(57)【要約】【課題】内燃機関の制御装置に関し、統計モデルを用いた点火時期制御において目標トルクに対する実トルクの追従精度を向上させる。【解決手段】目標トルクr(k)を実現するための基本点火時期をトルクモデル６から算出する。また、内燃機関２から出力される実トルクy(k)をトルクセンサ４によって取得し、目標トルクr(k)と実トルクy(k)との間の追従誤差e(k)を算出する。そして、その追従誤差e(k)をＨ∞誤差ＦＢコントローラ８に入力して得られた点火時期補正量v(k)によって基本点火時期を補正したものを最終点火時期u(k)とする。Ｈ∞誤差ＦＢコントローラ８は、目標トルク及びトルクモデル６のモデル化誤差に起因する外乱から追従誤差までの伝達関数のＨ∞ノルムが最小となるように設計されている。【選択図】図１
2010014029.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関の目標トルクを取得する目標トルク取得手段と、
点火時期と機関トルクとの関係を表す統計モデルを用いて前記目標トルクを実現するための要求点火時期を設定する要求点火時期設定手段と、
前記要求点火時期に従って点火時期を制御する点火時期制御手段と、
前記内燃機関から実際に出力された実トルクを取得する実トルク取得手段と、
前記目標トルクと前記実トルクとの間の追従誤差を算出する追従誤差算出手段と、
前記目標トルク及び前記統計モデルのモデル化誤差に起因する外乱から前記追従誤差までの伝達関数のＨ∞ノルムが最小となるように設計されたＨ∞誤差フィードバックコントローラを有し、前記追従誤差を前記Ｈ∞誤差フィードバックコントローラに入力して得られた点火時期補正量によって前記要求点火時期を補正する要求点火時期補正手段と、
を備えることを特徴とする内燃機関の制御装置。
【請求項２】
前記要求点火時期が前記統計モデルの外挿領域で得られているか否かを判定する判定手段と、
前記要求点火時期が前記外挿領域で得られている場合のみ前記要求点火時期補正手段による前記点火時期補正量の計算を許可する許可手段と、
をさらに備えることを特徴とする請求項１記載の内燃機関の制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内燃機関の制御装置に関し、特に、点火時期と機関トルクとの関係を表す統計モデル（トルクモデル）を用いて要求点火時期を設定する制御装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
内燃機関が出力する機関トルクは、機関回転数、負荷、点火時期及び空燃比といった複数の機関パラメータによって決定される。これらの機関パラメータは点火装置、燃料噴射装置及びスロットル等のアクチュエータを操作することで調整することができる。このとき、機関パラメータと機関トルクとの関係が予め分かっていれば、その関係に基づいてアクチュエータの操作量を設定することができる。
【０００３】
機関パラメータと機関トルクとの関係は、実際に内燃機関を試験運転してデータを収集し、そのデータを統計的に解析することでモデル化することができる。トルクモデルはそのようにして作成された統計モデルである。トルクモデルを用いることで、実際の機関パラメータと機関トルクとの関係をアクチュエータの操作量を設定に正確に反映させることができ、高い精度でのトルク制御が可能になる。
【０００４】
ただし、トルクモデルがカバーできる運転領域には制約がある。例えば、機関パラメータの１つである点火時期の場合、点火時期を遅角すると排気温度が上昇し、また、トルク変動が大きくなる。このため、試験運転では点火時期の遅角量に制限が設けられている。また、トルクモデルのデータ範囲を広げると適合に要する工数が増大することになる。さらに、機関パラメータと機関トルクとの関係を関数式で近似する場合、トルクモデルのデータ範囲が広がると関数式の次数も大きくなり、結果、制御装置に搭載されるＣＰＵの負担が大きくなってしまう。
【０００５】
そこで用いられるのがトルクモデルの外挿である。トルクモデルを外挿することで、データ範囲の外側における機関パラメータと機関トルクとの関係を予測することができる。つまり、内燃機関がトルクモデルのデータ範囲の外側となる運転領域で運転されている場合であっても、トルクモデルを外挿することで機関パラメータと機関トルクとの関係を得ることができ、それに基づいてアクチュエータの操作量を設定することができる。
【０００６】
このようなトルクモデルの外挿に関する技術は、例えば、特開平７−７１３５６号公報に記載されている。特開平７−７１３５６号公報に記載された内燃機関の制御装置は、機関回転数と負荷とをパラメータとするマップを参照して点火時期を設定する場合に、所定の領域については外挿によって点火時期を求めるようにしている。
【特許文献１】特開平７−７１３５６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、トルクモデルはあくまでも観測データを関数式で近似したものであるので、実際に実現される点火時期とトルクとの関係は必ずしもトルクモデルには一致せず、トルクモデルに対してばらつきがある。このばらつきはトルクモデルの外挿領域において特に大きくなる。このため、目標トルクに基づいてトルクモデルから点火時期を決定し、その点火時期によって内燃機関を運転して実現されるトルクは、必ずしも目標トルクに一致しない。
【０００８】
目標トルクに対する実トルクの追従精度の向上という観点からは、目標トルクに対する実トルクの誤差を計測し、その誤差を点火時期の設定にフィードバックすることが考えられる。ただし、上述のように、トルクモデルはばらつきを含むため、このばらつきの影響を抑えることができなければ、単にフィードバック制御を行ったとしても目標トルクへの追従精度を向上させることは難しい。
【０００９】
本発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、統計モデルを用いた点火時期制御において目標トルクに対する実トルクの追従精度を向上させた内燃機関の制御装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記の目的を達成するため、第１の発明としての内燃機関の制御装置は、
内燃機関の目標トルクを取得する目標トルク取得手段と、
点火時期と機関トルクとの関係を表す統計モデルを用いて前記目標トルクを実現するための要求点火時期を設定する要求点火時期設定手段と、
前記要求点火時期に従って点火時期を制御する点火時期制御手段と、
前記内燃機関から実際に出力された実トルクを取得する実トルク取得手段と、
前記目標トルクと前記実トルクとの間の追従誤差を算出する追従誤差算出手段と、
前記目標トルク及び前記統計モデルのモデル化誤差に起因する外乱から前記追従誤差までの伝達関数のＨ∞ノルムが最小となるように設計されたＨ∞誤差フィードバックコントローラを有し、前記追従誤差を前記Ｈ∞誤差フィードバックコントローラに入力して得られた点火時期補正量によって前記要求点火時期を補正する要求点火時期補正手段と、
を備えることを特徴としている。
【００１１】
第２の発明は、第１の発明において、
前記要求点火時期が前記統計モデルの外挿領域で得られているか否かを判定する判定手段と、
前記要求点火時期が前記外挿領域で得られている場合のみ前記要求点火時期補正手段による前記点火時期補正量の計算を許可する許可手段と、
をさらに備えることを特徴としている。
【発明の効果】
【００１２】
第１の発明によれば、目標トルクと実トルクとの間の追従誤差がＨ∞誤差フィードバックコントローラを介して要求点火時期の設定にフィードバックされるので、統計モデルのばらつきが追従誤差に与える影響を最小まで抑えることができる。したがって、第１の発明によれば、目標トルクに対する実トルクの追従誤差を低減して高い追従精度を実現することができる。
【００１３】
第２の発明によれば、要求点火時期が統計モデルの外挿領域で得られている場合のみＨ∞誤差フィードバックコントローラを用いた点火時期補正量の計算を許可することで、ばらつきが特に大きい外挿領域での追従精度を担保しつつ、制御装置の計算負荷を全体として抑えることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、本発明の実施の形態１について図を参照して説明する。
【００１５】
図１は本発明の実施の形態１としての内燃機関の点火時期制御系統の全体を示すブロック図である。図１に示す点火時期制御系統には、内燃機関２とその点火時期を制御する制御装置とが含まれている。
【００１６】
本実施の形態の制御装置は、点火時期制御に係る計算要素としてトルクモデル６を備えている。トルクモデル６はトルクと点火時期との関係を表す統計モデルであり、実機の運転によって得た観測データに基づいて作成されている。トルクモデル６は観測データのマップの形式で、或いは、観測データから得られた関数の形で制御装置の記憶要素に記憶されている。トルクモデル６に目標トルクｒ(k)を入力することで、それを実現するための点火時期を算出することができる。
【００１７】
本実施の形態の制御装置は、内燃機関２から出力される実トルクｙ(k)を計測するトルクセンサ４を備えている。図１に示す点火時期制御系統は、実トルクｙ(k)と目標トルクｒ(k)との間にある追従誤差ｅ(k)を点火時期の設定にフィードバックするフィードバック制御系として構築されている。このフィードバック制御系には、追従誤差ｅ(k)から点火時期補正量ｖ(k)を算出するフィードバックコントローラ（以下、ＦＢコントローラ）８が備えられている。
【００１８】
このＦＢコントローラ８はＨ∞誤差ＦＢコントローラであり、本実施の形態の制御装置において重要な要素である。本実施の形態にかかるＨ∞誤差ＦＢコントローラ８の詳細については後述する。Ｈ∞誤差ＦＢコントローラ８で算出された点火時期補正量ｖ(k)はトルクモデル６で算出された点火時期（基本点火時期）に加算される。そして、基本点火時期で点火時期補正量ｖ(k)で補正した最終点火時期ｕ(k)が内燃機関２に入力される。
【００１９】
図２は、本実施の形態に係るトルクモデル６を示す図である。一般に、トルクモデルを作成するための観測データは、点火時期を固定してトルクが定常状態になるまで待機した後にトルクを計測することで得られる。点火時期とトルクとの関係は図２に示すように放物線上になることから、トルクモデルとしても点火時期とトルクとの関係を２次回帰曲線で近似したものが多い。本実施の形態に係るトルクモデル６も次式（１）に示す２次回帰曲線で表されているものとする。なお、式（１）においてｙはトルク、ｕは点火時期である。α0，α1，α2は定数であり、その値は適合によって決定される。
ｙ＝α２ｕ２＋α１ｕ１＋α０    ・・・（１）
【００２０】
式（１）に示す２次回帰曲線はあくまでも実際の点火時期とトルクとの関係を近似したものであるので、全ての観測データが２次回帰曲線上に位置しているわけではない。図２中に示すように、２次回帰曲線と観測データとの間にはばらつきが生じている。ただし、２次回帰曲線の定数α0，α1，α2は、ばらつきが所定の範囲、例えば、標準偏差σに対して−３σ〜３σの範囲に収まるように設定されている。つまり、観測データが得られている範囲であれば、式（１）に示す２次回帰曲線に目標トルクを入力することで、目標トルクを実現できる点火時期をある一定の精度で得ることができる。しかし、観測データが得られている範囲の外側、すなわち、外挿領域ではその精度を担保することはできない。外挿領域における点火時期とトルクとの関係も２次回帰曲線で近似されると仮定することができるが、内挿領域と比較すればトルクと点火時期との関係には大きなばらつきがあるものと考えられる。
【００２１】
以上のようにトルクモデル６はばらつきを含んでおり、実トルクｙ(k)と目標トルクｒ(k)との間にある追従誤差ｅ(k)にはこのばらつきが影響している。目標トルクｒ(k)に対して実トルクｙ(k)を高い精度で追従させるには、トルクモデル６に含まれるばらつきの影響を可能なかぎり抑えることができるＦＢコントローラが必要となる。本実施の形態に係るＨ∞誤差ＦＢコントローラ８は、そのような要求を満たすように設計されている。
【００２２】
以下、本実施の形態に係るＨ∞誤差ＦＢコントローラ８の設計について説明する。
【００２３】
トルクモデル６が式（１）に示すように２次式でモデル化されているため、それに対応する内燃機関２のトルク動特性は、次の式（２）のように、点火時期の現在及び過去の２次、１次に依存する項ｕ２(k)，…，ｕ２(k-nu)，ｕ(k)，…，ｕ(k-nu)と、過去のトルク出力に依存する項ｙ(k-1)，…，ｙ(k-ny)と、トルクモデル化誤差に起因する外乱項ｎ(k)とを用いて記述することができる。式（２）においてａ1，…，ａny，ｂ10，…，ｂ1nu，ｂ20，…，ｂ2nu，ｃ，ｄは定数である。これらの定数は適合によって決定されるものであり、トルクモデル６のばらつきの大きさは外乱ｎ(k)に係る定数ｄに反映される。
ｙ(k)＝ａ1ｙ(k-1)＋…＋ａnyｙ(k-ny)
＋ｂ10ｕ(k)＋…＋ｂ1nuｕ(k-nu)
＋ｂ20ｕ２(k)＋…＋ｂ2nuｕ２(k-nu)
＋ｃ＋ｄｎ(k)    ・・・（２）
【００２４】
式（２）に示すトルク動特性は内燃機関２をモデル化したものであり、以下、これを内燃機関モデルという。この内燃機関モデルを用いて図１に示す点火時期制御系を書き直したものが図３である。図３では式（２）の外乱項ｄｎ(k)のみを内燃機関モデル１２から別に取り出して示している。
【００２５】
そして、図３に示す点火時期制御系をＨ∞誤差ＦＢコントローラ８とそれ以外の要素とに分離して書き直したものが図４である。図４におけるＨ∞ＦＢ制御対象２０は、点火時期制御系を構成するＨ∞誤差ＦＢコントローラ８以外の要素であり、トルクモデル６、内燃機関モデル１２及びトルクセンサ４が含まれている。Ｈ∞誤差ＦＢコントローラ８は、目標トルクｒ(k)及び外乱ｎ(k)から追従誤差ｅ(k)までの伝達関数のＨ∞ノルムが最小となるように設計されている。なお、Ｈ∞理論に基づいてＦＢコントローラの設計方法については公知であるので、具体的な設計方法についての説明は省略する。
【００２６】
以上説明したように、本実施の形態の制御装置によれば、目標トルクｒ(k)と実トルクｙ(k)との間の追従誤差ｅ(k)がＨ∞誤差ＦＢコントローラ８を介して最終点火時期ｕ(k)の設定にフィードバックされるので、トルクモデル６のばらつきが追従誤差ｅ(k)に与える影響を最小まで抑えることができる。したがって、本実施の形態の制御装置によれば、目標トルクｒ(k)に対する実トルクｙ(k)の追従誤差ｅ(k)を低減して高いトルク追従精度を実現することができる。
【００２７】
実施の形態２．
次に、本発明の実施の形態２について図を参照して説明する。
【００２８】
図５は本発明の実施の形態２としての内燃機関の点火時期制御系統の全体を示すブロック図である。図５に示す点火時期制御系統には、内燃機関２とその点火時期を制御する制御装置とが含まれている。本実施の形態の制御装置は、実施の形態１の制御装置に新たな要素を追加した構成になっている。図５において実施の形態１と共通する要素は同一の符号を付している。以下、図５を参照して本実施の形態の制御装置の構成について説明する。ただし、実施の形態１と共通する構成についてはその説明を省略或いは簡略し、実施の形態１と異なる構成について説明するものとする。
【００２９】
本実施の形態の制御装置は、Ｈ∞誤差ＦＢコントローラ８の出力側にスイッチ１０を備えている。このスイッチ１０は信号の経路を接続／切断するものであり、スイッチ１０がオンのときにのみＨ∞誤差ＦＢコントローラ８による点火時期補正量ｖ(k)の計算が行われるようになっている。スイッチ１０のオン／オフを決定する信号はトルクモデル６から出力される基本点火時期である。基本点火時期がトルクモデル６の外挿領域で計算されているときにのみスイッチ１０はオンになる。つまり、本実施の形態の制御装置では、基本点火時期がトルクモデル６の外挿領域で計算される場合に限って、フィードバック制御系が構築されるようになっている。
【００３０】
本実施の形態の制御装置によれば、基本点火時期がトルクモデル６の外挿領域で得られている場合のみＨ∞誤差ＦＢコントローラ８を用いた点火時期補正量ｖ(k)の計算が許可されることで、ばらつきが特に大きい外挿領域での追従精度を担保しつつ、制御装置の計算負荷を全体として抑えることができる。
【００３１】
その他．
以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明は上述の実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施することができる。例えば、上述の実施の形態ではトルクモデル６を２次関数で近似しているがより高次の関数によって近似してもよい。また、上述の実施の形態では外挿領域でも同２次関数を用いているが、内挿領域と外挿領域との境界点における同２次関数の接線（１次関数）によって外挿を行ってもよい。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】本発明の実施の形態１としての内燃機関の点火時期制御系統の全体を示すブロック図である。
【図２】本発明の実施の形態１に係るトルクモデルを示す図である。
【図３】本発明の実施の形態１に係るＨ∞誤差フィードバックコントローラの設計方法について説明するための図である。
【図４】本発明の実施の形態１に係るＨ∞誤差フィードバックコントローラの設計方法について説明するための図である。
【図５】本発明の実施の形態２としての内燃機関の点火時期制御系統の全体を示すブロック図である。
【符号の説明】
【００３３】
２  内燃機関
４  トルクセンサ
６  トルクモデル
８  Ｈ∞誤差ＦＢコントローラ
１０  スイッチ
１２  内燃機関モデル
２０  Ｈ∞ＦＢ制御対象
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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