JPS6340264B2

JPS6340264B2 -

Info

Publication number: JPS6340264B2
Application number: JP58012689A
Authority: JP
Inventors: Takashi Ueno; Tooru Takahashi
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 1983-01-31
Filing date: 1983-01-31
Publication date: 1988-08-10
Also published as: JPS59138752A

Description

【発明の詳細な説明】（技術分野）この発明は、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し、特に、コーステ
イング時並びに空吹かし時の過渡応答を改善する
制御方法に関する。

（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（VB）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、減速からア
イドル運転に入り、目標回転速度に制御する際の
制御追従性が悪く、目標回転速度に追従するまで
の制御過渡応答で目標回転速度を大きく割り、コ
ーステイングエンストしてしまうことが多く、さ
らにアイドル運転中に空吹かしをした際の過渡応
答性が悪いという問題点があつた。

そして、特に従来の手法でアイドル回転速度制
御を開始する機関回転速度範囲を固定すると、目
標回転速度が高くなつた場合、制御を開始する機
関回転速度と、目標回転速度の差が小さくなり、
コーステイングやちよい踏み（アクセルを僅かに
踏んだ状態）等で制御に入つた場合、制御の応答
が間に合わず、目標回転速度に対してアンダーシ
ユートが生じ、とりわけ外乱が加わつた時の過渡
制御性が悪化するという問題点があつた。

例えば、目標回転速度を650rpmとし、コース
テイング、ちよい踏み等でアンダーシユートが生
じないように制御開始範囲を1100rpm以下と固定
すると、エアコンコンプレツサー負荷が入り目標
回転速度が800rpmとなつた場合、制御開始と目
標回転速度との差が300rpmとなり、高回転から
のコーステイング時回転低下が急激で制御の応答
が間に合わず、目標回転速度に対して大きなアン
ダーシユートが生じる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、コーステイング時および空吹
かし時の過渡応答を改善することを目的とする。
そして特に冷却水温度が低い場合や、エアコンコ
ンプレツサー負荷が加わり、目標回転速度が変化
した時にも、安定して制御することを目的とす
る。

（発明の構成および作用）そこでこの発明は、制御入力（空気量、点火時
期、燃料供給量および排気還流量のうちから選択
されたいずれか１つまたは任意の２つ以上の組合
せ）と制御出力（アイドル回転速度）間のダイナ
ミツクモデルに基づいて多変数制御を行なう方法
において、冷却水温度が低い場合や、エアコンコ
ンプレツサ負荷が加わつた場合等、目標回転速度
N_rが変化した時には、制御開始を判断する回転
速度範囲を、目標回転速度N_rに応じて変えるこ
とを特徴とするものである。

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、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，IT，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次元化
近似されたものを使用し、近似誤差又は機関個体
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）が実験的に求まり、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、次の様なアルゴリズムを持つ状態観測
器を構成する。

x^（ｎ）＝（Ａ−GC）x^（ｎ−１）＋Bu（ｎ−１）＋Gy（ｎ−１） (6) ここで、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なう。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。

なお本発明では、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ため、
その均似誤差を吸収するための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
数変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)式の様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（積分）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＝１ −CA ０Ａ (14) ＝ −CB Ｂ (15) であり、Ｐは、Ｐ＝^tＰ−^tＰ（^tＰ＋Ｒ）^-1 ^tＰ＋１０００ (16) 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。

特に、機関の始動時や、エアコン負荷が加わり
目標回転速度N_rが高くなつた場合、制御を開始
すると判断する回転速度範囲の上限回転速度N_L
とN_rとの差が小さいため、コーステイング、ち
よい踏み等で制御を開始する場合、制御の応答が
間に合わず、目標回転速度に対してアンダーシユ
ートが生じ、とりわけ外乱が加わつた時の過渡制
御性が悪化するという問題がある。

例えば、アイドル回転速度制御を開始する回転
速度を1100rpm以下とし、目標回転速度がエアコ
ン負荷が入り、650rpmから800rpmとなつたとす
る。この時高回転からコーステイングを行なう
と、回転の落ち込みがかなり早く、1100rpmから
800rpmまで落ちる時間内にうまく制御すること
は困難である。

従つて本発明では、目標回転速度N_rに応じて、
制御を開始するエンジン回転速度N_Lを可変とし
た。

例えば、目標回転速度が650rpmの場合、コー
ステイング、ちよい踏み等で目標回転速度に対し
て大きくアンダーシユートが生じないような制御
開始回転速度を1100rpmと選んだとする。この
時、エアコン、コンプレツサ負荷が加わり目標回
転速度が800rpmとなれば、制御開始回転速度を
制御応答が間に合うように1250rpmとし、目標回
転速度に対してアンダーシユートが生じないよう
にする。

この目標回転速度に対する制御開始回転速度
は、例では目標回転速度に450rpm加算した値と
しているが、他に、目標回転速度に応じてテーブ
ルルツクアツプを行なうとか、実際の制御で目標
回転速度に対し、どの程度アンダーシユートが生
じたかにより前記テーブルを書き変えるという方
法も可能である。

以上のアイドル回転速度制御の手順を示したの
が、第６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、冷却水温度
T_wの値等によりアイドル回転速度の目標値N_rを
決める。ステツプ31では、目標回転N_rに450rpm
加えた値を制御開始上限値N_Lとし、ステツプ32
では、実際の回転ＮとN_Lを比較し、Ｎ＞N_Lなら
制御は行なわず、Ｎ≦N_Lなら制御を開始する。
ステツプ33では、アイドル回転速度の目標値N_r
と実際値Ｎの偏差SAを計算する。ステツプ34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35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36は機関のダイナミツ
クな内部状態を推定するアルゴリズムに従つて前
回の制御で推定した状態変数量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、Ａ−GC＝００００１００００１００００１０ (18) の形で、有限整定オブザーバを形成した例であ
る。なお、（Ａ、Ｂ、Ｃ）は可観測正準形を用い
ている。

ステツプ37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＝_k 〓^j=0 〔N_r−Ｎ
(j)〕に最適ゲインＫの要素k_ij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６図の係数b_ij、g_i、k_ij等は予め求めておい
て、マイクロコンピユータのROM（Read Only
Memory）等に記憶しておく。

以上の手順で、アイドル回転速度が一定の状態
における種々の外乱に対する過渡応答と、アイド
ル回転速度の目標値を変更した場合の過渡応答を
実験した結果を、従来のPI制御とこの発明によ
る多変数制御とで比較したのが第７図ないし第１
０図である。

第７図はクラツチ接続時（t₀点で半クラツチ接
続、但しブレーキを踏んでいる）のアイドル回転
速度Ｎの過渡応答を示し、Ａは従来のPI制御、
Ｂはこの発明の多変数制御の場合である。第８図
はクラツチ遮断時（t₀点で遮断）の過渡応答を示
し、Ａは従来方法、Ｂはこの発明の方法の場合で
ある。第９図はエアコンをオンし、目標アイドル
回転速度を800rpmに移行した場合、およびエア
コンをオフし、目標アイドル回転速度を650rpm
に戻した場合の過渡応答を示し、Ａは従来方法、
Ｂはこの発明の方法の場合である。第１０図は無
負荷高回転状態から目標値650rpmにコーステイ
ングする場合の過渡応答を示し、Ａは従来の方
法、Ｂはこの発明の方法の場合である。第７図な
いし第１０図から明らかなように、いずれの場合
もこの発明による方法によつて、過渡制御性が大
幅に改善されていることが判る。なお第７図Ａで
はアイドル回転速度が目標値に整定しない。

第１１図Ａ，Ｂは、目標回転N_rが800rpmで、
制御開始回転速度N_Lを1100rpm、1250rpmとし
た場合の制御結果である。図から制御開始を目標
回転速度N_rに応じて変えた方が、良好な制御性
が得られることがわかる。

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速度制御を行ない、
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、なおかつ、オブザーバ内のエンジ
ンモデルを低次元近似化したものを用いて計算時
間を短縮し、その近似誤差分は、積分動作で吸収
するようにしたため、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、目標回転速度に応じて制御を開始
する回転速度を変える構成としたため、目標回転
速度が変化した場合においても、コーステイン
グ、ちよい踏み等で大きなアンダーシユートは生
じず、過渡の制御性が増しより安定なアイドル運
転を実現することが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
図は積分動作とゲインブロツクの詳細を示す図、
第６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、第７図Ａ，Ｂはクラツチ接続時の過
渡応答の実験結果を示す図、第８図Ａ，Ｂはクラ
ツチ遮断時の過渡応答の実験結果を示す図、第９
図Ａ，Ｂはエアコンのオンオフ時の過渡応答の実
験結果を示す図、第１０図Ａ，Ｂはコーステイン
グ時の過渡応答の実験結果を示す図、第１１図
Ａ，Ｂは目標回転速度により制御を開始する回転
速度を変えない場合と変えた場合の実験結果を示
す図である。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
……積分動作とゲインブロツク、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、
N_L……アイドル回転速度制御開始を判断する回
転速度範囲の上限回転速度、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コントローラに記憶された内燃機関のダイナ
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
該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）と所定の運転状態により決め
られるアイドル回転速度の目標値N_rと実際の回
転速度値Ｎの偏差SAを積分した量とから前記制
御入力値を決定して、前記内燃機関のアイドル回
転速度をフイードバツク制御する方法において、
スロツトルが全閉になつたことを検知し、かつ他
の機関の運転状態が所定の状態になり、機関回転
速度が前記アイドル回転速度の目標値N_rに基づ
いて決められる所定の範囲内にあることを検知し
た時、アイドル回転速度制御を始めると判断し、
該判断直後、機関のダイナミツクな状態を推定し
始める時に必要な状態変数量の初期値と、前記偏
差SAの積分量の初期値を、スロツトルが全閉に
なつた時の機関回転速度と、アイドル回転速度制
御を始めると判断した時の機関回転速度に応じて
設定することを特徴とするアイドル回転速度制御
方法。