制御装置
【課題】内燃機関またはそれに付帯する装置を複数の操作部を操作して制御する制御装置において、特定の操作部について制御入力が飽和してしまうことを未然に防止する。
【解決手段】スライディングモードコントローラ５１が算出する制御入力のうち特定の操作部３３に係る制御入力の適応項が閾値を越える場合に、特定の操作部３３に係る制御入力の適応項を当該閾値にクリップするとともに、制御出力とその目標値との偏差の縮小に必要な補正量を、スライディングモードコントローラ５１が算出する他の操作部４５、４２に係る制御入力値の適応項に加味することとした。
【解決手段】スライディングモードコントローラ５１が算出する制御入力のうち特定の操作部３３に係る制御入力の適応項が閾値を越える場合に、特定の操作部３３に係る制御入力の適応項を当該閾値にクリップするとともに、制御出力とその目標値との偏差の縮小に必要な補正量を、スライディングモードコントローラ５１が算出する他の操作部４５、４２に係る制御入力値の適応項に加味することとした。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内燃機関またはそれに付帯する装置を制御する制御装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
下記特許文献１に開示されている排気ガス再循環（Ｅｘｈａｕｓｔ Ｇａｓ Ｒｅｃｉｒｃｕｌａｔｉｏｎ）システムは、過給機を備えた内燃機関のＥＧＲ率（または、ＥＧＲ量）を制御するものである。過給圧とＥＧＲ率との間には相互干渉が存在し、１入力１出力のコントローラで過給圧、ＥＧＲ率の両方を同時に制御することは難しい。しかも、内燃機関の運転領域によって応答性が異なる上、過給機にはターボラグ（むだ時間）がある。このような事情から、特許文献１に記載のシステムでは、非線形制御対象に対して有効な制御手法であるスライディングモード制御を採用し、相互作用を考慮した他入力多出力のコントローラを設計してＥＧＲ制御をしている。
【０００３】
ＥＧＲ率の目標値がその実測値よりも低く、偏差が存在しているとき、コントローラは新気量を増大させようとしてＤスロットルバルブを開く方向に操作する。
【０００４】
しかし、バタフライバルブ型のＤスロットルバルブは、その開度が大きくなればなるほど開口面積の変化が乏しくなる。それ故に、Ｄスロットルバルブが極端に開いている範囲ではＥＧＲ率の感度が鈍化する。即ち、Ｄスロットルバルブを操作してもＥＧＲ率が殆ど変化しなくなる。
【０００５】
コントローラを設計する際には、バルブ開度とＥＧＲ率との入出力特性を数式化する作業を行っているのであるが、上に述べたような入力に対する出力の感度の鈍化までは必ずしも対処できない。このため、ＥＧＲ率の偏差が充分に縮小しないまま、コントローラが算出するＤスロットルバルブ開度が逓増し、その値がＤスロットルバルブの可動範囲を越えてしまう開度の飽和を引き起すおそれがあった。Ｄスロットルバルブの開度の飽和は、燃費性能の悪化その他の不都合を招くので、好ましくない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００７−０３２４６２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上記に着目してなされた本発明は、内燃機関またはそれに付帯する装置を複数の操作部を操作して制御するものにおいて、特定の操作部について制御入力が飽和してしまうことを未然に防止しようとするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明では、内燃機関またはそれに付帯する装置を複数の操作部を操作して制御するものであって、線形入力項、非線形入力項及びそれら以外の項である適応項の和である、各操作部に与えるべき制御入力を反復的に演算するスライディングモードコントローラと、前記スライディングモードコントローラが算出する制御入力のうち特定の操作部に係る制御入力の適応項が閾値を越える場合に、特定の操作部に係る制御入力の適応項を当該閾値に設定するとともに、制御出力とその目標値との偏差の縮小に必要な補正量を、前記スライディングモードコントローラが算出する他の操作部に係る制御入力値の適応項に加味する補正制御部とを具備することを特徴とする制御装置を構成した。
【０００９】
制御入力の適応項は、偏差の時間積分（または、積算）に依存する。偏差が０にならない以上、適応項の絶対値は増大を続け、操作部に与える制御入力の逓増ひいては飽和という結果をもたらす。本発明は、このような事象に鑑み、飽和するおそれのある特定の操作部（例えば、Ｄスロットルバルブ）に係る制御入力の適応項に閾値、即ち上限または下限を設定するとともに、その閾値を越えた分を他の操作部（例えば、ＥＧＲバルブ、可変ターボのノズルベーン等）に係る制御入力の適応項に肩代わりさせるようにしたのである。これにより、特定の操作部に係る制御入力が飽和したまま制御出力の偏差が残存し続ける不具合を回避することができる。制御出力の偏差が収束した後は、適応項も０に向かって減少することから、特定の操作部に係る制御入力の適応項も閾値を越えない状態に落ち着く。
【００１０】
内燃機関またはそれに付帯する装置の現在状況に関する指標値と、前記閾値との関係を定めたマップを予め記憶しており、前記指標値をキーとして前記マップを検索することで前記閾値を知得するものとすれば、現在状況に応じて適応項の閾値を変更することが可能となる。例えば、エンジン回転数や燃料噴射量（要求負荷）が低い運転領域では、Ｄスロットルバルブの開度を絞らなければ、充分な量の排気ガス（ＥＧＲガス）が還流せず目標ＥＧＲ率を達成できない。従って、Ｄスロットルバルブに係る制御入力の適応項の閾値を厳しく調整し、Ｄスロットルバルブが開きすぎないよう歯止めをかける。逆に、エンジン回転数や燃料噴射量が高い運転領域では、Ｄスロットルバルブをより大きく開けることが許されるので、適応項の閾値の設定を緩める。
【００１１】
本発明は、ディーゼルエンジンに付帯するＥＧＲ装置のＥＧＲ率若しくはＥＧＲ量を制御するシステムへの適用に好適である。この場合、ディーゼルエンジンに実装されたＤスロットルバルブが、前記特定の操作部となる。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、内燃機関またはそれに付帯する装置を複数の操作部を操作して制御するものにおいて、特定の操作部について制御入力が飽和してしまうことを未然に防止し得る。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の一実施形態におけるＥＧＲシステムのハードウェア資源構成図。
【図２】同実施形態の制御装置の構成説明図。
【図３】同実施形態の適応スライディングモードコントローラのブロック線図。
【図４】各制御入力と各制御出力との関係を定めたマップを例示する図。
【図５】内燃機関の運転領域の指標値とスロットルバルブに係る適応項の閾値との関係を定めたマップを例示する図。
【図６】スロットルバルブ開度とＥＧＲ率との関係を定めたマップを例示する図。
【図７】スロットルバルブ開度と吸気管内圧力との関係を定めたマップを例示する図。
【図８】ＥＧＲバルブ開度とＥＧＲ率との関係を定めたマップを例示する図。
【図９】ノズルベーン開度と吸気管内圧力との関係を定めたマップを例示する図。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
本発明の一実施形態を、図面を参照して説明する。図１に示すものは、本発明の適用対象の一であるＥＧＲシステムである。内燃機関２に付帯するこのＥＧＲシステムは、吸排気系３、４における複数の流体圧または流量に関する値を検出するための計測器（または、センサ）１１、１２と、それらの値に目標値を設定し、各値を目標値に追従させるべく複数の操作部４５、４２、３３を操作する制御装置たるＥＣＵ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｕｎｉｔ）５とを具備してなる。
【００１５】
内燃機関２は、例えば過給機を備えたディーゼルエンジンである。内燃機関２の吸気系３には、可変ターボのコンプレッサ３１を配設するとともに、その下流に吸気冷却用のインタークーラ３２、及び吸入空気（新気）量を調節するＤスロットルバルブ３３を設ける。また、吸入空気量を計測する流量計１１、吸気管内圧力を計測する圧力計１２をそれぞれ設置する。
【００１６】
内燃機関２の排気系４には、コンプレッサ３１を駆動するタービン４１を配設し、タービン４１の入口には過給機のＡ／Ｒ比を増減させるためのノズルベーン４２を設ける。そして、内燃機関２の燃焼室より排出される排気ガスの一部を吸気系３に還流させるＥＧＲ通路４３を形成する。ＥＧＲ通路４３は、吸気系３におけるスロットルバルブ３３よりも下流に接続する。ＥＧＲ通路４３には、排気冷却用のＥＧＲクーラ４４と、通過するＥＧＲガス量を調節する外部ＥＧＲバルブ４５とを設ける。
【００１７】
本実施形態では、ＥＧＲ率（または、ＥＧＲ量）と、吸気管内圧力とについて各々目標値を設定し、双方の制御量を一括に目標値に向かわせるべく複数の操作部、即ちＥＧＲバルブ４５、可変ターボのノズル４２及びスロットルバルブ３３を操作する制御を実施する。
【００１８】
ＥＧＲバルブ４５、ノズルベーン４２、スロットルバルブ３３は、ＥＣＵ５により統御されてその開度をリニアに変化させる。各操作部４５、４２、３３は、駆動信号のデューティ比を増減させることで開度を変える電気式のバルブや、あるいはバキュームコントロールバルブ等と組み合わされ弁体のリフト量を制御して開度を変える機械式のバルブ等を用いてなる。
【００１９】
ＥＣＵ５は、プロセッサ、ＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）、ＲＯＭ（Ｒｅａｄ Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ）またはフラッシュメモリ、Ａ／Ｄ変換回路、Ｄ／Ａ変換回路等を包有するマイクロコンピュータである。ＥＣＵ５は、ＥＧＲ率及び吸気管内圧力を検出するための計測器１１、１２の他、エンジン回転数、アクセルペダルの踏込量、冷却水温、吸気温、外部の気温等を検出する各種計測器（図示せず）と電気的に接続し、これら計測器から出力される信号を受け取って各値を知得することができる。
【００２０】
因みに、本実施形態では、ＥＧＲ率を直接計測していない。内燃機関２のシリンダに入る空気量は、可変ターボのノズル開度を基に予測することが可能である。その空気量の予測値をｇｃｙｌとおき、流量計１１で計測される吸入空気量をｇａとおくと、推定ＥＧＲ率ｅｅｇｒについて、ｅｅｇｒ＝１−ｇａ／ｇｃｙｌなる関係が成立する。ＥＣＵ５のＲＯＭまたはフラッシュメモリには予め、可変ターボのノズル開度とシリンダに入る空気量との関係を定めたマップデータが記憶されている。ＥＣＵ５は、可変ターボのノズル開度をキーとしてマップを検索し、シリンダに入る空気量の予測値を得、これと吸入空気量とを上記式に代入してＥＧＲ率を算出する。
【００２１】
並びに、ＥＣＵ５は、ＥＧＲバルブ４５、可変ターボのノズル４２、スロットルバルブ３３や、燃料噴射を司るインジェクタ及び燃料ポンプ等（図示せず）と電気的に接続しており、これらを駆動するための信号を入力することができる。
【００２２】
ＥＣＵ５で実行するべきプログラムはＲＯＭまたはフラッシュメモリに予め記憶されており、その実行の際にＲＡＭへ読み込まれ、プロセッサによって解読される。ＥＣＵ５は、プログラムに従い内燃機関２を制御する。例えば、エンジン回転数、アクセルペダルの踏込量、冷却水温等の諸条件に基づき要求される燃料噴射量（いわば、エンジン負荷）を決定し、その要求噴射量に対応する駆動信号をインジェクタ等に入力して燃料噴射を制御する。その上で、ＥＣＵ５は、プログラムに従い、図２及び図３に示すサーボコントローラ５１及び補正制御部５２としての機能を発揮する。
【００２３】
サーボコントローラ５１は、スライディングモードコントローラであって、ＥＧＲ率及び吸気管内圧力のスライディングモード制御を担う。フィードバック制御時、ＥＣＵ５は、各種計測器（図示せず）が出力する信号を受け取ってエンジン回転数、アクセル踏込量、冷却水温、吸気温、外部の気温及び気圧等を知得し、要求噴射量を決定する。続いて、少なくともエンジン回転数及び要求噴射量に基づき、目標ＥＧＲ率及び目標吸気管内圧力を設定する。ＥＣＵ５のＲＯＭまたはフラッシュメモリには予め、エンジン回転数及び要求噴射量に応じて設定するべき各目標値を示すマップデータが記憶されている。ＥＣＵ５は、エンジン回転数及び要求噴射量をキーとしてマップを検索し、ＥＧＲ率及び吸気管内圧力の目標値を得る。さらに、マップを参照して得た目標値を基本値とし、これを冷却水温、吸気温、外部の気温や気圧等に応じて補正して最終的な目標値とする。
【００２４】
そして、ＥＣＵ５は、計測器１１、１２が出力する信号を受け取ってＥＧＲ率及び吸気管内圧力の現在値を知得し、各制御量の現在値と目標値との偏差からＥＧＲバルブ４５の開度、可変ターボのノズル４２の開度及びスロットルバルブ３３の開度を演算して、各々の操作量に対応する駆動信号をそれら操作部４５、４２、３３に入力、開度を操作する。
【００２５】
ＥＧＲ率の適応スライディングモード制御に関して補記する。状態方程式及び出力方程式は、下式（数１）の通りである。
【００２６】
【数１】
【００２７】
本実施形態では、状態量ベクトルＸを出力ベクトルＹから直接知得できる構造とする、換言すれば計測器１１、１２を介して検出可能な値を直接の制御対象とすることにより、状態推定オブザーバを排して推定誤差に伴う制御性能の低下を予防している。出力行列Ｃは既知、本実施形態では単位行列とする。
【００２８】
プラントのモデル化、即ち状態方程式（数１）における係数行列Ａ及び入力行列Ｂの同定にあたっては、各操作部４５、４２、３３に様々な周波数からなるＭ系列信号を入力して開度を操作し、ＥＧＲ率及び吸気管内圧力の値を観測して、その入出力データから行列Ａ、Ｂを同定する。各操作部４５、４２、３３に入力するＭ系列信号は、互いに無相関なものとする。これにより、各値の相互干渉を考慮したモデルを作成することができる。
【００２９】
図３に、本実施形態の適応スライディングモード制御系のブロック線図を示す。スライディングモードコントローラ５１の設計手順には、切換超平面の設計と、状態量を切換超平面に拘束するための非線形切換入力の設計とが含まれる。１形のサーボ系を構成するべく、当初の状態量ベクトルＸに、目標値ベクトルＲと出力ベクトルＹとの偏差の積分値ベクトルＺを付加した新たな状態量ベクトルＸeを定義すると、下式（数２）に示す拡大系の状態方程式を得る。
【００３０】
【数２】
【００３１】
安定余裕を考慮し、切換超平面の設計にはシステムの零点を用いた設計手法を用いる。即ち、上式（数２）の拡大系がスライディングモードを生じているときの等価制御系が安定となるように超平面を設計する。切換関数σを式（数３）で定義すると、状態が超平面に拘束されている場合にσ＝０かつ式（数４）が成立する。
【００３２】
【数３】
【００３３】
【数４】
【００３４】
故に、スライディングモードが生じているときの線形入力（等価制御入力）は、下式（数５）となる。
【００３５】
【数５】
【００３６】
上式（数５）の線形入力を拡大系の状態方程式（数２）に代入すると、下式（数６）の等価制御系となる。
【００３７】
【数６】
【００３８】
この等価制御系が安定になるように超平面を設計することと、目標値Ｒを無視した系に対して設計することとは等価であるので、下式（数７）が成立する。
【００３９】
【数７】
【００４０】
上式（数７）の系に対して安定度εを考慮し、最適制御理論を用いてフィードバックゲインを求め、それを超平面とすると、下式（数８）となる。
【００４１】
【数８】
【００４２】
行列Ｐsは、リカッチ方程式（数９）の正定解である。
【００４３】
【数９】
【００４４】
リカッチ方程式（数９）におけるＱsは制御目的の重み行列で、非負定な対称行列である。ｑ1、ｑ2は偏差の積分Ｚに対する重みであり、制御系の周波数応答の速さの違いにより決定する。ｑ3、ｑ4は出力Ｙに対する重みであり、ゲインの大きさの違いにより決定する。また、リカッチ方程式（数９）におけるＲsは制御入力の重み行列で、正定対称行列である。εは安定余裕係数で、ε≧０となるように指定する。
【００４５】
なお、上記式（数８）、（数９）に替えて、以下に示す離散系の超平面構築式（数１０）及び代数リカッチ方程式（数１１）を用いてもよい。
【００４６】
【数１０】
【００４７】
【数１１】
【００４８】
超平面に拘束するための入力の設計には、最終スライディングモード法を用いる。ここでは、制御入力Ｕを、線形入力Ｕeqと新たな入力即ち非線形入力（非線形制御入力）Ｕnlとの和として、下式（数１２）で表す。
【００４９】
【数１２】
【００５０】
切換関数σを安定させたいので、σについてのリアプノフ関数を下式（数１３）のように選び、これを微分すると式（数１４）となる。
【００５１】
【数１３】
【００５２】
【数１４】
【００５３】
式（数１２）を式（数１４）に代入すると、下式（数１５）となる。
【００５４】
【数１５】
【００５５】
非線形入力Ｕnlを下式（数１６）とすると、リアプノフ関数の微分は式（数１７）となる。
【００５６】
【数１６】
【００５７】
【数１７】
【００５８】
従って、切換ゲインｋを正とすれば、リアプノフ関数の微分値を負とすることができ、スライディングモードが保証される。このときの制御入力Ｕは、下式（数１８）である。
【００５９】
【数１８】
【００６０】
ηはチャタリング低減のために導入した平滑化係数であって、η＞０である。
【００６１】
スライディングモード制御では、状態量を超平面に拘束するために非線形ゲインを大きくする必要がある。だが、非線形ゲインを大きくすると、制御入力にチャタリングが発生する。そこで、モデルの不確かさを、構造が既知でパラメータが未知な確定部分と、構造が未知だがその上界値が既知な不確定部分とに分ける。状態方程式（数１）に不確かさ（ｆ＋Δｆ）を加え、下式（数１９）で表す。
【００６２】
【数１９】
【００６３】
不確かさの確定部分ｆは、未知パラメータθを同定することで補償される。さすれば、切換ゲインは不確かさの不確定部分Δｆのみにかかることとなり、切換ゲインが不確実成分全体（ｆ＋Δｆ）にかかる場合と比べて制御入力のチャタリングを大幅に低減できる。
【００６４】
制御入力Ｕは、式（数１８）に適応項Ｕadを追加した下式（数２０）となる。
【００６５】
【数２０】
【００６６】
制御入力（数２０）におけるΓ1は、適応ゲイン行列である。関数ｈは、一般には状態量ｘ及び／または未知パラメータθの関数とするが、本実施形態ではｈをｘ及びθに無関係な単純式、定数とすることにより、ｘを速やかに収束させ、θの適応速度を高めるようにしている。特に、ｈ＝１とした場合、推定パラメータを下式（数２１）に則って同定することができる。
【００６７】
【数２１】
【００６８】
本実施形態では、ＥＧＲ率ｙ1及び吸気管内圧力ｙ2を制御出力変数とし、ＥＧＲバルブ４５の開度ｕ1、可変ターボのノズル４２の開度ｕ2及びスロットルバルブ３３の開度ｕ3を制御入力変数とした３入力２出力のフィードバック制御を行う。状態変数の個数（システムの次数）は、当初の系（数１）では出力変数の個数と同じく２、拡大系（数２）では４となる。制御出力及び状態量をこのように特定することで、排気ガスに直接触れる箇所に流量計等の計測器を設置する必要がなくなる。
【００６９】
尤も、本実施形態のような３入力２出力のシステムでは、ｄｅｔ（ＳＢe）＝０が成立し、行列（ＳＢe）は正則とはならない。そこで、逆行列（ＳＢe）-1を、一般化逆行列として算定する。一般化逆行列には、例えばムーア・ペンローズ型の逆行列（ＳＢe）†を用いる。
【００７０】
しかして、補正制御部５２は、必要に応じ、スライディングモードコントローラ５１が反復的に演算している制御入力Ｕに補正を施す。ＥＧＲバルブ４５に係る制御入力ｕ1、ノズルベーン４２に係る制御入力ｕ2、Ｄスロットルバルブに係る制御入力ｕ3はそれぞれ、下式（数２２）に示すように線形入力項と非線形入力項と適応項との和である。
【００７１】
【数２２】
【００７２】
補正制御部５２は、コントローラ５１が算出した、Ｄスロットルバルブ３３に係る制御入力ｕ3の適応項ｕ3adが閾値ｕ3adminを越える場合に、当該適応項を閾値ｕ3adminにクリップする。その替わりに、ＥＧＲバルブ４５に係る制御入力ｕ1の適応項ｕ1adに補正量Δｕ1を加味し、及び／または、ノズルベーン４２に係る制御入力ｕ2の適応項ｕ2adに補正量Δｕ2を加味する。
【００７３】
プラントの入出力特性を、図４に示す。但し、ノズルベーン４２の開度ｕ2及びＤスロットルバルブの開度ｕ3については、制御入力値ｕ2、ｕ3が大きい（グラフの右方）側がバルブの閉止、制御入力値ｕ2、ｕ3が小さい（グラフの左方）側がバルブの開放を意味している。
【００７４】
ＥＧＲ率の実測値がその目標値よりも高いと、スライディングモードコントローラ５１は新気量を増大させてＥＧＲ率を下げるためにＤスロットルバルブ３３を開く方向に操作する。バタフライバルブ型のＤスロットルバルブ３３は、その開度が大きく（制御入力値ｕ3が小さく）なればなるほど開口面積の変化が乏しくなる。故に、Ｄスロットルバルブ３３が極端に開いている範囲ではＥＧＲ率の感度が鈍化する。即ち、Ｄスロットルバルブを操作してもＥＧＲ率が殆ど変化しなくなる。
【００７５】
式（数２）、式（数３）及び式（数２１）より、スライディングモードコントローラ５１が算出する適応項ｕ3adは偏差Ｚ（切換関数σ）の時間積分（または、積算）に依存する。であるから、Ｄスロットルバルブ３３を開けてもＥＧＲ率の偏差Ｚが充分に縮小しないとなれば、適応項ｕ3adの絶対値が逓増してゆく。その結果、Ｄスロットルバルブ３３は開く（制御入力値ｕ3は減少する）一方となり、窮極的には開度飽和を引き起す。これに対し、補正制御部５２は、Ｄスロットルバルブ３３の開度が飽和するよりも前に、適応項ｕ3adの減少を阻止する。
【００７６】
ＥＣＵ５のＲＯＭまたはフラッシュメモリには予め、内燃機関２またはそれに付帯する装置の現在状況に関する指標値と、適応項ｕ3adの閾値たる下限値ｕ3adminとの関係を定めたマップが記憶されている。マップの概要を、図５に例示している。指標値は、例えばエンジン回転数及び燃料噴射量である。エンジン回転数や燃料噴射量が低い運転領域では、ＥＧＲガスの還流量が少なくなるのでＤスロットルバルブ３３を絞る必要がある。逆に、エンジン回転数や燃料噴射量が高い運転領域ではＥＧＲガスの還流量が多くなるのでＤスロットルバルブ３３をより大きく開けることが許される。よって、下限値ｕ3adminは、エンジン回転数が低いほど、また燃料噴射量が少ないほど大きな値とする。
【００７７】
補正制御部５２は、このマップデータを参照して、Ｄスロットルバルブ３３に係る制御入力ｕ3の適応項の下限値ｕ3adminを決定する。即ち、エンジン回転数及び燃料噴射量をキーとしてマップを検索し、下限値ｕ3adminを知得する。結果、Ｄスロットルバルブ４５の開度はｕ3’＝ｕ3＋（ｕ3admin−ｕ3ad）に操作される。
【００７８】
さらに、補正制御部５２は、ｕ3ad＜ｕ3adminが成立し、Ｄスロットルバルブ３３に与える制御入力ｕ3の適応項を下限値ｕ3adminとする間、ＥＧＲバルブ４５に与える制御入力ｕ1の適応項ｕ1ad、ノズルベーン４２に与える制御入力ｕ3の適応項ｕ2adに補正を加える。
【００７９】
ＥＣＵ５のＲＯＭまたはフラッシュメモリには予め、プラントの入出力特性を示すマップが記憶されている。マップの概要を、図４に例示している。マップは、ＥＧＲバルブ４５の開度とＥＧＲ率との関係を表したマップ、ノズルベーン４２の開度とＥＧＲ率との関係を表したマップ、スロットルバルブ３３の開度とＥＧＲ率との関係を表したマップ、ＥＧＲバルブ４５の開度と吸気管内圧力との関係を表したマップ、ノズルベーン４２の開度と吸気管内圧力との関係を表したマップ、スロットルバルブ３３の開度と吸気管内圧力との関係を表したマップ、都合６枚が存在する。
【００８０】
補正制御部５２は、これらマップデータを基に、制御入力ｕ1に加味する補正量Δｕ1、制御入力ｕ3に加味する補正量Δｕ3を決定する。まず、図６に示すように、Ｄスロットルバルブ３３の開度とＥＧＲ率との関係を表したマップを参照して、スライディングモードコントローラ５１の算出した制御入力ｕ3に対応するＥＧＲ率と、適応項を下限値ｕ3adminにクリップした制御入力ｕ3’に対応するＥＧＲ率との差分Δｅｅｇｒを知得する。同様に、図７に示すように、Ｄスロットルバルブ３３の開度と吸気管内圧力との関係を表したマップを参照して、適応項をスライディングモードコントローラ５１の算出値ｕ3adとした制御入力ｕ3に対応する吸気管内圧力と、適応項を下限値ｕ3adminにクリップした制御入力ｕ3に対応する吸気管内圧力との差分Δｅｐｉｍを知得する。差分Δｅｅｇｒ及びΔｅｐｉｍは、Ｄスロットルバルブ３３に与える制御入力が（ｕ3admin−ｕ3ad）だけ大きくなることに起因して発生する偏差と考えることができる。
【００８１】
そして、上記の差分Δｅｅｇｒ、Δｅｐｉｍを、ＥＧＲバルブ４５及び／またはノズルベーン４２に振り分ける。例えば、ΔｅｅｇｒをＥＧＲバルブ４５に振り分けるには、図８に示すように、ＥＧＲバルブ４５の開度とＥＧＲ率との関係を表したマップを参照して、スライディングモードコントローラ５１の算出した制御入力ｕ1に対応するＥＧＲ率を知得した上、これにΔｅｅｇｒを加算したＥＧＲ率を実現するのに必要な制御入力ｕ1’を知得する。両者の差分Δｕ1が、制御入力ｕ1の適応項ｕ1adに加味するべき補正量となる。いわば、入出力特性のマップを介して偏差を補正量に変換したことになる。結果、ＥＧＲバルブ４５の開度はｕ1’＝ｕ1＋Δｕ1に操作される。
【００８２】
また、Δｅｐｉｍをノズルベーン４２に振り分けるには、図９に示すように、ノズルベーン４２の開度と吸気管内圧力との関係を表したマップを参照して、スライディングモードコントローラ５１の算出した制御入力ｕ2に対応する吸気管内圧力を知得した上、これにΔｅｐｉｍを加算した吸気管内圧力を実現するのに必要な制御入力ｕ2’を知得する。両者の差分Δｕ2が、制御入力ｕ2の適応項ｕ2adに加味するべき補正量となる。結果、ノズルベーン４２の開度はｕ2’＝ｕ2＋Δｕ2に操作される。
【００８３】
無論、ΔｅｐｉｍをＥＧＲバルブ４５に振り分け、Δｅｅｇｒをノズルベーン４２に振り分けるようにしてもよい。このときには、ＥＧＲバルブ４５の開度と吸気管内圧力との関係を表したマップを参照して補正量Δｕ1を決定し、ノズルベーン４２とＥＧＲ率との関係を表したマップを参照して補正量Δｕ2を決定する。
【００８４】
あるいは、ＥＧＲ率の制御に注力し、吸気管内圧力の制御を度外視してもよければ、Δｅｅｇｒを二分してＥＧＲバルブ４５、ノズルベーン４２の各々に振り分けるということも可能であるし、ＥＧＲバルブ４５またはノズルベーン４２の何れか一方にのみ振り分ける（即ち、他方の制御入力には補正量を加味しない）ということも可能である。
【００８５】
本実施形態によれば、内燃機関２またはそれに付帯する装置を複数の操作部４５、４２、３３を操作して制御するものであって、線形入力項Ｕeq、非線形入力項Ｕnl及びそれら以外の項である適応項Ｕadの和である、各操作部４５、４２、３３に与えるべき制御入力Ｕを反復的に演算するスライディングモードコントローラ５１と、前記スライディングモードコントローラ５１が算出する制御入力Ｕのうち特定の操作部３３に係る制御入力ｕ3の適応項ｕ3adが閾値ｕ3adminを越える場合に、特定の操作部３３に係る制御入力ｕ3の適応項ｕ3adを当該閾値ｕ3adminに設定するとともに、制御出力とその目標値との偏差Δｅｅｇｒ、Δｅｐｉｍの縮小に必要な補正量Δｕ1、Δｕ2を、前記スライディングモードコントローラ５１が算出する他の操作部４５、４２に係る制御入力値ｕ1、ｕ2の適応項ｕ1ad、ｕ2adに加味する補正制御部５２とを具備する制御装置を構成したため、特定の操作部３３に係る制御入力ｕ3が飽和したまま制御出力の偏差が残存し続ける不具合を回避することができる。制御出力の偏差が収束した後は、適応項Ｕadも０に向かって減少することから、特定の操作部３３に係る制御入力ｕ3の適応項ｕ3adも閾値ｕ3adminを越えない状態に落ち着く。
【００８６】
内燃機関２またはそれに付帯する装置の現在状況に関する指標値と、前記閾値ｕ3adminとの関係を定めたマップを予め記憶しており、前記指標値をキーとして前記マップを検索することで前記閾値ｕ3adminを知得するものとすれば、現在状況に応じて適応項ｕ3adの閾値ｕ3adminを変更することが可能となる。これにより、エンジン回転数や燃料噴射量が低い運転領域ではＤスロットルバルブ３３の開度を絞って飽和を予防しつつ、エンジン回転数や燃料噴射量が高い運転領域ではＤスロットルバルブ３３をより大きく開けて燃費の向上や燃焼の安定を図ることができる。
【００８７】
なお、本発明は以上に詳述した実施形態に限られるものではない。上記実施形態では、Ｄスロットルバルブの開度飽和を避ける趣旨であったが、ＥＧＲバルブまたはノズルベーンの開度飽和を避けるために本発明を用いることも可能である。
【００８８】
また、閾値は、適応項の下限値であるとは限られず、上限値であることもあり得る。
【００８９】
ＥＧＲ制御における制御入力変数は、ＥＧＲバルブ開度、可変ノズルターボ開度及びスロットルバルブ開度には限定されない。制御出力変数も、ＥＧＲ率（または、ＥＧＲ量）及び吸気管内圧力には限定されない。新たな入力変数、出力変数を付加して、４入力３出力の３次システムを構築するようなことも可能である。例えば、吸気系に過給機（のコンプレッサ）をバイパスする通路が存在している場合、その通路上に設けられたバルブをも操作することがある。このとき、当該バイパス通路内の圧力または流量等を制御出力変数に含め、当該バイパス通路上のバルブの開度を制御入力変数に含めることができる。
【００９０】
その他各部の具体的構成は、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形が可能である。
【産業上の利用可能性】
【００９１】
本発明は、例えば、内燃機関に付帯するＥＧＲ装置のＥＧＲ率を制御するための制御コントローラとして利用することができる。
【符号の説明】
【００９２】
５…ＥＣＵ（制御装置）
５１…適応スライディングモードコントローラ（サーボコントローラ）
５２…補正制御部
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内燃機関またはそれに付帯する装置を制御する制御装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
下記特許文献１に開示されている排気ガス再循環（Ｅｘｈａｕｓｔ Ｇａｓ Ｒｅｃｉｒｃｕｌａｔｉｏｎ）システムは、過給機を備えた内燃機関のＥＧＲ率（または、ＥＧＲ量）を制御するものである。過給圧とＥＧＲ率との間には相互干渉が存在し、１入力１出力のコントローラで過給圧、ＥＧＲ率の両方を同時に制御することは難しい。しかも、内燃機関の運転領域によって応答性が異なる上、過給機にはターボラグ（むだ時間）がある。このような事情から、特許文献１に記載のシステムでは、非線形制御対象に対して有効な制御手法であるスライディングモード制御を採用し、相互作用を考慮した他入力多出力のコントローラを設計してＥＧＲ制御をしている。
【０００３】
ＥＧＲ率の目標値がその実測値よりも低く、偏差が存在しているとき、コントローラは新気量を増大させようとしてＤスロットルバルブを開く方向に操作する。
【０００４】
しかし、バタフライバルブ型のＤスロットルバルブは、その開度が大きくなればなるほど開口面積の変化が乏しくなる。それ故に、Ｄスロットルバルブが極端に開いている範囲ではＥＧＲ率の感度が鈍化する。即ち、Ｄスロットルバルブを操作してもＥＧＲ率が殆ど変化しなくなる。
【０００５】
コントローラを設計する際には、バルブ開度とＥＧＲ率との入出力特性を数式化する作業を行っているのであるが、上に述べたような入力に対する出力の感度の鈍化までは必ずしも対処できない。このため、ＥＧＲ率の偏差が充分に縮小しないまま、コントローラが算出するＤスロットルバルブ開度が逓増し、その値がＤスロットルバルブの可動範囲を越えてしまう開度の飽和を引き起すおそれがあった。Ｄスロットルバルブの開度の飽和は、燃費性能の悪化その他の不都合を招くので、好ましくない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００７−０３２４６２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上記に着目してなされた本発明は、内燃機関またはそれに付帯する装置を複数の操作部を操作して制御するものにおいて、特定の操作部について制御入力が飽和してしまうことを未然に防止しようとするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明では、内燃機関またはそれに付帯する装置を複数の操作部を操作して制御するものであって、線形入力項、非線形入力項及びそれら以外の項である適応項の和である、各操作部に与えるべき制御入力を反復的に演算するスライディングモードコントローラと、前記スライディングモードコントローラが算出する制御入力のうち特定の操作部に係る制御入力の適応項が閾値を越える場合に、特定の操作部に係る制御入力の適応項を当該閾値に設定するとともに、制御出力とその目標値との偏差の縮小に必要な補正量を、前記スライディングモードコントローラが算出する他の操作部に係る制御入力値の適応項に加味する補正制御部とを具備することを特徴とする制御装置を構成した。
【０００９】
制御入力の適応項は、偏差の時間積分（または、積算）に依存する。偏差が０にならない以上、適応項の絶対値は増大を続け、操作部に与える制御入力の逓増ひいては飽和という結果をもたらす。本発明は、このような事象に鑑み、飽和するおそれのある特定の操作部（例えば、Ｄスロットルバルブ）に係る制御入力の適応項に閾値、即ち上限または下限を設定するとともに、その閾値を越えた分を他の操作部（例えば、ＥＧＲバルブ、可変ターボのノズルベーン等）に係る制御入力の適応項に肩代わりさせるようにしたのである。これにより、特定の操作部に係る制御入力が飽和したまま制御出力の偏差が残存し続ける不具合を回避することができる。制御出力の偏差が収束した後は、適応項も０に向かって減少することから、特定の操作部に係る制御入力の適応項も閾値を越えない状態に落ち着く。
【００１０】
内燃機関またはそれに付帯する装置の現在状況に関する指標値と、前記閾値との関係を定めたマップを予め記憶しており、前記指標値をキーとして前記マップを検索することで前記閾値を知得するものとすれば、現在状況に応じて適応項の閾値を変更することが可能となる。例えば、エンジン回転数や燃料噴射量（要求負荷）が低い運転領域では、Ｄスロットルバルブの開度を絞らなければ、充分な量の排気ガス（ＥＧＲガス）が還流せず目標ＥＧＲ率を達成できない。従って、Ｄスロットルバルブに係る制御入力の適応項の閾値を厳しく調整し、Ｄスロットルバルブが開きすぎないよう歯止めをかける。逆に、エンジン回転数や燃料噴射量が高い運転領域では、Ｄスロットルバルブをより大きく開けることが許されるので、適応項の閾値の設定を緩める。
【００１１】
本発明は、ディーゼルエンジンに付帯するＥＧＲ装置のＥＧＲ率若しくはＥＧＲ量を制御するシステムへの適用に好適である。この場合、ディーゼルエンジンに実装されたＤスロットルバルブが、前記特定の操作部となる。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、内燃機関またはそれに付帯する装置を複数の操作部を操作して制御するものにおいて、特定の操作部について制御入力が飽和してしまうことを未然に防止し得る。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の一実施形態におけるＥＧＲシステムのハードウェア資源構成図。
【図２】同実施形態の制御装置の構成説明図。
【図３】同実施形態の適応スライディングモードコントローラのブロック線図。
【図４】各制御入力と各制御出力との関係を定めたマップを例示する図。
【図５】内燃機関の運転領域の指標値とスロットルバルブに係る適応項の閾値との関係を定めたマップを例示する図。
【図６】スロットルバルブ開度とＥＧＲ率との関係を定めたマップを例示する図。
【図７】スロットルバルブ開度と吸気管内圧力との関係を定めたマップを例示する図。
【図８】ＥＧＲバルブ開度とＥＧＲ率との関係を定めたマップを例示する図。
【図９】ノズルベーン開度と吸気管内圧力との関係を定めたマップを例示する図。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
本発明の一実施形態を、図面を参照して説明する。図１に示すものは、本発明の適用対象の一であるＥＧＲシステムである。内燃機関２に付帯するこのＥＧＲシステムは、吸排気系３、４における複数の流体圧または流量に関する値を検出するための計測器（または、センサ）１１、１２と、それらの値に目標値を設定し、各値を目標値に追従させるべく複数の操作部４５、４２、３３を操作する制御装置たるＥＣＵ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｕｎｉｔ）５とを具備してなる。
【００１５】
内燃機関２は、例えば過給機を備えたディーゼルエンジンである。内燃機関２の吸気系３には、可変ターボのコンプレッサ３１を配設するとともに、その下流に吸気冷却用のインタークーラ３２、及び吸入空気（新気）量を調節するＤスロットルバルブ３３を設ける。また、吸入空気量を計測する流量計１１、吸気管内圧力を計測する圧力計１２をそれぞれ設置する。
【００１６】
内燃機関２の排気系４には、コンプレッサ３１を駆動するタービン４１を配設し、タービン４１の入口には過給機のＡ／Ｒ比を増減させるためのノズルベーン４２を設ける。そして、内燃機関２の燃焼室より排出される排気ガスの一部を吸気系３に還流させるＥＧＲ通路４３を形成する。ＥＧＲ通路４３は、吸気系３におけるスロットルバルブ３３よりも下流に接続する。ＥＧＲ通路４３には、排気冷却用のＥＧＲクーラ４４と、通過するＥＧＲガス量を調節する外部ＥＧＲバルブ４５とを設ける。
【００１７】
本実施形態では、ＥＧＲ率（または、ＥＧＲ量）と、吸気管内圧力とについて各々目標値を設定し、双方の制御量を一括に目標値に向かわせるべく複数の操作部、即ちＥＧＲバルブ４５、可変ターボのノズル４２及びスロットルバルブ３３を操作する制御を実施する。
【００１８】
ＥＧＲバルブ４５、ノズルベーン４２、スロットルバルブ３３は、ＥＣＵ５により統御されてその開度をリニアに変化させる。各操作部４５、４２、３３は、駆動信号のデューティ比を増減させることで開度を変える電気式のバルブや、あるいはバキュームコントロールバルブ等と組み合わされ弁体のリフト量を制御して開度を変える機械式のバルブ等を用いてなる。
【００１９】
ＥＣＵ５は、プロセッサ、ＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）、ＲＯＭ（Ｒｅａｄ Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ）またはフラッシュメモリ、Ａ／Ｄ変換回路、Ｄ／Ａ変換回路等を包有するマイクロコンピュータである。ＥＣＵ５は、ＥＧＲ率及び吸気管内圧力を検出するための計測器１１、１２の他、エンジン回転数、アクセルペダルの踏込量、冷却水温、吸気温、外部の気温等を検出する各種計測器（図示せず）と電気的に接続し、これら計測器から出力される信号を受け取って各値を知得することができる。
【００２０】
因みに、本実施形態では、ＥＧＲ率を直接計測していない。内燃機関２のシリンダに入る空気量は、可変ターボのノズル開度を基に予測することが可能である。その空気量の予測値をｇｃｙｌとおき、流量計１１で計測される吸入空気量をｇａとおくと、推定ＥＧＲ率ｅｅｇｒについて、ｅｅｇｒ＝１−ｇａ／ｇｃｙｌなる関係が成立する。ＥＣＵ５のＲＯＭまたはフラッシュメモリには予め、可変ターボのノズル開度とシリンダに入る空気量との関係を定めたマップデータが記憶されている。ＥＣＵ５は、可変ターボのノズル開度をキーとしてマップを検索し、シリンダに入る空気量の予測値を得、これと吸入空気量とを上記式に代入してＥＧＲ率を算出する。
【００２１】
並びに、ＥＣＵ５は、ＥＧＲバルブ４５、可変ターボのノズル４２、スロットルバルブ３３や、燃料噴射を司るインジェクタ及び燃料ポンプ等（図示せず）と電気的に接続しており、これらを駆動するための信号を入力することができる。
【００２２】
ＥＣＵ５で実行するべきプログラムはＲＯＭまたはフラッシュメモリに予め記憶されており、その実行の際にＲＡＭへ読み込まれ、プロセッサによって解読される。ＥＣＵ５は、プログラムに従い内燃機関２を制御する。例えば、エンジン回転数、アクセルペダルの踏込量、冷却水温等の諸条件に基づき要求される燃料噴射量（いわば、エンジン負荷）を決定し、その要求噴射量に対応する駆動信号をインジェクタ等に入力して燃料噴射を制御する。その上で、ＥＣＵ５は、プログラムに従い、図２及び図３に示すサーボコントローラ５１及び補正制御部５２としての機能を発揮する。
【００２３】
サーボコントローラ５１は、スライディングモードコントローラであって、ＥＧＲ率及び吸気管内圧力のスライディングモード制御を担う。フィードバック制御時、ＥＣＵ５は、各種計測器（図示せず）が出力する信号を受け取ってエンジン回転数、アクセル踏込量、冷却水温、吸気温、外部の気温及び気圧等を知得し、要求噴射量を決定する。続いて、少なくともエンジン回転数及び要求噴射量に基づき、目標ＥＧＲ率及び目標吸気管内圧力を設定する。ＥＣＵ５のＲＯＭまたはフラッシュメモリには予め、エンジン回転数及び要求噴射量に応じて設定するべき各目標値を示すマップデータが記憶されている。ＥＣＵ５は、エンジン回転数及び要求噴射量をキーとしてマップを検索し、ＥＧＲ率及び吸気管内圧力の目標値を得る。さらに、マップを参照して得た目標値を基本値とし、これを冷却水温、吸気温、外部の気温や気圧等に応じて補正して最終的な目標値とする。
【００２４】
そして、ＥＣＵ５は、計測器１１、１２が出力する信号を受け取ってＥＧＲ率及び吸気管内圧力の現在値を知得し、各制御量の現在値と目標値との偏差からＥＧＲバルブ４５の開度、可変ターボのノズル４２の開度及びスロットルバルブ３３の開度を演算して、各々の操作量に対応する駆動信号をそれら操作部４５、４２、３３に入力、開度を操作する。
【００２５】
ＥＧＲ率の適応スライディングモード制御に関して補記する。状態方程式及び出力方程式は、下式（数１）の通りである。
【００２６】
【数１】
【００２７】
本実施形態では、状態量ベクトルＸを出力ベクトルＹから直接知得できる構造とする、換言すれば計測器１１、１２を介して検出可能な値を直接の制御対象とすることにより、状態推定オブザーバを排して推定誤差に伴う制御性能の低下を予防している。出力行列Ｃは既知、本実施形態では単位行列とする。
【００２８】
プラントのモデル化、即ち状態方程式（数１）における係数行列Ａ及び入力行列Ｂの同定にあたっては、各操作部４５、４２、３３に様々な周波数からなるＭ系列信号を入力して開度を操作し、ＥＧＲ率及び吸気管内圧力の値を観測して、その入出力データから行列Ａ、Ｂを同定する。各操作部４５、４２、３３に入力するＭ系列信号は、互いに無相関なものとする。これにより、各値の相互干渉を考慮したモデルを作成することができる。
【００２９】
図３に、本実施形態の適応スライディングモード制御系のブロック線図を示す。スライディングモードコントローラ５１の設計手順には、切換超平面の設計と、状態量を切換超平面に拘束するための非線形切換入力の設計とが含まれる。１形のサーボ系を構成するべく、当初の状態量ベクトルＸに、目標値ベクトルＲと出力ベクトルＹとの偏差の積分値ベクトルＺを付加した新たな状態量ベクトルＸeを定義すると、下式（数２）に示す拡大系の状態方程式を得る。
【００３０】
【数２】
【００３１】
安定余裕を考慮し、切換超平面の設計にはシステムの零点を用いた設計手法を用いる。即ち、上式（数２）の拡大系がスライディングモードを生じているときの等価制御系が安定となるように超平面を設計する。切換関数σを式（数３）で定義すると、状態が超平面に拘束されている場合にσ＝０かつ式（数４）が成立する。
【００３２】
【数３】
【００３３】
【数４】
【００３４】
故に、スライディングモードが生じているときの線形入力（等価制御入力）は、下式（数５）となる。
【００３５】
【数５】
【００３６】
上式（数５）の線形入力を拡大系の状態方程式（数２）に代入すると、下式（数６）の等価制御系となる。
【００３７】
【数６】
【００３８】
この等価制御系が安定になるように超平面を設計することと、目標値Ｒを無視した系に対して設計することとは等価であるので、下式（数７）が成立する。
【００３９】
【数７】
【００４０】
上式（数７）の系に対して安定度εを考慮し、最適制御理論を用いてフィードバックゲインを求め、それを超平面とすると、下式（数８）となる。
【００４１】
【数８】
【００４２】
行列Ｐsは、リカッチ方程式（数９）の正定解である。
【００４３】
【数９】
【００４４】
リカッチ方程式（数９）におけるＱsは制御目的の重み行列で、非負定な対称行列である。ｑ1、ｑ2は偏差の積分Ｚに対する重みであり、制御系の周波数応答の速さの違いにより決定する。ｑ3、ｑ4は出力Ｙに対する重みであり、ゲインの大きさの違いにより決定する。また、リカッチ方程式（数９）におけるＲsは制御入力の重み行列で、正定対称行列である。εは安定余裕係数で、ε≧０となるように指定する。
【００４５】
なお、上記式（数８）、（数９）に替えて、以下に示す離散系の超平面構築式（数１０）及び代数リカッチ方程式（数１１）を用いてもよい。
【００４６】
【数１０】
【００４７】
【数１１】
【００４８】
超平面に拘束するための入力の設計には、最終スライディングモード法を用いる。ここでは、制御入力Ｕを、線形入力Ｕeqと新たな入力即ち非線形入力（非線形制御入力）Ｕnlとの和として、下式（数１２）で表す。
【００４９】
【数１２】
【００５０】
切換関数σを安定させたいので、σについてのリアプノフ関数を下式（数１３）のように選び、これを微分すると式（数１４）となる。
【００５１】
【数１３】
【００５２】
【数１４】
【００５３】
式（数１２）を式（数１４）に代入すると、下式（数１５）となる。
【００５４】
【数１５】
【００５５】
非線形入力Ｕnlを下式（数１６）とすると、リアプノフ関数の微分は式（数１７）となる。
【００５６】
【数１６】
【００５７】
【数１７】
【００５８】
従って、切換ゲインｋを正とすれば、リアプノフ関数の微分値を負とすることができ、スライディングモードが保証される。このときの制御入力Ｕは、下式（数１８）である。
【００５９】
【数１８】
【００６０】
ηはチャタリング低減のために導入した平滑化係数であって、η＞０である。
【００６１】
スライディングモード制御では、状態量を超平面に拘束するために非線形ゲインを大きくする必要がある。だが、非線形ゲインを大きくすると、制御入力にチャタリングが発生する。そこで、モデルの不確かさを、構造が既知でパラメータが未知な確定部分と、構造が未知だがその上界値が既知な不確定部分とに分ける。状態方程式（数１）に不確かさ（ｆ＋Δｆ）を加え、下式（数１９）で表す。
【００６２】
【数１９】
【００６３】
不確かさの確定部分ｆは、未知パラメータθを同定することで補償される。さすれば、切換ゲインは不確かさの不確定部分Δｆのみにかかることとなり、切換ゲインが不確実成分全体（ｆ＋Δｆ）にかかる場合と比べて制御入力のチャタリングを大幅に低減できる。
【００６４】
制御入力Ｕは、式（数１８）に適応項Ｕadを追加した下式（数２０）となる。
【００６５】
【数２０】
【００６６】
制御入力（数２０）におけるΓ1は、適応ゲイン行列である。関数ｈは、一般には状態量ｘ及び／または未知パラメータθの関数とするが、本実施形態ではｈをｘ及びθに無関係な単純式、定数とすることにより、ｘを速やかに収束させ、θの適応速度を高めるようにしている。特に、ｈ＝１とした場合、推定パラメータを下式（数２１）に則って同定することができる。
【００６７】
【数２１】
【００６８】
本実施形態では、ＥＧＲ率ｙ1及び吸気管内圧力ｙ2を制御出力変数とし、ＥＧＲバルブ４５の開度ｕ1、可変ターボのノズル４２の開度ｕ2及びスロットルバルブ３３の開度ｕ3を制御入力変数とした３入力２出力のフィードバック制御を行う。状態変数の個数（システムの次数）は、当初の系（数１）では出力変数の個数と同じく２、拡大系（数２）では４となる。制御出力及び状態量をこのように特定することで、排気ガスに直接触れる箇所に流量計等の計測器を設置する必要がなくなる。
【００６９】
尤も、本実施形態のような３入力２出力のシステムでは、ｄｅｔ（ＳＢe）＝０が成立し、行列（ＳＢe）は正則とはならない。そこで、逆行列（ＳＢe）-1を、一般化逆行列として算定する。一般化逆行列には、例えばムーア・ペンローズ型の逆行列（ＳＢe）†を用いる。
【００７０】
しかして、補正制御部５２は、必要に応じ、スライディングモードコントローラ５１が反復的に演算している制御入力Ｕに補正を施す。ＥＧＲバルブ４５に係る制御入力ｕ1、ノズルベーン４２に係る制御入力ｕ2、Ｄスロットルバルブに係る制御入力ｕ3はそれぞれ、下式（数２２）に示すように線形入力項と非線形入力項と適応項との和である。
【００７１】
【数２２】
【００７２】
補正制御部５２は、コントローラ５１が算出した、Ｄスロットルバルブ３３に係る制御入力ｕ3の適応項ｕ3adが閾値ｕ3adminを越える場合に、当該適応項を閾値ｕ3adminにクリップする。その替わりに、ＥＧＲバルブ４５に係る制御入力ｕ1の適応項ｕ1adに補正量Δｕ1を加味し、及び／または、ノズルベーン４２に係る制御入力ｕ2の適応項ｕ2adに補正量Δｕ2を加味する。
【００７３】
プラントの入出力特性を、図４に示す。但し、ノズルベーン４２の開度ｕ2及びＤスロットルバルブの開度ｕ3については、制御入力値ｕ2、ｕ3が大きい（グラフの右方）側がバルブの閉止、制御入力値ｕ2、ｕ3が小さい（グラフの左方）側がバルブの開放を意味している。
【００７４】
ＥＧＲ率の実測値がその目標値よりも高いと、スライディングモードコントローラ５１は新気量を増大させてＥＧＲ率を下げるためにＤスロットルバルブ３３を開く方向に操作する。バタフライバルブ型のＤスロットルバルブ３３は、その開度が大きく（制御入力値ｕ3が小さく）なればなるほど開口面積の変化が乏しくなる。故に、Ｄスロットルバルブ３３が極端に開いている範囲ではＥＧＲ率の感度が鈍化する。即ち、Ｄスロットルバルブを操作してもＥＧＲ率が殆ど変化しなくなる。
【００７５】
式（数２）、式（数３）及び式（数２１）より、スライディングモードコントローラ５１が算出する適応項ｕ3adは偏差Ｚ（切換関数σ）の時間積分（または、積算）に依存する。であるから、Ｄスロットルバルブ３３を開けてもＥＧＲ率の偏差Ｚが充分に縮小しないとなれば、適応項ｕ3adの絶対値が逓増してゆく。その結果、Ｄスロットルバルブ３３は開く（制御入力値ｕ3は減少する）一方となり、窮極的には開度飽和を引き起す。これに対し、補正制御部５２は、Ｄスロットルバルブ３３の開度が飽和するよりも前に、適応項ｕ3adの減少を阻止する。
【００７６】
ＥＣＵ５のＲＯＭまたはフラッシュメモリには予め、内燃機関２またはそれに付帯する装置の現在状況に関する指標値と、適応項ｕ3adの閾値たる下限値ｕ3adminとの関係を定めたマップが記憶されている。マップの概要を、図５に例示している。指標値は、例えばエンジン回転数及び燃料噴射量である。エンジン回転数や燃料噴射量が低い運転領域では、ＥＧＲガスの還流量が少なくなるのでＤスロットルバルブ３３を絞る必要がある。逆に、エンジン回転数や燃料噴射量が高い運転領域ではＥＧＲガスの還流量が多くなるのでＤスロットルバルブ３３をより大きく開けることが許される。よって、下限値ｕ3adminは、エンジン回転数が低いほど、また燃料噴射量が少ないほど大きな値とする。
【００７７】
補正制御部５２は、このマップデータを参照して、Ｄスロットルバルブ３３に係る制御入力ｕ3の適応項の下限値ｕ3adminを決定する。即ち、エンジン回転数及び燃料噴射量をキーとしてマップを検索し、下限値ｕ3adminを知得する。結果、Ｄスロットルバルブ４５の開度はｕ3’＝ｕ3＋（ｕ3admin−ｕ3ad）に操作される。
【００７８】
さらに、補正制御部５２は、ｕ3ad＜ｕ3adminが成立し、Ｄスロットルバルブ３３に与える制御入力ｕ3の適応項を下限値ｕ3adminとする間、ＥＧＲバルブ４５に与える制御入力ｕ1の適応項ｕ1ad、ノズルベーン４２に与える制御入力ｕ3の適応項ｕ2adに補正を加える。
【００７９】
ＥＣＵ５のＲＯＭまたはフラッシュメモリには予め、プラントの入出力特性を示すマップが記憶されている。マップの概要を、図４に例示している。マップは、ＥＧＲバルブ４５の開度とＥＧＲ率との関係を表したマップ、ノズルベーン４２の開度とＥＧＲ率との関係を表したマップ、スロットルバルブ３３の開度とＥＧＲ率との関係を表したマップ、ＥＧＲバルブ４５の開度と吸気管内圧力との関係を表したマップ、ノズルベーン４２の開度と吸気管内圧力との関係を表したマップ、スロットルバルブ３３の開度と吸気管内圧力との関係を表したマップ、都合６枚が存在する。
【００８０】
補正制御部５２は、これらマップデータを基に、制御入力ｕ1に加味する補正量Δｕ1、制御入力ｕ3に加味する補正量Δｕ3を決定する。まず、図６に示すように、Ｄスロットルバルブ３３の開度とＥＧＲ率との関係を表したマップを参照して、スライディングモードコントローラ５１の算出した制御入力ｕ3に対応するＥＧＲ率と、適応項を下限値ｕ3adminにクリップした制御入力ｕ3’に対応するＥＧＲ率との差分Δｅｅｇｒを知得する。同様に、図７に示すように、Ｄスロットルバルブ３３の開度と吸気管内圧力との関係を表したマップを参照して、適応項をスライディングモードコントローラ５１の算出値ｕ3adとした制御入力ｕ3に対応する吸気管内圧力と、適応項を下限値ｕ3adminにクリップした制御入力ｕ3に対応する吸気管内圧力との差分Δｅｐｉｍを知得する。差分Δｅｅｇｒ及びΔｅｐｉｍは、Ｄスロットルバルブ３３に与える制御入力が（ｕ3admin−ｕ3ad）だけ大きくなることに起因して発生する偏差と考えることができる。
【００８１】
そして、上記の差分Δｅｅｇｒ、Δｅｐｉｍを、ＥＧＲバルブ４５及び／またはノズルベーン４２に振り分ける。例えば、ΔｅｅｇｒをＥＧＲバルブ４５に振り分けるには、図８に示すように、ＥＧＲバルブ４５の開度とＥＧＲ率との関係を表したマップを参照して、スライディングモードコントローラ５１の算出した制御入力ｕ1に対応するＥＧＲ率を知得した上、これにΔｅｅｇｒを加算したＥＧＲ率を実現するのに必要な制御入力ｕ1’を知得する。両者の差分Δｕ1が、制御入力ｕ1の適応項ｕ1adに加味するべき補正量となる。いわば、入出力特性のマップを介して偏差を補正量に変換したことになる。結果、ＥＧＲバルブ４５の開度はｕ1’＝ｕ1＋Δｕ1に操作される。
【００８２】
また、Δｅｐｉｍをノズルベーン４２に振り分けるには、図９に示すように、ノズルベーン４２の開度と吸気管内圧力との関係を表したマップを参照して、スライディングモードコントローラ５１の算出した制御入力ｕ2に対応する吸気管内圧力を知得した上、これにΔｅｐｉｍを加算した吸気管内圧力を実現するのに必要な制御入力ｕ2’を知得する。両者の差分Δｕ2が、制御入力ｕ2の適応項ｕ2adに加味するべき補正量となる。結果、ノズルベーン４２の開度はｕ2’＝ｕ2＋Δｕ2に操作される。
【００８３】
無論、ΔｅｐｉｍをＥＧＲバルブ４５に振り分け、Δｅｅｇｒをノズルベーン４２に振り分けるようにしてもよい。このときには、ＥＧＲバルブ４５の開度と吸気管内圧力との関係を表したマップを参照して補正量Δｕ1を決定し、ノズルベーン４２とＥＧＲ率との関係を表したマップを参照して補正量Δｕ2を決定する。
【００８４】
あるいは、ＥＧＲ率の制御に注力し、吸気管内圧力の制御を度外視してもよければ、Δｅｅｇｒを二分してＥＧＲバルブ４５、ノズルベーン４２の各々に振り分けるということも可能であるし、ＥＧＲバルブ４５またはノズルベーン４２の何れか一方にのみ振り分ける（即ち、他方の制御入力には補正量を加味しない）ということも可能である。
【００８５】
本実施形態によれば、内燃機関２またはそれに付帯する装置を複数の操作部４５、４２、３３を操作して制御するものであって、線形入力項Ｕeq、非線形入力項Ｕnl及びそれら以外の項である適応項Ｕadの和である、各操作部４５、４２、３３に与えるべき制御入力Ｕを反復的に演算するスライディングモードコントローラ５１と、前記スライディングモードコントローラ５１が算出する制御入力Ｕのうち特定の操作部３３に係る制御入力ｕ3の適応項ｕ3adが閾値ｕ3adminを越える場合に、特定の操作部３３に係る制御入力ｕ3の適応項ｕ3adを当該閾値ｕ3adminに設定するとともに、制御出力とその目標値との偏差Δｅｅｇｒ、Δｅｐｉｍの縮小に必要な補正量Δｕ1、Δｕ2を、前記スライディングモードコントローラ５１が算出する他の操作部４５、４２に係る制御入力値ｕ1、ｕ2の適応項ｕ1ad、ｕ2adに加味する補正制御部５２とを具備する制御装置を構成したため、特定の操作部３３に係る制御入力ｕ3が飽和したまま制御出力の偏差が残存し続ける不具合を回避することができる。制御出力の偏差が収束した後は、適応項Ｕadも０に向かって減少することから、特定の操作部３３に係る制御入力ｕ3の適応項ｕ3adも閾値ｕ3adminを越えない状態に落ち着く。
【００８６】
内燃機関２またはそれに付帯する装置の現在状況に関する指標値と、前記閾値ｕ3adminとの関係を定めたマップを予め記憶しており、前記指標値をキーとして前記マップを検索することで前記閾値ｕ3adminを知得するものとすれば、現在状況に応じて適応項ｕ3adの閾値ｕ3adminを変更することが可能となる。これにより、エンジン回転数や燃料噴射量が低い運転領域ではＤスロットルバルブ３３の開度を絞って飽和を予防しつつ、エンジン回転数や燃料噴射量が高い運転領域ではＤスロットルバルブ３３をより大きく開けて燃費の向上や燃焼の安定を図ることができる。
【００８７】
なお、本発明は以上に詳述した実施形態に限られるものではない。上記実施形態では、Ｄスロットルバルブの開度飽和を避ける趣旨であったが、ＥＧＲバルブまたはノズルベーンの開度飽和を避けるために本発明を用いることも可能である。
【００８８】
また、閾値は、適応項の下限値であるとは限られず、上限値であることもあり得る。
【００８９】
ＥＧＲ制御における制御入力変数は、ＥＧＲバルブ開度、可変ノズルターボ開度及びスロットルバルブ開度には限定されない。制御出力変数も、ＥＧＲ率（または、ＥＧＲ量）及び吸気管内圧力には限定されない。新たな入力変数、出力変数を付加して、４入力３出力の３次システムを構築するようなことも可能である。例えば、吸気系に過給機（のコンプレッサ）をバイパスする通路が存在している場合、その通路上に設けられたバルブをも操作することがある。このとき、当該バイパス通路内の圧力または流量等を制御出力変数に含め、当該バイパス通路上のバルブの開度を制御入力変数に含めることができる。
【００９０】
その他各部の具体的構成は、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形が可能である。
【産業上の利用可能性】
【００９１】
本発明は、例えば、内燃機関に付帯するＥＧＲ装置のＥＧＲ率を制御するための制御コントローラとして利用することができる。
【符号の説明】
【００９２】
５…ＥＣＵ（制御装置）
５１…適応スライディングモードコントローラ（サーボコントローラ）
５２…補正制御部
【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関またはそれに付帯する装置を複数の操作部を操作して制御するものであって、
線形入力項、非線形入力項及びそれら以外の項である適応項の和である、各操作部に与えるべき制御入力を反復的に演算するスライディングモードコントローラと、
前記スライディングモードコントローラが算出する制御入力のうち特定の操作部に係る制御入力の適応項が閾値を越える場合に、特定の操作部に係る制御入力の適応項を当該閾値に設定するとともに、制御出力とその目標値との偏差の縮小に必要な補正量を、前記スライディングモードコントローラが算出する他の操作部に係る制御入力値の適応項に加味する補正制御部と
を具備することを特徴とする制御装置。
【請求項２】
内燃機関またはそれに付帯する装置の現在状況に関する指標値と、前記閾値との関係を定めたマップを予め記憶しており、
前記指標値をキーとして前記マップを検索することで前記閾値を知得する請求項１記載の制御装置。
【請求項３】
前記特定の操作部がディーゼルエンジンに実装されたＤスロットルバルブである請求項１または２記載の制御装置。
【請求項１】
内燃機関またはそれに付帯する装置を複数の操作部を操作して制御するものであって、
線形入力項、非線形入力項及びそれら以外の項である適応項の和である、各操作部に与えるべき制御入力を反復的に演算するスライディングモードコントローラと、
前記スライディングモードコントローラが算出する制御入力のうち特定の操作部に係る制御入力の適応項が閾値を越える場合に、特定の操作部に係る制御入力の適応項を当該閾値に設定するとともに、制御出力とその目標値との偏差の縮小に必要な補正量を、前記スライディングモードコントローラが算出する他の操作部に係る制御入力値の適応項に加味する補正制御部と
を具備することを特徴とする制御装置。
【請求項２】
内燃機関またはそれに付帯する装置の現在状況に関する指標値と、前記閾値との関係を定めたマップを予め記憶しており、
前記指標値をキーとして前記マップを検索することで前記閾値を知得する請求項１記載の制御装置。
【請求項３】
前記特定の操作部がディーゼルエンジンに実装されたＤスロットルバルブである請求項１または２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２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【公開番号】特開２０１０−２２９９７４（Ｐ２０１０−２２９９７４Ａ）
【公開日】平成２２年１０月１４日（２０１０．１０．１４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−８１１１６（Ｐ２００９−８１１１６）
【出願日】平成２１年３月３０日（２００９．３．３０）
【出願人】（０００００２９６７）ダイハツ工業株式会社 (2,560)
【出願人】（０００００３２０７）トヨタ自動車株式会社 (59,920)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年１０月１４日（２０１０．１０．１４）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年３月３０日（２００９．３．３０）
【出願人】（０００００２９６７）ダイハツ工業株式会社 (2,560)
【出願人】（０００００３２０７）トヨタ自動車株式会社 (59,920)
【Ｆターム（参考）】
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