JP2014127000A

JP2014127000A - プラント制御装置

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Publication number: JP2014127000A
Application number: JP2012282875A
Authority: JP
Inventors: Isato Nakada; 勇人仲田
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2012-12-26
Filing date: 2012-12-26
Publication date: 2014-07-07

Abstract

【課題】運転条件に応じて応答特性が変動するプラントへのリファレンスガバナの適用において、外生入力の変動に起因したプラント制御性の低下を抑えることを目的とする。
【解決手段】リファレンスガバナは、評価関数Ｊ（ｗ）を用いて修正目標値ｗを計算する。評価関数Ｊ（ｗ）は、ペナルティ関数を含む。ペナルティ関数は、制御出力ｙの予測値ｙ^がその上限値ｙ^-とオフセットδ_ｙ-との差分以上の場合、ペナルティを目的関数に加える。本実施の形態では、外生入力ｄの変動量Δｄが最大値ｄ_ｍａｘで推移し続けた場合の制御出力予測値ｙ^_ｍａｘ（ｋ+ｉ|ｋ）と、変動量Δｄが最小値ｄ_ｍｉｎで推移し続けた場合の制御出力予測値ｙ^_ｍｉｎ（ｋ+ｉ|ｋ）とから、制御出力ｙが制約に抵触する確率を求め、オフセットδ_ｙ-を再計算する。
【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（以下「応答特性変動プラント」ともいう。）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が運転条件によって変動する。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、応答特性変動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。しかし、この先行技術は応答特性変動プラントを制御対象とするものではなく、また、リファレンスガバナによる目標軌道データの計算はオフラインで行われている。このため、この先行技術を応答特性変動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を解決するには至らない。

特開２０１０−２５３５０１号公報

上述の課題の解決に関し、本出願の発明者は既に、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が、応答特性変動プラントの制御に有効であることを確認している。この評価関数において、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。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加えるように構成される。

ペナルティ関数には、具体的に、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ｙの上限値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δ_ｙ-とが設定されている。そして、「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」、すなわち、制御出力ｙの予測値ｙ^が制御出力上限値ｙ^-とオフセットδ_ｙ-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。つまり、目的関数にペナルティが加えられるか否かは、マージンを含んだ制御出力上限値ｙ^-と、制御出力予測値ｙ^との比較によって判断される。

ところで、リファレンスガバナによる応答特性変動プラントの制御における制約充足性の更なる向上のためには、上述した評価関数そのものの改良を含めた更なる開発が望まれるところである。この点、本出願の発明者が開発した評価関数についても同様である。というのも、制御対象が応答特性変動プラントであるが故に、運転条件を示す外生入力が大きく変動する可能性があり、そのような事態を想定して上記マージンを保守的な値に設定した場合には、プラント制御そのものも保守的となるおそれがあった。

本発明は、上述のような課題に鑑みてなされたものである。すなわち、運転条件に応じて応答特性が変動するプラントへのリファレンスガバナの適用において、外生入力の変動に起因したプラント制御性の低下を抑えることを目的とする。

本発明は、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する目的関数と、前記予測値が前記制約として設定した、マージンを含む上限値を超え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、前記プラントの外生入力の変動量の最大値及び最小値を用いて前記予測値が前記上限値を超える確率を計算し、該確率に応じて前記マージンを修正することを特徴とする。

本発明に係るプラント制御装置によれば、上記プラントの外生入力の変動量の最大値及び最小値を用いて上記予測値が上記上限値を超える確率を計算し、該確率に応じて上記マージンを修正するので、外生入力の変動を加味したプラント制御を行うことが可能となる。すなわち、外生入力の変動に起因したプラント制御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。制御出力予測値ｙ^の挙動を示す図である。本実施の形態のオフセットδ_ｙ-調整の結果としての制御出力ｙの挙動イメージを示した図である。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δ_ｙ-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δ_ｙ-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）によれば、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が可能となる。

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おいて、本実施の形態に係るプラント制御装置は、外生入力ｄの変動量Δｄについて、想定される最大値ｄ_ｍａｘ（＞０）及び最小値ｄ_ｍｉｎ（＜０）を用いてオフセットδ_ｙ-を計算する。この理由は、オフセットδ_ｙ-が固定値の場合、式（２）の（ｙ^--δ_ｙ-）の項がオフセットδ_ｙ-の初期設定値により影響を受けるためである。すなわち、オフセットδ_ｙ-の初期設定値が大きければ式（２）の（ｙ^--δ_ｙ-）の項が小さくなり、ペナルティ関数が大きくなって目的関数を過渡に制約する可能性がある。他方、当該初期設定値が小さければ、プラント制御が保守的になる可能性がある。

本実施の形態におけるオフセットδ_ｙ-の計算手法について、図４を参照しながら説明する。図４は、制御出力予測値ｙ^の挙動を示す図である。図４に示す２つの出力挙動のうち、上方に示すものは変動量Δｄが最大値ｄ_ｍａｘで推移し続けた場合の制御出力予測値ｙ^_ｍａｘ（ｋ+ｉ|ｋ）から導出したものであり、下方に示すものは変動量Δｄが最小値ｄ_ｍｉｎで推移し続けた場合の制御出力予測値ｙ^_ｍｉｎ（ｋ+ｉ|ｋ）から導出したものである。なお、最大値ｄ_ｍａｘ及び最小値ｄ_ｍｉｎは、別途シミュレーション等により求めた設定値である。

制御出力予測値ｙ^_ｍａｘ（ｋ+ｉ|ｋ），ｙ^_ｍｉｎ（ｋ+ｉ|ｋ）は、時刻ｋから時刻ｋ＋ｊ（１≦ｉ＜ｊ）までの予測区間（予測ステップ数：ｊ回）において算出された値である。これらの値は、上述のｙ^（ｋ+ｉ|ｋ）同様、式（１）の予測モデルにより算出される。即ち、時刻ｋ＋ｉでの制御出力予測値ｙ^_ｍａｘ（ｋ+ｉ|ｋ）は、時刻ｋでの状態量ｘ_ｋ及び修正目標値ｗ_ｋと、外生入力ｄ_{ｋ＿ｍａｘ}＝ｄ_ｋ＋ｄ_ｍａｘとを式（１）に適用することで算出される。同様に、制御出力予測値ｙ^_ｍｉｎ（ｋ+ｉ|ｋ）は、時刻ｋでの状態量ｘ_ｋ及び修正目標値ｗ_ｋと、外生入力ｄ_{ｋ＿ｍｉｎ}＝ｄ_ｋ＋ｄ_ｍｉｎとを式（１）に適用することで算出される。

図４のｙ^_ｍａｘ（ｋ+ｉ|ｋ），ｙ^_ｍｉｎ（ｋ+ｉ|ｋ）で囲まれた部分Ｓ_１+Ｓ_２には、予測区間において制御出力予測値ｙ^がとり得る全ての値が含まれる。このうちの制御出力上限値ｙ^-を超える部分Ｓ_１が、該予測区間において制御出力ｙが制約に抵触する確率を示していると言える。そこで、本実施形態では、このＳ_１の面積割合β＝Ｓ_１／（Ｓ_１+Ｓ_２）を用いてオフセットδ_ｙ-を計算し、式（２）を更新する。図４に示すように、Ｓ_１，Ｓ_２の面積は、ｙ^_ｍａｘ（ｋ+ｉ|ｋ）或いはｙ^_ｍｉｎ（ｋ+ｉ|ｋ）と、ｙ^-との差を予測区間に亘って積分することにより算出できる。

オフセットδ_ｙ-の計算は、具体的に、式（３）による。

式（３）によってオフセットδ_ｙ-を計算し、式（２）を更新すれば、外生入力ｄの急激な変動に対応できる。図５は、本実施の形態のオフセットδ_ｙ-調整の結果としての制御出力ｙの挙動イメージを示した図である。外生入力ｄが急変する場合、特に、外生入力ｄが増加する方向に急変するような場合は、次回の制御出力ｙが制御出力上限値ｙ^-を超える可能性が高まる。この点、図５に示すように、このようなケースを予め想定したオフセットδ_ｙ-により式（２）の（ｙ^--δ_ｙ-）の項を変更しておけば、次回のみならず次々回以降の制御出力ｙの制約抵触をも抑制できる。以上、本実施の形態によれば、制約が厳しい運転条件でのみ制約を厳しくするといった制約の変更が可能となるので、オフセットδ_ｙ-を固定値とした場合に生じ易い上述の不具合を良好に低減できる。

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、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６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６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６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６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６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６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６の（ｆ）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）と可変ノズル開度とにすることができる。また、図６の（ｇ）に示すように、制御入力を低圧ＥＧＲシステムのＥＧＲ弁開度と高圧ＥＧＲシステムのＥＧＲ弁開度と可変ノズル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。また、図６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）と過給圧とにすることもできる。

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

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する目的関数と、前記予測値が前記制約として設定した、マージンを含む上限値を超え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、前記プラントの外生入力の変動量の最大値及び最小値を用いて前記予測値が前記上限値を超える確率を計算し、該確率に応じて前記マージンを修正することを特徴とするプラント制御装置。