用于车辆的控制设备转让专利
申请号 : CN200780000629.4
文献号 : CN101326354B
文献日 : 2010-09-15
发明人 : 吉川久代 , 神尾茂 , 笠岛健司 , 伊藤真洋
申请人 : 丰田自动车株式会社
摘要 :
本发明涉及用于车辆的控制设备，其中具体公开了一种控制设备的目标节流开口程度计算装置(43-46)，计算节流阀(16)的目标节流开口程度(θg)，并且包括相位超前补偿器(56)。滤波器(49)滤波目标节流开口程度(θg)以提供最终目标节流开口程度(θt)，该最终目标节流开口程度(θt)用来驱动调节节流阀(16)的开口程度的驱动电机(15)。
权利要求 :
1.一种控制车辆的控制对象(15、16)的控制设备，该控制设备包括：相位超前补偿器(56)，它进行相位超前补偿；和
噪声滤波器(49)，它位于相位超前补偿器(56)与控制对象(15、16)之间。
2.根据权利要求1所述的控制设备，其中：
控制对象是内燃机的电子节流系统(15、16)，该电子节流系统(15、16)以这样一种方式控制节流阀(16)的节流开口程度，使得内燃机的汽缸空气填充量与目标汽缸空气填充量相一致；并且相位超前补偿器(56)补偿已经通过节流阀(16)的进气的填充延迟。
3.根据权利要求1所述的控制设备，还包括进行控制对象(15、16)的控制量的估计值和检测值之一的反馈控制的闭环(44-46)，其中，滤波器(49)位于闭环(44-46)外部。
4.根据权利要求3所述的控制设备，其中，闭环(44-46)包括所述相位超前补偿器(56)。
5.根据权利要求1所述的控制设备，其中：
控制对象(15、16)是内燃机的电子节流系统(15、16)，该电子节流系统(15、16)包括节流阀(16)；
控制设备还包括目标节流开口程度计算装置(43-46)，该目标节流开口程度计算装置(43-46)计算节流阀(16)的目标节流开口程度(θg)，并且包括所述相位超前补偿器(56)；及滤波器(49)滤波节流阀(16)的目标节流开口程度(θg)，该目标节流开口程度(θg)从目标节流开口程度计算装置(43-46)输出。
6.根据权利要求5所述的控制设备，其中，目标节流开口程度计算装置(43-46)包括闭环(44-46)，在该闭环(44-46)中提供所述相位超前补偿器(56)。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的控制设备，其中，滤波器(49)是相位滞后补偿器(49)。
说明书 :
技术领域
本发明涉及一种控制设备，该控制设备控制车辆的控制对象，并且包括相位超前补偿器和噪声滤波器。
背景技术
例如，日本未审查专利公报No.H11-22515公开了车辆的一种电子发动机控制系统，该电子发动机控制系统在驾驶员的油门操作时实现比较良好的发动机响应，并由此实现车辆的比较良好驾驶性。在这种发动机控制系统中，基于油门开口程度和和发动机转速计算由驾驶员要求的要求转矩(目标转矩)。然后，基于目标转矩计算节流阀的目标节流开口程度(目标汽缸空气填充量)，并且把节流阀的实际节流开口程度控制到目标节流开口程度。这种控制系统包括相位超前补偿器，该相位超前补偿器补偿已经通过节流阀的进气的填充延迟。
此外，日本未审查专利公报No.2002-309990叙述了另一种包括反馈控制系统(闭环系统)的系统，该反馈控制系统基于在目标汽缸空气填充量与估计性实际汽缸空气填充量之间的差值通过反馈操作补偿目标节流开口程度。
如以上描述的那样，控制节流开口程度(汽缸空气填充量)的控制系统包括相位超前补偿器，该相位超前补偿器补偿已经通过节流阀的进气的填充延迟。因而，当噪声添加到控制系统的输入上时，系统由于相位超前补偿器变得不稳定。
为了消除这个缺点，噪声滤波器施加到控制系统的输入上。通过这个滤波器的使用，在发动机的稳定操作时段中，相位超前补偿成为零(或者相位超前补偿在发动机的稳定操作时段中强迫变到零)，并由此稳定系统。然而，本发明的发明人的最近研究揭示，控制状态由于如下波动(1)和(2)的影响在发动机的中等过渡操作进段中变得不稳定，引起目标节流开口程度的摆动。
(1)每单位时间目标汽缸空气填充量的波动。
(2)由例如发动机转速和阀计时的波动引起的填充效率η的计算值(映像值)的波动。
在这种情况下，在计算期间的波动将不引起实质问题。然而，当目标节流开口程度表现摆动时，电子节流系统的电机将根据摆动目标值操作。因而，进行不必要的操作。这种不必要的操作可以导致例如恶化的燃料消耗、电子节流系统的恶化耐久性及车辆的恶化驾驶性。
如以上描述的那样，包括相位超前补偿器的控制系统对于施加到控制系统的输入上的噪声敏感。因而，噪声滤波器施加到控制系统的输入上，以实现控制系统的稳定性。然而，控制系统的输入不仅包括目标汽缸空气填充量而且也包括其它操作参数(例如，发动机转速、阀计时)，它们对于填充效率η可能具有不利影响。因而，当滤波器需要应用于摆动因素的每一个时，需要施加多个滤波器。这导致响应的退化。就是说，滤波器起相位滞后补偿器的作用。因而，当滤波器的数量进一步增加时，响应进一步延迟。
此外，日本未审查专利公报No.2002-309990叙述了另一种包括反馈控制系统(闭环系统)的系统，该反馈控制系统基于在目标汽缸空气填充量与估计性实际汽缸空气填充量之间的差值通过反馈操作补偿目标节流开口程度。
如以上描述的那样，控制节流开口程度(汽缸空气填充量)的控制系统包括相位超前补偿器，该相位超前补偿器补偿已经通过节流阀的进气的填充延迟。因而，当噪声添加到控制系统的输入上时，系统由于相位超前补偿器变得不稳定。
为了消除这个缺点，噪声滤波器施加到控制系统的输入上。通过这个滤波器的使用，在发动机的稳定操作时段中，相位超前补偿成为零(或者相位超前补偿在发动机的稳定操作时段中强迫变到零)，并由此稳定系统。然而，本发明的发明人的最近研究揭示，控制状态由于如下波动(1)和(2)的影响在发动机的中等过渡操作进段中变得不稳定，引起目标节流开口程度的摆动。
(1)每单位时间目标汽缸空气填充量的波动。
(2)由例如发动机转速和阀计时的波动引起的填充效率η的计算值(映像值)的波动。
在这种情况下，在计算期间的波动将不引起实质问题。然而，当目标节流开口程度表现摆动时，电子节流系统的电机将根据摆动目标值操作。因而，进行不必要的操作。这种不必要的操作可以导致例如恶化的燃料消耗、电子节流系统的恶化耐久性及车辆的恶化驾驶性。
如以上描述的那样，包括相位超前补偿器的控制系统对于施加到控制系统的输入上的噪声敏感。因而，噪声滤波器施加到控制系统的输入上，以实现控制系统的稳定性。然而，控制系统的输入不仅包括目标汽缸空气填充量而且也包括其它操作参数(例如，发动机转速、阀计时)，它们对于填充效率η可能具有不利影响。因而，当滤波器需要应用于摆动因素的每一个时，需要施加多个滤波器。这导致响应的退化。就是说，滤波器起相位滞后补偿器的作用。因而，当滤波器的数量进一步增加时，响应进一步延迟。
发明内容
鉴于以上缺点形成本发明。因而，本发明的目的是提供车辆的一种控制设备，该控制设备即使在控制对象的中等过渡操作时段中也可实现控制对象的比较良好响应和比较良好稳定性。
为了实现本发明的目的，提供有一种控制车辆的控制对象的控制设备。控制设备包括相位超前补偿器和噪声滤波器。相位超前补偿器进行相位超前补偿。噪声滤波器位于相位超前补偿器与控制对象之间。
为了实现本发明的目的，提供有一种控制车辆的控制对象的控制设备。控制设备包括相位超前补偿器和噪声滤波器。相位超前补偿器进行相位超前补偿。噪声滤波器位于相位超前补偿器与控制对象之间。
附图说明
本发明、与另外的目的、特征及其优点一起由如下描述、附属权利要求书及附图将最清楚地理解，在附图中：
图1是示意图，表示根据本发明实施例的发动机控制系统的结构；
图2是方块图，示意表示车辆控制系统；
图3是方块图，表示本实施例的输出控制器；
图4是方块图，表示输出控制器的目标节流开口程度计算装置和估计值计算装置的细节；
图5是方块图，表示输出控制器的滤波器的传递函数；
图6是流程图，表示实施例的目标节流开口程度计算例行程序；
图7是流程图，表示实施例的估计值计算例行程序(Pmest、Mtest；
图8表示实施例的映像图，该映像图用来把目标汽缸空气填充量Mt转换成目标进气管压力Pmt；
图9表示实施例的映像图，该映像图用来基于在估计进气管压力Pmest与大气压力Pa之间的比值(Pmest/Pa)计算流量系数φ；
图10表示实施例的映像图，该映像图用来把节流开口横截面面积At转换成目标节流开口程度θt；
图11表示实施例的映像图，该映像图用来把估计进气管压力Pmest转换成估计汽缸空气填充量Mtest；
图12A是时间图，表示鉴于在中等过渡(moderate transient)操作时段中的时间汽缸空气填充量的变化；
图12B是时间图，表示鉴于在中等过渡操作时段中的时间的目标节流开口程度的变化；及
图12C是时间图，表示鉴于在中等操作过渡时段中的时间的实际节流开口程度的变化。
图1是示意图，表示根据本发明实施例的发动机控制系统的结构；
图2是方块图，示意表示车辆控制系统；
图3是方块图，表示本实施例的输出控制器；
图4是方块图，表示输出控制器的目标节流开口程度计算装置和估计值计算装置的细节；
图5是方块图，表示输出控制器的滤波器的传递函数；
图6是流程图，表示实施例的目标节流开口程度计算例行程序；
图7是流程图，表示实施例的估计值计算例行程序(Pmest、Mtest；
图8表示实施例的映像图，该映像图用来把目标汽缸空气填充量Mt转换成目标进气管压力Pmt；
图9表示实施例的映像图，该映像图用来基于在估计进气管压力Pmest与大气压力Pa之间的比值(Pmest/Pa)计算流量系数φ；
图10表示实施例的映像图，该映像图用来把节流开口横截面面积At转换成目标节流开口程度θt；
图11表示实施例的映像图，该映像图用来把估计进气管压力Pmest转换成估计汽缸空气填充量Mtest；
图12A是时间图，表示鉴于在中等过渡(moderate transient)操作时段中的时间汽缸空气填充量的变化；
图12B是时间图，表示鉴于在中等过渡操作时段中的时间的目标节流开口程度的变化；及
图12C是时间图，表示鉴于在中等操作过渡时段中的时间的实际节流开口程度的变化。
具体实施方式
参照附图将描述在控制电子节流系统的控制系统中实施的本发明的实施例。
首先，参照图1将描述发动机控制系统的示意结构。空气滤清器13提供到汽缸喷射式内燃机11的进气管12的上游端，并且检测进气量的空气流量计14提供在空气滤清器13的下游侧上。节流阀16和节流开口程度传感器17提供在空气流量计14的下游侧上。节流阀16的开口程度(节流开口程度)通过电子节流系统的驱动电机15调节，并且节流开口程度传感器17检测节流阀16的节流开口程度。
缓冲罐18提供在节流阀16的下游侧上，并且检测进气管压力的进气管压力传感器19提供到缓冲罐18上。此外，把空气引导到发动机11的相应汽缸的进气歧管20被连接到缓冲罐18上。而且，分别连接到汽缸上的进气歧管20的引导通道部分的每一个设有流量控制阀31，该流量控制阀31控制在对应汽缸中的气流强度(回旋流强度、翻滚流强度)。
燃料喷射阀21提供到发动机11的每个汽缸的顶部上以把燃料直接喷射到汽缸中。火花塞22提供给每个汽缸在发动机11的汽缸盖处，以通过来自火花塞22的火花放电点燃在汽缸中包含的燃料和空气混合物。此外，可变阀计时装置39提供给发动机11的进气阀37以改变进气阀37的打开/关闭计时，并且可变阀计时装置40提供给发动机11的排气阀38以改变排气阀38的打开/关闭计时。
冷却剂温度传感器23提供给发动机11的汽缸柱，以检测发动机11的冷却剂温度。曲柄角度传感器24位于曲轴(未表示)的径向外部，以便每当曲轴转动预定曲柄角度时输出曲柄角度信号(脉冲信号)。基于曲柄角度传感器24的输出脉冲信号检测曲柄角度和发动机转速。
上游侧催化转换器26和下游侧催化转换器27提供在发动机11的排气管25中以净化发动机11的排放气体。此外，排放气体传感器28(例如，空气/燃料比传感器、氧气传感器)提供在上游侧催化转换器26的上游侧上，以检测排放气体的空气/燃料比或富/贫状态)。此外，用油门传感器36检测油门踏板35的踏板位置(油门开口程度)。
以上传感器的每一个的输出供给到发动机控制电路(下文称作“ECU”)30。ECU 30具有微型计算机作为其主要元件。当执行在ECU30的ROM(存储介质)中存储的每个对应例行程序(下面描述)时，ECU 30以使发动机11的输出转矩与目标转矩(要求转矩)相一致的方式设置目标节流开口程度，以控制进气量(汽缸空气填充量，它是在对应汽缸中填充的空气量)。
在本实施例中，如图2中所示，目标转矩由例如怠速控制器(ISC)50、巡航控制器51、牵引控制器52、自动变速箱控制设备(AT-ECU)53及防抱死-制动系统控制设备(ABS-ECU)54的每一个设置。然后，应用选择器(应用选择装置)41从这些目标转矩中选择最终目标转矩。此后，输出控制器(输出控制设备或输出控制装置)42基于最终目标转矩计算执行器命令值(目标节流开口程度)，并且把计算的执行器命令值输出到发动机11以使发动机11的输出转矩与目标转矩相一致。
如图3中所示，输出控制器42包括目标值计算设备(目标值计算装置)43、目标节流开口程度计算设备(目标节流开口程度计算装置)44、操作限制设备(操作限制装置)45及估计值计算设备(估计值计算装置)46。目标值计算设备43、目标节流开口程度计算设备44、操作限制设备45及估计值计算设备46形成目标节流开口程度设计装置，该目标节流开口程度设计装置基于最终目标转矩计算下面描述的目标节流开口程度θg。明确地说，目标值计算设备43把最终目标转矩转换成目标汽缸空气填充量Mt，该目标汽缸空气填充量Mt是在对应汽缸中填充的目标空气填充量。目标节流开口程度计算设备44基于目标汽缸空气填充量Mt计算目标节流开口程度。操作限制设备45考虑到例如排放和电子节流系统的电机15的驱动性能，通过节流阀16的上下限保护过程和驱动速度/加速度保护过程限制目标节流开口程度。估计值计算设备46计算汽缸空气填充量的估计值(Pmest)和进气管压力的估计值(Mtest)，这可借助于由操作限制过程(保护过程)限制的目标节流开口程度θg实现。
输出控制器42还包括滤波器49，该滤波器49过滤由操作限制设备45通过操作限制过程(保护过程)限制的目标节流开口程度θg的波动(噪声)。在这种情况下，没有滤波器应用于影响性操作参数(例如，发动机转速和阀计时)，这些参数对于用作到目标节流开口程度计算设备44的输入的目标汽缸空气填充量Mt和/或填充效率η可能具有实质影响。此外，过滤目标节流开口程度θg的波动(噪声)的滤波器49放置在闭环外，该闭环包括目标节流开口程度计算设备44、操作限制设备45及估计值计算设备46。如图5中所示，滤波器49由一阶滞后的传递函数表达，即滤波器49的传递函数＝1(Tfs+1)，其中“Tf”指示滤波器49的时间常数。
基于由滤波器49从其过滤波动(噪声)的过滤目标节流开口程度(最终目标节流开口程度)θt，控制节流开口程度。
基于进气管压力Pm和汽缸空气填充量彼此具有一般线性关系的事实，如图4中所示，目标节流开口程度计算设备44基于把目标汽缸空气填充量Mt用作参数的映像图(见图8)，计算为实现目标汽缸空气填充量Mt需要的目标进气管压力Pmt。这由目标节流开口程度计算设备44的目标进气管压力计算部分55进行。在进气管压力Pm与汽缸空气填充量之间的关系根据诸如发动机转速和进气/排气阀计时之类的发动机操作条件而变化。因而，用来把目标汽缸空气填充量Mt转换成目标进气管压力Pmt的映像图也把发动机操作条件，如发动机转速和/或进气/排气阀计时，用作参数。
然后，在补偿值计算部分56中通过如下公式1的使用计算缓冲罐填充延迟补偿值。缓冲罐填充延迟补偿值是用来补偿在进气中从节流阀16到缓冲罐18的延迟(缓冲罐填充延迟)的值。如在如下公式1中指示的那样，缓冲罐填充延迟补偿值通过把增益(V/k·R·Tmp)乘以在目标进气管压力Pmt与估计进气管压力Pmest之间的差值dPm(＝Pmt-Pmest)的时间导数值(dPm/dt)而得到。这个差值dPm以前在减法器58处得到。
(公式1)
这里，“k”指示进气比热，并且“R”指示进气气体定律常数。此外，“Tmp”指示进气温度，并且“V”指示从节流阀16到缓冲罐18的空气通道的体积。
此外，如由如下公式2表达的那样，目标节流开口程度计算设备44通过在加法器59处把由估计值计算设备46计算的估计汽缸空气填充量Mtest添加到缓冲罐填充延迟补偿值上，得到是通过节流阀16的进气量的节流通过空气量Mi。
(公式2)
以上公式2表达进气系统模型的相反模型，该进气系统模型模拟已经通过节流阀16的进气的填充延迟。
然后，基于节流通过空气量Mi，由目标节流开口程度计算设备44的目标节流开口程度计算部分57计算实现节流通过空气量Mi需要的目标节流开口程度。此后，这个计算目标节流开口程度由操作限制设备45通过预定操作限制过程(节流阀16的上下限保护过程和驱动速度/加速度保护过程)限制，以得到限制目标节流开口程度θg。其次，限制目标节流开口程度θg在过滤过程(一阶滞后过程)中由滤波器49过滤，以从限制目标节流开口程度θg滤除波动(噪声)并由此确定最终目标节流开口程度θt。然后，这个最终目标节流开口程度θt输出到电子节流系统的电机驱动电路(未表示)，以驱动该驱动电机15。
估计值计算设备46包括节流通过空气量估计部分(节流通过空气量估计装置)47和空气填充延迟计算部分(空气填充延迟计算装置)48。节流通过空气量估计部分47估计节流通过空气量Miest，这可借助于由操作限制设备45限制的目标节流开口程度θg实现。空气填充延迟计算部分48基于估计节流通过空气量Miest通过进气系统模型的使用计算估计汽缸空气填充量Mtest和估计进气管压力Pmest，该进气系统模型模拟已经通过节流阀16的进气的填充延迟。节流通过空气量估计部分47通过如下公式3的使用计算估计节流通过空气量Miest。
(公式3)
这里，“μ”指示流量适应系数，并且“Pa”指示大气压力。此外，“φ”指示流量系数(或简称为“流动系数”)，它由在估计进气管压力Pmest与大气压力Pa之间的比值(Pmest/Pa)确定(见图9)。而且，“At”指示节流开口横截面面积，它与目标节流开口程度θg相对应。
空气填充延迟计算部分48基于估计节流通过空气量Miest通过进气系统模型的使用计算估计进气管压力Pmest，这由如下公式4表达。
(公式4)
这里，“Pmestold”指示以前估计进气管压力，并且“Mtestold”指示以前估计汽缸空气填充量。此外，“dt”指示计算循环(计算周期)。
通过公式4的使用，在当前估计进气管压力Pmest的计算之后，通过映像图的使用计算与计算当前估计进气管压力Pmest相对应的估计汽缸空气填充量Mtest(见图11)。这里，在估计进气管压力Pmest与估计汽缸空气填充量Mtest之间的关系根据诸如发动机转速和进气/排气阀计时之类的发动机操作条件而变化。因而，用来把估计进气管压力Pmest转换成估计汽缸空气填充量Mtest的映像图也把发动机操作条件，如发动机转速和进气/排气阀计时，用作参数。
以上描述的节流控制操作由ECU 30根据在图6和7中表示的例行程序执行。下文，将描述这些例行程序的每一个的细节。
首先，参照图6，将描述在发动机操作期间以预定间隔执行的目标节流开口程度计算例行程序。在这个例行程序的启动时，在步骤101处检索由应用选择器41选择的最终目标转矩。然后，在步骤102处，基于当前发动机转速NE和最终目标转矩通过两维映像图的使用计算目标汽缸空气填充量Mt。此后，在步骤103处，通过映像图(见图8)的使用计算实现目标汽缸空气填充量Mt需要的目标进气管压力Pmt，该映像图把目标汽缸空气填充量Mt用作参数。这里，在进气管压力Pm与汽缸空气填充量之间的关系根据诸如发动机转速和进气/排气阀计时之类的发动机操作条件而变化。因而，用来把目标汽缸空气填充量Mt转换成目标进气管压力Pmt的映像图(见图8)也把发动机操作条件，如发动机转速和/或进气/排气阀计时，用作参数。
此后，在步骤104处，对于目标进气管压力Pmt以这样一种方式进行保护过程(或大气压力补偿)，从而目标进气管压力Pmt落在可实现进气管压力范围内，这可在当前大气压力条件下实现。然后，在步骤105处，检索在下面描述的图7的估计值(Pmest、Mtest)计算例行程序中计算的估计进气管压力Pmest和估计汽缸空气填充量Mtest。其次，在步骤106处，计算在目标进气管压力Pmt与估计进气管压力Pmest之间的差值dPm(dPm＝Pmt-Pmest)。
此后，在步骤107处，通过公式1的使用计算通过与进气从节流阀16到缓冲罐18的延迟(缓冲罐填充延迟)相对应的量对于差值dPm进行相位超前补偿需要的缓冲罐填充延迟补偿值。然后，在步骤108处，通过把估计汽缸空气填充量Mtest添加到缓冲罐填充延迟补偿值上得到节流通过空气量Mi。
然后，在步骤109处，基于节流通过空气量Mi，按如下计算实现节流通过空气量Mi需要的目标节流开口程度θt。首先，通过如下公式5的使用计算实现节流通过空气量Mi需要的要求节流开口横截面面积At。
(公式5)
这里，基于在估计进气管压力Pmest与大气压力Pa之间的比值(Pmest/Pa)通过例如在图9中表示的映像图的使用，计算流量系数φ。
通过以上公式5计算的节流开口横截面面积At通过例如在图10中表示的映像图的使用，转换成目标节流开口程度θg。
其次，在步骤110处，通过预定操作限制过程(节流阀16的上下限保护过程和驱动速度/加速度保护过程)限制目标节流开口程度θg。此后，在步骤111处，由操作限制过程限制的限制目标节流开口程度θg在过滤过程(一阶滞后过程)中由滤波器49过滤，以从限制目标节流开口程度θg滤除波动(噪声)而确定最终目标节流开口程度θt。
现在参照图7，将描述在发动机操作期间以预定间隔执行的估计值(Pmest、Mtest)计算例行程序。在这个例行程序的开始时，在步骤201处，检索通过预定操作限制过程限制的目标节流开口程度θg。然后，在步骤202处，估计借助于这个目标节流开口程度θg可实现的节流通过空气量Miest。在这时，目标节流开口程度θg通过与在图10中表示的映像图相类似的映像图的使用转换成节流开口横截面面积At，并且基于这个节流开口横截面面积At通过公式3的使用计算估计节流通过空气量Miest。
此后，在步骤203处，基于在当前估计节流通过空气量Miest与以前估计汽缸空气填充量Mtestold之间的差值(Miest-Mtestold)通过模拟缓冲罐填充延迟的公式4的使用，计算是在每计算循环dt的进气管压力的变化量的进气管压力变化量dPmest。然后，把进气管压力变化量dPmest每计算循环dt添加到以前估计进气管压力Pmestold上，以得到当前估计进气管压力Pmest。
然后，在步骤203处，通过例如映像图(见图11)的使用，计算与估计进气管压力Pmest相对应的估计汽缸空气填充量Mtest。这里，在估计进气管压力Pmest与估计汽缸空气填充量Mtest之间的关系根据诸如发动机转速和进气/排气阀计时之类的发动机操作条件而变化。因而，用来把估计进气管压力Pmest转换成估计汽缸空气填充量Mtest的映像图(见图11)也把发动机操作条件，如发动机转速和/或进气/排气阀计时，用作参数。
其次，参照图12A至12C将描述本实施例的优点。
图12A至12C表示时间图，该时间图指示在发动机的中等过渡操作时段中的控制特性，并且比较现有技术过滤情形(现有技术系统)、最终级滤波情形(本实施例的情形)及无滤波情形(没有滤波器)。在现有技术过滤情形下，滤波器应用在控制系统的输入(例如，目标汽缸空气填充量Mt)上。在本实施例的最终级滤波情形下，滤波器应用在控制系统的输出(目标节流开口程度)上。在无滤波情形下，滤波器根本不应用在控制系统上。
在控制节流开口程度(汽缸空气填充量)的控制系统中，提供补偿已经通过节流阀16的进气的填充延迟的相位超前补偿器。因而，在其中滤波器根本不提供在控制系统上的情形下，当噪声添加到这个控制系统的输入上时，目标节流开口程度由于相位超前补偿器的作用在中等过渡操作时段中表现出摆动，如图12B中所示，从而目标节流开口程度变得不稳定。
为了消除这个缺点，在现有技术系统中，滤波器应用到控制系统的输入上。然而，在现有技术系统中，除目标汽缸空气填充量之外，滤波器应用到其上的输入还包括对填充效率η可能具有实质影响的各种操作参数(例如，发动机转速和阀计时)。因而，当滤波器应用到引起摆动的输入的这些摆动因素的每一个上时，多个滤波器应用到输入上，从而迟滞响应。
不像以上情形，根据本发明，代之以把滤波器提供到控制系统的输入侧上，滤波器49位于相位超前补偿器与控制对象之间，即，位于控制系统的输出侧上。明确地说，在本实施例中，鉴于发现在计算期间遇到的波动即使当滤波器不应用到控制系统的输入上时也不引起显著问题，消除引起响应退化的输入侧滤波器，并且滤波器只提供到控制系统的输出侧上，以滤除目标节流开口程度的波动并由此稳定控制系统。根据本实施例，单个滤波器49足以滤除目标节流开口程度的波动。因而，与把滤波器应用于摆动因素的每一个的现有技术系统相比，根据本实施例减小由滤波引起的响应延迟。因此，即使在中等过渡操作时段中，也在保持控制系统的良好响应的同时，可便利地限制目标节流开口程度的摆动。结果，可实现控制系统的良好响应和良好稳定性。以这种方式，可实现改进的燃料消耗、增大的电子节流系统的耐久性、及车辆的改进驾驶性。
在具有闭环的控制系统中，像在本实施例中那样，当滤波器提供在闭环中时，视在相位超前补偿增益增大以改进响应。然而，控制系统的输出(目标节流开口程度)不利地变得相对于过大阶跃变化超调。
与此相反，在本实施例中，滤波器49放置在闭环外部。因此，即使对于具有闭环的控制系统的过大阶跃变化，也有可能便利地限制控制系统的输出(目标节流开口程度)的超调。
此外，根据本实施例，鉴于进气的填充延迟，基于由预定操作限制设备45通过操作限制过程限制的目标节流开口程度，计算估计汽缸空气填充量(Mtest)和估计进气管压力(Pmest)。然后，计算在进气管压力的目标值Pmt与进气管压力的估计值Pmest之间的差值dPm(＝Pmt-Pmest)。此后，通过相位超前补偿把差值dPm补偿与进气的填充延迟相对应的量，以得到节流通过空气量Mi。其次，基于节流通过空气量Mi计算目标节流开口程度。这个目标节流开口程度通过操作限制过程考虑到例如排放而被限制。因而，当目标汽缸空气填充量Mt表现出阶跃变化时，目标节流开口程度通过对于对应目标节流开口程度的中等倾度将逐渐减小，该目标节流开口程度为在阶跃变化之后出现的稳定操作时段而设置，而不是对于对应目标节流开口程度表现出快速临时增大和以后快速减小。因而，当目标汽缸空气填充量Mt表现出阶跃变化时，通过操作限制过程限制的目标节流开口程度，将只表现出超越为在阶跃变化之后的稳定操作时段设置的目标节流开口程度的中等超调。以这种方式，增大相对于表现出阶跃变化的目标汽缸空气填充量Mt的实际汽缸空气填充量的响应。
本发明不限于具有闭环的控制系统，并且可以应用于没有闭环的任何其它适当控制系统。在没有闭环的控制系统中，操作限制设备45的位置和滤波器49的位置可以颠倒。明确地说，由目标节流开口程度计算设备44计算的目标节流开口程度可以通过滤波过程滤波，并且然后可以通过操作限制过程限制。就是说，滤波器可以位于相位超前补偿器与控制对象之间的任何地方。
本发明不限于把电子节流系统作为控制对象控制的控制系统，并且可以应用于车辆的任何其它适当控制系统。
对于本领域的技术人员容易想到另外的优点和修改。本发明在其广义方面因此不限于表示和描述的特定细节、代表性设备、及说明性例子。
首先，参照图1将描述发动机控制系统的示意结构。空气滤清器13提供到汽缸喷射式内燃机11的进气管12的上游端，并且检测进气量的空气流量计14提供在空气滤清器13的下游侧上。节流阀16和节流开口程度传感器17提供在空气流量计14的下游侧上。节流阀16的开口程度(节流开口程度)通过电子节流系统的驱动电机15调节，并且节流开口程度传感器17检测节流阀16的节流开口程度。
缓冲罐18提供在节流阀16的下游侧上，并且检测进气管压力的进气管压力传感器19提供到缓冲罐18上。此外，把空气引导到发动机11的相应汽缸的进气歧管20被连接到缓冲罐18上。而且，分别连接到汽缸上的进气歧管20的引导通道部分的每一个设有流量控制阀31，该流量控制阀31控制在对应汽缸中的气流强度(回旋流强度、翻滚流强度)。
燃料喷射阀21提供到发动机11的每个汽缸的顶部上以把燃料直接喷射到汽缸中。火花塞22提供给每个汽缸在发动机11的汽缸盖处，以通过来自火花塞22的火花放电点燃在汽缸中包含的燃料和空气混合物。此外，可变阀计时装置39提供给发动机11的进气阀37以改变进气阀37的打开/关闭计时，并且可变阀计时装置40提供给发动机11的排气阀38以改变排气阀38的打开/关闭计时。
冷却剂温度传感器23提供给发动机11的汽缸柱，以检测发动机11的冷却剂温度。曲柄角度传感器24位于曲轴(未表示)的径向外部，以便每当曲轴转动预定曲柄角度时输出曲柄角度信号(脉冲信号)。基于曲柄角度传感器24的输出脉冲信号检测曲柄角度和发动机转速。
上游侧催化转换器26和下游侧催化转换器27提供在发动机11的排气管25中以净化发动机11的排放气体。此外，排放气体传感器28(例如，空气/燃料比传感器、氧气传感器)提供在上游侧催化转换器26的上游侧上，以检测排放气体的空气/燃料比或富/贫状态)。此外，用油门传感器36检测油门踏板35的踏板位置(油门开口程度)。
以上传感器的每一个的输出供给到发动机控制电路(下文称作“ECU”)30。ECU 30具有微型计算机作为其主要元件。当执行在ECU30的ROM(存储介质)中存储的每个对应例行程序(下面描述)时，ECU 30以使发动机11的输出转矩与目标转矩(要求转矩)相一致的方式设置目标节流开口程度，以控制进气量(汽缸空气填充量，它是在对应汽缸中填充的空气量)。
在本实施例中，如图2中所示，目标转矩由例如怠速控制器(ISC)50、巡航控制器51、牵引控制器52、自动变速箱控制设备(AT-ECU)53及防抱死-制动系统控制设备(ABS-ECU)54的每一个设置。然后，应用选择器(应用选择装置)41从这些目标转矩中选择最终目标转矩。此后，输出控制器(输出控制设备或输出控制装置)42基于最终目标转矩计算执行器命令值(目标节流开口程度)，并且把计算的执行器命令值输出到发动机11以使发动机11的输出转矩与目标转矩相一致。
如图3中所示，输出控制器42包括目标值计算设备(目标值计算装置)43、目标节流开口程度计算设备(目标节流开口程度计算装置)44、操作限制设备(操作限制装置)45及估计值计算设备(估计值计算装置)46。目标值计算设备43、目标节流开口程度计算设备44、操作限制设备45及估计值计算设备46形成目标节流开口程度设计装置，该目标节流开口程度设计装置基于最终目标转矩计算下面描述的目标节流开口程度θg。明确地说，目标值计算设备43把最终目标转矩转换成目标汽缸空气填充量Mt，该目标汽缸空气填充量Mt是在对应汽缸中填充的目标空气填充量。目标节流开口程度计算设备44基于目标汽缸空气填充量Mt计算目标节流开口程度。操作限制设备45考虑到例如排放和电子节流系统的电机15的驱动性能，通过节流阀16的上下限保护过程和驱动速度/加速度保护过程限制目标节流开口程度。估计值计算设备46计算汽缸空气填充量的估计值(Pmest)和进气管压力的估计值(Mtest)，这可借助于由操作限制过程(保护过程)限制的目标节流开口程度θg实现。
输出控制器42还包括滤波器49，该滤波器49过滤由操作限制设备45通过操作限制过程(保护过程)限制的目标节流开口程度θg的波动(噪声)。在这种情况下，没有滤波器应用于影响性操作参数(例如，发动机转速和阀计时)，这些参数对于用作到目标节流开口程度计算设备44的输入的目标汽缸空气填充量Mt和/或填充效率η可能具有实质影响。此外，过滤目标节流开口程度θg的波动(噪声)的滤波器49放置在闭环外，该闭环包括目标节流开口程度计算设备44、操作限制设备45及估计值计算设备46。如图5中所示，滤波器49由一阶滞后的传递函数表达，即滤波器49的传递函数＝1(Tfs+1)，其中“Tf”指示滤波器49的时间常数。
基于由滤波器49从其过滤波动(噪声)的过滤目标节流开口程度(最终目标节流开口程度)θt，控制节流开口程度。
基于进气管压力Pm和汽缸空气填充量彼此具有一般线性关系的事实，如图4中所示，目标节流开口程度计算设备44基于把目标汽缸空气填充量Mt用作参数的映像图(见图8)，计算为实现目标汽缸空气填充量Mt需要的目标进气管压力Pmt。这由目标节流开口程度计算设备44的目标进气管压力计算部分55进行。在进气管压力Pm与汽缸空气填充量之间的关系根据诸如发动机转速和进气/排气阀计时之类的发动机操作条件而变化。因而，用来把目标汽缸空气填充量Mt转换成目标进气管压力Pmt的映像图也把发动机操作条件，如发动机转速和/或进气/排气阀计时，用作参数。
然后，在补偿值计算部分56中通过如下公式1的使用计算缓冲罐填充延迟补偿值。缓冲罐填充延迟补偿值是用来补偿在进气中从节流阀16到缓冲罐18的延迟(缓冲罐填充延迟)的值。如在如下公式1中指示的那样，缓冲罐填充延迟补偿值通过把增益(V/k·R·Tmp)乘以在目标进气管压力Pmt与估计进气管压力Pmest之间的差值dPm(＝Pmt-Pmest)的时间导数值(dPm/dt)而得到。这个差值dPm以前在减法器58处得到。
(公式1)
这里，“k”指示进气比热，并且“R”指示进气气体定律常数。此外，“Tmp”指示进气温度，并且“V”指示从节流阀16到缓冲罐18的空气通道的体积。
此外，如由如下公式2表达的那样，目标节流开口程度计算设备44通过在加法器59处把由估计值计算设备46计算的估计汽缸空气填充量Mtest添加到缓冲罐填充延迟补偿值上，得到是通过节流阀16的进气量的节流通过空气量Mi。
(公式2)
以上公式2表达进气系统模型的相反模型，该进气系统模型模拟已经通过节流阀16的进气的填充延迟。
然后，基于节流通过空气量Mi，由目标节流开口程度计算设备44的目标节流开口程度计算部分57计算实现节流通过空气量Mi需要的目标节流开口程度。此后，这个计算目标节流开口程度由操作限制设备45通过预定操作限制过程(节流阀16的上下限保护过程和驱动速度/加速度保护过程)限制，以得到限制目标节流开口程度θg。其次，限制目标节流开口程度θg在过滤过程(一阶滞后过程)中由滤波器49过滤，以从限制目标节流开口程度θg滤除波动(噪声)并由此确定最终目标节流开口程度θt。然后，这个最终目标节流开口程度θt输出到电子节流系统的电机驱动电路(未表示)，以驱动该驱动电机15。
估计值计算设备46包括节流通过空气量估计部分(节流通过空气量估计装置)47和空气填充延迟计算部分(空气填充延迟计算装置)48。节流通过空气量估计部分47估计节流通过空气量Miest，这可借助于由操作限制设备45限制的目标节流开口程度θg实现。空气填充延迟计算部分48基于估计节流通过空气量Miest通过进气系统模型的使用计算估计汽缸空气填充量Mtest和估计进气管压力Pmest，该进气系统模型模拟已经通过节流阀16的进气的填充延迟。节流通过空气量估计部分47通过如下公式3的使用计算估计节流通过空气量Miest。
(公式3)
这里，“μ”指示流量适应系数，并且“Pa”指示大气压力。此外，“φ”指示流量系数(或简称为“流动系数”)，它由在估计进气管压力Pmest与大气压力Pa之间的比值(Pmest/Pa)确定(见图9)。而且，“At”指示节流开口横截面面积，它与目标节流开口程度θg相对应。
空气填充延迟计算部分48基于估计节流通过空气量Miest通过进气系统模型的使用计算估计进气管压力Pmest，这由如下公式4表达。
(公式4)
这里，“Pmestold”指示以前估计进气管压力，并且“Mtestold”指示以前估计汽缸空气填充量。此外，“dt”指示计算循环(计算周期)。
通过公式4的使用，在当前估计进气管压力Pmest的计算之后，通过映像图的使用计算与计算当前估计进气管压力Pmest相对应的估计汽缸空气填充量Mtest(见图11)。这里，在估计进气管压力Pmest与估计汽缸空气填充量Mtest之间的关系根据诸如发动机转速和进气/排气阀计时之类的发动机操作条件而变化。因而，用来把估计进气管压力Pmest转换成估计汽缸空气填充量Mtest的映像图也把发动机操作条件，如发动机转速和进气/排气阀计时，用作参数。
以上描述的节流控制操作由ECU 30根据在图6和7中表示的例行程序执行。下文，将描述这些例行程序的每一个的细节。
首先，参照图6，将描述在发动机操作期间以预定间隔执行的目标节流开口程度计算例行程序。在这个例行程序的启动时，在步骤101处检索由应用选择器41选择的最终目标转矩。然后，在步骤102处，基于当前发动机转速NE和最终目标转矩通过两维映像图的使用计算目标汽缸空气填充量Mt。此后，在步骤103处，通过映像图(见图8)的使用计算实现目标汽缸空气填充量Mt需要的目标进气管压力Pmt，该映像图把目标汽缸空气填充量Mt用作参数。这里，在进气管压力Pm与汽缸空气填充量之间的关系根据诸如发动机转速和进气/排气阀计时之类的发动机操作条件而变化。因而，用来把目标汽缸空气填充量Mt转换成目标进气管压力Pmt的映像图(见图8)也把发动机操作条件，如发动机转速和/或进气/排气阀计时，用作参数。
此后，在步骤104处，对于目标进气管压力Pmt以这样一种方式进行保护过程(或大气压力补偿)，从而目标进气管压力Pmt落在可实现进气管压力范围内，这可在当前大气压力条件下实现。然后，在步骤105处，检索在下面描述的图7的估计值(Pmest、Mtest)计算例行程序中计算的估计进气管压力Pmest和估计汽缸空气填充量Mtest。其次，在步骤106处，计算在目标进气管压力Pmt与估计进气管压力Pmest之间的差值dPm(dPm＝Pmt-Pmest)。
此后，在步骤107处，通过公式1的使用计算通过与进气从节流阀16到缓冲罐18的延迟(缓冲罐填充延迟)相对应的量对于差值dPm进行相位超前补偿需要的缓冲罐填充延迟补偿值。然后，在步骤108处，通过把估计汽缸空气填充量Mtest添加到缓冲罐填充延迟补偿值上得到节流通过空气量Mi。
然后，在步骤109处，基于节流通过空气量Mi，按如下计算实现节流通过空气量Mi需要的目标节流开口程度θt。首先，通过如下公式5的使用计算实现节流通过空气量Mi需要的要求节流开口横截面面积At。
(公式5)
这里，基于在估计进气管压力Pmest与大气压力Pa之间的比值(Pmest/Pa)通过例如在图9中表示的映像图的使用，计算流量系数φ。
通过以上公式5计算的节流开口横截面面积At通过例如在图10中表示的映像图的使用，转换成目标节流开口程度θg。
其次，在步骤110处，通过预定操作限制过程(节流阀16的上下限保护过程和驱动速度/加速度保护过程)限制目标节流开口程度θg。此后，在步骤111处，由操作限制过程限制的限制目标节流开口程度θg在过滤过程(一阶滞后过程)中由滤波器49过滤，以从限制目标节流开口程度θg滤除波动(噪声)而确定最终目标节流开口程度θt。
现在参照图7，将描述在发动机操作期间以预定间隔执行的估计值(Pmest、Mtest)计算例行程序。在这个例行程序的开始时，在步骤201处，检索通过预定操作限制过程限制的目标节流开口程度θg。然后，在步骤202处，估计借助于这个目标节流开口程度θg可实现的节流通过空气量Miest。在这时，目标节流开口程度θg通过与在图10中表示的映像图相类似的映像图的使用转换成节流开口横截面面积At，并且基于这个节流开口横截面面积At通过公式3的使用计算估计节流通过空气量Miest。
此后，在步骤203处，基于在当前估计节流通过空气量Miest与以前估计汽缸空气填充量Mtestold之间的差值(Miest-Mtestold)通过模拟缓冲罐填充延迟的公式4的使用，计算是在每计算循环dt的进气管压力的变化量的进气管压力变化量dPmest。然后，把进气管压力变化量dPmest每计算循环dt添加到以前估计进气管压力Pmestold上，以得到当前估计进气管压力Pmest。
然后，在步骤203处，通过例如映像图(见图11)的使用，计算与估计进气管压力Pmest相对应的估计汽缸空气填充量Mtest。这里，在估计进气管压力Pmest与估计汽缸空气填充量Mtest之间的关系根据诸如发动机转速和进气/排气阀计时之类的发动机操作条件而变化。因而，用来把估计进气管压力Pmest转换成估计汽缸空气填充量Mtest的映像图(见图11)也把发动机操作条件，如发动机转速和/或进气/排气阀计时，用作参数。
其次，参照图12A至12C将描述本实施例的优点。
图12A至12C表示时间图，该时间图指示在发动机的中等过渡操作时段中的控制特性，并且比较现有技术过滤情形(现有技术系统)、最终级滤波情形(本实施例的情形)及无滤波情形(没有滤波器)。在现有技术过滤情形下，滤波器应用在控制系统的输入(例如，目标汽缸空气填充量Mt)上。在本实施例的最终级滤波情形下，滤波器应用在控制系统的输出(目标节流开口程度)上。在无滤波情形下，滤波器根本不应用在控制系统上。
在控制节流开口程度(汽缸空气填充量)的控制系统中，提供补偿已经通过节流阀16的进气的填充延迟的相位超前补偿器。因而，在其中滤波器根本不提供在控制系统上的情形下，当噪声添加到这个控制系统的输入上时，目标节流开口程度由于相位超前补偿器的作用在中等过渡操作时段中表现出摆动，如图12B中所示，从而目标节流开口程度变得不稳定。
为了消除这个缺点，在现有技术系统中，滤波器应用到控制系统的输入上。然而，在现有技术系统中，除目标汽缸空气填充量之外，滤波器应用到其上的输入还包括对填充效率η可能具有实质影响的各种操作参数(例如，发动机转速和阀计时)。因而，当滤波器应用到引起摆动的输入的这些摆动因素的每一个上时，多个滤波器应用到输入上，从而迟滞响应。
不像以上情形，根据本发明，代之以把滤波器提供到控制系统的输入侧上，滤波器49位于相位超前补偿器与控制对象之间，即，位于控制系统的输出侧上。明确地说，在本实施例中，鉴于发现在计算期间遇到的波动即使当滤波器不应用到控制系统的输入上时也不引起显著问题，消除引起响应退化的输入侧滤波器，并且滤波器只提供到控制系统的输出侧上，以滤除目标节流开口程度的波动并由此稳定控制系统。根据本实施例，单个滤波器49足以滤除目标节流开口程度的波动。因而，与把滤波器应用于摆动因素的每一个的现有技术系统相比，根据本实施例减小由滤波引起的响应延迟。因此，即使在中等过渡操作时段中，也在保持控制系统的良好响应的同时，可便利地限制目标节流开口程度的摆动。结果，可实现控制系统的良好响应和良好稳定性。以这种方式，可实现改进的燃料消耗、增大的电子节流系统的耐久性、及车辆的改进驾驶性。
在具有闭环的控制系统中，像在本实施例中那样，当滤波器提供在闭环中时，视在相位超前补偿增益增大以改进响应。然而，控制系统的输出(目标节流开口程度)不利地变得相对于过大阶跃变化超调。
与此相反，在本实施例中，滤波器49放置在闭环外部。因此，即使对于具有闭环的控制系统的过大阶跃变化，也有可能便利地限制控制系统的输出(目标节流开口程度)的超调。
此外，根据本实施例，鉴于进气的填充延迟，基于由预定操作限制设备45通过操作限制过程限制的目标节流开口程度，计算估计汽缸空气填充量(Mtest)和估计进气管压力(Pmest)。然后，计算在进气管压力的目标值Pmt与进气管压力的估计值Pmest之间的差值dPm(＝Pmt-Pmest)。此后，通过相位超前补偿把差值dPm补偿与进气的填充延迟相对应的量，以得到节流通过空气量Mi。其次，基于节流通过空气量Mi计算目标节流开口程度。这个目标节流开口程度通过操作限制过程考虑到例如排放而被限制。因而，当目标汽缸空气填充量Mt表现出阶跃变化时，目标节流开口程度通过对于对应目标节流开口程度的中等倾度将逐渐减小，该目标节流开口程度为在阶跃变化之后出现的稳定操作时段而设置，而不是对于对应目标节流开口程度表现出快速临时增大和以后快速减小。因而，当目标汽缸空气填充量Mt表现出阶跃变化时，通过操作限制过程限制的目标节流开口程度，将只表现出超越为在阶跃变化之后的稳定操作时段设置的目标节流开口程度的中等超调。以这种方式，增大相对于表现出阶跃变化的目标汽缸空气填充量Mt的实际汽缸空气填充量的响应。
本发明不限于具有闭环的控制系统，并且可以应用于没有闭环的任何其它适当控制系统。在没有闭环的控制系统中，操作限制设备45的位置和滤波器49的位置可以颠倒。明确地说，由目标节流开口程度计算设备44计算的目标节流开口程度可以通过滤波过程滤波，并且然后可以通过操作限制过程限制。就是说，滤波器可以位于相位超前补偿器与控制对象之间的任何地方。
本发明不限于把电子节流系统作为控制对象控制的控制系统，并且可以应用于车辆的任何其它适当控制系统。
对于本领域的技术人员容易想到另外的优点和修改。本发明在其广义方面因此不限于表示和描述的特定细节、代表性设备、及说明性例子。