(57)【要約】【課題】制御出力を定常目標値に近付けるときに制御出力のオーバーシュート量を低減する。【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定常目標値を算出する目標値算出部２と、定常目標値を修正して修正目標値を算出するリファレンスガバナ３と、制御出力が修正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時間変化率に基づいて定常目標値を修正する。【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定常目標値を算出する目標値算出部と、
前記定常目標値を修正して修正目標値を算出するリファレンスガバナと、
前記制御出力が前記修正目標値に近付くように前記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時間変化率に基づいて前記定常目標値を修正することを特徴とする、プラント制御装置。
【請求項２】
前記リファレンスガバナは、前記時間変化率の絶対値が閾値を超えたときに前記定常目標値の修正を開始する、請求項１に記載のプラント制御装置。
【請求項３】
前記フィードバックコントローラはＰＩ制御によって前記制御入力を決定する、請求項１又は２に記載のプラント制御装置。
【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、制御出力が目標値に一致するようにフィードバック制御によって制御入力が決定されると、制御出力は目標値まで迅速に変化するが、制御出力のオーバーシュート量が大きくなる。
【０００３】
従来、制御出力のオーバーシュート量を低減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（例えば特許文献１）。リファレンスガバナは、制御出力のオーバーシュート量が小さくなるように、プラントの所定のパラメータに基づいて算出される定常目標値を修正して修正目標値を算出する。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修正目標値を算出する。
【０００４】
例えば、目的関数Ｊは下記式（１０）によって定義される。
Ｊ＝（ｒ−ｗ）2＋ＯＳ2…（１０）
ここで、ｒは定常目標値であり、ｗは修正目標値であり、ＯＳは、推定される制御出力のオーバーシュート量（以下、「推定オーバーシュート量」という）である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特許第５９３００７４号公報
【特許文献２】国際公開第２０１６／０９２８７２号
【特許文献３】特開２００４−１１６４６７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
従来、下記式（１１）に示されるように、推定オーバーシュート量は修正目標値ｗと制御出力（実際の値）ｘとの差に基づいて算出されていた。
ＯＳ＝Ａ×（ｗ−ｘ）…（１１）
ここで、Ａは予め定められた定数である。
【０００７】
図８は、従来技術に従って定常目標値が修正された場合の制御出力の時間変化を示す図である。図８のグラフでは、修正目標値ｗが一点鎖線によって示され、制御出力ｘ（実際の値）が実線によって示される。また、定常目標値ｒが修正されなかった場合の制御出力ｘ（実際の値）が破線によって示される。
【０００８】
従来技術では、上記式（１１）によって推定オーバーシュート量が算出されるため、制御出力ｘの波形に関わらず、制御出力ｘが定常目標値ｒに近付くにつれて、定常目標値ｒが修正されない場合の推定オーバーシュート量が小さくなる。このため、制御出力ｘが定常目標値ｒに近付くにつれて、定常目標値ｒの修正量が小さくなる。しかしながら、実際のオーバーシュート量は制御出力ｘの波形に応じて変化する。このため、図８に示されるように、従来技術では、修正目標値ｗが適切な値に設定されず、オーバーシュートが残存する。
【０００９】
そこで、上記課題に鑑みて、本発明の目的は、制御出力を定常目標値に近付けるときに制御出力のオーバーシュート量を低減することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本開示の要旨は以下のとおりである。
【００１１】
（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定常目標値を算出する目標値算出部と、前記定常目標値を修正して修正目標値を算出するリファレンスガバナと、前記制御出力が前記修正目標値に近付くように前記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時間変化率に基づいて前記定常目標値を修正することを特徴とする、プラント制御装置。
【００１２】
（２）前記リファレンスガバナは、前記時間変化率の絶対値が閾値を超えたときに前記定常目標値の修正を開始する、上記（１）に記載のプラント制御装置。
【００１３】
（３）前記フィードバックコントローラはＰＩ制御によって前記制御入力を決定する、上記（１）又は（２）に記載のプラント制御装置。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、制御出力を定常目標値に近付けるときに制御出力のオーバーシュート量を低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】図１は、第一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、制御出力の時間変化率と制御出力のオーバーシュート量との関係を説明するための図である。
【図４】図４は、制御出力の時間変化率に基づいて算出された推定オーバーシュート量と、実際のオーバーシュート量との関係を示す図である。
【図５】図５は、本実施形態に従って定常目標値が修正された場合の制御出力の時間変化を示す。
【図６】図６は、第一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。
【図７】図７は、第二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。
【図８】図８は、従来技術に従って定常目標値が修正された場合の制御出力の時間変化を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
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。
【００１７】
＜第一実施形態＞
最初に、図１〜図６を参照して、本発明の第一実施形態について説明する。
【００１８】
＜プラント制御装置の構成＞
図１は、第一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。
【００１９】
図１において破線で囲まれた部分は、プラント６の所定の出力をフィードバック制御する閉ループシステム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。
【００２０】
目標値算出部２は、外生入力ｄに基づいてプラント６の制御出力ｘの定常目標値ｒを算出し、定常目標値ｒをリファレンスガバナ３に入力する。外生入力ｄはプラント６の所定のパラメータである。リファレンスガバナ３は、定常目標値ｒを修正して修正目標値ｗを算出し、修正目標値ｗを比較部４に入力する。
【００２１】
比較部４は、修正目標値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。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。
【００２２】
フィードバックコントローラ５は、制御出力ｘが修正目標値ｗに近付くように制御入力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。
【００２３】
＜目標値の修正＞
定常目標値ｒがそのまま閉ループシステム１０に入力されると、制御出力ｘが定常目標値ｒに近付くようにフィードバック制御が行われる。この場合、制御出力ｘを定常目標値ｒに迅速に近付けることができるが、制御出力ｘのオーバーシュート量が大きくなる。このため、本実施形態では、リファレンスガバナ３は、制御出力ｘのオーバーシュートを抑制するように定常目標値ｒを修正する。
【００２４】
制御出力ｘを定常目標値ｒに向かって上昇させる場合には、修正目標値ｗを定常目標値ｒよりも小さくすることによって制御出力ｘのオーバーシュートを抑制することができる。一方、制御出力ｘを定常目標値ｒに向かって下降させる場合には、修正目標値ｗを定常目標値ｒよりも大きくすることによって制御出力ｘのオーバーシュートを抑制することができる。しかしながら、定常目標値ｒの修正量が大きすぎると、制御出力の応答性が悪化し、定常目標値ｒの修正量が小さすぎると、制御出力ｘのオーバーシュート量が大きくなる。
【００２５】
このため、制御出力ｘの応答性を確保しつつ、制御出力ｘのオーバーシュート量を低減するためには、制御出力ｘの変化に応じて定常目標値ｒの修正量を適切な値に設定する必要がある。具体的には、推定される制御出力ｘのオーバーシュート量（以下、「推定オーバーシュート量」という）に応じて定常目標値ｒの修正量を変化させる必要がある。本願の発明者は、鋭意検討の結果、制御出力ｘの時間変化率が将来の制御出力ｘのオーバーシュート量と相関することを見出した。
【００２６】
図３は、制御出力ｘの時間変化率と制御出力ｘのオーバーシュート量との関係を説明するための図である。図３には、制御出量ｘ（実際の値）の時間変化が定常目標値ｒと共に示されている。図３のグラフでは、破線によって示された制御出力ｘの時間変化率（グラフの傾き）は、実線によって示された制御出力ｘの時間変化率（グラフの傾き）よりも大きい。
【００２７】
図３に示されるように、制御出力ｘが定常目標値ｒに向かって上昇する場合、すなわち制御出力ｘの時間変化率が正である場合には、時間変化率が大きいほど制御出力ｘのオーバーシュート量が大きくなる。一方、制御出力ｘが定常目標値ｒに向かって下降する場合、すなわち制御出力ｘの時間変化率が負である場合には、時間変化率が小さいほど制御出力ｘのオーバーシュート量が大きくなる。すなわち、制御出力ｘの時間変化率の絶対値が大きいほど、制御出力ｘのオーバーシュート量は大きくなる。
【００２８】
このため、推定オーバーシュート量ＯＳは下記式（１）によって表される。
ＯＳ＝Ａ×｜ｄｘ／ｄｔ｜…（１）
ここで、ｄｘ／ｄｔは、制御出力ｘの時間変化率であり、制御出力ｘを時間微分した値である。制御出力ｘの時間変化率は制御出力ｘの応答速度に相当する。また、Ａは、制御出力ｘの応答特性に応じて、実験、シミュレーション等によって予め定められた定数である。
【００２９】
図４は、制御出力ｘの時間変化率に基づいて算出された推定オーバーシュート量と、実際のオーバーシュート量との関係を示す図である。図４には、実際のオーバーシュート量が異なる７個のデータが示される。グラフの各横線は、制御出力ｘが定常目標値ｒに達するまでにサイクル（例えば図３の実線の波形における丸印のタイミング）毎に算出された推定オーバーシュート量のばらつきを示す。また、各横線上の丸印は、推定オーバーシュート量のばらつきの平均値を示す。推定オーバーシュート量のばらつきは、サイクル毎の制御出力ｘの時間変化率のばらつきによって生じる。
【００３０】
推定オーバーシュート量のばらつきの平均値が傾き１の直線上に位置している場合、推定オーバーシュート量は実際のオーバーシュート量を精度良く反映している。このため、推定オーバーシュート量のばらつきの平均値の近似直線の傾きが１になるように上記式（１）の定数Ａが調整される。このことによって、定数Ａを適切な値に容易に設定することができる。具体的には、近似直線の傾きが１よりも小さい場合には、傾きが１に近付くように定数Ａを大きくする。一方、近似直線の傾きが１よりも大きい場合には、傾きが１に近付くように定数Ａを小さくする。
【００３１】
リファレンスガバナ３は推定オーバーシュート量に基づいて定常目標値ｒを修正する。すなわち、リファレンスガバナ３は制御出力ｘの時間変化率に基づいて定常目標値ｒを修正する。このことによって、制御出力ｘの応答速度を適切に制御することができ、制御出力ｘを定常目標値ｒに近付けるときに制御出力ｘのオーバーシュート量を低減することができる。
【００３２】
具体的には、リファレンスガバナ３は、推定オーバーシュート量が大きいほど、定常目標値ｒの修正量を大きくする。すなわち、リファレンスガバナ３は、制御出力ｘの時間変化率の絶対値が大きいほど、定常目標値ｒの修正量を大きくする。例えば、リファレンスガバナ３は推定オーバーシュート量を定常目標値ｒの修正量に設定する。この場合、定常目標値ｒの修正量は上記式（１）を用いて算出される。
【００３３】
ところで、一般的なフィードバック制御として、Ｐ制御とＩ制御とＤ制御とが組み合わされたＰＩＤ制御が知られている。Ｐ制御では、制御出力の応答性を向上させるべく、制御出力と目標値との差に基づいて制御入力を補正する。Ｉ制御では、定常偏差を低減すべく、制御出力と目標値との差を積分した値に基づいて制御入力を補正する。Ｄ制御では、制御の安定性を確保すべく、制御出力を微分した値に基づいて制御入力を補正する。
【００３４】
ＰＩＤ制御では、Ｐ制御におけるＰゲイン、Ｉ制御におけるＩゲイン及びＤ制御におけるＤゲインをそれぞれ適切な値に設定する必要がある。しかしながら、各ゲインの設定は技術者の経験則に基づいて行われることが多く、調整に時間を要していた。
【００３５】
一方、本実施形態では、リファレンスガバナ３によって制御出力ｘの時間変化率に基づいて定常目標値ｒが修正される。斯かる目標値修正は、ＰＩＤ制御におけるＤ制御と同様の制御に相当する。この場合、リファレンスガバナ３による目標値修正によって制御の安定性が確保される。このため、修正目標値ｗへの追従性のみを考慮してフィードバックコントローラ５を設計することができる。この結果、フィードバックコントローラ５の設計が容易になる。例えば、ＰＩ制御によって制御入力ｕを決定するようにフィードバックコントローラ５を設計する場合、Ｐゲイン及びＩゲインの設計が容易になる。具体的には、一般的なＰＩＤ制御と比べて、Ｐゲインを大きくしたときの制御出力ｘの波形の乱れ（オーバーシュート、振動等）が抑制される。
【００３６】
図５は、本実施形態に従って定常目標値ｒが修正された場合の制御出力ｘの時間変化を示す。図５のグラフでは、修正目標値ｗが一点鎖線によって示され、制御出力ｘ（実際の値）が実線によって示される。また、比較例として、定常目標値ｒが修正されなかった場合の制御出力ｘが破線によって示される。図５から分かるように、制御出力ｘの時間変化率に応じて定常目標値ｒの修正量を変化させることによって、制御出力ｘのオーバーシュート及び振動を抑制することができる。
【００３７】
＜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、第一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繰り返し実行される。
【００３８】
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。外生入力ｄはセンサ等の検出器によって検出され又はマップ若しくは計算式を用いて算出される。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に基づいて定常目標値ｒを算出する。
【００３９】
次いで、ステップＳ１０３において、リファレンスガバナ３は制御出力ｘを取得する。制御出力ｘはセンサ等の検出器によって検出され又はマップ若しくは計算式を用いて算出される。
【００４０】
次いで、ステップＳ１０４において、リファレンスガバナ３は制御出力ｘの時間変化率Δｘを算出する。例えば、リファレンスガバナ３は、今回の制御ルーチンにおいて取得された制御出力ｘactから前回の制御ルーチンにおいて取得された制御出力ｘpreを減算した値を微小時間Δｔで除算することによって時間変化率Δｘを算出する（Δｘ＝（ｘact−ｘpre）／Δｔ）。微小時間Δｔは、本制御ルーチンの実行間隔に相当する値である。
【００４１】
次いで、ステップＳ１０５において、リファレンスガバナ３は、時間変化率Δｘがゼロであるか否かを判定する。時間変化率Δｘがゼロであると判定された場合、本制御ルーチンはステップＳ１０６に進む。この場合、推定オーバーシュート量、ひいては定常目標値ｒの修正量ｍがゼロになる。このため、ステップＳ１０６では、リファレンスガバナ３は定常目標値ｒを修正目標値ｗに設定する。すなわち、リファレンスガバナ３は定常目標値ｒを修正しない。ステップＳ１０６の後、本制御ルーチンは終了する。
【００４２】
一方、ステップＳ１０５において時間変化率Δｘがゼロでないと判定された場合、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は定常目標値ｒの修正量ｍを算出する。具体的には、リファレンスガバナ３は推定オーバーシュート量を修正量ｍとして算出する。推定オーバーシュート量は上記式（１）を用いて算出される。
【００４３】
なお、リファレンスガバナ３は下記式（２）を用いて修正量ｍを算出してもよい。
ｍ＝Ｂ×ＯＳ…（２）
また、リファレンスガバナ３は下記式（３）を用いて制御出力ｘの時間変化率から直接修正量ｍを算出してもよい。
ｍ＝Ｃ×｜ｄｘ／ｄｔ｜…（３）
ここで、推定オーバーシュート量ＯＳは上記式（１）を用いて算出され、Ｂ及びＣは、制御出力ｘの応答特性に応じて実験、シミュレーション等によって予め定められた定数である。
【００４４】
次いで、ステップＳ１０８において、リファレンスガバナ３は、時間変化率Δｘがゼロよりも大きいか否かを判定する。時間変化率Δｘがゼロよりも大きいと判定された場合、本制御ルーチンはステップＳ１０９に進む。ステップＳ１０９では、リファレンスガバナ３は修正目標値ｗを算出する。具体的には、リファレンスガバナ３は、定常目標値ｒから修正量ｍを減算することによって修正目標値ｗを算出する（ｗ＝ｒ−ｍ）。ステップＳ１０９の後、本制御ルーチンは終了する。
【００４５】
一方、ステップＳ１０８において時間変化率Δｘがゼロよりも小さいと判定された場合、本制御ルーチンはステップＳ１１０に進む。ステップＳ１１０では、リファレンスガバナ３は修正目標値ｗを算出する。具体的には、リファレンスガバナ３は、定常目標値ｒに修正量ｍを加算することによって修正目標値ｗを算出する（ｗ＝ｒ＋ｍ）。ステップＳ１１０の後、本制御ルーチンは終了する。
【００４６】
＜第二実施形態＞
第二実施形態におけるプラント制御装置の構成及び制御は、以下に説明する点を除いて、基本的に第一実施形態におけるプラント制御装置と同様である。このため、以下、本発明の第二実施形態について、第一実施形態と異なる部分を中心に説明する。
【００４７】
制御出力ｘの時間変化率の絶対値が小さい場合、その後、その値が大きく上昇する場合がある。この場合、上昇前の値は、将来の制御出力ｘのオーバーシュート量を正確に反映しない。このため、制御出力ｘの時間変化率の絶対値が小さいときに定常目標値ｒを修正しても、制御出力ｘのオーバーシュート量の低減効果は小さい。また、制御出力ｘの時間変化率の絶対値がゼロよりも大きいときに常に定常目標値ｒを修正すると、制御出力ｘの応答性が悪化する。
【００４８】
そこで、第二実施形態では、リファレンスガバナ３は、制御出力ｘの時間変化率の絶対値が閾値を超えたときに定常目標値ｒの修正を開始する。すなわち、リファレンスガバナ３は、制御出力ｘの時間変化率の絶対値が閾値以下であるときには、定常目標値ｒを修正することなく定常目標値ｒを修正目標値ｗに設定する。このことによって、制御出力ｘのオーバーシュートを抑制しつつ、制御出力ｘの応答性を向上させることができる。
【００４９】
＜目標値修正処理＞
図７は、第二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繰り返し実行される。ステップＳ２０１〜ステップＳ２０４は図６のステップＳ１０１〜ステップＳ１０４と同様であることから説明を省略する。
【００５０】
本制御ルーチンでは、ステップＳ２０４の後、ステップＳ２０５において、リファレンスガバナ３は、制御出力ｘの時間変化率Δｘの絶対値が閾値以下であるか否かを判定する。時間変化率Δｘの絶対値が閾値以下であると判定された場合、本制御ルーチンはステップＳ２０６に進む。ステップＳ２０６では、リファレンスガバナ３は定常目標値ｒを修正目標値ｗに設定する。すなわち、リファレンスガバナ３は定常目標値ｒを修正しない。ステップＳ２０６の後、本制御ルーチンは終了する。
【００５１】
一方、時間変化率Δｘの絶対値が閾値よりも大きいと判定された場合、本制御ルーチンはステップＳ２０７に進み、その後、定常目標値ｒの修正が行われる。ステップＳ２０７〜ステップＳ２１０は図６のステップＳ１０７〜ステップＳ１１０と同様であることから説明を省略する。
【００５２】
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。
【００５３】
具体的には、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。
【００５４】
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】
【００５５】
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】
2020047075.tif 000003
【図２】
2020047075.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
2020047075.tif 000007
【図６】
2020047075.tif 000008
【図７】
2020047075.tif 000009
【図８】
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