(57)【要約】  本発明は、空気圧作動調整弁の分野に関し、具体的には、上流管から下流管への気体の流れを調整する調整弁に関する。調整弁は、上流管が下流管と連通することを可能にするのに適した流路と、前述した流路の流れ断面を変化させるように配置された可動部材と、アクチュエータであって、上流管に接続されるのに適した排気管及び吸気管と連通する内部室を備え、前述の可動部材を移動させるように配置されたアクチュエータと、を有する。制御目的のために、調整弁は、制御部であって、可動部材の測定位置から、そして測定された上流圧力から、さらに、吸気管及び／又は排気管に設置された少なくとも１つの弁の開度値から、前述の内部室内に存在する少なくとも１つの圧力を推定するのに適した少なくとも１つの状態観測器を組み込む制御部を有する。【選択図】図１
2018513331.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
上流管（２）から下流管（３）への気体の流れを調整する調整弁（１）において、
前記上流管（２）を前記下流管（３）と連通させるのに適した流路（４）と、
移動することによって、前記流路（４）の流れ断面を変化させるように配置された可動部材（５）と、
前記上流管（２）に接続されるのに適した排気管（９）及び吸気管（８）と連通する内部室（７）を備え、該内部室（７）内の圧力に応じて前記可動部材（５）を移動させるように配置されたアクチュエータ（６）と、
前記吸気管（８）又は前記排気管（９）に設置された少なくとも１つの弁（１０、１１）と、
前記上流管（２）に設置されるのに適した上流圧力センサ（１２）と、
前記可動部材（５）の位置を検出するセンサ（１４）と、
制御部（１５）であって、少なくとも、前記上流圧力センサ（１２）、及び前記可動部材（５）の位置を検出する前記センサ（１４）に、並びに、前記吸気管（８）又は前記排気管（９）に設置されたそれぞれの弁（１０、１１）に接続され、前記可動部材（５）の位置及び上流圧力の測定値から、そして前記吸気管（８）又は前記排気管（９）に設置されたそれぞれの弁（１０、１１）の開度値から、前記内部室（７）内に存在する少なくとも１つの圧力を推定するのに適した少なくとも１つの状態観測器（２７）を組み込む、制御部（１５）とを備える、上流管（２）から下流管（３）への気体の流れを調整する調整弁（１）。
【請求項２】
前記状態観測器（２７）が、アンセンテッドカルマンフィルタアルゴリズムを用いる状態観測器である、請求項１に記載の弁（１）。
【請求項３】
前記吸気管（８）に設置された吸気弁（１０）と、前記排気管（９）に設置された排気弁（１１）と、を含む、請求項１又は２に記載の弁（１）。
【請求項４】
吸気回路（８）又は排気回路（９）に設置されたそれぞれの弁（１０、１１）が、電気的に制御され、例えば圧電駆動する、請求項１〜３のいずれか一項に記載の弁（１）。
【請求項５】
前記アクチュエータ（６）は、前記内部室（７）内に存在する圧力に対する弾性復元力に対抗する弾性部材、例えば、前記内部室（７）の周囲に配置されベローズを形成する弾性壁（６ａ）を含む、請求項１〜４のいずれか一項に記載の弁（１）。
【請求項６】
請求項１〜５のうちのいずれか一項に記載の調整弁（１）によって上流管（２）から下流管への気体の流れを調整する方法において、
前記方法は、
位置センサ（１４）を用いることによって可動部材の位置の測定値を得る段階と、
圧力センサ（１２）を用いることによって前記上流管内の圧力の測定値を得る段階と、
アクチュエータ（６）の吸気管（８）又は排気管（９）に設置されたそれぞれの弁（１０、１１）の開度値を求める段階と、
前記アクチュエータ（６）の力設定値を求める段階と、
状態観測器（２７）を用いて、前記可動部材（５）の測定位置から、測定圧力から、そして、それぞれの弁（１０、１１）の前記開度値から、内部室（７）内に存在する少なくとも１つの圧力を推定する段階と、
前記内部室（７）内に存在する推定圧力を用いて、前記アクチュエータ（６）によって及ぼされると推定される力を算出する段階と、
前記アクチュエータ（６）によって及ぼされると推定される力と、前記アクチュエータ（６）の前記力設定値との差である力誤差を算出する段階と、
前記力誤差を用いて、前記アクチュエータ（６）の前記吸気管（８）又は前記排気管（９）に設置されたそれぞれの弁（１０，１１）の命令を得る段階とを含む、請求項１〜５のいずれか一項に記載の調整弁（１）によって上流管（２）から下流管への気体の流れを調整する方法。
【請求項７】
前記方法は、
前記可動部材（５）の位置設定値を求める段階と、
前記可動部材（５）の位置誤差を算出する段階とをさらに含み、
前記アクチュエータ（６）の前記力設定値が、前記可動部材（５）の前記位置誤差から求められる、請求項６に記載の調整方法。
【請求項８】
前記力設定値が、積分のランナウェイを防止する手段を備えた比例積分調整器（３０）によって前記位置誤差の関数として求められる、請求項７に記載の調整方法。
【請求項９】
前記可動部材（５）の前記位置誤差が、前記可動部材（５）の推定位置、例えば前記状態観測器（２７）によって推定された推定位置と、前記位置設定値との差である、請求項７又は８記載の調整方法。
【請求項１０】
それぞれの弁（１０、１１）の前記命令が、前記力誤差に基づいて算出される前記内部室（７）内の気体の質量設定値の関数として得られる、請求項６〜９のいずれか１項に記載の調整方法。
【請求項１１】
前記質量設定値が、前記内部室（７）内の圧力の設定値の関数として算出され、例えば比例積分調整器（３４）によって、前記力誤差から求められる、請求項１０に記載の調整方法。
【請求項１２】
前記質量設定値が、前記内部室（７）の容積、例えば前記状態観測器（２７）によって推定された容積、及び、気体温度、例えば前記上流管（２）内の気体の測定温度を用いて、圧力設定値に理想気体の状態方程式を当てはめることによって算出される、請求項１１に記載の調整方法。
【請求項１３】
前記質量設定値を、前記内部室（７）内の気体の推定質量、例えば前記状態観測器（２７）によって推定された質量と比較して、前記質量設定値と前記推定質量との差である質量誤差を算出する、請求項１０〜１２のいずれか１項に記載の調整方法。
【請求項１４】
吸気流速と排気流速と差の設定値が、前記質量誤差に基づいて、例えば比例調整器（３９）によって求められ、前記吸気管（８）又は前記排気管（９）に設置されたそれぞれの弁（１０、１１）の前記命令が、前記アクチュエータ（６）の前記吸気管（８）又は前記排気管（９）に設置されたそれぞれの弁（１０、１１）の開度値に基づいて、前記吸気流速と前記排気流速との差を決定する非線形関数の逆数を用いて算出される、請求項１３に記載の調整方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、調整弁、及び上流管から下流管への気体の流れを調整する方法であって、アクチュエータにより移動する可動部材によって流れが調整される流体が、調整弁を作動させるエネルギー源として同時に機能するように、上流管から生じる流体によって供給されるのに適したアクチュエータを含む、方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
技術水準では、気体流を調整する空気圧作動調整弁が知られており、この弁は、調整弁によって流れが調整される気体への分岐接続を介して供給されるアクチュエータを有する。しかしながら、これらの既知の調整弁は、上流圧力が変動すると動作が不安定になる可能性があるため、上流圧力を安定させる必要があるという欠点を有する。上流圧力を考慮する簡単なフィードバックループによる調整は、アクチュエータの内圧が上流圧力に対して線形に対応する必要がないため、必ずしもその課題を解決するものではない。しかしながら、特に、圧力センサの全体的なサイズがアクチュエータの所望の小型化と両立しないことがあるため、アクチュエータの内圧を直接測定することは、必ずしも可能であるとは限らない。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
本発明は、これらの欠点を改善しようとするものである。具体的には、本明細書は、上流管から下流管への気体流を調整する調整弁を提案しようとするものであり、これによって、上流管内の流体の圧力を調整弁自体の作動に用いることができるとともに、それにもかかわらず、上流圧力が変動した場合であっても、調整弁を安定して作動させ、そしてコンパクトに作動させることができる。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
少なくとも１つの実施形態において、この目的は、調整弁が、上流管を下流管と連通させるのに適した流路と、移動することによって、前述した流路の流れ断面を変化させるように配置された可動部材と、上流管に接続されるのに適した排気管及び吸気管と連通する内部室を備え、前述した内部室内の圧力に応じて前述の可動部材を移動させるように配置されたアクチュエータと、前述の吸気管又は前述の排気管に設置された少なくとも１つの弁と、を備え、さらに、上流管に設置されるのに適した上流圧力センサと、弁部材の位置を検出するセンサと、制御部であって、少なくとも、前述の上流圧力センサ、及び弁部材の位置を検出する前述のセンサに、並びに前述の吸気管及び前述の排気管のうちの少なくとも１つに設置された少なくとも１つの弁に接続され、可動部材の位置及び上流圧力の測定値から、そして吸気管又は排気管に設置されたそれぞれの弁の開度値から、前述の内部室内に存在する少なくとも１つの圧力を推定するのに適した少なくとも１つの状態観測器を組み込む制御部と、を備える、という事実によって達成される。
【０００５】
「状態観測器(state observer)」という用語は、状態を説明する形態により表される動的システムの数学モデルの拡張を包含するのに用いられ、これによって、動的システムの状態を、モデルから、そして、状態が直接測定できない場合の他の大きさの測定値から再構築することができる。制御部に組み込まれていることによって、制御部は、アクチュエータの内部室内の少なくとも１つの圧力を推定することができ、また、上流圧力の知覚可能な変動の場合であっても、調整弁動作の不安定を回避するように、それぞれの吸気管及び／又は排気弁を制御するように考慮することができる。
【０００６】
状態観測器は、具体的には、アンセンテッドカルマンフィルタアルゴリズム(unscented Kalman filter algorithm)を用いて状態を観測することができ、このため、調整弁によって形成される動的システムの非線形性に対して特に効果的に応答することができる。ただし、他の種類の状態観測器、具体的には他の非線形状態観測器も想定することができる。
【０００７】
可動部材の作動をより良好に制御するように、前述の吸気管に設置された吸気弁と、前述の排気管に設置された排気弁と、が含まれ、内部室内の内圧に対して、このため可動部材の作動に対して良好な制御を達成することができる。ただし、調整弁とその制御を簡易にするように、吸気管に吸気弁のみを、又は排気管に排気弁のみを設置することも想定可能である。
【０００８】
制御を容易にするように、吸気回路及び／又は排気回路に設置されたそれぞれの弁は、電気的に制御することができ、例えば、圧電駆動してもよい。
【０００９】
具体的には、アクチュエータには、内部室内の圧力に対する弾性復元力に対抗する弾性部材、例えば、内部室の周囲に配置されベローズを形成する弾性壁が含まれ得る。
【００１０】
本明細書は、上述の調整弁によって上流管から下流管への気体の流れを調整する方法も提供する。この方法は、位置センサを用いることによる可動部材の位置の測定値、及び、圧力センサを用いることによる上流管内の圧力の測定値を得るとともに、アクチュエータの吸気管又は排気管に設置されたそれぞれの弁の開度値、及びアクチュエータの力設定値を求め、状態観測器を用いて、可動部材の測定位置から、そして測定された上流供給圧力から、さらに、それぞれの弁の前述した開度値から、内部室内に存在する少なくとも１つの圧力を推定し、内部室内の推定圧力を用いて、アクチュエータによって及ぼされると推定される力を算出し、次いで、アクチュエータによって及ぼされると推定される力と、アクチュエータの力設定値との差である力誤差を算出し、そして、力誤差を用いて、アクチュエータの吸気管又は排気管に設置されたそれぞれの弁の命令を得る。このように、状態観測器は、調整弁によって形成される動的システム動作の不安定を回避するように、少なくとも１つの力フィードバックループを実現することができる。
【００１１】
それぞれの弁の前述した開度値は、その弁の命令によるものであってもよいし、又は適切なセンサによって測定されてもよい。
【００１２】
また、力フィードバックの上流に位置フィードバックを提供し、これによって、調整弁の動作の動的安定性を強化するように、調整方法は、さらに、可動部材の位置設定値を求めることと、可動部材の位置誤差を算出することと、を含み、アクチュエータの力設定値が、可動部材の位置誤差から求められ、例えば、積分のランナウェイ(runaway)を防止する手段を備えた比例積分調整器によって前述した位置誤差の関数として求められる。例として、可動部材の位置誤差は、可動部材の推定位置、例えば状態観測器によって推定された推定位置と、位置設定値との差として算出してもよい。推定位置を用いることによって、特に、この位置フィードバックにおける位置センサの測定ノイズを排除することができる。ただし、この推定位置ではなく、位置センサによって測定された可動部材の位置の使用も想定することができる。加えて、この位置フィードバックは、力フィードバックが実施される周波数よりも低い周波数において実施することができる。
【００１３】
それぞれの弁の命令は、具体的には、力誤差に基づいて算出される内部室内の気体の質量設定値の関数として得ることができる。更に具体的には、質量設定値は、前述した内部室内の圧力の設定値の関数として算出することができ、例えば比例積分調整器によって、力誤差から求められ、この場合、質量設定値は、内部室の容積、例えば状態観測器によって推定された容積、及び、気体温度、例えば上流管内の気体の測定温度を用いて、圧力設定値に理想気体の状態方程式(ideal gas equation)を当てはめることによって算出することができる。
【００１４】
また、力フィードバックから下流に質量フィードバックを提供して、調整弁の動作の動的安定性を更に強化するように、前述の質量設定値を、内部室内の気体の推定質量、例えば状態観測器によって推定された推定質量と比較して、質量設定値と推定質量との差である質量誤差を算出することができる。
【００１５】
それぞれの吸気弁及び／又は排気弁の命令を得るように、吸気流速と排気流速と差の設定値は、質量誤差に基づいて、例えば比例調整器によって求めてもよく、また、吸気管及び排気管のうちの少なくとも１つに設置されたそれぞれの弁の命令は、アクチュエータの吸気管及び／又は排気管に設置されたそれぞれの弁の開度値に基づいて、吸気流速と排気流速との差を決定する非線形関数の逆数を用いて算出してもよい。
【００１６】
この調整弁の制御部は、具体的には、プログラム可能なデジタル調整器の形態であり得る。したがって、本明細書は、上述の調整方法を実施するように、プログラム可能なデジタル調整器によって実行されるのに適した命令集合を含むデータ媒体にも関する。本明細書に関連して、「データ媒体(data medium)」という用語は、コンピュータシステム、具体的には、プログラム可能な電子調整器などのプロセッサによって読み取ることができるデータ記憶装置として理解される。このようなデータ媒体は、具体的には、磁気ディスク若しくはテープなどの磁気データ記憶装置、光ディスクなどの光学データ記憶装置、又は揮発性若しくは不揮発性電子メモリなどの電子データ記憶装置であり得る。したがって、本明細書は、コンピュータプログラム及びソフトウェア製品としての、このような命令集合にも関する。
【００１７】
本発明は、限定的ではない例として示されている実施形態の次の詳細な説明を読み取ることによって、十分に理解され、その利点を更に明らかにすることができる。本明細書は、次の添付図面を参照する。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】第１の実施形態における空気圧作動調整弁の図である。
【図２Ａ】アンセンテッドカルマンフィルタアルゴリズムの段階を示す図である。
【図２Ｂ】アンセンテッドカルマンフィルタアルゴリズムの段階を示す図である。
【図２Ｃ】アンセンテッドカルマンフィルタアルゴリズムの段階を示す図である。
【図２Ｄ】アンセンテッドカルマンフィルタアルゴリズムの段階を示す図である。
【図３】第２の実施形態における空気圧作動調整弁を示す図である。
【図４】第３の実施形態における空気圧作動調整弁を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
図１は、上流管２から下流管３への気体の流れを調整する、第１の実施形態の調整弁１を示している。調整弁１は、上流管２を下流管３に接続する流路４と、その移動時に流路４を流れる気体の流れ断面を変化させるように配置された可動部材５と、を有している。図示されている実施形態において、流路４は、円形オリフィスによって形成されており、可動部材５は、可動部材５の軸線方向の移動に比例して、流れ断面に対して直交する軸線Ｚに沿ってこの流れ断面を変化させるように、円形オリフィスに挿入された円錐状先端５ａを有する。ただし、流路及び／又は可動部材の他の形状、さらに、流路４を通る気体の流れ断面を変化させる可動部材５の種々の移動による他の実施形態も想定することができる。
【００２０】
調整弁１は、空気圧により作動する。このため、調整弁には、アクチュエータ６であって、アクチュエータ６の内部室７内の気体圧力に応じて可動部材を移動させるのに適したアクチュエータも含まれている。図示されている実施形態において、アクチュエータ６は、弾性壁６ａであって、内部室７の周りにベローズを形成し、そしてアクチュエータ６に弾性復元力を加える弾性壁を有する。ただし、他の実施形態では、アクチュエータ６は、弾性復元手段を備えているか又はこれを備えていない他の形態をとることができる。
【００２１】
吸気管８は、アクチュエータ６の内部室７を上流管２に接続する。このため、アクチュエータ６は、流れが調整されている同じ気体の上流圧力ｐaによってエネルギーが付与され得る。また、アクチュエータ６の内部室７に接続された排気管９は、内部室７から気体を排出して内部室内の内圧ｐiを減少させるように機能する。
【００２２】
内部室７内への及び内部室からの気体の吸入及び排出を調整するように、調整弁１には、吸気管８及び排気管９にそれぞれ吸気弁１０及び排気弁１１も設置されている。図示されている実施形態において、これらの吸気弁１０及び排気弁１１は、具体的には、圧電駆動する電気制御弁であってもよく、これらの電気制御弁のそれぞれが、圧電アクチュエータと、圧電アクチュエータによって移動して対応する管の流れ断面を変化させるように配置されたビーズと、を有する。ただし、代替として、他の種類の弁、具体的には、電気制御弁を想定することができる。
【００２３】
調整弁１は、上流圧力センサ１２と、上流温度センサ１３と、可動部材５の位置を検出するセンサ１４も有している。上流圧力センサ１２及び温度センサ１３は、上流管５内の気体の圧力ｐa及び温度Ｔaのそれぞれの測定値を得るように、上流管２に配置され、また、可動部材５の位置を検出するセンサ１４は、可動部材５の位置ｚの測定値を得るように構成されている。
【００２４】
加えて、弁１は、この例ではデジタル調整器の形態である制御部１５を有している。制御部１５は、可動部材５の上流圧力Ｐa、上流温度Ｔa、及び位置ｚの測定値にそれぞれ対応する信号を受信するように、対応する入力部１６、１７及び１８を介してセンサ１２、１３及び１４に接続されている。また、制御部は、共有領域調整信号αc（アルファｃ）を送信するように出口１９を介して、そして、吸気弁１０及び排気弁１１それぞれの開度値に対応するそれぞれの信号ｄa及びｄeを受信する２つの入力部２０及び２１を介して、吸気弁１０及び排気弁１１にも接続されている。セパレータ回路２２は、制御部１５の出力部１９と吸気弁１０及び排気弁１１との間に配置され、共有領域調整信号αc（アルファｃ）を、吸気弁１０及び排気弁１１それぞれを制御する制御信号ｕa及びｕeに変換するように構成され、これらの信号は、セパレータ回路１０の対応する出力部２３、２４を介してセパレータ回路に伝達される。図示されている実施形態において、この変換には次式を当てはめる。
【数１】
2018513331.tif 000003
式中、ｋumaxは、制御信号ｕa、ｕeの最大値に対応する係数である。
【００２５】
図示されている実施形態において、制御部１５の入力部２０、２１は、実際には、比例調整器４１、４１´を介してセパレータ回路２２のそれぞれの出力部２３、２４に接続されており、それぞれの比例調整器が、それぞれの制御信号ｕa及びｕeを、弁１０及び１１の開度値ｄa及びｄeを表す信号に変換するのに適したゲインｋpを有する。ただし、弁１０、１１における位置センサの組み込みを想定することも同様に可能であり、その結果、これらの開度値ｄa及びｄeは、命令値ではなく、測定値である。そして、制御部１５は、可動部材５の位置設定値ｚcを受信する入力部２５を有している。
【００２６】
制御部１５は、差動調整器(differential regulator)２６であって、可動部材５の測定位置ｚ・に対応する信号を用いて、可動部材５の速度測定値ｚに対応する信号を発生させる差動調整器を有している。また、制御部１５は、調整弁１によって形成される動的システムの状態を推定するように構成された状態観測器２７も有し、この推定される状態は、具体的には、可動部材５の測定された位置ｚ及び速度ｚ・、測定された上流圧力ｐa、並びに吸気弁１０及び排気弁１１それぞれの開度値ｄa、ｄeに基づいて、アクチュエータの内部室７内の気体の推定内圧ｐi＾、及び可動部材５の推定位置ｚ＾を含む。この状態観測器２７は、「アンセンテッド」カルマンフィルタ（ＵＫＦ）である。このフィルタアルゴリズムは、文献「The unscented Kalman filter for non-linear estimation」、Proceedings of Symposium 2000 on Adaptive systems for signal processing, communication and control (AS-SPCC)、IEEE、レイクルイーズ(Lake Louise)、アルバータ(Alberta)、カナダ、２０００年１０月に記載されており、調整弁１などの非線形動的システムの短期変動を予測するように、信号ノイズのフィルタリングだけでなく、予測的方法であっても用いることができる。
【００２７】
このような動的システムでは、モデル動的関数Ｆに従って経時的に変化する潜在的マルコフ状態ｘtの連鎖が存在すると仮定することができる。これらの潜在状態は、測定関数Ｇにより測定された状態ｙtを提供するセンサによって、間接的に観測される。このため、ｘt及びｙtは、次式を用いて表すことができる。
【数２】
2018513331.tif 000004
【００２８】
値ε（イプシロン）及びν（ニュー）はそれぞれ、システム固有のノイズ及び測定ノイズを表し、これらはともにガウス分布を有する。
【００２９】
フィルタアルゴリズムの目的は、センサによって測定されたノイズの値から動的システムの状態を推測することである。カルマンフィルタは、線形であるシステムを高速かつ正確に推測する。ただし、カルマンフィルタは、非線形であるシステムに直接適用することはできず、本適用は、その中に潜在的に分類される可能性がある。カルマンフィルタアルゴリズムを非線形システムに適応させる種々の選択肢のうち、特に知られているフィルタの一つは、「アンセンテッド」カルマンフィルタである。このアルゴリズムは、関数Ｆ及びＧによって潜在状態ｘnの複数の推定値を伝播し、伝播した値が線形システムから生じたかのようにガウス分布を再構築する。潜在状態ｘnの推定値の位置は「シグマポイント」と呼ばれ、初期平均及び分散から、アンセンテッド変換(unscented transformation)と呼ばれる近似スキームを用いて算出される。
【００３０】
図２Ａは、初期シグマポイントＸ00、Ｘ01、Ｘ02、Ｘ03、Ｘ04が、初期サンプリングｎ＝０に対応する測定値ｙ0の集合から潜在状態ｘ0について仮定して、平均Ａ0及び分散Ｖ0から、このようなアンセンテッド変換によって算出される第１段階を示している。次の予測段階では、図２Ｂに示されているように、初期シグマポイントＸ00、Ｘ01、Ｘ02、Ｘ03、Ｘ04にカルマンフィルタアルゴリズムの予測段階を適用することによって、次のサンプリング（ｎ＝１）に対応するシグマポイントの推定位置Ｘ´00、Ｘ´01、Ｘ´02、Ｘ´03、Ｘ´04が予測される。次の更新段階では、図２Ｃに示されているように、次のサンプリング（ｎ＝１）から、実際のシグマポイントＸ10、Ｘ11、Ｘ12、Ｘ13、Ｘ14が算出される。初期シグマポイントＸ00、Ｘ01、Ｘ02、Ｘ03、Ｘ04に基づいて予測される位置Ｘ´00、Ｘ´01、Ｘ´02、Ｘ´03、Ｘ´04と、新しいサンプリングに基づいて実際に算出された位置Ｘ10、Ｘ11、Ｘ12、Ｘ13、Ｘ14との差は、潜在状態ｘnの経時変化についての関数Ｆに関する情報を得るのに有用である。次の段階では、図２Ｄに示されているように、新しい平均値Ａ1及び新しい分散値Ｖ1が、新しいシグマポイントＸ10、Ｘ11、Ｘ12、Ｘ13、Ｘ14に基づいて算出される。このアルゴリズムは再帰的であり、予測段階からのそれぞれの段階は、新しいサンプリングごとに反復される。
【００３１】
この例では、モデル動的関数Ｆには、次式が採用される。
【数３】
2018513331.tif 000005
式中、ｍpは、空気圧アクチュエータ６及び可動部材５の可動質量を表し、Ｓiは、空気圧アクチュエータ６の室７内の内圧ｐiが作用する作動表面積を表し、Ｓcは、流路４を通る流れ断面の表面積を表し、Ｋaは、アクチュエータ６に関連する係数であり、ｚmaxは、アクチュエータ６の最大ストロークの振幅であり、ｚoは、アクチュエータ６の中立位置における内部室７の長さであり、γ（ガンマ）は、気体の定圧熱容量をその定容熱容量で割った商であり、Ｒは理想気体の普遍定数であり、Ｍmolは気体のモル質量であり、ｋaeは、この例では同一であると仮定される吸気弁１０及び排気弁１１に共通する特性係数であり、Ｃ*は気体の特性速度であり、Ｓimは、アクチュエータ６の内部室７の平均断面（ベローズアクチュエータでは、作動表面積Ｓiよりも小さくてもよい。）であり、そして、Δｔは、連続する２つのサンプリング間の時間間隔である。このように、これらの式は、可動部材５の位置ｚ及び速度ｚ・の予測値を、可動部材５の位置ｚ及び速度ｚ・の値からのサンプリングｎの内圧ｐi、先のサンプリングｎ−１の内圧ｐi、上流圧力ｐa、上流温度Ｔa、並びに吸気弁１０及び排気弁１１の開度値ｄa及びｄeとともに提供するのに有用である。測定値は内圧ｐiに利用できないが、フィルタアルゴリズムによって、この内圧の推定値ｐi＾を、可動部材５の位置及び速度の推定値とともに求めることができ、このため、それぞれのサンプリングｎにおける予測状態ｘ´nと測定状態ｙnとの比較を行うことができる。
【００３２】
アンセンテッドカルマンフィルタアルゴリズムは、モデルの３つの式に行列Ｑkを当てはめるが、この行列は、モデルのそれぞれの式に提供される信頼度に関連する係数を含む。このため、例として、図示されている実施形態では、行列Ｑkは次の値を含み得る。
【数４】
2018513331.tif 000006
【００３３】
アルゴリズムは、測定値の信頼度に関連する係数を含む行列Ｒkも適用する。可動部材５の速度ｚ・は、位置測定値ｚを微分することによって、間接的にのみ測定されるため、この大きさの測定値よりもモデルに対する信頼度を高めることが可能であることが理解できる。このため、図示されている実施形態では、行列Ｒkは、例えば、次の値を含み得る。
【数５】
2018513331.tif 000007
【００３４】
さらに、アンセンテッドカルマンフィルタアルゴリズムは、図示されている実施形態においてそれぞれ０．６５、２及び０という値を採用することができる、α（アルファ）、β（ベータ）及びλ（ラムダ）と呼ばれる係数を適用する。
【００３５】
制御部１５は、３つのフィードバックループであって、状態観測器２７によって推定された値を、それぞれの位置、力及び質量設定値と比較して、対応する誤差を算出することができるようにする、３つのフィードバックループを有している。位置ループと呼ばれる第１のフィードバックループ２８において、第１の比較器２９は、入力部２５を介して受信された位置設定値ｚcを、状態観測器２７によって推定された推定位置ｚ＾と比較して、位置誤差Δｚを構成するその差を算出するように構成されている。この第１のフィードバックループ２８には、比較器２９の下流に比例積分調整器３０も含まれ、比例積分調整器は、位置誤差Δｚから力設定値Ｆcを発生させるように積分のランナウェイを防止する手段を備えている。
【００３６】
第２のフィードバックループ３１において、第２の比較器３２は、力設定値Ｆcを、可動部材５上のアクチュエータ６によって及ぼされると推定される力Ｆ＾とを比較して、力設定値Ｆcと推定力Ｆ＾との差である力誤差ΔＦを算出するように構成されている。第２のフィードバックループ３１には、推定力Ｆ＾に対応する信号を発生させるように、状態観測器２７と第２の比較器３２との間に比例調整器３３も含まれ、比例調整器３３は、空気圧作動表面積Ｓiに対応する５つのゲインを有している。このため、この比例調整器３３によって、状態観測器２７により推定された推定内圧ｐi＾から推定力Ｆ＾が算出される。また、この第２のループには、第２の比較器３２の下流に、力誤差ΔＦを用いてアクチュエータ６の内圧に対する命令ｐicを得る比例積分調整３４と、この圧力命令ｐic、上流温度Ｔa、アクチュエータ６の内部室７の平均断面Ｓim、アクチュエータ６の中立位置における内部室７の長さｚ0、及び、中立位置に対するアクチュエータ６の推定位置ｚ＾を用いて、次の理想気体の状態方程式(perfect gas equation)を当てはめることによって、内部室内に収容された気体の質量設定値ｍcを算出する算出モジュール３５も含まれている。
【数６】
2018513331.tif 000008
【００３７】
第３のフィードバックループ３６において、第３の比較器３７は、この質量設定値ｍcを推定質量ｍ＾と比較して、質量設定値ｍcと推定質量ｍ＾との差である質量誤差Δｍを算出するように構成されている。また、この第３のフィードバックループ３６には、状態観測器２７と比較器３７との間に、算出モジュール３８であって、次の理想気体の状態方程式を当てはめることによって、推定内圧ｐi＾、上流温度Ｔa、アクチュエータ６の内部室７の平均断面Ｓim、アクチュエータ６の中立位置における内部室７の長さｚ0、及びアクチュエータ６の推定位置ｚ＾から、推定質量ｍ＾を算出する算出モジュールも含まれている。
【数７】
2018513331.tif 000009
【００３８】
この第３のフィードバックループ３６は、比較器３７の下流に、比例調整器３９であって、質量誤差Δｍに対応する信号にゲインＫpを印加して、吸気管８と排気管９との流速差設定値Δｑに対応する信号を発生させる比例調整器も含む。そして、第３のフィードバックループ３６は、比例調整器３９の下流に、別の算出モジュール４０であって、次式に基づいて、流速差設定値Δｑから共有領域調整信号αc（アルファｃ）の値を算出するように構成された別の算出モジュールも有している。
【数８】
2018513331.tif 000010
式中、値ｃｄa及びｃｄeはそれぞれ、吸気管８及び排気管９における気体中の音速に相当し、係数Ｋは、次式を用いて表すことができる。
【数９】
2018513331.tif 000011
【００３９】
したがって、制御部１５は、作動時に、可動部材の位置の設定信号ｚcを、気体の上流圧力ｐa及び温度測定値Ｔaに対応する信号、並びに可動部材５の位置ｚの測定値と、吸気弁１０及び排気弁１１の開度値ｄa、ｄeとともに受信する。上流圧力ｐa及び温度Ｔa並びに可動部材５の位置ｚ及び速度ｚ・のこれらの測定値から、そして、吸気弁１０及び排気弁１１の開度値ｄa、ｄeから、状態観測器２７は、少なくとも、アクチュエータの内部室７内の気体の推定内圧ｐi＾、及び可動部材５の推定位置ｚ＾を含む、調整弁１の最新の状態を推定する。
【００４０】
第１のフィードバックループ２８では、位置設定値ｚcを推定位置ｚ＾と比較して、位置誤差Δｚを算出し、そこから、積分のランナウェイを防止する手段を備えた比例積分調整器３０によって、力設定値Ｆcが求められる。
【００４１】
第２のフィードバックループ３１では、力設定値Ｆcを、状態観測器２７によって推定された推定内圧ｐi＾から算出される推定力Ｆ＾と比較して、力誤差ΔＦを算出し、そこから、比例積分調整器３４及び算出モジュール３５によって、気体質量設定値ｍcが求められる。
【００４２】
第３のフィードバックループ３６では、状態観測器２７によって推定された推定内圧ｐi＾から、質量設定値ｍcを推定質量ｍ＾と比較して、質量誤差Δｍを算出し、そこから、比例調整器３９及び算出モジュール４０は、吸気弁１０及び排気弁１１の共有領域調整命令αc（アルファｃ）を得る。
【００４３】
このため、デジタル調整器の形態の制御部１５は、フィードバックループ２８、３１及び３６のそれぞれの実行が、対応する周波数で反復される離散システムを構成している。良好な応答を得るように、第３のループ３６の周波数は、第２のループ３１の周波数よりも大幅に高くてもよく、そして、第１のループ２８の周波数よりも高くてもよい。したがって、第３のループ３６は、例として、第２のループ３１の１０倍の周波数を有していてもよく、そして、第１のループ３１の周波数の１０倍の周波数を有していてもよい。
【００４４】
そして、セパレータ回路２２は、共有領域調整命令αc（アルファｃ）に基づいて、吸気弁１０及び排気弁１１の個別の命令ｕa及びｕeをそれぞれ発生させて、調整弁１のアクチュエータ６を制御し、そして連続的に制御する。
【００４５】
本実施形態において、調整弁１は、アクチュエータ６を制御する吸気弁１０及び排気弁１１を有するが、１つの吸気弁又は排気弁のみを用いることも想定可能である。このため、図３に示されている実施形態において、排気弁は、一定の開度値ｄeを有するチョークノズル(choked nozzle)に置き換えられ、制御部１５によって制御されるのは吸気弁１０のみである。したがって、セパレータ回路は不要であり、算出モジュール４０は、次式に基づいて、流速差設定値Δｑから直接制御信号ｕaを得るように構成されている。
【数１０】
2018513331.tif 000012
【００４６】
さらに、排気弁９の開度は一定であるため、排気管９の開度値を提供する信号を伝達する必要はない。状態観測器２７は、一定の開度値ｄeを用いて、調整弁１によって形成される動的システムを推定することができる。
【００４７】
または、図４に示されている実施形態では、排気管は、一定の開度値ｄeを有するチョークノズルに置き換えられ、吸気管１１のみが制御部１５によって制御される。このため、セパレータ回路はもはや不要であり、算出モジュール４０は、次式に基づいて、流速差設定値Δｑから直接制御信号ｕeを得るように構成されている。
【数１１】
2018513331.tif 000013
【００４８】
さらに、吸気管８の開度は一定であるため、排気管８の開度値を提供する信号を戻す必要はない。状態観測器２７は、一定の開度ｄeを用いて、調整弁１によって形成される動的システムの状態を推定することができる。
【００４９】
本発明は、特定の実施形態を参照して説明されているが、特許請求の範囲によって規定される本発明の全体的な範囲を逸脱することなく、これらの実施形態において種々の改変及び変更を行うことができることは明らかである。さらに、先述した種々の実施形態の個々の特徴は、付加的な実施形態において組み合わせることができる。したがって、本明細書及び図面は、限定的ではなく例示的な意味により考慮される。
【図１】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図２Ｃ】
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【図２Ｄ】
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【図３】
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【図４】
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【国際調査報告】
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