JP2008071111A - シミュレーション装置、シミュレーション方法及びシミュレーションプログラム - Google Patents

Abstract

【課題】精度の高い出力データを求めることのできるシミュレーション装置を提供する。
【解決手段】シミュレーション装置は、対象の状態を推定するモデルを作成する装置である。このシミュレーション装置では、シミュレーションモデルに入力データを入力して得られる出力データと出力データに対応する実測データとの誤差に対応する物理量の実測データを求め、出力データを、誤差に対応する物理量の実測データで補正してから、修正関数で補正する。このようにすることで、出力データを実測データに精度良く近似することができる。
【選択図】図３

Description

本発明は、対象の状態を推定するモデルを作成するシミュレーション装置に関する。

対象の物理的なモデルを正確に得ることができれば、ある目的に適合するように所定の操作を加えて対象を精密に制御することが可能である。しかし、実際の対象は、各種の要素が相互に複雑に関係しており、正確な物理モデルを構築することは困難であることが多い。そこで、特許文献１に記載の技術では、まず、エンジンの物理的な性質を考慮したシミュレーションモデルを設定すると共に、実機で粗く実測する。次に、シミュレーションモデルにより算出された出力データと実測データとの差に基づいて修正関数を導出し、出力データと修正関数とを組み合わせて最終モデルとする。特許文献１に記載の技術では、この最終モデルを用いて出力データの最終適合値を決定している。

特開２００４−１７８２４７号公報

しかしながら、出力データと実測データの間の誤差発生は、シミュレーションモデルで予測し切れていない現象や、元々考慮していない現象等、種々の現象や要因に起因している。そのため、誤差が単純な傾向を示すものでなくなることがあり、この場合、特許文献１に記載されたシミュレーションモデルに修正関数を組み合わせた最終モデルを用いても、精度良く出力データを近似することが難しくなる。

本発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、より精度の高い出力データを求めることのできるシミュレーション装置を提供することを目的とする。

本発明の１つの観点では、対象の状態を推定するモデルを作成するシミュレーション装置は、前記対象の物理的な性質を考慮したシミュレーションモデルを作成するシミュレーションモデル作成手段と、前記シミュレーションモデルに入力データを入力して得られる出力データと前記対象の状態を実測して得られる前記出力データに対応する実測データとの誤差に対応する物理量の実測データを計測する誤差実測手段と、前記出力データを、前記誤差に対応する物理量の実測データで補正する第１の補正手段と、前記誤差に対応する物理量の実測データで補正された前記出力データを、前記出力データに対応する実測データに近づける修正関数を生成する修正関数生成手段と、前記誤差に対応する物理量の実測データで補正された前記出力データを前記修正関数で補正する第２の補正手段と、を備える。

上記のシミュレーション装置は、対象の状態を推定するモデルを作成する装置であり、シミュレーションモデル作成手段と、誤差実測手段と、第１の補正手段と、修正関数生成手段と、第２の補正手段と、を備える。これらの手段は、例えばコンピュータのＣＰＵ（Central Processor Unit）により実現される。前記シミュレーションモデル作成手段は、前記対象の物理的な性質を考慮したシミュレーションモデルを作成する。ここで作成されたシミュレーションモデルは、補正される前のモデルである。前記誤差実測手段は、前記シミュレーションモデルに入力データを入力して得られる出力データと前記対象の状態を実測して得られる前記出力データに対応する実測データとの誤差に対応する物理量の実測データを計測する。前記第１の補正手段は、前記出力データを、前記誤差に対応する物理量の実測データで補正する。前記修正関数生成手段は、前記誤差に対応する物理量の実測データで補正された前記出力データを、前記出力データに対応する実測データに近づける修正関数を生成する。前記第２の補正手段は、前記誤差に対応する物理量の実測データで補正された前記出力データを前記修正関数で補正する。このように、前記出力データを、前記誤差に対応する物理量の実測データで補正してから、前記修正関数を用いて補正することで、前記出力データに対応する実測データに精度良く近似することができる。

本発明の他の観点では、対象の状態を推定するモデルを作成するシミュレーション方法は、前記対象の物理的な性質を考慮したシミュレーションモデルを作成するシミュレーションモデル作成工程と、前記シミュレーションモデルに入力データを入力して得られる出力データと前記対象の状態を実測して得られる前記出力データに対応する実測データとの誤差に対応する物理量の実測データを計測する誤差実測工程と、前記出力データを、前記誤差に対応する物理量の実測データで補正する第１の補正工程と、前記誤差に対応する物理量の実測データで補正された前記出力データを、前記出力データに対応する実測データに近づける修正関数を生成する修正関数生成工程と、前記誤差に対応する物理量の実測データで補正された前記出力データを、前記修正関数で補正する第２の補正工程と、を備える。この方法によっても、前記出力データを前記出力データに対応する実測データに精度良く近似することができる。

本発明の更なる他の観点では、コンピュータによって実行されるシミュレーションプログラムは、前記対象の物理的な性質を考慮したシミュレーションモデルを作成するシミュレーションモデル作成手段、前記シミュレーションモデルに入力データを入力して得られる出力データと前記対象の状態を実測して得られる前記出力データに対応する実測データとの誤差に対応する物理量の実測データを計測する誤差実測手段、前記出力データを、前記誤差に対応する物理量の実測データで補正する第１の補正手段、前記誤差に対応する物理量の実測データで補正された前記出力データを、前記出力データに対応する実測データに近づける修正関数を生成する修正関数生成手段、前記誤差に対応する物理量の実測データで補正された前記出力データを、前記修正関数で補正する第２の補正手段、として前記コンピュータを機能させる。このプログラムによっても、前記出力データを前記出力データに対応する実測データに精度良く近似することができる。

以下、図面を参照して本発明の好適な実施の形態について説明する。

［全体構成］
図１は、本実施形態に係るシミュレーション装置１００を示す模式図である。シミュレーション装置１００は、コンピュータ１と、計測装置２と、エンジン３とを備える。エンジン３には、トルクセンサ等の各種のセンサが取り付けられている。各センサの出力信号は、計測装置２に取り込まれる。また、計測装置２は、エンジン３の吸気バルブ及び排気バルブの動作タイミングや、燃料噴射弁の開度等を制御できる。コンピュータ１と計測装置２とは接続されており、計測装置２は、コンピュータ１からの指令に従って、所定の制御条件の下でエンジン３を運転する。エンジン３の状態は各種センサによって計測される。計測装置２は、それらセンサの出力信号に基づいて実測データを生成し、これをコンピュータ１に送信する。

コンピュータ１は、ＣＰＵ（Central Processor Unit）１１と、メモリ１２と、入力装置１３と、ハードディスク１４と、ディスプレイ１５と、インターフェース１６とを備える。これらは、システムバス１０を介して接続されている。ＣＰＵ１１は、コンピュータ１の制御中枢として機能すると共に、各種のプログラムを実行する。メモリ１２は、例えばＲＡＭ（Random Access Memory）であり、ＣＰＵ１１の作業領域として機能し、そこには処理途中のデータ等が記憶される。ハードディスク１４には、シミュレーションモデルが記憶されている。シミュレーションモデルは、プログラムやデータより構成されており、ＣＰＵ１１によってメモリ１２にロードされる。

入力装置１３は、例えばキーボードやマウスであり、オペレータが指示を入力するための入力手段として機能する。インターフェース１６は、外部機器との間で通信を行う機能を有する。ＣＰＵ１１は、インターフェース１６を介して計測装置２へ指令を送信したり、計測装置２から実測データを取得したりすることができる。

以下では、本発明のシミュレーションモデルの作成方法の実施形態について具体的に説明する。

[シミュレーションモデルの作成方法]
最初に、本発明のシミュレーションモデル作成方法について具体的に説明する。

まず、シミュレーション装置１００は、ユーザにより設定された制御条件の下、シミュレーションモデルを作成する。ここで言うシミュレーションモデルは、補正がされる前のモデルであり、対象の物理的な性質を考慮した物理モデルとして与えられる。

ここで、シミュレーションモデルに入力データを入力して出力された出力データと、対象の状態を実測して得られた当該出力データに対応する実測データとの関係について述べる。

図２（ａ）、（ｂ）に、シミュレーションモデルより出力された出力データの２つの例のグラフ２１ａ、２１ｂを夫々示す。図２（ａ）、（ｂ）において、横軸は変数を示し、縦軸は当該変数に対する目的関数の値を示す。

図２（ａ）に目的関数のグラフ２１ａ、２２を示す。具体的には、グラフ２１ａにおける複数の白点（点２１ａｐ）は、シミュレーションモデルに入力データを入力して出力された出力データの値を示す。グラフ２１ａは、当該出力データの値を示す点を結んだものである。グラフ２２における複数の白点（点２２ｐ）は、対象の状態を実測して得られた当該出力データに対応する実測データを示す。グラフ２２は、当該実測データの値を示す点を結んだものである。

図２（ａ）に示す例では、グラフ２１ａとグラフ２２との誤差の大きさは小さく、その誤差の傾向は単純なものとなっている。具体的には、グラフ２１ａとグラフ２２との間の誤差の大きさは、変数に対し、略一定値となっている。従って、シミュレーション装置１００は、グラフ２１ａをグラフ２２に近づける修正関数を求め、グラフ２１ａを当該修正関数で補正することにより、グラフ２１ａを、グラフ２２に精度良く近似することができる。

修正関数は、例えば、変数に対し、グラフ２１ａとグラフ２２との間の誤差の大きさが略一定であるならば、当該誤差の大きさが修正関数として求められる。また、変数に対し、当該誤差の大きさが略一定の割合で増加しているのであれば、当該誤差の大きさは変数に対する一次関数として表すことができるので、当該一次関数が修正関数として求められる。従って、上述の例で、グラフ２１ａを修正関数で補正するとは、略一定値となっている誤差の大きさを修正関数とし、グラフ２１ａの値から、当該一定値を差し引くことで、グラフ２２に近づけることをいう。

図２（ｂ）に目的関数のグラフ２１ｂ、２２を示す。グラフ２１ｂにおける複数の白点（点２１ｂｐ）は、シミュレーションモデルに入力データを入力して出力された出力データの値を示す。グラフ２１ｂは、当該出力データの値を示す点を結んだものである。

図２（ｂ）に示す例では、グラフ２１ｂとグラフ２２との誤差の大きさは大きく、その誤差の傾向は複雑なものとなっている。つまり、グラフ２１ｂとグラフ２２との誤差の大きさを変数に対する低次の関数で表すことはできない。従って、このままでは、シミュレーション装置１００は、グラフ２１ｂを修正関数で補正しても、グラフ２１ｂをグラフ２２に精度良く近似することは難しい。

そこで、本実施例に係るシミュレーション装置１００は、シミュレーションモデルに入力データを入力して出力された出力データと当該出力データに対応する実測データとの誤差が大きく、その誤差の傾向が複雑なものとなっている場合において、当該誤差に対応する物理量の実測データを計測する。次に、シミュレーション装置１００は、シミュレーションモデルより出力された出力データを、当該誤差に対応する物理量の実測データで補正した後、修正関数で補正することとする。このようにすることで、シミュレーション装置１００は、シミュレーションモデルより出力された出力データを精度良く実測データに近似することができる。

以下、例として、シミュレーションモデルとして燃焼予測モデルを用いた場合において、実測トルクを精度良く予測する方法について具体的に述べる。

図３に、回転数を変数とし、当該回転数に対するトルクの大きさを目的関数とした場合のグラフの例を示す。図３において、横軸は変数（回転数）を示し、縦軸は当該変数（回転数）に対する目的関数の値（トルクの大きさ）を示す。

図３において、丸で示す点は、燃焼予測モデルに複数の回転数Ｅ１〜Ｅ５を入力して出力されたトルクの大きさＴｐ１を示している。グラフ３１は、トルクの大きさＴｐ１を示す点を結んだ、いわゆる図示トルクの大きさを示すグラフである。三角で示す点は、燃焼予測モデルで設定された制御条件と同じ制御条件下において動作させたエンジン３において、複数の回転数Ｅ１〜Ｅ５における実測されたトルクの大きさＴｍを示している。グラフ３２は、トルクの大きさＴｍを示す点を結んだ、いわゆる正味トルクの大きさを示すグラフである。

図３より分かるように、グラフ３１とグラフ３２との誤差は大きく、その誤差の傾向は複雑なものとなっている。この理由は次の通りである。即ち、トルクの実測値を正確に予測するには、燃焼予測以外に摩擦損失、補機損失を予測することが必要である。補機損失による誤差については実験方法によりある程度抑えることが可能であるが、摩擦損失による誤差については、摩擦損失がピストン近傍で発生する他、バルブ・コンロッド近傍等でも発生するため、正確に予測することが難しい。そのため、燃焼予測モデルに回転数を入力して出力されたトルクの大きさと実測されたトルクの大きさとの誤差は大きくなり、その誤差の傾向は複雑なものとなる。

そこで、本実施例では、燃焼予測モデルに入力データとして入力された複数の回転数Ｅ１〜Ｅ５毎にモータリング時のフリクショントルの大きさＴｆを実測する。そして、当該複数の回転数Ｅ１〜Ｅ５毎に、燃焼予測モデルより出力されたトルクの大きさＴｐ１を、フリクショントルクの大きさＴｆで差し引くことで補正する（矢印３４）。四角で示す点は、このようにして補正されたトルクの大きさＴｐ２を示しており、これらの四角で示す点を結んだグラフがグラフ３３となる。ここで、グラフ３３とグラフ３２との誤差は、グラフ３１とグラフ３２との誤差と比較して、小さくなっており、その誤差の傾向は単純なものとなっている。従って、グラフ３３を、グラフ３３とグラフ３２との誤差を基に算出された修正関数で補正することにより（矢印３５）、グラフ３２に精度良く近似することができる。

（シミュレーションモデル作成処理）
次に、本実施例に係るシミュレーションモデル作成処理について、図４に示すフローチャートを用いて説明することとする。図４は、シミュレーションモデル作成処理を示すフローチャートである。

まず、ユーザは、回転数などの計測条件を決定する（ステップＳ１０１）。そして、コンピュータ１は、当該計測条件を基にエンジン３よりトルクの大きさなどの実測データを計測する（ステップＳ１０２）。

コンピュータ１は、ユーザにより設定された制御条件の下、所定の入力データに対する出力データを示すシミュレーションモデルを作成する（ステップＳ１０３）。例えば、上述の例では、コンピュータ１は、回転数に対するトルクの大きさを示す燃焼予測モデルを作成する。従って、コンピュータ１のＣＰＵ１１は、本発明におけるシミュレーションモデル作成手段として機能する。

コンピュータ１は、シミュレーションモデルに所定の入力データを入力して得られた出力データと当該出力データに対応する実測データとの誤差の大きさが大きいか否か、具体的には、誤差の大きさが所定量以上か否かを判定し（ステップＳ１０４）、誤差の大きさが所定量以上であると判定した場合には（ステップＳ１０４：Ｙｅｓ）、当該誤差が大きくなる要因を解析し、当該誤差に対応する物理量の実測データを計測する（ステップＳ１０５）。例えば、上述の例では、コンピュータ１は、燃焼予測モデルに回転数を入力して出力されたトルクの大きさＴｐ１と実測されたトルクの大きさＴｍとの誤差の大きさが所定量以上か否かを判定し、当該誤差の大きさが所定量以上であると判定した場合には、燃焼予測モデルに入力データとして入力された複数の回転数Ｅ１〜Ｅ５に対するフリクショントルクの大きさＴｆを計測する。従って、コンピュータ１のＣＰＵ１１は、本発明における誤差実測手段として機能する。

コンピュータ１は、シミュレーションモデルより得られた出力データを、誤差に対応する物理量の実測データで補正する（ステップＳ１０６）。このようにすることで、誤差に対応する物理量の実測データで補正された出力データは、当該出力データに対応する実測データとの誤差が小さくなり、その誤差の傾向も単純なものとなる。従って、コンピュータ１のＣＰＵ１１は、本発明における第１の補正手段として機能する。例えば、上記の例では、コンピュータ１は、図３に示したように、燃焼予測モデルより出力されたトルクの大きさＴｐ１から、計測されたフリクショントルクの大きさＴｆを差し引くことで補正する。

コンピュータ１は、誤差に対応する物理量の実測データで補正された出力データと当該出力データに対応する実測データとの誤差の大きさを求め（ステップＳ１０７）、当該誤差の大きさを基に修正関数を算出する（ステップＳ１０８）。例えば、上記の例では、コンピュータ１は、燃焼予測モデルより出力されたトルクの大きさＴｐ１からフリクショントルクの大きさＴｆを差し引くことで補正されたトルクの大きさＴｐ２と実測されたトルクの大きさＴｍとの誤差の大きさを基に、修正関数を算出する。従って、コンピュータ１のＣＰＵ１１は、本発明における修正関数生成手段として機能する。

コンピュータ１は、誤差に対応する物理量の実測データで補正された出力データを修正関数で補正する。例えば、上述の例では、コンピュータ１は、図３に示したように、フリクショントルクの大きさＴｆで補正されたトルクの大きさＴｐ２を、算出された修正関数で補正する。従って、コンピュータ１のＣＰＵ１１は、本発明における第２の補正手段として機能する。このようにして、コンピュータ１は、最終モデルを作成する（ステップＳ１０９）。

一方、ステップＳ１０４において、コンピュータ１は、シミュレーションモデルに所定の入力データを入力して得られた出力データと当該出力データに対応する実測データとの誤差の大きさが小さい、即ち、所定量よりも小さいと判定した場合には（ステップＳ１０４：Ｎｏ）、シミュレーションモデルより出力された出力データと当該出力データに対応する実測データとの誤差の大きさを求め（ステップＳ１１０）、当該誤差の大きさを基に修正関数を算出する（ステップＳ１１１）。そして、コンピュータ１は、シミュレーションモデルより出力された出力データを修正関数で補正することで、最終モデルを作成する（ステップＳ１１２）。つまり、コンピュータ１は、誤差の大きさが小さいと判定した場合には、シミュレーションモデルより出力された出力データを、当該誤差に対応する物理量の実測データで補正することなく、直接、修正関数を求めて補正する。

以上のことから分かるように、本発明のシミュレーション装置１００は、シミュレーションモデルに入力データを入力して得られる出力データと当該出力データに対応する実測データとの誤差に対応する物理量の実測データを求めて、当該出力データを、当該誤差に対応する物理量の実測データで補正してから、修正関数を求めて補正する。このようにすることで、シミュレーション装置１００は、シミュレーションモデルより出力された出力データを、当該出力データに対応する実測データに精度良く近似することができる。

なお、本実施例では、燃焼予測モデルを用いてトルクの大きさを求めるとしているが、これに限られるものではなく、他の例にも本発明を適用することができるのは言うまでもない。例えば、気筒内に流入する空気量を予測する空気量予測モデルをシミュレーションモデルとしても、本発明を適用することもできる。この場合には、当該空気量予測モデルより出力された出力データと当該出力データに対応する実測データとの誤差に対応する物理量の実測データとしては、バルブデポジットによる空気量の損失量が考えられる。従って、シミュレーション装置１００は、当該空気量予測モデルより出力された出力データを、当該バルブデポジットによる空気量の損失量の実測データで差し引くことで補正してから、修正関数を求めて補正することで、実際に気筒内に流入する空気量に精度良く近似することができる。

本発明の各実施形態に係るシミュレーション装置の模式図である。 変数に対する目的関数の値を示すグラフである。 回転数に対するトルクの大きさを示すグラフである。 シミュレーションモデル生成処理を示すフローチャートである。

符号の説明

１ コンピュータ
２ 計測装置
３ エンジン

Claims (3)

1. 対象の状態を推定するモデルを作成するシミュレーション装置であって、
   前記対象の物理的な性質を考慮したシミュレーションモデルを作成するシミュレーションモデル作成手段と、
   前記シミュレーションモデルに入力データを入力して得られる出力データと前記対象の状態を実測して得られる前記出力データに対応する実測データとの誤差に対応する物理量の実測データを計測する誤差実測手段と、
   前記出力データを、前記誤差に対応する物理量の実測データで補正する第１の補正手段と、
   前記誤差に対応する物理量の実測データで補正された前記出力データを、前記出力データに対応する実測データに近づける修正関数を生成する修正関数生成手段と、
   前記誤差に対応する物理量の実測データで補正された前記出力データを、前記修正関数で補正する第２の補正手段と、を備えることを特徴とするシミュレーション装置。
2. 対象の状態を推定するモデルを作成するシミュレーション方法であって、
   前記対象の物理的な性質を考慮したシミュレーションモデルを作成するシミュレーションモデル作成工程と、
   前記シミュレーションモデルに入力データを入力して得られる出力データと前記対象の状態を実測して得られる前記出力データに対応する実測データとの誤差に対応する物理量の実測データを計測する誤差実測工程と、
   前記出力データを、前記誤差に対応する物理量の実測データで補正する第１の補正工程と、
   前記誤差に対応する物理量の実測データで補正された前記出力データを、前記出力データに対応する実測データに近づける修正関数を生成する修正関数生成工程と、
   前記誤差に対応する物理量の実測データで補正された前記出力データを、前記修正関数で補正する第２の補正工程と、を備えることを特徴とするシミュレーション方法。
3. コンピュータによって実行されるシミュレーションプログラムであって、
   前記対象の物理的な性質を考慮したシミュレーションモデルを作成するシミュレーションモデル作成手段、
   前記シミュレーションモデルに入力データを入力して得られる出力データと前記対象の状態を実測して得られる前記出力データに対応する実測データとの誤差に対応する物理量の実測データを計測する誤差実測手段、
   前記出力データを、前記誤差に対応する物理量の実測データで補正する第１の補正手段、
   前記誤差に対応する物理量の実測データで補正された前記出力データを、前記出力データに対応する実測データに近づける修正関数を生成する修正関数生成手段、
   前記誤差に対応する物理量の実測データで補正された前記出力データを、前記修正関数で補正する第２の補正手段、として前記コンピュータを機能させることを特徴とするシミュレーションプログラム。

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