(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
コマンド信号に基づいて所望の速度で作動する装置(26)の速度を調整するための方法であって、
(a)  前記装置(26)の現在の速度及び現在の加速度を求め、
(b)  前記装置(26)の所望の加速度と前記装置の前記現在の加速度との差に基いて加速度の所望の変化を求め、
(c)  先の制御サイクルにおけるコマンド信号(24)と、前記装置(26)の先の制御サイクルにおける速度と、前記装置の前記現在の速度とに基いて、前記装置の慣性ゲイン係数を求め、
(d)  加速度の前記所望の変化と前記慣性ゲイン係数とに基づいてコマンド信号の所望の変化を計算し、
(e)  前記コマンド信号の所望の変化に基づいてコマンド信号を修正し、修正したコマンド信号に基づいて前記装置を作動させる
段階からなることを特徴とする方法。
【請求項２】
(f)前記先の制御サイクルにおけるコマンド信号(24)と該コマンド信号(24)の前記所望の変化とに基づいて新たなコマンド信号(24)を求め、前記新たなコマンド信号(24)が前記装置(26)の所定の作動範囲内にあるかどうかを判断することを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項３】
コマンド信号に基づいて所望の速度で作動する装置(26)の速度を制御する方法であって、
(a)  前記装置(26)の所望速度(36)と前記装置(26)の速度との差に基づいて速度誤差信号(34)を求め、
(b)  比例コントローラー(38)を用いて該速度誤差信号(34)を所望の加速度信号(22)に変換し、
(c)  前記装置(26)の所望の加速度と前記装置(26)の実際の加速度とに基いて加速度の所望の変化を求め、
(d)  先の制御サイクルにおけるコマンド信号(24)と、先の制御サイクルから現在の制御サイクルまでの前記装置(26)の前記速度の変化とに基づいて慣性ゲイン係数を求め、
(e)  前記慣性ゲイン係数を加速度の前記所望の変化に乗算することによって前記コマンド信号の所望の変化を計算し、
(f)  前記コマンド信号の所望の変化に基づいてコマンド信号を修正し、修正したコマンド信号によって前記装置の作動を制御する、
段階からなることを特徴とする方法。
【請求項４】
(f)前記先のコマンド信号(24)と該コマンド信号(24)の前記所望の変化とに基づいてコマンド信号(24)を求め、前記コマンド信号(24)が前記装置(26)の所定の作動範囲内にあるかどうかを判断することを特徴とする請求項３に記載の方法。
【請求項５】
コマンド信号に基づいて所望の速度で作動する装置(26)の速度を表す速度信号(30)を与えるための速度センサー(28)を含む前記装置(26)の速度を制御する装置であって、前記装置はデータ処理手段(40)を備えており、該データ処理手段(40)は、
(a)  前記装置(26)の現在の速度及び現在の加速度を求め、
(b)  前記装置(26)の所望の加速度と前記装置の前記現在の加速度との差に基いて加速度(42)の所望の変化を求め、
(c)  先の制御サイクルにおけるコマンド信号(24)と、先の制御サイクルから現在の制御サイクルまでの前記装置(26)の前記速度の変化とに基いて慣性ゲイン係数を求め、
(d)  加速度の該所望の変化と、前記慣性ゲイン係数とに基いてコマンド信号(24)の所望の変化を求め、
(e)  前記コマンド信号(46)の前記所望の変化と先のコマンド信号(24)とに基いてコマンド信号を定めるように作用する
ことを特徴とする装置。
【請求項６】
前記コマンド信号(24)は前記装置(26)の速度を変更するための作動手段に対する出力であることを特徴とする請求項５に記載の装置。
【請求項７】
前記装置(26)はエンジン(60)によって動力を受ける可動機械であることを特徴とする請求項５又は６に記載の装置。
【請求項８】
前記装置(26)は機械の可動成分であることを特徴とする請求項５又は６に記載の装置。
【請求項９】
前記装置(26)はディーゼルエンジン(60)であることを特徴とする請求項５又は６に記載の装置。
【請求項１０】
前記コマンド信号(24)は前記ディーゼルエンジン(60)への所望の燃料流れを表すことを特徴とする請求項９に記載の装置。
【請求項１１】
前記装置(26)はガソリンエンジンであることを特徴とする請求項５又は６に記載の装置。
【請求項１２】
前記コマンド信号(24)は前記ガソリンエンジン(66)への所望の空気流れを表すことを特徴とする請求項１１に記載の装置。
【請求項１３】
前記装置(26)は複式燃料エンジンであることを特徴とする請求項５又は６に記載の装置。
【請求項１４】
前記コマンド信号(24)は前記複式燃料エンジン(66)への所望の空気流れを表すことを特徴とする請求項１３に記載の装置。
【請求項１５】
前記コマンド信号(24)は前記複式燃料エンジンへの所望の燃料流れを表すことを特徴とする請求項１３に記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
（技術分野）
本発明は、一般的に速度制御システムに関する。より詳細には、本発明は、加速度における所望の変化と、先のコマンド信号によって得られる速度の変化に基いてコマンド信号を作り出すエンジン制御システムに関する。
【０００２】
（背景技術）
エンジン速度を管理する様々な種類のマイクロプロセッサベースの電子制御システムが本分野において知られている。これらの制御システムはエンジンクランクシャフトの所望の速度とエンジンクランクシャフトの実際の速度との差に基いて速度誤差信号を計算する。速度誤差信号はコントローラーに入力され、速度誤差信号はコマンド信号に変換される。コマンド信号は作動装置に入力され、エンジン作動状態を変え、エンジンの実際の速度がエンジンの所望速度に近づくようになっている。コマンド信号の1例は、ディーゼルエンジンのサイクルあたりに噴射される燃料量を制御するのに使用されるコマンドされた燃料バルブ位置である。エンジンへ給送される燃料変化似よってエンジンのクランクシャフト速度が加速したり、減速し、エンジンの速度が変化することになる。エンジンクランクシャフトの速度変化の大きさと割合は、エンジン慣性力、荷重慣性力、およびエンジンの荷重を含むエンジン力学の関数である。コントローラーは、関連する１か、２以上のゲイン係数を有し、エンジン速度誤差信号を所望のコマンド信号に変換し、所望の反応特性を達成するようになっている。従来の技術において、ゲイン係数は制御システム解析技術またはシミュレーションモジュールを用いて各システムごとに選択される。ゲイン係数に関し選択された値は一定であってもよいし、または１か、２以上の変数の関数であってもよい。
【０００３】
速度管理システムの別のタイプは、エンジンによって動力を受けるモービル機械の速度を制御するのに使用されるクルーズ制御システムである。センサーが、自動車のような機械の進行速度を表す信号を与える。所望の進行速度がオペレーターにより設定される。所望の進行速度と検出される進行速度との差に基いた機械速度誤差信号が所望のエンジン速度信号に変換される。この信号がエンジン速度制御システムへの入力であり、エンジンの速度を変更し、モービル機械の速度を間接的に変化させることになる。一定か、１か、2以上の変数の関数であるゲイン係数が、機械速度誤差をコマンドされたエンジン速度に変換するように使用される。ゲイン係数はエンジンまたは機械との組み合わせに関し所望の動的応答を達成するように選択される。
【０００４】
電子制御システムはエンジンと別の推進システムに広く使用されるようになってきたので、特定のシステムの動力とは関係のない電子制御システムを有することが好ましい。次いで、制御システムは所定のエンジンまたはエンジン/機械組み合わせに関し、ゲイン係数を求める必要なく様々な推進システムプラットフォームに使用できる。エンジン速度とともに、エンジンにより動力を得る機械および車両の速度を制御するような制御システムを使用することが望まれる。
【０００５】
（発明の開示）
１実施例において、本発明は加速度における所望の変化、装置の慣性力、および装置に伴う負荷に基いてコマンド信号を作り出す段階を含む装置の速度を制御するための方法である。コマンド信号は、装置の加速度を変化させるための作動手段への出力である。速度センサーはエンジン、可動機械、または機械の可動成分のような装置の速度を表す信号を提供する。装置の実際の速度と装置の所望の速度の差に基いた誤差信号が計算される。加速における所望の誤差変化が誤差信号と制御システムの所望の反応時間に比例するゲイン係数に基いて計算される。加速度における所望の変化が、先のコマンド信号および先のコマンド信号から得られる装置の速度における変化から得られる慣性ゲイン係数で乗算される。慣性ゲイン係数が計算され選択された間隔で更新され、慣性力と負荷との変化を考慮するようになっている。
【０００６】
【本発明の詳細な説明】
図1を参照すると、所望の加速度信号２２を受取り、コマンド信号２４を装置２６に出力する調速機２０を含む装置の速度を制御する本発明の好ましい実施例の構成要素の機能ブロック線図である。
【０００７】
センサー２８は、装置２６の速度を表す速度信号３０を与えるように装置２６に接続される。加速度信号３２は速度信号の偏差を取ることによって計算される。速度誤差信号３４は、所望の速度信号３６と速度信号３０との間の差をとることによって計算される。所望の速度信号３６は、予め定められた定数、関数またはデータ表に基いた変数、またはオペレータもしくはクルーズ制御システムのような別の制御システムからの入力であればよい。速度誤差信号３４は本分野において公知のように比例コントローラー３８を用いて所望の加速度信号２２に変換される。ゲイン係数Ｋｐに関する値が、装置２６の速度の変化に応答する所望の時間を与えるように選択される。1未満であるＫｐに関する値は、１か、それ以上のＫｐの値よりも早い反応時間を与えることになる。Ｋｐは一定値であってもよいし、作動範囲の様々な部分にわたり望まれる反応時間に基いた１か、2以上の変数である。
【０００８】
装置２６は、例えば、ディーゼル、ガソリンまたは２回噴射エンジン、あるいはエンジンによって動力を受ける可動機械のクランクシャフトのような速度制御が望まれる機械の可動機械または可動成分のような種類のものであればいかなるものでもよい。装置２６の別の例には、ロボットのマニピュレータ、建設または農機具の作業具がある。上述した装置は、調速機２０に関する本発明に使用されてもよく、調速機２０の用途を制限するものではない種類の装置を表している。
【０００９】
センサー２８は装置２６の速度を表す信号即ち測定値を与えるように作用する電子または機械的センサーであればいかなるものでもよい。装置２６の動作の方向は、回転、線形、または回転および線形動作の組み合わせのいずれでもよい。センサー２８は装置２６の速度に関する所望の情報を与えるように選択されなければならない。回転または線形速度を表す信号を与えるための多くのこのようなセンサー２８は公知であり、商業的に入手可能である。エンジンクランクシャフトの速度を検出するセンサーの１例は、タイミングホイール上で離間した歯によりトリガーされるホール効果スイッチを有するタイミングホイール(図示せず)である。
【００１０】
図２は、電子制御モジュール(ECM)４０の一部として調速機２０を表しており、コンピュータシステムにおけるハードウェア、ソフトウェアまたはハードウェアとソフトウェアとの組み合わせに使用されればよい。このようなコンピュータシステムは、よく知られているように、１か、２以上のメモリーデバイスに接続されたマイクロプロセッサ、装置２６とセンサー２８と連結し、所望の速度信号のような入力を受信するための入力/出力装置を含んでいればよい。ECM４０は、入力を受取り、出力を伝達するといった調速機２０の機能を実行することに加え、制御機能を実行すればよい。そうでなければ、調速機２０はECM４０の外部のコンピュータシステムにあってもよい。このような場合、ECM４０と調速機２０間の入力/出力データリンクが必要になる。
【００１１】
図３は、装置２６の速度を制御する加速ベース調速機の好ましい１実施例のブロック線図を表す。センサー２８は装置２６の速度を表す信号を与える。本発明を実行するのに要求される計算は上述したような１か、２以上のコンピュータシステムのようなデータ処理手段において実行されればよい。図３に図示するように、加速度信号２２の所望の変化が、所望の加速度信号２２と加速度信号３２との差を計算することによって求められる。センサー２８は、装置２６の速度を表す速度信号を与える。加速度信号３２を調速機２０に与えるために、速度信号３０の微分係数が、本分野において公知の微分に関するいくつかの数学的技術の１つを用いて計算される（図１,３,５および６のラプラス変換記号ｓにより表される）。そうでなければ、センサー２８は装置２６の速度とともに加速度を表す信号を与える１か、２以上のセンサーを含んでいればよい。さらに、速度センサーを用いることの代りに、もしくはバックアップとして、速度信号３０を与えるために、加速度信号がいくつかの既知の数学的積分法の１つを使って積分されてもよい。
【００１２】
図３は、調速機２０の機能的ブロック線図を表しており、コマンド信号４６の所望の変化が、加速度４２の所望の変化と慣性ゲイン係数Jm/との積に基いて計算される。本発明の重要な態様の１つは、コマンド信号２４における先の変化から得られた装置２６の速度変化の既知の値、または過去の値を使用することである。この知識は、装置２６の加速度が以下の式により定義されるトルクの関数であるという仮定とともに得られる式に従って選択された間隔で慣性ゲイン係数Jm/を計算するのに使用される。
0004374141.tif 000002
【００１３】
ここで、
0004374141.tif 000003
【００１４】
Cはコマンド信号２４であり、コマンド信号２４からトルクへの変換における係数である。
Tは、負荷にかかるトルクである。Jmは、装置２６の慣性モーメントである。
【００１５】
従って、連続するパス間の加速度変化は次の通りである。
0004374141.tif 000004
【００１６】
ここで、下付文字iは、最後のパスを表しており、下付文字i−1は第2の最後のパスを表す。ディジタルコンピュータシステムで連続したデータ処理サイクル間の小さなタイムスライスのために、TiとTi-1間のわずかな変化を想定すると、式は次のように縮減される。
0004374141.tif 000005
【００１７】
従って、
0004374141.tif 000006
【００１８】
および、
0004374141.tif 000007
【００１９】
変換効率（Jm/）に対する慣性の推定値はCと加速度信号の値を用いて、先のデータ処理サイクルから算出される。次いで、図３に図示するように、Jm/に関する推定値を加速度４２の所望変化に乗算することによって算出される。コマンド信号２４は、コマンド信号４６の所望変化とコマンド信号２４を合算することによって計算され、装置２６の作動状態に比較される。例えば、装置２６は温度、所定の作動限界すなわち温度、エミッションまたはトルク限界のようなオーバライドを有していればよい。信号２４と４６の合成後、この結果得られた信号が、所定の理由のために、装置２６に関し形成された作動状態二関するものではいという判断がなされると、この結果得られた信号は装置２６に関する作動状態の範囲内になるように変更されたり修正される。コマンド信号２４は装置２６にともなう、または装置２６の一部の作動手段に対する出力であり、装置２６の速度を変更する。
【００２０】
図４は、本発明の方法を表すフローチャートであり、ブロック５０は、所望の加速度信号２２と加速度信号３２との差に基いた加速度信号４２の所望の変化を求める段階を表す。ブロック５２は、コマンド信号２４と加速度信号３２に関する先の値に基いた慣性ゲイン係数Jm/を推定値する段階を表す。ブロック５４に図示した次の段階は、加速度信号４２の所望の変化に慣性ゲイン係数Jm/を乗算することによってコマンド信号４６の所望の変k名を計算している。ブロック５６において、コマンド信号２４は、コマンド信号４６の所望の変化とコマンド信号２４を合成することにより求められ、この結果得られた信号は装置２６に関し形成された作動状態と比較される。コマンド信号２４は、加速度ひいては装置２６の速度を変更するための作動手段に対する出力である。
(産業上の利用可能性)
本発明は、ゲイン係数とフィードバックループにおける最小の変化との積の範囲にわたり付与されてもよい内燃エンジンのような装置に関する別の速度調整システムを提供する。本発明の速度調整システムは、速度からのフィードバックではなく加速度フィードバックに基いており、別の速度調速機にともなう補償待ち時間を減少させる。本発明により、使用者は速度誤差信号３４から所望の加速度信号２２への適切な変換を選択することによって速度誤差への所望の応答を達成することができる。加速度４２における所望の変化に対する調速機の応答は、以下のような速度誤差３４を所望の加速度２２に連結することによって定数として定めることができる。
0004374141.tif 000008
【００２１】
ここで、
0004374141.tif 000009
【００２２】
例えば、速度が分あたりの回転数(rpm)で表される場合、逆時定数＝0.01が100rpm/秒の割合で正確な加速度である。図３、５および６において、変換手段が比例コントローラKpとして示されており、Kp=逆時定数であるが、変換はエンジンからの所望の応答を達成するためにより複雑な関数であってもよい。
【００２３】
図５は、ディーゼルエンジン６０に関する本発明の別の用途の１例を表しており、燃料コマンド６２における所望の変化が、加速度信号４２と慣性ゲイン係数Jm/の所望の変化を用いて計算される。燃料コマンド６４がディーゼルエンジン６０への所望の燃料流れを表す。ディーゼルエンジン６０へ給送される燃料が燃焼サイクルの結果としてトルクに変換される。変換率の変数が変換効率を表すゲイン係数Jm/に考慮される。燃料コマンド６２において過去の変化で得られる加速度の変化の知識が、ディーゼルエンジン６０の加速が以下の式により定義されるトルクの関数であるという前提に基づいて選択された間隔で慣性ゲイン係数Jm/を算出するのに使用される。
0004374141.tif 000010
【００２４】
ここで、
0004374141.tif 000011
【００２５】
Ｆは、燃料コマンド信号６４、さらに燃料コマンド信号６４をトルクに変換する効率である。
Ｔは、負荷にかけられるトルクである。
Ｊｍは、ディーゼルエンジンおよび、機械が利用されるのであれば、ディーゼルエンジンにより動力を与えられる機械の慣性モーメントである。
【００２６】
従って連続パス間の加速変化は次のようになる。
0004374141.tif 000012
【００２７】
ここで、下付文字i-1は、最後のパスを表しており、下付文字i−2は第2の最後のパスを表す。ディジタルコンピュータシステムで連続したデータ処理サイクル間の小さなタイムスライスのために、Ti-1とTi-2間のわずかな変化を想定すると、式は次のように縮減される。
0004374141.tif 000013
【００２８】
従って、
0004374141.tif 000014
【００２９】
および
0004374141.tif 000015
【００３０】
変換係数（Jm/）に対する慣性の推定値はＦと加速度信号の値を用いて、先のデータ処理サイクルから算出される。次いで、現在のパスに関する燃料コマンド６２の所望の変化が、図５に図示するようにJm/に関する推定値を加速度の所望変化に乗算することによって計算される。燃料コマンド信号６４は、燃料コマンド６２の所望の変化と燃料コマンド信号６４との合計によって計算され、この結果得られた信号がディーゼルエンジン６０の作動状態に比較される。
【００３１】
図６は、本発明をガソリンエンジン６６に適用する１例を表しており、エンジンにより得られるトルクはシリンダに送られる混合気に比例する。エンジンに与えられる燃料量は空気流れに比例する。空気流れ６８の所望変化が加速度信号４２の所望変化と慣性ゲイン係数Jm/とを用いて計算される。ガソリンエンジン６６に給送される混合気が、燃焼サイクルの結果としてトルクに変換される。変化効率の変数がゲイン係数Jm/に考慮され、変換効率を表す。空気流れ６８の過去の変化で達成された加速度の変化の知識が、ガソリンエンジン６６の加速度が以下の式によって定められるトルクの関数であるという前提に基づいて選択された間隔で慣性ゲイン係数Jm/を算出するのに使用される。
0004374141.tif 000016
【００３２】
ここで、
0004374141.tif 000017
【００３３】
Ｆは、空気流れコマンド信号７０、さらに空気流れコマンド信号７０をトルクに変換する効率である。
Ｔは、負荷にかけられるトルクである。
Ｊｍは、ガソリンエンジン６６および、機械が利用されるのであれば、ガソリンエンジンにより動力を与えられる機械との慣性モーメントである。
【００３４】
連続パス間の加速度変化は次のようになる。
0004374141.tif 000018
【００３５】
ここで、下付文字i-1は、最後のパスを表しており、下付文字i−2は第2の最後のパスを表す。ディジタルコンピュータシステムで連続したデータ処理サイクル間の小さなタイムスライスのために、Ti-1とTi-2間のわずかな変化を想定すると、式は次のように縮減される。
0004374141.tif 000019
【００３６】
従って、
0004374141.tif 000020
【００３７】
および
0004374141.tif 000021
【００３８】
変換係数（Jm/）に対する慣性の推定値は、ｍ’と加速度信号の値を用いて、先のデータ処理サイクルから算出される。次いで、現在のパスに関する燃料コマンド６２の所望の変化が、図６に図示するようにJm/に関する推定値を加速度４２の所望変化に乗算することによって計算される。空気流れコマンド信号７０は、空気流れコマンド６８の所望の変化と空気流れコマンド信号７０との合計によって計算され、この結果得られた信号がディーゼルエンジン６６の作動状態に比較される。
【００３９】
本発明は、２つのモードで作動する複式燃料エンジンにも適用可能である。厳密な液体燃料モードにおいて、ディーゼル燃料のような液体燃料がエンジンシリンダまたは燃焼中の単一のエネルギー源としての前燃焼室に直接噴射される。複式燃料モードにおいて、天然ガスのようなガス燃料が、シリンダの吸気ポート内おいて空気と混合され、少量のディーゼル燃料が、空気とガス燃料の混合気を点火するためにシリンダまたは前燃焼室に噴射される。調速機が、複式燃料エンジンの速度を制御するのに一般的に使用され、本発明は、液体燃料モード中に図５に図示したコマンド燃料流れに実行され、複式燃料モード中に、図６に図示したコマンド空気流れに使用されてもよい。
【００４０】
本発明は、調速機が必要とされる別の用途に適用可能であり、制御されるべき装置の加速度と出力との間の相関関係がある。エンジンの速度制御において、加速度とエンジンにより得られるトルクとの間に相関関係があり、燃料流れまたは空気流れに比例する。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の加速度ベース調速機を組み入れる速度制御システムの機能ブロック線図である。
【図２】  調速機、装置、センサー、電子コントローラおよび電子コントローラへの入力間のインターフェイスの機能的ブロック線図である。
【図３】  本発明の加速度ベースの調速機の機能的ブロック線図である。
【図４】  加速度に基いて速度を制御するための本発明の方法に関連した段階を表すフローチャートである。
【図５】  ディーゼルエンジンに関する本発明の加速度ベース調速機を組み入れる速度制御システムの機能的ブロック線図である。
【図６】  ガソリンエンジンに関する本発明の加速度ベース調速機を組み入れる速度制御システムの機能的ブロック線図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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