专利名称：控制装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及通过多个控制输入对控制对象的输出进行反馈控制的控制装置。
背景技术：
以往，作为在内燃机的怠速运转中对发动机转速进行反馈控制的控制装置，公知有专利文献1所记载的装置。该内燃机具有对节气门进行旁通的旁通通路、对该旁通通路进行开闭的怠速调节阀以及点火线圈等。在该控制装置中，按照以下这样，在怠速运转中对吸入空气量和点火正时均加以控制，使发动机转速收敛于目标转速。
具体而言，首先，在怠速运转中，对应于运转状态分别设定目标转速、基本吸入空气量以及基本点火正时。接着，计算实际的发动机转速和目标转速之间的转速偏差，根据该转速偏差，分别计算吸入空气量和点火正时的反馈修正量。然后，作为与基本吸入空气量和吸入空气量的反馈修正量之和相对应的值，计算出对怠速调节阀的控制输入，作为与基本点火正时和点火正时的反馈修正量之和相对应的值，计算出对火花塞的控制输入。进而，利用与这些控制输入对应的驱动信号，来分别驱动怠速调节阀和火花塞，对吸入空气量和点火正时均加以控制，由此，进行反馈控制，使发动机转速收敛于目标转速。
专利文献1日本特开平5-222997号公报根据上述以往的控制装置，通过基于2个控制输入的2个控制处理，对发动机转速进行反馈控制，但因为这些控制处理的特性互不相同，因此2个控制处理可能互相干涉。即，在控制点火正时的情况下，其响应延迟小、无效时间少，因此能够使发动机转速迅速地收敛于目标转速。此外，因为控制的分辨能力高(与最小控制输入相对的发动机转速变化程度小)，因此可以保证良好的控制精度，但另一方面，从避免内燃机的运转状态恶化的观点出发，点火正时的变更幅度受到限制。例如，在怠速运转中，在由于驾驶空踩油门等而目标转速一时地急剧上升时等，若与此相应地控制点火正时，则点火正时的滞后量可能过大，存在燃烧效率降低的可能，从避免该情况的观点出发，点火正时的变更幅度受到限制。
另一方面，当控制吸入空气量时，与点火正时控制处理相比，控制的分辨能力低，对于目标转速的大幅变化也可应对，但另一方面，与点火正时控制处理相比，不能细致地控制发动机转速，控制精度降低。除此之外，与点火正时的反馈控制处理相比，响应延迟大、无效时间多，因此具有发动机转速向目标转速的收敛性不好的特性。
在上述的现有的控制装置中，如以上这样由于2个控制处理特性的差异而引起2个控制处理互相干涉，因此控制的稳定性和控制精度可能都减低。
而且，在PI控制等的一般的反馈控制技术中，当如上述这样发生目标转速的剧烈变化时，容易发生发动机转速相对于目标转速的过冲(overshoot)或下冲(undershoot)，容易产生振荡特性，并且，当要避免这些情况时，发动机转速向目标转速的收敛速度变慢。即，难以把发动机转速的对于目标转速的收敛特性以及收敛速度都确保在良好的状态，其结果，控制的稳定性和控制精度都更加降低。
发明内容
本发明就是为了解决上述问题而提出的，其目的在于，提供一种控制装置，其在通过多个控制输入来对控制对象的输出进行反馈控制的情况下，能够提高控制的稳定性和控制精度两者。
为了达成上述目的，在本发明的第1实施方式中，提供一种通过多个控制输入来对控制对象的输出进行控制的控制装置，其特征在于，具有目标值计算单元，其与控制对象的状态相应地计算作为控制对象输出目标的目标值；滤波目标值计算单元，其通过对计算出的目标值实施预定的滤波处理，计算用于设定控制对象的输出对于目标值的跟随响应性的一个滤波目标值；以及控制输入计算单元，其基于预定的多个反馈控制算法分别计算多个控制输入，以使控制对象的输出收敛于所计算的一个滤波目标值。
根据该控制装置的结构，根据控制对象的状态计算出作为控制对象的输出目标的目标值，通过对所计算出的目标值实施预定的滤波处理，计算出用于设定控制对象的输出对于目标值的跟随响应性的一个滤波目标值，基于预定的多个反馈控制算法分别计算多个控制输入，以使控制对象的输出收敛于所计算出的一个滤波目标值。这样，根据目标值滤波型2自由度控制算法，计算出多个控制输入，因此能够互相独立地设定预定的滤波处理的内容和预定的多个反馈控制处理的内容，从而可以个别地设定控制对象的输出对于目标值的跟随响应性和由于干扰而产生的目标值与控制对象的输出之间的偏差的收敛特性。即，通过适当地设定对目标值实施的预定的滤波处理，能够确保控制对象的输出对于目标值的良好的跟随响应性，同时通过适当地设定预定的多个反馈控制处理的内容，能够使控制对象的输出收敛于目标值，而不产生过冲和振荡特性，能够使控制对象的输出对于目标值的收敛特性稳定。而且，共用一个滤波目标值来分别计算多个控制输入，因此能够避免由于多个控制输入而引起的多个反馈控制处理互相干涉。通过以上所述，能够提高控制的稳定性以及控制精度两者。
优选特征在于，滤波目标值计算单元计算一个滤波目标值，使得目标值的变化程度越大，控制对象的输出对于目标值的跟随响应性越高(图10、34)。
根据该优选方式的结构，计算一个滤波目标值，使得目标值的变化程度越大，控制对象的输出对于目标值的跟随响应性越高，因此即使在由于控制对象的状态变化大、目标值大幅变化的情况下，也能够使控制对象的输出高精度地跟随于这样的目标值的大幅变化。其结果，能够进一步提高控制精度。
优选地，预定的多个反馈控制算法分别由预定的多个响应指定型控制算法构成，控制输入计算单元在预定的多个响应指定型控制算法中，共用规定控制对象的输出对于一个滤波目标值的收敛特性以及收敛速度的一个线性函数，来计算多个控制输入。
根据该优选实施方式的结构，根据预定的多个响应指定型控制算法，在预定的多个响应指定型控制算法中，共用规定控制对象的输出对于一个滤波目标值的收敛特性以及收敛速度的一个线性函数，来计算多个控制输入，因此控制对象的输出能够以作为响应指定型控制算法的特征的、由一个线性函数规定的收敛特性和收敛速度，收敛于一个滤波目标值，其结果，能够使控制对象的输出以这样的收敛特性和收敛速度收敛于目标值。由此，作为2自由度控制算法中的反馈控制算法，与使用PID控制等的一般的反馈控制算法的情况相比，能够提高控制的稳定性和控制精度。而且，共用上述的一个线性函数来计算多个控制输入，因此由于使控制对象的输出对于一个滤波目标值的收敛特性以及收敛速度彼此相同而计算多个控制输入，可以在避免因多个控制输入而引起的多个响应指定型控制处理的互相干涉的同时，对控制对象的输出进行控制。由此，能够进一步提高控制的稳定性和控制精度。
为了达成上述目的，在本发明的第2方式中，提供了一种通过多个控制输入来对控制对象的输出进行控制的控制装置，其特征在于，该控制装置具有目标值计算单元，其根据控制对象的状态计算作为控制对象的输出目标的目标值；以及控制输入计算单元，其基于预定的多个响应指定型控制算法，在预定的多个响应指定型控制算法中，共用规定控制对象的输出对于目标值的收敛特性以及收敛速度的一个线性函数，来分别计算多个控制输入，使得控制对象的输出收敛于所计算出的目标值。
根据该控制装置的结构，根据控制对象的状态而计算出作为控制对象的输出目标的目标值，基于预定的多个响应指定型控制算法分别计算多个控制输入，使得控制对象的输出收敛于所计算出的目标值，在预定的多个响应指定型控制算法中，共用规定控制对象的输出对于目标值的收敛特性以及收敛速度的一个线性函数，来分别计算多个控制输入。由此，由于使控制对象的输出对于目标值的收敛特性以及收敛速度彼此相同而计算多个控制输入，从而可以在避免因多个控制输入而引起的多个响应指定型控制处理的互相干涉的同时，对控制对象的输出进行控制。其结果，能够提高控制的稳定性以及控制精度两者。
优选地，控制输入计算单元对应于一个线性函数的值来设定在多个控制输入的计算中各自使用的增益。
一般地，在响应指定型控制算法中，在规定控制对象的输出对于目标值的收敛特性以及收敛速度的一个线性函数的值小的情况下，由于目标值与控制对象的输出之间的乖离程度小，从控制精度的观点出发，期望进行分辨能力高(与最小控制输入相对的控制对象输出变化程度小)的控制。另一方面，当一个线性函数的值大时，由于目标值与控制对象的输出之间的乖离程度大，从响应性的观点出发，期望进行分辨能力低(与最小控制输入相对的控制对象输出变化程度大)的控制。与此相对，根据该优选实施方式的结构，由于在多个控制输入的各自的计算中使用的增益是对应于一个线性函数的值而设定的，例如，当基于多个控制输入的控制的分辨能力互不相同时，在多个控制输入的计算中，当线性函数的值小时，将控制分辨能力高的一方的计算中使用的增益设定为比分辨能力低的一方的控制输入的计算中使用的增益更大的值，从而分辨能力高的一方的控制的贡献程度大，其成为主要侧的控制，从而避免了多个控制互相干涉，能够提高控制精度。另一方面，当线性函数的值大时，将控制分辨能力低的一方的计算中使用的增益设定为比分辨能力高的一方的控制输入的计算中使用的增益更大的值，从而分辨能力低的一方的控制的贡献程度大，其成为主要侧的控制，从而避免了多个控制互相干涉，能够提高控制的响应性。
优选地，控制输入计算单元对应于一个线性函数的积分值，在对一个线性函数的积分值实施忘却处理的同时，计算多个控制输入的至少一个。
根据该优选实施方式的结构，对应于一个线性函数的积分值，在对一个线性函数的积分值实施忘却处理的同时，计算多个控制输入的至少一个，因此通过避免一个线性函数的积分值的增大，能够避免至少一个控制输入的绝对值增大。由此，若至少一个控制输入的绝对值增大，控制对象的运转效率降低时，能够避免这样的工作效率的降低。
优选地，还具有干扰估计值计算单元，其通过预定的估计算法，分别计算用于对控制对象所受到的干扰及模型化误差进行补偿的多个干扰估计值，其中该预定的估计算法基于定义了各干扰估计值、多个控制输入的各自、以及控制对象的输出之间的关系的模型，在预定的估计算法中，对应于一个线性函数的值来设定各干扰估计值的估计增益，控制输入计算单元对应于各干扰估计值来计算各控制输入。
根据该优选实施方式的结构，通过基于定义了各干扰估计值、多个控制输入的各自、以及控制对象的输出之间的关系的模型的预定估计算法，分别计算用于对控制对象所受到的干扰及模型化误差进行补偿的多个干扰估计值，同时根据各干扰估计值计算各控制输入，所以可以通过这样计算出的各控制输入，在适当地对控制对象所受到的干扰及模型化误差进行补偿的同时，对控制对象的输出进行控制。并且，如前所述，在响应指定型控制算法中，在规定控制对象的输出对于目标值的收敛特性以及收敛速度的一个线性函数的值小的区域中，从控制精度的观点出发，期望进行分辨能力高的控制。在一个线性函数的值大的区域中，从响应性的观点出发，期望进行分辨能力低的控制。对此，在预定的估计算法中，对应于一个线性函数的值来设定各干扰估计值的估计增益，例如，在基于多个控制输入的控制的分辨能力互不相同的情况下，在多个控制输入的计算中，当线性函数的值小时，将控制分辨能力高的一方的计算中使用的干扰估计值的估计增益设定成比分辨能力低的一方的控制输入的计算中使用的估计增益更大的值，从而分辨能力高的一方的控制贡献程度大，其成为主要侧的控制，从而避免了多个控制互相干涉，能够提高控制精度。另一方面，当线性函数的值大时，将控制分辨能力低的一方的计算中使用的干扰估计值的估计增益设定成比分辨能力高的一方的控制输入的计算中使用的估计增益更大的值，从而分辨能力低的一方的控制贡献程度变大，其成为主要侧的控制，从而避免了多个控制互相干涉，能够提高控制的响应性。
优选地，还具有干扰估计值计算单元，其通过预定的估计算法，分别计算用于对控制对象所受到的干扰及模型化误差进行补偿的多个干扰估计值，其中该预定的估计算法基于定义了各干扰估计值、多个控制输入的各自、以及控制对象的输出之间的关系的模型，在预定的估计算法中，对多个干扰估计值中的至少一个实施预定的忘却处理，控制输入计算单元对应于各干扰估计值来计算各控制输入。
根据该优选实施方式的结构，通过基于定义了各干扰估计值、多个控制输入的各自、以及控制对象的输出之间的关系的模型的预定估计算法，分别计算用于对控制对象所受到的干扰及模型化误差进行补偿的多个干扰估计值，并且，对应于各干扰估计值，计算各控制输入，因此可以通过这样计算出的各控制输入，在适当地对控制对象所受到的干扰及模型化误差进行补偿的同时，对控制对象的输出进行控制。除此之外，在预定的估计算法中，对多个干扰估计值中的至少一个实施忘却处理，因此避免了至少一个干扰估计值的增大，从而能够避免至少一个控制输入的绝对值增大。由此，在至少一个控制输入的绝对值增大而控制对象的工作效率降低的情况下，能够避免这样的工作效率的降低。
优选地，控制对象的输出是内燃机的转速，多个控制输入由用于控制内燃机的吸入空气量的控制输入、和用于控制内燃机的点火正时的控制输入构成。
根据该优选实施方式的结构，能够通过用于分别控制内燃机的吸入空气量以及点火正时的2个控制输入，对内燃机的转速进行反馈控制使其收敛于目标值，而不会产生过冲等，并且能够避免吸入空气量控制和点火正时控制互相干涉。其结果，能够提高内燃机的转速控制的稳定性和控制精度。
优选地，控制对象的输出是内燃机的吸入空气量，多个控制输入由用于控制内燃机的增压的控制输入、和用于控制内燃机的EGR量的控制输入构成。
根据该优选实施方式的结构，能够通过用于分别控制内燃机的增压以及EGR量的2个控制输入，对内燃机的吸入空气量进行反馈控制使其收敛于目标值，而不会产生过冲等，并且能够避免增压控制以及EGR控制互相干涉。其结果，能够提高内燃机的吸入空气量控制的稳定性和控制精度。
图1是示出应用了本发明第1实施方式的控制装置的内燃机的概略结构的示意图。
图2是示出控制装置的概略结构的框图。
图3是示出内燃机的可变式进气门驱动机构和排气门驱动机构的概略结构的剖面图。
图4是示出可变式进气门驱动机构的可变气门升程机构的概略结构的剖面图。
图5(a)是示出升程致动器的短臂位于最大升程位置的状态和(b)位于最小升程位置的状态的图。
图6(a)是示出升程致动器的短臂位于最大升程位置的状态和(b)位于最小升程位置的状态的图。
图7是分别示出可变气门升程机构的下连杆位于最大升程位置时的进气门的气门升程曲线(实线)和位于最小升程位置时的气门升程曲线(双点划线)的图。
图8是示出怠速转速控制器的概略结构的框图。
图9是示出在怠速用基准值的计算中使用的表的一个例子的图。
图10是示出在目标值滤波设定参数的计算中使用的表的一个例子的图。
图11是示出点火正时控制器的控制算法的图。
图12是示出吸入空气量控制器的控制算法的一部分以及模型的图。
图13是示出在点火正时控制用的趋近律增益以及自适应律增益的计算中使用的表的一个例子的图。
图14是示出在吸入空气量控制用的趋近律增益以及自适应律增益的计算中使用的表的一个例子的图。
图15是用于说明控制区域的、示出相位平面及切换直线的图。
图16是用于说明控制区域的、示出内燃机的转速及目标转速之间关系的时序图。
图17(a)是示出第1实施方式的怠速转速控制的控制仿真结果的时序图，(b)～(d)是示出对比例的怠速转速控制的控制仿真结果的时序图。
图18是示出第1实施方式的怠速转速控制的控制仿真结果的时序图。
图19是示出对比例的怠速转速控制的控制仿真结果的时序图。
图20是示出包含怠速转速控制处理的点火正时控制处理及吸入空气量控制处理的内容的流程图。
图21是示出在点火基准值的计算中使用的映射表的一个例子的图。
图22是示出在升程基准值的计算中使用的映射表的一个例子的图。
图23是示出在升程控制输入的计算中使用的控制算法的图。
图24是示出在点火正时的计算中使用的映射表的一个例子的图。
图25是示出在目标气门升程的计算中使用的映射表的一个例子的图。
图26是示出本发明的第2实施方式的控制装置的怠速转速控制器的概略结构的框图。
图27是示出点火正时控制器的控制算法的图。
图28是示出吸入空气量控制器的控制算法的一部分以及模型的图。
图29是示出在点火正时控制用的趋近律增益以及估计增益的计算中使用的表的一个例子的图。
图30是示出在吸入空气量控制用的趋近律增益以及估计增益的计算中使用的表的一个例子的图。
图31是示出本发明第3实施方式的控制装置以及应用了该控制装置的内燃机的概略结构的示意图。
图32是示出协调吸入空气量控制器的概略结构的框图。
图33是示出在目标吸入空气量的计算中使用的映射表的一个例子的图。
图34是示出在目标值滤波设定参数的计算中使用的表的一个例子的图。
图35是示出在EGR控制用的趋近律增益以及自适应律增益的计算中使用的表的一个例子的图。
图36是示出在增压控制用的趋近律增益以及自适应律增益的计算中使用的表的一个例子的图。
图37是示出EGR控制器的控制算法的图。
图38是示出增压控制器的控制算法的一部分以及模型的图。
图39是示出在EGR基准值的计算中使用的映射表的一个例子的图。
图40是示出在增压基准值的计算中使用的映射表的一个例子的图。
具体实施例方式
以下，参照附图，对本发明的第1实施方式的控制装置进行说明。该控制装置1如图2所示，具有ECU2，该ECU2如后所述，根据内燃机(以下称为“发动机”)3的运转状态，执行怠速转速控制等的控制处理。
如图1和图3所示，发动机3是具有多组气缸3a和活塞3b(仅图示了1组)的直列多缸汽油发动机，搭载在未图示的车辆上。发动机3具有设在每个气缸3a上、分别对进气口和排气口进行开闭的进气门4和排气门7；用于驱动进气门4的进气凸轮轴5和进气凸轮6；对进气门4进行开闭驱动的可变式进气门驱动机构40；用于驱动排气门7的排气凸轮轴8和排气凸轮9；以及对排气门7进行开闭驱动的排气门驱动机构30等。
进气门4的气门杆4a可自由滑动地嵌合在导向装置4b上，该导向装置4b固定于气缸盖3c上。并且，如图4所示，进气门4具有上下的弹簧座4c、4d，以及设在它们之间的气门弹簧4e，通过该气门弹簧4e，被向关闭方向施力。
并且，进气凸轮轴5和排气凸轮轴8分别通过未图示的支座可自由旋转地安装在气缸盖3c上。该进气凸轮轴5在其一个端部同轴地固定有进气链轮(未图示)，经由该进气链轮和正时皮带(未图示)，与曲轴3d连接。由此，曲轴3d每转2周，进气凸轮轴5转1周。另外，针对每个气缸3a，在进气凸轮轴5上以与其一体旋转的方式设置了进气凸轮6。
并且，伴随进气凸轮轴5的旋转，可变式进气门驱动机构40对各气缸3a的进气门4进行开闭驱动，同时无级地改变进气门4的升程，从而改变吸入空气量，关于其详细情况后面进行叙述。并且，在本实施方式中，设“进气门4的升程(以下称为气门升程)”表示进气门4的最大扬程。
另一方面，排气门7的气门杆7a可自由滑动地嵌合在导向装置7b上，该导向装置7b固定于气缸盖3c上。并且，排气门7具有上下的弹簧座7c、7d，以及设在它们之间的气门弹簧7e，通过该气门弹簧7e，被向关闭方向施力。
并且，排气凸轮轴8具有与其成一体的排气链轮(未图示)，经由该排气链轮和未图示的正时皮带，与曲轴3d连接。由此，曲轴3d每转2周时，排气凸轮轴8转1周。并且，针对每个气缸3a，在排气凸轮轴8上以与其一体旋转的方式设置了排气凸轮9。
并且，排气门驱动机构30具有摇臂31，伴随排气凸轮9的旋转，该摇臂31回转，由此在抵抗气门弹簧7e的推力的同时，对排气门7进行开闭驱动。
并且，在发动机3中，分别设有曲轴角传感器20和水温传感器21。伴随曲轴3d的旋转，该曲轴角传感器20向ECU2输出均为脉冲信号的CRK信号和TDC信号。该CRK信号每预定的曲轴角(例如10°)输出一个脉冲，ECU2根据该CRK信号计算发动机3的转速(以下称为“发动机转速”)NE。并且，TDC信号是表示各气缸3a的活塞3b位于比进气行程的TDC位置稍微靠前的预定曲轴角位置的信号，每预定的曲轴角输出一个脉冲。
另一方面，水温传感器21由安装在发动机3的气缸体3f上的热敏电阻等构成，向ECU2输出表示在气缸体3f内循环的冷却水的温度的发动机水温TW的检测信号。
并且，在发动机3的进气管10中，从上流侧起依次设有空气流量传感器22、节气门机构11、进气管内绝对压力传感器23以及燃料喷射阀12等。该空气流量传感器22由热线式空气流量计构成，向ECU2输出表示吸入空气量Gcyl的检测信号。
并且，节气门机构11具有节气门11a以及对其进行开闭驱动的TH致动器11b等。节气门11a可自由回转地设在进气管10的中途，通过伴随该回转的开度变化，改变吸入空气量Gcyl。TH致动器11b是在与ECU2连接的电机上组合了齿轮机构(均未图示)的装置，通过来自ECU2的驱动信号驱动，而改变节气门11a的开度。
ECU2在通常运转时，将节气门11a保持在全开状态，并且在可变式进气门驱动机构40的故障时或者对真空助力器(master back)(未图示)供给负压时，控制节气门11a的开度。
并且，进气管10的比节气门11a更靠下流侧的部分形成稳压箱10a，在该稳压箱10a中，设有进气管内绝对压力传感器23。该进气管内绝对压力传感器23例如由半导体压力传感器等构成，向ECU2输出表示进气管10内的绝对压力(以下称为“进气管内绝对压力”)PBA的检测信号。
并且，燃料喷射嘴12由来自ECU2的与燃料喷射量相应的驱动信号驱动，向进气管10内喷射燃料。
并且，在发动机3的气缸盖3c上，安装有火花塞13(参照图2)。该火花塞13经由未图示的点火线圈，与ECU2连接，通过按照与后述的点火正时Ig_log对应的定时来施加来自ECU2的驱动信号(电压信号)而放电，使燃烧室内的混合气体燃烧。
接着，对于上述的可变式进气门驱动机构40进行说明。如图4所示，该可变式进气门驱动机构40由进气凸轮轴5、进气凸轮6以及可变气门升程机构50等构成。
该可变气门升程机构50伴随进气凸轮轴5的旋转，对进气门4进行开闭驱动，并且通过无级地改变气门升程Liftin，无级地改变吸入空气量Gcyl，其具有针对每个气缸3a设置的四节连杆式的摇臂机构51和同时驱动这些摇臂机构51的升程致动器60(参照图5)等。
各摇臂机构51由摇臂52和上下连杆53、54等构成。该上连杆53的一端部经由上销55可自由回转地安装在摇臂52的上端部，另一端部可自由回转地安装在摇臂轴56上。通过未图示的支座把该摇臂轴56安装在气缸盖3c上。
并且，在摇臂52的上销55上，可自由回转地设有滚子57。该滚子57与进气凸轮6的凸轮面抵接，当进气凸轮6旋转时，在其凸轮面上引导的同时，在进气凸轮6上转动。由此，摇臂52被在上下方向上驱动，同时上连杆53以摇臂轴56为中心转动。
而且，在摇臂52的进气门4侧的端部，安装有调节螺栓52a。当伴随进气凸轮56的旋转，摇臂52在上下方向上移动时，该调节螺栓52a抵抗气门弹簧4e的作用力，在上下方向上驱动气门杆4a，开闭进气门4。
并且，下连杆54的一端部通过下销58可自由转动地安装在摇臂52的下端部，在下连杆54的另一端，可自由转动地安装有连接销59。通过该连接销59，下连杆54与升程致动器60的后述的短臂连接。
另一方面，如图5所示，升程致动器60具有电动机61、螺母62、连杆63、长臂64和短臂65等。该电机61与ECU2连接，配置在发动机3的顶盖3e的外侧。电机61的旋转轴成为形成有外螺纹的螺纹轴61a，在该螺纹轴61a上，螺合有螺母62。该螺母62通过连杆63，与长臂64连接。该连杆63的一端部通过销63a可自由旋转地安装在螺母62上，另一端部通过销63b可自由转动地安装在长臂64的一端部。
并且，长臂64的另一端部通过转动轴66安装在短臂65的一端部。该转动轴66截面形成为圆形，贯通发动机3的顶盖3e，并由此可自由转动地被支承。伴随该转动轴66的转动，长臂64和短臂65与其一体地转动。
而且，在短臂65的另一端部，可自由转动地安装有所述连接销59，由此，短臂65通过连接销59与下连杆54连接。
接着，对于以上这样构成的可变气门升程机构50的动作进行说明。在该可变气门升程机构50中，当从ECU2向升程致动器60输入了与后述的升程控制输入Uliftin相对应的驱动信号时，螺纹轴61a旋转，通过伴随于此的螺母62的移动，长臂64和短臂65以转动轴66为中心转动，并且，伴随着该短臂65的转动，摇臂机构51的下连杆54以下销58为中心转动。即，通过升程致动器60驱动了下连杆54。
此时，通过ECU2的控制，短臂65的转动范围被限制在图5(a)所示的最大升程位置和图5(b)所示的最小升程位置之间，由此，下连杆54的转动范围也被限制在图4中实线所示的最大升程位置和图4中双点划线所示的最小升程位置之间。
当下连杆54位于最大升程位置时，在由摇臂轴56、上下销55、58和连接销59构成的四节连杆中，构成为上销55和下销58的中心间距离比摇臂轴56和连接销59之间的中心间距离长，由此，如图6(a)所示，当进气凸轮6旋转时，调节螺栓52a的移动量比进气凸轮6和滚子57之间的抵接点的移动量大。
另一方面，当下连杆54位于最小升程位置时，在上述四节连杆中，构成为上销55和下销58的中心间距离比摇臂轴56和连接销59之间的中心间距离短，由此，如图6(b)所示，当进气凸轮6旋转时，调节螺栓52a的移动量比进气凸轮6和滚子57之间的抵接点的移动量小。
根据以上的理由，当下连杆54位于最大升程位置时，进气门4以比位于最小升程位置时大的气门升程Liftin打开。具体地说，在进气凸轮6的旋转中，当下连杆54位于最大升程位置时，进气门4按照图7的实线所示的气门升程曲线打开，气门升程Liftin表现出其最大值Liftinmax。另一方面，当下连杆54位于最小升程位置时，按照图7的双点划线所示的气门升程曲线打开，气门升程Liftin表现出其最小值Liftinmin。
因此，在该可变气门升程机构50中，通过致动器60，使下连杆54在最大升程位置和最小升程位置之间摆动，使得气门升程Liftin在最大值Liftinmax和最小值Liftinmin之间无级变化，由此，能够使吸入空气量Gcyl在规定范围内无级变化。
并且，在发动机3上设有转动角传感器24(参照图2)，该转动角传感器24向ECU2输出表示转动轴66即短臂65的转动角的检测信号。ECU2根据该转动角传感器24的检测信号，计算气门升程Liftin。
而且，如图2所示，在ECU2上，分别连接有油门开度传感器25、车速传感器26、空调开关(以下称为“AC·SW”)27、交流发电机开关(以下称为“ACG·SW”)28以及动力转向泵开关(以下称为“PSP·SW”)29。
该油门开度传感器25向ECU2输出表示车辆未图示的油门踏板的踩下量(以下称为“油门开度”)AP的检测信号。并且，车速传感器26安装在车辆未图示的车轴上，向ECU2输出表示作为车辆行进速度的车速VP的检测信号。
并且，AC·SW27在未图示的空调工作时向ECU2输出ON信号，在停止时输出OFF信号。并且，ACG·SW28在未图示的交流发电机工作时向ECU2输出ON信号，在停止时输出OFF信号。并且，PSP·SW29在未图示的动力转向泵工作时向ECU2输出ON信号，在停止时输出OFF信号。并且，在本实施方式中，空调、交流发电机和动力转向泵的工作/停止状态、或发动机水温TW相当于控制对象的状态。
ECU2由CPU、RAM、ROM及I/O接口(均未图示)等所组成的微型计算机构成，根据所述的各种传感器20～26的检测信号以及各种开关27～29的ON/OFF信号，判别发动机3的运转状态，并且执行包括怠速转速控制在内的各种控制处理。在该怠速转速控制中，如后所述，ECU2在怠速运转中，通过可变气门升程机构50控制气门升程Liftin即吸入空气量Gcyl，同时通过火花塞13控制点火正时Ig_log，由此，控制发动机转速NE。
并且，在本实施方式中，由ECU2构成了目标值计算单元、滤波目标值计算单元、控制输入计算单元和干扰估计值计算单元。
接着，参照图8，对于本实施方式的控制装置1进行说明。如该图所示，该控制装置1具有怠速转速控制器70，具体地说，该怠速转速控制器70(控制输入计算单元)由ECU2构成。
在怠速转速控制器70中，如下所述，通过协调型2自由度滑模控制算法，计算用于在使吸入空气量Gcyl和点火正时Ig_log相互协调的同时进行控制的、作为反馈修正项的点火控制输入Usl_ig以及进气控制输入Usl_ar，把这些控制输入Usl_ig、Usl_ar输入给控制对象69，由此在怠速运转中进行反馈控制，使发动机转速NE收敛于目标转速NE_cmd。即，在使吸入空气量控制和点火正时控制相互协调的同时进行怠速转速控制。并且，该控制对象69定义为以点火控制输入Usl_ig及进气控制输入Usl_ar作为输入、以发动机转速NE作为输出的系统。
怠速转速控制器70具有目标值计算部71、目标值跟随响应设定部72、协调增益调度器73、点火正时控制器80和吸入空气量控制器90。
首先，在目标值计算部71(目标值计算单元)中，在怠速运转中，计算作为发动机转速NE(控制对象的输出)的目标值的目标转速NE_cmd。具体地说，首先，根据发动机水温TW，检索图9中所示的表，由此计算出怠速用基准值NE_cmd_tw。在该图中，TW1、TW2是使TW1＜TW2的关系成立的规定值(例如TW1＝40℃、TW2＝70℃)，NE_cmd1、NE_cmd2是使NE cmd1＞NE_cmd2的关系成立的规定值。在该表中，怠速用基准值NE_cmd_tw在TW＜TW1的范围中，设定为规定值NE_cmd1，在TW＞TW2的范围中，设定为规定值NE_cmd2，并且在TW1≤TW≤TW2的范围中，发动机水温TW越高，则设定为越低的值。这是因为当发动机水温TW高时，发动机3的燃烧状态稳定，因此可以利用更低的发动机转速NE来执行怠速运转。
接着，通过对上述这样计算出的怠速用基准值NE_cmd_tw加上总修正项DNE_load，来计算出目标转速NE_cmd(NE_cmd＝NE_cmd_tw+DNE_load)。该总修正项DNE_load作为3个修正项DNE1、DNE2、DNE3之和而算出(DNE_load＝NNE1+DNE2+DNE3)，这些修正项DNE1、DNE2、DNE3分别对应于3个开关27～29的ON/OFF状态而设定。
具体地说，修正项DNE1在AC·SW 27为ON状态时设定为规定值(例如50rpm)，为OFF状态时设定为0。并且，修正项DNE2在ACG·SW28为ON状态时设定为规定值(例如100rpm)，为OFF状态时设定为0。并且，修正项DNE3在PSP·SW 29为ON状态时设定为规定值(例如100rpm)，为OFF状态时设定为0。
并且，在目标值跟随响应设定部72(滤波目标值计算单元)中，与目标值计算部71算出的目标转速NE_cmd的变化程度相对应地计算目标值滤波设定参数POLE_f。该目标值滤波设定参数POLE_f用于设定发动机转速NE对于目标转速NE_cmd的跟随响应性，具体而言，根据偏差绝对值ADNE(目标值的变化程度)，检索图10中所示的表来计算。作为目标转速的本次值NE_cmd(k)和前次值NE_cmd(k-1)之间的偏差的绝对值而计算出该偏差绝对值ADNE(ADNE＝|NE_cmd(k)-NE_cmd(k-1)|)。并且，该图的ADNE1、ADNE2是使得ADNE1＜ADNE2的关系成立的规定值，POLE_f1、POLE_f2是使得POLE_f1＜POLE_f2的关系成立的规定值。
如该图10所示，在该表中，目标滤波设定参数POLE_f在ADNE1≤ADNE≤ADNE2的范围中，偏差绝对值ADNE越大，则设定为越大的值(更加接近0的值)。这是因为，如后所述目标值滤波设定参数POLE_f在目标值滤波器的滤波值NE_cmd_f的计算中，用于设定发动机转速NE对于目标转速NE_cmd的跟随响应性，因此当偏差绝对值ADNE大、发动机转速NE的变动状态大时，为了应对于此，提高目标转速NE_cmd对于滤波值NE_cmd_f的反映程度，可进一步提高发动机转速NE对于目标转速NE_cmd的跟随响应性。
并且，目标值滤波设定参数POLE_f在ADNE＜ADNE1的范围中，设定为规定值POLE_f1，在ADNE＞ADNE2的范围中，设定为规定值POLE_f2。这是由于在发动机转速NE的变动状态相当小或相当大时，通过目标滤波设定参数POLE_f来设定发动机转速NE对于目标转速NE_cmd的跟随响应性存在极限。
而且，在协调增益调度器73中，分别设定点火控制输入Usl_ig的计算中使用的趋近律增益Krch_ig和自适应律增益Kadp_ig，以及进气控制输入Usl_ar的计算中使用的趋近律增益Krch_ar和自适应律增益Kadp_ar。关于该协调增益调度器73的详细内容在后面进行叙述。
接着，对于上述的点火正时控制器80进行说明。如下所述，该点火正时控制器80利用目标值滤波型2自由度滑模控制算法，来计算点火控制输入Usl_ig，由目标值滤波器81、切换函数计算部82、等价控制输入计算部83、趋近律输入计算部84、自适应律输入计算部85以及加法要素86构成。
在该目标值滤波器81(滤波目标值计算单元)中，使用通过所述目标值计算部71计算出的目标转速NE_cmd和通过目标值跟随响应设定部72设定的目标值滤波设定参数POLE_f，利用图11的式(1)所示的一次延迟滤波算法，来计算目标转速的滤波值NE_cmd_f(滤波目标值)。由此，作为相对于目标转速NE_cmd表现出目标值滤波设定参数POLE_f的值所决定的一次延迟跟随响应性的值而计算出滤波值NE_cmd_f。
此外，在该式(1)中，带有记号(k)的各离散数据是表示与预定的控制周期同步地采样(或计算)的数据，记号k表示各离散数据的采样周期的顺序。例如，记号k表示在本次的控制定时所采样的值，记号k-1表示在上一次的控制定时所采样的值。这一点在以下的离散数据中也相同。并且，在以下的说明中，适当地省略各离散数据的记号(k)等。
并且，在切换函数计算部82中，通过图11的式(2)、(3)，计算切换函数σne(线性函数)。在该式(2)中，POLE是切换函数设定参数，设定为-1＜POLE＜0的范围内的值。并且，Ene是跟随误差，如式(3)所示，定义为发动机转速的本次值NE(k)和目标转速的滤波值的前次值NE_cmd_f(k-1)之间的偏差。
这样定义跟随误差Ene的理由在于如果定义为Ene(k)＝NE(k)-NE_cmd_f(k)，则在后述的等价控制输入Ueq_ig、Ueq_ar的计算中，需要目标转速的滤波值的下次值NE_cmd_f(k+1)，为了避免该情况而如上这样定义。并且，在如式(3)这样定义跟随误差Ene的情况下，也如后所述，在等价控制输入Ueq_ig、Ueq_ar的计算中，使用目标转速的滤波值的本次值NE_cmd_f(k)，由于其被反馈地反映，点火控制输入Usl_ig和进气控制输入Usl_ar都可以作为充分地反映了目标转速滤波值的本次值NE_cmd_f(k)的值而算出。
并且，在等价控制输入计算部83中，根据发动机转速NE、滤波值NE_cmd_f以及切换函数设定参数POLE，通过图11的式(4)，计算等价控制输入Ueq_ig。在该式(4)中，a1、a2、b1、b2是后述的模型[图12的式(13)]的模型参数。
另一方面，在趋近律输入计算部84中，使用协调增益调度器73所设定的趋近律增益Krch_ig，通过图11的式(5)，计算趋近律输入Urch_ig。
并且，在自适应律输入计算部85中，通过图11的式(6)中所示的忘却积分处理，计算对切换函数的积分值实施了忘却处理后的值，即忘却积分值sum_σne，而且，使用该忘却积分值sum_σne和协调增益调度器73所设定的自适应律增益Kadp_ig，通过式(7)，计算自适应律输入Uadp_ig。在该式(6)中，FGT是忘却系数，设定为0＜FGT＜1的范围内的值。
如该式(6)所示，忘却系数FGT与切换函数的忘却积分值的前次值sum_σne(k-1)相乘，因此通过递推式展开该式(6)时，对于n次前的值sum_σne(k-n)，乘以FGTn(0)。其结果，伴随运算处理的进行，切换函数的忘却积分值sum_σne收敛于值0，自适应律输入Uadp_ig也收敛于值0。这样，通过使用切换函数σne的忘却积分值sum_σne来计算自适应律输入Uadp_ig，点火控制输入Usl_ig不会保持为滞后修正侧的值，其结果，在后述的点火正时控制中，点火正时Ig_log不会长时间保持在滞后状态，能够确保良好的燃烧状态。并且，在点火正时Ig_log可以长时间保持在滞后侧的情况下，如一般的滑模控制算法那样，在式(6)中，把忘却系数FGT设定为值1，根据切换函数σne的一般的积分值计算自适应律输入Uadp_ig。
而且，在加法要素86中，使用以上这样计算出的等价控制输入Ueq_ig、趋近律输入Urch_ig和自适应律输入Uadp_ig，通过图11的式(8)，计算出点火控制输入Usl_ig。
在点火正时控制器80中，如以上所示，通过式(1)～(8)的目标值滤波型2自由度滑模控制算法，计算作为反馈修正项的点火控制输入Usl_ig。并且，在后述的点火正时控制中，通过把该点火控制输入Usl_ig与点火基准值Ig_base相加，计算出点火正时Ig_log。以上的式(1)～(8)是这样导出的如图12的式(13)这样定义表示发动机转速NE和点火控制输入Usl_ig的动态特性之间的关系的模型，使用该模型与目标值滤波型2自由度滑模控制律，来导出以上的式(1)～(8)，使得发动机转速NE收敛于目标转速NE_cmd。
接着，对于上述的吸入空气量控制器90进行说明。如以下所述，该吸入空气量控制器90通过目标值滤波型2自由度滑模控制算法，计算进气控制输入Usl_ar，由所述目标值滤波器81、所述切换函数计算部82、等价控制输入计算部93、趋近律输入计算部94、自适应律输入计算部95以及加法要素96构成。即，在该吸入空气量控制器90中，通过与点火正时控制器80共用目标值滤波器81和切换函数计算部82，共用目标转速的滤波值NE_cmd_f以及切换函数σne，来计算进气控制输入Usl_ar。
并且，在等价控制输入计算部93中，使用发动机转速NE、滤波值NE_cmd_f以及切换函数设定参数POLE，通过图12的式(9)，计算等价控制输入Ueq_ar。在该式(9)中，a1’、a2’、b1’、b2’是后述的模型[图12的式(14)]的模型参数。
另一方面，在趋近律输入计算部94中，使用协调增益调度器73所设定的趋近律增益Krch_ar，通过图12的式(10)，计算趋近律输入Urch_ar。
并且，在自适应律输入计算部95中，使用协调增益调度器73所设定的自适应律增益Kadp_ar，通过图12的式(11)，计算趋近律输入Uadp_ar。
并且，在加法要素96中，使用以上这样算出的等价控制输入Ueq_ar、趋近律输入Krch_ar和自适应律输入Uadp_ar，通过图12的式(12)，计算进气控制输入Usl_ar。
在吸入空气量控制器90中，如以上这样，通过式(1)～(3)、(9)～(12)中所示的目标值滤波型2自由度滑模控制算法，计算作为反馈修正项的进气控制输入Usl_ar。并且，在后述的吸入空气量控制中，通过将该进气控制输入Usl_ar与升程基准值Liftin_base相加，计算目标气门升程Liftin_cmd。并且，以上的式(1)～(3)、(9)～(12)是这样导出的如图12的式(14)这样定义表示发动机转速NE和进气控制输入Usl_ar的动态特性之间的关系的模型，使用该模型与目标值滤波型2自由度滑模控制律，导出以上的式(1)～(3)、(9)～(12)，使发动机转速NE收敛于目标转速NE_cmd。
接着，对于上述的协调增益调度器73进行说明。在该协调增益调度器73中，根据切换函数σne的值检索图13、14所示的表，来分别计算出所述的4个增益Krch_ig、Kadp_ig、Krch_ar和Kadp_ar。其中，两个图13、14中的σ1、σ2是使σ1＜σ2的关系成立的正的规定值。
首先，参照图13的表，在该表中，趋近律增益Krch_ig以及自适应律增益Kadp_ig分别对于切换函数σne的正侧和负侧的值对称地设定，在值0附近的-σ1＜σne＜σ1的范围中，设定为表示预定的最大值Krch_ig1、Kadp_ig1，并且，在σne＜-σ2和σ2＜σne的范围中，设定为表示预定的最小值Krch_ig2、Kadp_ig2。并且，在-σ2≤σne≤σ1和σ1≤σne≤σ2的范围中，设定为σne的绝对值越小则越大的值。
另一方面，参照图14的表，在该表中，趋近律增益Krch_ar以及自适应律增益Kadp_ar分别对于切换函数σne的正侧和负侧的值对称地设定，在值0附近的-σ1＜σne＜σ1的范围中，设定为表示预定的最小值Krch_ar1、Kadp_ar1，并且，在σne＜-σ2或σ2＜σne的范围中，设定为表示预定的最大值Krch_ar2、Kadp_ar2。并且，在-σ2≤σne≤σ1和σ1≤σne≤σ2的范围中，设定为σne的绝对值越小则越小的值。
以上这样设定4个增益Krch_ig、Kadp_ig、Krch_ar、Kadp_ar的值的理由如下。即，如前所述，点火正时控制的响应延迟小、无效时间少，并且控制分辨能力高(与最小点火控制输入Usl_ig相对的发动机转速NE变化程度小)，而从发动机3的燃烧状态的观点来看，具有控制幅度受到限制的特点。另一方面，吸入空气量控制的控制分辨能力比点火正时控制低，即使对于目标转速NE_cmd的大幅变化也能够应对，但另一面，与点火正时控制相比，发动机转速NE的控制精度低，并且响应延迟大、无效时间长，因此具有发动机转速NE对于目标转速NE_cmd的收敛性不好的特点。
而且，在本实施方式的怠速转速控制器70中，如前所述使用目标值滤波型2自由度滑模控制算法，因此当切换函数σne的绝对值接近于0时，目标值滤波器81所设定的、发动机转速NE对于目标转速NE_cmd的跟随特性和实际的跟随特性之间的差小，并且切换函数σ所指定的跟随误差Ene对于值0的收敛特性和实际的收敛特性之间的差小。因此，当切换函数σne的绝对值接近于0时，为了提高怠速转速控制的分辨能力和控制精度，提高点火正时控制对怠速转速控制的贡献程度，同时降低吸入空气量控制的贡献程度。与此相反，当切换函数σne的绝对值大时，目标值滤波器81所设定的上述跟随特性和实际的跟随特性之间的差大，并且切换函数σ所指定的上述收敛特性和实际的收敛特性之间的差大，因此，为了提高怠速转速控制的响应性，提高吸入空气量控制对怠速转速控制的贡献程度，同时降低点火正时控制的贡献程度。
根据以上的理由，在本实施方式的怠速转速控制器70的点火正时控制以及吸入空气量控制的协调控制的情况下，在图13、14的阴影所示的区域，点火正时控制成为主区域，这以外的区域，吸入空气量控制成为主区域。并且，如图15所示，在切换函数σne的情况下，其值接近切换直线的区域(图15的阴影所示的区域)点火正时控制成为主区域，这以外的区域，吸入空气量控制成为主区域。与此相同，在发动机转速NE以及目标转速NE_cmd的关系中，如图16所示，在两者的乖离程度小的区域(图16的阴影所示的区域)，点火正时控制成为主区域，在这以外的区域，吸入空气量控制成为主区域。
接着，对于以上这样构成的怠速转速控制器70的怠速转速控制的控制仿真结果进行说明。首先，图17示出了使目标转速NE_cmd按照脉冲输入的形式在目标值NE1(例如800rpm)和比其高的目标值NE2(例如900rpm)之间变化的情况下的控制仿真结果，更加具体地，在图17(a)中示出了本实施方式的怠速转速控制的控制仿真结果。并且，在图17(b)中示出了省略怠速转速控制器70的协调增益调度器73，把上述的4个增益设定为固定增益的情况下的对比例的控制仿真结果。
并且，图17(c)示出了以下情况下的对比例的控制仿真结果，即把上述的4个增益设定为固定增益，并且把点火正时控制的切换函数设定参数POLE的绝对值设定为比吸入空气量控制中的值小，使点火正时控制的跟随误差Ene向值0的收敛速度快于吸入空气量控制，图17(d)示出了以下情况下的对比例的控制仿真结果，即把上述的4个增益设定为固定增益，并且与图17(c)的例子相反，把两个切换函数设定参数POLE的值设定成使吸入空气量控制的跟随误差Ene向值0的收敛速度快于点火正时控制。
参照以上的4个控制仿真结果，在图17(b)所示的对比例中，即使在吸入空气量控制和点火正时控制中使用相同的切换函数σne的情况下，当把4个增益设定为固定增益时，可以判定在发动机转速NE收敛于目标值NE1时，产生下冲，收敛特性变得不稳定，并且收敛速度降低。
此外，在图17(c)所示的对比例中，把4个增益设定为固定增益，并且把点火正时控制的跟随误差Ene向值0的收敛速度设定为比吸入空气量控制快，可以判定在发动机转速NE收敛于目标值NE1时，不产生下冲，但发动机转速NE相对于目标值NE1的乖离程度大的状态持续，并且收敛速度降低。并且，如图17(d)所示，若把点火正时控制的跟随误差Ene向值0的收敛速度设定为比吸入空气量控制慢，则当发动机转速NE收敛于目标值NE1时，产生下冲，收敛特性变得不稳定，并且收敛速度降低。
与此相对，在图17(a)中示出的本实施方式的怠速转速控制的控制仿真结果中，可以判定在发动机转速NE收敛于目标值NE1时，不会产生下冲，收敛特性稳定，并且其收敛速度比对比例快。即，如本实施方式的怠速转速控制器70这样，在点火控制输入Usl_ig以及进气控制输入Usl_ar的计算中，共用目标转速的滤波值NE_cmd_f以及切换函数σne，同时使用由协调增益调度器73进行了增益调度的4个增益Krch_ig、Kadp_ig、Krch_ar、Kadp_ar，由此在使发动机转速NE收敛于目标转速NE_cmd时，能够确保稳定的收敛特性和迅速的收敛性两者。
并且，图18示出了本实施方式的怠速转速控制器70的怠速转速控制的控制仿真结果，图19是为了进行比较，示出在以下的情况下计算的对比例的控制仿真结果，即，在怠速转速控制器70的点火正时控制器80的自适应律输入Uadp_ig的计算中，设忘却系数FTG＝1时，即，不进行忘却积分处理，通过通常的积分处理，计算自适应律输入Uadp_ig的情况。并且，在两个图中，点火控制输入Usl_ig的正侧和负侧的值分别表示超前侧和滞后侧的修正量，进气控制输入Usl_ar的正侧和负侧的值分别表示吸入空气量的增大侧和减少侧的修正量。
首先，参照图19，可以明了在对比例的怠速转速控制中，对于目标转速NE_cmd的微小变动，点火控制输入Usl_ig一方的变动频度多、进气控制输入Usl_ar的变动频度少。即，点火正时控制的分辨能力比吸入空气量控制高，因此可以判定在点火正时控制以及吸入空气量控制的协调控制中，点火正时控制成为主侧的控制。并且，由于急速的油门踏板操作等，目标转速NE_cmd在目标值NE1和目标值NE3(例如1300rpm)之间如脉冲输入那样瞬间急剧变化时，为了对其进行补偿，向滞后侧控制点火控制输入Usl_ig(时刻t2)，并且，之后把点火控制输入Usl_ig保持在滞后侧，可以明了导致燃烧效率的降低。
与此相对，如图18所示，在本实施方式的怠速转速控制中，可以明了对于目标转速NE_cmd的微小变动，点火控制输入Usl_ig和进气控制输入Usl_ar两者均频繁地变动。即，可以明了在点火正时控制以及吸入空气量控制的协调控制中，频繁发生主侧控制的切换。并且，即使当目标转速NE_cmd在目标值NE1和目标值NE3(例如1300rpm)之间瞬间急剧变化时，为了对其进行补偿，向滞后侧控制点火控制输入Usl_ig时(时刻t1)，此后点火控制输入Usl_ig也会渐渐向值0侧超前，可以明了能够避免燃烧效率的降低。
接着，参照图20，对于通过ECU2执行的、包含怠速转速控制处理的点火正时控制处理和吸入空气量控制处理进行说明。该控制处理按照定时器所设定的规定周期来执行。
在该处理中，首先，在步骤1(图中省略为“S1”。以下相同)中，判别升程正常标志F_LIFTOK是否为“1”。该升程正常标志F_LIFTOK分别设定为当可变气门升程机构50正常时为“1”、故障时为“0”。
当步骤1的判别结果为“是”、可变气门升程机构50为正常时，进入步骤2，判别怠速运转标志F_IDLE是否为“1”。当怠速运转条件成立时，即，以下的3个条件(f1)～(f3)均成立时，该怠速运转标志F_IDLE设定为“1”，此外的情况设定为“0”。
(f1)油门开度AP为表示全闭状态的值。
(f2)车速VP在规定值(例如3km)以下。
(f3)发动机转速NE在规定值(例如200rpm)以上。
当步骤2的判别结果为“是”时，作为应该执行怠速转速控制，进入步骤3，把怠速运转用的目标转速NE_cmd设定为怠速用基准值NE_cmd_tw和总修正项DNE_load之和。如前所述，怠速用基准值NE_cmd_tw是根据发动机水温TW检索图9所示的表而计算出来的，总修正项DNE_load是根据3个开关27～29的ON/OFF状态而计算出来的。
接着，在步骤4中，如前所述，根据偏差绝对值ADNE检索图10所示的表来计算出目标值滤波设定参数POLE_f。
接着，在步骤5中，通过上述式(1)计算目标转速的滤波值NE_cmd_f，之后，在步骤6中，通过上述式(2)、(3)计算切换函数σne。
接着，在步骤7中，通过上述式(4)～(8)计算点火控制输入Usl_ig。然后，进入步骤8，把点火正时Ig_log设定为对上述步骤7中计算出的点火控制输入Usl_ig加上点火基准值Ig_base后的值。该点火基准值Ig_base是根据目标转速NE_cmd和发动机水温TW检索图21所示的映射表而计算出来的。在该图中，TWa～TWc是满足TWa＜TWb＜TWc的关系成立的规定值，这一点在以下的说明中也同样。
如该图所示，在该映射表中，目标转速NE_cmd越高、或者发动机水温TW越低，则点火基准值Ig_base越设定为超前侧的值。这是因为，当目标转速NE_cmd高时，伴随于此发动机3的要求做功量大，为了与此对应而如此设定。并且，当发动机水温TW低时，伴随于此燃烧的稳定性降低，为了与此对应而如此设定。
在步骤8之后的步骤9中，通过上述式(9)～(12)计算进气控制输入Usl_ar。
接着，进入步骤10，把目标气门升程Liftin_cmd设定为对上述步骤8中计算出的进气控制输入Usl_ar加上升程基准值Liftin_base的值。该升程基准值Liftin_base是根据目标转速NE_cmd和发动机水温TW检索图22所示的映射表而计算出来的。
如该图所示，在该映射表中，目标转速NE_cmd越高、或者发动机水温TW越低，则升程基准值Liftin_base越设定为大的值。这是因为，如前所述，当目标转速NE_cmd高时，伴随于此要求做功量大，为了与此对应而如此设定。并且，当发动机水温TW低时，如前所述，伴随于此燃烧的稳定性降低，并且发动机3的摩擦增大，为了与此对应而如此设定。
接着，进入步骤11，根据气门升程Liftin和目标气门升程Liftin_cmd，通过图23所示的式(15)～(21)的目标值滤波型2自由度滑模控制算法，计算升程控制输入Uliftin。
在这些式(15)～(21)中，Liftin_cmd_f表示目标气门升程的滤波值，σli表示切换函数，Eli表示跟随误差，Ueq_li表示等价控制输入，Urch_li表示趋近律输入，Krch表示趋近律增益，Uadp表示自适应律输入，Kadp表示自适应律增益。并且，POLE_f”是设定为使-1＜POLE”_f＜0的关系成立的目标值滤波设定参数，POLE”是设定为使-1＜POLE”＜0成立的切换函数设定参数。并且，a1”、a2”、b1”、b2”表示定义了气门升程Liftin和升程控制输入Uliftin的动态特性的模型(未图示)的模型参数。
以上这样，在计算出怠速转速控制用的点火正时Ig_log和升程控制输入Uliftin之后，结束本处理。由此，按照与点火正时Ig_log相对应的定时，通过火花塞13执行点火正时控制，并且通过可变气门升程机构50，驱动进气门4，以成为与升程控制输入Uliftin相对应的气门升程Liftin，由此，控制吸入空气量Gcyl。
另一方面。当步骤2的判别结果为“否”、怠速运转条件不成立时，进入步骤12，判别变速标志F_ATCHG是否为“1”。当未图示的自动变速器在变速中时，该变速标志F_ATCHG为“1”，此外的情况设定为“0”。
当该步骤12的判别结果为“是”、即自动变速器在变速中时，在步骤13中，根据车速VP、变速比以及扭矩变换器(未图示)的滑移率，计算目标转速NE_cmd。接着，如前所述，执行步骤4～11后，结束本处理。
另一方面，当步骤12的判别结果为“否”、即自动变速器不在变速中时，进入步骤14，根据目标转速NE_cmd和油门开度AP检索图24所示的映射表，来计算点火正时Ig_log。在该映射表中，AP1～AP3是使AP1＜AP2＜AP3的关系成立的预定的油门开度AP，这一点在以下的说明中也同样。在该映射表中，油门开度AP越大，点火正时Ig_log越设定为滞后侧的值，并且在AP＝AP3的中转速区以外，发动机转速NE越高，越设定为滞后侧的值。这是因为，当发动机转速NE或发动机负载高时，容易发生爆震，为了避免爆震，需要把点火正时Ig_log控制在滞后侧。
接着，在步骤15中，根据目标转速NE_cmd和发动机水温TW检索图25所示的映射表，计算出目标气门升程Liftin_cmd。在该映射表中，油门开度AP越大、且发动机转速NE越高，则目标气门升程Liftin_cmd越设定为大的值。这是因为，当发动机转速NE或者发动机负载高时，为了确保与此对应的发动机输出，把气门升程Liftin即吸入空气量Gcyl控制为大的值。
接着，如前所述，在步骤11中计算出升程控制输入Uliftin之后，结束本处理。
另一方面，当步骤1的判别结果是“否”、可变气门升程机构50发生故障时，进入步骤16，把点火正时Ig_log设定为故障时值Ig_fs。该故障时值Ig_fs通过预定的反馈控制算法而计算，使发动机转速NE成为预定的故障时目标转速NE_cmd_fs(例如1500rpm)。
接着，在步骤17中，把升程控制输入Uliftin设定为值0之后，结束本处理。由此，通过可变气门升程机构50，驱动进气门4，使气门升程Liftin成为最小值Liftinmin。
以上这样，根据本实施方式的控制装置1，通过目标值滤波型2自由度滑模控制算法，计算点火控制输入Usl_ig和进气控制输入Usl_ar，所以可以个别地设定发动机转速NE对于目标转速NE_cmd的跟随响应性和收敛特性及收敛速度。由此，能够确保发动机转速NE对于目标转速NE_cmd的良好的跟随响应性，同时能够在不发生过冲和振荡特性的情况下，将发动机转速NE收敛于目标转速NE_cmd，能够使发动机转速NE向目标转速NE_cmd的收敛特性稳定。
除此之外，点火控制输入Usl_ig和进气控制输入Usl_ar在目标值滤波型2自由度滑模控制算法中，共用一个滤波值NE_cmd_f而计算，由此能够避免怠速转速控制的点火正时控制处理和吸入空气量控制处理相互干涉。而且，点火控制输入Usl_ig和进气控制输入Usl_ar共用一个切换函数σne的值而计算，由此能够更加有效地避免点火正时控制处理和吸入空气量控制处理相互干涉。
并且，在目标值滤波器81中，在ADNE1≤ADNE≤ADNE2的范围内，偏差绝对值ADNE越大，则目标值滤波设定参数POLE_f越设定为大的值(更接近于值0的值)，提高目标转速NE_cmd对于滤波值NE_cmd_f的反映程度，因此当偏差绝对值ADNE大、发动机转速NE的变动状态大时，能够与此相应地提高发动机转速NE对于目标转速NE_cmd的跟随响应性。
并且，在点火控制输入Usl_ig的计算中，自适应律输入Uadp_ig通过切换函数σne的忘却积分处理而计算出，因此，在点火正时控制中，点火正时Ig_log不会被保持在过度的滞后状态，其结果，能够确保良好的燃烧状态。
并且，通过协调增益调度器73进行的4个增益Krch_ig、Kadp_ig、Krch_ar、Kadp_ar的设定，切换函数σne的绝对值接近于值0时，即，如前所述，当处于通过目标值滤波器81设定的、发动机转速NE对于目标转速NE_cmd的跟随特性和实际的跟随特性之间的差小，并且通过切换函数σ指定的跟随误差Ene向值0的收敛特性与实际的收敛特性之间的差小的状态时，能够提高点火正时控制对怠速转速控制的贡献程度，并且降低吸入空气量控制的贡献程度，由此，能够提高怠速转速控制的分辨能力和控制精度。与此相反，当切换函数σne的绝对值大时，即，当处于通过目标值滤波器81设定的上述跟随特性和实际的跟随特性之间的差大，并且通过切换函数σ指定的上述收敛特性与实际的收敛特性之间的差大的状态时，能够提高吸入空气量控制对怠速转速控制的贡献程度，并且降低点火正时控制的贡献程度，由此，能够提高怠速转速控制的响应性。由此，怠速转速控制的稳定性和控制精度都能得以提高。
接着，对于本发明的第2实施方式的控制装置1A进行说明。该控制装置1A与上述第1实施方式的控制装置1相比，除一部分之外，其余部分同样地构成，以下，以与第1实施方式的控制装置1的不同点为中心进行说明。如图26所示，该控制装置1A具有怠速转速控制器100，该怠速转速控制器100(控制输入计算单元)具体地由ECU2构成。
在该怠速转速控制器100中，如下所述，通过协调型2自由度滑模控制算法，在使吸入空气量Gcyl和点火正时Ig_log相互协调的同时，计算用于控制的点火控制输入Usl_ig和进气控制输入Usl_ar，通过向控制对象99输入这些控制输入Usl_ig、Usl_ar，进行反馈控制，使得在怠速运转中，发动机转速NE收敛于目标转速NE_cmd。该控制对象99被定义为以点火控制输入Usl_ig和进气控制输入Usl_ar为输入，以发动机转速NE为输出的系统。
怠速转速控制器100具有目标值计算部101(目标值计算单元)、目标值跟随响应设定部102(滤波目标值计算单元)、协调增益调度器103、点火正时控制器110和吸入空气量控制器120。该目标值计算部101和目标值跟随响应设定部102分别与前述的目标值计算部71和目标值跟随响应设定部72同样地构成，因此省略其说明。
并且，在协调增益调度器103中，分别设定点火控制输入Usl_ig的计算中使用的趋近律增益Krch_ig和后述的估计增益P_ig，以及进气控制输入Usl_ar的计算中使用的趋近律增益Krch_ar和后述的估计增益P_ar。关于该协调增益调度器103的详细内容后面进行叙述。
接着，对于点火正时控制器110进行说明。如下所述，该点火正时控制器110利用带有干扰补偿功能的目标值滤波型2自由度滑模控制算法，来计算点火控制输入Usl_ig，由目标值滤波器111、切换函数计算部112、点火控制输入计算部113以及自适应干扰观测器114构成。
在该目标值滤波器111(滤波目标值计算单元)中，与前述的目标值滤波器81同样，如图27中示出的式(22)那样，计算目标转速的滤波值NE_cmd_f，在切换函数计算部112中，与上述的切换函数计算部82同样地，通过图27中示出的式(23)、(24)，计算切换函数σne。
并且，在点火控制输入计算部113中，通过图27的式(25)，计算等价控制输入Ueq_ig，通过该图的式(26)计算趋近律输入Urch_ig，并且通过该图的式(27)计算点火控制输入Usl_ig。在式(25)中，a1、a2、b1、b2是后述的模型[图28的式(37)]的模型参数。并且，c1_ig是用于补偿模型化误差以及干扰的干扰估计值，如下所述，通过自适应干扰观测器114计算。
即，在自适应干扰观测器114(干扰估计值计算单元)中，通过图27的式(28)，计算发动机转速NE的辨识值NE_hat，通过式(29)，计算跟随误差e_dov_ig，并且通过式(30)，计算干扰估计值c1_ig。在该式(30)中，FGT_dov是忘却系数，设定为0＜FGT_dov＜1的范围内的值。并且，P_ig是估计增益，通过协调增益调度器103如后述那样设定。
如该式(30)所示，忘却系数FGT_dov与干扰估计值的前次值c1_ig(k-1)相乘，所以通过递推式展开该式(30)时，对于n次前的值c1_ig(k-n)，乘以FGT_dovn(0)。其结果，伴随运算处理的进行，干扰估计值c1_ig收敛于值0。这样，通过忘却处理计算干扰估计值c1_ig，点火控制输入Usl_ig不会保持为滞后修正侧的值，其结果，在点火正时控制中，点火正时Ig_log不会被保持为过度的滞后状态，能够确保良好的燃烧状态。并且，在点火正时Ig_log可以保持在滞后侧的情况下，如一般的自适应干扰观测器那样，在式(30)中，也可把忘却系数FGT_dov设定为值1。
在点火正时控制器110中，如以上所述，通过式(22)～(30)所示的带有干扰补偿功能的目标值滤波型2自由度滑模控制算法，计算点火控制输入Usl_ig。并且，以上的式(22)～(30)是这样导出的如图28的式(37)这样定义表示发动机转速NE和点火控制输入Usl_ig的动态特性的关系的模型、表示发动机转速NE和点火控制输入Usl_ig的动态特性的关系的模型，通过使用该模型与目标值滤波型2自由度滑模控制律以及自适应干扰观测器理论而导出。
接着，对于上述的吸入空气量控制器120进行说明。该吸入空气量控制器120通过带有干扰补偿功能的目标值滤波型2自由度滑模控制算法，计算进气控制输入Usl_ar，由所述目标值滤波器111、所述切换函数计算部112、进气控制输入计算部123以及自适应干扰观测器124构成。
在该进气控制输入计算部123中，通过图28的式(31)，计算等价控制输入Ueq_ar，通过该图的式(32)，计算趋近律输入Urch_ar，并且通过该图的式(33)，计算进气控制输入Usl_ar。在该式(31)中，a1’、a2’、b1’、b2’是后述的模型[图28的式(38)]的模型参数。并且，c1_ar是用于补偿模型化误差以及干扰的干扰估计值，如下所述，通过自适应干扰观测器124算出。
即，在自适应干扰观测器124(干扰估计值计算单元)中，通过图28的式(34)，计算发动机转速NE的辨识值NE_hat，通过式(35)，计算跟随误差e_do_ar，并且，通过式(36)，计算干扰估计值c1_ar。在该式(36)中，P_ar是估计增益，通过协调增益调度器103如后述那样设定。
在吸入空气量控制器120中，如以上这样，通过式(22)～(24)、(31)～(36)中所示的带有干扰补偿功能的目标值滤波型2自由度滑模控制算法，计算进气控制输入Usl_ar。以上的式(22)～(24)、(31)～(36)是这样导出的如图28的式(38)这样定义表示发动机转速NE和进气控制输入Usl_ar的动态特性的关系的模型，使用该模型与目标值滤波型2自由度滑模控制律以及自适应干扰观测器理论来导出。
接着，对于上述的协调增益调度器103进行说明。在该协调增益调度器103中，根据切换函数σne的值检索图29、30所示的表，来分别计算所述的4个增益Krch_ig、P_ig、Krch_ar和P_ar。其中，两个图29、30中的σ3、σ4是使σ3＜σ4的关系成立的正的规定值。
首先，参照图29的表，在该表中，趋近律增益Krch_ig以及估计增益P_ig分别对于切换函数σne的正侧和负侧的值对称地设定，在-σ4＜σne＜-σ3和σ3＜σne＜σ4的范围中，设定为σne的绝对值越小则越大的值。并且，趋近律增益Krch_ig和估计增益P_ig在值0附近的规定范围(-σ3≤σne≤σ3)内，设定为表现出其最大值Krch_ig3、P_ig3，并且，在σne≤-σ4和σ4≤σne的范围中，设定为表现出其最小值Krch_ig4、p_ig4。
另一方面，参照图30的表，在该表中，趋近律增益Krch_ar以及估计增益P_ar分别对于切换函数σne的正侧和负侧的值对称地设定，并且在-σ4＜σne＜-σ3和σ3＜σne＜σ4的范围中，设定为σne的绝对值越小则越小的值。并且，趋近律增益Krch_ar和估计增益P_ar在值0附近的规定范围(-σ3≤σne≤σ3)内，设定为表现出其最小值Krch_ar3、P_ar3，并且，在σne≤-σ4和σ4≤σne的范围中，设定为表现出其最大值Krch_ar4、P_ar4。
以上这样设定各个增益值的理由与在协调增益调度器73的说明中叙述的理由相同。即，当切换函数σne的绝对值接近于0时，处于发动机转速NE相对于目标转速NE_cmd的乖离程度小的状态，为了提高怠速转速控制的分辨能力和控制精度，提高点火正时控制对怠速转速控制的贡献程度，同时降低吸入空气量控制的贡献程度。与此相反，当切换函数σne的绝对值大时，处于跟随误差Ene的变化大，发动机转速NE相对于目标值转速NE_cmd的乖离程度大的状态，因此，为了提高怠速转速控制的响应性，提高吸入空气量控制对怠速转速控制的贡献程度，同时降低点火正时控制的贡献程度。
根据以上的理由，在本实施方式的点火正时以及吸入空气量的协调控制的情况下，在图29、30的阴影所示的区域，点火正时控制成为主区域，这以外的区域，吸入空气量控制成为主区域。
根据以上这样构成的本实施方式的控制装置1A，能够得到与上述的第1实施方式的控制装置1相同的作用效果。并且通过协调增益调度器103的趋近律增益Krch_ig、Krch_ar以及估计增益P_ig、P_ar的设定，在发动机转速NE相对于目标转速NE_cmd的乖离程度小的状态时，可以提高点火正时控制对怠速转速控制的贡献程度，并且降低吸入空气量控制的贡献程度，由此，能够提高怠速转速控制的分辨能力和控制精度。与此相反，在发动机转速NE相对于目标转速NE_cmd的乖离程度大的状态时，为了提高怠速转速控制的响应性，可以提高吸入空气量控制对怠速转速控制的贡献程度，并且降低点火正时控制的贡献程度，由此，能够提高怠速转速控制的响应性。除此之外，点火控制输入Usl_ig以及进气控制输入Usl_ar是使用由自适应干扰观测器114、124分别计算的干扰估计值c1_ig和c1_ar而算出的，因此可以在避免模型化误差以及干扰的影响的同时，进行怠速转速控制。其结果，与第1实施方式的控制装置1相比可以更加提高怠速转速控制的稳定性和控制精度。
接着，参照图31，对于本发明的第3实施方式的控制装置1B进行说明。该控制装置1B通过EGR控制及增压控制的协调控制，来控制吸入空气量Gcyl(控制对象的输出)，具有协调吸入空气量控制器200(控制输入计算单元)。对于该协调吸入空气量控制器200，后面进行叙述。应用了该控制装置1B的发动机3，除了一部分之外，与第1实施方式的发动机3同样地构成，因此，以下，对于相同的结构赋予相同的编号，并且省略其说明。该发动机3具有涡轮增压装置15和EGR控制阀16。
涡轮增压装置15具有收纳在进气管10的中途的压缩机机壳内的压缩机叶片15a、收纳在排气管14的中途的涡轮机壳内的涡轮叶片15b、把2个叶片15a和15b连接成一体的轴15c和废气旁通阀15d等。
在该涡轮增压装置15中，通过排气管14内的排气气体对涡轮叶片15b进行旋转驱动时，与其一体的压缩机叶片15a也同时旋转，从而对进气管10内的吸入空气进行加压。即，执行增压动作。
并且，上述废气旁通阀15d是开闭对排气管14的涡轮叶片15b进行旁通的旁通排气通路14a的装置，由与ECU2连接的电磁控制阀构成。当从ECU2输入了与后述的最终增压控制输入Usl_vt_f相对应的驱动信号时，该废气旁通阀15d的开度变化，由此，使得流过旁通排气通路14a的排气气体的流量，换言之，驱动涡轮叶片15b的排气气体的流量改变，使增压变化。由此，增压得到控制。
并且，EGR控制阀16通过对在进气管10和排气管14之间延伸的EGR通路17进行开闭，来执行使排气气体从排气管14回流到进气管10侧的EGR动作。EGR控制阀16由线性电磁阀构成，与ECU2连接，当从ECU2输入了与后述的最终EGR控制输入Usl_eg_f相对应的驱动信号时，其阀升程线性地变化。由此，控制EGR量。
接着，参照图32，对于协调吸入空气量控制器200进行说明。如下所述，该协调吸入空气量控制器200通过基于协调型2自由度滑模控制算法的控制算法，在使EGR量和增压相互协调的同时进行反馈控制，由此，进行反馈控制，使吸入空气量Gcyl收敛于目标吸入空气量Gcyl_cmd。
协调吸入空气量控制器200具有目标值计算部201(目标值计算单元)、目标值跟随响应设定部202(滤波目标值计算单元)、协调增益调度器203、EGR基准值计算部204、加法要素205、增压基准值计算部206、加法要素207、EGR控制器210和增压控制器220。
首先，在目标值计算部201中，计算成为吸入空气量Gcyl的目标值的目标吸入空气量Gcyl_cmd。具体地说，根据油门开度AP以及发动机转速NE检索图33中所示的映射表，由此计算目标吸入空气量Gcyl_cmd。在该映射表中，发动机转速NE越高，或者油门开度AP越大，则目标吸入空气量Gcyl_cmd设定为越大的值。这是因为当发动机转速NE越高，或油门开度AP越大时，发动机3越处于高负荷区，因此需要更大的吸入空气量。并且，在本实施方式中，油门开度AP和发动机转速NE相当于控制对象的状态。
接着，在目标值跟随响应设定部202中，与所述的目标值跟随响应设定部72同样，计算目标值滤波设定参数POLE_f*。目标值滤波设定参数POLE_f*用于设定吸入空气量Gcyl对于目标吸入空气量Gcyl_cmd的跟随响应性，具体而言，根据偏差绝对值ADGCYL(目标值的变化程度)检索图34中所示的表来计算出。作为目标吸入空气量的本次值Gcyl_cmd(k)和前次值Gcyl_cmd(k-1)之间的偏差的绝对值而计算出该偏差绝对值ADGCYL(ADGCYL＝|Gcyl_cmd(k)-Gcyl_cmd(k-1)|)。并且，该图的ADGCYL1、ADGCYL2是使得ADGCYL1＜ADGCYL2的关系成立的规定值，POLE_f1*、POLE_f2*是使得POLE_f1*＜POLE_f2*的关系成立的规定值。
如该图所示，在该表中，在ADGCYL1≤ADGCYL≤ADGCYL2的范围中，偏差绝对值ADGCYL越大，则设定为越大的值(更加接近0的值)。这是因为目标值滤波设定参数POLE_f*在目标值滤波器211进行的滤波值Gcyl_cmd_f的计算中，用于设定吸入空气量Gcyl对于目标吸入空气量Gcyl_cmd的跟随响应性，因此当偏差绝对值ADGCYL大、吸入空气量Gcyl的变动状态大时，为了应对于此，通过提高目标吸入空气量Gcyl_cmd对于滤波值Gcyl_cmd_f的反映程度，来更加提高吸入空气量Gcyl对于目标吸入空气量Gcyl_cmd的跟随响应性。
并且，目标值滤波设定参数POLE_f*在ADGCYL＜ADGCYL1、ADGCYL2＜ADGCYL的范围中，与偏差绝对值ADGCYL的值无关地，分别设定为定值POLE_f1*、POLE_f2*。这是由于在吸入空气量Gcyl的变动状态相当小或相当大时，通过目标值滤波设定参数POLE_f的设定来提高吸入空气量Gcyl对于目标吸入空气量Gcyl_cmd的跟随响应性存在极限。
而且，在协调增益调度器203中，与上述协调增益调度器73同样，分别计算在EGR控制输入Usl_eg的计算中使用的趋近律增益Krch_eg和自适应律增益Kadp_eg，以及在增压控制输入Usl_vt的计算中使用的趋近律增益Krch_vt和自适应律增益Kadp_vt。具体地说，根据后述的切换函数σgcyl的值检索图35、36中所示的表，来分别计算4个增益Krch_eg、Kadp_eg、Krch_vt和Kadp_vt。两个图35、36中的σg1、σg2是使σg1＜σg2的关系成立的正的规定值。
首先，参照图35的表，在该表中，趋近律增益Krch_eg以及自适应律增益Kadp_eg分别对于切换函数σgcyl的正侧和负侧的值对称地设定，在值0附近的-σg1＜σgcyl＜σg1的范围中，设定为表现出预定的最大值Krch_eg1、Kadp_eg1，并且，在σgcyl＜-σg2和σg2＜σgcyl的范围中，设定为表现出预定的最小值Krch_eg2、Kadp_eg2。并且，在-σg2≤σgcyl≤-σg1和σg1≤σgcyl≤σg2的范围中，σgcyl的绝对值越小，则设定为越大的值。
另一方面，参照图36的表，在该表中，趋近律增益Krch_vt以及自适应律增益Kadp_vt分别对于切换函数σgcyl的正侧和负侧的值对称地设定，在值0附近的-σg1＜σgcyl＜σg1的范围中，设定为表现出预定的最小值Krch_vt1、Kadp_vt1，并且，在σgcyl＜-σg2和σg2＜σgcyl的范围中，设定为表现出预定的最大值Krch_vt2、Kadp_vt2。并且，在-σg2≤σgcyl≤-σg1和σg1≤σgcyl≤σg2的范围中，σgcyl的绝对值越小，则设定为越小的值。
以上这样设定4个增益Krch_eg、Kadp_eg、Krch_vt、Kadp_vt的值的理由如下。即，EGR控制的控制分辨能力高(与最小EGR控制输入Usl_eg相对应的吸入空气量Gcyl变化程度小)，而从避免发动机3的燃烧状态恶化的观点来看，具有控制幅度受到限制的特点。另一方面，增压控制的控制分辨能力比EGR控制低，即使对于目标吸入空气量Gcyl_cmd的大幅变化也能够应对，但另一方面，与EGR控制相比，吸入空气量Gcyl的控制精度低，因此具有吸入空气量Gcyl对于目标吸入空气量Gcyl_cmd的收敛性不好的特点。
因此，当切换函数σgcyl的绝对值接近于0时，处于吸入空气量Gcyl相对于目标吸入空气量Gcyl_cmd的乖离程度小的状态，因此为了提高吸入空气量控制的分辨能力和控制精度，提高EGR控制对吸入空气量控制的贡献程度，同时降低增压控制的贡献程度。与此相反，当切换函数σgcyl的绝对值大时，处于跟随误差Egcyl的变化大，吸入空气量Gcyl相对于目标吸入空气量Gcyl_cmd的乖离程度大的状态，因此，为了提高吸入空气量控制的响应性，提高增压控制对吸入空气量控制的贡献程度，同时降低EGR控制的贡献程度。
根据以上的理由，在本实施方式的协调吸入空气量控制器200的EGR控制及吸入空气量控制的协调控制的情况下，在图35、36的阴影所示的区域，EGR控制成为主区域，这以外的区域，增压控制成为主区域。
接着，对于上述的EGR控制器210进行说明。如下所述，该EGR控制器210利用目标值滤波型2自由度滑模控制算法，计算EGR控制输入Usl_eg，由目标值滤波器211、切换函数计算部212、等价控制输入计算部213、趋近律输入计算部214、自适应律输入计算部215以及加法要素216构成。
在该目标值滤波器211(滤波目标值计算单元)中，与所述的目标值滤波器81同样，使用通过目标值计算部201计算出的目标吸入空气量Gcyl_cmd和通过目标值跟随响应设定部202设定的目标值滤波设定参数POLE_f*，通过图37的式(39)中示出的一次延迟滤波算法，计算目标吸入空气量的滤波值Gcyl_cmd_f(滤波目标值)。
并且，在切换函数计算部212中，与所述切换函数计算部82同样地，通过图37的式(40)、(41)，计算切换函数σgcyl(线性函数)。在该式(40)中，POLE*是切换函数设定参数，设定为-1＜POLE*＜0的范围内的值。并且，Egcyl是如式(41)那样定义的跟随误差。
并且，在等价控制输入计算部213中，根据吸入空气量Gcyl、滤波值Gcyl_cmd_f以及切换函数设定参数POLE*，通过图37的式(42)，计算等价控制输入Ueq_eg。在该式(42)中，a1*、a2*、b1*、b2*是后述的模型[图38的式(53)]的模型参数。
另一方面，在趋近律输入计算部214中，使用协调增益调度器203所设定的趋近律增益Krch_eg，通过图37的式(43)，计算趋近律输入Urch_eg。
并且，在自适应律输入计算部215中，通过图37的式(44)所示的忘却积分处理，计算切换函数的忘却积分值sum_σgcyl(线性函数的积分值)，而且，使用该忘却积分值sum_σgcyl和协调增益调度器203所设定的自适应律增益Kadp_eg，通过式(45)，计算自适应律输入Uadp_eg。在该式(44)中，FGT_eg是忘却系数，设定为0＜FGT_eg＜1的范围内的值。
通过以上的忘却积分处理，如前所述，伴随运算处理的进行，切换函数的忘却积分值sum_σgcyl收敛于值0，自适应律输入Uadp_eg也收敛于值0。这样在自适应律输入Uadp_eg的计算中使用忘却积分处理的理由在于，从降低NOX的排放量和提高燃料效率的观点出发，期望EGR量尽可能高精度地控制在与发动机3的运转区域相对应的适当的值，因此，避免发生EGR量长时间地偏离适当的值的状态，迅速地控制在适当的值。此外，在EGR量可以保持定值的情况下，如一般的滑模控制算法那样，在式(44)中，把忘却系数FGT_eg设定为值1，根据切换函数σgcyl的一般的积分值计算自适应律输入Uadp_eg。
而且，在加法要素216中，使用以上这样计算出的等价控制输入Ueq_eg、趋近律输入Urch_eg和自适应律输入Uadp_eg，通过图37的式(46)，计算出EGR控制输入Usl_eg。
如以上所示，通过式(39)～(46)的目标值滤波型2自由度滑模控制算法，计算EGR控制输入Usl_eg。以上的式(39)～(46)是这样导出的如图38的式(53)这样定义表示吸入空气量Gcyl和EGR控制输入Usl_eg的动态特性的关系的模型，使用该模型与目标值滤波型2自由度滑模控制律来导出，使吸入空气量Gcyl收敛于目标吸入空气量Gcyl_cmd。
另一方面，在所述的EGR基准值计算部204中，根据发动机转速NE和目标吸入空气量Gcyl_cmd检索图39所示的映射表，由此计算出EGR基准值Usl_eg_bs。如图39所示，在该映射表中，发动机转速NE越高，EGR基准值Usl_eg_bs越设定为大的值。并且，在目标吸入空气量Gcyl_cmd在规定值Gcyl_cmd1以下的范围内，目标吸入空气量Gcyl_cmd越大，EGR基准值Usl_eg_bs设定为越大的值，在大于规定值Gcyl_cmd1的范围内，目标吸入空气量Gcyl_cmd越大，EGR基准值Usl_eg_bs设定为越小的值。
这样设定EGR基准值Usl_eg_bs的理由在于，在发动机3的低负荷区中，为了避免燃烧状态的不稳定，把EGR量控制为小的值，在高负荷区中，为了确保发动机输出，把EGR量控制为小的值，此外，在中负荷区，从降低NOX的排放量和提高燃料效率的观点出发，把EGR量控制为大的值。
并且，在所述加法要素205中，使用以上这样算出的EGR控制输入Usl_eg和EGR基准值Usl_eg_bs，通过图37的式(47)，计算最终EGR控制输入Usl_eg_f。
接着，对于上述的增压控制器220进行说明。如以下所述，该增压控制器220通过目标值滤波型2自由度滑模控制算法，计算增压控制输入Usl_vt，由所述目标值滤波器211、所述切换函数计算部212、等价控制输入计算部223、趋近律输入计算部224、自适应律输入计算部225以及加法要素226构成。即，在该增压控制器220中，通过与EGR控制器210共用目标值滤波器211和切换函数计算部212，共用目标吸入空气量的滤波值Gcyl_cmd_f以及切换函数σgcyl而计算增压控制输入Usl_vt。
并且，在等价控制输入计算部223中，使用吸入空气量Gcyl、滤波值Gcyl_cmd_f以及切换函数设定参数POLE*，通过图38的式(48)，计算等价控输入 Ueq_vt。在该式(48)中，a1#、a2#、b1#、b2#是后述的模型[图38的式(54)]的模型参数。
另一方面，在趋近律输入计算部224中，使用协调增益调度器203所设定的趋近律增益Krch_vt，通过图38的式(49)，计算趋近律输入Urch_vt。
并且，在自适应律输入计算部225中，使用协调增益调度器203所设定的自适应律增益Kadp_vt，通过图38的式(50)，计算自适应律输入Uadp_vt。
并且，在加法要素226中，使用以上这样算出的等价控制输入Ueq_vt、趋近律输入Krch_vt和自适应律输入Uadp_vt，通过图38的式(51)，计算增压控制输入Usl_vt。
在增压控制器220中，如以上这样，通过式(39)～(41)、(48)～(51)中所示的目标值滤波型2自由度滑模控制算法，计算增压控制输入Usl_vt。并且，以上的式(39)～(41)、(48)～(51)是这样导出的如图38的式(54)这样定义表示吸入空气量Gcyl和增压控制输入Usl_vt的动态特性的关系的模型，使用该模型与目标值滤波型2自由度滑模控制律来导出，使吸入空气量Gcyl收敛于目标吸入空气量Gcyl_cmd。
另一方面，在所述的增压基准值计算部206中，根据发动机转速NE和目标吸入空气量Gcyl_cmd检索图40所示的映射表，计算增压基准值Usl_vt_bs。如图40所示，在该映射表中，发动机转速NE越高，增压基准值Usl_vt_bs设定为越大的值。并且，在目标吸入空气量Gcyl_cmd在规定值Gcyl_cmd1以下的范围内，目标吸入空气量Gcyl_cmd越大，增压基准值Usl_vt_bs设定为越大的值，在大于规定值Gcyl_cmd1的范围内，目标吸入空气量Gcyl_cmd越大，增压基准值Usl_vt_bs设定为越小的值。
这样设定增压基准值Usl_vt_bs的理由在于，在发动机3的低负荷区中，为了避免由于增压的不必要的上升而产生扭矩变动，把增压控制为小的值，在高负荷区，为了避免由于增压的过度上升引起发动机输出过大，把增压控制为小的值，此外，在中负荷区，从确保发动机输出的观点出发，把增压控制为大的值。
并且，在所述的加法要素207中，使用以上这样算出的增压控制输入Usl_vt和增压基准值Usl_vt_bs，通过图38的式(52)，计算最终增压控制输入Usl_vt_f。
以上这样，根据本实施方式的控制装置1B，通过目标值滤波型2自由度滑模控制算法，计算EGR控制输入Usl_eg和增压控制输入Usl_vt，所以可以个别地设定吸入空气量Gcyl对于目标吸入空气量Gcyl_cmd的跟随响应性和收敛特性及收敛速度。由此，能够确保吸入空气量Gcyl对于目标吸入空气量Gcyl_cmd的良好的跟随响应性，同时能够在不发生过冲和振荡特性的情况下，使吸入空气量Gcyl收敛于目标吸入空气量Gcyl_cmd，能够使吸入空气量Gcyl向目标吸入空气量Gcyl_cmd的收敛特性变得稳定。
除此之外，EGR控制输入Usl_eg和增压控制输入Usl_vt在目标值滤波型2自由度滑模控制算法中，共用一个滤波值Gcyl_cmd_f而计算，由此能够避免吸入空气量控制的EGR控制处理和增压控制处理相互干涉。而且，EGR控制输入Usl_eg和增压控制输入Usl_vt共用一个切换函数σgcyl的值而计算，由此能够更加有效地避免EGR控制处理和增压控制处理相互干涉。
并且，在目标值滤波器211中，在ADGCYL1≤ADGCYL≤ADGCYL2的范围内，偏差绝对值ADGCYL越大，目标值滤波设定参数POLE_f*越设定为大的值(更接近于值0的值)，提高目标吸入空气量Gcyl_cmd对于滤波值Gcyl_cmd_f的反映程度，因此当偏差绝对值ADGCYL大、吸入空气量Gcyl的变动状态大时，能够与此对应地更加提高吸入空气量Gcyl对于目标吸入空气量Gcyl_cmd的跟随响应性。
并且，在EGR控制输入Usl_eg的计算中，通过切换函数σgcyl的忘却积分处理来计算出自适应律输入Uadp_eg，因此，在EGR控制中，量不会保持为不适当的数值，其结果，能够确保良好的燃烧状态。
并且，通过协调增益调度器203进行的4个增益Krch_eg、Kadp_eg、Krch_vt、Kadp_vt的设定，在处于吸入空气量Gcyl相对于目标吸入空气量Gcyl_cmd的乖离程度小的状态时，可以提高EGR控制对吸入空气量控制的贡献程度，并且降低增压控制的贡献程度，由此，能够提高吸入空气量控制的分辨能力和控制精度。与此相反，当处于吸入空气量Gcyl相对于目标吸入空气量Gcyl_cmd的乖离程度大的状态时，为了提高吸入空气量控制的响应性，可以提高增压控制对吸入空气量控制的贡献程度，并且降低EGR控制的贡献程度，由此，能够提高吸入空气量控制的响应性。这样，能够提高吸入空气量控制的稳定性和控制精度这两者。
并且，在所述的各实施方式中，使用了滑模控制算法作为响应指定型控制算法，但响应指定型控制算法不限于此，也可以是反推(backstepping)控制算法等的、可以指定控制对象的输出对于目标值的收敛特性和收敛速度的响应指定型控制算法。
并且，在各实施方式中，使用了滑模控制算法作为反馈控制算法，但反馈控制算法不限于此，也可以是PID控制算法和PI控制算法等的反馈控制算法。
并且，在各实施方式中，是将本发明的控制装置应用于内燃机的怠速转速控制或吸入空气量控制的例子，但本发明的控制装置不限于此，可应用于通过多个控制输入对控制对象的输出进行控制的装置。
产业上的利用可能性本发明的控制装置应用于内燃机的怠速转速控制或吸入空气量控制等的、通过多个控制输入实现的控制对象的输出的反馈控制，可以在不产生过冲和振荡特性的情况下，使控制对象的输出收敛于目标值，能够使控制对象的输出对于目标值的收敛特性稳定，并且能够避免基于多个控制输入的多个反馈控制处理相互干涉。因此，能够提高控制的稳定性和控制精度这两者，作为在各种产业领域中使用的这种控制装置很有用。
权利要求
1.一种通过多个控制输入来对控制对象的输出进行控制的控制装置，其特征在于，该控制装置具有目标值计算单元，其根据该控制对象的状态计算作为所述控制对象的输出的目标的目标值；滤波目标值计算单元，其通过对该计算出的目标值实施预定的滤波处理，来计算用于设定所述控制对象的输出对于所述目标值的跟随响应性的一个滤波目标值；以及控制输入计算单元，其基于预定的多个反馈控制算法分别计算所述多个控制输入，使得所述控制对象的输出收敛于所述计算出的一个滤波目标值。
2.根据权利要求1所述的控制装置，其特征在于，所述滤波目标值计算单元计算所述一个滤波目标值，使得所述目标值的变化程度越大，所述控制对象的输出对于所述目标值的跟随响应性越高。
3.根据权利要求1所述的控制装置，其特征在于，所述预定的多个反馈控制算法分别由预定的多个响应指定型控制算法构成，所述控制输入计算单元在该预定的多个响应指定型控制算法中，共用规定所述控制对象的输出对于所述一个滤波目标值的收敛特性以及收敛速度的一个线性函数，来计算所述多个控制输入。
4.根据权利要求1所述的控制装置，其特征在于，所述控制对象的输出是内燃机的转速，所述多个控制输入由用于控制所述内燃机的吸入空气量的控制输入、和用于控制所述内燃机的点火正时的控制输入构成。
5.根据权利要求1所述的控制装置，其特征在于，所述控制对象的输出是内燃机的吸入空气量，所述多个控制输入由用于控制所述内燃机的增压的控制输入、和用于控制所述内燃机的EGR量的控制输入构成。
6.根据权利要求3所述的控制装置，其特征在于，所述控制输入计算单元对应于所述一个线性函数的值来设定在所述多个控制输入各自的计算中使用的增益。
7.根据权利要求3所述的控制装置，其特征在于，所述控制输入计算单元对应于所述一个线性函数的积分值，在对所述一个线性函数的积分值实施忘却处理的同时，计算所述多个控制输入中的至少一个。
8.根据权利要求3所述的控制装置，其特征在于，该控制装置还具有干扰估计值计算单元，该干扰估计值计算单元通过预定的估计算法，分别计算用于对所述控制对象所受到的干扰及模型化误差进行补偿的多个干扰估计值，其中所述预定的估计算法基于定义了该各干扰估计值、所述多个控制输入的各自以及所述控制对象的输出之间的关系的模型，在该预定的估计算法中，对应于所述一个线性函数的值来设定所述各干扰估计值的估计增益，所述控制输入计算单元对应于所述各干扰估计值而计算所述各控制输入。
9.根据权利要求3所述的控制装置，其特征在于，该控制装置还具有干扰估计值计算单元，该干扰估计值计算单元通过预定的估计算法，分别计算用于对所述控制对象所受到的干扰及模型化误差进行补偿的多个干扰估计值，其中所述预定的估计算法基于定义了该各干扰估计值、所述多个控制输入的各自以及所述控制对象的输出之间的关系的模型，在该预定的估计算法中，对所述多个干扰估计值中的至少一个实施预定的忘却处理，所述控制输入计算单元对应于所述各干扰估计值而计算所述各控制输入。
10.一种通过多个控制输入来对控制对象的输出进行控制的控制装置，其特征在于，该控制装置具有目标值计算单元，其根据该控制对象的状态计算作为所述控制对象的输出的目标的目标值；以及控制输入计算单元，其基于预定的多个响应指定型控制算法，分别计算所述多个控制输入，使得所述控制对象的输出收敛于所述计算出的目标值，其中在该预定的多个响应指定型控制算法中，共用规定所述控制对象的输出对于所述目标值的收敛特性以及收敛速度的一个线性函数。
11.根据权利要求10所述的控制装置，其特征在于，所述控制输入计算单元对应于所述一个线性函数的值来设定在所述多个控制输入各自的计算中使用的增益。
12.根据权利要求10所述的控制装置，其特征在于，所述控制输入计算单元对应于所述一个线性函数的积分值，在对所述一个线性函数的积分值实施忘却处理的同时，计算所述多个控制输入中的至少一个。
13.根据权利要求10所述的控制装置，其特征在于，该控制装置还具有干扰估计值计算单元，该干扰估计值计算单元通过预定的估计算法，分别计算用于对所述控制对象所受到的干扰及模型化误差进行补偿的多个干扰估计值，其中所述预定的估计算法基于定义了该各干扰估计值、所述多个控制输入的各自以及所述控制对象的输出之间的关系的模型，在该预定的估计算法中，对应于所述一个线性函数的值来设定所述各干扰估计值的估计增益，所述控制输入计算单元对应于所述各干扰估计值而计算所述各控制输入。
14.根据权利要求10所述的控制装置，其特征在于，该控制装置还具有干扰估计值计算单元，该干扰估计值计算单元通过预定的估计算法，分别计算用于对所述控制对象所受到的干扰及模型化误差进行补偿的多个干扰估计值，其中所述预定的估计算法基于定义了该各干扰估计值、所述多个控制输入的各自以及所述控制对象的输出之间的关系的模型，在该预定的估计算法中，对所述多个干扰估计值中的至少一个实施预定的忘却处理，所述控制输入计算单元对应于所述各干扰估计值而计算所述各控制输入。
15.根据权利要求10所述的控制装置，其特征在于，所述控制对象的输出是内燃机的转速，所述多个控制输入由用于控制所述内燃机的吸入空气量的控制输入、和用于控制所述内燃机的点火正时的控制输入构成。
16.根据权利要求10所述的控制装置，其特征在于，所述控制对象的输出是内燃机的吸入空气量，所述多个控制输入由用于控制所述内燃机的增压的控制输入、和用于控制所述内燃机的EGR量的控制输入构成。
全文摘要
本发明提供一种控制装置，其在通过多个控制输入对控制对象的输出进行反馈控制的情况下，能够提高控制的稳定性和控制精度两者。控制装置(1)的ECU(2)通过点火控制输入Usl_ig和进气控制输入Usl_ar，对怠速运转中的发动机转速NE进行控制，根据发动机水温TW等，计算目标转速NE_cmd(步骤3)，相互共用1个切换函数σne，通过预定的多个目标值滤波型2自由度滑模控制算法[式(1)～(12)]分别计算点火控制输入Usl_ig和进气控制输入Usl_ar，使发动机转速NE收敛于目标转速NE_cmd(步骤4～7、9)。
文档编号G05B11/36GK1938655SQ20058001025
公开日2007年3月28日 申请日期2005年3月29日 优先权日2004年4月7日
发明者安井裕司, 田上裕, 齐藤光宣, 东谷幸祐, 佐藤正浩 申请人:本田技研工业株式会社