JP2014048715A - プラント制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】制約を充足しつつ良好な過渡応答特性を達成する。
【解決手段】本発明に係るプラント制御装置は、プラントの制御量の出力値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（ＦＢＣ）と、プラントとＦＢＣとを含む閉ループシステムの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リファレンスガバナ（ＲＧ）と、を備える。詳しくは、ＲＧは修正目標値候補を変数として目標値と当該修正目標値候補との距離が小さいほど小さな値をとる目的関数と、予測値を変数として目標値と当該予測値との距離が小さいほど小さな値をとる目的関数との和で表される評価関数の最適値を探索し、評価関数を最適化する修正目標値候補を修正目標値として決定する。
【選択図】図１

Description

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。

一般的なプラント制御装置は、プラントの制御量に関して目標値が与えられた場合、同制御量の出力値を目標値に追従させるようにフィードバック制御によってプラントの制御入力を決定するように構成されている。ただし、実際のプラントの制御においては、プラントの状態量に関してハード上或いは制御上の様々な制約が存在している場合が多い。それらの制約が充足されない場合、ハードの破損や制御性能の低下が生じるおそれがある。制約の充足性は、目標値に対する出力値の追従性と同じく、プラントの制御において求められる重要な性能の１つである。

リファレンスガバナは上記要求を満たすための１つの有効な手段である。リファレンスガバナは制御対象である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（フィードバック制御システム）をモデル化した予測モデルを備え、制約が課せられている状態量の将来値を予測モデルによって予測する。そして、状態量の予測値とそれに課せられた制約とに基づいてプラントの制御量の目標値を修正する。

リファレンスガバナの設計において重要とされるのが、修正目標値の計算に使用する評価関数の内容である。制約の充足性のみを考慮するのであれば様々な評価関数を採ることができる。しかし、どのような評価関数を用いて修正目標値を決定したかにより、制御量の目標値に対する出力値の追従特性は大きく変わり、また、制御量の目標値の変化に対する出力値の過渡応答特性も大きく変わってくる。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動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。制約を充足しつつ良好な過渡応答特性を達成できるようにすることは、プラント制御装置、特に、運転条件に応じて応答特性が変化するプラントを制御対象とするプラント制御装置にとっての重要な課題である。

リファレンスガバナをプラントの制御に適用した先行技術の例としては、下記の特許文献１に開示された先行技術を挙げることができる。この先行技術は多段圧延装置における圧延材の張力制御に関するものである。特許文献１に開示された先行技術では、圧延材の張力の時間変化を規定した目標軌道データがリファレンスガバナによって予め演算され、圧延材の張力実績値と目標軌道データとの偏差に基づいて圧延材の張力が制御される。

特開２０１０−２５３５０１号公報

しかしながら、上記先行技術は運転条件に応じて応答特性が変化するプラントを制御対象とするものではない。このため、この先行技術を運転条件に応じて応答特性が変化するプラントに適用したとしても、制約を充足しつつ良好な過渡応答特性を達成するという課題は達成することはできない。

本発明は、上述のような課題に鑑みてなされたもので、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プラント制御装置において、制約を充足しつつ良好な過渡応答特性を達成することを目的とする。

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、
プラントの制御量の出力値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、修正目標値候補を変数として前記目標値と当該修正目標値候補との距離が小さいほど小さな値をとる第１の目的関数と前記予測値を変数として前記目標値と当該予測値との距離が小さいほど小さな値をとる第２の目的関数との和で表される評価関数の最適値を探索し、前記評価関数を最適化する修正目標値候補を修正目標値として決定することを特徴としている。

第２の発明は、第１の発明において、
前記リファレンスガバナは、前記予測値が前記特定状態量の上限値を超えない範囲で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ことを特徴としている。

第３の発明は、第１または第２の発明において、
前記プラントはディーゼルエンジンの後処理システムであり、
前記後処理システムは、前記ディーゼルエンジンの排気系に設けられたディーゼル微粒子除去装置と、前記ディーゼル微粒子除去装置の上流側の排気系に設けられた燃料添加弁と、を備え、
前記制御入力は前記燃料添加弁による燃料添加量であり、前記制御量は前記ディーゼル微粒子除去装置の温度であることを特徴としている。

第１の発明において、第１の目的関数は目標値から大きく乖離しない修正目標値を選択することを意味している。また、第２の目的関数はプラントの特定状態量の将来の予測値が目標値により追従するように修正目標値を選択することを意味している。したがって、第１の発明の評価関数によれば、目標値を達成することと制約を充足することとの二律背反のバランスを取った修正目標値を選択することが可能となる。

第２の発明によれば、リファレンスガバナは予測値が特定状態量の上限値を超えない範囲で修正目標値を選択する。このため、本発明によれば、プラントの特定状態量に課せられた上限値の制約を充足しつつ良好な過渡応答特性を達成できることが可能となる。

第３の発明によれば、ディーゼルエンジンの後処理システムは、排気系に設けられたディーゼル微粒子除去装置（ＤＰＦ）と、ＤＰＦの上流側の排気系に設けられた燃料添加弁と、を備え、当該後処理システムが制御対象のプラントとして用いられる。このため、本発明によれば、ＤＰＦの温度制約を満たしつつＤＰＦの温度を目標値に近づけることができる。

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。 比較例としての目標値追従制御構造で得られる過渡応答特性のシミュレーション結果を示す図である。 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で得られる過渡応答特性のシミュレーション結果を示す図である。 本発明に係るプラント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。

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。

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後処理システムの制御装置である。ディーゼルエンジンの後処理システム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。

制御対象であるディーゼルエンジンの後処理システムは、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）とを備えている。また、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備えている。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。本実施例では、ＤＯＣとＤＰＦのそれぞれについて温度モデルが用意され、それらを用いて後述するリファレンスガバナによる将来予測が行われる。

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（ＭＡＰ）、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（ＦＢＣ）を備える。本プラント制御装置の制御対象であるプラントには、フィードバックコントローラからの制御入力uと外生入力dとが入力される。これらの入力によってプラントの状態量xと制御出力（制御量の出力値）yとが決まる。プラントの状態量xと制御出力yとは詳しくは次の式（１）で表すことができる。式（１）はプラントをモデル化したモデル式である。このモデル式においてf及びgはモデル式の関数である。各記号の添字kは離散時間ステップを表している。

フィードバックコントローラは、プラントの制御出力yをリファレンスガバナから与えられる修正目標値wに近づけるように、フィードバック制御によってプラントの制御入力uを決定する。フィードバックコントローラは、次の式（２）で表される比例積分フィードバックコントローラである。式（２）においてK_pは比例ゲインであり、eは誤差である。また、K_iは積分ゲインであり、vは誤差積分値である。なお、ここで紹介する比例積分フィードバックコントローラは本発明で用いることのできるフィードバックコントローラの一例に過ぎない。所望するシステムの応答特性によっては、比例積分微分コントローラを用いることも可能である。

フィードバックコントローラとプラントとは、図１に破線枠で示すように閉ループシステムを構成する。リファレンスガバナは、この閉ループシステムをモデル化した予測モデルを備えている。予測モデルは式（１）に示すプラントモデルと式（２）に示すフィードバックコントローラとが結合されたモデルである。リファレンスガバナには、目標値マップにて外生入力dに基づき決定された制御量の目標値rが入力される。また、リファレンスガバナには、プラントの状態量xとフィードバックコントローラの状態量である誤差積分値vと外生入力dとが入力される。

リファレンスガバナは、予測モデルを用いてプラントの制御出力ｙの予測値y^を計算する。本実施の形態において制御出力yはプラントの状態量の１つであり、制御出力yには制約が課せられている。制御出力yがその上限値y^-以下であることが制御出力yに課せられた制約である。制御出力予測値y^の計算には、プラント状態量x、誤差積分値v及び外生入力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y^と制御出力上限値y^-とに基づき、以下に説明する評価関数を用いて修正目標値wを計算する。

まず、本実施の形態に係るプラント制御装置で採用した評価関数の説明に先立ち、評価関数の比較例について説明する。比較例としての評価関数は、各時刻kにおいて制御出力yの制約を充足する修正目標値候補wの中からオリジナルの目標値rに最も近いものを選択する制約付き最適化問題として表される。具体的には、次の式（３）で記述されるように、有限の予測ホライズンにわたって、上記制約が充足される範囲内でオリジナルの目標値rとの距離が最小になる修正目標値候補w、つまり、評価関数J(w)を最小にする修正目標値候補wが探索される。評価関数J(w)の最小値探索の手法としては、例えば公知の手法である最急降下法を採用することができる。そして、この式（３）を解いて得られた最適解が時刻ｋにおける修正目標値w_kとして用いられる。なお、y^(k+i|k)は時刻kの時点での情報に基づく時刻k+iの時点の制御出力予測値を表している。N_hは予測ホライズン（予測ステップ数）である。

式（３）で表される比較例としての評価関数は図１に示す目標値追従制御構造に仮に適用され、プラントモデルを用いたシミュレーションによってどのような制約充足性及び過渡応答特性が得られるか調べられた。シミュレーションでは２つのプラントモデルが用いられた。１つはノミナルシステムであり、もう１つは無駄時間とパラメータ摂動とを加えた摂動システムである。ノミナルシステムは次の式（４）で記述される伝達関数を有し、摂動システムは次の式（５）で記述される伝達関数を有している。各式においてzはシフトオペレータである。

シミュレーションでは、ノミナルモデルは予測モデルで用いるプラントモデルとして扱われ、摂動モデルは実際のプラントとして扱われた。フィードバックコントローラのゲインはそれぞれK_p=0.15，K_i=0.03とされ、制御出力上限値y^-は1.05に設定された。実プラントをノミナルシステムで模擬した場合と摂動システムで模擬した場合のそれぞれについてのシミュレーション結果を図２に示す。（ａ）のグラフはノミナルシステムのシミュレーション結果を示し、（ｂ）のグラフは摂動システムのシミュレーション結果を示している。各グラフにおいて点線はオリジナルの目標値を示している。オリジナルの目標値は0≦k≦5では０、k≧6では１とされている。実線は修正目標値を示し、破線は制御出力を示している。

図２に示すシミュレーション結果からは、（ｂ）のようにプラントに不確かさが有る場合、比較例の評価関数を適用したリファレンスガバナでは過渡応答特性が劣化し、制約も充足されなくなる可能性があることが分かる。特に、（ｂ）のグラフにおいてk=35付近で発生している制御出力の落ち込みは実際のプラントでは許容することができない。

そこで、本実施の形態に係るプラント制御装置では、プラントに不確かさがある場合であっても制約を充足しつつ良好な過渡応答特性を達成することのできる評価関数を採用した。次の式（６）で表される評価関数J(w)が本実施の形態に係るプラント制御装置で採用した評価関数である。

式（６）に示す評価関数J(w)の右辺第１項は修正目標値候補wを変数とする第１の目的関数である。この第１の目標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とるように構成されている。評価関数J(w)の右辺第２項は制御出力予測値y^を変数とする第２の目的関数である。この第２の目的関数はオリジナルの目標値rと制御出力予測値y^との距離が小さいほど、すなわち制御出力予測値y^がオリジナルの目標値rに追従するほど、小さな値をとるように構成されている。また、第２の目的関数には、制御出力予測値y^の追従性に重みをつけるための重み定数ρが設定されている。本実施の形態に係るプラント制御装置では、式（６）に示す評価関数J(w)を最小にする修正目標値候補wが時刻ｋにおける修正目標値w_kとして用いられる。

尚、式（６）に示す評価関数J(w)は、各時刻kにおいて制御出力yの制約を充足する修正目標値候補wの中から評価関数J(w)を最小にするものを選択する制約付き最適化問題として解くことができる。具体的には、次の式（６）で記述されるように、有限の予測ホライズンにわたって、上記制約が充足される範囲内で第１の目標関数と第２の目標関数の和が最小になる修正目標値候補w、つまり、評価関数J(w)を最小にする修正目標値候補wが探索される。本実施の形態に係るプラント制御装置では、評価関数J(w)の最小値探索の手法として公知の手法である最急降下法が採用される。そして、この式（６）を解いて得られた最適解が時刻ｋにおける修正目標値w_kとして用いられる。

第１の目的関数は、オリジナルの目標値rから大きく乖離しない修正目標値wを選択することを意味している。また、第２の目的関数は、出力予測値y^がオリジナルの目標値ｒにより追従するように修正目標値wを選択することを意味している。したがって、上式（６）に示す評価関数J(w)によれば、オリジナルの目標値rを達成することと制約を充足することとの二律背反のバランスを取った修正目標値wを選択することが可能となる。

式（６）に表される評価関数J(w)の有効性については、この評価関数J(w)が実装されたリファレンスガバナを用いたシミュレーションによって確認されている。シミュレーションでは、比較例で用いた摂動モデルによって実プラントが模擬された。そのシミュレーション結果を図３に示す。（ａ）のグラフは重み定数ρを０．１に設定した場合のシミュレーション結果を示し、（ｂ）のグラフは重み定数ρを１に設定した場合のシミュレーション結果を示し、（ｃ）のグラフは重み定数ρを１０に設定した場合のシミュレーション結果を示している。各シミュレーション結果に共通の事項として、フィードバックコントローラのゲインと制御出力上限値y^-は比較例の場合と同じ設定にされた。また、各グラフにおいて点線はオリジナルの目標値を示している。オリジナルの目標値は0≦k≦5では０、k≧6では１とされている。実線は修正目標値を示し、破線は制御出力を示している。

図３に示すように、重み定数ρを０．１に設定した（ａ）のシミュレーション結果では、図２に示す比較例によるシミュレーション結果と比較して過渡応答特性の改善は見られない。一方、重み定数ρを１に設定した（ｂ）のシミュレーション結果では、図２に示す比較例によるシミュレーション結果と比較して制御出力のオーバーシュートおよびk=35付近で発生している制御出力の落ち込みが減少している。更に、重み定数ρを１０に設定した（ｃ）のシミュレーション結果では、図２に示す比較例によるシミュレーション結果と比較して制御出力のオリジナルの目標値に対する追従特性が顕著に悪化している。このように、図３に示すシミュレーション結果から、式（６）に表される評価関数J(w)によればプラントに不確かさが有る場合であっても、重み定数ρの調整を適切に行なうことによって良好な過渡応答特性を得られることが確認された。

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。

上述の実施例では、実施の形態に係るプラント制御装置をディーゼルエンジンの後処理システムに適用した。しかし、実施の形態１に係るプラント制御装置は、図４の（ａ）−（ｉ）に示すように、制御対象プラントをディーゼルエンジン本体（ＤＥ）とすることができる。

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４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に適用することができる。この場合、図４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）とにすることもできる。

また、図４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制御に適用することができる。この場合、図４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。

さらに、図４の（ｅ）に示すように、制御入力を可変ノズル開度とＥＧＲ弁開度とディーゼルスロットル開度とし、制御出力を過給圧と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における過給圧とＥＧＲ率の協調制御に適用することができる。

制御対象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４の（ｆ）及び（ｇ）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）とにすることができる。また、図４の（ｈ）及び（ｉ）に示すように、制御入力を低圧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）とにすることができる。

さらに、本発明に係るプラント制御装置が適用される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。

Claims (3)

1. プラントの制御量の出力値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、修正目標値候補を変数として前記目標値と当該修正目標値候補との距離が小さいほど小さな値をとる第１の目的関数と前記予測値を変数として前記目標値と当該予測値との距離が小さいほど小さな値をとる第２の目的関数との和で表される評価関数の最適値を探索し、前記評価関数を最適化する修正目標値候補を修正目標値として決定することを特徴とするプラント制御装置。
2. 前記リファレンスガバナは、前記予測値が前記特定状態量の上限値を超えない範囲で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ことを特徴とする請求項１記載のプラント制御装置。
3. 前記プラントはディーゼルエンジンの後処理システムであり、
   前記後処理システムは、前記ディーゼルエンジンの排気系に設けられたディーゼル微粒子除去装置と、前記ディーゼル微粒子除去装置の上流側の排気系に設けられた燃料添加弁と、を備え、
   前記制御入力は前記燃料添加弁による燃料添加量であり、前記制御量は前記ディーゼル微粒子除去装置の温度であることを特徴とする請求項１または２記載のプラント制御装置。

Images