JP2011043150A - 制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】内燃機関に付帯する排気ガス再循環（Ｅｘｈａｕｓｔ Ｇａｓ Ｒｅｃｉｒｃｕｌａｔｉｏｎ）システムをスライディングモード制御するものにおいて、ＥＧＲカットの開始とともに排気管内圧力が過剰となる問題を有効に回避する。
【解決手段】状態変数を参照して線形入力及び非線形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５１と、ＥＧＲガスの還流を停止するＥＧＲカットの実行開始時に、スライディングモードコントローラ５１が算出する可変ターボのノズルベーン４２に与えるべき非線形入力にノズルベーン４２を開く側に操作するためのオフセット量を加算した新たな非線形入力を得、その新たな非線形入力がスライディングモードコントローラ５１で算出されるような状態変数を逆算して状態変数を書き換える補正制御部５２とを具備する制御装置５を構成した。
【選択図】図２

Description

本発明は、排気ターボ過給機及び排気ガス再循環（Ｅｘｈａｕｓｔ Ｇａｓ Ｒｅｃｉｒｃｕｌａｔｉｏｎ）装置が付帯した内燃機関を制御する制御装置に関する。

下記特許文献１に開示されているＥＧＲ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。ＥＧＲ率と過給圧との間には相互干渉が存在し、一入力一出力のコントローラでＥＧＲ率及び吸気管内圧力（または、吸気量）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多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。

ところで、ＥＧＲは常に実施している訳ではない。暖機運転時や大気圧の低い高地での走行時、あるいは高い出力トルクが要求される状況下等においては、敢えてＥＧＲバルブを閉止して過給圧及び新気量の増大を図るＥＧＲカットを行う。

ＥＧＲバルブを閉止すると、それまでＥＧＲ通路に流入していた排気ガスがＥＧＲ通路に流入できなくなるので、排気管内圧力が増す。とりわけ、高回転かつ高負荷運転中に出力トルク増強の目的でＥＧＲカットを行う場合には、ＥＧＲカットに伴って排気管内圧力が急激に増大し、過剰圧力となってステムオイルシールが抜出する等の故障が起こる可能性が完全には否定できない。

排気管内圧力の過大化を予防するべく、ＥＧＲカットの開始と同時に可変ターボのノズルベーンを一旦強制的に開弁し、しかる後徐々にノズルベーンを絞ってゆく補償操作を行うことも考えられる。その際には、ノズルベーンに与える（スライディングモードコントローラが算出した）制御入力に、ノコギリ波形状の補正量を加える。しかしながら、このような補正量の足し込みが、却って制御入出力のハンチングの引き金となるおそれもある。

即ち、ノズルベーンを強制的に開くと、吸気管内圧力の目標収束性が悪化する。すると、スライディングモードコントローラが、発生した偏差を早期に収束させるためにノズルベーンを閉じようとする。結果、スライディングモードコントローラ自身が算出するノズルベーン開度値の変動と、ノコギリ波状の補正量の逓減とが相まって、ノズルベーンが急速に絞られる。そうなれば、吸気管内圧力が急上昇してオーバーシュートし、その反動でアンダーシュートして、以後振動を繰り返すハンチング状態に陥ってしまう。

特開２００７−０３２４６２号公報

本発明は、ＥＧＲシステムをスライディングモード制御するものにおいて、ＥＧＲカットの開始とともに排気管内圧力が過剰となる問題を有効に回避することを所期の目的としている。

本発明では、排気ターボ過給機及びＥＧＲ装置が付帯した内燃機関をスライディングモード制御するものであって、状態変数を参照して線形入力及び非線形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、ＥＧＲガスの還流を停止するＥＧＲカットの実行開始時に、前記スライディングモードコントローラが算出する可変ターボのノズルベーンに与えるべき非線形入力にノズルベーンを開く側に操作するためのオフセット量を加算した新たな非線形入力を得、その新たな非線形入力がスライディングモードコントローラで算出されるような状態変数を逆算して状態変数を書き換え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。

つまり、本発明では、ＥＧＲカットを開始する直前におけるノズルベーン開度に係る非線形入力ｕ_nl2に、排気管内圧力の著しい上昇を回避するために必要なオフセット量ｏｆｓを加味した非線形入力（ｕ_nl2＋ｏｆｓ）がスライディングモードコントローラによって算出されるよう、状態変数の書き換えを行うこととしたのである。

オフセット量ｏｆｓの加味により、ＥＧＲカットの実行開始時にノズルベーンの開度は一旦開かれる。そして、一旦開かれたノズルベーンの開度は、その後の非線形入力項ｕ_nl2の変動を通じて徐々に絞られる。本発明によれば、ＥＧＲカットの開始とともに排気管内圧力が過剰となる問題を有効に回避できる上、制御入力にノコギリ波形状の補正量を足し込む方法と比べてハンチングを引き起こしにくい。

前記補正制御部は、ＥＧＲカットの実行中、ＥＧＲバルブ及びＤスロットルバルブのそれぞれの開度を前記スライディングモードコントローラが演算した制御入力によらない値に操作するものとする。通常は、ＥＧＲバルブを全閉するとともに、Ｄスロットルバルブを全開または大きく開放した開度値に固定する。また、これにより、前記状態変数の逆算において、ＥＧＲバルブ及びＤスロットルバルブの各々に与える制御入力を度外視することが可能となるので、状態変数の逆算が容易となり、ＥＣＵ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｕｎｉｔ）の演算負荷の軽減にも寄与し得る。

本発明によれば、ＥＧＲシステムをスライディングモード制御するものにおいて、ＥＧＲカットの開始とともに排気管内圧力が過剰となる問題を有効に回避することができる。

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。 同実施形態の制御装置の構成説明図。 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。 同実施形態の制御装置が実行する処理の手順を示すフローチャート。

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ＥＣＵ５とを具備してなる。

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、及び新気量を調節するＤスロットルバルブ３３を設ける。また、新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。

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。タービン４１の下流には、ＤＰＦ（Ｄｉｅｓｅｌ Ｐａｒｔｉｃｕｌａｔｅ Ｆｉｌｔｅｒ）（図示せず）を設置する。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、通過する排気ガス（ＥＧＲガス）量を調節する外部ＥＧＲバルブ４５とを設ける。

本実施形態では、ＥＧＲ率（または、ＥＧＲ量）と、吸気管内圧力（または、吸気量）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。

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。

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、大気圧、ＤＰＦの前後差圧（ＤＰＦの上流側排気圧と下流側排気圧との差）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。

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ｇ_cylとおき、流量計１１で計測される新気量をｇ_aとおくと、推定ＥＧＲ率ｅ_egrについて、ｅ_egr＝１−ｇ_a／ｇ_cyl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、これと新気量とを上記式に代入してＥＧＲ率を算出する。

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。

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、要求されるエンジン負荷）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、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。

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。

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。

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。

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。

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。

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Ｘ_e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。

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。

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。

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。

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。

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。

行列Ｐ_sは、リカッチ方程式（数９）の正定解である。

リカッチ方程式（数９）におけるＱ_s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Ｒ_s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。

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。

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Ｕ_eqと新たな入力即ち非線形入力（非線形制御入力）Ｕ_nlとの和として、下式（数１２）で表す。

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。

式（数１２）を式（数１４）に代入すると、下式（数１５）となる。

非線形入力Ｕ_nl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。

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の安定性が保証される。このときの制御入力Ｕは、下式（数１８）である。

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。

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。

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。

制御入力Ｕは、式（数１８）に適応項Ｕ_adを追加した下式（数２０）となる。

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。

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。

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（ＳＢ_e）＝０が成立し、行列（ＳＢ_e）は正則とはならない。そこで、逆行列（ＳＢ_e）^-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（ＳＢ_e）^†を用いる。

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となる。

スライディングモードコントローラ５１が参照する状態量ベクトルＸ_e＝［ｘ_e1 ｘ_e2 ｘ_e3 ｘ_e4］^Tは、その成分に、制御出力Ｙとその目標値Ｒとの偏差の時間積分ｘ_e1、ｘ_e2と、それ以外のものｘ_e3、ｘ_e4とを含んでいる。ｘ_e1及びｘ_e3は第一の制御出力たるＥＧＲ率ｙ₁に係り、ｘ_e2及びｘ_e4は第二の制御出力たる吸気管内圧力ｙ₂に係り、これら状態変数ｘ_e1及びｘ_e3、ｘ_e2及びｘ_e4は各制御出力ｙ₁、ｙ₂毎に個別のものとなっている。また、ｘ_e3、ｘ_e4は出力方程式（数１）を介して各制御出力ｙ₁、ｙ₂とそれぞれ結びついている。

しかして、補正制御部５２は、ＥＧＲ通路４３を閉鎖してＥＧＲガスの還流を停止する必要が生じた場合に、ＥＧＲカットのための各種処理を実行する。

ＥＧＲカット条件は、内燃機関２や自動車の種類等に応じて異なるが、具体例を列挙すると、
（Ｉ）高回転で高負荷の運転領域にあるとき。つまり、エンジン回転数が閾値以上かつ燃料噴射量が閾値以上であるとき
（II）標高の高い場所に所在し、ある程度以上の負荷運転領域にあるとき。換言すれば、外部の気圧が、エンジン回転数及び燃料噴射量を基に定まる閾値（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燃料噴射量に応じて設定するべき外気圧の閾値を示すマップデータが記憶されている）以下であるとき
（III）標高の低い場所に所在し、暖気運転を必要としているとき。つまり、外部の気圧が所定閾値以上かつ冷却水温が所定閾値（典型的には、４０℃）以下であるとき
等に、ＥＧＲカットを行う。

補正制御部５２は、ＥＧＲカット中、スライディングモードコントローラ５１に与える目標値Ｒを切り換える。即ち、補正制御部５２は、ＥＧＲカット用のＥＧＲ率目標値ｅｇｒｔａｒｇを、目標値ｒ₁としてスライディングモードコントローラ５１に与える。このｅｇｒｔａｒｇは、通常０である。他方、吸気管内圧力の目標値ｒ₂については、ＥＧＲカットの有無にかかわらず、エンジン回転数や燃料噴射量等に基づいて定まる本来の目標値をスライディングモードコントローラ５１に与え、制御出力ｙ₂を目標値ｒ₂に追従させる制御を継続させる。

さらに、補正制御部５２は、同じｅｇｒｔａｒｇを、ＥＧＲ率ｙ₁及びｘ_e3（本実施形態では、状態量Ｘ＝出力Ｙとしていることに留意）としてスライディングモードコントローラ５１に与える。つまり、計測器１１、１２を介して検出したＥＧＲ率の実測値を無視する。これにより、ＥＧＲカット中のＥＧＲ率の偏差が０と見なされる。

また、補正制御部５２は、ＥＧＲカット中、ＥＧＲバルブ４５及びＤスロットルバルブ３３のそれぞれの開度を、スライディングモードコントローラ５１が演算した制御入力ｕ₁、ｕ₃によらない値に強制操作する。通常は、ＥＧＲバルブ４５を全閉するとともに、Ｄスロットルバルブ３３を全開または大きく開放した開度値に固定する。

以上に加え、補正制御部５２は、ＥＧＲカットの実行を開始するにあたり、可変ターボのノズルベーン４２を開かせて排気管内圧力の過大化防止を図る。

詳述すると、補正制御部５２は、ＥＧＲカットの実行開始時、スライディングモードコントローラ５２が演算するノズルベーン４２に係る非線形入力項ｕ_nl2に、ノズルベーン４２を開く側に操作するためのオフセット量ｏｆｓを加算した新たな非線形入力項ｕ_nl2’を得、この新たな非線形入力項ｕ_nl2’がスライディングモードコントローラ５１によって算出されるように状態変数Ｘ_eを逆算して、状態変数Ｘ_eを書き換える。ここで、ｕ_nl2は直前回の演算サイクルにおいてスライディングモードコントローラ５１が算出した非線形入力項であり、ｕ_nl2’は次回の演算サイクルにおいてスライディングモードコントローラ５１に算出させたい非線形入力項である。

ＥＧＲカットの実行開始直後に実現したい非線形入力Ｕ_nl’は、下式（数２３）である。

上式（数２３）において、ｐＳＢ_eij（ｉ＝１，２，３、ｊ＝１，２，３）は、逆行列（ＳＢ_e）^†の成分である。また、ｊσ_i（ｉ＝１，２，３）は、（−（ＳＢ_e）^†）に乗ずる因数ベクトルＪΣ（数２４）の成分である。

ＥＧＲカット中は、ＥＧＲバルブ４５及びＤスロットルバルブ３３をスライディングモードコントローラ５１の演算結果を無視して操作する。これらバルブ４５、３３に係る非線形入力項ｕ_nl1’、ｕ_nl3’は任意でよく、ノズルベーン４２に係る非線形入力項ｕ_nl2のみに着目すると、下式（数２５）が成立する。

上式（数２５）により、因数ベクトルＪΣの三成分ｊσ₁、ｊσ₂、ｊσ₃を一括して決定することができ、ＥＣＵ５の演算負荷の軽減に資する。

尤も、行列［ｐＳＢ_e21 ｐＳＢ_e22 ｐＳＢ_e23］は正方行列ではない。そこで、逆行列［ｐＳＢ_e21 ｐＳＢ_e22 ｐＳＢ_e23］^-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［ｐＳＢ_e21 ｐＳＢ_e22 ｐＳＢ_e23］^†を用いる。

非線形入力項ｕ_nl2’を実現する状態変数Ｘ_eを逆算するには、式（数２５）を満足する切換関数σを算定しなければならない。ＥＧＲカット実行開始直後の因数、切換関数、切換ゲイン及び平滑化係数をそれぞれＪΣ_n、σ_n、ｋ_n及びη_nとおくと、式（数２４）より下式（数２６）が成立する。

切換関数ベクトルσ_n＝［σ_n1 σ_n2 σ_n3］^Tとすると、因数ベクトルＪΣ_nの各成分ｊσ_i（ｉ＝１，２，３）について、ｊσ_i＞０であれば式（数２７）が、ｊσ_i≦０であれば式（数２８）が成立する。

式（数２７）を変形すれば式（数２９）となり、式（数２８）を変形すれば式（数３０）となる。

式（数２９）ないし（数３０）により、非線形入力項ｕ_nl2’を実現する切換関数σ_nが明らかとなる。この切換関数σ_nから、状態量Ｘ_eを逆算することを試みる。

式（数３）より、切換関数σ_nと状態量ｘ_eとの間には下式（数３１）の関係が成立する。

Ｓ_j（ｊ＝１，２，３，４）は，切換超平面を構成する行列Ｓの成分のうち，状態変数ｘ_ejに乗ずる列ベクトルである。

上式（数３１）から、切換関数σ_nを実現する状態変数ｘ_e1、ｘ_e2、ｘ_e3、ｘ_e4を逆算することができる。但し、本実施形態では、ｘ_e3はＥＧＲ率そのものであり、ｘ_e4は吸気管内圧力そのものである。また、状態変数ｘ_e1及びｘ_e2は、非線形入力Ｕ_nlに影響を及ぼすが、線形入力Ｕ_eqには影響を及ぼさない（行列Ａ_eの定義に留意）。それ故、状態変数ｘ_e3及びｘ_e4を書き換えることはせず、状態変数ｘ_e1及びｘ_e2を書き換えることによって式（数２９）ないし（数３０）に示している切換関数σ_nを実現する。そのために必要となるｘ_e1及びｘ_e2は、下式（数３２）となる。

行列［Ｓ₁ Ｓ₂］は正方行列ではない。そこで、逆行列［Ｓ₁ Ｓ₂］^-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［Ｓ₁ Ｓ₂］^†を用いる。

図４に、ＥＣＵ５が実行する処理の手順例を示す。ＥＣＵ５は、エンジン回転数及び要求燃料噴射量、冷却水温、大気圧等を参照して、ＥＧＲカット条件が成立したか否かを判断する（ステップＳ１）。ＥＧＲカット条件が成立していれば、さらに、ノズルベーン４２に係る非線形入力項ｕ_nl2にオフセット量ｏｆｓを加味する必要があるか否かを判断する（ステップＳ２）。つまり、ＥＧＲカットの実行開始によって排気管内圧力が過剰となるおそれがあるのであれば、オフセット量ｏｆｓの加算を通じたノズルベーン４２の開弁を行うべきであるが、さもなくばオフセット量ｏｆｓの加算は不要である。上述したＥＧＲカット条件を例に挙げて述べれば、条件（Ｉ）の成立時にはノズルベーン４２の開弁が必要であるが、条件（II）または（III）の成立時には必ずしもそうではない。

ステップＳ２にて、非線形入力項ｕ_nl2にオフセット量ｏｆｓを加味する必要があると判断したならば、スライディングモードコントローラ５１が非線形入力項ｕ_nl2’（＝ｕ_nl2＋ｏｆｓ）を算出するために要求される状態変数ｘ_e1、ｘ_e2を逆算する（ステップＳ３）。そして、ＥＣＵ５のメモリに記憶保持しているｘ_e1、ｘ_e2の書き換えを行う（ステップＳ４）。

その上で、スライディングモード制御の手法に則り、制御入力Ｕを算出する（ステップＳ５）。しかる後、算出した制御入力Ｕに基づいて操作部４５、４２、３３を操作する（ステップＳ６）。但し、ＥＧＲカット中は、ステップＳ５にて所定の目標ＥＧＲ率ｅｇｒｔａｒｇをＥＧＲ率の目標値ｒ₁及び実測値ｙ₁、ｘ_e3としてスライディングモードコントローラ５１に与えるとともに、ステップＳ６にてスライディングモードコントローラ５１の演算した制御入力値ｕ₁、ｕ₃を無視してＥＧＲバルブ４５及びＤスロットルバルブ３３を強制操作する。

ステップＳ５及びＳ６を含むＥＧＲカットは、ＥＧＲカット条件が成立しなくなるまで、即ちＥＧＲカットを終了するまで続行する（ステップＳ７）。また、ＥＧＲカット条件が成立していない期間は、通常通り制御入力Ｕを算出し（ステップＳ８）、その制御入力Ｕをそのまま操作部４５、４２、３３に与えてこれらを操作する（ステップＳ９）。

ＥＣＵ５は、上記のステップＳ１ないしＳ９を、反復的に実施する。

本実施形態によれば、排気ターボ過給機及びＥＧＲ装置が付帯した内燃機関２をスライディングモード制御するものであって、状態変数Ｘ_eを参照して線形入力Ｕ_eq及び非線形入力Ｕ_nl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、ＥＧＲガスの還流を停止するＥＧＲカットの実行開始時に、前記スライディングモードコントローラ５１が算出する可変ターボのノズルベーン４２に与えるべき非線形入力ｕ_nl2にノズルベーン４２を開く側に操作するためのオフセット量ｏｆｓを加算した新たな非線形入力ｕ_nl2’を得、その新たな非線形入力ｕ_nl2’がスライディングモードコントローラ５１で算出されるような状態変数Ｘ_eを逆算して状態変数Ｘ_eを書き換える補正制御部５２とを具備する制御装置を構成したため、ＥＧＲカットの実行開始とともにノズルベーン４２が一旦開放された後、その開度を非線形入力項ｕ_nl2の変動を通じて徐々に絞ってゆく制御を実現できる。従って、ＥＧＲカットの開始とともに排気管内圧力が過剰となる問題を有効に回避できる上、制御入力にノコギリ波形状の補正量を足し込む方法と比べてハンチングを引き起こしにくくなる。

前記補正制御部５２は、ＥＧＲカットの実行中、ＥＧＲバルブ４５及びＤスロットルバルブ３３のそれぞれの開度を前記スライディングモードコントローラ５１が演算した制御入力ｕ₁、ｕ₃によらない値に操作する。通常は、ＥＧＲバルブを全閉するとともに、Ｄスロットルバルブを全開または大きく開放した開度値に固定する。これにより、前記状態変数Ｘ_eの逆算において、ＥＧＲバルブ４５及びＤスロットルバルブ３３の各々に与える制御入力ｕ_nl1’、ｕ_nl3’を度外視することができるので、状態変数Ｘ_eの逆算が容易となり、ＥＣＵ５の演算負荷の軽減にも寄与し得る。

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。特に、式（数２６）ないし式（数３０）において、ＥＧＲカット中の切換ゲインｋ_n及び／または平滑化係数η_nを、ＥＧＲカットをしていない期間における切換ゲインｋ及び／または平滑化係数ηとは異なる値に設定することが許される。

また、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（または、吸気量）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。

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。

本発明は、例えば、過給機及びＥＧＲ装置が付帯した内燃機関の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。

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
５２…補正制御部

Claims (2)

1. 排気ターボ過給機及び排気ガス再循環（Ｅｘｈａｕｓｔ Ｇａｓ Ｒｅｃｉｒｃｕｌａｔｉｏｎ）装置が付帯した内燃機関をスライディングモード制御するものであって、
   状態変数を参照して線形入力及び非線形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、
   ＥＧＲガスの還流を停止するＥＧＲカットの実行開始時に、前記スライディングモードコントローラが算出する可変ターボのノズルベーンに与えるべき非線形入力にノズルベーンを開く側に操作するためのオフセット量を加算した新たな非線形入力を得、その新たな非線形入力がスライディングモードコントローラで算出されるような状態変数を逆算して状態変数を書き換える補正制御部と
   を具備することを特徴とする制御装置。
2. 前記補正制御部は、ＥＧＲカットの実行中、ＥＧＲバルブ及びＤスロットルバルブのそれぞれの開度を前記スライディングモードコントローラが演算した制御入力によらない値に操作する請求項１記載の制御装置。

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