(57)【要約】【課題】プラントの状態量に課せられた制約が充足されるようにリファレンスガバナを用いて修正目標値を演算するにあたり、予測モデルのサンプリング時間を適正化することにより、高い制約充足性を得られるようにする。【解決手段】リファレンスガバナは、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の予測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サンプリング時間毎に計算し、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。この際、リファレンスガバナは、制御出力の高周波成分及び低周波成分に対してフーリエ変換を行いそれぞれのパワースペクトルを演算し、それぞれのパワースペクトルがピークとなる周波数を２倍し、そしてそれぞれの周波数の逆数の最大公約数をサンプリング時間として決定する。【選択図】図６
2017016461.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
プラントの制御出力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予測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サンプリング時間毎に計算し、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、前記制御出力の高周波の周波数成分及び低周波の周波数成分をそれぞれ抽出し、抽出されたそれぞれの周波数成分に対してフーリエ変換を行いパワースペクトルを演算し、演算されたパワースペクトルがピークとなる周波数の２倍の周波数をそれぞれ演算し、演算されたそれぞれの周波数の逆数の最大公約数を前記サンプリング時間として決定することを特徴とするプラント制御装置。
【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】
従来、例えば特許文献１には、内燃機関の制御出力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当該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、当該内燃機関と当該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をモデル化した予測モデルを用いて当該内燃機関の特定状態量の将来の予測値を計算し、当該予測値と当該特定状態量に課せられた制約とに基づいて当該フィードバックコントローラに与えられる目標値を修正するリファレンスガバナと、を備える内燃機関の制御装置が開示されている。
【０００３】
この制御装置において、リファレンスガバナは、特定状態量（酸化触媒およびＤＰＦの床温、過給圧、ＥＧＲ率等）の将来の予測値および制約と、修正目標値候補と、オリジナルの目標値とを用いて表される評価関数の最適値を最急降下法による繰り返し計算によって探索する。また、リファレンスガバナは、この評価関数を最適化する修正目標値候補、制御量の最終的な修正目標値として決定する。このようにしてオリジナルの目標値が修正され、最終的な修正目標値がフィードバックコントローラに入力されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１４−１３４９６７号公報
【特許文献２】特開平１０−２５２５４９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
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、予測モデルのサンプリング時間の設定である。すなわち、予測モデルが正確になるほど、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複雑となる。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化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。このため、予測モデルのサンプリング時間が長い場合には、出力値の時間応答のピークを捉えることができず、実応答において制約に抵触してしまうおそれがある。上記先行技術は、予測モデルのサンプリング時間の決定方法について特別な思想を持ち合わせていない。
【０００６】
本発明は、上述のような課題に鑑みてなされたもので、プラントの状態量に課せられた制約が充足されるようにリファレンスガバナを用いて修正目標値を演算するにあたり、予測モデルのサンプリング時間を適正化することにより、高い制約充足性を得られるようにすることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
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、
プラントの制御出力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予測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サンプリング時間毎に計算し、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、前記制御出力の高周波の周波数成分及び低周波の周波数成分をそれぞれ抽出し、抽出されたそれぞれの周波数成分に対してフーリエ変換を行いパワースペクトルを演算し、演算されたパワースペクトルがピークとなる周波数の２倍の周波数をそれぞれ演算し、演算されたそれぞれの周波数の逆数の最大公約数を前記サンプリング時間として決定することを特徴としている。
【発明の効果】
【０００８】
第１の発明によれば、リファレンスガバナは、プラントの制御出力から高周波の周波数成分と低周波の周波数成分を抽出し、それぞれの周波数成分から演算されるパワースペクトルのピークの周波数の２倍の周波数の逆数を演算する。そして、リファレンスガバナは、これらの逆数の最大公約数を予測モデルのサンプリング時間として決定する。パワースペクトルを用いて周波数解析を行うと、最も強いピークの周波数成分を簡易に取り出すことができる。そして、この最も強いパワースペクトルの２倍に相当する周波数をそれぞれ演算し、これらの最大公約数によってサンプリングを行うこととすれば、高周波成分及び低周波成分のそれぞれにおいて、最も強い周波数成分を取り逃すことなく取り出すことができる。このため、本発明によれば、予測モデルを用いて演算される予測値の精度を向上させることができるので、プラントの特定状態量の高い制約充足性を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【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】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を示す図である。
【図３】本発明の実施の形態１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】予測モデルにおける制御出力の時間応答を示す図である。
【図５】プラント制御装置が予測モデルのサンプリング時間を決定する制御構造を模式的に示した図である。
【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】
【００１０】
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。
【００１１】
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制御装置である。ディーゼルエンジン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。
【００１２】
制御対象プラントであるディーゼルエンジンは、排気系から吸気系へ排気を再循環させるＥＧＲ装置と排気エネルギを利用して吸気を過給するターボ過給機とを備えている。ＥＧＲ装置は、特定状態量であるＥＧＲ率を制御するためのアクチュエータとして、ＥＧＲ通路の途中にＥＧＲ弁を備えている。また、ターボ過給機は、特定状態量である過給圧を制御するアクチュエータとしてタービンに可変ノズルを備えている。
【００１３】
特定状態量であるＥＧＲ率及び過給圧には許容できる上限が存在し、これらがＥＧＲ装置によるＥＧＲ制御及びターボ過給機における過給圧制御の制約となっている。本実施の形態に係るプラント制御装置は、特定状態量であるＥＧＲ率及び過給圧が制限（上限値）に抵触しないようにしながら、過給圧とＥＧＲ率のそれぞれを目標値に追従させるようにディーゼルエンジンの制御入力であるＥＧＲ弁開度や可変ノズル開度を決定する。その制御構造が図１に示す目標値追従制御構造である。
【００１４】
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、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を備えている。目標値マップは、ディーゼルエンジン（ＤＥ）の運転条件を示す外生入力ｄ＝［エンジン回転速度；燃料噴射量］が与えられると、ディーゼルエンジンの制御量の目標値ｒ＝［ＥＧＲ率目標値；過給圧目標値］を出力する。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。
【００１５】
リファレンスガバナは、制御量の目標値ｒが与えられると、制御出力ｙ＝［ＥＧＲ率及；過給圧］に関する制約が満たされるように目標値ｒを修正し、修正目標値ｗ＝［ＥＧＲ率修正目標値；過給圧修正目標値］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。
【００１６】
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修正目標値ｗが与えられると、ディーゼルエンジンの各状態量ｘ＝［ＥＧＲ率；過給圧］を修正目標値ｗに近づけるように、フィードバック制御によってディーゼルエンジンの制御入力ｕ＝［ＥＧＲ弁開度；可変ノズル開度］を決定する。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できる。
【００１７】
図２は、図１に示した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を示す図である。図１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２に示すフィードフォワード構造では１つのモデルとされている。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】
2017016461.tif 000003
【００１８】
リファレンスガバナは、上記の式（１）で表される予測モデルを用いてディーゼルエンジンの制御出力ｙの予測値ｙ1,i及びｙ2,iを計算する。本実施の形態における制御出力ｙ1及びｙ2はＥＧＲ率および過給圧であり、制御出力ｙ1及びｙ2にはそれぞれ制約が課せられている。制御出力ｙ1及びｙ2がその上限値ｙ1-及びｙ2-以下であることが制御出力ｙ1及びｙ2に課せられた制約である。制御出力予測値ｙ1,i及びｙ2,iの計算には、状態量ｘおよび外生入力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ｙ1,i及びｙ2,iと制御出力上限値ｙ1-及びｙ2-とに基づき、次式（２）で表される評価関数Ｊ（ｗ）を用いて修正目標値ｗを計算する。
【数２】
2017016461.tif 000004
【００１９】
式（２）に示した評価関数Ｊ（ｗ）の右辺第１項は、修正目標値候補ｗを変数とする目的関数である。この目的関数は、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取るように構成されている。評価関数Ｊ（ｗ）の右辺第２項および第３項は、上記式（１）により異なる２つの制御出力ｙ1及びｙ2を将来予測した出力予測値ｙ1,i及びｙ2,iの重み付き和によって演算される項である。ρ1およびρ2は、重み係数である。また、Nhは予測ホライズン（予測ステップ数）である。なお、本実施の形態のプラント装置において利用可能な評価関数は上式（２）に限らず、修正目標値ｗを計算するための他の公知な評価関数を幅広く用いることができる。
【００２０】
図３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３に示すように、本実施の形態では、修正目標値ｗの候補に対して、現在のディーゼルエンジンの運転条件に基づく閉ループシステムの将来予測と、この予測結果を用いた評価関数Ｊ（ｗ）の演算とが有限回反復される。これにより、上式（２）に示す評価関数Ｊ（ｗ）を最小にする修正目標値ｗの候補を選択し、最終的な修正目標値ｗとして決定する。
【００２１】
ここで、閉ループ系の予測モデルを同定する場合においては、予測モデルを精緻にするほど制御出力の時系列応答を細かく再現することができる。しかしながら、その一方で、予測モデルを精緻にするほど予測で生じる制御出力の時系列応答が複雑になる。このため、予測モデルのサンプリングの時間間隔（サンプリング時間）の設定によっては、例えば応答のピークを離散時間から再現することができず、実際の応答において制約に抵触してしまう可能性がある。この場合、燃費の悪化や排気エミッションの悪化等の問題が生じるおそれがある。
【００２２】
そこで、本実施の形態のプラント制御装置では、予測モデルにおける制御出力の応答特性を取り入れて適正なサンプリング時間を決定することとしている。以下、図４及び図５を参照して、本実施の形態のプラント装置がサンプリング時間を決定する制御手順について詳細に説明する。
【００２３】
図４は、予測モデルにおける制御出力の時間応答を示す図であり、図中（Ａ）は元の時間応答を、図中（Ｂ）は元の応答から抽出した低周波成分の時間応答を、図中（Ｃ）は元の応答から抽出した高周波成分の時間応答を、それぞれ示している。また、図５は、プラント制御装置が予測モデルのサンプリング時間を決定する制御構造を模式的に示した図である。
【００２４】
図５に示す制御構造はリファレンスガバナの内部に備えられた制御構造であって、複数の演算部により構成されている。演算部１０１は、ローパスフィルタとしての機能を備えた制御ブロックであり、制御出力の時間応答の元の信号の入力を受けて、所定の周波数よりも小さい低周波の周波数成分のみを抽出し次の演算部１０２及び演算部１０３へ出力する。例えば、図４（Ａ）に示すような制御出力の時間応答の元の信号から低周波成分を抽出すると、図４（Ｂ）に示すような時間応答が得られる。
【００２５】
演算部１０２は、元の信号から演算部１０１から出力された低周波成分を差し引くことにより、所定の周波数以上となる高周波の周波数成分のみを抽出し、次の演算部１０３へ出力する。例えば、図４（Ａ）に示すような制御出力の時間応答の元の信号から高周波成分を抽出すると、図４（Ｃ）に示すような時間応答が得られる。
【００２６】
演算部１０３は、入力された低周波成分に対してフーリエ変換を行いパワースペクトルを演算する。また同様に、演算部１０４は、入力された高周波成分に対してフーリエ変換を行いパワースペクトルを演算する。なお、パワースペクトルは、入力された時間信号を所定の周波数バンド幅毎のパワー（スペクトル密度）として表したものであって、フーリエ変換を用いた解析手法によって演算することができる。なお、フーリエ変換によってパワースペクトルを演算する方法は本発明の要部ではなく既に公知の解析手法であるため、その詳細な説明は省略する。
【００２７】
演算部１０５は、演算部１０３において演算された低周波成分のパワースペクトルの強さ（スペクトル密度）がピークとなる周波数の２倍の周波数を演算する。また同様に、演算部１０６は、演算部１０４において演算された高周波成分のパワースペクトルの強さ（スペクトル密度）がピークとなる最大周波数成分の２倍の周波数を演算する。サンプリング定理によれば、最大周波数成分の２倍の周波数でサンプリングを行うと、その離散信号から元の連続信号を再現することができる。ここでは、ピークとなる周波数の２倍の周波数を演算することもより、最も重要な周波数成分をサンプリングするために必要な周波数が特定される。
【００２８】
演算部１０７は、演算部１０５において演算された周波数の逆数を演算し、その値を低周波成分の予測サンプル時間とする。また、演算部１０８は、演算部１０６において演算された周波数の逆数を演算し、その値を高周波成分の予測サンプル時間とする。演算部１０９は、演算部１０７において演算された低周波成分の予測サンプル時間と演算部１０８において演算された高周波成分の予測サンプル時間との最大公約数を演算し、その値を予測モデルのサンプリング時間とする。
【００２９】
このように、本実施の形態のプラント制御装置によれば、高周波及び低周波の周波数帯域において、それぞれ最もスペクトル密度の高い周波数の信号を取り逃すことがないため、より適切な修正目標値を算出して高い制約充足性を満たすことができる。
【００３０】
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。
【００３１】
上述の実施の形態では、制御対象プラントをディーゼルエンジン本体（ＤＥ）とし、制御入力を可変ノズル開度（ＶＮ開度）とＥＧＲ弁開度とし、制御出力を過給圧とＥＧＲ率とした。しかしながら、制御対象プラントであるディーゼルエンジンの制御入力及び制御出力の組み合わせはこれに限られず、図６の（ａ）−（ｉ）に示すような種々の制御入力及び制御出力の組み合わせに適用することができる。
【００３２】
より詳しくは、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のみに適用することもできる。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。
【００３３】
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制御のみに適用することもできる。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。
【００３４】
さらに、上述の実施の形態と同様に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場合、図６の（ｅ）に示すように、制御入力は可変ノズル開度とＥＧＲ弁開度とディーゼルスロットル開度とにすることもできる。
【００３５】
制御対象プラント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。
【００３６】
さらに、本発明に係るプラント制御装置が適用される制御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。
【００３７】
また、本発明に係るプラント制御装置は、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）とを備えるディーゼルエンジンの後処理システムに適用してもよい。この場合、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用いることができる。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。そこで、本発明に係るプラント制御装置にディーゼルエンジンの後処理システムを適用する場合には、ＤＯＣとＤＰＦのそれぞれについて温度モデルを用意し、それらを用いてリファレンスガバナによる将来予測を行う構成とすればよい。
【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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