JP4397419B2 - プラントの制御装置 - Google Patents

Description

本発明はプラントの制御装置に関し、特にスライディングモード制御により、プラントの制御量を目標値にフィードバック制御するものに関する。

特許文献１には、スライディングモード制御によりフィードバック制御を行う制御装置が示されている。この制御装置によれば、例えば内燃機関のスロットル弁の開度が目標開度と一致するように、スライディングモード制御によりフィードバック制御が行われる。

特開２００３−１５７０３号公報

上記従来の制御装置では、制御対象の動特性変化に対応するために、モデルパラメータ同定器が用いられ、制御対象をモデル化した制御対象モデルのモデルパラメータがリアルタイムで同定される。

しかしながら、動特性変化が大きい場合、制御対象に加わる外乱が大きい場合、あるいは制御対象が非線形特性を有する場合には、モデル化誤差（実際の制御対象の特性と、制御対象モデルの特性との差）が一時的に大きくなり、制御安定性が損なわれる可能性がある。

また外乱の影響を、モデルパラメータ同定器により同定される１つのモデルパラメータ（ｃ１）により排除しようとする手法が採用されているため、制御対象の動特性変化に十分に対応できない可能性がある。

本発明は上述した点を考慮してなされたものであり、制御対象の動特性変化の大きい場合、外乱が大きい場合、あるいは制御対象が非線形特性を有する場合において十分なロバスト性及び安定性を有するスライディングモード制御を行うことができるプラントの制御装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため請求項１に記載の発明は、プラントの制御量（ＣＳＡ）を目標値（ＣＳＡＣＭＤ）に一致させるように、スライディングモード制御によりフィードバック操作量（ＵＳＬ）を算出するスライディングモード制御手段（１０１）を有するプラントの制御装置において、前記スライディングモード制御手段（１０１）の出力側に接続され、前記プラントをモデル化した制御対象モデルの伝達関数（Ｇ(s)）に応じて設定された伝達特性を有する伝達特性調整手段を備え、該伝達特性調整手段の出力（ＵＦＭ）が前記プラントへの制御入力とされ、前記伝達特性調整手段の伝達特性と前記制御対象モデルの伝達特性とを合成した伝達特性を表す合成伝達関数（ＦＸ(s)）が所望の目標伝達関数（Ｆ(s)）となるように、前記伝達特性調整手段の伝達特性が設定され、前記スライディングモード制御手段（１０１）は、前記合成伝達関数（ＦＸ(s)）を定義するモデルパラメータ（ａ，ｂ，ｃ）を用いて前記フィードバック操作量（ＵＳＬ）を算出し、前記伝達特性調整手段は、減算器及（１０２）び周波数整形制御器（１０３）からなり、前記減算器（１０２）は前記フィードバック操作量（ＵＳＬ）と前記プラントの制御量（ＣＳＡ）との差分（ＤＵＳＬ）を算出し、前記周波数整形制御器（１０３）は、前記差分（ＤＵＳＬ）に周波数整形伝達関数（Ｈ(s)）を適用することにより、前記プラントへの制御入力（ＵＦＭ）を算出し、前記目標伝達関数（Ｆ(s)）は、前記プラントにおける動特性変化及び外乱を示す要素を含まない伝達関数に設定されることを特徴とする。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載のプラントの制御装置において、前記伝達特性調整手段は、さらに外乱推定手段（１２０〜１２３）を備え、前記外乱推定手段（１２０〜１２３）は、前記プラントへの制御入力（ＵＦＭ）及び前記プラントの制御量（ＣＳＡ）に応じて、前記プラントに加わる外乱成分（ＤＨＡＴ）を推定し、前記伝達特性調整手段は、前記外乱推定手段（１２０〜１２３）により推定された外乱成分（ＤＨＡＴ）を前記周波数整形制御器（１０３ａ）の出力（ＵＦＳ）から減算することにより、前記プラントへの制御入力（ＵＦＭ）を算出することを特徴とする。

請求項３に記載の発明は、請求項２に記載のプラントの制御装置において、前記外乱推定手段は、推定した外乱成分（ＤＨＡＴ）についてバンドパスフィルタ処理を行うフィルタ手段（１２１，１２３，１２５；１２６）を有し、該フィルタ手段の出力（ＤＨＡＴＦ）を前記推定された外乱成分として出力することを特徴とする。

請求項１に記載の発明によれば、伝達特性調整手段の伝達特性と制御対象モデルの伝達特性とを合成した伝達特性を表す合成伝達関数が、所望の目標伝達関数となるように、伝達特性調整手段の伝達特性が設定され、合成伝達関数を定義するモデルパラメータを用いてフィードバック操作量が算出されるとともに、フィードバック操作量とプラントの制御量との差分が算出され、その差分に周波数整形伝達関数を適用することにより、プラントへの制御入力が算出される。そして、目標伝達関数は、プラントにおける動特性変化及び外乱を示す要素を含まない伝達関数に設定される。したがって、目標伝達関数で表される伝達特性を有する拡大した制御対象に対する制御をスライディングモード制御手段が行うことにより、プラントの動特性変化あるいは外乱が大きいといった誤差要因がある場合でも、良好なロバスト性及び安定性を有するスライディングモード制御を行うことができる。

請求項２に記載の発明によれば、プラントへの制御入力及びプラントの制御量に応じて、プラントに加わる外乱成分が外乱推定手段により推定され、推定された外乱成分を周波数整形制御器の出力から減算することにより、プラントへの制御入力が算出される。周波数整形制御器及び外乱推定手段を設けることにより、制御系の設計の自由度をより増加させることができるので、例えば、周波数整形出力の算出において制御の応答特性の調整を行い、外乱成分の減算により誤差要因がある場合におけるロバスト性及び安定性の確保を行うことができる。

請求項３に記載の発明によれば、推定した外乱成分についてバンドパスフィルタ処理が行われ、該バンドパスフィルタ処理後の推定外乱成分が制御入力の算出に適用される。バンドパスフィルタ処理により、ノイズ成分が除去され、例えばプラントの制御量が微少な振幅で変動するといった不具合を解消することができる。

以下本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。
［第１の実施形態］
図１は、本発明の第１の実施形態にかかる内燃機関とその制御装置の構成を示す図であり、図２は弁作動特性可変装置の構成を示す図である。図１において、例えば４気筒を有する内燃機関（以下単に「エンジン」という）１は、吸気弁及び排気弁と、これらを駆動するカムを備えるとともに、吸気弁の弁リフト量及び開角（開弁期間）を連続的に変更する第１弁作動特性可変機構４１と、吸気弁を駆動するカムの、クランク軸回転角度を基準とした作動位相を連続的に変更するカム位相可変機構としての第２弁作動特性可変機構４２とを有する弁作動特性可変装置４０を備えている。第２弁作動特性可変機構４２により吸気弁を駆動するカムの作動位相が変更され、吸気弁の作動位相が変更される。

エンジン１の吸気管２の途中にはスロットル弁３が配されている。また、スロットル弁３にはスロットル弁開度（ＴＨ）センサ４が連結されており、当該スロットル弁３の開度に応じた電気信号を出力して電子コントロールユニット（以下（ＥＣＵ）という）５に供給する。スロットル弁３には、スロットル弁３を駆動するアクチュエータ７が接続されており、アクチュエータ７は、ＥＣＵ５によりその作動が制御される。

燃料噴射弁６はエンジン１とスロットル弁３との間かつ吸気管２の図示しない吸気弁の少し上流側に各気筒毎に設けられており、各噴射弁は図示しない燃料ポンプに接続されていると共にＥＣＵ５に電気的に接続されて当該ＥＣＵ５からの信号により燃料噴射弁６の開弁時間が制御される。

スロットル弁３の下流には吸気圧ＰＢＡを検出する吸気圧センサ８及び吸気温ＴＡを検出する吸気温センサ９が取付けられている。またエンジン１の本体には、エンジン冷却水温ＴＷを検出するエンジン冷却水温センサ１０が取り付けられている。これらのセンサの検出信号は、ＥＣＵ５に供給される。

ＥＣＵ５には、エンジン１のクランク軸（図示せず）の回転角度を検出するクランク角度位置センサ１１及び、エンジン１の吸気弁を駆動するカムが固定されたカム軸の回転角度を検出するカム角度位置センサ１２が接続されており、クランク軸の回転角度及びカム軸の回転角度に応じた信号がＥＣＵ５に供給される。クランク角度位置センサ１１は、一定クランク角周期毎（例えば３０度周期）に１パルス（以下「ＣＲＫパルス」という）と、クランク軸の所定角度位置を特定するパルスを発生する。また、カム角度位置センサ１２は、エンジン１の特定の気筒の所定クランク角度位置でパルス（以下「ＣＹＬパルス」という）と、各気筒の吸入行程開始時の上死点（ＴＤＣ）でパルス（以下「ＴＤＣパルス」という）を発生する。これらのパルスは、燃料噴射時期、点火時期等の各種タイミング制御及びエンジン回転数（エンジン回転速度）ＮＥの検出に使用される。なお、カム角度位置センサ１２より出力されるＴＤＣパルスと、クランク角度位置センサ１１より出力されるＣＲＫパルスとの相対関係からカム軸の実際の作動位相ＣＡＩＮが検出される。

ＥＣＵ５には、エンジン１によって駆動される車両のアクセルペダルの踏み込み量（以下「アクセルペダル操作量」という）ＡＰを検出するアクセルセンサ３１、当該車両の走行速度（車速）ＶＰを検出する車速センサ３２、及び大気圧ＰＡを検出する大気圧センサ３３が接続されている。これらのセンサの検出信号は、ＥＣＵ５に供給される。

弁作動特性可変装置４０は、図２に示すように、吸気弁のリフト量及び開角（以下単に「リフト量」という）を連続的に変更する第１弁作動特性可変機構４１と、吸気弁の作動位相を連続的に変更する第２弁作動特性可変機構４２と、吸気弁のリフト量ＬＦＴを連続的に変更するためのモータ４３と、吸気弁の作動位相を連続的に変更するために、その開度が連続的に変更可能な電磁弁４４とを備えている。吸気弁の作動位相を示すパラメータとして、上記カム軸の作動位相ＣＡＩＮが用いられる。電磁弁４４には、オイルパン４６の潤滑油がオイルポンプ４５により、加圧されて供給される。なお、第２弁作動特性可変機構４２の具体的な構成は、例えば特開２０００−２２７０１３号公報に示されている。

第１弁作動特性可変機構４１は、図３（ａ）に示すように、カム５２が設けられたカム軸５１と、シリンダヘッドに軸５５ａを中心として揺動可能に支持されるコントロールアーム５５と、コントロールアーム５５を揺動させるコントロールカム５７が設けられたコントロール軸５６と、コントロールアーム５５に支軸５３ｂを介して揺動可能に支持されるとともに、カム５２に従動して揺動するサブカム５３と、サブカム５３に従動し、吸気弁６０を駆動するロッカアーム５４とを備えている。ロッカアーム５４は、コントロールアーム５５内に揺動可能に支持されている。

サブカム５３は、カム５２に当接するローラ５３ａを有し、カム軸５１の回転により、軸５３ｂを中心として揺動する。ロッカアーム５４は、サブカム５３に当接するローラ５４ａを有し、サブカム５３の動きが、ローラ５４ａを介して、ロッカアーム５４に伝達される。

コントロールアーム５５は、コントロールカム５７に当接するローラ５５ｂを有し、コントロール軸５６の回動により軸５５ａを中心として揺動する。図３（ａ）に示す状態では、サブカム５３の動きはロッカアーム５４にほとんど伝達されないため、吸気弁６０はほぼ全閉の状態を維持する。一方同図（ｂ）に示す状態では、サブカム５３の動きがロッカアーム５４を介して吸気弁６０に伝達され、吸気弁６０は最大リフト量ＬＦＴＭＡＸ（例えば１２ｍｍ）まで開弁する。

したがって、モータ４３によりコントロール軸５６を回動させることにより、吸気弁６０のリフト量ＬＦＴを連続的に変更することがきる。本実施形態では、第１弁作動特性可変機構４１に、コントロール軸５６の回転角度（以下「ＣＳ角度」という）ＣＳＡを検出するコントロール軸回転角度センサ１４が設けられており、検出されるＣＳ角度ＣＳＡがリフト量ＬＦＴを示すパラメータとして使用される。

なお、第１弁作動特性可変機構４１の詳細な構成は、例えば特開２００８−２５４１８号公報に示されている。
第１弁作動特性可変機構４１により、図４（ａ）に示すように吸気弁のリフト量ＬＦＴ（及び開角）が変更される。また第２弁作動特性可変機構４２により、吸気弁は、同図（ｂ）に実線Ｌ３及びＬ４で示す特性を中心として、カムの作動位相ＣＡＩＮの変化に伴って破線Ｌ１，Ｌ２で示す最進角位相から、一点鎖線Ｌ５，Ｌ６で示す最遅角位相までの間の位相で駆動される。

ＥＣＵ５は各種センサからの入力信号波形を整形し、電圧レベルを所定レベルに修正し、アナログ信号値をデジタル信号値に変換する等の機能を有する入力回路、中央演算処理ユニット（以下「ＣＰＵ」という）、ＣＰＵで実行される演算プログラム及び演算結果等を記憶する記憶回路のほか、アクチュエータ７、燃料噴射弁６、モータ４３、電磁弁４４に駆動信号を供給する出力回路等から構成される。

ＥＣＵ５のＣＰＵは、上記センサの検出信号に応じて、スロットル弁３の開度制御、エンジン１に供給する燃料量（燃料噴射弁６の開弁時間）の制御、並びにモータ４３及び電磁弁４４による弁作動特性（吸入空気流量）の制御を行う。

吸気弁のリフト量制御（ＣＳ角度制御）においては、エンジン運転状態に応じて吸気弁のリフト量指令値ＬＦＴＣＭＤが算出され、リフト量指令値ＬＦＴＣＭＤに応じてＣＳ角度指令値ＣＳＡＣＭＤが算出され、検出されるＣＳ角度ＣＳＡがＣＳ角度指令値ＣＳＡＣＭＤと一致するように、モータ４３の駆動電流ＩＭＤのフィードバック制御が行われる。

図５は本実施形態における制御系の全体構成を示すブロック図である。図５に示す制御系は、スライディングモード制御器１０１と、減算器１０２と、周波数整形制御器１０３と、制御対象１００とによって構成される。制御対象１００は、周波数制御器１０３から出力される操作量をモータ駆動電流ＩＭＤに変換する変換部と、モータ４３と、第１弁作動特性可変機構４１とから構成される。

スライディングモード制御器１０１は、実際のＣＳ角度ＣＳＡがＣＳ角度指令値ＣＳＡＣＭＤと一致するように、スライディングモード制御によりフィードバック操作量ＵＳＬを算出する。なお、フィードバック操作量ＵＳＬは本実施形態では、ＣＳ角度ＣＳＡと同一次元となるように算出される。

減算器１０２は、フィードバック操作量ＵＳＬからＣＳ角度ＣＳＡを減算することにより、操作量偏差ＤＵＳＬを算出する。周波数整形制御器１０３は、操作量偏差ＤＵＳＬに周波数整形伝達関数を適用し、最終操作量ＵＦＭを算出する。なお、周波数整形制御器１０３の出力は、周波数整形操作量ＵＦＳともいう。モータ駆動電流ＩＭＤは、最終操作量ＵＦＭに比例するように設定される。

本実施形態では、減算器１０２、周波数整形制御器１０３、及び制御対象１００からなるブロックを拡大制御対象１１０とし、拡大制御対象１１０の伝達関数ＦＸ(s)が所望の目標伝達関数Ｆ(s)となるように、周波数整形制御器１０３の伝達関数である周波数整形伝達関数Ｈ(s)を設定する。

拡大制御対象１１０の伝達関数ＦＸ(s)は、制御対象１００の伝達関数をＧ(s)とすると、下記式（１）で与えられる。

ここで伝達関数ＦＸ(s)を目標伝達関数Ｆ(s)とする周波数整形伝達関数Ｈ(s)は、式（１）のＦＸ(s)をＦ(s)としてＨ(s)について解くことにより、得られる（下記式（２））。

次に目標伝達関数Ｆ(s)をどのように設定するかを説明する。第１弁作動特性可変機構４１の伝達関数である（より正確には第１弁作動特性可変機構４１をモデル化した制御対象モデルの伝達関数である）対象伝達関数Ｇ(s)は、下記式（３）で表すことができる。ここで、Ｊ，Ｂ，及びＫは、モータ４３及び第１弁作動特性可変機構４１の特性、例えばモータトルク定数、ギヤ減速比、モータ４３の慣性モーメント、コントロール軸５６の慣性モーメントなどによって決定される定数である。

そこで、制御対象の動特性変化や外乱が大きいといった誤差要因がある場合においても同様の伝達関数で表される拡大制御対象１１０を得るため、目標伝達関数Ｆ(s)を下記式（４）で与えると、周波数整形伝達関数Ｈ(s)は下記式（５）で与えられる。

この連続時間系の伝達関数Ｈ(s)は、周知の手法により下記式（６）で表される離散時間系の伝達関数Ｈ(z)に変換することができる。式（６）のａ１，ａ２，ｂ０，ｂ１，ｂ２は、式（５）に含まれる定数Ｊ，Ｂ，Ｋ，ａ，ｂ，ｃ及び制御周期Ｔを用いて周知の手法（連続時間系モデルを離散時間モデルに変換する手法）により算出される定数である。

式（６）で示される周波数整形伝達関数から、最終操作量ＵＦＭ(k)を算出する下記式（７）が得られる。
ＵＦＭ(k)＝ａ１・ＵＦＭ(k-1)＋ａ２・ＵＦＭ(k-2)
＋ｂ０・ＤＵＳＬ(k)＋ｂ１・ＤＵＳＬ(k-1)＋ｂ２・ＤＵＳＬ(k-2)
（７）

次にスライディングモード制御器１０１におけるフィードバック操作量ＵＳＬの算出手法を説明する。フィードバック操作量ＵＳＬは、下記式（２１）で示されるように、等価制御入力ＵＥＱと到達則制御入力ＵＲＣＨの和として算出される。
ＵＳＬ(k)＝ＵＥＱ(k)＋ＵＲＣＨ(k) （２１）

また拡大制御対象１１０の伝達関数はＦ(s)であり、これを離散時間系の伝達関数に変換し、制御出力であるＣＳ角度ＣＳＡ(k)を、制御入力であるフィードバック操作量ＵＳＬ及びＣＳ角度ＣＳＡの過去値で表すと、制御対象モデルを定義する下記式（２２）が得られる。
ＣＳＡ(k)＝ａ11・ＣＳＡ(k-1)＋ａ12・ＣＳＡ(k-2)
＋ｂ11・ＵＳＬ(k-1)＋ｂ12・ＵＳＬ(k-2) （２２）

ここで、モデルパラメータａ11，ａ12，ｂ11，及びｂ12は、離散時間系モデルのモデルパラメータであり、連続時間系モデルのモデルパラメータａ，ｂ，ｃ及び制御周期Ｔを用いて周知の手法により算出される。

また切換関数値σ(k)は式（２６）により算出される制御偏差ＤＣＳＡを用いると、下記式（２７）で定義される。
ＤＣＳＡ(k)＝ＣＳＡＣＭＤ(k)−ＣＳＡ(k) （２６）
σ(k)＝ＤＣＳＡ(k)＋ＶＰＯＬＥ・ＤＣＳＡ(k-1) （２７）

ここで、ＶＰＯＬＥは制御偏差ＤＣＳＡの減衰特性を決める切換関数設定パラメータであり、−１より大きく０より小さい値に設定される。

等価制御入力ＵＥＱは、下記式（２８）を満たす操作量である。
σ(k)＝σ(k+1) （２８）
式（２８）の条件に式（２２）、（２６）及び（２７）を適用することにより、等価制御入力ＵＥＱは下記式（２９）により算出される。
ＵＥＱ(k)＝（１／ｂ11）｛（１−ａ11−ＶＰＯＬＥ）ＣＳＡ(k)
＋（ＶＰＯＬＥ−ａ12）ＣＳＡ(k-1)−ｂ12・ＵＳＬ(k-1)
＋ＣＳＡＣＭＤ(k+1)＋（ＶＰＯＬＥ−１）ＣＳＡＣＭＤ(k)
−ＶＰＯＬＥ・ＣＳＡＣＭＤ(k-1)｝ （２９）

また到達則制御入力ＵＲＣＨは、下記式（３０）により算出される。
ＵＲＣＨ(k)＝（−Ｆ／ｂ11）σ(k) （３０）
ここでＦは、到達則制御ゲインである。

以上のように制御系を構成することにより、制御対象１００の動特性変化や外乱が大きいといった誤差要因がある場合においても、減算器１０２及び周波数整形制御器１０３によるフィードバック制御により、誤差要因、すなわち動特性変化、外乱、あるいは非線形要素の影響を除去し、スライディングモード制御器１０１により安定した制御を行うことができる。

図６〜図８は、制御動作例を説明するためのタイムチャートである。これらの図において破線はＣＳ角度指令値ＣＳＡＣＭＤの推移を示し、実線はＣＳ角度ＣＳＡの推移を示す。

図６は、動特性変化、外乱、あるいは非線形要素などの誤差要因が無い場合に対応する。図６（ａ）は、図５に示す構成から減算器１０２及び周波数整形制御器１０３を削除し、スライディングモード制御器１０１の出力を直接制御対象１００に入力するように構成した制御系（以下「従来制御系」という）に対応する。同図（ｂ）は、同図（ａ）の例における制御偏差ＤＣＳＡの推移を拡大して示す。図６（ｃ）及び（ｄ）は、それぞれ同図（ａ）及び（ｂ）に対応し、図５に示す制御系の応答特性を示す。図６から明らかなように、誤差要因がないときは、従来制御系の応答特性と、本実施形態の制御系の応答特性とに差はない。

図７は、誤差要因がある場合（例えばコントロール軸に外乱によるトルクが加わる場合、トルク定数が変化する場合など）の制御動作例を示し、同図（ａ）及び（ｂ）が従来制御系に対応し、同図（ｃ）及び（ｄ）が図５の制御系に対応する。図７（ａ）の領域Ｐ１及びＰ２では定常偏差が「０」に収束していない。また領域Ｐ２では、アンダーシュートが発生している。さらに領域Ｐ３の傾きと領域Ｐ４の傾き（絶対値）とが異なっている。これに対し、図７（ｃ）に示すように、本実施形態の制御系ではそのような不具合は全く発生しない。すなわち、図６（ｃ）に示す誤差要因が無い場合の応答特性と同一の応答特性を実現することができる。

図８は、時刻ｔ０〜ｔ４において外乱がステップ状に印加された場合の制御動作を示す。図８（ａ）及び（ｂ）が従来制御系に対応し、外乱が除去されておらず、定常偏差が「０」に収束しないことが読みとれる（図８（ｂ）の縦軸が５倍に拡大されていることに注意）。一方、図８（ｃ）及び（ｄ）は、本実施形態の制御系に対応し、制御偏差ＤＣＳＡは、−０．５〜＋０．８度の大きさに抑制されており、外乱の影響がほぼ除去されていることが確認できる。

本実施形態では、スライディングモード制御器１０１がスライディングモード制御手段に相当し、減算器１０２及び周波数整形制御器１０３が伝達特性調整手段に相当する。

［第２の実施形態］
図９は、本発明の第２の実施形態にかかる制御系の構成を示すブロック図である。図９に示す制御系は、図５の制御系の減算器１０２及び周波数整形制御器１０３を削除し、外乱オブザーバ１０４を追加したものである。これ以外は、第１の実施形態と同一である。

外乱オブザーバ１０４は、図１０に示すように、逆伝達関数部１２０と、ローパスフィルタ（以下「ＬＰＦ」という）１２１，１２３と、減算器１２２，１２４とから構成される。

逆伝達関数部１２０は、目標伝達関数Ｆ(s)の逆伝達関数Ｆ^-1(s)に相当する演算をＣＳ角度ＣＳＡについて行い、換算操作量ＵＦＭＩを算出する。第１ＬＰＦ１２１は、換算操作量ＵＦＭＩの高域成分を除去し、フィルタ処理後換算操作量ＵＦＭＩＦを出力する。第２ＬＰＦ１２３は、第１ＬＰＦ１２１と全く同一の特性を有し、最終操作量ＵＦＭの高域成分を除去し、フィルタ処理後最終操作量ＵＦＭＦを出力する。

第１減算器１２２は、フィルタ処理後換算操作量ＵＦＭＩＦからフィルタ処理後最終操作量ＵＦＭＦを減算することにより、外乱推定値ＤＨＡＴ（＝ＵＦＭＩＦ−ＵＦＭＦ）を算出する。第２減算器１２４は、フィードバック操作量ＵＳＬから外乱推定値ＤＨＡＴを減算することにより、最終操作量ＵＦＭを算出する。

外乱オブザーバ１０４により、外乱オブザーバ１０４の伝達関数と、制御対象１００の伝達関数Ｇ(s)の合成伝達関数は、目標伝達関数Ｆ(s)となる。以下この点を説明する。

最終操作量ＵＦＭに外乱Ｄが加わると、制御出力であるＣＳ角度ＣＳＡは下記式（４１）で算出される。
ＣＳＡ＝Ｇ(s)・（ＵＦＭ＋Ｄ） （４１）

また外乱推定値ＤＨＡＴは、下記式（４２）で表すことができる。制御の対象となる周波数帯域は、ＬＰＦ１２１，１２３の通過帯域であるため、ここでは、ＬＰＦ１２１，１２３の伝達関数を「１」として説明する。
ＤＨＡＴ＝Ｆ^-1(s)・ＣＳＡ−ＵＦＭ （４２）

式（４１）より最終操作量ＵＦＭは下記式（４３）で表すことができる。
ＵＦＭ＝Ｇ^-1(s)・ＣＳＡ−Ｄ （４３）
式（４３）を式（４２）に適用すると、下記式（４４）が得られる。
ＤＨＡＴ＝Ｆ^-1(s)・ＣＳＡ−（Ｇ^-1(s)・ＣＳＡ−Ｄ）
＝（Ｆ^-1(s)・ＣＳＡ−Ｇ^-1(s)）ＣＳＡ＋Ｄ （４４）

一方最終操作量ＵＦＭは下記式（４５）で表すことができるので、式（４１）は、下記式（４１ａ）に変形できる。
ＵＦＭ＝ＵＳＬ−ＤＨＡＴ （４５）
ＣＳＡ＝Ｇ(s)・（ＵＳＬ−ＤＨＡＴ＋Ｄ） （４１ａ）

式（４１ａ）に式（４４）を適用すると、下記式（４６）が得られる。
ＣＳＡ＝Ｇ(s)・｛ＵＳＬ−（Ｆ^-1(s)−（Ｇ^-1(s)）ＣＳＡ｝ （４６）

式（４６）の両辺にＧ^-1(s)を乗算すると、下記式（４７）が得られ、式（４７）を変形することにより、式（４８）が得られる。
Ｇ^-1(s)・ＣＳＡ＝ＵＳＬ−（Ｆ^-1(s)−（Ｇ^-1(s)）ＣＳＡ （４７）
ＣＳＡ＝Ｆ(s)・ＵＳＬ （４８）

次にＬＰＦ１２１，１２３の特性（伝達関数Ｑ(s)）を決定し、最終操作量ＵＦＭの算出式を導出する。

目標伝達関数Ｆ(s)の逆伝達関数Ｆ^-1(s)は、下記式（４９）で表されるため、逆伝達関数部１２０は不安定な制御器である。
Ｆ^-1(s)＝ａ・ｓ²＋ｂ・ｓ＋ｃ （４９）
そのため、ＬＰＦ１２１，１２３の伝達関数Ｑ(s)をＦ^-1(s)の次数より高い分母次数を有する伝達関数とする必要があり、例えば下記式（５０）のように設定する。

ここでτは定数である。

伝達関数Ｑ(s)とＦ^-1(s)を合成した伝達関数ＱＦＩ(s)は、下記式（５１）で与えられる。

また伝達関数Ｑ(s)及びＱＦＩ(s)は、離散時間系の伝達関数に変換すると、下記式（５２）及び（５３）で示される。各係数ａ21〜ａ23、ｂ20〜ｂ23、ｐ１〜ｐ３、ｑ０〜ｑ３は、いずれも伝達関数Ｑ(s)及びＱＦＩ(s)に含まれる係数及び制御周期Ｔを用いて周知の手法により算出可能である。

したがって、フィルタ処理後最終操作量ＵＦＭＦ及びフィルタ処理後換算操作量ＵＦＭＩＦは、下記式（５４）および（５５）により算出される。ただし、式（５４）は、第２ＬＰＦ１２３の入力側に１制御周期Ｔだけ最終操作量ＵＦＭを遅延させる遅延部を挿入したものに対応している。未来の最終操作量ＵＦＭを使用しないようにするためである。
ＵＦＭＦ(k)＝ｐ１・ＵＦＭＦ(k-1)＋ｐ２・ＵＦＭＦ(k-2)
＋ｐ３・ＵＦＭＦ(k-3)＋ｑ０・ＵＦＭ(k-1)＋ｑ１・ＵＦＭ(k-2)
＋ｑ２・ＵＦＭ(k-3)＋ｑ３・ＵＦＭ(k-4) （５４）
ＵＦＭＩＦ(k)＝ａ21・ＵＦＭＩＦ(k-1)＋ａ22・ＵＦＭＩＦ(k-2)
＋ａ23・ＵＦＭＩＦ(k-3)＋ｂ20・ＣＳＡ(k)＋ｂ21・ＣＳＡ(k-1)
＋ｂ22・ＣＳＡ(k-2)＋ｂ23・ＣＳＡ(k-3) （５５）

外乱推定値ＤＨＡＴ(k)は下記式（５６）に上記式（５４）及び（５５）を適用することにより算出され、最終操作量ＵＦＭ(k)は、下記式（５７）に外乱推定値ＤＨＡＴ(k)を適用することにより算出される。
ＤＨＡＴ(k)＝ＵＦＭＩＦ(k)−ＵＦＭＦ(k) （５６）
ＵＦＭ(k)＝ＵＳＬ(k)−ＤＨＡＴ(k) （５７）

以上にようにして得られる外乱オブザーバ１０４を用いることにより、周波数整形制御器１０３を用いた場合と同様に、外乱等の誤差要因の影響を除去し、スライディングモード制御器１０１により常に安定した制御が可能となる。

図１１は本実施形態の制御系の動作例を示すタイムチャートである。この図の動作例は、図７に示す誤差要因がある場合に対応するものであり、本実施形態においても、図７（ａ）（ｂ）及び図８（ａ）（ｂ）に示す従来制御系に比べて、良好な応答特性が得られることが確認できる。

本実施形態では、外乱オブザーバ１０４が伝達特性調整手段に相当し、逆伝達関数部１２０、ＬＰＦ１２１，１２３、及び減算器１２２が外乱推定手段を構成する。

［第３の実施形態］
図１２は、本実施形態における制御系の構成を示すブロック図である。図１２に示す制御系は、スライディングモード制御器１０１と、制御対象１００との間に、減算器１０２と、周波数整形制御器１０３ａと、外乱オブザーバ１０４とが設けられて構成されている。これ以外は、第１の実施形態と同一である。

外乱オブザーバ１０４は、第２の実施形態と同様に図１０に示すように構成されるが、第２の実施形態における入力パラメータであるフィードバック操作量ＵＳＬが、周波数整形操作量ＵＦＳに変更される。

周波数整形制御器１０３ａは、第１の実施形態における制御対象１００の伝達関数Ｇ(s)を、目標伝達関数Ｆ(s)（外乱オブザーバ１０４及び制御対象１００の合成伝達関数）に置き換えることにより、第１の実施形態と同様に構成することができる。その場合の目標伝達関数はＦ(s)と同一としてもよいが、第２の目標伝達関数Ｆ２(s)とすることもできる。

したがって、本実施形態によれば、制御系の設計の自由度を増加させることができ、例えば第１の目標伝達関数Ｆ(s)は、外乱抑制能力を重視した設定とし、第２の目標伝達関数Ｆ２(s)は、応答特性を重視した設定とすることができる。

図１３は本実施形態の制御系の動作例を示すタイムチャートである。この図の動作例は、図７に示す誤差要因がある場合に対応するものであり、本実施形態においても、図７（ａ）（ｂ）及び図８（ａ）（ｂ）に示す従来制御系に比べて、良好な制御動作が得られることが確認できる。

本実施形態では、減算器１０２、周波数整形制御器１０３ａ、及び外乱オブザーバ１０４が伝達特性調整手段に相当する。

［第４の実施形態］
図１４は、本実施形態における制御系の構成を示すブロック図である。図１４に示す制御系は、図５に示す制御系に信号整形器１０５を追加したものである。信号整形器１０５は、ＣＳ角度ＣＳＡに対して伝達関数Ｋ(s)の演算を行い、整形パラメータｄＣＳＡを出力する。伝達関数Ｋ(s)は、例えば微分演算に相当するもの（ｓ）に設定される。したがって、本実施形態では、減算器１０２、周波数整形制御器１０３、制御対象１００、及び信号整形器１０５によって拡大制御対象１１０が構成される。

拡大制御対象１１０の伝達関数ＦＸ(s)は下記式（６１）で表すことができる。したがって、目標伝達関数をＦ(s)とすると、周波数整形制御器１０３の伝達関数である周波数整形伝達関数Ｈ(s)は、下記式（６２）で与えられる。

図１４に示す構成により、拡大制御対象１１９の伝達関数を目標伝達関数Ｆ(s)とすることができるので、制御対象１００の動特性変化や外乱が大きいといった誤差要因がある場合においても、信号整形器１０５、減算器１０２及び周波数整形制御器１０３によるフィードバック制御により、誤差要因、すなわち動特性変化、外乱、あるいは非線形要素の影響を除去し、スライディングモード制御器１０１により安定した制御を行うことができる。

上述した第１の実施形態は、本実施形態における信号整形器１０５の伝達関数Ｋ(s)を「１」としたものに相当する。
本実施形態では、信号整形器１０５、減算器１０２及び周波数整形制御器１０３が伝達特性調整手段に相当する。

［第５の実施形態］
本実施形態は、第２の実施形態における外乱オブザーバ１０４を、図１５（ａ）に示すように構成したものである。これ以外は第２の実施形態と同一である。

図１５（ａ）に示すように本実施形態では、減算器１２２と減算器１２４の間にハイパスフィルタ（以下「ＨＰＦ」という）１２５が挿入されており、減算器１２２は、外乱推定値ＤＨＡＴをＨＰＦ１２５に入力する。ＨＰＦ１２５は、外乱推定値ＤＨＡＴのハイパスフィルタ処理を行い、フィルタ処理後外乱推定値ＤＨＡＴＦを減算器１２４に入力する。減算器１２４はフィードバック操作量ＵＳＬからフィルタ処理後外乱推定値ＤＨＡＴＦを減算し、最終操作量ＵＦＭを算出する。

図１６は、ＨＰＦ１２５のゲイン周波数特性と、ＬＰＦ１２１，１２３のゲイン周波数特性とを合成したゲイン周波数特性を示す図ある。図１６の領域Ｐ１１はＨＰＦ１２５のカットオフ特性を示し、領域Ｐ１２はＬＰＦ１２１，１２３のカットオフ特性を示す。

図１６に示す特性は、バンドパス特性を示しており、図１５（ａ）に示す構成は、図１５（ｂ）に示す構成と等価である。すなわち、ＬＰＦ１２１，１２３を削除し、ＨＰＦ１２５に代えてバンドパスフィルタ（以下「ＢＰＦ」という）１２６を設けるようにしてもよい。その場合、ＢＰＦ１２６のゲイン周波数特性は図１６に示すように設定される。

次に図１５（ａ）に示す外乱オブザーバの伝達特性を求める。
ＨＰＦ１２５の伝達関数ＱＨ(s)を下記式（７１）で与えると、離散時間系の伝達関数ＱＨ(z)は、下記式（７２）で表される。式（７１）のτhは定数であり、式（７２）に含まれる係数ｃ1，ｄ0，及びｄ1は、定数τh及び制御周期Ｔを用いて周知の手法により算出可能である。

したがって、フィルタ処理後外乱推定値ＤＨＡＴＦ(k)は、下記式（７３）で与えられる。ここでＤＨＡＴ(k)は前記式（５６）で与えられる。
ＤＨＡＴＦ(k)＝ｃ1・ＤＨＡＴＦ(k-1)＋ｄ0・ＤＨＡＴ(k)
＋ｄ1・ＤＨＡＴ(k-1) （７３）
よって、最終操作量ＵＦＭ(k)は、下記式（７４）で与えられる。
ＵＦＭ(k)＝ＵＳＬ(k)−ＤＨＡＴＦ(k) （７４）

図１７（ａ）は、第２の実施形態において印加する誤差要因をより大きくした場合の制御偏差ＤＣＳＡを示す。制御偏差ＤＣＳＡは、周波数１Ｈｚ程度の微少振幅の振動を示している。図１７（ｂ）は、本実施形態における制御偏差ＤＣＳＡを示し、図１７（ａ）の振動が解消していることが確認できる。

以上のように本実施形態では、ＬＰＦ１２１，１２３に加えて、ＨＰＦ１２５を適用して、フィルタ処理後外乱推定値ＤＨＡＴＦを算出し、フィードバック操作量ＵＳＬからフィルタ処理後外乱推定値ＤＨＡＴＦを減算することにより、最終操作量ＵＦＭを算出するようにしたので、制御偏差ＤＣＳＡの微少振動を解消し、より正確なフィードバック制御を行うことができる。なお、ＨＰＦ１２５のカットオフ周波数（ＢＰＦ１２６の低周波数側のカットオフ周波数）は、ＣＳ角度ＣＳＡ（プラントの制御量）に表れる振動成分の周波数に応じて設定することが望ましい。

本実施形態では、ＬＰＦ１２１（１２３）及びＨＰＦ１２５またはＢＰＦ１２６がフィルタ手段を構成する。

なお、第４の実施形態における外乱オブザーバ１０４を図１５（ａ）または図１５（ｂ）に示すように構成してもよい。

［第６の実施形態］
本実施形態は、本発明をスロットル弁駆動装置の制御に適用したものである。スロットル弁駆動装置及びその制御装置は例えば図１８に示すように構成される。

エンジン２０１の吸気通路２０２には、スロットル弁２０３が設けられている。スロットル弁２０３には、該スロットル弁２０３を閉弁方向に付勢するリターンスプリング２０４と、該スロットル弁２０３を開弁方向に付勢する弾性部材２０５とが取り付けられている。またスロットル弁２０３は、モータ２０６によりギヤ（図示せず）を介して駆動できるように構成されている。モータ２０６による駆動力がスロットル弁２０３に加えられない状態では、スロットル弁２０３の開度ＴＨは、リターンスプリング２０４の付勢力と、弾性部材２０５の付勢力とが釣り合うデフォルト開度ＴＨＤＥＦ（例えば５度）に保持される。スロットル弁２０３、リターンスプリング２０４、弾性部材２０５、モータ２０６、及び図示しないギヤによって、制御対象であるスロットル弁駆動装置２１０が構成される。

モータ２０６は、ＥＣＵ２０７に接続されており、その作動がＥＣＵ２０７により制御される。スロットル弁２０３には、スロットル弁開度ＴＨを検出するスロットル弁開度センサ２０８が設けられており、その検出信号は、ＥＣＵ２０７に供給される。

またＥＣＵ２０７には、エンジン２０１が搭載された車両の運転者の要求出力を示す、アクセルペダルの踏み込み量ＡＣＣを検出するアクセルセンサ２０９が接続されており、その検出信号がＥＣＵ２０７に供給される。

ＥＣＵ２０７は、第１の実施形態におけるＥＣＵ５と同様に、入力回路、ＣＰＵ、メモリ回路、出力回路などにより構成される。ＥＣＵ２０７は、アクセルペダルの踏み込み量ＡＣＣに応じてスロットル弁２０３の目標開度ＴＨＲを算出し、検出したスロットル弁開度ＴＨが目標開度ＴＨＲと一致するようにモータ２０６の操作量ＤＵＴを算出し、操作量ＤＵＴに応じた電気信号をモータ２０６に供給する。

このように構成される制御系における制御対象であるスロットル弁駆動装置２１０の伝達関数（正確にはスロットル弁駆動装置をモデル化した制御対象モデルの伝達関数）Ｇ２(s)は、第１の実施形態における伝達関数Ｇ(s)と同様に２次遅れ系の伝達関数で表すことができるので、第１〜第５の実施形態に示した制御系の構成を適用し、スロットル弁開度ＴＨを目標開度ＴＨＲに一致させる制御を行うことができる（スロットル弁開度ＴＨがＣＳ角度ＣＳＡに対応し、目標開度ＴＨＲがＣＳ角度指令値ＣＳＡＣＭＤに対応する）。

［第７の実施形態］
本実施形態は、本発明を内燃機関の空燃比制御に適用したものである。図１９は、この空燃比制御にかかる制御系の構成を示すブロック図であり、この制御系は、エンジン３１２を含む制御対象であるエンジンシステム３０１と、エンジンシステム３０１の排気中の酸素濃度ＶＯ２に応じて、エンジン３１２に供給される混合気の空燃比を検出する空燃比センサ３０２と、空燃比センサ出力ＡＦＡＣＴが目標空燃比ＡＦＣＭＤに一致するように燃料噴射時間ＴＯＵＴを算出するＥＣＵ３０３とによって構成される。ＥＣＵ３０３は、第１の実施形態におけるＥＣＵ５と同様に、入力回路、ＣＰＵ、メモリ回路、出力回路などにより構成される。

エンジンシステム３０１は、燃料噴射時間ＴＯＵＴに応じて燃料を噴射する燃料噴射弁３１１と、燃料噴射弁３１１を介して供給される燃料と吸入空気とからなる混合気を燃焼させるエンジン３１２とからなる。エンジンシステム３０１は、燃料を燃焼させてエンジンの回転トルクを得るとともに、燃焼ガス（排気）を排出する。

このように構成される制御系における制御対象であるエンジンシステム３０１の伝達関数（正確にはエンジンシステムをモデル化した制御対象モデルの伝達関数）Ｇ３(s)は、第１の実施形態における伝達関数Ｇ(s)と同様に２次遅れ系の伝達関数で表すことができる。したがって、第１〜第５の実施形態に示した制御系の構成を適用し、検出空燃比ＡＦＡＣＴを目標空燃比ＡＦＣＭＤに一致させる制御を行うことができる（検出空燃比ＡＦＡＣＴがＣＳ角度ＣＳＡに対応し、目標空燃比ＡＦＣＭＤがＣＳ角度指令値ＣＳＡＣＭＤに対応する）。

なお本発明は上述した実施形態に限るものではなく、種々の変形が可能である。例えば、上述した実施形態では、制御対象の伝達関数が２次遅れ系に相当するものを示したが、本発明は制御対象の伝達関数がどのようなものであっても適用可能である。このことは、第１及び第２の実施形態の説明から明らかである。さらに、目標伝達関数Ｆ(s)は上述した実施形態では、２次遅れ系に相当するものに設定する例を示したが、これに限るものでないことは、第１及び第２の実施形態の説明から明らかである。

本発明の第１の実施形態にかかる内燃機関及びその制御装置の構成を示す図である。 図１に示す弁作動特性可変装置の構成を示す図である。 図２に示す第１弁作動特性可変機構の概略構成を説明するための図である。 吸気弁の弁作動特性を示す図である。 第１の実施形態にかかる制御系の構成を示すブロック図である。 制御動作例を示すタイムチャートである。 制御動作例を示すタイムチャートである。 制御動作例を示すタイムチャートである。 本発明の第２の実施形態にかかる制御系の構成を示すブロック図である。 図９の外乱オブザーバの構成を示すブロック図である。 制御動作例を示すタイムチャートである。 本発明の第３の実施形態にかかる制御系の構成を示すブロック図である。 制御動作例を示すタイムチャートである。 本発明の第４の実施形態にかかる制御系の構成を示すブロック図である。 本発明の第５の実施形態にかかる外乱オブザーバの構成を示すブロック図である。 図１５に示すフィルタのゲイン周波数特性を示す図である。 制御動作例を示すタイムチャートである。 本発明の第６の実施形態にかかる制御系の構成を示すブロック図である。 本発明の第７の実施形態にかかる制御系の構成を示すブロック図である。

符号の説明

１ 内燃機関
４１ 第１弁作動特性可変機構（プラント）
４３ モータ（プラント）
１００ 制御対象（プラント）
１０１ スライディングモード制御器（スライディングモード制御手段）
１０２ 減算器（伝達特性調整手段）
１０３，１０３ａ 周波数整形制御器（伝達特性調整手段）
１０４ 外乱オブザーバ（伝達特性調整手段）
１０５ 信号整形器（伝達特性調整手段）
１２０ 逆伝達関数部（外乱推定手段）
１２１，１２３ ローパスフィルタ（外乱推定手段、フィルタ手段）
１２２ 減算器（外乱推定手段）
１２５ ハイパスフィルタ（フィルタ手段）
１２６ バンドパスフィルタ（フィルタ手段）

Claims (3)

1. プラントの制御量を目標値に一致させるように、スライディングモード制御によりフィードバック操作量を算出するスライディングモード制御手段を有するプラントの制御装置において、
   前記スライディングモード制御手段の出力側に接続され、前記プラントをモデル化した制御対象モデルの伝達関数に応じて設定された伝達特性を有する伝達特性調整手段を備え、該伝達特性調整手段の出力が前記プラントへの制御入力とされ、
   前記伝達特性調整手段の伝達特性と前記制御対象モデルの伝達特性とを合成した伝達特性を表す合成伝達関数が所望の目標伝達関数となるように、前記伝達特性調整手段の伝達特性が設定され、
   前記スライディングモード制御手段は、前記合成伝達関数を定義するモデルパラメータを用いて前記フィードバック操作量を算出し、
   前記伝達特性調整手段は、減算器及び周波数整形制御器からなり、前記減算器は前記フィードバック操作量と前記プラントの制御量との差分を算出し、前記周波数整形制御器は、前記差分に周波数整形伝達関数を適用することにより、前記プラントへの制御入力を算出し、
   前記目標伝達関数は、前記プラントにおける動特性変化及び外乱を示す要素を含まない伝達関数に設定されることを特徴とするプラントの制御装置。
2. 前記伝達特性調整手段は、さらに外乱推定手段を備え、前記外乱推定手段は、前記プラントへの制御入力及び前記プラントの制御量に応じて、前記プラントに加わる外乱成分を推定し、前記伝達特性調整手段は、前記外乱推定手段により推定された外乱成分を前記周波数整形制御器の出力から減算することにより、前記プラントへの制御入力を算出することを特徴とする請求項１に記載のプラントの制御装置。
3. 前記外乱推定手段は、推定した外乱成分についてバンドパスフィルタ処理を行うフィルタ手段を有し、該フィルタ手段の出力を前記推定された外乱成分として出力することを特徴とする請求項２に記載のプラントの制御装置。

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