JP5779320B2 - グロープラグの温度を制御する方法及びグロープラグ制御ユニット - Google Patents

Description

本発明はグロープラグの温度を制御する方法及びグロープラグ制御ユニットに関し、セットポイント温度を使用して温度依存電気変数のセットポイント値を決定し、パルス幅変調により生成される実効電圧を補正変数として使用している。

通常、グロープラグの温度を調整したり、または制御したりする方法は、セットポイント値として、電気抵抗、または電気抵抗と等価である電気伝導度を使用している。しかしながら、原則に基づいて、電気抵抗または電気伝導度の代わりに、例えば、インダクタンスなどの他の温度依存電気変数を使用することもまた可能である。

本発明の目的は、エンジンの稼働中にグロープラグの温度をセットポイント値に迅速に制御することができる方法及びグロープラグ制御ユニットを提供することである。

上述した目的は、請求項１に示す機能を有する方法を用いて解決される。本発明のさらなる有利な発展は、従属請求項の技術主題である。

従来のＰＩＤ制御法とは逆に、本発明の制御方法は、温度依存電気変数のセットポイント値と実際の値との比較を行わず、瞬時偏移に関連して、場合によっては先行する偏移に関連して実効電圧を変更することも行わない。もっと正確に言えば、本発明の方法は、電気変数の予測値を計算するために使用されるグロープラグの数学モデルを使用している。この数学モデルはグロープラグを含む制御対象システムへのフィードバックに基づいており、すなわち、所望のセットポイント温度または所望のセットポイント値に到達するように、数学モデルの出力変数とセットポイント値とに基づく比較結果に関連して補正変数を変更する。したがって、制御に必要なフィードバックは、数学モデルが送出する出力変数を提供する数学モデルの出力により達成される。

数学モデルに対する入力変数を計算するために実効電圧の値と一緒に使用される誤差信号を、計算値を評価することにより、好ましくは計算値を測定値と比較することにより、生成する。この入力変数に基づいて、数学モデルは電気変数の予測値を規定する出力変数を計算する。

そのとき、数学モデルの出力変数がそのまま電気変数の予測値である可能性もあり、または電気変数の前記予測値を単に規定するだけであり、その結果、さらなる計算ステップにより、例えば、一定の係数を掛けることにより、出力変数から予測値を決定することになる可能性もある。これに基づいて、出力変数とセットポイント値とに基づいて行われる予定の比較は、例えば、セットポイント値と出力変数とから計算される電圧値などの変数を比較することにより、またはセットポイント値を直接予測値と比較することにより、行うことができる。

誤差信号は、任意のモデル化誤差を補正するために使用される。したがって、外部の影響、すなわち、干渉が無ければ、計算値は、所定の時間周期の後に測定値と最終的に一致し、この時間周期の継続時間は数学モデルの精度に依存している。プラグの温度への干渉があると、それは計算変数の測定変数からの偏移をもたらす。数学モデルの入力変数が計算値と測定値の両方に依存しているため、例えば、測定値と計算値の間の差に依存しているため、干渉がある場合にも数学モデルはグロープラグに追随しており、すなわち、干渉があっても計算値が測定値に近くなる。

プラグの温度への干渉は、本発明の制御方法を用いることで、従来の制御方法で実行できるより、はるかに速く補正することができる。すなわち、従来のＰＩＤ法によれば、補正変数の変化は、実際の値とセットポイント値の間の瞬時偏移に依存しているだけでなく、先行する偏移（ＩおよびＤ部分、もしくはそのいずれか）にも依存している。しかしながら、通常、干渉は先行する偏移とは関係がなく、そのため、先行する偏移を考慮しても、多くの場合、干渉の処理には役立たない。他方で、システム内にシステムの固有性を不十分にしか含んでいない可能性があるため、良い結果を達成するために単なる比例制御さえも使用することができない。対照的に、本発明の制御方法は、干渉が無い場合と干渉が生じている場合の両方において効率的で高速な温度制御を可能にしている。

電気変数の予測値を計算するために使用する数学モデルは、例えば、線形微分方程式として定式化することができる。最も簡単な場合には、数学モデルは、所与のグロープラグとその設置環境との特徴を示す２つのパラメータだけを含んでいる。第１の定数は、計算される予定の変数の現在値を重み付けするために使用され、第２の定数は、実効電圧でもある補正変数を重み付けするために使用される。

本発明の方法では、温度依存電気変数として、電気抵抗、または電気抵抗と等価である電気伝導度を使用することが好ましい。そのとき、グロープラグの電気抵抗または電気伝導度を、それぞれ給電ラインを含んで使用することができる。しかし当然のことながら、給電ラインのいかなる寄与も無い状態で、グロープラグの電気抵抗または電気伝導度を、それぞれ考慮することもまた可能である。また、他の方法として、または加えて、温度依存電気変数としてインダクタンスを使用することも可能である。

本発明のさらなる有利な発展では、例えば、セットポイント抵抗などの電気変数のセットポイント値を補正するために使用される第２の誤差信号が、計算値を評価することにより生成されることを提供している。このようにして、エンジンの稼働中の車両動作に起因する干渉の影響を、さらにうまく処理することができる。すなわち、セットポイント値に補正を加えることにより、特定の効率で干渉を補正することができ、所望のセットポイント温度に特に迅速に到達することができる。例えば、干渉がグロープラグのさらなる加熱、すなわち、温度上昇を引き起こすとき、セットポイント値を実効電圧の値に変換する基礎として少し小さいセットポイント値を採用することにより、所望のセットポイント温度に、より迅速に到達することができる。このようにして、干渉のさらなるエネルギー入力を低めの熱出力で補正することができる。例えば、特性群を用いてセットポイント値の補正を決定することができ、これらの特性群から、第２の誤差信号と、セットポイント温度またはセットポイント温度から決定されるセットポイント値と、を考慮して選択する。すなわち、第２のフィードバックは第２の誤差信号を使って実行される。

この第２のフィードバックは、方法によれば、グロープラグを含む１つの制御システムをそれぞれが含んでいる２つの制御回路が実際にあるという事実をもたらす。第１の制御回路は数学モデルの出力のフィードバックで生成される。第２の制御回路は第２の誤差信号のフィードバックで生成される。

第２の誤差信号は、計算値と測定値を比較することにより、例えば、計算値と測定値の間の差を計算することにより、生成することができ、そのため、第２の誤差信号は２つの値の差に比例することになる。

しかしながら、グロープラグのさらなる数学モデルを使用することにより第２の誤差信号を決定することもまた可能であり、さらなる数学モデルの入力変数として、グロープラグに印加される実効電圧の値を使用し、２つの数学モデルの出力変数を比較することにより第２の誤差信号を生成する。すなわち、この手順によれば、第１の数学モデルの入力変数は実効電圧と測定値の両方に依存しているのに対して、第２の数学モデルの入力変数は実効電圧に依存しているだけである。２つの数学モデルは同一であることが好ましく、このことは、それらの数学モデルが入力変数に対して同じ算術演算を実行することを意味している。

驚いたことに、２つの数学モデルの説明した使用は、モデル化誤差の影響が、より少ないという点で有利である。これは、条件を変更することにより、例えば、所与のグロープラグを異なるエンジンで使用することにより、またはグロープラグの種類自体を変更することにより、制御の品質がそれほど影響を受けないという点で有利である。したがって、例えば、適切な試行により、説明した方法の数学モデルの適切なパラメータを決定する複雑さを低減することができるが、前記複雑さの程度が無視できないほどである場合がある。

また、上述した方法の他に、本発明は、動作時に本発明の方法を利用するグロープラグ制御ユニットに関する。このようなグロープラグ制御ユニットは、例えば、メモリと、マイクロプロセッサなどの制御ユニットと、を用いて実現でき、動作時に本発明の方法を利用するプログラムがメモリ内に保存されている。このようなグロープラグ制御ユニットのハードウェア・コンポーネントは、市販のグロープラグ制御ユニットのハードウェアと同じである可能性がある。

本発明の制御方法の例示的実施形態の模式図を示している。（実施例１） 本発明の制御方法のさらなる例示的実施形態を示している。（実施例２）

例示的実施形態を用いて添付図面を参照しながら本発明の詳細および利点を示す。そのとき、同じ要素、および互いに対応している要素には、同じ参照記号が付してある。

図１は、グロープラグ１の温度を制御する方法の流れの模式図を示している。図示の制御方法では、パルス幅変調により車両の電気系統電圧から生成される実効電圧Ｕ_ｅｆｆを補正変数として使用している。図示の例示的実施形態では、使用される被制御変数はグロープラグ１の電気抵抗Ｒ_ｅである。また、他の任意の温度依存電気変数または複数の変数を有するベクトルを使用することも可能である。

図１に示す制御方法では、第１のステップが、例えば、特性群２を用いて、指定されたセットポイント温度Ｔ_ｓｅｔを使用してグロープラグの電気抵抗のセットポイント値Ｒ_ｓｅｔを決定することで構成されている。その後、セットポイント値Ｒ_ｓｅｔを採用して、グロープラグ１に印加される実効電圧Ｕ_ｅｆｆに対する値を決定している。セットポイント値Ｒ_ｓｅｔを実効電圧Ｕ_ｅｆｆに対する値に変換することは、例えば、前置フィルタ３または特性曲線を用いて行うことができる。

数学モデル４を使用して、グロープラグ１に印加される実効電圧Ｕ_ｅｆｆから、電気抵抗の予測値Ｒ_ｅを計算する。数学モデル４は、出力変数として予測値を直接送出するかもしれない。しかしながら、図示の例示的実施形態では、数学モデル４は出力変数Ｘを送出し、この出力変数Ｘを使用してさらなるステップ４ａにおいて好ましくは定数を掛けることにより電気変数の予測値Ｒ_ｅを計算している。

計算値Ｒ_ｅを評価することにより、方法ステップ５で第１の誤差信号ｅ_１（ｔ）を生成している。これを達成するために、抵抗の計算値Ｒ_ｅを抵抗の測定値Ｒ_ｍと比較している。第１の誤差信号ｅ_１（ｔ）を計算するために、例えば、図１においてマイナス記号（−）で示すように、測定抵抗値Ｒ_ｍから計算抵抗値Ｒ_ｅを差し引くことができる。このような計算結果は、経験的に決定することができる適切な係数を使って重み付けすることができる。その結果、第１の誤差信号ｅ_１（ｔ）は測定抵抗値Ｒ_ｍと計算抵抗値Ｒ_ｅの間の差に比例している。

数学モデル４の入力変数として使用される値は、実効電圧Ｕ_ｅｆｆの値と第１の誤差信号ｅ_１（ｔ）とから計算される値である。数学モデルの入力変数が計算値と測定値の間の比較に依存しているこのような数学モデル４は、ルーエンバーガー観測器と呼ばれている。

数学モデル４の出力変数Ｘとセットポイント値Ｒ_ｓｅｔとを使用して、実効電圧Ｕ_ｅｆｆの補正された値を計算している。その後、実効電圧Ｕ_ｅｆｆを、補正された値に変更する。出力変数Ｘが同時に予測値Ｒ_ｅでもあるとき、出力変数をセットポイント値Ｒ_ｓｅｔと直接比較することができ、この比較結果に基づいて、例えば、出力変数とセットポイント値Ｒ_ｓｅｔの間の差の量に比例するように実効電圧Ｕ_ｅｆｆを変更することができる。一般に、数学モデル４の出力をコントローラの入力にフィードバックすることで十分であり、このことはモデル出力のフィードバックを実行することを意味している。

図示の例示的実施形態がそれに該当するが、出力変数Ｘが予測値Ｒ_ｅに対応していないときには、出力変数Ｘは、最初に、状態コントローラまたはフィードバック・マトリックスと呼ぶことができる方法ステップ６において、抵抗値または電圧値を計算するために使用される。この方法ステップでは、セットポイント値Ｒ_ｓｅｔ、またはセットポイント値Ｒ_ｓｅｔから決定される変数、すなわち、現在の実効電圧Ｕ_ｅｆｆを、前記計算抵抗値または電圧値と比較している。この比較結果に基づいて実効電圧Ｕ_ｅｆｆを変更する。そのとき、セットポイント値Ｒ_ｓｅｔと計算値Ｒ_ｅの間の差に比例する電圧値を、実効電圧（Ｕ_ｅｆｆ）の瞬時値に加えることが好ましい。そのとき決定された差と関連する実効電圧Ｕ_ｅｆｆの比較および変更を、図１の方法ステップ７で示している。

セットポイント値Ｒ_ｓｅｔを補正するために使用される第２の誤差信号ｅ_２（ｔ）が、計算値Ｒ_ｅを評価することにより決定される。これを達成するために、例えば、特性群８を用いて、セットポイント温度Ｔ_ｓｅｔから決定されるセットポイント値Ｒ_ｓｅｔを第２の誤差信号ｅ_２（ｔ）と一緒に使用して、調整されたセットポイント値を決定する。そのときセットポイント値Ｒ_ｓｅｔの補正を決定して、図１の方法ステップ９で示すように前記補正をセットポイント値Ｒ_ｓｅｔに加えることが好ましい。その後、例えば、前置フィルタ３または特性曲線を用いて、補正されたセットポイント値を実効電圧Ｕ_ｅｆｆに対する値に変換する。場合によっては、このようにして決定した実効電圧Ｕ_ｅｆｆの値を、出力変数Ｘを考慮しながら方法ステップ７で調整する。

微分方程式、特に、線形微分方程式を、数学モデル４として使用することができる。例えば、次の計算ルール、すなわち、ｄＲ／ｄｔ＝Ａ・Ｒ＋Ｂ・Ｕ_ｅｆｆ（ｔ）、を数学モデル４として使用することができる。一般に、被制御変数ｘとして、抵抗Ｒの代わりに、複数の電気変数から他の電気変数またはベクトルを使用することもまた可能であり、そのため、数学モデルを、より一般的な形、すなわち、ｄｘ／ｄｔ＝Ａ・ｘ＋Ｂ・ｕ（ｔ）、で書き表すことができ、ここで、ｕは補正変数である。

数学モデル４の出力変数Ｘから電圧値を計算することは、例えば、定数を掛けることにより決定することができ、この定数の値は試行錯誤で決定することができる。

図示の例示的実施形態では、第２の誤差信号ｅ_２（ｔ）は、第１の誤差信号ｅ_１（ｔ）と同様に、測定値と計算値とを比較することにより、例えば、測定値と計算値の間の差を計算して、その差に重み付け係数を掛けることにより、決定される。

本発明の制御方法は、２つの制御回路を実際に含んでいる。第１の制御回路はグロープラグ１と数学モデル４とを含んでおり、図示の例示的実施形態では、この第１の制御回路はグロープラグ１と、方法ステップ５と、数学モデル４と、方法ステップ６および７と、を含んでいる。第２の制御回路はグロープラグ１と、第２の誤差信号のフィードバックと、を含んでいる。

図２は、グロープラグ１の温度を制御する方法のさらなる例示的実施形態を示している。主として、この方法は、グロープラグ１のさらなる数学モデル（第２の数学モデル）１０を用いて、グロープラグ１に印加される実効電圧Ｕ_ｅｆｆの値を使用して出力変数Ｘ_２を計算するという点で、図１で示している上述の方法とは異なっている。そのとき、２つの数学モデル４、１０の計算ルールは同じである可能性がある。しかしながら、第２の数学モデル１０では、入力変数として、グロープラグに印加される実効電圧Ｕ_ｅｆｆを直接使用しているのに対して、第１の数学モデルでは、第１の誤差信号ｅ_１（ｔ）と実効電圧Ｕ_ｅｆｆとから入力変数を計算している。

図２に示す例示的実施形態では、第２の誤差信号ｅ_２（ｔ）は、２つの数学モデル４、１０の出力変数Ｘ、Ｘ_２を比較することにより、例えば、図２に示すように出力変数Ｘ、Ｘ_２の差を計算することにより、決定される。第２の誤差信号ｅ_２（ｔ）を計算するために、差の量に一定の係数を掛けることができる。したがって、第２の例示的実施形態では、第２の誤差信号ｅ_２（ｔ）は２つの出力変数Ｘ、Ｘ_２の間の差である。

１…グロープラグ
２、８…特性群
３…前置フィルタ
４…第１の数学モデル
４ａ、５、６、７、９…方法ステップ
１０…第２の数学モデル
Ｕ_ｅｆｆ…実効電圧
Ｔ_ｓｅｔ…セットポイント温度
Ｒ_ｓｅｔ…セットポイント値
Ｒ_ｅ…予測された抵抗
Ｒ_ｍ…測定された抵抗
ｅ_１（ｔ）…第１の誤差信号
ｅ_２（ｔ）…第２の誤差信号
Ｘ…第１の数学モデルの出力変数
Ｘ_２…第２の数学モデルの出力変数

Claims (11)

1. セットポイント温度Ｔ_setを使用して温度依存電気変数のセットポイント値Ｒ_setを決定し、
   パルス幅変調により生成される実効電圧Ｕ_effをグロープラグに印加する、グロープラグの温度を制御する方法であって、
   入力変数から出力変数Ｘを計算して、その出力で前記出力変数Ｘを提供する数学モデルを使用して、前記電気変数の予測値Ｒ_eを計算し、
   前記電気変数を測定して測定値Ｒ_mを求め、
   前記予測値Ｒ_eを前記測定値Ｒ_mと比較することにより第１の誤差信号ｅ₁（ｔ）を生成し、
   前記予測値Ｒ_eを前記測定値Ｒ_mと比較することにより、前記セットポイント値Ｒ_setを補正する第２の誤差信号ｅ₂（ｔ）を生成し、
   特性群を用いて、前記セットポイント値Ｒ_setを前記第２の誤差信号ｅ₂（ｔ）と一緒に使用して、調整されたセットポイント値を決定し、そのセットポイント値Ｒ_setの補正を決定して、前記補正をセットポイント値Ｒ_setに加え、
   前記数学モデルの前記入力変数として、前記実効電圧Ｕ_effの値と前記第１の誤差信号ｅ₁（ｔ）とから計算される値を使用し、前記数学モデルは前記入力変数から出力変数Ｘを計算し、前記出力変数Ｘは前記電気変数の前記予測値Ｒ_eを規定しており、
   前記数学モデルの前記出力変数Ｘを制御に必要なフィードバックとして使用して前記実効電圧Ｕ_effの補正された値を計算し、前記実効電圧Ｕ_effを、前記補正された値に変更することを特徴とするグロープラグの温度を制御する方法。
2. 請求項１において、前記温度依存電気変数が電気抵抗であることを特徴とするグロープラグの温度を制御する方法。
3. 請求項１又は２において、前記出力変数Ｘが前記電気変数の前記予測値Ｒ_eに比例していることを特徴とするグロープラグの温度を制御する方法。
4. 請求項１乃至３のいずれかにおいて、前記実効電圧Ｕ_effの前記補正された値を計算するために、前記出力変数Ｘから計算される値を、前記セットポイント値Ｒ_setと、または前記セットポイント値から決定される変数と、比較し、前記実効電圧Ｕ_effの変化の程度が大きいほど、前記比較で決定される差も大きくなることを特徴とするグロープラグの温度を制御する方法。
5. 請求項１乃至４のいずれかにおいて、前記セットポイント値Ｒ_setと前記予測値Ｒ_eの間の差に比例する電圧値を、前記実効電圧Ｕ_effの瞬時値に加えることにより、前記実効電圧Ｕ_effの前記補正された値を計算することを特徴とするグロープラグの温度を制御する方法。
6. 請求項１乃至５のいずれかにおいて、前記第２の誤差信号ｅ₂（ｔ）が前記予測値Ｒ_eと前記測定値Ｒ_mの間の差に比例していることを特徴とするグロープラグの温度を制御する方法。
7. 請求項１乃至５のいずれかにおいて、前記グロープラグのさらなる数学モデルを使用し、前記さらなる数学モデルの入力変数として、前記グロープラグに印加される前記実効電圧Ｕ_effの前記値を使用し、前記２つの数学モデルの前記出力変数Ｘ、Ｘ₂を比較することにより前記第２の誤差信号を生成することを特徴とするグロープラグの温度を制御する方法。
8. 請求項７において、前記第２の誤差信号ｅ₂（ｔ）が前記２つの出力変数Ｘ、Ｘ₂の間の差に比例していることを特徴とするグロープラグの温度を制御する方法。
9. 請求項７または８において、前記２つの数学モデルが同一であることを特徴とするグロープラグの温度を制御する方法。
10. 請求項１乃至９のいずれかに記載の方法であって、前記入力変数を計算するために、前記第１の誤差信号ｅ₁（ｔ）を前記実効電圧Ｕ_effの前記値と足し合わす形で合成することを特徴とするグロープラグの温度を制御する方法。
11. 動作時に、請求項１乃至１０のいずれかに記載の方法を利用することを特徴とするグロープラグ制御ユニット。

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