JP2010112306A - Control device - Google Patents

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Takahiro Iida
隆弘 飯田
Naohide Murakami
直英 村上
Kenta Ishihara
健太 石原
Jin Tomosada
仁 友定
Toshiro Itatsu
俊郎 板津
Akio Matsunaga
彰生 松永
Hiroshi Enomoto
弘 榎本
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Daihatsu Motor Co Ltd
Toyota Motor Corp
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Daihatsu Motor Co Ltd
Toyota Motor Corp
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To improve control convergence in a point separate from a nominal point, in sliding mode control of an internal combustion engine or a device attached to the same. <P>SOLUTION: A sliding mode control device 5 is constituted for controlling the internal combustion engine or the device attached to the same in a sliding mode, and providing control input by using its matrix by determining a switching hyperplane matrix S corresponding to an operation condition by referring to this map, by prestoring the map of determining the operation condition (an engine speed and a fuel injection quantity) of the internal combustion engine and the relationship between a weight matrix Q of a control object and a weight matrix R of the control input for regulating a Riccati equation. <P>COPYRIGHT: (C)2010,JPO&INPIT

Description

本発明は、内燃機関またはそれに付帯する装置をスライディングモード制御する制御装置に関する。   The present invention relates to a control device for controlling a sliding mode of an internal combustion engine or a device attached thereto.

下記特許文献1に開示されている排気ガス再循環(Exhaust Gas Recirculation)システムは、過給機を備えた内燃機関のEGR率(または、EGR量)を制御するものである。過給圧とEGR率との間には相互干渉が存在し、1入力1出力のコントローラで過給圧、EGR率の両方を同時に制御することは難しい。しかも、内燃機関の運転領域によって応答性が異なる上、過給機にはターボラグ(むだ時間)がある。このような事情から、特許文献1に記載のシステムでは、非線形制御対象に対して有効な制御手法であるスライディングモード制御を採用し、相互作用を考慮した他入力多出力のコントローラを設計してEGR制御をしている。
特開2007−032462号公報
An exhaust gas recirculation system disclosed in Patent Document 1 below controls an EGR rate (or EGR amount) of an internal combustion engine equipped with a supercharger. There is mutual interference between the supercharging pressure and the EGR rate, and it is difficult to simultaneously control both the supercharging pressure and the EGR rate with a one-input one-output controller. In addition, the responsiveness varies depending on the operation region of the internal combustion engine, and the turbocharger has a turbo lag (dead time). Under such circumstances, the system described in Patent Document 1 adopts sliding mode control, which is an effective control method for a non-linear control target, and designs an EGR controller by designing a multi-input multi-output controller in consideration of interaction. I have control.
JP 2007-032462 A

スライディングモード制御では、制御対象プラントの現在状況、具体的には内燃機関の運転領域等がノミナルポイントから離れている場合に、制御収束性に多少の遅れが発生する。スライディングモードコントローラを設計する際には、ノミナルモデルと呼称する特定の状態空間モデルから一つの切換超平面を導き、この超平面に状態を留めることを考える。従前のスライディングモード制御では、オフラインで構築した単一の切換超平面を全ての運転領域に適用することとなる。しかし、ノミナルポイントでは最適な切換超平面であっても、それ以外のポイントでは必ずしも最適なものであるとは言えず、運転領域如何によっては制御性能の劣化を招いてしまうのである。   In the sliding mode control, a slight delay occurs in the control convergence when the current state of the plant to be controlled, specifically, the operating region of the internal combustion engine is away from the nominal point. When designing a sliding mode controller, it is considered to derive one switching hyperplane from a specific state space model called a nominal model and to keep the state in this hyperplane. In conventional sliding mode control, a single switching hyperplane constructed off-line is applied to all operating regions. However, even if it is the optimal switching hyperplane at the nominal point, it is not necessarily optimal at other points, and the control performance will be deteriorated depending on the operating region.

以上に鑑みてなされた本発明は、内燃機関またはそれに付帯する装置のスライディングモード制御において、ノミナルポイントから離れたポイントにおける制御収束性の向上を図ることを所期の目的としている。   An object of the present invention made in view of the above is to improve control convergence at a point away from a nominal point in sliding mode control of an internal combustion engine or an apparatus attached thereto.

本発明では、内燃機関またはそれに付帯する装置をスライディングモード制御するものであって、内燃機関の運転条件と、切換超平面行列S、切換超平面行列Sを設計するリカッチ方程式の解Pまたはリカッチ方程式を設計する制御目的の重み行列Q及び制御入力の重み行列Rとの関係を定めたマップを予め記憶しており、このマップを参照して運転条件に応じた切換超平面行列Sを決定し、それを用いて制御入力を得ることを特徴とする制御装置を構成した。   In the present invention, the internal combustion engine or the device attached thereto is controlled in the sliding mode, and the operating condition of the internal combustion engine, the switching hyperplane matrix S, the solution P of the Riccati equation for designing the switching hyperplane matrix S or the Riccati equation A map defining the relationship between the control-purpose weight matrix Q and the control input weight matrix R is stored in advance, and the switching hyperplane matrix S corresponding to the operating conditions is determined with reference to this map, A control device characterized by obtaining a control input using the same was constructed.

つまり、運転条件に合わせて切換超平面を変更する、換言すればその時々の運転領域に最適な切換超平面をリアルタイムで構築するようにしたのである。本発明の制御装置を用いるならば、ノミナルポイントから離れたポイントにおける制御の精度や収束性を向上せしめることができ、排気ガスの良化等に寄与する。また、本発明では、プラントのモデル自体、即ち状態方程式における係数行列や入力行列等のパラメータのオンライン更新を伴わないので、モデル同定ないし適合の工数を徒に増大させることがなく、また電子制御装置(Electronic Control Unit)の演算負荷も比較的軽微で済む。   In other words, the switching hyperplane is changed in accordance with the operating conditions, in other words, the switching hyperplane that is optimal for the operating area at that time is constructed in real time. If the control device of the present invention is used, it is possible to improve the control accuracy and convergence at a point away from the nominal point, contributing to the improvement of exhaust gas and the like. Further, in the present invention, since the plant model itself, that is, it does not involve on-line updating of parameters such as a coefficient matrix and an input matrix in the state equation, the man-hour for model identification or adaptation is not increased, and the electronic control device The calculation load of (Electronic Control Unit) can be relatively light.

より詳しくは、エンジン回転数及び燃料噴射量と、切換超平面行列S、切換超平面行列Sを設計するリカッチ方程式の解Pまたはリカッチ方程式を設計する制御目的の重み行列Q及び制御入力の重み行列Rとの関係を定めたマップを予め記憶しておき、このマップを参照して運転条件に応じた切換超平面行列Sを決定するものとすることが好ましい。   More specifically, the engine speed and the fuel injection amount, the switching hyperplane matrix S, the solution P of the Riccati equation for designing the switching hyperplane matrix S, or the control-purpose weight matrix Q and the control input weight matrix It is preferable that a map defining the relationship with R is stored in advance, and the switching hyperplane matrix S corresponding to the operating conditions is determined with reference to this map.

本発明によれば、内燃機関またはそれに付帯する装置のスライディングモード制御において、ノミナルポイントから離れたポイントにおける制御収束性の向上を図り得る。   ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, in the sliding mode control of an internal combustion engine or an apparatus incidental to it, the improvement of control convergence in the point away from the nominal point can be aimed at.

本発明の一実施形態を、図面を参照して説明する。図1に示すものは、本発明の適用対象の一であるEGRシステムである。内燃機関2に付帯するこのEGRシステムは、吸排気系3、4における複数の流体圧または流量に関する値を検出するための計測器(または、センサ)11、12と、それらの値に目標値を設定し、各値を目標値に追従させるべく複数の操作部45、42、33を操作する制御装置たるECU5とを具備してなる。   An embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. What is shown in FIG. 1 is an EGR system that is one of the objects to which the present invention is applied. This EGR system attached to the internal combustion engine 2 includes measuring devices (or sensors) 11 and 12 for detecting values related to a plurality of fluid pressures or flow rates in the intake and exhaust systems 3 and 4, and target values for these values. ECU5 which is a control apparatus which operates the some operation part 45,42,33 in order to set and to make each value follow a target value.

内燃機関2は、例えば過給機を備えたディーゼルエンジンである。内燃機関2の吸気系3には、可変ターボのコンプレッサ31を配設するとともに、その下流に吸気冷却用のインタークーラ32、及び吸入空気(新気)量を調節するDスロットルバルブ33を設ける。また、吸入空気量を計測する流量計11、吸気管内圧力を計測する圧力計12をそれぞれ設置する。   The internal combustion engine 2 is a diesel engine equipped with a supercharger, for example. The intake system 3 of the internal combustion engine 2 is provided with a variable turbo compressor 31 and an intercooler 32 for intake air cooling and a D throttle valve 33 for adjusting the intake air (fresh air) amount downstream thereof. Further, a flow meter 11 for measuring the intake air amount and a pressure meter 12 for measuring the intake pipe pressure are installed.

内燃機関2の排気系4には、コンプレッサ31を駆動するタービン41を配設し、タービン41の入口には過給機のA/R比を増減させるためのノズルベーン42を設ける。そして、内燃機関2の燃焼室より排出される排気ガスの一部を吸気系3に還流させるEGR通路43を形成する。EGR通路43は、吸気系3におけるスロットルバルブ33よりも下流に接続する。EGR通路43には、排気冷却用のEGRクーラ44と、通過する排気ガス(EGRガス)量を調節する外部EGRバルブ45とを設ける。   The exhaust system 4 of the internal combustion engine 2 is provided with a turbine 41 for driving the compressor 31, and a nozzle vane 42 for increasing or decreasing the A / R ratio of the supercharger is provided at the inlet of the turbine 41. Then, an EGR passage 43 for recirculating a part of the exhaust gas discharged from the combustion chamber of the internal combustion engine 2 to the intake system 3 is formed. The EGR passage 43 is connected downstream of the throttle valve 33 in the intake system 3. The EGR passage 43 is provided with an EGR cooler 44 for cooling the exhaust, and an external EGR valve 45 that adjusts the amount of exhaust gas (EGR gas) that passes therethrough.

本実施形態では、EGR率(または、EGR量)と、吸気管内圧力とについて各々目標値を設定し、双方の制御量を一括に目標値に向かわせるべく複数の操作部、即ちEGRバルブ45、可変ターボのノズル42及びスロットルバルブ33を操作する制御を実施する。   In the present embodiment, a target value is set for each of the EGR rate (or EGR amount) and the intake pipe pressure, and a plurality of operation units, that is, an EGR valve 45, Control is performed to operate the variable turbo nozzle 42 and the throttle valve 33.

EGRバルブ45、ノズルベーン42、スロットルバルブ33は、ECU5により統御されてその開度をリニアに変化させる。各操作部45、42、33は、駆動信号のデューティ比を増減させることで開度を変える電気式のバルブや、あるいはバキュームコントロールバルブ等と組み合わされ弁体のリフト量を制御して開度を変える機械式のバルブ等を用いてなる。   The EGR valve 45, the nozzle vane 42, and the throttle valve 33 are controlled by the ECU 5 to change their opening degrees linearly. Each operation unit 45, 42, 33 is combined with an electric valve that changes the opening by increasing or decreasing the duty ratio of the drive signal, or a vacuum control valve, etc. It uses mechanical valves that change.

ECU5は、プロセッサ、RAM(Random Access Memory)、ROM(Read Only Memory)またはフラッシュメモリ、A/D変換回路、D/A変換回路等を包有するマイクロコンピュータである。ECU5は、EGR率及び吸気管内圧力を検出するための計測器11、12の他、エンジン回転数、アクセルペダルの踏込量、冷却水温、吸気温、外部の気温、気圧等を検出する各種計測器(図示せず)と電気的に接続し、これら計測器から出力される信号を受け取って各値を知得することができる。   The ECU 5 is a microcomputer including a processor, a RAM (Random Access Memory), a ROM (Read Only Memory) or a flash memory, an A / D conversion circuit, a D / A conversion circuit, and the like. In addition to the measuring instruments 11 and 12 for detecting the EGR rate and the pressure in the intake pipe, the ECU 5 detects various measuring instruments for detecting the engine speed, the accelerator pedal depression amount, the cooling water temperature, the intake air temperature, the outside air temperature, the atmospheric pressure, and the like. Each value can be known by receiving signals output from these measuring instruments.

因みに、本実施形態では、EGR率を直接計測していない。内燃機関2のシリンダに入る空気量は、可変ターボのノズル開度を基に予測することが可能である。その空気量の予測値をgcylとおき、流量計11で計測される吸入空気量をgaとおくと、推定EGR率eegrについて、eegr=1−ga/gcylなる関係が成立する。ECU5のROMまたはフラッシュメモリには予め、可変ターボのノズル開度とシリンダに入る空気量との関係を定めたマップデータが記憶されている。ECU5は、可変ターボのノズル開度をキーとしてマップを検索し、シリンダに入る空気量の予測値を得、これと吸入空気量とを上記式に代入してEGR率を算出する。 Incidentally, in this embodiment, the EGR rate is not directly measured. The amount of air entering the cylinder of the internal combustion engine 2 can be predicted based on the nozzle opening of the variable turbo. When the predicted value of the air amount is set as g cyl and the intake air amount measured by the flow meter 11 is set as g a , the relationship of e egr = 1−g a / g cyl is established for the estimated EGR rate e egr. To do. The ROM or flash memory of the ECU 5 stores in advance map data that defines the relationship between the variable turbo nozzle opening and the amount of air entering the cylinder. The ECU 5 searches the map using the nozzle opening of the variable turbo as a key, obtains a predicted value of the air amount entering the cylinder, and substitutes this and the intake air amount into the above formula to calculate the EGR rate.

並びに、ECU5は、EGRバルブ45、可変ターボのノズル42、スロットルバルブ33や、燃料噴射を司るインジェクタ及び燃料ポンプ等(図示せず)と電気的に接続しており、これらを駆動するための信号を入力することができる。   In addition, the ECU 5 is electrically connected to the EGR valve 45, the variable turbo nozzle 42, the throttle valve 33, an injector for controlling fuel injection, a fuel pump, and the like (not shown), and signals for driving them. Can be entered.

ECU5で実行するべきプログラムはROMまたはフラッシュメモリに予め記憶されており、その実行の際にRAMへ読み込まれ、プロセッサによって解読される。ECU5は、プログラムに従い内燃機関2を制御する。例えば、エンジン回転数、アクセルペダルの踏込量、冷却水温等の諸条件に基づき要求される燃料噴射量(いわば、エンジン負荷)を決定し、その要求噴射量に対応する駆動信号をインジェクタ等に入力して燃料噴射を制御する。その上で、ECU5は、プログラムに従い、図2、図3に示すスライディングモードコントローラ51、及び切換超平面決定部52としての機能を発揮する。   A program to be executed by the ECU 5 is stored in advance in a ROM or a flash memory, and is read into the RAM at the time of execution and is decoded by the processor. The ECU 5 controls the internal combustion engine 2 according to a program. For example, the required fuel injection amount (in other words, engine load) is determined based on various conditions such as engine speed, accelerator pedal depression amount, and coolant temperature, and a drive signal corresponding to the required injection amount is input to an injector or the like. And control the fuel injection. In addition, the ECU 5 exhibits functions as the sliding mode controller 51 and the switching hyperplane determination unit 52 shown in FIGS. 2 and 3 according to the program.

スライディングモードコントローラ51は、EGR率及び吸気管内圧力のスライディングモード制御を担う。フィードバック制御時、ECU5は、各種計測器(図示せず)が出力する信号を受け取ってエンジン回転数、アクセル踏込量、冷却水温、吸気温、外部の気温及び気圧等を知得し、要求噴射量を決定する。続いて、少なくともエンジン回転数及び要求噴射量に基づき、目標EGR率及び目標吸気管内圧力を設定する。ECU5のROMまたはフラッシュメモリには予め、エンジン回転数及び要求噴射量に応じて設定するべき各目標値を示すマップデータが記憶されている。ECU5は、エンジン回転数及び要求噴射量をキーとしてマップを検索し、EGR率及び吸気管内圧力の目標値を得る。さらに、マップを参照して得た目標値を基本値とし、これを冷却水温、吸気温、外部の気温や気圧等に応じて補正して最終的な目標値とする。   The sliding mode controller 51 is responsible for sliding mode control of the EGR rate and the intake pipe pressure. During feedback control, the ECU 5 receives signals output from various measuring instruments (not shown), and knows the engine speed, accelerator depression amount, cooling water temperature, intake air temperature, external temperature and pressure, etc., and the required injection amount To decide. Subsequently, the target EGR rate and the target intake pipe pressure are set based on at least the engine speed and the required injection amount. The ROM or flash memory of the ECU 5 stores in advance map data indicating each target value to be set according to the engine speed and the required injection amount. The ECU 5 searches the map using the engine speed and the required injection amount as keys, and obtains target values for the EGR rate and the intake pipe pressure. Further, the target value obtained by referring to the map is set as a basic value, and this is corrected according to the cooling water temperature, the intake air temperature, the outside air temperature, the atmospheric pressure, and the like to obtain the final target value.

そして、ECU5は、計測器11、12が出力する信号を受け取ってEGR率及び吸気管内圧力の現在値を知得し、各制御量の現在値と目標値との偏差からEGRバルブ45の開度、可変ターボのノズル42の開度及びスロットルバルブ33の開度を演算して、各々の操作量に対応する駆動信号をそれら操作部45、42、33に入力、開度を操作する。   Then, the ECU 5 receives signals output from the measuring instruments 11 and 12 to obtain the current values of the EGR rate and the intake pipe pressure, and the opening of the EGR valve 45 from the deviation between the current value of each control variable and the target value. Then, the opening degree of the variable turbo nozzle 42 and the opening degree of the throttle valve 33 are calculated, and a drive signal corresponding to each operation amount is input to the operation units 45, 42, 33 to operate the opening degree.

EGR率の適応スライディングモード制御に関して補記する。状態方程式及び出力方程式は、下式(数2)の通りである。   A supplementary explanation will be given regarding adaptive sliding mode control of the EGR rate. The state equation and the output equation are as shown in the following equation (Equation 2).

Figure 2010112306
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本実施形態では、状態量ベクトルXを出力ベクトルYから直接知得できる構造とする、換言すれば計測器11、12を介して検出可能な値を直接の制御対象とすることにより、状態推定オブザーバを排して推定誤差に伴う制御性能の低下を予防している。出力行列Cは既知、本実施形態では単位行列とする。   In this embodiment, the state quantity vector X has a structure that can be directly obtained from the output vector Y. In other words, a value that can be detected via the measuring instruments 11 and 12 is directly controlled, so that the state estimation observer. This prevents the deterioration of the control performance due to the estimation error. The output matrix C is known, and is a unit matrix in this embodiment.

プラントのモデル化、即ち状態方程式(数2)における係数行列A及び入力行列Bの同定にあたっては、各操作部45、42、33に様々な周波数からなるM系列信号を入力して開度を操作し、EGR率及び吸気管内圧力の値を観測して、その入出力データから行列A、Bを同定する。各操作部45、42、33に入力するM系列信号は、互いに無相関なものとする。これにより、各値の相互干渉を考慮したモデルを作成することができる。   When modeling the plant, that is, identifying the coefficient matrix A and the input matrix B in the equation of state (Equation 2), M series signals having various frequencies are input to the operation units 45, 42, and 33 to control the opening degree. Then, the values of the EGR rate and the intake pipe pressure are observed, and the matrices A and B are identified from the input / output data. It is assumed that the M-sequence signals input to the operation units 45, 42, and 33 are uncorrelated with each other. This makes it possible to create a model that takes into account the mutual interference between the values.

図3に、適応スライディングモード制御系のブロック線図を示す。スライディングモードコントローラ51の設計手順には、切換超平面の設計と、状態量を切換超平面に拘束するための非線形切換入力の設計とが含まれる。   FIG. 3 shows a block diagram of the adaptive sliding mode control system. The design procedure of the sliding mode controller 51 includes the design of the switching hyperplane and the design of a nonlinear switching input for constraining the state quantity to the switching hyperplane.

1形のサーボ系を構成するべく、当初の状態量ベクトルXに、目標値ベクトルRと出力ベクトルYとの偏差の積分値ベクトルZを付加した新たな状態量ベクトルXeを定義すると、下式(数3)に示す拡大系の状態方程式を得る。 If a new state quantity vector Xe is defined by adding an integral value vector Z of the deviation between the target value vector R and the output vector Y to the original state quantity vector X in order to constitute a type 1 servo system, The equation of state of the expanded system shown in (Expression 3) is obtained.

Figure 2010112306
Figure 2010112306

安定余裕を考慮し、切換超平面の設計にはシステムの零点を用いた設計手法を用いる。即ち、上式(数3)の拡大系がスライディングモードを生じているときの等価制御系が安定となるように超平面を設計する。切換関数σを式(数4)で定義すると、状態が超平面に拘束されている場合にσ=0かつ式(数5)が成立する。   In consideration of the stability margin, the design method using the zero of the system is used to design the switching hyperplane. That is, the hyperplane is designed so that the equivalent control system is stable when the expansion system of the above equation (Equation 3) is generating the sliding mode. When the switching function σ is defined by the equation (Equation 4), σ = 0 and the equation (Equation 5) holds when the state is constrained to the hyperplane.

Figure 2010112306
Figure 2010112306

Figure 2010112306
Figure 2010112306

故に、スライディングモードが生じているときの線形入力(等価制御入力)は、下式(数6)となる。   Therefore, the linear input (equivalent control input) when the sliding mode occurs is expressed by the following equation (Equation 6).

Figure 2010112306
Figure 2010112306

上式(数6)の線形入力を拡大系の状態方程式(数3)に代入すると、下式(数7)の等価制御系となる。   Substituting the linear input of the above equation (Equation 6) into the state equation (Equation 3) of the expanded system results in an equivalent control system of the following equation (Equation 7).

Figure 2010112306
Figure 2010112306

この等価制御系が安定になるように超平面を設計することと、目標値Rを無視した系に対して設計することとは等価であるので、下式(数8)が成立する。   Designing the hyperplane so that this equivalent control system is stable is equivalent to designing the system in which the target value R is ignored, so the following equation (Equation 8) holds.

Figure 2010112306
Figure 2010112306

上式(数8)の系に対して安定度εを考慮し、最適制御理論を用いてフィードバックゲインを求め、それを超平面とすると、下式(数9)となる。   Taking the stability ε into consideration for the system of the above equation (Equation 8), obtaining the feedback gain using the optimal control theory and making it a hyperplane, the following equation (Equation 9) is obtained.

Figure 2010112306
Figure 2010112306

行列Psは、リカッチ方程式(数10)の正定解である。 The matrix P s is a positive definite solution of the Riccati equation (Equation 10).

Figure 2010112306
Figure 2010112306

リカッチ方程式(数10)におけるQsは制御目的の重み行列で、非負定な対称行列である。q1、q2は偏差の積分Zに対する重みであり、制御系の周波数応答の速さの違いにより決定する。q3、q4は出力Yに対する重みであり、ゲインの大きさの違いにより決定する。また、リカッチ方程式(数10)におけるRsは制御入力の重み行列で、正定対称行列である。εは安定余裕係数で、ε≧0となるように指定する。 Q s in the Riccati equation (Equation 10) is a weight matrix for control purposes, and is a non-negative definite symmetric matrix. q 1 and q 2 are weights for the integral Z of the deviation, and are determined by the difference in the speed of the frequency response of the control system. q 3 and q 4 are weights for the output Y, and are determined by the difference in the magnitude of the gain. Further, R s in the Riccati equation (Equation 10) is a weight matrix of the control input and is a positive definite symmetric matrix. ε is a stability margin coefficient and is specified so that ε ≧ 0.

なお、上記式(数9)、(数10)に替えて、以下に示す離散系の超平面構築式(数11)及び代数リカッチ方程式(数12)を用いてもよい。   Instead of the above equations (Equation 9) and (Equation 10), the following discrete hyperplane construction equation (Equation 11) and algebraic Riccati equation (Equation 12) may be used.

Figure 2010112306
Figure 2010112306

Figure 2010112306
Figure 2010112306

超平面に拘束するための入力の設計には、最終スライディングモード法を用いる。ここでは、制御入力Uを、線形入力Ueqと新たな入力即ち非線形入力(非線形制御入力)Unlとの和として、下式(数13)で表す。 The final sliding mode method is used to design the input for constraining to the hyperplane. Here, the control input U is expressed by the following equation (Equation 13) as the sum of the linear input U eq and a new input, that is, a nonlinear input (nonlinear control input) U nl .

Figure 2010112306
Figure 2010112306

切換関数σを安定させたいので、σについてのリアプノフ関数を下式(数14)のように選び、これを微分すると式(数15)となる。   Since it is desired to stabilize the switching function σ, the Lyapunov function for σ is selected as shown in the following equation (Equation 14) and differentiated to obtain the equation (Equation 15).

Figure 2010112306
Figure 2010112306

Figure 2010112306
Figure 2010112306

式(数13)を式(数15)に代入すると、下式(数16)となる。   Substituting equation (Equation 13) into equation (Equation 15) yields the following equation (Equation 16).

Figure 2010112306
Figure 2010112306

非線形入力Unlを下式(数17)とすると、リアプノフ関数の微分は式(数18)となる。 When the following expression nonlinear input U nl and (Expression 17), the derivative of the Lyapunov function becomes equation (18).

Figure 2010112306
Figure 2010112306

Figure 2010112306
Figure 2010112306

従って、切換ゲインkを正とすれば、リアプノフ関数の微分値を負とすることができ、スライディングモードが保証される。このときの制御入力Uは、下式(数19)である。   Therefore, if the switching gain k is positive, the differential value of the Lyapunov function can be negative, and the sliding mode is guaranteed. The control input U at this time is expressed by the following equation (Equation 19).

Figure 2010112306
Figure 2010112306

ηはチャタリング低減のために導入した平滑化係数であって、η>0である。   η is a smoothing coefficient introduced to reduce chattering, and η> 0.

スライディングモード制御では、状態量を超平面に拘束するために非線形ゲインを大きくする必要がある。だが、非線形ゲインを大きくすると、制御入力にチャタリングが発生する。そこで、モデルの不確かさを、構造が既知でパラメータが未知な確定部分と、構造が未知だがその上界値が既知な不確定部分とに分ける。状態方程式(数2)に不確かさ(f+Δf)を加え、下式(数20)で表す。   In the sliding mode control, it is necessary to increase the nonlinear gain in order to constrain the state quantity to the hyperplane. However, if the nonlinear gain is increased, chattering occurs in the control input. Therefore, the uncertainty of the model is divided into a definite part whose structure is unknown and whose parameter is unknown, and an uncertain part whose structure is unknown but whose upper bound is known. Uncertainty (f + Δf) is added to the state equation (Equation 2), and is expressed by the following equation (Equation 20).

Figure 2010112306
Figure 2010112306

不確かさの確定部分fは、未知パラメータθを同定することで補償される。さすれば、切換ゲインは不確かさの不確定部分Δfのみにかかることとなり、切換ゲインが不確実成分全体(f+Δf)にかかる場合と比べて制御入力のチャタリングを大幅に低減できる。   The uncertainty determination part f is compensated by identifying the unknown parameter θ. In this case, the switching gain is applied only to the uncertain part Δf of the uncertainty, and the chattering of the control input can be greatly reduced as compared with the case where the switching gain is applied to the entire uncertain component (f + Δf).

制御入力Uは、式(数19)に適応項Uadを追加した下式(数21)となる。 The control input U is represented by the following expression (Expression 21) obtained by adding the adaptive term U ad to the expression (Expression 19).

Figure 2010112306
Figure 2010112306

制御入力(数21)におけるΓ1は、適応ゲイン行列である。関数hは、一般には状態量x及び/または未知パラメータθの関数とするが、本実施形態ではhをx及びθに無関係な単純式、定数とすることにより、xを速やかに収束させ、θの適応速度を高めるようにしている。特に、h=1とした場合、推定パラメータを下式(数22)に則って同定することができる。 Γ 1 at the control input (Equation 21) is an adaptive gain matrix. The function h is generally a function of the state quantity x and / or the unknown parameter θ. However, in the present embodiment, by making h a simple expression and a constant unrelated to x and θ, x is quickly converged, and θ To increase the adaptation speed. In particular, when h = 1, the estimated parameter can be identified according to the following equation (Equation 22).

Figure 2010112306
Figure 2010112306

本実施形態では、EGR率y1及び吸気管内圧力y2を制御出力変数とし、EGRバルブ45の開度u1、可変ターボのノズル42の開度u2及びスロットルバルブ33の開度u3を制御入力変数とした3入力2出力のフィードバック制御を行う。状態変数の個数(システムの次数)は、当初の系(数2)では出力変数の個数と同じく2、拡大系(数3)では4となる。制御出力及び状態量をこのように特定することで、排気ガスに直接触れる箇所に流量計等の計測器を設置する必要がなくなる。 In the present embodiment, the EGR ratio y 1 and the intake pipe pressure y 2 as a control output variable, the opening degree u 1 of the EGR valve 45, the opening degree u 3 of opening u 2 and the throttle valve 33 of the variable turbo nozzle 42 Performs 3-input 2-output feedback control using control input variables. The number of state variables (system order) is 2 in the initial system (Equation 2), and 4 in the expanded system (Equation 3). By specifying the control output and the state quantity in this way, it is not necessary to install a measuring instrument such as a flow meter at a location where it directly contacts the exhaust gas.

尤も、本実施形態のような3入力2出力のシステムでは、det(SBe)=0が成立し、行列(SBe)は正則とはならない。そこで、逆行列(SBe-1を、一般化逆行列として算定する。一般化逆行列には、例えばムーア・ペンローズ型の逆行列(SBeを用いる。 However, in a three-input two-output system as in this embodiment, det (SB e ) = 0 holds, and the matrix (SB e ) is not regular. Therefore, the inverse matrix (SB e ) −1 is calculated as a generalized inverse matrix. As the generalized inverse matrix, for example, a Moore-Penrose-type inverse matrix (SB e ) is used.

しかして、切換超平面決定部52は、線形入力及び非線形入力を規定する切換超平面行列Sをオンラインで更新する。本実施形態では、内燃機関2の運転条件に応じて、リカッチ方程式(数10)または(数12)における制御入力の重み行列Rs及び/または制御目的の重み行列Qsを変更することにより、切換超平面行列Sの適時構築を行うものとしている。 Therefore, the switching hyperplane determination unit 52 updates the switching hyperplane matrix S that defines linear input and nonlinear input online. In the present embodiment, by changing the control input weight matrix R s and / or the control purpose weight matrix Q s in the Riccati equation (Equation 10) or (Equation 12) according to the operating conditions of the internal combustion engine 2, The switching hyperplane matrix S is constructed in a timely manner.

ECU5のROMまたはフラッシュメモリには予め、図4に例示するような、エンジン回転数及び燃料噴射量に応じて設定するべき重みを示すマップデータが記憶されている。マップは、重みr1、r2、r3、q1、q2、q3、q4のそれぞれに対して個別に与えられ、都合7枚となる。切換超平面決定部52は、これらマップを参照して重み行列Rs、Qsを決定する。即ち、エンジン回転数及び燃料噴射量をキーとしてマップを検索し、r1、r2、r3及びq1、q2、q3、q4を得る。 In the ROM or flash memory of the ECU 5, map data indicating weights to be set according to the engine speed and the fuel injection amount as illustrated in FIG. 4 is stored in advance. A map is individually provided for each of the weights r 1 , r 2 , r 3 , q 1 , q 2 , q 3 , and q 4 , and there are seven convenient maps. The switching hyperplane determining unit 52 refers to these maps to determine the weight matrices R s and Q s . That is, the map is searched using the engine speed and the fuel injection amount as keys to obtain r 1 , r 2 , r 3 and q 1 , q 2 , q 3 , q 4 .

但し、制御入力の重み行列Rsは、内燃機関2の運転条件によらず一定としてもよい。さらに、重み行列Rsは単位行列としてもよい。 However, the control input weight matrix R s may be constant regardless of the operating conditions of the internal combustion engine 2. Furthermore, the weight matrix R s may be a unit matrix.

本実施形態によれば、内燃機関2またはそれに付帯する装置をスライディングモード制御するものであって、内燃機関2の運転条件と、リカッチ方程式を規定する制御目的の重み行列Q及び制御入力の重み行列Rとの関係を定めたマップを予め記憶しており、このマップを参照して運転領域に応じた切換超平面行列Sを決定し、それを用いて制御入力を得ることを特徴とする制御装置を構成したため、その時々の運転領域に最適な切換超平面Sをリアルタイムで構築することが可能であり、ノミナルポイントから離れたポイントにおける制御の精度、収束性を向上せしめることができる。結果、排気ガスの良化等に寄与する。また、プラントのモデル自体、即ち状態方程式における係数行列Aや入力行列B等のパラメータのオンライン更新を伴わないので、モデル同定ないし適合の工数を徒に増大させることがなく、ECU5の演算負荷も比較的軽微で済む。   According to the present embodiment, the internal combustion engine 2 or a device attached thereto is controlled in the sliding mode, and the operating condition of the internal combustion engine 2, the weight matrix Q for the control purpose that defines the Riccati equation, and the weight matrix of the control input A control device that stores in advance a map that defines a relationship with R, determines a switching hyperplane matrix S corresponding to the operation region with reference to this map, and obtains a control input using the switching hyperplane matrix S Therefore, it is possible to construct a switching hyperplane S that is optimal for the operating region at that time in real time, and it is possible to improve control accuracy and convergence at a point away from the nominal point. As a result, it contributes to the improvement of exhaust gas. In addition, since the plant model itself, that is, it does not involve on-line updating of parameters such as coefficient matrix A and input matrix B in the state equation, the number of man-hours for model identification or adaptation is not increased, and the calculation load of ECU 5 is compared. It only needs to be small.

そして、本実施形態の制御装置は、エンジン回転数及び燃料噴射量と、制御目的の重み行列Q及び制御入力の重み行列Rとの関係を定めたマップを予め記憶しており、このマップを参照して運転条件に応じた切換超平面行列Sを決定するものであるので、内燃機関2の運転領域に合わせた切換超平面Sの適時変更が容易となっている。   The control device according to the present embodiment stores in advance a map that defines the relationship between the engine speed and the fuel injection amount, the weight matrix Q for control purposes, and the weight matrix R for control input. Since the switching hyperplane matrix S corresponding to the operating conditions is determined, it is easy to change the switching hyperplane S according to the operating range of the internal combustion engine 2 in a timely manner.

なお、本発明は以上に詳述した実施形態に限られるものではない。上記実施形態では、マップデータを参照してリカッチ方程式における重み行列Q、Rを変更することにより、リカッチ方程式の解Pを変更し、ひいては切換超平面Sを構築するようにしていたが、内燃機関2の運転条件に応じたリカッチ方程式の解Pのマップ、あるいは切換超平面Sのマップを記憶保持しておき、このマップを参照して(リカッチ方程式を解くことなく)直接的に切換超平面Sを構築することとしても構わない。この場合のマップデータは、エンジン回転数及び燃料噴射量に応じて設定するべきリカッチ方程式の解Pまたは切換超平面Sを示したものとなる。   The present invention is not limited to the embodiment described in detail above. In the above embodiment, the weight matrix Q, R in the Riccati equation is changed with reference to the map data, thereby changing the solution P of the Riccati equation and thus constructing the switching hyperplane S. The map of the solution P of the Riccati equation corresponding to the operation condition 2 or the map of the switching hyperplane S is stored and stored, and the switching hyperplane S is directly referred to (without solving the Riccati equation) with reference to this map. You can also build The map data in this case indicates the solution P or the switching hyperplane S of the Riccati equation to be set according to the engine speed and the fuel injection amount.

さらに、上記実施形態では、切換超平面Sを適時構築するための運転条件の指標として、エンジン回転数及び燃料噴射量を採用していたが、これ以外の指標を基礎としてもよい。例えば、図5に示すように、スライディングモードコントローラ51が算出した制御入力Uをプラント(の操作部45、42、33)に入力した結果得られる実際の制御出力Yと、同じ制御入力Uをプラントのノミナルモデルに代入して算出される仮想の制御出力との差ΔYを随時演算する制御系とし、切換超平面決定部52がこの差分ΔYに応じた重み行列Q(及び、重み行列R)、リカッチ方程式の解Pまたは切換超平面Sを決定する態様をとることが考えられる。ベクトルΔYは、プラントから得られた実際のEGR率とノミナルモデルから得られた仮想のEGR率との差Δy1、プラントから得られた実際の吸気管内圧力とノミナルモデルから得られた仮想の吸気管内圧力との差Δy2を要素に有する。この場合のマップデータは、図6に例示するように、差分Δy1及びΔy2に応じて設定するべき重みQ、リカッチ方程式の解Pまたは切換超平面Sを示したものとなる。 Furthermore, in the above-described embodiment, the engine speed and the fuel injection amount are employed as the operating condition indices for constructing the switching hyperplane S in a timely manner, but other indices may be used as a basis. For example, as shown in FIG. 5, the same control input U as the actual control output Y obtained as a result of inputting the control input U calculated by the sliding mode controller 51 to the plant (the operation units 45, 42, 33) The control hyperplane determining unit 52 calculates a weight matrix Q (and weight matrix R) corresponding to the difference ΔY, as needed. It can be considered that the solution P of the Riccati equation or the switching hyperplane S is determined. The vector ΔY is the difference Δy 1 between the actual EGR rate obtained from the plant and the virtual EGR rate obtained from the nominal model, the actual intake pipe pressure obtained from the plant and the virtual intake air obtained from the nominal model. The element has a difference Δy 2 from the in-pipe pressure. The map data in this case indicates the weight Q to be set according to the differences Δy 1 and Δy 2 , the solution P of the Riccati equation, or the switching hyperplane S, as illustrated in FIG.

加えて、本発明の制御装置の制御対象はEGRシステムに限定されない。制御入力はEGRバルブ開度、可変ノズルターボ開度及びスロットルバルブ開度には限定されず、制御出力もEGR率(または、EGR量)及び吸気管内圧力には限定されない。   In addition, the control target of the control device of the present invention is not limited to the EGR system. The control input is not limited to the EGR valve opening, the variable nozzle turbo opening, and the throttle valve opening, and the control output is not limited to the EGR rate (or EGR amount) and the intake pipe pressure.

その他各部の具体的構成は、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形が可能である。   Other specific configurations of each part can be variously modified without departing from the spirit of the present invention.

本発明の一実施形態におけるEGRシステムのハードウェア資源構成図。The hardware resource block diagram of the EGR system in one Embodiment of this invention. 同実施形態の制御装置の構成説明図。Configuration explanatory drawing of the control apparatus of the embodiment. 適応スライディングモードコントローラのブロック線図。The block diagram of an adaptive sliding mode controller. 同実施形態の制御装置が記憶保持しているマップデータを例示する図。The figure which illustrates the map data which the control apparatus of the same embodiment memorizes and holds. 本発明の一変形例の構成説明図。The structure explanatory view of one modification of the present invention. 同変形例の制御装置が記憶保持しているマップデータを例示する図。The figure which illustrates the map data which the control apparatus of the modification has memorize | stored.

符号の説明Explanation of symbols

5…ECU(制御装置)
51…適応スライディングモードコントローラ
52…切換超平面決定部
5 ... ECU (control device)
51 ... Adaptive sliding mode controller 52 ... Switching hyperplane determining unit

Claims (2)

内燃機関またはそれに付帯する装置をスライディングモード制御するものであって、
内燃機関の運転条件と、切換超平面行列S、切換超平面行列Sを規定するリカッチ方程式の解Pまたはリカッチ方程式を規定する制御目的の重み行列Qとの関係を定めたマップを予め記憶しており、
このマップを参照して運転条件に応じた切換超平面行列Sを決定し、それを用いて制御入力を得ることを特徴とする制御装置。但し、
Figure 2010112306
A sliding mode control of an internal combustion engine or a device attached thereto,
A map defining the relationship between the operating conditions of the internal combustion engine and the switching hyperplane matrix S, the solution P of the Riccati equation defining the switching hyperplane matrix S or the weight matrix Q for control purposes defining the Riccati equation is stored in advance. And
A control device characterized by determining a switching hyperplane matrix S according to operating conditions with reference to this map and using it to obtain a control input. However,
Figure 2010112306
エンジン回転数及び燃料噴射量と、切換超平面行列S、切換超平面行列Sを規定するリカッチ方程式の解Pまたはリカッチ方程式を規定する制御目的の重み行列Qとの関係を定めたマップを予め記憶しており、
このマップを参照して運転条件に応じた切換超平面行列Sを決定する請求項1記載の制御装置。
A map defining the relationship between the engine speed and the fuel injection amount and the switching hyperplane matrix S, the solution P of the Riccati equation defining the switching hyperplane matrix S or the weight matrix Q for control purposes defining the Riccati equation is stored in advance. And
The control device according to claim 1, wherein a switching hyperplane matrix S corresponding to operating conditions is determined with reference to this map.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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US9008843B2 (en) * 2011-04-20 2015-04-14 Harmonic Drive Systems Inc. Positioning apparatus for actuator with wave gear device

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