JPH0730373A - デジタルフィルタ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】デジタルフィルタの桁落ちを補償し、正確な制
御追従を実現する。 【構成】図１は一次遅れデジタルフィルタの場合のブロ
ック図で、ローパスフィルタ(LPF) である。一次遅れ
は、前回の出力値と今回の入力値との差を適切に定数倍
した量に、今回の入力値を加えて、今回の出力とする。
ここで、定数倍する所で桁落ちが発生するので、乗算手
段２で演算されるごとに生じる小数部分を積分手段３で
積算累積し、その積算結果が±１以上なら、オーバーフ
ロー検出手段４で±１の出力信号を加算手段５に送る。
加算手段５では、通常のデジタイズされた整数部の演算
に加えて、この±１の出力補正を加算することで、デジ
タイズによる桁落ちを補償する。この補正は偏差が１を
越えるごとに発生し、そのたびごとに補正されていくの
で制御が常に目標値に達することが可能である。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、コンピュータ自動制御
等に用いられるデジタルフィルタに関し、また特に、一
次以上の遅れ特性を有するデジタル式ｎ次フィルタに関
する。

【０００２】

【従来の技術】従来より、デジタルフィルタとして、図
７(a) に示すブロック図のものが提供されている。これ
は例えば数１式で示されるような差分関係を有する。

【数１】ｙ_n ＝ ｙ_n-1 ＋ Ｋ・ｘ_n 即ち、このフィルタでは、小数部がＫ・ｘ_n の項でデジ
タイズによって桁落ちし、この結果がｙ_n-1 に残って、
次の演算に影響する。つまり過去の桁落ちの影響を受
け、誤差が積算されていく問題がある。

【０００３】また、図７(b) のような構成では（特開平
2-166913号公報）、これは低域補償用（ハイパス）フィ
ルタ用の桁落ち防止手段であり、

【数２】ａ_n ＝ ａ_n-1 ＋ ｘ_n

【数３】ｙ_n ＝ Ｋ・ａ_n の数２式、数３式のように示されるが、この場合でも数
３式の項でデジタル化の桁落ちが生じてしまう。ただこ
の場合では過去の影響を受けないという利点はある。

【０００４】しかし、上記の場合に一次遅れのローパス
フィルタを当てはめてみる。まず一次遅れのローパスフ
ィルタを式で表すと、数４式で示される。

【数４】Ｙ(s) ＝ １／（１＋ＴＳ）・Ｘ(S) これをＺ変換して、

【数５】ｙ ＝ （１−Ｋ）／（１−ＫＺ^-1）・ｘ が得られる。ここで、Ｋは、

【数６】Ｋ ＝ ｅｘｐ（−Δｔ／Ｔ） （但しΔｔはサンプリング周期）である。従って、図７
(c) のようなブロック図となる。この数５式は、

【数７】 ｙ_n ＝ Ｋ・ｙ_n-1 ＋ （１─Ｋ）・ｘ_n ＝ ｘ_n ＋ Ｋ（ｙ_n-1 −ｘ_n ） のような形になって、等価変換しても図７(b) の形にな
らないので、ローパスフィルタには適用できないことが
わかる。つまり、この提案は一次遅れフィルタ処理には
用いることができない。

【０００５】また、特開平4-316208号公報の提案では、
デジタル一次遅れフィルタの桁落ち誤差を補償する提案
であるが、フィルタ定数が小さい値、例えば０．１であ
ると、制御は細かい変化に対応できるが、出力誤差の単
位１が強制的に切り替わるため制御対象が最大１０デジ
ット分の変化でステップ状の変化を受けることになり
（図８のｈに模式図として示す）、大きな変動を制御対
象に与えてしまい、図８のｉに示すような変動を制御対
象に与えてしまうという問題がある。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】上記のように、提案さ
れている方法では、一般的なフィルタに応用することは
完全とは言えず、特に一次遅れデジタルフィルタにおい
ては制御性を保ちつつ、誤差を解消するという手段が見
込めなかったことが課題である。従って本発明の目的
は、桁落ちを生じる一般的なデジタルフィルタにおい
て、演算負荷とメモリ効率を悪化させずに、また制御性
を悪化させることなく、桁落ちによる誤差をなくす補正
を与えることにある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記の課題を解決するた
めの本発明の構成は、乗算要素を有するデジタルフィル
タにおいて、前記乗算要素のフィルタ定数を乗じる乗算
手段と、前記乗算手段の乗算結果のうち、小数部に相当
する下位バイトの値を、一回の乗算毎に積分する積分手
段と、前記積分手段の演算結果で、±１以上に値がオー
バーフローしたことを検出し、オーバーフローが発生し
た時のみ±１を出力し、それ以外の時には０を出力する
オーバーフロー検出手段と、前記乗算結果のうち、整数
部に相当する上位バイトの値に、前記オーバーフロー検
出手段の出力を加算する加算手段を有することである。

【０００８】

【作用】桁落ちして、従来無視していた小数点以下の量
をサンプルごとに積算して、その量が±１を越える場合
は、累積誤差が制御最小単位量を越えることになるの
で、制御量に±１の補正をする。即ち乗算要素でデジタ
イズによる小数点以下の数値が切捨てられるので、その
演算を無視しないで保存、積算し、その誤差累積が１を
越えない様に補正する。

【０００９】

【発明の効果】本発明は、乗算要素を含んで桁落ちを生
じる、どのデジタルフィルタにも応用できる補正であ
り、とりわけ定常的な制御指示値に対して必ず追従した
値をとることができ、デジタイズ誤差を残さない。この
演算のために複雑な変更、メモリ等を必要とせず簡単に
実現できる。また、補正によって制御異常を生じない。

【００１０】

【実施例】以下、本発明を具体的な実施例に基づいて説
明する。図１は本発明を一次遅れデジタルフィルタに応
用した場合のブロック図を示している。このフィルタは
ローパスフィルタで、例えば図３に示すような自動車の
スロットルの自動制御に用いられたりする。このローパ
スフィルタのフローチャートの一例を図４に示す（後
述）。一次遅れは図７(c) に示すようなブロック図で示
され、数７式のような漸化式で表示される。この式の意
味は、前回の出力値と今回の入力値との差を適切に定数
倍した量に、今回の入力値を加えて、今回の出力とする
ことである。

【００１１】ここで、デジタルフィルタの特性として定
数倍するところで桁落ちが発生してしまう。これは、マ
イクロコンピュータで乗算の演算した結果において、整
数部分と小数部分とが得られるが、通常、小数部を無視
することから生じる。そこで本発明では、図１に示すよ
うに、乗算手段２で演算されるごとに生じる小数部分を
積分手段３で積算、累積し、その積算結果の絶対値が１
を越えたら、オーバーフロー検出手段４で±１の出力信
号を加算手段５に送る。加算手段５では、通常のデジタ
イズされた整数部の演算に加えて、この±１の出力補正
を加算することで、デジタイズによる桁落ちを補償す
る。この補正は偏差が１を越えるごとに発生し、そのた
びごとに補正されていくので制御が常に目標値に達する
ことが可能である。

【００１２】このオーバーフローの発生は、ゲインの値
設定によって、つまりシステムによって異なる。これ
は、以下のように説明される。即ち、＋１デジットが１
の制御量の変化に対してフィルタ定数（ゲイン）が０．
１であれば、０．１×１＝０．１が積分されていくの
で、１０回のサンプリングの後にオーバーフローするこ
とになる。フィルタ定数が０．２５であれば＋１デジッ
トに対する４回のサンプリングでオーバーフローとな
る。このようにゲインが細かい程サンプリングの回数も
増え、ちょうど、漸近線の如くに制御目標に追従してい
く。

【００１３】この一次遅れデジタルフィルタを図３に示
す車両のスロットルにおいてＩＳＣ（アイドルスピード
コントロール）に適用する場合について説明する。図３
で、車両２１のエンジン２２にあるスロットル２３にス
ロットルアクチュエータ２４が設けられ、ＥＣＵ（電子
制御回路）２６からの信号でスロットルバルブ２３を制
御してエンジン回転を所定の値に保つ。エンジン回転を
指示するアクセルにはアクセルポジションセンサー２５
が設けられ、操作者のアクセルの位置に応じた信号がＥ
ＣＵ２６の入力Ｉ／Ｆ２８に接続されて、エンジン回転
数が電気信号として入力される。ＥＣＵ２６ではＲＯＭ
２９に記憶されたプログラムに従って、ＣＰＵ３０が、
図示しないスロットルセンサー等からの信号を基に、制
御すべきスロットルバルブの開度を演算し、駆動回路２
７から駆動信号をアクチュエータ２４に送って制御す
る。

【００１４】この演算の際に、出力がスロットルバルブ
の角度というアナログ値であるのに対して、演算はマイ
クロコンピュータでデジタルで行うため、どうしてもデ
ジタイズの桁落ちは避けられない。また、スロットル制
御の特性として、わずかな制御量に対して比較的大きな
エンジン回転変化となるため、指示量に対してオーバー
シュートするような制御ではエンジン回転が不安定にな
る。そのため、より正確な制御性を求めると共に、ここ
で一次遅れフィルタを用い、急激な変化に対してある程
度ゆるやかな追従をさせ、車両の滑らかな発進、加速を
実現させる。その際、この一次遅れデジタルフィルタに
おいて桁落ちが累積すると正確な制御が望めないことに
なるので、本発明が適用される。

【００１５】このＩＳＣの基本的な動作をフローチャー
トにしたものが図５に示してある。ステップ２０２で、
まずアクセルの位置を検出し、操作者によって決められ
るエンジン回転指示を電気信号の形Ａp で取り込む。ス
テップ２０４で目標のスロットル開度Ｔ_TAをＥＣＵ内の
ＲＯＭのマップもしくは数式によって求め、ステップ２
０６で目標制御量Ｘを設置する。そしてステップ２０８
で適切なフィルタ定数を設定し、ステップ２１０のＬＰ
Ｆ（ローパスフィルタ）ルーチンで演算し、ステップ２
１２で実際の制御量を出力する。

【００１６】ＬＰＦルーチンは一例として図４のフロー
チャートで示される。まずステップ１０２で、入力値Ｘ
（図３の適用例の場合は目標のスロットル開度Ｔ_TA、図
１のブロック図ではｕ_n ）を基にｄＸを計算し、つまり
数７式の後半の（ｙ_n-1 −ｘ_n ）を求める。そしてステ
ップ１０４でフィルタ定数ＫLPF を乗じ、ステップ１０
６でその整数部上位２バイトと小数部下位２バイトを別
々に扱い、ステップ１０８で小数部の積算を計算し、こ
の値ＩｄＹがオーバーフローしたかどうかをステップ１
１０で判定する。オーバーフロー、即ち誤差が制御量１
単位を越えたときは、ステップ１１４で制御量に１を加
算補正する（−１であれば、−１を加算、即ち１を減
算）。なお、このフローチャートの例では、ＩｄＹのレ
ジスタが１を越えると、越えた値から１を引いた値が自
動的に残るレジスタとしているので、ＩｄＹのレジスタ
をリセットするステップは表示していない。そして、出
力値をバッファにセットして前回値として記憶し、ＬＰ
Ｆの演算が終了する。この図３の応用例では、ＬＰＦ出
力のゲイン補正ＫG を乗ずるステップ１２０を設けてい
る。

【００１７】本実施例は、一次遅れのデジタルフィルタ
に適用したが、一般的なデジタルフィルタの桁落ちを生
じる部分に応用することができる。また図２に示すよう
に一次遅れＬＰＦをｎ個連ねて、ｎ次フィルタとして
も、それぞれの桁落ちが補償されているので、全体とし
ても桁落ち誤差は累積しない。この場合、図４のフロー
チャートではステップ１０２からステップ１１６までが
一段のＬＰＦになり、１１８の流れまでがｎ回繰り返さ
れることでｎ次フィルタとなる。これにさらに図４のス
テップ１２０のようにゲイン補正をかける場合は、図６
のようにｎ次フィルタの最後に行うことで最終の桁落ち
のみ考慮すればよい。このゲイン補正が初段もしくは中
段に含まれると、そのゲイン補正部で生じた桁落ちが後
段に入り込むため、望ましくない。

【００１８】以上のように、本発明はデジタルフィルタ
の桁落ちを補償し、正確な制御追従を実現させる。この
演算のために必要となるのは定数を乗じた際の小数部を
積算するメモリのみで、プログラムのステップもわずか
に追加されるのみであり、負担がかからない大きな利点
がある。従って定数を適切に設定して追従性の優れた制
御を実現できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のデジタルフィルタのブロック図。

【図２】ｎ次デジタルフィルタの一例のブロック図。

【図３】車両のアイドルスロットル制御（ＩＳＣ）のブ
ロック図

【図４】デジタル・ローパスフィルタ・ルーチンのフロ
ーチャート図。

【図５】図３のＩＳＣのフローチャート図。

【図６】ｎ次デジタルフィルタにゲイン補正を加える場
合のブロック図。

【図７】従来のデジタルフィルタのブロック図。

【図８】従来提案によりデジタル一次遅れローパスフィ
ルタの桁落ち誤差を補償する場合の動作チャート図。

【符号の説明】

１ 減算手段 ２ 乗算手段 ３ 積分手段 ４ オーバーフロー検出手段 ５ 加算手段 ６ バッファ手段 ステップ２１０ デジタル一次遅れローパスフィルタ・
ルーチン ステップ１０８ 積分手段 ステップ１１０、１１２、１１４ オーバーフロー検出
手段 ステップ１２０ ゲイン補正

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】乗算要素を有するデジタルフィルタにおい
   て、 前記乗算要素のフィルタ定数を乗じる乗算手段と、 前記乗算手段の乗算結果のうち、小数部に相当する下位
   バイトの値を、一回の乗算毎に積分する積分手段と、 前記積分手段の演算結果で、±１以上に値がオーバーフ
   ローしたことを検出し、オーバーフローが発生した時の
   み±１を出力し、それ以外の時には０を出力するオーバ
   ーフロー検出手段と、 前記乗算結果のうち、整数部に相当する上位バイトの値
   に、前記オーバーフロー検出手段の出力を加算する加算
   手段を有することを特徴とするデジタルフィルタ。