(57)【要約】      （修正有）【課題】オープン制御からスライディングモード制御へと復帰する際の制御の連続性を維持し、制御入力や制御出力のハンチングの抑止。【解決手段】操作部に与える制御入力を任意の入力Ｕopに設定するオープン制御期間は、式Ｕｅｑ＝−（ＳＢｅ）−１（ＳＡｅＸｅ＋ＳＥｅＲ）、Ｕｎｌ＝−（ＳＢｅ）−１｛ｋσ（‖σ‖＋η）−１｝に示すスライディングモードコントローラが演算するパラメータＺ及び参照するパラメータＲを式Ｚ＝−Ｓ１−１Ｓ２Ｘ、Ｒ＝−（ＳＥｅ）−１ＳＢｅ｛（ＳＢｅ）−１ＳＡｅＸｅ＋Ｕｏｐ｝に示す値に置き換える。よって切換関数σ＝０、非線形入力項Ｕnl＝０、線形入力項Ｕeq＝Ｕopとなって、任意の入力Ｕopを制御入力Ｕとしてスライディングモードコントローラから出力させうる。故にオープン制御からスライディングモード制御へと復帰する際の制御の連続性を維持でき、制御入力や制御出力のハンチングを予防可能となる。【選択図】図３
2010229965.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関またはそれに付帯する装置を操作部を操作して制御するものであって、
線形入力項Ｕeq及び非線形入力項Ｕnlの和である、操作部に与えるべき制御入力を式（数２２）に則って反復的に演算するスライディングモードコントローラと、
操作部に与える制御入力を前記スライディングモードコントローラが算出する本来の制御入力とは無関係の入力Ｕopに設定する所定の期間は、前記スライディングモードコントローラが算出するパラメータＺ及び参照するパラメータＲを式（数２３）に示す値に置き換える補正制御部と
を具備することを特徴とする制御装置。
【数２２】
2010229965.tif 000024
【数２３】
2010229965.tif 000025
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内燃機関またはそれに付帯する装置を制御する制御装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
下記特許文献１に開示されている排気ガス再循環（Ｅｘｈａｕｓｔ  Ｇａｓ  Ｒｅｃｉｒｃｕｌａｔｉｏｎ）システムは、過給機を備えた内燃機関のＥＧＲ率（または、ＥＧＲ量）を制御するものである。過給圧とＥＧＲ率との間には相互干渉が存在し、１入力１出力のコントローラで過給圧、ＥＧＲ率の両方を同時に制御することは難しい。しかも、内燃機関の運転領域によって応答性が異なる上、過給機にはターボラグ（むだ時間）がある。このような事情から、特許文献１に記載のシステムでは、非線形制御対象に対して有効な制御手法であるスライディングモード制御を採用し、相互作用を考慮した他入力多出力のコントローラを設計してＥＧＲ制御をしている。
【０００３】
通常時は、ＥＧＲバルブや可変ターボのノズルベーン、Ｄスロットルバルブといった各操作部を、スライディングモードコントローラが算出した制御入力（開度）値の通りに操作する。だが、時として、スライディングモードコントローラによる演算結果とは無関係に操作部を操作したいケースもある。例えば、減速に伴う燃料カット中は、燃料の燃焼がないのでＥＧＲ率を制御する必要性から解放される。その間、振動や騒音の抑制、あるいはダイアグノーシスの目的で、操作部を自由に操作したいという要求がある。
【０００４】
このような要求を満たすために、燃料カット中等の期間にはプラントからスライディングモードコントローラを切り離し、替わりにプラントを別のオープンコントローラで制御する切換制御機構を採用することが考えられる。しかしながら、当該期間においてもスライディングモードコントローラは制御入力の演算を継続しており、オープンコントローラによる制御からスライディングモードコントローラによる制御に切り換える時点で両コントローラの算出する制御入力値に乖離が発生していると、スライディングモード制御への復帰によって制御入力や制御出力にハンチングを引き起すおそれがあった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００７−０３２４６２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上記の問題に着目してなされた本発明は、スライディングモード制御以外の制御からスライディングモード制御に移行する際の制御の連続性を維持し、制御入力や制御出力のハンチングを抑止することを所期の目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明では、内燃機関またはそれに付帯する装置を操作部を操作して制御するものであって、線形入力項Ｕeq及び非線形入力項Ｕnlの和である、操作部に与えるべき制御入力を式（数１８）に則って反復的に演算するスライディングモードコントローラと、操作部に与える制御入力を前記スライディングモードコントローラが算出する本来の制御入力とは無関係の入力Ｕopに設定する所定の期間は、前記スライディングモードコントローラが算出するパラメータＺ及び参照するパラメータＲを式（数１９）に示す値に置き換える補正制御部とを具備する制御装置を構成した。
【０００８】
このようなものであれば、所定の期間において、切換関数σ＝０、非線形入力項Ｕnl＝０、線形入力項Ｕeq＝Ｕopとなって、スライディングモードコントローラ自体から任意の入力Ｕopを制御入力Ｕとして出力させることが可能となる。そして、その後にスライディングモード制御へと復帰する際にも制御の連続性を維持することができ、制御入力や制御出力のハンチングを予防できる。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、スライディングモード制御以外の制御からスライディングモード制御に移行する際の制御の連続性を維持でき、制御入力や制御出力のハンチングを抑止することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の一実施形態におけるＥＧＲシステムのハードウェア資源構成図。
【図２】同実施形態の制御装置の構成説明図。
【図３】同実施形態のスライディングモードコントローラのブロック線図。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
本発明の一実施形態を、図面を参照して説明する。図１に示すものは、本発明の適用対象の一であるＥＧＲシステムである。内燃機関２に付帯するこのＥＧＲシステムは、吸排気系３、４における複数の流体圧または流量に関する値を検出するための計測器（または、センサ）１１、１２と、それらの値に目標値を設定し、各値を目標値に追従させるべく複数の操作部４５、４２、３３を操作する制御装置たる電子制御装置（Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ  Ｃｏｎｔｒｏｌ  Ｕｎｉｔ）５とを具備してなる。
【００１２】
内燃機関２は、例えば過給機を備えたディーゼルエンジンである。内燃機関２の吸気系３には、可変ターボのコンプレッサ３１を配設するとともに、その下流に吸気冷却用のインタークーラ３２、及び吸入空気（新気）量を調節するＤスロットルバルブ３３を設ける。また、吸入空気量を計測する流量計１１、吸気管内圧力を計測する圧力計１２をそれぞれ設置する。
【００１３】
内燃機関２の排気系４には、コンプレッサ３１を駆動するタービン４１を配設し、タービン４１の入口には過給機のＡ／Ｒ比を増減させるためのノズルベーン４２を設ける。そして、内燃機関２の燃焼室より排出される排気ガスの一部を吸気系３に還流させるＥＧＲ通路４３を形成する。ＥＧＲ通路４３は、吸気系３におけるスロットルバルブ３３よりも下流に接続する。ＥＧＲ通路４３には、排気冷却用のＥＧＲクーラ４４と、通過する排気ガス（ＥＧＲガス）量を調節する外部ＥＧＲバルブ４５とを設ける。
【００１４】
本実施形態では、ＥＧＲ率（または、ＥＧＲ量）と、吸気管内圧力とについて各々目標値を設定し、双方の制御量を一括に目標値に向かわせるべく複数の操作部、即ちＥＧＲバルブ４５、可変ターボのノズル４２及びスロットルバルブ３３を操作する制御を実施する。
【００１５】
ＥＧＲバルブ４５、ノズルベーン４２、スロットルバルブ３３は、ＥＣＵ５により統御されてその開度をリニアに変化させる。各操作部４５、４２、３３は、駆動信号のデューティ比を増減させることで開度を変える電気式のバルブや、あるいはバキュームコントロールバルブ等と組み合わされ弁体のリフト量を制御して開度を変える機械式のバルブ等を用いてなる。
【００１６】
ＥＣＵ５は、プロセッサ、ＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ  Ａｃｃｅｓｓ  Ｍｅｍｏｒｙ）、ＲＯＭ（Ｒｅａｄ  Ｏｎｌｙ  Ｍｅｍｏｒｙ）またはフラッシュメモリ、Ａ／Ｄ変換回路、Ｄ／Ａ変換回路等を包有するマイクロコンピュータである。ＥＣＵ５は、ＥＧＲ率及び吸気管内圧力を検出するための計測器１１、１２の他、エンジン回転数、アクセルペダルの踏込量、冷却水温、吸気温、外部の気温等を検出する各種計測器（図示せず）と電気的に接続し、これら計測器から出力される信号を受け取って各値を知得することができる。
【００１７】
因みに、本実施形態では、ＥＧＲ率を直接計測していない。内燃機関２のシリンダに入る空気量は、可変ターボのノズル開度を基に予測することが可能である。その空気量の予測値をｇcylとおき、流量計１１で計測される吸入空気量をｇaとおくと、推定ＥＧＲ率ｅegrについて、ｅegr＝１−ｇa／ｇcylなる関係が成立する。ＥＣＵ５のＲＯＭまたはフラッシュメモリには予め、可変ターボのノズル開度とシリンダに入る空気量との関係を定めたマップデータが記憶されている。ＥＣＵ５は、可変ターボのノズル開度をキーとしてマップを検索し、シリンダに入る空気量の予測値を得、これと吸入空気量とを上記式に代入してＥＧＲ率を算出する。
【００１８】
並びに、ＥＣＵ５は、ＥＧＲバルブ４５、可変ターボのノズル４２、スロットルバルブ３３や、燃料噴射を司るインジェクタ及び燃料ポンプ等（図示せず）と電気的に接続しており、これらを駆動するための信号を入力することができる。
【００１９】
ＥＣＵ５で実行するべきプログラムはＲＯＭまたはフラッシュメモリに予め記憶されており、その実行の際にＲＡＭへ読み込まれ、プロセッサによって解読される。ＥＣＵ５は、プログラムに従い内燃機関２を制御する。例えば、エンジン回転数、アクセルペダルの踏込量、冷却水温等の諸条件に基づき要求される燃料噴射量（いわば、エンジン負荷）を決定し、その要求噴射量に対応する駆動信号をインジェクタ等に入力して燃料噴射を制御する。その上で、ＥＣＵ５は、プログラムに従い、図２及び図３に示すサーボコントローラ５１及び補正制御部５２としての機能を発揮する。
【００２０】
サーボコントローラ５１は、スライディングモードコントローラであって、ＥＧＲ率及び吸気管内圧力のスライディングモード制御を担う。フィードバック制御時、ＥＣＵ５は、各種計測器（図示せず）が出力する信号を受け取ってエンジン回転数、アクセル踏込量、冷却水温、吸気温、外部の気温及び気圧等を知得し、要求噴射量を決定する。続いて、少なくともエンジン回転数及び要求噴射量に基づき、目標ＥＧＲ率及び目標吸気管内圧力を設定する。ＥＣＵ５のＲＯＭまたはフラッシュメモリには予め、エンジン回転数及び要求噴射量に応じて設定するべき各目標値を示すマップデータが記憶されている。ＥＣＵ５は、エンジン回転数及び要求噴射量をキーとしてマップを検索し、ＥＧＲ率及び吸気管内圧力の目標値を得る。さらに、マップを参照して得た目標値を基本値とし、これを冷却水温、吸気温、外部の気温や気圧等に応じて補正して最終的な目標値とする。
【００２１】
そして、ＥＣＵ５は、計測器１１、１２が出力する信号を受け取ってＥＧＲ率及び吸気管内圧力の現在値を知得し、各制御量の現在値と目標値との偏差からＥＧＲバルブ４５の開度、可変ターボのノズル４２の開度及びスロットルバルブ３３の開度を演算して、各々の操作量に対応する駆動信号をそれら操作部４５、４２、３３に入力、開度を操作する。
【００２２】
ＥＧＲ率のスライディングモード制御に関して補記する。状態方程式及び出力方程式は、下式（数１）の通りである。
【００２３】
【数１】
2010229965.tif 000003
【００２４】
本実施形態では、状態量ベクトルＸを出力ベクトルＹから直接知得できる構造とする、換言すれば計測器１１、１２を介して検出可能な値を直接の制御対象とすることにより、状態推定オブザーバを排して推定誤差に伴う制御性能の低下を予防している。出力行列Ｃは既知、本実施形態では単位行列とする。
【００２５】
プラントのモデル化、即ち状態方程式（数１）における係数行列Ａ及び入力行列Ｂの同定にあたっては、各操作部４５、４２、３３に様々な周波数からなるＭ系列信号を入力して開度を操作し、ＥＧＲ率及び吸気管内圧力の値を観測して、その入出力データから行列Ａ、Ｂを同定する。各操作部４５、４２、３３に入力するＭ系列信号は、互いに無相関なものとする。これにより、各値の相互干渉を考慮したモデルを作成することができる。
【００２６】
図３に、本実施形態のスライディングモード制御系のブロック線図を示す。スライディングモードコントローラ５１の設計手順には、切換超平面の設計と、状態量を切換超平面に拘束するための非線形切換入力の設計とが含まれる。１形のサーボ系を構成するべく、当初の状態量ベクトルＸに、目標値ベクトルＲと出力ベクトルＹとの偏差の積分値ベクトルＺを付加した新たな状態量ベクトルＸeを定義すると、下式（数２）に示す拡大系の状態方程式を得る。
【００２７】
【数２】
2010229965.tif 000004
【００２８】
安定余裕を考慮し、切換超平面の設計にはシステムの零点を用いた設計手法を用いる。即ち、上式（数２）の拡大系がスライディングモードを生じているときの等価制御系が安定となるように超平面を設計する。切換関数σを式（数３）で定義すると、状態が超平面に拘束されている場合にσ＝０かつ式（数４）が成立する。
【００２９】
【数３】
2010229965.tif 000005
【００３０】
【数４】
2010229965.tif 000006
【００３１】
故に、スライディングモードが生じているときの線形入力（等価制御入力）は、下式（数５）となる。
【００３２】
【数５】
2010229965.tif 000007
【００３３】
上式（数５）の線形入力を拡大系の状態方程式（数２）に代入すると、下式（数６）の等価制御系となる。
【００３４】
【数６】
2010229965.tif 000008
【００３５】
この等価制御系が安定になるように超平面を設計することと、目標値Ｒを無視した系に対して設計することとは等価であるので、下式（数７）が成立する。
【００３６】
【数７】
2010229965.tif 000009
【００３７】
上式（数７）の系に対して安定度εを考慮し、最適制御理論を用いてフィードバックゲインを求め、それを超平面とすると、下式（数８）となる。
【００３８】
【数８】
2010229965.tif 000010
【００３９】
行列Ｐsは、リカッチ方程式（数９）の正定解である。
【００４０】
【数９】
2010229965.tif 000011
【００４１】
リカッチ方程式（数９）におけるＱsは制御目的の重み行列で、非負定な対称行列である。ｑ1、ｑ2は偏差の積分Ｚに対する重みであり、制御系の周波数応答の速さの違いにより決定する。ｑ3、ｑ4は出力Ｙに対する重みであり、ゲインの大きさの違いにより決定する。また、リカッチ方程式（数９）におけるＲsは制御入力の重み行列で、正定対称行列である。εは安定余裕係数で、ε≧０となるように指定する。
【００４２】
なお、上記式（数８）、（数９）に替えて、以下に示す離散系の超平面構築式（数１０）及び代数リカッチ方程式（数１１）を用いてもよい。
【００４３】
【数１０】
2010229965.tif 000012
【００４４】
【数１１】
2010229965.tif 000013
【００４５】
超平面に拘束するための入力の設計には、最終スライディングモード法を用いる。ここでは、制御入力Ｕを、線形入力Ｕeqと新たな入力即ち非線形入力（非線形制御入力）Ｕnlとの和として、下式（数１２）で表す。
【００４６】
【数１２】
2010229965.tif 000014
【００４７】
切換関数σを安定させたいので、σについてのリアプノフ関数を下式（数１３）のように選び、これを微分すると式（数１４）となる。
【００４８】
【数１３】
2010229965.tif 000015
【００４９】
【数１４】
2010229965.tif 000016
【００５０】
式（数１２）を式（数１４）に代入すると、下式（数１５）となる。
【００５１】
【数１５】
2010229965.tif 000017
【００５２】
非線形入力Ｕnlを下式（数１６）とすると、リアプノフ関数の微分は式（数１７）となる。
【００５３】
【数１６】
2010229965.tif 000018
【００５４】
【数１７】
2010229965.tif 000019
【００５５】
従って、切換ゲインｋを正とすれば、リアプノフ関数の微分値を負とすることができ、スライディングモードが保証される。このときの制御入力Ｕは、下式（数１８）である。
【００５６】
【数１８】
2010229965.tif 000020
【００５７】
ηはチャタリング低減のために導入した平滑化係数であって、η＞０である。
【００５８】
本実施形態では、ＥＧＲ率ｙ1及び吸気管内圧力ｙ2を制御出力変数とし、ＥＧＲバルブ４５の開度ｕ1、可変ターボのノズル４２の開度ｕ2及びスロットルバルブ３３の開度ｕ3を制御入力変数とした３入力２出力のフィードバック制御を行う。状態変数の個数（システムの次数）は、当初の系（数１）では出力変数の個数と同じく２、拡大系（数２）では４となる。制御出力及び状態量をこのように特定することで、排気ガスに直接触れる箇所に流量計等の計測器を設置する必要がなくなる。
【００５９】
尤も、本実施形態のような３入力２出力のシステムでは、ｄｅｔ（ＳＢe）＝０が成立し、行列（ＳＢe）は正則とはならない。そこで、逆行列（ＳＢe）-1を、一般化逆行列として算定する。一般化逆行列には、例えばムーア・ペンローズ型の逆行列（ＳＢe）†を用いる。
【００６０】
しかして、補正制御部５２は、操作部４５、４２、３３に与える制御入力Ｕをスライディングモードコントローラ５１が本来算出する値とは異なる任意の値Ｕopに設定する所定の期間、例えば燃料カット中のＥＧＲダイアグノーシス（ＥＧＲバルブ４５の強制開弁を伴う）等の実施期間において、スライディングモードコントローラ５１が演算する偏差の積分Ｚ及び参照する目標値Ｒを下式（数１９）に示す値に置き換える。
【００６１】
【数１９】
2010229965.tif 000021
【００６２】
Ｓ1、Ｓ2は、それぞれ切換超平面を構成する行列Ｓの部分行列である。これらＳ1、Ｓ2を用いると、切換関数σは下式（数２３）のように表すことができる。
【００６３】
【数２０】
2010229965.tif 000022
【００６４】
ｚ1はＥＧＲ率の偏差の時間積分（または、積算）、ｚ2は吸気管内圧力の時間積分である。ｘ1はＥＧＲ率に関連するプラントの状態、ｘ2は吸気管内圧力に関連するプラントの状態であるが、本実施形態ではそれぞれＥＧＲ率の実測値ｙ1、吸気管内圧力の実測値ｙ2に等しい。
【００６５】
補正制御部５２は、任意の制御入力Ｕopをスライディングモードコントローラ５１から出力させるために、非線形入力項Ｕnlを０に、並びに線形入力項ＵeqをＵopにする。非線形入力項Ｕnl＝０を満たすには、切換関数σ＝０である必要がある。式（数２０）にて、状態Ｘを強制的に変更することは制御出力Ｙを強制的に変更することと同義であり、通常のスライディングモード制御に復帰する際に出力のハンチングを引き起す原因となるおそれがある。よって、補正制御部５２は、偏差Ｚを下式（数２１）に示す値に置き換えることにより、非線形入力項Ｕnlを０にする。
【００６６】
【数２１】
2010229965.tif 000023
【００６７】
この偏差Ｚの置換が、線形入力項Ｕeqに影響を及ぼすことはない（式（数２）におけるＸe及びＡeの定義に留意）。
【００６８】
また、線形入力項Ｕeqの算出式（数１２）をＲについて解き、Ｕeq＝ＵopとなるようなＲを算出して、目標値Ｒの置換を行う。元来、目標値Ｒはステップ的に変化するものであることから、Ｒを急変させたとしても特段の支障は生じない。
【００６９】
但し、本実施形態のような３入力２出力のシステムでは、Ｓ1及び（ＳＥe）-1はともに非正方行列となり、Ｓ1-1Ｓ1＝Ｉを満たす逆行列Ｓ1-1、（ＳＥe）-1（ＳＥe）＝Ｉを満たす逆行列（ＳＥe）-1は一意には定まらない。そこで、逆行列Ｓ1-1、（ＳＥe）-1をそれぞれ一般化逆行列として算定する。一般化逆行列には、例えばムーア・ペンローズ型の逆行列Ｓ1†、（ＳＥe）†を用いる。
【００７０】
非線形入力項Ｕnl＝０とし、なおかつ目標値Ｒを式（数１９）に則って変更すれば、制御出力Ｙ如何によらず制御入力Ｕ＝Ｕopとなる。
【００７１】
操作部４５、４２、３３に与える制御入力Ｕを任意の入力Ｕopに設定する期間が終わり、プラントの制御を再びスライディングモードコントローラ５１に委ねるときには、その直前の時点における（補正制御部５２がスライディングモードコントローラ５１に強制的に与えていた）ＺをそのままＺとして引き継がせた上で、制御出力Ｙ及びあるべき目標値Ｒに応じた制御入力Ｕの演算を開始させればよい。以後、偏差の積分Ｚが徐変しつつ、制御出力Ｙをその目標値Ｒに追従させることとなる。既に述べた通り、操作部４５、４２、３３を任意の開度Ｕopとするオープン制御の最中も、σ＝０として状態Ｘeを切換超平面上に拘束し続けているので、スライディングモード制御への移行により速やかに操作部４５、４２、３３が操作されて制御入力Ｙが本来の目標Ｒに到達し得る。
【００７２】
本実施形態によれば、内燃機関２またはそれに付帯する装置を操作部４５、４２、３３を操作して制御するものであって、線形入力項Ｕeq及び非線形入力項Ｕnlの和である、操作部４５、４２、３３に与えるべき制御入力Ｕを式（数１８）に則って反復的に演算するスライディングモードコントローラ５１と、操作部４５、４２、３３に与える制御入力Ｕを前記スライディングモードコントローラ５１が本来算出する値とは無関係の値Ｕopに設定する所定の期間には、前記スライディングモードコントローラ５１が演算するパラメータＺ及び参照するパラメータＲを式（数１９）に示す値に置き換える補正制御部５２とを具備する制御装置を構成したため、当該期間において、スライディングモードコントローラ５１自体から任意の制御入力Ｕopを出力させることが可能となる。そして、その後にスライディングモード制御へと復帰する際にも制御の連続性を維持することができ、制御入力Ｕや制御出力Ｙのハンチングを予防できる。
【００７３】
なお、本発明は以上に詳述した実施形態に限られるものではない。特に、本発明の適用対象は、可変ターボ過給機及びＥＧＲ装置を備えた内燃機関には限定されない。
【００７４】
その他各部の具体的構成は、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形が可能である。
【産業上の利用可能性】
【００７５】
本発明は、例えば、過給機を備えた内燃機関に付帯するＥＧＲ装置のＥＧＲ率を制御するためのコントローラとして利用することができる。
【符号の説明】
【００７６】
５…ＥＣＵ（制御装置）
５１…スライディングモードコントローラ（サーボコントローラ）
５２…補正制御部
【図１】
2010229965.tif 000026
【図２】
2010229965.tif 000027
【図３】
2010229965.tif 000028