滑模控制器和内燃机系统控制装置制造方法
【专利摘要】本发明涉及使用自适应滑模控制来对控制对象系统进行控制的滑模控制器。另外，本发明涉及使用自适应滑模控制来控制内燃机系统的内燃机系统控制装置。本发明的特征在于，具备自适应律输入项学习单元，其以将自适应滑模控制中的趋近律输入项的稳定偏差转入自适应律输入项的方式学习自适应律输入项。
【专利说明】滑模控制器和内燃机系统控制装置
【技术领域】
[0001]本发明涉及使用自适应滑模控制对控制对象系统进行控制的滑模控制器。另外，本发明涉及使用自适应滑模控制来控制内燃机系统(包括内燃机及其附带的装置)的内燃机系统控制装置。
【背景技术】
[0002]对于各种系统而言适用滑模控制(滑动模态控制)的尝试从以往以来广泛进行。滑模控制是指如下这样的可变构造型的反馈控制方法:预先构筑由切换函数表示的超平面(切换超平面)，通过趋近律输入使控制对象的状态量在超平面上收敛(趋近模式)，进而，在超平面上约束所述状态量的同时通过等价控制输入使其收敛于预定的点(滑动模式)。在此，切换函数是以控制对象的状态量为变量的线性函数。
[0003]在该滑模控制中，一旦使状态量在超平面上收敛，则以后几乎不会受到干扰等的影响，而能够使状态量稳定地收敛于超平面上的预定的平衡点(收敛点)。但是，在状态量收敛于超平面上之前(即在趋近模式中)，会受到干扰等的影响。
[0004]因此，对于各种系统而言适用自适应滑模控制的尝试也从以往以来广泛进行。自适应滑模控制在进行状态量向超平面的收敛时，除了使用通常的滑模控制的趋近律输入，还使用自适应律输入(依存于切换函数的时间积分的输入)。使用该自适应律输入实质上相当于移动超平面本身。通过使用这样的自适应滑模控制，能够以更高的稳定性实现状态量向目标值的收敛。
[0005]此外，滑模控制和自适应滑模控制是周知的技术，例如，在野波健藏、田宏奇著作的“滑模控制-非线性鲁棒控制的设计理论(株式会社日冕社、1994年)中有详细记载。另外，作为对包括车辆的内燃机系统的控制(例如，空燃比控制、EGR控制、阀门系统控制、制动控制、变速器控制等。)的自适应滑模控制的适用例，例如，参照专利第3261038号公报(日本特开平9-273440号公报)、专利第3261059号公报(日本特开平9-324681号公报)、专利第3819257号公报(日本特开2002-364430号公报)、专利第4145520号公报(日本特开2003-155938号公报)、专利第4263448号公报(日本特开2004-114764号公报)、美国专利第5,845,491号说明书、美国专利第7，813，867号说明书等。
[0006]现有技术文献
[0007]专利文献1:专利第3261038号公报(日本特开平9-273440号公报)
[0008]专利文献2:专利第3261059号公报(日本特开平9-324681号公报)
[0009]专利文献3:专利第3819257号公报(日本特开2002-364430号公报)
[0010]专利文献4:专利第4145520号公报(日本特开2003-155938号公报)
[0011]专利文献5:专利第4263448号公报(日本特开2004-114764号公报)
[0012]专利文献6:美国专利第5,845,491号说明书
[0013]专利文献7:美国专利第7，813，867号说明书
【发明内容】
[0014]在以往的这种装置中，状态量的最终收敛值的因系统个体差异等导致的偏差被自适应律输入项吸收。因此，状态量向超平面上的收敛速度根据每个系统个体而变化。因此，在以往的这种装置中，关于状态量向目标值的跟随性能，有进一步改善的余地。本发明是为了应对所述问题而提出的。
[0015]本发明的特征在于，具备自适应律输入项学习单元，该自适应律输入项学习单元以将自适应滑模控制中的趋近律输入项的稳定偏差转入自适应律输入项的方式学习所述自适应律输入项。
[0016]在具备所述结构的本发明的装置中，在因系统个体差异等而在所述趋近律输入项产生了所述稳定偏差的情况下，所述稳定偏差被转入(更换或替换到)所述自适应律输入项。由此，尽可能地抑制了所述趋近律输入项振动地动作，因此，尽可能地抑制了控制对象系统(内燃机系统等)振动地动作。因此，根据本发明，能够得到所述控制对象系统中的控制对象量即状态量(作为内燃机系统的具体例为增压压力等)的向目标值的良好的跟随性能。
[0017]此外，所述自适应律输入项学习单元可以按所述控制对象系统的每个运转区域(作为内燃机系统的具体例为内燃机转速、内燃机负荷等)学习所述自适应律输入项。由此，即使在系统个体差异的影响伴随所述控制对象系统的运转状态的变化而变化这样的情况下，也能够得到所述状态量的向所述目标值的良好的跟随性能。
[0018]具体而言，可以按表示所述控制对象系统的状态的、与构成所述运转区域的参数不同的多个参数(作为内燃机系统的具体例为冷却水温、外部气温等)的每一个而具有自适应律输入项学习映射。在该情况下，通过按每个所述运转区域更新各自的所述自适应律输入项学习映射，进行所述自适应律输入项的学习。
[0019]进而，在所述多个参数是分别与多个修正值相对应的参数的情况下，所述自适应律输入项学习单元可以根据所述多个修正值之间的大小关系，将所述稳定偏差转入所述自适应律输入项学习映射，所述修正值是对所述控制对象系统的控制目标的修正值。即，作为内燃机系统的具体例，例如为EGR率的目标值由冷却水温、外部气温以及外部气压修正的情况(参照日本特开2000-2122号公报等)，所述自适应律输入项学习单元可以根据目标EGR率的冷却水温修正值、外部气温修正值以及外部气压修正值的大小关系(例如与基准状态下的值的差分之间的比)，对将所述稳定偏差分别转入基本冷却水温用自适应律输入项学习映射、基本外部气温用自适应律输入项学习映射和基本外部气压用自适应律输入项学习映射的值进行调整(分配)。由此，即使在与设置于所述控制对象系统对应的稳定时的指令状态(指令值)伴随环境条件等的变化而变化这样的情况下，也能够得到所述状态量的向所述目标值的良好的跟随性能。
【专利附图】
【附图说明】
[0020]图1是表示作为适用了本发明的一个实施方式的控制对象系统的内燃机系统的概略结构的图。
[0021]图2是图1所示的作为本发明的一个实施方式的控制单元的框线图。
[0022]图3是用于说明本实施方式的动作的概要的时间图。
[0023]图4是表示通过图1和图2所示的控制单元执行的处理的一例的流程图。[0024]图5是表示通过图1和图2所示的控制单元执行的处理的其他的一例的流程图。【具体实施方式】
[0025]以下，针对本发明的实施方式，参照附图进行说明。此外，当将能够对本实施方式实施的各种变更(变形例-modification)插入该实施方式的说明中时,并不妨碍一贯的实施方式的说明的理解，因此在末尾汇总记载。
[0026][结构]
[0027]图1是表示作为适用本发明的一个实施方式的控制对象系统的内燃机系统I的概略结构的图。在本实施方式中，内燃机系统I具备:内燃机2、与该内燃机2连接的进气系统3和排气系统4、在进气系统3与排气系统4之间设置的EGR系统5 (EGR是“Exhaust GasRecirculation (排气再循环)”的略称。)以及增压器6。本实施方式的控制单元7被设置为控制所述内燃机系统I的动作。
[0028]在进气系统3安装有节气门31、中间冷却器32等辅机类、以及用于检测EGR率、增压压力(进气管内压力)等的传感器33、34等各种传感器类。此外，在排气系统4也安装有未图示的排气净化装置(催化剂)等辅机类、传感器类。
[0029]EGR系统5具备:EGR通路51、EGR阀52和EGR冷却器53。EGR通路51被设置为对进气系统3的与节气门31相比更靠近内燃机2侧(进气流通方向的下游侧)和排气系统4的与后述的涡轮61相比更靠近内燃机2侧(排气流通方向的上游侧)进行连接。EGR阀52安装在EGR通路51，以对EGR通路51中的排气的流通状态(从内燃机2排出的排气向进气系统3的导入量)进行控制。EGR冷却器53安装在EGR通路51，以对在EGR通路51中流通的排气进行冷却。
[0030]增压器6具备:涡轮61、喷嘴叶片62、压缩机63和轴64。涡轮61被设置在排气系统4的与上述的未图示的排气净化装置相比更靠近内燃机2侧(排气流通方向的上游侧)。本实施方式的增压器6是所谓的可变喷嘴涡轮增压器，喷嘴叶片62设置在与涡轮61相对的位置，以使喷射到涡轮61的排气的流速可变。压缩机63设置在进气系统3的与节气门31和中间冷却器32相比更靠近进气流通方向的上游侧。涡轮61与压缩机63通过轴64而联结。
[0031]控制单元7(以下,称为“EQJ7”。)是包括处理器(CPU:Central Processing Unit)、RAM (Random Access Memory)、ROM (Read Only Memory)、闪存(可擦写非易失性存储器)、A/D变换电路、D/A变换电路等的微型计算机。ECU7与用于取得EGR率、增压压力(进气管内压力)、发动机转速、加速操作量、冷却水温、进气温、外部气温、大气压、等的各种参数的上述的各种传感器类电连接。另外，ECU7与用于控制内燃机系统I的运转状态的节气门31、EGR阀52、喷嘴叶片62等操作部(也能够称为动作部或操作对象。)电连接。
[0032]本发明的滑模控制器和内燃机系统控制装置的一个实施方式，即E⑶7通过由CPU读出预先存储于ROM的程序(program)、表格(映射)等并使CPU执行该程序,基于通过上述的各种传感器类取得的各种参数来控制上述的操作部的动作。具体而言，在本实施方式中，ECU7使用自适应滑模控制，控制EGR率和增压压力(进气管内压力)。
[0033]图2是图1所示的E⑶7的框线图。如图2所示，E⑶7具备等价控制输入项产生部71、趋近律输入项产生部72、自适应律输入项产生部73和自适应律输入项学习部74。[0034]等价控制输入项产生部71产生应提供给操作部的控制输入U中的等价控制输入项(也能够称为“线性输入项或线性项”)Ueq0另外，趋近律输入项产生部72产生控制输入U中的趋近律输入项(也能够称为“非线性输入项或非线性项”)Unl。另外，自适应律输入项产生部73产生控制输入U中的自适应律输入项(也能够称为“自适应项”)Umap。自适应律输入项学习部74通过将趋近律输入项Unl的稳定偏差转入自适应律输入项Umap来进行自适应律输入项Umap的学习。
[0035][动作的概要]
[0036]以下，使用图1和图2并根据需要使用数学式，对本实施方式的ECU7的动作的概要进行说明。
[0037]首先，E⑶7基于通过上述的传感器类取得的各种参数，决定要求燃料喷射量。接着，ECU7至少基于发动机转速和要求燃料喷射量，设定目标EGR率和目标增压压力。在ECU7的ROM或闪存中预先存储有表示根据发动机转速和要求燃料喷射量而应设定的各目标值的映射数据。因此，ECU7将发动机转速和要求燃料喷射量作为键来检索映射，取得EGR率和增压压力的目标值。
[0038]然后，ECU7基于传感器33、34输出的信号，取得(检测)EGR率和增压压力的当前值。然后，ECU7根据各控制量的当前值与目标值的偏差，对EGR阀52、喷嘴叶片62、和/或节气门31的操作量(开度)进行运算，通过将与各自的操作量对应的驱动信号输入至这些操作部，来控制EGR率和增压压力。
[0039]图3是用于说明本实施方式的动作的概要的时间图。在图3中，横轴表示时间(经过)。另外，在图3中，(I)的实线表示控制对象量(增压压力等)的实际变化的状况，单点划线表示目标值。(2)的实线表示自适应滑模控制的等价控制输入项(线性输入项)Ueq的变化的状况，(3)的实线表示趋近律输入项(非线性输入项)Unl的变化的状况，(4)的实线表示自适应律输入项(自适应项)Umap的变化的状况。并且，(i)表示自适应律输入项学习前的状况，(ii)表示学习后的状况。此外，虽然针对自适应滑模控制的内容，在本申请提出时就已经周知(例如参照上述的各文献)，但是为了慎重起见，其概略内容在后面叙述。
[0040]如图3的(i)所示，趋近律输入项Unl有时因系统个体差异等而产生稳定偏差(参照图中AUnl ss)。认为这是因为以下的理由。即，在通常(以往)的自适应滑模控制中，自适应律输入项Umap基于标称模型中的控制对象量的收敛值而设定。因此，控制对象量的最终的收敛值的因系统个体差异等导致的偏差被自适应律输入项Umap吸收。
[0041]这样，在因系统个体差异等而在趋近律输入项Unl产生稳定偏差时，控制对象量的向超平面的约束特性也根据系统个体差异等而变化，并且趋近律输入项Unl振动地动作。其结果，如图3中的(i)所示，控制对象量也振动地变化。
[0042]因此，在本实施方式中，以将趋近律输入项Unl的稳定偏差Λ Unl ss转入(更换或替换到)自适应律输入项Umap的方式学习自适应律输入项Umap (参照图中Δυ_)。于是,如图3中的(ii)所示，趋近律输入项Unl的稳定偏差被消除，并且趋近律输入项Unl的动作特性稳定。由此，能够得到控制对象量的向目标值的稳定的跟随性能。
[0043]以下，关于EGR率和增压压力的自适应滑模控制进行补充记载(如有必要，参照例如，日本特开2010-229968号公报、日本特开2010-229974号公报、日本特开2011-111966
号公报等。)。[0044]在本实施方式中，进行将EGR率yi和增压压力(进气管内压力)y2设为控制输出变量(输出矢量Y)、将EGR阀52的开度U1、可变涡轮的喷嘴叶片62的开度U2以及节气门31的开度U3设为控制输入矢量U的3输入-2输出的反馈控制。但是，如下述的状态方程式(数
I)所示，在本实施方式中，设为能够根据输出矢量Y直接得知状态量矢量X的构造(即将能够经由传感器33、34等各种传感器类检测的量作为直接的控制对象)。由此，不需要状态推定观察器，能够避免伴随使用状态推定观察器时的推定误差而导致的控制性能的降低。状态方程式和输出方程式如以下式(数I)所示。
[0045][数1]
[0046]
【权利要求】
1.一种内燃机系统控制装置，使用自适应滑模控制来控制包括内燃机和附带于该内燃机的装置的内燃机系统，所述内燃机系统控制装置的特征在于， 具备自适应律输入项学习单元，该自适应律输入项学习单元以将所述自适应滑模控制中的趋近律输入项的稳定偏差转入自适应律输入项的方式学习所述自适应律输入项。
2.根据权利要求1所述的内燃机系统控制装置，其特征在于， 所述自适应律输入项学习单元按所述内燃机系统的每个运转区域学习所述自适应律输入项。
3.根据权利要求2所述的内燃机系统控制装置，其特征在于， 所述自适应律输入项学习单元， 按表示所述内燃机系统的状态的、与构成所述运转区域的参数不同的多个参数的每一个而具有自适应律输入项学习映射， 通过按每个所述运转区域更新所述自适应律输入项学习映射，学习所述自适应律输入项。
4.根据权利要求3所述的内燃机系统控制装置，其特征在于， 所述多个参数是分别与多个修正值相对应的参数，所述修正值是对所述内燃机系统的控制目标的修正值， 所述自适应律输入项学习单元根据所述多个修正值之间的大小关系，将所述稳定偏差转入所述自适应律输入项学习映射。
5.一种滑模控制器，使用自适应滑模控制来控制控制对象系统，所述滑模控制器的特征在于， 具备自适应律输入项学习单元，该自适应律输入项学习单元以将所述自适应滑模控制中的趋近律输入项的稳定偏差转入自适应律输入项的方式学习所述自适应律输入项。
6.根据权利要求5所述的滑模控制器，其特征在于， 所述自适应律输入项学习单元按所述控制对象系统的每个运转区域，学习所述自适应律输入项。
7.根据权利要求6所述的滑模控制器，其特征在于， 所述自适应律输入项学习单元， 按表示所述控制对象系统的状态的、与构成所述运转区域的参数不同的多个参数的每一个而具有自适应律输入项学习映射， 通过按每个所述运转区域更新所述自适应律输入项学习映射，学习所述自适应律输入项。
8.根据权利要求7所述的滑模控制器，其特征在于， 所述多个参数分别是与多个修正值相对应的参数，所述修正值是对所述控制对象系统的控制目标的修正值， 所述自适应律输入项学习单元根据所述多个修正值之间的大小关系，将所述稳定偏差转入所述自适应律输入项学习映射。
【文档编号】G05B13/00GK103732895SQ201180072727
【公开日】2014年4月16日 申请日期:2011年8月9日 优先权日:2011年8月9日
【发明者】家村晓幸 申请人:丰田自动车株式会社