JP2015219793A - 電子制御装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】制御周期の制約がある電子制御装置において限られたハードウェア資源を用いて投機実行を行う際に発生する、将来の状態の予測失敗や高度な制御演算を実行することによる制御演算の未完了といった投機実行の失敗により、電子制御装置が誤った制御を行うリスクを低減し、電子制御装置において投機実行を行う際の信頼性を高める。【解決手段】1つもしくは複数の外部入力に応じて演算を行い、所定時間迄に演算結果を出力する電子制御装置であって、現在の入力を用いて演算を行う1つまたは複数の第一の演算部と、前記現在の入力の時点より前の時点に入力される過去の入力を用いて演算を行う1つまたは複数の第二の演算部と、を有する。【選択図】図2

Description

本発明は電子制御装置に関し、制御対象に装着された各種センサから電子制御装置に入力される信号を基に制御演算を行い演算結果を出力するにあたり、規定のタイミングまでに制御演算を完了するための手段に関する。
従来より、例えば自動車の自動変速機等の制御対象を所望の目標値に追随するように制御する手段として電子制御装置が用いられてきた。電子制御装置では、制御対象に装着された各種センサ等から制御対象の状態を入力し、目標値に対する差分を基にマイクロコントローラ等の演算手段による制御演算を行うことによって、制御対象の状態を制御目標値に近づけるフィードバック制御と呼ばれる制御手段が用いられてきた。このような制御を実現する手段として主にディジタル制御が用いられている。ディジタル制御において制御装置は、周期的な入出力のタイミング(制御周期)に沿って動作することを前提として構成されているため、制御周期を遵守することが必要となる。
その一方で、目標値に対してより応答性の良い制御を行うため、制御演算に高度な制御手法を適用したいという要望がある。高度な制御手法としては例えばモデル予測制御が挙げられる。モデル予測制御は、制御対象のモデルを電子制御装置が内部モデルとして保持し、その内部モデルを用いて制御対象の将来の挙動を予測することで制御対象の制御を行うものである。制御対象の将来の挙動の予測を行うことで、目標値に対してより追従性の高い制御を行うことができる反面、演算量が多く制御演算には長い時間を要するという特徴を持つ。
特許第4811495号
前述のような高度な制御を、例えば自動車の自動変速機の油圧制御に適用することができれば、変速がより滑らかになり乗り心地を改善することができる。一方でこのような高度な制御手法は前述のように長い演算時間を要するため、特に制御周期の短い電子制御装置に対してそのまま適用することは難しい。
長い演算時間を要する制御手法を制御周期の短い電子制御装置に対して適用する際の手法の一つとして、投機実行と呼ばれる手法が挙げられる。投機実行は、将来の状態を予測することにより演算を実際の入力の到達に先駆けて開始することで、実際の演算時間に対して長い演算時間を確保することが可能となる手法である。投機実行を制御系に適用することで、制御周期の制約を満たすことができるタイミングまで演算開始タイミングを早めることができるため、前述の高度な制御手法を制御周期に制約のある電子制御装置に適用することが可能となる。一方で投機実行は将来の状態の予測を前提としているため予測に失敗するリスクがある。投機実行を制御に適用する場合には、前述の予測失敗によって誤った制御を行ってしまうリスクがあり、例えば自動車の電子制御装置ような高い信頼性や安全性を求められる電子制御装置に対してそのまま適用することは難しい。
これを解決する手法の1つとして、特許文献1では制御対象である回転機が将来取り得る全ての状態について制御演算を行い、演算結果の妥当性に基づいた制御出力の選択を行うことで、制御対象に対して適切でない制御を行ってしまうリスクを回避できる例が示されている。
一方で、このように制御対象が将来取り得る全ての状態について網羅的に演算を行う手法は制御対象が取り得る状態数が少ない場合には有効ではあるが、一般的な制御対象は多数の状態を取り得ることから、全ての状態について網羅的に演算を行うには必要なハードウェア資源が膨大となってしまう。そのため、ハードウェア資源の観点からこのような手法の一般的な制御装置への適用は難しい。
また、高度な制御手法の中には例えば最適化問題のような演算結果が収束するまで反復的に演算を繰り返す収束演算を必要とする場合がある。収束演算を行う場合には演算に要する時間が不定となってしまうため、前記の投機実行に成功した場合においても演算が制御周期内に完了しない可能性があり、別途対策が必要となる。
本発明は上記の点に鑑みてなされたものであり、投機実行を用いた高度な制御を限られたハードウェア資源を用いて行う際に危惧される予測失敗や収束演算による制御周期内での制御演算の未完了といった制御演算の失敗により、電子制御装置が誤った制御出力を行ってしまうリスクを軽減するものであり、これにより電子制御装置において投機実行を行う際の信頼性を高めることを目的とする。
上記目的を達成するために、例えば外部からの現在の入力を用いて演算を行う第一の演算部と、前記現在の入力より前の時点に入力される過去の入力を用いて演算を行う第二の演算部とを有することで達成できる。
本発明によれば、実際の入力値の到達に先駆けて制御演算を開始する投機実行を行うことができる。
本発明の第一の実施例における電子制御装置1および制御対象である自動変速機7の構成を示した機能ブロック図である。 本発明の第1の実施例における電子制御装置1の、ある特定の制御出力タイミングに着目した際の動作を示したタイミングチャートである。 本発明の第1の実施例における電子制御装置1が、実際に行っている動作を示したタイミングチャートである。 本発明の第一の実施例における電子制御装置1内の第二の演算部32の内部構成を示した機能ブロック図である。 本発明の第1の実施例における自動変速機7内の構成を示した機能ブロック図である。 本発明の第1の実施例における、電子制御装置1を用いて制御対象であるソレノイドバルブ7の制御を行った際の動作を示したグラフである。 本発明の第2の実施例における、電子制御装置1の出力を評価部4および選択部5が決定する際の評価基準を示した表である。 本発明の第3の実施例における、電子制御装置1および自動変速機7の構成を示した機能ブロック図である。 本発明の第4の実施例における、電子制御装置1および自動変速機7の構成例の1つを示した機能ブロック図である。 本発明の第4の実施例における、電子制御装置1および自動変速機7の構成例の1つを示した機能ブロック図である。
以下、本発明の第1の実施例に係る電子制御装置について、図面を用いて説明する。
図1は、本実施例における電子制御装置1および制御対象である自動変速機7から成る制御系の構成を示したブロック図である。図1に示した電子制御装置1は図示しない上位の電子制御装置から、制御対象である自動変速機7におけるトルク出力の目標値と、前記自動変速機7に実装される図示しないセンサで検知する回転数等の値を基に算出される出力トルク値を入力として、前記自動変速機7内の油圧ソレノイドバルブ71への制御出力である電圧値を決定するものである。なお、実際の自動変速機71は複数の油圧ソレノイドバルブから構成されるが、簡単のため本実施例では油圧ソレノイドバルブ71に関する部位のみについて説明する。
電子制御装置1は、電子制御装置1への入力を処理して出力する入力処理部2、入力処理部2の出力を基に制御演算を行う第一の演算部31および第二の演算部32、入力処理部2の出力および第二の演算部32の内部状態41を基に評価結果を出力する評価部4、評価部4の評価結果を受け、第一の演算部31、第二の演算部32の演算結果の一方を電子制御装置1として出力する選択部5をもつ。
以下、電子制御装置1が行う制御について説明する。
図2は、時刻Tin1迄の入力値に基づき、時刻Toutにおける制御出力を行う必要がある制御演算を第一の演算部31および第二の演算部32を用いて行う手順を説明するタイミングチャートである。第一の演算部31は、時刻Tin1における入力値21を基に、入力値に対する出力値が予め定められているMAP制御を用いて1制御周期以内に制御演算を行い、時刻Toutに演算結果を出力する。対して第二の演算部32は時刻Tin2以前に入力される過去の入力値22を基にモデル予測制御を用いて制御演算を行い、時刻Toutに演算結果を出力する。第二の制御部32の演算開始時刻Tin2が第一の演算部の演算開始時刻Tin1に対して早い理由は、前述のモデル予測制御の特徴により1制御周期以内には制御演算を完了することができないために、投機実行を用いて演算開始時刻の前倒しを行い、時刻Tout迄の演算完了を実現するためである。このような演算を行う第二の演算部32には、前述のように投機実行における予測の失敗による制御演算の失敗というリスクおよび、収束演算を必要とするモデル予測制御を行うことによる、演算が時刻Tout迄に完了せず制御演算に失敗するというリスクがある。本実施例においては、収束演算による演算時間の増減が投機実行を行うことにより第二の演算部32に与えられる演算時間に対して十分に短く、第二の演算部32に与えられる演算時間内に制御演算を完了できると仮定し、予測失敗による制御演算の失敗のリスクのみを扱う。なお、収束演算に関して前記の仮定が成り立たない場合についても本実施例と同様に電子制御装置1を利用できることを実施例2で説明する。
前述のような条件下で第二の演算部32は時刻Tin1における入力値を予測し、前倒しで制御演算を開始する投機実行を行う。本実施例においては、説明の簡単のため投機実行を行うことにより第二の演算部32に与えられる演算時間を2制御周期と仮定する。
第二の演算部32は2制御周期かけて制御演算を行うと定めたため、時刻Toutに制御出力を行うための制御演算は時刻Tin1よりさらに1制御周期前の時刻Tin2に開始される。第二の演算部32では、制御演算を行うために必要となる時刻Tin1における入力値21を、演算を開始する時刻Tin2迄に電子制御装置1に入力される過去の入力値22を基に時刻Tin2の時点で予測して演算を開始する投機実行を行う。ここでは、同様に簡単のため過去の2制御周期、すなわち時刻Tin2およびその1制御周期前の入力を用いて時刻Tin1における入力値21を予測するとする。
評価部4は、前記のような演算を行う第二の演算部32の演算結果について評価を行う。評価の内容は投機実行の成否である。評価部4は、第二の演算部32において投機実行が成功した場合には第二の演算部32の演算結果を、投機実行に失敗した場合には第一の演算部31の演算結果を選択する信号を選択5へ出力する。選択部5は、前記信号に基づいて第一の演算部31もしくは第二の演算部32の演算結果を選択し、電子制御装置1の制御出力6として出力する。なお、投機実行の成否については、第二の演算部32内に内部状態41として保持される、時刻Tin1における入力値21を時刻Ts2以前の入力値を用いて予測した予測値23が、入力値11に対して一定の閾値以内に収まっているか否かを基準とすることで判別可能である。
実際には電子制御装置1は各制御周期毎に制御出力を行うため、図3のタイミングチャートに示したように、各制御周期において第一の演算部31と第二の演算部32の演算結果の比較を行い、電子制御装置1の制御出力6を選択することになる。そのため電子制御装置1には1つの第一の演算部31と、第二の演算部32内部に第二の演算部に与える演算時間に等しい数の演算部が必要となる。本実施例における第二の演算部32は2制御周期をかけて制御演算を行うとしているため、電子制御装置1が制御周期毎に制御出力6を出力するためには第二の演算部32内に2つの演算部を有し、2つの演算部が交互に制御出力を行う必要がある。
図4は上記の第二の演算部32の内部構成を示した図である。第二の演算部32は、電子制御装置1への過去の入力値22を2つ保持、出力する入力値のバッファ321、入力値のバッファ321に保持された過去の入力値22を基に予測値23を算出する入力値予測部322、入力値予測部322から出力される予測値23を基に制御演算を行い結果を出力する2つの演算部A3231および演算部B3232、演算部A3231および演算部B3232の中から各制御周期における出力を行うものを決定し出力する出力利用判定部324、出力利用判定部324の出力を基に制御出力を行う演算部A3231もしくは演算部B3232を選択し選択部5へ出力する選択部325、同出力利用判定部324の出力を基に制御出力を行う演算部A3231および演算部B3232の内部状態を選択し、評価部4へ出力する選択部326により構成される。前述の投機実行の成否を判定するための将来の入力予測値23は、演算部A3231および演算部B3232に保持されているとし、選択部326によって評価部4へと出力されるものとする。
なお、本実施例において投機実行に与える演算時間を2制御周期と仮定しているが、一般に2制御周期以上の演算時間を要する場合についても同様の構成をとることが可能である。一般に第二の演算部32における演算時間がN制御周期となった場合、第二の演算部32内に実装される演算部はN個実装され、それに対応して選択部324および325の入力数も変化する。また、入力値予測部322に入力する過去の入力値22を保持する入力値のバッファ321が保持する過去の入力値の数についても、入力値予測部322の実装に合わせて任意に変更可能である。
上記のような制御を行う電子制御装置1により制御される自動変速機7の動作を以下で説明する。
図5に、本実施例における制御対象である自動変速機7の構成を示す。なお、簡単のため自動変速機7は電子制御装置1による制御出力である電圧値によって駆動される1つの油圧ソレノイドバルブ71、および前記油圧ソレノイドバルブ71により制御される油圧回路部72、前記油圧回路部72により制御されることで実際の変速操作を行いトルクを出力とする機械部73とする。
図6は、本発明における電子制御装置1により自動変速機7内部のソレノイドバルブを制御することで自動変速機7によって出力される出力トルクの、変速時(アップシフト時)の変化を示すグラフである。出力トルクの目標値を実線で示し、一点鎖線で第一の演算部の演算結果を用いて制御を行った場合の出力トルク値を、点線で第二の演算部の演算結果を用いて制御を行った場合の出力トルク値を示している。図6では、時刻T0に変速を開始し、時刻T1に変速を完了、再度時刻T2に変速を開始し、時刻T3においてアクセル開度の変化により変速を中止した際の、自動変速機7により出力される出力トルクの挙動を説明する。
時刻T0において自動変速機7は変速を開始するが、出力トルクの目標値が変化していないため第二の演算部における投機実行には容易に成功可能である。この場合、時刻T0から時刻T1の間においては第二の演算部32の演算結果を電子制御装置1の出力として用いるため、出力トルクは破線のような挙動を示し、従来の制御法に対してより変速ショックの少ない滑らかな変速を行うことが可能となる。対して時刻T2以降の2回目の変速の際には、時刻T3において出力トルクの目標値が急変することで、第二の演算部32における予測値23が実際の入力値21と異なることとなり、実際の目標値に対して破線のような、過去の入力値22を基に予測を行った異なる目標値に追従した制御を行ってしまうため、追従性のよい制御を行うことが不可能となる。この際、評価部4において投機実行失敗と判定し、選択部5によって第一の演算部31の演算結果を電子制御装置1の制御出力として用いることにより、設計者や運転者の意図しない動作を防止することが可能となる。
なお、本実施例においては制御演算を行う第一の演算部31および第二の演算部32は、各制御出力タイミングあたり1つとしているが、本発明の構成はこれに限定されるものではない。すなわち、第二の演算部32内の演算部を複数個実装し、複数の将来の入力予測値23について演算を行うことで、投機実行の成功率向上を図ることが可能である。
また、本実施例において第一の演算部をMAP制御で実装したが、例えばPID制御等で実装しても、各実施形態で説明したのと同等の作用効果を得ることができる。
また、上記の実施形態では第二の演算部32が演算に用いる予測値23は第二の演算部内の入力値予測部322で算出され、演算部A3231および演算部B3232で利用される例を説明したが、予測値23は図示しない上位の電子制御装置から第二の演算部へ与えられる入力とすることもできる。このようにしても、各実施形態で説明したのと同等の作用効果を得ることができる。
なお、以上説明したような各種の変形例は、それぞれ単独で適用しても、任意に組み合わせて適用してもよい。
以上説明した各実施形態や各種の変形例はあくまで一例であり、発明の特徴が損なわれない限り、本発明はこれらの内容に限定されるものではない。
次に、本発明の第2の実施例に係る電子制御装置について、図面を用いて説明する。
本実施例においては、前述の実施例1と同一のハードウェア構成で、実施例1において仮定した第二の演算部32にて実行される収束演算による演算時間の増減が、第二の演算部32に与えられる演算時間に対して十分無視できるものであるという仮定が成り立たない場合においても、第二の演算部32の演算失敗を判定し第一の演算部31を用いることで、電子制御装置1の信頼性を高めることができることを説明する。
以下、本実施例における電子制御装置1の動作について説明する。
第二の演算部32は、前述の実施例1において2制御周期前に演算を開始するが、本実施例においては収束演算の影響が無視できないことにより、図2における制御出力を行う時刻Tout迄に演算が完了しない場合が存在する。収束演算を行う際には、事前に定められた演算を終了する条件が存在し、その演算終了条件を満たす迄演算が繰り返される。例えば再急降下法のようなアルゴリズムを用いて第二の演算部32において演算を行っている場合、入力を固有の漸化式を用いて更新し評価関数の勾配が基準を下回った際に演算を完了することになる。この演算完了のフラグを評価部4へ出力することで、評価部4において第二の演算部32の演算の完了を判断することが可能となる。
評価部4では前述の実施例1における投機実行の成否の判定に加え、第二の演算部の演算完了を判定する。評価部4は図7に示す条件1のように、投機実行が成功しかつ収束演算が完了している際には第二の演算部32の演算結果を、その他の場合には第一の演算部31の演算結果を、選択部5を用いて電子制御装置1の制御出力とする。
以上が本実施例における電子制御装置1の動作のうち、前述の実施例1との差異であ
る。本実施例によれば、実施例1で説明した第二の演算部32において投機実行を行う
場合の内、収束演算を行う際の演算時間の変動が無視できない場合についても、評価部
4を用いて第二の演算部32における演算結果の妥当性を評価することができる。これ
により、制御対象である自動変速機7に対して前述の実施例1と同様の制御を行うこと
が可能となる。
次に、本発明の第3の実施例に係る電子制御装置について、図面を用いて説明する。
図8は、本実施例における電子制御装置1および制御対象である自動変速機7から成る制御系の構成を示すブロック図である。本実施例と前述の実施例1との間におけるハードウェア構成上の差異は、電子制御装置1において選択部5の出力を入力とし、電子制御装置1の制御出力を出力とする出力補正部9が加えられたことである。
以下、本実施例における第一の演算部31の動作について説明する。
前述の実施例1および2において、第二の演算部32の演算結果が失敗であった場合、第一の演算部31の演算結果が選択部5によって電子制御装置1の制御出力として出力される。この際、第一の演算部31と第二の演算部32制御目標に対する追従性の違いにより、直前の電子制御装置1の制御出力である第二の演算部32の演算結果と、次に出力される第一の演算部31の演算結果による電子制御装置1の制御出力の値が乖離してしまうことにより、制御対象である自動変速機7の挙動が不安定となる可能性がある。これを防ぐため、選択部5に電子制御装置1の制御出力を補正する機能を加えることが考えられる。本実施例においては、制御対象は滑らかな出力の変化を起こすことが望ましいため、電子制御装置1の制御出力に関して第一の演算部31および第二の演算部32の出力に瞬間的な変化が起こらないことが望ましい。実装の一例として、出力補正部8にフィルタ回路を構成し、出力の瞬間的な変化を抑制することで、急激な電子制御装置1の制御出力値の変化による制御対象7が不安定化するリスクを軽減することが可能となる。
次に、本発明の第4の実施例に係る電子制御装置について、図面を用いて説明する。
図9および図10は、本実施例における電子制御装置1および制御対象である自動変速機7から成る制御系の構成を示すブロック図である。本実施例と前述の実施例1との間におけるハードウェア構成上の差異は、電子制御装置1において第二の演算部32に対する入力値として、評価部4で行われる第二の演算部の演算結果の評価結果および第一の演算部31の演算結果が加えられた点(図9)、もしくは電子制御装置1の制御出力が加えられた点(図10)である。図9および図10の実装方法はハードウェア構成上は異なるが、機能上は同様の効果を持つ。
以下、本実施例における第二の演算部32の動作について説明する。まず、第二の演算部32の出力が評価部4および選択部5によって電子制御装置1の出力として用いられている際、すなわち第一の演算部31の演算結果が電子制御装置1の制御出力として用いられない場合の第二の演算部32の動作については、前述の実施例1のそれと同一である。
対して、第二の演算部32において投機実行に失敗もしくは収束演算が未完了であった場合、評価部4および選択部5により、第一の演算部31の演算結果が電子制御装置1の制御出力として用いられる。この際、前述の実施例1では第二の演算部32は電子制御装置1へ入力される図示しない上位のコントローラからの制御目標値および制御対象である自動変速機7の出力のみを利用して制御演算の復帰を図る。この際、自動変速機7は第二の演算部32ではなく第一の制御部31によって制御されるため、第二の演算部32からは電子制御装置1の出力を得ることができないため、制御対象である自動変速機7の内部状態を推定することは困難である。その結果、制御対象の状態が制御目標値の周辺で安定する迄は制御対象の内部状態の推定ができず、投機実行に失敗する期間が必要以上に長くなるということが考えられる。本実施例において、評価部4の結果として第一の演算部31の演算結果が出力されている際、第一の演算部31の出力値を知ることで、第二の演算部32において制御対象の内部状態の推定および演算が可能となり、前述の実施例1において、第二の演算部32の利用再開迄に要する時間を短縮することが可能となる。
1:電子制御装置
2:電子制御装置における入力処理部
21:電子制御装置への時刻Tin1における入力値
22:電子制御装置への時刻Tin2より前の時刻における複数の入力値
23:時刻Tin2における、時刻Tin1における入力値の予測値
31:第一の演算部、32:第二の演算部
321:第二の制御部への入力値のバッファ
322:入力値のバッファを基に将来の入力値を予測する入力値予測部
3231:第二の演算部内に実装される演算部A
3232:第二の演算部内に実装される演算部B
324:第二の演算部内の演算部から、各制御周期毎の出力を行う演算部を選択する選択部
325:第二の演算部内の演算部の内部状態のうち、各制御周期毎の出力を行う
演算部の内部状態を選択する選択部
326:第二の演算部内の複数の演算部の内部状態のうち、各制御周期毎の出力を行う
演算部を判定する出力利用判定部
4:評価部
41:第二の演算部の内部状態、5:選択部
6:電子制御装置の出力の急激な時間変動を補正する補正部
7:制御対象である自動変速機
71:自動変速機内の油圧ソレノイドバルブ
72:自動変速機内の油圧回路
73:自動変速機内のクラッチ、ギア等の機械類

Claims (7)

  1. 1つもしくは複数の外部入力に応じて演算を行い、所定時間迄に演算結果を出力する電子制御装置であって、
    現在の入力値を用いて演算を行う1つまたは複数の第一の演算部と、
    前記現在の入力の時点より前の時点に入力される過去の入力値を用いて演算を行う1つまたは複数の第二の演算部と、
    を有することを特徴とする電子制御装置。
  2. 請求項1に記載の電子制御装置であって、
    前記現在の入力値と前記第二の演算部の内部状態とを基に前記第二の演算部の演算結果を評価する評価部と、前記評価部での評価結果を基に前記第一の演算部の演算結果と前記第二の演算部の演算結果との一方を選択して出力する選択部とを有することを特徴とする電子制御装置。
  3. 請求項2に記載の電子制御装置であって、
    前記第二の演算部の内部状態として、前記過去の入力を基に演算される値を用いることを特徴とする電子制御装置。
  4. 請求項3に記載の電子制御装置であって、
    前記第二の演算部において終了条件が満たされるまで反復的に演算を行い、前記第二の演算部の内部状態として前記終了条件の判定結果を持つことを特徴とする電子制御装置。
  5. 請求項3または4に記載の電子制御装置であって、
    前記選択部の出力部と前記電子制御装置の出力部との間に出力の出力の時間変動を抑制する補正部を有することを特徴とする電子制御装置。
  6. 請求項3または4に記載の電子制御装置であって、
    第一の演算部の演算結果と評価部の評価結果を、第二の演算部の入力として用いることを特徴とする電子制御装置。
  7. 請求項3または4に記載の電子制御装置であって、
    前記電子制御装置の制御出力を、前記第二の演算部への入力として用いることを特徴とする電子制御装置。
JP2014103911A 2014-05-20 2014-05-20 電子制御装置 Pending JP2015219793A (ja)

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