(57)【要約】      （修正有）【課題】評価関数を用いて制御パラメータを求める際の制御対象への摂動の影響を抑制する。【解決手段】制御システムにおいて、パラメータ調整装置１は、制御器の出力である第１出力データと、制御対象の出力である第２出力データとを取得するデータ取得部３２と、制御パラメータ、第１出力データ及び第２出力データに基づいて、制御器に入力する入力信号を推定する信号推定部３３と、推定された入力信号を参照モデルに入力した場合の参照モデルの出力である第３出力データを取得するモデル出力取得部３４と、第２出力データと第３出力データの差分信号に基づいて、制御パラメータに関する評価関数を求める関数取得部３５と、関数取得部３５が求めた評価関数に正摂動を与えた第１評価関数と負摂動を与えた第２評価関数との差分に基づいて、制御器の制御パラメータを調整するパラメータ調整部３６とを備える。【選択図】図２
2020135807.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
制御器と、前記制御器の出力を入力とする制御対象と、目標値と参照応答の伝達関数である参照モデルとを備え、前記制御対象の出力が前記制御器の入力にフィードバックされる制御システムにおいて、前記制御器の制御パラメータを調整するパラメータ調整装置であって、
前記制御器の出力である第１出力データと、前記制御対象の出力である第２出力データとを取得するデータ取得部と、
前記制御器の制御パラメータ、前記第１出力データ及び前記第２出力データに基づいて、前記制御器に入力する入力信号を推定する信号推定部と、
推定された前記入力信号を前記参照モデルに入力した場合の前記参照モデルの出力である第３出力データを取得するモデル出力取得部と、
前記第２出力データと前記第３出力データの差分信号に基づいて、制御パラメータに関する評価関数を求める関数取得部と、
前記関数取得部が求めた前記評価関数に正摂動を与えた第１評価関数と負摂動を与えた第２評価関数との差分に基づいて、前記制御器の制御パラメータを調整するパラメータ調整部と、
を備えるパラメータ調整装置。
【請求項２】
前記制御器の制御パラメータの初期値として、第１初期値及び第２初期値が設定されており、
前記関数取得部は、前記第１初期値及び前記第２初期値の各々の評価関数を求め、
前記パラメータ調整部は、前記第１初期値に対応する前記第１評価関数と前記第２評価関数の差分と、前記第２初期値に対応する前記第１評価関数と前記第２評価関数の差分とを比較して、前記制御パラメータを調整する、
請求項１に記載のパラメータ調整装置。
【請求項３】
前記制御システムは、車両に搭載された制御対象を制御するシステムである、
請求項１又は２に記載のパラメータ調整装置。
【請求項４】
制御器と、前記制御器の出力を入力とする制御対象と、目標値と参照応答の伝達関数である参照モデルとを備え、前記制御対象の出力が前記制御器の入力にフィードバックされる制御システムにおいて、前記制御器の制御パラメータを調整するパラメータ調整方法であって、
前記制御器の出力である第１出力データと、前記制御対象の出力である第２出力データとを取得するステップと、
前記制御器の制御パラメータ、前記第１出力データ及び前記第２出力データに基づいて、前記制御器に入力する入力信号を推定するステップと、
推定された前記入力信号を前記参照モデルに入力した場合の前記参照モデルの出力である第３出力データを取得するステップと、
前記第２出力データと前記第３出力データの差分信号に基づいて、制御パラメータに関する評価関数を求めるステップと、
求めた前記評価関数に正摂動を与えた第１評価関数と負摂動を与えた第２評価関数との差分に基づいて、前記制御器の制御パラメータを調整するステップと、
を有するパラメータ調整方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、制御パラメータを調整するパラメータ調整装置及びパラメータ調整方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、車両の内燃機関等の構成要素（制御対象）を制御器によって制御するフィードバックシステムにおける制御器の制御パラメータの調整手法として、ＳＰＳＡ（Simultaneous Perturbation Stochastic Approximation）と呼ばれる同時摂動確率近似アルゴリズムを用いた手法が提案されている（特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１７−２１８９７４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上記のＳＰＳＡでは、制御パラメータの評価関数に微小摂動を与えて評価して、制御パラメータを更新する。具体的には、正摂動と負摂動の摂動を与えて制御パラメータを更新する。このため、ＳＰＳＡでは、制御対象に摂動の影響が及びやすい。特に、摂動を２回与える場合には、より影響が大きくなる。
【０００５】
そこで、本発明はこれらの点に鑑みてなされたものであり、ＦＲＩＴ（Fictitious Reference Iterative Tuning）の評価関数を用いて制御パラメータを求める際の制御対象への摂動の影響を抑制することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の第１の態様においては、制御器と、前記制御器の出力を入力とする制御対象と、目標値と参照応答の伝達関数である参照モデルとを備え、前記制御対象の出力が前記制御器の入力にフィードバックされる制御システムにおいて、前記制御器の制御パラメータを調整するパラメータ調整装置であって、前記制御器の出力である第１出力データと、前記制御対象の出力である第２出力データとを取得するデータ取得部と、前記制御器の制御パラメータ、前記第１出力データ及び前記第２出力データに基づいて、前記制御器に入力する入力信号を推定する信号推定部と、推定された前記入力信号を前記参照モデルに入力した場合の前記参照モデルの出力である第３出力データを取得するモデル出力取得部と、前記第２出力データと前記第３出力データの差分信号に基づいて、制御パラメータに関する評価関数を求める関数取得部と、前記関数取得部が求めた前記評価関数に正摂動を与えた第１評価関数と負摂動を与えた第２評価関数との差分に基づいて、前記制御器の制御パラメータを調整するパラメータ調整部と、を備えるパラメータ調整装置を提供する。
【０００７】
また、前記制御器の制御パラメータの初期値として、第１初期値及び第２初期値が設定されており、前記関数取得部は、前記第１初期値及び前記第２初期値の各々の評価関数を求め、前記パラメータ調整部は、前記第１初期値に対応する前記第１評価関数と前記第２評価関数の差分と、前記第２初期値に対応する前記第１評価関数と前記第２評価関数の差分とを比較して、前記制御パラメータを調整することとしてもよい。
【０００８】
また、前記制御システムは、車両に搭載された制御対象を制御するシステムであることとしてもよい。
【０００９】
本発明の第２の態様においては、制御器と、前記制御器の出力を入力とする制御対象と、目標値と参照応答の伝達関数である参照モデルとを備え、前記制御対象の出力が前記制御器の入力にフィードバックされる制御システムにおいて、前記制御器の制御パラメータを調整するパラメータ調整方法であって、前記制御器の出力である第１出力データと、前記制御対象の出力である第２出力データとを取得するステップと、前記制御器の制御パラメータ、前記第１出力データ及び前記第２出力データに基づいて、前記制御器に入力する入力信号を推定するステップと、推定された前記入力信号を前記参照モデルに入力した場合の前記参照モデルの出力である第３出力データを取得するステップと、前記第２出力データと前記第３出力データの差分信号に基づいて、制御パラメータに関する評価関数を求めるステップと、求めた前記評価関数に正摂動を与えた第１評価関数と負摂動を与えた第２評価関数との差分に基づいて、前記制御器の制御パラメータを調整するステップと、を有するパラメータ調整方法を提供する。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、評価関数を用いて制御パラメータを求める際の制御対象への摂動の影響を抑制できるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】ＦＲＩＴが適用される制御システム１００を説明するための模式図である。
【図２】本発明の一の実施形態に係るパラメータ調整装置１の構成の一例を示す模式図である。
【図３】パラメータ調整装置１が実行する処理の流れを説明するためのフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
＜制御器の制御パラメータの調整について＞
本実施形態では、制御システムにおける制御器の制御パラメータを調整する手法として、ＦＲＩＴが用いられる。ＦＲＩＴは、１組の入出力データと参照モデルから、閉ループ系の制御器の制御パラメータを自動調整する手法である。初期の制御パラメータを用いて閉ループ実験を行い、そのときの入出力データをサンプリングして計測する。なお、ＦＲＩＴは、オンライン計算も可能である。後述する方法は、オフライン・オンラインに限らず適用可能である。
【００１３】
なお、制御パラメータの調整方法としては、制御パラメータの評価関数に正摂動及び負摂動を与えて評価するＳＰＳＡが知られているが、制御対象に摂動の影響が及びやすい。特に、評価関数に正摂動を与えて評価した後に、負摂動を与えて再度評価する場合（すなわち、閉ループ実験を２回行う）には、適切でない制御パラメータを用いると、制御対象への摂動の影響が大きくなる。
【００１４】
図１は、ＦＲＩＴが適用される制御システム１００を説明するための模式図である。制御システム１００は、図１に示すようにフィードバックシステムであり、制御器１０２と、制御対象１０４と、参照モデル１０６とを有する。制御システム１００においては、制御対象１０４の出力が制御器１０２の入力にフィードバックされる。
【００１５】
制御器１０２は、ここでは制御パラメータθを引数とする関数Ｃ（θ）で表現される。制御パラメータθは、自由に調整できるパラメータである。制御対象１０４には、制御器１０２の出力である入力ｕが入力される。また、制御対象１０４の出力は、出力ｙである。参照モデル１０６は、目標値と参照応答の伝達関数であり、制御対象１０４に入力する入力信号が入力される。制御システム１００においては、制御対象１０４の出力ｙと、参照モデル１０６の出力とを一致させることが目的である。
【００１６】
図１から、制御器１０２に入力される入力信号ｒは、下記の式（１）となる。
2020135807.tif 000003
式（１）において、ｋは、１以上の整数であり、ｕ又はｙのサンプリングの番号を示す指標である。ｕ（ｋ）及びｙ（ｋ）は、予め計測した１組の入出力データである。
【００１７】
また、図１に示す一般的なフィードバック制御の応答と、参照モデル１０６及び入力信号ｒ（θ、ｋ）から得られる目標応答との誤差に関する評価関数Ｊは、下記の式（２）となる。
2020135807.tif 000004
【００１８】
式（２）の評価関数Ｊにおいて、制御パラメータθは、制御対象１０４の出力ｙ（ｋ）と参照モデル（Ｔｄ）の出力（Ｔｄ×ｒ（θ、ｋ））との２乗誤差を最小化するものを意味し、制御器１０２の最適なパラメータである。また、むだ時間を制御パラメータに有する場合やＭＩＭＯ（Multiple Input Multiple Output）系への適用が可能となる。
【００１９】
本実施形態では、ＳＰＳＡのｇ（θ）に、上記の式（２）で示すＦＲＩＴの評価関数Ｊ（θ）の考え方を導入している。具体的には、評価関数Ｊ（θ）において、制御パラメータθに正摂動を加えた第１評価関数Ｊ（θ＋ｃｓ）と、制御パラメータθに負摂動を加えた第２評価関数Ｊ（θ−ｃｓ）を求める。そして、求めた第１評価関数Ｊ（θ＋ｃｓ）及び第２評価関数Ｊ（θ−ｃｓ）を、ＳＰＳＡの更新ゲインｇ（θ）の算出式（公知）に適用すると、下記の式（３）となる。
2020135807.tif 000005
【００２０】
式（３）では、２つの摂動を同時に加えたものとなっており、従来の２回に分けて摂動を与える場合に対して、制御対象１０４に摂動の影響が及ぶことを抑制できる。すなわち、上述したＳＰＳＡの問題点を解決する。
【００２１】
上述した制御システム１００は、トラック等の車両に搭載された制御対象を制御するシステムとして利用されうる。例えば、ディーゼルエンジンのブースト圧と吸入新気量を目標値に追従させるため、ＥＧＲ（Exhaust Gas Recirculation）及びＶＮＴ（Variable Nozzle Turbo）の協調制御に利用されうる。また、クラッチのストローク量制御に利用されうる。
【００２２】
＜パラメータ調整装置の構成＞
本発明の一の実施形態に係るパラメータ調整装置の構成について、図２を参照しながら説明する。
【００２３】
図２は、本発明の一の実施形態に係るパラメータ調整装置１の構成の一例を示す模式図である。パラメータ調整装置１は、図２に示すように、記憶部２０と、制御部３０とを有する。パラメータ調整装置１は、図１に示す制御システム１００の制御器１０２の制御パラメータθを調整する。
【００２４】
記憶部２０は、コンピュータのＢＩＯＳ（Basic Input Output System）等を格納するＲＯＭ（Read Only Memory）、作業領域となるＲＡＭ（Random Access Memory）を含む。また、記憶部２０は、ＯＳ（Operating System）やアプリケーションプログラム、当該アプリケーションプログラムの実行時に参照される種々の情報を格納するＨＤＤ（Hard Disk Drive）やＳＳＤ（Solid State Drive）等の大容量記憶装置である。
【００２５】
制御部３０は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）やＧＰＵ（Graphics Processing Unit）等のプロセッサである。制御部３０は、記憶部２０に記憶されたプログラムを実行することによって、データ取得部３２、信号推定部３３、モデル出力取得部３４、関数取得部３５、及びパラメータ調整部３６として機能する。
【００２６】
データ取得部３２は、制御システム１００の制御器１０２の出力である第１出力データと、制御対象１０４の出力である第２出力データとを取得する。データ取得部３２は、第１出力データ及び第２出力データを逐次取得しうる。ここで、第１出力データは、図１において、制御器１０２から出力され制御対象１０４に入力される入力ｕに相当する。また、第２出力データは、制御対象１０４の出力ｙに相当する。以下では、説明の便宜上、第１出力データｕ、第２出力データｙとして説明する。
【００２７】
信号推定部３３は、制御器１０２の制御パラメータ、第１出力データ及び第２出力データに基づいて、制御器１０２に入力する入力信号を推定する。すなわち、信号推定部３３は、制御器１０２の制御パラメータであるパラメータθ、第１出力データｕ、及び第２出力データｙから、制御器１０２に入力する入力信号として入力信号データを推定する。なお、制御器１０２に入力する入力信号は、制御器１０２に入力する入力する信号ｒに相当し、入力信号データは上述した式（１）の入力信号ｒ（θ、ｋ）に相当する。
【００２８】
モデル出力取得部３４は、推定された入力信号を参照モデル１０６に入力した場合の参照モデル１０６の出力である第３出力データを取得する。具体的には、モデル出力取得部３４は、信号推定部３３が推定した入力信号ｒ（θ、ｋ）を参照モデル１０６に入力した場合の参照モデル１０６の出力である第３出力データとして、図１に示す参照モデル１０６の出力Ｔｄ×ｒ（θ、ｋ）を取得する。
【００２９】
関数取得部３５は、第２出力データと第３出力データの差分信号に基づいて、制御パラメータに関する評価関数を求める。すなわち、関数取得部３５は、ＦＲＩＴの評価関数を求める。具体的には、関数取得部３５は、前述した式（２）で説明した、出力ｙ（ｋ）と出力Ｔｄ×ｒ（θ、ｋ）の差分を示す評価関数Ｊ（θ）を求める。
【００３０】
パラメータ調整部３６は、関数取得部３５が求めた評価関数Ｊ（θ）に正摂動を与えた第１評価関数Ｊ（θ＋ｃｓ）と負摂動を与えた第２評価関数Ｊ（θ−ｃｓ）との差分に基づいて、制御器１０２の制御パラメータθを調整する。具体的には、パラメータ調整部３６は、式（３）で示される更新ゲインｇ（θ）から制御パラメータθを求め、求めた制御パラメータθに更新する。すなわち、パラメータ調整部３６は、正摂動及び負摂動を同時に与えた更新ゲインｇ（θ）から制御パラメータθを求める。これにより、摂動を２回に分けて評価する場合に発生する制御対象１０４への摂動の影響を抑制できる。また、正摂動及び負摂動を同時に与えることで、収束速度が低下することを抑制できる。
【００３１】
なお、上記では、制御器１０２の制御パラメータθの初期値は予め１つ設定されているが、これに限定されない。例えば、制御パラメータθの初期値が予め複数設定されていてもよい。
【００３２】
ここでは、制御パラメータθの初期値として、二つの初期値θ１及びθ２が設定されているものとする。この場合、パラメータ調整装置１の関数取得部３５は、ＦＲＩＴの評価関数として、初期値θ１に対応する評価関数Ｊ（θ１）と、初期値θ２に対応する評価関数Ｊ（θ２）とをそれぞれ求める。パラメータ調整部３６は、初期値θ１の評価関数Ｊ（θ１）に対応する更新ゲイン（式（３）参照）と、初期値θ２の評価関数Ｊ（θ２）に対応する更新ゲインとを比較し、値の小さい更新ゲインを採用することで、調整パラメータθを更新する。このように複数の初期値に対応する更新ゲインを比較して調整パラメータθを更新することで、１つの初期値のみで制御パラメータθを調整する場合に比べて、局所解に陥ることを抑制できる。
【００３３】
＜パラメータ調整装置１による処理の流れ＞
パラメータ調整装置１が実行する処理について、図３を参照しながら説明する。
【００３４】
図３は、パラメータ調整装置１が実行する処理の流れを説明するためのフローチャートである。本フローチャートの処理は、例えばパラメータ調整装置１が起動したときに開始される。
【００３５】
まず、データ取得部３２は、制御器１０２の出力として、第１出力データを取得する（ステップＳ１０２）。また、データ取得部３２は、制御対象１０４の出力として、第２出力データを取得する（ステップＳ１０４）。
【００３６】
次に、信号推定部３３は、制御器１０２の制御パラメータθと、データ取得部３２が取得した第１出力データ及び第２出力データに基づいて、制御器１０２に入力する入力信号を推定する（ステップＳ１０６）。
【００３７】
次に、モデル出力取得部３４は、信号推定部３３が推定した入力信号を参照モデル１０６に入力した場合の参照モデル１０６の出力である第３出力データ（Ｔｄ×ｒ（θ、ｋ））を取得する（ステップＳ１０８）。
【００３８】
次に、関数取得部３５は、第２出力データと第３出力データの差分に基づいて、制御パラメータθに関する評価関数Ｊ（θ）を求める（ステップＳ１１０）。すなわち、関数取得部３５は、ＦＲＩＴの評価関数Ｊ（θ）を求める。
【００３９】
次に、パラメータ調整部３６は、関数取得部３５が求めた評価関数Ｊ（θ）に正摂動を与えた第１評価関数と、負摂動を与えた第２評価関数との差分に基づいて、制御パラメータθを調整する（ステップＳ１１２）。具体的には、まず、パラメータ調整部３６は、評価関数Ｊ（θ）に正摂動を与えた第１評価関数Ｊ（θ＋ｃｓ）と、負摂動を与えた第２評価関数Ｊ（θ−ｃｓ）を求める。次に、パラメータ調整部３６は、第１評価関数Ｊ（θ＋ｃｓ）と第２評価関数Ｊ（θ−ｃｓ）の差分を示す評価関数ｇ（θ）から、制御パラメータθを求める。そして、パラメータ調整部３６は、求めた制御パラメータθに更新する。
【００４０】
パラメータ調整部３６が制御パラメータを更新すると、本フローチャートの処理が終了する。パラメータ調整装置１は、上述した処理を繰り返すことにより、制御器１０２の制御パラメータθを自動で調整することができる。
【００４１】
＜本実施形態における効果＞
上述した実施形態において、パラメータ調整装置１は、制御器１０２や制御対象１０４の出力等からＦＲＩＴによる評価関数Ｊ（θ）を求める。そして、パラメータ調整装置１は、求めた評価関数Ｊ（θ）に正摂動を与えた第１評価関数Ｊ（θ＋ｃｓ）と負摂動を与えた第２評価関数Ｊ（θ−ｃｓ）との差分からｇ(θ)を算出し、制御パラメータθを更新する。
これにより、上述した式（３）に示されるように、正摂動及び負摂動が同時に与えられたｇ（θ）から調整パラメータθを調整できる。また、第１評価関数Ｊ（θ＋ｃｓ）および第２評価関数Ｊ（θ−ｃｓ）を求める際、制御対象１０４に入力して評価する必要がないので、制御対象１０４への摂動の影響を抑制できる。この結果、摂動の影響を制御対象１０４に与えることなく、最適な制御パラメータθに更新できる。
【００４２】
以上、本発明を実施の形態を用いて説明したが、本発明の技術的範囲は上記実施の形態に記載の範囲には限定されず、その要旨の範囲内で種々の変形及び変更が可能である。例えば、装置の全部又は一部は、任意の単位で機能的又は物理的に分散・統合して構成することができる。また、複数の実施の形態の任意の組み合わせによって生じる新たな実施の形態も、本発明の実施の形態に含まれる。組み合わせによって生じる新たな実施の形態の効果は、もとの実施の形態の効果を併せ持つ。
【符号の説明】
【００４３】
１    パラメータ調整装置
３２    データ取得部
３３    信号推定部
３４    モデル出力取得部
３５    関数取得部
３６    パラメータ調整部
１００    制御システム
１０２    制御器
１０４    制御対象
１０６    参照モデル
【図１】
2020135807.tif 000006
【図２】
2020135807.tif 000007
【図３】
2020135807.tif 000008