(57)【要約】【課題】制御出力に対する制約の充足性を高めつつ、制御出力の応答性の悪化を抑制する。【解決手段】プラント制御装置は、プラント６の所定のパラメータに基づいてプラントの制御出力の目標値を算出する目標値算出部２と、目標値を修正して最終目標値を導出するリファレンスガバナ３と、制御出力が最終目標値に近付くようにプラントの制御入力を決定するフィードバックコントローラ５とを備える。リファレンスガバナは、制御出力の応答性と制御出力に対する制約の充足性とが最適化されるように目標値の修正量及び修正開始時期を算出する。【選択図】図６
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
プラントの所定のパラメータに基づいて該プラントの制御出力の目標値を算出する目標値算出部と、
前記目標値を修正して最終目標値を導出するリファレンスガバナと、
前記制御出力が前記最終目標値に近付くように該プラントの制御入力を決定するフィードバックコントローラと
を備える、プラント制御装置において、
前記リファレンスガバナは、前記制御出力の応答性と該制御出力に対する制約の充足性とが最適化されるように前記目標値の修正量及び修正開始時期を算出することを特徴とする、プラント制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はプラント制御装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
制御対象であるプラントでは、制御出力が目標値に近付くようにフィードバック制御が行われる。しかしながら、実際の制御では、ハード又は制御上の制約に起因して、プラントの状態量に制約がある。斯かる制約を無視して制御系の設計が行われると、過渡応答の悪化や制御の不安定化が生じるおそれがある。
【０００３】
従来、制約充足性を改善するための手法としてリファレンスガバナが知られている。リファレンスガバナは、制約充足性を考慮し、プラントの所定のパラメータに基づいて算出される目標値を修正して制御出力の目標値を導出する。具体的には、リファレンスガバナは所定の目的関数の値が小さくなるように最適値探索を行うことによって目標値を導出する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１６−０５１１９６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１に記載のプラント制御装置では、目的関数が、目標値の修正量を表す項と、制約条件の充足度を表す項（ペナルティ関数）とを含む。しかしながら、斯かる目的関数には応答性を表す項が含まれていないため、目的関数の値を小さくしようとすると、制約条件の充足性が優先される傾向にある。この結果、目標値が修正されるタイミングが早くなりすぎ、制御出力の応答性が悪化するおそれがある。
【０００６】
そこで、上記課題に鑑みて、本発明の目的は、制御出力に対する制約の充足性を高めつつ、制御出力の応答性の悪化を抑制することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を解決するために、本発明では、プラントの所定のパラメータに基づいて該プラントの制御出力の目標値を算出する目標値算出部と、前記目標値を修正して最終目標値を導出するリファレンスガバナと、前記制御出力が前記最終目標値に近付くように該プラントの制御入力を決定するフィードバックコントローラとを備える、プラント制御装置において、前記リファレンスガバナは、前記制御出力の応答性と該制御出力に対する制約の充足性とが最適化されるように前記目標値の修正量及び修正開始時期を算出することを特徴とする、プラント制御装置が提供される。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、制御出力に対する制約の充足性を高めつつ、制御出力の応答性の悪化を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】図１は、本実施形態に係るプラント制御装置の目標値追従制御構造を示す図である。
【図２】図２は、図１の目標値追従制御構造を等価変形することによって得られるフィードフォワード制御構造を示す。
【図３】図３は、目標値の修正量及び修正開始時期を変化させたときの目標値到達時間を示すグラフである。
【図４】図４は、目標値の修正量及び修正開始時期を変化させたときの超過量を示すグラフである。
【図５】図５は、本実施形態における目標値の修正が行われた場合の制御出力のタイムチャートを示す図である。
【図６】図６は、本実施形態における目標値修正処理の制御ルーチンを示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、図面を参照して本発明の実施形態について詳細に説明する。なお、以下の説明では、同様な構成要素には同一の参照番号を付す。
【００１１】
＜プラント制御装置＞
図１は、本実施形態に係るプラント制御装置の目標値追従制御構造を示す図である。プラント制御装置は、目標値算出部２、リファレンスガバナ（ＲＧ）３、比較部４及びフィードバックコントローラ５を備える。例えば、電子制御ユニット（ＥＣＵ）のようなマイコンがプラント制御装置として機能する。
【００１２】
図１において破線で囲まれた部分は、プラント６の制御出力ｘが最終目標値ｗに近付くようにフィードバック制御を行う閉ループシステム１０として機能する。閉ループシステム１０が設計済である場合、図１の目標値追従制御構造を等価変形することによって図２のフィードフォワード制御構造が得られる。
【００１３】
比較部４は、最終目標値ｗから制御出力ｘを減算して偏差ｅ（＝ｗ−ｘ）を算出し、偏差ｅをフィードバックコントローラ５に入力する。最終目標値ｗはリファレンスガバナ３によって比較部４に入力され、制御出力ｘは、制御入力ｕ及び外生入力ｄが入力されるプラント６から出力される。外生入力ｄはプラント６の所定のパラメータである。
【００１４】
フィードバックコントローラ５は、制御出力ｘが最終目標値ｗに近付くようにプラント６の制御入力ｕを決定する。すなわち、フィードバックコントローラ５は、偏差ｅがゼロに近付くように制御入力ｕを決定する。フィードバックコントローラ５では、ＰＩ制御、ＰＩＤ制御等の公知の制御が用いられる。フィードバックコントローラ５は制御入力ｕをプラント６に入力する。また、状態フィードバックとして制御出力ｘがフィードバックコントローラ５に入力される。なお、制御出力ｘのフィードバックコントローラ５への入力は省略されてもよい。また、比較部４はフィードバックコントローラ５に組み込まれていてもよい。
【００１５】
上述したように、閉ループシステム１０では、制御出力ｘが最終目標値ｗに近付くようにフィードバック制御が行われる。しかしながら、実際の制御では、ハード又は制御上の制約に起因して、制御出力ｘに制約がある。このため、制約を考慮せずに算出された目標値が閉ループシステム１０に入力されると、制御出力ｘが制約に抵触し、過渡応答の悪化や制御の不安定化が生じるおそれがある。
【００１６】
そこで、本実施形態では、目標値算出部２及びリファレンスガバナ３を用いて制御出力ｘの最終目標値ｗが算出される。外生入力ｄが目標値算出部２に入力されると、目標値算出部２は、外生入力ｄに基づいて制御出力ｘの目標値ｒを算出し、目標値ｒをリファレンスガバナ３に出力する。例えば、目標値算出部２は、マップ又は計算式を用いて、外生入力ｄに基づいて目標値ｒを算出する。
【００１７】
リファレンスガバナ３は目標値ｒを修正して最終目標値ｗを導出する。このとき、制約条件の充足性を優先して目標値ｒが修正されると、修正のタイミングが早くなりすぎ、制御出力ｘの応答性が悪化するおそれがある。
【００１８】
そこで、本実施形態では、リファレンスガバナ３は、制御出力ｘの応答性と制御出力ｘに対する制約の充足性とが最適化されるように目標値ｒの修正量及び修正開始時期を算出する。このことによって、制御出力ｘに対する制約の充足性を高めつつ、制御出力ｘの応答性の悪化を抑制することができる。
【００１９】
具体的には、リファレンスガバナ３は、制御出力ｘの応答性と制御出力ｘに対する制約の充足性とを考慮して定められた目的関数の値が小さくなるように最適値探索を行うことによって目標値ｒの修正量及び修正開始時期を算出する。本実施形態では、目的関数Ｊは下記式（１）によって表される。
Ｊ＝Ｔ2＋Ｓ2…（１）
【００２０】
目的関数Ｊは、制御出力ｘの応答性を表す第１ペナルティ関数Ｔと、制御出力ｘに対する制約の充足性を表す第２ペナルティ関数Ｓとを含む。具体的には、目的関数Ｊは第１ペナルティ関数Ｔの二乗と第２ペナルティ関数Ｓの二乗との和として構成される。
【００２１】
第１ペナルティ関数Ｔは、制御出力ｘが目標値ｒに到達するまでの時間（以下、「目標値到達時間」という）である。第２ペナルティ関数Ｓは、制御出力ｘが制約値を超過する量（以下、「超過量」という）である。制約値が目標値ｒである場合、超過量は制御出力ｘのオーバーシュート量となる。なお、制約値は制御出力ｘの上限値又は下限値であってもよい。
【００２２】
したがって、目的関数Ｊは、目標値到達時間と超過量とがペナルティとして目的関数Ｊに加算されるように構成されている。このため、目的関数Ｊは、目標値到達時間が短いほど、すなわち制御出力ｘの応答性が高いほど小さくなる。また、目的関数Ｊは、超過量が小さいほど、すなわち制御出力ｘに対する制約の充足度が高いほど小さくなる。
【００２３】
図３は、目標値ｒの修正量及び修正開始時期を変化させたときの目標値到達時間を示すグラフである。時刻ｔ０は、プラント６の状態が変化したことによって目標値ｒが変更された時刻を示す。時刻ｔ１は、目標値ｒが修正されなかった場合に制御出力ｘが目標値ｒに到達する時刻を示す。グラフに示された複数の曲線では目標値ｒの修正量が異なっており、図３のグラフでは、上側の曲線ほど、目標値ｒの修正量が大きい。
【００２４】
図３のグラフから分かるように、目標値ｒの修正量が大きいほど、目標値到達時間が長くなる。また、時刻ｔ０に近い時刻又は時刻ｔ１に近い時刻に目標値ｒが修正された場合には、それ以外の時刻に目標値ｒが修正された場合に比べて、目標値ｒの修正が目標値到達時間に与える影響が小さくなる。
【００２５】
したがって、目標値到達時間は目標値ｒの修正量及び修正開始時期に応じて変化する。このため、第１ペナルティ関数Ｔは、目標値ｒの修正量及び修正開始時期を変数とする関数として表される。第１ペナルティ関数Ｔは、図３に示されるような曲線の形状を表すように作成される。図３に示されるような曲線の形状は、プラント６のモデルを用いたシミュレーション、実験等によって予め得られる。
【００２６】
図４は、目標値ｒの修正量及び修正開始時期を変化させたときの超過量を示すグラフである。時刻ｔ０は、プラント６の状態が変化したことによって目標値ｒが変更された時刻を示す。時刻ｔ１は、目標値ｒが修正されなかった場合に制御出力ｘが目標値ｒに到達する時刻を示す。グラフに示された複数の曲線では目標値ｒの修正量が異なっており、図４のグラフでは、下側の曲線ほど、目標値ｒの修正量が大きい。
【００２７】
図４のグラフから分かるように、目標値ｒの修正量が大きいほど、超過量が小さくなる。また、時刻ｔ０に近い時刻又は時刻ｔ１に近い時刻に目標値ｒが修正された場合には、それ以外の時刻に目標値ｒが修正された場合に比べて、目標値ｒの修正が超過量に与える影響が小さくなる。
【００２８】
したがって、超過量は目標値ｒの修正量及び修正開始時期に応じて変化する。このため、第２ペナルティ関数Ｓは、目標値ｒの修正量及び修正開始時期を変数とする関数として表される。第２ペナルティ関数Ｓは、図４に示されるような曲線の形状を表すように作成される。図４に示されるような曲線の形状は、プラント６のモデルを用いたシミュレーション、実験等によって予め得られる。
【００２９】
また、図３及び図４に示されるような曲線の形状は、プラント６の状態（制御出力ｘの現在値及び目標値ｒ、目標値ｒの現在の修正量等）に応じて変化する。すなわち、第１ペナルティ関数Ｔ及び第２ペナルティ関数Ｓはプラント６の状態に応じて変化する。このため、リファレンスガバナ３は、プラント６の状態毎の第１ペナルティ関数Ｔ及び第２ペナルティ関数Ｓを記憶し、プラント６の状態に応じて第１ペナルティ関数Ｔ及び第２ペナルティ関数Ｓを選択する。
【００３０】
なお、第１ペナルティ関数Ｔ及び第２ペナルティ関数Ｓは、それぞれ、目標値ｒの修正量及び修正開始時期に加えて、プラント６の状態を表すパラメータを変数として有していてもよい。この場合、プラント６の状態を表すパラメータを第１ペナルティ関数Ｔ及び第２ペナルティ関数Ｓの対応する変数に代入することによって、第１ペナルティ関数Ｔ及び第２ペナルティ関数Ｓは、プラント６の状態に応じた関数に設定される。
【００３１】
図５は、本実施形態における目標値ｒの修正が行われた場合の制御出力ｘのタイムチャートを示す図である。この図では、目標値ｒが実線で示され、最終目標値ｗが一点鎖線で示され、制御出力ｘの実際の値が二点鎖線によって示される。また、目標値ｒが修正されなかった場合の制御出力ｘの実際の値が破線によって示される。
【００３２】
図５の例では、時刻ｔ１において、プラント６の状態が変化し、目標値ｒが大きくなっている。このとき、目的関数を用いて算出された修正開始時期が現在時刻よりも後であるため、目標値ｒは修正されない。このため、最終目標値ｗが目標値ｒに設定される。この結果、制御出力ｘの実際の値は目標値ｒに向かって迅速に上昇する。
【００３３】
その後、時刻ｔ２において、現在時刻が修正開始時期となり、目標値ｒが修正される。具体的には、最終目標値ｗが目標値ｒよりも小さくされる。この結果、制御出力ｘの実際の値の上昇速度が低下し、制御出力ｘの実際の値は時刻ｔ３において目標値ｒに達する。なお、図５の例では、時刻ｔ２の後、目標値ｒの修正量が徐々に小さくされる。
【００３４】
図５から分かるように、本実施形態における目標値ｒの修正が行われた場合、目標値ｒが修正されない場合に比べて、超過量（図５の例ではオーバーシュート量）が大幅に小さくなる。また、本実施形態における目標値ｒの修正が行われた場合、目標値ｒが修正されない場合に比べて、目標値到達時間（図５における時刻ｔ１〜ｔ３）が僅かに長くなる。したがって、本実施形態では、制御出力ｘに対する制約の充足性を高めつつ、制御出力ｘの応答性の悪化を抑制することができる。
【００３５】
＜目標値修正処理＞
以下、図６のフローチャートを参照して、上述した制御について詳細に説明する。図６は、本実施形態における目標値修正処理の制御ルーチンを示すフローチャートである。本制御ルーチンはプラント制御装置によって所定の実行間隔で実行される。
【００３６】
最初に、ステップＳ１０１において、目標値算出部２は外生入力ｄを取得する。外生入力ｄはプラント６の所定のパラメータである。次いで、ステップＳ１０２において、目標値算出部２は、マップ又は計算式を用いて外生入力ｄに基づいて目標値ｒを算出する。
【００３７】
次いで、ステップＳ１０３において、リファレンスガバナ３はプラント６の状態（制御出力ｘの現在値及び目標値ｒ、目標値ｒの現在の修正量等）を取得する。制御出力ｘの現在値は、センサ等の検出器によって検出され又は計算式等を用いて算出される。
【００３８】
次いで、ステップＳ１０４において、リファレンスガバナ３はプラント６の状態に基づいて目的関数を設定する。例えば、リファレンスガバナ３は、プラント６の状態に応じて、目的関数に用いられる第１ペナルティ関数Ｔ及び第２ペナルティ関数Ｓを選択する。なお、リファレンスガバナ３は、プラント６の状態を表すパラメータを第１ペナルティ関数Ｔ及び第２ペナルティ関数Ｓの対応する変数に代入してもよい。
【００３９】
次いで、ステップＳ１０５において、リファレンスガバナ３は、目的関数の値が小さくなるように最適値探索を行うことによって目標値ｒの修正量及び修正開始時期を算出する。例えば、リファレンスガバナ３は、目的関数の値が小さくなるように勾配法による最適値探索を行う。なお、目的関数の値が小さくなる修正量及び修正開始時期の組合せを導出できれば、勾配法以外の方法によって最適値探索が行われてもよい。
【００４０】
次いで、ステップＳ１０６において、リファレンスガバナ３は、現在時刻が修正開始時期であるか否かを判定する。現在時刻が修正開始時期でないと判定された場合、本制御ルーチンは終了する。この場合、リファレンスガバナ３は、目標値ｒを修正することなく、目標値ｒを最終目標値ｗに設定する。
【００４１】
一方、ステップＳ１０６において現在時刻が修正開始時期であると判定された場合、本制御ルーチンはステップＳ１０７に進む。ステップＳ１０７では、リファレンスガバナ３は、修正量だけ目標値ｒを修正し、修正後の目標値を最終目標値ｗに設定する。ステップＳ１０７の後、本制御ルーチンは終了する。
【００４２】
以上、本発明に係る好適な実施形態を説明したが、本発明はこれら実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲の記載内で様々な修正及び変更を施すことができる。
【００４３】
例えば、目的関数Ｊは、下記式（２）、（３）又は（４）によって表されてもよい。
Ｊ＝Ｔ＋Ｓ…（２）
Ｊ＝ＡＴ＋ＢＳ…（３）
Ｊ＝ＡＴ2＋ＢＳ2…（４）
【００４４】
上記式（２）では、目的関数Ｊは第１ペナルティ関数Ｔと第２ペナルティ関数Ｓとの和として構成される。上記式（３）では、目的関数Ｊは、第１ペナルティ関数Ｔに係数Ａを乗算した値と、第２ペナルティ関数Ｓに係数Ｂを乗算した値との和として構成される。上記式（４）では、目的関数Ｊは、第１ペナルティ関数Ｔの二乗に係数Ａを乗算した値と、第２ペナルティ関数Ｓの二乗に係数Ｂを乗算した値との和として構成される。上記式（２）〜（４）においても、目的関数Ｊは、目標値到達時間が短いほど、すなわち制御出力ｘの応答性が高いほど小さくなる。また、目的関数Ｊは、超過量が小さいほど、すなわち制御出力ｘに対する制約の充足度が高いほど小さくなる。
【００４５】
また、本実施形態におけるプラント制御装置は、あらゆるプラントに適用可能である。例えば、プラント６がディーゼルエンジンであり、制御出力ｘが過給圧であってもよい。この場合、例えば、外生入力ｄは機関回転数及び燃料噴射量であり、制御入力ｕは、ターボチャージャのタービンに設けられた可変ノズルの開度である。
【００４６】
また、プラント６がディーゼルエンジンであり、制御出力ｘが過給圧及びＥＧＲ率であってもよい。この場合、例えば、外生入力ｄは機関回転数及び燃料噴射量であり、制御入力ｕは、可変ノズルの開度、スロットル弁の開度及びＥＧＲ弁の開度である。また、プラント６は、ガソリンエンジンのようなディーゼルエンジン以外の内燃機関、車両、工作機械、モータ等であってもよい。
【符号の説明】
【００４７】
２    目標値算出部
３    リファレンスガバナ
５    フィードバックコントローラ
６    プラント
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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