(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
動作量ｂ１，…ｂＢがあらかじめ設定されている際に、技術システム（Φ）の操作量ｓ１，…，ｓＳの最適値を決定する方法であって、
ここで当該操作量の最適値の決定は、システム特性ｙ１，…，ｙＮの、あらかじめ与えられた目的関数
ｚ＝ｇ（ｙ１，…，ｙＮ）、ただしｙｉ＝Φｉ（ｓ１，…，ｓＳ，ｂ１，…ｂＢ）
を最適化する目的で行われる形式の、操作量の最適値を決定する方法において、
ａ）  関数ｆｉ（ｗ１，…，ｗＷ，ｘ１，…，ｘＳ＋Ｂ）の集合を使用し、
該関数のパラメータｗ１，…，ｗＷを設定して、当該関数ｆｉが前記システムをモデリングするようにし、ここで当該モデリングは、前記関数ｆｉが、その変数ｘ１，…，ｘＳ＋Ｂの関数として、あらかじめ定めた距離尺度について前記システム関数Φｉを近似するという意味で行われ、
ｂ）ｗ１，…，ｗＷおよびｂ１，…，ｂＢの値が固定されている際に関数
ｇ（ｆ１（ｗ１），…，ｗＷ，ｓ１，…，ｓＳ，ｂ１，…，ｂＢ），…，
ｆＮ（ｗ１，…，ｗＷ，ｓ１，…，ｓＳ，ｂ１，…，ｂＢ））
を最適化することによって、前記操作量ｓ１，…，ｓＳを決定することを特徴とする、
技術システムの操作量の最適値を決定する方法。
【請求項２】
前記の関数ｆｉ（ｗ１，…，ｗＷ，ｘ１，…，ｘＳ＋Ｂ）の集合は人工的ニューラルネットワークにより表される
請求項１記載の方法。
【請求項３】
前記の関数ｆｉ（ｗ１，…，ｗＷ，ｘ１，…，ｘＳ＋Ｂ）の集合は数値のテーブルにより表され、該数値のテーブルは、電子的データ処理システムのメモリユニット内に記憶されているようにした
請求項１記載の方法。
【請求項４】
前記の関数の集合ｆｉ（ｗ１，…，ｗＷ，ｘ１，…，ｘＳ＋Ｂ）は電子的回路装置により表され、該電子的回路装置は電子的データ処理システムの構成部分であり、該電子的データ処理システムの構成部分は当該の方法を実施するか、又は、そのような電子的データ処理システムと共働するようにした
請求項１から３までのうちいずれか１項記載の方法。
【請求項５】
技術システムの制御のための請求の範囲１から４までのうち１つに記載の方法の使用法において、
上記目的関数ｚは制御器の制御誤差であり、亦、該制御器の操作量は当該方法を用いて求められる使用法。
【請求項６】
制御器（Ｒ）を用いて技術システム（Φ）の制御を行うための制御システムにおいて、
ａ）制御器は、被制御システム（Φ）の動作量ｂ１，…ｂＢに対してあらかじめ与えられた値に基づいて、制御誤差ｚを最小化することにより、被制御システム（Φ）に対する操作量ｓ１，…，ｓＳを求め、
ｂ）被制御システム（Φ）は、ｙｉ＝Φｉ（ｓ１，…，ｓＳ，ｂ１，…ｂＢ）なるシステム特性ｙ１，…，ｙＮに対する測定値を送出し、
該測定値は制御誤差ｚ＝ｇ（ｙ１，…，ｙＮ）の決定のため使用され、
ｃ）制御誤差の最小化を次の手段により行い、即ち、
ｃ１）関数ｆｉ（ｗ１，…，ｗＷ，ｘ１，…，ｘＳ＋Ｂ）の集合を使用し、
該関数パラメータｗ１，…，ｗＷを設定して、当該関数ｆｉが前記システムをモデリングするようにし、ここで当該モデリングは、前記関数ｆｉにより、その変数ｘ１，…，ｘＳ＋Ｂの関数として、あらかじめ定めた距離尺度について前記システム関数Φｉが近似されるという意味で行われ、
ｃ２）ｗ１，…，ｗＷおよびｂ１，…，ｂＢの値を固定した際に関数
ｇ（ｆ１（ｗ１，…，ｗＷ，ｓ１，…，ｓＳ，ｂ１，…，ｂＢ），…，
ｆＮ（ｗ１，…，ｗＷ，ｓ１，…，ｓＳ，ｂ１，…，ｂＢ））
を最適化することによって、前記操作量ｓ１，…，ｓＳを決定することを特徴とする
制御システム。
【発明の詳細な説明】
本発明は技術システム（Φ）の操作量の最適値を決定する方法に関する。ここでこのような技術システムは、例えば電気的、機械的、化学的その他の任意の性質のものとすることが可能である。このようなシステム（Φ）の例は、車両の内燃機関であり、該内燃機関はそのシステム特性ｙ１，…，ｙＮのうちのいくつかについて、例えばＮＯＸ（窒素酸化物）排出物、ＣＯ（一酸化炭素）排出物、燃料消費量又は機関出力等に関して最適化されるべきものである。ここで、当該量ｙ１，…，ｙＮは全体として最適化されるべき非線形であることもあるグローバルな目的関数ｚ＝ｇ（ｙ１，…，ｙＮ）で様々に大きさで重み付けされ得る。
システム特性ｙ１，…，ｙＮは通常、システムの動作条件に依存する。このシステム条件は動作量ｂ１，…，ｂＢ（ガソリン機関の場合、例えば回転数、トルク等）と、操作量ｓ１，…，ｓＳ（ガソリン機関の場合例えば点火角、噴射時点）とにより表される。ここで、動作量はユーザの希望又は他の状況により定められる。ガソリンエンジンの場合、例えば運転者はアクセルペダルを用いて回転数を設定して、所望の変速比のもとで所定の速度で走行する。ここでは操作量ｓ１，…，ｓＳは次のように調整されねばならない（換言すれば、エンジンは当該例にて次のように制御されねばならない）。即ち所望ないし所定の動作量が実際にも調整されるように調整ないし制御されねばならないのである。
上記問題には一般的に一義的な解決手法がない。一般的に周知のように、スポーティな運転者もれいば、省エネを旨とする運転者もいる。したがって操作量ｓ１，…，ｓＳの調整状態に応じて、同じ動作量ｂ１，…，ｂＢのもとでシステム特性ｙ１，…，ｙＮ（燃料消費、有害物排出）に対して種々異なる値、ひいては目的関数ｚ＝ｇ（ｙ１，…，ｙＮ）に対して種々の異なる値が生じる。したがって操作量を調整して、あらかじめ与えられた目的関数を最適化することが望ましいのである。
少なくとも産業上関心が持たれる技術システムでは、操作量および動作量と、システム特性との間の関係は、閉じた形態で量的に既知である。この理由により、最適化の際、一般的にこの技術システム自体による実験をよりどろにする。そのような実験は屡々過度に高価であり、又は安全上の理由から禁止される。
本発明の目的ないし課題とするところは、技術システムに対して実験せずに、またシステムモデルが閉じた形態で存在しなくても、上述の技術システムの操作量の最適値を決定できる方法を提供することにある。
上記課題は、本発明により、請求の範囲１の構成要件を有する、技術システム（Φ）の操作量ｓ１，…，ｓＳの最適値を決定する方法によって解決される。当該の最適値を決定する方法において、関数ｆｉ（ｗ１，…，ｗＷ，ｘ１，…，ｘｓ＋Ｂ）の集合を使用し、この関数パラメータｗ１，…，ｗＷを設定して、この関数ｆｉが上記システムをモデルリングするようにし、ここで当該モデリングは、前記関数ｆｉが、その変数ｘ１，…，ｘＳ＋Ｂの関数として、あらかじめ定めた距離尺度について前記システム関数Φｊを近似するという意味で行われ、ｗ１，…，ｗＷ及びｂ１，…，ｂＢの値が固定されている際に関数ｇ（ｆ１（ｗ１，…，ｗＷ，ｓ１，…，ｓＳ，ｂ１，…，ｂＢ），…，ｆＮ（ｗ１，…，ｗＷ，ｓ１，…，ｓＳ，ｂ１，…，ｂＢ））を最適化することによって上記の操作量ｓ１，…，ｓＳを決定するのである。要するに技術システムは最適化の目的でパラメトリック関数モデルにより表され、ここで、上記モデルのパラメータはつぎのように適合化される。即ち、この関数モデルが十分な精度で技術システムを近似するように適合化されるのである。それによりパラメータの適合化に必要な、システム特性の測定が、本来の最適化過程から分離される。したがって当該の測定は特に有利な条件下で実施することができ、該測定は−実験による最適化の場合と異なって−最適化方法の要件の影響をもはや受けない。
上記方法のさらなる利点はつぎの通りである。
−  関数ｆｉ（ｗ１，…，ｗＷ，Ｘ１，…，ｘｓ＋Ｂ）の集合のパラメータｗ１，…，ｗＷを新たに設定する必要なく目的関数を変化させ得る、
−  種々異なる動作量の設定により、当該システムを種々の動作点で付加的コストなしで最適化し得る。
−  存在するシステムモデル（関数集合）を、さらなるシステムのモデリングのための出発点として使用し、ひいては別のシステムのモデリングを加速するという利点が得られる。
本発明の発展形態は従属請求項に示されている。
図１は、技術システムを制御する、閉じられた制御ループを有する制御システムを示す。ここで制御器は、本発明の方法を使用して操作量を求める。
つぎに図示の有利な実施例を用いて本発明を説明する。
このためにあらかじめ設定した動作量ｂ１，…，ｂＢで作動される技術システム（Φ）、例えばガソリンエンジンを考察する。当該システムは複数の操作量の値を適当に選定することにより、動作状態ｂ１，…，ｂＢに移行する。当該動作状態において上記システムは、ｙｉ＝Φｉ（ｓ１，…，ｓＳ，ｂ１，…，ｂＢ）なる特性ｙ１，…，ｙＮを有する。要するにシステムの特性は与えられた動作状態においてもなお操作量の値に依存するのである。
大抵の技術システムでは与えられた動作量のもとで操作量の選択は一義的でなく、むしろ極めて異なったやり形で操作量を設定することができるのであるが、上記の与えられた動作量が得られるのである。したがって一般に操作量をつぎのように選定することが好まれる。即ち、あらかじめ設定された目的関数ｚ＝ｇ（ｙ１，…，ｙＮ）が最適化されるという意味でシステム特性が最適化されるように選定することが好まれるのである。
本発明は、適当な関数ｆｉ（ｗ１，…，ｗＷ，ｘ１，…，ｘｓ＋Ｂ）の集合を用いて当該課題を解決する。上記関数の集合はシステムないしシステム関数ｙｉ＝Φｉ（ｓ１，…，ｓＳ，ｂ１，…，ｂＢ）を所定の距離尺度に関して近似する。パラメータｗ１，…，ｗＷに依存し、所定の精度内で任意の技術システムの特性をモデリングし得る関数系は当業者には多数公知である。その例を挙げれば直交関数系、補間多項式、スプライン関数等である。エンジニア向け数値数学又は近似化理論に関する標準の著書においてパラメータｗ１，…，ｗＷを決定するための数値技術が多数見出され、上記パラメータに対して、選択された関数系により、与えられた技術システムが十分精確に近似、即ちモデリングされる。
所謂人工的ニューラルネットワークも結局パラメトリックな関数系であり、該関数系ではパラメータは屡々（シナプス）重み又は重み係数とも称される。ニューラルネットワークは、重み（パラメータｗ１，…，ｗＷ）及び当該重みを設定し得る特に有効な学習プロセスへの依存性が非線形的であるために、ほぼ任意の技術システムのモデリングに特に適する。更に技術システムは簡単に特別な回路装置により表され得る。そのような特別な回路装置は本発明の実施のためのデータ処理システムと共働し得る。ニューラルネットワークの前述の特性は人工的なニューラルネットワークに就いての広範な文献から公知である。
当該の関数系のパラメータを設定して、この関数系により、考察する技術システムがモデルリングされるようにした後、即ち十分な精度で近似化されるようにした後、本発明の特別な実施例において、当該関数系を数値のテーブルの生成のために使用することができ、ここでこのテーブルは、当該システムのすべての関数の値を、その変数ｘ１，…，ｘｓ＋Ｂの十分な多くの値に対して、エントリとして含む。本発明の目的のために当該のテーブルは関数系を表す。このようにすることの利点は、当該のテーブルが例えばデータ処理システムのメモリユニットに記憶できることである。それにより、プロセッサ能力及び亦特別な回路技術が、関数値の計算のために不要になる。
しかしながら上述の関数系は特別なソフトウエアルーチンによっても表され得、ここで、上記ルーチンは本発明の実施のためデータ処理システムにより実施され得る。
所定の技術システムのモデリングのため当業者がどのような関数系を選定するか、そして亦どのように所定の適用例に対して当該の関数系を表すか（テーブルとして、特別な回路として、ソフトウエアルーチンとして等々）は適用例の特別な条件に依存する。
関数のパラメトリックな集合の形態をした、技術システムのこのようなモデルは、本発明により、当該技術システムを置換するために使用される。ここでこの置換は、目的関数ｚ＝ｇ（ｙ１，…，ｙＮ）をつぎの意味で最適化するために行われる。即ち、ｗ１，…，ｗＷ及びｂ１，…，ｂＢの値が固定されている際に、関数ｇ（ｆ１（ｗ１，…，ｗＷ，ｓ１，…，ｓＳ，ｂ１，…，ｂＢ），…，ｆＮ（ｗ１，…，ｗＷ，ｓ１，…，ｓＳ，ｂ１，…，ｂＢ））を最適化することにより、操作量ｓ１，…，ｓＳが決定されるという意味で最適化するために行われるのである。当該の置換により、未知のシステム特性ｙ１，…，ｙＮの関数ｚ＝ｇ（ｙ１，…，ｙＮ）はつぎのような関数になる、即ち、既知であり固定のパラメータｗ１，…，ｗＷ及びｂ１，…，ｂＢの関数であり、かつ決定可能であり変化する操作量ｓ１，…，ｓＳの関数になる。
当該関数の最適化のため、いずれの任意の最適化方法をも使用し得る。当該者にはエンジニア向けの数学に関する文献から極めて様々な最適な手法が多数公知である。それらの手法のうち、どれが具体的な適用例に適するかは当該の適用例の特別な条件に依存する。
考えられる最適化手法は所謂勾配法である。当該方法はつぎのような場合に適する。即ち最適化すべき目的関数の求める最適状態が、ローカルの最適状態（ローカルな最小又は最大）であり、かつ目的関数が十分に滑らかである場合に適する。ここで、操作ｓ１，…，ｓＳの初期の推移値ｓｉｏ（これは求める最適状態の引き込み範囲内に存在しなければならない）を出発して、操作量をステップ的に下記関係式
0003887414.tif 000002
により変化させる。ここでηはあらかじめ定められるファクタであり、その値は適用例の特別条件に依存して選定すべきものである。エンジニア向けの数学関係文献により、最適化法を成功させるためにηに対して値をどのように選定すればよいかが示されている。しかしながら本発明は他の、例えば統計的最適化手法（Simulated Annealing,Random Walk等）と組み合わせても有効に実施することができる。当該の問題対象に対して、多数の関連する技術家、エンジニア向けに記載された教科書及び専門刊行物が存在し、それらを用いて当業者はその適用例に適する最適化手法を容易に選択して実施することが可能である。
与えられた技術システムΦに対してパラメトリック関数モデルが存在する場合、そこから屡々、類似のシステムΨに対して更なる関数モデルをつぎのように作成することができる。即ち、−既存のモデルのパラメータ値を基にして−当該パラメータを変化させ、システムΨがモデリングされるようにするのである。それにより、パラメトリック関数モデルの準備作成のためのコストを大幅に低減できる。
本発明の方法は有利には、技術システムの操作量を閉ループにてつぎのように設定するために使用することができる。即ち、この閉ループの制御誤差が最小化されるように設定するために使用することができるのである。図１は当該適用例の略示図である。本発明のこの実施形態では、制御すべきシステムΦは、パラメトリック関数系によって制御ループ内でモデリングされる。このような適用例では、（例えば電子制御システムのＲＯＭ，ＥＥＰＲＯＭに）記憶された数値テーブルを用いて又は特別な回路装置（例えばＡＳＩＣ）を用いて、当該のパラメトリック関数モデルを表すのが一般的に有利である。そのようにして、技術システム（Φ）を制御する、下記の構成要件を備えた制御システムを構成し得る。即ち、
ａ）制御器は、被制御システム（Φ）の動作量ｂ１，…，ｂＢに対して与えられた値に基づいて、請求項５に記載された制御誤差ｚを最小化するにより、この被制御システムに対する操作量を求め、
ｂ）被制御システム（Φ）は、ｙｉ＝Φｉ（ｓ１，…，ｓＳ，ｂ１，…，ｂＢ）なるシステム特性ｙ１，…，ｙＮに対する測定値を送出し、ここで該測定値は制御誤差ｚ＝ｇ（ｙ１，…，ｙＮ）の決定のために使用される。
本発明の制御システムの有利な実施例では、制御誤差は、システム特性ｙ１，…，ｙＮと、当該のシステム特性に対する設定値ｙ１Ｓｏｌｌ，…，ｙＮＳｏｌｌとから求められる。ここで一般的に殊に有利であるのは、システム特性ｙ１，…，ｙＮと、該システム特性に対する設定値ｙ１Ｓｏｌｌ，…，ｙＮＳｏｌｌとからｚ＝ｇ（ｙ１−ｙ１Ｓｏｌｌ，…，ｙＮ−ｙＮＳｏｌｌ）の形態で前記制御誤差を求める場合である。
0003887414.tif 000003