JP2016091041A - プラント制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】評価関数Ｊ（ｗ）による修正目標値の候補探索を二次元以上の次元において行う場合に、制約抵触による最適解への収束性を安定化させる。
【解決手段】実施の形態では、ＥＧＲ率の成分の探索の過程において、ＥＧＲ率の成分が制約を跨ぐときには、ＥＧＲ率については前回探索の際の方向ベクトルを維持して使用する。そして、前回探索の際のＥＧＲ率の方向ベクトルと、今回探索の際の過給圧の方向ベクトルとを合成した合成ベクトルを勾配として次回の探索方向とする。過給圧の成分の探索の過程において、過給圧の成分が制約を跨ぐときには、その成分ベクトルだけ前回探索の際の方向ベクトルを維持して使用する。
【選択図】図６

Description

本発明は、プラント制御装置に関する。

従来、例えば特開２０１４−０４７７５７号公報には、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プラントを制御するプラント制御装置が開示されている。このプラント制御装置は、車載動力プラントであるディーゼルエンジンを制御対象としている。このディーゼルエンジンは、ディーゼルスロットルと可変容量ターボチャージャーとＥＧＲ装置を備えるエンジンである。また、可変容量ターボチャージャーは可変ノズルを備えており、ＥＧＲ装置はＥＧＲ弁を備えている。

このプラント制御装置において、リファレンスガバナは、ディーゼルエンジンの制御量（過給圧）の目標値が与えられると、ディーゼルエンジンの特定状態量（過給圧）に課せられたハード上および制御上の制約を満たすようにこの目標値を修正し、修正目標値を出力するように構成されている。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修正目標値が与えられると、ディーゼルエンジンの制御量の実値を修正目標値に近付けるようにフィードバック制御によってディーゼルエンジンの操作量（ディーゼルスロットル開度、可変ノズル開度、ＥＧＲ弁開度）を決定するように構成されている。

リファレンスガバナは、具体的に、次のように修正目標値を出力する。先ず、ディーゼルエンジンの制御量の目標値に基づいて、修正目標値の候補を複数用意する。そして、これらの候補をプラントモデルに入力して、ディーゼルエンジンの特定状態量の将来値を予測し、予測した特定状態量の将来値が制約に抵触するかどうかを候補毎に判定する。そして、特定状態量に課せられる制約を満たす範囲で目標値に最も近い修正目標値の候補を探索し、最終的な修正目標値として選択する。

特開２０１４−０４７７５７号公報

ところで、上述した修正目標値の候補の探索は、勾配法によって次式（１）の評価関数Ｊ（ｗ）の最小値を探索することにより行われる。

式（１）に示す評価関数Ｊ（ｗ）の右辺第１項は修正目標値ｗの候補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ｗの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ｙ^-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が設定されている。なお、右辺第２項の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、Ｎ_ｈは予測ホライズン（予測ステップ数）である。

しかし、式（１）の右辺第２項にはｍａｘ関数が含まれているため、微分不可能な点があり、勾配が急変する。そのため、微分不可能な点の近傍で勾配演算を行うと、演算が不安定となり、修正目標値の探索が振動的になり易いという問題がある。

また、上述したプラント制御装置においては、特定状態量が過給圧のみであるが、特定状態量を過給圧とＥＧＲ率の２つにした場合、式（１）に示した評価関数Ｊ（ｗ）による修正目標値の候補探索は二次元で行われることになる。ここで、二次元探索においては、ある１つの量が探索時のパスの中で制約を跨ぐとき、元の評価関数Ｊ（ｗ）が微分不可能になる。そのため、例えば、勾配演算の探索過程でＥＧＲ率が制約を跨ぐ場合、ＥＧＲ率方向の勾配演算がこの微分不可能性によって不安定になる。ＥＧＲ率方向だけ微分不可能になって精度の低い勾配が算出されると、過給圧方向も干渉を受けて、収束すべき方向とは別の方向に評価関数Ｊ（ｗ）が引っ張られてしまい、最適解への収束が遅くなるという問題に繋がる。

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。即ち、評価関数Ｊ（ｗ）による修正目標値の候補探索を二次元以上の次元において行う場合に、制約抵触による最適解への収束性を安定化させ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、
プラントの複数の制御出力をそれぞれの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複数の特定状態量の将来の予測値を計算し、計算した予測値と、前記特定状態量のそれぞれ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、式（１）に示される評価関数Ｊ（ｗ）を最小にする修正目標値ｗを、前記特定状態量に対応する各成分の方向ベクトルを合成した合成ベクトルを勾配とする勾配法により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ｗの探索の際に、前記特定状態量のうちの少なくとも１つが制約に抵触した場合、抵触した特定状態量に対応する成分の方向ベクトルについては、抵触する直前の方向ベクトルを用いるように構成されていることを特徴とする。

本発明によれば、評価関数Ｊ（ｗ）による修正目標値の候補探索を二次元以上の次元において行う場合に、制約抵触による最適解への収束性を安定化させることが可能となる。

実施の形態に係る制御装置が適用されるシステムの構成を示す図である。 実施の形態に係る制御装置が有する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て得られたフィードフォワード構造である。 実施の形態に係るリファレンスガバナアルゴリズムを示す図である。 評価関数Ｊ（ｗ）の構造を示す図である。 勾配法を用いた二次元探索のイメージを示した図である。 エンジンのシステム挙動を説明するための図である。 図２に示す目標値追従制御構造を適用可能なディーゼルエンジンの入出力の例を示す図である。

本発明の実施の形態のプラント制御装置は、車両動力プラントであるディーゼルエンジンの制御装置である。図１は、本実施の形態に係る制御装置が適用されるシステムの構成を示す図である。図１に示すように、ディーゼルエンジンの本体２には４つの気筒が直列に備えられ、気筒ごとにインジェクタ８が設けられている。エンジン本体２には吸気マニホールド４と排気マニホールド６が取り付けられている。

吸気マニホールド４にはエアクリーナ２０から取り込まれた新気が流れる吸気通路１０が接続されている。吸気通路１０にはターボ過給機１４のコンプレッサが取り付けられている。このコンプレッサの下流にはインタークーラ２２が備えられ、インタークーラ２２の下流にはディーゼルスロットル２４が設けられている。排気マニホールド６にはエンジン本体２からの排気を大気中に放出するための排気通路１２が接続されている。排気通路１２にはターボ過給機１４のタービンが取り付けられている。ターボ過給機１４は可変容量型であって、タービンには可変ノズル１６が備えられている。

図１に示すシステムは、排気系から吸気系へ排気を再循環させるＥＧＲ装置を備えている。ＥＧＲ装置は、吸気通路１０におけるディーゼルスロットル２４の下流と排気マニホールド６とをＥＧＲ通路３０によって接続する高圧ループＥＧＲ装置である。ＥＧＲ通路３０にはＥＧＲ弁３２が設けられている。但し、ＥＧＲ装置は、吸気通路１０におけるコンプレッサの上流と、排気通路１２におけるタービンの下流とを、ＥＧＲ通路３０とは別のＥＧＲ通路によって接続する低圧ループＥＧＲ装置であってもよい。

図１に示すＥＣＵ（Electronic Control Unit）４０が本実施の形態に係る制御装置に相当する。ＥＣＵ４０は、ＲＡＭ（ランダムアクセスメモリ）、ＲＯＭ（リードオンリメモリ）、ＣＰＵ（マイクロプロセッサ）等を備えている。ＥＣＵ４０は、各種センサの信号を取り込み処理する。各種センサには、エンジン回転速度を検出する回転速度センサ４２や、アクセルペダルの開度に応じた信号を出力するアクセルペダル開度センサ４４などが含まれている。ＥＣＵ４０は、取り込んだ各センサの信号を処理して所定の制御プログラムに従ってアクチュエータを操作する。ＥＣＵ４０によって操作されるアクチュエータには、可変ノズル１６、ディーゼルスロットル２４、ＥＧＲ弁３２などが含まれている。

本実施の形態において、ＥＣＵ４０は、ディーゼルエンジンの過給圧・ＥＧＲ率制御を実行する。過給圧・ＥＧＲ率制御における制御入力（操作量）は可変ノズル開度、ＥＧＲ弁開度およびディーゼルスロットル開度であり、制御出力（特定状態量）は過給圧とＥＧＲ率である。ここで、過給圧とＥＧＲ率にはハード上或いは制御上の制約が課せられている。ＥＣＵ４０は、過給圧とＥＧＲ率がそれぞれの制約を満たし、尚且つ、それぞれの目標値に追従させるように制御入力を決定する。

図２は本実施の形態に係る制御装置が有する目標値追従制御構造を示す図である。なお、図２に示す目的値追従制御構造は、ＥＣＵ４０のＲＯＭに格納された制御プログラムに従いＣＰＵが動作することで仮想的に実現される構成である。この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）およびフィードバックコントローラ（ＦＢＣ）を備えている。

目標値マップは、ディーゼルエンジン（ＤＥ）の運転条件を示す外生入力ｄ＝［エンジン回転速度；燃料噴射量］が与えられると、ディーゼルエンジン（ＤＥ）の制御量の目標値ｒ＝［ＥＧＲ率目標値；過給圧目標値］を出力する。

リファレンスガバナは、制御量の目標値ｒ＝［ＥＧＲ率目標値；過給圧目標値］が与えられると、ディーゼルエンジン（ＤＥ）の制御出力ｙ＝［ＥＧＲ率；過給圧］に関する制約が満たされるように制御量の目標値ｒを修正し、修正目標値ｗ＝［ＥＧＲ率修正目標値；過給圧修正目標値］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修正目標値ｗが与えられると、ディーゼルエンジン（ＤＥ）の状態量ｘ＝［ＥＧＲ率；過給圧］を修正目標値ｗに近づけるように、フィードバック制御によってディーゼルエンジン（ＤＥ）の制御入力ｕ＝［ディーゼルスロットル開度；ＥＧＲ弁開度；可変ノズル開度］を決定する。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。

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（Ｐ）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（２）で表される。式（２）において、ｆ，ｈ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（２）で表される予測モデルを用いてディーゼルエンジンの制御出力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ＥＧＲ率および過給圧であり、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、状態量ｘおよび外生入力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、次式（３）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。

式（３）は既に説明した式（１）と同一である。また、本実施の形態においては、勾配法（最急降下法）を用いて式（３）の評価関数Ｊ（ｗ）を最小とする修正目標値ｗを探索する手法を採用している。この勾配演算においては、通常、ある正の数Δで固定したときのＪ（ｗ＋Δ）とＪ（ｗ−Δ）の差を２Δで割ることで勾配∇を求める。つまり、勾配∇＝｛Ｊ（ｗ＋Δ）−Ｊ（ｗ−Δ）｝／２Δである。

図４は、本実施の形態に係るリファレンスガバナアルゴリズムを示す図である。図４に示すように、本実施の形態では、修正目標値ｗの候補に対して、現在のディーゼルエンジンの運転条件に基づく閉ループシステムの将来予測と、この予測結果を用いた評価関数Ｊ（ｗ）の演算とが有限回反復される。これにより、式（３）に示す評価関数Ｊ（ｗ）を最小にする修正目標値ｗの候補を選択し、最終的な修正目標値ｗとして決定する。

ここで、図５は、評価関数Ｊ（ｗ）の構造を示す図である。式（３）の右辺第２項にはｍａｘ関数が含まれているため、図５に示すように、修正目標値ｗが制約ｙ^-となる点で微分不可能となり、勾配が急変する。微分不可能な点の近傍で勾配演算を行うと、演算が不安定になり易いため、数値演算上あまり好ましくない。

また、図５に示した評価関数Ｊ（ｗ）は一次元であるが、本実施の形態では目的値がＥＧＲ率と過給圧の２つあるので、評価関数Ｊ（ｗ）の探索は二次元で行われることになる。図６は、勾配法を用いた二次元探索のイメージを示した図である。二次元探索においては、ある１つの量が探索時のパスの中で制約を跨ぐとき、元の評価関数Ｊ（ｗ）が微分不可能になる。例えば、勾配演算の探索過程でＥＧＲ率が制約を跨ぐ場合、ＥＧＲ率方向の勾配演算がこの微分不可能性によって不安定になる。このとき、ＥＧＲ率方向には、勾配近似計算のための微小振動幅の設定がなされるが、ＥＧＲ率方向の勾配演算自体がセンシティブになる。また仮に、ＥＧＲ率方向だけ微分不可能になって精度の低い勾配が算出されると、過給圧方向も干渉を受けて、収束すべき方向とは別の方向に評価関数Ｊ（ｗ）が引っ張られてしまい、最適解への収束が遅くなる（探索回数が増えてしまう）。但し、演算回数には制限があり、探索を有限回で打ち切る必要があるため、最適解への収束が遅くなれば、探索が中途半端で終了してしまう。

そこで、本実施の形態では、ＥＧＲ率の成分の探索の過程において、ＥＧＲ率の成分が制約を跨ぐときには、ＥＧＲ率については前回探索の際の方向ベクトルを維持して使用する。そして、前回探索の際のＥＧＲ率の方向ベクトルと、今回探索の際の過給圧の方向ベクトルとを合成した合成ベクトルを勾配として次回の探索方向とする。図７に示すように、エンジンのシステム挙動が不連続となることは殆どなく、滑らかな連続性を示す。そのため、勾配探索の方向が急激に変化することも稀であることから、前回探索時の方向ベクトルを維持する手法は、過給圧・ＥＧＲ率制御に適していると言える。なお、過給圧の成分の探索の過程において、過給圧の成分が制約を跨ぐときには、その成分ベクトルだけ前回探索の際の方向ベクトルを維持して使用すればよい。

このように、ＥＧＲ率または過給圧の成分が制約を跨ぐ場合に、その成分の前回探索の際の方向ベクトルを維持し、今回探索の際の制約を跨がない成分の今回探索の際の方向ベクトルとの合成ベクトルを勾配として次回の探索方向とすれば、探索の方向を大きく間違うことを抑えて、探索アルゴリズムの収束の悪化を防ぐことができる。また、一回分の探索を損することにはなるものの、探索の方向を大きく間違うよりも収束性を安定化させることができる。また、収束性を安定化させことができれば、修正目標値の演算にかかる負荷を軽減でき、同時に、演算資源を節約できる。

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、図２に示した目標値追従制御構造は、ディーゼルエンジン（ＤＥ）が低圧ループＥＧＲ装置と高圧ループＥＧＲ装置とを備える場合には、図８の（ａ）〜（ｄ）に示すような制御入力と制御出力との組み合わせにも適用することができる。図８の（ａ）および（ｂ）では、可変ノズル開度（ＶＮ開度）やディーゼルスロットル開度（Ｄスロ開度）の他に、低圧ループＥＧＲ装置のＥＧＲ弁開度（ＬＰＬ−ＥＧＲ弁開度）と高圧ループＥＧＲ装置のＥＧＲ弁開度（ＨＰＬ−ＥＧＲ弁開度）とが制御入力に含まれている。図８の（ｃ）および（ｄ）では、ＥＧＲ率の代わりに、低圧ループＥＧＲ装置のＥＧＲ量（ＬＰ−ＥＧＲ量）と高圧ループＥＧＲ装置のＥＧＲ量（ＨＰ−ＥＧＲ量）とが制御出力に含まれている。

２ エンジン本体
１６ 可変ノズル
２４ ディーゼルスロットル
３２ ＥＧＲ弁
４０ ＥＣＵ

Claims (1)

1. プラントの複数の制御出力をそれぞれの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複数の特定状態量の将来の予測値を計算し、計算した予測値と、前記特定状態量のそれぞれ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、式（１）に示される評価関数Ｊ（ｗ）を最小にする修正目標値ｗを、前記特定状態量に対応する各成分の方向ベクトルを合成した合成ベクトルを勾配とする勾配法により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ｗの探索の際に、前記特定状態量のうちの少なくとも１つが制約に抵触した場合、抵触した特定状態量に対応する成分の方向ベクトルについては、抵触する直前の方向ベクトルを用いるように構成されていることを特徴とするプラント制御装置。
   

   

   式（１）において、ｒはオリジナルの目標値であり、ｙ^（ｋ+ｉ|ｋ）は時刻ｋの時点での情報に基づく時刻ｋ+ｉの時点での前記予測値であり、ρは重み定数であり、Ｎ_ｈは前記予測値の予測ホライズンである。

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