JP2629010B2

JP2629010B2 - 検出速度の反復決定及び速度調節のための方法及び装置

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Publication number: JP2629010B2
Application number: JP62304387A
Authority: JP
Inventors: ラリー・エル・アダムス; ダニエル・シー・ガーベイ
Original assignee: Woodward Governor Co
Current assignee: Woodward Inc
Priority date: 1986-12-01
Filing date: 1987-12-01
Publication date: 1997-07-09
Anticipated expiration: 2012-07-09
Also published as: JPS63179163A; EP0270313A2; KR880008109A; AU608253B2; DE3788859D1; KR970002218B1; EP0270313B1; EP0270313A3; DE3788859T2; BR8706504A; AU7998787A; CA1330115C

Description

【発明の詳細な説明】（イ）利用分野この発明は一般に回転軸の速度の検出及び制御に、更
に詳細には、望ましくはプログラム式ディジタル計算機
の援助により、手順及び計算を繰り返すことによって実
際の速度を決定し且つこれを所望の値に補正的に復旧す
る方法及び装置に関係している。

（ロ）背景環境、問題点の要約この発明は他の装置において有利に使用することもで
きるが、多シリンダ機関の速度を調節するための装置に
おいて考察され且つ採用されてきた。このような装置に
おいては、速度調節のための閉ループ動作は、機関出力
軸の実際の回転速度を検出して報知すること、この実際
の速度を報知された調整可能な設定値速度と比例して速
度誤差の符号及び大きさを決定すること、速度誤差の関
数に従って変化する、機関への燃料入力の率のための指
令信号を発生すること、並びに指令信号に従って入力燃
料率を確立又は調整して、機関負荷又は設定値に突然の
及び／又は大きい変化が生じた場合でさえも速度誤差を
実質上零に保ち又は復旧させるようにすることを必要と
する。一般的には、そのような速度調節装置は閉ループ
制御であって、指令信号及び燃料入力率における補正的
調整が「比例・積分・微分」（PID）関数として行われ
るように構成されることが一般的に望ましい、速度誤差
にPID応答動作を与えることによって、負荷変化による
過度的離脱の大きさ及び持続時間は、制御されている特
定の機関及び負荷装置の固有の伝達関数（利得、位相遅
れ及びむだ時間）に関しては少なくとも近似的に最適化
（低減）することができる。これは、調速機利得、安定
性及び補償係数が調整して、（ｉ）利得が高すぎるとき
に生じるかもしれない不安定性又は発振の回避と、（i
i）利得が低すぎるときの不利な点である、過渡的速度
誤差の遅い除去との間で最良の妥協を与えるようにする
ことを必要とする。

プログラム式ディジタル計算機を利用して、検出され
た実際の速度と所望の速度設定値との間の差（誤差）に
基づいての計算の繰返しによって指令信号を発生するよ
うにした速度調節装置においては、「標本化時点」又は
繰返し率の選択はPID関数の選択利得と影響し合って、
全く望ましくない代案又は妥協を押しつける。計算機が
その調節用プログラムを繰り返して短い繰返し間隔で指
令信号を更新する場合には、検出された速度信号がねじ
りの（又は類似の）瞬時速度変動を反映し、従って速度
誤差は機関軸の１回転の期間にわたって循環的に変化す
ることになる。補正的動作の利得が高くされた場合に
は、調節用制御器は燃料決定用作動子（アクチュエー
タ）に平均速度が実質上一定であるときでさえもその位
置を有意の量だけ変えるように命じ、従って燃料率調整
用機構は機械的に振動又は発振して、合理的に許容可能
な使用期間にはるかに及ばず本当にすりへってしまう。
利得がそのような破壊的振動を実質上なくするように低
減された場合には、平均軸速度における過渡的誤差に対
する補正的応答な許容できないほど遅くなる。

これに反して、計算機がその調節用プログラムを繰り
返して長い繰返し間隔で指令信号を更新する場合には、
平均速度における変化はこれが却こり始めてからずっと
後まで見られず、又補正的動作の利得が遅れを「埋め合
わせる」ために高くされた場合には、補正的動作が位相
遅れを持つことになり、これは容易に不安定性及び持続
振動を生じることができる。

機関燃料入力量を補正的に調整するための、実時間デ
ィジタル計算機プログラムの、選ばれ且つその後固定さ
れた率での規則的に時間決めされた繰返しは、平均機関
軸速度がその動作範囲の低い領域にあるときにはねじり
的に誘起された速度変動を「見る」程度に短く、なお且
つ平均軸速度がその動作範囲の高い領域にあるときには
遅い又は鈍い応答を生じる程度に長くすればよい。

（ハ）発明の目的及び利点ねじりにより誘起された速度変化のような瞬時速度変
動から生じる諸問題を克服する、速度の繰返し決定及び
速度誤差を除去するための繰返し補正動作のための方法
及び装置を提供することがこの発明の一般的な目的であ
る。

更に詳細には、回転軸の速度の実際の値を繰返し的に
決定し且つこれを報知する方法及び装置であって、実際
の速度信号が、軸回転周波数又はこれの倍数に等しい周
波数で繰返し的に発生する瞬時速度変動（例えば、多シ
リンダ機関におけるねじり的速度変化）による影響に対
して完全に「不感」であり且つこの影響のないものにな
っている前記の方法及び装置を提供することがこの発明
の主要な目的である。

この後者の態様において、この発明の別の目的は、多
シリンダ機関の速度の測定及び制御の際の、弱い又は不
能化されたシリンダの有害な影響をなくすることであ
る。

更に別の目的は、（ｉ）燃料率作動子（アクチュエー
タ）の機械的振動及び不当な摩損を回避すると共に（i
i）適度に高い利得を用いて速度誤差除去の際の許容不
能な遅さをなくすることを可能にする、機関速度を決定
し且つ調整するための方法及び装置を提供することであ
る。

この発明の更なる目的は、機関の実際の速度を検出し
且つ報知するための方法及び装置を提供して、規則的に
時間決めされた時点においてではなく、機関速度の増大
又は減小と共に増大又は減小する繰返し率で速度誤差の
補正的調整を繰り返し、制御された機関速度が変化する
ときの繰返し率の影響が速度誤差の不安定性及び遅い補
正を回避するのに役立つようにすることである。

PID動作により所与の負荷装置を駆動する所与の機関
の速度を調節するための、プログラム式ディジタル計算
機の援助による方法及び装置であって、積分利得、安定
性、及び補償係数が究極の効果において、制御された存
在物（機関及び負荷装置）がその速度−負荷特性の種類
の領域において動作するときに開ループ適応動作によっ
て自動的に調整されるようになっているものを提供する
ことも又この発明の目的である。

そして、命令が驚くほど短く且つ簡単であり、従って
比較的少なく計算時間の消費により実行されることがで
きるプログラム化サブルーチンの反復実行によって前述
の事柄を達成することが更に別の目的である。

一つの態様においては、この発明は、多シリンダ機関
の回転軸の速度を直接又は逆数で表す連続的に更新され
た信号を発生すると共に、（ｉ）軸が完全に１回転する
時間を測り取ってこの時間を数値で表す信号Tcrを発生
すること、及び（２）ｑを１より大きい所定の整数とし
た場合軸の各回転中にｑ回手順（１）を繰り返すことに
よって、（ａ）１回転の期間にわたっての時間間隔のあ
るシリンダ点火に起因する瞬時速度変動及び（ｂ）望ま
しくない時間遅れから生じる諸問題を緩和するための方
法及び装置に存する。

別の態様においては、この発明は、繰り返して実行さ
れ且つ各実行ごとに所望の速度S_dと機関の検出された実
際の速度Ｓとの間の誤差Ｅの制御関数としての燃料率指
令信号Ｆが反復的に更新されるように定式化されたプロ
グラムルーチンでディジタル計算機をロードすること、
制御応答に影響を及ぼすが実効値が繰返し間の時間間隔
の持続時間Ｔにより影響される少なくとも一つの調整可
能な数Ｎ（例えば、I,B又はＤ）を制御関数が含んでい
て、指令信号Ｆに対応する率で機関に燃料を供給するこ
と、機関軸が所定の角度回転するために必要とされる時
間（例えば、360°の１回転に対する時間Tcr）に接続時
間が等しく、従って持続時間が機関速度の変化と共に逆
数的に変化する可変時間Ｔで計算機に前記のルーチンの
通過を開始させること、及び機関及び負荷装置がこれら
の速度−負荷動作特性における事前選択の基準点RPで動
作していたときにあらかじめ求められた一つ以上の定数
（例えば、N_R，S_R，T_R）から決定された値N_Vをプログラ
ムルーチンにおける前記の調整可能な数Ｎのために使用
することによって、変化可能な負荷トルクを課する負荷
装置を駆動する機関の速度を制御するための方法に存す
る。

（ニ）実施例この発明は例として特定の実施例に関して図示されて
おり且つ若干詳細に説明されるが、これによってこの発
明を次のような詳細事項に限定する意図はない。反対
に、ここでは、各請求項によって規定されたようなこの
発明の精神及び範囲内に入るすべての変更例、代替例及
び等価物を包括的に含むことが意図されている。

変化可能なトルクを提供する負荷装置11を駆動するよ
うに結合された多シリンダ内燃機関10に関連し且つこれ
に作用するものとして閉ループ速度調整装置が図１に線
図で例示されている。単に例として、機関は４シリンダ
２サイクルディーゼル機関であると仮定され、又負荷は
水中で動作して船を進ませ且つ行動させる可変ピッチプ
ログラムによって構成されているものと仮定される。一
般的な意味では、機関は、２サイクル形式の場合にはシ
リンダの数の半分に等しい数Ｃによって特徴づけること
ができる。両方の場合共、一つのシリンダはクランク軸
が前のシリンダの点火から360°/C回転した時点におい
て「点火」する。

第１図に示されたように、機関10は燃料調節棒12を線
形に移動させることによって制御されるが、この燃料調
節棒は次の位置が、それぞれのシリンダと関連したユニ
ットインゼクタによって供給される燃料の率を決定する
ようになっている。燃料調節棒12は可変直流電圧V_fを受
けるように接続された巻線14aを備えた線形電磁作動子1
4によって種種の位置に移動される。電圧V_fは、（ｉ）
分圧形してからの最小燃料又はアイドリング電圧及び
（ii）ディジタル−アナログ変換器15からの出力を受け
る加合せ回路13からの出力である。DAC15は、プログラ
ム式連続運転のディジタルマイクロコンピュータ16のポ
ート２から多ビット二進ディジタル出力信号Ｆを受ける
が、この信号はその数値によって燃料入力率を指令する
ものである。

調速機装置の目的は、実際の機関速度Ｓを設定値又は
「所望の」速度S_dに等しく保つこと、且つ又負荷又は速
度設定値における変化が速度誤差を生じさせたときに迅
速に（最小の遅延で）且つ不安定性又は乱調を伴うこと
なくその等しさを回復させることである。設定値S_dは入
出力ポート３に結合されたキーボード・CRT表示装置18
による入力によってマイクロコンピュータにおける記憶
装置のワードに供給される。設定値は毎分回転数又は毎
秒回転数における所望の速度を表示しており、既知の通
常の方法でキーボードを通してキー入力されることがで
きる。

機関の実際の速度Ｓは、クランク軸の実際速度で又は
これとの時間関係において回転するある機関部分と関連
した変換器で発生する信号から、説明されるはずの方法
で計算機16内で決定される。ここで示されたように、歯
車20がクランク軸10aに取り付けられており、又磁気ピ
ックアップ21が歯車の周囲に接近して配置されている。
各歯が通過すると、MPU21が一つのパルスを発生し、従
ってその出力パルス22の例は、実際の機関速度に比例し
た公称周波数、及びこの速度に反比例している連続した
パルス間の周期を持っている。二進計数器24はパルス22
を受け取り且つ周波数分割器として作用する。歯車20が
総計Ｍ個の歯を持っており且つ計数器が、Ｐ個のパルス
を受けたたびごとにその出力信号25に正行の波頭を発生
するように「ロールオーバ」する場合には、パルス列22
の公称周波数は f₂₂＝MS（但し、Ｓは毎秒回転数による）（１）であり、又計数器出力25の公称周波数はである。計数器の出力25は有極電圧微分器26を通して送
られて、波形25の周波数及び周期に周波数及び時間間隔
が対応している鋭いパルス27の列を発生することができ
る。

信号27はマイクロコンピュータの単一ビット入力ポー
トP1に加えられて、以下で説明されるように、割込みを
引き起こし又は調整機サブルーチン若しくはアルゴリズ
ムに飛び越すのに役立つ。

歯の数Ｍ及び周波数分割係数Ｐは設計選択の問題とし
て任意の固定した値を与えられることができる。それら
は二つの連続したパルス27の間の期間中にクランク軸が
回転する角変位Δθを決定する。すなわち、しかしながら、後程説明されるように、計数器22を省略
してΔθの連続した値を歯車20のほんの二三の歯の角度
間隔に対応させることが可能である。

説明が進むにつれて明らかになるように、この発明の
一態様によれば、クランク軸が完全に１回転（360°）
回転する間の経過時間Tcrは反復形式におけるディジタ
ル信号（こゝではTcrと呼ばれる）の値によって数値的
に表わされる。特定の単位及び倍率係数を所望のように
選ぶことができるけれども、Tcrが秒の単位である場合
には、Tcrの逆数は毎秒回転数の単位における変化可能
な値Ｓである。Tcr及びＳに対する値は両方共パルス27
の出現に応答して改めて報知されるが、経過時間Tcr
は、Ｑをクランク軸の１回転の期間中に現れるパルス27
の量とした場合、最後に受信されたパルス27とＱ番目の
先行パルスとの間の間隔に対応する。

マイクロコンピュータ16は普通のものである（但し、
後程取り扱われるロードされた命令プログラムは別）の
で、詳しく説明される必要はない。それは、プログラム
記憶装置32、データ記憶装置34、及び多ビットポート1,
2,3に至る結合アドレス・データ母線31に接続されたマ
イクロプロセッサ30（図示されていないCPU、命令アド
レス計数器、及びクロックがある）を備えている。単一
ビット入力ポートP1はマイクロプロセッサの割込み端子
INTに至っている。キーボード・CRT表示装置18は通常の
方法で接続されており且つ機能する。プログラム記憶装
置32には、割込み及び種種の別別に識別可能なサブルー
チン間の飛越しとの時間分割によって行われる幾つかの
タスクを包含することができる命令プログラムがロード
されている。調整動作と関連したサブルーチンだけが今
の場合考慮される必要がある。

第２図は４シリンダ２サイクル機関について時間に対
してプロットされた瞬時機関速度の値を曲線40によって
図式で（一般化された、厳密でない方法で）示してい
る。各周期Tc₁ないしTc₄の初めは、一つのシリンダが
「点火」する瞬間を表しており、これにより瞬時速度を
鋭く上昇させ、それから次のシリンダが点火するまで低
下させる。点火時点FIはクランク軸回転の各の終りに発生するが、しかし連続した時間間隔Tcの長さ
は、定常状態の条件が満たされ（負荷及び燃料入力率が
一定であり、且つ１回転全体にわたる平均速度AVEが一
定であるときさえも必ずしも等しくない。これは図２に
おいて見られるが、この図では点火する３番目のシリン
ダが（例えば、より低い圧縮のために）２番目のものよ
り「弱い」ので、周期Tc₃は周期Tc₁又はTc₂より長くな
っている。もちろん、機関が加速している場合には、平
均速度が時間と共に上昇し、線AVEが上方へ傾斜し、且
つ周期Tc₁ないしTc₄のそれぞれが累進的に短くなるが、
しかし瞬時速度は一つのシリンダ点火の期間、すなわち
クランク軸回転の90°にわたって例示された一般的な方
法で変動することになる。

瞬時速度の変動は、各シリンダが点火したときにトル
ク及び速度が平均速度に対して一時的に上昇してそれか
ら低下するので、ねじり変化又は振動と呼ばれる。第２
図から視覚的に且つ直観的にわかることであろうが、ね
じり速度変動は、フーリエ解析によって分解されたなら
ば、「点火周波数」の強力な基本的正弦波成分及びクラ
ンク軸回転周波数の比較的強い４次の低調波成分を持つ
ことになる。このような両周波数は平均速度の増大又は
減小と共に増大又は減小するので、周期Tcr及びTcr₁…
…Tc₄は速度が増大又は減小すると逆に減小又は増大す
ることになる。

クランク軸角位置を記号θで表せば、曲線40によって
表されるような瞬時速度はｄθ/dtで表現される。所与
の小さい角度Δθのクランク軸の回転は各点火時点FIの
すぐ後の方が次の点火時点の直前よりも少ない時間を必
要とする。クランク軸が二つのそれぞれの等しい角度Δ
θ₁だけ回転する間に占められるような図２におけるΔt
₁及びΔt₂を比較せよ。それゆえ、方程式（１）及び
（２）によって与えられる公称周波数f₂₂及びf₂₅は平均
速度が一定であるときに一様でなく、曲線40に現れるの
と同じ変化を伴って変動する。これから明らかなことで
あるが、速度がパルス22又は25の周波数から、すなわち
周期Tcr及びTcに対して短い間隔で検出され且つ数値的
に決定された場合には、ねじり変化の影響は連続した数
値的標本に強く反映されることになる。

閉ループ方式におけるディジタル制御器の主要構成部
分として実時間プログラム式計算機を使用するという簡
単な普通の実施方法においては、制御アルゴリズム又は
プログラムが規則的に時間決めされた方式で入力され且
つ実行される。すなわち、計算機はそのプログラムへ飛
び越し、制御された物理的パラメータ（例えば速度）の
検出値を取り入れ、そしてパラメータに影響を及ぼす物
理的変量（例えば機関への燃料入力率）を決定する最終
出力信号の新しい値を計算する。普通の規則的に時間決
めされた技法では、速度はΔθの大きさを測定し且つΔ
ｔを定数とした場合Δθ／Δｔによって表されるものと
して速度を計算することによって決定される。これは16
mS,10mS又は8mSごとに行われるが、このような規則的な
反復率は設計者によって選ばれてその後固定される。一
般的に言えば、時間遅れを減小させるために一様な割込
み間隔をできるだけ短くすることが望ましい。間隔が長
い（4mSに比べて16mS）場合には、制御パラメータにお
ける誤差に対する応答が遅くなるが、これは外部的影響
により制御パラメータの値が、補正的調整の目的のため
にこの値が検出され且つ決定される各時点間でかなり変
えられることであるためである。

しかしながら、比較的低い速度範囲（例えば、20ない
し500rpmで動作する多シリンダ機関の速度を制御するた
めに規則的に時間決めされた割込み技法を用いると二つ
の欠点のうちの一つが生じることを出願人は認識した。
標本化及び補正間隔を図２の隔置された時点INSTによっ
て示されたように短くし（通常は望ましい選択）且つ制
御器の利得応答を適度に高くした場合には、制御器はAV
Eクランク軸速度とは大いに異なった検出速度の準瞬時
値を「見る」ことになる。この場合の作動子14は各シリ
ンダ点火間の期間中にラック位置を、最初一方の方向
に、次に他方の方向に、実際に調整する。作動子14及び
ラック12の定速且つ連続的な振動は実際それらの意図さ
れた有効な動作寿命の何分の１の後にはそれらを損傷さ
せてしまうのであろう。これに反して、作動子及びラッ
クのそのような振動が利得を減小させること又はより大
きい間隔で標本化時点を隔置することによって回避され
る場合にはシステムは遅く且つ鈍くなり、負荷変化によ
って発生される速度誤差の補正のための過度期間は不満
足なほどに長くなるであろう。両方の場合共、速度曲線
40に対する標本化時点の位相は未知であり且つ連続的に
変化しているであろうから、ラック位置の偽の補正動作
が生じるであろう。

説明されるはずの新規な速度検出及び調節方式におい
ては、規則的に時間決めされた割込み技法が使用されて
いないので、その欠点は回避される。実際、現存速度の
標本はクランク軸がある所定の角度変位Δθだけ回転し
たたびごとに数値的に決定され且つ報知され、そして経
過時間が数値的に報知される。それゆえ速度Ｓの値は、
Δθが既知の一定値であり且つΔｔが測定値である場合
には、Δθ／Δｔの値を決定することによって求められ
る。そしてこの方策に関連して、ディジタル制御器は、
規則的に時間決めされた時点ではなく、平均速度が増大
又は減小するにつれて短く又は長くなる間隔Δｔにおい
てその補正動作を繰り返す。

Δθが小さくなるように選ばれた場合には幾つかの欠
点があり、又Δθが大きくなるように選ばれた場合には
別の欠点がある。このような欠点は（ｉ）機関が比較的
少数のシリンダを備えている場合、及び／又は（ii）機
関が比較的低い範囲の速度で動作するように設計され且
つこの速度で動作させられる場合には一層さびしい。

可変ピッチプロペラを駆動するための舶用ディーゼル
機関はしばしばそのような性質のものである。多くの舶
用機関は２ないし６のシリンダを備えていて、例えば最
小20rpm（アイドリング）ないし最大100rpm（トツプ定
格速度）の程度の範囲にわたって動作させられる。図１
の機関10が４シリンダ２サイクル機関があると仮定すれ
ば、20rpmの一定平均速度では第２図の周期Tcは接続時
間において公称750msであり、又100rpmの一定平均速度
では周期Tcは持続時間において公称150msである。

やはり心に留めるべきことであるが、機関が加速又は
減速している場合には、１クランク軸回転の期間にわた
っての連続した四つの時間間隔Te_i-3，Te_i-2，Te_i-1及
びTe_iのそれぞれは累進的により短く又はより長くな
る。そして上記されたように、「弱い」又は不能化され
たシリンダはAVE速度が一定であるときの定常状態の条
件下でさえもそれらの間隔の一つを他のものよりも長く
することがある。

二つの選択肢のうちの第１のものを考える。方程式
（３）における比P/M、従ってΔθを大きく（例えば、P
/M＝１、従ってΔθ＝360°）選んでTeの新しい又は更
新された値が軸回転ごとに１回求められるようにした場
合には、持続時間Teのための数値は、事実上、速度誤差
を最もよく除去するように発生されるべき新しい燃料率
を決定するのに使用されて効力を示すことができる時ま
でには「古く」なっている。機関が１回転の４分の３の
期間中減速した場合には、360°の回転に対応する持続
時間Teはパルス27が現れた時点で実際速度を反映させる
ようにした場合よりも短くなる。検出された速度情報は
「新鮮でなく」、0.6ないし3.0秒前に存在した瞬時速度
値によって偽似的に重み付けされている。閉ループ制御
理論によれば、角度Δθの事前選択値が大きいときには
非常に大きい遅れ又は位相損失が発生される。

二つの選択肢の第２のものを考える。方程式（３）に
おける比P/M及びΔθを小さく（例えば、P/M＝1/30、従
ってΔθ＝12°）選んだ場合には、パルス列27における
それぞれの連続した周期Teの長さは、Δθの最後の回転
（ここでは、12°）の期間中に物理的に存在した瞬時速
度の平均を反映する。そして連続したパルス27は一層頻
繁に（20rpmでは100msごとに又は100rpmでは20,0msごと
に）に発生する。従って、比較的小さい「遅れ」があ
り、それぞれの新しい波形間隔Teが「新しく」て正確で
ある。そして20msドリ相当に短い間隔での連続した信号
の処理は現在入手可能なマイクロコンピュータで完全に
実行可能である。

しかしながら、P/M及びΔθを小さくすることについ
ての難点は、速度に反比例する各持続時間Teが最後の小
さい角度回転（例えば、12°）に対する平均速度を表し
ていることから生じる。持続時間Teの連続した数値は速
度におけるねじり変動のために大きさが広範囲に飛躍又
は変化する。これは第２図が明らかになることであり、
一つの増分角度回転Δθ₁が変化する瞬時速度曲線40の
ピークの近くで取られた場合には結果として生じる持続
時間Δｔ₁は非常に短くなるが、別のものが谷の近くで
取られた場合には結果として生じる持続時間Δｔ₂は相
対的にはるかに長くなる。検出速度の数値はそれゆえ経
過時間Teの連続的に決定された値によって表されたよう
に平均速度の周りに「小刻みに揺れる」ことになる。や
はり、これは機関燃料入力率を補正的に調整しようとし
ている作動子の急速な機械的振動を引き起こして、損傷
及び寿命の短縮を生じることになる。そして、一つ又は
二つのシリンダが他のものに対して「弱い」場合には、
たとえ平均速度が一定であっても、それぞれの弱いシリ
ンダが点火した後で燃料ラック位置の補正を試みること
になり、これによって平均速度の連続的に報知された値
に循環的な誤差が生じる。

このような難点を軽減するために、技術上一般に行わ
れている方法は幾つかの標本の移動平均を計算し且つ使
用すること、すなわち、最後の10の期間Δｔ₁の値をと
り、これらを合計して10で割ること、である。平均値Δ
ｔ₁の逆数はそれゆえ最後の10の角度増分Δθ₁にわたる
瞬時速度の平均値である。これはフィルタ効果を発生す
るが、制御システムを鈍くする位相又は時間遅れという
不利を生ずる。それは又誤った平均値を発生することが
あるが、これは合計値の大部分が曲線40の谷領域に対応
するものではなくてピーク領域に対応し（又はその逆）
従って速度の「計算された平均値」が時間平均値を正確
に表示しないことがあるからである。

この発明によれば、クランク軸が瞬時速度においてね
じり変動を呈する多シリンダ機関は、（１）クランク軸
が完全な１回転（360°）回転する経過時間Tcrの値を繰
り返し決定する検出装置、及びＱを１より大きい整数と
した場合、クランク軸の１回転ごとにＱ回Tcrの新しい
値を発生するための装置、によってその平均速度が正確
に調節される。

後程明らかになるように、これはねじり速度変動が全
く見られるはずがなく且つTcrの連続的に報知された値
において反映されないという利点を生じる。作動子14及
び燃料調節棒12はねじり変動周波数で機械的に振動せ
ず、従って不適に摩損しない。しかし、Tcrの新しい値
は１回転ごとにＱ回、周期Tcrより短い時間間隔で決定
されるので、Tcrの最新の値（及びその逆数Ｓ）は「新
鮮でない」ことはなく、検出速度及び補正燃料率の遅れ
はTcr及びＳが１回転ごとに１度新しく決定された場合
に受ける遅れに比較して1/Qの係数によって低減され
る。

これらの結果を達成するために、クランク軸10aが、
Ｑを１より大きい整数に選び且つとして、所定の連続角度変位Δθ₁，Δθ₂，Δθ₃……
Δθ_q回転した各時点において第１信号（例えば、パル
マ27の一つ）が発生される。記号Ｑ及びｑは同じ整数に
対して交換可能に使用されている。方程式（４）はこと
によるとその別の形式 Δθ₁＋Δθ₂……＋Δθ_q＝360°（4a）において一層よく理解されるかもしれない。この要件は
単に、クランク軸の完全な１回転がＱの角度（この角度
は必ずしも互いに等しい必要はない）に分割されるこ
と、及び任意特定の角度Δθ_Xの変位の終了時に現れる
第１信号がクランク軸の完全に１回転する期間Tcrに等
しい時間間隔を持ていることである。

一例として、Ｑが３として事前選択され、且つΔ
θ₁，Δθ₂及びΔθ₃がそれぞれ110°,130°及び120°
として事前選択された場合を考える。これを行うために
は、図１の装置は、計数器22を省略し且つ110°,130°
及び120°隔置された三つの歯だけを備えた歯車20を使
用して、MPU21の出力が微分器26に供給されてクランク
軸の１回転当り３個のパルス27を発生するように変更さ
れることになろう。しかしパルス27のすべては、連続し
たパルス27の間の時間間隔が、クランク軸が110°,130
°及び120°の連結した角度回転するときの平均速度に
反比例している流れを形成する。

この発明の採択実施方法においては、所定の連続しれ
角度変位Δθ₁，……Δθ_qがすべて互いに等しく、従っ
てである。そして必須ではないけれども、（計数器22が使
用された場合）M/Pの比をＱの選択値に等しくするＭ及
びＰの値を取り出すのに好都合なようにＱを360の整数
約数として事前選択することが望ましい。すべての角度
変位Δθ₁……Δθ_qが等しい場合には、パルス27の実質
上等しい時間間隔により隔置され―図２の間隔Te_i-3な
いしTe_iを参照せよ―そしてマイクロプロセッサ30（第
１図）への割込みは本質的に一様な率で行われる（しか
しこの率は平均速度が大きくなるか又は小さくなるとき
には増大又は減小する）。例えば、Ｑが３の場合には三
つの連続したΔθは120°にされ、Ｑが４の場合には三
つの連続したΔθは90°にされる（以下同様）。図1,2
及び４に示された例に関しては、Ｑの事前選択値は４で
あり且つ四つのΔθはそれぞれ90°である。

第１図に示された歯車20及び計数器24を用いて、歯車
20上の等間隔の歯の数Ｍが計数器除算係数Ｐの整数倍で
あると仮定すれば、Ｍ及びＰの選択によりパルス27に適
用可能なＱの値が決定される。すなわち、特定の例としては、Ｍが256であり且つＰが64である
場合には、Ｑは４になり且つパルス27の一つはクランク
軸がそれぞれの連続したΔθの変位である90°だけ回転
した各時間の終了時に現れる。しかしながら、周囲に90
°で隔置されたただ四つの歯を備えた歯連20を構成し、
計数器24を省略し、且つパルス27の代わりにMPU出力パ
ルスを「第１信号」として使用することによって同じ結
果を達成することができることは明らかであろう。この
場合には、Ｍは4,Pは１であり、Ｑは４である。

いずれの場合でも方程式（４）により理解されること
であろうが、所与の第１信号（FS_i）（例えば、パルス2
7）の出現とＱ番目の先行する第１信号（ES_i-q）との間
の時間間隔はクランク軸が完全に１回転だけ回転した間
に経過した時間Tcrである。連続したパルス27の間の経
過時間TeはΔθの角度に依存し、採択された構成（この
構成ではΔθ₁，Δθ₂……Δθ_qがすべて等しい）にお
いては、クランク軸が360°/Q回転した経過時間Teに一
致する。

更にこの発明に従って、第１信号の現在の出現とＱ番
目の先行する第１信号の出現との間の経過時間を数値的
に表すために、第１信号が現れるたびごとにディジタル
信号Tcrが発生される。連続したパルス27が現れる時点t
_i-3，t_i-2，t_i-1，t_iにおいて終了する図２における経
過時間Te_i-3，Te_i-2，Te_i-1，Te_iを見よ。時点T_iにおい
ては、信号Tcr_iが発生されて１回転に対する時間が数値
的に表されるが、これは第２図の上部におけるTcrの寸
法線によって示された期間である。時点t_i-1において
は、時点t_i-1と時点t_i-5（この後者は第２図には示され
ていない）との間の期間を数値的に表すために信号Tcr
_i-1が発生されているであろう。しかし今や理解される
ことであろうが、間隔Teにおいて新しい数Tcrが発生さ
れて、実際上Ｑの先行する時間間隔Teの和である時間の
数値が表される（第２図の場合についてはＱが４であり
且つすべてのΔθが90°であることを思い出すこと）。

第２図から認められるはずのことであるが、速度にお
けるねじり変動の性質又は形状がどのようなものであっ
ても、又は実際、それぞれのシリンダによって発生され
たねじり変動の形状及び大きさが互いに異なっている場
合には、信号Tcrの数値は完全な１回転についての平均
速度に反比例している。平均速度が一定で（すなわち、
定常状態の条件下に）ある場合には、Tcrの連続した値
は等しい。しかし機関が期間Te_i-2のすぐ後で加速し始
めた（負荷トルクが突然低下したと仮定せよ）場合に
は、期間Te_i-1及びTe_iは図示されたものよりも短くな
り、そしてこのことは標識付けされた時間間隔Tcrがよ
り短くなり、数値Tcr_iが最初に説明されたものよりも小
さくなり、従って加速が始まった事実が反映される結果
になる。クランク軸平均速度が元の値から変化し始めた
（又は変化している）場合には、Tcr値が少なくとも部
分的にその変化を反映する前に1Te間隔を越える時間は
経過しない。それゆえ、「１回転につき１標本」の手順
の時間遅延又は遅れは軽減される。

演算手順の問題として、現在時点を表示するために出
力が連続的に変化している連続発生の精密ディジタルク
ロックが存在するものと仮定する。時点t_i，t_i-1……の
それぞれにおいて、クロックはそのとき存在する時点の
数値を捕えるために「読み取ら」れる。このようにして
捕えられた数はここでは記号CLOCKによって示される。
今度は各時点ｔにおけるTcrの数値を得るためには次の
減算 Tcr_i＝CLOCK_i−CLOCK_i-4 （７）を行えばよく、この値Tcr_iは第２図の上部におけるTcr
に対する標識付けされた大きさを数値的に表している。
同じ結果は、連続な時点ｔ間の経過時間の数値を報知し
てこれらを加え合わせることによって得ることができ
る。すなわち、 Tcr_i＝Te_i＋Te_i-1＋Te_i-2＋Te_i-3 （８） Tcr_i＝（CLOCK_i−CLOCK_i-1）＋（CLOCK_i-1−CLOCK_i-2）
＋（CLOCK_i-2−CLOCK_i-3）＋（CLOCK_i-3−CLOCK_i-4）
（９）図２の例ではＱが４であり且つΔθが90°である。し
かし一般的な場合を表現するために、方程式（７）は Tcr_i＝CLOCK_i−CLOCK_i-q （10）と表現することができ、そして所定の連続したΔθの大
きさ又は等しさは意味がない。方程式（９）に対する一
般的な場合の表現は Tcr_i＝（CLOCK_i−CLOCK_i-1）＋（CLOCK_i-q-1−CLOC
K_i-q）（11）となる。すべての場合において、Tcrの値が得られたと
きには、軸速度Ｓは逆数として数値的に求めることがで
きる。すなわち、この手順を実施してTcr及び検出機関速度Ｓの周期的
に更新された値を得るための装置の一例且つ採択実施例
として、マイクロコンピュータ16は、精密水晶パルス発
振器46からの入力パルスによって連続的に駆動される外
部計数器45と関連している。この計数器によって報知さ
れた二進数は、あたかもこれが記憶装置のワードである
かのようにポート１を単にアドレスすることによってこ
のポートを通してマイクロコンピュータに取り入れるこ
とができる。計数器45は、各ロールオーバ前に大きい数
値内容まで数え上げるように、「広い」こと、例えば32
ビットの広さであることが望ましい。必要ならば、マイ
クロプロセッサ30及びデータ母線が８ビットの広さであ
るときには、計数器の数は、ポート１を含み且つ演算処
理のために別別に読み取られる三つの別別の８ビットポ
ートにバイトで加えればよい。簡単のために、マイクロ
プロセッサ及びデータ母線は32ビットの広さであり且つ
計数器の内容が読み取られる前に計数器が「安定化」す
ることを確実にするために設備（図示されていない）が
されているものと仮定する。もちろん、十分な能力のあ
る幾つかのマイクロコンピュータにおいては、計数器45
は、マイクロコンピュータの内部発振器から連続的に増
分される記憶装置のワードとして実現することができ
る。

プログラム記憶装置32には、（ｉ）実際の速度に対す
る最新の検出値を表す二進ワード信号Ｓを発生し且つ更
新し、且つ又（ii）作動子14を駆動するために使用され
る信号Ｆを決定し且つ発生して、これにより燃料調節棒
12の位置及び機関10に供給される燃料の率を決定するよ
うにするアルゴリズムの繰返し又は反復実行を生じさせ
る命令のプログラムがロードされている。プログラムの
この後者の部分は設定速度値Sdと検出実際速度Ｓとの間
に存在する任意の誤差に対する比例・積分・微分（PI
D）応答を発生する。プログラム全体は図４の流れ図及
び次に行われるこれの説明から理解されるであろう。

変更可能な数値を表すある種の「ワード」がデータ記
憶装置34における特定のアドレス場所に割り当てられて
いる。論述を容易にするために、これらのワードは記憶
装置34の部分「マップ」として図３に示された記号を割
り当てられている。理解されることであろうが、プログ
ラムに記憶装置32に記憶された連続した命令の実行によ
って、マイクロプロセッサは記憶装置から任意のデータ
ワードを「読み取り」、演算数として別のものと共に取
られたその数値ワードについてある算術演算を行い、そ
れから結果を記憶装置の同じ場所又は別の場所に「書き
込む」ことができる。多ビットポートはこれがあたかも
データ記憶装置のワードであるかのように「読取り可
能」又は「書込み可能」である。

まず実際の速度Ｓを報知する問題に移って、連続した
パルス27が割込み端子INTに加えられることを思い出す
と、マイクロコンピュータは（第２図の経過時間Teによ
って分離されている）それらのパルスの一つが現れるた
びごとに第４図のサブルーチンに飛び越す。これは図４
の段階SP1で例示されており、これに続く段階SP2におい
ては計数器45から報知された（且つディジタル時間クロ
ックの出力と同様である）ランニング数がポート１を経
て取り入れられてCLOCKデータ記憶装置アドレスに記憶
される。それゆえCLOCK信号は実質上最後に現れるパル
ス27の時点t_iにおける最新の時間値を表している。サブ
ルーチンを通る４個の以前のパスの段階PS2中に計数器4
5から取り入れられて「セーブされた」信号CLOCK_i-1，C
LOCK_i-2，CLOCK_i-3，CLOCK_i-4が種種の記憶装置アドレ
スに保持されている。従って、最新のパルス27（時点t_i
における）とこれに先行する４番目のものとの間の経過
時間Tcrの実際の持続時間は段階SP3において次の減算演
算によって計算される。

Tcr＝CLOCK−CLOCK_i-4 （13）この演算は時点t_i-4における一つの読みと時点t_iにおけ
るその後の読みとの間に計数器45における「レールオー
バ」があった場合でさえも正確な答が得られるように２
の補数二進数演算という既知の方法で実施されることが
望ましい。

段階SP3において求められ且つ記憶された信号Tcrは、
クランク軸の最新の１回転中に且つ最後に受信されたパ
ルス27が現れた時点において終わった期間中に経過した
時間を数値的に表している。段階SP4に到達する前のメ
モリワードCLOCK_i-1，CLOCK_i-2，CLOCK_i-3，CLOCK
_i-4は、プログラムを通る一つ前、二つ前、三つ前及び
四つ前のパスの段階SP2において計数器45によって報知
された対応する数値を含んでいる。それゆえ、段階SP4
が実行されると、これらの内容は転送によってすべて１
段階「上へ移動され」（四つの数のうちの最も古いもの
が押し出される）、そしてCLOCKの最新値が記憶場所CLO
CK_i-1へ転送される。これを別の方法で言えば、段階SP4
の四つの転送が完了した後には、 CLOCK_i-4は段階SP3の次のパス実行のための減数を含
んでいる。

CLOCK_i-3は段階SP3の２番目の次のパス実行のための
減数を含んでおり、 CLOCK_i-2は段階SP3の３番目の次のパス実行のための
減数を含んでおり、 CLOCK_i-1は段階SP3の４番目（Ｑ番目）の次のパス実
行のための減数を含んでいる。

段階SP5において、計算機は方程式（12）において指
定された計算を実施する。Tcrの逆数は信号Ｓを発生し
且つ記憶するために計算されるが、この信号は調速機装
置プログラムの残りを通る現在のパスの残部の期間中機
関の実際の速度として使用される。

この発明の独特の有利な態様は、Tcrの新しい値（完
全な１回転の軸回転のための時間）が各プログラム反復
の期間中に計算されて最後の四つの先行する経過時間Te
_i-3ないしTe_i（図２を参照せよ）の和が表されることに
存する。プログラムは割込みパルス27が現れる連続した
時点で繰り返され（反復され）るので、任意のパスにお
けるTcrの計算数値はシリンダ点火周波数でのねじり速
度変動、又は実際、クランク軸回転周波数でのねじり変
動を完全に免れ且つこれらから独立している。１反復の
期間中に求められたTcrの逆数として計算されたＳの値
は、最後のＱの割込みの個個のものの間に、従ってクラ
ンク軸の完全な１回転にわたって存在する瞬時速度の平
均値を表している。それゆえ、機関が加速又は減速して
いる場合には、連続したパスにおけるTcrの計数値は減
小又は増大し且つ各パス間の時間間隔も同様に減小又は
増大する。定常速度が比較的高目又は低目（例えば、10
0又は20rpm）のときには、Tcrの計算値及び反復率は低
目又は高目になる。反復率は定数Ｑに対する選択値によ
って１回転速度に直接結び付けられている。明確には、
これらは１クランク軸回転当りの、図４のサブルーチン
を通ってのＱの割込み及びＱの反復であり、従って一つ
の反復の次の反復との間の期間はパルス27の二つの間の
経過時間Teに等しい。しかしながら、採択実施例におい
ては、個個の角度Δθはすべて等しく〔方程式（５）を
見よ〕、且つ経過時間Te_i-3ないしTe_i（第２図）は公称
上実質的に等しい持続時間のものである。それゆえ、図
４のサブルーチンへ入るための割込みは時点・t_i-4……
t_iで発生するが、割込みが回転時間Tcrの1/Qである間隔
によって等分の隔置されていると仮定することは各割込
み間の時間の量的測度として十分に正確である。すなわ
ち、事実上、図４のサブルーチンを通る連続したパスの
間の「標本化時間」Ｔは、Ｑを図２の例に対して４であ
るとした場合、であるということができる。それゆえ、Tcrの値がわか
ると、連続した各反復間の時間Ｔに対する有効な数値
（これは可変である）がわかる。平均速度が100rpmなら
ば、Tcrは0.600秒／回転となり、Ｔは0.6/Q＝0.6/4＝0.
150秒となる。しかし平均速度が20rpmならば、Tcrは3.0
秒になり、Ｔは3/Q＝3/4＝0.750秒となる。これが意味
することは、機関速度が比較的高く且つ比較的急速に変
化し得る場合には検出速度Ｓの更新が比較的頻繁に行わ
れ、従って検出速度の変化が比較的迅速に見られる（数
Ｓに反映される）ということである。

この発明のシステムにおいて発生される閉ループ速度
調節動作に移る前に注意しておくべきことであるが、種
種の負荷装置を駆動する種種の機関の速度−負荷特性は
広範囲に異なることがある。負荷は速度と共に変化する
トルクの値を課することがあり、そして負荷装置自体
は、所与の一定の平均速度においてさえも負荷トルクが
異なるようにその性質が変わることがある。

第５図は特定の負荷を駆動する特定の機関、すなわ
ち、可変ピッチ舶用プロペラを駆動するある種の４シリ
ンダディーゼル機関の負荷−速度関係の特徴を示した特
定の例である。プロペラのピッチが最小値且つ実質上零
に設定された場合には、定常速度をトップの20％から10
0％までの範囲内の任意の値に維持するために必要とさ
れるトルクは曲線50に従う。これに反して、プロペラの
ピッチが最大値に設定された場合には、任意の定常速度
におけるトルクは曲線51によって表される。両曲線共非
線形であるが、しかし一般に（所与のピッチ設定値に対
しては）トルクは定常速度の２乗として増大する。最小
値と最大値との間のピッチ設定値において、（52及び53
で代表された）曲線族全体の種種のものが適用可能にな
るが、そのような曲線の間隔は非線形である。任意所与
の定常速度において、プロペラによって提供される負荷
トルクは本質的にはプロペラピッチの３乗として増大す
る。

負荷トルクは負荷装置の状態（ピッチ設定値）と速度
とに依存するけれども、機関出力トルク（従って負荷ト
ルク）が任意の組の環境の下で機関に入力される燃料の
率に比例すると言うことは合理的な近似である。それゆ
え、燃料調節棒12のこれのアイドリング位置からの位置
又は変位、従ってディジタル信号Ｆの値は負荷トルクを
表すものとして使用され得る。

所与の負荷装置に結合された所与の機関がまず所与の
閉ループ制御器又は速度調節器と関係している場合に
は、機関及び負荷装置における伝達関数及び時間遅れは
知られていない。誤差補正動作が速度誤差に対する制御
器のPID応答によって得られるべき場合には、乱調又は
不安定性を伴うことなく最適に迅速な応答を与えるため
の、比例・積分・微分効果に対する「利得係数」及び時
定数も又未知である。動作点が第５図の曲線50及び51に
よって境界を定められた領域内の種種の位置に移動する
につれて機関及び負荷装置の伝達関数及び時間遅れが変
化するという更なる不可避の事実がある。動作点が移動
したときには（速度設定値及び／又はプロペラピッチが
変更されたため）、PID制御器のための及びこの制御器
内の利得係数及び時定数は不安定性を防止して少なくと
も近似的に最適の応答を保つために変更されるべきであ
る。これは閉ループ制御器の技術を促して、機関及び負
荷特性が変わるにつれてPID制御器の利得及び時定数を
自動的に「調整する」種種の形式の精巧且つ複雑な「適
応」装置を提案し且つ実際に使用するに至らせた。

この発明に従って、開ループ適応調整又は利得及び時
特定の近似的再調整を与えるためにマイクロコンピュー
タによってこれの内部でPID速間調節用制御器が創設さ
れるが、計算機プログラムは非常に短く、簡単であり且
つ各反復のためにごくわずかの計算機時間しか消費しな
い。この速度調節用プログラムは、図４の段階SP5にお
いて速度表示信号Ｓを反復的に得るために既に説明され
た方法及び装置と特に共働するものであり、且つ調節用
プログラムの反復が、従来技術において標準的な実施方
法であった一定の又クロックによる（規則的に時間決め
された割込み）率においてではなく、その代わりに機関
速度の変化に反比例して変化する率において繰り返され
ることによって特徴づけられている。換言すれば、プロ
グラムルーチンの反復度数は制御速度が増大又は減小す
るにつれて増大又は減小する。

任意所与の負荷装置に結合された任意所与の機関が、
図１に示されたような制御装置を構成する他の構成部分
に最初に取り付けられたときには、三つの重要な数値が
直ちに知られる。

まず、それより上では機関が（過渡的小暴走を除い
て）動作させられるべきでないトップ定格速度（ここで
はS_Rと呼ばれる）は機関製造業者の仕様書から又は負荷
装置の性質によって課されるある種のトップ限界から知
られる。例えば、ある種の舶用推進装置においては、ト
ップ定格速度S_Rは100rpmでよいであろうが、この値は論
述の目的のために仮定されたものである。更に具体的な
例を与えて理解を助けるようにするため、歯車20が600
の歯を持っており且つ計数器24（第１図）が150で除算
すると仮定すれば、方程式（４）及び（５）から次のよ
うになる。

第４図の例を論述する際には90°の角度に対して一般記
号Δθが使用される。

Ｓ及びS_Rをrpmの単位ではなく回転毎秒の単位で表現
するのが便利であるが、これは図４の段階SP1ないしSP6
から明らかなように、経過時間Tcr（段階SP3）がクラン
ク軸の１回転する時間であり且つ速度Ｓが回転毎秒の単
位であるからである。もちろん、その他の単位及び倍率
係数を選択の問題として採用することができる。しかし
現在の例において、トップ定格速度が100rpmであるなら
ば、トップ定格速度は次式から知られる。

S_Rは既知であるよう、（Δθ、ここでは90°、の回転
のために必要とされる）経過時間Teの理想的な値も又既
知である。それゆえ連続したパルス27間の公称的な期間
及びトップ定格速度での連続した割込み間の間隔は記号
T_Rによって示されて次式から知られる。

方程式（14）はトップ定格速度及びＳが1.666回転毎秒
に等しいときの方程式（13）の特定の場合にすぎない。

第３の既知の数値は、図５においてトップ定格速度の
20％であると仮定されているアイドリング速度に対する
燃料入力率より上の、最大の可能な燃料入力率である。
最大燃料率は、適当な倍率係数を伴って、第１図におけ
る（アイドリング位置から測られた）燃料調節棒12の最
大燃料位置従ってディジタル信号Ｆの最大有効値として
表現されているものとみられ得る。この値Fmaxは、DCA1
5及び作動子14の特性から数値的に既知であり、燃料調
節棒12が最大燃料入力率に対して配置されることになる
Ｆの値である。既知の値Fmaxは一般に最大機関トルクに
比例する。

所与の負荷装置に結合された所与の機関が最初に図１
の残りの制御装置構成部分に取り付けられたときに、機
関は始動させられて、第５図の曲線50及び51によって境
界を定められた領域内の選択された基準点において動作
するように手動で操作されることができる。例えば、負
荷装置は最小トルク負荷（プロペラの場合には最小又は
零のピッチ）に対して調整され、そして機関はトップ速
度S_Rで動作させられる。機関／負荷はその場合最小負荷
及びトップ速度を持った図５の基準点RPで動作してい
る。このたうな環境においては、ＳはS_Rに等しく且つＴ
（各割込み間の間隔）はT_Rに等しい。今度は、機関が速
度及び／又は負荷の過渡状態におかれ、そして積分・比
例・微分動作に対する利得及び時定数が近似最適応答、
すなわち、安定性及び最短過渡現象回復時間を与えるよ
うに「調整」される。これは「調整」のための既知の技
法であるが、一つの要素の変更を伴っていて、これによ
り他の動作応答が影響されて最良の妥協が試行錯誤の手
順によって達成されるようになっている。しかしこれ
は、機関及び負荷が基準点RPにおいてそれらの固有の伝
達関数及び遅れを呈するときに積分・比例・微分動作に
対して「最適」である底数I_R，B_R及びD_Rのための値を見
いだして記憶することになる。これらの基準値I_R，B_R及
びD_Rの意味は後続の説明から一層よく理解されるであろ
うが、キーボード18によるキー入力によって、これらの
数値がデータ記憶装置34の対応するワードにおいて定数
として記憶されることは理解されるであろう（記憶装置
の定数ワードが小さい方形の枠で区別されている図３を
参照せよ）。

S_R，T_R及びFmaxに対する既知の数値も又記憶装置の対
応するワードへ入力される。それゆえ、初期の準備及び
基準点RPでの調整の後には、マイクロコンピュータ記憶
装置において記憶され且つ利用可能な六つの定数があ
る。これはS_R，T_R,Fmax,I_R，B_R及びD_Rである。

命令記憶装置32にロードされる速度調節用プログラム
を説明する前に、比例・積分・微分制御器の基本的な原
理を理解することが有用であろう。速度の実際の検出値
と設定値又は所定の速度との間に存在する任意の誤差に
対するPID応答は次のように表現され得る。

但し、 S_dは所望の又は設定値の速度であり、Ｓは実際の速度であり、Ｉは積分動作の利得であり、Ｂは遅れ−進み動作に対する時定数であって、「安定性」係数と呼ばれるものであり、Ｄは遅れ−進み動作に対する時定数であって、「補償」係数と呼ばれるものであり、Ｆは速度Ｓを発生させる入力媒体（燃料）の率を決定
する出力信号であり、又Ｓは微分方程式に一般に使用される通常の「微分演算子」である。

記号ｓは導関数d/dtに対する同等物であることが理解さ
れるであろう。数学的には、逆数1/sは積分関数を表し
ている。

方程式（15）が任意の速度誤差に対する比例・積分・
微分応答を与えることを容易に理解するために、この方
程式の右の因子は実際に速度誤差Ｅであることに注目す
るとよい。すなわち、Ｅ＝S_d−Ｓ（16）これを方程式（15）に入れて代数的操作により展開する
と、容易にわかるように、方程式（19）の第１項はＩ（Ｂ＋
Ｄ）の利得係数を伴った誤差Ｅに「比例」しており、第
２項はＩの利得係数を伴った誤差Ｅの積分として変化
し、又第３項はIBDの利得係数を伴った誤差Ｅの導関数
として変化する。

方程式（15）はアナログ形式である。すなわち、時間
の経過と共に連続的に且つ無限小の段階で変化すること
のできる変数を予想している。これは、ディジタル計算
機において実施されることのできる反復手順により有限
の時間間隔Ｔだけ隔てられた各時点において実行される
式に変換することができる。そのような変換は微分演算
子ｓの代わりに反復手順等価物を用いることによって求められる。ここで、Ｔは反復の
時間間隔であり、又記号z^-1は「前の値」を表してい
る。繰り返して更新された変数が通常のようにU_i-1，
U_i，U_i+1……U_i+nとして表される場合には、同じ表記法
ではそれらをU_z ^-1，U_z，U_z ²，U_z ³……U_z ⁿと表現するこ
とができる。

方程式（20）を方程式（15）に代入すると次式が得ら
れる。

この式において、量Ｔは通常定数であるが、この発明の
実施の際には、前に説明されたように実際に変数であ
る。それは「Δθ当りの時間」であって、方程式（13
a）によって十分に近似させられ、更に、方程式（14）
に示されているように速度Ｓ（回転毎秒における）に関
係づけられている。

方程式（21）において、積分利得はやはり量Ｉによっ
て構成され、「安定性係数」はやはり量Ｂによって構成
され、且つ「補償係数」はやはり量Ｄによって構成され
ている。これらは通常定数とみなされ、第１のものは実
際に積分動作利得に影響を与え且つ三つすべては比例及
び微分動作利得に影響を与える（このゆえに「調整」を
妥協して処理する必要がある）。しかし、I,B及びＤは
制御されるもの（ここでは機関及び負荷装置）の伝達関
数及び遅れに対する制御器の「整合」に影響し且つこれ
を決定する量である。そして上に記されたように、制御
されるもののこれら後者の特徴はシステムが図５の曲線
50及び51間の領域において一つ動作点から別の動作点へ
移動するにつれて変化する。

制御される機関及び負荷装置の伝達関数及び遅れにお
ける変化を「追跡」するための一般的近似として、積分
利得値Ｉは動作速度Ｓの２乗として増大するべきであり
且つ負荷トルクと共にほとんど線形に増大するべきであ
る。換言すれば、速度及び負荷が時時異なった値をとる
ので、任意の時点における量I_iの値は、L_iが負荷トルク
の現在値を表している場合。

のように既知の始動値I_Rに関係づけられるべきである。
しかし、F_iが負荷トルクの表示子であると仮定すれば、
変化するトルクの影響は、方程式（22）を次の形式に書
き直すことによって表現することができる。

ここで、F_i-1は出力信号Ｆの最後の利用可能な値であり
且つFmaxは上に記載された既知の定数である。括弧内の
量は出力信号F_i-1が零からFmaxまで変化するにつれて1.
0から2.0まで変化することがわかるであろう。それゆ
え、量I_iは負荷トルクがその最小値からその最大値まで
変化するときに実質上線形に増大する。

量は正規化された速度の２乗である。速度が最大速度の20
パーセントと100パーセントとの間にあり得る場合に
は、この量は速度が、例えば、20rpmの最小値から100rp
mのトップ定格値まで増大するにつれて0.04から1.0まで
増大する。

次に方程式（21）が２因数式ITを必要とし且つこれを
利用していることを考えよ。方程式（23）は、両辺をＴ
で乗算することによってそのような式に変換することが
できる。すなわち、しかし、Ｓ及びＴは逆に変化するので、これらの積が一
定であることは自明である。実際に、ここで、S_R及びT_Rは既知の定数であって、前者は回転／
秒の単位で観察されたものであり且つ後者は、Δθが等
しいか又はほぼ等しい場合、「Δθ当りの秒」の単位で
観察されたものである。方程式（25）からのT_iを方程式
（24）の右辺に代入すると次式が得られる。

方程式（26）はただ二つの変数S_i及びF_i-1を含んでお
り、方程式（21）のITの代わりに使用され得てＩの実効
値が速度の２乗として且つ負荷と共に実質上線形に自動
的に変化することになる式である。方程式（26）の括弧
内の量は負荷装置11によって課される負荷トルクにおけ
る変化を補償する負荷係数LOAD FACと見ることができ、
この補償係数は与えられた特定の例とは異なり且つ負荷
トルクの変化と共に線形に変化する特定の形式をとるこ
とができる。

方程式（21）における安定性係数Ｂは望ましくは、そ
の実効値が速度の増大と共に線形に減小するように変え
られるべきである。厳密には線形でない逆関数から始ま
って、安定性Ｂは機関速度Ｓが増大するにつれて減小す
るべきことがわかる。すなわち、例えば、S_Rが100rpm（1.666回転毎秒）であり且つ最小
値又はアイドリング速度が20％すなわち20rpmである場
合には、分母は速度の増大と共に0.2から1.0まで変わ
り、従ってB_iは速度が20から100rpmまで変化するとき5B
_Rから1B_Rまで変化する。それゆえ変化は関係の期間につ
いてほぼ線形の逆関係である。

注意されるべきことであるが、方程式（21）は比B/T
を必要とし且つ使用している。方程式（27）は両辺をＴ
で割ることによって次式のように変換することができ
る。

方程式（25）からのS_iT_iの代入によって、これはとなる。意外なことに、結果B_R／T_Rは、B_R及びT_Rが両方
共既知の定数であるよら、定数である。そしてこれは、
定数B_R／T_Rが方程式（21）のB/Tの代わりに使用された
場合には（ここでＴは変数である）結果はあたかもＢの
実効値が速度の増大及びＴの減少と共に実質上線形に変
化させられたような場合と同じである。

方程式（21）における補償係数Ｄも又望ましくはその
実効値が速度の増大と共に線形に減小するように変えら
れるべきである。係数Ｂに関して上に述べられた論究の
結果によって、これはと表現されることができ且つ方程式（21）に現れる比D/
Tに対する式に変換されることができる。すなわち、方程式（25）からのS_iT_iを代入するととなる。ここで再び、比D_R／T_Rが定数であることを見る
のは意外なことである。そして、この定数が方程式（2
1）のD/Tの代わりに使用された場合には結果はＤの実効
値が速度の増大と共に実質上線形に減小することである
ことが明らかになる。

それゆえ、（ｉ）実効積分利得Ｉが動作速度Ｓの２乗
として且つ又負荷と共に線形に増大し、（ii）実効安定
性係数Ｂが速度の増大と共に実質上線形に減小し、且つ
（iii）実効補償係数Ｄも又速度の増大と共に実質上線
形に減小するような方法で方程式（21）を実行するため
に、方程式（26），（24）及び（30）から方程式（21）
への代入を行うと、が得られる。反復間隔Ｔが近似としてTcr/Qに等しいと
いう合理的な仮定に基づいて、この最後の方程式（33）
は、方程式（21）に現れるＴに独立であることがわかる
が、これはＴの変化可能な値がＳの変化する値及びS_R，
T_R，I_R，B_R，D_Rに対する前に決定された定数値によって
消滅させられるからである。

燃料率信号Ｆに対する繰り返し更新された値に達する
ために方程式（33）を繰り返して解くことはディジタル
計算機において、演算を分解して連続した簡単な計算を
含む連鎖順序にすることによって実施すればよい。これ
は、下付き記番ｉが「この反復」を示し且つ下付き記号
ｉ−１が「前の反復」を示している通常の表記法によっ
て表現することができる。これを前置きとして、方程式
（33）は次のように五つの式によって特徴づけられる。

E_i＝Sd_i−S_i （34） V_i＝E_i＋K₁（E_i−E_i-1）（35） W_i＝W_i-1＋V_i（IT）_i （37） F_i＝W_i＋K₃（W_i−W_i-1）＝W_i＋K₃V_i（IT_i）（38）ここでＶ及びＷは便宜上使用された単に中間的な値であ
り、又K₁，K₂及びK₃はのように他の既知の定数から決定された合成定数であ
る。

速度調節用命令プログラムを詳細に説明する前に、キ
ーボードサービス用サブルーチンの一部分が図６に関し
て取り扱われる。所与の設備が準備されているときに
は、幾つかの定数の適当な値が見いだされてマイクロコ
ンピュータの（第３図に部分的に示された）データ記憶
装置に入力される。キーボードサービス用サブルーチン
は瞬間決めされた割込み時に（しかし第４図のサブルー
チンが実行されていない期間中に）入力される。段階ST
P1において、計算機は準備モードが（例えば文字SUのキ
ー操作によって）呼び出されたかどうかを決定する。呼
び出された場合には、計算機は適当なプルフィックス符
号及び数字を待って受け取る−各値は適当な記憶場所
S_R，T_R，I_R，B_R，D_R及びFmax（第３図を参照）に記憶さ
れている。S_R1T_R及びFmaxの値は前に説明されたように
図１のハードウエア構成部分の特性から既知である。
I_R，B_R及びD_Rの値は、やはり前に説明されたように、定
格トップ速度S_R及び最小負荷（第５図の基準点RP）で動
作する機関についての「最適」妥協調整によって求めら
れて、速度及び負荷の過渡現象を受ける。そのようにし
て求められたI_R，B_R及びD_Rの値はそれゆえ段階STP2にお
いて記憶装置の対応するワードに記憶される。

段階STP3において、便宜定数は方程式（39）ないし
（41）に従って新たに計算されて場所K₁，K₂，K₃に記憶
される。

速度設定値S_dも又キーボードサービスサブルーチンに
よって任意の時点で入力され又は変更されることができ
る。図６に示されたように、準備モードが呼び出されて
いない場合には、プログラムは段階STP1からSTP4へ進行
して、新しい設定値フレフイックスが入力されているか
どうかが検出される。入力されている場合には、新しい
数値が段階STP5によって記憶場所S_dに入力され、入力さ
れていない場合には、システムは単にサブルーチンから
出る。

このように、（第３図の方形枠によって区別された）
メモリワードにおける一定の（しかし調整可能な）値は
速度調節システムの正規の機能の前に求められ、入力さ
れ、そして利用可能にされる。

この発明は機関10が最初に始動させられてアイドリッ
グ又は他のある初期速度に上げられる特定の条件には関
係していないので、第４図におけるプログラム流れ図は
初期機関始動のために使用され得る特別のプログラムに
動作のいずれも含んでいない。機関は運転していて負荷
装置は所与の状態（プロペラピッチ設定状態）にあり、
且つ計算機16は第３図に示されたような利用可能なデー
タ記憶装置の（特に）ワードで連続的に動作しているも
のと仮定されている。

各パルス27（第１図）が現われると、これにより図４
のサブルーチンへの割込み又は飛越しが生じて、段階SP
1ないしSP5の進行により、更新された実際の速度Ｓの計
算及び記憶が行われる。それゆえ、割込みは機関速度が
上昇又は低下するにつれて減小又は増大する時間間隔Te
で行われ、そして実際上、最後の四つの持続時間Teの和
は、各割込みが開始された後一定の且つ実質上無視でき
る時間遅延で、値Tcrとして求められて報知される。

段階SP5の後、計算機は段階SP6に進行し、ここではSd
からのＳの減算により、上の方程式（34）に示されたよ
うに、速度誤差Ｅに対する新しい値の記憶が行われる。

段階SP7において、変数Ｖは現在の誤差Ｅプラス前の
反復から現在の反復までの誤差における変化として計算
される。これは前の反復からセーブされた「前の値」E
_i-1を含んでいる。

段階SP8において、積ITの現在値は方程式（36）に従
う算術演算によって計算されて記憶される。方程式（2
1）及び（33）から想起されることであろうが、演算手
順は極めて簡単であるけれども、これは積分利得係数Ｉ
を機関速度の２乗として且つ負荷トルクと共に実質上線
形に自動的に変化させることと同等の最終的効果を持っ
ている。

中間的変数Ｗは方程式（37）に従ってＶ及びITの値を
利用する段階SP9における算術演算によって新しく値に
して求められて記憶される。変数Ｗは量Ｖ（IT）だけ上
又は下に増分され、そしてこれにより積分動作が発生さ
れる。値W_i-1は先行の反復からセーブされたものであ
る。

段階SP10において、最終の出力信号Ｆは、方程式（3
8）に従い且つ定数K3を利用する。従って補償係数Ｄに
よって影響される算術計算によって計算され且つ記憶さ
れる。明らかに、信号Ｆは、過渡的誤差を生じることに
なる負荷トルク又は設定値S_dにおける任意の変化の後で
速度誤差Ｅを実質上零に戻すために機関燃料入力率が増
大又は減小されなければならないときには累進的に増大
又は減小する。

段階SP11において、燃料信号Ｆの現在値はポート２に
読み出されて記憶される。DAC15（第１図）からの出力
電圧はそれゆえ更新され、そしてこれが変化させられた
場合には、作動子14は燃料調節棒12を移動して燃料入力
率を指令された値に物理的に変化させる。

最後に、段階SP12中、F,W及びＥの現在値は「前の
値」の記憶場所F_i-1，W_i-1及びE_i-1へ転送され、ここで
セーブされて次に続く反復の期間中の使用のために利用
可能にされる。

技術に通じた者には明らかなことであろうが、ここで
記述されたプログラムサブルーチンに従った計算機内の
算術計算は、単なる選択の問題として、適当な倍率係数
で準備され且つ種種の大きさの単位を使用することがで
きる。そして、もちろん、やはり選択の問題として、実
際の値ではなく正規化された値を表す信号をある場合に
は使用することができる。

（１）速度の有効な実際の値を−頻繁に且つ極端に大き
い位相遅れを伴わないで、しかも作動子及び燃料調節棒
を機械的に振動させ且つ摩損させる傾向のあるようなね
じり速度変動を遮断して−得るための、且つ（２）任意
の速度誤差のPID補正を発生するための命令プログラム
には、他の「計算機化」速度調節用制御システムに比べ
て非常に簡単で短いことがわかるであろう。計算機の記
憶装置にロードされ且つ第４図に関して説明された簡単
なプログラムサブルーチンによって、任意の速度誤差過
渡現象が比較的速い応答（高利得）でしかも不安定性又
は乱調を伴うことなく除去される。これは極めて簡単な
アルゴリズムによる積分利得、安定性及び補償係数の自
動「閉ループ適応」調整によって達成される。実際上、
それは、あたかも積分利得Ｉが速度の２乗として且つ負
荷と共に線形に増大されたような場合と同じ結果を達成
するために、速度Ｓ及び負荷F_i-1（方程式（36）を参
照）における変化に作って因子ITを調整する。それは、
あたかも安定性係数Ｂが速度の一次逆関数として変化さ
せられるような場合と同じ結果を達成するために一つの
動作点での最初の調整から得られた定数−方程式（35）
におけるを使用し、且つ又、あたかも補償係数Ｄが実質上速度の
逆関数として変化させられたような場合と同じ結果を達
成するために一つの動作点での最初の調整から得られた
定数−方程式（38）におけるを使用している。

第４図のサブルーチン全体は総計で非常に短い量の
「計算機時間」になる時間（典型的には約５又は10msの
程度）で実施されることができる。20ないし100rpmの速
度範囲にわたって90°に等しいΔθで動作する機関につ
いては、サブルーチンは公称上約750msないし150msだけ
隔てられた間隔での割込みによって入力される。これは
非常に大量の計算機時間を他の制御及びデータ記録又は
表示タスクの実施のために利用可能にする。実際、この
サブルーチンを実行して、1000rpm以上の速度で動作す
る機関について既述の実時間演算を実施することは全く
実行可能である。このような場合には、信号Tcrにただ
１回転（360°）に対する経過時間を表現させ且つ更新
用プログラムサブルーチンを１回転当りＱ回反復するこ
とは必要ではなく又は望ましくないであろう。三角関数
が360°の倍数だけ増大された角度に対して同じ値を持
っている（例えば、ｎを任意の整数とした場合、sinα
＝sin（α＋ｎ・360°）ということと同じ意味におい
て、先行の説明及び特許請求の範囲の各請求項における
「１回転」又は「360°」への言及は、ｎを零以外の任
意の整数とした場合、「ｎ回転」又は「ｎ・360°」の
等価量を包括的に意味するものと理解されるべきであ
る。

（ホ）効果概観して、ねじり速度変動のために存在すると思われ
る速度誤差によるシリンダ点火間の燃料率を補正的に調
整しようとしての、機械的振動により作動子14及び燃料
調節弦12が摩損するという問題は、この発明によって克
服された。実際の速度の更新された連続した値を検出し
且つ発生するための方法及び装置は、更新された実際速
度信号がねじり速度変動又は「弱い」シリンダによる速
度変動の影響を反映することを不可能にする。

第４図に例示されたプログラムによって大部分構成さ
れているPID制御システムは、ねじり速度変動が検出速
度信号Ｓ及び速度誤差Ｅに反映された場合に生じるよう
な不安定性を呈することなく比較的高い積分利得で動作
させることができる。しかし、クランク軸の１回転当り
１回だけ更新を行うことによって必然的に生じるよう
な、信号Ｓを発生するために帰還される情報の「新鮮で
ないこと」及び位相遅れは、各更新値Ｓをクランク軸の
完全な１回転のための時間に基づかせながら、検出速度
を１回転当りＱ回（Ｑ＝2,3,4…）更新することによっ
て避けられる。後者の態様はすべての小さい速度変動を
覆い隠し且つ１回転の期間にわたる瞬時速度の平均値を
表すＳの各値を生じることになり、従って不安定性を伴
わずに高利得を使用することができる。後者の態様は許
容不可能なほど大きい位相遅れ、従って過渡的速度誤差
の鈍い又は遅い除去をなくする。

広い意味で見ると、この発明はクランク軸の１回転当
りの経過時間のＱの更新値を得ることによって実施され
得るが、その際このような各値はクランク軸が連続した
所定の角度Δθ₁，Δθ₂…Δθ_qを経由して回転した直
後に完全な１回転に対して求められ、この場合これらの
角度は等しいことは必要でないがこれらの角度の和は１
回転（360°）に等しい。１回転期間Tcrは角度積分の一
つΔθ_Xが完了した時点とその同じ角度増分Δθ₂が次に
完了する時点との間の経過時間として、例えば方程式
（10）に表されたように、求められる。これから速度Ｓ
の更新値は方程式（12）の逆数計算によって容易に求め
られる。

しかし、Tcr及びＳのその決定は１回転当りＱ回新た
に行われる。

この発明の採択実施方法においては、所定の角度Δθ
₁，Δθ₂…Δθ_qはすべて等しくされ且つ360°の整数分
の１の大きさになっている。上で取り扱われた特定の実
施例においては、Ｑは４として選ばれ且つΔθ₁＝Δθ₂
＝Δθ₃＝Δθ₄＝90°である。これはTcrの新しい決定
を生じることになる割込みをクランク回転の各90°後の
時点であって公称上等しい経過時間Teだけ隔てられてい
る時点において現わさせる。

Ｑに対する選ばれた値と１回転当りのシリンダ点火の
回数を特徴づける数との間には優先される関係がある。
Ｎシリンダの２サイクル機関に対しては、１回転当りＣ
の点火であって、Ｃ＝Ｎである。Ｎシリンダの４サイク
ル機関に対しては、Ｃ＝N/2とした場合、１回転当りＣ
の点火がある。点火周波数はＣにクランク軸回転周波数
を掛けたものである。任意所与の機関に対しては、Ｑは
（既述の例におけるように、Ｃ＝Ｑ＝４とした場合）Ｃ
に等しいように選択されることが望ましい。これは、検
出速度信号Ｓ及び燃料率信号Ｆの更新がその場合最短の
有効な間隔で行われるので、最小の位相遅れを与える。
ＱがＣより小さいが１よりは大きい整数になるように選
ばれた場合には、位相遅れは「１回転当り１回」の更新
に対するそれよりは小さいがＱ＝Ｃに対するそれよりは
大きくなる。これに反して、ＱがＣよりも大きくなるよ
うに選ばれた場合には、更新はＱ＝Ｃの場合よりも頻繁
になり且つ信号Ｆは一層頻繁に且つ一層小さい位相遅れ
で燃料調節棒を再調整することになる。しかしこの場合
には、これはシリンダに実際に供給される燃料の率にお
ける一層頻繁な変化を生ずることにはならないが、これ
はシリンダへの燃料注入の時点はそのようなシリンダが
点火する時点と同じ率で発生するからである。燃料注入
の時点間における燃料調節棒の位置は意味がなく、従っ
て燃料調節棒の位置をシリンダ点火率よりも頻繁に再調
整することは燃料入力率を制御する際には利益がない。

意外な事実であるが、各更新検出速度値Ｓの確度及び
クランク軸回転周波数より大きい任意の周波数での瞬時
速度変動に対するそれの不感性は、（ｉ）点火時間FI及
びねじり振動波形40（第２図）と（ii）パルス27が現れ
て値Ｓの更新を開始させる時点ｔとの間の位相角によっ
て全く影響されない。

任意の速度誤差は除去するためのRID動作に対するサ
ブルーチンはこの速度検出方法及び装置と共働する。後
者はクランク軸が各所定のΔθの回転を完了する時点間
の経過時点を求めることに基づいている。そしてこれら
の時点は速度が大きい動作範囲にわたって変化するにつ
れてむしろ広範囲に変化する間隔Teだけ隔てられてい
る。サブルーチンはこれらの各時点において又はこれの
後非常に短く且つ一定の遅延を伴ってＳの新しい値を発
生し且つこれを利用可能にする。それゆえ、燃料率のPI
D補正の標本化及び反復率は、規則的に時間決めされた
割込みとは対照的に、変数であり、このために所定の定
数を利用した、非常に簡単なプログラム段階を可変の率
に反復して開ループ適応調整の最終的効果を発生させ
る、すなわち、機関及びこれに駆動された負荷装置の動
化領域（第５図）内で速度及び負荷が広範囲に変化する
ときにI,B及びＤを補正的に変化させることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の方法を実行し且つこの発明の装置を
具体化した速度検出・調整装置と関連した、負荷装置を
駆動する典型的な機関の線図である。第２図は時間に対する機関クランク軸の瞬時速度を表す
図表であって、変化可能な実際の速度が反復的に決定さ
れ且つ報知される時間関係を理解するのに役立つもので
ある。第３図は第１図に示されたディジタル計算機のデータ記
憶装置におけるアドレス又はワードの部分図である。第４図は例示的な採択実施例によるこの発明の方法及び
装置に関与するためにディジタル計算機のプログラム記
憶装置へロードされる速度検出・調整用プログラムサブ
ルーチンの詳細を例示した流れ図である。第５図はここで説明されるはずの速度調整方式によって
制御される典型的な機関−負荷装置存在物の速度−負荷
特性の図表であって、時折機関−負荷組合せに対する
「動作図」と呼ばれるものである。第６図はデータ記憶装置におけるある種の所定の、しか
し変化可能な定数の記憶を可能にするために第１図に示
されたディジタル計算機のプログラム記憶装置へロード
されるキーボードサービスプログラムサブルーチンの簡
単化形式の流れ図である。第１図において、10…機関、11…負荷装置、12…燃料調
整棒、14…線形電磁作動子、15…ディジタル−アナログ
変換器、16…マイクロコンピュータ、18…キーボード・
CRT表示装置、21…電磁ピックアップ、24…二進計数
器、26…有極電圧微分器、30…マイクロプロセッサ、32
…プログラム記憶装置、34…データ記憶装置、45…32ピ
ット計算器、46…水晶発振器、を示している。

フロントページの続き (56)参考文献特開昭54−55205（ＪＰ，Ａ) 特開昭59−28666（ＪＰ，Ａ) 特公昭63−67145（ＪＰ，Ｂ２)

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】可変負荷（11）を駆動する機関（10）の回
転軸（10a）の所望の回転速度（S_d）を維持する方法で
あって、前記回転軸は該軸の周辺に配分された複数のマ
ーク（20）を有し、該方法は、基準点（21）を通り各マークの１回転に対する期間
（Ｔ）の値を決定すること、前記期間から回転軸の動作速度（Ｓ）を導出すること、前記期間の値を更新すること、前記各マークの前記各更新された期間の値に対して前記
回転軸の動作速度の導出を反復すること、命令信号（Ｆ）に応答して回転軸の速度（Ｓ）を制御す
ること、の各段階を含み、前記回転軸の所望の速度（S_d）と回転軸の動作速度
（Ｓ）の誤差の比例・積分・微分（PID）関数から前記
各マークに対する命令信号（Ｆ）の値を発生することを
含み、前記PID関数は、該関数の唯一の独立変数とし
て、最新の導出された動作速度と前に導出された少なく
とも１つの動作速度を使用し、そして各マークの１回転毎に命令信号の値を更新する段階を含
む、ことを特徴とする方法。
【請求項２】前記PID関数が次の関係式により定義さ
れ、ここで、z^-1は数学的演算子を示し、I_Rは積分利得係数
を表す所定の定数であり、T_Rは動作速度に反比例する変
数または最高速度におけるマークの１回転に対する期間
を表す所定の定数であり、S_Rは回転軸の最高速度を表す
所定数または動作速度を表す変数であり、B_Rは安定性係
数を表す所定の定数であり、D_Rは補償係数を表す所定の
定数であり、そしてLOADFACは負荷のトルクの所定の関
数である、特許請求の範囲１項に記載の方法。
【請求項３】前記関係式中のT_Rのいずれか一つが前記動
作速度に反比例する変数または前記所定の定数である、
特許請求の範囲２項に記載の方法。
【請求項４】命令信号Ｆが機関への燃料入力率を確立し
て調整し、Ｉは積分利得係数であり、Ｂは安定性係数で
あり、Ｄは補償係数であり、そしてz^-1は数学的演算子
である場合、の関係式に従う速度誤差の積分関数として、プログラム
式ディジタル計算機の援助により、回転軸の所望の回転
速度を制御し、（１）規則的に時間決めされた間隔ではなく、回転軸の
動作速度により決定される間隔（T_c）で、前記プログラ
ム式ディジタル計算機はプログラム・サブルーチンを反
復的に入力し且つ実行するように誘発されること、そし
て（２）S_R，T_R，I_R，B_RおよびD_Rが機関の速度−負荷特性
における事前選択の基準点での動作に対して選択された
所定の定数である場合、プログラム・サブルーチンは関
係式、に従って時間間隔（T_c）における命令信号を計算しそし
て更新する、特許請求の範囲１項に記載の方法。
【請求項５】（ａ）時間間隔のあるシリンダ点火に起因
する瞬時速度変動及び（ｂ）不当に長い時間遅れの両方
から生じる問題を軽減する方法で多シリンダ機関の軸の
速度を報知するための装置であって、（１）軸の回転を検出するように配置された変換器（2
1）、（２）前記の変換器に結合され且つこれに応答して、軸
が完全に１回転回転する時間間隔を数値で表す信号Tcr
を発生することのできる装置（24,26）、及び（３）前記の装置（２）と関連していて、前記変換器に
より発生された信号（FS）に応答し、ｑを１より大きい
整数とした場合の前記の信号Tcrを軸の各回転の期間中
にｑ回更新するためのプログラムを記憶する手段（32）
と、該プログラムを実行する手段（30）とを含む装置
（16）、を備えている前記の装置。
【請求項６】ねじり速度変動の影響を伴うことなく多シ
リンダ機関の前記の軸の速度を直接又は逆数で表す連続
的に更新された信号を発生するためのものであり、且つ前記の変換器が、所定の角度変位Δθ₁，Δθ₂……Δθ
_qの和を360°とし且つｑを１より大きい所定の定数とした場合、軸がこれ
らの角度変位だけ回転するごとに第１信号FSを発生する
ための装置を備えており、且つ前記の装置（２）及び
（３）が集合的に、前記の第１信号FSの所定のひとつに
応答して、該所定のひとつの第１信号FS_iの出現とより
前に出現した第１信号FS_i-qとの間の時間を表す数値に
第２信号Tcrを更新することのできる装置を備えてお
り、これにより第２信号Tcrが、（ａ）軸速度に反比例し且
つ（ｂ）１回転の期間にわたって発生する任意の瞬時軸
速度変動に無関係である値に、軸の１回転当りｑ回反復
的に更新される、特許請求の範囲第５項に記載の装置。
【請求項７】前記の変換器が、前記の軸の角運動を検出
して、ｑを１より大きい事前選択の整数とし且つとした場合、軸が所定の連続した角度変位Δθ₁，Δθ₂
……Δθ_qを夫々経由して回転した時点ごとに現れるパ
ルスでパルス信号FSの流れを発生するための装置を備え
ており、且つ前記の装置（２）及び（３）が、前記の信号FSのそれぞ
れの出現に応答して、軸の完全な１回転に対する期間を数値で表す信号Tcrを
発生することのできる装置を備えており、この信号Tcr
が、 CLOCKが経過する時間に対する変化する数値であり、且
つ表記CLOCK₁が所与のパルス信号FS_iの時点における時
点値を表し且つ表記CLOCK_i-qがｑ番目の先行するパルス
信号FS_i-qの時点における時点値を表している場合、 Tcr_i＝CLOCK_i−CLOCK_i-q の関係式に従った値を持っていること、によって更に特徴づけられている、特許請求の範囲第５
項に記載の装置。
【請求項８】前記の変換器が、軸の角度位置θにおける
変化を検出して、所定の連続した角度変位Δθ₁，Δθ₂
……Δθ_qのｑが１より大きい事前選択の整数であり、
且つ Δθ₁＋Δθ₂……＋Δθ_q＝360° である場合、軸がこれらの各角度変位を経由して回転し
た時点ごとに現れるパルスでパルス信号FSの流れを発生
するための装置を備えており、且つ前記の装置（１）及び装置（２）が集合的に、それぞれ
の連続したパルス信号FS₁，FS_i+1，FS_i+2……の出現に
応答して、最後に完了した軸の完全な１回転に対する時
間間隔を数値で表す数値信号Tcrを発生することのでき
る装置を備えており、前記の数値が、 Tcr_iがパルス信号FS_iに応答して発生された数値信号Tcr
の更新値であり、且つTe_i，Te_i-1……Te_i-q-1が信号FS
_i-1とFS_i，FS_i-1とFS_i-2……FS_i-q-1の出現間のそれぞ
れの経過時間である場合、 Tcr_i＝Te_i＋Te_i-1……Te_i-q-1 の関係式に従っており、且つ（４）連続した数値信号Tcr_i，Tcr_i+1，Tcr_i+2…… を軸の回転速度の逆数を表すものとして利用するための
装置を更に備えている、特許請求の範囲第５項に記載の装
置。
【請求項９】それぞれの更新された第２信号Tcrに応答
して、この第２信号Tcrの最新の値に反比例し、従って
機関軸の最も新しく完了した１回転にわたるこの軸の平
均速度に比例している第３信号Ｓを発生することのでき
る装置、を更に備えている、特許請求の範囲第５ないし８項のい
ずれか一つに記載の装置。
【請求項１０】前記の所定の角度変位Δθ₁，Δθ₂……
Δθ_qが互いに等しく且つそれぞれ360°/qに等しい、特
許請求の範囲６ないし９項のいずれか一つに記載の装
置。
【請求項１１】所定の整数ｑが360°の整数分の１であ
ることによって更に特徴づけられている、特許請求の範
囲５ないし10項のいずれか一つに記載の装置。
【請求項１２】前記の多シリンダ機関が、前記の軸の１
回転当りＣ回のシリンダ点火がある機関であり、且つ前
記の所定の整数ｑがＣに等しい、特許請求の範囲５ない
し11項のいずれか一つに記載の装置。
【請求項１３】変化可能な負荷トルクを課する負荷装置
（11）を駆動する機関（10）の速度を制御する方法であ
って、ディジタル計算機（16）に、反復的に実行されるプログ
ラムルーチン（図４）をロードすること、前記のプログラムルーチンを定式化して、これを通る各
パスが燃料率指令信号Ｆを所望の速度S_dと機関の検出実
際速度Ｓとの間の誤差Ｅの制御関数（例えば、方程式2
1）として反復的に更新するようにすること、及び指令信号Ｆに対応する率で機関に燃料を供給すること、を含んでおり、前記の制御関数が、制御応答に影響を与えるが実効値が
前記のプログラムルーチンの反復間の時間間隔の持続時
間Ｔ（方程式21）によって影響される少なくとも一つの
調整可能な数（例えば、Ｉ又はＢ又はＤ）を含んでお
り、前記の方法が、前記の計算機をして前記のルーチンを通るパスを、機関
軸が所定の角度を回転するのに必要とされる時間（例え
ば、１回転に対する時間Tcr）に持続時間が等しいか又
は比例しており従って機関速度の変化に反比例して持続
時間が変化する可変間隔Ｔにおいて開始させること、及
びプログラムルーチンにおける前記の調整可能な数Ｎの代
わりに、機関及び負荷装置がこれらの速度／負荷動作図
（図５）上の事前選択の基準点RPにおいて動作していた
ときに以前求められた一つ以上の定数（N_R，S_R，T_R）か
ら決定された数値N_V（例えば、図４及び方程式39,40又
は41におけるK₁，K₂又はK₃）を使用すること、を含んでおり且つこれらのことによって特徴づけられて
いる前記の方法。
【請求項１４】前記のプログラムルーチンが前記の指令
信号Ｆを前記の誤差ＥのPID関数として変化させるよう
に定式化され、前記の調整可能な数Ｎが安定性係数であ
り、且つ前記のプログラムルーチンの諸段階が、 B_Rを機関が前記の基準点RPにおいて動作しているときの
安定性係数に対して求められた所定の定数とし、且つT_R
を実質上機関が前記の基準点に対応する速度S_Rで動作し
ているときの前記のプログラムルーチンを通るパスの開
始点間の時間とした場合、である定数K₁によるある量の乗算（図４の段階SP7にお
けるもの）を含んでいること、によって更に特徴づけら
れている、特許請求の範囲第13項に記載の方法。
【請求項１５】前記のプログラムルーチンが前記の指令
信号Ｆを前記の誤差ＥのPID関数として変化させるよう
に定式化され、前記の調整可能な数Ｎが補償係数Ｄであ
り、且つ前記プログラムルーチンの諸段階が、 D_Rを機関が前記の基準点RPにおいて動作しているときの
補償係数に対して求められた所定の定数とし、且つT_Rを
実質上機関が前記の基準点に対応する速度S_Rで動作して
いるときの前記のプログラムルーチンを通るパスの開始
点間の時間とした場合、である定数K₃によるある量の乗算（図４の段階SP10にお
けるもの）を含んでいること、によって更に特徴づけら
れている、特許請求の範囲第13項に記載の方法。
【請求項１６】前記のプログラムルーチンが前記の指令
信号Ｆを前記の誤差ＥのPID関数として変化させるよう
に定式化され、前記の調整可能な数Ｎが積分利得係数Ｉ
であり、且つ前記のプログラムルーチンの諸段階が、 I_Rを機関が前記の基準点RPにおいて動作しているときの
積分利得係数に対して求められた所定の定数とし、S_Rを
前記の基準点における機関速度を表す定数とし、且つT_R
を機関が前記の基準点に対応する速度で動作していると
きの前記のプログラムルーチンを通るパスの開始点間の
時間を実質上表す定数とした場合、定数K₂及び速度表示
信号Ｓ、すなわちによるある量の乗算（図４のSP8におけるもの）を含ん
でおり、従ってこの乗算の積が任意の変化可能な数値の
計算上の２乗化を伴うことなく機関速度における変化の
２乗として変化すること、によって更に特徴づけられて
いる、特許請求の範囲第13項に記載の方法。
【請求項１７】機関軸の角度回転が検出されて、所定の
連続した角度変位Δθ₁，Δθ₂……Δθ_qの和が360°で
あり且つｑが１より大きい所定の整数であるとした場
合、機関軸がこれらの角度変位を経由して回転した期間
の終了時にそれぞれ現れるパルスでパルス信号FSの流れ
が発生され、且つ前記のプログラムルーチンを通るパスがパルス信号FSの
出現に応答して開始されることによって更に特徴づけられている、特許請求の範囲
第13ないし16項のいずれか一つに記載の方法。
【請求項１８】前記のプログラムルーチンを定式化し
て、これを通る各パスの期間中に、（ａ）このパスを開
始させたパルス信号の所与のものFS_iの出現と（ｂ）よ
り前のパルス信号FS_i-qの出現との間の経過時間Tcrの逆
数を表している速度信号Ｓの更新を生じさせるようにし
たことによって更に特徴づけられている、特許請求の範
囲第17項に記載の方法。
【請求項１９】多シリンダ機関の出力軸の速度を制御し
て、（ａ）不当な時間遅れ及び鈍い応答と（ｂ）平均機
関速度が一定であるときのねじり速度変動に起因するシ
リンダ点火の時点間の中間での補正動作との両方を避け
るようにする方法であって、（１）機関軸の角度変位における変化を検出して、ｑを
１より大きい整数とし且つ所定の角度変位Δθ₁，Δ
θ₂，……Δθ_qのすべての和を360°に等しくした場
合、軸がこれらの角度変位を経由して回転した各時点ご
とにパルス信号FSを発生すること、（２）プログラ式ディジタル計算機をしてパルス信号FS
の一つが現れるたびごとに速度制御プログラムサブルー
チンを入力させること、（３）各パスにおいて、（ａ）最後に完了された軸の完全な１回転に対する時間
間隔Tcrが数値的に報知され、且つこれの逆数が実際の
機関速度Ｓの数値表現として形成され、（ｂ）設定値速度S_dと実際の機関速度Ｓとの間の速度誤
差Ｅが求められ、且つ（ｃ）最終信号Ｆが速度誤差Ｅの所定の関数として指令
機関燃料率を表すように数値的に更新される動作を含むように前記のサブルーチンを確立すること、
並びに（４）前記の信号Ｆ及びこれにおける変化を利用して、
機関に供給される燃料の率を決定し且つ変更し、その際
前記の所定の関数が任意の速度誤差を除去するように燃
料供給率を変更するように定式化されていること、を含む前記の方法。
【請求項２０】前記の所定の角度Δθ₁，Δθ₂……Δθ
_qが互いに等しく且つそれぞれ360°/qに等しく、これに
より前記のパルスFSが実質上等しい時間間隔で現れ且つ
速度制御サブルーチンが、平均機関速度が所定の値にお
いて一定であるときに実質上一様な時間率で反復される
ことによって更に特徴づけられている、特許請求の範囲
第19項に記載の方法。
【請求項２１】制御されるべき機関が前記の軸の１回転
当りＣ回のシリンダ点火で動作すること、及び前記の整
数ｑがＣに等しいことによって更に特徴づけられてい
る、特許請求の範囲第19項に記載の方法。
【請求項２２】前記のサブルーチンにおいて最終信号Ｆ
が、各パス中所定の定数（K₂）と数値的に報知された速
度Ｓとの積を計算することによって機関速度の２乗とし
て実効上変化する積分利得係数Ｉでの誤差Ｅの時間積分
に従って影響されることによって更に特徴づけられてい
る、特許請求の範囲第19項ないし21項のいずれか一つに
記載の方法。
【請求項２３】前記のサブルーチンにおいて最終信号Ｆ
が、一つの反復から次の反復までの誤差Ｅの変化を所定
の定数（K₁）で乗算する手順によって実質上機関速度の
一次逆関数として実際上変化する安定性係数Ｂに従って
影響されることによって更に特徴づけられている、特許
請求の範囲第19項ないし22項のいずれか一つに記載の方
法。
【請求項２４】D_Rを機関が速度／負荷動作図（図５）上
の事前選択の基準点RPにおいて動作しているときの補償
係数に対して求められた所定の定数とし、T_Rを実質上機
関が前記の基準点に対応する速度で動作しているときの
前記のサブルーチンを通るパスの開始点間の時間とし、
W_iを最終信号Ｆを計算するために便宜上使用される中間
値、W_i-1をW_iの前の中間値とした場合、前記のサブルー
チンにおいて最終信号Ｆが、報知された変数（W_i−
W_i-1）を所定の定数で乗算する手順によって実質上機関速度の一定逆関数と
して実際上変化する補償係数Ｄにより影響されることに
よって更に特徴づけられている、特許請求の範囲第19な
いし23項のいずれか一つに記載の方法。
【請求項２５】Ｆが機関への燃料入力率を確立し且つ調
整する反復的に更新された指令信号であり、ｚ−１が数
学的演算子であり、S_dが所望の速度であり、Ｓが検出さ
れた実際の速度であり、Ｉが積分利得係数であり、Ｂが
安定性係数であり、Ｄが補償係数であり、且つＴが連続
した反復間の期間である場合、の関数式に従って、速度誤差のPID関数として、プログ
ラム式ディジタル計算機の援助により多シリンダ機関の
速度を制御する方法であって、（１）規則的に時間決めされた間隔Ｔにおいてではな
く、所定の角度変位を経由しての機関軸の回転に持続時
間が対応しており従って機関速度が増大又は減少するに
つれて短く又は長くなる間隔Ｔにおいて、プログラム式
ディジタル計算機がプログラムサブルーチンを反復的に
入力し且つ実行するように誘発されること、並びに（２）前記のプログラムサブルーチンが、信号Ｆを各パ
スにおいて、 S_R，T_R，I_R，B_R及びD_Rが機関の速度−負荷特性（図５）
における事前選択の基準点Ｐでの機関の動作に対して選
択された所定の定数値であり且つLOADFACが機関負荷の
変化と共に実質上線形に変化する変数である場合、の関係式に従って計算し且つ更新するように構成されて
いること、によって特徴づけられている前記の方法。
【請求項２６】F_i-1が指令信号Ｆに対する最新の値であ
り、且つFmaxが機関への燃料入力の最大率を発生する指
令信号Ｆの最大値である場合、の関係式に従って変数LOAD FACが計算されることによっ
て更に特徴づけられている、特許請求の範囲第25項に記
載の方法。
【請求項２７】Ｆが機関への燃料入力率を確立し且つ調
整する反復的に更新された指令信号であり、ｚ−１が数
学的演算子であり、S_dが所望の速度であり、Ｓが検出さ
れた実際の速度であり、Ｉが積分利得係数であり、且つ
Ｔが連続した反復間の間隔である場合、の関係式に従って速度誤差の積分関数として、プログラ
ム式ディジタル計算機の援助により、機関の速度を制御
する方法であって、（１）規則的に時間決めされた間隔Ｔにおいてではな
く、所定の角度変位を経由しての機関軸の回転に持続時
間が対応しており且つ機関速度が増大又は減少するにつ
れて短く又は長くなる間隔Ｔにおいて、プログラム式デ
ィジタル計算機がプログラムサブルーチンを反復的に入
力し且つ実行するように誘発されること、並びに（２）前記のプログラムサブルーチンが、信号Ｆを各パ
スにおいて、S_R，T_R及びI_Rが機関の速度−負荷特性にお
ける事前選択の基準点RPでの動作に対して選択された所
定の定数値である場合、の関係式に従って計算し且つ更新するように構成されて
いること、によって特徴づけられ、これにより実効積分利得が、数値の２乗化を含む計算を
伴うことなく、実質上実際速度の２乗として変化するよ
うにされる前記の方法。