(57)【要約】【課題】実際のエンジン発電機における負荷変動に対するエンジン挙動等を充分に実験的に解析し、理論的なエンジン発電機並びにその制御手法を創出することを技術課題としたものである。【解決手段】本発明のエンジン発電機Ｇは、内燃機関を適用したエンジン本体１と、このエンジン本体１により駆動される発電機本体２とを具えたエンジン発電機Ｇであって、  前記エンジン本体１は、水素を燃料とするものであり、燃料供給経路における燃料ストレージ51と、エンジン本体１の燃料室13との間には、発電機負荷に応じて水素供給量を調整する比例制御弁53を設け、発電機負荷の変動にかかわらず定電圧出力を維持するようにしたことを特徴として成るものである。【選択図】図１
2020033992.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関を適用したエンジン本体と、このエンジン本体により駆動される発電機本体とを具えたエンジン発電機であって、
前記エンジン本体は、水素を燃料とするものであり、燃料供給経路における燃料ストレージと、エンジン本体の燃料室との間には、発電機負荷に応じて水素供給量を調整する比例制御弁を設け、発電機負荷の変動にかかわらず定電圧出力を維持するようにしたことを特徴とするエンジン発電機。
【請求項２】
前記水素供給量を調整する比例制御弁は比例電磁弁であり、この比例電磁弁を制御する信号値は、発電機負荷と、この負荷を補償し、所定電圧を維持するためのエンジン出力を得るための必要な水素供給量とをＰＩ制御により割り出した値であることを特徴とする請求項１記載のエンジン発電機。
【請求項３】
前記ＰＩ制御に係わる伝達関数は、
【数１】
2020033992.tif 000043
であることを特徴とする請求項２記載のエンジン発電機。
【請求項４】
前記ＰＩ制御に係わる差分方程式は、
【数２】
2020033992.tif 000044
であることを特徴とする請求項３記載のエンジン発電機。
【請求項５】
前記水素供給量を調整する比例制御弁は比例電磁弁であり、この比例電磁弁を制御する信号値は、
ＰＩ制御を用いたメジャーループよって、発電機の出力電圧から割り出した発電機負荷と、この負荷を補償し、所定電圧を維持するためのエンジン出力を得るための必要な水素供給量とを決定するに当たっての比例制御弁を制御する信号値と、ＰＩ制御を用いたマイナーループよって、メジャーループが決定した水素供給量に調整するための比例電磁弁の前記信号値を、比例電磁弁後方に配された水素流量計で読み取った値からメジャーループの制御演算結果で得られた水素供給量と偏差を考慮して修正するカスケード制御によって割り出された信号値により決定されることを特徴とする請求項１記載のエンジン発電機。
【請求項６】
前記カスケード制御を構成するメジャーループにおけるＰＩ制御による伝達関数は、
【数３】
2020033992.tif 000045
であることを特徴とする請求項５記載のエンジン発電機。
【請求項７】
前記カスケード制御を構成するメジャーループに係わる差分方程式は、
【数４】
2020033992.tif 000046
であることを特徴とする請求項６記載のエンジン発電機。
【請求項８】
前記カスケード制御を構成するマイナーループにおけるＰＩ制御による伝達関数は、
【数５】
2020033992.tif 000047
であることを特徴とする請求項５、６または７記載のエンジン発電機。
【請求項９】
前記カスケード制御を構成するマイナーループに係わる差分方程式は、
【数６】
2020033992.tif 000048
であることを特徴とする請求項８記載のエンジン発電機。
【請求項１０】
前記水素供給量を調整する比例制御弁は比例電磁弁であり、この比例電磁弁を制御する信号値は、
発電機負荷を補償し、発電機出力電圧の目標値に維持するための電圧値を解として、その解を得るために発電機の出力電圧の直前の値にから解を求める山登り法に見つけ出された電圧値の解に基づいた水素供給量を得られる値であることを特徴とする請求項１記載のエンジン発電機。
【請求項１１】
前記山登り法による制御式は、
【数７】
2020033992.tif 000049
であることを特徴とする請求項１０記載のエンジン発電機。
【請求項１２】
前記山登り法による制御における評価関数のｍ次における一般式は、
【数８】
2020033992.tif 000050
であることを特徴とする請求項１１記載のエンジン発電機。
【請求項１３】
前記山登り法による制御に係わる評価関数は、ｍ＝２
であることを特徴とする請求項１２記載のエンジン発電機。
【請求項１４】
前記エンジン本体は、４ストロークサイクルレシプロエンジンを適用していることを特徴とする請求項１、２、３、４、５、６、７、８、９、１０、１１、１２または１３記載のエンジン発電機。
【請求項１５】
前記発電機本体は、インバータ制御の発電機であることを特徴とする請求項１、２、３、４、５、６、７、８、９、１０、１１、１２、１３、１４いずれか記載のエンジン発電機。
【請求項１６】
内燃機関を適用したエンジン本体と、このエンジン本体により駆動される発電機本体とを具えたエンジン発電機を利用する方法であって、
前記エンジン本体は、水素を燃料とするものであり、燃料供給経路における燃料ストレージと、エンジン本体の燃料室との間には、発電機負荷に応じて水素供給量を調整する比例制御弁を設け、発電機負荷の変動にかかわらず定電圧出力を維持するようにしたことを特徴とするエンジン発電機の制御方法。
【請求項１７】
前記水素供給量を調整する比例制御弁は比例電磁弁であり、この比例電磁弁を制御する信号値は、発電機負荷と、この負荷を補償し、所定電圧を維持するためのエンジン出力を得るための必要な水素供給量とをＰＩ制御により割り出した値であることを特徴とする請求項１６記載のエンジン発電機の制御方法。
【請求項１８】
前記ＰＩ制御に係わる伝達関数は、
【数９】
2020033992.tif 000051
であることを特徴とする請求項１７記載のエンジン発電機の制御方法。
【請求項１９】
前記ＰＩ制御に係わる差分方程式は、
【数１０】
2020033992.tif 000052
であることを特徴とする請求項１８記載のエンジン発電機の制御方法。
【請求項２０】
前記水素供給量を調整する比例制御弁は比例電磁弁であり、この比例電磁弁を制御する信号値は、
ＰＩ制御を用いたメジャーループよって、発電機の出力電圧から割り出した発電機負荷と、この負荷を補償し、所定電圧を維持するためのエンジン出力を得るための必要な水素供給量とを決定するに当たっての比例制御弁を制御する信号値と、ＰＩ制御を用いたマイナーループよって、メジャーループが決定した水素供給量に調整するための比例電磁弁の前記信号値を、比例電磁弁後方に配された水素流量計で読み取った値からメジャーループの制御演算結果で得られた水素供給量と偏差を考慮して修正するカスケード制御によって割り出された信号値により決定されることを特徴とする請求項１６記載のエンジン発電機の制御方法。
【請求項２１】
前記カスケード制御を構成するメジャーループにおけるＰＩ制御による伝達関数は、
【数１１】
2020033992.tif 000053
であることを特徴とする請求項２０記載のエンジン発電機の制御方法。
【請求項２２】
前記カスケード制御を構成するメジャーループに係わる差分方程式は、
【数１２】
2020033992.tif 000054
であることを特徴とする請求項２１記載のエンジン発電機の制御方法。
【請求項２３】
前記カスケード制御を構成するマイナーループにおけるＰＩ制御による伝達関数は、
【数１３】
2020033992.tif 000055
であることを特徴とする請求項２０記載のエンジン発電機の制御方法。
【請求項２４】
前記カスケード制御を構成するマイナーループに係わる差分方程式は、
【数１４】
2020033992.tif 000056
であることを特徴とする請求項２３記載のエンジン発電機の制御方法。
【請求項２５】
前記水素供給量を調整する比例制御弁は比例電磁弁であり、この比例電磁弁を制御する信号値は、
発電機負荷を補償し、発電機出力電圧の目標値に維持するための電圧値を解として、その解を得るために発電機の出力電圧の直前の値にから解を求める山登り法に見つけ出された電圧値の解に基づいた水素供給量を得られる値であることを特徴とする請求項１６記載のエンジン発電機の制御方法。
【請求項２６】
前記山登り法による制御式は、
【数１５】
2020033992.tif 000057
であることを特徴とする請求項２５記載のエンジン発電機の制御方法。
【請求項２７】
前記山登り法による制御における評価関数のｍ次における一般式は、
【数１６】
2020033992.tif 000058
であることを特徴とする請求項２６記載のエンジン発電機の制御方法。
【請求項２８】
前記山登り法による制御に係わる評価関数は、ｍ＝２
であることを特徴とする請求項２７記載のエンジン発電機の制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、水素を燃料とした内燃機関により駆動される発電機に関するものであって、特に発電機負荷の変動にかかわらず定電圧出力を得ることができるようにしたエンジン発電機並びにその制御方法に係るものである。
近時、地球環境保全の視点から、各種原動機の燃料に水素を用いることの研究が進められ、かなりの分野で実用化が達成されつつある。本発明もその一環としてエンジン発電機におけるエンジン本体の燃料として水素を用いるものであるが、実際には発電機本体の発電機負荷の変動等に対し、適切な水素供給量を設定することが難しい。具体的には発電機負荷が増大したときには、前段階での例えば１００Ｖ〜１０５Ｖの定電圧の出力を担保していたエンジン回転は低下し、その回復には水素供給量を増大させなければならない。当然ながら、この状況から次に発電機負荷が減少した際には、水素供給量がそのままでは過大となり、燃料浪費につながる。このような状態は、従来のガソリンエンジンでも起こっていたが、ガソリンエンジンにせよ、プロパンガスエンジンにせよ、燃料自体は液状燃料であり、エンジンへの燃料供給経路途中でのカーブレーション（気化）が図られ、適切な空燃比等の理論解析等は充分に行われている。
【背景技術】
【０００２】
しかしながら水素の場合、一部先端技術を除き実用的範囲での水素利用は、例えば１００ｋｐａ〜１５Ｍｐａ程度の圧縮気体の状態でストレージされたものが用いられ、エンジンへの供給途中でのカーブレーションは存在しないことにより、適切な水素供給量の設定については殆んど理論的な解析はなされていない。
もちろん、水素を燃料としたエンジン発電システムにおいて、燃料を適切にコントロールするための手法を提案するものとして、特開２０１７−２７９９「水素エンジンシステムの制御装置、水素エンジンシステムおよび発電システム（先行技術文献１）や特開２００９−６２９４３「水素エンジン発電機」（先行技術文献２）が存在する。しかしながらその内容は、実質的に発電機負荷に応じて水素供給量を適切にするという提案にとどまり、発電機負荷に応じて適切な水素供給をどのようにするかの具体的提案まではされていない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１７−２７９９公報
【特許文献２】特開２００９−６２９４３公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明は、このような背景を認識してなされたものであって、実際のエンジン発電機における負荷変動に対するエンジン挙動等を充分に実験的に解析し、理論的なエンジン発電機並びにその制御手法を創出することを技術課題としたものである。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
すなわち請求項１記載のエンジン発電機は、内燃機関を適用したエンジン本体と、このエンジン本体により駆動される発電機本体とを具えたエンジン発電機であって、
前記エンジン本体は、水素を燃料とするものであり、燃料供給経路における燃料ストレージと、エンジン本体の燃料室との間には、発電機負荷に応じて水素供給量を調整する比例制御弁を設け、発電機負荷の変動にかかわらず定電圧出力を維持するようにしたことを特徴として成るものである。
【０００６】
また請求項２記載のエンジン発電機は、前記請求項１記載の要件に加え、前記水素供給量を調整する比例制御弁は比例電磁弁であり、この比例電磁弁を制御する信号値は、発電機負荷と、この負荷を補償し、所定電圧を維持するためのエンジン出力を得るための必要な水素供給量とをＰＩ制御により割り出した値であることを特徴として成るものである。
【０００７】
また請求項３記載のエンジン発電機は、前記請求項２記載の要件に加え、
前記ＰＩ制御に係わる伝達関数は、
【０００８】
【数１】
2020033992.tif 000003
【０００９】
であることを特徴として成るものである。
【００１０】
また請求項４記載のエンジン発電機は、前記請求項３記載の要件に加え、
前記ＰＩ制御に係わる差分方程式は、
【００１１】
【数２】
2020033992.tif 000004
【００１２】
であることを特徴として成るものである。
【００１３】
また請求項５記載のエンジン発電機は、前記請求項１記載の要件に加え、前記水素供給量を調整する比例制御弁は比例電磁弁であり、この比例電磁弁を制御する信号値は、ＰＩ制御を用いたメジャーループよって、発電機の出力電圧から割り出した発電機負荷と、この負荷を補償し、所定電圧を維持するためのエンジン出力を得るための必要な水素供給量とを決定するに当たっての比例制御弁を制御する信号値と、ＰＩ制御を用いたマイナーループよって、メジャーループが決定した水素供給量に調整するための比例電磁弁の前記信号値を、比例電磁弁後方に配された水素流量計で読み取った値からメジャーループの制御演算結果で得られた水素供給流量と偏差を考慮して修正するカスケード制御によって割り出された信号値により決定されることを特徴として成るものである。
【００１４】
また請求項６記載のエンジン発電機は、前記請求項５記載の要件に加え、前記カスケード制御を構成するメジャーループにおけるＰＩ制御による伝達関数は、
【数３】
2020033992.tif 000005
であることを特徴として成るものである。
【００１５】
また請求項７記載のエンジン発電機は、前記請求項６記載の要件に加え、前記カスケード制御を構成するメジャーループに係わる差分方程式は、
【数４】
2020033992.tif 000006
であることを特徴として成るものである。
【００１６】
また請求項８記載のエンジン発電機は、前記請求項７記載の要件に加え、前記カスケード制御を構成するマイナーループにおけるＰＩ制御による伝達関数は、
【数５】
2020033992.tif 000007
であることを特徴として成るものである。
【００１７】
また請求項９記載のエンジン発電機は、前記請求項８記載の要件に加え、前記カスケード制御を構成するマイナーループに係わる差分方程式は、
【数６】
2020033992.tif 000008
であることを特徴として成るものである。
【００１８】
また請求項１０記載のエンジン発電機は、前記請求項１記載の要件に加え、前記水素供給量を調整する比例制御弁は比例電磁弁であり、この比例電磁弁を制御する信号値は、発電機負荷を補償し、発電機出力電圧の目標値に維持するための電圧値を解として、その解を得るために発電機の出力電圧の直前の値にから解を求める山登り法に見つけ出された電圧値の解に基づいた水素供給量を得られる値であることを特徴として成るものである。
【００１９】
また請求項１１記載のエンジン発電機は、前記請求項１０記載の要件に加え、前記山登り法による制御式は、
【数７】
2020033992.tif 000009
であることを特徴として成るものである。
【００２０】
また請求項１２記載のエンジン発電機は、前記請求項１１記載の要件に加え、前記山登り法による制御における評価関数のｍ次における一般式は、
【数８】
2020033992.tif 000010
であることを特徴として成るものである。
【００２１】
また請求項１３記載のエンジン発電機は、前記請求項１２記載の要件に加え、前記山登り法による制御に係わる評価関数は、ｍ＝２であることを特徴として成るものである。
【００２２】
また請求項１４記載のエンジン発電機は、前記請求項１、２、３、４、５、６、７、８、９、１０、１１、１２または１３記載の要件に加え、前記エンジン本体については、４ストロークサイクルレシプロエンジンを適用していることを特徴として成るものである。
【００２３】
また請求項１５記載のエンジン発電機は、前記請求項１、２、３、４、５、６、７、８、９、１０、１１、１２、１３、または１４記載の要件に加え、前記発電機本体は、インバータ制御の発電機であることを特徴として成るものである。
【００２４】
また請求項１６記載のエンジン発電機の制御方法は、内燃機関を適用したエンジン本体と、このエンジン本体により駆動される発電機本体とを具えたエンジン発電機を制御する方法であって、
前記エンジン本体は、水素を燃料とするものであり、燃料供給経路における燃料ストレージと、エンジン本体の燃料室との間には、発電機負荷に応じて水素供給量を調整する比例制御弁を設け、発電機負荷の変動にかかわらず定電圧出力を維持するようにしたことを特徴として成るものである。
【００２５】
また請求項１７記載のエンジン発電機の制御方法は、前記請求項１６記載の要件に加え、
前記水素供給量を調整する比例制御弁は比例電磁弁であり、この比例電磁弁を制御する信号値は、発電機負荷と、この負荷を補償し、所定電圧を維持するためのエンジン出力を得るための必要な水素供給量とをＰＩ制御により割り出した値であることを特徴として成るものである。
【００２６】
また請求項１８記載のエンジン発電機の制御方法は、前記請求項１７記載の要件に加え、
前記ＰＩ制御に係わる伝達関数は、
【００２７】
【数９】
2020033992.tif 000011
【００２８】
であることを特徴として成るものである。
【００２９】
また請求項１９記載のエンジン発電機の制御方法は、前記請求項１８記載の要件に加え、
前記ＰＩ制御に係わる差分方程式は、
【００３０】
【数１０】
2020033992.tif 000012
【００３１】
であることを特徴として成るものである。
【００３２】
また請求項２０記載のエンジン発電機の制御方法は、前記請求項１６記載の要件に加え、前記水素供給量を調整する比例制御弁は比例電磁弁であり、この比例電磁弁を制御する信号値は、ＰＩ制御を用いたメジャーループよって、発電機の出力電圧から割り出した発電機負荷と、この負荷を補償し、所定電圧を維持するためのエンジン出力を得るための必要な水素供給量とを決定するに当たっての比例制御弁を制御する信号値と、ＰＩ制御を用いたマイナーループよって、メジャーループが決定した水素供給量に調整するための比例電磁弁の前記信号値を、比例電磁弁後方に配された水素流量計で読み取った値からメジャーループの制御演算結果で得られた水素供給量と偏差を考慮して修正するカスケード制御によって割り出された信号値により決定されることを特徴として成るものである。
【００３３】
また請求項２１記載のエンジン発電機の制御方法は、前記請求項２０記載の要件に加え、前記カスケード制御を構成するメジャーループにおけるＰＩ制御による伝達関数は、
【数１１】
2020033992.tif 000013
であることを特徴として成るものである。
【００３４】
また請求項２２記載のエンジン発電機の制御方法は、前記請求項２１記載の要件に加え、前記カスケード制御を構成するメジャーループに係わる差分方程式は、
【数１２】
2020033992.tif 000014
であることを特徴として成るものである。
【００３５】
また請求項２３記載のエンジン発電機の制御方法は、前記請求項２０記載の要件に加え、前記カスケード制御を構成するマイナーループにおけるＰＩ制御による伝達関数は、
【数１３】
2020033992.tif 000015
であることを特徴として成るものである。
【００３６】
また請求項２４記載のエンジン発電機の制御方法は、前記請求項２３記載の要件に加え、前記カスケード制御を構成するマイナーループに係わる差分方程式は、
【数１４】
2020033992.tif 000016
であることを特徴として成るものである。
【００３７】
また請求項２５記載のエンジン発電機の制御方法は、前記請求項１６記載の要件に加え  前記水素供給量を調整する比例制御弁は比例電磁弁であり、この比例電磁弁を制御する信号値は、
発電機負荷を補償し、発電機出力電圧の目標値に維持するための電圧値を解として、その解を得るために発電機の出力電圧の直前の値にから解を求める山登り法に見つけ出された電圧値の解に基づいた水素供給量を得られる値であることを特徴として成るものである。
【００３８】
また請求項２６記載のエンジン発電機の制御方法は、前記請求項２５記載の要件に加え、前記山登り法による制御式は、
【数１５】
2020033992.tif 000017
であることを特徴として成るものである。
【００３９】
また請求項２７記載のエンジン発電機の制御方法は、前記請求項２６記載の要件に加え、前記山登り法による制御における評価関数のｍ次における一般式は、
【数１６】
2020033992.tif 000018
であることを特徴として成るものである。
【００４０】
また請求項２８記載のエンジン発電機の制御方法は、前記請求項２７記載の要件に加え、前記山登り法による制御に係わる評価関数は、ｍ＝２であることを特徴として成るものである。
【発明の効果】
【００４１】
本発明によれば、水素を燃料としたエンジン発電機において、発電機の発電機負荷に応じて常に適切な水素供給量を設定でき、所定電圧を維持できるようにエンジンの作動状態をコントロールすることができる。
また水素ボンベの供給路上に設けられた比例制御弁たる比例電磁弁が持つヒステリシス特性、応答時間が制御演算結果に及ぼす影響を考慮してカスケード制御を採用することで、比例制御弁の特性の変化を素早く検知し、応答性が改善することが可能となった。
更にまた発電機本体の出力電圧値のみに基づいて、山登り法による最適な水素供給量を実現する比例制御弁電圧を割り出す制御方法を用いることで、流量計を用いることなく、発電負荷の変動にも迅速に対応して所定の電圧を維持することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１】本発明のエンジン発電機とその関連部材の接続図。
【図２】エンジン発電機における負荷と水素供給量の関係を示すグラフ。
【図３】本発明におけるＰＩ制御を行って負数変動における出力安定状態を示すグラフである。
【図４】本発明の実施例２のカスケード制御を示したブロック図。
【図５】本発明の実施例２のエンジン発電機とその関連部材の接続図。
【図６】本発明の実施例２のにおけるＰＩ制御を行って負数変動における出力安定状態を示すグラフである。
【図７】本発明の実施例３の山登り法の概念図。
【図８】本発明の実施例３の山登り法のフローチャート。
【図９】本発明の実施例３の山登り法に基づく評価関数の概念図。
【図１０】本発明の実施例３の山登り法に基づく評価関数（１）の検証結果のグラフ。
【図１１】本発明の実施例３の山登り法に基づく評価関数（２）の検証結果のグラフ。
【図１２】本発明の実施例３の山登り法に基づく評価関数（３）の検証結果のグラフ。
【図１３】本発明の実施例３の山登り法に基づく各評価関数の評価値と水素供給量との関係を示したグラフ。
【発明を実施するための形態】
【実施例１】
【００４３】
本発明を実施するための形態は、以下の実施例に示すものを一つの最良の形態とするものであるが、この技術思想の下に改変した形態をも含むものである。
まず本発明のエンジン発電機Ｇの全体構成について説明する。このものは図１に示すように駆動源となるエンジン本体１と、発電を直接担う発電機本体２と、電力負荷等を検出して制御するための出力を出力電圧検出系回路３と、この出力電圧検出系回路３からのアナログ信号をデジタル化した上で所定の水素量制御のためのアナログ出力信号を出す制御系装置４と、前記エンジン本体１へ水素燃料を供給する燃料供給系装置５を具える。
【００４４】
以下更にこれら各構成毎に詳述する。まずエンジン本体は、一例として４サイクルＯＨＶエンジンの内燃機関を実機として用いているものであって、説明の便のため、クランク機構１１、ピストン１２、燃焼室１３と、吸気管１４と符号を付す。エンジン仕様としては排気量５７．３ｃｃであり、研究開発段階では、すでに市販されている本田技研工業株式会社製「ｅｎｅｐｏ（登録商標）  ＥＧ９ｉＧＢ」のエンジン発電機を利用した。
もちろんエンジン本体は、このような４サイクルエンジンに限らず内燃機関である２サイクルエンジン、ロータリーエンジンが適用できる。
【００４５】
次に発電機本体２について説明する。発電機本体２は、正弦波インバータ発電機であり、ＡＣ１００Ｖ９００Ｗの出力を定格とする。このものも前記本田技研工業株式会社製「ｅｎｅｐｏ（登録商標）  ＥＧ９ｉＧＢ」搭載のものを利用した。
【００４６】
次に出力電圧検出系回路３について説明する。
このものは、発電機本体２からの交流出力経路に対し、まず負荷を設けた負荷回路３１を具える。具体的にはスイッチ３１ａと、適宜の可変抵抗３１ｂである。更にこの可変抵抗により消費される電力を変圧器３２で取り出すとともに、絶対値回路３３、ローパスフィルタ３４を介して制御系装置４にアナログデータで出力する。
なおスイッチ３１ａは必ずしも必要とするものではなく、また可変抵抗器３１ｂは、実際には、照明を始めとする各種電化製品に相当する。
【００４７】
次に、制御系装置４について説明する。このものは後述する制御演算プログラムを内蔵したマイクロコンピュータ４１を主要部材とするものであって、このマイクロコンピュータ４１の入力側は入力値を二値化するＡ／Ｄ変換入力ポート４１ａであり、一方出力側は、マイクロコンピュータ４１の演算結果をアナログ値として出力するＤ／Ａ変換出力ポート４１ｂである。
【００４８】
このマイクロコンピュータ４１は、ＰＩ制御（比例・積分制御／Proportional・Integral制御）を実行するものであって、水素を燃料としたエンジン発電機の出力電圧が負荷変動にかかわらず、定格１００Ｖの一定電圧を維持するための制御を行うものである。なお本実施例においては、この１００Ｖが発電機本体出力電圧の指定値Vrefとなる。
【００４９】
ここでＰＩ制御の差分方程式について説明する。
ＰＩ制御をプログラムに組み込むためには伝達関数を差分方程式として表す必要がある。そのために、ＰＩ制御の伝達関数を周波数領域から離散領域に変換するｓ−ｚ変換を行う。以下に導出過程を示す。ＰＩ制御の伝達関数はエンジン出力電圧の検出値Ｖ、比例制御弁電圧ｖ、発電機本体出力電圧偏差Ｖerr（＝Ｖref−Ｖ）とすると、
【００５０】
【数１７】
2020033992.tif 000019
【００５１】
と表すことができる。ここで、ｓ−ｚ変換公式の例を式(２)に示す。なおこの他にも双一次変換等、他の公式も使用可能である。
【００５２】
【数１８】
2020033992.tif 000020
【００５３】
計算を容易に行うために、式(１)の両辺に周波数領域sと制御周期Ｔ(本実施例では制御周期を１００ｍｓｅｃとした。)を乗算し、ｓ−ｚ変換を行うと以下のようになる。
【００５４】
【数１９】
2020033992.tif 000021
【００５５】
最後に、式(４)、(５)を式(３)に代入すると式(６)のように差分方程式としてＰＩ制御を表すことができる。
【００５６】
【数２０】
2020033992.tif 000022
【００５７】
【数２１】
2020033992.tif 000023
【００５８】
【数２２】
2020033992.tif 000024
【００５９】
ここで、Ｖ[ｎ−１]は、Ｖ[ｎ]の一つ前のサンプル値を表しており、またｖ[ｎ−１]は、ｖ[ｎ]の一つ前の比例弁制御電圧の値を表している。以上より、ＰＩ制御演算における差分方程式の導出ができた。
【００６０】
次にＰＩ制御をするために必要となる比例ゲインＫpおよび積分ゲインＫiの設定方法について説明する。ＰＩ制御を実現するには最適なゲインを決定する必要がある。ゲインを決定する目安として限界感度法を用いた。限界感度法とは、まずＰ制御のみ動作させ、持続振動するゲインＫUと振動周期ＴUを測定する。その測定結果から、ゲインの目安として比例ゲインＫp＝0.45ＫU、積分ゲインＫi＝0.83ＴUを導出し、実験により最終的なゲインの調整を行う。本試行では、限界感度法を活用してＫp＝0.4，Ｋi＝3.2に決定した。なおこのようなゲインの設定方法は、一例として説明したものであってこの方法に限られるものではなく、他の公知手法を用いて各ゲインを導き出き決定することはもとより差し支えない。
【００６１】
このような演算の結果は、デジタルデータとして得られるが、前述したＤ／Ａ変換出力ポート４１ｂからアナログ信号として出力され、燃料供給系装置５に対する制御信号源となる。実際には、そのための充分な駆動電圧が得られるよう増幅回路４２が制御系回路４の出力側に設けられる。
【００６２】
次に燃料供給系装置５について説明する。すでに述べたように本発明は燃料として水素燃料を適用したことが大きな特徴である。符号５１は燃料ストレージの一例である水素ボンベであり、この水素ボンベ５１は、一例として水素を１００ｋｐａの圧力（ゲージ圧）で充填している。なお燃料ストレージと定義したのは、水素ボンベ５１に気体状態の水素を充填したものを適用するほか、すでに本出願人らが提案している水素化ホウ素ナトリウム水溶液とクエン酸とを混合させて水素を発生させる手法（特願２０１７−８９３９９）により水素を得てもよいからである。
【００６３】
なお詳細な説明は省略するが、水素ボンベ５１には常法に従いレギュレータ等の定圧供給装置等を具える。この水素ボンベ５１からの水素は圧力計５２を経て、比例制御弁たる比例電磁弁５３に送られる。この比例電磁弁５３は、一般の電磁弁がＯＮ／ＯＦＦ切り換えであるのに対し、入力電圧の相違に応じて弁開度を変えることができるものであり、この比例電磁弁５３は前記制御系装置４における増幅回路４２からの出力信号に応じた弁開度を呈する。
更にこの実施例では比例電磁弁５３の作動結果を検知できるように流量計５４を具える。水素ガスの燃料管５０は前述の各装置を結んで最終的にはエンジン本体１における吸気管１４に合流する燃料ノズル５５に接続される。なお実施例１においては、前記圧力計５２、流量計５４は、必ずしも必要とされるものではないが、後述する実施例２においては、流量計５４を用いて、より精度の高い制御を行う。
【００６４】
本発明に係るエンジン発電機Ｇの構成形態は以上述べたとおりであって、以下次のような制御を受けて作動する。
＜検証による発電出力特性の考察＞
ます作動状態の説明に先立ち、事前検証による水素燃料としたときの発電出力特性等に関する考察を説明する。
【００６５】
図２に、エンジンの負荷抵抗値をＲL＝２５．０Ω，２８．６Ω，３３．３Ω，４０．０Ωとした場合の水素供給量に対する水素エンジン出力電圧特性を示す。本検証での負荷には、ＹＡＭＡＢＩＳＨＩ製ＲＺ−１００−１Ａを使用した。図２より、水素供給量が８Ｌ／ｍｉｎの場合、実験対象とした全ての負荷において出力電圧が１００Ｖに達しない。水素供給量を１０Ｌ／ｍｉｎに増加させると、負荷に対する抵抗がＲL＝３３．３Ω，４０．０Ωにおいて出力電圧１００Ｖを得ることができているが、ＲL＝２５．０Ω，２８．６Ωでは、出力電圧が１００Ｖ以下である。さらに水素供給量を増加させ１２Ｌ／ｍｉｎとすると、実験対象とした全ての負荷において１００Ｖの出力がされることがわかる。また、発電機「ｅｎｅｐｏ（登録商標）」は、水素供給量が不足して出力電圧が１００Ｖに達しないと、場合によっては緊急停止してしまうことがわかっているため、それぞれの負荷の量に適した水素を供給する必要があることがわかる。
次に、出力電圧が一定となる範囲での水素供給量について考察する。負荷に対する抵抗ＲL＝４０．０Ωを例に挙げると、エンジンへ供される水素供給量１０Ｌ／ｍｉｎから１４Ｌ／ｍｉｎの範囲では、エンジン出力電圧は約１０５Ｖから変化しないことがわかる。したがって、約１０５Ｖの出力電圧では、必要以上に供給された水素は無駄になってしまうことがわかる。
【００６６】
このため、以下余剰分水素に対する考察を行った。
エンジン内に供給された余剰分の水素は、エンジンの回転数ないしは排気ガス中に排気されている可能性が考えられる。エンジンの回転数に関しては、実験中の音の変化により確認された。排気ガスに関しては、余剰に供給された水素が、エンジン内で完全に燃焼されないまま排気ガスとして排気されている可能性が考えられる。
この考察により、水素エンジン発電機として利用した「ｅｎｅｐｏ（登録商標）  ＥＧ９ｉＧＢ」は、必要以上に供給された水素は無駄になってしまう特性があることがわかった。したがって、水素エンジン発電機の出力電圧に対して水素供給量を調節し、常に１００Ｖを安定して出力するシステムの実現が必要であると考えられる。そこで本実施例１では、水素供給量に対する水素エンジン発電機の出力電圧制御システムを提案し、水素エンジン発電機の出力電圧を１００Ｖ一定とするためのＰＩ制御を構築した。
【００６７】
＜エンジン起動＞
常法に従い、燃料供給経路５のＯＮ状態を確認した後、発電機負荷は非接続の状態で、いわゆるプルスタータにより、クランク機構１１に回転を与えて起動する。
【００６８】
＜負荷を変動させての作動状態＞
エンジン起動後、負荷回路３１における可変抵抗３１ｂを順次切り換え、発電機本体２の出力電圧と、水素供給量との関係を確認した。
即ち可変抵抗３１ｂによる電圧低下の状態は、変圧器３２と、絶対値回路３３、ローパスフィルタ３４を経て、制御系装置４への入力値の変動として表われる。
【００６９】
そして制御系装置４におけるマイクロコンピュータ４１内では、すでに述べたＰＩ制御に係る差分方程式、並びに設定した比例ゲインＫp＝０．４、積分ゲインＫi＝３．２として割り出された制御信号を出力し、その出力に応じて比例電磁弁５３が比例開閉する。
結果としては図３に示すように発電出力の変動に応じて水素供給量は、１００ｍ／ｓｅｃ単位で即応的に理想値に収束し、瞬間的な変動の他はほぼ１００Ｖを維持していることが確認された。
具体的に言えば、発電機本体２に４０Ωの負荷を与えた約３０秒間では水素供給量が約９Ｌ／ｍｉｎであり、続いて３３．３Ωの負荷に変わったときには水素供給量が約１０Ｌ／ｍｉｎであり、いずれの場合も１００Ｖの出力電圧を維持している。
【実施例２】
【００７０】
次に上述した実施例１のＰＩ制御の精度を高めたカスケード制御について説明する。
まずこの図４のブロック図が示すようようなカスケード制御を採るものである。
上述したようにＰＩ制御を利用して負荷変動に対し発電機出力電圧を１００Ｖに制御する方法を提案したが、水素ボンベ５１の供給路上に設けられた比例制御弁たる比例電磁弁５３が持つヒステリシス特性、応答時間が制御演算結果に及ぼす影響をこれまでは考慮していなかったため、水素エンジン発電機に供給される水素供給量が必ずしも適切ではない場合があり、それが応答性を悪化させる原因の一つになっていた。そこで本実施例では、カスケード制御を採用することで、比例制御弁の特性の変化を素早く検知し、応答性が改善することが可能となった。
【００７１】
以下、カスケード制御について具体的に説明する。
カスケード制御では、図５に示すように水素ボンベ５１からエンジン本体１へ繋がる供給路上の比例電磁弁５３の後方に配された流量計５４から得られた実際の水素供給量Ｈ（Ｌ／ｍｉｎ）の値を制御系装置４のＡ／Ｄ変換入力ポート４１ａに入力して実際の水素供給量を考慮した比例電磁弁５３の比例制御弁電圧ｖを割り出して精度の高い制御を行うものである。
カスケード制御の概要は、図４に示すように請求項２乃至４に記載されたＰＩ制御であるメジャーループでは、制御の主目的を対象とするため、マイコンの入力を改造エネポの発電機出力電圧と指令値である１００Ｖの偏差Ｖerr、出力を発電機出力電圧を指令値である１００Ｖに制御するために適切な水素供給量Ｈとする。
したがって、メジャーループにおけるＰＩ制御による伝達関数は式（７）で示される。
【００７２】
【数２３】
2020033992.tif 000025
【００７３】
ただし、Ｈ(s)は水素供給量[L/min]、Ｖerr(s)は目標値１００Ｖと発電機出力電圧の偏差[V]、Ｋpvはメジャーループにおける比例ゲイン、Ｋivはメジャーループにおける積分ゲインである。本実施例２の装置におけるＰＩゲインは、限界感度法を用いて試行錯誤的に導出した。最終的なメジャーループにおけるＰＩゲインは、Ｋpv＝０．４、Ｋiv＝３．２に決定した。
ここで，周波数領域から離散領域に変換するｓ−ｚ変換公式を(2)に示す。
【００７４】
【数２４】
2020033992.tif 000026
【００７５】
ただし、Ｔは制御周期[sec]である。
式(７)に(８)を代入することで、(９)のように変形することができる。
【００７６】
【数２５】
2020033992.tif 000027
【００７７】
式（９）をプログラム内に組み込むために、式（１０）から式（１３）を代入する。
【００７８】
【数２６】
2020033992.tif 000028
【００７９】
【数２７】
2020033992.tif 000029
【００８０】
【数２８】
2020033992.tif 000030
【００８１】
【数２９】
2020033992.tif 000031
【００８２】
ただし，Ｈ[n]は現サンプリング点における水素供給量，Ｈ[n−1]は一制御周期前のサンプリング点における水素供給量、Ｖerr[n]は現サンプリング点における発電機出力電圧偏差[Ｖ]、Ｖerr[n−1]は一制御周期前のサンプリング点での値を用いて計算した発電機出力電圧偏差[V]である。
式(７)をプログラムに組み込むためにｓ−ｚ変換公式を用いて差分方程式に変換すると式(１４)が得られる。
【００８３】
【数３０】
2020033992.tif 000032
【００８４】
カスケード制御におけるマイナーループでは、比例制御弁による特性の変化を抑制するために、マイコンに水素流量計で読み取った値を入力し、メジャーループの制御演算結果で得られた水素供給量と偏差を取り、これをコントローラの入力とし、出力を比例制御弁駆動電圧とする。
マイナーループにおけるＰＩ制御による伝達関数は(１５)で示される。
【００８５】
【数３１】
2020033992.tif 000033
【００８６】
ただし、v(s)は、サンプリング毎における比例制御弁駆動電圧[Ｖ]、Ｈerr(s)は水素供給量偏差[L/min],Ｋphはマイナーループにおける比例ゲイン、Ｋihはマイナーループにおける積分ゲインである。本実施例２の装置におけるＰＩゲインは、限界感度法を用いて試行錯誤的に導出した。最終的なメジャーループにおけるＰＩゲインは、Ｋph＝４．５、Ｋih＝３．６に決定した。
ここで，周波数領域から離散領域に変換するｓ−ｚ変換公式を(１６)に示す。
【００８７】
【数３２】
2020033992.tif 000034
【００８８】
ただし、Ｔは制御周期[sec]である。
式(１５)に式(１６)を代入することで、式(１７)のように変形することができる。
【００８９】
【数３３】
2020033992.tif 000035
【００９０】
メジャーループと同様に、式(１５)をプログラムに組み込むためにｓ−ｚ変換公式を用いて差分方程式に変換すると式(１８)が得られる。
【００９１】
【数３４】
2020033992.tif 000036
【００９２】
ただしｖ[n]は、現サンプリング点における比例制御弁駆動電圧[V]、ｖ[n−1]は一制御周期のサンプリング点における比例制御弁駆動電圧[V]，Ｈerr[n]は現サンプリング点における水素供給量偏差[L/min]、Ｈerr[n−1]は一制御周期前のサンプリング点での値を用いて計算した水素供給量偏差[L/min]である。
以上に示した差分方程式をマイコンに実装することで水素エンジン発電機の出力電圧制御システムにカスケード制御を適用することができる。
【００９３】
実施例２のカスケード制御を用いた水素エンジン発電機の性能を検証するために、負荷に対する抵抗値を４０．０Ω→３３．３Ω→２８．６Ω→２５．０Ω→２８．６Ω→３３．３Ω→４０．０Ωの順に変化させた場合に、発電機出力電圧を100Vに制御することができるか調べるために実験を行った。図６に、構築したカスケード制御による有効性検証結果を示す。図６より、６回の負荷変動に対し適切に水素供給量を調整することで発電機出力電圧を指令値である１００Ｖに制御することができていることが確認できる。また、電圧変動範囲に着目すると９５Ｖ〜１０５Ｖの範囲に収まっているため、電気事業法の第２６条で定められている９５Ｖ〜１０７Ｖの変動範囲に収まっていることがわかる。さらに、負荷変動時に指令値である１００Ｖに収束するまで応答時間について着目すると、カスケード制御の場合平均して約３．９秒かかっていることがわかる。一方で、従来法であるＰＩ制御の場合応答時間は平均して約４．３秒であったことから、カスケード制御を適用することで応答時間を約０．４秒、約１０％の短縮することができた。
以上の結果より、カスケード制御を用いることで負荷変動に対して、より高速に出力電圧を制御できることが示された。
【実施例３】
【００９４】
《本実施例３の解決する課題と目的》
上述した実施例１で示したＰＩ制御により水素供給量を割り出した制御を、更に精度の向上を目的として、流量計から得られた数値に基づいてカスケード制御を提案した。これにより、特に定常状態から変動した場合の回復までに要する時間を短縮することが可能となった。
しかしながら実施例２においては、精度の高いＰＩ制御を行うために比例制御弁５３の下流側において水素供給量を正確に計測する流量計５４を配する必要があることから、装置に構成が増えることから製造コストの上昇や、故障発生の可能性も高まるといった不利益を伴うものである。
そこで本実施例３では、この流量計５４を用いなくとも実施例２のような精度の高めた制御が可能な制御方法を案出することを課題とした。
【００９５】
このような背景の中、試行錯誤を繰り返した結果、太陽光発電のパワーコンディショナーなどに用いられている制御の手法である「山登り法（Hill Climbing Method）」を適用した制御方法を案出した。この山登り法は、太陽光発電などの分野では一般的な手法として用いられているが、本願発明の内燃機関などの制御については必ずしも一般的に用いられる手法とは言えない。以下、この山登り法を適用した制御方法について概説するとともに、その山登り法に用いた種々の評価関数とその検証結果についても言及する。
【００９６】
まず本実施例３のエンジン発電機Ｇを構成する機材は、原則として図１に示した実施例１で述べたものと同じであり、その違いはマイクロコンピュータ４１内に記録されている制御アルゴリズムを含むプログラムの内容が相違する点である。言うまでもないが、本実施例３のエンジン発電機Ｇにおいては、圧力計５２や、比例電磁弁（比例制御弁）５３の下流側に位置する流量計５４は、必ずしも必要な構成する機材ではない。
【００９７】
《山登り法の概要》
図７に山登り法の概念図と、図８に山登り法のフローチャートを示す。
山登り法とは、評価関数の最大値を探索するアルゴリズムであり、太陽光発電の最大電力点を求めるために使用されるアルゴリズムとしては有名な方法である。
本願発明のシステムにおいては、比例制御弁駆動電圧を求めるための山登り法の基本式は、以下の式（１９）と式（２０）で示すことができる。
【００９８】
【数３５】
2020033992.tif 000037
【００９９】
【数３６】
2020033992.tif 000038
【０１００】
ただし、Ｖ′［ｎ−１］ [Ｖ] は［ｎ−１］番目の制御周期においてマイコン内に入力された発電機出力電圧、Ｖ′［ｎ］ [Ｖ] はｎ番目の制御周期においてマイコン内に入力された発電機出力電圧、ｖ［ｎ−１］[Ｖ] は［ｎ−１］番目の制御周期の演算で決定された比例制御弁駆動電圧、ｖ［ｎ］ [Ｖ] はｎ番目の制御周期の演算で決定された比例制御弁駆動電圧、ｖ［ｎ＋１］ [Ｖ] は［ｎ＋１］番目の制御周期で出力する比例制御弁駆動電圧、ｋ2は山登り法における比例定数である。
また式(１９)の第二項は差分を表しているため、式(２０) のようにｄｖと表記する。
【０１０１】
ここで本実施例３で実現した発電機本体出力電圧Ｖの値から水素供給量に調整する比例電磁弁制御電圧ｖの最適な値を決定する山登り法を用いて制御方法を簡単に説明する。
本実施例３で用いた山登り法の演算では、まず初めに［ｎ−１］番目の制御周期における発電機出力電圧Ｖ′［ｎ−１］ [Ｖ] と比例制御弁駆動電圧ｖ［ｎ−１］[Ｖ]、ｎ番目の制御周期における発電機出力電圧Ｖ′［ｎ］ [Ｖ] と比例制御弁駆動電圧ｖ［ｎ］ [Ｖ]の四つの値を用いて傾きを求める。この演算は、式(１９) の第二項で表記され、図８ のフローチャートでは矢印１が指示する部分にあたる。
次に、ｎ番目の制御周期における発電機出力電圧が指令値より小さい場合、水素流量を増加させる必要があるため、［ｎ＋１］番目の制御周期において傾きの変化量に比例した値だけ増大するように比例制御弁駆動電圧ｖ［ｎ＋１］［Ｖ］を出力する。反対に、ｎ番目の制御周期における発電機出力電圧が指令値より大きい場合、水素流量を減少させる必要があるため、［ｎ＋１］番目の制御周期において傾きの変化量に比例した値だけ減少するように比例制御弁駆動電圧ｖ［ｎ＋１］［Ｖ］を出力する。しかし、負荷変動時に式（２０）の第二項の符号が反転し適切に比例制御弁駆動電圧を増加ないし減少させることができない可能性があるため、図８のフローチャートの矢印２によって指し示される場合分けを行うことで適切な比例制御弁駆動電圧を出力する。
ｋ2は負荷変動時にオーバーシュートやアンダーシュートが発生しない値を試行錯誤的に導出し、０．００４と設定した。また、局所最適解に陥った場合、比例制御弁駆動電圧を０．０１Ｖ増加ないし減少することで、局所最適解から脱出するように設定した。
【０１０２】
山登り法を導入する最大の利点として、指令値に対して急峻な応答ができることが挙げられる。従来法のＰＩ制御の場合、指令値と動作点の偏差から次の制御周期における動作点を決定するため、動作点が指令値に近づくほど変化量が小さくなる。
一方で山登り法は、一制御周期前の動作点と現制御周期の動作点の差から次の制御周期における動作点を決定するため、動作点が指令値付近に到達した場合においても大きい変化量を得ることができる。そのため、山登り法を用いることで指令値付近で変化量が減衰することなく、高速な応答性を期待できることが考えられる。
したがって、本願発明のエンジン発電機の制御方法として山登り法を導入した。
本願の出力電圧制御システムでは、指令値を１００Ｖとするため、１００Ｖを最大値とする評価関数に山登り法を適用する必要がある。
【０１０３】
《本願の水素エンジン発電機の特性を考慮した評価関数の選定》
提案する発電機の出力電圧制御システムに対応する評価関数とは、水素エンジン発電機の水素流量に対する発電機出力電圧特性を考慮したものであり、図２に示す改造を加えたガスカセットボンベ式のエネポ（登録商標）（以下、改造済エネポ（登録商標）と記す。）の水素流量に対する発電機出力電圧特性のことを指す。
しかし、改造済エネポ（登録商標）の特性は水素流量が増加するとともに発電機出力電圧も１０５Ｖまで単調増加し、インバータによって出力電圧が制限されているため１０５Ｖで一定の値を示す。そのため、図２に示す改造済エネポ（登録商標）の評価関数では指令値である１００Ｖを最大値とした評価関数を得ることができていないことが確認できる。
以上より、山登り法を提案システムに適用するにあたって、改造済エネポ（登録商標）の評価関数の特性を考慮した指令値１００Ｖを最大値とした評価関数を作成する必要があると考えた。そこで改造済エネポ（登録商標）の特性を変化させるために作成した指令値１００Ｖを最大値とした評価関数とその関数を用いた実機検証結果を示す。
【０１０４】
図４に改造済エネポ（登録商標）の特性を考慮して導入した評価関数の概念図を示す。図９で示すような評価関数を作成するにあたって、大きく分けて二つの要請に着目した。
［要請事項１：１００Ｖ以下として取り扱って計算を行うこと］
まず１つ目の要請としては、マイコン内で１００Ｖ以上の発電機出力電圧を１００Ｖ以下とみなすことである。
この操作を行う理由として、１００Ｖ以上の発電機出力電圧は１００Ｖ以下と計算を行わない限り、指令値１００Ｖを最大値とした評価関数を得ることができないことが挙げられる。
この要請を満たすためには、２００Ｖとその時の発電機出力電圧の差の計算を行うことで１００Ｖ以上の発電機出力電圧を１００Ｖ以下とみなして取り扱うことで解消できると考えた。具体的な例を挙げると、発電機出力電圧が１０５Ｖである場合、２００Ｖ−１０５Ｖ＝９５Ｖと計算を行うことで、１００Ｖ以上の発電機出力電圧があたかも１００Ｖ以下であるようにみなすことができると考えられる。
［要請事項２：プログラムの仕様に基づく低次数の関数であること］
次に２つ目の要請としては、次数の低い評価関数を導入することである。本実施例３では、マイコンの制御プログラムを作成する際に、高速で演算を行うことを目的に、変数の定義はｆｌｏａｔ型ではなく、可能な限りｉｎｔ型やｌｏｎｇ型を利用し、さらに、固定小数点を用いることに留意してプログラム作成を行っている。そのため、次数の高い評価関数を導入した場合、オーバーフローが発生し正確に演算が行われない可能性ががある。したがって、できる限り次数の低い評価関数を導入する必要がある。
以上で示した技術的な要請に基づいて、まず初めに図９によって表される３つの評価関数（１）〜（３）の作成を行い、以下で述べるようにそれぞれ評価関数の検証実験を行い、その結果について総合的な評価を行った。
【０１０５】
〈ｉ−１：評価関数（１）の概要〉
まず図９の二点鎖線によって表される概形の評価関数の作成を行い、式（２１）で表される評価関数を導入した。
【０１０６】
【数３７】
2020033992.tif 000039
【０１０７】
ただし、Ｖrefは指令値（本実施例では、１００Ｖ）である発電機出力電圧［Ｖ］、Ｖ［ｎ］は現制御周期で入力された発電機出力電圧［Ｖ］である。以後、式（２１）の評価関数（１）を「一次関数を模擬した評価関数」と指称する。
【０１０８】
〈ｉ−２：評価関数（１）による山登り法の検証実験における評価〉
図１０に、一次関数を模擬した評価関数による山登り法の有効性検証結果を示す。図１０より、オーバーシュートやアンダーシュートが発生しているが、６回の負荷変動に対し適切に水素流量を調整することで、発電機出力電圧を指令値である約１００Ｖに制御できていることが確認できる。
しかし、３６０〜４２０ｓｅｃにおいて、発電機出力電圧が明らかに安定していないことがわかる。
有効性の検証結果（図１０）から「２８．６Ω→３３．３Ω（３００秒〜３６０秒）」と、「３３．３Ω→４０．０Ω（３６０秒〜４２０秒）」とに着目した一次関数を模擬した評価関数（１）の値のグラフを図１３（ｉ）に示す。このグラフからも、２８．６Ω→３３．３Ωの評価関数（１）の値がピーク値付近で急峻であることが確認できる。また、３３．３Ω→４０．０Ωの評価関数（１）に着目すると、評価関数の最大値が指令値１００Ｖを示しているが、その値が１００Ｖ一点に定まっていないことが確認できる。
これらの原因として、抵抗値が３３．３Ω→４０．０Ωに切り替わった際の有効性検証結果を確認すると、３６０〜４２０ｓｅｃ間において振動が多く発生している。これは、評価関数の値が最大値付近で急峻になっており、最大値に動作点が定まらず、水素流量に対する発電機出力電圧に大きな誤差が生じたことが考えられる。そのため、一次関数を模擬した評価関数による山登り法では指令値１００Ｖに収束することが難しいことが考えられる。
【０１０９】
〈ii−１：評価関数（２）の概要〉
次に図９の一点鎖線によって示される式（２２）とする評価関数（２）を導入した。
上述の一次関数を模擬した評価関数（１）では、最大値付近の変化が急峻になり、指令値に収束することが困難であることがわかった。そこで、式（２２）の第二項に重みをつけるように比例制御弁駆動電圧ｖをを乗算することで、図４の一点鎖線が示す最大値の急峻な変化を抑制できると考えた。以下に、その評価関数（２）を示す。
【０１１０】
【数３８】
2020033992.tif 000040
【０１１１】
ただし、ｋ11は一次関数を模擬した評価関数における比例定数である。またＶrefは指令値（本実施例では、１００Ｖ）である発電機出力電圧［Ｖ］、Ｖ［ｎ］は現制御周期で入力された発電機出力電圧［Ｖ］である。以後、式（２２）の評価関数（２）を「改良した一次関数を模擬した評価関数」と指称する。なおｋ11の比例定数は、実験から、ｋ11＝０．０１と定めた。
【０１１２】
〈ii−２：評価関数（２）による山登り法の検証実験における評価〉
図１１に、改良した一次関数を模擬した評価関数による山登り法の有効性検証結果を示す。
評関数（１）について表した図１０に比べてオーバーシュートやアンダーシュートが多く発生しているが、６回の負荷変動に対し適切に水素供給量を調整することで、発電機出力電圧Ｖを指令値Ｖrefである約１００Ｖに収束するように制御できていることが確認できる。
評価関数（１）で示した実験結果より出力電圧の安定性が向上していることがわかる。
また上述したグラフ同様の図１３（ii）に示されるように、前述した図１３（ｉ）と比較して、いずれの負荷変動後においても動作点が最大値１００Ｖに留まっていることが確認できる。一方で負荷変動時にオーバーシュートやアンダーシュートが発生しているため、最大値付近の変化が急峻であることが考えられる。
また応答時間に着目してみると、評価関数（２）を用いた場合の応答時間は、４．２８ｓｅｃであり、実施例１に示したＰＩ制御の場合における応答時間４．３１ｓｅｃとほぼ同等の応答性を得られたことが判る。
【０１１３】
〈iii−１：評価関数（３）による山登り法〉
次に図９の点線によって示される式（２３）とする評価関数（３）を導入した。
評価関数（１）、（２）で示した一次関数を模擬した評価関数は、最大値付近の急峻な変化によって、オーバーシュートやアンダーシュートが発生したことが考えられるため、最大値付近の傾きが緩やかになるような評価関数を作成する必要がある。
このような要請から、評価関数（１）の第二項を二乗の形にすることで、最大値付近での変化が急峻でなくなり、図９の点線が示すように最大値付近で傾きが０となる範囲が広がり、指令値１００Ｖに収束することが容易できるとして以下の評価関数（３）を決定した。
【０１１４】
【数３９】
2020033992.tif 000041
【０１１５】
ただし、ｋ12は二次関数を模擬した評価関数における比例定数である。またＶrefは指令値（本実施例では、１００Ｖ）である発電機出力電圧［Ｖ］、Ｖ［ｎ］は現制御周期で入力された発電機出力電圧［Ｖ］である。以後、式（２３）の評価関数（３）を「二次関数を模擬した評価関数」と指称する。なおｋ12の比例定数は、実験から、ｋ12＝０．３と定めた。
【０１１６】
〈iii−２：評価関数（３）による山登り法の検証実験における評価〉
図１２に二次関数を模擬した評価関数による山登り法の有効性検証結果を示す。図１２より６回の負荷変動に対し適切に水素流量を調整することで、発電機出力電圧を指令値である約１００Ｖに制御できていることが確認できる。
また上述したものと同様に図１３（iii）より、評価関数（１）（２）と比較して、最大値付近の変化が緩やかになり、動作点が最大値１００Ｖに留まっていることが確認できる。そのため頻繁に生じていたオーバーシュートやアンダーシュートを抑制することができたものとが考えられる。
更に応答時間に着目すると、評価関数（３）による山登り法における応答時間は、３．９２ｓｅｃであった。一方実施例２に示したカスケード制御の応答時間は３．９１ｓｅｃであることから、二次関数を模擬した評価関数（３）による山登り法を用いることでカスケード制御と同等の応答性を実現できることが判った。
【０１１７】
《山登り法を用いた制御方法についての総括》
〈１．「評価関数」の総合評価〉
上述したように本願発明者は、技術的要請に対応した評価関数（１）〜（３）を決定し、それぞれについて実証試験を行った結果、評価関数（１）（２）については、負荷変動が生じたときに、オーバーシュートやアンダーシュートが生じる場合が必ずしも安定した制御とは言えない。一方の評価関数（３）を用いた制御では、負荷変動が生じた場合であっても、オーバーシュートやアンダーシュートを抑制することができ、安定して発電機出力電圧Ｖを指令値の１００Ｖに迅速に収束させることができた。
〈２．「山登り法」を用いることの利益〉
山登り法を用いる実施例３は、実施例１と同様に発電機出力電圧Ｖの値のみから水素供給量を調整する比例電磁弁電圧ｖを割り出しており、高価な水素供給量を計測する流量計５４を必要としていない。一方で、実施例３においては、高価な水素供給量を計測する流量計５４を用いて実際の水素供給量を計測して精度の高いカスケード制御を行っている実施例２の負荷変動に対する応答時間とほぼ同等の応答性を実現できた。
このような装置の価格上昇や、故障を引き起こす要因にもなる流量計５４を省きながら、流量計５４を利用したカスケード制御と同等の制御を行い得ることから、本願発明に係る水素エンジン発電機Ｇの燃料供給制御は、実施例３の山登り法を用いた制御方法が適しており、特に式（２３）に示す評価関数を用いることが好ましいといえる。換言すれば、実施例１に構成のうち、マイクロコンピュータ４１に記録されるＰＩ制御に基づく制御プログラムから実施例３の山登り法に基づく制御プログラムに変更するだけで高精度の制御を可能とし、良質な給電性能を備えた水素エンジン発電機Ｇを安価に提供することが可能となるものである。
【０１１８】
なお本実施例３における最適な評価関数を決定に当たっては、プログラムの仕様による制約から最終的に評価関数（３）とすることにした。しかしながら、制御系装置４に含まれるマイクロコンピュータ４１の処理能力の制約が緩和された場合には、以下の式（２４）に示したｍ次の一般式として表す評価関数（４）を用いることが可能である。評価関数（３）では一般式中のｍをｍ＝２としているが、例えばｍ＝３とした場合には、大きな負荷変動があっとしても比例制御弁電圧ｖを大きく変化させることになり、より高速かつ精確に安定的な制御を行うことができる。
【０１１９】
【数４０】
2020033992.tif 000042
【０１２０】
ただし、ｍは自然数であり、ｋ1mはｍ次関数を模擬した評価関数における比例定数である。またＶrefは指令値（本実施例では、１００Ｖ）である発電機出力電圧［Ｖ］、Ｖ［ｎ］は現制御周期で入力された発電機出力電圧［Ｖ］である。
【符号の説明】
【０１２１】
Ｇ        エンジン発電機
１        エンジン本体
１１      クランク機構
１２      ピストン
１３      燃焼室
１４      吸気管
２        発電機本体
３        出力電圧検出系回路
３１      負荷回路
３１ａ    スイッチ
３１ｂ    可変抵抗
３２      変圧器
３３      絶対値回路
３４      ローパスフィルタ
４        制御系装置
４１      マイクロコンピュータ
４１ａ    Ａ／Ｄ変換入力ポート
４１ｂ    Ｄ／Ａ変換出力ポート
４２      増幅回路
５        燃料供給系装置
５０      燃料管路
５１      水素ボンベ（燃料ストレージ）
５２      圧力計
５３      比例電磁弁（比例制御弁）
５４      流量計（水素流量計）
５５      燃料ノズル  
【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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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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