(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
制御対象（１１，３２）の被制御量を検出する検出手段（２７，３４）と、
前記被制御量の目標値から前記被制御量の検出値を減じることにより偏差をデジタル演算する偏差演算手段（１４，３５）と、
前記偏差に比例ゲインを乗じることにより比例操作量をデジタル演算する比例制御手段（１５，３６）と、
前記偏差がゼロの場合および前記比例操作量が非ゼロの場合には、積上値をリセットするとともに前記比例操作量を前記制御対象に出力し、前記偏差が非ゼロであって且つ前記比例操作量がゼロの場合には、前記偏差が正になっている条件で前記積上値に第１単位値を加算し、前記偏差が負になっている条件で前記積上値から第２単位値を減算し、当該加算または減算した後の積上値が正の第１しきい値に達した場合には積上操作量を第１操作値に設定して前記制御対象に出力し、前記加算または減算した後の積上値が負の第２しきい値に達した場合には前記積上操作量を第２操作値に設定して前記制御対象に出力し、これらの積上操作量を出力したことにより前記積上値をリセットし、前記加算または減算した後の積上値が前記第１しきい値および前記第２しきい値の何れにも達していない場合には、前記積上値を保持するとともに前記比例操作量またはゼロに設定した前記積上操作量を前記制御対象に出力する制御を所定の制御周期で繰り返し実行する操作量制御手段（１６，３７）とを備えていることを特徴とするフィードバック制御装置。
【請求項２】
前記第１操作値と前記第２操作値の絶対値は、前記制御対象の状態を変更可能な最小値とされていることを特徴とする請求項１記載のフィードバック制御装置。
【請求項３】
前記第１単位値と前記第２単位値は等しく、且つ、前記第１しきい値と前記第２しきい値の絶対値は等しいことを特徴とする請求項１または２記載のフィードバック制御装置。
【請求項４】
目標値に対して１型または２型の制御系であることを特徴とする請求項１から３の何れか一項に記載のフィードバック制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、デジタルフィードバック制御装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
フィードバック制御の一つである比例制御は、被制御量の目標値から検出値を減じることにより偏差を求め、その偏差に比例ゲインを乗じることにより制御対象に与える操作量を求める。オーバーシュートを抑制しながら、定常偏差が生じないように検出値を目標値に追従させるため、比例制御（Ｐ制御）と積分制御（Ｉ制御）の併用、いわゆる比例積分制御（ＰＩ制御）が用いられている（特許文献１）。
【０００３】
この定常偏差の問題とは別に、制御演算をデジタル演算により実行すると、量子化された操作量の１ＬＳＢ相当値に満たない値が切り捨てられて量子化誤差が生じるという問題がある。その結果、デジタル演算された偏差の値がゼロでないにもかかわらず操作量がゼロになる不感帯が生じ、偏差が残留し続ける状態に陥る。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００６−１７１４８０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
残留偏差を小さくするためには、比例ゲインを高くして操作量がゼロになりにくいようにすればよいが、ゲインを高くすると制御系が不安定になり易い。また、比例積分制御では、積分制御器が偏差を積分して操作量に反映させるので、不感帯から脱することができる。しかし、このような微小の偏差に対して積分演算を実行する積分制御器は、構成ビット数が大きくなり、回路規模が増大し、或いは演算時間が長くなるという問題があった。
【０００６】
本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、その目的は、偏差から操作量を得るデジタル演算の不感帯の存在により残留する偏差を低減できるフィードバック制御装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
請求項１に記載したフィードバック制御装置は、制御対象の被制御量を検出する検出手段と、被制御量の目標値から被制御量の検出値を減じることにより偏差をデジタル演算する偏差演算手段と、偏差に比例ゲインを乗じることにより比例操作量をデジタル演算する比例制御手段と、操作量制御手段とを備えている。以下に述べる積上値は、偏差が非ゼロであるにもかかわらず比例操作量がゼロになる状態、すなわち偏差が比例操作量に係るデジタル演算の不感帯にある状態を、所定の制御周期ごとに偏差の極性も考慮して積み上げた値である。
【０００８】
操作量制御手段は、以下の制御を所定の制御周期で繰り返し実行する。すなわち、偏差がゼロの場合および比例操作量が非ゼロの場合には、積上値をリセットするとともに比例操作量を制御対象に出力する。この制御は、通常の比例制御である。これに対し、偏差が非ゼロであって且つ比例操作量がゼロの場合（不感帯にある場合）には、偏差が正になっている条件で積上値に第１単位値を加算し、偏差が負になっている条件で積上値から第２単位値を減算する。
【０００９】
操作量制御手段は、上記加算または減算した後の積上値が正の第１しきい値に達した場合には、積上操作量を第１操作値に設定して制御対象に出力する。また、上記加算または減算した後の積上値が負の第２しきい値に達した場合には、積上操作量を第２操作値に設定して制御対象に出力する。これらの積上操作量を出力すると積上値をリセットする。操作量制御手段は、上記加算または減算した後の積上値が第１しきい値および第２しきい値の何れにも達していない場合には、積上値を保持するとともに比例操作量またはゼロに設定した積上操作量を制御対象に出力する。
【００１０】
すなわち、操作量制御手段は、偏差が不感帯にある場合、制御周期ごとに偏差の符号に応じて積上値に第１単位値を加算または第２単位値を減算する。そして、当該加減算した後の積上値が第１しきい値または第２しきい値に達した場合に、積上操作量を第１操作値または第２操作値に設定して制御対象に出力し、積上値をリセットする。
【００１１】
この積み上げ処理は、不感帯にある偏差に比例ゲインを乗じたときに得られる１ＬＳＢ相当値未満の操作量を、具体値に替えて偏差の符号に応じて定められた第１単位値または第２単位値に対応付け、その単位値を制御周期ごとに積上値に加減算するものである。これにより、偏差が不感帯にある場合でも偏差を操作量に反映できるようになり、残留偏差を低減することができる。本手段によれば、比例積分制御を用いる場合に比べ、積上値を保持する構成および積上値に単位値を加減算する構成を大幅に低減できる。
【００１２】
請求項２に記載した手段によれば、第１操作値と第２操作値の絶対値は、制御対象の状態を変更可能な最小値とされている。これにより、比例操作量と積上操作量の切り替え時における操作量の単調性が確保される。
【００１３】
請求項３に記載した手段によれば、第１単位値と第２単位値は等しく、且つ、第１しきい値と第２しきい値の絶対値は等しい。これにより、偏差状態の積み上げ処理が正負対称になる。
【００１４】
請求項４に記載した手段によれば、フィードバック制御装置は目標値に対して１型または２型の制御系である。１型または２型の制御系では、ステップ応答の定常偏差がゼロになる。本手段を１型または２型の制御系に適用すると、ステップ応答において検出値を高精度に目標値に一致させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】第１の実施形態を示す電子制御装置の構成図
【図２】フィードバック制御装置のフローチャート
【図３】目標電流と検出電流のデジタル値の変化を示す図
【図４】第２の実施形態を示すフィードバック制御装置のブロック構成図
【発明を実施するための形態】
【００１６】
（第１の実施形態）
第１の実施形態について図１から図３を参照しながら説明する。電子制御装置１０は、制御対象であるソレノイド１１に流れる電流をデジタル制御するもので、マイコン１２およびフィードバック制御装置１３（以下、制御装置１３と称す）から構成されている。マイコン１２は、制御装置１３に対し、ソレノイド１１に流す目標電流を出力する。制御装置１３は、プログラムに基づいて動作するソフトウェア構成とされているが、ハードウェア構成することもできる。
【００１７】
制御装置１３は、減算器１４、比例制御器１５、操作量制御部１６、ＰＷＭ制御部１７、主回路１８、電流センサ１９、アナログバッファ２０およびＡ／Ｄ変換器２１を備えている。制御装置１３は、主回路１８、アナログバッファ２０およびＡ／Ｄ変換器２１の一部の回路を除いてデジタル回路で構成されており、当該デジタル回路は共通のクロック信号に同期して動作する。
【００１８】
主回路１８は、バッテリの正極端子に繋がる電源端子２２とグランド２３との間に出力端子２４を挟んで直列に接続されたＮチャネル型のトランジスタ２５、２６から構成されている。ローサイド駆動方式であるため、ソレノイド１１は電源端子２２と出力端子２４との間に接続されている。トランジスタ２５、２６は、ＰＷＭ制御部１７から出力される駆動信号Ｇ１、Ｇ２により相補的にオンオフ駆動される。
【００１９】
この主回路１８の構成によれば、トランジスタ２６がオン、トランジスタ２５がオフすると、ソレノイド１１に流れる電流が増加する。トランジスタ２６がオフ、トランジスタ２５がオンすると、ソレノイド１１に流れる電流がトランジスタ２５を通して低損失で還流する（同期整流）。その結果、ソレノイド１１には駆動信号Ｇ２のデューティ比に応じた電流が流れる。
【００２０】
電流センサ１９は、ソレノイド１１の通電経路に介在して被制御量である電流を検出するもので、例えばホール素子を用いて構成されている。アナログバッファ２０は、電流センサ１９の出力信号をＡ／Ｄ変換に適した電圧レンジを持つ検出信号に変換する。Ａ／Ｄ変換器２１は、サンプル＆ホールド回路を具備しており、検出信号を所定のサンプリング周波数でサンプリングしてＡ／Ｄ変換することにより検出電流としてのサンプリングデータを得る。図示しないが、フィードバック制御系には、サンプリングデータからノイズを除去するデジタルフィルタが設けられている。これら電流センサ１９、アナログバッファ２０およびＡ／Ｄ変換器２１により被制御量の検出手段２７が構成されている。
【００２１】
減算器１４は、マイコン１２から与えられる目標電流から検出電流を減じることにより電流偏差（以下、偏差と称す）をデジタル演算する偏差演算手段である。比例制御器１５は、偏差に比例ゲインを乗じることにより比例操作量をデジタル演算する比例制御手段である。操作量制御部１６は、積上値演算部２８、積上操作量設定部２９および切替スイッチ３０を備えており、偏差と比例操作量に基づいて操作量を出力する。積上値演算部２８は積上値を保持している。ＰＷＭ制御部１７は、操作量に応じたデューティ比を持つ駆動信号Ｇ２とその反転信号である駆動信号Ｇ１を生成し、これら駆動信号Ｇ１、Ｇ２によりそれぞれトランジスタ２５、２６をＰＷＭ駆動する。
【００２２】
次に、図２を参照しながら制御装置１３が実行する処理を説明する。制御装置１３は、電源が供給されると、積上値演算部２８に保持されている積上値を０にリセットし（ステップＳ１）、目標電流の入力レジスタなどの各種レジスタの値および変数を初期化する。その後、制御装置１３は、ステップＳ２からＳ１６までの処理を所定の制御周期で繰り返し実行する。
【００２３】
制御装置１３は、Ａ／Ｄ変換器２１により検出信号をサンプリングおよびＡ／Ｄ変換して検出電流を求め（ステップＳ２、Ｓ３）、減算器１４により目標電流から検出電流を減じて偏差を得る（ステップＳ４）。その後、比例制御器１５により偏差に比例ゲインを乗じて比例操作量を得る（ステップＳ５）。偏差、比例ゲインおよび比例操作量は何れもデジタル値であり、１ＬＳＢ相当値未満の量は切り捨てられる。このため、比例ゲインが小さい場合には、偏差が０でないにもかかわらず比例操作量が０になる不感帯が生じる。
【００２４】
操作量制御部１６は、偏差が比例操作演算の不感帯にあるか否かを制御周期ごとに判定し、偏差が不感帯にない場合には切替スイッチ３０を介して比例操作量を出力する。一方、偏差が不感帯にある場合には、偏差の極性に応じて積上値に単位値１を加減算する。そして、積上値の絶対値がしきい値４に達すると、積上操作量を積上値の極性に応じて操作値１または−１に設定して切替スイッチ３０を介して出力する。このとき積上値を０にリセットする。これらの処理のうち、積上操作量設定部２９は積上操作量への操作値の設定処理を実行し、積上値演算部２８はその他の処理を実行する。また、単位値、しきい値および操作値の値は一例であって、他の値に変更することができる。以下、動作を具体的に説明する。
【００２５】
操作量制御部１６は、比例制御器１５で演算された比例操作量が０か否かを判定する（ステップＳ６）。比例操作量が０でない場合には偏差が不感帯にないので、切替スイッチ３０により比例操作量を選択して出力し、積上値を０にリセットする（ステップＳ７）。比例操作量が０の場合には、さらに偏差が０か否かを判定する（ステップＳ８）。偏差が０の場合は当然に比例操作量が０になるので不感帯ではなく、ステップＳ７と同様の処理を実行する。ステップＳ７の処理は通常の比例制御である。
【００２６】
操作量制御部１６は、偏差が０ではなく且つ比例操作量が０である場合に（ステップＳ８：ＮＯ）、偏差が不感帯にあると判定する。操作量制御部１６は、偏差の符号判定を行い（ステップＳ９）、偏差が正の場合には積上値に単位値１を加算し（ステップＳ１０）、偏差が負の場合には積上値から単位値１を減算する（ステップＳ１１）。
【００２７】
続いて、操作量制御部１６は、積上値の絶対値がしきい値４よりも小さいか否かを判定する（ステップＳ１２）。しきい値４よりも小さい場合には、積上操作量を０に設定し、切替スイッチ３０により積上操作量を選択して出力する。このとき積上値は保持する（ステップＳ１３）。一方、積上値の絶対値がしきい値４以上の場合には、積上値の符号判定を行う（ステップＳ１４）。
【００２８】
積上値が正の場合には、積上操作量を操作値１に設定し、切替スイッチ３０により積上操作量を選択して出力し、積上値を０にリセットする（ステップＳ１５）。積上値が負の場合には、積上操作量を操作値−１に設定し、切替スイッチ３０により積上操作量を選択して出力し、積上値を０にリセットする（ステップＳ１６）。操作値１、−１は、ＰＷＭ制御部１７を介してソレノイド１１に流れる電流を変更可能な最小値である。操作量制御部１６は、ステップＳ７、Ｓ１３、Ｓ１５、Ｓ１６の処理の後、再びステップＳ２の処理に戻る。
【００２９】
以上説明した操作量制御部１６の処理によれば、偏差が不感帯にあるため比例操作量が０となる場合でも、偏差の符号に応じて単位値を制御周期ごとに積上値に加減算することにより、偏差の状態を積み上げて積上操作量を作り出すことができる。これにより、偏差が不感帯にある場合でも偏差を操作量に反映でき、残留偏差を低減することができる。
【００３０】
制御装置１３が目標電流に対して１型または２型のフィードバック制御系である場合、すなわち一巡伝達関数が原点に１つ以上の極を持つ場合には、目標電流に対するステップ応答時に定常偏差が残らない。このため、検出電流が目標電流に近付くに従い偏差が小さくなり不感帯に入り易くなる。制御装置１３によれば、このような制御系であっても検出電流を高精度に目標電流に一致させることができる。
【００３１】
図３は、一定の割合で目標電流を増やしたときの検出電流のデジタル値を示すシミュレーション波形である。比較のため、操作量制御部１６を具備しない従来構成の制御装置を用いたときの検出電流のデジタル値も示している。本実施形態の制御装置１３を用いると、ソレノイド１１に流れる電流を目標電流に対して±１ＬＳＢの誤差範囲内で制御できる。これに対し、従来構成の制御装置を用いると、比例制御演算に係る不感帯の影響により残留偏差が大きくなる。
【００３２】
既述したように、比例制御に替えて比例積分制御を用いれば、積分制御器が偏差を積分して操作量に反映させるので不感帯から脱することができる。しかし、１ＬＳＢ程度の微小の偏差に対しても積分演算を実行可能な積分制御器は回路規模が大きくなる。本実施形態の操作量制御部１６は、こうした比例積分制御器に比べ回路規模を小さく構成できる。
【００３３】
本実施形態では、偏差が正の場合に加算する第１単位値と偏差が負の場合に減算する第２単位値を等しく設定し、積上値と比較する正の第１しきい値と負の第２のしきい値の絶対値を等しく設定した。さらに、積上値が第１しきい値に達したときに積上操作量に設定する第１操作値と、積上値が第２しきい値に達したときに積上操作量に設定する第２操作値の絶対値を等しく設定した。これにより、偏差状態の積み上げ処理が正負対称になり、不感帯にある偏差による積上操作量の変化が正負対称に生じる。
【００３４】
（第２の実施形態）
第２の実施形態について図４を参照しながら説明する。フィードバック制御装置３１（以下、制御装置３１と称す）は、制御対象３２の被制御量が目標値に一致するように制御周期ごとに比例制御するもので、例えばＡＳＩＣにより構成されている。制御装置３１は、目標値を入力する目標値入力部３３、被制御量を検出する被制御量検出部３４、目標値から検出値を減じた偏差を演算する偏差演算部３５、偏差に比例ゲインを乗じて比例操作量を演算する比例制御部３６、偏差と比例操作量を入力して最終的な操作量を出力する操作量制御部３７、初期化部３８などから構成されている。
【００３５】
制御装置３１もデジタル値で演算を行うので、第１の実施形態と同様に、偏差が０でないにもかかわらず比例操作量が０になる不感帯が生じる。操作量制御部３７は、偏差が比例操作演算の不感帯にあるか否かを制御周期ごとに判定し、偏差が不感帯にない場合には比例操作量を操作量として出力する。偏差が不感帯にある場合には、偏差の極性に応じて積上値に第１単位値または第２単位値を加減算する。そして、積上値の絶対値が第１しきい値または第２しきい値に達すると、積上操作量を積上値の極性に応じて第１操作値または第２操作値に設定し、その積上操作量を操作量として出力する。以下、具体的な動作を説明する。
【００３６】
制御装置３１に電源が供給されると、初期化部３８は、目標値入力部３３のレジスタを０にリセットし、後述する操作量切替部４２を比例操作量の切り替え状態に初期化し、後述する積上値保持部４５の積上値を０にリセットする。偏差の有無判定部３９は、偏差の有無すなわち偏差が０か否かを判定する。比例操作量の有無判定部４０は、比例操作量の有無すなわち比例操作量が０か否かを判定する。
【００３７】
操作量切替判定部４１は、比例操作量が０でない場合および偏差が０である場合、すなわち偏差が不感帯にない場合に比例操作量への切替信号を出力する。偏差の有無判定部３９は、偏差が０であると判定すると後述する積上値保持部４５に初期化信号を出力する。これに対し、操作量切替判定部４１は、比例操作量が０であって且つ偏差が０でない場合、すなわち偏差が不感帯にある場合に積上操作量への切替信号を出力する。操作量切替部４２は、切替信号に従って比例操作量または積上操作量を選択し、その操作量を制御対象３２に出力する。
【００３８】
偏差符号判定部４３は、偏差が正か負かを判定する。積上値加減算部４４は、偏差が不感帯にある場合、偏差が正のときに積上値保持部４５の積上値に第１単位値を加算し、偏差が負のときに積上値保持部４５の積上値から第２単位値を減算する。第１単位値と第２単位値は何れも正の値である。積上値保持部４５の積上値は、初期化信号が入力されると０にリセットされる。
【００３９】
積上値判定部４６は、積上値が正の第１しきい値または負の第２しきい値に達したか否かを判定する。積上値符号判定部４７は、積上値が正か負かを判定する。積上操作量設定部４８は、積上値が何れのしきい値にも達していない場合には積上操作量を０に設定する。積上操作量設定部４８は、積上値が第１しきい値に達すると積上操作量を正の第１操作値に設定し、積上値が第２しきい値に達すると積上操作量を負の第２操作値に設定する。設定された積上操作量は操作量切替部４２に与えられる。積上操作量設定部４８は、積上操作量を第１操作値または第２操作値に設定すると、積上値保持部４５に初期化信号を出力する。
【００４０】
本実施形態によれば、第１の実施形態と同様に、比例制御において偏差が不感帯にある場合でも、偏差に基づいて操作量を作り出すことができ、残留偏差を低減することができる。また、比例積分制御を用いる場合に比べ回路規模を小さく構成できる。第１単位値と第２単位値を異なる値に設定し、第１しきい値と第２しきい値の絶対値を異なる値に設定し、または第１操作値と第２操作値の絶対値を異なる値に設定すれば、偏差状態の積み上げ処理を正負非対称に構成できるので種々の非線形な制御対象にも適用可能となる。
【００４１】
（その他の実施形態）
以上、本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、発明の要旨を逸脱しない範囲内で種々の変形、拡張を行うことができる。
【００４２】
第１の実施形態においても、第１単位値と第２単位値を異なる値に設定し、第１しきい値と第２のしきい値の絶対値を異なる値に設定し、または第１操作値と第２操作値の絶対値を異なる値に設定してもよい。
【００４３】
第１、第２の実施形態において、操作値（第１操作値、第２操作値）の絶対値は、制御対象の状態を変更可能な最小値（例えば１）とすることが好ましい。これにより、比例操作量と積上操作量の切り替え時における操作量の単調増加性または単調減少性が確保される。
【００４４】
第１、第２の実施形態において、加算または減算した後の積上値がしきい値に達していない場合には、積上値を保持するとともに比例操作量を選択して制御対象に出力してもよい。
【符号の説明】
【００４５】
図面中、１１はソレノイド（制御対象）、１４は減算器（偏差演算手段）、１５は比例制御器（比例制御手段）、１６、３７は操作量制御部（操作量制御手段）、２７は検出手段、３２は制御対象、３４は被制御量検出部（検出手段）、３５は偏差演算部（偏差演算手段）、３６は比例制御部（比例制御手段）である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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