JP2015232308A

JP2015232308A - 制御装置

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Publication number: JP2015232308A
Application number: JP2014119775A
Authority: JP
Inventors: 真典嶋田; Masanori Shimada; 勇人仲田; Isato Nakada
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2014-06-10
Filing date: 2014-06-10
Publication date: 2015-12-24
Anticipated expiration: 2034-06-10
Also published as: CN106414979A; DE112015002738B4; US20180181090A1; WO2015190205A1; JP6036751B2; US10261481B2; CN106414979B; DE112015002738T5

Abstract

【課題】プラントの運転条件が特定運転条件に突然に変化したとしても、特定運転条件において特定状態量が制約に抵触することのないように、プラントの制御量を予め調整しておくことができる制御装置を提供する。
【解決手段】本発明に係る制御装置は、プラントの運転条件と制御量とを入力に含み、入力から予測される特定状態量の将来値を出力に含む予測モデルを備える。本発明に係る制御装置は、プラントの運転条件が予め定義された特定運転条件であるとの前提のもと、特定状態量が将来において制約に抵触しないための制御量の仮想現在値を予測モデルを用いて探索し、探索により見つけられた仮想現在値を制御量の目標値に設定し、制御量の実際の現在値が目標値に近づくようにプラントの操作量を決定する。
【選択図】図２

Description

本発明は、状態量に制約が課せられたプラントを制御する制御装置に関し、詳しくは、制約が課せられた状態量の将来予測に基づいて制御量の目標値を決定する機能を備えた制御装置に関する。なお、本明細書におけるプラントとは、制御工学において制御対象となるシステムを意味する。

制御工学において、制約が課せられた状態量の将来予測に基づいて制御量の目標値を修正するリファレンスガバナが知られている。特許文献１には、リファレンスガバナを内燃機関の制御に用いた例が開示されている。リファレンスガバナは、現在の運転条件がその後も続くという前提のもと、制御量の目標値に基づき決定した操作量に対して、制約が課せられた状態量が現在から将来へどのように変化するのかを予測するように設計されている。

特開２０１３−０７９６３７号公報特開２０１３−０８４０９１号公報特開２０１３−２２８５８９号公報

リファレンスガバナは、圧縮自着火式内燃機関の後処理システムに備えられるＤＰＦの温度制御にも適用可能である。リファレンスガバナをＤＰＦの温度制御に適用する場合、制御量であるＤＰＦ温度の目標値を予測モデルに入力して、ＤＰＦ温度の将来値を計算することが行われる。そして、予測モデルで得たＤＰＦ温度の将来値とＤＰＦ温度に課せられた制約である上限値との関係に基づいてＤＰＦ温度の目標値の妥当性を評価し、より高い評価が得られるように目標値を修正することが行われる。

リファレンスガバナは、現在の運転条件のもとで最適化された目標値を探索する手段である。よって、現在の運転条件が継続する限りは、ＤＰＦ温度が上限値を超えることのないように適切に目標値を修正することができる。ところが、内燃機関の運転条件は突然に変化する場合がある。具体的には、アクセルペダルのオフによって、突然にアイドル運転に変わる場合がある。この場合、リファレンスガバナに適用された目標値の修正ロジックでは、目標値を如何に修正しようとも、将来においてＤＰＦ温度が上限値を超えることを回避することができないおそれがある。

本発明は、上述のような課題に鑑みてなされたもので、プラントの運転条件が突然に変化したときでも、状態量に課せられた制約が満たされるように、プラントの制御量を予め調整しておくことができる制御装置を提供することを目的とする。

本発明に係る制御装置は、特定状態量に制約が課せられたプラントの制御装置であって、プラントの運転条件と制御量とを入力に含み、入力から予測される特定状態量の将来値を出力に含む予測モデルを備える。特定状態量とは、数あるプラントの状態量のうち、制約を課す対象として特に定められた状態量を意味する。制約が課せられた特定状態量と制御量は、同一の状態量であってもよいし、異なる状態量であってもよい。予測モデルに与えられる運転条件は、制御量を含むプラントの状態量に影響を与える条件であって、特に、特定状態量に影響を与える条件である。予測モデルは、特定状態量に関係するプラントの特性を模擬したものであれば物理モデルでもよいし統計モデルでもよいしそれらの複合モデルでもよい。また、予測モデルは、制御装置で実行されるルーチン或いはサブルーチンとしてプログラムされてもよいし、ルーチン或いはサブルーチン内で関数として定義されていてもよいし、マップとして定義されていてもよい。つまり、予測モデルの構成には限定はない。

本発明に係る制御装置は、プラントの運転条件が予め定義された特定運転条件であるとの前提のもと、特定状態量が将来において制約に抵触しないための制御量の仮想現在値を予測モデルを用いて探索するように構成される。特定運転条件とは、プラントの運転条件のうちの特定の条件を意味しており、予め定義されたものであればどのような条件も特定運転条件として設定することができる。ただし、特定運転条件であることの好ましい要件としては、他の運転条件との間で連続性のない離散的な運転条件であることを挙げることができる。さらに、制約を満たすことが特に厳しい運転条件であることや、制約を満たすことが特に高い確度で求められる運転条件であることなども、特定運転条件の1つの要件として挙げることができる。制御量は予測モデルのパラメータの1つであり、ここに実際の現在値を入力すれば、現在の制御量から予測される特定状態量の将来値を算出することができる。しかし、本発明に係る制御装置は、制御量の実際の現在値ではなく仮想現在値を予測モデルに入力し、仮想現在値のもとで予測される特定状態量の将来値を算出する。ある値の仮想現在値に基づき予測した特定状態量の将来値が制約に抵触するのであれば、別の値の仮想現在値に基づいて特定状態量の将来値を予測する。このような処理を行うことにより、特定状態量が将来において制約に抵触しないための制御量の仮想現在値を見つけることができる。好ましくは、プラントの現在の運転条件に基づいて制御量の基準目標値を定め、基準目標値を基準にして仮想現在値の探索を行うように構成される。本発明に係る制御装置は、予測モデルの探索により得られた仮想現在値を制御量の目標値に設定し、制御量の実際の現在値が目標値に近づくようにプラントの操作量を決定するように構成される。

本発明に係る制御装置は、特定運転条件のもとで特定状態量の将来値が制約に抵触しないための制御量の仮想現在値を探索し、その仮想現在値を制御量の目標値としてプラントの操作量を決定する。これにより、プラントの現在の運転条件がどのような運転条件であっても、制御量の現在値は特定運転条件に適した理想の現在値になるか、或いは、理想の現在値に近い値になる。したがって、本発明に係る制御装置によれば、プラントの運転条件が特定運転条件に突然に変化したとしても、特定状態量が制約に抵触することは避けられる。

内燃機関の後処理システムの構成を示す概略図である。本発明の実施の形態１の制御構造を示すブロック図である。比較例の制御構造を示すブロック図である。比較例の制御構造による計算例を示す図である。比較例の制御構造による計算例を示す図である。本発明の実施の形態１の制御構造による計算例を示す図である。本発明の実施の形態１の制御構造のアルゴリズムを示すフローチャートである。予測モデル演算処理を説明するための図である。本発明の実施の形態１の制御構造の変形例を示すブロック図である。本発明の実施の形態２の制御構造を示すブロック図である。本発明の実施の形態２の制御構造による計算例を示す図である。本発明の実施の形態３の制御構造を示すブロック図である。本発明の実施の形態３の制御構造による計算例を示す図である。本発明の実施の形態４の制御構造を示すブロック図である。本発明の実施の形態４の制御構造による計算例を示す図である。

実施の形態１．
以下、本発明の実施の形態１について図を用いて説明する。

＜実施の形態１の制御対象＞
実施の形態１の制御装置は、自動車に搭載される内燃機関、より詳しくは、ＤＰＦを備えた圧縮自着火式内燃機関を制御対象とする制御装置である。図１は内燃機関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６におけるタービン８の下流にＣＣＯ（酸化触媒コンバータ）１０とＤＰＦ（ディーゼル粒子フィルタ）１２とを直列に備え、シリンダヘッド２に取り付けられた排気マニホールド４に燃料添加弁１４を備えている。ＤＰＦ１２には、その床温度を計測するための温度センサ１６が取り付けられている。本明細書では、温度センサ１６を用いて計測されるＤＰＦ１２の床温度をＤＰＦ温度と呼ぶ。温度センサ１６の信号はＥＣＵ（電子制御ユニット）２０に送られ、ＥＣＵ２０から燃料添加弁１４に操作信号が送られる。実施の形態１の制御装置は、ＥＣＵ２０が有する機能の一部に相当する。実施の形態１の制御装置は、ＤＰＦ温度を制御量、燃料添加量を操作量として内燃機関の制御を行う。また、ＤＰＦ温度が上昇し続けるとＤＰＦ１２の溶損に至るおそれがあるため、信頼性の観点からの制約がＤＰＦ温度に対して課せられる。具体的には、溶損を防いでＤＰＦの信頼性を担保することのできる上限温度がＤＰＦ温度に対する制約として設定される。ＤＰＦ温度は、制御量であると同時に、制約が課せられた特定状態量にも該当する。

＜実施の形態１の制御構造＞
図２は、実施の形態１の制御装置の制御構造を示すブロック図である。図２に示す制御構造は、目標温度設定ユニット１６０、目標温度修正ユニット１００、及び、添加量制御ユニット１５０を含む。目標温度設定ユニット１６０は、内燃機関の運転条件にＤＰＦ温度を関連付けたマップを備える。マップに登録されたＤＰＦ温度は、関連付けられた運転条件に適したＤＰＦ温度である。マップの引数となる運転条件には、エンジン回転数と燃料噴射量とが含まれる。目標温度設定ユニット１６０は、現在の運転条件に合致したＤＰＦ温度をマップから読み出し、ＤＰＦ温度の目標値（目標ＤＰＦ温度、目標温度と表記する場合もある）として設定する。目標温度修正ユニット１００は、ＤＰＦ温度が制約に抵触しないように、目標温度設定ユニット１６０で設定されたＤＰＦ温度の目標値を修正する。目標温度修正ユニット１００は、詳しくは、将来予測ユニット１１０、制約保証ユニット１２０、調停ユニット１３０、及び、修正目標温度出力ユニット１４０を含む。添加量制御ユニット１５０は、目標温度修正ユニット１００で修正されたＤＰＦ温度の目標値に基づいて燃料添加量のフィードバック制御を行う。具体的には、ＤＰＦ温度の目標値と計測値との偏差をＰＤ制御あるいはＰＩＤ制御することによって、燃料添加量の補正量を計算する。制御装置が含むこれらのユニットは、制御装置のメモリに記憶された制御プログラム或いはその一部に対応している。制御プログラムがメモリから読みだされてプロセッサで実行されることによって、これらのユニットの機能が制御装置にて実現される。

目標温度修正ユニット１００の詳細について説明する。目標温度修正ユニット１００を構成する将来予測ユニット１１０は、添加量制御ユニット１１１とＤＰＦ温度モデル１１２とアイドル目標設定ユニット１１３とを含む。アイドル目標設定ユニット１１３は、アイドル状態でのＤＰＦ温度の目標値を設定する。好適なＤＰＦ温度はエンジン回転数と燃料噴射量とにより決まるが、アイドル状態におけるエンジン回転数と燃料噴射量は、内燃機関の安定した回転を維持できる程度の固定値に制御される。このため、アイドル状態でのＤＰＦ温度の目標値は、非アイドル状態での目標値よりも低い所定値に固定される。添加量制御ユニット１１１は、添加量制御ユニット１５０の複製に相当し、アイドル目標設定ユニット１１３で設定されたＤＰＦ温度の目標値に基づいて燃料添加量を算出する。アイドル状態でのＤＰＦ温度の目標値は低いため、添加量制御ユニット１１１が算出する燃料添加量は極僅かな量となる。添加量制御ユニット１１１が算出したアイドル状態での燃料添加量は、次に説明するＤＰＦ温度モデル１１２の計算に用いられる。

ＤＰＦ温度モデル１１２は、ＤＰＦ温度の将来における変化を予測することができる予測モデルである。ＤＰＦ温度モデル１１２では、操作量である燃料添加量と制約が課せられた特定状態量であるＤＰＦ温度との関係が物理モデルなどを用いてモデル化されている。燃料添加量とＤＰＦ温度との関係には、内燃機関の運転条件やＤＰＦの状態が影響する。このため、ＤＰＦ温度モデル１１２では、内燃機関の運転条件であるエンジン回転数、燃料噴射量、及び吸気流量がパラメータとして用いられる。ただし、ＤＰＦ温度モデル１１２に与えられる運転条件は、現在の運転条件に関係なく、常に、アイドル状態での運転条件に固定される。すなわち、固定値であるアイドル回転数、アイドル噴射量、及びアイドル吸気流量が将来予測のためのパラメータとして用いられる。さらに、ＤＰＦ温度モデル１１２では、ＤＰＦの状態を表すＰＭの堆積量、排気温度（内燃機関本体の出口における排気温度）、及び、ＤＰＦ温度の現在値もパラメータとして用いられる。ＰＭの堆積量は、内燃機関の運転履歴から推定することができ、排気温度は、内燃機関の運転状態から推定することもできるしセンサによって直接計測することもできる。ＤＰＦ温度モデル１１２には、計測或いは推定したＰＭ堆積量と排気温度の現在値が与えられる。また、ＤＰＦ温度の現在値は、実際の値は温度センサ１６によって計測することができる。しかし、将来予測ユニット１１０では、温度センサ１６により計測される実際値ではなく、修正目標温度出力ユニット１４０から受け取るＤＰＦ温度の目標値（或いは修正目標値）を仮想の現在値としてＤＰＦ温度モデル１１２に与える。ＤＰＦ温度モデル１１２は、アイドル運転条件を含む各種パラメータと添加量制御ユニット１１１が算出した燃料添加量とに基づき、修正目標温度出力ユニット１４０から与えられるＤＰＦ温度の仮想現在値を初期値として、所定の予測期間におけるＤＰＦ温度の将来値を算出する。

制約保証ユニット１２０は、予測結果評価ユニット１２１と目標値修正ユニット１２２とを含む。予測結果評価ユニット１２１は、将来予測ユニット１１０で算出されたＤＰＦ温度の将来値に対し、制約であるＤＰＦ温度の上限値に照らし合わせて評価を行う。評価の方法としては、例えば、所定の評価関数を計算することが行われる。評価関数は、制約に抵触しない限りにおいてＤＰＦ温度の将来値が制約である上限値に近いほど、高い評価を与えるように作られている。評価関数の具体例については後述する。目標値修正ユニット１２２は、ＤＰＦ温度の将来値に対する評価結果に基づいて、より高い評価が得られるようにＤＰＦ温度の目標値を修正する。ここで修正されるＤＰＦ温度の目標値は、ＤＰＦ温度モデル１１２で仮想現在値として用いられた目標値である。よって、目標値修正ユニット１２２による目標値の修正は、ＤＰＦ温度の仮想現在値の修正を意味する。

調停ユニット１３０は、目標温度設定ユニット１６０からＤＰＦ温度の目標値（以下、基準目標値）が入力されると、それを修正目標温度出力ユニット１４０に出力する。そして、制約保証ユニット１２０からＤＰＦ温度の修正された目標値が入力されると、基準目標値に代えて修正目標値を修正目標温度出力ユニット１４０に出力する。修正目標温度出力ユニット１４０は、ＤＰＦ温度の目標値の修正が完了したかどうか判断して、修正が完了するまでは、ＤＰＦ温度の目標値或いは修正目標値を将来予測ユニット１１０に出力する。前述のように、修正目標温度出力ユニット１４０から将来予測ユニット１１０に与えられた目標値或いは修正目標値は、ＤＰＦ温度モデル１１２においてＤＰＦ温度の仮想現在値として用いられる。

以上のように、目標温度修正ユニット１００を構成する修正目標温度出力ユニット１４０、将来予測ユニット１１０、制約保証ユニット１２０、及び調停ユニット１３０は、ＤＰＦ温度の目標値（すなわち、ＤＰＦ温度の仮想現在値）を反復修正するためのループを形成している。このループによる反復修正によって、制約を満たすことができるＤＰＦ温度の仮想現在値が探索される。ＤＰＦ温度の目標値の修正が完了した場合には、目標温度修正ユニット１００から添加量制御ユニット１５０へ、修正されたＤＰＦ温度の目標値が出力される。別の表現を用いれば、制約を満たすことができるＤＰＦ温度の仮想現在値がＤＰＦ温度の目標値として添加量制御ユニット１５０に出力される。

＜比較例の制御構造＞
次に、実施の形態１の制御装置の従来のリファレンスガバナに対する特徴を明らかにするため、従来のリファレンスガバナを適用した制御構造の一例を比較例として説明する。図３は、比較例の制御構造を示すブロック図である。図３に示す制御構造では、図２に示す制御構造における目標温度修正ユニット１００がリファレンスガバナ８００に置き換えられている。リファレンスガバナ８００は、詳しくは、将来予測ユニット８１０、制約保証ユニット８２０、調停ユニット８３０、及び、修正目標温度出力ユニット８４０を含む。これらのユニットのうち、制約保証ユニット８２０、調停ユニット８３０、及び、修正目標温度出力ユニット８４０の各機能は、目標温度修正ユニット１００が備える制約保証ユニット１２０、調停ユニット１３０、及び、修正目標温度出力ユニット１４０の各機能と類似している。つまり、目標温度修正ユニット１００と従来のリファレンスガバナ８００との間の特徴的な相違は、将来予測ユニット１１０、８１０の構成にある。

リファレンスガバナ８００を構成する将来予測ユニット８１０は、添加量制御ユニット８１１とＤＰＦ温度モデル８１２とを含む。添加量制御ユニット８１１は、添加量制御ユニット１５０の複製に相当し、修正目標温度出力ユニット８４０から受け取るＤＰＦ温度の目標値（或いは修正目標値）に基づいて燃料添加量を算出する。ＤＰＦ温度モデル８１２は、将来予測ユニット１１０のＤＰＦ温度モデル１１２と同じ構成を有している。ただし、リファレンスガバナ８００では、ＤＰＦ温度の目標値（或いは修正目標値）に基づき計算された燃料添加量がＤＰＦ温度モデル８１２の入力として与えられる。また、リファレンスガバナ８００では、現在の内燃機関の運転条件が将来予測のためのパラメータとして用いられる。さらに、リファレンスガバナ８００では、計測或いは推定により得られたＤＰＦ温度の現在値がそのまま初期値としてＤＰＦ温度モデル８１２に与えられる。ＤＰＦ温度モデル８１２は、内燃機関の現在の運転条件を含む各種パラメータに基づき、ＤＰＦ温度の実際の現在値を初期値として、所定の予測期間におけるＤＰＦ温度の将来値を算出する。

図２に示す制御構造と図３に示す制御構造との比較から分かるように、実施の形態１に係る目標温度修正ユニット１００と比較例のリファレンスガバナ８００とは、ＤＰＦ温度の将来予測に基づいてＤＰＦ温度の目標値を修正するという点では共通する。しかし、目標値の修正ロジックにおいて、目標温度修正ユニット１００とリファレンスガバナ８００との間には明確な違いがある。リファレンスガバナ８００は、内燃機関の現在の運転条件を前提にして、ＤＰＦ温度の実際の現在値を初期値としてＤＰＦ温度の将来予測を行い、ＤＰＦ温度の将来値が制約に抵触しない目標値を探索する。これに対して、目標温度修正ユニット１００は、予め定義された特定運転条件であるアイドル運転条件を前提にして、ＤＰＦ温度の仮想現在値を初期値としてＤＰＦ温度の将来予測を行い、ＤＰＦ温度が制約に抵触しない仮想現在値を探索する。以下、リファレンスガバナ８００と目標温度修正ユニット１００のそれぞれの計算例をもとに、比較例の制御構造の問題点とそれに対する実施の形態１の制御装置の制御構造の利点について説明する。

＜比較例の制御構造による計算例＞
図４は、リファレンスガバナ８００による計算例を示す図である。図４には、内燃機関の運転条件であるアクセル開度、エンジン回転数、燃料噴射量、及び吸気流量と、制御量の目標値であるＤＰＦ温度目標値と、操作量である燃料添加量と、制約が課せられた状態量であるＤＰＦ温度とがそれぞれ時間軸を横軸とするグラフで示されている。また、目標温度と評価関数の評価値との関係がグラフで示されている。運転条件を示す各グラフにおいて、現在より過去の値は実績値であり、現在より将来の値はＤＰＦ温度の将来予測で用いる前提値である。これらのグラフに示すとおり、リファレンスガバナ８００による将来予測は、現在の運転条件がその後も続くという前提で行われる。リファレンスガバナ８００は、ＤＰＦ温度の実際の現在値を初期値として、現在から将来へかけてのＤＰＦ温度の変化を予測する。

評価関数による評価値は、ＤＰＦ温度の予測値が制約に抵触しなくなったときに最小値付近に収束する。評価値が最小値まで低下していない場合には、リファレンスガバナ８００は、ＤＰＦ温度の目標値を下方に修正し、燃料添加量を下方に修正する。そして、修正された燃料添加量に基づき、ＤＰＦ温度の現在値を初期値として、ＤＰＦ温度の将来予測を再度行う。燃料添加量が減量されたことでＤＰＦ温度の将来値は低下する。しかし、評価値が最小値まで低下していない場合には、再度、ＤＰＦ温度の目標値を下方に修正し、燃料添加量を下方に修正することが行われる。

以上の処理を繰り返してＤＰＦ温度の目標値を修正していくことで、やがて、ＤＰＦ温度の将来値は制約を満たすようになり、評価値は最小値付近に収束する。図４では、処理を３回繰り返して収束した例を示している。これによりＤＰＦ温度の目標値の修正は完了し、リファレンスガバナ８００は、修正が完了したＤＰＦ温度の目標値を出力する。そして、エンジン回転数が増大した場合など内燃機関の運転条件が変化したときには、新たな運転条件に基づいて将来予測が行なわれ、新たな運転条件のもとでＤＰＦ温度の目標値の最適化が行われる。つまり、リファレンスガバナ８００によれば、内燃機関の運転条件の変化に対応してＤＰＦ温度の将来値が制約に抵触しないＤＰＦ温度の目標値を得ることができる。

ところが、内燃機関の運転状態がアイドル状態へ急変した場合、排気流量の減少によってＤＰＦから持ち出される熱量は急減する一方、ＤＰＦ上ではＰＭの堆積量に応じた熱量がＰＭの燃焼によって発生し続ける。その結果、内燃機関の運転状態がアイドル状態へ急変した直後にＤＰＦ温度は急激に上昇する。つまり、内燃機関がアイドル状態であることは、ＤＰＦ温度に課せられた制約との関係においては最悪の条件（制約を満たすことが特に厳しい運転条件）である。このような最悪条件でのＤＰＦ温度の急上昇を抑えるため、リファレンスガバナ８００によれば、アイドル状態での運転条件に合わせてＤＰＦ温度の目標値を下方に修正し、燃料添加量を減らすことが行われる。しかし、アイドル状態での燃料添加量はもともと極僅かであるので、ＤＰＦ温度の目標値を如何に下げようとも予測されるＤＰＦ温度の将来値を低下させることはできない。つまり、リファレンスガバナ８００に適用された目標値の修正ロジックでは、内燃機関の運転状態が突然にアイドル状態へ急変する場合には、ＤＰＦ温度の目標値を如何に修正しようとも、ＤＰＦ温度に課せられた制約を満たすことができないおそれがある。

このような問題に対し、本発明の創案過程においては、次の瞬間に内燃機関の運転状態がアイドル状態へ急変した場合でも対応できるように、アイドル状態での運転条件を前提にして、リファレンスガバナ８００による将来予測を行うことが検討された。以下、これについて、図５に示す計算例を参照して説明する。

リファレンスガバナ８００は、図４では、現在の運転条件がその後も続くという前提で将来予測を行ったが、図５では、次のステップにて内燃機関の運転状態がアイドル状態へ急変するとの前提で将来予測を行っている。アイドル状態では、燃料添加量は所定の最小値まで下げられるか、あるいは、燃料添加そのものがカットされる。よって、リファレンスガバナ８００は、ＤＰＦ温度の現在値を初期値として、燃料添加量を最小値或いはゼロにしたときの現在から将来へかけてのＤＰＦ温度の変化を予測する。予測したＤＰＦ温度を評価した結果、評価値が最小値まで低下していない場合（つまり、ＤＰＦ温度の予測値が制約に抵触する場合）は、リファレンスガバナ８００はＤＰＦ温度の目標値を下方に修正する。しかし、燃料添加量は既に最小値或いはゼロにされているので、ＤＰＦ温度の予測結果は前回とは変わらない。このため、評価値は最小値まで低下せず、リファレンスガバナ８００は、ＤＰＦ温度の目標値をさらに下方に修正する。このような処理が繰り返し行われ、ＤＰＦ温度の目標値はどんどん下げられていくものの、ＤＰＦ温度の予測結果に変化は生じない。つまり、依然としてＤＰＦ温度の予測値が制約に抵触したままとなる。図５では処理を３回まで繰り返しているが、何回繰り返そうとも結果は同じである。

以上述べたように、比較例の制御構造では、内燃機関の運転状態がアイドル状態に急変するときには、ＤＰＦ温度をその制約に抵触させないようにすることは難しい。

＜実施の形態１の制御構造による計算例＞
次に、目標温度修正ユニット１００による計算例について図６を参照して説明する。図６には図４及び図５と同様に、内燃機関の各種の運転条件、ＤＰＦ温度目標値、燃料添加量、ＤＰＦ温度の各グラフと、目標温度と評価値との関係を示すグラフとが描かれている。運転条件を示す各グラフにおいて、現在より過去の値は実績値であり、現在より将来の値はＤＰＦ温度の将来予測で用いる前提値である。目標温度修正ユニット１００によるＤＰＦ温度の将来予測は、次の瞬間にアクセル開度がオフにされて内燃機関の運転状態がアイドル状態へ急変するとの仮定のもと、アイドル状態にあるときの運転条件、すなわち、アイドル回転数、アイドル噴射量、アイドル吸気流量を前提にして行われる。

目標温度修正ユニット１００は、１回目の将来予測では、ＤＰＦ温度の現在の目標値をＤＰＦ温度の仮想現在値とする。フィードバック制御の作用により、ＤＰＦ温度の実際値は目標値に一致するか或いはそれに近い値になる。このため、図６に示す例では、１回目の将来予測におけるＤＰＦ温度の仮想現在値は、ＤＰＦ温度の実際の現在値に一致している。目標温度修正ユニット１００は、ＤＰＦ温度の仮想現在値を初期値として、ＤＰＦ温度モデル１１２により現在から将来へかけてのＤＰＦ温度の変化を予測する。ＤＰＦ温度のグラフにおいて、現在より過去の値は実績値であり、現在より将来の値はＤＰＦ温度モデル１１２により予測された将来値である。なお、将来予測の際、燃料添加量の計算に用いるＤＰＦ温度の目標値は、グラフには示していないが、予め設定された固定値（アイドル状態での目標値）とされる。これにより、将来予測で用いられる燃料添加量は最小値或いはゼロになる。図６に示す例では、予測区間における燃料添加量はゼロとしている。

目標温度修正ユニット１００は、ＤＰＦ温度の将来値と制約である上限値とを評価関数に入力して評価値を算出する。図６に示す例では、１回目の将来予測における評価値は最小値まで低下していない。そこで、目標温度修正ユニット１００は、２回目の将来予測では、ＤＰＦ温度の仮想現在値を下方に修正する。そして、下方修正されたＤＰＦ温度の仮想現在値を初期値として、ＤＰＦ温度の将来予測を再度行う。将来予測に用いる初期値が下げられたことで、予測されるＤＰＦ温度の将来値は低下する。しかし、評価値が最小値まで低下していない場合には、再度、ＤＰＦ温度の仮想現在値を下方に修正することが行われる。

以上の処理を繰り返し、将来予測の初期値として用いるＤＰＦ温度の仮想現在値を修正していくことで、やがて、ＤＰＦ温度の将来値は制約を満たすようになり、評価値は最小値付近に収束する。図６では、処理を３回繰り返して収束した例を示している。これによりＤＰＦ温度の仮想現在値の修正は完了し、目標温度修正ユニット１００は、修正が完了した仮想現在値をＤＰＦ温度の目標値（修正目標値）として添加量制御ユニット１５０に出力する。

以上の計算例から分かるように、目標温度修正ユニット１００は、アイドル状態においてＤＰＦ温度の将来値が制約に抵触しないためのＤＰＦ温度の仮想現在値、すなわち、ＤＰＦ温度の理想の現在値を探索し、その理想の現在値にＤＰＦ温度の目標値を修正する。添加量制御ユニット１５０は、修正されたＤＰＦ温度の目標値に基づいて燃料添加量をフィードバック制御するので、ＤＰＦ温度の現在値はアイドル運転条件に適した理想の現在値になるか、或いは、理想の現在値に近い値に保たれる。したがって、目標温度修正ユニット１００を備える実施の形態１の制御装置によれば、内燃機関の運転状態が突然にアイドル状態に急変したとしても、ＤＰＦ温度が制約に抵触することは避けられる。

＜実施の形態１の制御構造によるアルゴリズム＞
最後に、実施の形態１の制御構造のアルゴリズムの具体例について、図７のフローチャートを用いて説明する。

図７のフローチャートに示すアルゴリズムは、制御装置が行うフィードバック制御のサンプル時間ごとに繰り返し実行される。ステップＳ１では、ＤＰＦ温度の目標値が初期化される。この処理は、目標温度設定ユニット１６０で行われる。目標温度設定ユニット１６０は、エンジン回転数と燃料噴射量とを引数とするマップを用いて、目標値の初期値Ttrg_ini、すなわち、基準目標値を決定する。また、ステップＳ１では、目標値の修正を反復して行った回数（反復回数）jが初期値の１に初期化される。本処理とステップＳ２以降の処理は、目標温度修正ユニット１００で行われる。なお、以下では、反復回数jにおける修正目標値をTtrg_mod(j)と表記する。

ステップＳ２では、ＤＰＦ温度モデル１１２を用いたＤＰＦ温度の予測回数iが初期値の１に初期化される。なお、予測回数iは予測周期に対応した離散時刻を意味し、i=0に対応する離散時刻からi=Pendに対応する離散時刻までの期間が予測区間である。PendはＤＰＦ温度モデル１１２による演算の反復回数の設定値であって、予測区間の最終の離散時刻に対応する。

ステップＳ３では、ＤＰＦ温度の仮想現在値、すなわち、i=0におけるＤＰＦ温度の初期値の設定が行われる。反復回数がj回目で予測回数がi回目のＤＰＦ温度の将来値をT(j,i)とすると、j=１のときは基準目標値Ttrg_iniがＤＰＦ温度の仮想現在値T(j,0)に設定され、j≠１のときは修正目標値Ttrg_mod(j)がＤＰＦ温度の仮想現在値T(j,0)に設定される。また、ステップＳ３では、アイドル目標値（アイドル状態でのＤＰＦ温度の目標値）の設定が行われる。

ステップＳ４では、予測モデル演算、すなわち、ＤＰＦ温度モデル１１２を用いたＤＰＦ温度の予測値の計算が行われる。予測モデル演算によれば、ステップＳ３で設定されたＤＰＦ温度の仮想現在値T(j,0)と、アイドル目標値と、アイドル状態における各種運転条件とに基づき、ＤＰＦ温度モデル１１２を用いて予測回数iにおけるＤＰＦ温度の将来値T(j,i)が計算される。なお、ＤＰＦ温度モデル１１２の離散時刻の間隔、つまり、予測周期は任意に設定することができる。図８は、予測モデル演算処理のイメージを示す図であって、離散時刻ごとにＤＰＦ温度の将来値が演算されている様子が描かれている。

ステップＳ５では、予測回数iが設定回数Pendに達したかどうか判定される。

予測回数iが設定回数Pend未満の場合、処理はステップＳ６に進む。ステップＳ６では、予測回数iがインクリメントされる。そして、処理は再びステップＳ４に進み、ＤＰＦ温度モデル１１２を用いて今回の予測回数iにおけるＤＰＦ温度の将来値T(j,i)が計算される。そして、予測回数iが設定回数Pendに達するまで、ステップＳ４−Ｓ６の処理が繰り返し実行される。

予測回数iが設定回数Pendに達した場合、処理はステップＳ７に進む。

ステップＳ７では、予め定義された評価関数を用いて今回の修正目標値Ttrg_mod(j)の評価値Ｊ(j)を計算することが行われる。評価値Ｊ(j)はゼロが最も望ましい値であり、評価値Ｊ(j)が大きいほど修正目標値Ttrg_mod(j)の評価は低くなる。評価値Ｊ(j)を与える評価関数は、具体的には以下の式で表される。Tlimitは制約として設定されたＤＰＦ温度の上限値であり、Max(T(j,i))は予測区間におけるＤＰＦ温度の将来値T(j,i)の最大値である。
Ｊ(j)＝|Max(T(j,i))−Tlimit|

ステップＳ７では、さらに、評価値J(j)による評価結果に基づいて目標値修正処理、すなわち、離散時刻kにおいて最終的に出力すべき目標値Ttrg_fin(k)の修正が行われる。例えば、今回計算された評価値J(j)の大きさに応じて補正量を決定し、最大値Max(T(j,i))が上限値Tlimitより大きければ補正量の分だけ目標値Ttrg_fin(k)を上方修正し、最大値Max(T(j,i))が上限値Tlimit以下であれば補正量の分だけ目標値Ttrg_fin(k)を下方修正することが行われる。

ステップＳ８では、反復回数jが予め設定された予定反復回数Lendに達したかどうか判定される。

反復回数jが予定反復回数Lend未満の場合、処理はステップＳ９に進む。ステップＳ９では、ステップＳ７で更新された目標値Ttrg_fin(k)が次回の反復回数j+1における修正目標値Ttrg_mod(j+1)として設定される。また、ステップＳ９では、修正目標値の更新が行われた後、反復回数jがインクリメントされる。そして、処理は再びステップＳ２に進み、ＤＰＦ温度モデル１１２を用いたＤＰＦ温度の予測回数iが初期値の１に初期化される。そして、反復回数jが予定反復回数Lendに達するまで、ステップＳ２−Ｓ９の処理が繰り返し実行される。この処理の繰り返しにより、制約を満たしつつ基準目標値Ttrg_iniに最も近い目標値Ttrg_fin(k)が探索されていく。

反復回数jが予定反復回数Lendに達した場合、処理はステップＳ１０に進む。ステップＳ１０では、ステップＳ７で修正された目標値Ttrg_fin(k)が最終的な目標値として正式決定され、添加量制御ユニット１５０に出力される。

＜実施の形態１の制御構造の変形例＞
実施の形態１の制御構造は、図９に示すように変形してもよい。図９に示す制御構造では、図２に示す制御構造から添加量制御ユニット１１１とアイドル目標設定ユニット１１３とが省略されている。前述のように内燃機関の運転状態がアイドル状態へ急変したときに設定される燃料添加量は極僅かであって、ＤＰＦ温度の上昇は堆積したＰＭの燃焼による。よって、燃料添加量はゼロとしてＤＰＦ温度モデル１１２による計算を行うことができる。なお、実施の形態１では燃料添加量を操作量としているが、筒内インジェクタより排気行程で噴射する燃料噴射量（排気行程噴射量）を操作量として用いることもできる。

＜実施の形態１の制約の変形例＞
ＤＰＦ温度に対する制約に加えて、或いは、ＤＰＦ温度に対する制約に代えて、ＨＣ浄化率、ＣＣＯ温度、ＤＰＦやＣＣＯ内の温度勾配、ＤＰＦ温度やＣＣＯ温度の時間変化などの状態量に対して制約を課してもよい。つまり、制約が課せられる特定状態量は、制御量であるＤＰＦ温度以外の状態量であってもよい。予測モデルを拡張或いは変更することによって、これらの状態量の将来値もＤＰＦ温度の仮想現在値に基づいて予測することができる。

実施の形態２．
次に、本発明の実施の形態２について図を用いて説明する。

＜実施の形態２の制御対象＞
実施の形態２の制御装置は、ＥＧＲシステムを備える内燃機関を制御対象とする制御装置である。ＥＧＲシステムは、排気通路と吸気通路とを接続するＥＧＲ通路と、ＥＧＲ通路に設けられたＥＧＲバルブとを少なくとも備えている。ＥＧＲ通路には、ＥＧＲクーラやＥＧＲ触媒が設けられていてもよい。内燃機関は、火花点火式の内燃機関でもよいし、圧縮自着火式の内燃機関でもよい。実施の形態２の制御装置は、ＥＧＲ率を制御量、ＥＧＲバルブ開度を操作量として内燃機関の制御を行う。また、ＥＧＲシステムを備える内燃機関では、ＥＧＲガスが多く残存する状態で停止すると、筒内に酸性分を含む凝縮水が発生する。特に、内燃機関が暖機過程で停止した場合、暖機後とは異なる部位に凝縮水が付着し、これが内燃機関の機能部品（例えば、ピストンリング、シリンダライナ、バルブシートなど）にダメージを与えるおそれがある。このため、実施の形態２では、信頼性の観点からの制約が筒内に発生する凝縮水の量に対して課せられる。具体的には、機能部品に影響を与えない凝縮水量の上限値が凝縮水量に対する制約として設定される。つまり、実施の形態２では、筒内に発生する凝縮水の量が、制約が課せられた特定状態量に該当する。また、実施の形態２では、内燃機関が停止状態にあるときの運転条件が、特定運転条件に該当する。

＜実施の形態２の制御構造＞
図１０は、実施の形態２の制御装置の制御構造を示すブロック図である。図１０に示す制御構造は、目標ＥＧＲ率設定ユニット２６０、目標ＥＧＲ率修正ユニット２００、及び、ＥＧＲ制御ユニット２５０を含む。目標ＥＧＲ率設定ユニット２６０は、吸入空気量やエンジン回転数などの運転条件に基づいてＥＧＲ率の目標値を設定する。目標ＥＧＲ率修正ユニット２００は、凝縮水量が制約に抵触しないように、目標ＥＧＲ率設定ユニット２６０で設定されたＥＧＲ率の目標値を修正する。目標ＥＧＲ率修正ユニット２００は、詳しくは、将来予測ユニット２１０、制約保証ユニット２２０、調停ユニット２３０、及び、修正目標ＥＧＲ率出力ユニット２４０を含む。ＥＧＲ制御ユニット２５０は、目標ＥＧＲ率修正ユニット２００で修正されたＥＧＲ率の目標値に基づき、実際のＥＧＲ率が目標値になるようにＥＧＲバルブを制御する。制御装置が含むこれらのユニットは、制御装置のメモリに記憶された制御プログラム或いはその一部に対応している。制御プログラムがメモリから読みだされてプロセッサで実行されることによって、これらのユニットの機能が制御装置にて実現される。

目標ＥＧＲ率修正ユニット２００の詳細について説明する。目標ＥＧＲ率修正ユニット２００を構成する将来予測ユニット２１０は、凝縮水量モデル２１２を含む。凝縮水量モデル２１２は、筒内ガスのＥＧＲ率と、筒内に発生する凝縮水の量との関係が物理モデルなどを用いてモデル化されたものである。ＥＧＲ率と凝縮水量との関係には、内燃機関の運転状態の他、冷却水の水温や大気温が影響する。このため、凝縮水量モデル２１２では、内燃機関が停止しているとの前提のもと、水温や大気温がパラメータとして用いられる。内燃機関が停止状態にあるとき、凝縮水量に課せられた制約を満たす上で特に厳しい運転条件となる。筒内ガスのＥＧＲ率は、内燃機関の種々のパラメータから推定することができる。しかし、将来予測ユニット２１０は、修正目標ＥＧＲ率出力ユニット２４０からＥＧＲ率の目標値（或いは修正目標値）を受け取り、それをＥＧＲ率の仮想の現在値として凝縮水量モデル２１２に与える。凝縮水量モデル２１２は、内燃機関が停止していることを前提にして、ＥＧＲ率の仮想の現在値を含む各種パラメータに基づき、所定の予測期間における凝縮水量の将来値を算出する。

制約保証ユニット２２０は、予測結果評価ユニット２２１と目標値修正ユニット２２２とを含む。予測結果評価ユニット２２１は、将来予測ユニット２１０で算出された凝縮水量の将来値に対し、制約である凝縮水量の上限値に照らし合わせて評価を行う。目標値修正ユニット２２２は、凝縮水量の将来値に対する評価結果に基づいて、より高い評価が得られるようにＥＧＲ率の目標値を修正する。ここで修正されるＥＧＲ率の目標値は、凝縮水量モデル２１２でＥＧＲ率の仮想現在値として用いられた目標値である。よって、目標値修正ユニット２２２による目標値の修正は、ＥＧＲ率の仮想現在値の修正を意味する。

調停ユニット２３０は、目標ＥＧＲ率設定ユニット２６０からＥＧＲ率の目標値（以下、基準目標値）が入力されると、それを修正目標ＥＧＲ率出力ユニット２４０に出力する。そして、制約保証ユニット２２０からＥＧＲ率の修正された目標値が入力されると、基準目標値に代えて修正目標値を修正目標ＥＧＲ率出力ユニット２４０に出力する。修正目標ＥＧＲ率出力ユニット２４０は、ＥＧＲ率の目標値の修正が完了したかどうか判断して、修正が完了するまでは、ＥＧＲ率の目標値或いは修正目標値をＥＧＲ率の仮想現在値として将来予測ユニット２１０に出力する。

目標ＥＧＲ率修正ユニット２００は、修正目標ＥＧＲ率出力ユニット２４０、将来予測ユニット２１０、制約保証ユニット２２０、及び調停ユニット２３０で形成されるループを回すことによって目標ＥＧＲ率を反復修正し、凝縮水量に課せられた制約を満たすことができるＥＧＲ率の仮想現在値を探索する。そして、目標ＥＧＲ率修正ユニット２００からＥＧＲ制御ユニット２５０へ、凝縮水量に課せられた制約を満たすことができるＥＧＲ率の仮想現在値がＥＧＲ率の目標値として出力される。

＜実施の形態２の制御構造による計算例＞
図１１には、凝縮水量モデル２１２を用いて予測された凝縮水量の将来値が時間軸を横軸とするグラフで示されている。このグラフには、ＥＧＲ率の仮想現在値としてＥＧＲ率の基準目標値を用いた場合の凝縮水量の将来値の変化を示す曲線（“修正前”と付記された曲線）と、ＥＧＲ率の仮想現在値としてＥＧＲ率の修正目標値を用いた場合の凝縮水量の将来値の変化を示す曲線（“修正後”と付記された曲線）とが描かれている。このグラフに示すように、ＥＧＲ率の仮想現在値を適宜修正することによって、制約を満たすように凝縮水量の将来値を変化させることができる。目標ＥＧＲ率修正ユニット２００は、内燃機関の停止状態において凝縮水量の将来値が制約に抵触しないためのＥＧＲ率の仮想現在値、すなわち、ＥＧＲ率の理想の現在値を探索し、その理想の現在値にＥＧＲ率の目標値を修正する。これにより、内燃機関が突然に停止したとしても、その停止に伴い筒内に発生する凝縮水の量が制約に抵触することは避けられる。

実施の形態３．
次に、本発明の実施の形態３について図を用いて説明する。

＜実施の形態３の制御対象＞
実施の形態３の制御装置は、車間距離制御システムを備える自動車を制御対象とする制御装置である。車間距離制御システムは、ミリ波レーダーやカメラなどによって先行車との車間距離を計測し、その変化に応じてスロットル制御やブレーキ制御を自動的に行うように構成されている。実施の形態３の制御装置は、先行車との間の車間距離を制御量、スロットル開度及びブレーキ圧を操作量として自動車の制御を行う。また、車間距離制御システムを備える自動車では、先行車に急制動がかけられたとき、車間距離が急速に狭くなって運転者に恐怖感を与えるおそれがある。このため、実施の形態３では、安全性の観点からの制約が車間距離に対して課せられる。具体的には、先行車に急制動がかけられたとしても運転者に恐怖感を与えない下限値が車間距離に対する制約として設定される。つまり、実施の形態３では、先行車との間の車間距離が、制約が課せられた特定状態量に該当する。また、実施の形態３では、先行車に急制動がかけられたときの運転条件が、特定運転条件に該当する。

＜実施の形態３の制御構造＞
図１２は、実施の形態３の制御装置の制御構造を示すブロック図である。図１２に示す制御構造は、目標車間距離設定ユニット３６０、目標車間距離修正ユニット３００、及び、車間距離制御ユニット３５０を含む。目標車間距離設定ユニット３６０は、自車の車速や先行車の車速などの運転条件に基づいて車間距離の目標値を設定する。目標車間距離修正ユニット３００は、先行車に急制動がかけられたとしても車間距離が制約に抵触しないように、目標車間距離設定ユニット３６０で設定された車間距離の目標値を修正する。目標車間距離修正ユニット３００は、詳しくは、将来予測ユニット３１０、制約保証ユニット３２０、調停ユニット３３０、及び、修正目標車間距離出力ユニット３４０を含む。車間距離制御ユニット３５０は、目標車間距離修正ユニット３００で修正された車間距離の目標値に基づき、実際の車間距離が目標値になるようにスロットル或いはブレーキを制御する。制御装置が含むこれらのユニットは、制御装置のメモリに記憶された制御プログラム或いはその一部に対応している。制御プログラムがメモリから読みだされてプロセッサで実行されることによって、これらのユニットの機能が制御装置にて実現される。

目標車間距離修正ユニット３００の詳細について説明する。目標車間距離修正ユニット３００を構成する将来予測ユニット３１０は、車間距離モデル３１２を含む。車間距離モデル３１２は、車間距離制御により実現される車間距離の将来値を予測するモデルである。車間距離モデル３１２では、自車と先行車のそれぞれの車速がパラメータとして用いられる。また、道路交通情報システムから路面情報（例えば、乾燥、湿潤、凍結などの情報）を受信できる場合には、路面情報もパラメータとして用いることができる。将来予測ユニット３１０は、次の瞬間に先行車に急制動がかかるという運転条件を前提にして、車間距離モデル３１２による車間距離の将来予測を行う。先行車に急制動がかかることは、車間距離に課せられた制約を満たす上で特に厳しい運転条件であると同時に、安全上、特に高い確度で制約を満たすことが求められる運転条件でもある。車間距離制御によれば、先行車の急制動を検知すると、衝突を回避するように自車にも急制動がかけられる。車間距離モデル３１２では、このような車間距離制御が働いた場合の車間距離の変化が車間距離の現在値を初期値として予測される。ただし、車間距離モデル３１２に入力される車間距離の現在値は、ミリ波レーダーなどで計測される実際の現在値ではない。将来予測ユニット３１０は、修正目標車間距離出力ユニット３４０から車間距離の目標値（或いは修正目標値）を受け取り、それを車間距離の仮想の現在値として車間距離モデル３１２に与える。車間距離モデル３１２は、車間距離の仮想現在値を初期値として、所定の予測期間における車間距離の将来値を算出する。

制約保証ユニット３２０は、予測結果評価ユニット３２１と目標値修正ユニット３２２とを含む。予測結果評価ユニット３２１は、将来予測ユニット３１０で算出された車間距離の将来値に対し、制約である車間距離の下限値に照らし合わせて評価を行う。目標値修正ユニット３２２は、車間距離の将来値に対する評価結果に基づいて、より高い評価が得られるように車間距離の目標値を修正する。ここで修正される車間距離の目標値は、車間距離モデル３１２で車間距離の仮想現在値として用いられた目標値である。よって、目標値修正ユニット３２２による目標値の修正は、車間距離の仮想現在値の修正を意味する。

調停ユニット３３０は、目標車間距離設定ユニット３６０から車間距離の目標値（以下、基準目標値）が入力されると、それを修正目標車間距離出力ユニット３４０に出力する。そして、制約保証ユニット３２０から車間距離の修正された目標値が入力されると、基準目標値に代えて修正目標値を修正目標車間距離出力ユニット３４０に出力する。修正目標車間距離出力ユニット３４０は、車間距離の目標値の修正が完了したかどうか判断して、修正が完了するまでは、車間距離の目標値或いは修正目標値を車間距離の仮想現在値として将来予測ユニット３１０に出力する。

目標車間距離修正ユニット３００は、修正目標車間距離出力ユニット３４０、将来予測ユニット３１０、制約保証ユニット３２０、及び調停ユニット３３０で形成されるループを回すことによって目標車間距離を反復修正し、制約を満たすことができる車間距離の仮想現在値を探索する。そして、目標車間距離修正ユニット３００から車間距離制御ユニット３５０へ、制約を満たすことができる車間距離の仮想現在値が車間距離の目標値として出力される。

＜実施の形態３の制御構造による計算例＞
図１３には、車間距離モデル３１２を用いて予測された車間距離の将来値が時間軸を横軸とするグラフで示されている。このグラフには、車間距離の仮想現在値として基準目標値を用いた場合の車間距離の将来値の変化を示す曲線（“修正前”と付記された曲線）と、車間距離の仮想現在値として修正目標値を用いた場合の車間距離の将来値の変化を示す曲線（“修正後”と付記された曲線）とが描かれている。このグラフに示すように、車間距離の仮想現在値を適宜修正することによって、制約を満たすように車間距離の将来値を変化させることができる。目標車間距離修正ユニット３００は、先行車に急制動がかけられた場合において車間距離の将来値が制約に抵触しないための車間距離の仮想現在値、すなわち、車間距離の理想の現在値を探索し、その理想の現在値に車間距離の目標値を修正する。これにより、先行車に急制動がかけられたとしても、車間距離が急速につまり制約に抵触することは避けられる。

実施の形態４．
次に、本発明の実施の形態４について図を用いて説明する。

＜実施の形態４の制御対象＞
実施の形態４の制御装置は、自動車に搭載されるターボ過給機付き内燃機関を制御対象とする制御装置である。内燃機関は、火花点火式の内燃機関でもよいし、圧縮自着火式の内燃機関でもよい。実施の形態４の制御装置は、内燃機関の筒内に取り込まれる空気量（新気量）を制御量、スロットルバルブを含む空気系アクチュエータの制御変数を操作量として内燃機関の制御を行う。空気系アクチュエータには、スロットルバルブの他、ウエストゲートバルブ、ＥＧＲバルブ、可変バルブタイミング機構などが含まれる。ターボ過給機付き内燃機関では、運転者がアクセルペダルを全開にして加速を要求したとしても、加速要求の時点での空気量が十分でないとタービン回転数の上昇に遅れが生じてしまう。タービン回転数の上昇の遅れは加速のもたつきを生じさせ、運転者にストレスを与えてしまう。このため、実施の形態３では、ドライバビリティの観点からの制約が車両に作用する加速度の変化率に対して課せられる。具体的には、運転者にストレスを与えない加速度変化率の下限値が加速度変化率に対する制約として設定される。つまり、実施の形態４では、自動車の加速度の変化率が、制約が課せられた特定状態量に該当する。また、実施の形態４では、全開加速状態にあるときの運転条件が、特定運転条件に該当する。

＜実施の形態４の制御構造＞
図１４は、実施の形態４の制御装置の制御構造を示すブロック図である。図１４に示す制御構造は、目標空気量設定ユニット４６０、目標空気量修正ユニット４００、及び、空気量制御ユニット４５０を含む。目標空気量設定ユニット４６０は、エンジン回転数やアクセルペダル開度などの運転条件に基づいて空気量の目標値を設定する。目標空気量修正ユニット４００は、加速度変化率が制約に抵触しないように、目標空気量設定ユニット４６０で設定された空気量の目標値を修正する。目標空気量修正ユニット４００は、詳しくは、将来予測ユニット４１０、制約保証ユニット４２０、調停ユニット４３０、及び、修正目標空気量出力ユニット４４０を含む。空気量制御ユニット４５０は、目標空気量修正ユニット４００で修正された空気量の目標値に基づき、実際の空気量が目標値になるように空気系アクチュエータを制御する。制御装置が含むこれらのユニットは、制御装置のメモリに記憶された制御プログラム或いはその一部に対応している。制御プログラムがメモリから読みだされてプロセッサで実行されることによって、これらのユニットの機能が制御装置にて実現される。

目標空気量修正ユニット４００の詳細について説明する。目標空気量修正ユニット４００を構成する将来予測ユニット４１０は、加速度モデル４１２を含む。加速度モデル４１２は、空気量と車両に作用する加速度との関係が物理モデルなどを用いてモデル化されたものである。ターボ過給機付き内燃機関における空気量と加速度との関係には、車速、エンジン回転数、変速機の変速比、排気ガス状態（温度、流量など）、及びタービン回転数などのパラメータが影響する。このため、加速度モデル４１２による将来予測では、これらのパラメータについても考慮される。なお、空気量はエアフローメータによって計測が可能であるが、将来予測ユニット４１０は、修正目標空気量出力ユニット４４０から空気量の目標値（或いは修正目標値）を受け取り、それを空気量の仮想の現在値として加速度モデル４１２に与える。加速度モデル４１２は、アクセルペダルが全開とされる全開加速を前提にして、空気量の仮想の現在値を含む各種パラメータに基づき、所定の予測期間における加速度の将来値を算出する。運転者の意思によってアクセルペダルが全開とされる全開加速は、ドライバビリティの観点から特に高い確度で加速度変化率に対する制約を満たすことが要求される運転条件である。

制約保証ユニット４２０は、予測結果評価ユニット４２１と目標値修正ユニット４２２とを含む。予測結果評価ユニット４２１は、将来予測ユニット４１０で算出された加速度の将来値から予測区間における加速度変化率を計算する。そして、加速度変化率を制約である下限値に照らし合わせて評価を行う。目標値修正ユニット４２２は、加速度変化率に対する評価結果に基づいて、より高い評価が得られるように空気量の目標値を修正する。ここで修正される空気量の目標値は、加速度モデル４１２で空気量の仮想現在値として用いられた目標値である。よって、目標値修正ユニット４２２による目標値の修正は、空気量の仮想現在値の修正を意味する。

調停ユニット４３０は、目標空気量設定ユニット４６０から空気量の目標値（以下、基準目標値）が入力されると、それを修正目標空気量出力ユニット４４０に出力する。そして、制約保証ユニット４２０から空気量の修正された目標値が入力されると、基準目標値に代えて修正目標値を修正目標空気量出力ユニット４４０に出力する。修正目標空気量出力ユニット４４０は、空気量の目標値の修正が完了したかどうか判断して、修正が完了するまでは、空気量の目標値或いは修正目標値を空気量の仮想現在値として将来予測ユニット４１０に出力する。

目標空気量修正ユニット４００は、修正目標空気量出力ユニット４４０、将来予測ユニット４１０、制約保証ユニット４２０、及び調停ユニット４３０で形成されるループを回すことによって目標空気量を反復修正し、加速度変化率に課せられた制約を満たすことができる空気量の仮想現在値を探索する。そして、目標空気量修正ユニット４００から空気量制御ユニット４５０へ、加速度変化率に課せられた制約を満たすことができる空気量の仮想現在値が空気量の目標値として出力される。

＜実施の形態４の制御構造による計算例＞
図１５には、加速度モデル４１２を用いて予測された加速度の将来値が時間軸を横軸とするグラフで示されている。このグラフには、空気量の仮想現在値として基準目標値を用いた場合の加速度の将来値の変化を示す曲線（“修正前”と付記された曲線）と、空気量の仮想現在値として修正目標値を用いた場合の加速度の将来値の変化を示す曲線（“修正後”と付記された曲線）とが描かれている。このグラフに示すように、空気量の仮想現在値を適宜修正することによって、加速度変化率が制約を満たすように加速度の将来値を変化させることができる。目標空気量修正ユニット４００は、全開加速状態において制約を満たすための空気量の仮想現在値、すなわち、空気量の理想の現在値を探索し、その理想の現在値に空気量の目標値を修正する。これにより、突然にアクセルペダルが全開にされたとしても、運転者にストレスを与えるような加速のもたつきは避けられる。

その他実施の形態．
本発明に係る制御装置は、タービンの下流とコンプレッサの上流とをＥＧＲ通路で接続するＬＰＬ−ＥＧＲシステムを備える内燃機関を制御対象とすることもできる。この内燃機関では、加速時、ＥＧＲガスの切り遅れにともない筒内の空気量（新気量）の変化に遅れが生じるという問題がある。そこで、ＥＧＲガス量を制御量とし、空気量を制約が課せられた特定状態量として、モデルを用いた将来予測によってＥＧＲガス量の理想の現在値を探索する。このようにして得られたＥＧＲガス量の理想の現在値をＥＧＲガス量の目標値としてＬＰＬ−ＥＧＲシステムを制御することで、加速時の空気量の応答遅れを防ぐことができる。

以上、本発明の実施の形態のいくつかを紹介したが、本発明はこれらの実施の形態には限定されない。本発明の趣旨を逸脱しない範囲内であるならば、上述の実施の形態を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、反復修正によって最適な目標値を探索しているが、他の探索方法を採ることも可能である。実施の形態１を例にとれば、ＤＰＦ温度の基準目標値或いは実際の現在値を中心として複数個の仮想現在値を決定し、複数個の仮想現在値のそれぞれを初期値としてＤＰＦ温度の将来予測を行う。そして、複数個の仮想現在値のうちでＤＰＦ温度の将来値が制約に抵触しなかったものを選択し、さらにその中で基準目標値に最も近いものをＤＰＦ温度の目標値として決定する。

６排気通路
１２ＤＰＦ
１４燃料添加弁
１６温度センサ
２０ＥＣＵ
１００目標温度修正ユニット
１１２ＤＰＦ温度モデル
１５０添加量制御ユニット
１６０目標温度設定ユニット
２００目標ＥＧＲ率修正ユニット
２１２凝縮水量モデル
２５０ＥＧＲ制御ユニット
２６０目標ＥＧＲ率設定ユニット
３００目標車間距離修正ユニット
３１２車間距離モデル
３５０車間距離制御ユニット
３６０目標車間距離設定ユニット
４００目標空気量修正ユニット
４１２加速度モデル
４５０空気量制御ユニット
４６０目標空気量設定ユニット
８００リファレンスガバナ

Claims

特定状態量に制約が課せられたプラントを制御する制御装置において、
前記制御装置は、
前記プラントの運転条件と制御量とを入力に含み、前記入力から予測される前記特定状態量の将来値を出力に含む予測モデルを備え、
前記制御装置は、
前記プラントの運転条件が予め定義された特定運転条件であるとの前提のもと、前記特定状態量が将来において前記制約に抵触しないための前記制御量の仮想現在値を前記予測モデルを用いて探索し、
探索により得られた前記仮想現在値を前記制御量の目標値に設定し、
前記制御量の実際の現在値が前記目標値に近づくように前記プラントの操作量を決定する、ように構成されている
ことを特徴とする制御装置。
前記制御装置は、
前記プラントの現在の運転条件に基づいて前記制御量の基準目標値を定め、
前記基準目標値を基準にして前記仮想現在値の探索を行う、ように構成されている
ことを特徴とする請求項１に記載の制御装置。
前記制御装置は、
前記基準目標値を基準にした前記仮想現在値の探索において、
前記基準目標値を前記仮想現在値として初期設定する第１の処理と、
前記仮想現在値をパラメータに用いて、前記予測モデルにより前記特定状態量の将来値を予測する第２の処理と、
前記第２の処理で予測した前記特定状態量の将来値と前記制約とに基づき、予め定義された評価関数を用いて前記仮想現在値の評価値を計算する第３の処理と、
前記第３の処理で計算した前記評価値に基づいて前記仮想現在値を修正する第４の処理と、を実行し、
前記第２の処理、前記第３の処理、及び前記第４の処理を所定回数繰り返す、ように構成されている
ことを特徴とする請求項２に記載の制御装置。
前記制御量と前記特定状態量とは同一の状態量である
ことを特徴とする請求項１乃至３の何れか１項に記載の制御装置。
前記制御量と前記特定状態量とは異なる状態量である
ことを特徴とする請求項１乃至３の何れか１項に記載の制御装置。
前記プラントは、排気通路にＤＰＦを備える内燃機関であり、
前記制御量及び前記特定状態量は、ともにＤＰＦ温度であり、
前記特定運転条件は、前記内燃機関がアイドル状態にあるときの運転条件である
ことを特徴とする請求項４に記載の制御装置。
前記プラントは、ＥＧＲシステムを備える内燃機関であり、
前記制御量は、ＥＧＲ率であり、
前記特定状態量は、筒内に発生する凝縮水の量であり、
前記特定運転条件は、前記内燃機関が停止状態にあるときの運転条件である
ことを特徴とする請求項５に記載の制御装置。
前記プラントは、車間距離制御システムを備える自動車であり、
前記制御量及び前記特定状態量は、ともに先行車との間の車間距離であり、
前記特定運転条件は、前記先行車に急制動がかけられたときの運転条件である
ことを特徴とする請求項４に記載の制御装置。
前記プラントは、自動車に搭載されるターボ過給機付き内燃機関であり、
前記制御量は、前記内燃機関の筒内に吸入される空気量であり、
前記特定状態量は、前記自動車の加速度の変化率であり、
前記特定運転条件は、全開加速状態にあるときの運転条件である
ことを特徴とする請求項５に記載の制御装置。