JP2020012431A - 内燃機関の制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】低い計算負荷で複数の制御出力の目標値を導出することができるリファレンスガバナを備えた制御装置を提供する。【解決手段】制御装置は、複数の制御出力の仮目標値を算出する仮目標値算出部８５と、状態量に関する制約条件の充足度が高くなるように仮目標値を修正して制御出力の目標値を導出するリファレンスガバナ８４と、制御出力の値が目標値に近づくように制御入力を決定するフィードバックコントローラ８２と、を備える。リファレンスガバナ８４は、状態量の制約条件が充足されるような複数の制御出力の仮目標値からの修正量同士の関係を出力する計算モデルを用いて、状態量に関する制約条件が充足されるように複数の制御出力の仮目標値を修正して目標値を導出すると共に、目標値の導出の際には複数の制御出力間において仮目標値からの修正量の比率が所定の修正比率に設定される。修正比率は、内燃機関の運転パラメータの値に基づいて設定される。【選択図】図２

Description

本発明は、内燃機関の制御装置に関する。

従来から、内燃機関の状態量に関する制約条件の充足度が高くなるようにリファレンスガバナを用いて内燃機関の制御出力の目標値を修正する内燃機関の制御装置が知られている（例えば、特許文献１〜３）。

斯かるリファレンスガバナでは、制約条件の充足度が高くなるように繰り返し演算を行って制御出力の最終的な目標値を算出する。しかしながら、このように繰り返し演算を行うと内燃機関の制御装置における演算負荷が高いものとなる。

そこで、制御出力の目標値を最初の仮目標値に設定したと仮定すると状態量に関する制約条件が将来充足されなくなると予想されるときには、内燃機関の現在の状態量と制約条件とを入力すると制御出力の目標値を出力する予測モデルにより最終的な目標値を導出するリファレンスガバナが提案されている（特許文献１）。

特開２０１６−１３０４８０号公報 特開２０１６−１６９６８８号公報 特開２０１７−２０３５７号公報

ところで、特許文献１の予測モデルでは、目標値が出力される制御出力は一つ（ＤＰＦの床温）のみであり、よって予測モデルにおける変数は一つである。しかしながら、同様な予測モデルを用いて複数の制御出力の目標値を導出する場合、予測モデルにおける変数は複数になる。このように予測モデルにおける変数が複数になると、予測モデルにより一義的に各変数の値を導出することはできず、よって単純に予測モデルから複数の制御出力の目標値を算出することはできない。

本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであって、その目的は、低い計算負荷で複数の制御出力の目標値を導出することができるリファレンスガバナを備えた内燃機関の制御装置を提供することにある。

本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、その要旨は以下のとおりである。

（１）内燃機関の運転パラメータの値に基づいて内燃機関の複数の制御出力の仮目標値を算出する仮目標値算出部と、前記複数の制御出力の目標値をそれぞれ前記仮目標値に設定したと仮定すると前記内燃機関の状態量に関する制約条件が将来充足されなくなると予測される場合に、前記内燃機関の状態量に関する制約条件の充足度が高くなるように前記仮目標値を修正して前記制御出力の目標値を導出するリファレンスガバナと、前記制御出力の値が前記目標値に近づくように前記内燃機関の制御入力を決定するフィードバックコントローラと、を備え、前記リファレンスガバナは、前記状態量の現在の値を入力することで該状態量の制約条件が充足されるような前記複数の制御出力の仮目標値からの修正量同士の関係を出力する計算モデルを用いて、前記状態量の現在の値に基づいて、前記状態量に関する制約条件が充足されるように前記複数の制御出力の仮目標値を修正して前記目標値を導出すると共に、該目標値の導出の際には前記複数の制御出力間において仮目標値からの修正量の比率が所定の修正比率に設定され、前記修正比率は、前記内燃機関の運転パラメータの値に基づいて設定される、内燃機関の制御装置。

（２）前記修正比率は、前記複数の制御出力のうち前記状態量への感度が高い制御出力における仮目標値からの修正量が他の制御出力における仮目標値からの修正量に対して相対的に高くなるように設定される、上記（１）に記載の内燃機関の制御装置。

（３）前記リファレンスガバナは、当該制御装置における演算負荷が予め定められた所定負荷よりも低いときには、前記計算モデルを用いずに、前記状態量に関する制約条件の充足度が高くなるほど値が小さくなる目的関数の値が小さくなるように前記目標値を導出する、上記（１）又は（２）に記載の内燃機関の制御装置。

（４）前記内燃機関は排気ターボチャージャを備え、前記状態量は前記排気ターボチャージャのタービン回転速度を含み、前記制約条件は前記タービン回転速度が予め定められた所定の回転速度以下であることを含む、上記（１）〜（３）のいずれか１つに記載の内燃機関の制御装置。

（５）前記状態量は、排気圧を含み、前記制約条件は前記排気圧が予め定められた所定の圧力以下であることを含む、上記（１）〜（４）のいずれか１つに記載の内燃機関の制御装置。

（６）前記内燃機関は排気ターボチャージャ及びＥＧＲシステムを備え、前記制御出力は過給圧及びＥＧＲ率を含む、上記（１）〜（５）のいずれか１つに記載の内燃機関の制御装置。

（７）前記リファレンスガバナは、前記複数の制御出力の目標値をそれぞれ前記仮目標値に設定したと仮定すると前記内燃機関の複数の状態量に関する制約条件が充足されないと予測される場合には、前記複数の状態量パラメータのうち制約条件への抵触度合いの大きい方の状態量に関する制約条件が充足されるように前記複数の制御出力の仮目標値を修正して前記目標値を導出する、上記（１）〜（６）のいずれか１つに記載の内燃機関の制御装置。

（８）前記リファレンスガバナは、前記制御出力の目標値と前記状態量の現在の値とを入力すると前記状態量の将来の値を出力する予測モデルと、前記状態量の現在の値及び将来の値を入力すると前記制御出力の目標値を出力する予測逆モデルとを備え、前記リファレンスガバナは、前記予測モデルに前記制御出力の仮目標値と前記状態量の現在の値とを入力することで得られた前記状態量の将来の値に基づいて前記制約条件が将来充足されるか否かを判断し、前記計算モデルは予測逆モデルである、上記（１）〜（７）のいずれか１つに記載の内燃機関の制御装置。

本発明によれば、低い計算負荷で複数の制御出力の目標値を導出することができるリファレンスガバナを備えた内燃機関の制御装置が提供される。

図１は、一つの実施形態に係る制御装置が用いられる内燃機関の概略的な構成図である。 図２は、制御装置で行われる制御を概略的に示すブロック線図である。 図３は、機関回転速度及び燃料噴射量に基づいて仮目標値を算出するためのマップである。 図４は、一つの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５は、タービン回転速度の将来予測モデルを概略的に示す図である。 図６は、タービン回転速度の将来予測モデルの逆モデルを概略的に示す図である。 図７は、制御出力である過給圧及びＥＧＲ率の目標値を算出する目標値算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、排気圧の将来予測モデルを概略的に示す図である。 図９は、排気圧の将来予測モデルの逆モデルを概略的に示す図である。 図１０は、制御出力である過給圧及びＥＧＲ率の目標値を算出する目標値算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＞
≪内燃機関全体の説明≫
まず、図１を参照して第一実施形態に係る制御装置が用いられる内燃機関１の構成について説明する。図１は、内燃機関１の概略的な構成図である。本実施形態の内燃機関は、燃料として軽油が用いられる圧縮自着火式内燃機関である。図１に示したように、内燃機関１は、機関本体１０、燃料供給装置２０、吸気系３０、排気系４０、排気ガス再循環（ＥＧＲ）機構５０、及び制御装置６０を備える。

機関本体１０は、複数の気筒１１が形成されたシリンダブロックと、吸気ポート及び排気ポートが形成されたシリンダヘッドと、クランクケースとを備える。各気筒１１内にはピストンが配置されると共に、各気筒１１は吸気ポート及び排気ポートに連通している。

燃料供給装置２０は、燃料噴射弁２１、コモンレール２２、燃料供給管２３、燃料ポンプ２４、及び燃料タンク２５を備える。燃料噴射弁２１は、各気筒１１の燃焼室内に燃料を直接噴射するようにシリンダヘッドに配置されている。燃料噴射弁２１は、コモンレール２２及び燃料供給管２３を介して燃料タンク２５に連結されている。燃料供給管２３には、燃料タンク２５内の燃料を圧送する燃料ポンプ２４が配置される。燃料ポンプ２４によって圧送された燃料は、燃料供給管２３を介してコモンレール２２に供給され、燃料噴射弁２１から各気筒１１の燃焼室内に直接噴射される。なお、燃料噴射弁２１は、吸気ポート内に燃料を噴射するように構成されてもよい。

吸気系３０は、吸気マニホルド３１、吸気管３２、エアクリーナ３３、排気ターボチャージャ５のコンプレッサ３４、インタークーラ３５、及びスロットル弁３６を備える。各気筒１１の吸気ポートは吸気マニホルド３１及び吸気管３２を介してエアクリーナ３３に連通している。吸気管３２内には、吸気管３２内を流通する吸入空気を圧縮して吐出する排気ターボチャージャ５のコンプレッサ３４と、コンプレッサ３４によって圧縮された空気を冷却するインタークーラ３５とが設けられている。スロットル弁３６は、スロットル弁駆動アクチュエータ３７によって回動せしめられることで、吸気通路の開口面積を変更することができる。

排気系４０は、排気マニホルド４１、排気管４２、排気ターボチャージャ５のタービン４３、及び排気後処理装置４４を備える。各気筒１１の排気ポートは、排気マニホルド４１及び排気管４２を介して排気後処理装置４４に連通している。排気管４２には、排気ガスのエネルギによって回転駆動せしめられる排気ターボチャージャ５のタービン４３が設けられている。排気ターボチャージャ５のタービン４３が回転駆動せしめられると、これに伴ってコンプレッサ３４が回転し、よって吸入空気が圧縮せしめられる。本実施形態では、排気ターボチャージャ５のタービン４３には可変ノズルが設けられている。可変ノズル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４３の回転速度が変化する。このため、可変ノズルの開度が変更されると、過給圧が変化する。

排気後処理装置４４は、排気ガスを浄化した上で外気中に排出するための装置であって、有害物質を浄化する各種の排気浄化触媒や有害物質を捕集するフィルタなどを備える。排気後処理装置４４は、具体的には、排気ガス中のＮＯｘを還元浄化する選択還元型ＮＯｘ触媒、ＮＯｘ吸蔵還元触媒、酸化触媒、パティキュレートフィルタ等のいずれか一つを含む。

ＥＧＲ機構５０は、ＥＧＲ管５１と、ＥＧＲ制御弁５２と、ＥＧＲクーラ５３とを備える。ＥＧＲ管５１は、排気マニホルド４１と吸気マニホルド３１とに連結され、これらを互いに連通させる。ＥＧＲ管５１には、ＥＧＲ管５１内を流れるＥＧＲガスを冷却するＥＧＲクーラ５３が設けられている。加えて、ＥＧＲ管５１には、ＥＧＲ管５１によって形成されるＥＧＲ通路の開口面積を変更することができるＥＧＲ制御弁５２が設けられている。ＥＧＲ制御弁５２の開度を制御することによって、排気マニホルド４１から吸気マニホルド３１へ還流せしめられるＥＧＲガスの流量が調整され、その結果、ＥＧＲ率が変化する。なお、ＥＧＲ率は、燃焼室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。

≪内燃機関の制御装置≫
内燃機関の制御装置６０は、電子制御ユニット（ＥＣＵ）６１及び各種センサを備える。ＥＣＵ６１は、デジタルコンピュータから構成され、双方向性バス６２を介して相互に接続されたＲＡＭ（ランダムアクセスメモリ）６３、ＲＯＭ（リードオンリメモリ）６４、ＣＰＵ（マイクロプロセッサ）６５、入力ポート６６、及び出力ポート６７を備える。

吸気管３２には、排気ターボチャージャ５のコンプレッサ３４の吸気流れ方向上流側に、吸気管３２内を流れる空気の流量を検出するエアフロメータ７１が設けられている。スロットル弁３６には、その開度（スロットル開度）を検出するためのスロットル開度センサ７２が設けられている。吸気マニホルド３１内には吸気マニホルド３１内の吸気ガスの圧力（過給圧）を検出する圧力センサ７３が設けられている。加えて、排気マニホルド４１内には排気マニホルド４１内の排気ガスの圧力（排気圧）を検出する圧力センサ７７が設けられている。これらエアフロメータ７１、スロットル開度センサ７２及び圧力センサ７３、７７の出力は、対応するＡＤ変換器６８を介して入力ポート６６に入力される。

また、アクセルペダル７４にはアクセルペダル７４の踏み込み量に比例した出力電圧を発生する負荷センサ７５が接続され、負荷センサ７５の出力電圧は対応するＡＤ変換器６８を介して入力ポート６６に入力される。したがって、本実施形態では、アクセルペダル７４の踏み込み量が機関負荷として用いられる。クランク角センサ７６は機関本体１０のクランクシャフトが例えば１０度回転する毎に出力パルスを発生し、この出力パルスが入力ポート６６に入力される。ＣＰＵ６５ではこのクランク角センサ７６の出力パルスから機関回転速度が計算される。

一方、ＥＣＵ６１の出力ポート６７は、対応する駆動回路６９を介して、内燃機関１の運転を制御する各アクチュエータに接続される。図１に示した例では、出力ポート６７は、排気ターボチャージャ５の可変ノズル、燃料噴射弁２１、燃料ポンプ２４、スロットル弁駆動アクチュエータ３７、及びＥＧＲ制御弁５２に接続されている。ＥＣＵ６１は、これらアクチュエータを制御する制御信号を出力ポート６７から出力して、内燃機関１の運転を制御する。

次に、図２を参照して、制御装置６０で行われる内燃機関の制御について説明する。図２に示したように、制御装置６０は、目標値マップ８５、リファレンスガバナ（ＲＧ）８４、比較部８１及びフィードバックコントローラ８２を備える。図２において破線で囲まれた部分は、内燃機関１の制御出力ｘが目標値ｗｆに近付くようにフィードバック制御を行う閉ループシステム８０として機能する。

比較部８１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８２に入力する。目標値ｗｆは後述するリファレンスガバナ８４によって比較部８１に入力され、制御出力ｘは、制御入力ｕ及び外生入力ｄが入力される内燃機関１から出力される。外生入力ｄは内燃機関１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８２は、制御出力ｘが目標値ｗｆに近付くように内燃機関１の制御入力ｕを決定する。すなわち、フィードバックコントローラ８２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８２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８２は制御入力ｕを内燃機関１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８２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８２への入力は省略されてもよい。また、比較部８１はフィードバックコントローラ８２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８０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、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８０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８５及びリファレンスガバナ８４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８５に入力されると、目標値マップ８５は、外生入力ｄに基づいて仮目標値ｒを算出し、仮目標値ｒをリファレンスガバナ８４に出力する。したがって、目標値マップ８５は、内燃機関１の所定の運転パラメータに基づいて制御出力ｘの仮目標値ｒを算出する仮目標値算出部として機能する。

リファレンスガバナ８４は、状態量ｙに関する制約条件の充足度が高くなるように仮目標値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８４は、状態量ｙに関する制約条件の充足度が高くなるほど値が小さくなるように定められた目的関数の値が小さくなるように目標値ｗｆを導出する。

本実施形態では、制御出力ｘは過給圧及びＥＧＲ率である。制御出力ｘとして比較部８１に入力される過給圧は圧力センサ７３によって検出される。また、制御出力ｘとして比較部８１に入力されるＥＧＲ率は、ＥＧＲ制御弁５２の開度等に基づいて公知の手法によって推定される。なお、本実施形態では、制御出力ｘ、仮目標値ｒ、目標値ｗｆ等は二次元ベクトルによって表される。

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３６の開度、ＥＧＲ制御弁５２の開度、排気ターボチャージャ５の可変ノズルの開度である。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速度及び燃料噴射量である。機関回転速度はクランク角センサ７６によって検出される。燃料噴射量は、負荷センサ７５によって検出される機関負荷等に基づいてＥＣＵ６１によって決定される。目標値マップ８５では、図３に示されるように、仮目標値ｒが機関回転速度ＮＥ及び燃料噴射量Ｑｅの関数として表される。

また、過給圧及びＥＧＲ率は制約条件として上限値を有する。同様に、排気ターボチャージャ５のタービン回転速度及び排気圧も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、並びにタービン回転速度及び排気圧である。このとき、目的関数Ｊ（ｗ）は下記式（１）によって定義される。
Ｊ（ｗ）＝||ｒ−ｗ||²＋Ｓ_pim＋Ｓ_EGR＋Ｓ_Nt＋Ｓ_pex …（１）

ここで、ｒは目標値マップ８５から出力された仮目標値であり、ｗは修正目標値である。目的関数Ｊ₁（ｗ）は、修正項（式（１）の右辺第一項）、第１ペナルティ関数Ｓ_pim、第２ペナルティ関数Ｓ_EGR、第３ペナルティ関数Ｓ_Nt、第４ペナルティ関数Ｓ_pexを含む。

修正項は、目標値の修正量を表し、仮目標値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、仮目標値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。

第１ペナルティ関数Ｓ_pimは、過給圧に関する制約条件の充足度を表し、下記式（２）によって定義される。

ここで、ｘ₁（ｋ）は過給圧の将来予測値であり、ｘ_1Limは予め定められた過給圧の上限値であり、ｐ₁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。第１ペナルティ関数Ｓ_pimは、過給圧の将来予測値ｘ₁（ｋ）が上限値ｘ_1Lim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）に加算さ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、過給圧の将来予測値ｘ₁（ｋ）が上限値ｘ_1Limを超える量の合計が小さいほど小さくなる。

リファレンスガバナ８４は内燃機関１のモデルを用いて過給圧の将来予測値ｘ₁（ｋ）を算出する。リファレンスガバナ８４は、例えば、過給圧の将来予測値ｘ₁（ｋ）を下記式（３）によって算出する。
ｘ₁（ｋ＋１）＝ｆ₁（ｘ₁（ｋ）,ｗ，ｄ） …（３）
ｆ₁は、過給圧の将来予測値ｘ₁（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、算出時点の過給圧であるｘ₁（０）を用いて、算出時点から１ステップ先の過給圧の予測値ｘ₁（１）が算出される。算出時点の過給圧であるｘ₁（０）は圧力センサ７３によって検出される。その後、算出時点からＮｈステップ先の過給圧の予測値ｘ₁（Ｎｈ）まで過給圧の将来予測値ｘ₁（ｋ）が順次算出され、合計Ｎｈ個の過給圧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を乗じた値が予測期間になる。

第２ペナルティ関数Ｓ_EGRは、ＥＧＲ率に関する制約条件の充足度を表し、下記式（４）によって定義される。

ここで、ｘ₂（ｋ）はＥＧＲ率の将来予測値であり、ｘ_2Limは予め定められたＥＧＲ率の上限値であり、ｐ₂は予め定められた重み係数である。第２ペナルティ関数Ｓ_EGRは、ＥＧＲ率の将来予測値ｘ₂（ｋ）が上限値ｘ_2Lim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）に加算さ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、ＥＧＲ率の将来予測値ｘ₂（ｋ）が上限値ｘ_2Limを超える量の合計が小さいほど小さくなる。

リファレンスガバナ８４は内燃機関１のモデルを用いてＥＧＲ率の将来予測値ｘ₂（ｋ）を算出する。リファレンスガバナ８４は、例えば、ＥＧＲ率の将来予測値ｘ₂（ｋ）を下記式（５）によって算出する。
ｘ₂（ｋ＋１）＝ｆ₂（ｘ₂（ｋ）,ｗ，ｄ） …（５）
ｆ₂は、ＥＧＲ率の将来予測値ｘ₂（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ＥＧＲ率であるｘ₂（０）を用いて、算出時点から１ステップ先のＥＧＲ率の予測値ｘ₂（１）が算出される。算出時点のＥＧＲ率であるｘ₂（０）は、ＥＧＲ弁６３の開度等に基づいて公知の手法によって推定される。その後、算出時点からＮｈステップ先のＥＧＲ率の予測値ｘ₂（Ｎｈ）までＥＧＲ率の将来予測値ｘ₂（ｋ）が順次算出され、合計Ｎｈ個のＥＧＲ率の将来予測値が算出される。

第３ペナルティ関数Ｓ_Ntは、タービン回転速度に関する制約条件の充足度を表し、下記式（６）によって定義される。

ここで、ｘ₃（ｋ）はタービン回転速度の将来予測値であり、ｘ_3Limは予め定められたタービン回転速度の上限値であり、ｐ₃は予め定められた重み係数である。第３ペナルティ関数Ｓ_Ntは、タービン回転速度の将来予測値ｘ₃（ｋ）が上限値ｘ_3Lim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）に加算さ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、タービン回転速度の将来予測値ｘ₃（ｋ）が上限値ｘ_3Limを超える量の合計が小さいほど小さくなる。

リファレンスガバナ８４は内燃機関１のモデルを用いてタービン回転速度の将来予測値ｘ₃（ｋ）を算出する。リファレンスガバナ８４は、例えば、タービン回転速度の将来予測値ｘ₃（ｋ）を下記式（７）によって算出する。
ｘ₃（ｋ＋１）＝ｆ₃（ｘ₃（ｋ）,ｗ，ｄ） …（７）
ｆ₃は、タービン回転速度の将来予測値ｘ₃（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、算出時点のタービン回転速度であるｘ₃（０）を用いて、算出時点から１ステップ先のＥＧＲ率の予測値ｘ₃（１）が算出される。算出時点のタービン回転速度であるｘ₃（０）は、例えば、タービン４３に設けられたタービン回転速度センサ（図示せず）によって検出される。その後、算出時点からＮｈステップ先のタービン回転速度の予測値ｘ₃（Ｎｈ）までタービン回転速度の将来予測値ｘ₃（ｋ）が順次算出され、合計Ｎｈ個のタービン回転速度の将来予測値が算出される。

特に、本実施形態では、タービン回転速度の将来予測値ｘ₃（ｋ）は下記式（８）によって算出される。
ｘ₃（ｋ＋１）＝Ａ・ｘ₃（ｋ）＋Ｂ・ｗ₁（ｋ）＋Ｃ・ｗ₂（ｋ）＋Ｄ・ｄ₁（ｋ）
…（８）
式（８）において、ｗ₁は過給圧の修正目標値、ｗ₂はＥＧＲ率の修正目標値、ｄ₁は燃料噴射量をそれぞれ表している。また、Ａ〜Ｄは、係数を表しており、機関運転状態に応じて、すなわち内燃機関１の運転パラメータである機関回転速度及び燃料噴射量に応じて変化する。係数Ａ〜Ｄは、予め実験的に又は計算によって機関運転状態毎に求められ、マップとしてＥＣＵ６１のＲＯＭ６４に格納されている。

第４ペナルティ関数Ｓ_pexは、排気圧に関する制約条件の充足度を表し、下記式（９）によって定義される。

ここで、ｘ₄（ｋ）は排気圧の将来予測値であり、ｘ_4Limは予め定められた排気圧の上限値であり、ｐ₄は予め定められた重み係数である。第４ペナルティ関数Ｓ_pexは、排気圧の将来予測値ｘ₄（ｋ）が上限値ｘ_4Lim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）に加算さ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、排気圧の将来予測値ｘ₄（ｋ）が上限値ｘ_4Limを超える量の合計が小さいほど小さくなる。

リファレンスガバナ８４は内燃機関１のモデルを用いて排気圧の将来予測値ｘ₄（ｋ）を算出する。リファレンスガバナ８４は、例えば、排気圧の将来予測値ｘ₄（ｋ）を下記式（１０）によって算出する。
ｘ₄（ｋ＋１）＝ｆ₄（ｘ₄（ｋ）,ｗ，ｄ）…（１０）
ｆ₄は、排気圧の将来予測値ｘ₄（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、算出時点の排気圧であるｘ₄（０）を用いて、算出時点から１ステップ先の排気圧の予測値ｘ₄（１）が算出される。算出時点の排気圧であるｘ₄（０）は、例えば、排気マニホルド４１に設けられた圧力センサ７７によって検出される。その後、算出時点からＮｈステップ先の排気圧の予測値ｘ₄（Ｎｈ）まで排気圧の将来予測値ｘ₄（ｋ）が順次算出され、合計Ｎｈ個の排気圧の将来予測値が算出される。

特に、本実施形態では、排気圧の将来予測値ｘ₄（ｋ）は下記式（１１）によって算出される。
ｘ₄（ｋ＋１）＝Ｅ・ｘ₄（ｋ）＋Ｆ・ｗ₁（ｋ）＋Ｇ・ｗ₂（ｋ）＋Ｈ・ｄ₁（ｋ）
…（１１）
式（１１）において、Ｅ〜Ｈは、係数を表しており、機関運転状態に応じて、すなわち内燃機関１の運転パラメータである機関回転速度及び燃料噴射量に応じて変化する。係数Ｅ〜Ｈは、予め実験的に又は計算によって機関運転状態毎に求められ、マップとしてＥＣＵ６１のＲＯＭ６４に格納されている。

≪目標値導出処理≫
上述したように、リファレンスガバナ８４は、状態量ｙに関する制約条件の充足度が高くなるほど値が小さくなるように定められた目的関数の値が小さくなるように目標値ｗｆを導出する。以下、図４を参照して、リファレンスガバナ８４における目標値の導出処理について説明する。図４は、本実施形態における通常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、ＥＣＵ６１によって所定の時間間隔毎に実行される。

まず、ステップＳ１１では、外生入力ｄに基づいて目標値マップ８５を用いて算出された制御出力ｘ（本実施形態では過給圧及びＥＧＲ率）の仮目標値ｒが取得される。

次いで、ステップＳ１２では、勾配法による修正目標値ｗの最適値探索を行うべく、現在の修正目標値ｗから所定距離だけ離れた４つの近傍目標値ｗ_a〜ｗ_dにおける目的関数Ｊ（ｗ_a）〜Ｊ（ｗ_d）の値が、上記式（１）を用いて算出される。このとき、近傍目標値ｗ_a〜ｗ_dを修正目標値ｗとして、上記式（１）の目的関数Ｊ（ｗ）の各項が算出される。なお、修正目標値ｗの初期値は仮目標値ｒである。

次いで、ステップＳ１３において、目的関数Ｊ（ｗ_a）〜Ｊ（ｗ_d）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。具体的には、修正目標値ｗは近傍目標値ｗ_a〜ｗ_dのうち最も目的関数Ｊ（ｗ）が小さくなった近傍目標値に設定される。次いで、ステップＳ１４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Ｓ１５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５〜２００である。ステップＳ１５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Ｓ１２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、修正目標値ｗの最適値探索が繰り返し行われる。

ステップＳ１５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Ｓ１６に進む。ステップＳ１６では、制御出力ｘの目標値ｗｆが最終的な修正目標値ｗに設定される。また、ステップＳ１６では、更新回数Ｃｏｕｎｔがゼロにリセットされる。ステップＳ１６の後、本制御ルーチンは終了する。

なお、目的関数の値が小さくなるように修正目標値ｗを更新できれば、勾配法以外の方法によって修正目標値ｗが更新されてもよい。

≪演算負荷の低減≫
ところで、リファレンスガバナ８４において上述したように制御出力ｘの目標値ｗｆの導出を行う場合、目的関数を算出するのに繰り返し計算が行われると共に目的関数自体の算出も繰り返し行われる。このため、目標値ｗｆを導出するにあたってはＥＣＵ６１での演算負荷が高いものとなる。

特に、リファレンスガバナ８４による目標値ｗｆの算出は内燃機関１が所定角度回転する毎に行われる。このため、機関回転速度が低いときにはリファレンスガバナ８４によって上述した通常目標値導出処理にて目標値ｗｆを導出してもＥＣＵ６１における演算負荷が限界を超えることはない。しかしながら、機関回転速度が高いときにはリファレンスガバナ８４によって通常目標値導出処理にて目標値ｗｆを導出するとＥＣＵ６１における演算負荷が限界を超え、ひいては演算抜け（例えば、リファレンスガバナ８４における繰り返し回数が少なくなる等）が生じることになる。したがって、機関回転速度が高いとき等、ＥＣＵ６１における演算負荷が過剰に高くなるようなときには、演算負荷を低減させることが必要になる。

そこで、本実施形態では、リファレンスガバナ８４は、ＥＣＵ６１における演算負荷が過剰に高くなるようなときには、状態量ｙの現在の値を入力することでその状態量ｙの制約条件が充足されるような複数の制御出力ｘの仮目標値ｒからの修正量（以下、「目標値修正量」という）Δｗ同士の関係を出力するモデルを用いて、状態量ｙの現在の値に基づいて、状態量ｙに関する制約条件が充足されるように複数の制御出力ｘの仮目標値ｒを修正して目標値ｗｆを導出するようにしている。加えて、本実施形態では、目標値ｗｆの導出の際には、複数の制御出力ｘ間において目標値修正量Δｗの比率が所定の修正比率に設定されると共に、この修正比率は内燃機関の運転パラメータ（例えば、機関回転速度及び燃料噴射量）の値に基づいて設定される。以下では、このような目標値ｗｆの導出方法について詳細に説明する。

ところで、タービン回転速度の将来予測値ｘ₃は、上述したように下記式（８）によって算出される。この式（８）は、図５に示したように、過給圧の修正目標値ｗ₁とＥＧＲ率の修正目標値ｗ₂とを入力するとタービン回転速度の将来予測値ｘ₃（ｋ＋１）を出力するタービン回転速度の将来予測モデルとして用いることができる。また、このタービン回転速度の将来予測モデルには、修正目標値ｗ₁、ｗ₂の他に、現在のタービン回転速度ｘ₃（ｋ）及び現在の燃料噴射量ｄ₁を入力することが必要になる。
ｘ₃（ｋ＋１）＝Ａ・ｘ₃（ｋ）＋Ｂ・ｗ₁（ｋ）＋Ｃ・ｗ₂（ｋ）＋Ｄ・ｄ₁（ｋ）
…（８）

一方、図５に示したタービン回転速度の将来予測モデルにおける入出力を逆転させると、式（８）は、図６に示したように、タービン回転速度の将来予測値ｘ₃（ｘ＋１）を入力すると過給圧の修正目標値ｗ₁及びＥＧＲ率の修正目標値ｗ₂を出力する上記将来予測モデルの逆モデルとして用いることができる。また、この逆モデルにも、図６に示したように、タービン回転速度の将来予測値ｘ₃（ｘ＋１）の他に、現在のタービン回転速度ｘ₃（ｋ）及び現在の燃料噴射量ｄ₁を入力することが必要になる。

ここで、逆モデルにおいて、タービン回転速度の将来予測値ｘ₃（ｋ＋１）に制約条件である上限値ｘ_3Limを入力すると、タービン回転速度が将来において上限値ｘ_3Limになるような過給圧の目標値ｗ_1LimとＥＧＲ率の目標値ｗ_2Limとの関係を下記式（１２）のように求めることができる。
Ｂ・ｗ_1Lim＋Ｃ・ｗ_2Lim＝ｘ_3Lim−Ａ・ｘ_3cr−Ｄ・ｄ_1cr …（１２）
なお、式（１２）は、式（８）のｘ₃（ｋ）に現在のタービン回転速度ｘ_3crを代入し、式（８）のｄ₁に現在の燃料噴射量ｄ_1crを代入することによって導出されている。

タービン回転速度が将来において上限値になるような過給圧の目標値ｗ_1Limは仮目標値ｒ₁に目標値修正量Δｗ₁を加算した値として表すことができる（ｗ_1Lim＝ｒ₁＋Δｗ₁）。加えて、タービン回転速度が将来において上限値になるようなＥＧＲ率の目標値ｗ_2Limは仮目標値ｒ₂に目標値修正量Δｗ₂を加算した値として表すことができる（ｗ_2Lim＝ｒ₂＋Δｗ₂）。このため、式（１２）は下記式（１３）のように表すことができる。
Ｂ・（ｒ₁＋Δｗ₁）＋Ｃ・（ｒ₂＋Δｗ₂）＝ｘ_3Lim−Ａ・ｘ_3cr−Ｄ・ｄ_1cr…（１３）

上記式（１３）によれば、状態量であるタービン回転速度の現在の値を入力することで、タービン回転速度が上限値となるような（すなわち、状態量の制約条件が充足されるような）過給圧の目標値修正量とＥＧＲ率の目標値修正量との関係が求められる。したがって、逆モデルでは、状態量（タービン回転速度）の現在の値を入力することで、この状態量の制約条件が充足されるような複数の制御出力の仮目標値からの修正量同士の関係（過給圧の目標値修正量とＥＧＲ率の目標値修正量との関係）が出力される。

ところで、式（１３）のうち、変数は過給圧の目標値修正量Δｗ₁及びＥＧＲ率の目標値修正量Δｗ₂である。したがって、式（１３）では、一つの式中に二つの変数があるため、単純に式（１３）を解いて過給圧の目標値修正量Δｗ₁及びＥＧＲ率の目標値修正量Δｗ₂を求めることはできない。

一方、上記式（８）における係数Ａ〜Ｄは、各パラメータｘ₃、ｗ₁、ｗ₂、ｄ₁の将来のタービン回転速度に対する感度を表している。したがって乗算される係数Ａ〜Ｄの値が大きいパラメータほど、そのパラメータの変化に対するタービン回転速度の変化の割合が大きくなる。換言すると、乗算される係数Ａ〜Ｄの値が大きいパラメータほど、パラメータの値が僅かに変化しただけでも、将来のタービン回転速度が大きく変化することになる。一方、乗算される係数Ａ〜Ｄの値が小さいパラメータほど、パラメータの値を大きく変化させないと、将来のタービン回転速度は変化しない。

ここで、目標値マップ８５によって算出される仮目標値ｒは、機関運転状態に合わせた最適な値に設定される。したがって、リファレンスガバナ８４を用いて仮目標値ｒを修正する場合であっても、その修正量はできる限り小さいことが好ましい。

そこで、本実施形態では、過給圧の目標値修正量Δｗ₁とＥＧＲ率の目標値修正量Δｗ₂とは、その比率が上述した係数Ｂと係数Ｃとの比率となるように算出される（Δｗ₁：Δｗ₂＝Ｂ：Ｃ）。具体的には、式（１３）に、Δｗ₁＝Ｂ／Ｃ・Δｗ₂を代入することでΔｗ₂が算出され、Δｗ₂に基づいてΔｗ₁が算出される。なお、本明細書では、複数の制御出力ｘ間における仮目標値ｒからの修正量Δｗの比率（本実施形態では、Ｂ／Ｃ）を修正比率と称する。

このように過給圧の目標値修正量Δｗ₁とＥＧＲ率の目標値修正量Δｗ₂との比率を設定すると、感度が高い方の制御出力ｘの目標値が大きく修正されることになる。したがって、本実施形態によれば、過給圧及びＥＧＲ率の目標値修正量Δｗ₁、Δｗ₂を全体的に小さく抑えつつ、タービン回転速度が上限値となるような過給圧の目標値修正量Δｗ₁及びＥＧＲ率の目標値修正量Δｗ₂を算出することができる。

また、上述したように、上記式（８）における係数Ａ〜Ｄは機関運転状態毎に求められる。すなわち、係数Ａ〜Ｄは機関運転状態に応じて変化する。このため、過給圧の目標値修正量Δｗ₁とＥＧＲ率の目標値修正量Δｗ₂とを修正するときの修正比率も機関運転状態に応じて変化する。したがって、本実施形態では、修正比率は、機関運転状態に基づいて、すなわち内燃機関１の運転パラメータ（例えば、機関回転速度及び燃料噴射量）に基づいて設定される。このように、機関運転状態に基づいて修正比率を設定することにより、機関運転状態に応じた適切な過給圧及びＥＧＲ率の目標値修正量Δｗ₁、Δｗ₂を算出することができるようになる。

なお、上記実施形態では、逆モデルにおいてタービン回転速度の将来予測値ｘ₃（ｋ＋１）に制約条件である上限値ｘ_3Limを入力して、タービン回転速度が上限値となるような過給圧の目標値修正量Δｗ₁及びＥＧＲ率の目標値修正量Δｗ₂を算出している。しかしながら、タービン回転速度の将来予測値ｘ₃（ｋ＋１）には制約条件を充足する値であれば、上限値ｘ_3Lim以外の値（例えば、上限値ｘ_3Lim未満の所定値）が入力されてもよい。この場合であっても、状態量であるタービン回転速度が制約条件を充足するような過給圧の目標値修正量Δｗ₁及びＥＧＲ率の目標値修正量Δｗ₂が算出されることになる。

また、上記実施形態では、修正比率を式（８）における係数Ｂを係数Ｃで割った値（Ｂ／Ｃ）に設定している。しかしながら、修正比率は必ずしもＢ／Ｃに設定される必要はなく、Ｂ／Ｃとは異なる値であってもよい。ただし、上述したように、過給圧及びＥＧＲ率のうち感度の高い方における目標値修正量を大きくすれば、過給圧及びＥＧＲ率の目標値修正量Δｗ₁、Δｗ₂を全体的に小さく抑えることができる。したがって、修正比率は、感度の高い方の制御出力の仮目標値、すなわち乗算される係数Ｂ、Ｃの絶対値が大きい方の制御出力の仮目標値が相対的に大きく修正されることが好ましい。

さらに、上述したように係数Ａ〜Ｄは機関運転状態毎に変化する。したがって、仮に修正比率をＢ／Ｃとは異なる値に設定する場合であっても、修正比率の最適な値は機関運転状態に応じて変化する。このため、修正比率をＢ／Ｃとは異なる値に設定する場合であっても修正比率は機関運転状態に基づいて、すなわち内燃機関の運転パラメータの値に基づいて設定される。

≪フローチャート≫
図７は、制御出力である過給圧及びＥＧＲ率の目標値を算出する目標値算出処理の制御ルーチンを示すフローチャートである。図示した制御ルーチンは一定時間間隔毎に実行される。

図７に示したように、まず、ステップＳ２１では、機関運転状態（例えば、機関回転速度及び燃料噴射量）に基づいて図３に示したようなマップを用いて、制御出力である過給圧及びＥＧＲ率の仮目標値ｒ（過給圧の仮目標値ｒ₁及びＥＧＲ率の仮目標値ｒ₂）が取得される。機関運転状態は、内燃機関１に設けられた各種センサ等に基づいて検出される。機関回転速度はクランク角センサ７６の出力に基づいて算出され、燃料噴射量は燃料噴射弁２１への制御信号に基づいて算出される。

次いで、ステップＳ２２では、過給圧及びＥＧＲ率の目標値をステップＳ２１で算出された仮目標値ｒに設定したと仮定すると、状態量であるタービン回転速度が制約条件を詳細充足したまま維持されると予想されるか否かが判定される。具体的には、上記式（８）を用いて、算出時点からＮｈステップ先までのタービン回転速度の将来予測値ｘ₃が算出される。そして、算出された複数の将来予測値ｘ₃のうちのいずれか一つが制約条件としての上限値以下である場合には、ステップＳ２２において、タービン回転速度が制約条件を将来充足したまま維持されると判定される。この場合、制御ルーチンはステップＳ２３へと進み、制御出力である過給圧及びＥＧＲ率の目標値ｗｆ（過給圧の目標値ｗｆ₁及びＥＧＲ率の目標値ｗｆ₂）がステップＳ２１で算出された仮目標値ｒに設定され、制御ルーチンが終了せしめられる。一方、ステップＳ２２において、状態量であるタービン回転速度が制約条件を将来充足しなくなると予想されると判定された場合には、ステップＳ２４へと進む。

ステップＳ２４では、ＥＣＵ６１における演算負荷が予め定められた上限負荷よりも高いか否かが判定される。具体的には、例えば、機関回転速度が高いほど目標値を算出するための演算頻度が高くなることから、機関回転速度が予め定められた上限速度未満であるときには演算負荷は低いと判定され、上限速度以上であるときには演算負荷が高いと判定される。また、前回の制御ルーチンの実行中に上記式（１）に基づく複数回の目的関数の導出の一部又は全部がスキップされたような場合には、演算負荷が高いと判定される。

ステップＳ２４において、演算負荷が予め定められた上限負荷以下であると判定された場合には、ステップＳ２５へと進む。ステップＳ２５では、図４に示した通常目標値導出処理を実行することにより過給圧及びＥＧＲ率の目標値ｗｆが算出され、制御ルーチンが終了せしめられる。

一方、ステップＳ２４において、演算負荷が予め定められた上限負荷よりも高いと判定された場合には、ステップＳ２６へと進む。ステップＳ２６では、機関運転状態に基づいて、図５に示したようなタービン回転速度の将来予測モデルにおける係数Ａ〜Ｄが算出される。具体的には、機関運転状態と各係数との関係は予めマップとして又は計算式としてＥＣＵ６１のＲＯＭ６４に保存されている。そして、現在の機関運転状態に基づいて、ＥＣＵ６１のＲＯＭ６４に保存されているマップ等を用いて、各係数Ａ〜Ｄが算出される。

次いで、ステップＳ２７では、ステップＳ２６において算出された係数に基づいて修正比率が算出される。本実施形態では、修正比率は係数Ｂを係数Ｃで除算した値に設定される。次いで、ステップＳ２８では、ステップＳ２７で算出された修正比率に基づいて、図６に示したような逆モデルを用いて（式（１３）を用いて）、過給圧及びＥＧＲ率の目標値修正量Δｗが算出される。次いで、ステップＳ２９において、ステップＳ２１で取得された過給圧及びＥＧＲ率の仮目標値ｒと、ステップＳ２８で算出された過給圧及びＥＧＲ率の目標値修正量Δｗとに基づいて、過給圧及びＥＧＲ率の目標値ｗｆが算出され、制御ルーチンが終了せしめられる。

≪変形例≫
上記実施形態では、タービン回転速度が将来において上限値になるように過給圧及びＥＧＲ率の目標値を算出している。しかしながら、内燃機関の他の状態量が将来において上限値になるように過給圧及びＥＧＲ率の目標値を算出するようにしてもよい。このような状態量としては、例えば、排気圧、過給圧、ＥＧＲ率等が挙げられる。以下では、このような状態量として排気圧を用いた場合について簡単に説明する。

排気圧の将来予測値ｘ₄は、上記式（１１）によって算出される。この式は、図８に示したように、排気圧の将来予測モデルとして用いることができる。一方、図８に示した排気圧の将来予測モデルにおける入出力を逆転されると、式（１１）は、図９に示したように、排気圧の将来予測値ｘ₄（ｘ＋１）を入力すると過給圧の修正目標値ｗ₁及びＥＧＲ率の修正目標値ｗ₂を出力する上記将来予測モデルの逆モデルとして用いることができる。

ここで、逆モデルにおいて、排気圧の将来予測値ｘ₄（ｋ＋１）に制約条件である上限値ｘ_4Limを入力すると、排気圧が将来において上限値ｘ_4Limになるような過給圧の目標値とＥＧＲ率の目標値との関係を下記式（１４）、（１５）のように求めることができる。
Ｆ・ｗ_1Lim＋Ｇ・ｗ_2Lim＝ｘ_4Lim−Ｅ・ｘ_4cr−Ｈ・ｄ_1cr …（１４）
Ｆ・（ｒ₁＋Δｗ₁）＋Ｇ・（ｒ₂＋Δｗ₂）＝ｘ_4Lim−Ｅ・ｘ_4cr−Ｈ・ｄ_1cr…（１５）
なお、式（１４）は、式（１１）のｘ₄（ｋ）に現在の排気圧ｘ_4crを代入し、式（１１）のｄ₁に現在の燃料噴射量ｄ_1crを代入することによって導出されている。

そして、過給圧の目標値修正量Δｗ₁とＥＧＲ率の目標値修正量Δｗ₂とは、その比率が上述した係数Ｆと係数Ｇとの比率（修正比率）となるように算出される（Δｗ₁：Δｗ₂＝Ｆ：Ｇ）。具体的には、式（１５）に、Δｗ₁＝Ｆ／Ｇ・Δｗ₂を代入することでΔｗ₂が算出され、Δｗ₂に基づいてΔｗ₁が算出される。

なお、上記実施形態と同様に、修正比率は必ずしもＦ／Ｇに設定される必要はなく、Ｆ／Ｇとは異なる値に設定されてもよい。また、係数Ｅ〜Ｈも機関運転状態毎に変化するため、修正比率は機関運転状態に基づいて、すなわち内燃機関の運転パラメータの値に基づいて設定されるのが好ましい。

また、上記実施形態では、目標値が設定される制御出力として、過給圧とＥＧＲ率が用いられている。しかしながら、目標値が設定される制御出力は、排気ガス中のＮＯｘ濃度等、他のパラメータであってもよい。

＜第二実施形態＞
次に、図１０を参照して、第二実施形態に係る内燃機関１の制御装置について説明する。第二実施形態に係る制御装置の構成及び制御は、基本的に第一実施形態に係る制御装置の構成及び制御と同様である。以下では、第一実施形態に係る制御装置とは異なる部分を中心に説明する。

ところで、上記第一実施形態では、状態量を表す複数のパラメータのうち一つのパラメータについて制約条件を充足するように制御出力ｘの目標値ｗｆが算出されている。しかしながら、状態量を表すパラメータが複数ある場合には、そのうちの一つのパラメータが制約条件を充足するように目標値が算出されても、必ずしも状態量を表すパラメータ全てが制約条件を充足するわけではない。

そこで、本実施形態では、複数の制御出力ｘの目標値をそれぞれ仮目標値ｒに設定したと仮定すると複数の状態量に関する制約条件が充足されないと予測される場合には、複数の状態量のうち制約条件への抵触度合いの大きい方の状態量に関する制約条件が充足されるように、目標値が導出される。以下では、状態量としてタービン回転数と排気圧とが用いられている場合を例にとって説明する。

上述したように、上記式（６）で表される第３ペナルティ関数Ｓ_Ntは、タービン回転速度に関する制約条件の充足度、すなわちタービン回転数に関する制約条件への抵触度合いの大きさを表している。第３ペナルティ関数Ｓ_Ntの値が大きいほど制約条件への抵触度合いが大きい。一方、上記式（９）で表される第４ペナルティ関数Ｓ_pexは、排気圧に関する制約条件の充足度、すなわち排気圧に関する制約条件への抵触度合いの大きさを表している。第４ペナルティ関数Ｓ_pexの値が大きいほど制約条件への抵触度合いが大きい。

そこで、本実施形態では、第３ペナルティ関数Ｓ_Ntの値と第４ペナルティ関数Ｓ_pexの値とを比較し、第３ペナルティ関数Ｓ_Ntの値の方が大きい場合にはタービン回転数が制約条件を充足するように、制御出力である過給圧及びＥＧＲ率の目標値が導出される。一方、比較の結果、第４ペナルティ関数Ｓ_pexの値の方が大きい場合には排気圧が制約条件を充足するように、制御出力である過給圧及びＥＧＲ率の目標値が導出される。これにより、状態量であるタービン回転速度及び排気圧が制約条件と大きく抵触することが抑制される。

図１０は、制御出力である過給圧及びＥＧＲ率の目標値を算出する目標値算出処理の制御ルーチンを示すフローチャートである。図示した制御ルーチンは一定時間間隔毎に実行される。図１０に示したフローチャートのステップＳ３１〜Ｓ３５及びＳ３７〜Ｓ４０はそれぞれ図７のステップＳ２１〜Ｓ２５及びＳ２７〜Ｓ２９と同様であるため説明を省略する。

ステップＳ３４において、演算負荷が予め定められた上限負荷よりも高いと判定された場合には、ステップＳ３６へと進む。ステップＳ３６では、複数の状態量のうち最も制約条件への抵触が大きい状態量が特定される。具体的には、第３ペナルティ関数Ｓ_Ntと第４ペナルティ関数Ｓ_pexとが算出されると共に、このうち値が大きいペナルティ関数に対応する状態量が特定される。次いで、ステップＳ３７〜Ｓ３９では、特定された状態量が制約条件を充足するように目標値ｗｆが算出される。

１ 内燃機関
５ 排気ターボチャージャ
５２ ＥＧＲ制御弁
６１ 電子制御ユニット（ＥＣＵ）
８２ フィードバックコントローラ
８４ リファレンスガバナ

Claims (8)

1. 内燃機関の運転パラメータの値に基づいて内燃機関の複数の制御出力の仮目標値を算出する仮目標値算出部と、
   前記複数の制御出力の目標値をそれぞれ前記仮目標値に設定したと仮定すると前記内燃機関の状態量に関する制約条件が将来充足されなくなると予測される場合に、前記内燃機関の状態量に関する制約条件の充足度が高くなるように前記仮目標値を修正して前記制御出力の目標値を導出するリファレンスガバナと、
   前記制御出力の値が前記目標値に近づくように前記内燃機関の制御入力を決定するフィードバックコントローラと、を備え、
   前記リファレンスガバナは、前記状態量の現在の値を入力することで該状態量の制約条件が充足されるような前記複数の制御出力の仮目標値からの修正量同士の関係を出力する計算モデルを用いて、前記状態量の現在の値に基づいて、前記状態量に関する制約条件が充足されるように前記複数の制御出力の仮目標値を修正して前記目標値を導出すると共に、該目標値の導出の際には前記複数の制御出力間において仮目標値からの修正量の比率が所定の修正比率に設定され、
   前記修正比率は、前記内燃機関の運転パラメータの値に基づいて設定される、内燃機関の制御装置。
2. 前記修正比率は、前記複数の制御出力のうち前記状態量への感度が高い制御出力における仮目標値からの修正量が他の制御出力における仮目標値からの修正量に対して相対的に高くなるように設定される、請求項１に記載の内燃機関の制御装置。
3. 前記リファレンスガバナは、当該制御装置における演算負荷が予め定められた所定負荷よりも低いときには、前記計算モデルを用いずに、前記状態量に関する制約条件の充足度が高くなるほど値が小さくなる目的関数の値が小さくなるように前記目標値を導出する、請求項１又は２に記載の内燃機関の制御装置。
4. 前記内燃機関は排気ターボチャージャを備え、
   前記状態量は前記排気ターボチャージャのタービン回転速度を含み、前記制約条件は前記タービン回転速度が予め定められた所定の回転速度以下であることを含む、請求項１〜３のいずれか１項に記載の内燃機関の制御装置。
5. 前記状態量は、排気圧を含み、前記制約条件は前記排気圧が予め定められた所定の圧力以下であることを含む、請求項１〜４のいずれか１項に記載の内燃機関の制御装置。
6. 前記内燃機関は排気ターボチャージャ及びＥＧＲシステムを備え、
   前記制御出力は過給圧及びＥＧＲ率を含む、請求項１〜５のいずれか１項に記載の内燃機関の制御装置。
7. 前記リファレンスガバナは、前記複数の制御出力の目標値をそれぞれ前記仮目標値に設定したと仮定すると前記内燃機関の複数の状態量に関する制約条件が充足されないと予測される場合には、前記複数の状態量パラメータのうち制約条件への抵触度合いの大きい方の状態量に関する制約条件が充足されるように前記複数の制御出力の仮目標値を修正して前記目標値を導出する、請求項１〜６のいずれか１項に記載の内燃機関の制御装置。
8. 前記リファレンスガバナは、前記制御出力の目標値と前記状態量の現在の値とを入力すると前記状態量の将来の値を出力する予測モデルと、前記状態量の現在の値及び将来の値を入力すると前記制御出力の目標値を出力する予測逆モデルとを備え、
   前記リファレンスガバナは、前記予測モデルに前記制御出力の仮目標値と前記状態量の現在の値とを入力することで得られた前記状態量の将来の値に基づいて前記制約条件が将来充足されるか否かを判断し、
   前記計算モデルは予測逆モデルである、請求項１〜７のいずれか１項に記載の内燃機関の制御装置。

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