(57)【要約】  本発明は、―送られてくる少なくとも一つのプロセス目標量から、少なくとも一つのプロセスアクチュエータの動作制御用の少なくとも一つのプロセス制御量を発生するように、前記少なくとも一つのプロセスアクチュエータの動作制御を行うための第１のプロセスモデルと、―前記少なくとも一つのプロセスアクチュエータの少なくとも一つのプロセス実制御量からプロセス実際量を発生する第２のプロセスモデルと、―比較用プロセス実際量を発生する更にもう一つのプロセス要素とを有しており、―前記第１プロセスモデルが、前記第２プロセスモデルの反転により写像可能であり、更にプロセス実際量と比較用プロセス実際量とから形成されるプロセス実際量の差が、コントロールユニットを中継して前記第１および第２プロセスモデルに送られるようになっている、少なくとも一つのプロセスアクチュエータの制御に用いられるプロセス制御システムに関する。本発明の課題は、そのようなシステムの精度を向上することにある。この課題は、前記プロセス要素がシミュレーション精度を向上した第３プロセスモデルとして構成されるとともに、少なくとも一つの非反転型プロセス構成部分を有することにより解決される。
2007526568.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも一つのプロセスアクチュエータ（ＰＳＧ１、…、ＰＳＧｎ）の制御に用いられるプロセス制御システムであって、
前記少なくとも一つのプロセスアクチュエータ（ＰＳＧ１、…、ＰＳＧｎ）が、
−送られてくる少なくとも一つのプロセス目標量（ＰＳＯ）から、前記少なくとも一つのプロセスアクチュエータ（ＰＳＧ１、…、ＰＳＧｎ）の動作制御用の少なくとも一つのプロセス制御量（ＰＳＯＳｔ）を発生するように、前記少なくとも一つのプロセスアクチュエータ（ＰＳＧ１、…、ＰＳＧｎ）の動作制御を行うための第１のプロセスモデル（ＰＭ１）と、
−前記少なくとも一つのプロセスアクチュエータ（ＰＳＧ１、…、ＰＳＧｎ）の少なくとも一つのプロセス実制御量（ＰＩＳｔ）からプロセス実際量（ＰＩ）を発生する、第２のプロセスモデル（ＰＭ２）と、
−比較用プロセス実際量（ＰＩ’）を発生する、更にもう一つのプロセス要素（ＰＥ）と
を有しており、
−前記第１プロセスモデル（ＰＭ１）が、前記第２プロセスモデル（ＰＭ２）の反転により写像可能であり、
−プロセス実際量（ＰＩ）と比較用プロセス実際量（ＰＩ’）とから形成されるプロセス実際量の差（ΔＰＩ’）が、一つのコントロールユニット（Ｒ１）を介して前記第１および第２プロセスモデル（ＰＭ１；ＰＭ２）に送られるようになっている、プロセス制御システムにおいて、
−前記プロセス要素（ＰＥ）が、シミュレーション精度を向上した第３のプロセスモデル（ＰＭ３）として構成されるとともに、少なくとも一つの非反転型プロセス構成部分を有することを特徴とする、プロセス制御システム。
【請求項２】
請求項１に記載のプロセス制御システムにおいて、
測定技術により比較用プロセス実際量（ＰＩ”）を検出する手段（ＭＥ）を有しており、測定された比較用プロセス実際量（ＰＩ”）と前記第３プロセスモデル（ＰＭ３）により算出された比較用プロセス実際量（ＰＩ’）とから形成される更にもう一つのプロセス実際量の差（ΔＰＩ２）が、別のコントロールユニット（Ｒ２）を介して前記第３プロセスモデル（ＰＭ３）に送られることを特徴とする、プロセス制御システム。
【請求項３】
請求項１または２に記載のプロセス制御システムにおいて、
前記第３プロセスモデル（ＰＭ３）に複数の個別部分プロセスモデルが含まれており、特に前記第３プロセスモデル（ＰＭ３）に、エアフィルタユニットの領域における空気流量をシミュレートするためのエアフィルタモデル、スロットルバルブ配列の領域における空気流量をシミュレートするためのスロットルバルブモデル、吸気管内部の圧力状況をシミュレートするための吸気管容器モデル、および吸気弁配列の領域における吸気弁空気流量をシミュレートするための吸気弁モデルが含まれることを特徴とする、プロセス制御システム。
【請求項４】
請求項３に記載のプロセス制御システムにおいて、
前記スロットルバルブモデルが、少なくとも、
−それぞれのスロットルバルブを通過する圧力の実際の状況、および、
−それぞれ付属のスロットル開度
の算出量に基づき、そのスロットルバルブ若しくはそれぞれのスロットルバルブの領域における空気流量を発生するように構成されることを特徴とする、プロセス制御システム。
【請求項５】
請求項３または４に記載のプロセス制御システムにおいて、
前記吸気弁モデルが、少なくとも、
−吸気管圧
−排気背圧
−吸気弁揚程の実際値
−吸気時期の実際値、および
−排気時期の実際値
の算出量に基づき、その吸気弁若しくはそれぞれの吸気弁の領域における空気流量を発生するように構成されることを特徴とする、プロセス制御システム。
【請求項６】
請求項５に記載のプロセス制御システムにおいて、
前記吸気弁の領域における空気流量を発生するための吸気弁モデルに、非線形吸気特性曲線が含まれることを特徴とする、プロセス制御システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、請求項１の上位概念（所謂おいて部分、プリアンブル部分）に係るプロセス制御システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
既に図１に示されるプロセス制御システム（例えばＢＭＷの現行５２０ｉシリーズ、２００４年モデル車における、内燃機関の気筒燃焼室の充填工程制御システム）が知られており、そこではプロセス―例えば内燃機関の燃焼室に所望の混合気を充填する工程―が、一つのプロセスモデルに基づき、若しくは複数の個別部分プロセスモデルに基づき実現されるようになっている。その際には例えば第１のプロセスモデル部分ＰＭ１により、負荷制御の形式で、個々の負荷アクチュエータの動作制御用の目標制御量が運転者により設定される目標充填量に基づいて算出されるようになっている。
【０００３】
他にも第２のプロセスモデルＰＭ２により、負荷検出の形式で、燃焼室の実充填量が各負荷アクチュエータのプロセスから算出される実制御量に基づいて計算され、更にこの実充填量の計算と並行して、例えば熱流速センサ（ＨＦＭセンサ）等のセンサを介して実充填量が測定されるようになっている。実充填量の測定値と計算値は、引き続いて互いに比較され、実充填量の差が質量流量コントローラに送られ、更に質量流量コントローラは、その出力信号を通じて両方のプロセスモデルへのフィードバックを行うようになっている。プロセス監視用のモデルは反転が可能でなければならないために、プロセスモデルＰＭ１およびＰＭ２は反転型でなければならない―従ってＰＭ１はＰＭ２に変換若しくは移行可能であると同時に、その逆も可能でなければならない。この反転性を常時保証できるようにするために、導入されるのは非常に簡易な、またそれ故に多くは精度に極めて劣るプロセスモデルだけとなっている。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明が解決しようとする課題は、精度を一段と向上したプロセス制御システムを得ることにある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上述の発明の課題は、本発明により請求項１の特徴全体によって解決される一方、本発明の有利な展開構成例は、従属請求項に記載される。
【０００６】
本発明に従ったプロセス制御システムには、少なくとも一つのプロセスアクチュエータの動作制御用の第１のプロセスモデルが含まれており、この第１プロセスモデルは、これに送られてくる少なくとも一つのプロセス目標量から、少なくとも一つのプロセスアクチュエータの動作制御用の少なくとも一つのプロセス目標制御量を発生するようになっている。それ以外にも、少なくとも一つのプロセスアクチュエータの少なくとも一つのプロセス実制御量からプロセス実際量を発生する第２のプロセスモデルが備えられており、そこでは第１プロセスモデルが第２プロセスモデルの反転により写像可能（第２プロセスモデルに移行可能）となっている。本発明においては他にも更に第３のプロセスモデルが備えられ、これが−第２プロセスモデルにより発生されるプロセス実際量に実質的に相当する−比較用プロセス実際量を発生するために利用されるようになっている。この第３プロセスモデルは、精度が格段と向上されている他にも、少なくとも一つの非反転型構成部分を有しているために、第３プロセスモデルは全体としては、第１プロセスモデルに反転により移行できないようになっている。それ以外にも本発明においては、プロセス実際量と比較用プロセス実際量とからプロセス実際量の差が形成され、これが第１コントロールユニットを中継して第１および第２のプロセスモデルにフィードバックされるようになっている。
【０００７】
本発明の好ましい展開構成例においては、比較用プロセス実際量を測定技術により検出する手段が備えられ、測定された比較用プロセス実際量と第３プロセスモデルにより算出されたプロセス実際量とから形成される更にもう一つのプロセス実際量の差が、別のコントロールユニットを介して第３プロセスモデルにフィードバックされるようになっている。
【０００８】
本発明は、自動車の内燃機関を対象とした負荷検出および負荷制御に適用されると非常に好適である。
気筒燃焼室に流入する燃焼サイクル当たりの空気質量−これは負荷とも呼ばれる−を正確に把握することは、燃料噴射時期の計算および燃焼室内の混合気の点火時期の計算がこの負荷に基づいて行われることからも、内燃機関の制御にとり重要な意味を持つ。例えば負荷信号に誤差があると、通常はプロセスの閉ループ／開ループ制御時に、排気、走行性、および燃費面で不利な挙動がもたらされてしまう。空気流量―プロセス閉ループ／開ループ制御に不可欠である―を吸気弁のところで直接検出するのは、技術的理由から不可能である。この理由から内燃機関の閉ループ／開ループ制御のためには、吸気弁のところに存在する空気流量の状況を計算する精緻な数学モデルを適用しなければならない。この計算は、例えば各種圧力センサや吸気装置入口の質量流量センサ（例：ＨＦＭセンサ）に基づくか、または各アクチュエータ（例：スロットルバルブ）の実際量に基づいて行われるようになっている。このモデルに基づいた負荷計算は、負荷検出と呼ばれる。内燃機関の制御においては、この負荷検出に追加して、他にも負荷制御が実現されなければならない。そのためには、運転者が所望するトルクから引き出される負荷目標値が、負荷アクチュエータ用の目標値に換算されるとよい。可変バルブリフト機構および／または可変バルブタイミング機構を備えたエンジン（例：バルブトロニックエンジン）において、計算されなければならない負荷目標値（負荷検出）として検討されるのは、特に次の各パラメータ：スロットル開度、吸気弁揚程、排気弁揚程、吸気時期、排気時期である。
【０００９】
負荷制御についても、負荷と各負荷アクチュエータの位置若しくは値との関係を写像した複数の計算モデルが開ループ／閉ループ制御装置に保存されていなければならない。プロセスモデルによりシミュレートされなければならない上述の両制御機能、即ち負荷制御および負荷検出は、それぞれの空気質量モデルに対して課せられる要求に関して、基本的に異なったものとなる。一方では、負荷検出に使用されるプロセスモデルにより、シミュレート対象であるプロセスを可能な限り正確に写像しなければならない。負荷検出のためには反転性が必ずしも必要ではないものの、精度の向上が所望されることから、これについては全体として非反転型であるプロセスモデルが使用される。その際には、負荷検出用の第１のプロセスモデルが、この第１プロセスモデルから反転によりパイロット制御（負荷制御）用のプロセスモデルを推論できるようにするために、反転型に構成され―他方では負荷検出用の第２のプロセスモデルが、場合によっては負荷検出精度の向上を達成できるようにするために、非反転型に構成されるようになっている。
【００１０】
他方では、負荷アクチュエータの動作制御を、反転した空気質量モデルに基づかせる必要があるために、負荷制御に使用されるプロセスモデルが反転型でなければならない。パイロット制御（負荷制御）に反転した若しくは反転型のプロセスモデルを使用することにより、静的運転点においては負荷目標値と負荷実際値が等しくなることが保証され、更にそれにより所謂制御のモーメント構造が機能することが保証されるようになる。
本発明のその他の実施形態は、従属請求項に説明される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
次に本発明を図面に基づいて詳しく説明する。
図２には、本発明に従ったプロセス制御システムが示されており、このプロセス制御システムは、プロセスＰのパイロット制御用の第１のプロセスモデルＰＭ１、プロセス制御用の第２の反転型プロセスモデルＰＭ２（反転パイロット制御）、制御対象プロセスの非常に精度の高いシミュレーション用の非反転型プロセスモデルＰＭ３、およびプロセス制御用の両プロセスモデルＰＭ１、ＰＭ２から発生される実際値の差から、これら両方の反転型プロセスモデルＰＭ１、ＰＭ２にフィードバックされる制御量を発生する第１のコントロールユニットＲ１を有している。それにより、簡易プロセスモデル（反転型プロセスモデル）が、可能な限り高精度のプロセスモデル（非反転型プロセスモデル）と組み合わされるようになり、それにより一方では制御対象プロセスの反転性に対する要求を、他方では制御対象プロセスの十分に高精度のシミュレーションに対する要求を充足している。
【００１２】
本発明の好ましい展開構成例においては、プロセス実際値のモデル支援シミュレーションに追加して、非反転型プロセスモデルＰＭ３により、所望のプロセス実際値が、測定装置ＭＥを用いて準定常的に測定されて、非反転型プロセスモデルにより算出されたプロセス実際値と比較されて、比較差が第２のコントロールユニットＲ２を中継して非反転型プロセスモデルＰＭ３にフィードバックされるようになっている。
【００１３】
図３には、図２に類似した本発明に従ったプロセス制御システムが、内燃機関の気筒燃焼室の充填工程Ｐへの適用例として示されている。
ここでは空気質量のパイロット制御（負荷制御）のために、負荷信号のプロセス実際値の特性が、吸気弁揚程の実際値およびエンジン回転数の実際値との関係で示されている負荷特性マップ（揚程パイロット制御マップ）を主要構成部分とする、簡易（反転型）プロセスモデルＰＭ１、ＰＭ２が適用される。この負荷特性マップに保存されているプロセス実際値特性（負荷値ＰＩ）は、特性マップ上の全ての地点において、いずれも厳密に弁吸気時期と弁排気時期との基準組み合わせに対してのみ有効となるものである。弁吸気時期／弁排気時期がこの基準組み合わせとは異なる場合は、プロセスモデルがその偏差に対して適合化されるようになっている。この負荷特性マップは、負荷信号が吸気弁揚程の目標値に比例して常に単調に増大するように適用される。それにより、簡易静的モデルを用いて、特性マップを単純に反転することにより、この簡易静的負荷モデルに対して正確に反転された吸気弁揚程のパイロット制御用の特性マップを計算することができる。従ってこの揚程パイロット制御マップは、入力量として負荷目標値およびエンジン回転数を、出力量として吸気弁揚程の目標値を有している。
【００１４】
内燃機関の気筒内に実際に流入する空気質量の計算（負荷検出）は、本発明においては極めて高精度の（非反転型）動的プロセスモデルＰＭ３に基づいて行われるようになっている。そこではこの高精度プロセスモデルＰＭ３に、少なくとも気筒燃焼室の充填に影響を与える吸気装置の主要コンポーネントを対象とした部分モデルが含まれるようになっている。特にこの高精度プロセスモデルＰＭ３には、（空気が流れる方向で見た順に）エアフィルタユニット内の空気流量をシミュレートするためのエアフィルタモデル、スロットルバルブの上流側および下流側の領域における空気流量をシミュレートするためのスロットルバルブモデル、吸気管内の空気流量をシミュレートするための吸気管用の容器モデル、および吸気弁領域の空気流量をシミュレートするための吸気弁モデルが含まれる。スロットルバルブを通り送り込まれる空気流量および吸気弁を通り流れ出る空気流量がモデル化されることは、高精度動的プロセスモデルにとり重要である。スロットルバルブ質量流量は、スロットルバルブを通過する圧力の状況およびスロットル開度の現実の実際値からもたらされる。吸気弁を通過する質量流量は、吸気管圧、排気背圧、ならびに吸気弁揚程の実際値、吸気時期および排気時期と関連付けてモデル化される。これについては、前出の各入力量との関係で質量流量を写像した非線形静的モデル（所謂吸気特性曲線）が使用されるようになっている。スロットルバルブ質量流量と吸気弁質量流量の収支計算と合わせて気体法則を適用することにより、吸気管内の圧力変動がモデル化される。積分により吸気管圧の絶対値が計算され、この値もまた、スロットルバルブおよび吸気弁のところの質量流量のモデル化のための入力量となる。
【００１５】
モデルキャリブレーションにより、高精度動的プロセスモデルＰＭ３は簡易静的プロセスモデルＰＭ２と検定される。検定は、特にＰＩコントローラとしてモデルキャリブレーションコントローラの形式で実施されるコントロールユニットＲ１により行われる。高精度動的プロセスモデルＰＭ３と静的プロセスモデルＰＭ２間の差が、このモデルキャリブレーションコントローラの入力量となる。この質量流量コントローラの出力量は、簡易静的プロセスモデルＰＭ１、ＰＭ２の適合化のために使用される補正量である。簡易静的プロセスモデルＰＭ１、ＰＭ２のこの補正は、パイロット制御（プロセスモデルＰＭ１）においても、反転パス（プロセスモデルＰＭ２）においても行われるようになっており、このため簡易静的プロセスモデルＰＭ２の反転性は、モデルキャリブレーションにもかかわらず尚も維持されるようになっている。モデルキャリブレーションは、高精度動的プロセスモデルにおいては写像されるものの、簡易静的プロセスモデルＰＭ２においては原理上の制約から配慮することができない動的効果が沈静化されないように、徐々に行われる。その代わりに、両方のプロセスモデルＰＭ３、ＰＭ２／ＰＭ１の定常値だけが、互いに検定されるようになっている。従ってモデルキャリブレーションの実行後は、簡易静的プロセスモデルＰＭ２の負荷が高精度動的プロセスモデルＰＭ３の負荷と等しくなる。それに加えて、簡易静的プロセスモデルＰＭ２の反転性が依然として存在するために、負荷目標値は負荷実際値と等しくなる。
【００１６】
高精度動的プロセスモデルＰＭ３が極めて高精度であるにもかかわらず、実際に気等内に流入する空気質量に対するモデル誤差は尚も発生するために、本発明の展開構成例においては、実際に流入する空気質量が、準定常的に測定装置ＭＥを用いて―例えば吸気管入口のＨＦＭセンサを用いて、または排気系統のラムダセンサを用いて―非常に精密に測定され、高精度動的モデルの検定に使用されるようになっている。検定は、更にもう一つのコントロールユニットＲ２―例えば、有利なことにも同様にＰＩコントローラとして、更に適応神経回路網を追加して実施される質量流量コントローラ―により行われる。この質量流量コントローラの入力量は、実際の空気質量と高精度動的プロセスモデルＰＭ３からのモデル空気流量との差である。質量流量コントローラの出力量は、高精度動的プロセスモデルＰＭ３の適合化のために使用される補正量である。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】従来技術に従ったプロセス制御システムの略図である。
【図２】本発明に従ったプロセス制御システムの略図である。
【図３】自動車の燃焼室充填工程に使用される本発明に従ったプロセス制御システムの代表的な実施形態を示したものである。
【符号の説明】
【００１８】
Ｐ      プロセス
ＰＭ１  第１プロセスモデル
ＰＭ２  第２プロセスモデル
ＰＭ３  第３プロセスモデル
ＰＥ    プロセス要素
ＰＳＧ  プロセスアクチュエータ
ＰＳＯ    プロセス目標量
ＰＳＯＳＴ  プロセス制御量
ＰＩ      プロセス実際量
ＰＩＳＴ  プロセス実制御量
ＰＩ’    比較用プロセス実際量
ＰＩ”    比較用プロセス実際量
ΔＰＩ    プロセス実際量の差
ΔＰＩ２    プロセス実際量の差
ＭＥ    測定装置
Ｒ１    第１コントロールユニット
Ｒ２    第２コントロールユニット
【図１】
2007526568.tif 000003
【図２】
2007526568.tif 000004
【図３】
2007526568.tif 000005
【国際調査報告】
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2007526568.tif 000008
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