(57)【要約】【課題】リファレンスガバナを使用した目標値修正において、制約により近い修正目標値での制御動作を実現可能とすることを目的とする。【解決手段】式（３）の右辺第２項においては、制約を上回る場合の予測値ｙ^（ｋ＋ｉ｜ｋ）と上限値ｙ−の差のみならず、制約を下回る場合の予測値ｙ^（ｋ＋ｉ｜ｋ）と上限値ｙ−の差に基づいたペナルティが同第１項に加えられる。つまり、図５に示す上限値ｙ−を上回る分と、上限値ｙ−を下回る分の総和に基づくペナルティが式（３）の右辺第１項に加えられる。そのため、オリジナルの目標値ｒｋを上回る修正目標値ｗが最適値として決定され得る。従って、予測区間において予測値ｙ^（ｋ＋ｉ｜ｋ）が制約に一度も抵触しない場合においても修正目標値ｗを上側に修正可能となる。【選択図】図５
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関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内燃機関の制御入力を決定するフィードバックコントローラと、
前記内燃機関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内燃機関の特定状態量の将来の予測値を所定の予測区間に亘って計算し、前記予測値と前記制御出力に課せられた制約とに基づいて前記フィードバック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、オリジナルの目標値と修正目標値の候補の差に関する第１項と、前記予測区間において計算された前記予測値と前記制約の差の絶対値の総和に基づくペナルティを前記第１項に加える第２項とで表される目的関数を最小化する修正目標値の候補を探索し、前記目的関数を最小化する修正目標値の候補を、前記目標値を修正する修正目標値として選択することを特徴とする内燃機関の制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内燃機関の制御装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般的な内燃機関の制御装置は、内燃機関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内燃機関の制御入力を決定するように構成されている。ただし、実際の内燃機関の制御においては、内燃機関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、内燃機関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内燃機関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、ある目標値に従って制御量が制御された場合に、当該内燃機関の状態量の将来値を予測モデルによって予測する。そして、予測された状態量と、課せられた制約とに基づいて内燃機関の制御量の目標値を修正する。
【０００４】
本出願の発明者は既に、特開２０１３−０８４０９１号公報において、過給機付き内燃機関の制御量としての過給圧の目標値を、リファレンスガバナによるオンライン計算によって修正する技術を開示している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１３−０８４０９１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで、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目的関数の内容である。制約の充足性のみを考慮するのであれば様々な目的関数を採ることができる。しかし、どのような目的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。特に内燃機関の場合、制御量の目標値の変化に対する出力値の過渡応答特性が運転条件によって変動する。従って、内燃機関を制御対象とする制御装置においては、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が重要な課題である。
【０００７】
上記課題の解決に関し、本出願の発明者は既に、オリジナルの目標値と修正目標値の候補の差に関する第１項と、出力値の予測値が制約を上回った場合に、その上回る分に基づいたペナルティを第１項に加える第２項とで表される目的関数を最小化する修正目標値を当該候補の中から選択する手法が有効であることを確認している。しかし、当該第２項は、出力値の予測値が制約を一度も抵触しない場合はゼロとなることから、当該目的関数を最小化する修正目標値にはオリジナルの目標値が選択されてしまう。そのため、制約により近い修正目標値での制御動作ができないという問題がある。
【０００８】
本発明は、上述のような課題に鑑みてなされたものである。すなわち、リファレンスガバナを使用した目標値修正において、制約により近い修正目標値での制御動作を実現可能とすることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明は、内燃機関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内燃機関の制御入力を決定するフィードバックコントローラと、
前記内燃機関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内燃機関の特定状態量の将来の予測値を所定の予測区間に亘って計算し、前記予測値と前記制御出力に課せられた制約とに基づいて前記フィードバック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、オリジナルの目標値と修正目標値の候補の差に関する第１項と、前記予測区間において計算された前記予測値と前記制約の差の絶対値の総和に基づくペナルティを前記第１項に加える第２項とで表される目的関数を最小化する修正目標値の候補を探索し、前記目的関数を最小化する修正目標値の候補を、前記目標値を修正する修正目標値として選択することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、出力値の予測値が制約を上回った場合のみならず、当該予測値が制約を下回った場合においても当該予測値と制約の差が積算される。従って、当該予測値が制約を一度も抵触しない場合においても、オリジナルの目標値よりも大きな修正目標値の候補を決定可能となるので、制約により近い修正目標値での制御動作が実現可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】ディーゼルエンジンの後処理システムの構成を示す概略図である。
【図２】実施の形態の制御装置が有するディーゼルエンジンの目標値追従制御構造を示す図である。
【図３】図２に示す目標値追従制御構造を等価変形した図である。
【図４】実施の形態に係るリファレンスガバナアルゴリズムを示す図である。
【図５】実施の形態に係る目的関数を説明するための図である。
【図６】本発明に係る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】
【００１２】
以下、本発明の実施の形態について図を用いて説明する。
【００１３】
本実施の形態に係る制御装置は、自動車に搭載されるディーゼルエンジンの後処理システムを制御対象とする制御装置である。図１はディーゼルエンジンの後処理システムの構成を示す概略図である。後処理システムは、排気通路にＤＯＣ（ディーゼル酸化触媒）とＤＰＦ（ディーゼル微粒子除去装置）とを備え、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。ＤＯＣとＤＰＦとの間にはＤＰＦ上流（ＤＯＣ下流）の排気ガス温度を計測するための温度センサが取り付けられている。
【００１４】
本実施の形態に係る制御装置は、ＤＰＦ温度を上限値以下に維持しながら、その目標値に追従させるための制御構造を備えている。その制御構造が図２に示す目標値追従制御構造である。本実施の形態に係る目標値追従制御構造は、目標値マップ（ＭＡＰ）、リファレンスガバナ（ＲＧ）およびフィードバックコントローラ（ＦＢＣ）を備えている。
【００１５】
目標値マップは、ディーゼルエンジンの運転条件を示す外生入力ｄが与えられると、制御量であるＤＰＦ温度の目標値ｒを出力する。外生入力ｄには、排気ガスの質量流量、ＤＰＦ上流・下流の排気ガス温度、ＤＰＦ上のＰＭの堆積量、及び大気温度が含まれる。外生入力ｄに含まれるこれらの物理量は計測値でもよいし推定値でもよい。
【００１６】
リファレンスガバナは、ＤＰＦ温度の目標値ｒが与えられると、ＤＰＦ温度に関する制約が満たされるように目標値ｒを修正し、ＤＰＦ温度の修正目標値ｗを出力する。リファレンスガバナの詳細については後述する。
【００１７】
フィードバックコントローラは、リファレンスガバナからＤＰＦ温度の修正目標値ｗが与えられると、ＤＰＦ温度の現在値を示す状態量ｘを取得し、修正目標値ｗと状態量ｘとの偏差ｅに基づくフィードバック制御によってディーゼルエンジンに与える制御入力ｕを決定する。本実施の形態に係る制御対象は後処理システムであるので、制御入力ｕには、燃料添加弁によって排気ガス中に添加される燃料量、すなわち、燃料添加量が用いられる。フィードバックコントローラの仕様に限定はなく、公知のフィードバックコントローラを用いることができる。例えば、比例積分フィードバックコントローラを用いることが可能である。
【００１８】
図３は図２に示す目標値追従制御構造を等価変形して得られたフィードフォワード構造である。図２において破線で囲まれた閉ループシステムは既に設計済みであるとして、図３に示すフィードフォワード構造では１つのモデル（Ｐ）とされている。閉ループシステムのモデルは次のモデル式（１）で表される。式（１）において、ｆ，ｈはモデル式の関数である。また、ｋは離散時間ステップを表している。
【数１】
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【００１９】
リファレンスガバナは、与えられたＤＰＦ温度の目標値ｒに基づいて修正目標値ｗの候補（ｗ１，ｗ２，・・・，ｗＮｇ）を用意する。Ｎｇは修正目標値ｗの候補の個数を表している。リファレンスガバナは、修正目標値ｗの候補のそれぞれを閉ループシステムのモデルに入力してＤＰＦ温度の将来値を予測する。リファレンスガバナが用いる予測モデルは式（１）で表されるので、状態量ｘおよび制御出力ｙの将来値は次の式（２）で表される。
【数２】
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【００２０】
式（２）に示すｘ（ｉ｜ｋ）,ｙ（ｉ｜ｋ）は、時刻ｋの情報をもとに推定されたｉステップ先の将来の状態量と制御出力の予測値である。また、式（２）に示すＮｈは予測ステップ数（予測ホライズン）である。予測ステップ数に離散時間ステップの時間間隔を乗じた値が現在から将来にかけての予測長（予測区間）となる。また、ここでは、予測区間の間、時刻ｋにおける外生入力の値ｄ（ｋ）が継続すると仮定されている。
【００２１】
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。リファレンスガバナは、制御出力の予測値ｙ（ｉ｜ｋ）と制御出力の上限値ｙ−とに基づき、次の式（３）で表される目的関数Ｊ（ｗ）を用いて修正目標値ｗを計算する。
【数３】
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【００２２】
式（３）に示す目的関数Ｊ（ｗ）の右辺第１項は、修正目標値候補ｗを変数とする項である。この第１項は、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取るように構成されている。目的関数Ｊ（ｗ）の右辺第２項は、ペナルティ項である。ペナルティ項は、予測値ｙ^（ｋ＋ｉ｜ｋ）が制約に抵触する場合に、その抵触分に応じたペナルティを加えるように構成されている。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の時点の制御出力の予測値を表している。ペナルティ項には、ペナルティに重みを付けるための重み定数ρが設定されている。このペナルティ項によれば、制御出力予測値ｙ^と制約である制御出力上限値ｙ−の差の絶対値に重み定数ρを乗じた値が式（３）の右辺第１項に加えられる。
【００２３】
式（３）に示す目的関数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の中から目的関数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、式（３）で記述したように、有限の予測ホライズンにわたって、目的関数Ｊ（ｗ）を最小にする修正目標値候補ｗが探索される。図４は、本実施の形態に係るリファレンスガバナアルゴリズムを示す図である。図４に示すように、本実施の形態においては、閉ループシステムで予測した予測値ｙ（ｉ｜ｋ）を有限回反復することで、式（３）に示す目的関数Ｊ（ｗ）を最小にする修正目標値候補ｗを探索し、最終的な修正目標値ｗとして選択する。なお、本実施の形態では、目的関数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。
【００２４】
式（３）の目的関数Ｊ（ｗ）の利点を、図５を参照しながら、従来の目的関数との比較において説明する。次の式（４）は、本実施の形態において採用した目的関数の比較例としての従来の目的関数である。
【数４】
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【００２５】
式（４）の右辺第２項においては、予測値ｙ^（ｋ＋ｉ｜ｋ）が制約を上回る場合の予測値ｙ^（ｋ＋ｉ｜ｋ）と上限値ｙ−の差に基づくペナルティが同第１項に加えられる。つまり、図５に示す上限値ｙ−を上回る分の総和に基づくペナルティが式（４）の右辺第１項に加えられる。一方、予測値ｙ^（ｋ＋ｉ｜ｋ）が制約を下回った場合にはｍａｘ｛ｙ^（ｋ＋ｉ｜ｋ）−ｙ−，０｝が０となる。そのため、予測区間において予測値ｙ^（ｋ＋ｉ｜ｋ）が制約に一度も抵触しなければ、式（４）の右辺第２項は０となる。そうすると、目的関数Ｊ（ｗ）を最小とする修正目標値ｗはｒｋ、つまり、オリジナルの目標値が最適値として決定されることになる。
【００２６】
これに対し、式（３）の右辺第２項においては、制約を上回る場合の予測値ｙ^（ｋ＋ｉ｜ｋ）と上限値ｙ−の差のみならず、制約を下回る場合の予測値ｙ^（ｋ＋ｉ｜ｋ）と上限値ｙ−の差に基づいたペナルティが同第１項に加えられる。つまり、図５に示す上限値ｙ−を上回る分と、上限値ｙ−を下回る分の総和に基づくペナルティが式（３）の右辺第１項に加えられる。そのため、オリジナルの目標値ｒｋを上回る修正目標値ｗが最適値として決定され得る。従って、予測区間において予測値ｙ^（ｋ＋ｉ｜ｋ）が制約に一度も抵触しない場合においても修正目標値ｗを上側に修正して、制約により近い高温側でのＤＰＦ温度制御が実現可能となる。
【００２７】
ところで、上述の実施の形態では、本発明に係る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、本発明に係る制御装置は、図６の（ａ）−（ｉ）に示すように、制御対象をディーゼルエンジン本体（ＤＥ）とすることができる。
【００２８】
制御対象がディーゼルエンジン本体である場合、図６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６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）にすることもできる。
【００２９】
また、図６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６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。
【００３０】
さらに、図６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率の協調制御にも適用することができる。
【００３１】
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６の（ｆ）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）と可変ノズル開度とにすることができる。また、図６の（ｇ）に示すように、制御入力を低圧ＥＧＲシステムのＥＧＲ弁開度と高圧ＥＧＲシステムのＥＧＲ弁開度と可変ノズル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。また、図６の（ｈ）及び（ｉ）に示すように、制御出力を低圧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）と過給圧とにすることもできる。
【００３２】
さらに、本発明に係る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。
【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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