JP4874920B2 - 可変動弁機構の制御装置 - Google Patents
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Description
これは、可変動弁機構の目標値に対して所望の特性で応答する規範モデルを設定し、フィードフォワード操作量を、可変動弁機構の応答が規範モデルに応答に追従するよう設定する一方、可変動弁機構の経時変化や運転状態によるバラツキによって規範モデルの出力と可変動弁機構の実際の出力とにずれを生じるので、このずれを吸収するように規範モデルの出力と可変動弁機構の実際の出力との偏差に基づいてPID等によるフィードバック操作量を設定し、これらフィードフォワード操作量とフィードバック操作量とに基づいて制御するものである。
しかしながら、可変動弁機構の実応答値に対し、フィードバック制御に用いられるフィルタ処理された値は大きな位相差を生じるため、応答性、収束性などの制御性能が損なわれるという問題を生じる。
機関バルブの開弁特性を変更する可変動弁機構を備え、
前記機関バルブの開弁特性の目標値に対応する前記可変動弁機構の目標値を算出する目標値算出手段と、
前記可変動弁機構を、前記目標値に対し規定した応答特性で応答させたときの規範応答値を算出する規範応答値算出手段と、
前記可変動弁機構を、前記目標値に対し規定した応答特性で応答させるためのフィードフォワード操作量を算出するフィードフォワード操作量算出手段と、
前記可変動弁機構の前記規範応答値と実応答値との偏差を無くすためのフィードバック操作量を算出するフィードバック操作量算出手段と、
前記フィードフォワード操作量と前記フィードバック操作量とに基づいて、前記可変動弁機構の駆動手段へ出力される操作量を算出する操作量算出手段と、
を含んで構成した可変動弁機構の制御装置において、
機関側からの反力トルクの影響を除去すべく、前記フィードフォワード操作量とフィードバック操作量とを同一の平滑化特性を用いて平滑化するフィルタ手段を設け、
フィルタ手段で平滑化した操作量を、可変動弁機構の駆動手段に出力することを特徴とする。
請求項1の構成に加え、
規範応答値算出手段を、規定した応答特性とフィルタ手段の平滑化特性とに基づいて規範応答値を算出する構成とした。
かかる構成によれば、平滑化に伴う可変動弁機構の応答遅れを規範応答値にも与えることで、フィードバック制御で用いる規範応答値と実応答値との位相差が無くなり、うねりや変動の発生を抑制できる。
請求項1,2と同様の基本構成を有した可変動弁機構の制御装置において、
前記フィードフォワード操作量を平滑化する第1フィルタ手段と、
前記フィードバック操作量を平滑化する第2フィルタ手段と、
前記第1フィルタ手段を経由したフィードフォワード操作量と第2フィルタ手段を経由したフィードバック操作量とを加算した操作量を、可変動弁機構の駆動手段に出力する操作量出力手段と、
前記操作量の算出値が前記駆動手段の最大駆動力以上であるか否かを判定する判定手段と、
前記操作量が最大駆動量以上であると判定されたときから最大駆動力未満となって所定時間を経過するまでの間は、それ以外の通常時における第2フィルタ手段による通常の平滑化を停止または弱めるように切り換える平滑化切換手段と、
を設けたことを特徴とする。
また、目標値の変化量が大きく、操作量の算出値が可変動弁機構の駆動手段の最大駆動力以上となるときは、最大駆動力で飽和され、フィードバック制御機能が働かず、規範応答値と実応答値との偏差が増大するため、フィルタで平滑化されたフィードバック操作量を用いると、収束性が悪化してしまうが、飽和状態のときから飽和状態が解消されてから所定時間の間、フィードバック制御によって該偏差を吸収しようとする際には、第2フィルタによる平滑化を停止または弱められることにより、実偏差に即したフィードバック操作量を用いることにより、収束性の悪化を防止できる。
図1は、実施形態における車両用内燃機関のシステム図である。
図1において、内燃機関101は、左右2つのバンクからなるV型機関である。
前記機関101の吸気管102には、電子制御スロットル104が介装され、該電子制御スロットル104を通過した空気は、各バンクに分配された後、更に、各気筒に分配される。
燃焼排気は、燃焼室106から排気バルブ107を介して排出された後、バンク毎に排気が集合され、バンク毎に設けられるフロント触媒108a,108b及びリア触媒109a,109bで浄化される。
前記リア触媒109a,109bで浄化された後のバンク毎の排気は、合流してマフラーに103に流入し、その後大気中に放出される。
一方、吸気バルブ105側には、吸気バルブ105のリフトを作動角と共に連続的に可変とする第1の可変動弁機構である作動角・リフト可変機構112a,112bがバンク毎に設けられる。なお、リフトと作動角のいずれか一方のみを可変とする可変動弁機構を適用することもできる。
マイクロコンピュータを内蔵する電子制御ユニット(ECU)114は、アクセル開度などに対応する目標吸入空気量が得られるように、前記電子制御スロットル104,作動角・リフト可変機構112a,112b及び中心位相可変機構113a,113bを制御する。
前記燃料噴射弁131には、燃料タンク132内の燃料が燃料ポンプ133により圧送され、該燃料噴射弁131が、前記電子制御ユニット114からの噴射パルス信号(空燃比制御信号)によって開弁駆動されると、噴射パルス幅(開弁時間)に比例する量の燃料が機関101に噴射される。
本実施形態の機関101は、各気筒に一対の吸気バルブ105,105が設けられており、これら吸気バルブ105,105の上方に、クランク軸によって回転駆動される吸気バルブ駆動軸3が気筒列方向に沿って回転可能に支持されている。
前記吸気バルブ駆動軸3と揺動カム4との間には、吸気バルブ105の作動角及びバルブリフト量を連続的に変更する作動角・リフト可変機構112a,112bが設けられている。
前記作動角・リフト可変機構112a,112bは、図2及び図3に示すように、吸気バルブ駆動軸3に偏心して固定的に設けられる円形の駆動カム11と、この駆動カム11に相対回転可能に外嵌するリング状リンク12と、吸気バルブ駆動軸3と略平行に気筒列方向へ延びる制御軸13と、この制御軸13に偏心して固定的に設けられた円形の制御カム14と、この制御カム14に相対回転可能に外嵌すると共に、一端がリング状リンク12の先端に連結されたロッカアーム15と、このロッカアーム15の他端と揺動カム4とに連結されたロッド状リンク16と、を有している。
上記の構成により、クランク軸に連動して吸気バルブ駆動軸3が回転すると、駆動カム11を介してリング状リンク12がほぼ並進移動するとともに、ロッカアーム15が制御カム14の軸心周りに揺動し、ロッド状リンク16を介して揺動カム4が揺動して吸気バルブ105が開閉駆動される。
これにより、吸気バルブ105の作動角の中心位相を略一定としたままで、吸気バルブ105の作動角及びリフトが連続的に増減変化する。
図4は、前記中心位相可変機構113a,113bを示している。
前記中間ギア23は、ねじりスプリング29によって遅角方向(図4の左方向)へ付勢されており、電磁リターダ24に電圧を印加して磁力を発生すると、ドラム27及びネジ28を介して進角方向(図4の右方向)へ動かされる。
前記電動アクチュエータ17及び電磁リターダ24は、前記電子制御ユニット114からの制御信号により駆動制御される。
前記電子制御ユニット114は、前記制御軸13の目標角度(目標リフト)を設定し、角度センサ32で検出される実際の角度が前記目標角度に近づくように、前記電動アクチュエータ17の操作量をフィードバック制御する。
図5は、作動角・リフト可変機構112(112a,112b)の第1実施形態における制御ブロック図を示す。
目標値算出部Aは、機関運転状態に基づいて、吸気バルブ105の作動角・リフト特性の目標値(目標作動角)に対応する作動角・リフト可変機構112の目標値(制御軸13の目標回転角)θTを算出する。
具体的には、下式(1)に示す作動角・リフト可変機構112の下記の動特性(運動方程式)に対し、安定した応答が得られる規範応答特性R(s)を、式(2)のように設定し、式(3)により規範応答値θMを算出する。
ただし、T:駆動トルク、θ:作動角・リフト可変機構112の制御軸13の回転角、J:作動角・リフト可変機構112の慣性モーメント、μ:作動角・リフト可変機構112の摩擦係数、K:作動角・リフト可変機構112のバネ定数
R(s)=ω2/(s2+2ζωs+ω2)・・・(2)
ただし、s:ラプラス演算子、ω:周波数、ζ:減衰係数
θM=θT・R(s)・・・(3)
フィードフォワード操作量演算部Cは、作動角・リフト可変機構112を規範応答特性にしたがって応答させるためのフィードフォワード操作量を算出して出力する。
FFF(s)=P−1(s)・R(s)・・・(4)
そして、次式(5)のように、入力した目標値θTに伝達関数FF(s)を乗じることによりフィードフォワード駆動電流iFFを算出する。
電動アクチュエータ17の駆動電流iを、駆動電圧によって制御する場合は、フィードフォワード操作量として、前記フィードフォワード駆動電流iFFを得るフィードフォワード駆動電圧VFFに変換して出力する。
フィードバック操作量演算部Dは、前記規範応答値θMと作動角・リフト可変機構112の実応答値(実回転角)θRとの偏差θERR(=θM−θR)に基づき、次式(5)により比例要素P、積分要素Iを用いて次式(6)によりフィードバック駆動電流iFBを算出し、フィードバック操作量としてフィードバック駆動電圧VFBに変換して出力する。
フィルタ処理部Eは、前記フィードフォワード駆動電圧VFFとフィードバック駆動電圧VFBとを加算した駆動電圧に対して、平滑化処理を行い最終的な操作量として、作動角・リフト可変機構112(電動アクチュエータ17)に出力する。
すなわち、作動角・リフト可変機構112を規範応答特性にしたがって応答するようにフィードフォワード操作量で制御しつつ、機構のバラツキや使用条件などにより生じる規範値と実際値とのずれを、フィードバック操作量で吸収する制御において、算出された操作量をフィルタ処理して電動アクチュエータ17に出力する構成とした。
これに対し、本実施形態のように、操作量にフィルタ処理を行うことにより、実応答値とフィードバック値とが同一値となって位相差を無くすことができる。
そこで、第2実施形態では、規範応答値と可変動弁機構の応答との位相差も無くす構成とする。
本第2実施形態の制御ブロック図を、図6に示す。
規範応答値演算部Bは、前記フィルタ処理部Eと作動角・リフト可変機構112とを合わせたプラントに対する規範応答特性R(s)’を、下記(7)式のように、作動角・リフト可変機構112の規範応答特性R(s)と、フィルタ特性F(s)とを合成した算出値として設定し、式(8)により規範応答値θMを算出する。
θM=θT・R(s)’=θT・R(s)・F(s)・・・(8)
フィードフォワード操作量演算部Cにおけるフィードフォワード伝達関数FF(s)は、以下のように設定される。
前記フィルタ処理部Eと作動角・リフト可変機構112とを合わせたプラントの伝達関数P(s)’は、次式(9)で示される。
したがって、これらプラントの伝達関数P(s)’と規範応答特性R(s)’とに基づいて、フィードフォワード伝達関数FFF(s)は、以下のように設定される。
FFF(s)=P−1(s)’・R(s)’
=F−1(s)・P−1(s)・R(s)・F(s)
=P(s)−1・R(s)・・・(10)
結果としては、前記第1実施形態における式(4)と同一となるが、ここで用いる規範応答特性R(s)は、プラントの規範応答特性R(s)’ではなく、フィルタ処理を行わないものに対して設定される規範応答特性である。
R0(s)=R(s)・F(s)
R(s)=R0(s)・F−1(s)・・・・(11)
このようにすれば、操作量が過大となることを防止しつつ、規範応答値と、フィードフォワード操作量とフィードバック操作量を加算した操作量に対する作動角・リフト可変機構112の応答との位相差も無くなるため、規範応答値に実応答値を良好に追従させることができる。
また、ステップ応答で変化する場合も、図8に示すように、制御軸回転角(実応答値)の変化量が小さくフィードバック制御が良好に機能する場合は、位相差によるうねりの発生も解消される。
本実施形態では、第2実施形態に対し、フィードバック制御におけるフィルタ処理を、条件に応じて変更するものである。そのため、第2実施形態でフィードフォワード操作量とフィードバック操作量とを加算した操作量に対して1個のフィルタ処理部でフィルタ処理を行う構成としていたのに対し、本実施形態では、フィードフォワード操作量演算部Cの後段に第1フィルタ処理部F、フィードバック操作量演算部Dの後段に第2フィルタ処理部Gを接続し、第1フィルタ処理部F及び第2フィルタ処理部Gでそれぞれフィルタ処理された後のフィードバック操作量およびフィードバック操作量を加算して、作動角・リフト可変機構112に出力する。
操作量飽和状態判定部Hは、操作量の算出値が電動アクチュエータ17の最大駆動力以上である飽和状態であるか否かを判定する。
操作量の算出値が電動アクチュエータ17の最大駆動力以上である飽和状態であるときは、第2フィルタ処理部Gのフィルタ処理を停止(レベル=0)させる。
この結果、第2フィルタ処理部Gから出力されるフィードバック操作量は、第2フィルタ処理部G前段のフィードバック操作量演算部Dで演算されたフィードバック操作量と等しい。
前記飽和状態が解消されたことが判定されると、該解消後所定時間t0の間に第2フィルタ処理部Gのフィルタ機能レベルを徐々に増大して第1フィルタ処理部Fと同一の最大レベルに切り換える。
FFB=[FFB1・(t0−t)+FFB2・t]/t0
FFB1:フィードバック操作量演算部で算出したフィードバック操作量
FFB2:FFB1を、第2フィルタ処理部により最大レベルでフィルタ処理したときのフィードバック操作量算出値
t:飽和状態解消してからの経過時間
これら以外のときは、第2フィルタ処理部Gを最大レベルでフィルタ処理を行う。
また、目標値が大きく変化するときなど操作量が飽和した場合においても、飽和状態が解消され、規範応答値と実応答値との偏差をフィードバック制御によって吸収する際に、飽和状態解消直後の偏差が大きいときは、フィルタ処理を行わず、もしくはフィルタ機能のレベルを小さくして設定されたフィードバック操作量を用いることにより、速やかに偏差を減少して収束性を改善できる。また、時間経過によって定常状態に近づいてから最大レベルまでフィルタ機能を高めることで、操作量の振幅が過大となることを抑制して発熱及び燃費の悪化を抑制できる。
本発明を、第2の可変動弁機構である中心位相可変機構113に適用した場合、制御量が吸気バルブ駆動軸3の回転位相、操作量が電磁リターダ24の操作量に代わるだけで、作動角・リフト可変機構112における制御と同様に作用し、同様の効果が得られる。
これら、作動角・リフト可変機構112および中心位相可変機構113に本発明を適用すれば、各機構で上記効果が得られて望ましいが、一方のみに適用しても十分な効果が得られることは勿論である。
Claims (9)
- 機関バルブの開弁特性を変更する可変動弁機構を備え、
前記機関バルブの開弁特性の目標値に対応する前記可変動弁機構の目標値を算出する目標値算出手段と、
前記可変動弁機構を、前記目標値に対し規定した応答特性で応答させたときの規範応答値を算出する規範応答値算出手段と、
前記可変動弁機構を、前記目標値に対し規定した応答特性で応答させるためのフィードフォワード操作量を算出するフィードフォワード操作量算出手段と、
前記可変動弁機構の前記規範応答値と実応答値との偏差を無くすためのフィードバック操作量を算出するフィードバック操作量算出手段と、
前記フィードフォワード操作量と前記フィードバック操作量とに基づいて、前記可変動弁機構の駆動手段へ出力される操作量を算出する操作量算出手段と、
を含んで構成した可変動弁機構の制御装置において、
機関側からの反力トルクの影響を除去すべく、前記フィードフォワード操作量とフィードバック操作量とを同一の平滑化特性を用いて平滑化するフィルタ手段を設け、
フィルタ手段で平滑化した操作量を、可変動弁機構の駆動手段に出力することを特徴とする可変動弁機構の制御装置。 - 機関バルブの開弁特性を変更する可変動弁機構を備え、
前記機関バルブの開弁特性の目標値に対応する前記可変動弁機構の目標値を算出する目標値算出手段と、
前記可変動弁機構を、前記目標値に対し規定した応答特性で応答させたときの規範応答値を算出する規範応答値算出手段と、
前記可変動弁機構を、前記目標値に対し規定した応答特性で応答させるためのフィードフォワード操作量を算出するフィードフォワード操作量算出手段と、
前記可変動弁機構の前記規範応答値と実応答値との偏差を無くすためのフィードバック操作量を算出するフィードバック操作量算出手段と、
前記フィードフォワード操作量と前記フィードバック操作量とに基づいて、前記可変動弁機構の駆動手段へ出力される操作量を算出する操作量算出手段と、
を含んで構成した可変動弁機構の制御装置において、
機関側からの反力トルクの影響を除去すべく、前記フィードフォワード操作量とフィードバック操作量とを同一の平滑化特性を用いて平滑化するフィルタ手段を設け、
フィルタ手段で平滑化した操作量を、可変動弁機構の駆動手段に出力すると共に、
前記規範応答値算出手段は、規定した応答特性とフィルタ手段の平滑化特性とに基づいて規範応答値を算出する構成としたことを特徴とする可変動弁機構の制御装置。 - 機関バルブの開弁特性を変更する可変動弁機構を備え、
前記機関バルブの開弁特性の目標値に対応する前記可変動弁機構の目標値を算出する目標値算出手段と、
前記可変動弁機構を、前記目標値に対し規定した応答特性で応答させたときの規範応答値を算出する規範応答値算出手段と、
前記可変動弁機構を、前記目標値に対し規定した応答特性で応答させるためのフィードフォワード操作量を算出するフィードフォワード操作量算出手段と、
前記可変動弁機構の前記規範応答値と実応答値との偏差を無くすためのフィードバック操作量を算出するフィードバック操作量算出手段と、
前記フィードフォワード操作量と前記フィードバック操作量とに基づいて、前記可変動弁機構の駆動手段へ出力される操作量を算出する操作量算出手段と、
を含んで構成した可変動弁機構の制御装置において、
前記フィードフォワード操作量を平滑化する第1フィルタ手段と
前記フィードバック操作量を平滑化する第2フィルタ手段と、
前記第1フィルタ手段を経由したフィードフォワード操作量と第2フィルタ手段を経由したフィードバック操作量とを加算した操作量を、可変動弁機構の駆動手段に出力する操作量出力手段と、
前記操作量の算出値が前記駆動手段の最大駆動力以上であるか否かを判定する判定手段と、
前記操作量が最大駆動量以上であると判定されたときから最大駆動力未満となって所定時間を経過するまでの間は、それ以外の通常時における第2フィルタ手段による通常の平滑化を停止または弱めるように切り換える平滑化切換手段と、
を設けたことを特徴とする可変動弁機構の制御装置。 - 前記規範応答値特性手段は、前記規定した応答特性と、前記第1フィルタ手段による平滑化特性とに基づいて規範応答値を算出することを特徴とする請求項3に記載の可変動弁機構の制御装置。
- 前記平滑化切換手段は、前記操作量の算出値が最大駆動力以上のときは、第2フィルタ手段の平滑化を停止し、最大駆動量未満となって所定時間を経過するまでの間は、平滑化を徐々に通常時レベルに戻すことを特徴とする請求項3または請求項4に記載の可変動弁機構の制御装置。
- 前記駆動手段は、操作量を駆動電圧とする電動アクチュエータであり、前記最大駆動量以上であることを、駆動電源電圧以上であることによって判定することを特徴とする請求項3〜請求項5のいずれか1つに記載の可変動弁機構の制御装置。
- 前記駆動手段は、操作量を通電デューティ比とする電動アクチュエータであり、前記最大駆動量以上であることを、通電デューティ比が100%近傍であることによって判定することを特徴とする請求項3〜請求項5のいずれか1つに記載の可変動弁機構の制御装置。
- 前記可変動弁機構は、機関バルブの作動角、リフト量の少なくとも一方を可変とする機構であることを特徴とする請求項1〜請求項7のいずれか1つに記載の可変動弁機構の制御装置。
- 前記可変動弁機構は、機関バルブの中心位相を可変とする機構であることを特徴とする請求項1〜請求項7のいずれか1つに記載の可変動弁機構の制御装置。
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