JP2014134967A

JP2014134967A - プラント制御装置

Info

Publication number: JP2014134967A
Application number: JP2013002778A
Authority: JP
Inventors: Isato Nakada; 勇人仲田
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2013-01-10
Filing date: 2013-01-10
Publication date: 2014-07-24

Abstract

【課題】プラントの特定状態量に課せられた制約が充足されるようにリファレンスガバナを用いて修正目標値を演算するにあたり、少ない演算負荷で高い制約充足性を得られるようにする。
【解決手段】プラント制御装置はＦＢＣ（フィードバックコントローラ）とＲＧ（リファレンスガバナ）とを備える。ＲＧは、制約を満たすことのできる修正目標値を二分探索法に基づく反復アルゴリズムに従い探索する。この探索において、修正目標値の前回値がオリジナルの目標値よりも大きい場合、ＲＧは目標値を探索区間の初期下限値に設定するとともに修正目標値の前回値より大きい値を探索区間の初期上限値に設定する。また、修正目標値の前回値がオリジナルの目標値よりも小さい場合、ＲＧは目標値を探索区間の初期上限値に設定するとともに修正目標値の前回値より小さい値を探索区間の初期下限値に設定する。
【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系（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

上記公報に開示された発明では、リファレンスガバナによるオフライン計算が行われている。多段圧延装置における圧延材の張力の目標値は予め与えられているため、リファレンスガバナによる目標値の修正はオフラインで行うことができる。しかし、プラントの種類によっては、オフライン計算ではなくオンライン計算が必要とされる場合がある。自動車の動力装置として用いられる内燃機関はそのようなプラントの一種である。内燃機関では、運転条件によって刻々と目標値が変化することから、状態量に課せられた制約を満たすためにはオンライン計算による目標値の修正が必要となる。ところが、リファレンスガバナのオンライン計算に掛かる演算量は多大であるため、リファレンスガバナによるオンライン計算を制御装置に実装する場合、制御装置には多大な演算負荷がかかってしまう。

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た制約が充足されるようにリファレンスガバナを用いて修正目標値を演算するにあたり、少ない演算負荷で高い制約充足性を得られるようにす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。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系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。

リファレンスガバナによる目標値の修正においては、二分探索法に基づく反復アルゴリズムに従い制約を満たすことのできる修正目標値の探索が行われる。二分探索法によれば、修正目標値の前回値と目標値とを基準にして修正目標値の今回値の探索が行われる。

このとき修正目標値の前回値が目標値よりも大きい場合は、リファレンスガバナは、目標値を探索区間の初期下限値に設定するとともに修正目標値の前回値より大きい値を探索区間の初期上限値に設定する。探索区間の初期上限値は、好ましくは、制御量の出力値が守るべき上限値とする。すなわち、制御量の出力値に課せられた制約を探索区間の初期上限値とすることが好ましい。

修正目標値の前回値が目標値よりも小さい場合は、リファレンスガバナは、好ましくは、目標値を探索区間の初期上限値に設定するとともに修正目標値の前回値より小さい値を探索区間の初期下限値に設定する。探索区間の初期下限値は、より好ましくは、制御量の出力値がとり得る最小値とする。

本発明に係るプラント制御装置によれば、二分探索法に基づく反復アルゴリズムをリファレンスガバナに適用したことにより、修正目標値の探索にかかる演算負荷は低減される。さらに、本発明に係るプラント制御装置によれば、リファレンスガバナは、単純に修正目標値の前回値と目標値とで二分探索法による探索区間を規定しない。リファレンスガバナは、修正目標値の前回値が目標値よりも大きい場合は探索区間の初期上限値を修正目標値の前回値より大きい値まで拡大する。また、好ましくは、修正目標値の前回値が目標値よりも小さい場合は探索区間の初期下限値を修正目標値の前回値より小さい値まで拡大する。このように目標値から離れる方向に修正目標値の探索区間を拡大することによって、制約に抵触しない修正目標値を広い範囲で探索することができるようになり、結果として制約の充足性は高められる。さらに、探索範囲を無制限に拡大するのではなく有限区間に限定したことにより修正目標値が発散することもない。特に、探索区間の初期上限値を制御量の出力値が守るべき上限値とする場合には、制御量の出力値に課せられた制約も充足させることができる。また、探索区間の初期下限値を制御量の出力値がとり得る最小値とする場合には、実現不可能な修正目標値が選択されることを防ぐことができる。

本発明の実施の形態に係る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。ＤＯＣ（ディーゼル酸化触媒）内の熱伝達を示す図である。ＤＰＦ（ディーゼル微粒子除去装置）内の熱伝達を示す図である。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。本発明の実施の形態で採用されたリファレンスガバナによる最適修正目標値探索のアルゴリズムの概要図である。本発明の実施の形態で採用された二分探索法による目標値修正アルゴリズムを示すフローチャートである。本発明の実施の形態で採用された最適解探索区間の設定方法の概要図である。本発明の実施の形態で採用された最適解探索区間の設定方法の概要図である。本発明の実施の形態で採用された目標値修正アルゴリズムによる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で採用された目標値修正アルゴリズムによる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で採用された目標値修正アルゴリズムを図１に示す後処理システムの制御に適用した場合の実験結果を示す図である。本発明の実施の形態で採用された目標値修正アルゴリズムを図１に示す後処理システムの制御に適用した場合の実験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。

以下、本発明の実施の形態について図を用いて説明する。

［システム構成］
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。

［ＤＯＣのモデリング］
図２はＤＯＣ内の熱伝達を示す模式図である。図２において、Q_air,docはＤＯＣから大気へ伝達される熱流量、Q_exh,docはＤＯＣから排気ガスへ伝達される熱流量、Q_exo,docは添加燃料の化学反応によるガスからＤＯＣ壁面への放熱量である。この図からは次の式（１）に示すＤＯＣ温度T_docに関する微分方程式を得ることができる。式（１）においてC_docはＤＯＣの比熱容量、M_docはＤＯＣの質量である。

ＤＯＣから大気へ伝達される熱流量Q_air,docは次の式（２）で与えられる。式（２）におけるK_atmは外気との間の熱伝達定数、T_atmは外気温度である。

ＤＯＣから排気ガスへ伝達される熱流量Q_exh,docは次の式（３）で与えられる。式（３）におけるh_docはＤＯＣと排気ガスとの間の対流熱伝達定数、A_docはＤＯＣの対流表面積、Wは排気ガスの質量流量、C_gasは排気ガスの比熱容量、T_doc,usはＤＯＣの上流の排気ガス温度、R_docはＤＯＣの温度重み定数である。

添加燃料の化学反応によるガスからＤＯＣ壁面への放熱量Q_exo,docは次の式（４）で記述される。式（４）におけるη_exo,doc(T_doc,W)は添加燃料の熱量変換率であって、実験的知見によりＤＯＣ温度T_doc及び排気ガスの質量流量Wの関数として表すことができる。式（４）におけるH_vは燃料の低位発熱量、Q_injは燃料添加量である。

本実施の形態では、式（１）に式（２）、式（３）及び式（４）を代入して得られるＤＯＣ温度T_docに関する微分方程式がＤＯＣの温度モデルとして用意されている。

［ＤＰＦのモデリング］
図３はＤＰＦ内の熱伝達を示す模式図である。図３において、Q_air,dpfはＤＰＦから大気へ伝達される熱流量、Q_exh,dpfはＤＰＦから排気ガスへ伝達される熱流量、Q_exo,dpfは排気ガス層からＤＰＦに伝達される熱流量である。この図からは次の式（５）に示すＤＰＦ温度T_dpfに関する微分方程式を得ることができる。式（５）においてC_dpfはＤＰＦの比熱容量、M_dpfはＤＰＦの質量である。

ＤＰＦから大気へ伝達される熱流量Q_air,dpfは次の式（６）で与えられる。

ＤＰＦから排気ガスへ伝達される熱流量Q_exh,dpfは次の式（７）で与えられる。式（７）におけるh_dpfはＤＰＦと排気ガスとの間の対流熱伝達定数、A_dpfはＤＰＦの対流表面積、R_dpfはＤＰＦの温度重み定数である。

排気ガス層からＤＰＦに伝達される熱流量Q_exo,dpfは次の式（８）に示すように、ＤＰＦ内に蓄積したＰＭ成分の燃焼による寄与分Q_exo,dpf,pmとＤＯＣをスリップしてＤＰＦにて燃焼する添加燃料の寄与分Q_exo,dpf,slipとにより構成される。

Q_exo,dpf,pmは実験的に求められる関数であり，実験的知見によりＤＰＦ温度およびＰＭ堆積量の関数として表すことができる。Q_exo,dpf,slipは添加燃料が生成できる熱流量H_vQ_injからＤＯＣにおける熱変換分を減算することにより得られる。よって、排気ガス層からＤＰＦに伝達される熱流量Q_exo,dpfは次の式（９）で与えられる。

本実施の形態では、式（５）に式（６）、式（７）及び式（９）を代入して得られるＤＰＦ温度T_dpfに関する微分方程式がＤＰＦの温度モデルとして用意されている。

［状態空間モデルの導出］
上述のＤＯＣの温度モデルの式とＤＰＦの温度モデルの式とをまとめることで、次の式（１０）、式（１１）及び式（１２）で表されるプラントの状態空間モデルを得ることができる。この状態空間モデルにおいて、ＤＯＣ温度T_doc及びＤＰＦ温度T_dpfがプラントの状態量x_pである。cは制約を受ける信号であり、ここでは状態量x_pが制約を受ける信号cとなる。また、排気ガスの質量流量W、外気温度T_atm、微粒子の質量m_pm及びＤＯＣ上流の排気ガス温度T_doc,usはシステムに入力される外生入力wである。この状態空間モデルにおけるシステムの制御入力uは燃料添加量Q_injであり、システムの制御出力yはＤＰＦ温度T_dpfである。f_pはＤＯＣの温度モデルの式とＤＰＦの温度モデルの式とから定まる適切な写像である。

［目標値追従制御構造］
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、ＤＰＦ温度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４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wが与えられると、制御量であるＤＰＦ温度の目標値rを出力する。外生入力wに含まれる排気ガスの質量流量W、外気温度T_atm、微粒子の質量m_pm及びＤＯＣ上流の排気ガス温度T_doc,usは計測値でもよいし推定値でもよい。

目標値追従のためのフィードバックコントローラは、次の式（１３）で与えられるＰＩ制御器を有している。式（１３）においてeは目標値追従誤差であり、vは追従誤差の積分器の状態である。燃料添加量u(=Q_inj)が０であるとき積分器起因のワインドアップが発生するため、フィードバックコントローラには積分値vをリセットする機構が備えられている。K_P及びK_Iはそれぞれゲイン定数である。

図４に示す目標値追従制御構造は、リファレンスガバナと図４において破線で囲まれた閉ループ系とからなるフィードフォワード構造に等価変形することができる。閉ループ系は、フィードバックコントローラの式（１３）を状態空間モデルの式（１０）に適用することにより、次の式（１４）及び式（１５）で表される。ここで、xは閉ループ系の状態であって、プラントの状態量x_pとフィードバックコントローラの積分値vとが含まれる。I₂は単位行列である。f_clはf_pによって与えられる写像である。

さらに、サンプル時間δ_cl(> 0)による時間に関する離散化を式（１４）及び式（１５）に対して施すことにより、次の式（１６）及び式（１７）に示す閉ループ系の離散時間表現が得られる。ここで、添字l=0,1,...は離散時刻を表し、信号に添字をつけて各信号の離散時刻での状態を表している。fはf_clによって与えられる写像である。

リファレンスガバナは、N_h(> 0)ステップ将来の予測ホライズンにおいて閉ループ系の状態予測を行い、ＤＯＣ温度T_doc及びＤＰＦ温度T_dpfを予測する。そして、予測区間の任意の時刻で制約が満たされるように、つまり、ＤＯＣ温度T_docがその上限温度T^- _doc以下となり、且つ、ＤＰＦ温度T_dpfがその上限温度T^- _dpf以下となるように、目標値rを修正し、ＤＰＦ温度の修正目標値gを出力する。閉ループ系の状態予測には、次の式（１８）及び式（１９）に示すモデルが用いられる。ここで、添字のk=0,1,...はリファレンスガバナの更新周期δ_rgに対応した離散時刻を表し、信号に添字をつけて各信号の離散時刻での状態を表している。x_l|kおよびc_l|kはそれぞれ時刻kにおけるδ_rg時間将来の閉ループ系の状態および制約信号の予測値である。なお、リファレンスガバナの更新周期δ_rg(> 0)は閉ループ系のサンプル時間δ_clとは異なる時間に設定することができる。外生信号w_kは予測区間では現在値から変化しないと仮定する。

リファレンスガバナにおいて修正目標値gは次の式（２０）で与えられる。式（２０）によれば、今回の目標値r_kと前回の修正目標値g_k-1との差分にα_kを乗じた値を前回の修正目標値g_k-1に加えた値が今回の修正目標値g_kとして算出される。ここで、α_kは下限値であるα_minから上限値である１までの値をとり、下限値α_minには後述するように０よりも小さい定数が与えられる。

リファレンスガバナは、制約を充足する範囲で元の目標値r_kから最も近い修正目標値候補、すなわち、α_kを最大にする修正目標値候補を探索することにより、最適修正目標値g_kを求める。図５は、本実施の形態で採用されたリファレンスガバナによる最適修正目標値探索のアルゴリズムの概要図である。この図に示すように、目標値が与えられると、閉ループ系モデルによる将来予測と二分探索法との組み合わせによる修正目標値候補の探索が反復的に行われ、それが有限回反復されることで適修正目標値が決定される。つまり、本実施の形態では、リファレンスガバナによる目標値修正は二分探索法に基づく反復アルゴリズムに従って実施される。

［二分探索法による目標値修正アルゴリズム］
図６は、本実施の形態で採用された二分探索法による目標値修正アルゴリズムを示すフローチャートである。このフローチャートに示す目標値修正アルゴリズムは、リファレンスガバナの更新周期δ_rg毎に実施される。

目標値修正アルゴリズムのステップＳ１では、パラメータの初期化が行われる。詳しくは、反復カウンタjは０にされ、j番目のα設定区間の下限値α_min(j)はα_minにされ、j番目のα設定区間の上限値α_max(j)は１にされ、そして、j番目のα設定区間の中間値α_mid(j)はα_max(j)にされる。

ステップＳ２では、α_kにα設定区間の中間値α_mid(j)が代入される。ここで得られるα_kは最適修正目標値の探索のための仮値であり、最適修正目標値を与える確定値ではない。

ステップＳ３では、ステップＳ２で得られたα_kを用いて式（２０）により修正目標値g_kの仮値が算出される。そして、修正目標値g_kの仮値を用いて閉ループ系モデルによるＤＰＦ温度の将来予測が行われる。

ステップＳ４では、ステップＳ３で行われたＤＰＦ温度の将来予測に基づき、予測区間において制約が充足されているかどうか判定される。判定結果が否定的であればステップＳ５が選択され、判定結果が肯定的であればステップＳ６が選択される。

ステップＳ５では、今回のα設定区間の中間値α_mid(j)が次回のα設定区間の上限値α_max(j+1)とされ、次回のα設定区間の下限値α_min(j+1)は今回のα設定区間の下限値α_min(j)のままとされる。つまり、α設定区間を初期上限値である１から遠ざかる方向に狭めることが行われる。

ステップＳ６では、今回のα設定区間の中間値α_mid(j)が次回のα設定区間の下限値α_min(j+1)とされ、次回のα設定区間の上限値α_max(j+1)は今回のα設定区間の上限値α_max(j)のままとされる。つまり、α設定区間を初期上限値である１に近づく方向に狭めることが行われる。

ステップＳ５の次とステップＳ６の次はステップＳ７の判定が行われる。ステップＳ７では、反復カウンタjが最大値j_maxに達したどうか、つまり、反復が終了したかどうか判定される。判定結果が否定的であればステップＳ８が選択され、判定結果が肯定的であればステップＳ９が選択される。

ステップＳ８では、次回のα設定区間の上限値α_max(j+1)と下限値α_min(j+1)とから中間値α_mid(j+1)が計算される。そして、反復カウンタjの値が１つアップされる。ステップＳ８の次は再びステップＳ２の処理が行われる。次回は、ステップＳ８で計算された中間値α_mid(j+1)がα_kに代入され、それを用いて閉ループ系モデルによるＤＰＦ温度の将来予測が行われる。

ステップＳ９では、今回のα設定区間の下限値α_min(j)が最終的なα_kとして確定される。下限値α_min(j)がα_kの確定値として用いられるのは、α設定区間の下限側が制約を満たしている側だからである。リファレンスガバナは、ステップＳ９で決定されたα_kを用いて式（２０）による計算を行い最適修正目標値g_kを算出する。このような二分探索法による目標値修正アルゴリズムによれば、低い演算負荷にて修正目標値g_kの探索を行うことができる。

ところで、一般的には、修正目標値g_kの探索におけるα_kの初期設定区間は０から１までとされる。今回の修正目標値g_kは前回の修正目標値g_k-1から元の目標値r_kまでの区間に存在するからである。α_kが１であれば今回の修正目標値g_kは元の目標値r_kとなり、α_kが０であれば今回の修正目標値g_kは前回の修正目標値g_k-1のままとなる。しかし、本実施の形態で採用された目標値修正アルゴリズムでは、α_kの初期設定区間の下限値α_minには０よりも小さい定数が与えられる。これは次のような理由による。

α_kの初期設定区間の下限値を０にした場合には、必ず前回の修正目標値g_k-1から元の目標値r_kまでの区間の中から今回の修正目標値g_kを選択することになる。この場合、一旦修正目標値をある値に選択すると、つぎの時間ステップ以降は元の目標値に近づく方向にのみ選択され、逆方向に目標値を修正することはできない。ところが、エンジン制御では、観測雑音や制御対象モデルの不確かさが大きいため、逆方向に目標値を修正することができなければ制約に抵触する可能性が高くなる。そこで、本実施の形態では、単純に修正目標値の前回値と目標値とで二分探索法による探索区間を規定するのではなく、α_min<０を許容して探索区間を拡大しているのである。

さらに、本実施の形態では、α_min<０を無制限に許容するのではなく、次の式（２１）に示すようにα_minに定数を与えてα設定区間を有限範囲に限定している。探索範囲を無制限に拡大するのではなく有限区間に限定することによって修正目標値g_kの発散を防止するためである。

式（２１）によれば、前回の修正目標値g_k-1が元の目標値r_kよりも小さい場合は、図７に示すように、今回の修正目標値g_kの探索区間の初期下限値は大気温度T_atmまで拡大される。前回の修正目標値g_k-1が元の目標値r_kよりも大きい場合は、図８に示すように、今回の修正目標値g_kの探索区間の初期上限値は上限温度T^- _dpfまで拡大される。このように元の目標値r_kから離れる方向に今回の修正目標値g_kの探索区間を拡大することによって、制約に抵触しない修正目標値g_kを広い範囲で探索することができるようになり、結果として制約の充足性を高めることができる。さらに、大気温度T_atmはＤＰＦ温度がとり得る最小値であるから、探索区間の初期下限値を大気温度T_atmとすることで、実現不可能な修正目標値が選択されることを防ぐことができる。また、上限温度T^- _dpfを探索区間の初期上限値とすることで、ＤＰＦ温度に課せられた制約を充足させることができる。

［数値シミュレーション結果］
図９は、本実施の形態で採用された目標値修正アルゴリズムによるシミュレーション結果を示す図である。上段のグラフはＤＰＦ温度の目標値(Original reference)と修正目標値(Modified reference)を表し、下段のグラフはＤＰＦ温度の目標値に対応するＤＯＣ温度とＤＯＣ温度に対する制約(Constraint)を表している。破線はα_min=０の場合に対応し、実線はα_min=-0.2の場合に対応する。ただし、予測ホライズンをN_h=5、閉ループ系離散化のサンプル時間をδ_cl=0.5[sec]としている。すなわち、リファレンスガバナでは2.5[sec]の将来予測を行なっている。また、二分探索法による反復アルゴリズムの反復回数j_maxは１２回としている。

図９によれば、α_min=０の場合、修正目標値が元の目標値に近づいた後に逆方向の目標値修正が行なわれず、過大な目標値が閉ループ系に印加され続けてＤＯＣ温度は制約に抵触する。これに対して、α_min=-0.2の場合では、逆方向の目標値修正が許容されることによってＤＯＣ温度の制約への抵触を回避することができる。このシミュレーション結果から、本実施の形態で採用された目標値修正アルゴリズムの有効性が確認できた。

また、α_min=-0.2とした上で予測ホライズンをN_h=5,7,10と変化させた場合のシミュレーション結果を図１０に示す。上段のグラフはＤＰＦ温度の目標値(Original reference)と修正目標値(Modified reference)を表し、中段のグラフはＤＯＣ温度とＤＯＣ温度に対する制約(Constraint)を表し、下段のグラフはＤＰＦ温度とＤＰＦ温度に対する制約(Constraint)を表している。各グラフ中の実線、一点鎖線及び点線の曲線は、それぞれN_h=5,7及び10に対するシミュレーション結果である。

図１０によれば、N_h=5の場合、目標値のステップ変化の直後に修正目標値にピークが現れ、それがＤＯＣ温度とＤＰＦ温度の速い応答に寄与している。また、N_hを大きくした場合には、より長い将来予測が可能となるために逆方向の目標値修正が小さくなり、その分、修正目標値のピークが抑制されている。なお、制御対象であるＤＰＦ温度の特性は非線形性が強いため、有限個の予測ホライズン適合点では適合点間で予測ホライズンと応答時間の大小関係が逆になる可能性がある。そのような場合でも、逆方向の目標値修正を許容することにより、閉ループ系モデルにモデル化誤差があったとしても制約充足の方向に制御系を動作させることができる。

［実験結果］
最後に、本実施の形態で採用された目標値修正アルゴリズムを実車上の後処理システムの温度制御に適用した実験の結果について説明する。

実験では、４気筒２Ｌのディーゼルエンジンを搭載した車両に対して、運転条件をエンジン回転数2200[rpm]、燃料噴射量22.8[mm³/stroke]としてＤＰＦ温度の目標値をステップ変化させた場合のＤＰＦ温度の出力値の変化を調べた。ただし、この実験ではＤＰＦ温度の上限制約を890[K]とした。フィードバックコントローラについては、モデル予測のためにこれを既知としておく必要があるため、量産の制御アルゴリズムそのものではなく、ＤＰＦ温度の出力応答を安定化させるPIゲインを試行錯誤により決定したものを用いている。リファレンスガバナの設定については、閉ループ系のサンプル時間δ_clを5[sec]、予測長N_h=20として100[sec]将来の予測を行なっている。また、修正目標値の探索区間を決めるαの下限をα_min=-0.05として目標値の動きと逆方向の目標値修正を許容した。二分探索法による反復アルゴリズムの反復回数j_maxは６回とした。リファレンスガバナの制御周期δ_rgは100[msec]である。

上記の設定の下での実験により得られた結果を図１１及び図１２に示す。図１１及び図１２の各上段のグラフは比較例であって、リファレンスガバナを搭載しない場合の実験結果である。そして、リファレンスガバナを搭載した場合の実験結果は図１１及び図１２の各下段に示している。図１１のグラフには、ＤＰＦ温度の目標値(Original reference)とリファレンスガバナによるＤＰＦ温度の修正目標値(Modified reference)とＤＰＦ温度の出力値(Output)とが上限制約(Constraint)とともに表されている。グラフにおけるＤＰＦ温度の出力値は温度計をＤＰＦの中央に取り付けて計測した結果である。図１２のグラフには、フィードバックコントローラが出力する燃料添加量(Fuel injection)が表されている。

図１１及び図１２からは、リファレンスガバナがＤＰＦ温度の目標値を修正して閉ループ系に印加し、燃料添加量を減らすことによって、上限制約を充足するＤＰＦ温度の挙動を達成できていることが分かる。この実験結果から、本実施の形態で採用された目標値修正アルゴリズムを実車上の後処理システムの温度制御に適用することの有効性が確認できた。

［その他］
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、前回の修正目標値g_k-1が元の目標値r_kよりも小さい場合における修正目標値g_kの探索区間の初期下限値は、α_min<0となる範囲であれば大気温度T_atmよりも高い温度でもよい。また、前回の修正目標値g_k-1が元の目標値r_kよりも大きい場合における修正目標値g_kの探索区間の初期上限値は、α_min<0となる範囲であれば上限温度T^- _dpfよりも高い温度でもよい。ただし、初期上限値を上限温度T^- _dpfより高くするのであれば、他の手段によってＤＰＦ温度に上限制約をかける必要がある。

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１３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１３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１３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１３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１３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１３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１３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１３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

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系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、二分探索法に基づく反復アルゴリズムに従い前記制約を満たすことのできる修正目標値を探索するように構成され、
前記リファレンスガバナは、前記修正目標値の前回値が前記目標値よりも大きい場合、前記修正目標値の今回値の探索において、前記目標値を探索区間の初期下限値に設定するとともに前記修正目標値の前回値より大きい値を探索区間の初期上限値に設定することを特徴とするプラント制御装置。
前記リファレンスガバナは、前記修正目標値の前回値が前記目標値よりも小さい場合、前記修正目標値の今回値の探索において、前記目標値を探索区間の初期上限値に設定するとともに前記修正目標値の前回値より小さい値を探索区間の初期下限値に設定することを特徴とする請求項１に記載のプラント制御装置。
前記リファレンスガバナは、前記修正目標値の前回値が前記目標値よりも小さい場合、前記修正目標値の今回値の探索において、前記出力値がとり得る最小値を前記初期下限値に設定することを特徴とする請求項２に記載のプラント制御装置。
前記リファレンスガバナは、前記修正目標値の前回値が前記目標値よりも大きい場合、前記修正目標値の今回値の探索において、前記出力値が守るべき上限値を前記初期上限値に設定することを特徴とする請求項１乃至３の何れか１項に記載のプラント制御装置。