JP2014074987A - プラント制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】プラントの制御に関し、リファレンスガバナが用いる予測モデルのモデル化誤差に起因した制約の充足性の低下を抑える。
【解決手段】本発明のプラント制御装置はフィードバックコントローラ（ＦＢＣ）とリファレンスガバナ（ＲＧ）とオブザーバ（ＯＢＳ）とを備える。ＦＢＣ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制御入力を決定する。ＲＧはプラントとＦＢＣとを含む閉ループシステムのモデルを用いて特定状態量の予測値を計算し、特定状態量の予測値とそれに課せられた制約とに基づいてＦＢＣに与える目標値を修正する。ＲＧは目的関数とペナルティ関数とで表される評価関数を用いてそれを最適化する修正目標値を探索する。また、ＲＧはＯＢＳで推定された特定状態量の推定値と実際値との誤差を計算し、同誤差の増大に伴わせてペナルティ関数におけるペナルティの重みを増大させる。
【選択図】図４

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 特開２０１２−１６７６５４号公報

リファレンスガバナにおける制約の抵触判定では、予測モデルで計算した予測値が用いられる。このため、リファレンスガバナを用いた従来のプラント制御装置には、予測モデルが含有するモデル化誤差の大きさによって制約の充足性が左右されてしまうという課題がある。具体的には、モデル化誤差が大きい場合には、状態量の予測値が制約に抵触していない場合であっても、実際の状態量は制約に抵触してしまう可能性がある。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、予測モデルが含有するモデル化誤差の大きさは運転領域によって拡大し、モデル化誤差が大きい領域では制約が充足されなくなるおそれがある。

本発明は、上述のような課題に鑑みてなされたもので、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し、リファレンスガバナが用いる予測モデルのモデル化誤差に起因した制約の充足性の低下を抑えることを目的とする。

本発明に係るプラント制御装置は、フィードバックコントローラとリファレンスガバナとオブザーバとを備える。フィードバックコントローラは、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ように構成される。制御対象であるプラントの種別や構成には限定はない。ただし、本発明に係るプラント制御装置は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化するプラントに対して特に好適に適用することができる。リファレンスガバナは、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、特定状態量の予測値と特定状態量に課せられた制約とに基づいてフィードバックコントローラに与えられる目標値を修正するように構成される。修正目標値の計算においてリファレンスガバナが使用する評価関数は、修正目標値候補を変数とする目的関数とペナルティ関数とで表される評価関数である。ペナルティ関数は、制約が課せられた状態量の予測値が制約に抵触する場合に目的関数にペナルティを与えるように構成される。目的関数はオリジナルの目標値と修正目標値候補との距離が小さいほど小さな値を取るように構成される。リファレンスガバナは、修正目標値候補を変化させながら上記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ように構成される。オブザーバは、閉ループシステムのモデルを用いて閉ループシステムの状態を推定するように構成される。リファレンスガバナは、オブザーバで推定された特定状態量の推定値とプラントから得られた特定状態量の実際値との誤差を計算し、同誤差の増大に伴わせてペナルティ関数におけるペナルティの重みを増大させるように構成される。

本発明に係るプラント制御装置によれば、特定状態量の推定値と実際値との誤差が大きい領域、すなわち、モデル化誤差の大きい領域では、上記評価関数のペナルティ関数におけるペナルティの重みが大きくされるので、制約に抵触しない解を選択されやすくしてモデル化誤差に起因した制約の充足性の低下を抑えることができる。

本発明の実施の形態のプラント制御装置が適用されるディーゼルエンジンの後処理システムの構成を示す図である。 本発明の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。 図２に示す目標値追従制御構造を等価変形した図である。 本発明の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の全体を示す図である。 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。

以下、本発明の実施の形態について図を用いて説明する。

本実施の形態に係るプラント制御装置は、自動車に搭載されるディーゼルエンジンの後処理システムを制御対象プラントとする制御装置である。図１はディーゼルエンジンの後処理システムの構成を示す概略図である。後処理システムは、排気通路にＤＯＣ（ディーゼル酸化触媒）とＤＰＦ（ディーゼル微粒子除去装置）とを備え、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。排気通路におけるＤＯＣの上流であって過給機のタービンの下流にはＤＯＣの入口温度を計測するための温度センサが取り付けられている。ＤＯＣとＤＰＦとの間にはＤＯＣの出口温度を計測するための温度センサが取り付けられている。そして、ＤＰＦの下流にはＤＰＦの出口温度を計測するための温度センサが取り付けられている。

本実施の形態に係るプラント制御装置は、ＤＯＣ温度とＤＰＦ温度のそれぞれを上限値以下に維持しながら、ＤＯＣ温度とＤＰＦ温度のそれぞれを目標値に追従させるための制御構造を備えている。その制御構造が図２に示す目標値追従制御構造である。本実施の形態に係る目標値追従制御構造は、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を備える。

目標値マップは、制御対象プラントの運転条件を示す外生入力ｄが与えられると、制御量であるＤＯＣ温度及びＤＰＦ温度の目標値ｒを出力する。外生入力ｄには、排気ガスの質量流量、ＤＯＣ上流の排気ガス温度、ＤＰＦ上のＰＭの堆積量、及び大気温度が含まれる。外生入力ｄに含まれるこれらの物理量は計測値でもよいし推定値でもよい。

リファレンスガバナは、ＤＯＣ温度及びＤＰＦ温度の目標値ｒが与えられると、ＤＯＣ温度及びＤＰＦ温度に関する制約が満たされるように目標値ｒを修正し、ＤＯＣ温度及びＤＰＦ温度の修正目標値ｗを出力する。リファレンスガバナの詳細については後述する。

フィードバックコントローラは、リファレンスガバナからＤＯＣ温度及びＤＰＦ温度の修正目標値ｗが与えられると、ＤＯＣ温度及びＤＰＦ温度の現在値を示す状態量ｘを取得し、修正目標値ｗと状態量ｘとの偏差ｅに基づくフィードバック制御によって制御対象プラントに与える制御入力ｕを決定する。本実施の形態に係る制御対象プラントは後処理システムであるので、制御入力ｕには、燃料添加弁によって排気ガス中に添加される燃料量、すなわち、燃料添加量が用いられる。フィードバックコントローラの仕様に限定はなく、公知のフィードバックコントローラを用いることができる。例えば、比例積分フィードバックコントローラを用いることが可能である。

図３は図２に示す目標値追従制御構造を等価変形して得られたフィードフォワード構造を示す図である。図２において破線で囲まれた閉ループシステムは既に設計済みであるとして、図３に示すフィードフォワード構造では１つのモデルとされている。閉ループシステムのモデルは次のモデル式（１）で表される。式（１）において、ｆ，ｇはモデル式の関数である。また、ｋは離散時間ステップを表している。

リファレンスガバナは、上記の式（１）で表される予測モデルを用いて制御対象プラントの制御出力ｙの予測値ｙ^を計算する。本実施の形態における制御出力ｙはＤＯＣ温度及びＤＰＦ温度であり、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、次の式（２）で表される評価関数Ｊ(ｗ)を用いて修正目標値ｗを計算する。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（２）に示す評価関数Ｊ(ｗ)の右辺第１項は修正目標値候補ｗを変数とする目的関数である。こ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取るように構成されている。評価関数Ｊ(ｗ)の右辺第２項はペナルティ関数である。ペナルティ関数は制御出力予測値ｙ^が制約に抵触する場合に目的関数にペナルティを加えるように構成されている。ペナルティ関数には、ペナルティに重みを付けるための重み定数ρと、制御出力上限値ｙ^-からのマージンをとって制約領域を広げるためのオフセット定数δとが設定されている。このペナルティ関数によれば、制御出力予測値ｙ^が制約である制御出力上限値ｙ^-とオフセット定数δとの差分以上の場合、制御出力予測値ｙ^と制約との差分に重み定数ρを乗じた値が目的関数に加えられる。

本実施の形態に係るプラント制御装置では、式（２）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。式（２）に示す評価関数Ｊ(ｗ)は、制御対象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である。

なお、式（２）に示す評価関数Ｊ(ｗ)は制約無し最適化問題として解くことができる。ただし、リファレンスガバナを用いた目標値追従制御構造を実際のプラントに適用する場合には、評価関数Ｊ(ｗ)をオンラインで最適化できるようにすることが望ましい。そこで、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ている。

以上述べた構成要素に加え、本実施の形態に係るプラント制御装置は、さらなる構成要素としてオブザーバ（ＯＢＳ）を備える。図４は本実施の形態に係る目標値追従制御構造の全体を示す図である。

オブザーバは、閉ループシステムのモデルを用いて閉ループシステムの状態を推定するように構成される。オブザーバにより計算される状態量ｘの推定値ｘ^と制御出力ｙの推定値ｙ^とは詳しくは次の式（３）で表すことができる。式（３）はオブザーバが用いるモデルのモデル式である。関数ｆ及びｇはリファレンスガバナが用いる予測モデルのそれに等しい。Ｌはオブザーバゲインであり、制御出力ｙと制御出力推定値ｙ^との誤差に乗じられる。

本実施の形態に係る目標値追従制御構造では、プラントの実際の制御出力ｙとオブザーバで推定された制御出力推定値ｙ^との差が出力推定誤差ｅ_yとして算出される。この計算はリファレンスガバナで行うことができる。出力推定誤差ｅ_yはモデル化誤差の有無と大きさを表している。モデル化誤差が存在する場合、出力推定誤差ｅ_yはゼロにはならずに大きくなっていく。

リファレンスガバナは、評価関数Ｊ(ｗ)のペナルティ関数における重み定数ρの値を出力推定誤差ｅ_yに比例させる。つまり、出力推定誤差ｅ_yの増大に伴わせて重み定数ρの値を大きくする。重み定数ρの値を大きくすれば、制御出力予測値ｙ^が制約に抵触する場合に目的関数に加えられるペナルティも大きくなる。加えられるペナルティが大きくなるほど、評価関数Ｊ(ｗ)を用いた修正目標値ｗの探索において、制約に抵触する解が選択される余地は小さくなる。つまり、出力推定誤差ｅ_yに重み定数ρを比例させることにより、モデル化誤差が大きい領域において制約に抵触しない解を選択されやすくすることができる。

以上述べたように、本実施の形態に係るプラント制御装置によれば、式（２）で表される評価関数Ｊ(ｗ)が実装されたリファレンスガバナを閉ループシステムの制御に用いたことにより、制御対象プラントの状態量に課せられた制約を充足しつつ、良好な過渡応答特性を達成することができる。さらに、本実施の形態に係るプラント制御装置によれば、オブザーバを用いて観測されるモデル化誤差の大きい領域では、式（２）で表される評価関数Ｊ(ｗ)を用いた修正目標値ｗの探索において制約抵触時のペナルティが大きくされるので、モデル化誤差に起因して制約の充足性が低下するのを防ぐことができる。

なお、本発明は上述の実施の形態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。例えば、式（２）に示す評価関数では、ペナルティ関数は、制御出力予測値が制約に抵触する場合に目的関数にペナルティを加えるように構成されている。しかし、ペナルティ関数は目的関数に対する補正係数となっていてもよい。つまり、ペナルティ関数は、制御出力予測値が制約に抵触する場合に目的関数に何らかのペナルティを与えるように構成されていればよい。

また、上述の実施の形態では、本発明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、本発明に係るプラント制御装置は、図５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５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５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５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５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５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５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５の（ｈ）及び（ｉ）に示すように、制御出力を低圧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 (1)

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、
   前記閉ループシステムのモデルを用いて前記閉ループシステムの状態を推定するオブザーバとを備え、
   前記リファレンスガバナは、修正目標値候補を変数とする目的関数と前記予測値が前記制約に抵触する場合に前記目的関数にペナルティを与えるペナルティ関数と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し、且つ、
   前記リファレンスガバナは、前記オブザーバで推定された前記特定状態量の推定値と前記プラントから得られた前記特定状態量の実際値との誤差を計算し、同誤差の増大に伴わせて前記ペナルティ関数におけるペナルティの重みを増大させることを特徴とするプラント制御装置。

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