(57)【要約】【課題】  この発明は、内燃機関の可動体の線形制御システムに関し、静止摩擦力の影響を強く受ける内燃機関の可動体を精度良く制御することを目的とする。【解決手段】  電子スロットル１２の動作をスロットルポジションセンサで検知する。電子スロットル１２が静止摩擦力Ktの影響を受けずに可動するとの前提の下で、目標のスロットル開度θを得るために必要な実効目標トルクu(t)を設定する。電子スロットル１２の停止時に最大静止摩擦力を相殺する入力補正値を算出し、また、それ以外の場合に入力補正値を０とする静止摩擦除去FBブロック２２を設ける。上記の入力補正値を実効目標トルクu(t)に加えて最終的な入力トルクτ(t)を算出し、そのトルクτ(t)を電子スロットル１２に与える。【選択図】      図４
2006046201.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関の物理的状態を変化させるための可動体を線形制御するための線形制御システムであって、
前記可動体の動作を検知する動作検知手段と、
前記可動体が静止摩擦力の影響を受けずに可動するとの前提の下で、当該可動体に目標変位を生じさせるのに必要な実効目標入力を設定する実効目標入力設定手段と、
前記可動体の停止時にゼロでない実効目標入力が設定された場合に、当該実効目標入力の向きと当該可動体に作用する最大静止摩擦力の大きさとを表す入力補正値を算出し、また、それ以外の場合に前記入力補正値を基準の値に設定する静止摩擦除去フィードバックモデルと、
前記入力補正値を用いて前記実効目標入力を修正することにより最終目標入力を設定する最終目標入力設定手段と、
前記最終目標入力を前記可動体に与える可動体駆動手段と、
を備えることを特徴とする内燃機関可動体の線形制御システム。
【請求項２】
内燃機関の物理的状態を変化させるための可動体を線形制御するための線形制御システムであって、
前記可動体の動作を検知する動作検知手段と、
前記可動体に駆動力を与えるアクチュエータと、
前記可動体が静止摩擦力の影響を受けずに可動するとの前提の下で、当該可動体に目標変位を生じさせるのに必要な実効目標駆動力を設定する実効目標駆動力設定手段と、
前記可動体の停止時にゼロでない実効目標駆動力が設定された場合に、当該実効目標駆動力の向きと当該可動体に作用する最大静止摩擦力の大きさとを表す駆動力補正値を算出し、また、それ以外の場合に前記駆動力補正値を基準の値に設定する静止摩擦除去フィードバックモデルと、
前記アクチュエータの発する駆動力に、前記駆動力補正値に対応する変化を生じさせるために、当該アクチュエータに対する供給電力に施すべき電力補正値を算出する電力補正値算出手段と、
前記アクチュエータに電力を供給するアクチュエータ駆動回路と、
前記実効目標駆動力を前記アクチュエータ駆動回路に供給するべき実効目標電力に変換する駆動力電力変換手段と、
前記電力補正値を用いて前記実効目標電力を修正することにより前記アクチュエータ駆動回路に供給される最終目標電力を設定する最終目標電力設定手段と、
を備えることを特徴とする内燃機関可動体の線形制御システム。
【請求項３】
前記アクチュエータは電動機であり、
前記電力補正値、前記実効目標電力、および前記最終目標電力は、それぞれ、電流補正値、実効目標電流、および最終目標電流であることを特徴とする請求項２記載の内燃機関可動体の線形制御システム。
【請求項４】
前記静止摩擦除去フィードバックモデルは、
前記可動体の動作状態および前記実効目標駆動力を、所定のサンプリング周期Δt毎に取り込むデータサンプリング手段と、
サンプリング時刻t以前に、サンプリング時刻tおよびサンプリング時刻t+Δtにおける可動体の動作方向を取得する動作方向取得手段と、
サンプリング時刻t以前に、サンプリング時刻tにおける動作方向と、サンプリング時刻Δt+tにおける動作方向とに反転が認められるか否かを判別する反転判別手段と、
前記反転が認められる場合に、サンプリング時刻tの時点で、前記可動体が停止状態にあるとみなす停止状態みなし手段と、
を含むことを特徴とする請求項１乃至３の何れか１項記載の内燃機関可動体の線形制御システム。
【請求項５】
請求項１乃至５の何れか１項記載の内燃機関可動体の線形制御システムを設計するステップと、
前記線形制御システムが想定していない不確定要素の大きさを見積もるステップと、
前記線形制御システムの逆関数を利用したフィードフォワード系を設計するステップと、
前記線形制御システムを線形H無限大制御に当てはめることにより前記線形制御システムのフィードバック系を設計するステップと、
前記フィードバック系、前記フィードフォワード系、前記不確定要素の大きさの見積もり結果、および前記線形制御システムを組み合わせて前記可動体の制御装置を構築するステップと、
を含むことを特徴とする内燃機関可動体の制御装置の設計方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、内燃機関可動体の線形制御システム、および内燃機関可動体の制御装置の設計方法に係り、特に、静摩擦力の影響で入出力関係が非線形となる可動体を精度良く制御するうえで好適な内燃機関可動体の線形制御システム、およびそのシステムを含む制御装置の設計方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、例えば特開平９−１５８７６４号公報に開示されるように、内燃機関の吸気通路に配置される電子制御式スロットルバルブ（以下、「電子スロットル」と称する）を精度良く制御するための制御システムが知られている。このシステムは、電子スロットルに作用する外力をモデル演算により求め、その結果を利用して、所望の出力（スロットル開度）が得られるように、電子スロットルに対する入力を決定する。
【０００３】
電子スロットルには、モータトルクのリップルや吸気負圧の変化に伴う外力、更には、静止摩擦力などの外力が作用する。このため、その入出力の関係は、単純な線形の関係にはならない。上述した従来のシステムによれば、そのような外力の影響を考慮して、電子スロットルに対する入力を制御することができる。このため、このシステムによれば、外力の影響を抑制して、電子スロットルの出力、つまり、スロットル開度の制御精度を高めることができる。
【０００４】
【特許文献１】特開平９−１５８７６４号公報
【特許文献２】特開２００３−２１６２０６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、上記従来のシステムは、外力の影響を、線形モデルに取り込んで吸収することとしている。つまり、電子スロットルの入出力の関係が、外力の影響で予期したものから外れた場合に、線形モデルの係数を修正することにより、その影響を吸収することとしている。
【０００６】
電子スロットルに作用する静止摩擦力等の外力は、電子スロットルの入出力の関係を顕著に非線形とする。このため、線形モデルの係数を修正することによっては、その非線形の影響が、十分に除去できないことがある。この点、上記従来のシステムが用いる制御手法は、電子スロットルのように静止摩擦力の影響を強く受ける可動体を制御する手法としては、必ずしも最適なものではなかった。
【０００７】
この発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、静止摩擦力の影響を強く受ける内燃機関の可動体を精度良く制御するための線形制御システムを提供することを目的とする。
また、この発明は、上記の線形制御システムを構成要素の一部とし、かつ、高い制御精度を実現することのできる制御装置を、簡易に設計するための設計方法を提供することを第２の目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
第１の発明は、上記の目的を達成するため、内燃機関の物理的状態を変化させるための可動体を線形制御するための線形制御システムであって、
前記可動体の動作を検知する動作検知手段と、
前記可動体が静止摩擦力の影響を受けずに可動するとの前提の下で、当該可動体に目標変位を生じさせるのに必要な実効目標入力を設定する実効目標入力設定手段と、
前記可動体の停止時にゼロでない実効目標入力が設定された場合に、当該実効目標入力の向きと当該可動体に作用する最大静止摩擦力の大きさとを表す入力補正値を算出し、また、それ以外の場合に前記入力補正値を基準の値に設定する静止摩擦除去フィードバックモデルと、
前記入力補正値を用いて前記実効目標入力を修正することにより最終目標入力を設定する最終目標入力設定手段と、
前記最終目標入力を前記可動体に与える可動体駆動手段と、
を備えることを特徴とする。
【０００９】
また、第２の発明は、内燃機関の物理的状態を変化させるための可動体を線形制御するための線形制御システムであって、
前記可動体の動作を検知する動作検知手段と、
前記可動体に駆動力を与えるアクチュエータと、
前記可動体が静止摩擦力の影響を受けずに可動するとの前提の下で、当該可動体に目標変位を生じさせるのに必要な実効目標駆動力を設定する実効目標駆動力設定手段と、
前記可動体の停止時にゼロでない実効目標駆動力が設定された場合に、当該実効目標駆動力の向きと当該可動体に作用する最大静止摩擦力の大きさとを表す駆動力補正値を算出し、また、それ以外の場合に前記駆動力補正値を基準の値に設定する静止摩擦除去フィードバックモデルと、
前記アクチュエータの発する駆動力に、前記駆動力補正値に対応する変化を生じさせるために、当該アクチュエータに対する供給電力に施すべき電力補正値を算出する電力補正値算出手段と、
前記アクチュエータに電力を供給するアクチュエータ駆動回路と、
前記実効目標駆動力を前記アクチュエータ駆動回路に供給するべき実効目標電力に変換する駆動力電力変換手段と、
前記電力補正値を用いて前記実効目標電力を修正することにより前記アクチュエータ駆動回路に供給される最終目標電力を設定する最終目標電力設定手段と、
を備えることを特徴とする。
【００１０】
また、第３の発明は、第２の発明において、
前記アクチュエータは電動機であり、
前記電力補正値、前記実効目標電力、および前記最終目標電力は、それぞれ、電流補正値、実効目標電流、および最終目標電流であることを特徴とする。
【００１１】
また、第４の発明は、第１乃至第３の発明の何れかにおいて、
前記静止摩擦除去フィードバックモデルは、
前記可動体の動作状態および前記実効目標駆動力を、所定のサンプリング周期Δt毎に取り込むデータサンプリング手段と、
サンプリング時刻t以前に、サンプリング時刻tおよびサンプリング時刻t+Δtにおける可動体の動作方向を取得する動作方向取得手段と、
サンプリング時刻t以前に、サンプリング時刻tにおける動作方向と、サンプリング時刻Δt+tにおける動作方向とに反転が認められるか否かを判別する反転判別手段と、
前記反転が認められる場合に、サンプリング時刻tの時点で、前記可動体が停止状態にあるとみなす停止状態みなし手段と、
を含むことを特徴とする。
【００１２】
また、第５の発明は、内燃機関可動体の制御装置の設計方法であって、
第１乃至第４の発明の何れかに係る内燃機関可動体の線形制御システムを設計するステップと、
前記線形制御システムが想定していない不確定要素の大きさを見積もるステップと、
前記線形制御システムの逆関数を利用したフィードフォワード系を設計するステップと、
前記線形制御システムを線形H無限大制御に当てはめることにより前記線形制御システムのフィードバック系を設計するステップと、
前記フィードバック系、前記フィードフォワード系、前記不確定要素の大きさの見積もり結果、および前記線形制御システムを組み合わせて前記可動体の制御装置を構築するステップと、
を含むことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１３】
第１の発明によれば、可動体の停止時にゼロでない実効目標入力が設定されると、その実効目標入力の向きと最大静止摩擦力の大きさとを表す入力補正値を算出することができる。そして、その入力補正値で実効目標入力を修正した値が、最終目標入力とされる。この場合、微少な実効目標入力の発生に対して、その実効目標入力と最大静止摩擦力との和に相当する最終目標入力が生成されることとなり、可動体には、実効目標入力に応じた加速度が生ずる。つまり、可動体には、静止摩擦力の存在に関わらず、実効目標入力に対して線形な動作が生ずる。一方、可動体が動いているとき、および可動体が停止しており、かつ、実効目標入力がゼロであるときには、入力補正値が基準の値とされるため、実効目標入力がそのまま最終目標入力となる。この場合、可動体の動作が静止摩擦力の影響を受けないため、実効目標入力と可動体の動作とは線形な関係となる。このように、本発明によれば、如何なる状況下でも、実効目標入力と可動体の動作との間に線形な関係を成立させることができる。このため、本発明によれば、静止摩擦力の存在に影響されることなく、可動体を、常に精度良く制御することが可能である。
【００１４】
第２の発明によれば、可動体の停止時にゼロでない実効目標駆動力が設定されると、その実効目標駆動力の向きと最大静止摩擦力の大きさとを表す駆動力補正値を算出することができる。駆動力補正値は、アクチュエータの出力にその補正値に相当する変化を生じさせる電力補正値に変換される。一方、アクチュエータには、実効目標駆動力を生じさせるための実効目標電力を、上記の電力補正値で修正することにより得られる最終目標電力が供給される。この場合、微少な実効目標駆動力の発生に対して、アクチュエータからは、その実効目標駆動力に駆動力補正値を加えた値に相当する駆動力が発せられることとなり、可動体には、実効目標入力に応じた加速度が生ずる。つまり、可動体には、静止摩擦力の存在に関わらず、実効目標駆動力に対して線形な動作が生ずる。一方、可動体が動いているとき、および可動体が停止しており、かつ、実効目標駆動力がゼロであるときには、駆動力補正値が基準の値とされるため、アクチュエータから発せられる駆動力は、実効目標駆動力そのものとなる。その結果、本発明によれば、如何なる状況下でも、実効目標入力と可動体の動作との間に線形な関係を成立させることができる。このため、本発明によれば、静止摩擦力の存在に影響されることなく、可動体を、常に精度良く制御することが可能である。
【００１５】
第３の発明によれば、電動機で構成されたアクチュエータに対して、適切な電流を供給することにより、可動体の動作を正確に制御することができる。
【００１６】
第４の発明によれば、サンプリング時刻t以前に、サンプリング時刻tにおける動作方向と、サンプリング時刻Δt+tにおける動作方向とに反転が認められるか否かを判別することができる。ここで反転が認められる場合は、その間に可動体が停止状態となり、静止摩擦力が発生することが予測できる。本発明によれば、時刻tの時点でそのような予測がなされると、静止摩擦力を相殺するための補正を時刻tの時点で行うことができる。このため、本発明によれば、サンプリング周期の途中で可動体が停止する場合にも、静止摩擦力の影響を適切に排除することができる。
【００１７】
第５の発明によれば、第１乃至第５の発明の何れかに係る線形制御システムを用いて、フィードバック系およびフィードフォワード系を有する２自由度系の制御装置を設計することができる。この際、線形制御システムが線形な特性を有しているため、フィードフォワード系を構成する逆モデルを容易に構築することができる。また、同様の理由により、そのシステムのフィードバック系は、H無限大制御の手法を用いて構築することができる。その結果、容易に、ロバスト性に優れたフィードバック系を実現することができる。このため、本発明によれば、安定性に優れ、かつ、高い制御精度を有する制御装置を、容易に設計することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
実施の形態１．
［実施の形態１の構成］
図１は、本発明の実施の形態１のハードウェア構成を説明するための図である。図１に示すように、本実施形態のシステムは、内燃機関の吸気通路１０に配置された電子スロットル１２を備えている。電子スロットル１２には、スロットル開度θを変化させるためのアクチュエータとして、電動機１４が連結されている。また、電子スロットル１２の近傍には、スロットル開度θを計測するためのスロットルポジションセンサ１６が配置されている。
【００１９】
本実施形態のシステムは、ECU(Electronic Control Unit)２０を備えている。スロットルポジションセンサ１６の出力は、ECU２０に供給されている。また、電動機１４には、ECU２０から発せられる駆動信号が供給されている。ECU２０は、電動機１４に対して適当な電力を供給することにより、より具体的には、電動機１４に与える電流を適当に制御することにより、電動機１４の発生するトルクτを制御することができる。
【００２０】
［静止摩擦力による非線形性］
電子スロットル１２には、静止摩擦力が作用する。このため、電子スロットル１２の入出力の関係、つまり、電子スロットル１２に与えられるトルクτ(t)と、そのトルクτ(t)の結果として生ずるスロットル開度θ(t)の変化との関係は、非線形なものとなる。
【００２１】
図２は、静止摩擦力の影響で上記の非線形性が形成される様子を説明するためのタイミングチャートである。より具体的には、図２（Ａ）は、電子スロットル１２に与えられるトルクτの時間的変化を、図２（Ｂ）は電子スロットル１２に作用する静止摩擦力Ktの変化を、また、図２（Ｃ）は電子スロットル１２に生ずる角加速度d2θ(t)/dt2の変化をそれぞれ示している。
【００２２】
図２に示す例では、時刻t0から時刻t1にかけて比例的にトルクτ(t)が増大し、その後、時刻t2にかけてトルクτ(t)が比例的に減少している例を示している。また、静止摩擦力Ktは、時刻t0の後、上限値Kmaxに達するまで比例的に増大し、トルクτ(t)がKmaxを超えた時点で消滅している。そして、角加速度d2θ(t)/dt2は、静止摩擦力Ktが消滅するまではトルクτ(t)の発生に関わらず発生せず、その消滅の後、時刻t2までの間は、トルクτ(t)に対して比例的な変化を示している。
【００２３】
図２に示すように、トルクτ(t)と角加速度d2θ(t)/dt2との関係は、静止摩擦力Ktが消滅した後は線形関係となるが、その消滅以前は非線形となる。そして、これらの関係は、それぞれ、以下に示すような運動方程式により表すことができる。
It・{d2θ(t)/dt2}=-Dt・{dθ(t)/dt}-Kt・sign{τ(t)}+τ(t)
但し、Kt=│τ(t)│  （│τ(t)│＜Kmaxのとき）
Kt=Kmax       （│τ(t)│≧Kmaxのとき）
(dθ/dt=0成立の場合)
It・{d2θ(t)/dt2}=-Dt・{dθ(t)/dt}+τ(t)
(dθ/dt=0不成立の場合)
・・・（１）
【００２４】
但し、Itは電子スロットル１２の慣性モーメント、Dtは電子スロットル１２の動摩擦係数である。また、sign(x)は、以下に示すように、xの値に応じて1，0，-1の何れかの値をとる関数である。
sign(x)=1    （x>0のとき）
sign(x)=-1    （x<0のとき）
sign(x)=0      (x=0のとき）                              ・・・（２）
【００２５】
以上説明した通り、電子スロットル１２の入出力の関係そのもの、つまり、電子スロットル１２に与えられるトルクτ（入力）とその結果生ずるスロットル開度θ（出力）との関係そのものは、線形な関係と捕らえることはできない。
【００２６】
［実効トルクuとスロットル開度θとの線形性］
図３は、電子スロットル１２に作用する実効トルクu(t)とスロットル開度θ(t)との間に成立する線形性を説明するためのタイミングチャートを示す。より具体的には、図３（Ａ）は、電子スロットル１２に与えられるトルクτ(t)と電子スロットル１２に作用する実効トルクu(t)との関係を示したチャートである。また、図３（Ｂ）および図３（Ｃ）は、図３（Ａ）に示すトルクの入力に対して発生する静止摩擦力Ktおよび角加速度d2θ(t)/dt2の変化を示すチャートである。
【００２７】
図３（Ａ）に示す「実効トルクu」は、電子スロットル１２に対して、動作（角加速度d2θ(t)/dt2）を生じさせる力として作用するトルクを意味している。時刻t0の時点では、電子スロットル１２が停止している。この状態では、電子スロットル１２に作用するトルクτ(t)が最大静止摩擦力Kmaxを超えない限りは実効トルクu(t)は生じない。
【００２８】
図３（Ａ）に示す例では、時刻t0の時点で、電子スロットル１２に対して、τ(t0)＝Kmax + u(t0)で表されるトルクτ(t0)が作用している。この場合、電子スロットル１２には、u(t0)の実効トルクが作用することとなり、その実効トルクu(t0)に対応する角加速度d2θ(t)/dt2が発生することとなる。
【００２９】
時刻t0において、上記の如く角加速度d2θ(t)/dt2が発生すると、電子スロットル１２が動作状態となり、静止摩擦力Ktは消滅する。以後、電子スロットル１２が動作状態を維持している間は、そこに作用するトルクτ(t)がそのまま実効トルクu(t)となる。そして、電子スロットル１２には、その実効トルクu(t)に対応する角加速度d2θ(t)/dt2が発生する。
【００３０】
つまり、電子スロットル１２に作用する実効トルクu(t)とスロットル開度θ(t)との間には、電子スロットル１２が停止状態であるか動作状態であるかに関わらず、常に線形な関係が成立している。そして、この関係は、以下に示すような運動方程式により表すことができる。
It・{d2θ(t)/dt2}=-Dt・{dθ(t)/dt}+u(t)                ・・・（３）
【００３１】
以上説明したように、スロットル開度θは、実効トルクu(t)に対しては、電子スロットル１２の動作状態に関わらず常に線形な関係を示す。このため、電子スロットル１２の前段に、実効トルクu(t)を入力トルクτ(t)に変換する変換器を配置すれば、その変換器と電子スロットル１２とを含むシステムについては、入出力(u、θ）が線形な関係を示すものとして取り扱うことが可能である。
【００３２】
［実施の形態１における制御ブロックの概念］
図３（Ａ）に示すトルクτ(t)と実効トルクu(t)との関係は、演算式を用いると以下のように示すことができる。
τ(t)=Kmax・sign{u(t)}+u(t)    (dθ/dt=0成立の場合)
τ(t)=u(t)                     (dθ/dt=0不成立の場合)    ・・・（４）
【００３３】
このため、上記（４）式に従って実効トルクu(t)をトルクτ(t)に変換する変換器を構築したうえで、その変換器を電子スロットル１２の前段に配置すれば、入出力（u，θ）の関係を常に線形に維持する制御システムを実現することが可能である。
【００３４】
図４は、電子スロットル１２の前段に上記機能を有する変換器を配置した制御システムの概念を説明するための制御ブロック図である。図４に示す制御システムは、静止摩擦除去FBブロック２２を備えている。静止摩擦除去FBブロック２２には、このシステムに対する入力、つまり、実効トルクu(t)の目標値（以下、便宜上「実効目標トルクu(t)」と称する）と、このシステムの出力であるスロットル開度θ(t)が供給されている。
【００３５】
静止摩擦除去FBブロック２２は、上記の如く供給される実効目標トルクu(t)およびθに基づいて、u(t)をτ(t)に変換するための入力補正値を算出するためのブロックである。具体的には、静止摩擦除去FBブロック２２は、ECU２０の内部に形成されるブロックであり、dθ/dt=0の成立が認められる場合には、実効目標トルクu(t)に基づいて「Kmax・sign{u(t)}」を入力補正値として算出する。より具体的には、u(t)が正の値である場合は「Kmax」を入力補正値として算出し、一方、u(t)が負の値である場合は「-Kmax」を入力補正値として算出する。そして、静止摩擦除去FBブロック２２は、u(t)がゼロの場合、および、dθ/dt=0の不成立が判別される場合は、入力補正値をゼロとする。
【００３６】
図４に示すシステムは、更に、加算器２４を備えている。加算器２４は、ECU２０の内部に形成される要素であり、実効目標入力u(t)に上記の入力補正値を加算することにより、電子スロットル１２に供給するべきトルクτ(t)を算出する。上述した静止摩擦除去FBブロック２２、および加算器２４によれば、上記（４）式の関係を満たすように、実効目標入力u(t)を入力トルクτ(t)に変換することができる。このため、図４に示す制御ブロックによれば、入力u(t)と出力θとの間に常に線形な関係を成立させるシステムを構築することができる。そして、このシステムによれば、その入出力の線形性故に、電子スロットル１２の出力（スロットル開度θ）を、精度良く制御することが可能である。
【００３７】
［実施の形態１における現実の制御ブロック］
電子スロットル１２は、図１に示すように電動機１４により駆動される。このため、電子スロットル１２を現実に駆動するための制御ブロックを構築する際には、そのブロック内に、電動機１４に相当するブロックと、電動機１４への供給電力を制御するブロックとを含める必要がある。
【００３８】
図５は、上記の要求が満たされるように、図４に示す制御ブロックを具体化した構成を示す。図５において、静止摩擦除去FBブロック２２、および電子スロットル１２は、図４に示すものと同様である。図５に示す制御ブロックには、システムに対する入力である実効目標トルクτref(t)（図４におけるu(t)に相当）を実効目標電流値iref(t)に変換する電流値変換ブロック２６が含まれている。電流値変換ブロック２６は、静止摩擦除去FBブロック２２と同様に、ECU２０の内部に形成されるブロックである。
【００３９】
実効目標電流値iref(t)は、電動機１４に実効目標トルクτref(t)を発生させるための電流値である。本実施形態のシステムは、電動機１４に対する印加電圧を一定としたうえで、そこに供給する電流を制御することにより電動機１４に対する供給電力を制御する。この場合、電動機１４に供給する電流iと電動機１４の発するトルクτとの間には既定の関係が成立する。ECU２０は、その既定の関係を記憶しており、電流値変換ブロック２６は、その既定の関係に従ってτref(t)をiref(t)に変換する。
【００４０】
図５に示す制御ブロックには電動機１４が含まれている。電動機１４は、電流i(t)が与えられることによりトルクτ(t)を発生し、そのトルクτ(t)を電子スロットル１２に供給する。図５における電動機１４のブロック中に記されている「Ga(s)」は、上記の電流i(t)とトルクτ(t)との間に成立する伝達関数である。
【００４１】
図５に示す制御ブロックには、電動機逆モデル２８が含まれている。電動機逆モデル２８には、電動機１４の伝達関数Ga(s)の逆関数Ga-1(s)を離散化したものGad-1(z)が実装されている。電動機逆モデル２８には、静止摩擦除去FBブロック２２において生成される入力補正値（Kmax・sign{τref(t)}またはゼロ：上記（１）式参照）が供給される。入力補正値Kmax・sign{τref(t)}は、電子スロットル１２に作用する最大静止摩擦力Kmaxを相殺するためのトルク値である。このようなトルク値が電動機逆モデル２８に与えられると、電動機逆モデル２８は、電動機１４にそのトルク値を発生させるための電流補正値Δiを生成する。
【００４２】
図５に示すシステムには、電流補正値Δiを実効目標電流iref(t)に加えることにより電動機１４への入力電流i(t)を算出する加算器３０が含まれている。上記の構成によれば、上記（４）式の関係を満たすように（但し、ここでは、（４）式のu(t)をτref(t)に読み替えることとする）、実効目標トルクτref(t)を電動機１４の出力トルクτ(t)、つまり、電子スロットル１２の入力トルクτ(t)に変換することができる。従って、図５に示す構成によれば、現実に電子スロットル１２を駆動するために必要な全要素を含み、かつ、線形な入出力関係を有する制御ブロックを実現することができる。
【００４３】
［電子スロットル停止の予測］
図５に示す制御システムにおいて、静止摩擦除去FBブロック２２、および電動機逆モデル２８は、何れも所定のサンプリング周期毎に、入力データの読み込みや、そのデータに基づく演算の実行等を繰り返す。換言すると、これらのブロックでは、スロットルポジションセンサ１６により検出されるスロットル開度θ等のデータは、離散化された状態で取り扱われる。
【００４４】
図６は、スロットルポジションセンサ１６により連続的に計測されるスロットル開度θと、その値をサンプリング周期Δt毎に離散化した値とを対比して表示した図である。図６において、スロットル開度θは、時間の経過に伴って一旦大きくなり、時刻tと時刻t+Δtとの間で最大値に到達している。そして、スロットル開度θは、最大値に達した後、時間の経過に伴って小さな値に変化している。
【００４５】
電子スロットル１２は、スロットル開度θが最大値に達した時点一旦停止状態となる。つまり、スロットル開度θが図６に示すように変化した場合、電子スロットル１２は、時刻tと時刻t+Δtとの間で一旦停止状態となっている。ところが、静止摩擦除去FBブロック２２がスロットル開度θをサンプリングする時刻t、および時刻t+Δtにおいては、電子スロットル１２は動作状態にある。このため、静止摩擦除去FBブロック２２は、スロットル開度θが図６に示すような変化を示す場合には、スロットルポジションセンサ１６の出力そのものからは、電子スロットル１２の停止を検知することができない。
【００４６】
上記（４）式（u(t)はτref(t)に読み替える）によれば、角速度dθ/dtがゼロとならない限りは、静止摩擦力Kmaxを相殺するための入力補正値Kmax・sign{τref(t)}が生成されない。このため、静止摩擦除去FBブロック２２が、厳密に上記（４）式に従って入力補正値Kmax・sign{τref(t)}を生成するとすれば、スロットル開度θが図６に示すように変化した場合に、電子スロットル１２の静止摩擦力Kmaxが相殺できない事態が生ずる。そして、このような事態が発生すれば、図５に示す制御システムの入出力の関係は、非線形なものとなる。
【００４７】
そこで、本実施形態では、データのサンプリングが行われる時刻tの時点で、次のサンプリング時刻t+Δtまでの間に電子スロットル１２が停止するか否かを予測し、その停止が予測される場合には、時刻tの時点で、静止摩擦力Kmaxを相殺するための入力補正値Kmax・sign{τref(t)}を生成することとした。このような手法によれば、サンプリング周期の間で電子スロットル１２が停止するような場合にも、図５に示す制御システムの入出力関係をほぼ線形のまま維持することが可能である。
【００４８】
［実施の形態１における具体的処理］
図７は、図５に示す制御システムの機能を実現するためにECU２０が実行するルーチンのフローチャートである。図７に示すルーチンでは、先ず、電子スロットル１２に与えるべき目標実効トルクτref(t)が設定される（ステップ１００）。ECU２０には、内燃機関の運転状態やアクセル開度などに基づいて、電子スロットル１２に与えるべき実効目標トルクτref(t)を算出するための規則が実装されている。ここでは、その規則に従って、現在の状況に応じた実効目標トルクτref(t)が算出される。
【００４９】
次に、実効目標トルクτref(t)を実効目標電流iref(t)に換算する処理が行われる（ステップ１０２）。つまり、電動機１４に、実行目標トルクτref(t)を発生させるための電流値が、実効目標電流iref(t)として算出される。図５に示す電流値変換ブロック２６は、ECU２０により本ステップの処理が実行されることにより実現される。
【００５０】
次に、電子スロットル１２の角速度dθ(t)/dtがゼロであるか否かが判別される（ステップ１０４）。時刻tにおける角速度dθ(t)/dtは、次式により算出される。
dθ(t)/dt={θ(t)-θ(t-Δt)}/Δt                ・・・（５）
【００５１】
つまり、上記ステップ１０４では、時刻tにおけるスロットル開度θ(t)の検出値と、時刻t-Δtにおけるスロットル開度θ(t-Δt)の検出値とを上記（５）式に代入することにより角速度dθ(t)/dtが算出される。そして、ここでは、その値がゼロ（若しくはゼロと見なせる値）であるか否かが判別される。
【００５２】
上記ステップ１０４の処理により、dθ(t)/dt=0の不成立が判別された場合は、次に、時刻tの時点での電動機１４の出力トルクτ(t)が予想される（ステップ１０６）。つまり、時刻tにおける実効目標トルクτref(t)に呼応して電動機１４が発生すると予想される出力トルクτ(t)が推定される。
【００５３】
ECU２０には、入出力データを離散化して取り扱うことのできる電動機モデル（伝達関数Gad(z)）が実装されている。このため、時刻tの時点で電動機１４に供給される電流i(t)が判れば、その電流i(t)を電動機モデルの関数Gad(z)に掛け合わせることで、出力トルクτ(t)を算出することができる。
【００５４】
上記ステップ１０６は、角加速度dθ(t)/dtがゼロでない状況下でのみ実行されるステップである。つまり、このステップ１０６は、静止摩擦除去FBブロック２２が、入力補正値をゼロと算出する状況下でのみ実行されるステップである。このため、ステップ１０６が実行される状況下では、上記ステップ１０２（図５における電流値変換ブロック２６）において生成された実行目標電流iref(t)が、そのまま電動機１４への入力電流i(t)となる。このため、上記ステップ１０６では、その実行目標電流iref(t)を次式に代入することにより、時刻tにおける出力トルクτ(t)が算出される。
τ(t)=Gad(z)・iref(t)                                  ・・・（６）
【００５５】
次に、次のサンプリング時点である時刻t+Δtにおける角速度dθ(t+Δt)/dtが推定される（ステップ１０８）。時刻tの時点で、電子スロットル１２に静止摩擦力が作用しておらず、かつ、電動機１４がトルクτ(t)を発生しているとすると、電子スロットル１２については下記の運動方程式が成立する。
It・{d2θ(t)/dt2}=-Dt・{dθ(t)/dt}+τ(t)                ・・・（７）
【００５６】
上記（７）式は、次式のように書き直すことができる。
dθ(t+Δt)/dt ={dθ(t)/dt}+[[-Dt・{dθ(t)/dt}+τ(t)]/It]・Δt
・・・（８）
【００５７】
ECU２０は、上記（８）式の右辺中、DtおよびItを予め既知の値として記憶している。そして、上記ステップ１０８では、上記（８）式に、dθ(t)/dt、およびτ(t)を代入することにより、時刻t+Δtにおける角加速度dθ(t+Δt)/dtを推定する。
【００５８】
図７に示すルーチンでは、次に、時刻tにおける角加速度dθ(t)/dtの符号と、時刻t+Δtにおける角加速度dθ(t+Δt)の符号とが異なっているかが判別される（ステップ１１０）。
【００５９】
その結果、両者の符号が同じである場合は、時刻tから時刻t+Δtまでの間に、電子スロットル１２が停止することはない、つまり、その間に電子スロットル１２に静止摩擦力Ktが作用することはないと判断できる。この場合、静止摩擦力Ktを相殺するための電流補正値は不要であることから、実行目標電流iref(t)がそのまま、電動機１４に対する最終入力電流i(t)とされる（ステップ１１２）。
【００６０】
一方、上記ステップ１０４において、電子スロットル１２の角速度dθ(t)/dtがゼロであると判別された場合、および、上記ステップ１１０において、時刻tにおける角速度dθ(t)/dtの符号と時刻t+Δtにおける角速度dθ(t+Δt)/dtの符号とが異なっていると判別された場合は、その間に電子スロットル１２に静止摩擦力Ktが作用していると判断できる。この場合は、その静止摩擦力Ktを相殺する処理を進めるべく、先ず、実効目標トルクτref(t)が正であるか否かが判別される（ステップ１１４）。
【００６１】
そして、τref(t)＞0の成立が認められる場合は、正のトルクτに起因する最大静止摩擦力Kmaxを相殺するべく、「+Gad-1(z)・Kmax」なる電流補正値が算出される。そして、その電流補正値を実効目標電流iref(t)に加えた値が、最終的な入力電流i(t)とされる（ステップ１１６）。
【００６２】
一方、上記ステップ１１４の処理により、τref(t)＞0の不成立が判別された場合は、負のトルクτに起因する最大静止摩擦力Kmaxを相殺するべく、「-Gad-1(z)・Kmax」なる電流補正値が算出される。そして、その電流補正値を実効目標電流iref(t)に加えた値が、最終的な入力電流i(t)とされる（ステップ１１８）。
【００６３】
以上の処理によれば、ECU２０の内部でデータを離散化して取り扱いつつ、図５に示す制御システムの機能を実現することができる。つまり、上記の処理によれば、ECU２０の内部で、電子スロットル１２を、線形システムの構成要素として取り扱うことができる。このため、本実施形態の制御システムによれば、静止摩擦力Ktの発生に影響されることなく、電子スロットル１２の状態を極めて精度良く制御することが可能である。
【００６４】
［２自由度制御系の制御装置］
本実施形態における現実の制御対象、つまり、電子スロットル１２および電動機１４には、図５に示す制御システムにおいてモデル化されていない種々の不確定要素（動摩擦力Dtのばらつき、静止摩擦力Ktのばらつき、慣性モーメントItのばらつき、ノイズなど）が内包されている。このため、電子スロットル１２を現実に駆動するにあたっては、図５に示す制御システムを用いるのみでは、必ずしも高精度な制御を実現することができない。そこで、本実施形態では、電子スロットル１２の制御装置として、以下に説明するような２自由度制御系の制御装置を構築することとした。
【００６５】
図８は、本実施形態において構築される２自由度制御系の制御装置の構成を説明するためのブロック図である。図８に示す制御装置は、線形システム３２を備えている。線形システム３２は、図５に示す制御システムの全体に相当している。ここでは、線形システム３２の伝達関数を「P(s)」と表している。この伝達関数P(s)は、電動機１４の伝達関数Ga(s)（種々のばらつきを無視した関数）に、電子スロットル１２の伝達関数Gth(s)（静止摩擦力Kt、および種々のばらつきを無視した関数）を掛け合わせることにより得られる線形な関数である（P(s)=Ga(s)・Gth(s)）。
【００６６】
線形システム３２の前段には、加算器３４と不確定要素抽出ブロック３６とが配置されている。不確定要素抽出ブロック３６は、現実の制御対象（つまり電子スロットル１２および電動機１４）に内在する不確定要素のうち、線形システム３２に取り込まれていない不確定要素（つまり、静止摩擦力Kt以外の不確定要素）を吸収するためのブロックである。
【００６７】
不確定要素抽出ブロック３６が取り込むべき不確定要素Δ(s)の大きさは、電子スロットル１２や電動機１４の部品公差や、それらに発生する経時変化の予測量などに基づいてある程度見積もることができる。そして、その不確定要素Δ(s)を導入すると、現実の制御対象における入出力の関係、つまり、実効目標トルクτrefとスロットル開度θとの関係は、線形な伝達関数P(s)を用いて、次式のように表すことができる。
θ(s)=P(s)・(1+Δ(s))・τref(s)                    ・・・（９）
【００６８】
図８において、線形システム３２、加算器３４、および不確定要素抽出ブロック３６は、上記（９）式の関係を実現するための構成である。つまり、その構成は、現実の制御対象において成立する関係を、線形な伝達関数P(s)を用いて表すための構成である。以下、その構成、つまり、線形システム３２、加算器３４、および不確定要素抽出ブロック３６からなる構成を、便宜上「制御対象システム」と称する。
【００６９】
図８に示す構成において、制御対象システムの前段には、加算器３８が配置されている。加算器３８の更に前段には、フィードフォワード(FF）ブロック４０とフィードバック(FB)ブロック４２とが並列に配置されている。また、FBブロック４２の前段には、減算器４４が配置されている。減算器４４およびFFブロック４０には、それぞれ目標スロットル開度θr(t)が入力される。また、減算器４４には、更に、実スロットル開度θ(t)が供給される。減算器４４は、目標スロットル開度θr(t)と実スロットル開度θ(t)との差Δθ(t)をFBブロック４２に供給する。
【００７０】
FFブロック４０には、線形システム３２の伝達関数P(s)の逆関数P-1(S)が実装されている。伝達関数P(s)が線形な関数であることから、逆関数P-1(S)は、比較的容易に形成することができ、また、線形システム３２の出力（θ(t)）と入力（τref(t)）との関係を精度良く再現できるものとして形成することができる。このような逆関数P-1(S)に目標スロットル開度θr(t)を与えると、実スロットル開度θ(t)を目標スロットル開度θr(t)に一致させるのに必要な実効目標トルクτref(t)を正確に算出することができる。このため、図８に示す制御装置によれば、FFブロック４０から加算器３８に、精度良く算出された実効目標トルクτref(t)を供給することができる。
【００７１】
図８に示す構成において、線形システム３２は、その入出力の関係が正確に線形な関係を満たすものとして取り扱うことができる。このような特性を有するシステムについては、公知の線形H無限大制御（例えば、美多勉著、株式会社昭晃堂発行、「H∞制御」参照）の規則を適用することにより、見積もった不確定要素Δ(s)の範囲内で制御系を常に安定に保つことのできるフィードバック系を容易に構築することができる。
【００７２】
本実施形態において、FBブロック４２には、線形H無限大制御の規則を適用することにより構築したフィードバック規則が実装されている。このため、図８に示す制御装置によれば、見積もった不確定要素Δ(s)の範囲内で、常に安定した制御性を維持することのできるロバスト性に優れたフィードバック系を実現することができる。
【００７３】
以上説明した通り、本実施形態においては、電子スロットル１２に作用する静止摩擦力の影響が排除されるように線形システム３２を構築したうえで、そこで想定されていない不確定要素Δ(s)を不確定要素抽出ブロック３６に抜き出していることから、現実の制御対象における現象からの乖離を生じさせることなく線形システム３２を、純粋な線形モデルとして取り扱うことができる。そして、このような状況下では、線形システム３２のフィードフォワード系（P-1(s)）およびフィードバック系（K(s)）を、容易かつ精度良く構築することができる。このため、本実施形態の制御装置によれば、電子スロットル１２の状態を極めて精度良く制御することができる。
【００７４】
ところで、上述した実施の形態１においては、制御の対象が電子スロットルに限定されているが、本発明はこれに限定されるものではない。すなわち、本発明における制御の対象は、内燃機関の開弁特性を変化させるVVT機構や、筒内への気流の流れを変化させるスワールコントロールバルブなど、主として静止摩擦力の影響で入出力の関係が非線形となるものであればよい。
【００７５】
尚、上述した実施の形態１においては、ECU２０が、スロットルポジションセンサ１６の出力を読み込むことにより前記第１の発明における「動作検知手段」が、上記ステップ１００の処理を実行することにより前記第１の発明における「実効目標入力設定手段」が、図４に示す静止摩擦除去FBブロック２２の機能を実現することにより前記第１の発明における「静止摩擦除去フィードバックモデル」が、図４における加算器２４の機能を実現することにより前記第１の発明における「最終目標入力設定手段」が、加算器２４で算出されたトルクτ(t)が電子スロットル１２に与えられるように電動機１４を駆動することにより前記第１の発明における「可動体駆動手段」が、それぞれ実現されている。
【００７６】
また、上述した実施の形態１においては、ECU２０が、スロットルポジションセンサ１６の出力を読み込むことにより前記第２の発明における「動作検知手段」が、上記ステップ１００の処理を実行することにより前記第２の発明における「実効目標駆動力設定手段」が、図５に示す静止摩擦除去FBブロック２２の機能を実現することにより前記第２の発明における「静止摩擦除去フィードバックモデル」が、電動機逆モデル２８の機能を実現することにより前記第２の発明における「電力補正値算出手段」が、図５に示す電流値変換ブロック２６の機能を実現することにより前記第２の発明における「駆動力電力変換手段」が、図５に示す加算器３０の機能を実現することにより前記第２の発明における「最終目標電力設定手段」が、加算器３０によって算出された電流を電動機１４に供給する機能を実現することにより前記第２の発明における「アクチュエータ駆動回路」が、それぞれ実現されている。
【００７７】
また、上述した実施の形態１においては、ECU２０が、サンプリング周期毎に必要なデータを読み込むことにより前記第４の発明における「データサンプリング手段」が、ステップ１０４において角速度dθ(t)/dtを算出し、また、ステップ１０８の処理を実行することにより前記第４の発明における「動作方向取得手段」が、ステップ１１０の処理を実行することにより前記第４の発明における「反転判別手段」が、ステップ１１０の条件成立時にステップ１１４の処理を実行することにより前記第４の発明における「停止状態みなし手段」が、それぞれ実現されている。
【００７８】
また、上述した実施の形態１においては、図５に示す制御システムを設計することにより前記第５の発明における「線形制御システムを設計するステップ」が、図８に示す不確定要素Δ(s)の見積もりを行うことにより前記第５の発明における「不確定要素の大きさを見積もるステップ」が、図８に示すFFブロック４０を設計することにより前記第５の発明における「フィードフォワード系を設計するステップ」が、図８に示すFBブロック４０を設計することにより前記第５の発明における「フィードバック系を設計するステップ」が、図８に示す構成を組み合わせることにより前記第５の発明における「可動体の制御装置を構築するステップ」が、それぞれ実現されている。
【図面の簡単な説明】
【００７９】
【図１】本発明の実施の形態１のハードウェア構成を説明するための図である。
【図２】静止摩擦力の影響で電子スロットルの入出力の関係が非線形となる様子を説明するためのタイミングチャートである。
【図３】電子スロットルに作用する実効トルクu(t)とスロットル開度θ(t)との間に成立する線形性を説明するためのタイミングチャートである。
【図４】本発明の実施の形態１における制御ブロックの概念を説明するためのブロック図である。
【図５】本発明の実施の形態１において現実に用いられる制御の内容を説明するためのブロック図である。
【図６】スロットルポジションセンサにより連続的に計測されるスロットル開度θと、その値をサンプリング周期Δt毎に離散化した値とを対比して表示した図である。
【図７】本発明の実施の形態１において実効されるルーチンのフローチャートである。
【図８】本発明の実施の形態１において構築される２自由度制御系の制御装置の構成を説明するためのブロック図である。
【符号の説明】
【００８０】
１２  電子スロットル
１４  電動機
１６  スロットルポジションセンサ
２０  ECU(Electronic Control Unit)
τ  トルク
Kt  静止摩擦力
Kmax  最大静止摩擦力
θ  スロットル開度
u，τref  実効目標トルク
iref  実効目標電流
t  サンプリング時刻
Δt  サンプリング間隔
【図１】
2006046201.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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