CN110273768A - 设备控制装置 - Google Patents

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Abstract

提供一种设备控制装置，在使设备的控制输出接近目标值时抑制控制输出的过冲且抑制控制输出的响应性恶化。设备控制装置具备：目标值算出部(2)，基于设备(6)的预定参数(d)算出设备的控制输出(x)的目标值(r)；目标值修正部(3)，向抑制控制输出的过冲的方向修正目标值而算出修正目标值(w)；以及反馈控制器(5)，以使控制输出接近修正目标值的方式决定设备的控制输入。目标值修正部在使控制输出变化至目标值时，以使目标值的修正量成为预定值以下的方式设定修正目标值，之后以使目标值的修正量变得比预定值大的方式变更修正目标值，之后，在控制输出达到目标值之前以使目标值的修正量成为预定值以下的方式变更修正目标值。

Description

设备控制装置
技术领域
本发明涉及设备(plant)控制装置。
背景技术
在作为控制对象的设备中以使得控制输出接近目标值的方式进行反馈控制。然而，在实际的控制中，多因硬件或控制上的限制而对控制输出的值有限制。若无视这样的限制而进行控制系统的设计，则可能会发生过渡响应的恶化、控制的不稳定化。
作为用于改善限制满足性的手段，已知一种参考调节器(reference governor)(例如，专利文献1)。参考调节器考虑限制满足性而对基于设备的预定参数算出的控制输出的目标值进行修正而算出修正目标值。具体而言，参考调节器通过进行预定的目标函数的最小值探索来算出修正目标值。
在专利文献1中记载了通过参考调节器来对柴油发动机中的增压压力和EGR率的目标值进行修正的情况。具体而言，以使得目标函数的值变小的方式通过梯度下降法来更新修正目标值，从而算出修正目标值。
目标函数包括与目标值的修正量有关的项、和与关于设备的状态量的限制条件的满足度有关的项。限制条件的满足度越低则与限制条件的满足度有关的项越大。在与限制条件的满足度有关的项大时，以使得目标函数的值变小的方式修正目标值。由此，可提高限制条件的满足度，也可抑制控制输出的过冲(overshoot)。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2017-101627号公报
发明内容
发明要解决的问题
若在控制输出的目标值与当前值之差大时进行使控制输出接近目标值的控制，则和目标值与当前值之差小时相比，设备的状态量的将来预测值与限制条件冲突的可能性变高。因此，若在目标值与当前值之差大时进行目标函数的最小值探索，则目标值的修正量趋于变大。然而，若在目标值与当前值之差大时增大目标值的修正量，则控制输出接近目标值的速度变慢，控制输出的响应性恶化。
因此，鉴于上述问题，本发明的目的在于在使设备的控制输出接近目标值的情况下，在抑制控制输出的过冲的同时抑制控制输出的响应性的恶化。
用于解决问题的技术方案
本公开的要旨如下。
(1)一种设备控制装置，具备：目标值算出部，其基于设备的预定参数算出所述设备的控制输出的目标值；目标值修正部，其向抑制所述控制输出的过冲的方向修正所述目标值而算出修正目标值；以及反馈控制器，其以使得所述控制输出接近所述修正目标值的方式决定所述设备的控制输入，所述目标值修正部，在使所述控制输出变化至所述目标值的情况下，以使得所述目标值的修正量成为预定值以下的方式设定所述修正目标值，之后，以使得所述目标值的修正量变得比所述预定值大的方式变更所述修正目标值，之后，在所述控制输出达到所述目标值之前，以使得所述目标值的修正量成为所述预定值以下的方式变更所述修正目标值。
(2)根据上述(1)所述的设备控制装置，所述目标值修正部，在使所述控制输出变化至所述目标值的情况下，在所述目标值与所述控制输出的当前值之差比第一基准值大时，以使得所述目标值的修正量成为所述预定值以下的方式设定所述修正目标值，在所述差达到了所述第一基准值时，以使得所述目标值的修正量变得比所述预定值大的方式变更所述修正目标值，在所述差达到了第二基准值时，以使得所述目标值的修正量成为所述预定值以下的方式变更所述修正目标值，所述第二基准值比所述第一基准值小。
(3)根据上述(1)所述的设备控制装置，所述目标值修正部通过进行目标函数的最小值探索来算出所述修正目标值，所述目标函数构成为包括与所述目标值的修正量有关的项、和与关于所述设备的状态量的限制条件的满足度有关的项，并且，在所述目标值与所述控制输出的当前值之差相对较大的情况下，与所述差相对较小的情况相比，与所述目标值的修正量有关的项对所述目标函数的值的贡献度变大。
(4)根据上述(3)所述的设备控制装置，与所述目标值的修正量有关的项是对所述目标值的修正量越大则变得越大的成分乘以所述差越大则变得越大的成分而得到的值。
(5)根据上述(3)所述的设备控制装置，与所述限制条件的满足度有关的项是将所述限制条件的满足度越低则变得越大的成分除以所述差越大则变得越大的成分而得到的值。
(6)根据上述(4)或(5)所述的设备控制装置，所述差越大则变得越大的成分是所述差的n次方，n大于零。
(7)根据上述(6)所述的设备控制装置，所述设备为内燃机，n为4以上且6以下的值。
发明的效果
根据本发明，在使设备的控制输出接近目标值的情况下，能够在抑制控制输出的过冲的同时抑制控制输出的响应性的恶化。
附图说明
图1是示出第一实施方式涉及的设备控制装置的目标值追随控制构造的图。
图2示出通过对图1的目标值追随控制构造进行等效变形而获得的前馈(feedforward)控制构造。
图3是使控制输出变化至目标值的情况下的控制输出的目标值、修正目标值以及实际值的时间图。
图4是示出第一实施方式中的目标值修正处理的控制例程的流程图。
图5是示出第二实施方式涉及的设备控制装置的目标值追随控制构造的图。
图6是使目标函数中的n的值发生了变化时的修正目标值的时间图。
图7是大致示出在设备为内燃机的情况下使目标函数中的n的值发生了变化时的效果的程度的图。
图8是使控制输出变化至目标值的情况下的控制输出的目标值、修正目标值以及实际值的时间图。
图9是示出第二实施方式中的目标值修正处理的控制例程的流程图。
附图标记说明
2：目标值算出部；
3：目标值修正部；
5：反馈控制器；
6：设备。
具体实施方式
以下，参照附图对本发明的实施方式详细地进行说明。此外，在以下的说明中，对同样的构成要素标注相同的参照编号。
＜第一实施方式＞
首先参照图1～图4对本发明的第一实施方式进行说明。
＜设备控制装置的构成＞
图1是示出第一实施方式涉及的设备控制装置的目标值追随控制构造的图。设备控制装置具备目标值算出部2、目标值修正部3、比较部4以及反馈控制器5。例如，电子控制单元(ECU)之类的微计算机作为设备控制装置发挥作用。
在图1中由虚线包围的部分作为控制作为控制对象的设备6的输出的闭环系统10发挥作用。在设计好闭环系统10的情况下，通过对图1的目标值追随控制构造进行等效变形而获得图2的前馈控制构造。
目标值算出部2基于外源输入d算出设备6的控制输出x的目标值r，并将目标值r向目标值修正部3输出。目标值算出部2例如构成为示出了外源输入d与目标值r的关系的目标值映射。外源输入d是设备6的预定参数。
当将目标值r原样地向闭环系统10输入时，以使得控制输出x接近目标值r的方式进行反馈控制。在该情况下，虽然能够迅速使控制输出x接近目标值r，但控制输出x的过冲量会变大。因此，在本实施方式中，由目标值修正部3来修正目标值r。目标值修正部3向抑制控制输出x的过冲的方向修正目标值r而算出修正目标值w。
比较部4从修正目标值w减去控制输出x而算出偏差e(＝w-x)，并将偏差e向反馈控制器5输入。修正目标值w通过目标值修正部3而向比较部4输入，控制输出x从被输入控制输入u和外源输入d的设备6输出。控制输出x由传感器等检测器检测或者使用计算式等来推定。
反馈控制器5以使得控制输出x接近修正目标值w的方式决定控制输入u。即，反馈控制器5以使得偏差e接近零的方式决定控制输入u。在反馈控制器5中使用PI控制、PID控制等公知的控制。反馈控制器5将控制输入u向设备6输入。另外，作为状态反馈控制，将输出x向反馈控制器5输入。此外，也可以省略控制输出x向反馈控制器5的输入。另外，比较部4也可以组装于反馈控制器5。
＜目标值的修正＞
如上所述，目标值修正部3向抑制控制输出x的过冲的方向修正目标值r而算出修正目标值w。此外，抑制控制输出x的过冲的方向在使控制输出x朝向目标值r增加的情况下是指使修正目标值w减小的方向，在使控制输出x朝向目标值r减小的情况下是指使修正目标值w增加的方向。
若在控制输出x的目标值r与当前值之差大时增大目标值r的修正量，则控制输出x接近目标值r的速度变慢，控制输出x的响应性恶化。另外，为了抑制控制输出x的过冲，在控制输出x接近了目标值r时增大目标值r的修正量这一方法是有效的。另外，为了使控制输出x收敛为目标值r，需要在控制输出x达到目标值r之前减小目标值r的修正量。
因此，在本实施方式中，目标值修正部3在使控制输出x变化至目标值r的情况下，以使得目标值r的修正量成为预定值以下的方式设定修正目标值w，之后，以使得目标值r的修正量变得比预定值大的方式变更修正目标值w，之后，在控制输出x达到目标值r之前，以使得目标值r的修正量成为预定值以下的方式变更修正目标值w。此外，目标值r的修正量是指目标值r与修正目标值w之差。
由此，在控制输出x的目标值r与当前值之差相对较大的情况下，能够加快控制输出x的变化速度，能够抑制控制输出x的响应性的恶化。另外，在控制输出x的目标值r与当前值之差相对较小的情况下，能够减慢控制输出x的变化速度，能够抑制控制输出x的过冲。因此，在本实施方式中，在使控制输出x接近目标值r的情况下，能够在抑制控制输出x的过冲的同时抑制控制输出x的响应性的恶化。
在本实施方式中，在控制输出x的目标值r与当前值之差比第一基准值大时，以使得目标值r的修正量成为预定值以下的方式设定修正目标值w，在目标值r与当前值之差达到了第一基准值时，以使得目标值r的修正量变得比上述预定值大的方式变更修正目标值w，在目标值r与当前值之差达到了第二基准值时，以使得目标值r的修正量成为上述预定值以下的方式变更修正目标值w。第二基准值比第一基准值小。
例如，目标值修正部3在目标值r与当前值之差比第一基准值大时，将修正目标值w设定为目标值r，在目标值r与当前值之差达到了第一基准值时，使修正目标值w远离目标值r，在目标值r与当前值之差达到了第二基准值时，将修正目标值w变更为目标值r。
＜使用了时间图的控制的说明＞
图3是使控制输出变化至目标值的情况下的控制输出的目标值、修正目标值以及实际值的时间图。在图3中，用双点划线表示控制输出x的目标值r，用点划线表示控制输出x的修正目标值w。另外，用实线表示执行了本实施方式的控制时的控制输出x的实际值(当前值)xe，用虚线表示执行了比较例的控制时的控制输出x的实际值(当前值)xp。
在图3的例子中，在时刻t1设备6的状态发生变化，目标值r增加。目标值r在时刻t1之后维持为大致恒定的值。在该例子中，进行使控制输出x朝向目标值r增加的控制。
在比较例的控制中，不进行目标值r的修正。因此，以使得控制输出x接近目标值r的方式由反馈控制器5来决定控制输入u。结果，在时刻t1之后，实际值xp逐渐上升，在时刻t4达到目标值r。在时刻t4之后，发生控制输出x的过冲，之后，实际值xp收敛为目标值r。
另一方面，在本实施方式的控制中，算出修正目标值w，以使得控制输出x接近修正目标值w的方式由反馈控制器5来决定控制输入u。从时刻t1至时刻t2，修正目标值w与目标值r相等。即，不进行目标值r的修正。
在时刻t2，目标值r与实际值xe之差达到第一基准值R1，以使得目标值r的修正量变得比预定值大的方式变更修正目标值w。在该例子中，为了抑制控制输出x的过冲而阶梯状地减小修正目标值w。修正目标值w在时刻t2至时刻t3维持为恒定的值。
在时刻t3，目标值r与实际值xe之差达到第二基准值，修正目标值w变更为目标值r。在该例子中，为了使控制输出x收敛为目标值r而阶梯状地增大修正目标值w。在时刻t3之后，修正目标值w维持为目标值r。即，不进行目标值r的修正。
之后，实际值xe在时刻t5达到目标值r。在时刻t5之后，略微发生控制输出x的过冲，之后，实际值xe收敛为目标值r。
在本实施方式的控制中，在时刻t2，通过减小修正目标值w，能够减缓控制输出x的上升。因此，与比较例的控制相比能够减少控制输出x的过冲量。另外，在时刻t2之前将修正目标值w设定为目标值r，所以与比较例的控制同样，能够使控制输出x快速地接近目标值r。因此，在本实施方式的控制中，能够在抑制控制输出x的过冲的同时抑制控制输出x的响应性的恶化。
＜目标值修正处理＞
以下，参照图4的流程图，对用于修正目标值r而算出修正目标值w的控制详细地进行说明。图4是示出第一实施方式中的目标值修正处理的控制例程的流程图。本控制例程由设备控制装置按预定的执行间隔反复执行。
首先，在步骤S101中，目标值算出部2取得外源输入d。接着，在步骤S102中，目标值算出部2基于外源输入d算出目标值r。
接着，在步骤S103中，目标值修正部3判定从目标值r减去控制输出x的当前值PV而得到的值的绝对值，即目标值r与当前值PV之差是否比第一基准值R1大。第一基准值R1被预先确定，并且为比零大的值。在判定为目标值r与当前值PV之差比第一基准值R1大的情况下，本控制例程前进至步骤S104。
在步骤S104中，目标值修正部3将修正目标值变更标志设定为1。此外，修正目标值变更标志F在控制输出x的反馈控制结束了时被重置为零。接着，在步骤S105中，为了使控制输出x快速地变化至目标值r，目标值修正部3将修正目标值w设定为目标值r。在步骤S105之后，本控制例程结束。
另一方面，在步骤S103中判定为目标值r与当前值PV之差为第一基准值R1以下的情况下，本控制例程前进至步骤S106。在步骤S106中，目标值修正部3判定修正目标值变更标志F是否为1。在判定为修正目标值变更标志F为1的情况下，本控制例程前进至步骤S107。
在步骤S107中，目标值修正部3以使得目标值r的修正量变得比预定值大的方式变更修正目标值w。预定值被预先确定，并且为比零大的值以抑制控制输出x的过冲。目标值修正部3向抑制控制输出x的过冲的方向使修正目标值w阶梯状地发生变化。具体而言，目标值修正部3在使控制输出x朝向目标值r增加的情况下使修正目标值w减小得比目标值r小，在使控制输出x朝向目标值r减小的情况下使修正目标值w增大得比目标值r大。
接着，在步骤S108中，目标值修正部3判定目标值r与当前值PV之差是否为第二基准值R2以下。第二基准值R2被预先确定，并且比零大且比第一基准值R1小。在判定为目标值r与当前值PV之差比第二基准值R2大的情况下，本控制例程结束。在该情况下，修正目标值w维持为在步骤S107中变更后的值。
另一方面，在判定为目标值r与当前值PV之差为第二基准值R2以下的情况下，本控制例程前进至步骤S109。在步骤S109中，为了使控制输出x收敛为目标值r，目标值修正部3将修正目标值w变更为目标值r。目标值修正部3使修正目标值w阶梯状地变化至目标值r。接着，在步骤S110中，目标值修正部3将修正目标值变更标志F设定为零。在步骤S110之后，本控制例程结束。
另外，在步骤S106中判定为修正目标值变更标志F为零的情况下，本控制例程前进至步骤S111。在步骤S111中，目标值修正部3将修正目标值w设定为目标值r。在步骤S111之后，本控制例程结束。
此外，在步骤S105、步骤S109以及步骤S111中，只要目标值r的修正量为预定值以下，则修正目标值w也可以被设定为与目标值r不同的值。另外，也可以是，目标值修正部3在步骤S107中使修正目标值w逐渐变化至变更后的值，在步骤S109中使修正目标值w逐渐变化至目标值r。
＜第二实施方式＞
第二实施方式中的设备控制装置的构成和控制除了以下所说明的点以外，基本上与第一实施方式中的设备控制装置同样。因此，以下，以与第一实施方式不同的部分为中心对本发明的第二实施方式进行说明。
图5是示出第二实施方式涉及的设备控制装置的目标值追随控制构造的图。在第二实施方式中，参考调节器(RG)30作为修正目标值r而算出修正目标值w的目标值修正部发挥作用。图5中的y是对可得到的值有限制的设备6的状态量。
如上所述，在闭环系统10中，进行控制输出x的反馈控制。然而，在实际的控制中，因硬件或控制上的限制而对状态量y有限制。因此，当将不考虑限制地算出的目标值向闭环系统10输入时，状态量y可能会与限制冲突而发生过渡响应的恶化、控制的不稳定化。
因此，参考调节器30以使得关于状态量y的限制条件的满足度提高的方式修正目标值r而算出修正目标值w。具体而言，参考调节器30通过进行目标函数的最小值探索来算出修正目标值w。在最小值探索中，参考调节器30通过以使得目标函数的值变小的方式对修正目标值w进行预定次数的更新来算出向闭环系统10输入的最终的修正目标值w。
目标函数包括与目标值r的修正量有关的项、和与关于状态量y的限制条件的满足度有关的项。在控制输出x的目标值r与当前值之差相对较大时，和目标值r与当前值之差相对较小时相比，为了提高限制条件的满足度而需要增大目标值r的修正量。
然而，若在目标值r与当前值之差大时增大目标值r的修正量，则控制输出x接近目标值r的速度变慢，控制输出x的响应性恶化。另外，为了抑制控制输出x的过冲，在控制输出x接近了目标值r时增大目标值r的修正量这一技术是有效的。
因此，目标函数构成为，在控制输出x的目标值r与当前值之差相对较大的情况下，和控制输出x的目标值r与当前值之差相对较小的情况相比，目标值r的修正量变小。具体而言，目标函数构成为，在控制输出x的目标值r与当前值之差相对较大的情况下，和目标值r与当前值之差相对较小的情况相比，与目标值的修正量有关的项对目标函数的值的贡献度变大。
由此，在控制输出x的目标值r与当前值之差相对较大的情况下，能够加快控制输出x的变化速度，能够抑制控制输出x的响应性的恶化。另外，在控制输出x的目标值r与当前值之差相对较小的情况下，能够减慢控制输出x的变化速度，能够抑制控制输出x的过冲。因此，在第二实施方式中，在使控制输出x接近目标值r的情况下，能够在抑制控制输出x的过冲的同时抑制控制输出x的响应性的恶化。
例如，目标函数J(w)由下述式子(1)来定义。
J(w)＝(r-w)2(|r-PV|)n+S1 2+S2 2+···…(1)
在此，PV为控制输出r的当前值，n为比零大的值。目标函数J(w)构成为与目标值r的修正量有关的项(式子(1)的右边第一项)、和与关于状态量y的限制条件的满足度有关的项(式子(1)的右边第二项以后)之和。
与目标值r的修正量有关的项是对目标值r的修正量越大则变得越大的成分((r-w)2)乘以控制输出x的目标值r与当前值之差越大则变得越大的成分((|r-PV|)n)而得到的值。在该情况下，在目标值r的修正量为预定值时，控制输出x的目标值r与当前值之差越大则与目标值r的修正量有关的项越大。因此，在控制输出x的目标值r与当前值之差相对较大的情况下，和控制输出x的目标值r与当前值之差相对较小的情况相比，与目标值r的修正量有关的项对目标函数J(w)的值的贡献度变大。
在上述式子(1)中，目标值r的修正量越大则变得越大的成分是目标值r与修正目标值w之差，即目标值r的修正量的平方。然而，该成分也可以是对目标值r的修正量乘以预定的系数而得到的值等。
另外，在上述式子(1)中，控制输出x的目标值r与当前值之差越大则变得越大的成分是目标值r与当前值PV之差的n次方。然而，该成分也可以是对目标值r与当前值PV之差乘以预定的系数而得到的值等。
与限制条件的满足度有关的项包括第1罚(penalty)函数S1的平方、第2罚函数S2的平方等。罚函数的数量与限制条件的数量相应地发生变动。例如，在限制条件的数量为四个的情况下，与限制条件的满足度有关的项包括第1罚函数S1的平方、第2罚函数S2的平方、第3罚函数S3的平方以及第4罚函数S4的平方。限制条件的满足度越低则各罚函数越大。此外，各罚函数也可以不进行平方。
第1罚函数S1与作为状态量y之一的关于控制输出x的限制条件的满足度有关。在第1罚函数S1中，将控制输出x的过冲量不会变得比零大定义为限制条件。在使控制输出x朝向目标值r增加的情况下，第1罚函数S1由下述式子(2)来定义。
在此，x(k)为控制输出x的将来预测值，p1为预先确定了的加权系数。另外，k为离散时间阶段，Nh为预测阶段数(预测范围)。第1罚函数S1构成为，在控制输出x的将来预测值x(k)变得比目标值r大的情况下，控制输出x的将来预测值x(k)与目标值r之差作为惩罚被加到目标函数J(w)。因此，控制输出x的将来预测值x(k)的过冲量越大则第1罚函数S1越大。
另一方面，在使控制输出x朝向目标值r减小的情况下，第1罚函数S1由下述式子(3)来定义。
在该情况下，第1罚函数S1构成为，在控制输出x的将来预测值x(k)变得比目标值r小的情况下，控制输出x的将来预测值x(k)与目标值r之差作为惩罚被加到目标函数J(w)。因此，控制输出x的将来预测值x(k)的过冲量越大则第1罚函数S1越大。
参考调节器30使用设备6的模型来算出控制输出x的将来预测值x(k)。参考调节器30例如通过下述式子(4)来算出控制输出x的将来预测值x(k)。
x(k+1)＝f1(x(k)，w，d)...(4)
在此，f1是为了算出控制输出x的将来预测值x(k)而使用的模型函数。首先，使用算出时间点的控制输出x即x(0)来算出从算出时间点起1阶段以后的控制输出x的预测值x(1)。算出时间点的控制输出x(0)由传感器等检测器检测或者使用计算式等来推定。之后，依次算出控制输出x的将来预测值x(k)直到从算出时间点起Nh阶段以后的控制输出x的预测值x(Nh)为止，算出总共Nh个控制输出x的将来预测值。此外，对与1阶段相当的时间乘以预测阶段数Nh而得到的值为预测期间。
第2罚函数S2与关于预定的状态量y2的限制条件的满足度有关。状态量y2例如为压力、转速等。在第2罚函数S2中，例如将状态量y2不会变得比上限值大定义为限制条件。在该情况下，第2罚函数S2由下述式子(5)来定义。
在此，y2(k)为状态量y2的将来预测值，y2up为预先确定了的状态量y2的上限值，p2为预先确定了的加权系数。另外，k为离散时间阶段，Nh为预测阶段数(预测范围)。第2罚函数S2构成为，在状态量y2的将来预测值y2(k)变得比上限值y2up大的情况下，状态量y2的将来预测值y2(k)与上限值y2up之差作为惩罚被加到目标函数J(w)。因此，状态量y2的将来预测值y2(k)超出上限值y2up的量越大则第2罚函数S1越大。
此外，在第2罚函数S2中，在将状态量y2不会变得比下限值小定义为限制条件的情况下，第2罚函数S2由下述式子(6)来定义。
在此，y2low为预先确定了的状态量y2的下限值。
在该情况下，第2罚函数S2构成为，在状态量y2的将来预测值y2(k)变得比下限值y2low小的情况下，状态量y2的将来预测值y2(k)与下限值y2low之差作为惩罚被加到目标函数J(w)。因此，状态量y2的将来预测值y2(k)低于下限值y2low的量越大则第2罚函数S1越大。
此外，状态量y2的将来预测值y2(k)使用设备6的模型而与控制输出x的将来预测值x(k)同样地算出。另外，各状态量的将来预测值也可以通过使用了神经网络(neuralnetwork)的机械学习等其他方法来算出。
图6是使目标函数J(w)中的n的值发生了变化时的修正目标值的时间图。在图6中，用虚线表示目标值r。另外，用实线表示n为零时的修正目标值w，用虚线表示n为2时的修正目标值w，用点划线表示n为4时的修正目标值w，用实线表示n为6时的修正目标值w，用双点划线表示n为8时的修正目标值w。此外，n为零时的修正目标值w被记载为比较例。
在图6的例子中，在时刻t1设备6的状态发生变化，目标值r增加。目标值r在时刻t1之后维持为大致恒定的值。在n为零的情况下，随着控制输出x接近目标值r，目标值r的修正量逐渐变小。
另一方面，在n为2～8的情况下，在时刻t1至时刻t2为止的期间中，在控制输出x的目标值r与当前值之差相对较大的情况下，与控制输出x的目标值r与当前值之差相对较小的情况相比，目标值r的修正量变小。这是因为：目标函数构成为，在控制输出x的目标值r与当前值之差相对较大的情况下，和目标值r与当前值之差相对较小的情况相比，与目标值的修正量有关的项对目标函数的值的贡献度变大。另外，在时刻t2以后，即使没有目标值r的修正，伴随与限制条件的满足度有关的项变小的情况，目标值r的修正量也逐渐变小。
在n为2～8的情况下，n的数值越大，则增大目标值的修正量的正时越晚，并且增大目标值的修正量时的修正目标值w的变化速度越快。图7是大致示出在设备为内燃机的情况下使目标函数J(w)中的n的值发生了变化时的效果的程度的图。控制输出x的过冲量越小则效果越大，控制输出x的响应性提高得越快则效果越大。即，在控制输出x的过冲和响应性以最佳平衡的方式改善了的情况下，效果最高。
如图7所示，在n为6以上时，效果饱和，即使再增大n效果也几乎不会增加。另外，n越大则参考调节器30的运算负荷越大。因此，在设备6为内燃机的情况下，优选将n设定为4以上且6以下的值。由此，能够减小参考调节器30的运算负荷，并且有效地改善控制输出x的过冲和响应性。
＜使用了时间图的控制的说明＞
图8是使控制输出变化至目标值的情况下的控制输出的目标值、修正目标值以及实际值的时间图。在图8中，用双点划线表示控制输出x的目标值r，用点划线表示控制输出x的修正目标值w。另外，用实线表示执行了本实施方式的控制时的控制输出x的实际值(当前值)xe，用虚线表示执行了比较例的控制时的控制输出x的实际值(当前值)xp。
在图8的例子中，为了算出修正目标值w而使用上述式子(1)的目标函数，n被设定为7。在图8的例子中，在时刻t1内燃机的状态发生变化，目标值r增加。目标值r在时刻t1之后维持为大致恒定的值。在该例子中，进行使控制输出x朝向目标值r增加的控制。
在比较例的控制中，不进行目标值r的修正。因此，以使得控制输出x接近目标值r的方式由反馈控制器5来决定控制输入u。结果，在时刻t1之后，实际值xp逐渐上升，在时刻t4达到目标值r。在时刻t4之后，发生控制输出x的过冲，之后，实际值xp收敛为目标值r。
另一方面，在本实施方式的控制中，由参考调节器30算出修正目标值w，以使得控制输出x接近修正目标值w的方式由反馈控制器5来决定控制输入u。以使得目标函数的值变小的方式算出修正目标值w，结果，从时刻t2至时刻t3，修正目标值w逐渐减小，目标值r的修正量逐渐增大。
另外，从时刻t3至时刻t5，修正目标值w逐渐增大至目标值r，目标值r的修正量逐渐减小。时刻t5之后，修正目标值w维持为目标值r。实际值xe逐渐增加，在时刻t5达到目标值r。此外，在时刻t3以后，实际值xe追随修正目标值w而增加。在时刻t5之后，略微发生控制输出x的过冲，之后，实际值xe收敛为目标值r。
在本实施方式的控制中，通过从时刻t2起逐渐减小修正目标值w，能够减缓控制输出x的上升。因此，与比较例的控制相比能够减少控制输出x的过冲量。另外，在时刻t2之前目标值r的修正量小，所以与比较例的控制同样，能够使控制输出x快速地接近目标值r。因此，在本实施方式的控制中，能够在抑制控制输出x的过冲的同时抑制控制输出x的响应性的恶化。
＜目标值修正处理＞
图9是示出第二实施方式中的目标值修正处理的控制例程的流程图。本控制例程由设备控制装置按预定的执行间隔反复执行。
首先，在步骤S201中，目标值算出部2取得外源输入d。接着，在步骤S202中，目标值算出部2基于外源输入d算出目标值r。
接着，在步骤S203中，参考调节器30将修正目标值w的初始值w0设定为目标值r。接着，在步骤S204～步骤S206中，参考调节器30进行目标函数的最小值探索。
具体而言，在步骤S204中，参考调节器30以使得目标函数的值变小的方式更新修正目标值w。例如，参考调节器30通过二分探索法来更新修正目标值w。此外，修正目标值w的更新也可以通过公知的其他方法来进行。例如，也可以是，在控制输出x和修正目标值w的数量为二以上的情况下，参考调节器30通过梯度下降法(gradient descent)来更新修正目标值w。
接着，在步骤S205中，参考调节器30对更新次数Count加上1。更新次数Count表示在最小值探索中修正目标值w所更新的次数。更新次数Count的初始值为0。
接着，在步骤S206中，参考调节器30判定更新次数Count是否为预定次数N以上。预定次数Count例如为5～200。在步骤S206中判定为更新次数Count小于预定次数的情况下，本控制例程返回到步骤S204。因此，在最小值探索中，反复更新修正目标值w直到更新次数Count达到预定次数N为止。
在步骤S206中判定为更新次数Count为预定次数N以上的情况下，本控制例程前进至步骤S207。在步骤S207中，参考调节器30将最终的修正目标值w输入闭环系统10。接着，在步骤S208中，参考调节器30将更新次数Count重置为零。在步骤S208之后，本控制例程结束。
＜其他实施方式＞
以上，对本发明涉及的合适的实施方式进行了说明，但本发明不限定于上述的实施方式，可以在权利要求书的记载范围内实施各种修正和变更。
例如，在第二实施方式中，目标函数J(w)也可以由下述式子(7)来定义。
J(w)＝(r-w)2+(S1 2+S2 2+···)/(|r-PV|)n...(7)
在此，PV为控制输出r的当前值，n为比零大的值。目标函数J(w)构成为与目标值r的修正量有关的项(式子(1)的右边第一项)、和与关于状态量y的限制条件的满足度有关的项(式子(1)的右边第二项)之和。
在该情况下，与目标值r的修正量有关的项是目标值r的修正量越大则变得越大的成分，是目标值r的修正量的平方。此外，该成分也可以是对目标值r的修正量乘以预定的系数而得到的值等。
另一方面，与限制条件的满足度有关的项是将限制条件的满足度越低则变得越大的成分(S1 2+S2 2+···)除以控制输出x的目标值r与当前值之差越大则变得越大的成分((|r-PV|)n)而得到的值。在该情况下，在控制输出x的目标值r与当前值之差相对较大的情况下，和控制输出x的目标值r与当前值之差相对较小的情况相比，与限制条件的满足度有关的项对目标函数J(w)的值的贡献度变小。换言之，在控制输出x的目标值r与当前值之差相对较大的情况下，和控制输出x的目标值r与当前值之差相对较小的情况相比，与目标值r的修正量有关的项对目标函数J(w)的值的贡献度变大。
在上述式子(7)中，限制条件的满足度越低则变得越大的成分是各罚函数的平方之和。然而，该成分也可以是各罚函数之和等。
另外，在上述式子(7)中，控制输出x的目标值r与当前值之差越大则变得越大的成分是目标值r与当前值PV之差的n次方。然而，该成分也可以是对目标值r与当前值PV之差乘以预定的系数而得到的值等。
另外，在设备6为内燃机的情况下使上述式子(7)中的n的值发生了变化时的效果的程度与如图7所示的结果同样。因此，在为了算出修正目标值w而使用上述式子(7)的目标函数的情况下，也优选将n设定为4以上且6以下的值。由此，能够减小参考调节器30的运算负荷，并且有效地改善控制输出x的过冲和响应性。
另外，本实施方式中的设备控制装置可以应用于能够推定控制输出的状态量的将来预测值的任何设备。例如，也可以是，设备6为柴油发动机，控制输出x为增压压力。在该情况下，外源输入d为发动机转速和燃料喷射量，控制输入u是设置于涡轮增压器的涡轮的可变喷嘴的开度。
另外，也可以是，设备6为柴油发动机，控制输出x为增压压力和EGR率。在该情况下，外源输入d为发动机转速和燃料喷射量，控制输入u是可变喷嘴的开度、节气门的开度以及EGR阀的开度。另外，设备也可以是汽油发动机这样的柴油发动机以外的内燃机、车辆、机床等。

Claims (7)

1.一种设备控制装置，具备：
目标值算出部，其基于设备的预定参数算出所述设备的控制输出的目标值；
目标值修正部，其向抑制所述控制输出的过冲的方向修正所述目标值而算出修正目标值；以及
反馈控制器，其以使得所述控制输出接近所述修正目标值的方式决定所述设备的控制输入，
所述目标值修正部，在使所述控制输出变化至所述目标值的情况下，以使得所述目标值的修正量成为预定值以下的方式设定所述修正目标值，之后，以使得所述目标值的修正量变得比所述预定值大的方式变更所述修正目标值，之后，在所述控制输出达到所述目标值之前，以使得所述目标值的修正量成为所述预定值以下的方式变更所述修正目标值。
2.根据权利要求1所述的设备控制装置，
所述目标值修正部，在使所述控制输出变化至所述目标值的情况下，在所述目标值与所述控制输出的当前值之差比第一基准值大时，以使得所述目标值的修正量成为所述预定值以下的方式设定所述修正目标值，在所述差达到了所述第一基准值时，以使得所述目标值的修正量变得比所述预定值大的方式变更所述修正目标值，在所述差达到了第二基准值时，以使得所述目标值的修正量成为所述预定值以下的方式变更所述修正目标值，所述第二基准值比所述第一基准值小。
3.根据权利要求1所述的设备控制装置，
所述目标值修正部通过进行目标函数的最小值探索来算出所述修正目标值，
所述目标函数构成为包括与所述目标值的修正量有关的项、和与关于所述设备的状态量的限制条件的满足度有关的项，并且，在所述目标值与所述控制输出的当前值之差相对较大的情况下，与所述差相对较小的情况相比，与所述目标值的修正量有关的项对所述目标函数的值的贡献度变大。
4.根据权利要求3所述的设备控制装置，
与所述目标值的修正量有关的项是对所述目标值的修正量越大则变得越大的成分乘以所述差越大则变得越大的成分而得到的值。
5.根据权利要求3所述的设备控制装置，
与所述限制条件的满足度有关的项是将所述限制条件的满足度越低则变得越大的成分除以所述差越大则变得越大的成分而得到的值。
6.根据权利要求4或5所述的设备控制装置，
所述差越大则变得越大的成分是所述差的n次方，n大于零。
7.根据权利要求6所述的设备控制装置，
所述设备为内燃机，n为4以上且6以下的值。
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