JP2008077376A - 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ものであり、第１のシミュレーションモデル作成手段と、第２のシミュレーションモデル作成手段と、を備える。第１のシミュレーションモデル作成手段は、所定の時刻で計測された実測データを基に対象の物理的な性質を考慮した第１のシミュレーションモデルを、複数の時刻で計測された実測データの夫々について作成する。第２のシミュレーションモデル作成手段は、作成された複数の第１のシミュレーションモデルを基に制御変数及び時刻を入力変数とする第２のシミュレーションモデルを作成する。これにより、経時変化による誤差を考慮したシミュレーションモデルを作成することができる。
【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を修正関数で修正することで、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、シミュレーションモデルは、所定の入力データに対するエンジンの状態を示す実測データを基に設定されるため、経時変化による誤差を含む可能性がある。即ち、所定の入力データを複数の範囲に分けて、所定時間毎に１つの範囲における入力データに対する実測データを計測すると、各範囲毎に計測された実測データ間には、経時変化による誤差が生じる。そのため、当該実測データを基に作成されたシミュレーションモデルには、経時変化による誤差が紛れ込む。この場合、シミュレーションモデルより出力される出力データの精度は悪くなる。

これに対処する１つ目の方法として、経時変化による誤差を偶然誤差に紛れ込ませて、シミュレーションモデルを作成する方法があるが、これによって作成されたシミュレーションモデルであっても、偶然誤差自体が大きくなるため、出力データの精度は悪くなる。

また、２つ目の対処する方法として、入力データの値をランダムに変えて計測された実測データを基にシミュレーションモデルを作成する方法があるが、この場合には、入力データの値をランダムに変えるのに時間がかかる（例えば、入力データとしてエンジンの回転数を用いた場合には、当該エンジンの回転数をランダムに変えるのに時間がかかる）ため、実測データの計測に時間がかかる。

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、所定の時刻で計測された実測データを基に前記対象の物理的な性質を考慮した第１のシミュレーションモデルを、複数の時刻で計測された実測データの夫々について作成する第１のシミュレーションモデル作成手段と、作成された複数の前記第１のシミュレーションモデルを基に制御変数及び時刻を入力変数とする第２のシミュレーションモデルを作成する第２のシミュレーションモデル作成手段と、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ものであり、第１のシミュレーションモデル作成手段と、第２のシミュレーションモデル作成手段と、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。前記第１のシミュレーションモデル作成手段は、所定の時刻で計測された実測データを基に前記対象の物理的な性質を考慮した第１のシミュレーションモデルを、複数の時刻で計測された実測データの夫々について作成する。前記第２のシミュレーションモデル作成手段は、作成された複数の前記第１のシミュレーションモデルを基に制御変数及び時刻を入力変数とする第２のシミュレーションモデルを作成する。このようにすることで、上記のシミュレーション装置は、経時変化による誤差を考慮したシミュレーションモデルを作成することができる。

上記のシミュレーション装置の他の一態様は、前記第２のシミュレーションモデルに入力された所定の制御変数の値が、前記所定の時刻で計測された実測データに対応する制御変数の値のみを含む制御変数の範囲内に存在する場合には、前記所定の時刻で計測された実測データを基に作成された前記第１のシミュレーションモデルに前記所定の制御変数の値を入力して出力変数の値を算出すると共に、算出された前記出力変数の値を前記第２のシミュレーションモデルの出力変数の適合値とする出力変数算出手段と、を備える。出力変数算出手段は、例えばコンピュータのＣＰＵにより実現される。これにより、シミュレーション装置は、同時刻に計測された実測データを基に得られたシミュレーションモデルのみを用いて、出力変数の適合値を求めることができ、経時変化による誤差の影響を少なくすることができる。

上記のシミュレーション装置の他の一態様は、前記第２のシミュレーションモデルに入力された所定の制御変数の値を複数の前記第１のシミュレーションモデルに夫々入力して複数の出力変数の値を算出すると共に、算出された前記複数の出力変数の値を基に前記第２のシミュレーションモデルの出力変数の適合値を算出する出力変数算出手段と、を備える。出力変数算出手段は、例えばコンピュータのＣＰＵにより実現される。これにより、シミュレーション装置は、経時変化による誤差のばらつきを考慮した精度の高い出力変数の適合値を求めることができる。

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、所定の時刻で計測された実測データを基に前記対象の物理的な性質を考慮した第１のシミュレーションモデルを、複数の時刻で計測された実測データの夫々について作成する第１のシミュレーションモデル作成工程と、作成された複数の前記第１のシミュレーションモデルを基に制御変数及び時刻を入力変数とする第２のシミュレーションモデルを作成する第２のシミュレーションモデル作成工程と、を備える。この方法によっても、経時変化による誤差を考慮したシミュレーションモデルを作成することができる。

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、所定の時刻で計測された実測データを基に前記対象の物理的な性質を考慮した第１のシミュレーションモデルを、複数の時刻で計測された実測データの夫々について作成する第１のシミュレーションモデル作成手段、作成された複数の前記第１のシミュレーションモデルを基に制御変数及び時刻を入力変数とする第２のシミュレーションモデルを作成する第２のシミュレーションモデル作成手段、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、経時変化による誤差を考慮したシミュレーションモデルを作成することができる。

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]
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。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。具体的には、シミュレーションモデルは、計測された複数の制御変数に対する対象の状態を示す実測データを基にして作成される。このシミュレーションモデルは、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。

図２は、一般的なシミュレーションモデルの例を示すグラフである。図２において、横軸は制御変数Ｖを示し、縦軸は出力変数Ｔを示す。制御変数Ｖとしては、例えば、可変バルブタイミング（ＶＶＴ：Variable Valve Timing）や点火時期などが挙げられ、出力変数Ｔとしては、例えば、トルクなどが挙げられる。なお、以下の説明において、制御変数Ｖがシミュレーションモデルの入力データであり、出力変数Ｔがシミュレーションモデルの出力データである。

図２において、丸で示す点は、時刻ｔ＝ｔ１において計測された制御変数の値Ｖ１、Ｖ２に対する実測データの値を示し、四角で示す点は、時刻ｔ＝ｔ２において計測された制御変数の値Ｖ３、Ｖ４に対する実測データの値を示し、三角で示す点は、時刻ｔ＝ｔ３において計測された制御変数の値Ｖ５、Ｖ６に対する実測データの値を示す。グラフ２１は、これらの実測データの値を最小二乗法等の統計的処理を施すことにより得られる近似曲線である。従って、グラフ２１は、制御変数Ｖに対する出力変数Ｔを示す関数のグラフであり、制御変数Ｖに対する出力変数Ｔの傾向を示すものとなっている。なお、以下の説明において、「時刻」とは、時分だけでなく日付をも含む広い概念であるとする。

グラフ２２も、制御変数Ｖに対する出力変数Ｔを示す関数のグラフであるが、グラフ２１と異なり、制御変数Ｖに対する出力変数Ｔの真の傾向を示すものである。図２より分かるように、グラフ２１は、グラフ２２と誤差が生じている。この理由は、時刻ｔ＝ｔ１、ｔ２、ｔ３の各時刻で計測された実測データ間には、偶然誤差だけでなく経時変化による誤差も生じているからである。即ち、エンジン３の状態は、時間の経過と共に変化するため、実測データの値もそれに伴って変化し、例えば、時刻ｔ＝ｔ１において制御変数の値Ｖ５、Ｖ６に対する実測データを計測したときの当該実測データの値は、図２に示した時刻ｔ＝ｔ３において計測された制御変数の値Ｖ５、Ｖ６に対する実測データの値とは異なるものとなる。このときの誤差が経時変化による誤差である。

そこで、本発明のシミュレーションモデルでは、図２に示した一般的なシミュレーションモデルの関数とは異なり、出力変数Ｔを示す関数は、制御変数Ｖだけでなく、時刻ｔも入力変数として含んだものとなっている。

図３は、本発明のシミュレーションモデルの例を示すグラフである。図３において、横軸は制御変数Ｖを示し、縦軸は出力変数Ｔを示し、横軸と縦軸との両方に垂直な方向の軸は時刻ｔを示す。

図３に示すように、本発明のシミュレーション装置１００は、時刻ｔ＝ｔ１において計測された制御変数の値Ｖ１、Ｖ２に対する実測データを基にして、近似曲線のグラフ３１を作成し、時刻ｔ＝ｔ２において計測された制御変数の値Ｖ３、Ｖ４に対する実測データを基にして、近似曲線のグラフ３２を作成し、時刻ｔ＝ｔ３において計測された制御変数の値Ｖ５、Ｖ６に対する実測データを基にして、近似曲線のグラフ３３を作成する。これらのグラフ３１〜３３が、本発明における第１のシミュレーションモデルとなる。

シミュレーション装置１００は、グラフ３１〜３３を基にして、図３に示すグラフ３５を作成する。グラフ３５は、図３におけるハッチングされた曲面のグラフを示し、制御変数Ｖと時刻ｔに対する出力変数Ｔを示す関数のグラフとなっている。つまり、グラフ３５を示す関数をＦとすると、入力変数としては、制御変数Ｖの他に時刻ｔが規定され、出力変数Ｔの値は関数Ｆ（Ｖ、ｔ）で算出される。従って、関数Ｆ（Ｖ、ｔ１）はグラフ３１の関数を示し、関数Ｆ（Ｖ、ｔ２）はグラフ３２の関数を示し、関数Ｆ（Ｖ、ｔ３）はグラフ３３の関数を示すこととなる。このグラフ３５が、本発明における第２のシミュレーションモデルとなる。なお、関数Ｆの入力変数としては、１つの制御変数Ｖに限られるものではなく、代わりに、複数の制御変数が規定されるとしてもよいのは言うまでもない。

図４は、制御変数Ｖの値を一定とした場合（このときの制御変数Ｖの値をＶｃとする）における時刻ｔと出力変数Ｔとの関係を示すグラフである。図４に示すグラフ３６は、その傾向が複雑となる可能性が高い。そのため、グラフ３６の傾向が複雑となる場合には、時刻ｔに対する出力変数Ｔを示す関数Ｆ（Ｖｃ、ｔ）は、非線形関数で表される。

以上で述べたように、本発明のシミュレーション装置１００は、時刻ｔ＝ｔ１で計測された実測データを基にグラフ３１を作成し、時刻ｔ＝ｔ２で計測された実測データを基にグラフ３２を作成し、時刻ｔ＝ｔ３で計測された実測データを基にグラフ３３を作成する。そして、シミュレーション装置１００は、グラフ３１〜３３を基に、制御変数及び時刻を入力変数として含む関数であるグラフ３５を作成する。このようにすることで、シミュレーション装置１００は、経時変化による誤差を考慮したシミュレーションモデルを作成することができる。

[出力変数の算出方法]
次に、図３に示すグラフ３５を用いて、出力変数Ｔを算出する方法について具体的に述べる。まず、出力変数Ｔを算出する方法の第１の実施例について述べる。図５は、第１の実施例に係る出力変数Ｔの算出方法を示すフローチャートである。図６は、第１の実施例に係る出力変数Ｔの算出方法の例を示す模式図である。

ユーザにより所定の制御変数の値Ｖｅがグラフ３５を示す関数Ｆ（Ｖ、ｔ）に入力されると（ステップＳ１０１）、コンピュータ１は、当該所定の制御変数の値Ｖｅが、時刻ｔ＝ｔ１、ｔ２、ｔ３に計測された各実測データに対応する制御変数の範囲のうち、どの制御変数の範囲内に存在しているかを算出する（ステップＳ１０２）。ここで、所定の時刻に計測された実測データに対応する制御変数の範囲とは、当該所定の時刻に計測された実測データに対応する制御変数の値のみを含む制御変数の範囲を示す。図６に示す例では、
時刻ｔ＝ｔ１に計測された実測データに対応する制御変数の範囲Ｖｒは、時刻ｔ＝ｔ１に計測された実測データに対応する制御変数の値Ｖ１、Ｖ２のみを含んでおり、時刻ｔ＝ｔ２に計測された実測データに対応する制御変数の範囲Ｖｓは、時刻ｔ＝ｔ２に計測された実測データに対応する制御変数の値Ｖ３、Ｖ４のみを含んでおり、時刻ｔ＝ｔ３に計測された実測データに対応する制御変数の範囲Ｖｑは、時刻ｔ＝ｔ３に計測された実測データに対応する制御変数の値Ｖ５、Ｖ６のみを含んでいる。この例では、所定の制御変数の値Ｖｅは、制御変数の範囲Ｖｒ間に存在している。

次に、コンピュータ１は、当該所定の制御変数の値を、当該所定の制御変数の範囲の実測データに対応するグラフに入力して出力変数の値を算出し、当該出力変数の値を出力変数Ｔの最適値として出力する（ステップＳ１０３）。例えば、図６に示す例では、コンピュータ１は、制御変数の範囲Ｖｒの実測データに対応する、即ち、時刻ｔ＝ｔ１に計測された実測データに対応するグラフ３１の関数Ｆ（Ｖ、ｔ１）に、所定の制御変数の値Ｖｅを入力することで、出力変数の値Ｔｅ（＝Ｆ（Ｖｅ、ｔ１））を算出する。コンピュータ１は、この出力変数の値Ｔｅをグラフ３５より算出された出力変数Ｔの適合値として出力する。

なお、図６に示す例において、所定の制御変数の値Ｖｅが制御変数の範囲Ｖｓに存在している場合には、コンピュータ１は、制御変数の範囲Ｖｓの実測データに対応する、即ち、時刻ｔ＝ｔ２で計測された実測データに対応するグラフ３２の関数Ｆ（Ｖ、ｔ２）に、所定の制御変数の値Ｖｅを入力することで、出力変数の値を算出して、出力変数Ｔの適合値として出力する。また、所定の制御変数の値Ｖｅが制御変数の範囲Ｖｑに存在している場合には、コンピュータ１は、制御変数の範囲Ｖｑの実測データに対応する、即ち、時刻ｔ＝ｔ３で計測された実測データに対応するグラフ３３の関数Ｆ（Ｖ、ｔ３）に、所定の制御変数の値Ｖｅを入力することで、出力変数の値を算出して、出力変数Ｔの適合値として出力する。

このようにすることで、シミュレーション装置１００は、同時刻に計測された実測データを基に作成されたグラフのみを用いて、出力変数Ｔの適合値を求めることができるので、経時変化による誤差の影響を少なくすることができる。

次に、出力変数Ｔを算出する方法の第２の実施例について述べる。図７は、第２の実施例に係る出力変数Ｔの算出方法を示すフローチャートである。図８は、第２の実施例に係る出力変数Ｔの算出方法の例を示す模式図である。

ユーザにより所定の制御変数の値Ｖａがグラフ３５の関数Ｆ（Ｖ、ｔ）に入力されると（ステップＳ２０１）、コンピュータ１は、当該所定の制御変数を各時刻に計測された実測データに対応するグラフ３１〜３３に夫々入力して、グラフ３１〜３３の夫々について出力変数の値を算出する（ステップＳ２０２）。図７に示す例では、コンピュータ１は、時刻ｔ＝ｔ１に対応するグラフ３１を示す関数Ｆ（Ｖ、ｔ１）に制御変数Ｖａを入力することで、出力変数の値Ｔ１ａ（＝Ｆ（Ｖａ、ｔ１））を算出し、時刻ｔ＝ｔ２に対応するグラフ３２を示す関数Ｆ（Ｖ、ｔ２）に制御変数Ｖａを入力することで、出力変数の値Ｔ２ａ（＝Ｆ（Ｖａ、ｔ２））を算出し、時刻ｔ＝ｔ３に対応するグラフ３３を示す関数Ｆ（Ｖ、ｔ３）に制御変数Ｖａを入力することで、Ｔ３ａ（＝Ｆ（Ｖａ、ｔ３））を算出する。

コンピュータ１は、算出された複数の出力変数の値Ｔ１ａ、Ｔ２ａ、Ｔ３ａに対し統計的処理を行うことにより、グラフ３５の出力変数Ｔの適合値を算出して出力する（ステップＳ２０３）。具体的には、コンピュータ１は、出力変数の値Ｔ１ａ、Ｔ２ａ、Ｔ３ａの平均値や標準偏差を算出するといった統計的処理を行うことにより、グラフ３５の出力変数Ｔの適合値を求める。例えば、出力変数の値Ｔ１ａ、Ｔ２ａ、Ｔ３ａの平均値を算出したものをグラフ３５の出力変数Ｔの適合値とする場合には、グラフ３５の出力変数Ｔの適合値は（Ｔ１ａ＋Ｔ２ａ＋Ｔ３ａ）／３で求められる。

このようにすることで、シミュレーション装置１００は、経時変化による誤差のばらつきを考慮した精度の高い出力変数の適合値を求めることができる。

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。 制御変数に対する出力変数の値を示すグラフである。 制御変数及び時刻に対する出力変数の値を示すグラフである。 時刻に対する出力変数の値を示すグラフである。 第１の実施例に係る出力変数の算出方法を示すフローチャートである。 第１の実施例に係る出力変数の算出方法を示す模式図である。 第２の実施例に係る出力変数の算出方法を示すフローチャートである。 第２の実施例に係る出力変数の算出方法を示す模式図である。

符号の説明

１ コンピュータ
２ 計測装置
３ エンジン

Claims (5)

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、
   所定の時刻で計測された実測データを基に前記対象の物理的な性質を考慮した第１のシミュレーションモデルを、複数の時刻で計測された実測データの夫々について作成する第１のシミュレーションモデル作成手段と、
   作成された複数の前記第１のシミュレーションモデルを基に制御変数及び時刻を入力変数とする第２のシミュレーションモデルを作成する第２のシミュレーションモデル作成手段と、を備えることを特徴とするシミュレーション装置。
2. 前記第２のシミュレーションモデルに入力された所定の制御変数の値が、前記所定の時刻で計測された実測データに対応する制御変数の値のみを含む制御変数の範囲内に存在する場合には、前記所定の時刻で計測された実測データを基に作成された前記第１のシミュレーションモデルに前記所定の制御変数の値を入力して出力変数の値を算出すると共に、算出された前記出力変数の値を前記第２のシミュレーションモデルの出力変数の適合値とする出力変数算出手段と、を備えることを特徴とする請求項１に記載のシミュレーション装置。
3. 前記第２のシミュレーションモデルに入力された所定の制御変数の値を複数の前記第１のシミュレーションモデルに夫々入力して複数の出力変数の値を算出すると共に、算出された前記複数の出力変数の値を基に前記第２のシミュレーションモデルの出力変数の適合値を算出する出力変数算出手段と、を備えることを特徴とする請求項１に記載のシミュレーション装置。
4. 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、
   所定の時刻で計測された実測データを基に前記対象の物理的な性質を考慮した第１のシミュレーションモデルを、複数の時刻で計測された実測データの夫々について作成する第１のシミュレーションモデル作成工程と、
   作成された複数の前記第１のシミュレーションモデルを基に制御変数及び時刻を入力変数とする第２のシミュレーションモデルを作成する第２のシミュレーションモデル作成工程と、を備えることを特徴とするシミュレーション方法。
5. 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、
   所定の時刻で計測された実測データを基に前記対象の物理的な性質を考慮した第１のシミュレーションモデルを、複数の時刻で計測された実測データの夫々について作成する第１のシミュレーションモデル作成手段、
   作成された複数の前記第１のシミュレーションモデルを基に制御変数及び時刻を入力変数とする第２のシミュレーションモデルを作成する第２のシミュレーションモデル作成手段、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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