CN107391441A - 软传感器装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开软传感器装置，通过使用多个处理器核的计算而获取作为推测对象的状态变量。在用将状态变量x、将状态变量x作为独立变量的内部函数g(x)以及能够观测的输入变量u作为独立变量的函数f(x，g(x)，u)表现状态变量x的时间微分dx/dt的情况下，通过第二核计算用内部函数g(x)定义的中介变量v。第一核使用状态变量x、中介变量v以及输入变量u的各值计算函数f(x，v，u)，通过函数f(x，v，u)的值的时间积分得到状态变量x的值。在函数f(x，v，u)的计算中使用在上次处理中计算出的状态变量x的值、在上次处理中第二核计算出的中介变量v的值以及在本次处理中输入的输入变量u的值。

Description

软传感器装置
技术领域
本发明涉及通过计算来获取状态变量的软传感器装置。
背景技术
近年来，并不实际测量而通过计算来推测包括温度、压力、速度、加速度、角速度、电压、电流、电阻值等各种物理量的状态变量的软传感器有关的研究得到发展。软传感器是用函数描述了在希望推测的状态变量与能够观测的输入变量之间成立的关系的软件。通过将该软件安装到计算机，作为与以往的传感器同样的“装置”发挥功能。在本说明书中，将作为软件的软传感器安装于作为硬件的计算机而形成的装置称为“软传感器装置”。
在软传感器装置中，与以往的传感器同样地要求响应性。即，要求缩短直至获取希望推测的状态变量所需的时间。包括软传感器装置的计算装置的运算能力是能够通过提高核的工作频率来提高。但是，从电力效率的观点来看，在利用工作频率的高频率化实现高性能化时存在界限。因此，近年来，例如日本特开2014-211113号公报所公开那样，在一个半导体芯片上搭载有多个处理器核的多核处理器、进而搭载有更多的处理器核的许多核处理器(many-core processor)得到关注。根据多核处理器、许多核处理器，如果处理相同量的运算，则相比于单核处理器，工作频率低也可以。进而，通过将应处理的任务分配到多个核而并行计算，从而相比于用单一核进行计算的情况，能够缩短运算时间。
但是，在使用多核处理器、许多核处理器时，需要留意软传感器的算法具有的顺序性。根据阿姆达定律(amdahl's law)，在使用N个处理器核来执行可并行化的部分的执行时间的比例是a的程序的情况下，用S＝1/((1－a)+a/N)表示整体的性能提高率S。由此可知，在具有顺序性高的算法的程序的情况下，难以通过增加核数量来提高性能。另外，越增加核数量，与核之间的数据的交换相伴的延迟也越显著。因此，仅仅通过将多核处理器、许多核处理器应用于软传感器装置，则无法充分地提高性能。
专利文献
专利文献1：日本特开2014-211113号公报
发明内容
本发明是鉴于上述课题而完成的，其目的在于在通过使用多个处理器核的计算而获取作为推测对象的状态变量的软传感器装置中，谋求缩短状态变量的获取所需的运算时间。
在作为推测对象的状态变量的值与能够观测的输入变量相关地变化的情况下，用于通过计算来推测该状态变量的软传感器用以下的式1表示。在本说明书中，用“x”表示作为推测对象的状态变量，用“u”表示能够观测的输入变量。其中，“x”是将一个或者多个状态量作为分量的矢量，“u”是将一个或者多个输入信号作为分量的矢量。
【式1】
如式1所示，在软传感器中，用将状态变量x、将状态变量x作为独立变量的内部函数g(x)以及输入变量u作为独立变量的函数f(x，g(x)，u)，表现状态变量x的时间微分dx/dt。从在函数f(x，g(x)，u)中存在内部函数g(x)可知，软传感器具有顺序性的构造。因此，在直接计算式1时，首先计算内部函数g(x)，接着计算函数f(x，g(x)，u)，所以在状态变量x的获取中需要时间。
因此，本申请所涉及的发明人如以下说明那样尝试使式1的计算并行化。
首先，准备如以下所述用内部函数g(x)定义的中介变量v。
【式2】
v＝g(x)…(2)
接下来，通过对式2的两边进行时间微分并且使用式1的关系，得到下式3。式3的右边用内部函数g(x)关于状态变量x的偏微分与函数f(x，v，u)之积来表示。
【式3】
通过组合式1和式3，得到式4所示的等价方程式。
【式4】
式4的右边的第一行是函数f(x，v，u)，但其输入是状态变量x(t)、中介变量v(t)以及输入变量u(t)。另外，第2行是偏微分与函数f(x，v，u)之积，但它们的输入也是状态变量x(t)、中介变量v(t)以及输入变量u(t)。状态变量x(t)、中介变量v(t)以及输入变量u(t)都是根据时间决定的变量，而不是其它变量的函数。即，在式4中，不包括顺序性的构造。
式4是用于并行化地进行式1的计算的一个选择，是能够消除式1具有的顺序性的构造的特别的选择。消除算法具有的顺序性的构造在谋求使使用多个处理器核的运算高速化的方面上是特别重要的事项。本申请的发明人通过将软传感器装置构成为使用多个处理器核来进行用式4表示的并行计算，实现了状态变量x的获取所需的运算时间的缩短。以下，说明本申请的软传感器装置的结构。
本申请的软传感器装置具备：第一运算装置，构成为使用一个处理器核(也可以是多个处理器核)来进行运算；以及第二运算装置，构成为使用与在第一运算装置中所使用的处理器核不同的一个或者多个处理器核来进行运算。在软传感器装置具备多核处理器或者许多核处理器的情况下，第一运算装置和第二运算装置也可以都包含于该单一的多核处理器或者单一的许多核处理器中。
第一运算装置被编程为使用状态变量x、中介变量v以及输入变量u的各值来计算函数f(x，v，u)，进而对函数f(x，v，u)的值进行时间积分，由此得到状态变量x的值。第二运算装置被编程为计算在第一运算装置中被用作输入的中介变量v。在通过第一运算装置计算函数f(x，v，u)时，使用在上次的处理中由第一运算装置计算出的状态变量x的值、在上次的处理中由第二运算装置计算出的中介变量v的值以及在本次的处理中输入的输入变量u的值。
根据这样构成的软传感器装置，在通过第一运算装置计算函数f(x，v，u)时，使用在第二运算装置中预先计算出的中介变量v的值，所以通过由于没有顺序性的处理而实现的高速运算，能够以高的响应性获取希望推测的状态变量x。
详细而言，第二运算装置也可以被编程为使用在上次的处理中由第一运算装置计算出的状态变量x的值、在上次的处理中由第二运算装置计算出的中介变量v的值以及在本次的处理中输入的输入变量u的值，计算偏微分与函数f(x，v，u)之积。即，也可以一体地计算式4的右边第2行分量。在该情况下，第二运算装置也可以被编程为通过对在该计算中得到的值进行时间积分而得到中介变量v的值。
或者，第二运算装置也可以被编程为使用在上次的处理中由第一运算装置计算出的状态变量x的值来计算偏微分并且获取在本次的处理中由第一运算装置计算出的函数f(x，v，u)的值。即，也可以将式4的右边第2行分量分成偏微分和函数f(x，v，u)，仅计算偏微分在该情况下，第二运算装置被编程为通过对将在该计算中得到的偏微分的值和从第一运算装置获取到的函数f(x，v，u)的值相乘而得到的值进行时间积分来得到中介变量v的值。
其中，在内部函数g(x)是用以下的式5表示的由两个以上的n个函数gn，…，g2，g1构成的具有顺序构造的合成函数的情况下，式4能够进一步并行化。
【式5】
g(x)＝gno…og2og1(x)…(5)
在此，如下式6以及式7所示定义中介变量vi。其中，i是大于1且n以下的整数。此外，如式8所示，中介变量vn对应于上述中介变量v。
【式6】
vI＝g1(x)...(6)
【式7】
vi＝gi(vi-1)…(7)
【式8】
v＝vn…(8)
通过对式6以及式7的两边进行时间微分，得到下式9以及式10。
【式9】
【式10】
根据式5所示的关系使用式9以及式10使式4进一步并行化，由此得到式11所示的等价方程式。
【式11】
如果使用多个处理器核进行用式11表示的并行计算，则也可以由第一运算装置进行式11的右边第一行分量的运算，由第二运算装置进行右边第2行至第n+1行的各分量的运算。详细而言，也可以在第一运算装置中进行右边第一行分量的运算，对在运算中得到的值进行时间积分，由此得到状态变量x的值。也可以在第二运算装置中对在运算中得到的第n+1行分量的值进行时间积分，由此得到在第一运算装置中在函数f(x，vn，u)的运算中使用的中介变量vn的值。如果第二运算装置具有多个处理器核，则通过由不同的处理器核分别进行右边第2行至第n+1行的各分量的运算，不仅在第一运算装置中，而且在第二运算装置中也能够实现获取中介变量vn所需的运算时间的缩短。
详细而言，进行式11的右边第i+1行分量的运算的处理器核也可以被编程为使用在上次的处理中由第一运算装置计算出的状态变量x的值、在上次的处理中由其它处理器核计算出的中介变量v1至中介变量vi-1的i－1个中介变量的各值、在上次的处理中由第二运算装置计算出的中介变量v的值以及在本次的处理中输入的输入变量u的值，计算偏微分至偏微分的i个偏微分与函数f(x，v，u)之积，并对其值进行时间积分，由此得到中介变量vi的值。
或者，进行式11的右边第i+1行分量的运算的处理器核也可以被编程为使用在上次的处理中由进行式11的右边第i行分量的运算的其它处理器核计算出的中介变量vi-1的值来计算偏微分 的值，对将偏微分的值和在本次的处理中由其它处理器核计算出的所述式11的右边第i行分量的值相乘而得到的值进行时间积分，由此得到中介变量vi的值。
如以上叙述，根据本申请所涉及的软传感器装置，在通过第一运算装置计算函数f(x，v，u)时，使用在第二运算装置中预先计算出的中介变量v的值，所以通过由于没有顺序性的处理而实现的高速运算，能够以高的响应性获取希望推测的状态变量x。
附图说明
图1是表示将软传感器装置应用于控制系统时的结构例1的图。
图2是表示将软传感器装置应用于控制系统时的结构例2的图。
图3是表示将软传感器装置应用于控制系统时的结构例3的图。
图4是表示软传感器装置具备的处理器的硬件架构的例子的概略图。
图5是表示软传感器装置具备的处理器的软件架构的例子的概略图。
图6是表示实施方式1的软传感器装置的逻辑的块线图。
图7是表示比较例的软传感器装置的逻辑的块线图。
图8是在实施方式1的软传感器装置和比较例中比较运算时间而表示的图。
图9是表示实施方式2的软传感器装置的逻辑的块线图。
图10是在实施方式2的软传感器装置和比较例中比较运算时间而表示的图。
图11是表示实施方式3的软传感器装置的逻辑的块线图。
图12是表示实施方式4的软传感器装置的逻辑的块线图。
图13是应用实施例1的进气压力软传感器装置的内燃机的示意图。
图14是用于说明实施例2的位置软传感器装置的图。
(符号说明)
2：控制器；4：控制对象；10：软传感器装置；100、110、200、210、300、3101～310n、4101～410n：核；101、111、201、211、301、3111～311n、4111～411n：运算器；102、112、202、213、302、3121～312n、402、4131～413n：积分器；212、4121～412n：乘法器。
具体实施方式
1.使用软传感器装置的系统的结构例
本申请的软传感器装置能够应用于监视状态变量x的监视装置。另外，还能够应用于根据控制对象的状态变量x进行针对控制对象的操作的控制系统。在此，说明将本申请的软传感器装置应用于控制系统时的几个结构例。
在图1至图3所示的各结构例中，由控制器2、控制对象4以及软传感器装置10构成控制系统。控制对象4没有限定。其中，通过未图示的传感器(不是软传感器的通常的传感器)观测控制对象4的状态变量(将一个或者多个状态量作为分量的矢量)。该能够观测的状态变量不包含于由软传感器装置10推测的状态变量x。
控制器2的控制方式也没有限定。其中，在控制器2中，根据所观测到的状态变量例如来自操作人员、外部的传感器的外部输入以及由软传感器装置10推测出的控制对象4的状态变量x，生成用于对控制对象4进行控制的操作信号。
在图1所示的结构例1中，从控制器2提供给控制对象4的操作信号被用作针对软传感器装置10的输入变量u。如果状态变量x的变化与针对控制对象4的操作之间存在关系性，则通过制作将操作信号作为输入变量u的函数f(x，g(x)，u)，能够根据操作信号推测状态变量x。
在图2所示的结构例2中，对控制器2提供的外部输入被用作针对软传感器装置10的输入变量u。对控制对象4提供的操作信号是根据外部输入而生成的，所以外部输入与状态变量x之间有时也能找到关系性。如果状态变量x的变化与外部输入之间有关系性，则通过制作将外部输入作为输入变量u的函数f(x，g(x)，u)，能够根据外部输入来推测状态变量x。
在图3所示的结构例3中，能够观测的状态变量被用作针对软传感器装置10的输入变量u。例如，如压力和温度的关系那样，存在两个不同的状态量相互有关系的情况。如果状态变量x的变化与能够观测的状态变量之间有关系性，则通过制作将能够观测的状态变量作为输入变量u的函数f(x，g(x)，u)，能够根据能够观测的状态变量推测状态变量x。
此外，在上述各结构例中，函数f(x，g(x)，u)既可以是根据物理定律对控制对象4进行模型化的函数，也可以是根据经验法则得到的函数。
另外，在上述各结构例中，软传感器装置10和控制器2独立，但两者也可以一体地构成。例如，也可以使一个计算机作为软传感器装置10发挥功能，并且还作为控制器2发挥功能。
2.软传感器装置的构造
软传感器装置10是使用具有多个处理器核(以下简称为核)的多核处理器或者许多核处理器来构成的。图4是表示软传感器装置10的硬件架构的例子的概略图。各核12具备带高速缓存的CPU14和本地存储器16，核12彼此用总线18连接。在本地存储器16中，存储有由CPU14执行的各种程序和在执行该程序时使用的各种数据。另外，虽然省略图示，对总线18还连接有在核之间共享的共享存储器。
图5是表示软传感器装置10的软件架构的例子的概略图。在软传感器装置10中，在各个核12上，不同的OS20工作。另外，在各个OS20上，不同的应用22工作。作为软件的软传感器是这样的应用22之一。与各核12关联的OS20和应用22在每个核12中安装于本地存储器16。在具有这样的软件架构的多核处理器(或者许多核处理器)中，各核12能够独自地执行应用22。在为了执行应用22而需要其它核12的运算结果、其它核12具有的数据的情况下，通过经由总线18的核间通信(OS间通信)来交换数据。
3.软传感器装置的实施方式
以下，参照附图说明软传感器装置的实施方式。
3-1.实施方式1
图6是表示实施方式1的软传感器装置的逻辑的块线图。在实施方式1中，使用两个核100、110来进行用式4表示的并行计算。这些核100、110是图4以及图5所示的多个核12中的一部分。第一核100是构成第一运算装置的核，被编程为进行式4的右边第一行的计算和在该计算中得到的值的积分。第二核110是构成第二运算装置的核，被编程为进行式4的右边第2行的计算和在该计算中得到的值的积分。
第一核100被编程为作为运算器101和积分器102发挥功能。对运算器101输入在上次的处理中第一核100计算出的状态变量x的值、在上次的处理中第二核110计算出的中介变量v的值以及在本次的处理中输入的输入变量u的值。运算器101构成为使用状态变量x、中介变量v以及输入变量u的各值来计算函数f(x，v，u)。通过计算函数f(x，v，u)，得到状态变量x的时间微分dx/dt。通过用积分器102对从运算器101输出的时间微分dx/dt的值进行时间积分，得到作为推测对象的状态变量x的值(本次的处理中的值)。
第二核110被编程为作为运算器111和积分器112发挥功能。对运算器111输入在上次的处理中第一核100计算出的状态变量x的值、在上次的处理中第二核110计算出的中介变量v的值以及在本次的处理中输入的输入变量u的值。运算器111构成为使用状态变量x、中介变量v以及输入变量u的各值，计算内部函数g(x)关于状态变量x的偏微分与函数f(x，v，u)之积、即函数 通过计算函数得到中介变量v的时间微分dv/dt。通过用积分器112对从运算器111输出的时间微分dv/dt的值进行时间积分，得到中介变量v的值(本次的处理中的值)。在下次的处理中通过第一核100计算函数f(x，v，u)时，使用在本次的处理中得到的中介变量v的值。
在此，举出相对于实施方式1的软传感器装置的比较例。图7是表示比较例的软传感器装置的逻辑的块线图。在比较例中，用式1表示的软传感器被安装于单核处理器。
在比较例的软传感器装置中，核900被编程为作为第一运算器901、第二运算器902以及积分器903发挥功能。对第一运算器901输入在上次的处理中核900计算出的状态变量x的值。第一运算器901构成为使用状态变量x的值来计算内部函数g(x)。通过计算内部函数g(x)，得到中介变量v。
对第二运算器902输入在上次的处理中核900计算出的状态变量x的值、在本次的处理中第一运算器901计算出的中介变量v的值以及在本次的处理中输入的输入变量u的值。第二运算器902构成为使用状态变量x、中介变量v以及输入变量u的各值来计算函数f(x，v，u)。通过计算函数f(x，v，u)，得到状态变量x的时间微分dx/dt。通过用积分器903对从第二运算器902输出的时间微分dx/dt的值进行时间积分，得到作为推测对象的状态变量x的值(本次的处理中的值)。
图8是对在实施方式1的软传感器装置和比较例中得到状态变量x的值为止所需的运算时间进行比较而表示的图。在比较例的情况下，函数f(x，g(x)，u)与内部函数g(x)之间有顺序性，所以在内部函数g(x)的计算结束之后利用在该计算中得到的中介变量v的值来计算函数f(x，v，u)。因此，在比较例的情况下，得到状态变量x的值为止所需的运算时间为内部函数g(x)的运算时间、函数f(x，v，u)的运算时间以及时间积分的运算时间的合计时间。
另一方面，在实施方式1的软传感器装置的情况下，在由第一核100进行的函数f(x，v，u)的计算中，使用在上次的处理中由第二核110计算出的中介变量v的值。因此，在实施方式1的软传感器装置中，得到状态变量x的值为止所需的运算时间被缩短至函数f(x，v，u)的运算时间和时间积分的运算时间的合计时间。如从与比较例的比较可知，根据实施方式1的软传感器装置，通过由于没有顺序性的处理而实现的高速运算，能够以高的响应性获取希望推测的状态变量x。
此外，在第二核110中，在得到中介变量v的值之前，需要函数 的运算时间和时间积分的运算时间的合计时间。如图8所示，根据函数的运算量，有时在第二核110中所需要的运算时间比在第一核100中所需要的运算时间长。但是，只要能够在循环(cycle)内完成运算并在下次的处理之前将中介变量v的值交给第一核100，即只要不超时，软传感器装置的响应性就不会被第二核110的运算时间所左右。
3-2.实施方式2
图9是表示实施方式2的软传感器装置的逻辑的块线图。在实施方式2中，使用两个核200、210来进行用式4表示的并行计算。这些核200、210是图4以及图5所示的多个核12中的一部分。第一核200是构成第一运算装置的核，被编程为进行式4的右边第一行的计算和在该计算中得到的值的积分。第二核210是构成第二运算装置的核，被编程为进行式4的右边第2行的计算和在该计算中得到的值的积分。
第一核200被编程为作为运算器201和积分器202发挥功能。对运算器201输入在上次的处理中第一核200计算出的状态变量x的值、在上次的处理中第二核210计算出的中介变量v的值以及在本次的处理中输入的输入变量u的值。运算器201构成为使用状态变量x、中介变量v以及输入变量u的各值来计算函数f(x，v，u)。通过计算函数f(x，v，u)，得到状态变量x的时间微分dx/dt。通过用积分器202对从运算器201输出的时间微分dx/dt的值进行时间积分，得到作为推测对象的状态变量x的值(本次的处理中的值)。
第二核210被编程为作为运算器211、乘法器212以及积分器213发挥功能。对运算器211输入在上次的处理中第一核200计算出的状态变量x的值。运算器211构成为使用状态变量x的值，计算内部函数g(x)关于状态变量x的偏微分对乘法器212输入运算器211计算出的偏微分的值和在本次的处理中第一核200计算出的函数f(x，v，u)的值。乘法器212构成为将所输入的偏微分的值和函数f(x，v，u)的值相乘。在该计算中得到的值与中介变量v的时间微分dv/dt的值等价。通过用积分器213对从乘法器212输出的时间微分dv/dt的值进行时间积分，得到中介变量v的值(本次的处理中的值)。在下次的处理中通过第一核200计算函数f(x，v，u)时，使用在本次的处理中得到的中介变量v的值。
在此，关于运算时间，比较在实施方式1中例示的比较例和实施方式2的软传感器装置。图10是对在实施方式2的软传感器装置和比较例中得到状态变量x的值为止所需的运算时间进行比较而表示的图。在比较例的情况下，如前面所述，函数f(x，g(x)，u)与内部函数g(x)之间有顺序性，所以得到状态变量x的值为止所需的运算时间为内部函数g(x)的运算时间、函数f(x，v，u)的运算时间以及时间积分的运算时间的合计时间。
另一方面，在实施方式2的软传感器装置的情况下，在第一核200中进行的函数f(x，v，u)的计算中，使用在上次的处理中由第二核210计算出的中介变量v的值。因此，在实施方式2的软传感器装置中，得到状态变量x的值为止所需的运算时间被缩短至函数f(x，v，u)的运算时间和时间积分的运算时间的合计时间。即，根据实施方式2的软传感器装置，与实施方式1的软传感器装置同样地，通过由于没有顺序性的处理而实现的高速运算，能够以高的响应性获取希望推测的状态变量x。
此外，在第二核210中，在得到中介变量v的值之前，需要偏微分的运算时间、通过核间通信从第一核200接收函数f(x，v，u)的值所需的通信时间、乘法的运算时间以及时间积分的运算时间的合计时间。在与实施方式1中的第二核110的运算时间进行比较的情况下，认为由于偏微分的运算量和函数 的运算量的差异，实施方式2中的第二核210的运算时间更短。但是，还认为由于核间通信所需的通信时间，第二核210的运算时间更长。因此，如果是包括向存储器的存取时间在内的核间通信的通信时间比运算量的大小短的对象，则可以说实施方式2的逻辑适合作为软传感器装置的逻辑。相反，如果是核间通信的通信时间比运算量的大小长的对象，则可以说实施方式1的逻辑适合。
3-3.实施方式3
图11是表示实施方式3的软传感器装置的逻辑的块线图。在实施方式3中，使用n+1个核300、3101～310n来进行用式11表示的并行计算。这些核300、3101～310n是图4以及图5所示的多个核12中的一部分。第一核300是构成第一运算装置的核，被编程为进行式11的右边第一行的计算和在该计算中得到的值的积分。第二核3101至第n+1核310n的n个核是构成第二运算装置的核。第二运算装置中包含的第i+1核310i被编程为进行式11的右边第i+1行的计算和在该计算中得到的值的积分(其中，i是1至n的整数)。
第一核300被编程为作为运算器301和积分器302发挥功能。对运算器301输入在上次的处理中第一核300计算出的状态变量x的值、在上次的处理中第n+1核310n计算出的中介变量vn的值以及在本次的处理中输入的输入变量u的值。运算器301构成为使用状态变量x、中介变量vn以及输入变量u的各值来计算函数f(x，vn，u)。通过计算函数f(x，vn，u)，得到状态变量x的时间微分dx/dt。通过用积分器302对从运算器301输出的时间微分dx/dt的值进行时间积分，得到作为推测对象的状态变量x的值(本次的处理中的值)。
第二核3101被编程为作为运算器3111和积分器3121发挥功能。对运算器3111输入在上次的处理中第一核300计算出的状态变量x的值、在上次的处理中第n+1核310n计算出的中介变量vn的值以及在本次的处理中输入的输入变量u的值。运算器3111构成为使用状态变量x、中介变量vn以及输入变量u的各值，计算内部函数g1(x)关于状态变量x的偏微分与函数f(x，vn，u)之积、即函数在其中不包括顺序性的构造，所以利用运算器3111进行的运算是被高速地进行的。
通过计算函数得到中介变量v1的时间微分dv1/dt。通过用积分器3121对从运算器3111输出的时间微分dv1/dt的值进行时间积分，得到中介变量v1的值(本次的处理中的值)。在下次的处理中第三核3102至第n+1核310n的各核中的运算中，使用在本次的处理中得到的中介变量v1的值。
接下来，说明第三核3102至第n+1核310n的各核。在此，在将i设为2至n的任意的整数时，第i+1核310i被编程为作为运算器311i和积分器312i发挥功能。对运算器311i输入在上次的处理中第一核100计算出的状态变量x的值、在上次的处理中第二核13101至第i核310i-1的核计算出的中介变量v1至中介变量vi-1的i－1个中介变量的各值、在上次的处理中第n+1核310n计算出的中介变量vn的值以及在本次的处理中输入的输入变量u的值。
运算器311i构成为使用状态变量x、中介变量v1～vi-1、vn以及输入变量u的各值，计算偏微分至偏微分 的i个偏微分与函数f(x，vn，u)之积、即函数 在其中不包括顺序性的构造，所以利用运算器311i进行的运算被高速地进行。
通过计算函数 得到中介变量vi的时间微分dvi/dt。通过用积分器312i对从运算器311i输出的时间微分dvi/dt的值进行时间积分，得到中介变量vi的值(本次的处理中的值)。在i是2至n－1的任意的整数的情况下，在下次的处理中第i+2核310i+1至第n+1核310n的各核中的运算中，使用在本次的处理中所得到的中介变量vi的值。在i是n的情况下、即在第n+1核310n中，在本次的处理中得到的中介变量vn的值被用于在下次的处理中包括第一核300在内的所有核中的运算。
如果想要提高软传感器的推测精度，则表现此的函数f(x，g(x)，u)变得复杂，在内部函数g(x)中包括多级的顺序性的构造。在该方面，如果依照上述逻辑进行运算，则不仅消除函数f(x，g(x)，u)具有的顺序性的构造，而且还消除内部函数g(x)具有的顺序性的构造。由此，不仅状态变量x的获取所需的运算时间缩短，而且中介变量vn的获取所需的运算时间也缩短，所以避免发生超时。即，根据实施方式3，即使是具有复杂构造的函数f(x，g(x)，u)，也能够进行高速运算，所以能够得到响应性优良并且精度高的软传感器装置。
3-4.实施方式4
图12是表示实施方式4的软传感器装置的逻辑的块线图。在实施方式4中，使用n+1个核400、4101～410n来进行用式11表示的并行计算。这些核400、4101～410n是图4以及图5所示的多个核12中的一部分。第一核400是构成第一运算装置的核，被编程为进行式11的右边第一行的计算和在该计算中得到的值的积分。第二核4101至第n+1核410n的n个核是构成第二运算装置的核。第二运算装置中包含的第i+1核410i被编程为进行式11的右边第i+1行的计算和在该计算中得到的值的积分(其中i是1至n的整数)。
第一核400被编程为作为运算器401和积分器402发挥功能。对运算器401输入在上次的处理中第一核400计算出的状态变量x的值、在上次的处理中第n+1核410n计算出的中介变量vn的值以及在本次的处理中输入的输入变量u的值。运算器401构成为使用状态变量x、中介变量vn以及输入变量u的各值来计算函数f(x，vn，u)。通过计算函数f(x，vn，u)，得到状态变量x的时间微分dx/dt。通过用积分器402对从运算器401输出的时间微分dx/dt的值进行时间积分，得到作为推测对象的状态变量x的值(本次的处理中的值)。
第二核4101被编程为作为运算器4111、乘法器4121以及积分器4131发挥功能。对运算器4111输入在上次的处理中第一核400计算出的状态变量x的值。运算器4111构成为使用状态变量x的值，计算内部函数g1(x)关于状态变量x的偏微分
对乘法器4121输入运算器4111计算出的偏微分的值和在本次的处理中第一核400计算出的函数f(x，vn，u)的值。乘法器4121构成为将所输入的偏微分的值和函数f(x，vn，u)的值相乘。在该计算中得到的值与中介变量v1的时间微分dv1/dt的值等价。通过用积分器4131对从乘法器4121输出的时间微分dv1/dt的值进行时间积分，得到中介变量v1的值(本次的处理中的值)。在下次的处理中第三核4102中的运算中，使用在本次的处理中得到的中介变量v1的值。
接下来，说明第三核4102至第n+1核410n的各核。在此，在将i设为2至n的任意的整数时，第i+1核410i被编程为作为运算器411i、乘法器412i以及积分器413i发挥功能。对运算器411i输入在上次的处理中第i核410i-1计算出的中介变量vi-1的值。运算器411i构成为使用中介变量vi-1的值，计算内部函数gi(x)关于中介变量vi-1的偏微分
对乘法器412i输入运算器411i计算出的偏微分的值和在本次的处理中第i核410i-1计算出的时间微分dvi-1/dt的值。乘法器412i构成为将所输入的偏微分的值和时间微分dvi-1/dt的值相乘。如式10所示，在该计算中得到的值与中介变量vi的时间微分dvi/dt的值等价。通过用积分器413i对从乘法器412i输出的时间微分dvi/dt的值进行时间积分，得到中介变量vi的值(本次的处理中的值)。在i是2至n－1的任意的整数的情况下，在下次的处理中第i+2核410i+1中的运算中，使用在本次的处理中得到的中介变量vi的值。在i是n的情况下、即在第n+1核410n中，在本次的处理中得到的中介变量vn的值被用于在下次的处理中第一核400中的运算。
如果依照上述逻辑进行运算，则不仅消除函数f(x，g(x)，u)具有的顺序性的构造，而且还消除内部函数g(x)具有的顺序性的构造。因此，根据实施方式4，与实施方式3同样地，即使是具有复杂构造的函数f(x，g(x)，u)，也能够进行高速运算，能够得到响应性优良并且精度高的软传感器装置。此外，在比较实施方式4和实施方式3的情况下，如果是包括向存储器的存取时间在内的核间通信的通信时间比运算量的大小短的对象，则可以说实施方式4的逻辑适合作为软传感器装置的逻辑。相反，如果是核间通信的通信时间比运算量的大小长的对象，则可以说实施方式3的逻辑适合。
4.软传感器装置的实施例
以下，例示软传感器装置的具体的实施例。
4-1.实施例1
在实施例1中，在内燃机的进气压力的推测中，使用软传感器装置。图13是应用实施例1的进气压力软传感器装置的内燃机30的示意图。首先，在将气体常数设为R、将空气滤清器31的入口处的大气温度设为Ta、将空气滤清器31的入口处的大气压设为Pa、将节流阀32的开度面积设为Ath、将进气歧管33内的进气压力设为Pm时，能够依照公知的节流公式，用下式12以及式13表示通过节流阀32的空气的质量流量mth。
【式12】
【式13】
另外，在将进气歧管33的体积设为Vm、将进气歧管33内的温度设为Tm、将吸入到汽缸的空气的质量流量设为mcyl时，能够用以下的式14表示进气压力Pm的时间变化dPm/dt。
【式14】
能够用以下的式15表示吸入到汽缸的空气的质量流量mcyl。其中，ηv是体积效率、Ne是发动机转速、Vd是汽缸体积。
【式15】
在此，在式12～式15所示的关系中使Tm、Ta、Pa、Ne恒定时，得到用以下的式16以及式17表示的进气压力软传感器。其中，该进气压力软传感器中的状态变量x是进气压力Pm，输入变量u是节流阀开度面积Ath。
【式16】
【式17】
其中，在式16中，分别用以下的式18以及式19定义系数K1、K2。
【式18】
【式19】
用以下的式20表示式17所示的内部函数g(x)关于状态变量x的偏微分
【式20】
在将实施方式1的软传感器装置构成为进气压力软传感器装置的情况下，在图6所示的第一核100的运算器101中安装式16的函数f(x，v，u)即可。另外，在第二核110的运算器111中安装用式20的偏微分与式16的函数f(x，v，u)之积表示的函数即可。
在将实施方式2的软传感器装置构成为进气压力软传感器装置的情况下，在图9所示的第一核200的运算器201中安装式16的函数f(x，v，u)即可。另外，在第二核210的运算器211中安装式20的偏微分即可。
4-2.实施例2
在实施例2中，在移动体的位置的推测中使用软传感器装置。在此，设为对移动体施加的推动力u与移动体的x轴方向的移动距离x之间发现了以下的式21以及式22所示的关系。该关系既可以是理论上得到的关系，也可以是经验上得到的关系。此外，式21中的K1、K2是系数。
【式21】
【式22】
v＝g(x)＝sin2x…(22)
根据上述关系设计软传感器并安装到多核处理器或者许多核处理器，从而能够根据作为输入变量的对移动体施加的推动力u制作对作为状态变量的移动体的移动距离x进行推测的位置软传感器装置。
用以下的式23表示式22所示的内部函数g(x)关于状态变量x的偏微分
【式23】
在将实施方式1的软传感器装置构成为位置压力软传感器装置的情况下，在图6所示的第一核100的运算器101中安装式21的函数f(x，v，u)即可。另外，在第二核110的运算器111中安装用式23的偏微分与式21的函数f(x，v，u)之积表示的函数即可。
在将实施方式2的软传感器装置构成为位置压力软传感器装置的情况下，在图9所示的第一核200的运算器201中安装式21的函数f(x，v，u)即可。另外，在第二核210的运算器211中安装式23的偏微分即可。
5.其它
但是，本发明不限于上述实施方式，能够在不脱离本发明的要旨的范围内进行各种变形来实施。例如，在各实施方式中，也可以使由第一运算装置进行的运算分散到多个核。如果举实施方式1为例子，则也可以将运算器101和积分器102安装到不同的核。

Claims (8)

1.一种软传感器装置，通过使用多个处理器核的计算而获取状态变量x，所述状态变量x是其值与能够观测的输入变量u相关地变化的状态变量，且该状态变量x的时间微分dx/dt是用函数f(x，g(x)，u)来表现的，在函数f(x，g(x)，u)中，将该状态变量x、将该状态变量x作为独立变量的内部函数g(x)以及所述输入变量u作为独立变量，所述软传感器装置的特征在于，具备：
第一运算装置，构成为使用一个或者多个处理器核来进行运算，并且被编程为使用所述状态变量x、在所述内部函数g(x)中定义的中介变量v以及所述输入变量u的各值来计算函数f(x，v，u)，进而对所述函数f(x，v，u)的值进行时间积分，由此得到所述状态变量x的值；以及
第二运算装置，构成为使用与在所述第一运算装置中使用的处理器核不同的一个或者多个处理器核来进行运算，并且被编程为计算所述中介变量v，
所述第一运算装置被编程为使用在上次的处理中由所述第一运算装置计算出的所述状态变量x的值、在上次的处理中由所述第二运算装置计算出的所述中介变量v的值以及在本次的处理中输入的所述输入变量u的值来计算所述函数f(x，v，u)。
2.根据权利要求1所述的软传感器装置，其特征在于，
所述第二运算装置被编程为：
使用在上次的处理中由所述第一运算装置计算出的所述状态变量x的值、在上次的处理中由所述第二运算装置计算出的所述中介变量v的值以及在本次的处理中输入的所述输入变量u的值，计算所述内部函数g(x)关于所述状态变量x的偏微分与所述函数f(x，v，u)之积，并对该积的值进行时间积分，由此得到所述中介变量v的值。
3.根据权利要求1所述的软传感器装置，其特征在于，
所述第二运算装置被编程为：
使用在上次的处理中由所述第一运算装置计算出的所述状态变量x的值，计算所述内部函数g(x)关于所述状态变量x的偏微分
对将所述偏微分的值和在本次的处理中由所述第一运算装置计算出的所述函数f(x，v，u)的值相乘而得到的值进行时间积分，由此得到所述中介变量v的值。
4.根据权利要求1所述的软传感器装置，其特征在于，
所述内部函数g(x)是用以下的式A表示的、由两个以上的n个函数gn，…，g2，g1构成的具有顺序构造的合成函数，在关于各函数gn，…，g2，g1用以下的式B、C以及D定义中介变量vi的情况下，
所述第一运算装置被编程为运算以下的式E的右边第一行分量，并对得到的值进行时间积分，由此得到所述状态变量x的值，
所述第二运算装置被编程为使用不同的处理器核分别进行所述式E的右边第2行至第n+1行的各分量的运算，并对右边第n+1行分量的值进行时间积分，由此得到在所述第一运算装置中在函数f(x，vn，u)的计算中使用的中介变量vn的值，
v1＝g1(x)…(B)
vi＝gi(vi-1)…(C)
v＝vn…(D)
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5.根据权利要求4所述的软传感器装置，其特征在于，
进行所述式E的右边第i+1行分量的运算的处理器核被编程为：
使用在上次的处理中由所述第一运算装置计算出的所述状态变量x的值、在上次的处理中由其它处理器核计算出的中介变量v1至中介变量vi-1的i－1个中介变量的各值、在上次的处理中由所述第二运算装置计算出的所述中介变量vn的值以及在本次的处理中输入的所述输入变量u的值，计算偏微分至偏微分 的i个偏微分与函数f(x，vn，u)之积，并对该积的值进行时间积分，由此得到中介变量vi的值。
6.根据权利要求4所述的软传感器装置，其特征在于，
进行所述式E的右边第i+1行分量的运算的处理器核被编程为：
使用在上次的处理中由进行所述式E的右边第i行分量的运算的其它处理器核计算出的中介变量vi-1的值，计算偏微分 的值，
对将所述偏微分的值和在本次的处理中由所述其它处理器核计算出的所述式E的右边第i行分量的值相乘而得到的值进行时间积分，由此得到中介变量vi的值。
7.根据权利要求1至3中的任意一项所述的软传感器装置，其特征在于，
所述状态变量x是内燃机的进气管压力，
所述输入变量u是节流阀开度面积，
所述函数f(x，g(x)，u)是基于节流公式的函数，所述节流公式规定了在通过节流阀的空气的质量流量、所述节流阀开度面积以及所述进气管压力之间成立的物理定律。
8.根据权利要求1至3中的任意一项所述的软传感器装置，其特征在于，
所述状态变量x是移动体的移动距离，
所述输入变量u是对所述移动体施加的推动力，
所述函数f(x，g(x)，u)是表示在所述移动距离与所述推动力之间理论上或者经验上得到的关系的函数。
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