JPS6245957A - 内燃機関の制御装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は内燃機関を制御する装置であって、特に、内燃
機関の運転に関する系の動的なモデル（ダイナミックモ
デル）に基づいて内燃機関の所定出力を安定性、応答性
よく制御する、いわゆる現代制御理論による内燃機関の
制御装置に関する。

［従来の技術］ 従来、線形制御理論（現代制御理論）に基づく内燃機関
の制御装置が、ぞの高安定性、高応答性の点から提案さ
れている。例えば特開昭５９−１２０７５３等である。

この制御理論は、予め内燃機関、アクヂュエータ、セン
１犬等の動特性をモデル化することによって実行される
。しかし、特に内燃機関のモデルはその動作条イ４１・
環境によって大きく変化する。そのため固定したモデル
を用いている上記特開昭５９１２０７５３等では、例え
ば冷寒時にでは、機関Δ−イルの粘性か非常に人ぎく、
暖機状態を前提にしたモデルとｔｊ、大きく食い違い、
正常に空燃比を１１１１　Ｏｌｌできなくなるという問
題がおった。

これを解決するものとして、特開昭５９−７７５１が提
案されている。この装置は、機関温度に応じてモデルを
切り替えて制御するものである。

［発明が解決しようとする問題点］ しかし、上記固定モデ′ルのもの（特開昭５９−１２０
７５３）は、冷却状（ルでの機関始動時には適用できず
、又、上記モデルを切り替えるものも、内燃機関の始動
時を捉えて制御しておらず、始動直後において、不適当
な機関制御を実行する恐れがあった。そのため、運転性
の低下、異常回転を引き起こす場合も考えられた。

本発明は上記のような問題点を解決し、始動直後から適
切なモデルに従って、応答性・安定性の（Ｃれた制御を
実現することを目的とするもので市る。

［問題点を解決するだめの手段］ 本発明は上記問題点を解決するための手段として、次の
ような構成を採用した。

即ら本発明の要旨とするところは、第１図に示すごとく
、 内燃機関Ｍ１の運転状態から、内燃（実間Ｍ１の所定出
力の目標値を設定する目標値設定手段Ｍ２と、 内燃機関Ｍ１の運転に関する動的な−［デルに従って予
め定められた機関内部状態推定のための演算式を用いて
内燃機関Ｍ１の制御入力の値と所定出力の値とから内燃
機関Ｍ１の所定状態の状態量を算出し、更に上記動的な
モデルに従って予め定められだ最適フィードバックゲイ
ンを用いて、上記目標値と上記所定出力の値との偏差の
積分値及び上記算出された所定状態の状態量から、最適
フィードバック値としての上記制御入力の値を算出し出
力する制？ｉｌｌ＋手段Ｍ３と、を備えた内燃機関の制
御装置において、 更に、内燃機関Ｍ１のトｍｌ始動有無を検出する動性又
は始動直後であると検出された時点より、上記１１制御
入力の出力を開始することを特徴とする内燃機関の制御
装置にある。

ここで内燃機関Ｍ１の所定出力の値とは、例えば、排気
から求められる空燃比△／Ｆあるいは内燃機関回転速度
ＮＯ２出力トルクＴ等の内燃機関機関の駆動に伴って出
力される種々のデータの値を言う。その目標値とは、内
燃機関Ｍ１の運転状態に応じて必要とされる所定出力の
値であり、例えば所定出力が空燃比であれば、機関回転
速度、負荷の値に応じ目標値設定手段Ｍ２により目標値
が設定される。

内燃機関Ｍ１の運転に関する動的なモデルとは内燃）実
間Ｍ１の内部のメカニズムと同一のメカニズムを表現す
るものであり、例えば制御入力値。

内燃機関Ｍ１の各種状態量及び所定出力の値の関係を示
す微分方程式で表わされる。

機関内部状態推定のための演算式とは、上記モデルより
導かれ、制御入力の値と所定出力の値とから、機関内部
の所定状態の状態量を推定する演痺式である。上記制御
入力の値とは内燃機関Ｍ１を制御するために入力される
値で、例えばアイドル回転速度制御ではバイパス空気量
を調整するバルブの制御ソレノイドの駆動パルスのデコ
ーテイ及び燃料噴射弁の駆動パルスのデユーティ等で必
る。

最適フィードバックゲインとは、上記モデルＪ：り導か
れ、−り配所定状態の状態量、上記「１標値及び上記所
定出力によるフィードバック値演算のための最適のゲイ
ンを与えるものである。上記の目標値及び上記所定出力
は、それらの偏差の積分値どして用いる。

又、機関）品度領域を複数に分割し、その領域に対応さ
けで、上記モデルを複数設定し、温度に応じてモデルを
選択してその演算式及び最適フィードバックゲインを用
いれば、より精密な制御か可能となる。

同様にアイドリンクｎ；’、と走行時とでモデルを切り
替えてもよく、高負荷走行と、その他の走行ｌ）とでモ
デ゛ルを切り替えてもよい。制御手段Ｍ３は上記のごど
く、演算式及び最適フィードバックゲインを用いて、制
御入力の値を線用することになる。

始動検出手段Ｍ４とは、例えばスタータスイッヂのオン
／Ａフ、機関回転速度か所定速度以上か否か、等の状況
から始動有無を検出する。

前）ボしたごとく、制御手段Ｍ３は、通常マイクロブ］
］セツリ−を用いＲＯＭ、ＲＡＭ等の周辺素子や入出力
回路どハに（１１１成された電子回路どじで実現され、
予め記憶された処理手順に従って、目標値設定手段Ｍ２
によって設定された目標値と内燃機関Ｍ１の運転状態の
所定用ツノの値とを知って目標値と所定出力の値との偏
差の積分量を加味し、運転状態が目標に近づくよう、予
め内燃機関Ｍ１の運転に関する系の動的なモデルに従っ
て定められた状態量の演算式と最適フィードバックゲイ
ンと、から定まるフィードバック最により制御するにう
構成されている。即ち、制御手段Ｍ３は目標値と内燃機
関Ｍ１の運転状態の諸量とから最適なフィードバック担
を定めるイ」加積分型最適レギュレータとして構成され
ている。

こうした付加積分型最適レギュレータの構成の手法は、
例えば古田勝久著「線形システム制御理論」　（昭和５
１年）昭晃堂等に詳しいが、ここで実際の構成の手法に
ついて−通りの見通しを与えることにする。尚、以下の
説明において「、Ｘ。

Ａ、１Ｂ、Ｃ，Ｖ、ＩＩＪ、Ｇ、ＩＲ，Ｐ、ＩＫ、Ｔ等
はベクＩ・ル量（行列）を示し、ＡＴの如き添字Ｔは行
列の転置を、Ａ−１の如き添字“１は逆行列を、更にＸ
の如ぎ添字へはそれが推定値であることを、Ｃの如き記
号−は制御対象の系から変換等により生成された別の系
、ここでは状態観測器（Ａブザーバ）で扱われているＨ
Ｈであることを、ｙ＊の如ぎ記号＊は目標値であること
を、各々示している。

制御Ｑ＝Ｊ象、ここで１；ｌ、内燃（実開Ｍ１の制御に
おいて、この制御対象の動的４【振舞は、 Ｘ（ｎ）−八−Ｘ（ｎ−１＞＋８−　Ｉｌｌ　（ｎ−１
）・・・（１） Ｖ　（ｎ　）−Ｃ−Ｘ　（ｎ　）　　　　　　　−（２
）どじで記述されることが現代制御理論より知られてい
る。ここで式（１）は状態方程式２式（２〉は出力方程
式と呼ばれ、Ｘ（ｎ＞は内燃機関Ｍ１の内部状態を表わ
す状態変数量であり、ｕ（ｎ）は内燃機関Ｍ１の制御入
力つまり運転条件を示す冬用からなるベタ１〜ル、ｖ　
（ｎ　）は内燃機関Ｍ１の制御出力つまり運転状態を示
す諸量からなるベタ１〜ルである。又、式（１）、（２
＞は離散系で記述されており、添字ｎは現時点であるこ
とを、ｎ−１は１回前のリンプリング時点であることを
、各々示している。

内燃機関Ｍ１の内部状態を示す状態変数♀Ｘ（ｎ　）は
、その制御系にお（プる未来への影響を予測するために
必要十分な系の履歴に関する情報を示している。従って
、内燃機関Ｍ１の運転に関する系の動的なモデルが明ら
かになり、式（１）。

（２）のベクトルＡ、［Ｂ、Ｃを定めることができれば
、状態変数量Ｘ（ｎ＞を用いて内燃機関Ｍ１の運転を最
適に制御できることになる。尚、ザーボ系においては系
を拡大する必要が生じるが、これについては後述する。

ところが、内燃機関Ｍ１のように複♀１１な対象につい
てはその動的なモデルを理論的に正確に求めることは困
難であり、何らかの形で実験的に定めることが必要とな
る。これが所謂システム同定と呼ばれるモデル構築の手
法であって、内燃機関Ｍ１が所定の運転状態で運転され
ている場合、その状態の近傍では線形の近似が成立つと
して、式（１）、（２）の状態方程式に則ってモデルを
構築するのである。従って、内燃機関Ｍ１のにうにその
運転に関する動的なモデルが非線形のような場合にも、
定常的な複数の運転状態に分離することによって線形な
近似を行なうことができ、個々の動的なモデルを定める
ことによって広範な運転域まで拡張することができるの
である。

ここで、制御対象が比較的容易に物理的なモデルとして
構築できるのものでおれば周波数応答法やスペク１〜ル
解析法どいった手法によりシステム同定を行なって、動
的な系のモデル（ここではベク］〜ルＡ、　１Ｂ、　Ｃ
）を定めることができるが、例えば多元系の制御９１象
は、ある程度近似のよい物理モデルをつくることも困￥
１１であり、この場合には最小２乗法や補助変数法ある
いはオンライン同定法などにより動的なモデルの構築を
行なう。

動的なモデルが定まれば、状態変数量Ｘ（ｎ＞と運転状
態のＦＩｌ量ｖ　（ｎ　）及びその目標値ソ１（ｎ　＞
からフィードバック量が定まり運転条イ４１の諸ｆｉ＋
ｕ（ｎ）が理論的に最適に定められる。通常内燃機関Ｍ
ｌ等では内燃機関Ｍ１の運転に直接間！ゴする諸■とじ
て、例えば実際に吸入されている空気ｆｆｉや燃焼の動
的挙動、あるいは燃焼に関与している混合気中の燃わ１
吊や内燃機関の出力１〜ルクといった量を状態変数ｆｆ
１Ｘ（ｎ）として扱えばよいのであるが、これらの諸量
の大部分は直接観測することが極めて困難でおる。そこ
で、こうした場合には、制御手段Ｍ３内に状態観測器（
オブリ゛−バ〉と呼ばれる手段を構成し、内燃機関Ｍ１
の運転条件の諸量と運転状態の諸量とを用いて、内燃機
関Ｍ１の状態変数量Ｘ（ｎ）を推定リ−ることかできる
。これが所謂、現代制御理論におＣプるオブザーバであ
り、種々のオブザーバとその設計法が知られている。こ
れらは、例えば古田勝久他著「メカニカルシステム制御
」　（昭和５９年）オーム礼等に詳解されており、適用
される制御対象、ここでは内燃機関Ｍ１とその運転状態
制御装置との態様に合わゼて最小次元オブザーバやイ］
限整定オブザーバとして設計すればにい。

制御手段Ｍ３は、観測された状態変数量または上記のオ
ブザーバによって推定された状態変数量Ｘ（ｎ）の他に
、目標値設定手段Ｍ２ににって設定された目標値、例え
ば、空燃比、目標吸入空気量、目標回転速度と、所定出
力の値、例えば、実際の空燃比、吸入空気量１機関回転
速度との各々の偏差を累積した積分値を用いて拡大され
た系において、上記状態変数量ｘ（ｎ）と上記積分値と
の両者と、予め定められた最適フィードバックゲインと
から最適なフィードバック量を定め、制御入力の値を演
算し、内燃機関を制御する。例えば、燃料噴射弁および
ス［１ツ１〜ルアクヂユエー夕等を制御する。積分値は
運転状態の目標値が内燃機関Ｍ１への要求量によって変
化することから必要となる伍である。一般に１）゛−ボ
系の制御においては目標値と実際の出力値との定常偏差
を消去するような制御が必要となり、これは伝達関数に
おいて１／Ｓ（Ω次の積分）を含む必要があるとされる
。

また、既述したようなシステム同定により系の伝達関数
を定め、これから状態方程式をたてているような場合に
は、対ノイズ安定性の上からもこうした積分量を含むこ
とが望ましい。従って、上述の状態変数ｆｉＸ（ｎ）に
この積分値を加えて系を拡大し、両者と予め定められた
最適なフィードバックゲイン「とにより帰還量を定めれ
ば、付ｈｌｌ積弁型最適レギュレータとして、制御対象
への制御入力の値、即ち内燃機関Ｍ１の運転条１イ１の
諸量が定まる。

次に、最適フィードバックゲインについて説明する。上
記の如く積分量を付加した最適レギュレータでは、評価
関数Ｊを最小とするような制御人力（ここでは内燃機関
Ｍ１の運転条イ′１の諸ｆｆｌ　）の求め方が明らかに
されており、最適フィードバックゲインもリカツチ方程
式の解と状態方程式（１）、出力方程式（２）のＡ、旧
、Ｃ７１〜リツクス及び評価関数に用いられる重みパラ
メータ行列とから求められることがわかっている（前掲
出仙）。

ここで重みパラメータは当初任意に与えられるものであ
って、評価関数Ｊが内燃機関Ｍ１の運転条件諸量の挙動
を制約する重みを変更するものである。重みパラメータ
を任意に与えて大型］ンピコータによるシミュレーショ
ンを行ない、ｊ４１られた運転状態諸量の挙動から重み
パラメータを所定用変更してシミュレーションを繰返し
、最適イ【値を決定しておくことができる。その結果最
適フィードパツクゲイン「も定められる。

従って、本発明の内燃機関の制御装置の制御手段Ｍ３は
、予めシステム同定等により決定された内燃機関Ｍ１の
動的−［デルを用いてイくｊ加積分型最適レギュレータ
どじで）１へ成され、ぞの内部におけるオブザーバのパ
ラメータヤ）最適フィードバックゲイン「’Ｊどは、全
て、予め内燃機関Ｍ１を用いたシミュレーションにより
決定されているのである。

尚、以上の説明において状態変数量Ｘ（ｎ）は内燃機関
Ｍ１の内部状態を表わす量としで説明したが、これは実
際の物理量に対応した変数量である必要は４【り、内燃
機関Ｍ１の状態を表わす適当な次数のベタ１〜ルｍとし
て設訓することができる。

［作用］ 本発明は制御手段Ｍ３か内燃機関Ｍ１の制御入力の値と
所定出力の値とから、モデルに従って定められた演算式
を用いて、内燃機関Ｍ１の所定状態の状態量か締出され
る。

次に、制御手段Ｍ３は、目標値設定手段Ｍ２により設定
された目標値と上記所定出力の値との偏差の積分く累積
）及び上記所定状態の状態量から、モデルに従って定め
られた最適フィードバックゲインにて制御入力の値を算
出する。この制御入力の値は、始動検出手段Ｍ４により
内燃機関Ｍ１が始動時又は始動直後であると検出された
口、ｒ点Ｊ：り出力開始され、始動直後から、内燃機関
Ｍ１はモデルに基づいた制御がなされる。

以下、本発明の一実施例を図面に基づいてけ１明する。

［実施例］ 第２図は実施例を説明する為の内燃機関とその周辺装置
を示す概略構成図、第３図はその周辺装置のうち電子制
御回路のブロック図を中心とする制御系統図である。

図において、２０は４気筒４サイクルの火花点火式の内
燃機関であって、その吸入空気は上流にす、エアクリー
ナ２１、エアフロメータ２２、吸気管２３、サージタン
ク２４．吸気分岐管２５を介して各気筒に吸入され、一
方燃料は図示しない踏石タンクより圧送されて吸気分岐
管２５に設【プられた燃料噴ＣＪ’Ｊ弁２６ａ　、２６
＋）、２６ｃ　、２６（１から噴射・供給される。吸気
管２３内には吸気ｈＮ調節のためのスロットルバルブ２
７が設りられ、ザーボモータ２７ａにて開閉自在に制御
されている。このスロワ１〜ルバルブ２７の即度はスロ
ットルセンサ−２７ｂにより検出される。該スロットル
センサ２７１）はポテンショメータ等の開度に応じてリ
ニアに変化するアナログ信号を出力すると共にスロワ１
〜ルバルブ２７がほば全開であることを検出するアイド
ルスイッチとしてのオン−オフ信号も出力する。

吸気温は吸気温センサ２８により検出される。

該吸気温センサ２８はり−−ミスタ等の感温素子からな
る。

内燃機関２０の排気管２９には排気中の酸素）農度を検
出するリーンセンサ３０が設りられている。

ディストリビュータ３２は各気筒に設Ｃプられた４個の
点火プラグ３３に対して、点火回路３４に発生ずる高電
圧の点火信号を供給している。この点火回路３／！４は
イグナイタと点火コイルによって構成されている。上記
ディストリビュータ３２内には回転するロータの磁力線
の変化を電圧信号として出力する回転速度センサ３８が
内蔵されている。

又、内燃機関２０の冷却水温は暖機センサ／′ＩＯによ
り検出される。暖機センサ４０はザーミスタ等の感温素
子からなり、内燃機関２０の温度を代表する冷却水温を
検出する。運転者によって踏み込まれるアクセルペダル
の開度はアクセル間度センザ４２により検出される。キ
ースイッチ７１１３は電源スィッチ４３ａを開閉すると
ともに図示していないスタータの駆動スイッチも開閉す
る。電子制御回路４４はディストリビュータ３２内に設
けられた回転速度センサ３８によって検出された内燃機
関２０の回転速度や、エアフロメータ２２．スロットル
センサ２７ｂ、１１機センサ４０．＠気温センサ２８及
びリーンセンサ３０．アクセル開度センサ４２．キース
イッチ４３の各出力信号等から内燃機関２０の運転状態
を求め、点火時期、燃おｌ噴射量、スロットルバルブ２
７の開度等を定めて燃わ１噴躬弁２６ａ〜２６ｄ、モー
タ駆動回路２７ａ、点火回路３／′Ｉの制御を行なうよ
う構成されでいる。電子制御回路１へは直接又は電源ス
ィッチ４３ａを介して、バッテリ／１８から電圧が印加
される。

また、この伯、スロワ１ヘルバルブ２７を迂回するエア
バルブあるいはりニアソレノイドによる■ＳＣバルブ（
アイドルスピードコン１〜ロールバルブ）を設りること
もある。

次に第３図に拠って電子制御回路４４の構成について説
明する。図に４３いて、１００は所定のプログラムに従
って点火時期、燃料噴射量、およびスロットル開度等を
演算する中央処理ユニツＩ〜（ＣＰＵ）、１０１は回転
）虫度センサ３８からのパルス信号とス［１ツ１〜ル１
２ンザ２７ｂ内の図示しないアイドルスイツヂからのオ
ン−オフ信号とを入力するパルス入力回路、１０２はパ
ルス入力回路を介して入力されたパルス信号にＪ：つて
所定のクランク角度において割込信号を発生ずる割込制
御回路、１０３　ｔ；ｔｆ１５間を旧制する為のタイマ
、１Ｏ５はプログラムやデータなどを予め記憶してｄ′
３く読み出し専用のメモリ（ＲＯＭ）　、１０６はデー
タ等を一時的に記憶しておく読み出き可能なメモリ（Ｒ
ＡＭ）　、１０８はキースイッチ４３をΔフとした後も
記憶されたデータの内容を維持づるバックアップＲＡＭ
、１１０　ｔ、ＩＩ燃ｒ３１噴削弁２６ａ〜２６ｄを駆
動する出力回路、１１２は点火回路３４を駆動して内燃
機関２０の点火時期を制御覆る出力回路、１１３はスロ
ツｉ〜ルバルブ駆動用モータ２７ａに電圧を出力する出
力回路、１１／１はエアフロメータ２２、暖機センサ４
０．スロツ１〜ルセンザ２７ｂ、吸気温センサ２８、ア
クセル開度センサ４２、リーンセンサ３０からのアナロ
グ信号を８ピツ］・のディジタル担に変換する△／Ｄ変
換入力回路、１１６はキースイッチ／′１３を介してバ
ッテリ４８より電力供給をうけ電子制御回路４４仝休に
定電圧を供給する電源回路、１１８はキースイッチ４３
を介することなくバッテリ／′１８に接続されバックア
ップＲＡＭ１０８に電力を供給するもう一つの電源回路
、１２０は上記の各回路を相互に接続するデータバスで
ある。出力回路１１０は図示しないカウンタを備えてお
り、ＣＰＵ　１００によって燃オ゛；１噴躬時間τでセ
ラ１〜されると所定のタイミングでカウントダウンを開
始し、これが零となるまで燃料噴射弁２６ａ〜２６ｄを
開弁じて燃わ１噴躬徂を制御する。

本実施例は第２図、第３図を用いて説明した内燃機関２
０とその周辺装置において、第４図に示す制御モデルが
実行されるよう構成されている。

第４図において、制御対象（内燃機関）２０の出力をＡ
／Ｆとした場合、制御入力どじでは、空気量（もしくは
相当量）、点火時期、燃オ′３１噴射最（もしくは相当
量〉および排気還流量（もしくは相当量）から選択され
たいずれか１つまたは任意の２つ以上の組合せを採り得
る。

本実施例では、２制御入力として、燃料量「（ｍＭｓｅ
ｃ　）とスロワ１〜ル開度θ（ｄｅｇ　）とを採る。出
力は△／「で、１出力である。他に出力としては出力１
ヘルク２回転速度などが考えられる。

Ａ／Ｆの値はリーンセンサ３０の出力値から推定する。

６２は、制御対象である機関２０のダイナミックモデル
を記憶していて、上記３つの制御入出力情報Ｆ、θ、Ａ
／Ｆから機関のダイナミック４【内部状態を推定する状
態観測器（オブザーバ）でおり、内部状態を代表する状
態変数ｆｆ１ｘ　（例えば４つのｉｘｌ　、ｘ２　、ｘ
３　、ｘ４のベク］〜ル表示）の推定値Ｘを計算する。

状態観測器６２は制御対象である機関２０をシミュレー
ションするもので、夕゛イナミックな内部状態を状態変
数ｘ（ｎ次のベクトル×１〜ｘｎ）で代表する。制御対
象である機関２０の内部状態を表わす状態変数は、具体
的には例えば吸気分岐管２５の絶対圧や吸入負圧、実際
にシリンダに吸入された空気量、燃焼の動的挙動、機関
１〜ルク等が挙げられる。これらの値をセンサにＪ：り
検出できれば、その検出値を用いることによって、動的
な振舞いを把握し、制御に用いることによって制御をよ
り精密に行なうことができる。しかしながら現時点では
それらの値を検出できる実用的セン１すはあまり存在し
イ【い。そこで機関の内部状態を状態変数Ｘで代表さけ
るが、但し状態変数Ｘは実際の内部状態を表わす種々の
物理量に対応させる必要はなく、仝休として機関をシミ
ュレーションさせるものである。状態変数Ｘの次数ｎは
、ｎか大ぎい程シミュレーションが正確になるが、反面
計算が複￥１１になる。この発明にお（プる２人力１出
力の場合には、ｎ−４程度が適当である。

また、このようにモデルの低次元化を行なうと、その誤
差の影響がでるが、ある程度の誤差はｌ（積分）動作の
例加により吸収できる。

６３は積分（Ｎ動作、６４はゲインブロック（最適レギ
ュレータ）で、目標空燃比Ａ／「本と実際の空燃比Ａ／
Ｆとの偏差Ｓを積分した量および状態観測器６２で計緯
された状態変数量×から、２つの制御人力Ｆどθとの値
を旧線する。そして上記の状態観測器６２と最適レギュ
レータ６４とでコン１〜ローラ６５を形成する。

次にこの］ンｌ〜ローラ６５の作用を説明する。

制御対象である機関２０は２人力１出カシステムで、こ
の入出力間の回転同期ザンブル値系の必る基準設定値近
辺で求められた線形近似された伝達関数行列Ｔ（Ｚ）か
ら、制御対象２０のダイナミックな内部状態を推定する
ことが可能である。

その１つの手法として上記状態観測器６２がある。

アイドル回転速度近辺の運転条件で、制御対象２０の伝
達関数行列Ｔ（Ｚ）が実験的に求まり、Ｔ（ｚ）−［Ｔ
１　　（ｚ）　　Ｔ２　　（ｚ）］・・・（３）となる
。但し、Ｚは人出力信号のザンブル値のＺ−変換を示し
、ＴＩ（Ｚ）とＴ２（Ｚ）は例えばＺの２次伝達関数で
ある。

人力、出力および伝達関数ＴＩ（Ｚ＞、Ｔ２（−１）の
関係を示す制御対象（機関＞２０のモデル構造を第５図
に示す。但し、入出力はそれぞれ基準設定値からのズレ
δＦ、６θ、δ（△／「）を用いている。

この伝達関数行列Ｔ（Ｚ）から、次の様に状態観測器６
２を構成することができる。

先ず、Ｔ（Ｚ）から機関の動的な振舞いを記）ホする状
態変数モデル ｘ　（ｎ　）−ＡＸ　（ｎ−１＞＋ｆｆ３ｕ　（ｎ−１
＞−（４）ｖ　（ｎ−１）　−ＣＸ　（ｎ−１）　　　
　　　　　　・（５）を導く。ここで、容量のカッ］内
の（ｎ　）は現時点を、また（ｎ−１）は１つ前のサン
プル時点を表わす。ＩＩＪ　（ｎ−１＞は制御人力ベク
トルで′、市る基〆％設定値からの線形近似が成り立つ
範囲内での摂動分を表わず燃オ６１流■δＦ（ｎ−１＞
とスロラミ〜ル聞度δθ（ｎ−１＞とを要素とする。す
なわち、また、ｖ　（ｎ−１）は出力で、制御入力ベク
トルと同様にある基準Ａ／Ｆ　（例えば１４．７＞から
の摂動分を表わずδ（Ａ／Ｆ）　　（ｎ−１＞を要素と
する。すなわち、 ｖ（ｎ−１）−δ（Ａ／Ｆ）（ｎ−１＞　　・　＜７’
）Ｘ（・）は状態変数ベタ１〜ルであり、行列Ａ、［Ｂ
。

Ｃは伝達関数行列Ｔ（ｚ）の係数から決まる定数行列で
ある。

ここで、次の様なアルゴリズムを持つ状態観測器を構成
する。

十旧駐Ｊ　（ｎ−１）　十Ｇソ（ｎ−１＞・・・（８） ここに、Ｇは任意に与えられる行列で、Ｘ（・）は機関
２０の内部状態変数Ｘ（・）の推定値である。（４＞（
５）（８）式より変形すると、［Ｘ　（ｎ　）　−Ｘ　
（ｎ　）　］ −（Ａ−ＧＣ）　　［Ｘ　（ｎ−１＞　−Ｘ　（ｎ−１
＞　］・・・（９〉 となり、行列（Ａ−ＧＣ）の固有値が中位円内にあるよ
うに０を選ぺば、 ｎ→大で　　Ｘ（ｎ）−＋Ｘ（ｎ）　　　・　（１０）
となり、内部状態変数ｆｆ１Ｘ（ｎ）を入力１１Ｊ　（
・）と出力Ｖ（・）から推定することかできる。また、
行列Ｇを適当に選び、行列（Ａ　　ＧＣ）の固有値を全
て零にすることも可能で、この時、状態観測器６２は有
限整定状態観測器と４【る。

このようにして推定された状態変数Ｘ（・）と、目標空
燃比△／Ｆ＊と現在の実際の空燃比Ａ／Ｆ（・）との偏
差Ｓ−△／「１−Δ／［（・）の情報を用いて、制御入
力である燃ａ’ｌ噴ＮＦＪ量の阜ｔ％４＝設定値Ｆａか
らの線形近似か成り立つ範囲内での増量分δ「ａ　（・
）（実際には「ａ、δＦａ　　（・）からその燃′Ａ’
３＋噴’；、４４（バーに対応する燃わ１噴射パルス幅
を求め、それによって燃料噴躬吊を制御する）とスロツ
］〜ルラミの基準設定値からの線形近似が成り立つ範囲
内での増量分δθ（・）とを決定し、Δ／「の最適レギ
ュレータ制御を行なう。レギュレータ制御とは、△／「
を一定値である目標△／「＊に合致するように制御リ−
る定値制御を意味する。

なおこの発明では、前述したＪ：うに実験的に求めたモ
デルが低次元化された近似モデルであるため、その近似
誤差を吸収するためのＩ（積分）動作をイ」加している
か、ここでは■動作を含めての最適レギュレータ制御を
行４丁う。

この発明の制御対象である波間は、前述したＪ：うに２
人力１出カシステムであり、これを最適にレギュレータ
制御するものであるが、一般的な多変数システムの最適
レギュレータ制御アルゴリズムは、例えば古田勝久著１
線形システム制御理論」（昭和５１年）昭晃堂その他に
説明されているので、ここでは詳細な説明は省略する。

結果のみを記述すると、いま、 δＩＩＪ　（ｎ　）　−１１Ｊ　（ｎ　）　−１１Ｊ　
（ｎ−１）　　・・・（１１〉δｅ　（ｎ　）　−Ａ／
Ｆ＊−Ａ／Ｆ　（ｎ　）・＝　（１２）とし、評価関数
Ｊを、 一 ・・・（１３） とする。ここで、Ｒは重みパラメータ行列、王は位置を
示す。ｎは制御開始時点をＯとするリンプル数で、（１
３）式の右辺第２項は（Ｒを対角行列とすると＞（１１
）式の２乗を表わす。また、（１３）式の第２項を（１
１）式のＪ：うイγ制御入力の差分の２次形式としてい
るが、これは第４図のように１動作付加によるものであ
る。

（１３）式の評価関数Ｊを最小とする最適制御人力＋ｕ
”（ｎ＞は、 ｕ」　　　（ｎ　　）　　−一　（ＩＲ−４−１１３”
　　Ｐ　旧）　−言　［１３”　　ＩＰＡ・・・（１４
） どなる。（１４）式で に−−（ＩＲ十旧Ｔｌ）ｌｊ３）−１旧”ＰＡ　　・・
・（１５）とおくと、Ｋは最適ゲイン行列である。また
（１４）式において であり、Ｐは、 一 △７　ＰＡ−△ＴＩＰｔｆ３（ｔｆ３丁　ＩＦ　Ｂ　＋
ＩＲ＞−１旧丁　ＰＡのリカッティ（Ｒ１ｃｃａｔｉ　
）方程式の解である。

（１３）式の評価関数Ｊの意味は、制御人力Ｕ」（・）
の動きを制約しつつ、出力Ｖ（・）であるＡ／Ｆの目標
値Ａ／Ｆ＊からの偏差Ｓ　（Ａ／Ｆ変動）を最小にしよ
うと意図したもので、その制約の重みづけは重みパラメ
ータ行列Ｒで変えることができる。従って、適当なＲを
選択し、機関のダイナミックモデル（状態変数モデル）
を用い、（１８）式を解いたＰを用いて計算した（１５
）式の最適ゲイン行列「をマイクロコンピュータに記憶
し、目標値Ａ／Ｆ＊と実際のＡ／Ｆとの偏差Ｓの積分値
および推定された状態変数”＜＜ｎ＞から、（１４）式
によって最適制御入力値ｕ”（ｎ）を簡単に決定するこ
とができる。また前）ホしたように、機関のダイナミッ
クな状態変数の推定値×（ｎ　）を求めるには、行列Ａ
、［Ｂ、Ｃ，Ｇの値をマイクロコンピュータに記憶して
おぎ、（８）式により計算すればよい。

ここで注意しなければならないのは、機関２０のダイナ
ミックモデルは、その運転条イ１．環境等例えば機関水
Ｗｎ：によって大きく変化することである。そのため機
関水温の変化に応じて、あらかじめ実験等で数種のグイ
ナミックモデルを用意し、機開始動性又ｔＪｊ、始動直
後に、機関温度（例えば冷却水温をパラメータとして）
に応じて、最適な数学モデルを選択している。

第６図に電子制御回路４４にて処理されるモデル選択の
ためのフローヂ（７−１〜を示す。

まずキースイッヂ１３がオンされて、本処理が開始され
る。最初にステップ２１０にて変数、フラグ等の初期か
処理が行なわれる。次にステップ２２０にてスタータオ
ンされたか否かが判定される。オンでなりればｒＮＯｌ
と判定されてステップ２２５にてフラグ１：をリセット
シて、処理はこのまま一旦終了する。、ｒＹＥｓｌと判
定されれば次にステップ２３０にて機関回転数Ｎｏか５
００叩■を越えているか否かが判定される。ここでもｒ
　Ｎ　Ｏ−１と判定されれば、ステップ２２５の処理の
後、−目終了する。ステップ２３０にてｒＹＥＳ」と判
定された場合、機関始動後として次にステップ２３５以
下が実行される。即ち、ステップ２００及び２３０の判
定は機関始動後か否かを判定する処理を示している。ス
テップ２３０の処理を省略ずれば、ステップ２２０にて
の始動時か否かの判断とすることができる。

始動後、ステップ２３５にては、フラグ「がセラ１へさ
れ、次いでステップ２１４０にて機関の冷却水温下ＨＷ
が暖機センサ４０の出力をＡ／Ｄ変換して読み込まれる
。次にステップ２５０にて上記Ｔ　Ｉ−Ｉ　Ｗの値がｏ
’ｃ未満（〜Ｏ’Ｃ）か、ｏ’ｃ以上２ｏ’ｃ未満（Ｏ
〜２０　’Ｃ）か、又は２０’Ｃ以上（２０′Ｃ〜）か
がヂエツクされる。ＴＩ−ＩＷ−〜０℃であれば、その
水温に該当する予め求められているモデル１がステップ
２６０にて選択される。同様にＴＩ−ＩＷ＝ｏ〜２０°
Ｃであれば、その水温に該当するモデル２がステップ２
７０にて、又丁１−Ｉ　Ｗ　−２０℃〜であれば、その
水温に該当するモデル３がステップ２８０にて選択され
る。

次に選択されたモデルに基づくスロワ１ヘルバルブ２７
の開度θと燃料噴射量Ｆの内燃機関制御人＝　３２− 力値を求める処理を第７図に示す。

尚、以下の説明では現時点での処理において扱われてい
る量を添字（ｎ　）付で、前回に扱われた量を添字（ｎ
−１＞（Ｊで表わすことにする。最初にステップ２９０
にてフラグＦがセラ１〜状態か否かが判定される。フラ
グ「がリセッ１〜状態であって、１幾関２０が始動後で
ない場合、ｒＮＯＪど判定されて、このまま処理を一旦
終了する。始動後でありｒ　Ｙ　Ｆ　Ｓ　Ｊと判定され
るとステップ３００以下が実行される。

まずステップ３００では、内燃機関２０の運転状態、即
ち空燃比Ａ／「、吸入空気ｆｆ１Ｑ、回転速度ＮＯ等を
各センサより読み込む処理を行なう。

続くステップ３１０では、Ｑ、Ｎｅ、θ、　’　Ｔ　Ｉ
−ＩＷなどの値に基づいて内燃機関２０の目標空燃比△
／Ｆ＊をマツプや演算式から算出する。

ステップ３２０では、この△／Ｆ本と実際に検出された
空燃比△／Ｆ（ｎ−１＞の偏差Ｓを求める処理が行なわ
れる。続くステップ３３０では、ステップ３２０で求め
た偏差Ｓを累積する処理、即ち、ＺＡ＝７Ａ＋Ｓににり
累積値（積分値＞７Ａを求める処理が行なわれる。

続くステップ３４０では、ステップ３０　ｏ−ｒ＝み込
んだ内燃機関２０の運転状態から、内燃機関２０の動的
モデルを構築した際、線形近似が成立つ範囲として取り
上げた定言的な運転状態のうちで最も近い状態（以下、
これを定常点（Ａ／Ｆ）ａと呼ぶ）を求める処理を行な
う。ステップ３５０では、ステップ３００で読み込んだ
内燃機関２０の運転状態をこの定常点（Ａ／Ｆ）ａから
の摂動分δＡ／Ｆとして求める処理を行なう。

ステップ３６０では、第６図に示したモデル選択処理ル
ーチンにて求められたモデルの演算式とステップ３５０
で求められた摂動分δ△／「と、前回求められた状態変
数推定量Ｘ　（ｎ−１）　−［ｘｌ　　（ｎ−１）　　
ｘ２　　（ｎ−１）　　・ｘ４　　（ｎ−１＞　］”と
、前回求められた燃料噴射量Ｆ　（ｎ−１）とスロッ］
〜ルバルブ開度θ（ｎ−１）の摂動分δＦ（ｎ−１＞、
δθ（ｎ−１）とから、前出式（８）ににり新たな状態
変数推定量Ｘ（ｎ＞を算出する処理が行なわれる。この
処理が第４図（状態観測器６２）に相当するが、本実施
例でＬＪ、　ｆｌ述した如く、状態観測器６２は右限整
定オブザーバとして構成されている。即ち、 Ｘ（ｎ） ＝　（Ａ　　ＧＣ）　Ｘ　（ｎ−１＞ の計算が行なわれるのである。

続くステップ３７０では、ステップ３６０で求めた状態
変数推定量Ｘ（ｎ）と、ステップ３３０で求められた累
積値７Ａと、予め用意され第６図の−Ｅデル選択ルーチ
ンで’＞Ｂ択されたモデルの最適フィードバックゲイン
、 をベタ１〜ル乗算することにより、即ち［δＦ（ｎ）δ
θ（ｎ）］−Ｆ・［Ｘ（ｎ）　　ＺＡ］”により操作量
の摂動弁δ「（ｎ）とδθ（ｎ　）とを求める処理が行
なわれる。これが第４図のゲインブロック６４に相当し
ている。

ステップ３８０では、ステップ３７０で求めた操作量の
摂動弁δＦ（ｎ）、δθ（ｎ　）と定常点におりる各操
作量Ｆａ、　Ｏａとを加えて、実際に内燃機関２０の燃
料噴躬弁２６ａ〜２６（１及びサーボモータ２７ａへ出
力される操作量、即ら運転条件Ｆ（ｎ）、θ（ｎ　）が
求められる。

続くステップ３９０ではザンプリング回数を示す値ｎを
１だけインクリメン］〜する処理を行ない、上記の一連
の処理を一旦終了する。

以上の制御を周期的に継続して行なうことにより、電子
制御回路４４は内燃機関２０の運転状態を目標空燃比Ａ
／「＊に制御するイ；］加稍分型ｍ適レギュレータとし
て、最適のフィードバックゲインにより制御を行なうこ
とになる。

以上、説明した如く、第６図、第７図に示した制御ルー
チンを繰返し実行することにより、本実施例の内燃機関
の制御装置は、素早い応答性及び高安定性でかつ広い機
関温度範囲にて空燃比を１］標空燃比に制御できる現代
制御理論による制御を、始動直後から実行できるため、
内燃機関運転初期から応答性、安定性のよい高運転性を
実現できるものでおる。

以」−の実施例で（５ｊ１、内燃機関２０を燃わ１噴躬
吊１：とスロラミ〜ル聞度θとを入力とし空燃比Δ／「
を出力どする２人力１出力の系としてとらえ、最小２乗
法ににるシステム同定を用いて動的なモデルを構築して
イ；１加積分型最適レギュレータを構成しているが、適
用する内燃機関の態様に合わせて、この他の人出ツノを
も加味し、系の動的なモデルを構築することも、本発明
の要旨を変更することなく行なうことができる。例えば
、出力としては機関回転速度Ｎｅや気筒内圧センサ等か
ら検出される１〜ルクでもＪ：＜、又、以上の出力の組
合せで制御を行なうこともできる。

［発明の効果］ 以上詳述したＪ：うに、本発明の内燃機関の制御装置は
、いわゆる現代１Ｊ制御理論による安定性、応答性の高
い制御が、始動時又はその直後より開始されることによ
り、内燃機関の全運転領域に？１′３いて、高度な運転
性が達成されることとなる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の基本的溝成図、第２図は本発明一実施
例としての内燃機関とその周辺装置の構成を示すＷＸ略
構成図、第３図はその電子制御回路のブロック図、第４
図は同じくその制御系統図、第５図は実施例の系のモデ
ルを同定するのに用いたブロック線図、第６図はモデル
選択のためのルーチンを示すフローチャー１・、第７図
は実施例における付加積分型最適レギュレータとしての
制御を示すフローチャートを表わす。 ２０・・・内燃機関 ２２・・・エアフロメータ ２６ａ　、２６ｂ　、２６ｃ　、２６ｄ　−・・燃料哨
則弁２７・・・スロットルバルブ ２７ａ・・・サーボモータ ２７ｂ・・・スロットルセンサ ２８・・・吸気温センサ ３０・・・リーンセンサ ３８・・・回転速度センリ １０・・・暖（幾センリ− ４２・・・アクセル１？ンザ ４３・・・キースイッチ １４・・・電子制御回路

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １　内燃機関の運転状態から、内燃機関の所定出力の目
   標値を設定する目標値設定手段と、内燃機関の運転に関
   する動的なモデルに従って予め定められた機関内部状態
   推定のための演算式を用いて内燃機関の制御入力の値と
   所定出力の値とから内燃機関の所定状態の状態量を算出
   し、更に上記動的なモデルに従って予め定められた最適
   フイードバツクゲインを用いて、上記目標値と上記所定
   出力の値との偏差の積分値及び上記算出された所定状態
   の状態量から、最適フィードバツク値としての上記制御
   入力の値を算出し出力する制御手段と、 を備えた内燃機関の制御装置において、 更に、内燃機関の始動有無を検出する始動検出手段を備
   えるとともに、 上記制御手段が、上記始動検出手段にて始動時又は始動
   直後であると検出された時点より、上記制御入力の出力
   を開始することを特徴とする内燃機関の制御装置。 ２　演算式及び最適フィードバツクゲインが、内燃機関
   温度領域に対応して複数設定され、内燃機関温度に応じ
   て選択されて所定状態の状態量及び最適フイードバック
   値の算出に用いられる特許請求の範囲第１項記載の内燃
   機関の制御装置。 ３　所定出力が空燃比であり、制御入力が吸入空気量及
   び供給燃料量である特許請求の範囲第１項又は第２項に
   記載の内燃機関の制御装置。