使所述调制信号的振幅的中心值与所述自适应偏移值相等，由此使施加给所述控制对象的所述调制信号跟随所述操作量。

9.根据权利要求8所述的方法，其中所述调制信号的振幅的大小是恒定的，与所述操作量的变化无关。

10.根据权利要求9所述的方法，还包括对所述操作量进行滤波以抑制所述自适应偏移值的急剧变化的步骤，

其中所述生成自适应偏移值的步骤包括：根据所述滤波的输出来生成所述自适应偏移值。

11.根据权利要求10所述的方法，还包括将所述操作量限制在预定范围内的步骤，

其中所述滤波步骤包括对所述经限制的操作量进行滤波；并且

所述预定范围是根据所述自适应偏移值的过去值来确定的。

12.根据权利要求8所述的方法，其中：

所述控制对象是用于改变内燃机凸轮相位的相位机构；

所述控制对象的输出是所检测的所述凸轮的相位；并且

所述方法还包括由所述相位机构根据所述调制信号来变动所述凸轮相位的步骤。

13.根据权利要求8所述的方法，其中：

所述控制对象是用于改变内燃机阀门的提升量的提升机构；

所述控制对象的输出是所检测的所述阀门的提升量；和

所述方法还包括由所述提升机构根据所述调制信号来变动所述阀门的提升量的步骤。

14.根据权利要求8所述的方法，其中：

所述控制对象是从用于控制内燃机的空燃比的控制机构延伸到设置在该内燃机的排气管内的废气传感器的***；

所述控制对象的输出是所述废气传感器的输出；并且

所述方法还包括由所述控制机构根据所述调制信号来变动该内燃机的空燃比的步骤。

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