(57)【要約】【課題】リファレンスガバナを用いて制御出力の目標値を算出する制御装置において、最適な目標値を算出する。【解決手段】制御装置６０は、制御出力の値が目標値に近づくように制御入力の値を決定するフィードバックコントローラ８２と、制御出力の現在の値と制御出力の暫定目標値と制御出力の現在の変化速度とに基づいて、前記制御出力の応答にはｎ次遅れ（ｎは自然数）が生じると仮定して導出された予測モデルを用いて、制御出力における目標値からのオーバーシュート量の予測最大値を算出し、予測最大値に基づいて制御出力に関する制約条件の充足度が高くなるように制御出力の暫定目標値を修正して目標値を算出するリファレンスガバナと、を備える。【選択図】図２
2020020273.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
制御出力の値が目標値に近づくように制御入力の値を決定するフィードバックコントローラと、
前記制御出力の現在の値と該制御出力の暫定目標値と前記制御出力の現在の変化速度とに基づいて、前記制御出力の応答にはｎ次遅れ（ｎは自然数）が生じると仮定して導出された予測モデルを用いて、前記制御出力における前記目標値からのオーバーシュート量の予測最大値を算出し、前記予測最大値に基づいて前記制御出力に関する制約条件の充足度が高くなるように前記制御出力の暫定目標値を修正して前記目標値を算出するリファレンスガバナと、を備える、制御装置。
【請求項２】
前記予測モデルは前記制御出力の応答に２次遅れが生じると仮定して導出される、請求項１に記載の制御装置。
【請求項３】
前記予測モデルでは、下記式（１）及び下記式（２）を用いて前記予測最大値ＯＳmaxが算出され、
【数１】
2020020273.tif 000026
式（１）においてｒ（ｔ）は前記制御出力の暫定目標値、ｘ（ｔ）は前記制御出力の現在の値をそれぞれ表し、上記式（２）においてζは減衰係数、ωnは固有角周波数、ｔosは前記オーバーシュート量が最大になると予測される最大時刻をそれぞれ表し、Ｃ、Ｄ、Ｅ、は下記式（３）〜（５）によって定義され、
【数２】
2020020273.tif 000027
式（３）〜（５）において、Ｋはゲイン、ｘ’0は前記制御出力の現在の変化速度を表し、ωdは下記式（６）によって定義される、
【数３】
2020020273.tif 000028
請求項２に記載の制御装置。
【請求項４】
前記最大時刻ｔosは、下記式（７）によって算出され、
【数４】
2020020273.tif 000029
上記式（７）において、φは下記式（８）によって定義される、
【数５】
2020020273.tif 000030
請求項３に記載の制御装置。
【請求項５】
前記リファレンスガバナは、前記制御出力に関する制約条件の充足度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前記制御出力の暫定目標値を修正して前記目標値を算出し、
前記目的関数の値は、前記リファレンスガバナによって算出された前記予測最大値が上限値を超えて大きくなるほど前記制約条件の充足度が低くなって大きくなるように算出される、請求項１〜４のいずれか１項に記載の制御装置。
【請求項６】
前記予測モデルにて用いられる少なくとも一部のパラメータの値は前記フィードバックコントローラにおける制御ゲインに応じて変更される、請求項１〜５のいずれか１項に記載の制御装置。
【請求項７】
当該制御装置は、過給機を備える内燃機関を制御し、前記制御出力は過給圧を含む、請求項１〜６のいずれか１項に記載の制御装置。
【請求項８】
当該制御装置は、排気ガスの一部を吸気通路に供給するＥＧＲシステムを備えた内燃機関を制御し、前記制御出力はＥＧＲ率を含む、請求項１〜６のいずれか１項に記載の制御装置。
【請求項９】
当該制御装置は、排気ガス中の微粒子を捕集するパティキュレートフィルタを備えた内燃機関を制御し、前記制御出力は前記パティキュレートフィルタの温度を含む、請求項１〜６のいずれか１項に記載の制御装置。
【請求項１０】
当該制御装置は、燃焼室内に燃料を噴射する燃料噴射弁へ供給する燃料の圧力を制御する燃圧制御装置を備えた内燃機関を制御し、前記制御出力は前記燃料の圧力を含む、請求項１〜６のいずれか１項に記載の制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、リファレンスガバナを備える制御装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、制御出力に関する制約条件の充足度が高くなるようにリファレンスガバナを用いて制御出力の目標値を修正する制御装置が知られている（例えば、特許文献１〜３）。例えば、特許文献１〜３に記載のリファレンスガバナでは、内燃機関の過給圧及びＥＧＲ率に関する制約条件の充足度が高くなるように、過給圧及びＥＧＲ率の目標値を修正している。
【０００３】
このうち特許文献１に記載のリファレンスガバナでは、予測モデルを用いて過給圧及びＥＧＲ率の目標値を暫定目標値に設定したときの過給圧及びＥＧＲ率の将来予測が行われる。加えて、この過給圧及びＥＧＲ率の予測値を用いて過給圧及びＥＧＲ率に関する制約条件の充足度が高くなるように暫定目標値が修正される。このような操作を繰り返して、暫定目標値を繰り返し修正し、最終的に算出された暫定目標値が過給圧及びＥＧＲ率の目標値として設定される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１７−０２０３５７号公報
【特許文献２】特開２０１７−１０１６２７号公報
【特許文献３】特開２０１６−１６９６８８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、過給圧やＥＧＲ率等の制御出力の将来予測を行うにあたっては、例えば制御出力の応答に２次遅れが生じると仮定して予測モデルを予め導出し、車両運転中にはこの予測モデルを用いて制御出力の将来予測値を算出することが考えられる。斯かる予測モデルでは、一般に、制御出力の変化速度の初期値をゼロと仮定して将来予測値を算出することが考えられる。
【０００６】
しかしながら、過給圧やＥＧＲ率等の制御出力は内燃機関の運転中に変動していることが多く、変化速度の初期値をゼロと仮定して将来予測値を算出すると、制御出力の将来予測値を必ずしも精度良く算出することができない。制御出力の将来予測値の算出精度が低いと、結果的に、制御出力の最適な目標値を算出することができない可能性がある。
【０００７】
本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであって、その目的は、リファレンスガバナを用いて制御出力の目標値を算出する制御装置において、最適な目標値を算出することができるようにすることにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、その要旨は以下のとおりである。
【０００９】
［１］制御出力の値が目標値に近づくように制御入力の値を決定するフィードバックコントローラと、前記制御出力の現在の値と該制御出力の暫定目標値と前記制御出力の現在の変化速度とに基づいて、前記制御出力の応答にはｎ次遅れ（ｎは自然数）が生じると仮定して導出された予測モデルを用いて、前記制御出力における前記目標値からのオーバーシュート量の予測最大値を算出し、前記予測最大値に基づいて前記制御出力に関する制約条件の充足度が高くなるように前記制御出力の暫定目標値を修正して前記目標値を算出するリファレンスガバナと、を備える、制御装置。
【００１０】
［２］前記予測モデルは前記制御出力の応答に２次遅れが生じると仮定して導出される、上記［１］に記載の制御装置。
【００１１】
［３］前記予測モデルでは、下記式（１）及び下記式（２）を用いて前記予測最大値ＯＳmaxが算出され、
【数１】
2020020273.tif 000003
式（１）においてｒ（ｔ）は前記制御出力の暫定目標値、ｘ（ｔ）は前記制御出力の現在の値をそれぞれ表し、上記式（２）においてζは減衰係数、ωnは固有角周波数、ｔosは前記オーバーシュート量が最大になると予測される最大時刻をそれぞれ表し、Ｃ、Ｄ、Ｅ、は下記式（３）〜（５）によって定義され、
【数２】
2020020273.tif 000004
式（３）〜（５）において、Ｋはゲイン、ｘ’0は前記制御出力の現在の変化速度を表し、ωdは下記式（６）によって定義される、
【数３】
2020020273.tif 000005
請求項２に記載の制御装置。
【００１２】
［４］前記最大時刻ｔosは、下記式（７）によって算出され、
【数４】
2020020273.tif 000006
上記式（７）において、φは下記式（８）によって定義される、
【数５】
2020020273.tif 000007
上記［３］に記載の制御装置。
【００１３】
［５］前記リファレンスガバナは、前記制御出力に関する制約条件の充足度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前記制御出力の暫定目標値を修正して前記目標値を算出し、
前記目的関数の値は、前記リファレンスガバナによって算出された前記予測最大値が上限値を超えて大きくなるほど前記制約条件の充足度が低くなって大きくなるように算出される、上記［１］〜［４］のいずれか１つに記載の制御装置。
【００１４】
［６］前記予測モデルにて用いられる少なくとも一部のパラメータの値は前記フィードバックコントローラにおける制御ゲインに応じて変更される、上記［１］〜［５］のいずれか１つに記載の制御装置。
【００１５】
［７］当該制御装置は、過給機を備える内燃機関を制御し、前記制御出力は過給圧を含む、上記［１］〜［６］のいずれか１つに記載の制御装置。
【００１６】
［８］当該制御装置は、排気ガスの一部を吸気通路に供給するＥＧＲシステムを備えた内燃機関を制御し、前記制御出力はＥＧＲ率を含む、上記［１］〜［６］のいずれか１つに記載の制御装置。
【００１７】
［９］当該制御装置は、排気ガス中の微粒子を捕集するパティキュレートフィルタを備えた内燃機関を制御し、前記制御出力は前記パティキュレートフィルタの温度を含む、上記［１］〜［６］のいずれか１つに記載の制御装置。
【００１８】
［１０］当該制御装置は、燃焼室内に燃料を噴射する燃料噴射弁へ供給する燃料の圧力を制御する燃圧制御装置を備えた内燃機関を制御し、前記制御出力は前記燃料の圧力を含む、上記［１］〜［６］のいずれか１つに記載の制御装置。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によれば、リファレンスガバナを用いて制御出力の目標値を算出する制御装置において、最適な目標値を算出することができるようになる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】図１は、一つの実施形態に係る制御装置が用いられる内燃機関の概略的な構成図である。
【図２】図２は、制御装置で行われる制御を概略的に示すブロック線図である。
【図３】図３は、図２の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４】図４は、機関回転速度及び燃料噴射量に基づいて仮目標値を算出するためのマップである。
【図５】図５は、一つの実施形態における目標値算出処理の制御ルーチンを示すフローチャートである。
【図６】図６は、過給圧の目標値が変化したときに実際の過給圧が変化する様子を示すタイムチャートである。
【図７】図７は、目的関数の算出処理の制御ルーチンを示すフローチャートである。
【図８】図８は、過給圧の推移を示すタイムチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
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。
【００２２】
＜第一実施形態＞
≪内燃機関全体の説明≫
まず、図１を参照して第一実施形態に係る制御装置が用いられる内燃機関１の構成について説明する。図１は、内燃機関１の概略的な構成図である。本実施形態の内燃機関は、燃料として軽油が用いられる圧縮自着火式内燃機関である。図１に示したように、内燃機関１は、機関本体１０、燃料供給装置２０、吸気系３０、排気系４０、排気ガス再循環（ＥＧＲ）システム５０、及び制御装置６０を備える。
【００２３】
機関本体１０は、複数の気筒１１が形成されたシリンダブロックと、吸気ポート及び排気ポートが形成されたシリンダヘッドと、クランクケースとを備える。各気筒１１内にはピストンが配置されると共に、各気筒１１は吸気ポート及び排気ポートに連通している。
【００２４】
燃料供給装置２０は、燃料噴射弁２１、コモンレール２２、燃料供給管２３、燃料ポンプ２４、及び燃料タンク２５を備える。燃料噴射弁２１は、各気筒１１の燃焼室内に燃料を直接噴射するようにシリンダヘッドに配置されている。燃料噴射弁２１は、コモンレール２２及び燃料供給管２３を介して燃料タンク２５に連結されている。燃料供給管２３には、燃料タンク２５内の燃料を圧送する燃料ポンプ２４が配置される。燃料ポンプ２４によって圧送された燃料は、燃料供給管２３を介してコモンレール２２に供給され、燃料噴射弁２１から各気筒１１の燃焼室内に直接噴射される。コモンレール２２内の燃料の圧力は燃料ポンプ２４の出力を変更することによって調整される。したがって、燃料ポンプ２４は、燃料噴射弁２１へ供給する燃料の圧力を制御する燃圧制御装置として機能する。なお、燃料噴射弁２１は、吸気ポート内に燃料を噴射するように構成されてもよい。
【００２５】
吸気系３０は、吸気マニホルド３１、吸気管３２、エアクリーナ３３、排気ターボチャージャ５のコンプレッサ３４、インタークーラ３５、及びスロットル弁３６を備える。各気筒１１の吸気ポートは吸気マニホルド３１及び吸気管３２を介してエアクリーナ３３に連通している。吸気管３２内には、吸気管３２内を流通する吸入空気を圧縮して吐出する排気ターボチャージャ５のコンプレッサ３４と、コンプレッサ３４によって圧縮された空気を冷却するインタークーラ３５とが設けられている。スロットル弁３６は、スロットル弁駆動アクチュエータ３７によって回動せしめられることで、吸気通路の開口面積を変更することができる。
【００２６】
排気系４０は、排気マニホルド４１、排気管４２、排気ターボチャージャ５のタービン４３、及びパティキュレートフィルタ（以下、単に「フィルタ」という）４４を備える。各気筒１１の排気ポートは、排気マニホルド４１及び排気管４２を介してフィルタ４４に連通している。排気管４２には、排気ガスのエネルギによって回転駆動せしめられる排気ターボチャージャ５のタービン４３が設けられている。排気ターボチャージャ５のタービン４３が回転駆動せしめられると、これに伴ってコンプレッサ３４が回転し、よって吸入空気が圧縮せしめられる。本実施形態では、排気ターボチャージャ５のタービン４３には可変ノズルが設けられている。可変ノズルの開度が変更されると、タービンブレードに供給される排気ガスの流速が変化し、ひいてはタービン４３の回転速度が変化する。このため、可変ノズルの開度が変更されると、過給圧が変化する。
【００２７】
フィルタ４４は、排気ガス中の微粒子を捕集する。なお、排気系４０は、排気ガスを浄化した上で外気中に排出するための装置であれば、フィルタ４４に替わって又はフィルタ４４に加えて他の排気浄化装置を備えてもよい。斯かる排気浄化装置には、例えば、三元触媒、排気ガス中のＮＯｘを還元浄化する選択還元型ＮＯｘ触媒、ＮＯｘ吸蔵還元触媒、酸化触媒等が含まれる。
【００２８】
ＥＧＲシステム５０は、機関本体１０から排出された排気ガスの一部を吸気通路に供給する。ＥＧＲシステム５０は、ＥＧＲ管５１と、ＥＧＲ制御弁５２と、ＥＧＲクーラ５３とを備える。ＥＧＲ管５１は、排気マニホルド４１と吸気マニホルド３１とに連結され、これらを互いに連通させる。ＥＧＲ管５１には、ＥＧＲ管５１内を流れるＥＧＲガスを冷却するＥＧＲクーラ５３が設けられている。加えて、ＥＧＲ管５１には、ＥＧＲ管５１によって形成されるＥＧＲ通路の開口面積を変更することができるＥＧＲ制御弁５２が設けられている。ＥＧＲ制御弁５２の開度を制御することによって、排気マニホルド４１から吸気マニホルド３１へ還流せしめられるＥＧＲガスの流量が調整され、その結果、ＥＧＲ率が変化する。なお、ＥＧＲ率は、燃焼室内に供給される全ガス量（新気量とＥＧＲガス量との合計）に対するＥＧＲガス量の割合である。
【００２９】
なお、本実施形態では、吸気ガスの圧力を高める過給機として排気ターボチャージャ５が用いられている。しかしながら、吸気ガスの圧力を高めることができれば、電動コンプレッサや機械式スーパーチャージャ等、他の過給機が用いられてもよい。
【００３０】
≪内燃機関の制御装置≫
内燃機関の制御装置６０は、電子制御ユニット（ＥＣＵ）６１及び各種センサを備える。ＥＣＵ６１は、デジタルコンピュータから構成され、双方向性バス６２を介して相互に接続されたＲＡＭ（ランダムアクセスメモリ）６３、ＲＯＭ（リードオンリメモリ）６４、ＣＰＵ（マイクロプロセッサ）６５、入力ポート６６、及び出力ポート６７を備える。
【００３１】
吸気管３２には、排気ターボチャージャ５のコンプレッサ３４の吸気流れ方向上流側に、吸気管３２内を流れる空気の流量を検出するエアフロメータ７１が設けられている。スロットル弁３６には、その開度（スロットル開度）を検出するためのスロットル開度センサ７２が設けられている。吸気マニホルド３１内には吸気マニホルド３１内の吸気ガスの圧力（過給圧）を検出する圧力センサ（以下、「過給圧センサ」という）７３が設けられている。また、コモンレール２２にはコモンレール２２内の燃料の圧力、すなわち燃料噴射弁２１へ供給される燃料の圧力を検出する圧力センサ（以下、「燃圧センサ」という）７４が設けられている。加えて、排気マニホルド４１内には排気マニホルド４１内の排気ガスの圧力（排気圧）を検出する圧力センサ（以下、「排気圧センサ」という）７５が設けられている。さらに、フィルタ４４にはフィルタ４４の温度を検出する温度センサ７６が設けられている。これらエアフロメータ７１、スロットル開度センサ７２、過給圧センサ７３、燃圧センサ７４、排気圧センサ７５及び温度センサ７６の出力は、対応するＡＤ変換器６８を介して入力ポート６６に入力される。
【００３２】
また、アクセルペダル７７にはアクセルペダル７７の踏み込み量に比例した出力電圧を発生する負荷センサ７８が接続され、負荷センサ７８の出力電圧は対応するＡＤ変換器６８を介して入力ポート６６に入力される。したがって、本実施形態では、アクセルペダル７７の踏み込み量が機関負荷として用いられる。クランク角センサ７９は機関本体１０のクランクシャフトが例えば１０度回転する毎に出力パルスを発生し、この出力パルスが入力ポート６６に入力される。ＣＰＵ６５ではこのクランク角センサ７９の出力パルスから機関回転速度が計算される。
【００３３】
一方、ＥＣＵ６１の出力ポート６７は、対応する駆動回路６９を介して、内燃機関１の運転を制御する各アクチュエータに接続される。図１に示した例では、出力ポート６７は、排気ターボチャージャ５の可変ノズル、燃料噴射弁２１、燃料ポンプ２４、スロットル弁駆動アクチュエータ３７、及びＥＧＲ制御弁５２に接続されている。ＥＣＵ６１は、これらアクチュエータを制御する制御信号を出力ポート６７から出力して、内燃機関１の運転を制御する。
【００３４】
次に、図２を参照して、制御装置６０のＥＣＵ６１で行われる内燃機関の制御について説明する。図２に示したように、ＥＣＵ６１は、目標値マップ８５、リファレンスガバナ（ＲＧ）８４、比較部８１及びフィードバックコントローラ８２を備える。図２において破線で囲まれた部分は、内燃機関１の制御出力ｘが目標値ｗｆ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８０として機能する。
【００３５】
閉ループシステム８０が設計済である場合、図２の制御構造を等価変形することによって図３のフィードフォワード制御構造が得られる。なお、図２及び図３におけるｙは、とりうる値に制約がある内燃機関１の状態量である。
【００３６】
比較部８１は、目標値ｗｆから制御出力ｘを減算して偏差ｅ（＝ｗｆ−ｘ）を算出し、偏差ｅをフィードバックコントローラ８２に入力する。目標値ｗｆは後述するリファレンスガバナ８４から比較部８１に入力され、制御出力ｘは、内燃機関１からの出力である。外生入力ｄは内燃機関１の所定のパラメータである。
【００３７】
フィードバックコントローラ８２は、制御出力ｘが目標値ｗｆに近付くように内燃機関１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８２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８２では、ＰＩ制御、ＰＩＤ制御等の公知のフィードバック制御が用いられる。フィードバックコントローラ８２は制御入力ｕを内燃機関１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８２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８２への入力は省略されてもよい。また、比較部８１はフィードバックコントローラ８２に組み込まれていてもよい。
【００３８】
上述したように、閉ループシステム８０では、制御出力ｘが目標値ｗｆ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、状態量ｙ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８０に入力されると、状態量ｙ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。
【００３９】
そこで、本実施形態では、目標値マップ８５及びリファレンスガバナ８４を用いて制御出力の目標値ｗｆが算出される。外生入力ｄが目標値マップ８５に入力されると、目標値マップ８５は、外生入力ｄに基づいて仮目標値ｒを算出し、仮目標値ｒをリファレンスガバナ８４に出力する。したがって、目標値マップ８５は、内燃機関１の所定の運転パラメータに基づいて制御出力の仮目標値ｒを算出する仮目標値算出部として機能する。
【００４０】
リファレンスガバナ８４は、状態量ｙに関する制約条件の充足度が高くなるように仮目標値ｒを修正して目標値ｗｆを算出する。具体的には、リファレンスガバナ８４は、状態量ｙに関する制約条件の充足度を考慮して定められた目的関数、特に充足度が高くなるほど値が小さくなるように定められた目的関数の値が小さくなるように目標値ｗｆを算出する。
【００４１】
本実施形態では、制御出力ｘは過給圧である。制御出力ｘとして比較部８１に入力される過給圧は過給圧センサ７３によって検出される。
【００４２】
過給圧を制御するための制御入力ｕはスロットル弁３６の開度、ＥＧＲ制御弁５２の開度、排気ターボチャージャ５の可変ノズルの開度である。外生入力ｄは、内燃機関１の運転パラメータである機関回転速度及び燃料噴射量である。機関回転速度はクランク角センサ７９によって検出される。燃料噴射量は、負荷センサ７８によって検出される機関負荷等に基づいてＥＣＵ６１によって決定される。目標値マップ８５では、図４に示されるように、仮目標値ｒが機関回転速度ＮＥ及び燃料噴射量Ｑｅの関数として表される。
【００４３】
また、過給圧は、高くなり過ぎると吸気管の破損等を招くため、制約条件として上限値を有する。このため、本実施形態では、状態量ｙは、制御出力ｘである過給圧である。このように、本実施形態では状態量ｙも制御出力ｘと同一のパラメータであるため、このパラメータ（過給圧）については常に制御出力ｘとして説明する。したがって、本実施形態では、リファレンスガバナ８４は、制御出力ｘに関する制約条件の充足度が高くなるように制御出力の仮目標値ｒを修正して目標値ｗｆを算出していると言える。
【００４４】
このとき、目的関数Ｊ（ｗ）は下記式（９）によって定義される。
Ｊ（ｗ）＝||ｒ−ｗ||2＋Ｓpi      …（９）
【００４５】
ここで、ｒは目標値マップ８５から出力された仮目標値であり、ｗは暫定目標値である。目的関数Ｊ1（ｗ）は、修正項（式（９）の右辺第一項）、第１ペナルティ関数Ｓpimを含む。
【００４６】
修正項は、目標値の修正量を表し、仮目標値ｒと暫定目標値ｗとの差の二乗である。このため、目的関数Ｊ（ｗ）の値は、仮目標値ｒと暫定目標値ｗとの差が小さいほど、すなわち目標値の修正量が小さいほど小さくなる。
【００４７】
第１ペナルティ関数Ｓpimは、過給圧に関する制約条件の充足度を表し、下記式（１０）によって定義される。
【数６】
2020020273.tif 000008
【００４８】
ここで、ｘ1（ｋ）は過給圧の将来予測値であり、ｐ1は予め定められた重み係数である。加えて、ｘ1Limは予め定められた過給圧の上限値であり、過給圧に関する制約条件を表す。また、ｋは離散時間ステップであり、Ｎｈは予測ステップ数（予測ホライズン）である。第１ペナルティ関数Ｓpimは、過給圧の将来予測値ｘ1（ｋ）が上限値ｘ1Limを超えた場合に超過量がペナルティとして目的関数Ｊ（ｗ）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（ｗ）の値は、過給圧の将来予測値ｘ1（ｋ）が上限値ｘ1Limを超える量の合計が小さいほど小さくなる。
【００４９】
≪目標値算出処理≫
上述したように、リファレンスガバナ８４は、状態量ｙ（本実施形態では制御出力ｘに等しい）に関する制約条件の充足度が高くなるほど値が小さくなるように定められた目的関数の値が小さくなるように目標値ｗｆを算出する。以下、図５を参照して、リファレンスガバナ８４における目標値の算出処理について説明する。図５は、本実施形態における目標値算出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、ＥＣＵ６１によって所定の時間間隔毎に実行される。
【００５０】
まず、ステップＳ１１では、外生入力ｄに基づいて目標値マップ８５を用いて算出された制御出力（本実施形態では過給圧）の仮目標値ｒが取得される。次いで、ステップＳ１２では、ステップＳ１１で取得された制御出力の仮目標値ｒが暫定目標値ｗの初期値として設定される。
【００５１】
次いで、ステップＳ１３では、勾配法による暫定目標値ｗの最適値探索を行うべく、現在の暫定目標値ｗから所定距離だけ離れた４つの近傍目標値ｗa〜ｗdにおける目的関数Ｊ（ｗa）〜Ｊ（ｗd）の値が、上記式（９）を用いて算出される。このとき、近傍目標値ｗa〜ｗdを暫定目標値ｗとして、上記式（９）の目的関数Ｊ（ｗ）の各項が算出される。
【００５２】
次いで、ステップＳ１４において、目的関数Ｊ（ｗa）〜Ｊ（ｗd）の値から算出された勾配の方向に暫定目標値ｗが移動される。すなわち、暫定目標値ｗが更新される。具体的には、暫定目標値ｗは近傍目標値ｗa〜ｗdのうち最も目的関数Ｊ（ｗ）が小さくなった近傍目標値に設定される。次いで、ステップＳ１５において、更新回数Ｃｏｕｎｔに１が加算される。更新回数Ｃｏｕｎｔは、暫定目標値ｗの更新が行われた回数を示す。更新回数Ｃｏｕｎｔの初期値は０である。
【００５３】
次いで、ステップＳ１６において更新回数Ｃｏｕｎｔが所定回数Ｎ以上であるか否かが判定される。所定回数Ｎは例えば５〜２００である。ステップＳ１６において更新回数Ｃｏｕｎｔが所定回数Ｎ未満であると判定された場合、本制御ルーチンはステップＳ１２に戻る。したがって、更新回数Ｃｏｕｎｔが所定回数Ｎに達するまで、暫定目標値ｗの最適値探索が繰り返し行われる。
【００５４】
ステップＳ１６において更新回数Ｃｏｕｎｔが所定回数Ｎ以上であると判定された場合、本制御ルーチンはステップＳ１７に進む。ステップＳ１７では、制御出力の目標値ｗｆが最終的な暫定目標値ｗに設定される。また、ステップＳ１７では、更新回数Ｃｏｕｎｔがゼロにリセットされる。ステップＳ１７の後、本制御ルーチンは終了する。
【００５５】
なお、目的関数の値が小さくなるように暫定目標値ｗを更新できれば、勾配法以外の方法によって暫定目標値ｗが更新されてもよい。
【００５６】
≪ペナルティ関数の算出≫
ところで、第１ペナルティ関数Ｓpimを算出するにあたっては、現在から所定の予測期間（予測ホライズン）先までの過給圧の将来予測値ｘ1（ｋ）を算出することが必要になる。過給圧の将来予測値ｘ1（ｋ）の算出方法としては、例えば、下記式（１１）を用いて算出する方法が考えられる。
ｘ1（ｋ＋１）＝ｆ1（ｘ1（ｋ）,ｗ，ｄ）      …（１１）
式（１１）において、ｆ1は、過給圧の将来予測値ｘ1（ｋ）を算出するために用いられるモデル関数である。最初に、算出時点の過給圧であるｘ1（０）を用いて、算出時点から１ステップ先の過給圧の予測値ｘ1（１）が算出される。算出時点の過給圧であるｘ1（０）は過給圧センサ７３によって検出される。その後、算出時点からＮｈステップ先の過給圧の予測値ｘ1（Ｎｈ）まで過給圧の将来予測値ｘ1（ｋ）が順次算出され、合計Ｎｈ個の過給圧の将来予測値が算出される。なお、１ステップに相当する時間に予測ステップ数Ｎｈを乗じた値が予測期間になる。
【００５７】
しかしながら、上記式（１１）を用いた方法で過給圧の将来予測値ｘ1（ｋ）を算出する場合、上記式（１１）による計算を予測ステップ数Ｎｈに等しい回数に亘って繰り返し行う必要がある。加えて、上述したようにリファレンスガバナ８４では、暫定目標値ｗを修正して最終的な目標値ｗｆを算出するために、上記式（９）による目的関数Ｊ（ｗ）の算出が繰り返し行われる。したがって、上記式（１１）を用いた方法で過給圧の将来予測値ｘ1（ｋ）を算出すると、ＥＣＵ６１における演算負荷が極めて高いものとなってしまう。
【００５８】
一方、本実施形態では、過給圧はフィードバックコントローラ８２によりフィードバック制御されている。このように制御出力がフィードバック制御等の閉ループシステムによって制御されていると、多くの場合、制御出力の応答特性は線形応答に近似することができる。したがって、過給圧の応答特性も線形応答として近似することができ、特に２次遅れが生じるものとして応答特性を近似することができる。
【００５９】
また、上記式（１０）からわかるように、第１ペナルティ関数Ｓpimを算出するにあたっては、過給圧の将来予測値ｘ1（ｋ）が上限値ｘ1Limを超える量の合計が用いられる。過給圧の応答特性を線形応答として近似した場合、過給圧の将来予測値ｘ1（ｋ）が上限値ｘ1Limを超える量の合計は、過給圧の将来予測値ｘ1（ｋ）が上限値ｘ1Limを超えた場合の超過量の最大値に基づいて近似的に算出することができる。そして、過給圧の将来予測値ｘ1（ｋ）が上限値ｘ1Limを超えた場合の超過量の最大値は、図６を参照して以下に簡単に説明するように、オーバーシュート量の最大値から算出することができる。
【００６０】
図６は、過給圧の目標値が変化したときに実際の過給圧が変化する様子を示すタイムチャートである。図６中の破線は過給圧の目標値の推移を示しており、実線は実際の過給圧（又はその予測値）の推移を示している。
【００６１】
図６に示したように、実際の過給圧がｘ1（０）に維持されている状態で、時刻ｔ0において過給圧の目標値がｒ1（０）にステップ的に変化した場合、実際の過給圧は例えば図６に実線で示したように推移する。特に、図６に示した例では、実際の過給圧は目標値を超えてオーバーシュートするように変化する。以下では、このとき実際の過給圧の目標値からの超過量をオーバーシュート量と称する。
【００６２】
図６に示した例では、時刻ｔosにおいてオーバーシュート量は最大となる。以下では、オーバーシュート量が最大となる時刻を最大時刻ｔosと称し、このときのオーバーシュート量をオーバーシュート量の最大値ＯＳmaxと称する。
【００６３】
時刻ｔosにおいてオーバーシュート量が最大になった結果、実際の過給圧も時刻ｔosにおいて最大となり、よってこのときに過給圧の将来予測値ｘ1（ｋ）における上限値ｘ1Limからの超過量が最大となる。
【００６４】
上述したように、第１ペナルティ関数Ｓpimを算出するにあたっては、過給圧の将来予測値ｘ1（ｋ）が上限値ｘ1Limを超えた場合の超過量の最大値が用いられる。したがって、第１ペナルティ関数Ｓpimを算出するためには、過給圧の将来予測値ｘ1（ｋ）が上限値ｘ1Limを超えた場合の超過量の最大値（或いは、オーバーシュート量の最大値ＯＳmax）さえ算出することができれば、上述したように所定の予測期間に亘って過給圧の将来予測値を算出する必要はない。そこで、本実施形態では、以下に説明するように、所定の予測期間に亘る過給圧の将来予測値を算出することなく、第１ペナルティ関数Ｓpimを算出するようにしている。
【００６５】
まず、上述したように、過給圧の応答特性は２次遅れが生じるものとして近似することができる。したがって、過給圧の応答特性は、過給圧を単にｘで表すと、２次遅れ系の予測モデルを表す下記式（１２）に示したような微分方程式で表すことができる。
ｘ''＋２ζｗnｘ'＋ｗn2ｘ＝Ｋｗn2ｗ      …（１２）
なお、式（１２）において、ｘ''及びｘ'は、制御出力である過給圧の１回微分値及び１回微分値をそれぞれ表している。また、ζは減衰係数、ｗnは固有角周波数、Ｋはゲインをそれぞれ表している。減衰係数ζ、固有角周波数ｗn及びゲインＫは、例えば、フィードバックコントローラ８２において行われるフィードバック制御の制御ゲイン等に基づいて設定される。したがって、減衰係数ζ、固有角周波数ｗn及びゲインＫは、例えば、内燃機関１の運転中にフィードバック制御の制御ゲインが変化すると、それに伴って変化する。
【００６６】
なお、減衰係数ζ、固有角周波数ｗn及びゲインＫは、必ずしも全てがフィードバック制御の制御ゲイン等に応じて変更されなくてもよい。しかしながら、その場合であっても、予測モデルにおいて用いられる少なくとも一部のパラメータの値はフィードバックコントローラ８２において行われるフィードバック制御の制御ゲイン等に基づいて設定されるのが好ましい。
【００６７】
ここで、過給圧の初期値ｘ1（０）をｘ0＝０、過給圧の初期変化速度ｘ1'（０）をｘ'0とし、上記式（１２）をラプラス変換すると、下記式（１３）が導出される。
（ｓ2ｘ−ｓｘ0−ｘ'0）＋２ζｗn（ｓｘ−ｘ0）＋ωn2ｘ＝Ｋｗn2ｗ      …（１３）
【００６８】
式（１３）においてｘ0＝０を代入して整理すると、式（１３）は下記式（１４）のように変形することができる。
（ｓ2＋２ζｗnｓ＋ｗn2）ｘ＝Ｋｗn2ｗ＋ｘ'0      …（１４）
【００６９】
ステップ応答を計算すべく、ｗ＝１／ｓとおいて整理すると、式（１４）は下記式（１５）のように表せる。
【数７】
2020020273.tif 000009
【００７０】
ｗdを下記式（１６）のように定義して、式（１５）を式（１７）のように部分分数分解したときのＡ、Ｂ、Ｃはそれぞれ下記式（１８）、（１９）、（２０）のように表される。
【数８】
2020020273.tif 000010
【００７１】
式（１７）に式（１８）及び（１９）を代入して逆ラプラス変換を行うことにより、下記式（２１）が得られる。
【数９】
2020020273.tif 000011
したがって、過給圧の目標値がステップ的に変化したときの過給圧の推移は上記式（２１）で表すことができる。なお、式（２１）においてｔは過給圧の目標値がステップ滴に変化したときからの経過時間を表す。
【００７２】
ここで、オーバーシュート量が最大となるときには、過給圧の変化速度がゼロになっている。したがって、オーバーシュート量が最大となるときには、上記式（２１）の微分値ｘ'（ｔ）がゼロになる。したがって、以下では、式（２１）の微分値ｘ'（ｔ）がゼロになるような時刻を算出する。
【００７３】
まず、式（２１）を微分すると、下記式（２２）が得られる。なお、式（２２）中のＤ、Ｅはそれぞれ下記式（２３）、（２４）によって表される。
【数１０】
2020020273.tif 000012
【００７４】
ここで、φを下記式（２５）のように定義すると、上記式（２２）は下記式（２６）のように変形することができる。
【数１１】
2020020273.tif 000013
【００７５】
上記式（２６）において、ｘ'（ｔ）＝０が成立する最初の時刻は、φ＋ωｄ＝πを解くことにより、下記式（２７）のように得られる。
【数１２】
2020020273.tif 000014
式（２７）によって得られたｔosは、上述したオーバーシュート量が最大となる時刻、すなわち過給圧の上限値からの超過量が最大となる時刻を表している。
【００７６】
式（２７）によって得られた時刻ｔosを、上記式（２１）に代入すると共に、ゲインＫを１とすると（過給圧の現在の値と目標値との差を１と仮定）、下記式（２８）が得られる。
【数１３】
2020020273.tif 000015
式（２８）において、μは下記式（２９）で表される。
【数１４】
2020020273.tif 000016
【００７７】
上述したように、式（２９）で得られるμは、過給圧の現在の値と目標値との差を１と仮定したときのオーバーシュート量の予測最大値を表している。したがって、現在の過給圧をｘ（ｔ）とし、その目標値をｒ（ｔ）としたときのオーバーシュート量の予測最大値は下記式（３０）によって表される。加えて、オーバーシュート量が最大となるときの過給圧ｘ1maxは下記式（３１）によって表される。
【数１５】
2020020273.tif 000017
【００７８】
このようにして算出されたオーバーシュート量が最大となるときの過給圧ｘ1maxを用いると、第１ペナルティ関数Ｓpimは下記式（３２）によって算出することができる。なお、式（３２）においてΔｘ1maxは、オーバーシュート量が最大となるときの過給圧と上限値との差、すなわち過給圧の将来予測値ｘ1における上限値ｘ1Limからの最大超過量を表している。また、式（３２）において、αは、過給圧の将来予測値ｘ1（ｋ）が上限値ｘ1Limを超えた場合の超過量の最大値を過給圧の将来予測値ｘ1（ｋ）が上限値ｘ1Limを超える量の合計に変換するための係数である。
【数１６】
2020020273.tif 000018
【００７９】
本実施形態では、このように目的関数は、オーバーシュート量が最大となるときの過給圧と上限値との差、すなわち過給圧の将来予測値ｘ1における上限値ｘ1Limからの最大超過量に基づいて算出される。特に、本実施形態では、目的関数の値は、過給圧の将来予測値ｘ1が上限値ｘ1Limを超えて大きくなるほど、制約条件の充足度が低くなるため、大きくなるように算出される。換言すると、目的関数の値は、オーバーシュート量の予想最大値が、過給圧の上限値ｘ1Limに対応する上限値（ｘ1Lim−ｒ1（０））を超えて大きくなるほど、制約条件の充足度が低くなるため、大きくなるように算出される。
【００８０】
≪目的関数算出処理≫
本実施形態では、上述したようにして目的関数が算出される。以下、図７を参照して、リファレンスガバナ８４における目的関数の値の算出処理について説明する。図７は、本実施形態における目的関数の値の算出処理の制御ルーチンを示すフローチャートである。図示した制御ルーチンは、図５のステップＳ１３において実行される。
【００８１】
まず、ステップＳ２１において、過給圧の現在値ｘ1（０）が取得される。過給圧の現在値ｘ1（０）は、過給圧センサ７３の出力から取得される。次いで、ステップＳ２２では、過給圧の現在の変化速度ｘ1'（０）が算出される。過給圧の現在の変化速度ｘ1'（０）は、過給圧の現在値ｘ1（０）及び過給圧の過去の値に基づいてＥＣＵ６１において算出される。次いで、ステップＳ２３では、過給圧の目標値ｗ1が取得される。過給圧の目標値ｗ1は、図５のステップＳ１２又はＳ１４にて算出又は取得された値とされる。
【００８２】
次いで、ステップＳ２４及びステップＳ２５では、予測モデルにより目的関数の値が算出される。では、ステップＳ２１で取得された過給圧の現在値ｘ1（０）、ステップＳ２２で算出された過給圧の現在の変化速度ｘ1'（０）及び過給圧の目標値ｗ1に基づいて、上記式（３２）により、第１ペナルティ関数Ｓpimが算出される。式（３２）における過給圧ｘ1maxは式（３１）によって算出され、式（３１）におけるオーバーシュートの予測最大値ＯＳmaxは式（３０）によって算出される。式（３０）におけるμは上記式（２９）によって算出され、式（２９）における係数Ｃ、Ｄ及びＥ並びにｔosはそれぞれ上記式（２０）、（２３）、（２４）、（２７）によって算出される。また、式（２７）におけるφは上記式（２５）によって算出される。
【００８３】
次いで、ステップＳ２５では、ステップＳ２４において算出されたＳpimを上記式（９）に代入することによって目的関数の値が算出され、制御ルーチンが終了せしめられる。
【００８４】
≪効果≫
以上より、本実施形態では、第１ペナルティ関数Ｓpimを、過給圧の将来予測値を予測期間に亘って繰り返し計算することなく、１回の計算によって算出することができる。このため、本実施形態によれば、第１ペナルティ関数Ｓpimを算出する際の演算負荷、ひいては過給圧の目標値を算出する際の演算負荷を低く抑えることができる。
【００８５】
また、上記実施形態では、第１ペナルティ関数Ｓpimを算出するにあたって、オーバーシュート量の予測最大値ＯＳmaxが算出される。このオーバーシュート量の予測最大値ＯＳmaxを算出するにあたっては、過給圧の現在の変化速度が用いられている。このように、過給圧の現在の変化速度を用いて予測最大値ＯＳmaxを算出することにより、予測最大値ＯＳmaxの予測精度を高めることができる。
【００８６】
図８は、過給圧の現在の値がｘ1（０）、目標値がｒ1（０）である場合における過給圧の推移を示すタイムチャートである。図８（Ａ）は、時刻ｔ0における過給圧の変化速度がゼロである場合の過給圧の推移を示している。一方、図８（Ｂ）及び図８（Ｃ）は、時刻ｔ0における過給圧の変化速度がゼロではない所定速度である場合の過給圧の推移を示している。また、図８（Ａ）及び図８（Ｂ）では、オーバーシュート量の予測最大値ＯＳmaxは、過給圧の初期変化速度（時刻ｔ0における過給圧の変化速度）をゼロとした予測モデルを用いて算出された値を示している。一方、図８（Ｃ）では、オーバーシュート量の予測最大値ＯＳmaxは、本実施形態のように過給圧の初期変化速度として実際の初期変化速度を入力した予測モデルを用いて算出された値を示している。
【００８７】
過給圧の初期変化速度をゼロとした予測モデルであっても、時刻ｔ0における過給圧の変化速度がゼロである場合には、図８（Ａ）に示したように、上記予測モデルによって算出された予測最大値ＯＳmaxはオーバーシュート量の実際の最大値にほぼ一致する。一方、過給圧の初期変化速度をゼロとした予測モデルでは、時刻ｔ0における過給圧の変化速度が所定速度である場合、図８（Ｂ）に示したように、オーバーシュート量の実際の最大値は、上記予測モデルによって算出された予測最大値ＯＳmaxとは大きく異なる。したがって、このようにして算出された予測最大値ＯＳmaxを用いて過給圧の目標値を算出すると、最適ではない値が算出されてしまう。
【００８８】
本実施形態によれば、過給圧の応答特性を表す２次遅れ系の予測モデルを作成するにあたって、過給圧の初期変化速度を考慮している。この結果、図８（Ｃ）に示したように、時刻ｔ0における過給圧の変化速度がゼロではない所定速度である場合であっても、オーバーシュート量の予測最大値ＯＳmaxはオーバーシュート量の実際の最大値に一致する。特に、内燃機関１では、過給圧は頻繁に変化することから、過給圧の初期変化速度がゼロでないことも多い。本実施形態によれば、このように過給圧が頻繁に変化していても、オーバーシュートの予測最大値ＯＳmaxを比較的正確に算出することができる。この結果、リファレンスガバナ８４により最適な目標値を算出することができる。
【００８９】
≪変形例≫
ところで、上記実施形態では目的関数Ｊ（ｗ）を算出するにあたっては過給圧に関する制約条件が考慮されている。しかしながら、目的関数Ｊ（ｗ）を算出するにあたっては、タービン回転速度や排気圧等、他の状態量に関する制約条件が考慮されてもよい。以下では、制約条件として、過給圧に加えてタービン回転速度を考慮した場合について説明する。
【００９０】
この場合、目的関数は、下記式（３３）によって表される。
Ｊ（ｗ）＝||ｒ−ｗ||2＋Ｓpim＋ＳNt      …（３３）
式（３３）において、ＳNtは第２ペナルティ関数であり、タービン回転速度に関する制約条件の充足度を表す。第２ペナルティ関数ＳNtは下記式（３４）によって定義される。
【数１７】
2020020273.tif 000019
【００９１】
ここで、ｙ1（ｋ）はタービン回転速度の将来予測値であり、ｙ1Limは予め定められたタービン回転速度の上限値であり、ｐ2は予め定められた重み係数である。第２ペナルティ関数ＳNtは、タービン回転速度の将来予測値ｙ1（ｋ）が上限値ｙ1Limを超えた場合に超過量がペナルティとして目的関数Ｊ（ｗ）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（ｗ）の値は、タービン回転速度の将来予測値ｙ1（ｋ）が上限値ｙ1Limを超える量の合計が小さいほど小さくなる。
【００９２】
リファレンスガバナ８４は内燃機関１の予測モデルを用いてタービン回転速度の将来予測値ｙ1（ｋ）を算出する。リファレンスガバナ８４は、例えば、タービン回転速度の将来予測値ｙ1（ｋ）を下記式（３５）によって算出する。
ｙ1（ｋ＋１）＝ｆ2（ｙ1（ｋ）,ｗ，ｄ）      …（３５）
ｆ2は、タービン回転速度の将来予測値ｙ1（ｋ）を算出するために用いられるモデル関数である。最初に、算出時点のタービン回転速度であるｙ1（０）を用いて、算出時点から１ステップ先のタービン回転速度の予測値ｙ1（１）が算出される。算出時点のタービン回転速度であるｙ1（０）は、例えば、タービン４３に設けられたタービン回転速度センサ（図示せず）によって検出される。その後、算出時点からＮｈステップ先のタービン回転速度の予測値ｙ1（Ｎｈ）までタービン回転速度の将来予測値ｙ1（ｋ）が順次算出され、合計Ｎｈ個のタービン回転速度の将来予測値が算出される。
【００９３】
本変形例のようにして目的関数を算出することにより、複数の状態量に制約があるときであってもこれら複数の状態量に関する制約条件の充足度が全体的に高くなるように過給圧の目標値を設定することができる。また、第２ペナルティ関数の値の算出にあたっては繰り返し計算することが必要になるものの、上述したように第１ペナルティ関数の値の算出にあたっては繰り返し計算する必要がなくなるため、過給圧の目標値を算出する際の演算負荷を低く抑えることができる。
【００９４】
＜第二実施形態＞
次に、第二実施形態に係る制御装置について説明する。第二実施形態に係る制御装置の構成及び制御は基本的に第一実施形態に係る制御装置の構成及び制御と同様である。以下では、第一実施形態に係る制御装置とは異なる部分を中心に説明する。
【００９５】
上記第一実施形態に係る制御装置は、制御出力ｘ及び制約条件を有する状態量ｙが共に過給圧である場合の制御装置である。これに対して、第二実施形態に係る制御装置は、制御出力ｘ及び制約条件を有する状態量ｙが共にＥＧＲ率である場合の制御装置である。この場合の制御入力は、例えば、スロットル弁３６の開度、ＥＧＲ制御弁５２の開度、排気ターボチャージャ５の可変ノズルの開度である。
【００９６】
ここで、ＥＧＲ率は、高くなりすぎると酸素が不足して失火等を招くため、制約条件として上限値を有する。このため、本実施形態における目的関数Ｊ（ｗ）は下記式（３６）によって定義され、第３ペナルティ関数ＳEGRは下記式（３７）によって定義される。
【数１８】
2020020273.tif 000020
【００９７】
ここで、ｘ2（ｋ）はＥＧＲ率の将来予測値であり、ｘ2Limは予め定められたＥＧＲ率の上限値であり、ｐ2は予め定められた重み係数である。第３ペナルティ関数ＳEGRは、ＥＧＲ率の将来予測値ｘ2（ｋ）が上限値ｘ2Limを超えた場合に超過量がペナルティとして目的関数Ｊ（ｗ）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（ｗ）の値は、ＥＧＲ率の将来予測値ｘ2（ｋ）が上限値ｘ2Limを超える量の合計が小さいほど小さくなる。
【００９８】
ここで、ＥＧＲ率の応答特性も線形応答として近似することができ、特に２次遅れが生じるものとして応答特性を近似することができる。ＥＧＲ率の応答特性を線形応答として近似した場合も、ＥＧＲ率の将来予測値ｘ2（ｋ）が上限値ｘ2Limを超える量の合計は、ＥＧＲ率の将来予測値ｘ2（ｋ）が上限値ｘ2Limを超えた場合の超過量の最大値に基づいて算出することができる。したがって、第３ペナルティ関数ＳEGRもＥＧＲ率のオーバーシュート量の最大値から算出することができる。
【００９９】
ＥＧＲ率のオーバーシュート量が最大となるときのＥＧＲ率ｘ2maxは下記式（３８）によって算出され、式（３８）におけるμは下記式（３９）によって算出される。なお、式（３９）における係数Ｃ、Ｄ及びＥ並びにｔosは上記式（１６）、（２０）、（２３）〜（２５）、（２７）によって算出される。
【数１９】
2020020273.tif 000021
【０１００】
上述したようにＥＧＲ率のオーバーシュート量の最大値ＯＳmaxを算出することにより、リファレンスガバナ８４によりＥＧＲ率の目標値を算出する際の演算負荷を低く抑えることができる。また、内燃機関１が過渡運転を行っているときであっても、ＥＧＲ率のオーバーシュート量の予測最大値ＯＳmaxを比較的正確に算出することができ、よってリファレンスガバナ８４により最適な目標値を算出することができる。
【０１０１】
実際に目的関数を算出するにあたっては、現在のＥＧＲ率は、ＥＧＲ制御弁５２の開度等に基づいて公知の手法によって推定される。また、ＥＧＲ率の現在の変化速度は、ＥＧＲ率の現在値及びＥＧＲ率の過去の推定値に基づいてＥＣＵ６１において算出される。
【０１０２】
なお、本実施形態においても、上記第一実施形態の変形例と同様に、目的関数Ｊ（ｗ）を算出するにあたっては、例えば、タービン回転速度や排気圧等のＥＧＲ率以外の状態量に関する制約条件を考慮してもよい。
【０１０３】
＜第三実施形態＞
次に、第三実施形態に係る制御装置について説明する。第三実施形態に係る制御装置の構成及び制御は基本的に第一実施形態に係る制御装置の構成及び制御と同様である。以下では、第一実施形態に係る制御装置とは異なる部分を中心に説明する。
【０１０４】
上記第一実施形態に係る制御装置は、制御出力ｘ及び制約条件を有する状態量ｙが共に過給圧である場合の制御装置である。これに対して、第三実施形態に係る制御装置は、制御出力ｘ及び制約条件を有する状態量ｙが共にフィルタ４４の温度である場合の制御装置である。この場合の制御入力は、例えば、燃料噴射弁２１からの燃料噴射時期及び燃料噴射量、ＥＧＲ制御弁５２の開度、排気ターボチャージャ５の可変ノズルの開度である。
【０１０５】
ここで、フィルタ４４の温度は、高くなりすぎるとフィルタの溶損等を招くため、制約条件として上限値を有する。このため、本実施形態における目的関数Ｊ（ｗ）は下記式（４０）によって定義され、第４ペナルティ関数ＳTFは下記式（４１）によって定義される。
【数２０】
2020020273.tif 000022
【０１０６】
ここで、ｘ3（ｋ）はフィルタ４４の温度の将来予測値であり、ｘ3Limは予め定められたフィルタ４４の温度の上限値であり、ｐ3は予め定められた重み係数である。第４ペナルティ関数ＳTFは、フィルタ４４の温度の将来予測値ｘ3（ｋ）が上限値ｘ3Limを超えた場合に超過量がペナルティとして目的関数Ｊ（ｗ）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（ｗ）の値は、フィルタ４４の温度の将来予測値ｘ3（ｋ）が上限値ｘ3Limを超える量の合計が小さいほど小さくなる。
【０１０７】
ここで、フィルタ４４の温度の応答特性も線形応答として近似することができ、特に２次遅れが生じるものとして応答特性を近似することができる。フィルタ４４の温度の応答特性を線形応答として近似した場合も、フィルタ４４の温度の将来予測値ｘ3（ｋ）が上限値ｘ3Limを超える量の合計はフィルタ４４の温度の将来予測値ｘ3（ｋ）が上限値ｘ3Limを超えた場合の超過量の最大値に基づいて算出することができる。したがって、第４ペナルティ関数ＳTFもフィルタ４４の温度のオーバーシュート量の最大値から算出することができる。
【０１０８】
フィルタ４４の温度のオーバーシュート量が最大となるときのフィルタ４４の温度ｘ3maxは下記式（４２）によって算出され、式（４２）におけるμは上記実施形態と同様に、上記式（３９）によって算出される。
【数２１】
2020020273.tif 000023
【０１０９】
上述したようにフィルタ４４の温度のオーバーシュート量の最大値ＯＳmaxを算出することにより、リファレンスガバナ８４によりフィルタ４４の温度の目標値を算出する際の演算負荷を低く抑えることができる。また、内燃機関１が過渡運転を行っているときであっても、フィルタ４４の温度のオーバーシュート量の予測最大値ＯＳmaxを比較的正確に算出することができ、よってリファレンスガバナ８４により最適な目標値を算出することができる。
【０１１０】
実際に目的関数を算出するにあたっては、現在のフィルタ４４の温度は、例えば、フィルタ４４の温度を検出する温度センサ７６によって検出される。また、フィルタ４４の温度の現在の変化速度は、フィルタ４４の温度の現在値及び温度センサ７６によって過去に検出されたフィルタ４４の温度に基づいてＥＣＵ６１において算出される。
【０１１１】
なお、本実施形態においても、上記第一実施形態の変形例と同様に、目的関数Ｊ（ｗ）を算出するにあたっては、例えば、タービン回転速度や排気圧等のＥＧＲ率以外の状態量に関する制約条件を考慮してもよい。
【０１１２】
＜第四実施形態＞
次に、第四実施形態に係る制御装置について説明する。第四実施形態に係る制御装置の構成及び制御は基本的に第一実施形態に係る制御装置の構成及び制御と同様である。以下では、第一実施形態に係る制御装置とは異なる部分を中心に説明する。
【０１１３】
上記第一実施形態に係る制御装置は、制御出力ｘ及び制約条件を有する状態量ｙが共に過給圧である場合の制御装置である。これに対して、第四実施形態に係る制御装置は、制御出力ｘ及び制約条件を有する状態量ｙが共に燃料の圧力である場合の制御装置である。この場合の制御入力は、例えば、燃料ポンプ２４への供給電力である。
【０１１４】
ここで、燃料の圧力は、高くなりすぎると燃料噴射弁２１の破損等を招くため、制約条件として上限値を有する。このため、本実施形態における目的関数Ｊ（ｗ）は下記式（４３）によって定義され、第５ペナルティ関数ＳPFは下記式（４４）によって定義される。
【数２２】
2020020273.tif 000024
【０１１５】
ここで、ｘ4（ｋ）は燃料の圧力の将来予測値であり、ｘ4Limは予め定められた燃料の圧力の上限値であり、ｐ4は予め定められた重み係数である。第５ペナルティ関数ＳPFは、燃料の圧力の将来予測値ｘ4（ｋ）が上限値ｘ4Limを超えた場合に超過量がペナルティとして目的関数Ｊ（ｗ）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（ｗ）の値は、燃料の圧力の将来予測値ｘ4（ｋ）が上限値ｘ4Limを超える量の合計が小さいほど小さくなる。
【０１１６】
ここで、燃料の圧力の応答特性も線形応答として近似することができ、特に２次遅れが生じるものとして応答特性を近似することができる。燃料の圧力の応答特性を線形応答として近似した場合も、燃料の圧力の将来予測値ｘ4（ｋ）が上限値ｘ4Limを超える量の合計は燃料の圧力の将来予測値ｘ4（ｋ）が上限値ｘ4Limを超えた場合の超過量の最大値に基づいて算出することができる。したがって、第５ペナルティ関数ＳPFも燃料の圧力のオーバーシュート量の最大値から算出することができる。
【０１１７】
燃料の圧力のオーバーシュート量が最大となるときの燃料の圧力ｘ4maxは下記式（４５）によって算出され、式（４５）におけるμは上記実施形態と同様に、上記式（３９）によって算出される。
【数２３】
2020020273.tif 000025
【０１１８】
上述したように燃料の圧力のオーバーシュート量の最大値ＯＳmaxを算出することにより、リファレンスガバナ８４により燃料の圧力の目標値を算出する際の演算負荷を低く抑えることができる。また、内燃機関１が過渡運転を行っているときであっても、燃料の圧力のオーバーシュート量の予測最大値ＯＳmaxを比較的正確に算出することができ、よってリファレンスガバナ８４により最適な目標値を算出することができる。
【０１１９】
実際に目的関数を算出するにあたっては、現在の燃料の圧力は、例えば、コモンレール２２内の燃料の圧力を検出する燃圧センサ７４によって検出される。また、燃料の圧力の現在の変化速度は、燃料の圧力の現在値及び燃圧センサ７４によって過去に検出された燃料の圧力に基づいてＥＣＵ６１において算出される。
【０１２０】
なお、本実施形態においても、上記第一実施形態の変形例と同様に、目的関数Ｊ（ｗ）を算出するにあたっては、例えば、タービン回転速度や排気圧等のＥＧＲ率以外の状態量に関する制約条件を考慮してもよい。
【０１２１】
＜まとめ＞
以上より、上記複数の実施形態に係る制御装置は、制御出力（過給圧、ＥＧＲ率、フィルタ４４の温度、燃料の圧力、等）の現在の値と制御出力の暫定目標値と制御出力の現在の変化速度とに基づいて、制御出力の応答には２次遅れが生じると仮定して導出された予測モデルを用いて、制御出力における目標値からのオーバーシュートの予測最大値を算出し、予測最大値に基づいて制御出力に関する制約条件の充足度が高くなるように制御出力の暫定目標値を修正して目標値を算出するリファレンスガバナと、を備える。
【０１２２】
また、上記実施形態では、制御出力には２次遅れが生じると過程して予測モデルを導出している。しかしながら、制御出力の種類等よっては、１次遅れや３次遅れが生じると過程して予測モデルを導出することにより、制御出力の目標値からのオーバーシュートの予測最大値をより正確に算出することができる。したがって、予測モデルは、制御出力に１次遅れ又は３次以上の多次元の遅れが生じていると仮定して導出されてもよい。
【符号の説明】
【０１２３】
１    内燃機関
５    排気ターボチャージャ
５２    ＥＧＲ制御弁
６１    電子制御ユニット（ＥＣＵ）
８２    フィードバックコントローラ
８４    リファレンスガバナ
【図１】
2020020273.tif 000031
【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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【図７】
2020020273.tif 000037
【図８】
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