JPH0612093B2 - 内燃機関制御装置 - Google Patents

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つて、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アイドル回転数を最小の燃
料噴射量で目標回転数に維持するようにした内燃機関制
御装置に関する。

［従来の技術］ 従来から、内燃機関のアイドル回転数を制御する装置と
して、例えば特開昭５４−７６７２３号公報に示される
如く、機関回転数を回転数検出手段により検出し、この
検出値と冷却水温等に応じて設定された目標アイドル回
転数との偏差をなくすよう、言い換えれば、機関回転数
を目標アイドル回転数に保持するよう、スロットルバル
ブのバイパス通路を通過する空気流量を制御するフィー
ドバック制御によるアイドル回転数制御装置が提案され
ている。

［発明が解決しようとする問題点］ しかしながら、上記のような制御装置によると、アイド
ル運転中にエアコンがオンまたはオフしたことによりそ
れぞれ目標アイドル回転数をそれまでの値から所定値だ
け増加もしくは減少させる場合に、所望の追従性を実現
することが難しく、燃費向上と出力確保といういわば相
反する問題を充分に解決するまでには至らない。

本発明は上記のような問題点を解決することを目的と
し、いわゆる現代制御理論を取り入れ、燃費向上、出力
確保を実現できる充分な追従性を得ると共に燃費が最小
となる吸入空気量で機関回転数を目標アイドル回転数に
維持することを目的としている。

［問題点を解決するための手段］ このような目的を達成するための本発明の構成は、第１
図に示すように、 内燃機関Ｍ１の吸気管に配設される燃料噴射弁Ｍ２、お
よび吸気通路のスロットルバルブＭ３の開度を調節する
スロットルアクチュエータＭ４と、 機関回転数Ｎを検出する機関回転数検出手段Ｍ５、吸入
空気量ＡＲを検出する吸入空気量検出手段Ｍ６、および
機関制御のためのその他の運転状態を検出する運転状態
検出手段Ｍ７と、 これら各検出手段Ｍ４，Ｍ５，Ｍ６からの検出信号に基
づき、前記燃料噴射弁Ｍ２およびスロットルアクチュエ
ータＭ４の制御量（即ち、燃料噴射量、スロットル開
度）ＦＲ，θを算出し、該算出結果に従い前記燃料噴射
弁Ｍ２およびスロットルアクチュエータＭ４をそれぞれ
駆動する電子制御手段Ｍ８と、 を備えた内燃機関制御装置において、 前記電子制御手段Ｍ８に、 前記運転状態検出手段Ｍ７からの検出信号に基づき、内
燃機関アイドル運転時の目標アイドル回転数Ｎ^＊を設定
するアイドル回転数設定部Ｍ９と、 前記機関回転数Ｎに基づき内燃機関アイドル運転時の目
標吸入空気量ＡＲ^＊を設定すると共に、前記機関回転数
Ｎと前記目標アイドル回転数Ｎ^＊とが一致し且つ目標ア
イドル回転数Ｎ^＊が定常状態にある場合には、機関回転
数Ｎを一定としたときの吸入空気量ＡＲと燃料噴射量Ｆ
Ｒとの相関に基づき、機関回転数Ｎを最小の燃料噴射量
で現在の目標アイドル回転数に維持するための吸入空気
量を求め、該吸入空気量を目標吸入空気量ＡＲ^＊として
設定する目標吸入空気量設定部Ｍ１０と、 内燃機関アイドル運転時に、前記検出された機関回転数
Ｎおよび吸入空気量ＡＲが、それぞれ、前記設定された
目標アイドル回転数Ｎ^＊および目標吸入空気量ＡＲ^＊と
なるよう、内燃機関Ｍ１の運転に関する系の動的なモデ
ルに従つて予め定められた最適フィードバックゲインに
基づき、前記燃料噴射弁Ｍ２およびスロットルアクチュ
エータＭ４の制御量ＦＲ，θを算出する付加積分型最適
レギュレータＭ１１と、 を設けたことを特徴としている。

ここでアイドル回転数設定部Ｍ９は、運転状態検出手段
Ｍ７に含まれるアイドルスイツチ、冷却水温センサ、車
速センサ、エアコンスイッチなどからの信号に基づき、
例えば、アイドルスイッチがオンかつ車速が０km／ｈに
近い所定値以下のとき冷却水温とエアコンスイッチのオ
ン・オフに応じた目標アイドル回転数を設定する。

次に、目標吸入空気量設定部Ｍ１０は、内燃機関アイド
ル運転時の目標吸入空気量ＡＲ^＊を設定するものであ
り、機関回転数Ｎと目標アイドル回転数Ｎ^＊とが一致し
且つ目標アイドル回転数Ｎ^＊が定常状態にある場合、即
ち、内燃機関Ｍ１がアイドル運転に入つて機関回転数Ｎ
を一定の目標アイドル回転数Ｎ^＊に制御できている場合
には、機関回転数Ｎを一定としたときの吸入空気量ＡＲ
と燃料噴射量ＦＲとの相関関係に基づき、機関回転数Ｎ
を最小の燃料噴射量で現在の目標アイドル回転数Ｎ^＊に
維持するための吸入空気量を求めて、その値を目標吸入
空気量ＡＲ^＊として設定し、逆に、機関回転数Ｎと目標
アイドル回転数Ｎ^＊とが一致しないアイドル運転開始直
後や、目標アイドル回転数Ｎ^＊がエアコンスイッチのオ
ン・オフ等によつて変化した場合等、制御の過渡時に
は、上記相関関係に基づき燃料噴射量を最小とする吸入
空気量を求めることができないので、機関回転数Ｎに基
づき目標吸入空気量ＡＲ^＊を設定する。

なお、この目標吸入空気量設定部１０において、機関回
転数Ｎを最小の燃料噴射量で目標アイドル回転数Ｎ^＊に
維持するための目標吸入空気量ＡＲ^＊は、次のように設
定される。

第２図は内燃機関Ｍ１の目標アイドル回転数Ｎ^＊を一定
とした時の吸入空気量ＡＲと燃料供給量ＦＲとの関係を
示す定回転数線図である。今、吸入空気量がＡｂ、燃料
供給量がＦｂの点ｂで内燃機関が目標アイドル回転数Ｎ
^＊で運転されていたとすると、ここから吸入空気量を△
Ａｏ増加させた点（Ａａ、Ｆａ）において燃料供給量Ｆ
ａが最小になることがわかる。そこで、目標吸入空気量
設定部Ｍ１０においては、こうした定回転数線図に対応
した表すデータを用いて、燃料噴射量が最小となる吸入
空気量を検索し、これを目標吸入空気量ＡＲ^＊として設
定するのである。

次に、これらアイドル回転数設定部Ｍ９、目標吸入空気
量設定部Ｍ１０や、次に説明する付加積分型最適レギュ
レータＭ１１を備える電子制御手段Ｍ８は、通常、ＣＰ
Ｕ、ＲＯＭ、ＲＡＭ等をからなるマイクロコンピュータ
により実現され、アイドル回転数設定部Ｍ９、目標吸入
空気量設定部Ｍ１０、および付加積分型最適レギュレー
タＭ１１は、そのマイクロコンピュータによる処理の一
つとして実現される。

付加積分型最適レギュレータＭ１１は、内燃機関アイド
ル運転時に、機関回転数Ｎおよび吸入空気量ＡＲが、そ
れぞれ、目標アイドル回転数Ｎ^＊および目標吸入空気量
ＡＲ^＊となるように、内燃機関Ｍ１の運転に関する系の
動的なモデルに従つて予め定められた最適フィードバッ
クゲインに基づき、燃料噴射弁Ｍ２およびスロットルア
クチュエータＭ４の制御量ＦＲ，θを算出する。

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５１
年）昭晃堂等に詳しいが、ここで実際の構成の手法につ
いて一通の見通しを与える 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（以下、オブザーバと呼
ぶ）で扱われている量であることを、ｙ^＊の如き記号^＊
は目標値であることを、各々示している。

制御対象、ここでは内燃機関Ｍ１の制御において、この
制御対象の動的な振舞は、 として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、式（２） は内燃機関Ｍ１の制御入力つまり運転条件を示す の制御出力つまり運転状態を示す諸量からなるベクトル
である。又、式（１）、（２）は離散系で記述されてお
り、添字ｋは現時点であることを、ｋ−１は１回前のサ
ンプリング時点であることを、各々示している。

（ｋ）は、その制御系におけ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。
従つて、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）、 の運転を最適に制御できることになる。尚、サーボ系に
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のように複雑な対象については
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
あつて、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）の状態方程式に則つてモデルを構
築するのである。従つて、内燃機関Ｍ１のようにその運
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つて線形な近
似を行なうことができ、個々の動的なモデルを定めるこ
とによつ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あれば周波数応答法やスペクトル解
析法といつた手法によりシステム同定を行なつて、動的
な系のモデル（ここではベ 内燃関Ｍ１のような多元系の制御対象は、ある程度近似
のよい物理モデルをつくることも困難であり、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。

（ｋ）からフィードバック量が定まり運転条件の 内燃機関Ｍ１等では内燃機関Ｍ１の運転に直接関与する
諸量として、例えば実際に吸入されている空気量や燃焼
の動的挙動、あるいは燃焼に関与している混合気中の燃
料量や内燃機関の出力トルク いのであるが、これらの諸量の大部分は直接観測するこ
とが極めて困難である。そこで、こうした場合には、電
子制御手段Ｍ８内に状態観測器（オブザーバ）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、 とができる。これが所謂、現代制御理論におけるオブザ
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）オーム社等に詳解されてお
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せて最小次元オブザー
バや有限整定オブザーバとして設計すればよい。

電子制御手段Ｍ８は、観測された状態変数量または上記
のオブザーバによつて推定された状態変 ０によつて設定された目標吸入空気量、アイドル回転数
設定部Ｍ９によつて設定された目標アイドル回転数と、
実際の吸入空気量、機関回転数との各々の偏差を累積し
た累積値を用いて拡大された系において、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燃料噴射弁Ｍ２およびスロットルア
クチュエータＭ４を制御する。累積値は運転状態の目標
値が内燃機関Ｍ１への要求量によつて変化することから
必要となる量である。一般にサーボ系の制御においては
目標値と実際の制御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（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。本
発明においては＝１、即ち一次型の積分を考 にこの累積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Ｆとにより帰還量を定め
れば、付加積分型最適レギュレータとして、制御対象へ
の制御入力値、即ち内燃機関Ｍ１の運転条件の諸量が定
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
述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入力（ここでは内燃機関
Ｍ１の運転条件の諸量）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） 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
られることがわかつている（前掲書他）。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つて、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
て大型コンピュータによるシミュレーションを行ない、
得られた運転状態諸量の挙動から重みパラメータを所定
量変更してシミュレーションを繰返し、最適な値を決定
しておくことができる。その結果最適フィードバックゲ
イン も定められる。

従つて、本発明の内燃機関制御装置の電子制御手段Ｍ８
は、予めシステム同定等により決定された内燃機関Ｍ１
の動的モデルを用いて付加積分型最適レギュレータＭ１
１として構成され、その内部におけるオブザーバのパラ
メータや最適フィードバックゲイン １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。

内燃機関Ｍ１の内部状態を表わす量として説明したが、
これは実際の物理量に対応した変数量である必要はな
く、内燃機関Ｍ１の状態を表わす適当な次数のベクトル
量として設計することができる。

［作 用］ 上記構成を有する本発明の内燃機関制御装置は、それぞ
れ目標吸入空気量設定部Ｍ１０により内燃機関Ｍ１への
目標吸入空気量を、アイドル回転数設定部Ｍ９により目
標アイドル回転数を算出し、付加積分型最適レギュレー
タＭ１１により、内燃機関Ｍ１の運転状態の諸量が上記
の目標値となるよう最適フィードバック量を求めて燃料
噴射弁Ｍ２およびスロットルアクチュエータＭ４の制御
を行なうよう働く。しかも、目標吸入空気量設定部Ｍ１
０は、内燃機関Ｍ１がアイドル運転に入つて機関回転数
Ｎを一定の目標アイドル回転数Ｎ^＊に制御できている場
合には、機関回転数Ｎを最小の燃料噴射量で目標アイド
ル回転数Ｎ^＊に維持するための吸入空気量を求めて、目
標吸入空気量ＡＲ^＊として設定するため、機関回転数Ｎ
を最小の燃料消費量で目標アイドル回転数Ｎ^＊に維持す
ることができ、更に、目標吸入空気量設定部Ｍ１０は、
機関回転数Ｎを目標アイドル回転数Ｎ^＊に制御できてい
ないアイドル運転開始直後や目標アイドル回転数が変化
している場合等、制御の過渡時には、機関回転数Ｎに基
づき目標吸入空気量ＡＲ^＊を設定するため、制御の過渡
時に、燃料噴射量が少なくなりすぎ制御の過渡応答性が
低下するといつたこともない。

［実施例］ 次に、本発明の実施例を図面に基づいて詳細に説明す
る。第３図は本発明の実施例における内燃機関とその周
辺装置を表わす概略構成図、第４図は内燃機関の運転状
態を制御する系の制御モデルを示す制御系統図、第５
図、第６図はそれぞれシステム同定の説明に用いるブロ
ック線図、第７図は電子制御回路において実行される制
御の一例を示すフローチャート、第８図は燃料消費を最
小とする吸入空気量を求める制御の一例を示すフローチ
ャート、第９図は本実施例の効果を説明するグラフであ
る。以下、この順に説明する。

第３図では４気筒４サイクルの内燃機関１のひとつの気
筒を中心に示しているが、吸気系２には上流から図示し
ないエアクリーナ、吸入空気流量ＡＲを測定するエアフ
ロメータ３、吸気温Ｔｈａを検出する吸気温センサ５、
吸入空気量を制御するスロットルバルブ７、サージタン
ク９、電磁式の燃料噴射弁１１等が備えられている。ま
た内燃機関１の排気は排気管１４により図示しない排気
浄化装置、消音器等を介して外部へ排出される。燃焼室
（シリンダ）はピストン１５、吸気弁１７、排気弁１
９、点火プラグ２１等から構成されているが、これらの
作動は周知のものなので説明は省略する。

内燃機関１にはこの他に冷却水の温度Ｔｈｗを検出する
冷却水温センサ２９やディストリビュータ２５内に備え
られ、内燃機関１の回転数Ｎに応じた周波数のパルス信
号を出力する回転数センサ３１や、内燃機関１の１回転
（クランク角の７２０゜）に１発のパルス信号を出力す
る気筒判別センサ３３等が備えられている。又、スロッ
トルバルブ７は直流モータを動力源とするスロットルア
クチュエータ３５によつてその開度θを制御されてい
る。尚、第３図中３７はアクセル３８の踏込量Ａｃｃを
検出するアクセル開度センサである。

以上の構成を有する内燃機関１とその周辺装置におい
て、その燃料噴射量ＦＲやスロットルバルブ開度θ等は
電子制御回路４０によつて制御されている。電子制御回
路４０はキースイッチ４１を介してバツテリ４３より電
力の供給をうけて作動しているが、周知のマイクロプロ
セツサ（ＭＰＵ）４４、ＲＯＭ４５、ＲＡＭ４６、バツ
クアツプＲＡＭ４７、入力ポート４９、出力ポート５１
等から構成され、上記各素子・ポートは相互にバス５３
により接続されている。

電子制御回路４０の入力ポート４９は、内燃機関１の運
転状態を示す信号を各センサより入力する。具体的に
は、吸入空気流量ＡＲをエアフロメータ３より、吸気温
Ｔｈａを吸気温センサ５より、機関アイドル状態である
かないかを判断するための信号をアイドルスイッチ５
５、車速センサ５６などにより冷却水温Ｔｈｗを冷却水
温センサ２９より、内燃機関１の回転数Ｎを回転数セン
サ３１より、気筒判別信号を気筒判別センサ３３より、
エアコンがオンされているかどうかを判断するための信
号をエアコンスイッチ５７より各々入力する入力部で構
成されている。

一方、出力ポート５１は、アクチュエータ３５を介して
スロットルバルブ７の開度θを、燃料噴射弁１１を開・
閉弁して燃料噴射量ＦＲを、その他、イグナイタ２４を
介して点火時期などを、個々に制御する信号を出力す
る。これら電子制御回路４０のＭＰＵ４４による処理に
ついては、点火時期制御などのための処理を除いて、後
に第６図、第７図のフローチャートに拠つて詳述する。

次に第４図の機能ブロック図に拠つて、電子制御回路４
０による処理について説明し、特にシステム同定による
状態方程式（１）、出力方程式 これに基づくオブザーバの求め方、フィードバックゲイ
ン する。尚、第４図は機能をブロックとして表わした図で
あつて、ハード構成を示すものではない。又、第４図に
示す機能は、実際には第６図のフローチャートに示した
一連のプログラムの実行による離散系として実現される
ものである。

第４図に示すように、内燃機関のアイドル回転数Ｎ^＊は
冷却水温Ｔｈｗ、エアコンスイッチ５７のオン・オフに
応じてアイドル回転数設定部Ｐ１により設定される。一
方、目標吸入空気量ＡＲ^＊は目標アイドル回転数Ｎ^＊、
実際の検出された吸入空気量ＡＲ、回転数Ｎ、内燃機関
１に噴射された燃料噴射量ＦＲから、後に第８図の説明
において詳述する手法により目標吸入空気量設定部Ｐ２
により燃料消費量を最小にする値として定められる。積
分器Ｐ３は目標アイドル回転数Ｎ^＊と実際の回転数Ｎと
の偏差ＳＮを累積して累積値ＺＮ（ｋ）を求め、積分器
Ｐ４は目標吸入空気量ＡＲ^＊と実際の吸入空気量ＡＲと
の偏差ＳＡＲを累積して累積値ＺＡＲ（ｋ）を求めるも
のである。

Ｐ５は、吸入空気量ＡＲ、回転数Ｎについて、定常的な
運転状態での各値（ＡＲａ，Ｎａ）からの摂動分を抽出
する摂動分抽出部を示している。これは、既述したよう
に、非線形なシステムに対して線形の近似を行なう為
に、内燃機関１の運転状態を、個々の定常的な運転状態
の連続とみなし、個々の定常運転近傍について線形な動
的モデルを構築して内燃機関１の運転に関する広範囲に
わたる動的なモデルを構築したことによつている。従つ
て、内燃機関１の運転状態の諸量（ＡＲ，Ｎ）を、一
旦、最も近い定常な運転状態からの摂動分δＡＲ（＝Ａ
Ｒ−ＡＲａ）、δＮ（＝Ｎ−Ｎａ）として扱うのであ
る。前記の積分器Ｐ３，Ｐ４とオブザーバＰ６とフィー
ドバック量決定部Ｐ７とによつて求められる内燃機関１
への制御入力、即ちスロットル開度θ、燃料噴射量ＦＲ
に関する操作量も、摂動分δθ、δＦＲとして扱われて
いる。

オブザーバＰ６は、運転状態の摂動分δＡＲ，δＮと制
御入力つまり運転条件の摂動分δθ，δＦＲとから内燃
機関１の内部状態を表現する状態 と上述の累積値ＺＴ（ｋ），ＺＡＲ（ｋ）とに、フィー
ドバック量決定部Ｐ７において、最適フィ ＦＲ）を求めるのである。この操作量の組（δθ，δＦ
Ｒ）は摂動分抽出部Ｐ５によつて選ばれた定常的な運転
状態に対応した運転条件からの摂動分なので、これに基
準設定値加算部Ｐ８によりこの定常的な運転条件に対応
した基準設定値θａ，ＦＲａを加えて、内燃機関１に対
する制御入力の諸量、θ、ＦＲを定めるのである。

以上、簡単にこの制御系の構成について説明したが、こ
うした運転状態（ＡＲ，Ｎ）及び運転条件（θ，ＦＲ）
を実施例として取上げたのは、これらの諸量が内燃機関
１の出力に関与する基本的な量であることによつてい
る。従つて、本実施例では内燃機関１を２入力２出力の
多元系としてとらえた。内燃機関１の出力に関与する量
としては、この他にも、例えば点火時期や排ガス還流量
なども考えられ、必要に応じてそれらを加味してシステ
ムのモデルをたてればよいが、ここでは、内燃機関１の
動的なモデルの構築には上記の２入力２出力のモデルを
用い、系の動的な振舞を変化させるものとして、他に内
燃機関１の冷却水温Ｔｈｗや吸気温Ｔｈａを用いるが、
内燃機関１の冷却水温Ｔｈｗ等は内燃機関１の制御系の
構成を変えるものではなく、その動的な振舞の様子を変
化させるにすぎない。従つて、内燃機関１の制御系につ
いてこの動的なモデルを構築する際、状態方程式 が内燃機関１の冷却水温Ｔｈｗ等に応じて定められるこ
とになる。

以上、内燃機関１のハード的な構成と内燃機関１の出力
の制御を行なうものとして２入力２出力の系を取り上げ
た場合の制御系の構成について説明した。そこで、次に
実際のシステム同定による動的モデルの構築、オブザー
バＰ６の設計、最適 る。

まず内燃機関１の動的なモデルを構築する。第５図は２
入力２出力の系として定常運転されている内燃機関１の
系を伝達関数Ｇ１（ｚ）〜Ｇ４（ｚ）により書き表わし
た図である。尚、ｚは入出力信号のサンプル値のｚ変換
を示し、Ｇ１（ｚ）〜Ｇ４（ｚ）は適当な次数をもつも
のとする。従 で表わされる。

本実施例の内燃機関１のように、その制御系が２入力２
出力の系であり、入出力の諸量に干渉が存在するような
場合には、物理的なモデルを定めることが極めて困難と
なる。このような場合には、システム同定と呼ばれる一
種のシミュレーションにより伝達関数を求めることがで
きる。

システム同定の手法は、例えば相良節夫他著、「システ
ム同定」（昭和５６年）社団法人計測自動制御学会等に
詳解されているが、ここでは最小２乗法により同定す
る。

内燃機関１を所定の運転状態で定常運転し、スロットル
開度の変化分δθを零として、燃料供給量の変化分δＦ
Ｒとしての適当な試験信号を加え、その時の入力δＦＲ
と出力である回転数の変化分δＮのデータをＮ回に亘っ
てサンプリングする。これを入力のデータ系列｛ｕ
（ｉ）｝＝｛δＦＲｉ｝、出力のデータ系列｛ｙ
（ｉ）｝＝｛δＮｉ｝（但し、ｉ＝１，２，３，……
Ｎ）と表わす。この時、系は１入力１出力とみなすこと
ができ、系の伝達関数Ｇ１（ｚ）は、 Ｇ１｛ｚ）＝Ｂ（ｚ^−１）／Ａ（ｚ^−１）……（３） 即ち、 Ｇ１（ｚ） ＝（ｂ０＋ｂ１・ｚ^−１＋…＋ｂｎｚ^−１）／ （１＋ａ１・ｚ^−１＋ａ２・ｚ＋…＋ａｎ・ｚ） …（４） で求められる。尚、ここで、ｚ^−１は単位推移演算子で
あって、ｚ^−１・ｘ（ｋ）＝ｘ（ｋ−１） を意味している。

入出力のデータ系列｛ｕ（ｉ）｝，｛ｙ（ｉ）｝から式
（４）のパラメータａ１〜ａｎ，ｂ０〜ｂｎを定めれば
系の伝達関数Ｇ１（ｚ）が求められる。最小２乗法によ
るシステム同定では、このパラメータａ１〜ａｎ，ｂ０
〜ｂｎを Ｊｏ＝Σ［｛ｙ（ｋ）＋ａ１・ｙ（ｋ−１）＋… ＋ａｎ・ｙ（ｋ−ｎ）｝−｛ｂ０・ｕ（ｋ） ＋ｂ１・ｕ（ｋ−１）＋… ＋ｂｎ・ｕ（ｋ−ｎ）｝］ ……（５） が最小となるよう定める。本実施例ではｎ＝２として、
各パラメータを求めた。この場合、系のシグナルフロー
線図は第６図のようになり、状態変数量として［×１
（ｋ）×２（ｋ）］^Ｔをとって、その状態・出力方程式
は、 と表わせられる。従って、１入力１出力の系とみ となる。

本実施例ではＧ１（ｚ）についてのパラメータとして、 ［ａ１ ａ２］＝［−1.91 0.923］ ［ｂ０ ｂ１ ｂ２］ ＝［０ 4.86×10^−３ 4.73×10^−３］ を得た。同様の手法により、伝達関数Ｇ２（ｚ）ないし
Ｇ４（ｚ）及び各々についてのシステムパラメータ れらのシステムパラメータから元の２入力２出力の多元
系のシステムパラメータ、即ち状態方程式（１）、出力
方程式（２）のベクトル を定めることができる。

こうして本実施例の動的なモデルがシステム同定により
求められたが、この、動的なモデルは、内燃機関１が所
定の状態で運転されている時、この状態の近傍では線形
の近似が成立つという形で定められる。従って、定常的
な複数の運転状態に関して、上記の手法で伝達関数Ｇ１
（ｚ）ないしＧ４（ｚ）が各々求められ、各々の状態方
程式 の間に成立することになる。

次にオブザーバＰ６の設計方法について説明する。オブ
ザーバの設計にはゴピナスの設計法などがあって、古田
勝久・佐野昭共著「基礎システム理論」（昭和５３年）
コロナ社等々に詳しいが、本実施例では有限整定オブザ
ーバとして設計する。

オブザーバＰ６は内燃機関１の運転状態の諸量の摂動分
（δＡＲ，δＮ）と運転条件の諸量の摂動分（δθ、δ
ＦＲ）とから内燃機関１の内部の オブザーバＰ６によって求められた状態変数推定量 う根拠は次の点にある。今、オブザーバＰ６の出 ある。式（１），（２），（９）より変形すると、 できる。

今、最小２乗法によってシステム同定され定められた状
態方程式（１）、出力方程式（２）のベ 準形に相似変換することができる。

式（１３），（１４），（１５）より、 となり、有限整定オブザーバを設計することがで 似変換をしたものであるが、この操作によっても状態方
程式による制御の正しさは保証されている。

以上、システム同定により求めた状態方程式 ６を設計したが、以後、このオブザーバの出力を 求める手法は、例えば「線形システム制御理論」（前掲
書）等に詳しいので、ここでは詳解は略して結果のみを
示しておく。

（ｋ）とについて、 とし、次の評価関数Ｊを最小にする最適制御入力、 Ｍ１に関する付加積分型最適レギュレータとしての制御
問題を解くことになる。

制御開始時点を０とするサンプル回数を、各々示 する所謂２次形式表現である。

の解である。尚、ここで式（１９）の評価関数Ｊの意味
は内燃機関１に対する制御入力としての運 を制約しつつ、制御出力としての運転状態の諸量 偏差を最小にしようと意図したものである。運転 ことができる。従って、すでに求めておいて内燃 求め、式（２０）により最適フィードバックゲイ により内燃機関１にとっての制御入力運転条件の れるまで以上のシミュレーションを繰返すことに た。

以上、最小２乗法によるシステム同定により内燃機関１
の制御系の動的モデルの構築、有限整定 の算出について説明したが、これらは予め求めておき、
電子制御回路４０の内部ではその結果のみを用いて実際
の制御を行なうのである。

そこで、次に、第７図のフローチャートに拠って電子制
御回路４０が実際に行なう制御について説明する。尚、
以下の説明では実現の処理において扱われている量を添
字（ｋ）付で、前回に扱われた量を添字（ｋ−１）付で
表わすことにする。ＭＰＵ４４は内燃機関１が起動した
後、繰返しステップ１００以下の処理を繰返している。
まずステップ１００では、内燃機関１の運転状態、即ち
吸入空気量ＡＲ（ｋ−１）、回転数Ｎ（ｋ−１）等を各
センサより読み込み処理を行なう。

続くステップ１１０では、冷却水温Ｔｈｗなどに基づい
て内燃機関１の目標アイドル回転数Ｎ^＊を算出し、ステ
ップ１２０では内燃機関１の目標吸入空気量ＡＲ^＊を算
出する。目標吸入空気量ＡＲ^＊は、内燃機関１の燃料消
費量を最小にすべく定められるものであって、その算出
は第８図に拠って後述する制御により行なわれる。これ
らの処理が第４図Ｐ１，Ｐ２の各設定部に相当する。

ステップ１３０では、この目標アイドル回転数Ｎ^＊と実
際に検出された回転数Ｎ（ｋ−１）の偏差ＳＮを、ま
た、この目標吸入空気量ＡＲ^＊と実際の吸入空気量ＡＲ
（ｋ−１）との偏差ＳＡＲを、各々求める処理が行なわ
れる。続くステップ１４０では、ステップ１３０で求め
た各偏差を累積する処理、即ち ＺＮ（ｋ）＝ＺＮ（ｋ−１）＋ＳＮ（ｋ−１）により累
積値ＺＮ（ｋ）を、一方ＺＡＲ（ｋ）＝ＺＡＲ（ｋ−
１）＋ＳＡＲ（ｋ−１）により累積値ＺＡＲ（ｋ）を求
める処理が行なわれる。この処理が第４図の積分器Ｐ
３，Ｐ４に相当する。

続くステップ１５０では、ステップ１００で読み込んだ
内燃機関１の運転状態から、内燃機関１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
常的な運転状態のうちで最も近い状態（以下、これを定
常点ＡＲａ，Ｎａと呼ぶ）を求める処理を行なう。ステ
ップ１６０では、ステップ１００で読み込んだ内燃機関
１の運転状態をこの定常点（ＡＲａ，Ｎａ）からの摂動
分（δＡＲ，δＮ）として求める処理を行なう。この処
理が第４図摂動分抽出部Ｐ５に相当する。

続くステップ１７０では、内燃機関１の冷却水温Ｔｈｗ
を読み込み、この水温Ｔｈｗに応じて内燃機関１の動的
モデルが変化することから、予め冷却水温Ｔｈｗ毎に用
意されたオブザーバ内のパ ステップ１８０では、ステップ１７０で選択さ た摂動分（δＡＲ，δＮ）と、前回求められた状 （ｋ−１）…×４（ｋ−１）］^Ｔと、前回求められた燃
料噴射量ＦＲ（ｋ−１）とスロットルバルブ開度θ（ｋ
−１）の摂動分δＦＲ（ｋ−１），δθ（ｋ−１）とか
ら、次式（２５）により新たな状態変数 の処理が第４図オブザーバＰ６に相当するが、本実施例
では既述した如く、オブザーバＰ６は有限整定オブザー
バとして構成されている。即ち、 の計算が行なわれるのである。

続くステップ１９０では、ステップ１８０で求 で求められた累積値ＺＮ（ｋ）、ＺＡＲ（ｋ）と、予め
用意されたステップ１７０で選択された最適フィードバ
ックゲイン、 をベクトル乗算することにより、即ち［δＦＲ （ｋ）ＺＡＲ（ｋ）］^Ｔにより操作量の摂動分δＦＲ
（ｋ）とδθ（ｋ）とを求める処理が行なわれる。これ
が第４図のフィードバック量決定部Ｐ７に相当してい
る。

ステップ２００では、ステップ１９０で求めた操作量の
摂動分δＦＲ（ｋ）、δθ（ｋ）と定常点における各操
作量ＦＲａ，θａとを加えて、実際に内燃機関１の燃料
噴射弁１１及びアクチュエータ３５へ出力される操作
量、即ち運転条件ＦＲ（ｋ），θ（ｋ）が求められる。

続くステップ２１０ではサンプリング回数を示す値ｋを
１だけインクリメントする処理を行ない、上記の一連の
処理、ステップ１００ないしステップ２１０を終わる。

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４０は内燃機関１の運転状態を目標アイドル回
転数Ｎ^＊と目標吸入空気量ＡＲ^＊に制御する付加積分型
最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。

次に、ステップ１２０の目標吸入空気量ＡＲ^＊を求める
ルーチンについて説明する。このルーチンは第８図のフ
ローチャートに図示する如く、次の手順により、同一の
アイドル回転数Ｎ（ｋ）を維持しつつ、燃料消費量を最
小にするように目標吸入空気量ＡＲ^＊を算出する。尚、
以下の説明では、本ルーチンにおける前回の目標値をＡ
Ｒ^＊（ｋ−１）で、今回算出された目標値をＡＲ
^＊（ｋ）で表わすことがある。

このルーチンはステップ３００より開始され、まず第６
図の処理において定められた目標アイドル回転数Ｎ
^＊（ｋ）が前回の値Ｎ^＊（ｋ−１）と、実際の回転数Ｎ
（ｋ）が目標アイドル回転数Ｎ^＊（ｋ）と、それぞれ等
しいか否かの判断を行なう。それらのいずれかひとつで
も成立しないような場合には、制御系は平衡に達してい
ないことから、燃料消費量を最小とするような吸入空気
量の探索は行なえないとして、処理はステップ３１０へ
移行し、内燃機関１の回転数Ｎから予め設定されたマツ
プにより与えられる吸入空気量ＡＲ（Ｎ）を目標吸入空
気量ＡＲ^＊（ｋ）として与える処理を行ない、ＮＥＸＴ
へ抜けて、本制御ルーチンを終了する。即ち、第７図の
フローチャートに還って言えば、ステップ１２０におい
て目標吸入空気量ＡＲ^＊（ｋ）を内燃機関１が過渡状態
にあるとして、マツプより定めるのである。

一方ステップ３００において、Ｎ^＊（ｋ）＝Ｎ^＊（ｋ−
１）、かつＮ（ｋ）＝Ｎ^＊（ｋ）であれば、内燃機関１
は平衡状態にあるとみなし、燃料消費量を最小とする吸
入空気量の探索を行なうために、処理はステップ３２０
へ移行する。ステップ３２０ではフラッグＦｓが１であ
るか否かの判断を行なうが燃料消費量の探索が開始され
る以前ではフラッグＦｓの値は０に初期セツトされてい
るので判断は「ＮＯ」となって処理はステップ３３０へ
進む。ステップ３３０では、回転数Ｎ（ｋ）を最小の燃
料消費量で目標アイドル回転数Ｎ^＊（ｋ）に維持できる
吸入空気量を求める探索を開始するとして、フラッグＦ
ｓを値１に、探索方向を示す係数Ｄつまり吸入空気量の
増加方向または減少方向を指定する係数Ｄを値１に、本
ルーチンの実行回数を示すカウンタＣｓを値０に、各々
設定する処理を行なう。

続くステップ３４０ではカウンタＣｓの値が０を越えて
いるか否かの判断を行なう。探索開始直後にはカウンタ
Ｃｓ＝０なので処理はステップ３５０に移行し、目標吸
入空気量ＡＲ^＊（ｋ）を前回の目標値ＡＲ^＊（ｋ−１）
よりＤ×△ＡＲだけ増量して定め、続くステップ３６０
でカウンタＣｓの値を１だけインクリメントし、ＮＥＸ
Ｔへ抜けて本ルーチンを終了する。

こうして探索が開始された後に、本ルーチンが実行され
るとステップ３２０、ステップ３４０での判断は共に
「ＹＥＳ」となって、処理はステップ３７０へ進み、燃
料質射量ＦＲ（ｋ）に関し、定常点からの摂動分δＦＲ
（ｋ）が前回の時点でのδＦＲ（ｋ−１）と較べて、ど
うなったかを判定する。δＦＲ（ｋ）−δＦＲ（ｋ−
１）の値が所定値−△Ｆ以下であれば燃料消費量は更に
減少し得るとして、そのまま探索を継続すべく、処理は
ステップ３５０以下を実行する。このことは丁度第５図
においてｂ点側からａ点側へ近づきつつあることを示し
ている。

一方、δＦＲ（ｋ）−δＦＲ（ｋ−１）の値が所定値△
Ｆ以上であれば、燃料噴射量は増加していることになる
ので探索方向を逆転すべく、ステップ３８０にて探索方
向係数Ｄの値を−１に設定し、以下、上述のステップ３
５０，３６０の処理を行なう。従って、この探索により
目標吸入空気量ＡＲ^＊（ｋ）は減少され、スロットル開
度θは閉方向に向う。第２図に即して言えば、図中ｃ点
側からａ点側へ探索する場合である。

こうして、燃料消費量を減らす方向での探索が行なわれ
ると、やがて、δＦＲ（ｋ）−δＦＲ（ｋ−１）の値が
所定の偏差±△Ｆ以内となる点が見い出される。ここが
同一目標アイドル回転数において燃料消費量を最小とす
る吸入空気量となる点である。そこで、探索は一応終了
したとして、ステップ３９０にてフラッグＦｓを値０に
設定し、続くステップ４００では、この時得られていた
目標吸入空気量ＡＲ^＊（ｋ−１）を回転数Ｎから吸入空
気量を定めるマツプの値として入替える処理を行なう。
即ちＡＲ（Ｎ）＝ＡＲ^＊（ｋ−１）である。続くステッ
プ４１０では前回定められた目標吸入空気量ＡＲ^＊（ｋ
−１）を今回も用いるとして、ＡＲ^＊（ｋ）の値をこれ
に更新し、ＮＥＸＴへ抜けて本ルーチンを終了する。

以上で、一回の探索過程を終了し、その後は冒頭の処
理、ステップ３２０，３３０，３４０より再び探索を継
続するのである。

以上、説明した如く、第７図、第８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
制御装置は、内燃機関１の回転数を目標アイドル回転数
に制御するのみならず、その燃料消費量を最小にするよ
うに働く。この時、内燃機関１を制御する系はそのフィ
ードバックゲインが最適フィードバックとなる付加積分
型最適レギュレータとなつており、スロットルバルブ開
度θと燃料噴射量ＦＲとの制御は、従来実現不可能であ
つた素早い応答性と安定性とにおいて実現されている。
従って、内燃機関１の運転者の運転フイーリグをすこし
も損うことなく、スロットルバルブ７の開度θを変化さ
せて、燃料噴射量ＦＲを最小にする制御が可能となつ
た。

しかも本実施例では、内燃機関１の冷却水温Ｔｈｗに応
じて動的なモデルが変化する為に、冷却水温Ｔｈｗによ
ってオブザーバのパラメータと最適フィードバックゲイ
ンを切換えて制御を行なっており、内燃機関１の冷却水
温Ｔｈｗによらず安定した制御を行なうことができる。

こうした優れた応答性と安定性とが実現できて初めて、
内燃機関１の燃料噴射量ＦＲを最小とするような探索が
可能となつた。従来のフィードバック制御によってアク
チュエータ３５を介してスロットルバルブ７を駆動した
としても、探索を行なうことはできても、応答性・安定
性などの面から現実の使用に耐えるものではないからで
ある。

第９図はこれを比較したものであり、一点鎖線ｒはアイ
ドル回転数の目標値Ｎ^＊（ｋ）を、実線ｇは本実施例の
制御を行なつた場合の機関回転数Ｎ（ｋ）の一例を、破
線ｂは従来のフィードバック制御を行なつた場合の機関
回転数Ｎ（ｋ）の一例を、各々示している。図より明ら
かな如く、付加積分型最適レギュレータとして構成され
た本実施例の内燃機関制御装置によれば、従来のフィー
ドバック制御より早い応答性（立ち上がり）を実現した
上でオーバーシユート、ダウンシュートもほとんど生じ
ることなくアイドル回転数の制御がなされている。内燃
機関１の機関回転数が平衡に達するまでの時間で比較す
れば１桁以上の改善が実現されており、このことが燃料
噴射量を最小とする吸入空気量の探索を現実的なものに
している。従って、マクロ的に観た場合、常時、内燃機
関１の燃料消費量は最小に制御されている。

以上の実施例では、内燃機関１を燃料噴射量ＦＲとスロ
ットル開度θを入力とし吸入空気量ＡＲ、回転数Ｎを出
力とする２入力２出力の系としてとらえ、最小２乗法に
よるシステム同定を用いて動的なモデルを構築して付加
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、この他の入出力をも加味し、
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。

［発明の効果］ 以上詳述したように、本発明の内燃機関制御装置におい
ては、アイドル回転数設定部により目標アイドル回転数
を、目標吸入空気量設定部により目標吸入空気量を、そ
れぞれ設定し、付加積分型最適レギュレータにより、機
関回転数および吸入空気量がこの設定された目標値とな
るように、燃料噴射弁およびスロットルアクチュエータ
の制御量を設定するように構成されている。また、目標
吸入空気量設定部は、機関回転数が目標アイドル回転数
と一致し且つ目標アイドル回転数が変化していなけれ
ば、機関回転数を一定としたときの吸入空気量と燃料噴
射量との相関関係に基づき、機関回転数を最小の燃料噴
射量で目標アイドル回転数に維持するための吸入空気量
を求め、この値を目標吸入空気量として設定し、逆に機
関回転数が目標アイドル回転数と一致していない場合
や、目標アイドル回転数が変化している場合等、制御の
過渡時には、目標吸入空気量を機関回転数に基づき設定
するようにされている。

従って、従来のスロットルアクチュエータ付内燃機関で
は得られなかつた高い応答性と安定性とを実現しなが
ら、内燃機関の回転数を目標アイドル回転数に制御する
と共に、その燃料消費量を最小にすることができるとい
う優れた効果を奏する。従って車載の内燃機関に適用す
れば、アイドル回転数を安定に制御し、ドライブフィー
リングを十分に好適なものとすることができるばかり
か、車両の燃費も大幅に改善されるなど、制御特性を格
段に向上させることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の基本的構成図、第２図は燃料量ＦＲと
吸入空気量ＡＲとの関係を示す定アイドル回転数線図、
第３図は本発明一実施例としての内燃機関とその周辺装
置の構成を示す概略構成図、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図は伝達関数を求める為のシグナ
ルフロー線図、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、第８
図は同じくその燃料消費量を最小にする制御ルーチンを
示すフローチャート、第９図は実施例との制御特性と従
来の制御の一例とを比較するグラフ、である。 １……内燃機関 ３……エアフロメータ ７……スロットルバルブ １１……燃料噴射弁 ３１……回転数センサ ４０……電子制御回路 ４４……ＭＰＵ。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】内燃機関の吸気管に配設される燃料噴射
   弁、および吸気通路のスロットルバルブの開度を調節す
   るスロットルアクチュエータと、 機関回転数を検出する機関回転数検出手段、吸入空気量
   を検出する吸入空気量検出手段、および機関制御のため
   のその他の運転状態を検出する運転状態検出手段と、 これら各検出手段からの検出信号に基づき、前記燃料噴
   射弁およびスロットルアクチュエータの制御量を算出
   し、該算出結果に従い前記燃料噴射弁およびスロットル
   アクチュエータをそれぞれ駆動する電子制御手段と、 を備えた内燃機関制御装置において、 前記電子制御手段に、 前記運転状態検出手段からの検出信号に基づき、内燃機
   関アイドル運転時の目標アイドル回転数を設定するアイ
   ドル回転数設定部と、 前記機関回転数に基づき内燃機関アイドル運転時の目標
   吸入空気量を設定すると共に、前記機関回転数と前記目
   標アイドル回転数とが一致し且つ目標アイドル回転数が
   定常状態にある場合には、機関回転数を一定としたとき
   の吸入空気量と燃料噴射量との相関に基づき、機関回転
   数を最小の燃料噴射量で現在の目標アイドル回転数に維
   持するための吸入空気量を求め、該吸入空気量を目標吸
   入空気量として設定する吸入空気量設定部と、 内燃機関アイドル運転時に、前記検出された機関回転数
   および吸入空気量が、それぞれ、前記設定された目標ア
   イドル回転数および目標吸入空気量となるよう、内燃機
   関の運転に関する系の動的なモデルに従つて予め定めら
   れた最適フィードバックゲインに基づき、前記燃料噴射
   弁およびスロットルアクチュエータの制御量を算出する
   付加積分型最適レギュレータと、 を設けたことを特徴とする内燃機関制御装置。
2. 【請求項２】前記付加積分型最適レギュレータが、 前記内燃機関の運転に関する系の動的なモデルに基づい
   て予め設定されたパラメータを用いて、前記内燃機関の
   運転状態と前記制御量とから該系の動的な内部状態を表
   わす適当な次数の状態変数量を推定する状態観測部と、 前記目標吸入空気量設定部、アイドル回転数設定部によ
   つてそれぞれ定められた目標吸入空気量、目標アイドル
   回転数と前記検出された運転状態諸量との各偏差を各々
   累積する累積部と、 前記系の動的なモデルに基づいて予め設定されたフィー
   ドバックゲインと前記推定された状態変数量と前記累積
   値とから、前記燃料噴射弁及びスロットルアクチュエー
   タの制御量を決定するフィードバック量決定部と、 から構成された特許請求の範囲第１項記載の内燃機関制
   御装置。