JP2019094862A - プラント制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】リファレンスガバナによる最適値探索によって制御出力の目標値を導出する場合に、演算効率を向上させる。【解決手段】プラント制御装置は、プラントの制御出力が目標値に近付くように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、プラントの所定のパラメータに基づいて修正前目標値を算出する修正前目標値算出部と、目的関数の値が小さくなるように最適値探索を行うことによって目標値を導出するリファレンスガバナとを備える。リファレンスガバナは、前回導出された目標値における目的関数の値が今回算出された修正前目標値における目的関数の値よりも小さい場合には、前回導出された目標値を開始値として最適値探索を行い、前回導出された目標値における目的関数の値が今回算出された修正前目標値における目的関数の値よりも大きい場合には、今回算出された修正前目標値を開始値として最適値探索を行う。【選択図】図６

Description

本発明はプラント制御装置に関する。

制御対象であるプラントでは、制御出力が目標値に近付くようにフィードバック制御が行われる。しかしながら、実際の制御では、ハード又は制御上の制約に起因して、制御入力及び制御出力の少なくとも一部の状態量に制約がある。斯かる制約を無視して制御系の設計が行われると、過渡応答の悪化や制御の不安定化が生じるおそれがある。

制約充足性を改善するための手法としてリファレンスガバナが知られている。リファレンスガバナは、制約充足性を考慮し、プラントの所定のパラメータに基づいて算出される修正前目標値を修正して制御出力の目標値を導出する。具体的には、リファレンスガバナは所定の目的関数の値が小さくなるように最適値探索を行うことによって目標値を導出する。

特許文献１には、ディーゼルエンジンにおける過給圧及びＥＧＲ率の目標値をリファレンスガバナによって導出することが記載されている。

特開２０１６−１６９６８８号公報

特許文献１に記載のリファレンスガバナでは、ディーゼルエンジンの運転条件を示す外生入力から過給圧及びＥＧＲ率の修正前目標値が算出され、常にこれら修正前目標値を開始値として最適値探索が行われる。

しかしながら、ディーゼルエンジンの運転状態がほとんど変化しない場合等には、過給圧及びＥＧＲ率の目標値の最適値もほとんど変化しないと考えられる。このため、常に修正前目標値から最適値探索が行われると、目標値を最適値に近付けるのに時間がかかる場合があり、演算効率が低下する。

そこで、上記課題に鑑みて、本発明の目的は、リファレンスガバナによる最適値探索によって制御出力の目標値を導出する場合に、演算効率を向上させることにある。

上記課題を解決するために、本発明では、プラントの制御出力が目標値に近付くように該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、前記プラントの所定のパラメータに基づいて修正前目標値を算出する修正前目標値算出部と、前記プラントの所定の状態量に関する制約条件の充足度を考慮して定められた目的関数の値が小さくなるように最適値探索を行うことによって前記目標値を導出するリファレンスガバナとを備える、プラント制御装置において、前記リファレンスガバナは、前回導出された目標値における前記目的関数の値が今回算出された修正前目標値における前記目的関数の値よりも小さい場合には、前回導出された目標値を開始値として最適値探索を行い、前回導出された目標値における前記目的関数の値が今回算出された修正前目標値における前記目的関数の値よりも大きい場合には、今回算出された修正前目標値を開始値として最適値探索を行うことを特徴とする、プラント制御装置が提供される。

本発明によれば、リファレンスガバナによる最適値探索によって制御出力の目標値を導出する場合に、演算効率を向上させることができる。

図１は、第一実施形態に係るプラント制御装置が適用される内燃機関を概略的に示す図である。 図２は、第一実施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３は、図２の目標値追従制御構造を等価変形することによって得られるフィードフォワード制御構造を示す。 図４は、機関回転数及び燃料噴射量と修正前目標値との関係を示すマップである。 図５は、勾配法による最適値探索を説明するための図である。 図６は、第一実施形態における最適値探索を概略的に示す図である。 図７は、第一実施形態における目標値導出処理の制御ルーチンを示すフローチャートである。 図８は、第二実施形態における目標値導出処理の制御ルーチンを示すフローチャートである。 図９は、第三実施形態における目標値導出処理の制御ルーチンを示すフローチャートである。

以下、図面を参照して本発明の実施形態について詳細に説明する。なお、以下の説明では、同様な構成要素には同一の参照番号を付す。

＜第一実施形態＞
最初に図１〜図７を参照して、本発明の第一実施形態について説明する。本実施形態では、制御対象であるプラントが内燃機関である場合について説明する。

＜内燃機関全体の説明＞
図１は、第一実施形態に係るプラント制御装置が適用される内燃機関を概略的に示す図である。図１に示される内燃機関１は、圧縮自着火式内燃機関（ディーゼルエンジン）であり、車両に搭載される。

図１を参照すると、内燃機関１は、機関本体１００と、各気筒の燃焼室２と、燃焼室２内に燃料を噴射する電子制御式の燃料噴射弁３と、吸気マニホルド４と、排気マニホルド５と、ターボチャージャ７とを備える。吸気マニホルド４は吸気管６を介してターボチャージャ７のコンプレッサ７ａの出口に連結される。コンプレッサ７ａの入口は吸気管６を介してエアクリーナ８に連結される。吸気管６内には、ＤＣモータのようなスロットル弁駆動アクチュエータによって駆動されるスロットル弁９が配置される。さらに、吸気管６周りには吸気管６内を流れる吸入空気を冷却するためのインタークーラ１３が配置される。吸気マニホルド４及び吸気管６は、空気を燃焼室２に導く吸気通路を形成する。

一方、排気マニホルド５は排気管２７を介してターボチャージャ７のタービン７ｂの入口に連結される。タービン７ｂの出口は、排気管２７を介して、排気浄化触媒２８を内蔵したケーシング２９に連結される。排気マニホルド５及び排気管２７は、燃焼室２における混合気の燃焼によって生じた排気ガスを排出する排気通路を形成する。排気浄化触媒２８は、例えば、排気ガス中のＮＯｘを還元浄化する選択還元型ＮＯｘ低減触媒（ＳＣＲ触媒）又はＮＯｘ吸蔵還元触媒である。また、排気通路には、排気ガス中の粒子状物質（ＰＭ）を低減するために、酸化触媒、ディーゼルパティキュレートフィルタ（ＤＰＦ）等が配置されてもよい。

また、内燃機関１は、排気通路を流れる排気の一部をＥＧＲガスとして吸気通路に流入させる排気ガス再循環（以下、「ＥＧＲ」という）システムを備える。具体的には、排気マニホルド５と吸気マニホルド４とがＥＧＲ通路１４を介して互いに連結される。ＥＧＲ通路１４内には電子制御式のＥＧＲ弁１５が配置される。また、ＥＧＲ通路１４周りにはＥＧＲ通路１４内を流れるＥＧＲガスを冷却するためのＥＧＲクーラ２０が配置される。本実施形態におけるＥＧＲシステムはいわゆる高圧ループ方式（ＨＰＬ方式）のＥＧＲシステムである。

ＥＧＲ弁１５の開度が変更されると、吸気通路に流入するＥＧＲガスの量が変化する。このため、ＥＧＲ弁１５の開度が変更されると、ＥＧＲ率が変化する。なお、ＥＧＲ率とは、気筒内に供給される全ガス量（新気量とＥＧＲガス量との合計）に対するＥＧＲガス量の割合である。また、スロットル弁９の開度が変更されると、新気量が変化する。このため、スロットル弁９の開度が変更されると、ＥＧＲ率が変化する。

燃料は電子制御式の吐出量可変な燃料ポンプ１９によって燃料タンク３３から燃料配管３４を介してコモンレール１８内に供給される。コモンレール１８内に供給された燃料は各燃料供給管１７を介して各燃料噴射弁３に供給される。

ターボチャージャ７のタービン７ｂには、可変ノズル７ｃが設けられている。ターボチャージャ７はいわゆる可変ノズルターボチャージャである。可変ノズル７ｃの開度が変更されると、タービンブレードに供給される排気ガスの流速が変化し、ひいてはタービン７ｂの回転数が変化する。このため、可変ノズル７ｃの開度が変更されると、過給圧が変化する。

内燃機関１の各種制御は電子制御ユニット（ＥＣＵ）８０によって実行される。ＥＣＵ８０はデジタルコンピュータからなり、双方向性バス８１によって互いに接続されたＲＯＭ（リードオンリメモリ）８２、ＲＡＭ（ランダムアクセスメモリ）８３、ＣＰＵ（マイクロプロセッサ）８４、入力ポート８５及び出力ポート８６を備える。圧力センサ１０、負荷センサ１０１及びエアフロメータ１０２の出力が、対応するＡＤ変換器８７を介して入力ポート８５に入力される。一方、出力ポート８６は、対応する駆動回路８８を介して、燃料噴射弁３、スロットル弁駆動アクチュエータ、可変ノズル７ｃ、ＥＧＲ弁１５及び燃料ポンプ１９に接続されている。

圧力センサ１０は、吸気通路においてインタークーラ１３とスロットル弁９との間に配置され、スロットル弁９よりも上流側の吸気管６内を流れる吸気の圧力（過給圧）を検出する。負荷センサ１０１は、アクセルペダル１２０の踏込み量に比例した出力電圧を発生させる。したがって、負荷センサ１０１は機関負荷を検出する。エアフロメータ１０２は、吸気通路においてエアクリーナ８とコンプレッサ７ａとの間に配置され、吸気管６内を流れる空気流量を検出する。さらに、入力ポート８５には、クランクシャフトが例えば１５°回転する毎に出力パルスを発生するクランク角センサ１０８が接続され、クランク角センサ１０８によって機関回転数が検出される。

＜プラント制御装置＞
図２は、第一実施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。プラント制御装置は、目標値マップ９５、リファレンスガバナ（ＲＧ）９４、比較部９１及びフィードバックコントローラ９２を備える。なお、本実施形態では、ＥＣＵ８０がプラント制御装置として機能する。

図２において破線で囲まれた部分は、制御出力（状態変数）ｘが目標値ｗｆに近付くようにフィードバック制御を行う閉ループシステム９０として機能する。閉ループシステム９０が設計済である場合、図２の目標値追従制御構造を等価変形することによって図３のフィードフォワード制御構造が得られる。なお、図２及び図３におけるｙは、とりうる値に制約がある状態量であり、プラント９６の制御入力ｕ及び制御出力ｘの少なくとも一部である。

比較部９１は、目標値ｗｆから制御出力ｘを減算して偏差ｅ（＝ｗｆ−ｘ）を算出し、偏差ｅをフィードバックコントローラ９２に入力する。目標値ｗｆは後述するリファレンスガバナ９４によって比較部９１に入力され、制御出力ｘは、制御入力ｕ及び外生入力ｄが入力されるプラント９６から出力される。外生入力ｄはプラント９６の所定のパラメータである。

フィードバックコントローラ９２は、制御出力ｘが目標値ｗｆに近付くように制御入力ｕを決定する。すなわち、フィードバックコントローラ９２は、偏差ｅがゼロに近付くように制御入力ｕを決定する。フィードバックコントローラ９２では、ＰＩ制御、ＰＩＤ制御等の公知の制御が用いられる。フィードバックコントローラ９２は制御入力ｕをプラント９６に入力する。また、状態フィードバックとして制御出力ｘがフィードバックコントローラ９２に入力される。なお、制御出力ｘのフィードバックコントローラ９２への入力は省略されてもよい。また、比較部９１はフィードバックコントローラ９２に組み込まれていてもよい。

上述したように、閉ループシステム９０では、制御出力ｘが目標値ｗｆに近付くようにフィードバック制御が行われる。しかしながら、実際の制御では、ハード又は制御上の制約に起因して、制御入力ｕ及び制御出力ｘの少なくとも一部の状態量ｙに制約がある。このため、制約を考慮せずに算出された目標値が閉ループシステム９０に入力されると、状態量ｙが制約に抵触し、過渡応答の悪化や制御の不安定化が生じるおそれがある。

そこで、本実施形態では、目標値マップ９５及びリファレンスガバナ９４を用いて制御出力ｘの目標値ｗｆが算出される。外生入力ｄが目標値マップ９５に入力されると、目標値マップ９５は、外生入力ｄに基づいて修正前目標値ｒを算出し、修正前目標値ｒをリファレンスガバナ９４に出力する。したがって、目標値マップ９５は、プラント９６の所定のパラメータに基づいて修正前目標値を算出する修正前目標値算出部として機能する。

リファレンスガバナ９４は、状態量ｙに関する制約条件の充足度が高まるように修正前目標値ｒを修正して目標値ｗｆを導出する。具体的には、リファレンスガバナ９４は、状態量ｙに関する制約条件の充足度を考慮して定められた目的関数の値が小さくなるように最適値探索を行うことによって目標値ｗｆを導出する。

本実施形態では、目的関数Ｊ（ｗ）は下記の式（１）によって表される。
ここで、ｒは目標値マップ９５から出力された修正前目標値であり、ｗは修正目標値であり、ｙ（ｋ）は状態量ｙの将来予測値であり、ｙ_Limは予め定められた状態量ｙの上限値であり、ｐは予め定められた重み係数である。また、ｋは離散時間ステップであり、Ｎｈは予測ステップ数（予測ホライズン）である。

目的関数Ｊ（ｗ）は、目標値の修正量を表す修正項（式（１）の右辺第一項）と、状態量ｙに関する制約条件の充足度を表すペナルティ関数（式（１）の右辺第二項）とを含む。修正項は、修正前目標値ｒと修正目標値ｗとの差の二乗である。このため、目的関数Ｊ（ｗ）の値は、修正前目標値ｒと修正目標値ｗとの差が小さいほど、すなわち目標値の修正量が小さいほど小さくなる。また、ペナルティ関数は、状態量ｙの将来予測値ｙ（ｋ）が上限値ｙ_Limを超えた場合に超過量がペナルティとして目的関数Ｊ（ｗ）に加えられるように構成されている。このため、目的関数Ｊ（ｗ）の値は、状態量ｙの将来予測値ｙ（ｋ）が上限値ｙ_Limを超える量が小さいほど小さくなる。

リファレンスガバナ９４はプラント９６のモデルを用いて状態量ｙの将来予測値ｙ（ｋ）を算出する。例えば、状態量ｙの将来予測値ｙ（ｋ）は下記の式（２）によって算出される。
ｙ（ｋ＋１）＝ｆ（ｙ（ｋ）,ｗ，ｄ）…（２）
ｆは、状態量ｙの将来予測値ｙ（ｋ）を算出するために用いられるモデル関数である。最初に、算出時点の状態量であるｙ（０）を用いて、算出時点から１ステップ先の状態量の予測値ｙ（１）が算出される。算出時点の状態量であるｙ（０）はセンサ等の検出器によって検出された検出値又は計算式等を用いて推定された推定値である。その後、算出時点からＮｈステップ先の状態量の予測値ｙ（Ｎｈ）まで状態量の将来予測値ｙ（ｋ）が順次算出され、合計Ｎｈ個の状態量の将来予測値が算出される。なお、１ステップに相当する時間に予測ステップ数Ｎｈを乗じた値が予測区間になる。

本実施形態では、制御対象であるプラント９６は内燃機関１であり、プラント制御装置は過給圧及びＥＧＲ率を制御する。この場合、制御出力ｘは過給圧及びＥＧＲ率の二つの値である。このため、制御出力ｘの修正前目標値ｒ及び目標値ｗは二次元ベクトルによって表される。制御出力ｘとして比較部９１に入力される過給圧は圧力センサ１０によって検出される。また、制御出力ｘとして比較部９１に入力されるＥＧＲ率は、エアフロメータ１０２の出力、ＥＧＲ弁１５の開度等に基づいて公知の手法によって推定される。

過給圧及びＥＧＲ率を制御するための制御入力ｕはスロットル弁９の開度、ＥＧＲ弁１５の開度及び可変ノズル７ｃの開度である。外生入力ｄは、内燃機関１の運転パラメータである機関回転数及び燃料噴射量である。機関回転数はクランク角センサ１０８によって検出される。燃料噴射量は、負荷センサ１０１によって検出される機関負荷等に基づいてＥＣＵ８０によって決定される値である。目標値マップ９５では、図４に示されるように、修正前目標値ｒが機関回転数ＮＥ及び燃料噴射量Ｑｅの関数として示される。目標値マップ９５はＥＣＵ８０のＲＯＭ８２に記憶される。

また、過給圧及びＥＧＲ率は制約条件として上限値を有する。このため、本実施形態では、状態量ｙは、制御出力ｘである過給圧及びＥＧＲ率である。このとき、目的関数Ｊ（ｗ）は下記の式（３）によって表される。
ここで、ｒは目標値マップ９５から出力された修正前目標値であり、ｗは修正目標値であり、ｘ₁（ｋ）はＥＧＲ率の将来予測値であり、ｘ_1Limは予め定められたＥＧＲ率の上限値であり、ｘ₂（ｋ）は過給圧の将来予測値であり、ｘ_2Limは予め定められた過給圧の上限値であり、ｐ₁及びｐ₂は予め定められた重み係数である。また、ｋは離散時間ステップであり、Ｎｈは予測ステップ数（予測ホライズン）である。

本実施形態では、修正される目標値が過給圧及びＥＧＲ率の二つの値であり、リファレンスガバナ９４は勾配法による最適値探索を行うことによって目標値ｗｆを導出する。図５は、勾配法による最適値探索を説明するための図である。図５に示されるｘ軸はＥＧＲ率の目標値を示し、図５に示されるｙ軸は過給圧の目標値を示している。また、図５に示される等高線は目的関数の値を示している。図５の例では、内側の等高線の値が外側の等高線の値よりも小さくなっている。

リファレンスガバナ９４は、現在の修正目標値ｗから所定量だけずらされた４つの近傍目標値ｗ１〜ｗ４における目的関数Ｊ（ｗ１）〜Ｊ（ｗ４）の値から算出される勾配の方向に修正目標値ｗを移動させることを繰り返すことによって目標値ｗｆを導出する。近傍目標値ｗ１は、ｙ軸の正の方向に微少量Δだけずらされた値である。近傍目標値ｗ２は、ｙ軸の負の方向に微少量Δだけずらされた値である。近傍目標値ｗ３は、ｘ軸の正の方向に微少量Δだけずらされた値である。近傍目標値ｗ４は、ｘ軸の負の方向に微少量Δだけずらされた値である。

４つの近傍目標値ｗ１〜ｗ４における目的関数Ｊ（ｗ１）〜Ｊ（ｗ４）の値を算出するとき、各近傍目標値についてのＥＧＲ率及び過給圧の将来予測値が上記式（２）を用いて算出される。なお、モデル関数はＥＧＲ率及び過給圧のそれぞれについて設定され、ＥＧＲ率についてのモデル関数と過給圧についてのモデル関数は異なる。上記式（３）を用いて目的関数Ｊ（ｗ１）〜Ｊ（ｗ４）の値が算出されると、下記の式（４）によってｘ軸方向の傾斜▽ｘが算出され、下記の式（５）によってｙ軸方向の傾斜▽ｙが算出される。
▽ｘ＝（Ｊ（ｗ３）−Ｊ（ｗ４））／２Δ…（４）
▽ｙ＝（Ｊ（ｗ１）−Ｊ（ｗ２））／２Δ…（５）

次いで、図５に示されるように、ｘ軸方向の傾斜▽ｘとｙ軸方向の傾斜▽ｙとの合成ベクトルとして勾配▽ｗが算出される。この結果、修正目標値ｗが、勾配▽ｗの方向（負の方向）に移動され、修正前目標値ｗｂから修正後目標値ｗａに更新される。本実施形態では、リファレンスガバナ９４は、上述した方法による修正目標値ｗの更新を所定回数繰り返し、最終的な修正目標値ｗを目標値ｗｆに設定する。

最適値探索を行う場合、最適値探索のための開始値、すなわち修正目標値ｗの初期値を設定する必要がある。例えば、目標値マップ９５によって算出される修正前目標値ｒを開始値に設定することが考えられる。しかしながら、内燃機関１の運転状態がほとんど変化しない場合等には、過給圧及びＥＧＲ率の目標値の最適値もほとんど変化しないと考えられる。このため、常に修正前目標値ｒから最適値探索が行われると、目標値を最適値に近付けるのに時間がかかる場合があり、演算効率が低下する。

このため、本実施形態では、リファレンスガバナ９４は、前回導出された目標値ｗｆ_pにおける目的関数Ｊ（ｗｆ_p）の値が今回算出された修正前目標値ｒ_cにおける目的関数Ｊ（ｒ_c）の値よりも小さい場合には、前回導出された目標値ｗｆ_pを開始値として最適値探索を行う。また、リファレンスガバナ９４は、前回導出された目標値ｗｆ_pにおける目的関数Ｊ（ｗｆ_p）の値が今回算出された修正前目標値ｒ_cにおける目的関数Ｊ（ｒ_c）の値よりも大きい場合には、今回算出された修正前目標値ｒ_cを開始値として最適値探索を行う。上記のように開始値を設定することによって、目標値を最適値に近付けることが容易となる。このため、リファレンスガバナ９４による最適値探索によって制御出力の目標値を導出する場合に、演算効率を向上させることができる。

また、リファレンスガバナ９４は、前回導出された目標値ｗｆ_pにおける目的関数Ｊ（ｗｆ_p）の値が今回算出された修正前目標値ｒ_cにおける目的関数Ｊ（ｒ_c）の値と等しい場合には、前回導出された目標値ｗｆ_p又は今回算出された修正前目標値ｒ_cを開始値として最適値探索を行う。

図６は、第一実施形態における最適値探索を概略的に示す図である。図５と同様に、図６に示される等高線は目的関数の値を示している。図６の例でも、内側の等高線の値が外側の等高線の値よりも小さくなっている。図中の一点鎖線は前回の最適値探索の軌跡を示す。また、図中の実線は本実施形態における今回の最適値探索の軌跡を示し、図中の破線は本実施形態の比較例における今回の最適値探索の軌跡を示す。

なお、図６の例では、説明を簡略化するために、修正目標値の更新回数が実際の更新回数よりも少ない３回に設定されている。また、図６には前回の状態における目的関数の値のみが等高線によって示されているが、修正前目標値ｒが変化すると、等高線の軌跡も変化する。しかしながら、修正前目標値ｒの変化量が小さい場合には、等高線の軌跡の変化も小さいと考えられる。

図６の例では、前回導出された目標値ｗｆ_pにおける目的関数Ｊ（ｗｆ_p）の値が今回算出された修正前目標値ｒ_cにおける目的関数Ｊ（ｒ_c）の値よりも小さい。今回の最適値探索において、比較例では修正前目標値ｒ_cが開始値に設定され、本実施形態では目標値ｗｆ_pが開始値に設定される。この結果、本実施形態では、比較例に比べて、今回導出された目標値ｗｆ_cにおける目的関数Ｊ（ｗｆ_c）の値を小さくすることができる。すなわち、本実施形態では、比較例に比べて、目標値ｗｆ_cをより最適な値に近付けることができる。

＜目標値導出処理＞
以下、図７のフローチャートを参照して、上述した制御について詳細に説明する。図７は、第一実施形態における目標値導出処理の制御ルーチンを示すフローチャートである。本制御ルーチンは、目標値を導出するためにＥＣＵ８０によって所定の実行間隔で実行される。実行間隔は例えば１０〜１００ｍｓである。

最初に、ステップＳ１０１において、外生入力ｄ（本実施形態では、機関回転数及び燃料噴射量）が取得される。次いで、ステップＳ１０２において、目標値マップ９５によって外生入力ｄに基づいて修正前目標値ｒｃが算出される。

次いで、ステップＳ１０３において、修正前目標値ｒ_cにおける目的関数Ｊ（ｒ_c）の値が、前回導出された目標値ｗｆ_pにおける目的関数Ｊ（ｗｆ_p）以下であるか否かが判定される。このとき、修正目標値ｗとして修正前目標値ｒ_cを用いてＥＧＲ率及び過給圧の将来予測値が上記式（２）によって算出され、算出された将来予測値を用いて目的関数Ｊ（ｒ_c）が上記式（３）によって算出される。また、修正目標値ｗとして目標値ｗｆ_pを用いてＥＧＲ率及び過給圧の将来予測値が上記式（２）によって算出され、算出された将来予測値を用いて目的関数Ｊ（ｗｆ_p）が上記式（３）によって算出される。

ステップＳ１０３において目的関数Ｊ（ｒ_c）の値が目的関数Ｊ（ｗｆ_p）以下であると判定された場合、本制御ルーチンはステップＳ１０４に進む。ステップＳ１０４では、修正目標値ｗが修正前目標値ｒ_cに設定される。すなわち、最適値探索のための開始値が修正前目標値ｒ_cに設定される。

次いで、ステップＳ１０６では、勾配法による最適値探索を行うべく、４つの近傍目標値ｗ１〜ｗ４における目的関数Ｊ（ｗ１）〜Ｊ（ｗ４）の値が算出される。具体的には、各近傍目標値を用いてＥＧＲ率及び過給圧の将来予測値が上記式（２）によって算出され、算出された将来予測値を用いて各目的関数が式（３）によって算出される。このとき、近傍目標値ｗ１〜ｗ４が修正目標値ｗとして式（２）及び式（３）に代入される。

次いで、ステップＳ１０７において、目的関数Ｊ（ｗ１）〜Ｊ（ｗ４）の値から算出された勾配の方向に修正目標値ｗが移動される。すなわち、修正目標値ｗが更新される。次いで、ステップＳ１０８において、更新回数Ｃｏｕｎｔに１が加算される。更新回数Ｃｏｕｎｔは、修正目標値ｗの更新が行われた回数を示す。更新回数Ｃｏｕｎｔの初期値は０である。

次いで、ステップＳ１０９において更新回数Ｃｏｕｎｔが所定回数Ｎ以上であるか否かが判定される。所定回数Ｎは例えば１０〜２００である。ステップＳ１０９において更新回数Ｃｏｕｎｔが所定回数Ｎ未満であると判定された場合、本制御ルーチンはステップＳ１０６に戻る。したがって、更新回数Ｃｏｕｎｔが所定回数Ｎに達するまで、最適値探索が繰り返し行われる。

ステップＳ１０９において更新回数Ｃｏｕｎｔが所定回数Ｎ以上であると判定された場合、本制御ルーチンはステップＳ１１０に進む。ステップＳ１１０では、目標値ｗｆと前回導出された目標値ｗｆ_pとが修正目標値ｗに設定される。前回導出された目標値ｗｆ_pは次回のステップＳ１０３において用いられる。また、ステップＳ１１０では、更新回数Ｃｏｕｎｔがゼロにリセットされる。ステップＳ１１０の後、本制御ルーチンは終了する。

一方、ステップＳ１０３において目的関数Ｊ（ｒ_c）の値が目的関数Ｊ（ｗｆ_p）よりも大きいと判定された場合、本制御ルーチンはステップＳ１０５に進む。ステップＳ１０５では、修正目標値ｗが前回導出された目標値ｗｆ_pに設定される。すなわち、最適値探索のための開始値が前回導出された目標値ｗｆ_pに設定される。ステップＳ１０５の後、本制御ルーチンはステップＳ１０６に進み、上記のように最適値探索が行われる。

＜第二実施形態＞
第二実施形態におけるプラント制御装置の構成及び制御は、以下に説明する点を除いて、基本的に第一実施形態におけるプラント制御装置と同様である。このため、以下、本発明の第二実施形態について、第一実施形態と異なる部分を中心に説明する。

第一実施形態では、修正目標値ｗの更新が所定回数繰り返され、最終的な修正目標値ｗが目標値ｗｆに設定される。しかしながら、修正目標値ｗの更新が所定回数繰り返される前に修正目標値ｗが最適値近傍に達する場合がある。特に、最適値探索のための開始値として前回導出された目標値ｗｆ_pが用いられる場合、修正目標値ｗが最適値近傍に達するために必要な修正目標値ｗの更新回数が少ないと考えられる。

このため、第二実施形態では、リファレンスガバナ９４は、修正目標値ｗの更新が所定回数繰り返される前であっても修正目標値ｗが最適値近傍に達したと判定したときには、最適値探索を終了し、最終的な修正目標値ｗを目標値ｗｆに設定する。このことによって、リファレンスガバナ９４の演算負荷を低減することができる。

第二実施形態では、リファレンスガバナ９４は、修正目標値ｗにおける目的関数Ｊ（ｗ）の値が４つの近傍目標値ｗ１〜ｗ４における目的関数Ｊ（ｗ１）〜Ｊ（ｗ４）の値よりも小さい場合に、修正目標値ｗが最適値近傍に達したと判定する。目的関数Ｊ（ｗ１）〜Ｊ（ｗ４）の値は第一実施形態と同様の方法で算出される。

＜目標値導出処理＞
図８は、第二実施形態における目標値導出処理の制御ルーチンを示すフローチャートである。本制御ルーチンは、目標値を導出するためにＥＣＵ８０によって所定の実行間隔で実行される。実行間隔は例えば１０〜１００ｍｓである。

ステップＳ２０１〜ステップＳ２０５は、図７のステップＳ１０１〜ステップＳ１０５と同様であることから説明を省略する。ステップＳ２０４又はステップＳ２０５の後、ステップＳ２０６において、図７のステップＳ１０６と同様に４つの近傍目標値ｗ１〜ｗ４における目的関数Ｊ（ｗ１）〜Ｊ（ｗ４）の値が算出される。

次いで、ステップＳ２０７において、修正目標値ｗにおける目的関数Ｊ（ｗ）の値が近傍目標値ｗ１〜ｗ４における目的関数Ｊ（ｗ１）〜Ｊ（ｗ４）の値よりも小さいか否かが判定される。目的関数Ｊ（ｗ）の値が目的関数Ｊ（ｗ１）〜Ｊ（ｗ４）の値よりも小さいと判定された場合、本制御ルーチンはステップＳ２１１に進む。

ステップＳ２１１では、目標値ｗｆと前回導出された目標値ｗｆ_pとが修正目標値ｗに設定される。前回導出された目標値ｗｆ_pは次回のステップＳ２０３において用いられる。また、ステップＳ２１１では、更新回数Ｃｏｕｎｔがゼロにリセットされる。ステップＳ２１１の後、本制御ルーチンは終了する。

一方、ステップＳ２０７において目的関数Ｊ（ｗ）の値が目的関数Ｊ（ｗ１）〜Ｊ（ｗ４）の少なくとも一つの値よりも大きいと判定された場合、本制御ルーチンはステップＳ２０８に進む。ステップＳ２０６及びステップＳ２０８〜ステップＳ２１０では、図７のステップＳ１０６〜ステップＳ１０９と同様に最適値探索が行われる。本制御ルーチンでは、目的関数Ｊ（ｗ）の値が目的関数Ｊ（ｗ１）〜Ｊ（ｗ４）の値よりも小さくなるまで、又は更新回数Ｃｏｕｎｔが所定回数Ｎに達するまで、最適値探索が繰り返し行われる。

＜第三実施形態＞
第三実施形態におけるプラント制御装置の構成及び制御は、以下に説明する点を除いて、基本的に第一実施形態におけるプラント制御装置と同様である。このため、以下、本発明の第三実施形態について、第一実施形態と異なる部分を中心に説明する。

第三実施形態では、第二実施形態と同様に、リファレンスガバナ９４は、修正目標値ｗの更新が所定回数繰り返される前であっても修正目標値ｗが最適値近傍に達したと判定したときには、最適値探索を終了し、最終的な修正目標値ｗを目標値ｗｆに設定する。このことによって、リファレンスガバナ９４の演算負荷を低減することができる。

第三実施形態では、リファレンスガバナ９４は、修正目標値ｗにおける目的関数Ｊ（ｗ）の値が所定値以下である場合に、修正目標値ｗが最適値近傍に達したと判定する。

＜目標値導出処理＞
図９は、第三実施形態における目標値導出処理の制御ルーチンを示すフローチャートである。本制御ルーチンは、目標値を導出するためにＥＣＵ８０によって所定の実行間隔で実行される。実行間隔は例えば１０〜１００ｍｓである。

ステップＳ３０１〜ステップＳ３０５は、図７のステップＳ１０１〜ステップＳ１０５と同様であることから説明を省略する。ステップＳ３０４又はステップＳ３０５の後、ステップＳ３０６において、修正目標値ｗにおける目的関数Ｊ（ｗ）の値が所定値Ａ以下であるか否かが判定される。所定値Ａはゼロよりも大きな数である。

ステップＳ３０６において修正目標値ｗにおける目的関数Ｊ（ｗ）の値が所定値Ａ以下であると判定された場合、本制御ルーチンはステップＳ３１１に進む。ステップＳ３１１では、目標値ｗｆと前回導出された目標値ｗｆ_pとが修正目標値ｗに設定される。前回導出された目標値ｗｆ_pは次回のステップＳ３０３において用いられる。また、ステップＳ３１１では、更新回数Ｃｏｕｎｔがゼロにリセットされる。ステップＳ３１１の後、本制御ルーチンは終了する。

一方、ステップＳ３０６において修正目標値ｗにおける目的関数Ｊ（ｗ）の値が所定値Ａよりも大きいと判定された場合、本制御ルーチンはステップＳ３０７に進む。ステップＳ３０７〜ステップＳ３１０では、図７のステップＳ１０６〜ステップＳ１０９と同様に最適値探索が行われる。本制御ルーチンでは、目的関数Ｊ（ｗ）の値が所定値Ａ以下になるまで、又は更新回数Ｃｏｕｎｔが所定回数Ｎに達するまで、最適値探索が繰り返し行われる。

以上、本発明に係る好適な実施形態を説明したが、本発明はこれら実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲の記載内で様々な修正及び変更を施すことができる。例えば、内燃機関１は火花点火式内燃機関（例えば、ガソリンエンジン）であってもよい。また、過給圧は、可変ノズル７ｃの代わりに、バイパス通路に設けられたウエストゲートバルブによって調整されてもよい。この場合、制御入力ｕとして、可変ノズル７ｃの開度の代わりにウエストゲートバルブの開度が用いられる。

また、内燃機関１は、ＨＰＬ方式のＥＧＲシステムの代わりに低圧ループ方式（ＬＰＬ方式）のＥＧＲシステムを備えてもよい。この場合、ＥＧＲ通路１４は排気浄化触媒２８よりも下流側の排気通路とコンプレッサ７ａよりも上流側の吸気通路とに接続される。

また、内燃機関１は、ＨＰＬ方式のＥＧＲシステム及びＬＰＬ方式のＥＧＲシステムの両方を備えていてもよい。この場合、制御出力ｘは、ＨＰＬ方式のＥＧＲシステムを介して吸気通路に流入するＥＧＲガスの量、ＬＰＬ方式のＥＧＲシステムを介して吸気通路に流入するＥＧＲガスの量、及び過給圧である。また、制御入力ｕは、スロットル弁９の開度、ＨＰＬ方式のＥＧＲシステムのＥＧＲ弁の開度、ＬＰＬ方式のＥＧＲシステムのＥＧＲ弁の開度、及び可変ノズル７ｃの開度である。

上記のように制御出力ｘの数が３つの場合、制御出力ｘの修正前目標値ｒ及び目標値ｗｆは三次元ベクトルによって表される。この場合、リファレンスガバナ９４は、修正目標値ｗから所定量だけずらされた６つの近傍目標値ｗ１〜ｗ６における目的関数Ｊ（ｗ１）〜Ｊ（ｗ６）の値から算出される勾配の方向に修正目標値ｗを移動させることを繰り返すことによって目標値ｗｆを導出する。

また、最適値探索の手法は勾配法に限定されない。例えば、二分探索法のような他の手法によって最適値探索が行われてもよい。また、制御対象であるプラントは、制約条件を有する状態量の将来予測値が算出可能であれば、内燃機関に限定されない。例えば、車両に設けられたエアコンディショナーがプラントであり、車内温度の目標値がリファレンスガバナによって導出されてもよい。

１ 内燃機関
８０ 電子制御ユニット（ＥＣＵ）
９２ フィードバックコントローラ
９４ リファレンスガバナ
９５ 目標値マップ

Claims (1)

1. プラントの制御出力が目標値に近付くように該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、
   前記プラントの所定のパラメータに基づいて修正前目標値を算出する修正前目標値算出部と、
   前記プラントの所定の状態量に関する制約条件の充足度を考慮して定められた目的関数の値が小さくなるように最適値探索を行うことによって前記目標値を導出するリファレンスガバナと
   を備える、プラント制御装置において、
   前記リファレンスガバナは、前回導出された目標値における前記目的関数の値が今回算出された修正前目標値における前記目的関数の値よりも小さい場合には、前回導出された目標値を開始値として最適値探索を行い、前回導出された目標値における前記目的関数の値が今回算出された修正前目標値における前記目的関数の値よりも大きい場合には、今回算出された修正前目標値を開始値として最適値探索を行うことを特徴とする、プラント制御装置。