(57)【要約】【課題】  制御対象の状況に応じて処理負荷の低減が可能なモデル予測制御を提供する。【解決手段】  複数の操作から特定の操作を選択する特定操作選択部４を設け、制御目標量と現在の制御量との偏差が所定値以内であれば、特定操作選択部４によって選択された特定の操作についてのみ、最適操作量候補を設定し、最適操作量を決定するための予測演算を最適操作決定部３で行う。特定の操作以外の操作については、前回の操作量を保持して、処理負荷の低減を図る。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも制御対象の動特性モデルを用い最適操作量候補に基いて制御量を予測し最適操作量を決定する最適操作量決定部とを備え、前記制御対象に入力する複数の操作のそれぞれについて最適操作量を決定するモデル予測制御装置であって、
前記複数の操作から特定の操作を選択する特定操作選択部を備え
制御目標量と現在の制御量との偏差に応じて、前記特定操作選択部によって選択された特定の操作について最適操作量候補を設定するとともに、前記特定の操作以外の操作については前回の操作量を維持するモデル予測制御装置。
【請求項２】
前記特定操作選択部は、複数の操作のそれぞれの操作量について前記最適操作量決定部により予測された制御量の大きさを比較して、前記特定の操作を選択する請求項１に記載のモデル予測制御装置。
【請求項３】
前記特定操作選択部は、前記偏差が所定値より小さい場合には前記予測された制御量が小さい操作を選択する請求項２に記載のモデル予測制御装置。
【請求項４】
前記特定操作選択部は、予め定められた操作を前記特定の操作として選択する請求項１に記載のモデル予測制御装置。
【請求項５】
複数の操作が可能な制御対象に対して、前記制御対象の動特性モデルに基いて制御対象の制御量を予測して前記複数の操作の最適操作量を決定するモデル予測制御方法であって、
前記複数の操作から特定の操作を選択するステップと、
制御目標量と現在の制御量との偏差を算出するステップと、
前記偏差に応じて前記特定の操作について最適操作量候補を設定し、前記特定の操作以外の他の操作については前回の操作量を保持するステップと、
を有するモデル予測制御方法。
【請求項６】
前記特定の操作を選択するステップは、複数の操作のそれぞれの操作量について前記制御対象の動特性モデルに基いて制御対象の制御量を予測して、予測された制御量を比較するステップを有する請求項５に記載のモデル予測制御方法。
【請求項７】
前記偏差が所定値以内にある場合、前記予測された制御量が他の制御量より小さい操作を前記特定の操作として、最適操作量候補を設定する請求項６に記載のモデル予測制御方法。
【請求項８】
前記複数の操作から特定の操作を選択するステップは、予め定められている操作を選択するステップである請求項５に記載のモデル予測制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、モデル予測制御に関し、具体的には制御対象の状況に応じて処理負荷を低減できるモデル予測制御に関する。
【背景技術】
【０００２】
モデル予測制御は、従来から例えばプロセス制御の分野で採用されている。モデル予測制御は、制御対象の特性を記述した物理モデルである動特性モデルを用い、有限時間先までの制御量を予測し、制御性能を表わす評価式の値を最小化もしくは最大化するような最適操作量を決定するものである。実際の制御対象のモデルにより、未来の制御量の変化を予測できるので、制御量を目標である設定値に一致させるための操作量を正確に求めることができる。
【０００３】
しかしながら、モデル予測制御における最適操作量の決定までには大量の計算が必要で、コンピュータの演算性能が向上しているとはいえ、短い応答時間を要求するシステムあるいは多くの条件を満たす必要のある制御では最適な制御の実現が困難で、モデル予測制御の長所を生かせない場合もあった。そのために、処理負荷の軽減あるいは処理時間の短縮が求められている。提案されている負荷低減手法としては、制御量を変化の速いものと緩慢なものとにわけ、変化の速いものに対しては予測時刻の間引きを行なう手法がある（特許文献１参照）。
【０００４】
【特許文献１】特開平１０−３３０２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、従来提案されているものは、制御量の変化の速度に着目して処理負荷を軽減しようとするもので、複数の制御量の変化に差がないシステムや単一の制御量を有するシステムには適用できないものであった。本発明の課題は、どのような制御システムにおいても、その制御対象の状況に応じて処理負荷の低減を図ることができるモデル予測制御装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記課題を解決するために、本発明の一態様では、複数の操作から特定の操作を選択する特定操作選択部をモデル予測制御装置に設け、制御目標量と現在の制御量との偏差に応じて、特定操作選択部によって選択された特定の操作について最適操作量候補を設定するとともに、特定の操作以外の操作については前回の操作量を保持するようにしたモデル予測制御装置を提供する。
【０００７】
特定操作選択部は、複数の操作のそれぞれの操作量について前記最適操作量決定部により予測された制御量の大きさを比較して、前記特定の操作を選択することができ、また、前記偏差が所定値より小さい場合には前記予測された制御量が小さい操作を選択するようにできる。
【０００８】
また、特定操作選択部は、予め定められた操作を前記特定の操作として選択するようにしてもよい。
【０００９】
本発明の他の態様では、複数の操作から特定の操作を選択するステップと、制御目標量と現在の制御量との偏差を算出するステップと、前記偏差に応じて前記特定の操作について最適操作量候補を設定し、前記特定の操作以外の他の操作については前回の操作量を保持するステップとを有するモデル予測制御方法を提供する。
【００１０】
特定の操作を選択するステップは、複数の操作のそれぞれの操作量について前記制御対象の動特性モデルに基いて制御対象の制御量を予測して、予測された制御量を比較するステップを有するようにしてもよく、偏差が所定値以内にある場合、前記予測された制御量が他の制御量より小さい操作を前記特定の操作として、最適操作量候補を設定するようにしてもよい。
【００１１】
また、前記複数の操作から特定の操作を選択するステップは、予め定められている操作を選択するステップであってもよい。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、制御対象の状況によって、その制御に最も効果的な操作を選択してその操作についてのみ最適操作量を算出するので、処理負荷の低減が図れるとともに良好な制御を達成できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、図面を参照して、本発明の実施の形態を説明する。
図１は、本発明の一実施形態のモデル予測制御を示す概略図で、１０は、モデル予測制御装置であり、２０は、制御対象である。モデル予測制御装置１０は、検索決定された最適操作量を制御入力として制御対象２０に与えるもので、制御対象２０の制御量を目標制御量に一致するように制御する。本発明の対象である制御対象はどのようなものであってもよく、制御対象に入力する操作量、制御対象から得られる制御量にも制限はないが、以下の実施形態では、自動車のラジエータの冷却系を例にとる。制御量は温度とし、操作量は冷却ポンプの回転数、冷却水の量を調節するバルブ、ラジエータファンの駆動電圧等である。
【００１４】
モデル予測制御装置１０は、最適操作量決定部３と内部状態推定部５と記憶データベース７を備える。記憶データベース７には、所定時間過去から現在までの、制御対象に与えた最適操作量と、制御対象からセンサによって得られた制御量が記憶されている。内部状態推定部５は、記憶データベース７に記憶された制御量および最適操作量に基いて、制御対象モデルを用いて制御対象の内部状態を推定する。最適操作量決定部３は、制御目標である目標量と、現在の制御量と、内部状態推定部５により推定された制御対象の内部状態を表わす信号とを入力として、制御対象モデルに基いて最適操作量を検索して決定する。
【００１５】
最適操作量決定部３は、最適操作量の候補となる操作量を算出する操作量候補算出部３１と、制御対象のモデルを用いて操作量候補に基づいて有限時間先までの制御量を予測するモデル予測部３３と、操作量候補と予測制御量とに基いて予測結果を評価式により評価する評価部３５とからなる。具体的には、操作量候補算出部３１では、まず前回の操作量を操作量の候補の初期値として、モデル予測部３３に送る。モデル予測部３３では、内部状態推定部により補正されたモデルにより有限時間先の制御量を予測する。予測された制御量は評価部３５に送られ、所定の評価式により評価を行なう。最適操作量が決定されない場合には、操作量算出部３１では、操作量をわずかに変化させて新たな操作量候補を設定し、モデル予測部３３に送る。さらに予測結果を評価部３５で評価する。これを繰り返して、評価部３５による評価値が収束すると、このときの操作量を最適操作量と決定して、記憶部７に記憶するとともに、制御対象に出力する。 
【００１６】
本発明によるモデル予測制御装置は、最適制御に効果的な操作を選択するための特定操作選択部４を備え、複数の操作量のうち制御対象の状況に応じて制御効果の高い操作を選択可能とする。以下、具体例により説明する。
【００１７】
〔第１の実施形態〕
図２に、第１実施形態の動作フローを示す。ここでは、ポンプ回転数とバルブ開度により温度を制御する温度制御系を例にとる。
【００１８】
前回の最適操作量が決定され、制御対象に最適操作量が与えられた後、今回のモデル予測制御が開始する。ステップＳ１では、ポンプ回転数およびバルブ開度の２種の操作それぞれについて、操作量をわずかに変化させてその制御量の変化を予測する。この予測過程は、最適操作量決定部により行なわれ、先に説明した予測演算と同様の演算を行なって制御量変化を算出する。それぞれの操作量の変化に対応する制御量の変化を算出して、操作に応じた制御量の変化の大小を判定する。この結果、ポンプ回転数を調整するほうが、バルブ開度を調整するより温度変化が小さい場合、例えば、ポンプ回転数の調整を特定操作に設定する。なお、制御量の変化の算出は、操作量を１すなわち単位分だけ変化させて算出してもよいし、この算出工程を複数回繰り返した結果を考慮して算出するようにしてもよい。
【００１９】
次いで、ステップＳ２では、制御量に関して目標値と前回制御量との偏差が所定値以内か否かをみる。所定値以内であれば、ステップＳ３に進み、制御量の変化が小さい操作すなわちポンプ回転数の操作量に最適操作量候補を設定し、他の操作すなわちバルブ開度については、前回の操作量を今回も維持する。このようにすると、バルブの開度については、モデル予測計算を行なわないことになるので、演算負荷は大きく軽減される。しかも、偏差が所定値以内であるということは、前回までに目標値に近接した制御が実行されているので、わずかな調整で良好な制御が実現できる。また、制御量の変化の激しい制御を行なわないので、前回までに到達している制御から外れる恐れもない。
【００２０】
また、ステップＳ２で、目標制御量と前回制御量との偏差が所定値以内に入っていなければ、ステップＳ４に進み、制御量の変化が大きい操作すなわちバルブの開度を選択して最適操作量候補を設定し、他の操作すなわちポンプ回転数については前回の操作量を今回の操作量とする。目標量と制御量との差が所定値以内に入っていないということは、目標値から未だ遠いわけであるから、制御量を大きく変化させて目標値に近づけることが要求されている。ステップＳ４の制御はこの要求に短時間で応えることになる。この場合も、ポンプ回転数についてはモデル予測計算を行なわないので、演算負荷は両方を計算する場合に比較して大幅に軽減される。
【００２１】
ステップＳ５以下は、選択された操作量に対してのみ、従来の予測制御が行なわれる。ステップＳ５では、設定された最適操作量候補により制御対象のモデルを用いて有限未来時間までの制御量を予測する。これは、図１のモデル予測部での動作である。次に、ステップ６で、所定の評価式を用いて予測結果に基いて最適操作量候補の評価値が算出される、次のステップＳ７で、前回の最適操作量候補より評価値が収束するか否かが判定される。ステップ７は、図１の評価部で実行される。評価値が収束し、これ以上小さくならいなければ、前回の最適操作量候補を最適操作量としてフローを終了する。すなわち、ここで決定された最適操作量が制御対象に制御入力として与えられ、スタートに戻って次回のモデル予測がスタートする。
【００２２】
ステップＳ７で、前回の最適操作量候補より評価値が収束していない場合には、まだ最適操作量が決定される段階に達していないので、ステップ８および９で、さらに最適操作量候補を算出することになる。ステップ８では、前回の最適操作量の周辺で最適操作量候補を見つける近似式により、所定の制約条件を満たす範囲の最小点を算出し、ステップＳ９で、算出した最小点を最適操作量候補として、ステップＳ５に戻る。ステップＳ５以下、新たに設定された最適操作量候補により最適操作量検索過程を経ることになる。
【００２３】
以上のように、本発明によると、制御対象の状況に応じて最適な操作を選択し、その操作についてのみ最適操作量を決定するための予測演算を実行すればよいので、良好な制御が可能であるとともに演算負荷を軽減でき、予測時間を短縮できる。
【００２４】
なお、本例では、制御量の変化が小さい操作を特定の操作として設定したが、制御量の変化が大きい操作を特定の操作として設定してもよい。いずれにしろ目標量と前回制御との偏差に応じて、複数の操作が選択可能となっていればよい。また、本発明は、３種類以上の操作を制御対象に行なう場合にも適用できる。この場合は、３種類の操作を２グループに分け、目標量と前回制御との偏差に応じていずれか１グループを選択する。そしてその選択された１グループのみに対して最適操作量候補を設定して予測演算を行い、他のグループは前回の操作量を維持するようにすればよい。すなわち、一方のグループに属する操作を特定の操作とすればよい。
【００２５】
〔第２の実施形態〕
本例では、ポンプ回転数とバルブ開度と冷却ファン駆動電圧を操作量として温度を制御する温度制御系を例にとる。図３は、第２の実施形態の動作フローのうち、第１の実施形態の動作フローと異なるステップのみを示す。すなわち、第１の実施形態のステップＳ１〜Ｓ４に代る第２の実施形態のステップＳ１１〜Ｓ１４を示す。
【００２６】
第１の実施形態では、各操作の予測制御量を算出してその大小に応じて、最適操作量候補を設定する操作と前回の操作量を維持する操作を選択するものであるが、本例は、制御量を予測するステップを省略して複数の操作のうちから特定の操作を予め選択して決定しておくものである。これは、制御対象又は制御方法によって、制御量、制御速度、または安定性等を考慮して、どの操作を行なえば最も効果的に制御できるかがある程度決定できる場合が多いことによる。例えば、本例の温度制御系の場合、ポンプ回転数とバルブ開度と冷却ファン駆動電圧のうち、目標量と制御量との偏差が所定値以内であれば、ポンプ回転数と冷却ファン駆動電圧とに対して最適操作量候補を設定して予測演算を行ない、バルブ開度については前回の操作量を維持する。これに対して、目標量と制御量との偏差が所定値外であれば、バルブ開度に対して最適操作量候補を設定して予測演算を行なうが、ポンプ回転数と冷却ファン駆動電圧とについては前回の操作量を維持する。これは、バルブ開度の調整が温度を変化させるのに最も効果的で、偏差の大きな場合には最も良好な制御を可能にすることが経験的に判断できるからである。
【００２７】
図３を参照すると、前回の予測制御が終了して今回の制御がスタートすると、ステップＳ１１で、３つの操作量であるポンプ回転数とバルブ開度と冷却ファン電圧のうち、ポンプ回転数と冷却ファン電圧とを特定操作と設定する。なお、このステップＳ１１は、制御開始直後に特定操作を設定すれば以降は、その設定された操作を特定操作としてこのステップを省略することができる。
【００２８】
次いで、ステップＳ１２では、目標制御量と前回制御量との偏差が所定値以内か否かをみる。所定値以内であれば、ステップＳ１３に進み、特定操作すなわちポンプ回転数と冷却ファン電圧とに対して最適操作量候補を設定し、他の操作すなわちバルブ開度については、前回の操作量を今回も維持する。
【００２９】
また、ステップＳ１２で、目標制御量と前回制御量との偏差が所定値外であれば、ステップＳ１４に進み、特定操作すなわちポンプ回転数と冷却ファン電圧とに対しては前回の操作量を今回も維持し、他の操作すなわちバルブ開度については、最適操作量候補を設定する。
【００３０】
ステップＳ１３およびステップＳ１４を終了すると、図２のステップＳ５に進み、設定された最適操作量候補に対して、以下ステップＳ９まで予測演算が行なわれることになる。
【００３１】
本例では、制御対象に対する操作量を３種類としたが、これに限定されないことはいうまでもない。すなわち、４種類以上でも、また２種類でもよい。また、特定操作の数も限定されるものではなく、一つ以上の操作が適宜設定できる。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】本発明のモデル予測制御を示す概略図である。
【図２】本発明の第１の実施形態の動作フローを示す図である。
【図３】本発明の第２の実施形態の動作フローの一部を示す図である。
【符号の説明】
【００３３】
１０    モデル予測制御装置
２０    制御対象
３    最適操作量決定部
３１    操作量候補算出部
３３    モデル予測部
３５    評価部
４    特定操作選択部
５    内部状態推定部
７    記憶データベース
【図１】
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【図２】
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【図３】
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