JPS6325177B2

JPS6325177B2 -

Info

Publication number: JPS6325177B2
Application number: JP57125882A
Authority: JP
Inventors: Takashi Ueno; Tooru Takahashi
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 1982-07-21
Filing date: 1982-07-21
Publication date: 1988-05-24
Also published as: JPS5918254A

Description

【発明の詳細な説明】（技術分野）この発明は、内燃機関のアイドル時の回転速度
の制御方法に関し、より詳細には、従来一般的な
PID（比例積分微分）制御とは異なり、内燃機関
の内部状態を考慮して機関をダイナミツク（動
的）なシステムとして捕え、内部状態を規定する
状態変数によつて機関の動的な振舞いを推定しな
がら、機関の入力変数を決定する状態変数制御の
手法を用いて、アイドル回転速度を制御する方法
に関する。

（従来技術）従来の内燃機関におけるアイドル回転速度制御
方法としては、例えば第１図に示すようなものが
ある。アイドル回転速度制御用のAACバルブ１
は、VCMバルブ２の制御ソレノイド３の駆動パ
ルス幅P_Aをデユーテイ制御することによつてリ
フト量が変わり、スロツトルバルブ４のバイパス
５を通過するバイパス空気量が変化して、アイド
ル回転速度が制御される。

コントロールユニツト６は、スロツトルバルブ
スイツチ７によるアイドル（IDLE）信号、ニユ
ートラルスイツチ８によるニユートラル
（NEUT）信号、車速センサ９による車速
（VSP）信号などによつて機関がアイドル状態に
あることを検知すると、水温センサ１０による冷
却水温度（T_w）に応じた１次元テーブルルツク
アツプによつて、アイドル回転速度の基本目標値
を算出する。そして、エアコンスイツチ１１によ
るエアコン（Ａ／Ｃ）信号、ニユートラル
（NEUT）信号、バツテリ電圧（V_B）信号などに
応じた補正を行なつて最終的に算出されたアイド
ル回転速度の目標値N_rに対し、機関の実際のア
イドル回転速度Ｎとその目標値N_rとの偏差SAが
小さくなるように制御ソレノイド３のパルス幅
P_Aを比例、積分（PI）のデユーテイ制御をして、
目標回転速度N_rにフイードバツク制御する。

以上の制御方法を流れ図で示したのが、第２図
である。

しかしながら、このような従来の内燃機関のア
イドル回転速度制御方法にあつては、機関、アク
チユエータおよびセンサの動特性を効果的に用い
たPI制御を行なつている訳ではなく、さらには、
制御手法としてのPI制御は多入出力システムに
対する制御には不向きなものとなつていた上、エ
アコン、パワステ、クラツチミート等の事前に予
測できる負荷、持続外乱が加わつている時も同じ
制御ゲインで制御を行なう構成となつていたた
め、機関が他の運転状態からアイドル状態に入る
時、またはアイドル状態から出る時、さらには
種々の負荷外乱が加わつた直後等の、機関がダイ
ナミツクな振舞いを呈する時には、制御追従性す
なわち過渡応答が悪いという問題があつた。ま
た、他の制御入力を加えて制御の自由度を上げ、
制御性を高めようとする時には、PI制御の手法
では適用が難しいという問題があつた。

（発明の目的）この発明は、このような従来の問題点に着目し
てなされたもので、機関が他の運転状態からアイ
ドル状態へ入る時、またはアイドル状態から出る
時、さらには負荷外乱が加わつた直後等の、機関
がダイナミツクな振舞いを呈する時の制御追従性
すなわち過渡応答を最適にし、さらに、多数の制
御入力変数を加えて制御自由度を上げ、制御性を
高めることを容易にし、もつてより安定なアイド
ル回転速度制御を行なうことを目的とする。

（発明の構成および作用）そこでこの発明は、内燃機関、アクチユエータ
およびセンサの動特性をモデル化したものをマイ
クロコンピユータ等からなるコントローラに記憶
しておき、空気量（もしくは相当量）、点火時期、
燃料供給量（もしくは相当量）および排気還流
（EGR）量（もしくは相当量）のうちのいずれか
１つまたは任意の２つ以上の組合せを制御入力と
し、かつアイドル回転速度を制御出力とし、制御
入力と制御出力から、ダイナミツクモデルである
内燃機関等の内部状態を代表する状態変数量を推
定し、その推定値とアイドル回転速度の目標値と
実際値の偏差の積分値とを用いて、制御入力値を
決定すると共に、事前に予測できる負荷、持続外
乱が加わつた時は、制御入力値を決定する最適ゲ
インを切り換えて、内燃機関ののアイドル回転速
度を目標値にフイードバツク制御することを特徴
とする。この制御手法は、従来一般的なPID制御
に代わり、多数の入出力変数を総合的に制御する
多変数制御の手法を用いるものである。

以下、この発明を図面に基づいて説明する。

第３図は、この発明による内燃機関のアイドル
回転速度制御方法の一実施例を実現する装置の構
成図である。

同図において、１２は制御対象である内燃機関
で、アイドル回転速度制御の他、空燃比フイード
バツク制御を含む燃料噴射制御その他を行なつて
いる。制御対象１２の制御出力をアイドル回転速
度とした場合、制御入力としては、バイパス空気
量、点火時期、燃料供給量および排気還流量のう
ちのいずれか１つまたは任意の２つ以上の組合せ
をとり得る。本実施例では、２制御入力として、
アイドル時のバイパス空気量を調整するための
VCMバルブ２の制御ソレノイド（第１図）を駆
動するパルス幅P_A（すなわちバイパス空気量に相
当する量）と点火時期ITとをとる。制御出力は
アイドル回転速度Ｎで、１出力である。

１３は、制御対象である機関１２のダイナミツ
クモデルを記憶していて、上記３つの制御入出力
情報P_A，P_T，Ｎから機関のダイナミツクな内部
状態を推定する状態観測器（オブザーバ）であ
り、内部状態を代表する状態変数量ｘ（例えば４
つの量x₁，x₂，x₃，x₄のベクトル表示）の推定値
ｘを計算する。

状態観測器１３は制御対象である機関をシミユ
レーシヨンするもので、ダイナミツクな内部状態
を状態変数ｘ（ｎ次のベクトルx₁〜x_o）で代表す
る。制御対象である機関１２の内部状態を表わす
状態変数は、具体的には例えばインテークマニホ
ールド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、機関トルク等
が挙げられる。これらの値をセンサにより検出で
きれば、その検出値を用いることによつて動的な
振舞いを把握し、制御に用いることによつて制御
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サ
はあまり存在しない。そこで機関の内部状態を状
態変数ｘで代表させるが、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、全体として機関をシミユレーシヨンさ
せるものである。状態変数ｘの次数ｎは、ｎが大
きい程シミユレーシヨンが精確になるが、反面計
算が複雑になる。そこでモデルとしては、低近似
されたものを使用し、近似誤差または機関個体差
による誤差を積分動作で吸収する。この発明にお
ける２入力１出力の場合には、ｎ＝４程度が適当
である。

第３図において、１４は積分動作とゲインブロ
ツクで、機関回転速度の指定された目標値N_rと
実際値Ｎとの偏差SAを積分した量および状態観
測器１３で計算された状態変数量ｘから、２つの
制御入力P_AとITの値を計算する（第５図参照）。
そして、上記状態観測器１３と積分動作とゲイン
ブロツク１４とでコントローラを構成する。

次に作用を説明する。

制御対象である機関１２は２入力１出力システ
ムで、この入出力間の回転同期サンプル値系のあ
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１２のダイナ
ミツクな内部状態を推定することが可能である。
その１つの手法として状態観測器１３がある。ア
イドル回転速度近辺の運転条件で、制御対象１２
の伝達関数行列Ｔ（ｚ）が実際的に求まり、Ｔ（ｚ）＝〔T₁（ｚ） T₂（ｚ）〕 (1) となる。但し、ｚは入出力信号のサンプル値のｚ
―変換を示し、T₁（ｚ）とT₂（ｚ）は例えばｚの
２次伝達関数である。

入力、出力および伝達関数T₁（ｚ），T₂（ｚ）の
関係を示す制御対象（機関）１２のモデル構造を
第４図に示す。但し、入出力はそれぞれ基準設定
値からのズレδP_A，δIT，δN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１３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述
する状態変数モデルｘ（ｎ）＝Ax（ｎ−１）＋Bu（ｎ−１） (2) ｙ（ｎ−１）＝Cx（ｎ−１） (3) を導く。ここで、各量のカツコ内の（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。ｕ（ｎ−１）は制御入力ベクトルで、あ
る基準設定値からの線形近似が成り立つ範囲内で
の摂動分を表わす、制御ソレノイド３のパルス幅
δP_A（ｎ−１）と点火時期δITを要素とする。すな
わち、ｕ（ｎ−１）＝ δP_A（ｎ−１） δIT（ｎ−１） (4) また、ｙ（ｎ−１）は制御出力で、制御入力ベ
クトルと同様に、ある基準回転速度N_a（例えば
650rpm）からの摂動分を表わすδN（ｎ−１）を
要素とする。すなわち、ｙ（ｎ−１）＝δN（ｎ−１） (5) ｘ（・）は状態変数ベクトルであり、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、次のようなアルゴリズムを持つ状態観
測器を構成する。

x^＝（Ａ−GC）x^（ｎ−１）＋Bu（ｎ−１）＋Gy（ｎ−１） (6) ここに、Ｇは任意に与えられる行列で、x^（・）
は機関１２の内部状態変数ｘ（・）の推定値であ
る。(2)(3)(6)式より変形すると、〔ｘ（ｎ）−x^（ｎ）〕＝（Ａ−GC）〔ｘ（ｎ−１）−x^（ｎ−１）〕
(7) となり、行列（Ａ−GC）の固有値が単位円内に
あるようにＧを選べば、ｎ→大で x^（ｎ）→ｘ（ｎ） (8) となり、内部状態変数量ｘ（ｎ）を入力ｕ（・）と
出力ｙ（・）から推定することができる。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
１３は有限整定状態観測器となる。

このようにして推定された状態変数x^（・）と、
目標回転速度N_rと現在の実際の回転速度Ｎ（・）
との偏差SA＝（N_r−Ｎ（・））の情報を用いて、
制御入力である制御ソレノイド３の駆動パルス幅
の基準設定値（P_A）_aからの線形近似が成り立つ範
囲内での増量分δP_A（・）と、点火時期の基準設
定値からの線形近似が成り立つ範囲内での増量分
δIT（・）を決定し、機関のアイドル回転速度Ｎ
の最適レギユレータ制御を行う。レギユレータ制
御とは、アイドル回転速度Ｎを一定値である目標
回転速度N_rに合致するように制御する定値制御
を意味する。尚本発明では、前述した様に実験的
に求めたモデルが低次元化された近似モデルであ
る為、その近次誤差を吸収する為のＩ（積分）動
作を付加しているが、ここではＩ動作を含めての
最適レギユレータ制御を行う。

この発明の制御対象である機関は、前述したよ
うに２入力１出力システムであり、これを最適に
レギユ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ユレータ制御アルゴリズ
ムは、例えば古田勝久著「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、 δu（ｎ）＝ｕ（ｎ）−ｕ（ｎ−１） (9) δe（ｎ）＝N_r−Ｎ（ｎ） (10) とし、評価関数Ｊを、Ｊ＝_∞ 〓^K=0 〔δe(k)²＋δu^t(k)Rδu(k)〕 (11) とする。ここでＲは重みパラメータ行列、ｔは転
置を示す。ｋは制御開始時点を０とするサンプル
回数で、(11)式の右辺第２項は(9)式の２乗（Ｒを対
角行列とすると）を表わす。又(11)式の第２項を、
(9)式のような制御入力の差分の２次形式としてい
るが、これは第５図の様にＩ動作を付加したため
である。(11)式の評価関数Ｊを最小とする最適制御
入力u^*(k)は、となる。(12)式でＫ＝−（Ｒ＋^tＰ）^-1 ^tＰ (13) とおくと、Ｋは最適ゲイン行列である。また(12)式
においてであり、Ｐは、のリカツテイ（Riccati）方程式の解である。

(11)式の評価関数Ｊの意味は、制御入力ｕ（・）
の動きを制約しつつ、制御出力ｙ（・）であるア
イドル回転速度Ｎの目標値N_rからの偏差SA（回
転変動）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。従つて、適当なＲを選択し、アイ
ドル時の機関のダイナミツクモデル（状態変数モ
デル）を用い、（16）式を解いたＰを用いて計算
した（13）式の最適ゲイン行列Ｋをマイクロコン
ピユータに記憶し、アイドル回転速度の目標値
N_rと実際値Ｎの偏差SAの積分値および推定され
た状態変数x^(k)から、(12)式によつて最適制御入力
値u^*(k)を簡単に決定することができる。また前
述したように、機関のダイナミツクな状態変数の
推定値ｘ(k)を求めるには、行列Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｇの
値をマイクロコンピユータに記憶しておき、(6)式
により計算すればよい。

この発明の特徴は、上述した制御において、負
荷、持続外乱が加わつた時に、制御入力値を決定
する最適ゲインを切り換えて制御することにあ
る。

ここで、エアコン、パワステ、クラツチ等のス
イツチを有するものの負荷、持続外乱というの
は、外乱が加わり始めたことをフイードフオワー
ド情報として検知できるものである。また、この
ような負荷、持続外乱が加わつた時の最適サーボ
制御ゲインＫは、このような負荷、持続外乱が無
い場合の一般の外乱（例えば機関の失火等）に対
して制御性の良い（13）式の最適ゲインＫとは異
なる傾向がある。例えば第６図ａはあるゲイン
K₁において、エアコンが入つた時のサーボ制御
A₁と一般の定常時の外乱が加わつた時の制御B₁
を行なつた場合、第６図ｂは別のゲインK₂にお
いて、同じくエアコンが入つた時のサーボ制御
A₂と一般の定常時の外乱が加わつた時の制御B₂
を行つた場合を示す。第６図ａのA₀はエアコン
が入つた時のアイドル回転制御の目標値を示す。
第６図ａとｂを比較検討すると、エアコンが入つ
た時のサーボ制御は第６図ｂの方が良い制御性を
示し、他方、一般の定常時の外乱が加わつた時の
制御は第６図ａの方が良い。これはそれぞれの外
乱で制御性の良いゲインＫが異なることを示す。
従つて、定常時エアコンが入つていない時はゲイ
ンK₁で、またエアコンが入つた時はゲインK₂に
切り換えてそれぞれ制御を行なうことで、より制
御性を高めることができる。

第７図ａ，ｂはパワステ外乱が加わつた時のア
イドル回転速度の制御の状態を示し、第７図ａは
ゲインK₁、第７図ｂはゲインK₂であり、図中Ｃ
点はパワステすえ切り時点を示す。第７図ｂのゲ
インK₂の方が、パワステ外乱に対する制御性が
良いことがわかる。

さらに第８図ａ，ｂはクラツチミート時および
クラツチオフ時のアイドル回転速度の制御の状態
を示し、第８図ａはゲインK₁、第８図ｂはゲイ
ンK₂であり、図中D₁点はクラツチミート時、D₂
点はクラツチオフ時をそれぞれ示す。第８図ｂの
ゲインK₂の方が、クラツチ外乱に対する制御性
が良いことがわかる。

以上のアイドル回転速度制御の手順を示したの
が、第９図である。手順を説明すると、ステツプ
３０ではエアコンのオン―オフ状態、水温T_wの
値等によりアイドル回転速度の目標値N_rを決定
する。ステツプ３１ではエアコン、パワステ、ク
ラツチ等事前に予測できる外乱が入つたかどうか
を判断し、外乱がない場合は、ステツプ３２でそ
の場合の最適ゲインをkijとして決定する。外乱
が入つた場合は、ステツプ３３でその外乱に応じ
た最適ゲインkijをテーブルルツクアツプ等によ
り決定する。ステツプ３４ではステツプ３０で決
まつた目標回転速度N_rと実際の回転速度Ｎとの
偏差SAを計算する。ステツプ３５では、制御を
始めてから前の周期までの回転速度の偏差SAを
加算していて、結果をDUNというレジスタに移
す。ステツプ３６では、回転速度の実際値Ｎの基
準設定値N_a（例えば650rpm）からのズレδNを計
算する。ステツプ３７では、前の制御周期で推定
された機関のダイナミツクな内部状態を表わす状
態変数量x₁ ^*〜x₃ ^*（前回計算値）と、計算された
制御入力値δP_AおよびδITと、さらに制御出力値
であるδNとを重みづけ加算して各状態変数量x₁
〜x₄を計算する。但し(6)式の行列（Ａ―GC）は、の形で、有限整定オブザーバを形成した例であ
る。尚、（Ａ，Ｂ，Ｃ）は可観測正準形を用いて
いる。

ステツプ３８では、推定された機関のダイナミ
ツクな内部状態変数量x₁〜x₄とDUNに、外乱が
ない場合と、事前に予測できるエアコン、パワス
テ、クラツチ等のオン、オフによる外乱がある場
合とに分けて決定した最適ゲインＫの要素kijを
乗じて加算し、基準設定値（P_A）_aおよびIT_aに対
し制御入力値をどれだけ増量するかを計算する。

第９図の係数bij，gi，kij等は予め求めておい
て、マイクロコンピユータ等に記憶しておく。

前述したように、この発明における内燃機関の
制御出力をアイドル回転速度とした時に、制御入
力としては、空気量（または相当量）、点火時期、
燃料供給量（または相当量）および排気還流量
（または相当量）のいずれか１つまたは任意の２
つ以上の組合せを用いることができ、上述の実施
例では、バイパス空気量の相当量であるVCMバ
ルブの制御ソレノイドのパルス幅と点火時期とを
制御入力とする場合について説明した。

（発明の効果）以上説明したように、この発明によれば、内燃
機関のダイナミツクなモデルに基づく多変数制御
手法を適用してアイドル回転制御を行ない、しか
も内燃機関のダイナミツクな状態を推定する手順
を付加し、尚かつ、オブザーバ内のエンジンモデ
ルを低次元化したものを用い計算時間を短縮し、
その近似誤差分は、積分動作で吸収する様にした
ため、アイドル状態で問題となる失火外乱や負荷
外乱などの外乱に対する制御過渡応答を最適にで
き、しかも制御自由度を上げ制御性を高めるため
に多変数制御入力を加えて制御することも容易で
あり、より安定なアイドル回転速度制御が実現で
きるという効果が得られる。

そして特に、エアコン、パワステ、クラツチ等
のON，OFFスイツチを有する場合、事前に予測
できる持続外乱の印加により最適ゲインを切り換
えるようにしたため、そられの事前に予測できる
持続外乱が印加された時もより安定なアイドル運
転が実現できるという効果が得られる。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来の内燃機関のアイドル回転速度制
御装置の構成図、第２図は従来のアイドル回転速
度制御方法を示すフローチヤート、第３図はこの
発明による内燃機関のアイドル回転速度制御方法
を実現する制御装置の構成図、第４図は第３図の
制御入出力と機関の関係を示すブロツク図、第５
図は、積分＋ゲインブロツクの詳細を示す図、第
６図ａ，ｂは異なつた最適ゲインに対してエアコ
ン外乱と一般外乱が加わつた時のアイドル回転速
度の状態を示す図、第７図ａ，ｂは異なつた最適
ゲインに対してパワステ外乱が加わつた時のアイ
ドル回転速度の状態を示す図、第８図ａ，ｂは異
なつた最適ゲインに対してクラツチ外乱が加わつ
た時のアイドル回転速度の状態を示す図、第９図
はこの発明による制御方法を説明するフローチヤ
ートである。１……AACバルブ、２……VCMバルブ、３…
…制御ソレノイド、４……スロツトルバルブ、５
……バイパス、７……スロツトルバルブスイツ
チ、８……ニユートラルスイツチ、１０……水温
センサ、１１……エアコンスイツチ、１２……内
燃機関（制御対象）、１３……状態観測器、１４
……コントローラ、N_r……アイドル回転速度の
目標値、Ｎ……アイドル回転速度の実際値、N_a
……アイドル回転速度の基準設定値、SA……ア
イドル回転速度の目標値と実際値の偏差、P_A…
…バイパス空気量を規定する制御ソレノイドの駆
動パルス幅、IT……点火時期、x_i……状態変数
量、x_i……状態変数の推定量。

Claims

【特許請求の範囲】

１内燃機関のアイドル時に、アイドル回転速度
の目標値N_rと実際値Ｎの偏差SAに基づいて、ア
イドル回転速度をフイードバツク制御する方法に
おいて、コントローラに記憶された前記内燃機関
のダイナミツクモデルに基づき、前記内燃機関の
制御入力値である該内燃機関に供給される空気量
もしくは該空気量に相当する量および該内燃機関
の点火時期および該内燃機関への燃料供給量もし
くは該燃料供給量に相当する量および排気還流量
もしくは排気還流量に相当する量から選択される
いずれか１つまたは任意の２つ以上の組合せと、
該内燃機関の制御出力値であるアイドル回転速度
とから、該内燃機関のダイナミツクな内部状態を
代表する適当な次数の状態変数量x_i（ｉ＝１，２，
……ｎ）を推定し、該推定された状態変数量x^_i
（ｉ＝１，２，…ｎ）と前記回転速度の偏差SAを
積分した量とから、制御入力値を決定し、さら
に、事前に予測できる負荷、持続外乱が加わつた
時は、制御入力値を決定する最適ゲインを切り換
えて制御することを特徴とする内燃機関のアイド
ル回転速度制御方法。