ΔΣ変調アルゴリズムを用いてプラントを制御する制御装置
【課題】ΔΣ変調アルゴリズムを用いて、所与のプラントを良好な精度で制御する。
【解決手段】モデルパラメータを用いてモデル化された制御対象を制御する制御装置は、モデルパラメータを同定する同定器と、該同定器に接続されたコントローラであって、制御対象の出力が目標値に収束するように、前記モデルパラメータを用いて参照入力を算出するコントローラと、該コントローラに接続された変調器であって、該参照入力に、ΔΣ変調アルゴリズム、ΣΔ変調アルゴリズムおよびΔ変調アルゴリズムのうちの１つを適用して、制御対象への制御入力を算出する変調器と、を備える。同定器は、制御対象の出力および参照入力に基づいて、モデルパラメータを同定する。同定器は、参照入力に基づいてモデルパラメータを算出するので、モデルパラメータが振動的になることを防止することができる。
【解決手段】モデルパラメータを用いてモデル化された制御対象を制御する制御装置は、モデルパラメータを同定する同定器と、該同定器に接続されたコントローラであって、制御対象の出力が目標値に収束するように、前記モデルパラメータを用いて参照入力を算出するコントローラと、該コントローラに接続された変調器であって、該参照入力に、ΔΣ変調アルゴリズム、ΣΔ変調アルゴリズムおよびΔ変調アルゴリズムのうちの１つを適用して、制御対象への制御入力を算出する変調器と、を備える。同定器は、制御対象の出力および参照入力に基づいて、モデルパラメータを同定する。同定器は、参照入力に基づいてモデルパラメータを算出するので、モデルパラメータが振動的になることを防止することができる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、ΔΣ変調アルゴリズムを用いて、所与のプラントを良好な精度で制御する装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
ΔΣ変調アルゴリズム（またはΣΔ変調アルゴリズム、またはΔ変調アルゴリズム）を用いて、プラントを制御する手法が知られている（特許文献１を参照）。プラントが、オンとオフの制御入力に対して適切な制御出力を生成することができる能力を有しているならば、ΔΣ変調アルゴリズムを用いて、該プラントを良好な精度で制御することができる。
【０００３】
図１８は、ΔΣ変調アルゴリズムを用いた、典型的な制御装置の機能ブロック図を示す。プラントすなわち制御対象１０１は、モデルパラメータを用いてモデル化される。制御対象１０１の制御入力と制御出力に基づいて、同定器１０２はモデルパラメータを逐次的に同定する。状態予測器１０３は、制御対象１０１が有するむだ時間を考慮して、モデルパラメータを用いて制御出力の予測値を生成する。予測値は、所定の目標値と比較される。増幅器１０４は、予測値と目標値の間の偏差を増幅し、参照入力を出力する。コントローラ１０５は、該参照入力に対してΔΣ変調アルゴリズムを適用し、制御対象１０１への制御入力を算出する。
【特許文献１】特開平２００３−１９５９０８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
状態予測器は、制御対象の有するむだ時間を補償するように、制御対象からの制御出力についての予測値を生成する。制御対象がむだ時間を有しない場合、状態予測器は不要である。状態予測器が存在しないと、同定器により同定されたモデルパラメータが、制御入力に反映されなくなる。これは、制御精度を劣化させるおそれがある。
【０００５】
したがって、ΔΣ変調アルゴリズムを用いて、むだ時間を有しない制御対象を良好な精度で制御することができる制御装置が必要とされている。
【０００６】
また、ΔΣ変調アルゴリズムを適用するコントローラから出力された信号は、矩形波である。このような矩形波を用いてモデルパラメータを同定すると、モデルパラメータが振動的になるおそれがある。このようなモデルパラメータの振動は、制御系を不安定にするおそれがある。
【０００７】
したがって、ΔΣ変調アルゴリズムを用いた制御において、モデルパラメータが振動することを防止することのできる制御装置が必要とされている。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
この発明の一つの側面によると、モデルパラメータを用いてモデル化された制御対象を制御する制御装置は、モデルパラメータを同定する同定器と、該同定器に接続されたコントローラであって、制御対象の出力が目標値に収束するように、該モデルパラメータを用いて参照入力を算出するコントローラと、該コントローラに接続された変調器であって、該参照入力に、ΔΣ変調アルゴリズム、ΣΔ変調アルゴリズムおよびΔ変調アルゴリズムのうちの１つを適用して、制御対象への入力を算出する変調器と、を備える。同定器は、制御対象の出力および参照入力に基づいて、モデルパラメータを同定する。
【０００９】
この発明によれば、同定器により同定されたモデルパラメータがコントローラに渡され、コントローラは、制御対象の出力が目標値に収束するように、該モデルパラメータを用いて参照入力を算出する。制御対象への入力は、参照入力にΔΣ変調アルゴリズム（または、ΣΔ変調アルゴリズム、またはΔ変調アルゴリズム）を適用することにより算出される。したがって、制御対象の挙動に適応するよう同定されたモデルパラメータを、制御対象への入力に反映させることができる。さらに、同定器は、参照入力に基づいてモデルパラメータを算出するので、モデルパラメータが振動的になることを防止することができる。
【００１０】
この発明の一実施形態によると、モデルパラメータは、予め同定された第１のモデルパラメータと、同定器により逐次的に同定される第２のモデルパラメータを含んでおり、同定器は、上記制御対象と、該制御対象を表すモデルの第１のモデルパラメータに基づく構成要素とを含む仮想プラントについて、第２のモデルパラメータを用いてモデル化し、該仮想プラントの出力が、該第２のモデルパラメータを用いたモデルの出力に収束するように、該第２のモデルパラメータを同定する。このように仮想プラントを構成することにより、制御対象を表すモデルの複数のモデルパラメータのうちの一部のみを同定することができる。同定すべきモデルパラメータの数を減らすことができるので、モデルパラメータの最適値への収束時間を短縮させることができる。
【００１１】
この発明の他の実施形態によると、モデルパラメータは、制御対象に印加される外乱を表すモデルパラメータを含んでおり、同定器は、制御対象の出力および参照入力に基づいて、該外乱を表すモデルパラメータを同定する。同定器は、参照入力に基づいて外乱を表すモデルパラメータを算出するので、外乱を表すモデルパラメータが振動的になることを防止することができる。
【００１２】
この発明の他の実施形態によると、モデルパラメータは、所定のパラメータに対応して予め同定された第１のモデルパラメータ、および同定器により逐次的に同定される第２のパラメータを含む。制御装置は、さらに、該予め同定された第１のモデルパラメータの値を保持したパラメータスケジューラを備える。パラメータスケジューラは、該所定のパラメータの供給を受けたことに応じて、該所定のパラメータの値に対応する第１のモデルパラメータの値を求める。この実施形態によれば、制御対象の動特性によって影響を受けるおそれのあるモデルパラメータについては、同定器で逐次的に同定され、影響を受けるおそれが少ないモデルパラメータについては、予め同定された値をパラメータスケジュールに格納しておくことができる。このようなモデルパラメータの算出手法により、制御系の挙動に影響を及ぼすことなく、モデルパラメータを同定する速度を速めることができる。
【００１３】
この発明の他の実施形態によると、コントローラは、２自由度応答指定型制御アルゴリズムを用いて、参照入力を算出する。２自由度応答指定型制御アルゴリズムにより、制御出力の外乱に対する応答特性と、制御出力の目標値に対する追従特性を、個別に指定することができる。２自由度応答指定型制御アルゴリズムによれば、オーバーシュートを生じさせることなく、該指定された収束速度で、制御対象の出力を目標値に収束させることができる。
【００１４】
この発明の一実施形態によると、制御対象は、エンジンのカムシャフトの位相を可変に制御する可変位相装置である。この場合、制御対象の入力は、該可変位相装置に与えられる指令値であり、制御対象の出力は、カムシャフトの位相である。この発明によれば、オーバーシュートを生じさせることなく、良好な精度でカムシャフトの位相を目標値に収束させることができ、ドライバビリティおよび燃費の向上を実現することができる。
【００１５】
この発明の他の実施形態では、制御対象は、エンジンから排ガスセンサまでの系である。この場合、制御入力は、該エンジンに供給する燃料に関連するパラメータ（たとえば、燃料補正係数）であり、制御出力は、排ガスセンサの出力である。この実施形態によれば、オーバーシュートを生じさせることなく、良好な精度で排ガスセンサの出力を目標値に収束させることができ、排ガスの不所望な成分を低減することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
内燃機関および制御装置の構成
次に図面を参照してこの発明の実施の形態を説明する。図１は、この発明の実施形態に従う、内燃機関（以下、エンジンと呼ぶ）およびその制御装置の全体的な構成図である。
【００１７】
電子制御ユニット（以下、「ＥＣＵ」）という）１は、車両の各部から送られてくるデータを受け入れる入力インターフェース１ａ、車両の各部の制御を行うための演算を実行するＣＰＵ１ｂ、読み取り専用メモリ（ＲＯＭ）およびランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）を有するメモリ１ｃ、および車両の各部に制御信号を送る出力インターフェース１ｄを備えている。メモリ１ｃのＲＯＭには、車両の各部の制御を行うためのプログラムおよび各種のデータが格納されている。この発明に従う制御のためのプログラムは、該ＲＯＭに格納される。ＲＯＭは、ＥＰＲＯＭのような書き換え可能なＲＯＭでもよい。ＲＡＭには、ＣＰＵ１ｂによる演算のための作業領域が設けられる。車両の各部から送られてくるデータおよび車両の各部に送り出す制御信号は、ＲＡＭに一時的に記憶される。
【００１８】
エンジン２は、たとえば４サイクルＤＯＨＣ型ガソリンエンジンである。エンジン２は、吸気カムシャフト５および排気カムシャフト６を備えている。吸気カムシャフト５は、吸気弁３を開閉駆動する吸気カム５ａを有しており、排気カムシャフト６は、排気弁４を開閉駆動する排気カム６ａを有している。これらの吸気および排気カムシャフト５および６は、図示しないタイミングベルトを介してクランクシャフト７に連結されており、クランクシャフト７が２回転するごとに１回転する。
【００１９】
連続可変位相装置１０は、連続可変位相機構１１および油圧駆動部１２を備える。油圧駆動部１２は、ＥＣＵ１から供給される指令値に従い、油圧を用いて連続可変位相機構１１を駆動する。これにより、クランクシャフト７に対する吸気カム５ａの実際の位相ＣＡＩＮが、連続的に進角または遅角する。連続可変位相装置１０の詳細は図２を参照して説明される。
【００２０】
吸気カムシャフト５の端部には、カム角センサ２０が設けられている。カム角センサ２０は、吸気カムシャフト５の回転に伴い、所定のカム角（たとえば、１度）ごとに、パルス信号であるＣＡＭ信号をＥＣＵ１に出力する。
【００２１】
エンジン２の吸気管１５には、スロットル弁１６が設けられている。スロットル弁１６の開度は、ＥＣＵ１からの制御信号により制御される。スロットル弁１６に連結されたスロットル弁開度センサ（θＴＨ）１７は、スロットル弁１６の開度に応じた電気信号を、ＥＣＵ１に供給する。
【００２２】
吸気管圧力（Ｐｂ）センサ１８は、スロットル弁１６の下流側に設けられている。Ｐｂセンサ１８によって検出された吸気管圧力ＰｂはＥＣＵ１に送られる。
【００２３】
さらに、吸気管１５には、燃料噴射弁１９が気筒毎に設けられている。燃料噴射弁１９は、燃料タンク（図示せず）から燃料の供給を受け、ＥＣＵ１からの制御信号に従って燃料を噴射される。
【００２４】
エンジン２には、クランク角センサ２１が設けられている。クランク角センサ２１は、クランクシャフト７の回転に伴い、パルス信号であるＣＲＫ信号およびＴＤＣ信号をＥＣＵ１に出力する。
【００２５】
ＣＲＫ信号は、所定のクランク角（たとえば、３０度）で出力されるパルス信号である。ＥＣＵ１は、該ＣＲＫ信号に応じ、エンジン２の回転数ＮＥを算出する。さらに、ＥＣＵ１は、ＣＲＫ信号とＣＡＭ信号に基づいて、位相ＣＡＩＮを算出する。また、ＴＤＣ信号は、ピストン９のＴＤＣ位置に関連したクランク角度で出力されるパルス信号である。
【００２６】
エンジン２の下流側には排気管２２が連結されている。エンジン２は、排気管２２を介して排気する。排気管２２の途中に設けられた触媒装置２３は、排気管２２を通る排気ガス中のＨＣ、ＣＯ、ＮＯｘなどの有害成分を浄化する。
【００２７】
広域空燃比センサ（ＬＡＦ）センサ２４は、触媒装置２３の上流に設けられている。ＬＡＦセンサ２４は、リーンからリッチにわたる広範囲の空燃比を検出する。検出された空燃比は、ＥＣＵ１に送られる。
【００２８】
Ｏ２（排ガス）センサ２５は、上流触媒と下流触媒の間に設けられている。Ｏ２センサ２５は２値型の排気ガス濃度センサである。Ｏ２センサは、空燃比が理論空燃比よりもリッチであるとき高レベルの信号を出力し、空燃比が理論空燃比よりもリーンであるとき低レベルの信号を出力する。出力された電気信号は、ＥＣＵ１に送られる。
【００２９】
ＥＣＵ１に向けて送られた信号は入力インターフェース１ａに渡され、アナログ−デジタル変換される。ＣＰＵ１ｂは、変換されたデジタル信号を、メモリ１ｃに格納されているプログラムに従って処理し、車両のアクチュエータに送るための制御信号を作り出す。出力インターフェース１ｄは、これらの制御信号を、スロットル弁１６、油圧駆動部１２、燃料噴射弁１９、およびその他の機械要素のアクチュエータに送る。
【００３０】
連続可変位相装置
本発明に従う制御手法を、連続可変位相装置を制御対象にとって説明する。
【００３１】
図２は、図１に示される連続可変位相装置１０の一例を示す。連続可変位相装置１０は、前述したように、連続可変位相機構１１および油圧駆動部１２を備える。
【００３２】
ＥＣＵ１からの指令値Ｕcainはソレノイド３１に供給される。ソレノイド３１が指令値Ucainに従って通電され、該ソレノイド３１により、油圧スプール弁３２が駆動される。油圧スプール弁３２は、タンク３３内の作動油を、ポンプ３４を介して吸い上げる。
【００３３】
油圧スプール弁３２は、進角油路３６ａおよび遅角油路３６ｂを介して、連続可変位相機構１１に連結されている。進角油路３６ａに供給される作動油の油圧ＯＰ１および遅角油路３６ｂに供給される作動油の油圧ＯＰ２は、油圧スプール弁３２を介して指令値Ｕcainに従って制御される。
【００３４】
連続可変位相機構１１は、ハウジング４１およびベーン４２を備える。ハウジング４１は、図示しないスプロケットおよびタイミングベルトを介してクランクシャフト７に連結されている。ハウジング４１は、クランクシャフト７の回転に伴い同じ方向に回転する。
【００３５】
ベーン４２は、ハウジング４１内に挿入された吸気カムシャフト５から放射状に延びている。ベーン４２は、所定の範囲内で、ハウジング４１に対して相対的に回転可能なように該ハウジング４１に収容されている。ハウジング４１内に形成される扇状の空間が、ベーン４２によって、３つの進角室４３ａ、４３ｂおよび４３ｃと、３つの遅角室４４ａ、４４ｂおよび４４ｃに区画されている。３つの進角室４３ａ〜４３ｃには、進角経路３６ａが連結されている。油圧ＯＰ１の作動油は、進角経路３６ａを介して進角室４３ａ〜４３ｃに供給される。３つの遅角室４４ａ〜４４ｃには、遅角経路３６ｂが連結されている。油圧ＯＰ２の作動油は、遅角経路３６ｂを介して遅角室４４ａ〜４４ｃに供給される。
【００３６】
油圧ＯＰ１と油圧ＯＰ２との差がゼロであるときには、ベーン４２がハウジング４１に対して相対的に回転せず、それにより、位相ＣＡＩＮの値は維持される。ＥＣＵ１からの指令値Ｕcainにより、油圧ＯＰ１が油圧ＯＰ２より大きくなったときには、それに応じて、ベーン４２がハウジング４１に対して相対的に進角側に回転し、位相ＣＡＩＮが進角される。ＥＣＵ１からの指令値Ｕcainにより、油圧ＯＰ２が油圧ＯＰ１より大きくなったときには、それに応じて、ベーン４２がハウジング４１に対して相対的に遅角側に回転し、位相ＣＡＩＮが遅角される。
【００３７】
このような連続可変位相装置では、ポンプから吐出される油圧にバラツキが生じたり、作動油の粘性に変化が生じたりすることがある。また、ベーンとハウジングの隙間にバラツキや経年変化が生じることがある。このような状態が生じると、連続可変位相装置の動特性が変化する。連続可変位相装置の動特性の変化に対し、ロバストに位相ＣＡＩＮを目標値に制御するのが好ましい。
【００３８】
また、位相ＣＡＩＮは、油圧の変動に対して非線形に変化する。ΔΣ変調アルゴリズムを用いた制御は、このような非線形特性を有する制御系に対し有効である。
【００３９】
制御装置の構成
図３は、この発明の一実施形態に従う、連続可変位相装置１０を制御する装置の機能ブロック図である。
【００４０】
制御対象である連続可変位相装置１０への制御入力Ｕcainは、前述したように、ソレノイド３１を駆動する指令値である。制御出力ＣＡＩＮは、吸気カム５ａのクランクシャフト７に対する実際の位相である。
【００４１】
式（１）は、連続可変位相装置１０のモデル式を示す。式（１）に示されるように、連続可変位相装置１０は、むだ時間を有しない系として表される。
【数１】
【００４２】
制御対象である連続可変位相装置１０には、実際には外乱が印加されるので、該外乱をｃ１で表すと、式（１）のモデル式は、式（２）のように表される。ｃ１は、外乱推定値とも呼ばれる。
【数２】
【００４３】
モデルパラメータａ１〜ｃ１のうち、ｂ１、ｂ２およびｃ１は、連続可変位相装置１０の動特性による影響が大きく、ａ１およびａ２は、該動特性による影響が少ない。そこで、モデルパラメータｂ１、ｂ２およびｃ１については、部分モデルパラメータ同定器５１が、モデル化誤差がなくなるように、逐次的に同定する。モデルパラメータａ１およびａ２については、予め同定されている。モデルパラメータａ１およびａ２と、エンジンの運転状態（たとえば、エンジン回転数ＮＥ）との関係を、マップとしてメモリ１ｃに格納することができる。モデルパラメータスケジューラ５２は、検出されたエンジンの運転状態に基づいて該マップを参照し、モデルパラメータａ１およびａ２の値を抽出する。代替的に、モデルパラメータスケジューラ５２が、該マップを保持するようにしてもよい。
【００４４】
このように、同定器により逐次的に同定するモデルパラメータの数を減らすことができるので、該同定するモデルパラメータの最適値への収束時間を短縮することができる。また、同定のための演算量を減らすことができる。
【００４５】
部分モデルパラメータ同定器５１およびモデルパラメータスケジューラ５２は、２自由度スライディングモードコントローラ５３に接続されている。スライディングモードコントローラ５３から見ると、ΔΣ変調器５４および連続可変位相装置１０を含む系５５が、制御対象となる。スライディングモードコントローラ５３は、部分モデルパラメータ同定器５１およびモデルパラメータスケジューラ５２から受け取ったモデルパラメータａ１〜ｃ１を用い、制御出力ＣＡＩＮが目標値ＣＡＩＮ＿ｃｍｄ（正確には、後述するように、目標値ＣＡＩＮ＿ｃｍｄに基づく値ＣＡＩＮ＿ｃｍｄ＿ｆ）に収束するように、参照入力Ｒcainを算出する。
【００４６】
ΔΣ変調器５４は、スライディングモードコントローラ５３から受け取った参照入力Ｒcainに対してΔΣ変調アルゴリズムを適用し、制御入力Ｕcainを算出する。制御入力Ｕcainは、連続可変位相装置１０に印加される。
【００４７】
部分モデルパラメータ同定器５１およびモデルパラメータスケジューラ５２がスライディングモードコントローラ５３に接続されているので、同定結果が、参照入力Ｒcainに反映され、よって制御入力Ｕcainに反映される。したがって、むだ時間を有しない系を制御する場合でも、同定結果を制御入力に反映することができる。同定結果を制御入力に反映することができるので、モデル化誤差が生じないように、良好な精度で制御対象を制御することができる。
【００４８】
さらに、参照入力Ｒcainが部分モデルパラメータ同定器５１に入力される点に注意されたい。背景技術の欄で図１８を参照して述べたように、従来は、ΔΣ変調器の出力（すなわち、コントローラ１０５の出力）が同定器１０２に入力されていた。本願発明では、ΔΣ変調器への入力、すなわち参照入力Ｒcainが同定器５１に入力される。
【００４９】
これは、以下のような効果をもたらす。すなわち、図４の（ａ）に示されるように、ΔΣ変調器５４は、参照入力Ｒcainに基づいて、プラス方向とマイナス方向に振動する変調信号Ｕcainを生成する。ΔΣ変調器５４による変調信号Ｕcainを生成する手法については、後述される。
【００５０】
このように振動する変調信号Ｕcainに基づいてモデルパラメータを同定すると、図４の（ｂ）に示されるように、算出される外乱推定値ｃ１が振動する。比較のため、実際の外乱が参照番号５７によって表されている。算出される外乱推定値ｃ１が、実際の外乱５７に対して振動していることがわかる。スライディングモードコントローラ５３は、外乱推定値ｃ１を用いて参照入力Ｒcainを算出するので、参照入力Ｒcainも振動的になり、結果として制御出力ＣＡＩＮに振動を生じさせるおそれがある。これは、制御系を不安定にし、ひいては制御系に共振状態を引き起こすおそれがある。
【００５１】
外乱推定値ｃ１だけでなく、他のモデルパラメータｂ１およびｂ２についても、図４の（ｂ）に示されるような振動現象が生じるおそれがある。
【００５２】
この発明によれば、部分モデルパラメータ同定器５１に、参照入力Ｒcainが入力される。図４の（ａ）に示されるように、参照入力Ｒcainは振動的な態様を持たないので、同定器５１により算出される外乱推定値ｃ１が振動的になることを防ぐことができる。図４の（ｃ）に、参照入力Ｒcainに基づいて算出された外乱推定値ｃ１を示す。図４の（ｂ）と比較して明らかなように、外乱推定値ｃ１の振動が抑制されていることがわかる。当然ながら、他のモデルパラメータｂ１およびｂ２についても同様に、振動が抑制される。
【００５３】
このように、本願発明によれば、部分モデルパラメータ同定器５１が、ΔΣ変調器５４への入力Ｒcainを用いてモデルパラメータを同定するので、モデルパラメータが振動することを防止することができる。これにより、制御出力ＣＡＩＮに振動が生じることが抑制される。ΔΣ変調器５４への入力Rcainを部分モデルパラメータ同定器５１に接続することにより、スライディングモードコントローラ５３は、前述したように、ΔΣ変調器５４と連続可変位相装置１０との両方を含む系５５を対象として制御するよう構成される。このような構成により、図３に示される制御系の整合性は維持される。
【００５４】
この実施形態では、モデルパラメータａ１およびａ２は、モデルパラメータスケジューラ５２によって、エンジンの運転状態に基づいて算出される。代替的に、モデルパラメータａ１およびａ２を、予め決められた値に固定してもよい。
【００５５】
以下、図３に示される個々の機能ブロックについて詳細に説明する。
【００５６】
２自由度スライディングモードコントローラ５３は、２自由度スライディングモード制御を用いて、参照入力Ｒcainを算出する。スライディングモード制御は、制御量の収束速度を指定することができる応答指定型制御である。２自由度スライディングモード制御は、スライディングモード制御を発展させた形態を持ち、制御量の目標値に対する追従速度と、外乱が印加された時の制御量の収束速度とを、個別に指定することができる。
【００５７】
２自由度スライディングモードコントローラ５３は、式（３）に示されるように、目標値応答指定パラメータPOLE_fを用いて、目標値ＣＡＩＮ＿ｃｍｄに一次遅れフィルタ（ローパスフィルタ）を適用する。目標値応答指定パラメータPOLE_fは、制御量の目標値に対する追従速度を規定しており、−１＜POLE_f＜０を満たすよう設定される。
【数３】
【００５８】
式（３）に示されるように、目標値応答指定パラメータPOLE_fにより、目標値ＣＡＩＮ＿ｃｍｄ＿ｆの軌道が規定される。目標値をどのような軌道に設定するかにより、制御量の目標値への追従速度を指定することが可能となる。スライディングモードコントローラ５３は、こうして設定された目標値ＣＡＩＮ＿ｃｍｄ＿ｆに制御量ＣＡＩＮが収束するように、参照入力Ｒcainを算出する。
【００５９】
２自由度スライディングモードコントローラ５３は、式（４）に示されるように、切り換え関数σを定義する。Ｅcainは、実位相ＣＡＩＮと目標値ＣＡＩＮ＿ｃｍｄ＿ｆの偏差である。切り換え関数σは、該偏差Ｅcainの収束挙動を規定する。POLEは、外乱抑制のための応答指定パラメータであり、外乱が印加された時の偏差Ｅcainの収束速度を規定する。該応答指定パラメータPOLEは、−1<POLE<0を満たすよう設定される。
【数４】
【００６０】
２自由度スライディングモードコントローラ５３は、式（５）に示されるように、切り
換え関数σがゼロとなるように制御入力を決定する。
【数５】
【００６１】
式（５）は、入力の無い一次遅れ系を示す。すなわち、スライディングモードコントローラ５３は、偏差Ｅcainを、式（５）に示される一次遅れ系に拘束するよう制御する。
【００６２】
図５は、縦軸にＥcain(k)および横軸にＥcain(k-1)を有する位相平面を示す。位相平面には、式（５）によって表現される切り換え線６１が示されている。点６２を状態量（Ｅcain(k-1), Ｅcain(k)）の初期値と仮定すると、スライディングモードコントローラ５３は、該状態量を、切り換え線６１上に載せて該切り換え線６１上に拘束させる。こうして、状態量が入力の無い一次遅れ系に拘束されるので、時間の経過とともに、状態量は、位相平面の原点（すなわち、Ｅcain(k), Ｅcain(k-1)=0）に自動的に収束する。状態量を切り換え線６１上に拘束することにより、外乱の影響を受けることなく、状態量を原点に収束させることができる。
【００６３】
図６は、参照番号６３、６４および６５は、外乱抑制のための応答指定パラメータPOLEが、それぞれ、−１、−０．８、−０．５の場合の偏差Ｅcainの収束速度をを示す。応答指定パラメータPOLEの絶対値が小さくなるにつれ、偏差Ｅcainの収束速度は速くなる。
【００６４】
２自由度スライディングモードコントローラ５３は、参照入力Ｒcainを、式（６）に従って算出する。Ｒeqは等価制御入力であり、状態量を切り換え線上に拘束するための入力である。Ｒrchは到達則入力であり、状態量を切り換え線上に載せるための入力である。
【数６】
【００６５】
等価制御入力Ｒeqを求める手法について説明する。等価制御入力Ｒeqは、位相平面上の任意の場所に、状態量をホールドする機能を持つ。したがって、式（７）を満たす必要がある。
【数７】
【００６６】
式（７）と上記のモデル式（１）に基づき、等価制御入力Ｒeqは、式（８）のように求められる。
【数８】
【００６７】
次に、到達則入力Ｒrchを、式（９）に従い求める。Ｋrchは、フィードバックゲインを示す。フィードバックゲインＫrchの値は、制御量の安定性および速応性等を考慮して、シミュレーション等を介して予め同定される。
【数９】
【００６８】
次に、部分モデルパラメータ同定器５２により実施される同定アルゴリズムについて説明する。部分モデルパラメータ同定器５２は、上記の式（２）におけるモデルパラメータｂ１、ｂ２およびｃ１を同定する。
【００６９】
モデルパラメータを部分的に算出するために、まず、仮想プラントを構成する。仮想プラントを構成する手法について説明する。
【００７０】
式（２）を、１ステップだけ過去にシフトし（式（１０））、該シフトした式に、今回のサイクルで同定するモデルパラメータb1(k)、b2(k)、およびb3(k)を代入し（式（１１））、該同定するモデルパラメータを右辺に集める（式（１２））。
【００７１】
【数１０】
【００７２】
ここで、式（１２）の左辺をＷ（ｋ）、右辺をＷ＿ｈａｔ（ｋ）と定義する。
【数１１】
【００７３】
式（１３）で示されるＷ（ｋ）は、図７に示されるような仮想プラント７１の出力と考えることができる。仮想プラント７１の出力は、実際の制御出力ＣＡＩＮから、制御出力ＣＡＩＮを遅延素子７２により遅延した値ＣＡＩＮ（ｋ−１）にモデルパラメータａ１を乗算することにより得られる値と、該遅延した値ＣＡＩＮ（ｋ−１）を遅延素子７４により遅延した値ＣＡＩＮ（ｋ−２）にモデルパラメータａ２を乗算することにより得られる値とを、減算することにより得られる。式（１４）は、該仮想プラント７１のモデル式と考えることができる。モデル化誤差がなければ、仮想プラント７１の出力Ｗ（ｋ）は、該仮想プラント７１のモデルの出力Ｗ＿ｈａｔ（ｋ）に一致する。
【００７４】
部分モデルパラメータ同定器５１は、仮想プラント７１のモデル式（１４）に現れるモデルパラメータｂ１、ｂ２およびｃ１を、逐次型同定アルゴリズムを用いて同定する。
【００７５】
逐次型同定アルゴリズムは、式（１５）のように表される。このアルゴリズムにより、モデルパラメータベクトルθ（ｋ）を算出する。
【数１２】
【００７６】
モデルパラメータベクトルθ（ｋ）は、式（１７）で表されるモデル化誤差Ｅ＿ｉｄ（ｋ）がなくなるように、すなわち仮想プラント７１の出力Ｗ（ｋ）が該仮想プラント７１のモデルの出力Ｗ＿ｈａｔ（ｋ）に収束するように算出される。
【数１３】
【００７７】
ＫＰ（ｋ）は、式（１８）により定義されるゲイン係数ベクトルである。また、式（１８）のＰ（ｋ）は、式（１９）により算出される。
【数１４】
【００７８】
式（１９）の係数λ１およびλ２の設定により、式（１５）〜（１９）による同定アルゴリズムの種類が、以下のように決まる。
【００７９】
λ１＝１、λ２＝０：固定ゲインアルゴリズム
λ１＝１、λ２＝１：最小２乗法アルゴリズム
λ１＝１、λ２＝λ：漸減ゲインアルゴリズム（λは、０、１以外の所定値）
λ１＝＝λ、λ２＝１：重み付き最小２乗法アルゴリズム（λは、０、１以外の所定値）
次に、図８を参照して、ΔΣ変調器５４により実施されるΔΣ変調について説明する。
ΔΣ変調器５４は、制御対象の出力ＣＡＩＮを、参照入力Ｒcainの波形に一致させるよう、制御対象への入力Ｕcainを生成する。
【００８０】
２自由度スライディングモードコントローラ５３によって算出された参照信号Ｒcainは、式（２０）に示されるように、リミッタ８１により制限処理される。たとえば、関数Lim()により、参照入力Ｒcainは、下限値（たとえば、―１２Ｖ）から上限値（たとえば、
＋１２Ｖ）の範囲内に制限される。その後、式（２１）に示されるように、リミッタ８１
の出力信号ｒ１から、オフセット値Ｕcain_oft（たとえば、０．５Ｖ）が減算される。
【数１５】
【００８１】
差分器８３は、信号ｒ２（ｋ）と、遅延素子８５により遅延された変調信号ｕ”（ｋ−１）との偏差δ（ｋ）を算出する（式（２２））。積分器８５は、偏差信号δ（ｋ）と、遅延素子８６により遅延された該偏差δの積分値σ（ｋ−１）とを加算し、偏差積分値σ（ｋ）を算出する（式（２３））。その後、非線形関数部８７が、該偏差積分値σ（ｋ）を符号化し、変調信号ｕ”（ｋ）を出力する（式（２４））。非線形関数部８７は、式（２５）に示されるように、非線形関数fnl()を、偏差積分値σ（ｋ）に適用する。すなわち、偏差積分値σ（ｋ）がゼロ以上ならば、Ｒの値を持つ信号を出力し、偏差積分値σ（ｋ）がゼロより小さければ、―Ｒの値を持つ信号を出力する。ここで、Ｒは、参照信号Ｒcainのとりうる最大の絶対値よりも大きい値を持つよう設定される。代替的に、偏差積分値σがゼロの時、非線形関数部８７は、ゼロの値を持つ信号を出力してもよい。
【数１６】
【００８２】
増幅器８８は、変調信号ｕ”（ｋ）を増幅し、増幅変調信号ｕ（ｋ）を出力する（式（２６））。増幅変調信号ｕ（ｋ）にオフセット値Ｕcain_oft（たとえば、０．５Ｖ）が加算され、制御入力Ｕcainが生成される（式（２７））。ＫＤＳＭ”は、増幅変調信号ｕの振幅を調整するためのゲインである（たとえば、ＫＤＳＭ”＝８）。
【数１７】
【００８３】
本発明の実施形態に従うΔΣ変調器５４に、リミッタ８１を設けた理由は次の通りである。参照信号Ｒcainの絶対値が１以上の値を持つ場合に該参照信号Ｒcainに制限処理を適用しないと、該参照信号Ｒcainが正の値から負の値に反転してから（または、負の値から正の値に反転してから）、該反転に応じて変調信号ｕ”が反転するまでの間に、むだ時間が生じるおそれがある。リミッタ８１による制限処理を実施することにより、このようなむだ時間を抑制することができる。
【００８４】
また、１または−１を出力する符号関数の代わりに、＋Rまたは−Rの値を出力する非線形関数部８７を設けたのは、以下の理由による。符号関数を備えるΔΣ変調器に上記のようなリミッタを導入したと仮定する。参照信号Ｒcainがリミッタにより制限されない場合（すなわち、｜Ｒcain｜＜１の場合）には、図９の（ａ）に示されるような変調信号ｕ”が出力され、制御精度が維持される。しかし、参照信号Ｒcainがリミッタにより制限される場合（すなわち、｜Ｒcain｜≧１の場合）、図９の（ｂ）に示されるような、最大値または最小値にホールドされた変調信号ｕ”が出力される。最大値または最小値にホールドされる頻度が高くなると、制御精度が低下する。このようなホールド現象は、参照信号Ｒcainが、差分器８３にフィードバックされる変調信号ｕ”の絶対値（すなわち、値１）を超えるために起こる。したがって、本実施形態では、変調信号ｕ”の絶対値を、値１ではなく、参照信号Ｒcainがとりうる最大値よりも大きい値Ｒを持つように、非線形関数fnl()を導入する。これにより、図９の（ｃ）に示されるように、参照信号Ｒcainの絶対値が１以上の場合にも、変調信号ｕ”がホールド状態になることを回避することができる。
【００８５】
さらに、本実施形態のΔΣ変調器５４に、オフセット値Ucain_oftの減算／加算処理（図８の参照番号８２および８９）を導入したのは、以下の理由による。すなわち、位相ＣＡＩＮの制御精度を高めるためには、制御入力Ｕcainについて、最大値として出力される頻度と、最小値として出力される頻度を、ほぼ同等（すなわち、５０％ずつ）にするのがよい。しかしながら、実際には、制御入力Ｕcainは正の値を持ち、よってスライディングモードコントローラ５３により算出される参照入力Ｒcainも正の値を持つ。その結果、図１０の（ａ）に示されるように、変調信号ｕ”は、最大値として出力される頻度が高くなる。
【００８６】
そこで、本実施形態では、式（２１）に示されるように、参照信号Ｒcain（正確には、制限処理された後の信号ｒ１）からオフセット値Ucain_oftを減算することによって得られた値を、差分器８３の入力とする（図８の参照番号８２）。これにより、図１０の（ｂ）に示されるように、変調信号ｕ”について、最大値として出力される頻度と最小値として出力される頻度をほぼ同等にすることができる。式（２７）に示されるように、該オフセット値Ucain_oftは、実際の制御入力Ｕcainを算出する際に加算される（図８の参照番号８９）。
【００８７】
図１１に、この実施形態のΔΣ変調器５４のシミュレーション結果の一例を示す。正弦波の参照信号Ｒcainが該変調器５４に入力されると、矩形波の変調信号ｕ”が生成される。変調信号ｕ”に基づく信号Ｕcainを制御対象に印加することにより、参照信号Ｒcainと同じ周波数を持つ（振幅は、異なることができる）出力信号ＣＡＩＮが、制御対象から出力される。このように、ΔΣ変調器５４は、参照信号Ｒcainが制御対象の出力ＣＡＩＮに再現されるように、変調信号ｕ”を生成する。
【００８８】
制御フロー
図１２は、本発明の一実施形態に従う制御フローである。この制御フローは、所定の時間間隔で実施される。
【００８９】
ステップＳ１において、連続可変位相装置１０が正常かどうか判断される。連続可変位相装置の異常（故障等）は、任意の適切な手法を用いて検出することができる。連続可変位相装置に何らかの異常が検出されたならば、ステップＳ２において制御入力Ｕcainにゼロを設定する。この実施例では、連続可変位相装置は、制御入力Ｕcainをゼロにすると、吸気カムシャフトの実位相ＣＡＩＮが最遅角になるように構成されている。
【００９０】
ステップＳ１において、連続可変位相装置１０が正常ならば、エンジンが始動中かどうかを判断する（Ｓ３）。エンジンが始動中ならば、ステップＳ４において、目標値ＣＡＩＮ＿ｃｍｄに、所定値ＣＡＩＮ＿ｃｍｄ＿ｓｔを設定する。所定値ＣＡＩＮ＿ｃｍｄ＿ｓｔは、筒内流動を向上させるため、少しだけ進角側に設定された値（たとえば、最遅角がゼロ度とすると、１０度ぐらい）である。
【００９１】
エンジンが始動中でなければ、ステップＳ５において、エンジン回転数ＮＥに基づいてマップを参照し、目標値ＣＡＩＮ＿ｃｍｄを算出する。該マップの一例を、図１３に示す。目標値ＣＡＩＮ＿ｃｍｄは、エンジン回転数NEが高くなるほど、遅角側に設定される。また、目標値ＣＡＩＮ＿ｃｍｄは、要求駆動力（典型的には、アクセルペダル開度により表される）が大きくなるほど、遅角側に設定される。この実施例では、エンジンの負荷が低い場合には、シリンダ内に残留しているガスを用いて燃焼を起こすことにより、エンジンの駆動力を下げる。したがって、エンジンの負荷が低い場合には、位相ＣＡＩＮを進角側に設定する。位相ＣＡＩＮを進角側に設定するほど、排気バルブが開いている期間と吸気バルブが開いている期間とがオーバーラップする時間を長くなり、燃焼に用いる残留ガスが多くなる。
【００９２】
ステップＳ６において、モデルパラメータスケジューラ５２が、図１４に示されるサブルーチンを実施し、モデルパラメータａ１およびａ２を算出する。ステップＳ７において、部分モデルパラメータ同定器５１、２自由度スライディングモードコントローラ５３およびΔΣ変調器５４が、前述した演算を実行し、制御入力Ｕcainを算出する。
【００９３】
図１４は、モデルパラメータａ１およびａ２を算出する手法を示す。ステップＳ１１において、エンジン回転数ＮＥに基づいてマップを参照し、モデルパラメータａ１を算出する。該マップの一例を、図１５の（ａ）に示す。エンジン回転数ＮＥが高くなるほど、モデルパラメータａ１は大きくなるよう設定される。さらに、位相ＣＡＩＮが遅角側になるほど、モデルパラメータａ１は大きくなるよう設定される。
【００９４】
ステップＳ１２において、エンジン回転数ＮＥに基づいてマップを参照し、モデルパラメータａ２を算出する。該マップの一例を、図１５の（ｂ）に示す。エンジン回転数ＮＥが高くなるほど、モデルパラメータａ２は小さくなるよう設定される。さらに、位相ＣＡＩＮが遅角側になるほど、モデルパラメータａ２は小さくなるよう設定される。
【００９５】
他の実施形態
代替の実施形態では、ΔΣ変調アルゴリズムに代えて、ΣΔ変調アルゴリズムまたはΔ変調アルゴリズムを用いてもよい。ΣΔ変調アルゴリズムを用いた変調器のブロック図を図１６に示し、ΣΔアルゴリズムにより実施される演算を、式（２８）〜（３５）に示す。非線形関数fnl()は、前述したものと同じである。
【数１８】
【００９６】
また、Δ変調アルゴリズムを用いた変調器を図１７に示す、Δ変調アルゴリズムにより実施される演算を、式（３６）〜（４２）に示す。
【数１９】
【００９７】
以上、本発明について、好ましい実施形態について説明した。当然ながら、排気カムシャフトの位相についても、上記の吸気カムシャフトの位相と同様に、制御することができる。
【００９８】
また、２自由度スライディングモード制御とは別の応答指定型制御を用いてもよい。
【００９９】
本発明に従う制御手法は、他の様々な制御対象についても適用可能である。一実施形態では、エンジンから、排気通路に設けられ排ガスの酸素濃度を検出する排ガスセンサ（たとえば、図１のＯ２センサ）までの系を制御対象にし、エンジンの空燃比の制御に適用することができる。制御入力をエンジンへの供給燃料に関連するパラメータとし、制御出力を、該センサの出力とすることができる。エンジンへの供給燃料を制御してセンサ出力を目標値に収束させることにより、適切な空燃比制御を実現することができる。
【０１００】
本発明は、汎用の（例えば、船外機等の）内燃機関に適用可能である。
【図面の簡単な説明】
【０１０１】
【図１】この発明の一実施例に従う、エンジンおよびその制御装置を概略的に示す図。
【図２】この発明の一実施例に従う、連続可変位相装置を示す図。
【図３】この発明の一実施例に従う、制御装置の機能ブロック図。
【図４】この発明の一実施例に従う制御手法により、モデルパラメータの振動が抑制される効果を示す。
【図５】この発明の一実施例に従う、スライディングモード制御の切り換え関数を示す図。
【図６】この発明の一実施例に従う、スライディングモード制御の応答指定パラメータを示す図。
【図７】この発明の一実施例に従う、部分同定アルゴリズムのための仮想プラントの構成を示す図。
【図８】この発明の一実施例に従う、ΔΣ変調器のブロック図。
【図９】この発明の一実施例に従う、ΔΣ変調器の変調信号のホールド現象を回避する効果を説明するための図。
【図１０】この発明の一実施例に従う、ΔΣ変調器の参照入力にオフセット値を適用する効果を説明するための図。
【図１１】この発明の一実施例に従う、ΔΣ変調器における各信号の波形の一例を示す図。
【図１２】この発明の一実施例に従う、制御フローを示す図。
【図１３】この発明の一実施例に従う、カムシャフトの位相の目標値を算出するためのマップを示す図。
【図１４】この発明の一実施例に従う、モデルパラメータスケジューラによりモデルパラメータを算出するフローを示す図
【図１５】この発明の一実施例に従う、モデルパラメータａ１およびａ２を算出するためのマップを示す図。
【図１６】この発明の一実施例に従う、ΣΔ変調器のブロック図。
【図１７】この発明の一実施例に従う、Δ変調器のブロック図。
【図１８】従来技術に従う、むだ時間を有する制御対象を制御する装置の典型的な機能ブロック図。
【符号の説明】
【０１０２】
１ ＥＣＵ
２ エンジン
５ 吸気カムシャフト
７ クランクシャフト
１０ 連続可変位相装置
【技術分野】
【０００１】
この発明は、ΔΣ変調アルゴリズムを用いて、所与のプラントを良好な精度で制御する装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
ΔΣ変調アルゴリズム（またはΣΔ変調アルゴリズム、またはΔ変調アルゴリズム）を用いて、プラントを制御する手法が知られている（特許文献１を参照）。プラントが、オンとオフの制御入力に対して適切な制御出力を生成することができる能力を有しているならば、ΔΣ変調アルゴリズムを用いて、該プラントを良好な精度で制御することができる。
【０００３】
図１８は、ΔΣ変調アルゴリズムを用いた、典型的な制御装置の機能ブロック図を示す。プラントすなわち制御対象１０１は、モデルパラメータを用いてモデル化される。制御対象１０１の制御入力と制御出力に基づいて、同定器１０２はモデルパラメータを逐次的に同定する。状態予測器１０３は、制御対象１０１が有するむだ時間を考慮して、モデルパラメータを用いて制御出力の予測値を生成する。予測値は、所定の目標値と比較される。増幅器１０４は、予測値と目標値の間の偏差を増幅し、参照入力を出力する。コントローラ１０５は、該参照入力に対してΔΣ変調アルゴリズムを適用し、制御対象１０１への制御入力を算出する。
【特許文献１】特開平２００３−１９５９０８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
状態予測器は、制御対象の有するむだ時間を補償するように、制御対象からの制御出力についての予測値を生成する。制御対象がむだ時間を有しない場合、状態予測器は不要である。状態予測器が存在しないと、同定器により同定されたモデルパラメータが、制御入力に反映されなくなる。これは、制御精度を劣化させるおそれがある。
【０００５】
したがって、ΔΣ変調アルゴリズムを用いて、むだ時間を有しない制御対象を良好な精度で制御することができる制御装置が必要とされている。
【０００６】
また、ΔΣ変調アルゴリズムを適用するコントローラから出力された信号は、矩形波である。このような矩形波を用いてモデルパラメータを同定すると、モデルパラメータが振動的になるおそれがある。このようなモデルパラメータの振動は、制御系を不安定にするおそれがある。
【０００７】
したがって、ΔΣ変調アルゴリズムを用いた制御において、モデルパラメータが振動することを防止することのできる制御装置が必要とされている。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
この発明の一つの側面によると、モデルパラメータを用いてモデル化された制御対象を制御する制御装置は、モデルパラメータを同定する同定器と、該同定器に接続されたコントローラであって、制御対象の出力が目標値に収束するように、該モデルパラメータを用いて参照入力を算出するコントローラと、該コントローラに接続された変調器であって、該参照入力に、ΔΣ変調アルゴリズム、ΣΔ変調アルゴリズムおよびΔ変調アルゴリズムのうちの１つを適用して、制御対象への入力を算出する変調器と、を備える。同定器は、制御対象の出力および参照入力に基づいて、モデルパラメータを同定する。
【０００９】
この発明によれば、同定器により同定されたモデルパラメータがコントローラに渡され、コントローラは、制御対象の出力が目標値に収束するように、該モデルパラメータを用いて参照入力を算出する。制御対象への入力は、参照入力にΔΣ変調アルゴリズム（または、ΣΔ変調アルゴリズム、またはΔ変調アルゴリズム）を適用することにより算出される。したがって、制御対象の挙動に適応するよう同定されたモデルパラメータを、制御対象への入力に反映させることができる。さらに、同定器は、参照入力に基づいてモデルパラメータを算出するので、モデルパラメータが振動的になることを防止することができる。
【００１０】
この発明の一実施形態によると、モデルパラメータは、予め同定された第１のモデルパラメータと、同定器により逐次的に同定される第２のモデルパラメータを含んでおり、同定器は、上記制御対象と、該制御対象を表すモデルの第１のモデルパラメータに基づく構成要素とを含む仮想プラントについて、第２のモデルパラメータを用いてモデル化し、該仮想プラントの出力が、該第２のモデルパラメータを用いたモデルの出力に収束するように、該第２のモデルパラメータを同定する。このように仮想プラントを構成することにより、制御対象を表すモデルの複数のモデルパラメータのうちの一部のみを同定することができる。同定すべきモデルパラメータの数を減らすことができるので、モデルパラメータの最適値への収束時間を短縮させることができる。
【００１１】
この発明の他の実施形態によると、モデルパラメータは、制御対象に印加される外乱を表すモデルパラメータを含んでおり、同定器は、制御対象の出力および参照入力に基づいて、該外乱を表すモデルパラメータを同定する。同定器は、参照入力に基づいて外乱を表すモデルパラメータを算出するので、外乱を表すモデルパラメータが振動的になることを防止することができる。
【００１２】
この発明の他の実施形態によると、モデルパラメータは、所定のパラメータに対応して予め同定された第１のモデルパラメータ、および同定器により逐次的に同定される第２のパラメータを含む。制御装置は、さらに、該予め同定された第１のモデルパラメータの値を保持したパラメータスケジューラを備える。パラメータスケジューラは、該所定のパラメータの供給を受けたことに応じて、該所定のパラメータの値に対応する第１のモデルパラメータの値を求める。この実施形態によれば、制御対象の動特性によって影響を受けるおそれのあるモデルパラメータについては、同定器で逐次的に同定され、影響を受けるおそれが少ないモデルパラメータについては、予め同定された値をパラメータスケジュールに格納しておくことができる。このようなモデルパラメータの算出手法により、制御系の挙動に影響を及ぼすことなく、モデルパラメータを同定する速度を速めることができる。
【００１３】
この発明の他の実施形態によると、コントローラは、２自由度応答指定型制御アルゴリズムを用いて、参照入力を算出する。２自由度応答指定型制御アルゴリズムにより、制御出力の外乱に対する応答特性と、制御出力の目標値に対する追従特性を、個別に指定することができる。２自由度応答指定型制御アルゴリズムによれば、オーバーシュートを生じさせることなく、該指定された収束速度で、制御対象の出力を目標値に収束させることができる。
【００１４】
この発明の一実施形態によると、制御対象は、エンジンのカムシャフトの位相を可変に制御する可変位相装置である。この場合、制御対象の入力は、該可変位相装置に与えられる指令値であり、制御対象の出力は、カムシャフトの位相である。この発明によれば、オーバーシュートを生じさせることなく、良好な精度でカムシャフトの位相を目標値に収束させることができ、ドライバビリティおよび燃費の向上を実現することができる。
【００１５】
この発明の他の実施形態では、制御対象は、エンジンから排ガスセンサまでの系である。この場合、制御入力は、該エンジンに供給する燃料に関連するパラメータ（たとえば、燃料補正係数）であり、制御出力は、排ガスセンサの出力である。この実施形態によれば、オーバーシュートを生じさせることなく、良好な精度で排ガスセンサの出力を目標値に収束させることができ、排ガスの不所望な成分を低減することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
内燃機関および制御装置の構成
次に図面を参照してこの発明の実施の形態を説明する。図１は、この発明の実施形態に従う、内燃機関（以下、エンジンと呼ぶ）およびその制御装置の全体的な構成図である。
【００１７】
電子制御ユニット（以下、「ＥＣＵ」）という）１は、車両の各部から送られてくるデータを受け入れる入力インターフェース１ａ、車両の各部の制御を行うための演算を実行するＣＰＵ１ｂ、読み取り専用メモリ（ＲＯＭ）およびランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）を有するメモリ１ｃ、および車両の各部に制御信号を送る出力インターフェース１ｄを備えている。メモリ１ｃのＲＯＭには、車両の各部の制御を行うためのプログラムおよび各種のデータが格納されている。この発明に従う制御のためのプログラムは、該ＲＯＭに格納される。ＲＯＭは、ＥＰＲＯＭのような書き換え可能なＲＯＭでもよい。ＲＡＭには、ＣＰＵ１ｂによる演算のための作業領域が設けられる。車両の各部から送られてくるデータおよび車両の各部に送り出す制御信号は、ＲＡＭに一時的に記憶される。
【００１８】
エンジン２は、たとえば４サイクルＤＯＨＣ型ガソリンエンジンである。エンジン２は、吸気カムシャフト５および排気カムシャフト６を備えている。吸気カムシャフト５は、吸気弁３を開閉駆動する吸気カム５ａを有しており、排気カムシャフト６は、排気弁４を開閉駆動する排気カム６ａを有している。これらの吸気および排気カムシャフト５および６は、図示しないタイミングベルトを介してクランクシャフト７に連結されており、クランクシャフト７が２回転するごとに１回転する。
【００１９】
連続可変位相装置１０は、連続可変位相機構１１および油圧駆動部１２を備える。油圧駆動部１２は、ＥＣＵ１から供給される指令値に従い、油圧を用いて連続可変位相機構１１を駆動する。これにより、クランクシャフト７に対する吸気カム５ａの実際の位相ＣＡＩＮが、連続的に進角または遅角する。連続可変位相装置１０の詳細は図２を参照して説明される。
【００２０】
吸気カムシャフト５の端部には、カム角センサ２０が設けられている。カム角センサ２０は、吸気カムシャフト５の回転に伴い、所定のカム角（たとえば、１度）ごとに、パルス信号であるＣＡＭ信号をＥＣＵ１に出力する。
【００２１】
エンジン２の吸気管１５には、スロットル弁１６が設けられている。スロットル弁１６の開度は、ＥＣＵ１からの制御信号により制御される。スロットル弁１６に連結されたスロットル弁開度センサ（θＴＨ）１７は、スロットル弁１６の開度に応じた電気信号を、ＥＣＵ１に供給する。
【００２２】
吸気管圧力（Ｐｂ）センサ１８は、スロットル弁１６の下流側に設けられている。Ｐｂセンサ１８によって検出された吸気管圧力ＰｂはＥＣＵ１に送られる。
【００２３】
さらに、吸気管１５には、燃料噴射弁１９が気筒毎に設けられている。燃料噴射弁１９は、燃料タンク（図示せず）から燃料の供給を受け、ＥＣＵ１からの制御信号に従って燃料を噴射される。
【００２４】
エンジン２には、クランク角センサ２１が設けられている。クランク角センサ２１は、クランクシャフト７の回転に伴い、パルス信号であるＣＲＫ信号およびＴＤＣ信号をＥＣＵ１に出力する。
【００２５】
ＣＲＫ信号は、所定のクランク角（たとえば、３０度）で出力されるパルス信号である。ＥＣＵ１は、該ＣＲＫ信号に応じ、エンジン２の回転数ＮＥを算出する。さらに、ＥＣＵ１は、ＣＲＫ信号とＣＡＭ信号に基づいて、位相ＣＡＩＮを算出する。また、ＴＤＣ信号は、ピストン９のＴＤＣ位置に関連したクランク角度で出力されるパルス信号である。
【００２６】
エンジン２の下流側には排気管２２が連結されている。エンジン２は、排気管２２を介して排気する。排気管２２の途中に設けられた触媒装置２３は、排気管２２を通る排気ガス中のＨＣ、ＣＯ、ＮＯｘなどの有害成分を浄化する。
【００２７】
広域空燃比センサ（ＬＡＦ）センサ２４は、触媒装置２３の上流に設けられている。ＬＡＦセンサ２４は、リーンからリッチにわたる広範囲の空燃比を検出する。検出された空燃比は、ＥＣＵ１に送られる。
【００２８】
Ｏ２（排ガス）センサ２５は、上流触媒と下流触媒の間に設けられている。Ｏ２センサ２５は２値型の排気ガス濃度センサである。Ｏ２センサは、空燃比が理論空燃比よりもリッチであるとき高レベルの信号を出力し、空燃比が理論空燃比よりもリーンであるとき低レベルの信号を出力する。出力された電気信号は、ＥＣＵ１に送られる。
【００２９】
ＥＣＵ１に向けて送られた信号は入力インターフェース１ａに渡され、アナログ−デジタル変換される。ＣＰＵ１ｂは、変換されたデジタル信号を、メモリ１ｃに格納されているプログラムに従って処理し、車両のアクチュエータに送るための制御信号を作り出す。出力インターフェース１ｄは、これらの制御信号を、スロットル弁１６、油圧駆動部１２、燃料噴射弁１９、およびその他の機械要素のアクチュエータに送る。
【００３０】
連続可変位相装置
本発明に従う制御手法を、連続可変位相装置を制御対象にとって説明する。
【００３１】
図２は、図１に示される連続可変位相装置１０の一例を示す。連続可変位相装置１０は、前述したように、連続可変位相機構１１および油圧駆動部１２を備える。
【００３２】
ＥＣＵ１からの指令値Ｕcainはソレノイド３１に供給される。ソレノイド３１が指令値Ucainに従って通電され、該ソレノイド３１により、油圧スプール弁３２が駆動される。油圧スプール弁３２は、タンク３３内の作動油を、ポンプ３４を介して吸い上げる。
【００３３】
油圧スプール弁３２は、進角油路３６ａおよび遅角油路３６ｂを介して、連続可変位相機構１１に連結されている。進角油路３６ａに供給される作動油の油圧ＯＰ１および遅角油路３６ｂに供給される作動油の油圧ＯＰ２は、油圧スプール弁３２を介して指令値Ｕcainに従って制御される。
【００３４】
連続可変位相機構１１は、ハウジング４１およびベーン４２を備える。ハウジング４１は、図示しないスプロケットおよびタイミングベルトを介してクランクシャフト７に連結されている。ハウジング４１は、クランクシャフト７の回転に伴い同じ方向に回転する。
【００３５】
ベーン４２は、ハウジング４１内に挿入された吸気カムシャフト５から放射状に延びている。ベーン４２は、所定の範囲内で、ハウジング４１に対して相対的に回転可能なように該ハウジング４１に収容されている。ハウジング４１内に形成される扇状の空間が、ベーン４２によって、３つの進角室４３ａ、４３ｂおよび４３ｃと、３つの遅角室４４ａ、４４ｂおよび４４ｃに区画されている。３つの進角室４３ａ〜４３ｃには、進角経路３６ａが連結されている。油圧ＯＰ１の作動油は、進角経路３６ａを介して進角室４３ａ〜４３ｃに供給される。３つの遅角室４４ａ〜４４ｃには、遅角経路３６ｂが連結されている。油圧ＯＰ２の作動油は、遅角経路３６ｂを介して遅角室４４ａ〜４４ｃに供給される。
【００３６】
油圧ＯＰ１と油圧ＯＰ２との差がゼロであるときには、ベーン４２がハウジング４１に対して相対的に回転せず、それにより、位相ＣＡＩＮの値は維持される。ＥＣＵ１からの指令値Ｕcainにより、油圧ＯＰ１が油圧ＯＰ２より大きくなったときには、それに応じて、ベーン４２がハウジング４１に対して相対的に進角側に回転し、位相ＣＡＩＮが進角される。ＥＣＵ１からの指令値Ｕcainにより、油圧ＯＰ２が油圧ＯＰ１より大きくなったときには、それに応じて、ベーン４２がハウジング４１に対して相対的に遅角側に回転し、位相ＣＡＩＮが遅角される。
【００３７】
このような連続可変位相装置では、ポンプから吐出される油圧にバラツキが生じたり、作動油の粘性に変化が生じたりすることがある。また、ベーンとハウジングの隙間にバラツキや経年変化が生じることがある。このような状態が生じると、連続可変位相装置の動特性が変化する。連続可変位相装置の動特性の変化に対し、ロバストに位相ＣＡＩＮを目標値に制御するのが好ましい。
【００３８】
また、位相ＣＡＩＮは、油圧の変動に対して非線形に変化する。ΔΣ変調アルゴリズムを用いた制御は、このような非線形特性を有する制御系に対し有効である。
【００３９】
制御装置の構成
図３は、この発明の一実施形態に従う、連続可変位相装置１０を制御する装置の機能ブロック図である。
【００４０】
制御対象である連続可変位相装置１０への制御入力Ｕcainは、前述したように、ソレノイド３１を駆動する指令値である。制御出力ＣＡＩＮは、吸気カム５ａのクランクシャフト７に対する実際の位相である。
【００４１】
式（１）は、連続可変位相装置１０のモデル式を示す。式（１）に示されるように、連続可変位相装置１０は、むだ時間を有しない系として表される。
【数１】
【００４２】
制御対象である連続可変位相装置１０には、実際には外乱が印加されるので、該外乱をｃ１で表すと、式（１）のモデル式は、式（２）のように表される。ｃ１は、外乱推定値とも呼ばれる。
【数２】
【００４３】
モデルパラメータａ１〜ｃ１のうち、ｂ１、ｂ２およびｃ１は、連続可変位相装置１０の動特性による影響が大きく、ａ１およびａ２は、該動特性による影響が少ない。そこで、モデルパラメータｂ１、ｂ２およびｃ１については、部分モデルパラメータ同定器５１が、モデル化誤差がなくなるように、逐次的に同定する。モデルパラメータａ１およびａ２については、予め同定されている。モデルパラメータａ１およびａ２と、エンジンの運転状態（たとえば、エンジン回転数ＮＥ）との関係を、マップとしてメモリ１ｃに格納することができる。モデルパラメータスケジューラ５２は、検出されたエンジンの運転状態に基づいて該マップを参照し、モデルパラメータａ１およびａ２の値を抽出する。代替的に、モデルパラメータスケジューラ５２が、該マップを保持するようにしてもよい。
【００４４】
このように、同定器により逐次的に同定するモデルパラメータの数を減らすことができるので、該同定するモデルパラメータの最適値への収束時間を短縮することができる。また、同定のための演算量を減らすことができる。
【００４５】
部分モデルパラメータ同定器５１およびモデルパラメータスケジューラ５２は、２自由度スライディングモードコントローラ５３に接続されている。スライディングモードコントローラ５３から見ると、ΔΣ変調器５４および連続可変位相装置１０を含む系５５が、制御対象となる。スライディングモードコントローラ５３は、部分モデルパラメータ同定器５１およびモデルパラメータスケジューラ５２から受け取ったモデルパラメータａ１〜ｃ１を用い、制御出力ＣＡＩＮが目標値ＣＡＩＮ＿ｃｍｄ（正確には、後述するように、目標値ＣＡＩＮ＿ｃｍｄに基づく値ＣＡＩＮ＿ｃｍｄ＿ｆ）に収束するように、参照入力Ｒcainを算出する。
【００４６】
ΔΣ変調器５４は、スライディングモードコントローラ５３から受け取った参照入力Ｒcainに対してΔΣ変調アルゴリズムを適用し、制御入力Ｕcainを算出する。制御入力Ｕcainは、連続可変位相装置１０に印加される。
【００４７】
部分モデルパラメータ同定器５１およびモデルパラメータスケジューラ５２がスライディングモードコントローラ５３に接続されているので、同定結果が、参照入力Ｒcainに反映され、よって制御入力Ｕcainに反映される。したがって、むだ時間を有しない系を制御する場合でも、同定結果を制御入力に反映することができる。同定結果を制御入力に反映することができるので、モデル化誤差が生じないように、良好な精度で制御対象を制御することができる。
【００４８】
さらに、参照入力Ｒcainが部分モデルパラメータ同定器５１に入力される点に注意されたい。背景技術の欄で図１８を参照して述べたように、従来は、ΔΣ変調器の出力（すなわち、コントローラ１０５の出力）が同定器１０２に入力されていた。本願発明では、ΔΣ変調器への入力、すなわち参照入力Ｒcainが同定器５１に入力される。
【００４９】
これは、以下のような効果をもたらす。すなわち、図４の（ａ）に示されるように、ΔΣ変調器５４は、参照入力Ｒcainに基づいて、プラス方向とマイナス方向に振動する変調信号Ｕcainを生成する。ΔΣ変調器５４による変調信号Ｕcainを生成する手法については、後述される。
【００５０】
このように振動する変調信号Ｕcainに基づいてモデルパラメータを同定すると、図４の（ｂ）に示されるように、算出される外乱推定値ｃ１が振動する。比較のため、実際の外乱が参照番号５７によって表されている。算出される外乱推定値ｃ１が、実際の外乱５７に対して振動していることがわかる。スライディングモードコントローラ５３は、外乱推定値ｃ１を用いて参照入力Ｒcainを算出するので、参照入力Ｒcainも振動的になり、結果として制御出力ＣＡＩＮに振動を生じさせるおそれがある。これは、制御系を不安定にし、ひいては制御系に共振状態を引き起こすおそれがある。
【００５１】
外乱推定値ｃ１だけでなく、他のモデルパラメータｂ１およびｂ２についても、図４の（ｂ）に示されるような振動現象が生じるおそれがある。
【００５２】
この発明によれば、部分モデルパラメータ同定器５１に、参照入力Ｒcainが入力される。図４の（ａ）に示されるように、参照入力Ｒcainは振動的な態様を持たないので、同定器５１により算出される外乱推定値ｃ１が振動的になることを防ぐことができる。図４の（ｃ）に、参照入力Ｒcainに基づいて算出された外乱推定値ｃ１を示す。図４の（ｂ）と比較して明らかなように、外乱推定値ｃ１の振動が抑制されていることがわかる。当然ながら、他のモデルパラメータｂ１およびｂ２についても同様に、振動が抑制される。
【００５３】
このように、本願発明によれば、部分モデルパラメータ同定器５１が、ΔΣ変調器５４への入力Ｒcainを用いてモデルパラメータを同定するので、モデルパラメータが振動することを防止することができる。これにより、制御出力ＣＡＩＮに振動が生じることが抑制される。ΔΣ変調器５４への入力Rcainを部分モデルパラメータ同定器５１に接続することにより、スライディングモードコントローラ５３は、前述したように、ΔΣ変調器５４と連続可変位相装置１０との両方を含む系５５を対象として制御するよう構成される。このような構成により、図３に示される制御系の整合性は維持される。
【００５４】
この実施形態では、モデルパラメータａ１およびａ２は、モデルパラメータスケジューラ５２によって、エンジンの運転状態に基づいて算出される。代替的に、モデルパラメータａ１およびａ２を、予め決められた値に固定してもよい。
【００５５】
以下、図３に示される個々の機能ブロックについて詳細に説明する。
【００５６】
２自由度スライディングモードコントローラ５３は、２自由度スライディングモード制御を用いて、参照入力Ｒcainを算出する。スライディングモード制御は、制御量の収束速度を指定することができる応答指定型制御である。２自由度スライディングモード制御は、スライディングモード制御を発展させた形態を持ち、制御量の目標値に対する追従速度と、外乱が印加された時の制御量の収束速度とを、個別に指定することができる。
【００５７】
２自由度スライディングモードコントローラ５３は、式（３）に示されるように、目標値応答指定パラメータPOLE_fを用いて、目標値ＣＡＩＮ＿ｃｍｄに一次遅れフィルタ（ローパスフィルタ）を適用する。目標値応答指定パラメータPOLE_fは、制御量の目標値に対する追従速度を規定しており、−１＜POLE_f＜０を満たすよう設定される。
【数３】
【００５８】
式（３）に示されるように、目標値応答指定パラメータPOLE_fにより、目標値ＣＡＩＮ＿ｃｍｄ＿ｆの軌道が規定される。目標値をどのような軌道に設定するかにより、制御量の目標値への追従速度を指定することが可能となる。スライディングモードコントローラ５３は、こうして設定された目標値ＣＡＩＮ＿ｃｍｄ＿ｆに制御量ＣＡＩＮが収束するように、参照入力Ｒcainを算出する。
【００５９】
２自由度スライディングモードコントローラ５３は、式（４）に示されるように、切り換え関数σを定義する。Ｅcainは、実位相ＣＡＩＮと目標値ＣＡＩＮ＿ｃｍｄ＿ｆの偏差である。切り換え関数σは、該偏差Ｅcainの収束挙動を規定する。POLEは、外乱抑制のための応答指定パラメータであり、外乱が印加された時の偏差Ｅcainの収束速度を規定する。該応答指定パラメータPOLEは、−1<POLE<0を満たすよう設定される。
【数４】
【００６０】
２自由度スライディングモードコントローラ５３は、式（５）に示されるように、切り
換え関数σがゼロとなるように制御入力を決定する。
【数５】
【００６１】
式（５）は、入力の無い一次遅れ系を示す。すなわち、スライディングモードコントローラ５３は、偏差Ｅcainを、式（５）に示される一次遅れ系に拘束するよう制御する。
【００６２】
図５は、縦軸にＥcain(k)および横軸にＥcain(k-1)を有する位相平面を示す。位相平面には、式（５）によって表現される切り換え線６１が示されている。点６２を状態量（Ｅcain(k-1), Ｅcain(k)）の初期値と仮定すると、スライディングモードコントローラ５３は、該状態量を、切り換え線６１上に載せて該切り換え線６１上に拘束させる。こうして、状態量が入力の無い一次遅れ系に拘束されるので、時間の経過とともに、状態量は、位相平面の原点（すなわち、Ｅcain(k), Ｅcain(k-1)=0）に自動的に収束する。状態量を切り換え線６１上に拘束することにより、外乱の影響を受けることなく、状態量を原点に収束させることができる。
【００６３】
図６は、参照番号６３、６４および６５は、外乱抑制のための応答指定パラメータPOLEが、それぞれ、−１、−０．８、−０．５の場合の偏差Ｅcainの収束速度をを示す。応答指定パラメータPOLEの絶対値が小さくなるにつれ、偏差Ｅcainの収束速度は速くなる。
【００６４】
２自由度スライディングモードコントローラ５３は、参照入力Ｒcainを、式（６）に従って算出する。Ｒeqは等価制御入力であり、状態量を切り換え線上に拘束するための入力である。Ｒrchは到達則入力であり、状態量を切り換え線上に載せるための入力である。
【数６】
【００６５】
等価制御入力Ｒeqを求める手法について説明する。等価制御入力Ｒeqは、位相平面上の任意の場所に、状態量をホールドする機能を持つ。したがって、式（７）を満たす必要がある。
【数７】
【００６６】
式（７）と上記のモデル式（１）に基づき、等価制御入力Ｒeqは、式（８）のように求められる。
【数８】
【００６７】
次に、到達則入力Ｒrchを、式（９）に従い求める。Ｋrchは、フィードバックゲインを示す。フィードバックゲインＫrchの値は、制御量の安定性および速応性等を考慮して、シミュレーション等を介して予め同定される。
【数９】
【００６８】
次に、部分モデルパラメータ同定器５２により実施される同定アルゴリズムについて説明する。部分モデルパラメータ同定器５２は、上記の式（２）におけるモデルパラメータｂ１、ｂ２およびｃ１を同定する。
【００６９】
モデルパラメータを部分的に算出するために、まず、仮想プラントを構成する。仮想プラントを構成する手法について説明する。
【００７０】
式（２）を、１ステップだけ過去にシフトし（式（１０））、該シフトした式に、今回のサイクルで同定するモデルパラメータb1(k)、b2(k)、およびb3(k)を代入し（式（１１））、該同定するモデルパラメータを右辺に集める（式（１２））。
【００７１】
【数１０】
【００７２】
ここで、式（１２）の左辺をＷ（ｋ）、右辺をＷ＿ｈａｔ（ｋ）と定義する。
【数１１】
【００７３】
式（１３）で示されるＷ（ｋ）は、図７に示されるような仮想プラント７１の出力と考えることができる。仮想プラント７１の出力は、実際の制御出力ＣＡＩＮから、制御出力ＣＡＩＮを遅延素子７２により遅延した値ＣＡＩＮ（ｋ−１）にモデルパラメータａ１を乗算することにより得られる値と、該遅延した値ＣＡＩＮ（ｋ−１）を遅延素子７４により遅延した値ＣＡＩＮ（ｋ−２）にモデルパラメータａ２を乗算することにより得られる値とを、減算することにより得られる。式（１４）は、該仮想プラント７１のモデル式と考えることができる。モデル化誤差がなければ、仮想プラント７１の出力Ｗ（ｋ）は、該仮想プラント７１のモデルの出力Ｗ＿ｈａｔ（ｋ）に一致する。
【００７４】
部分モデルパラメータ同定器５１は、仮想プラント７１のモデル式（１４）に現れるモデルパラメータｂ１、ｂ２およびｃ１を、逐次型同定アルゴリズムを用いて同定する。
【００７５】
逐次型同定アルゴリズムは、式（１５）のように表される。このアルゴリズムにより、モデルパラメータベクトルθ（ｋ）を算出する。
【数１２】
【００７６】
モデルパラメータベクトルθ（ｋ）は、式（１７）で表されるモデル化誤差Ｅ＿ｉｄ（ｋ）がなくなるように、すなわち仮想プラント７１の出力Ｗ（ｋ）が該仮想プラント７１のモデルの出力Ｗ＿ｈａｔ（ｋ）に収束するように算出される。
【数１３】
【００７７】
ＫＰ（ｋ）は、式（１８）により定義されるゲイン係数ベクトルである。また、式（１８）のＰ（ｋ）は、式（１９）により算出される。
【数１４】
【００７８】
式（１９）の係数λ１およびλ２の設定により、式（１５）〜（１９）による同定アルゴリズムの種類が、以下のように決まる。
【００７９】
λ１＝１、λ２＝０：固定ゲインアルゴリズム
λ１＝１、λ２＝１：最小２乗法アルゴリズム
λ１＝１、λ２＝λ：漸減ゲインアルゴリズム（λは、０、１以外の所定値）
λ１＝＝λ、λ２＝１：重み付き最小２乗法アルゴリズム（λは、０、１以外の所定値）
次に、図８を参照して、ΔΣ変調器５４により実施されるΔΣ変調について説明する。
ΔΣ変調器５４は、制御対象の出力ＣＡＩＮを、参照入力Ｒcainの波形に一致させるよう、制御対象への入力Ｕcainを生成する。
【００８０】
２自由度スライディングモードコントローラ５３によって算出された参照信号Ｒcainは、式（２０）に示されるように、リミッタ８１により制限処理される。たとえば、関数Lim()により、参照入力Ｒcainは、下限値（たとえば、―１２Ｖ）から上限値（たとえば、
＋１２Ｖ）の範囲内に制限される。その後、式（２１）に示されるように、リミッタ８１
の出力信号ｒ１から、オフセット値Ｕcain_oft（たとえば、０．５Ｖ）が減算される。
【数１５】
【００８１】
差分器８３は、信号ｒ２（ｋ）と、遅延素子８５により遅延された変調信号ｕ”（ｋ−１）との偏差δ（ｋ）を算出する（式（２２））。積分器８５は、偏差信号δ（ｋ）と、遅延素子８６により遅延された該偏差δの積分値σ（ｋ−１）とを加算し、偏差積分値σ（ｋ）を算出する（式（２３））。その後、非線形関数部８７が、該偏差積分値σ（ｋ）を符号化し、変調信号ｕ”（ｋ）を出力する（式（２４））。非線形関数部８７は、式（２５）に示されるように、非線形関数fnl()を、偏差積分値σ（ｋ）に適用する。すなわち、偏差積分値σ（ｋ）がゼロ以上ならば、Ｒの値を持つ信号を出力し、偏差積分値σ（ｋ）がゼロより小さければ、―Ｒの値を持つ信号を出力する。ここで、Ｒは、参照信号Ｒcainのとりうる最大の絶対値よりも大きい値を持つよう設定される。代替的に、偏差積分値σがゼロの時、非線形関数部８７は、ゼロの値を持つ信号を出力してもよい。
【数１６】
【００８２】
増幅器８８は、変調信号ｕ”（ｋ）を増幅し、増幅変調信号ｕ（ｋ）を出力する（式（２６））。増幅変調信号ｕ（ｋ）にオフセット値Ｕcain_oft（たとえば、０．５Ｖ）が加算され、制御入力Ｕcainが生成される（式（２７））。ＫＤＳＭ”は、増幅変調信号ｕの振幅を調整するためのゲインである（たとえば、ＫＤＳＭ”＝８）。
【数１７】
【００８３】
本発明の実施形態に従うΔΣ変調器５４に、リミッタ８１を設けた理由は次の通りである。参照信号Ｒcainの絶対値が１以上の値を持つ場合に該参照信号Ｒcainに制限処理を適用しないと、該参照信号Ｒcainが正の値から負の値に反転してから（または、負の値から正の値に反転してから）、該反転に応じて変調信号ｕ”が反転するまでの間に、むだ時間が生じるおそれがある。リミッタ８１による制限処理を実施することにより、このようなむだ時間を抑制することができる。
【００８４】
また、１または−１を出力する符号関数の代わりに、＋Rまたは−Rの値を出力する非線形関数部８７を設けたのは、以下の理由による。符号関数を備えるΔΣ変調器に上記のようなリミッタを導入したと仮定する。参照信号Ｒcainがリミッタにより制限されない場合（すなわち、｜Ｒcain｜＜１の場合）には、図９の（ａ）に示されるような変調信号ｕ”が出力され、制御精度が維持される。しかし、参照信号Ｒcainがリミッタにより制限される場合（すなわち、｜Ｒcain｜≧１の場合）、図９の（ｂ）に示されるような、最大値または最小値にホールドされた変調信号ｕ”が出力される。最大値または最小値にホールドされる頻度が高くなると、制御精度が低下する。このようなホールド現象は、参照信号Ｒcainが、差分器８３にフィードバックされる変調信号ｕ”の絶対値（すなわち、値１）を超えるために起こる。したがって、本実施形態では、変調信号ｕ”の絶対値を、値１ではなく、参照信号Ｒcainがとりうる最大値よりも大きい値Ｒを持つように、非線形関数fnl()を導入する。これにより、図９の（ｃ）に示されるように、参照信号Ｒcainの絶対値が１以上の場合にも、変調信号ｕ”がホールド状態になることを回避することができる。
【００８５】
さらに、本実施形態のΔΣ変調器５４に、オフセット値Ucain_oftの減算／加算処理（図８の参照番号８２および８９）を導入したのは、以下の理由による。すなわち、位相ＣＡＩＮの制御精度を高めるためには、制御入力Ｕcainについて、最大値として出力される頻度と、最小値として出力される頻度を、ほぼ同等（すなわち、５０％ずつ）にするのがよい。しかしながら、実際には、制御入力Ｕcainは正の値を持ち、よってスライディングモードコントローラ５３により算出される参照入力Ｒcainも正の値を持つ。その結果、図１０の（ａ）に示されるように、変調信号ｕ”は、最大値として出力される頻度が高くなる。
【００８６】
そこで、本実施形態では、式（２１）に示されるように、参照信号Ｒcain（正確には、制限処理された後の信号ｒ１）からオフセット値Ucain_oftを減算することによって得られた値を、差分器８３の入力とする（図８の参照番号８２）。これにより、図１０の（ｂ）に示されるように、変調信号ｕ”について、最大値として出力される頻度と最小値として出力される頻度をほぼ同等にすることができる。式（２７）に示されるように、該オフセット値Ucain_oftは、実際の制御入力Ｕcainを算出する際に加算される（図８の参照番号８９）。
【００８７】
図１１に、この実施形態のΔΣ変調器５４のシミュレーション結果の一例を示す。正弦波の参照信号Ｒcainが該変調器５４に入力されると、矩形波の変調信号ｕ”が生成される。変調信号ｕ”に基づく信号Ｕcainを制御対象に印加することにより、参照信号Ｒcainと同じ周波数を持つ（振幅は、異なることができる）出力信号ＣＡＩＮが、制御対象から出力される。このように、ΔΣ変調器５４は、参照信号Ｒcainが制御対象の出力ＣＡＩＮに再現されるように、変調信号ｕ”を生成する。
【００８８】
制御フロー
図１２は、本発明の一実施形態に従う制御フローである。この制御フローは、所定の時間間隔で実施される。
【００８９】
ステップＳ１において、連続可変位相装置１０が正常かどうか判断される。連続可変位相装置の異常（故障等）は、任意の適切な手法を用いて検出することができる。連続可変位相装置に何らかの異常が検出されたならば、ステップＳ２において制御入力Ｕcainにゼロを設定する。この実施例では、連続可変位相装置は、制御入力Ｕcainをゼロにすると、吸気カムシャフトの実位相ＣＡＩＮが最遅角になるように構成されている。
【００９０】
ステップＳ１において、連続可変位相装置１０が正常ならば、エンジンが始動中かどうかを判断する（Ｓ３）。エンジンが始動中ならば、ステップＳ４において、目標値ＣＡＩＮ＿ｃｍｄに、所定値ＣＡＩＮ＿ｃｍｄ＿ｓｔを設定する。所定値ＣＡＩＮ＿ｃｍｄ＿ｓｔは、筒内流動を向上させるため、少しだけ進角側に設定された値（たとえば、最遅角がゼロ度とすると、１０度ぐらい）である。
【００９１】
エンジンが始動中でなければ、ステップＳ５において、エンジン回転数ＮＥに基づいてマップを参照し、目標値ＣＡＩＮ＿ｃｍｄを算出する。該マップの一例を、図１３に示す。目標値ＣＡＩＮ＿ｃｍｄは、エンジン回転数NEが高くなるほど、遅角側に設定される。また、目標値ＣＡＩＮ＿ｃｍｄは、要求駆動力（典型的には、アクセルペダル開度により表される）が大きくなるほど、遅角側に設定される。この実施例では、エンジンの負荷が低い場合には、シリンダ内に残留しているガスを用いて燃焼を起こすことにより、エンジンの駆動力を下げる。したがって、エンジンの負荷が低い場合には、位相ＣＡＩＮを進角側に設定する。位相ＣＡＩＮを進角側に設定するほど、排気バルブが開いている期間と吸気バルブが開いている期間とがオーバーラップする時間を長くなり、燃焼に用いる残留ガスが多くなる。
【００９２】
ステップＳ６において、モデルパラメータスケジューラ５２が、図１４に示されるサブルーチンを実施し、モデルパラメータａ１およびａ２を算出する。ステップＳ７において、部分モデルパラメータ同定器５１、２自由度スライディングモードコントローラ５３およびΔΣ変調器５４が、前述した演算を実行し、制御入力Ｕcainを算出する。
【００９３】
図１４は、モデルパラメータａ１およびａ２を算出する手法を示す。ステップＳ１１において、エンジン回転数ＮＥに基づいてマップを参照し、モデルパラメータａ１を算出する。該マップの一例を、図１５の（ａ）に示す。エンジン回転数ＮＥが高くなるほど、モデルパラメータａ１は大きくなるよう設定される。さらに、位相ＣＡＩＮが遅角側になるほど、モデルパラメータａ１は大きくなるよう設定される。
【００９４】
ステップＳ１２において、エンジン回転数ＮＥに基づいてマップを参照し、モデルパラメータａ２を算出する。該マップの一例を、図１５の（ｂ）に示す。エンジン回転数ＮＥが高くなるほど、モデルパラメータａ２は小さくなるよう設定される。さらに、位相ＣＡＩＮが遅角側になるほど、モデルパラメータａ２は小さくなるよう設定される。
【００９５】
他の実施形態
代替の実施形態では、ΔΣ変調アルゴリズムに代えて、ΣΔ変調アルゴリズムまたはΔ変調アルゴリズムを用いてもよい。ΣΔ変調アルゴリズムを用いた変調器のブロック図を図１６に示し、ΣΔアルゴリズムにより実施される演算を、式（２８）〜（３５）に示す。非線形関数fnl()は、前述したものと同じである。
【数１８】
【００９６】
また、Δ変調アルゴリズムを用いた変調器を図１７に示す、Δ変調アルゴリズムにより実施される演算を、式（３６）〜（４２）に示す。
【数１９】
【００９７】
以上、本発明について、好ましい実施形態について説明した。当然ながら、排気カムシャフトの位相についても、上記の吸気カムシャフトの位相と同様に、制御することができる。
【００９８】
また、２自由度スライディングモード制御とは別の応答指定型制御を用いてもよい。
【００９９】
本発明に従う制御手法は、他の様々な制御対象についても適用可能である。一実施形態では、エンジンから、排気通路に設けられ排ガスの酸素濃度を検出する排ガスセンサ（たとえば、図１のＯ２センサ）までの系を制御対象にし、エンジンの空燃比の制御に適用することができる。制御入力をエンジンへの供給燃料に関連するパラメータとし、制御出力を、該センサの出力とすることができる。エンジンへの供給燃料を制御してセンサ出力を目標値に収束させることにより、適切な空燃比制御を実現することができる。
【０１００】
本発明は、汎用の（例えば、船外機等の）内燃機関に適用可能である。
【図面の簡単な説明】
【０１０１】
【図１】この発明の一実施例に従う、エンジンおよびその制御装置を概略的に示す図。
【図２】この発明の一実施例に従う、連続可変位相装置を示す図。
【図３】この発明の一実施例に従う、制御装置の機能ブロック図。
【図４】この発明の一実施例に従う制御手法により、モデルパラメータの振動が抑制される効果を示す。
【図５】この発明の一実施例に従う、スライディングモード制御の切り換え関数を示す図。
【図６】この発明の一実施例に従う、スライディングモード制御の応答指定パラメータを示す図。
【図７】この発明の一実施例に従う、部分同定アルゴリズムのための仮想プラントの構成を示す図。
【図８】この発明の一実施例に従う、ΔΣ変調器のブロック図。
【図９】この発明の一実施例に従う、ΔΣ変調器の変調信号のホールド現象を回避する効果を説明するための図。
【図１０】この発明の一実施例に従う、ΔΣ変調器の参照入力にオフセット値を適用する効果を説明するための図。
【図１１】この発明の一実施例に従う、ΔΣ変調器における各信号の波形の一例を示す図。
【図１２】この発明の一実施例に従う、制御フローを示す図。
【図１３】この発明の一実施例に従う、カムシャフトの位相の目標値を算出するためのマップを示す図。
【図１４】この発明の一実施例に従う、モデルパラメータスケジューラによりモデルパラメータを算出するフローを示す図
【図１５】この発明の一実施例に従う、モデルパラメータａ１およびａ２を算出するためのマップを示す図。
【図１６】この発明の一実施例に従う、ΣΔ変調器のブロック図。
【図１７】この発明の一実施例に従う、Δ変調器のブロック図。
【図１８】従来技術に従う、むだ時間を有する制御対象を制御する装置の典型的な機能ブロック図。
【符号の説明】
【０１０２】
１ ＥＣＵ
２ エンジン
５ 吸気カムシャフト
７ クランクシャフト
１０ 連続可変位相装置
【特許請求の範囲】
【請求項１】
モデルパラメータを用いてモデル化された制御対象を制御する制御装置であって、
前記モデルパラメータを同定する同定器と、
前記同定器により同定されたモデルパラメータを受け取るよう該同定器に接続されたコントローラであって、前記制御対象の出力が目標値に収束するように、前記モデルパラメータを用いて参照入力を算出するコントローラと、
前記コントローラにより算出された参照入力を受け取るよう該コントローラに接続された変調器であって、前記参照入力に、ΔΣ変調アルゴリズム、ΣΔ変調アルゴリズム、およびΔ変調アルゴリズムのうちの１つを適用して、前記制御対象に印加される制御入力を算出する変調器と、を備え、
前記同定器は、前記参照入力を受け取るよう前記コントローラに接続され、該参照入力および前記制御対象の出力に基づいて、前記モデルパラメータを同定する、
制御装置。
【請求項２】
前記モデルパラメータは、予め同定された第１のモデルパラメータと、前記同定器により逐次的に同定される第２のモデルパラメータを含んでおり、
前記同定器は、前記制御対象と、該制御対象を表すモデルの前記第１のモデルパラメータに基づく構成要素と、を含む仮想プラントについて、前記第２のモデルパラメータを用いてモデル化し、該仮想プラントの出力が、該第２のモデルパラメータを用いたモデルの出力に収束するように、該第２のモデルパラメータを同定する、請求項１に記載の制御装置。
【請求項３】
前記モデルパラメータは、前記制御対象に印加される外乱を表すモデルパラメータを含んでおり、
前記同定器は、前記制御対象の出力および前記参照入力に基づいて、該外乱を表すモデルパラメータを同定する、請求項１に記載の制御装置。
【請求項４】
前記制御装置は、エンジンの制御装置であり、
前記モデルパラメータは、該エンジンの運転状態に応じて予め同定された第１のモデルパラメータおよび前記同定器により逐次的に同定される第２のパラメータを含んでおり、
さらに、前記予め同定された第１のモデルパラメータの値を保持したパラメータスケジューラであって、前記エンジンの運転状態が検出されたことに応じて、該検出された運転状態に対応する前記第１のモデルパラメータの値を求めるパラメータスケジューラを備える、請求項１に記載の制御装置。
【請求項５】
前記コントローラは、前記制御対象の出力の前記目標値に対する追従速度および前記制御対象の外乱が印加された時の該制御対象の出力と該目標値の間の偏差の収束速度とを指定することができる２自由度応答指定型制御アルゴリズムを用いて、前記参照入力を算出する、請求項１に記載の制御装置。
【請求項６】
前記制御対象は、エンジンのカムシャフトの位相を可変に制御する可変位相装置であり、該制御対象の入力は、該可変位相装置に与えられる指令値であり、該制御対象の出力は、該カムシャフトの位相である、請求項１に記載の制御装置。
【請求項７】
エンジンの空燃比を制御するため、前記制御対象は、該エンジンから、該エンジンの排気通路に設けられた排ガスセンサまでの系であり、該制御対象の入力は、該エンジンに供給される燃料の量を調整するパラメータであり、該制御対象の出力は、該排ガスセンサの出力である、請求項１に記載の制御装置。
【請求項１】
モデルパラメータを用いてモデル化された制御対象を制御する制御装置であって、
前記モデルパラメータを同定する同定器と、
前記同定器により同定されたモデルパラメータを受け取るよう該同定器に接続されたコントローラであって、前記制御対象の出力が目標値に収束するように、前記モデルパラメータを用いて参照入力を算出するコントローラと、
前記コントローラにより算出された参照入力を受け取るよう該コントローラに接続された変調器であって、前記参照入力に、ΔΣ変調アルゴリズム、ΣΔ変調アルゴリズム、およびΔ変調アルゴリズムのうちの１つを適用して、前記制御対象に印加される制御入力を算出する変調器と、を備え、
前記同定器は、前記参照入力を受け取るよう前記コントローラに接続され、該参照入力および前記制御対象の出力に基づいて、前記モデルパラメータを同定する、
制御装置。
【請求項２】
前記モデルパラメータは、予め同定された第１のモデルパラメータと、前記同定器により逐次的に同定される第２のモデルパラメータを含んでおり、
前記同定器は、前記制御対象と、該制御対象を表すモデルの前記第１のモデルパラメータに基づく構成要素と、を含む仮想プラントについて、前記第２のモデルパラメータを用いてモデル化し、該仮想プラントの出力が、該第２のモデルパラメータを用いたモデルの出力に収束するように、該第２のモデルパラメータを同定する、請求項１に記載の制御装置。
【請求項３】
前記モデルパラメータは、前記制御対象に印加される外乱を表すモデルパラメータを含んでおり、
前記同定器は、前記制御対象の出力および前記参照入力に基づいて、該外乱を表すモデルパラメータを同定する、請求項１に記載の制御装置。
【請求項４】
前記制御装置は、エンジンの制御装置であり、
前記モデルパラメータは、該エンジンの運転状態に応じて予め同定された第１のモデルパラメータおよび前記同定器により逐次的に同定される第２のパラメータを含んでおり、
さらに、前記予め同定された第１のモデルパラメータの値を保持したパラメータスケジューラであって、前記エンジンの運転状態が検出されたことに応じて、該検出された運転状態に対応する前記第１のモデルパラメータの値を求めるパラメータスケジューラを備える、請求項１に記載の制御装置。
【請求項５】
前記コントローラは、前記制御対象の出力の前記目標値に対する追従速度および前記制御対象の外乱が印加された時の該制御対象の出力と該目標値の間の偏差の収束速度とを指定することができる２自由度応答指定型制御アルゴリズムを用いて、前記参照入力を算出する、請求項１に記載の制御装置。
【請求項６】
前記制御対象は、エンジンのカムシャフトの位相を可変に制御する可変位相装置であり、該制御対象の入力は、該可変位相装置に与えられる指令値であり、該制御対象の出力は、該カムシャフトの位相である、請求項１に記載の制御装置。
【請求項７】
エンジンの空燃比を制御するため、前記制御対象は、該エンジンから、該エンジンの排気通路に設けられた排ガスセンサまでの系であり、該制御対象の入力は、該エンジンに供給される燃料の量を調整するパラメータであり、該制御対象の出力は、該排ガスセンサの出力である、請求項１に記載の制御装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【公開番号】特開２００８−２５７７４１（Ｐ２００８−２５７７４１Ａ）
【公開日】平成２０年１０月２３日（２００８．１０．２３）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−１４０１９０（Ｐ２００８−１４０１９０）
【出願日】平成２０年５月２８日（２００８．５．２８）
【分割の表示】特願２００３−３４６２３４（Ｐ２００３−３４６２３４）の分割
【原出願日】平成１５年１０月３日（２００３．１０．３）
【出願人】（０００００５３２６）本田技研工業株式会社 (23,863)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２０年１０月２３日（２００８．１０．２３）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年５月２８日（２００８．５．２８）
【分割の表示】特願２００３−３４６２３４（Ｐ２００３−３４６２３４）の分割
【原出願日】平成１５年１０月３日（２００３．１０．３）
【出願人】（０００００５３２６）本田技研工業株式会社 (23,863)
【Ｆターム（参考）】
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