JP2604036B2 - エンジン試験制御装置 - Google Patents

エンジン試験制御装置

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Description

【発明の詳細な説明】 ［発明の目的］ （産業上の利用分野） 本発明は、エンジン単体、或いはエンジンを搭載した
車両の運転試験を実験室内で行なうエンジン試験制御装
置に関する。
（従来の技術） エンジン騒音や、排ガス量等のエンジン性能試験は、
エンジンを搭載した車両を実際に走行させて試験データ
を入手することが困難であるため、実験室内で行なわれ
ることが多い。
このため、実験室内において試験対象となるエンジン
のスロットル開度及び動力計電流を操作し、エンジント
ルク及び回転数が設定値となるように制御して試験デー
タを入手する方法が採られている。
第４図は、このようなエンジン試験装置の従来例を示
すものであり、運転指令発生器１においてオペレータが
回転数基準及びトルク基準をインプットすると、各基準
信号が出力され、それぞれ回転数基準信号は減算器4a
に、又、トルク基準信号は減算器4bに供給される。
また、試験対象となるエンジン２には回転数検出器３
が取付けられており、ここで検出された回転数測定値は
減算器4aに供給され、前記回転数基準との偏差が求めら
れる。そして、求められた回転数偏差はエンジン制御部
５に供給され、この回転数偏差を零とするための制御演
算を行ない、スロットル開度の操作信号を生成する。
その後、この操作信号はスロットル開度制御装置６に
供給されるので、この制御装置６は、実際にスロットル
バルブ（不図示）の開度を調節してエンジン２の回転数
が設定値となるように制御する。
一方、エンジン２にはトルク検出器７が取付けられて
おり、ここで検出された軸トルク測定値は減算器4bに供
給され、前記トルク基準との偏差が求められる。
そして、求められたトルク偏差は動力計制御部８に供
給され、このトルク偏差を零とするための制御演算を行
ない、動力計電流の操作信号を生成する。
その後、この操作信号は動力計電流制御装置９に供給
され、この制御装置９によって実際に動力計電流が調節
されてエンジン２のトルクが設定値となるように制御さ
れる。
こうして、エンジン２の回転数、及びトルクを制御す
ることによって様々なエンジンの運転条件を想定し、各
条件のもとでのエンジン２の騒音や排ガス量など、各種
エンジン特性を入手している。
（発明が解決しようとする課題） しかしなから、このような従来装置では、スロットル
バルブの開度調節でエンジン２の回転数を制御する系統
と、動力計電流調節でエンジン２のトルクを制御する系
統とが分離しており、それぞれの制御系が１入力１出力
系として取扱われるので、各制御系間の相互干渉を制御
することができない。
このため、エンジン２の回転数、及びトルクを同時に
所望する値に安定させることが困難となり、高精度なエ
ンジンの特性試験を行なうことができないという課題が
あった。
そこで、このような課題を解決するための発明とし
て、特開昭64−65432号公報に記載された「エンジン台
上試験装置用の非干渉制御システム」が知られている。
しかしながら、この先行例記載の発明は、線形系にの
み適用できるものであり、非線形のものには適用でき
ず、制御性の良いものではない。
この発明は、このような従来の課題を解決するために
なされたものであり、その目的は、各制御系の相互干渉
を抑制し、非線形性を有するエンジンの試験をより一層
高精度に行うことを可能にするエンジン試験制御装置を
提供することにある。
［発明の構成］ （課題を解決するための手段） 上記目的達成するため、本発明は、試験対象のエンジ
ンにおける１以上の制御量測定値を所定のサンプリング
周期で取込み、これに基づいて前記制御量を制御する各
操作信号を生成するエンジン試験制御装置において、 前記各制御量測定値と非線形を表す数式モデルとから
非線形特性によって変化する係数を求め、求められた係
数に基づいて当該エンジンの制御定数を求める制御定数
演算手段と、 前記各制御量測定値と各設定値との偏差をそれぞれ算
出する制御量偏差演算手段と、 前記各制御量毎に、その制御定数と制御量偏差とを乗
じた値を前回周期で求められた積分項に加算して新たな
積分項を求める積分項演算手段と、 前記各制御量毎に、その制御定数と、前回周期と今回
周期との制御量測定値の差とを乗じた値を前回周期で求
められた比例項に加算して新たな比例項を求める比例項
演算手段と、 前記積分項と前記比例項とから各操作量を求める操作
量演算手段とを具備することを特徴とするものである。
（作用） 本発明によるエンジン試験制御装置では、所定のサン
プリング周期で試験対象のエンジンにおける各制御項目
の制御量測定値を取込んでおり、制御定数演算手段で
は、これら各制御量測定値と非線形を表す数式モデルと
から非線形特性によって変化する係数を求め、求められ
た係数に基づいて当該エンジンの制御定数を求める。
制御量偏差演算手段では、前記各制御量測定値と各設
定値との偏差をそれぞれ算出する。
積分項演算手段では、前記各制御量毎に、その制御定
数と制御量偏差とを乗じた値を前回周期で求められた積
分項に加算して新たな積分項を求める。また、比例項演
算手段では、前記各制御量毎に、その制御定数と、前回
周期と今回周期との制御量測定値の差とを乗じた値を前
回周期で求められた比例項に加算して新たな比例項を求
める。そして、操作量演算手段では、前記積分項と前記
比例項とから各操作量を求め、これを各調節部へ出力し
ている。このより、各調節部では供給された各操作量に
よって各制御項目の測定値が設定値と一致するように制
御する。
したがって、制御対象となるエンジンは多入力多出力
系として制御され、各制御項目の操作信号間での相互干
渉を引き起こすことななくなる。
また、エンジンが有する非線形特性に対応した最適制
御が実現でき、エンジン試験に必要な各調節部を高精度
に制御することができるようになる。これによって、精
度の高いエンジンの性能を入手することが可能となる。
（実施例） 第１図は本発明の一実施例を示す構成図である。
同図に示すように、試験対象となるエンジン２には回
転数検出器3a,及びトルク検出器７が取付けられてお
り、該エンジン２と連結した動力計10には回転数検出器
3bが取付けられている。そして、各検出器3a,3b,7の検
出信号は試験制御装置11に供給されている。
また、エンジン２には、これに取付けられたスロット
ルバルブ（不図示）の開度を調節するスロットル開度制
御装置６、およびこの開度を検出するスロットル開度検
出器12が接続されており、スロットル開度検出器12で検
出された開度信号は試験制御装置11に供給されている。
動力計10には、これに流れる電流を調節する動力計電
流制御装置９が接続されており、エンジン２の軸トルク
が設定値となるように動力計電流が制御されている。
試験制御装置11は、エンジン２の回転数、及び軸トル
クを運転指令発生器１から与えられる回転数基準、及び
トルク基準と等しくするためにスロットル開度、及び動
力計電流の操作信号を生成するものであり、エンジン２
の回転数偏差、及びトルク偏差を演算する制御量偏差演
算部13と、エンジン２の回転数検出値、動力計10の回転
数検出値、及びスロットル開度検出値を所定の数式モデ
ルに代入してエンジン２の制御定数を求める制御定数演
算部14を有している。
また、試験制御装置11は、制御定数演算部14で求めら
れた制御定数及び制御量偏差演算部13で求められた偏差
に基づいてスロットル開度及び動力計電流の操作信号の
積分項を算出する積分項演算部15を備えている。
更に、試験制御装置11は、制御定数演算部14で求めら
れた制御定数，エンジン２の回転数検出値，軸トルク検
出値，及び動力計10の回転数検出値に基づいてスロット
ル開度及び動力計電流の操作信号の比例項を算出する比
例項演算部16と、求められた積分項，比例項からスロッ
トル開度，及び、動力計電流の操作信号を算出する操作
量演算部17を備えている。
次に本実施例の作用について説明する。
まず、制御定数演算部14にて演算される制御定数KDの
演算式を導く手順を説明する。
エンジン２と動力計10で構成される制御対象の数学モ
デルは、次に示す（１）〜（８）式で表わされる。
dX/dt＝Ａ・Ｘ＋Ｂ・Ｕ …（１） Ｙ＝Ｃ・Ｘ …（２） ただし、 Ｘ＝（TSH NE ND）Ｔ …（６） Ｕ＝（SR IR）Ｔ …（７） Ｙ＝（TSH ND）Ｔ …（８） ここで、TSHは軸トルク、NEはエンジン回転数、NDは
動力計回転数、SRはスロットル開度操作量、IRは動力計
電流操作量、KSHは連結軸のねじり剛性係数、JEはエン
ジンの慣性モーメント、KNはエンジン回転数変化に対す
るエンジン発生トルク変化を示す係数、KEはスロットル
開度変化に対するエンジン発生トルク変化を示す係数、
φは動力計の逆起電力係数、JDは動力計の慣性モーメン
トである。
また、（７）式に示した入力ベクトルＵは、制御定数
KDを用いて次の（９）式で表わされる。
dU/dt＝−KD・XD …（９） ただし、 XD＝（dXT/dt（Ｙ−Ｒ）Ｔ）Ｔ …（10） ここで、Ｒは基準を表わす。
一方、線形最適制御の逆問題は、制御対象となるエン
ジン２の応答を評価する関数を最小化する状態フィード
バックを求めることであり、この結果は文献（例えばIL
Q最適サーボ系設計法の一般化：システム制御情報学会
論文、1988）に記載されている。
これによると、（９）式に示された制御定数KDは適当な
正則行列Ｖと正定対角行列Σ＝diag （σ１、σ２），および適当な行列Ｆを用いて、次の
（11）式で表わされる。
KD＝V-1・Σ・Ｖ・（F I）・Γ-1 …（11） ただし、 そして、前述した（１），（２）式にこの理論を適用
すると、制御係数KDは次の（13），（14a）〜（14f）式
で示される。
K11＝f11（JE，KSH，KE，WC.TC） …（14a） K12＝f12（JE，KE ） …（14b） K14＝f14（JE，KSH，KE，WC.TC） …（14c） K15＝f15（JE，KE ，WC.SC） …（14d） K23＝f23（JD，φ） …（14e） K25＝f25（JD，φ，WC.SC） …（14f） ここで、WC.TCはトルク制御の目標応答，TC.SCは回転
数制御の目標応答である。
こうして求められた制御定数KDは、線形特性を有する
制御対象にのみ適用できるものであり、実際にはエンジ
ンの応答特性は非線形であるので、このままではエンジ
ン制御に適用することができない。
そこで、エンジン２、及び動力計10の非線形特性によ
って変化する係数KE（スロットル開度変化に対するエン
ジン発生トルク変化を示す係数）と、係数φ（動力系の
逆起電力係数）を求めれば、制御定数KDを確定すること
ができる。
本実施例では、係数KEをエンジンの静特性から求め
る。即ち、エンジン発生トルクTEはスロットル開度SFと
回転数NEの関数として次の（15）式で表わされ、この関
数はエンジン設計値、或いは実測定を用いて決定するこ
とができる。
TE＝ｆ（NE，SF） …（15） そして、このエンジン発生トルクTEを用いて次の（1
6）式で係数KEを求める。
ここで、ａは定数である。
（16）式から明らかなように、エンジン回転数NEとス
ロットル開度SFとがわかれば、スロットル開度変化に対
するエンジン発生トルク変化を示す係数KEを求めること
ができる。
一方、動力計の逆起電力係数φは動力計10の回転数か
ら求める。即ち、逆起電力係数φは次の（17）式で与え
られる。
φ＝ｆ（ND,P,IB） …（17） ここで、NDは動力計10の回転数、Ｐは定格容量、IBは
定格電流である。
（17）式において、定格容量Ｐと定格電流IBは定数で
あるから、動力計10の回転数NDがわかれば逆起電力係数
φを求めることができる。
以上の結果から、スロットル開度SF，エンジン回転数
NE、及び動力計回転数NDが得られれば制御定数KDを求め
ることができる。
いま、第１図におけるエンジン２の性能試験が開示さ
れると、エンジン２の回転数検出器3aで検出されたエン
ジン回転数検出値NE，スロットル開度検出器12で検出さ
れたスロットル開度検出値SF，トルク検出器７で検出さ
れた軸トルク検出値TF，及び動力計10の回転数検出器3b
で検出された動力計回転数NDが試験制御装置11に供給さ
れる。
そして、試験制御装置11には供給された各検出信号
NE，SF，TF，NDが所定のサンプリング周期で取込まれ
る。以下、ｉ番目のサンプリング時に取込まれる検出信
号，及び出力される操作信号には、サフィックスのｉを
付して説明する。
第２図は、制御定数演算部14で制御定数KD.iを求める
手順を示すフローチャートであり、該制御定数演算部14
に供給されるスロットル開度検出値をSF.i，エンジン回
転数検出値をNE.i，そして、動力計回転数検出値をND.i
として取込む（ステップST21）。
次いで、これらの各検出値SF.i，NE.i，ND.iを前述し
た（16），（17）式に代入して、スロットル開度変化に
対するエンジン発生トルク変化を示す係数KE.i，及び動
力計10の逆起電力係数φｉを求める（ステップST22,ST2
3）。
そして、これらの各係数KE.i，φｉを前述した（14
a）〜（14f）に代入して、制御定数KD.iの各要素
K11.i，K12.i，K14.i，K15.i，K23.i，K25.iを求める
（ステップST24）。
こうして求められた制御定数KD.iは、積分項演算部1
5、及び比例項演算部16に供給される。
一方、第３図にはこの制御定数KD.iを用いてスロット
ル開度SR.i，及び、動力計電流IR.iを求めるフローチャ
ートが示されている。このフローチャートに従って演算
の流れを説明すると、試験制御装置11による制御開始時
（ステップST31でYES）には、各検出値及び各データの
初期設定が行なわれる（ステップST32）。
ｉ＝1,X14.i-1＝0, X22.i-1＝０ X15.i-1＝0, X16.i-1＝０ X23.i-1＝0, TF.i-1＝TF.i NE.i-1＝NE.i, ND.i-1＝ND.i ここで、X14，X22，X15，X16，X23はそれぞれ演算に
用いられるパラメータである。
また、ｉ＝１以降（ステップST31でNO）では初期値の
設定は行なわれない。
次いで、制御量偏差演算部13では、運転指令発生器１
から与えられた回転数基準NR.iとトルク基準TR.i，及び
動力計10の回転数検出値ND.iと軸トルク検出値IF.iか
ら、次の（18），（19）式によってトルク偏差ΔTi，回
転数偏差ΔNiが求められる（ステップST33）。
ΔTi＝TR.i−TF.i …（18） ΔNi＝NR.i−ND.i …（19） そして、求められた偏差ΔTi，ΔNiは積分項演算部に
供給され、次の（20）〜（23）式によってパラメータX
11.i，X12.i，X13.i，X21.iが求められる（ステップST3
4）。
X11.i＝K14.i・ΔTi …（20） X12.i＝K15.i・ΔNi …（21） X13.i＝X11.i＋X12.i …（22） X21.i＝K25.i・ΔNi …（23） そして、（22），（23）で求められたパラメータX
13.i，X21.iが積分され、パラメータX14.i，X22.iが求
められる。即ち、次の（24），（25）式である。
X14.i＝X14.i-1＋X13.i・Δｔ …（24） X22.i＝X22.i-1＋X21.i・Δｔ …（25） ここで、Δｔは制御周期である。
（24）式で求められたパラメータX14.iはスロットル
開度操作量SR.iの積分項，（25）式で求められたパラメ
ータX22.iは動力計電流操作量IR.iの積分項として操作
量演算部17に供給される。
一方、比例項演算部16では、エンジン２の回転数検出
値NE.i及び軸トルク検出値TF.iと、動力計10の回転数検
出値ND.iと、制御定数KD.iとから次の（26）〜（29）式
によってパラメータX15.i，X16.i，X23.iが求められる
（ステップST36）。
X15.i＝X15.i-1＋K11.i・（TF.i−TF.i-1） …（26） X16.i＝X16.i-1＋K12.i・（NE.i−NE.i-1） …（27） X23.i＝X23.i-1＋K23.i・（ND.i−ND.i-1） …（28） （26），（27）式で求められたパラメータX15.i，及
びX16.iはスロットル開度操作量SR.iの比例項，（28）
式で求められたパラメータX23.iは動力計電流操作量I
R.iの比例項として操作量演算部17に供給される。
また、（26）〜（28）式では、各検出値はTF，NE，ND
の今回データと前回データとの差分データから各操作量
SR.i，IR.iの比例項を演算しているので非線形特性を有
するエンジン２において、最適な比例項の算出が可能と
なる。
その後、操作量演算部17では、求められた積分項と比
例項から次の（29），（30）式によってスロットル開度
の操作量SR.i，及び動力計電流の操作量IR.iが求められ
る（ステップST37）。
SR.i＝X14.i−X15.i−X16.i …（29） IR.i＝X22.i−X23.i …（30） そして、求められた各操作量SR.i，IR.iは試験制御装
置11から出力され、操作量SR.iはスロットル開度制御装
置６、操作量IR.iは動力計電流制御装置９にそれぞれ供
給される（ステップST38）。
その後、試験制御装置11の各演算部はサフィックスの
ｉをインクリメントさせ、次のサンプリング時以降同様
の手順でスロットル開度操作量SR、及び動力計電流操作
量IRを演算する（ステップST39）。
そして、スロットル開度制御装置６は操作量SRを基に
エンジン２のスロットル開度を調節し、一方、動力計電
流制御装置９は操作量IRを基に動力計電流を調節する。
その結果、エンジン２の回転数、及びトルクが運転指
令発生器１において設定した回転数基準、及びトルク基
準と等しくなるように制御される。
このようにして、本実施例では動力計回転数とエンジ
ントルクを入力とし、スロットル開度と動力計電流を出
力とした２入力２出力系として、エンジン２と動力計10
で構成される制御対象を制御している。このため、スロ
ットル開度と動力計電流の両制御量による相互干渉を引
起こすことはなくなり、安定な制御が可能となる。
また、エンジン２が有する非線形特性に対応できるよ
うに各操作量が演算されるので、エンジン試験に必要な
軸トルク及び回転数を高精度に制御することが可能とな
り、エンジン試験の精度を向上させることができる。
更に、本実施例では、制御定数をエンジン２と動力計
10の特性値から求めることができるので、試験対象とな
るエンジン２を取換える際の初期調節等、人手による労
力が軽減される。
また、本実施例では、試験制御装置11がエンジン回転
数NE，軸トルクTF，及び動力計回転数NDを入力する構成
としたが、このうちエンジン回転数NEを入力しなくて
も、次の（31）式で推定することができる。
NE.E＝（ｄTF/dt）・（1/KSH）＋ND …（31） そして、このエンジン回転数推定値NE.Eをエンジン回
転数NEとして用いることにより、エンジン回転数を入力
しないで本発明を適用することができるようになる。従
って、構成が簡単、容易となるとともに、コストの低減
が図れる。
更に、エンジン２と動力計10間の連結軸のねじり剛性
は非常にに大きいので、エンジン回転数をそのまま動力
計回転数として取扱うことも可能である。
なお、本実施例では、エンジン２と動力計10で構成さ
れた制御対象を、２入力２出力系として取扱ったが、更
に入力数及び出力数を増加させ、多入力多出力系として
構成できることは勿論である。
［発明の効果］ 以上説明したように、本発明では、試験対象となるエ
ンジンを多入力多出力系として制御しているので、従来
のように各調節部の操作信号間で相互干渉を引起すこと
はなくなり、安定な制御が可能となる。
エンジンが有する非線形特性に対応した最適制御が実
現でき、エンジン試験に必要な各調節部を高精度に制御
することができるようになる。これによって、精度の高
いエンジンの性能を入手することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
第１図は本発明の一実施例を示す構成図、第２図は制御
定数を演算する手順を示すフローチャート、第３図はス
ロットル開度、及び動力計電流の操作量を演算する手順
を示すフローチャート、第４図は従来例を示す構成図で
ある。 ２……エンジン、3a,3b……回転数検出器 ６……スロットル開度制御装置 ９……動力計電流制御装置 10……動力計、11……試験制御装置 12……スロットル開度検出器 13……制御量偏差演算部 14……制御定数演算部 15……積分項演算部、16……比例項演算部 17……操作量演算部
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.6 識別記号 庁内整理番号 ＦＩ 技術表示箇所 Ｇ０５Ｂ 13/00 Ｇ０５Ｂ 13/00 Ｚ

Claims (1)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】試験対象のエンジンにおける１以上の制御
    量測定値を所定のサンプリング周期で取込み、これに基
    づいて前記制御量を制御する各操作信号を生成するエン
    ジン試験制御装置において、 前記各制御量測定値と非線形を表す数式モデルとから非
    線形特性によって変化する係数を求め、求められた係数
    に基づいて当該エンジンの制御定数を求める制御定数演
    算手段と、 前記各制御量測定値と各設定値との偏差をそれぞれ算出
    する制御量偏差演算手段と、 前記各制御量毎に、その制御定数と制御量偏差とを乗じ
    た値を前回周期で求められた積分項に加算して新たな積
    分項を求める積分項演算手段と、 前記各制御量毎に、その制御定数と、前回周期と今回周
    期との制御量測定値の差とを乗じた値を前回周期で求め
    られて比例項に加算して新たな比例項を求める比例項演
    算手段と、 前記積分項と前記比例項とから各操作量を求める操作量
    演算手段と、 を具備することを特徴とするエンジン試験制御装置。
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