JPS6349060B2 - - Google Patents

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ダイナミツクな振舞い
（動的挙動）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（アイドルスイツチ）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） そこでこの発明の内燃機関のアイドル回転速度
制御方法は、内燃機関のアイドル時に、アイドル
回転速度の目標値Nrと実際値Ｎとの間の偏差SA
に基づいて、前記アイドル回転速度をフイードバ
ツク制御する方法であつて、予め記憶された前記
内燃機関のダイナミツクモデルに基づき、前記内
燃機関に供給される空気量もしくは該空気量に相
当する量、該内燃機関の点火時期、該内燃機関へ
の燃料供給量もしくは該燃料供給料に相当する
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た１つまたは任意の２つ以
上の組合せと、前記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、かつ該推定された状態変数量（x^_i，ｉ
＝１，２，…ｎ）と前記偏差SAを積分した量と
から前記内燃機関の制御入力値を決定し、前記ア
イドル回転速度の制御を開始したと判断した時お
よび前記内燃機関のスロツトル全閉状態を検知し
た時の前記内燃機関の回転速度に応じて、前記状
態変数量x^_iと前記回転速度の偏差SAを積分した
量とに初期値を与え、かつ前記初期値は、前記内
燃機関の実回転速度が見掛け上の目標回転速度よ
り下となるように設定され、前記ダイナミツクモ
デルは、機関のダイナミクスを代表するパラメー
タの変化に応じて切替えられることを特徴とする
ものである。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、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，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な
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。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、次のよう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、前述したように
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なう。

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。また(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図のように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 t}Ｐ （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。

さて、アイドル回転速度制御開始と判断した場
合（例えば、スロツトルが全閉状態で、かつ、所
定機関回転速度以下となつた場合）には、開始の
判断と同時に状態観測を始める訳であるが、(6)式
のアルゴリズムから判るように、推定状態の初期
値x^（０）を与えなければならない。例えば、ア
イドル回転速度制御を始めると判断した時の機関
回転速度が900rpmであり、かつ推定状態の初期
値x^（０）がその推定状態に近い値に設定されて
いるならば、以後の推定を速く確実に行なうこと
ができ、コーステイングから目標回転速度（例え
ば650rpm）に制御する際の過渡応答に対する制
御性もよくなり、コーステイングエンストを防止
することができる。

但し、同じ900rpmの時の状態でも、スロツト
ルが全閉になつたのが2000rpmでそこから回転速
度が落ちてきて900rpmになつた時と、4000rpm
でスロツトル全閉になつて回転速度が落ちてきて
900rpmになつた時では、機関の内部状態変数値
は異なり、推定状態の初期値x^（０）は、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
速度に応じて与えることで、正しい状態推定が可
能となる。つまり、アイドル回転速度制御の開始
時にスロツトルが全閉になつた時とアイドル回転
速度制御の開始時の機関回転速度に応じて状態初
期値x^（０）を与え、(6)式により計算すればよい。
この状態初期値x^（０）の値は、あらかじめ計算
機シミユレーシヨンで求めておき、例えば、スロ
ツトルが全閉になつた時の機関回転速度と、アイ
ドル制御開始時の機関回転速度の２次元テーブル
としてマイクロコンピユータに記憶しておく。

また、アイドル回転速度制御を開始すると判断
した時（この時機関回転速度が900rpmとする
と）、(12)式の₀ 〓^j=0 〔N_r−Ｎ（ｊ）〕の与え方は、本来
ならば、N_rが650rpmであれば₀ 〓^j=0 〔N_r−Ｎ（ｊ）〕
＝−250rpmと与えられるが、この場合は制御入
力値が小さくなり、第１１図Ａのように、目標ア
イドル回転速度（650rpm）に対するアンダシユ
ートを生じ、コーステイングエンストの原因とな
る。そこで、₀ 〓^j=0 〔N_r−Ｎ（ｊ）〕の値を疑似的に
大きい値、すなわち実回転Ｎ（０）を見掛け上目
標アイドル回転速度付近あるいは、目標回転より
下にあるように設定すれば、制御入力値は大きく
なり、第１１図Ｂに示すように、目標回転速度へ
の速応性が多少損われるが、アンダシユートがほ
とんどなくなり、極めて安定に制御することがで
きる。

そして、以上の初期値は、スロツトルが全閉に
なつた時とアイドル回転速度制御を開始すると判
断した時の機関回転速度に応じて与えてやる（例
えば２次元テーブルの形）。

第１２図Ａ，Ｂに、アイドル運転中空吹かしし
た場合の制御性を示す。第１２図Ａは、空吹かし
後アイドルスイツチが再び入り、この時所定回転
速度（例えば1100rpm）以下でアイドル回転制御
を開始すると判断した時（この時の機関回転速度
を例えば950rpmとする）、初期値は₀ 〓^j=0 〔N_r−Ｎ
（ｊ）〕＝−450rpmとなり、その値を用いて制御し
た場合であり、第１２図Ｂは、疑似的に300rpm
と与えた時の制御性であり、エンストを避けるた
めの安全マージンを大きくとるため、大きい初期
値を与えた結果である。第１２図Ｂに示すこの発
明の方法による場合の方が、コーステイングエン
ストを防止できることが明らかである。なお、状
態変数初期値はＡ，Ｂ共に同じ値にしている。

さて、機関１２の冷却水温度や酸素濃度センサ
の活性状態が変わると、機関のダイナミクスが変
わつてくる。

例えば、冷却水温度が10℃の時と60℃の時で
は、機関の振舞いは変わつてくる。このように、
機関のダイナミクスが大幅に変化する時は、機関
のある１つの所定条件で実験的に求められた前述
の(2)、(3)式によるダイナミツクモデルだけでは、
最適な制御を続けることは期待できないので、機
関を何らかの形で適応させることが望ましい。

従つて、機関のダイナミクスが変わつたことを
検知するパラメータ（例えば冷却水温度）を決
め、そのパラメータの種々の値に応じてダイナミ
ツクモデルを記憶しておき、そのパラメータの値
に応じてダイナミツクモデルを切り換えて制御し
ていくことで、最適な制御を続けることができ
る。この場合、状態観測器１５の定数行列Ａ，
Ｂ，Ｃ，Ｇ（(2)、(3)、(6)、(7)式）も変え、また、
（13）式の最適ゲインＫも切り換えていく。

また、酸素濃度センサが冷えて、空燃比のリツ
チ（燃料濃）−リーン（燃料薄）の判定が不能に
なると、空燃比フイードバツク制御は一定値にク
ランプされ、酸素濃度センサが不活性の間は、混
合気濃度がリツチ側かあるいはリーン側に片寄つ
てしまう。この場合、とりわけリツチ側に片寄つ
た場合は、機関のダイナミクスはかなり変化し、
アイドル回転速度の制御性の悪化を呈することに
なる。

従つて、酸素濃度センサの活性状態が変化した
場合にも、変化したその活性状態に応じて、状態
観測器１３の定数行列Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｇおよび最適
ゲインＫを切り換えていく。

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１３図Ａ，Ｂお
よび第１４図Ａ，Ｂである。

第１３図Ａ，Ｂは、冷却水温度T_wに拘らずダ
イナミツクモデルを単一とした場合Ａと、冷却水
温度T_wに応じてダイナミツクモデルを切り換え
た場合Ｂの実験結果を示す。第１３図Ａは、T_w
＝60〜80℃位でモデリングしたものを基に制御系
を設計し、その時の最適ゲインＫと状態観測器モ
デルで、冷却水温度T_wが20℃の時に空吹しを行
なつた結果であり、第１３図Ｂは、T_w＝10〜30
℃位でモデリングしたものを基に制御系を設計
し、その時の最適ゲインＫと状態観測器モデル
で、冷却水温度20℃の時に空吹しを行なつた結果
である。いずれも目標回転速度N_rは1200rpmで
ある。図から、冷却水温度T_wに応じてダイナミ
ツクモデルを切り換えた方が、良好な制御性が得
られることが判る。

第１４図Ａ，Ｂは、酸素濃度センサの活性状態
に拘らずダイナミツクモデルを単一とした場合Ａ
と、活性状態に応じてダイナミツクモデルを切り
換えた場合Ｂの実験結果を示す。第１４図Ａは、
酸素濃度センサが活性の場合でモデリングしたも
のを基に制御系を設計し、その時の最適ゲインＫ
と状態観測器モデルで、酸素濃度センサが不活性
でリツチ側に片寄つた時に空吹しを行なつた結果
であり、第１４図Ｂは、酸素濃度センサが不活性
でリツチ側に片寄つた場合でモデリングしたもの
を基に制御系を設計し、その時の最適ゲインＫと
状態観測器モデルで、酸素濃度センサがリツチ側
に片寄つた時に空吹しを行なつた結果である。図
から、酸素濃度センサの活性状態に応じてダイナ
ミツクモデルを切り換えた方が、良好な制御性が
得られることが判る。

以上説明してきた方法はフイードバツク制御で
あるが、例えばエアコン・コンプレツサ負荷、パ
ワーステアリングポンプ負荷、クラツチミートに
よる負荷等の事前にスイツチからの信号で予測で
きるような負荷が入つた場合は、上記のフイード
バツク制御に加えフイードフオワード制御を行な
うことにより、過渡時の制御性を高めることがで
きる。

一例をエアコンのオンオフについて第１５図
Ａ，Ｂを参照して説明する。第１５図Ａは通常の
フイードバツク制御で制御した場合であるが、エ
アコンオンと同時にアイドル回転速度が大きく低
下し、エアコンオフの場合はアイドル回転速度が
一時的に上昇する。第１５図Ｂはこの発明による
フイードバツク制御にエアコンオン・オフと同時
にフイードフオワード制御を加えた方法で制御を
行なつた場合である。

エアコンオン・オフ時のフイードフオワード制
御の具体的な方法は、エアコンオン時点におい
て、第１図に示すVCMバルブ２の制御ソレノイ
ド３を制御するデユーテイ信号のオンデユーテイ
パルス幅を所定量（例えば4ms）増やし、バイパ
ス空気量を増やしてやる。エアコンオフ時点にお
いては、この増分を取り去る。

以上、エアコンオン時について説明したが、エ
アコンオフ時は同様な方法で減算を行なう。

以上はエアコンのオン・オフについて説明した
が、パワーステアリングポンプからの信号やクラ
ツチスイツチからの信号によつても同様の制御が
行なえる。

第１６図Ａ，Ｂはパワーステアリングポンプ負
荷が加わつた場合の実験結果で、第１６図Ａは従
来のフイードバツク制御による場合、Ｂはフイー
ドフオワード制御を加えた場合である。

ここで、エアコンやパワステ等の接続負荷外乱
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、このような接続負荷外乱が加わつた時の最適
サーボ制御ゲインＫは、このような持続負荷外乱
がな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１７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１７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を行なつた場合を示す。第１７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１７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１７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１７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。

さて、次に、アイドル運転をしていると、機関
に予測不可能な空気の外乱が加わり、機関回転速
度が目標より上にあり、目標に近づかない状態が
継続し、制御入力であるバイパス空気量が非常に
少なくなり、また点火時期も回転低下の方向（遅
角側）に動いた状態で、急に外乱が除かれた場
合、制御入力である空気量、点火時期が急には回
転速度上昇の方向に動かないため、機関回転速度
が低下しエンストしてしまう場合がある。

例えば、エンジン始動後、水温が低い時、目標
機関回転速度は通常高くとられるが、AACバル
ブで制御されるバイパス空気量だけでは機関回転
速度を高めることができないため、エアレギユレ
ータを取り付け、外乱空気を供給し、時間経過に
より徐々に空気量を減じていく。この時、エアレ
ギユレータで供給される外乱空気量と、VCMバ
ルブ２（第１図）で供給される空気量との和が機
関に供給される総空気量となつている。この時、
エアレギユレータで供給される空気量が、水温等
で求めた目標回転速度N_rに機関を運転するのに
十分すぎる量である場合、目標N_rより上に実回
転があり、VCMバルブ２が全閉で、制御入力で
ある空気量と点火時期を最小にしてしまう。この
状態でエアレギユレータが急に閉じた場合、急に
回転が低下し、目標N_rよりかなり実回転が低く
なり、バイパス空気量、点火時期を増す方向に制
御が開始するが、空気外乱が大きく、実回転が目
標より上にある時間が長い場合、回転偏差の積分
値が大きく蓄積されていて、それをはき出すまで
に時間がかかり、実回転が目標を下まわる状態が
かなり続き、この間エンストしやすい状態となる
（第１８図Ａ）。

また、スロツトル全閉状態を検知するスロツト
ルバルブスイツチ７には不感帯があり、車両停止
時にスロツトルバルブスイツチが切れない程度に
アクセルペダルに足を乗せ、スロツトルバルブ４
が少し開いた状態が続いた場合にも前述したこと
と同様のことが起こり、その状態でアクセルをは
なすと急にスロツトルバルブ４より供給されてい
た外乱空気がなくなり、また同時に点火時期も遅
角されているため、急に機関回転速度が低下し、
エンストしやすくなる（第１９図Ａ）。

以上のような、制御不可能状態から解放された
直後の回転低下を防止するため、次のような対処
を行なう。すなわち、制御不可能となる程度の外
乱が加わつていることを、目標回転に実回転が整
定されていないのに、制御入力であるバイパス空
気量と点火時期が下限に達したことから判断し、
その後、外乱が除かれ回転が低下し、目標より小
さくなつた直後に、機関の状態変数、回転偏差積
分値をキヤンセルし、同時に、バイパス空気量、
点火時期を目標回転を実現する基準設定値（例え
ば、VCMデユーテイ27％、点火時期21゜BTDC）
となるよう設定することで、回転低下が持続する
ことを避けることができる（第１８図Ｂ、第１９
図Ｂ）。

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
３０，３１により、アイドル制御を始めるか否か
を判定する。すなわち、スロツトル全閉状態（例
えばスロツトルバルブスイツチで）になり、かつ
機関回転速度Ｎが所定回転速度N^*（例えば
1100rpm）以下の時制御を開始し、そうでない場
合は、ステツプ３３，３４でフラグ１と３を１に
セツトしてリターンする。制御をすると判断した
時は、ステツプ３２で、フラグ１を見て、初めて
制御を始めるのか否かを判定し、フラグ１≠０で
あれば初めて制御を行なうので、スロツトル全閉
にあつた時の機関回転速度と、アイドル制御を開
始すると判断した時の機関回転速度に応じて、回
転偏差の積分初期値DUNと、オブザーバで推定
し始める時の状態変数初期値を与え、フラグ１＝
０とする（ステツプ３５，３７）。またステツプ
３２でフラグ１＝０であれば、既に各初期値が与
えられ制御が始まつているとして、ステツプ３６
でフラグ１を零とする。ステツプ３８では、水温
T_wまたはO₂センサの活性状態に応じた機関ダイ
ナミクスを表わすオブザーバのモデル並びに制御
ゲインＫを選定し、特にエアコンあるいはパワス
テ等の負荷が加わつていることがわかれば、その
時の過渡特性を最適にするように制御ゲインＫを
選定する。ステツプ３９では、水温T_w、エアコ
ンオン・オフあるいはバツテリ電圧状態に応じた
目標回転速度N_rを計算する。ステツプ４０〜４
５では、制御不可能となるような空気外乱が加わ
つているかどうか、更には、加わつている時の対
処を示すフローであり、ステツプ４０で、現回転
速度Ｎが目標N_rより大きく、かつこの時制御入
力値が下限にはりついていればフラグ２＝０とし
（ステツプ４３）、その後空気外乱が除かれ、初め
て回転が低下して目標N_rを下まわつたら（ステ
ツプ４２）、下限にはりついた状態をキヤンセル
し（ステツプ４４）、ステツプ５０へ移り、制御
入力値計算を行なう。空気外乱が入つておらず、
かつ初めてアイドル制御を始めた時でない場合
（フラグ３＝０）は、ステツプ４６へ移り、回転
偏差SAを計算し、ステツプ４７で積分する。ま
た、ステツプ４８で基準回転設計値N_aとの回転
摂動分δNを計算し、ステツプ４９で状態変数の
推定を行なう。x₁ ^*〜x₃ ^*は前回計算値である。ス
テツプ５０では、以上求まつたあるいは与えられ
た状態変数値と、回転偏差積分量DUNから最適
ゲインＫ（要素をk_ijとする）を乗じて、制御入力
の基準設定値からの増分を計算する。但し、ステ
ツプ４９は、(6)式で可観測正準形（Ａ、Ｂ、Ｃ）
を用い有限整定オブザーバを形成した例であり、
（Ａ−GC）は となつている。

第６図の係数b_ij、g_i、k_ijあるいはDUN、x₁〜
x₄初期値等は、予め求めておき、マイクロコンピ
ユータ等に記憶しておく。

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Ａ，Ｂない
し第１０図Ａ，Ｂである。

第７図Ａ，Ｂ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Ａ，Ｂ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Ａ，Ｂはエアコンをオ
ンし、目標アイドル回転速度を800rpm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Ａ，Ｂ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Ａ，Ｂないし第１０図Ａ，Ｂ
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。

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、なおかつ、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、その近似誤差分
は、積分動作で吸収するようにし、ダイナミクス
が変化したら前記エンジンモデルを切替え、また
制御開始時には、以後の過渡応答で回転低下を招
かないようオブザーバ、回転偏差初期値を与えた
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。

【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はコーステイング時の制御開始時点で与える回
転偏差初期値DUNとを変えた場合の過渡応答の
実験結果を示す図、第１２図Ａ，Ｂは同じく空吹
かしの時の場合、第１３図Ａ，Ｂは水温に応じて
オブザーバモデル、制御ゲインを切り替えた時と
切り替えない場合の実験結果を示す図、第１４図
Ａ，Ｂは同じくO₂センサ活性状態に応じてモデ
ル切替えしない場合とした場合、第１５図Ａ，Ｂ
および第１６図Ａ，Ｂはそれぞれエアコン、パワ
ステ等予測できる負荷が加わる場合のフイードフ
オワード制御を加えない場合と加えた時の結果を
示す図、第１７図ａ，ｂは外乱の種類に応じて最
適制御ゲインが異なることを示す図、第１８図
Ａ，Ｂおよび第１９図Ａ，Ｂはそれぞれ制御不可
能な空気外乱が加わつた時の現状と対処後の結果
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＋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、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 (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 内燃機関のアイドル時に、アイドル回転速度
   の目標値Nrと実際値Ｎとの間の偏差SAに基づい
   て、前記アイドル回転速度をフイードバツク制御
   する内燃機関のアイドル回転速度制御方法におい
   て、予め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、前記内燃機関に供給される空気
   量もしくは該空気量に相当する量、該内燃機関の
   点火時期、該内燃機関への燃料供給量もしくは該
   燃料供給料に相当する量、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た１
   つまたは任意の２つ以上の組合せと、前記アイド
   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、かつ該推定
   された状態変数量（x^_i，ｉ＝１，２，…ｎ）と前
   記偏差SAを積分した量とから前記内燃機関の制
   御入力値を決定し、前記アイドル回転速度の制御
   を開始したと判断した時および前記内燃機関のス
   ロツトル全閉状態を検知した時の前記内燃機関の
   回転速度に応じて、前記状態変数量x^_iと前記回転
   速度の偏差SAを積分した量とに初期値を与え、
   かつ前記初期値は、前記内燃機関の実回転速度が
   見掛け上の目標回転速度より下となるように設定
   され、前記ダイナミツクモデルは、機関のダイナ
   ミクスを代表するパラメータの変化に応じて切替
   えられ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。