(57)【要約】【課題】制約を充足しつつ良好な過渡応答特性を達成する。【解決手段】本発明のプラント制御装置は、プラントの制御量の出力値を目標値に近づけるようにフィードバック制御によって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（ＦＢＣ）と、プラントとＦＢＣとを含む閉ループシステムのモデルを用いてプラントの特定状態量の将来の予測値を計算し、予測値と特定状態量に課せられた制約とに基づいてＦＢＣに与えられる目標値を修正するリファレンスガバナ（ＲＧ）と、を備える。ＲＧは修正目標値候補を変数として目標値と修正目標値候補との距離が小さいほど小さな値をとる目的関数と修正目標値候補を変数として当該修正目標値候補と前回の修正目標値との距離が小さいほど小さな値をとる目的関数との和で表される評価関数の最適値を探索し、評価関数を最適化する修正目標値候補を修正目標値として決定する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
プラントの制御量の出力値を目標値に近づけるようにフィードバック制御によって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、
前記プラントと前記フィードバックコントローラとを含む閉ループシステムのモデルを用いて前記プラントの特定状態量の将来の予測値を計算し、前記予測値と前記特定状態量に課せられた制約とに基づいて前記フィードバックコントローラに与えられる前記目標値を修正するリファレンスガバナとを備え、
前記リファレンスガバナは、修正目標値候補を変数として前記目標値と当該修正目標値候補との距離が小さいほど小さな値をとる第１の目的関数と前記修正目標値候補を変数として、当該修正目標値候補と前回の修正目標値との距離が小さいほど小さな値をとる第２の目的関数との和で表される評価関数の最適値を探索し、前記評価関数を最適化する修正目標値候補を修正目標値として決定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、前記予測値が前記特定状態量の上限値を超えない範囲で前記フィードバックコントローラに与えられる前記目標値を修正することを特徴とする請求項１記載のプラント制御装置。
【請求項３】
前記プラントはディーゼルエンジンの後処理システムであり、
前記後処理システムは、前記ディーゼルエンジンの排気系に設けられたディーゼル微粒子除去装置と、前記ディーゼル微粒子除去装置の上流側の排気系に設けられた燃料添加弁と、を備え、
前記制御入力は前記燃料添加弁による燃料添加量であり、前記制御量は前記ディーゼル微粒子除去装置の温度であることを特徴とする請求項１または２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、プラントの制御装置に関し、詳しくは、プラントの状態量に課せられる制約が充足されるようにリファレンスガバナを用いてプラントの制御量の目標値を修正する制御装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般的なプラント制御装置は、プラントの制御量に関して目標値が与えられた場合、同制御量の出力値を目標値に追従させるようにフィードバック制御によってプラントの制御入力を決定するように構成されている。ただし、実際のプラントの制御においては、プラントの状態量に関してハード上或いは制御上の様々な制約が存在している場合が多い。それらの制約が充足されない場合、ハードの破損や制御性能の低下が生じるおそれがある。制約の充足性は、目標値に対する出力値の追従性と同じく、プラントの制御において求められる重要な性能の１つである。
【０００３】
リファレンスガバナは上記要求を満たすための１つの有効な手段である。リファレンスガバナは制御対象であるプラントとフィードバックコントローラとを含む閉ループシステム（フィードバック制御システム）をモデル化した予測モデルを備え、制約が課せられている状態量の将来値を予測モデルによって予測する。そして、状態量の予測値とそれに課せられた制約とに基づいてプラントの制御量の目標値を修正する。
【０００４】
リファレンスガバナの設計において重要とされるのが、修正目標値の計算に使用する評価関数の内容である。制約の充足性のみを考慮するのであれば様々な評価関数を採ることができる。しかし、どのような評価関数を用いて修正目標値を決定したかにより、制御量の目標値に対する出力値の追従特性は大きく変わり、また、制御量の目標値の変化に対する出力値の過渡応答特性も大きく変わってくる。特に、自動車用の内燃機関のように運転条件に応じて応答特性が変動するプラントの場合には、制御量の目標値の変化に対する出力値の過渡応答特性は運転条件によって大きく変動する。制約を充足しつつ良好な過渡応答特性を達成できるようにすることは、プラント制御装置、特に、運転条件に応じて応答特性が変化するプラントを制御対象とするプラント制御装置にとっての重要な課題である。
【０００５】
リファレンスガバナをプラントの制御に適用した先行技術の例としては、下記の特許文献１に開示された先行技術を挙げることができる。この先行技術は多段圧延装置における圧延材の張力制御に関するものである。特許文献１に開示された先行技術では、圧延材の張力の時間変化を規定した目標軌道データがリファレンスガバナによって予め演算され、圧延材の張力実績値と目標軌道データとの偏差に基づいて圧延材の張力が制御される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２０１０−２５３５０１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、上記先行技術は運転条件に応じて応答特性が変化するプラントを制御対象とするものではない。このため、この先行技術を運転条件に応じて応答特性が変化するプラントに適用したとしても、制約を充足しつつ良好な過渡応答特性を達成するという課題は達成することはできない。
【０００８】
本発明は、上述のような課題に鑑みてなされたもので、リファレンスガバナを用いてプラントの制御量の目標値を修正するプラント制御装置において、制約を充足しつつ良好な過渡応答特性を達成することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
第１の発明は、上記の目的を達成するため、プラント制御装置であって、
プラントの制御量の出力値を目標値に近づけるようにフィードバック制御によって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、
前記プラントと前記フィードバックコントローラとを含む閉ループシステムのモデルを用いて前記プラントの特定状態量の将来の予測値を計算し、前記予測値と前記特定状態量に課せられた制約とに基づいて前記フィードバックコントローラに与えられる前記目標値を修正するリファレンスガバナとを備え、
前記リファレンスガバナは、修正目標値候補を変数として前記目標値と当該修正目標値候補との距離が小さいほど小さな値をとる第１の目的関数と前記修正目標値候補を変数として、当該修正目標値候補と前回の修正目標値との距離が小さいほど小さな値をとる第２の目的関数との和で表される評価関数の最適値を探索し、前記評価関数を最適化する修正目標値候補を修正目標値として決定することを特徴としている。
【００１０】
第２の発明は、第１の発明において、
前記リファレンスガバナは、前記予測値が前記特定状態量の上限値を超えない範囲で前記フィードバックコントローラに与えられる前記目標値を修正することを特徴としている。
【００１１】
第３の発明は、第１または第２の発明において、
前記プラントはディーゼルエンジンの後処理システムであり、
前記後処理システムは、前記ディーゼルエンジンの排気系に設けられたディーゼル微粒子除去装置と、前記ディーゼル微粒子除去装置の上流側の排気系に設けられた燃料添加弁と、を備え、
前記制御入力は前記燃料添加弁による燃料添加量であり、前記制御量は前記ディーゼル微粒子除去装置の温度であることを特徴としている。
【発明の効果】
【００１２】
第１の発明において、第１の目的関数は目標値から大きく乖離しない修正目標値を選択することを意味している。また、第２の目的関数はより変動の少ない修正目標値を選択することを意味している。したがって、第１の発明の評価関数によれば、過渡的な制限抵触を回避しながら目標値を達成することと、より振動の少ない修正目標値を選択することとのバランスを取った修正目標値を選択することが可能となり、結果として良好な過渡応答特性を得ることができる。
【００１３】
第２の発明によれば、リファレンスガバナは予測値が特定状態量の上限値を超えない範囲で修正目標値を選択する。このため、本発明によれば、プラントの特定状態量に課せられた上限値の制約を充足しつつ良好な過渡応答特性を達成できることが可能となる。
【００１４】
第３の発明によれば、ディーゼルエンジンの後処理システムは、排気系に設けられたディーゼル微粒子除去装置（ＤＰＦ）と、ＤＰＦの上流側の排気系に設けられた燃料添加弁と、を備え、当該後処理システムが制御対象のプラントとして用いられる。このため、本発明によれば、ＤＰＦの温度制約を満たしつつＤＰＦの温度を目標値に近づけることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の実施の形態１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】比較例としての目標値追従制御構造で得られる過渡応答特性のシミュレーション結果を示す図である。
【図３】本発明に係るプラント制御装置を適用可能なディーゼルエンジンの制御入力及び制御出力の例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
実施の形態１．
以下、本発明の実施の形態１について図を参照して説明する。
【００１７】
本実施の形態に係るプラント制御装置は、車載動力プラントであるディーゼルエンジンの後処理システムの制御装置である。ディーゼルエンジンの後処理システムは運転条件に応じて特性が変化するプラントであり、本発明に係るプラント制御装置の制御対象として特に好適なプラントの１つである。
【００１８】
制御対象であるディーゼルエンジンの後処理システムは、ディーゼル酸化触媒（Diesel Oxidation Catalyst：ＤＯＣ）とディーゼル微粒子除去装置（Diesel Particulate Filter：ＤＰＦ）とを備えている。また、後処理システムは、その温度制御のためのアクチュエータとして、シリンダヘッドの排気ポートに燃料添加弁を備えている。燃料が燃料添加弁から触媒に導入された場合、化学反応が起きることで触媒温度は上昇する。許容できる上限温度はＤＯＣとＤＰＦの両方に存在し、それらは後処理システムの温度制御における制約となっている。本実施例では、ＤＯＣとＤＰＦのそれぞれについて温度モデルが用意され、それらを用いて後述するリファレンスガバナによる将来予測が行われる。
【００１９】
図１は本実施の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。本プラント制御装置は、目標値マップ（ＭＡＰ）、リファレンスガバナ（ＲＧ）、及び、フィードバックコントローラ（ＦＢＣ）を備える。本プラント制御装置の制御対象であるプラントには、フィードバックコントローラからの制御入力uと外生入力dとが入力される。これらの入力によってプラントの状態量xと制御出力（制御量の出力値）yとが決まる。プラントの状態量xと制御出力yとは詳しくは次の式（１）で表すことができる。式（１）はプラントをモデル化したモデル式である。このモデル式においてf及びgはモデル式の関数である。各記号の添字kは離散時間ステップを表している。
【数１】
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【００２０】
フィードバックコントローラは、プラントの制御出力yをリファレンスガバナから与えられる修正目標値wに近づけるように、フィードバック制御によってプラントの制御入力uを決定する。フィードバックコントローラは、次の式（２）で表される比例積分フィードバックコントローラである。式（２）においてKpは比例ゲインであり、eは誤差である。また、Kiは積分ゲインであり、vは誤差積分値である。なお、ここで紹介する比例積分フィードバックコントローラは本発明で用いることのできるフィードバックコントローラの一例に過ぎない。所望するシステムの応答特性によっては、比例積分微分コントローラを用いることも可能である。
【数２】
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【００２１】
フィードバックコントローラとプラントとは、図１に破線枠で示すように閉ループシステムを構成する。リファレンスガバナは、この閉ループシステムをモデル化した予測モデルを備えている。予測モデルは式（１）に示すプラントモデルと式（２）に示すフィードバックコントローラとが結合されたモデルである。リファレンスガバナには、目標値マップにて外生入力dに基づき決定された制御量の目標値rが入力される。また、リファレンスガバナには、プラントの状態量xとフィードバックコントローラの状態量である誤差積分値vと外生入力dとが入力される。
【００２２】
リファレンスガバナは、予測モデルを用いてプラントの制御出力ｙの予測値y^を計算する。本実施の形態において制御出力yはプラントの状態量の１つであり、制御出力yには制約が課せられている。制御出力yがその上限値y-以下であることが制御出力yに課せられた制約である。制御出力予測値y^の計算には、プラント状態量x、誤差積分値v及び外生入力dに加えて修正目標値wが用いられる。リファレンスガバナは、制御出力予測値y^と制御出力上限値y-とに基づき、以下に説明する評価関数を用いて修正目標値wを計算する。
【００２３】
まず、本実施の形態に係るプラント制御装置で採用した評価関数の説明に先立ち、評価関数の比較例について説明する。比較例としての評価関数は、各時刻kにおいて制御出力yの制約を充足する修正目標値候補wの中からオリジナルの目標値rに最も近いものを選択する制約付き最適化問題として表される。具体的には、次の式（３）で記述されるように、有限の予測ホライズンにわたって、上記制約が充足される範囲内でオリジナルの目標値rとの距離が最小になる修正目標値候補w、つまり、評価関数J(w)を最小にする修正目標値候補wが探索される。評価関数J(w)の最小値探索の手法としては、例えば公知の手法である最急降下法を採用することができる。そして、この式（３）を解いて得られた最適解が時刻ｋにおける修正目標値wkとして用いられる。なお、y^(k+i|k)は時刻kの時点での情報に基づく時刻k+iの時点の制御出力予測値を表している。Nhは予測ホライズン（予測ステップ数）である。
【数３】
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【００２４】
式（３）で表される比較例としての評価関数は図１に示す目標値追従制御構造に仮に適用され、プラントモデルを用いたシミュレーションによってどのような制約充足性及び過渡応答特性が得られるか調べられた。シミュレーションでは２つのプラントモデルが用いられた。１つはノミナルシステムであり、もう１つは無駄時間とパラメータ摂動とを加えた摂動システムである。ノミナルシステムは次の式（４）で記述される伝達関数を有し、摂動システムは次の式（５）で記述される伝達関数を有している。各式においてzはシフトオペレータである。
【数４】
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【数５】
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【００２５】
シミュレーションでは、ノミナルモデルは予測モデルで用いるプラントモデルとして扱われ、摂動モデルは実際のプラントとして扱われた。フィードバックコントローラのゲインはそれぞれKp=0.15，Ki=0.03とされ、制御出力上限値y-は1.05に設定された。実プラントをノミナルシステムで模擬した場合と摂動システムで模擬した場合のそれぞれについてのシミュレーション結果を図２に示す。（ａ）のグラフはノミナルシステムのシミュレーション結果を示し、（ｂ）のグラフは摂動システムのシミュレーション結果を示している。各グラフにおいて点線はオリジナルの目標値を示している。オリジナルの目標値は０≦ｋ≦５では０、ｋ≧６では１とされている。実線は修正目標値を示し、破線は制御出力を示している。
【００２６】
図２に示すシミュレーション結果からは、（ｂ）のようにプラントに不確かさが有る場合、比較例の評価関数を適用したリファレンスガバナでは過渡応答特性が劣化し、制約も充足されなくなる可能性があることが分かる。特に、（ｂ）のグラフにおいてk=35付近で発生している制御出力の落ち込みは実際のプラントでは許容することができない。
【００２７】
そこで、本実施の形態に係るプラント制御装置では、プラントに不確かさがある場合であっても制約を充足しつつ良好な過渡応答特性を達成することのできる評価関数を採用した。次の式（６）で表される評価関数J(w)が本実施の形態に係るプラント制御装置で採用した評価関数である。
【数６】
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【００２８】
式（６）に示す評価関数J(w)の右辺第１項は修正目標値候補wを変数とする第１の目的関数である。この第１の目標関数はオリジナルの目標値rと修正目標値候補wとの距離が小さいほど小さな値をとるように構成されている。評価関数J(w)の右辺第２項は修正目標値候補wを変数とする第２の目的関数である。この第２の目的関数は修正目標値候補wと前回の修正目標値wk-1 （時刻ｋ-1における修正目標値）との距離が小さいほど、すなわち修正目標値wの変動が小さいほど、小さな値をとるように構成されている。また、第２の目的関数には、修正目標値wの変動性に重みをつけるための重み定数ρが設定されている。本実施の形態に係るプラント制御装置では、式（６）に示す評価関数J(w)を最小にする修正目標値候補wが時刻ｋにおける修正目標値wkとして用いられる。
【００２９】
尚、式（６）に示す評価関数J(w)は、各時刻kにおいて制御出力yの制約を充足する修正目標値候補wの中から評価関数J(w)を最小にするものを選択する制約付き最適化問題として解くことができる。具体的には、次の式（６）で記述されるように、有限の予測ホライズンにわたって、上記制約が充足される範囲内で第１の目標関数と第２の目標関数の和が最小になる修正目標値候補w、つまり、評価関数J(w)を最小にする修正目標値候補wが探索される。本実施の形態に係るプラント制御装置では、評価関数J(w)の最小値探索の手法として公知の手法である最急降下法が採用される。そして、この式（６）を解いて得られた最適解が時刻ｋにおける修正目標値wkとして用いられる。
【００３０】
第１の目的関数は、制約条件を満たす範囲内でオリジナルの目標値rにより近い修正目標値wを選択することを意味している。また、第２の目的関数は、その重みρを大きくすることにより、制約条件を満たす範囲内でより変動の少ない修正目標値を選択することを意味している。従って、上式（６）に示す評価関数によれば、過渡的な制約抵触を回避しながらオリジナルの目標値rに追従させることと、より振動の少ない修正目標値wを選択することとのバランスを取った修正目標値wを選択することが可能となり、結果として良好な過渡応答特性を得ることができる。
【００３１】
その他．
本発明は上述の実施の形態１に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施することができる。
【００３２】
上述の実施例では、実施の形態に係るプラント制御装置をディーゼルエンジンの後処理システムに適用した。しかし、実施の形態１に係るプラント制御装置は、図３の（ａ）−（ｉ）に示すように、制御対象プラントをディーゼルエンジン本体（ＤＥ）とすることができる。
【００３３】
制御対象プラントがディーゼルエンジン本体である場合、図３の（ａ）に示すように、制御入力を可変ノズル開度（ＶＮ開度）とし、制御出力を過給圧とすることができる。つまり、本発明はディーゼルエンジンの過給圧制御に適用することができる。この場合、図３の（ｂ）に示すように、制御入力は可変ノズル開度とディーゼルスロットル開度（Ｄ開度）とにすることもできる。
【００３４】
また、図３の（ｃ）に示すように、制御入力をＥＧＲ弁開度とし、制御出力をＥＧＲ率とすることができる。つまり、本発明はディーゼルエンジンのＥＧＲ制御に適用することができる。この場合、図３の（ｄ）に示すように、制御入力はＥＧＲ弁開度とディーゼルスロットル開度とにすることもできる。
【００３５】
さらに、図３の（ｅ）に示すように、制御入力を可変ノズル開度とＥＧＲ弁開度とディーゼルスロットル開度とし、制御出力を過給圧とＥＧＲ率とすることができる。つまり、本発明はディーゼルエンジンにおける過給圧とＥＧＲ率の協調制御に適用することができる。
【００３６】
制御対象のディーゼルエンジンが低圧ＥＧＲシステムと高圧ＥＧＲシステムとを有する場合には、図３の（ｆ）及び（ｇ）に示すように、制御入力を低圧ＥＧＲシステムのＥＧＲ弁開度（ＬＰＬ−ＥＧＲ弁開度）と高圧ＥＧＲシステムのＥＧＲ弁開度（ＨＰＬ−ＥＧＲ弁開度）とにすることができる。また、図３の（ｈ）及び（ｉ）に示すように、制御入力を低圧ＥＧＲシステムのＥＧＲ量（ＬＰＬ−ＥＧＲ量）と高圧ＥＧＲシステムのＥＧＲ量（ＨＰＬ−ＥＧＲ量）とにすることができる。
【００３７】
さらに、本発明に係るプラント制御装置が適用されるプラントはディーゼルエンジンのみに限定されない。例えば、ガソリンエンジンやハイブリッドシステム等の他の車載動力プラントの他、燃料電池システムにも適用することができる。さらに、リファレンスガバナとフィードバックコントローラを用いて制御を行うことができるプラントであれば、定置型プラントも含めて広い範囲のプラントに適用することができる。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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