JP4379336B2

JP4379336B2 - 制御システムの評価装置、その評価装置に用いられる検証装置、制御システムの評価方法、及びそれらに用いるコンピュータプログラム

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Description

本発明は、エンジン等の物理的装置の制御システムを評価する装置、方法及びそれらに用いるコンピュータプログラムに関する。

自動車用エンジンの制御システムの性能を評価するために、その制御システムに実装される制御アルゴリズムを備えた制御モデルと、実際のエンジンを所定の手法でモデル化したエンジンモデルとを組み合わせ、所定の入力条件下でエンジンモデルを仮想的に動作させつつ、そのエンジンモデルにて設定されている運転状態に影響する物理量（例えば吸入空気量）をエンジンモデルから制御モデルに取り込み、その取り込んだ物理量に基づいて燃料噴射弁等の制御対象機器の操作量を演算し、その操作量をエンジンモデルに与えて制御アルゴリズムの制御効果を確かめるようにした装置が提案されている（例えば特許文献１参照）。その他に、本願発明に関連する先行技術文献として特許文献２及び３が存在する。
特開平４−１５９４３９号公報特開２００３−１０８６９７号公報特開平７−２８５０５号公報

上述した従来の装置は、エンジンモデルの入力条件を単純に変化させて制御効果を確認しているに過ぎない。しかしながら、実際の車両においては制御対象機器に製造公差が存在するため、操作量の指令値に対して実際の操作量がずれ、それに伴ってエンジンの運転状態が変化することがある。また、エンジンモデルにて考慮されている吸入空気量、排気浄化触媒の浄化率といった各種の物理量に関しても、実際のエンジンではそれらの物理量を検出し、あるいは決定付けるエンジン構成部品等の製造公差、大気温度、燃料の物理的特性といった各種のパラメータの相違に伴ってバラツキが生じる。従来の装置では、上述したような操作量のずれ、又は物理量のバラツキといった誤差を加味した制御効果の予測ができていない。従って、制御システムを正しく評価するためには、その制御システムにて実際のエンジンを制御して制御効果を確認する必要がある。このため、制御システムの評価に手間がかかり、開発期間の長期化等の弊害が生じていた。

そこで、本発明はエンジン等の物理的装置を制御するために用意される制御システムの評価に関する手間を軽減できる評価装置、方法等を提供することを目的とする。

本発明の制御システムの評価装置は、物理的装置の制御システムに実装されるべき制御アルゴリズムに従って動作し、前記物理的装置に含まれる所定の制御対象機器の操作量を所定の入力条件に対応して出力する評価対象モデルと、前記制御対象機器の操作の影響を受ける前記物理的装置の状態量を所定の状態量推定条件に対応して推定し、出力する状態量推定モデルと、前記評価対象モデルに前記入力条件を与えて前記操作量を出力させるとともに、前記状態量推定モデルには、前記状態量推定条件として、前記評価対象モデルに与えられた前記入力条件、及び前記評価対象モデルから出力された操作量に加えて、前記状態量の推定において参照されるべき少なくとも一つのパラメータに関する誤差を与えることにより、前記評価対象モデルから出力された操作量に対応する状態量に対して前記誤差の影響を反映させた状態量を前記状態量推定モデルから出力させるモデル制御手段とを備えることにより、上述した課題を解決する（請求項１）。

本発明の評価装置によれば、評価対象モデルが、与えられた入力条件に対応して制御対象機器の操作量を出力する。状態量推定モデルには、状態量推定条件として、評価対象モデルに与えられた入力条件、及び評価対象モデルから出力された操作量に加えて、状態量の推定に使用するパラメータに関する誤差が与えられ、それにより状態量推定モデルからは、評価対象モデルから出力された操作量に対応する状態量に対して誤差の影響を加えた状態量が出力される。これにより、制御システムのロバスト性等の性能について、誤差の影響を含んだ予測が可能となり、制御システムの評価に関する手間を軽減することができる。

本発明の評価装置の一形態において、前記モデル制御手段は、前記入力条件に含まれるパラメータ、又は前記評価対象モデルから出力された操作量に対して前記誤差を与えてもよい（請求項２）。この形態によれば、評価対象モデルに与えられた入力条件又は評価対象モデルから状態量推定モデルに与えられる操作量に誤差があったときの状態量の変化を予測して、その誤差に対する制御システムのロバスト性等を評価することができる。

本発明の評価装置の一形態において、前記評価対象モデルは前記制御対象機器の操作によって制御されるべき状態量を推定してその推定結果を前記状態量の制御に反映させ、前記状態量推定モデルは前記評価対象モデルにて推定される状態量と同種の状態量を推定して出力してもよい（請求項３）。この形態によれば、評価対象モデルが誤差の影響を考慮しない状態量を推定してその推定結果を反映した状態量の制御を行う一方、状態量推定モデルでは誤差の影響を受けた状態量を推定しているので、両モデルの状態量の推定値の差を把握し、状態量推定モデルに与えた誤差と状態量の推定値に現われる差との関係に基づいた制御システムの評価を行うことができる。例えば、誤差に対して状態量の推定値に差が十分に小さい、あるいは差が生じなければ制御アルゴリズムは健全である、といった評価を行うことができる。この形態において、前記評価対象モデルは、さらに当該評価対象モデルにて推定された状態量と前記状態量推定モデルにて推定された状態量との差を当該評価対象モデルにおける前記状態量の推定に反映させてもよい（請求項４）。この形態によれば、評価対象モデルが状態量の推定誤差を検出して、その検出結果を状態量の推定に対して適切に反映させることができるか否かを評価することができる。

本発明の一形態において、前記状態量推定モデルから出力される前記状態量が所定の許容範囲を超える程度又は頻度の少なくともいずれか一方に基づいて、前記誤差が前記評価対象モデルによる前記状態量の制御に与える影響を定量化する解析手段を備えてもよい（請求項５）。この形態によれば、状態量が所定の許容範囲を超える程度又は頻度を定量的かつ客観的に把握して制御システムを評価することができる。

評価対象モデルが状態量の推定機能を有する形態においては、前記評価対象モデル及び前記状態量推定モデルのそれぞれにて推定される状態量の差に基づいて、前記誤差が前記評価対象モデルによる前記状態量の制御に与える影響を定量化する解析手段をさらに備えてもよい（請求項６）。この形態によれば、評価対象モデルが状態量の推定誤差に関する検出結果を状態量の推定に対して適切に反映させることができるか否かを定量的かつ客観的に把握して制御システムを評価することができる。この形態において、前記解析手段は、前記状態量推定モデルから出力される前記状態量が所定の許容範囲を超える程度又は頻度の少なくともいずれか一方をさらに考慮して、前記誤差が前記評価対象モデルによる前記状態量の制御に与える影響を定量化してもよい。これにより、状態量が所定の許容範囲を超える程度又は頻度をさらに考慮して制御システムを評価することができる。

解析手段を備えた形態においては、その解析手段によって定量化された解析結果を所定の表示装置上に表示させる解析結果表示手段をさらに備えてもよい（請求項８）。この形態によれば、表示装置を介して制御システムの評価結果をユーザに適切に提示することができる。さらに、前記解析結果表示手段は、前記解析結果が所定の許容範囲を越えている場合にユーザに所定の強調表示を行ってもよい（請求項９）。このような強調表示を行うことにより、制御システムの問題点をユーザが容易に把握できるようになる。

本発明の評価装置の好適な一形態において、前記物理的装置は自動車用エンジンとすることができる。この場合、前記制御アルゴリズムは前記エンジンと組み合わされるコンピュータとしてのエンジンコントロールユニットに実装可能であり、前記入力条件は前記エンジンの運転条件又は環境条件を決定付けるパラメータ群を含み、前記制御対象機器は前記エンジンの制御のために操作されるエンジン付属機器であってもよい（請求項１０）。

本発明は、物理的装置の制御システムに実装されるべき制御アルゴリズムに従って動作し、前記物理的装置に含まれる所定の制御対象機器の操作量を所定の入力条件に対応して出力する評価対象モデルと組み合わされて前記制御システムを評価するための検証装置として構成されてもよい。その検証装置は、前記制御対象機器の操作の影響を受ける前記物理的装置の状態量を所定の状態量推定条件に対応して推定し、出力する状態量推定モデルと、前記評価対象モデルに前記入力条件を与えて前記操作量を出力させるとともに、前記状態量推定モデルには、前記状態量推定条件として、前記評価対象モデルに与えられた前記入力条件、及び前記評価対象モデルから出力された操作量に加えて、前記状態量の推定において参照されるべき少なくとも一つのパラメータに関する誤差を与えることにより、前記評価対象モデルから出力された操作量に対応する状態量に対して前記誤差の影響を反映させた状態量を前記状態量推定モデルから出力させるモデル制御手段と、を備えることにより、上述した課題を解決する（請求項１１）。

本発明の検証装置によれば、評価対象モデルと組み合わされることによって本発明の評価装置を構成し、それにより、制御システムの制御に関して評価対象モデルで考慮されていない誤差の影響を含んだ予測が可能となり、制御システムの評価に関する手間を軽減することができる。

本発明の制御システムの評価方法は、物理的装置の制御システムに実装されるべき制御アルゴリズムを備えた評価対象モデルに所定の入力条件を与えて該評価対象モデルを動作させることにより、前記物理的装置に含まれる所定の制御対象機器の操作量を前記入力条件に対応して出力させる手順と、前記制御対象機器の操作の影響を受ける前記物理的装置の状態量を推定するように構成された状態量推定モデルに対し、状態量推定条件として、前記評価対象モデルに与えられた前記入力条件、及び前記評価対象モデルから出力された操作量に加えて、前記状態量の推定において参照されるべき少なくとも一つのパラメータに関する誤差を与えて該状態量推定モデルを動作させることにより、前記制御対象機器の操作の影響を受ける前記物理的装置の状態量を所定の状態量推定条件に対応して推定させ、出力させる手順と、を備えることにより、上述した課題を解決する（請求項１２）。

本発明の評価方法によれば、評価対象モデルには入力条件に対応した制御対象機器の操作量を出力させる一方、状態量推定モデルには評価対象モデルから出力された操作量に対応する状態量に対して誤差の影響を加えた状態量を出力させることができる。これにより、制御システムのロバスト性等の性能について、誤差の影響を含んだ予測が可能となり、制御システムの評価に関する手間を軽減することができる。

本発明のコンピュータプログラムは、コンピュータを、物理的装置の制御システムに実装されるべき制御アルゴリズムに従って動作し、前記物理的装置に含まれる所定の制御対象機器の操作量を所定の入力条件に対応して出力する評価対象モデル、前記制御対象機器の操作の影響を受ける前記物理的装置の状態量を所定の状態量推定条件に対応して推定し、出力する状態量推定モデル、及び前記評価対象モデルに前記入力条件を与えて前記操作量を出力させるとともに、前記状態量推定モデルには、前記状態量推定条件として、前記評価対象モデルに与えられた前記入力条件、及び前記評価対象モデルから出力された操作量に加えて、前記状態量の推定において参照されるべき少なくとも一つのパラメータに関する誤差を与えることにより、前記評価対象モデルから出力された操作量に対応する状態量に対して前記誤差の影響を反映させた状態量を前記状態量推定モデルから出力させるモデル制御手段、としてそれぞれ機能させるように構成されることにより、上述した課題を解決する（請求項１３）。

本発明の他のコンピュータプログラムは、物理的装置の制御システムに実装されるべき制御アルゴリズムに従って動作し、前記物理的装置に含まれる所定の制御対象機器の操作量を所定の入力条件に対応して出力する評価対象モデルを備えた評価装置の構成要素としてコンピュータを機能させるためのコンピュータプログラムであって、前記コンピュータを、前記制御対象機器の操作の影響を受ける前記物理的装置の状態量を所定の状態量推定条件に対応して推定し、出力する状態量推定モデル、及び前記評価対象モデルに前記入力条件を与えて前記操作量を出力させるとともに、前記状態量推定モデルには、前記状態量推定条件として、前記評価対象モデルに与えられた前記入力条件、及び前記評価対象モデルから出力された操作量に加えて、前記状態量の推定において参照されるべき少なくとも一つのパラメータに関する誤差を与えることにより、前記評価対象モデルから出力された操作量に対応する状態量に対して前記誤差の影響を反映させた状態量を前記状態量推定モデルから出力させるモデル制御手段、としてそれぞれ機能させるように構成されることにより、上述した課題を解決する（請求項１４）。

本発明の上述した各プログラムをコンピュータにて実行することにより、そのコンピュータを本発明の評価装置又は検証装置として機能させ、あるいは本発明の評価方法をコンピュータによって実施することができる。

以上に説明したように、本発明によれば、評価対象モデルで考慮されていない誤差の影響を反映した状態量を状態量推定モデルから出力させることができるので、制御システムの制御効果について誤差の影響を含んだ予測が可能となる。これにより、制御システムの評価に関する手間を軽減することができ、制御システムの開発期間の短縮、開発コストの低減等を図ることができる。

図１は本発明の一形態に係る評価装置のハードウエア構成を示す図、図２はその評価装置による評価対象の制御システムを備えた物理的装置としての自動車用エンジンの一例を示す図である。まず、図２を参照して評価対象の制御システムを説明する。図２のエンジン１は、吸気通路２から吸気絞り弁３を経てシリンダ４に空気を取り込み、そのシリンダ４に燃料噴射弁５から燃料を噴射して燃料混合気を生成し、その燃料混合気を圧縮して着火させる筒内噴射式の内燃機関として構成されている。シリンダ４からの排気は排気通路６に導かれて排気浄化触媒７により浄化され、その後に大気に排出される。排気通路６には、排気浄化触媒７の再生を目的として、その排気浄化触媒７よりも上流で排気中に燃料を添加する燃料添加弁８が設けられている。

エンジン１にはその運転状態を制御するコンピュータユニットとしてエンジンコントロールユニット（ＥＣＵ）１１が設けられている。ＥＣＵ１１は、エアフローメータ１２が検出する吸入空気量、触媒温度センサ１３が検出する触媒温度等の各種の物理量を入力情報として取り込み、所定のエンジン制御プログラムに従って燃料噴射弁５、燃料添加弁８等の各種のエンジン付属機器（制御対象機器）を操作してエンジン１を目標とする運転状態に制御する。この例では、エンジン制御プログラムを実行するＥＣＵ１１、これに対するエアフローメータ１２、触媒温度センサ１３等の入力機器、及びＥＣＵ１１による制御対象機器としての燃料噴射弁５等の組み合わせが評価対象の制御システムに相当する。なお、図２ではＥＣＵ１１に対する入力機器としてエアフローメータ１２、触媒温度センサ１３が、制御対象機器として燃料噴射弁５及び燃料添加弁８がそれぞれ示されているが、これらは一例である。入力機器としては他にも水温センサ、アクセル開度センサ、クランク角センサ等が設けられ、制御対象機器としては燃料圧制御弁、ＥＧＲ弁等が設けられるが、それらの図示は省略した。

図１を参照して、評価装置２１は、演算装置２２と、演算装置２２に対する入力装置としてのキーボード２３及びマウス２４と、出力装置としてのモニタ２５及びプリンタ２６とを備えている。演算装置２２は例えばマイクロプロセッサ及びその動作に必要な主記憶装置（ＲＡＭ及びＲＯＭ）等の周辺装置を備えたコンピュータユニットとして構成される。例えばパーソナルコンピュータ又はワークステーションを演算装置２２として使用することができる。演算装置２２は不図示の外部記憶装置に記録されたプログラム及びデータを読み込んで所定の処理を実行する。そのプログラムを実行することにより、演算装置２２には、ＥＣＵ相当モデル３１、状態量推定モデル３２、シミュレーション制御部３３、及び解析部３４が論理的装置としてそれぞれ生成される。なお、図１では単一の演算装置２２にＥＣＵ相当モデル３１及び状態量推定モデル３２をそれぞれ生成しているが、同図に破線で示したようにＥＣＵシミュレータ２７をＩＯボード２８を介して演算装置２２と接続し、そのＥＣＵシミュレータ２７内にＥＣＵ相当モデル３１を設けることにより、いわゆるＨＩＬＳ（ＨａｒｄｗａｒｅＩｎｔｈｅＬｏｏｐＳｉｍｕｌａｔｉｏｎの略）手法を用いて評価装置２１を構築してもよい。入力装置及び出力装置は一例であり、これらは適宜に変更してよい。なお、本形態ではシミュレーション制御部３３がモデル制御手段として、解析部３４が解析手段としてそれぞれ機能する。また、状態量推定モデル３２、シミュレーション制御部３３及び解析部３４の組み合わせが本発明の検証装置として機能する。

ＥＣＵ相当モデル３１はＥＣＵ１１に相当する機能を有する論理的なモデルであり、評価装置２１による評価対象モデルに相当する。ＥＣＵ相当モデル３１は、ＥＣＵ１１に実装されるエンジン制御プログラムの制御アルゴリズムに従って動作し、シミュレーション制御部３３から与えられる入力条件に対応してＥＣＵ１１の制御対象機器の操作量やエンジン１に関する各種の状態量を演算し、その演算された操作量及び状態量を出力する。つまり、ＥＣＵ相当モデル３１は、制御対象機器の操作量を決める操作量決定機能と、その操作量に関連するエンジン１の状態量を推定する状態量推定機能とを備えている。

ＥＣＵ相当モデル３１に与えられる入力条件は、エンジン１の運転条件及びエンジン１の環境条件に関連付けて決定される。例えば、図３に示したように、エンジン回転数、車速、アクセル開度、吸入空気量、空燃比（Ａ／Ｆ）、コモンレール圧（燃料噴射圧）、インテークマニホールド圧力（吸気圧）、水温、燃料温度、大気温度、触媒入口ガス温度、及び触媒出口ガス温度等が入力条件を構成するパラメータ群として与えられる。一方、ＥＣＵ相当モデル３１が決定する操作量としては、エンジン１の吸入空気量、過給圧、筒内噴射量、噴射時期、燃料の排気添加量等がある。これらの操作量は制御対象機器の実際の操作量でもよいし、制御対象機器の操作に対応した物理量でもよい。例えば、筒内噴射量に関して言えば、操作量はエンジン１のシリンダ４に噴射される燃料量を決定付ける燃料噴射弁５の開弁時間又はこれと等価な燃料噴射弁５のオンデューティー比等として決定されてもよいし、シリンダ４に噴射されるべき燃料量として決定されてもよい。ＥＣＵ相当モデル３１にて推定する状態量としては、排気ガス温度、触媒床温といったエンジン１の運転状態を示す各種の物理量がある。

状態量推定モデル３２は、ＥＣＵ１１による制御対象機器の操作の影響を推定するために構成されたエンジン仮想モデルである。状態量推定モデル３２は、シミュレーション制御部３３から与えられる状態量推定条件に従って、ＥＣＵ相当モデル３１から出力される操作量に対応したエンジン１の状態量を推定し、その推定結果を出力する。推定される状態量はＥＣＵ相当モデル３１にて推定される状態量と同種である。例えば排気ガス温度、触媒床温等の物理量が状態量推定モデルにおいても推定される。なお、エンジン１のモデル化には公知の様々な手法を用いてよい。

状態量推定モデル３２はＥＣＵ相当モデル３１と同等の精度で状態量を推定するものでもよいし、ＥＣＵ相当モデル３１よりも高い精度で状態量を推定するものでもよい。状態量推定条件は、ＥＣＵ相当モデル３１に与えられる入力条件を構成するパラメータ群（図３参照）と、ＥＣＵ相当モデル３１から出力される操作量と、ＥＣＵ相当モデル３１が状態量を推定する際に考慮していない誤差とをパラメータとしてそれぞれ含む。誤差は入力条件に含まれるパラメータに加えられるものでもよいし、ＥＣＵ相当モデル３１から出力される操作量に加えられるものでもよい。さらに、誤差は状態量推定モデルが状態量の推定に際して参照する内部パラメータに加えられるものでもよい。

図４に誤差の一例を示す。この例では、燃料の筒内噴射量、エアフローメータ１２が検出する空気量（ＡＦＭ検出空気量）、燃料の排気添加量、触媒熱容量、燃料付着率、燃料蒸発率、触媒浄化率、及びＨＣ低位発熱量のそれぞれに関して誤差を与えることができる。筒内噴射量及び排気添加量はＥＣＵ相当モデル３１から出力される操作量であり、ＡＦＭ検出空気量はＥＣＵ相当モデル３１に与えられる入力条件を構成するパラメータである。触媒熱容量、燃料付着率、燃料蒸発率、触媒浄化率、ＨＣ低位発熱量は状態量推定モデル３２が床温等の状態量を推定する際に使用する内部パラメータである。これらの内部パラメータは、ＥＣＵ相当モデル３１に内部パラメータとして設けられたものでもよいし、ＥＣＵ相当モデル３１には内部パラメータとして設けられていないものでもよい。つまり、状態量推定モデル３２はＥＣＵ相当モデル３１よりも多い内部パラメータを参照して状態量を推定してもよく、状態量推定モデル３２に与えられる誤差は状態量推定モデル３２のみが参照する内部パラメータに加えられるものでもよい。

シミュレーション制御部３３は、モデル３１、３２に対する入力信号の生成、モデル３１、３２の動作制御、モデル３１、３２からの出力（操作量又は状態量）の取り込み、解析部３４の解析動作の制御、ユーザに対するインターフェースの提供といったシミュレーションの全体制御を担当する。一例として、シミュレーション制御部３３は、入力装置に対するユーザの操作に応じて入力条件及び状態量推定条件を設定し、それぞれの条件をＥＣＵ相当モデル３１及び状態量推定モデル３２に与えてこれらを動作させる。また、シミュレーション制御部３３はモデル３１、３２から出力された状態量を受け取って解析部３４に渡し、解析部３４から解析結果を受け取ってモニタ２５等に出力する。あるいは、シミュレーション制御部３３は、図３に示した入力条件及び図４に示した誤差のそれぞれの設定画面をモニタ２５に表示させ、ユーザがこれらを設定できる環境を提供する。但し、入力条件や誤差の設定は演算装置２２によって自動的に実行されてもよい。

解析部３４は各モデル３１、３２から出力される状態量をシミュレーション結果としてシミュレーション制御部３３から受け取り、そのシミュレーション結果を所定の解析手法によって解析し、その解析結果をシミュレーション制御部３３に出力する。解析手法としては例えばＦＭＥＡ手法が用いられる。ＦＭＥＡ手法を用いた解析例は後述する。なお、図１では解析部３４をシミュレーション制御部３３とは別に示しているが、シミュレーション制御部３３に解析部３４が包含されてもよい。シミュレーション制御部３３は、例えばハードウエアとしてのコンピュータユニットにＭＡＴＬＡＢ／Ｓｉｍｕｌｉｎｋ（登録商標）といったシミュレーションツールソフトウエアを組み合わせることにより実現することができる。

次に、図５〜図１１を参照して、ＥＣＵ１１の床温制御機能を評価する場合の評価装置２１の処理を説明する。図５は床温制御機能を評価する際のＥＣＵ相当モデル３１及び状態量推定モデル３２に対する入出力、及びこれらのモデル３１、３２における内部処理を示すブロックダイアグラムである。この例では、ＥＣＵ相当モデル３１に対して床温推定に必要なパラメータ群の一部として機関回転数及び燃料噴射量（筒内噴射量）が与えられる。これらのパラメータは入力条件の一部を構成する。入力条件を構成する他のパラメータは図示を省略している。

ＥＣＵ相当モデル３１では、まず排気温度推定部４１が、与えられた機関回転数及び燃料噴射量に対応する排気温度を排気温度推定マップ等を参照して推定する。推定された排気温度は燃料添加部４２に与えられる。燃料添加部４２は、与えられた排気温度及び燃料噴射量に基づいて目標床温を求め、触媒７の温度をその目標床温に制御するために燃料添加弁８から添加すべき燃料添加量を燃料添加弁８に対する操作量として演算する。演算された燃料添加量は床温推定部４３に与えられる。床温推定部４３は、与えられた燃料添加量に対応する床温を所定の床温推定ロジックに従って推定する。床温の推定に際しては、例えば触媒熱容量等の内部パラメータが参照されるがそれらの図示は省略している。床温推定部４３が推定した床温はＥＣＵ相当モデル３１からエンジン１に関する状態量として出力される。床温推定部４３にて推定された床温は燃料添加部４２にフィードバックされる。燃料添加部４２はフィードバックされた推定床温と、排気温度に基づいて決定される目標床温との差を学習して添加量決定のための制御アルゴリズムを適宜修正する。これにより、床温推定部４３が推定した床温が燃料添加弁８の操作を介した触媒床温の制御に反映される。

状態量推定モデル３２に対しては、床温推定に必要なパラメータとして、機関回転数及び燃料噴射量が状態量推定条件の一部として与えられる。機関回転数はＥＣＵ相当モデル３１に与えられた値と同一の値に設定される。一方、燃料噴射量に対しては、ＥＣＵ相当モデル３１に与えられた値に対して所定の誤差を加えた値が与えられる。状態量推定モデル３２では、まず排気温度推定部５１が、与えられた機関回転数及び燃料噴射量（但し誤差を含む値）に対応する排気温度を排気温度推定マップ等を参照して推定する。排気温度推定部５１にて推定された排気温度は床温推定に必要なパラメータ群の一部として床温推定部５２に与えられる。床温推定部５２には、床温推定に必要なパラメータ群の一部として、ＥＣＵ相当モデル３１の燃料添加部４２にて演算された燃料添加量がさらに与えられる。すなわち、ＥＣＵ相当モデル３１にて決定された燃料添加量は、状態量推定条件を構成するパラメータとして状態量推定モデル３２に与えられる。

床温推定部５２は、与えられた排気温度及び燃料添加量に対応する床温を所定の床温推定ロジックに従って推定する。床温の推定に際しては例えば触媒熱容量等の内部パラメータが参照されるがそれらの図示は省略している。床温推定部５２が推定した床温は状態量推定モデル３２からエンジン１の状態量として出力される。床温推定部５２にて推定された床温はＥＣＵ相当モデル３１にフィードバックされる。ＥＣＵ相当モデル３１では、状態量推定モデル３２から与えられた床温と、ＥＣＵ相当モデル３１の床温推定部４３が推定した床温との差が検出され、その差が床温推定部４３にフィードバックされる。床温推定部４３はフィードバックされた床温の差を学習して床温推定のための制御アルゴリズム（床温推定ロジック）を適宜に修正する。

以上の処理によれば、ＥＣＵ相当モデル３１からは燃料噴射量に誤差がない場合の床温推定値が出力され、状態量推定モデル３２からは燃料噴射量に誤差があった場合の床温推定値が出力される。これらの床温推定値を比較することにより、燃料噴射量に関するＥＣＵ１１の認識のずれが床温制御に与える影響をＥＣＵ相当モデル３１が検出できるか否かを評価し、燃料噴射量の誤差に対する制御システムの床温制御機能のロバスト性（頑強性）を判断することができる。状態量推定モデル３２が推定した床温がＥＣＵ相当モデル３１にフィードバックされて床温推定ロジックが修正されることを考慮すれば、ＥＣＵ相当モデル３１が推定した床温に対して状態量推定モデル３２が推定した床温が高温側にずれる場合には、ＥＣＵ相当モデル３１の制御アルゴリズムが燃料噴射量の誤差の影響を検出できていないことになり、燃料噴射量の誤差に対する制御システムのロバスト性は相対的に低いと評価することができる。あるいは、一定の時間内で床温推定値に差が生じる頻度が大きいほどロバスト性は相対的に低いと評価することができる。さらに、状態量推定モデル３２が推定する床温の絶対値が高いほどロバスト性は相対的に低いと評価することができる。

図５では燃料噴射量に対して誤差を設定したが、図中に破線で示すように状態量推定モデル３２の排気温度推定部５１又は床温推定部５２の内部パラメータに関する誤差、又はＥＣＵ相当モデル３１から状態量推定モデル３２に与えられる燃料添加量に対して誤差を与えることにより、その誤差に対する制御システムのロバスト性を評価することもできる。なお、排気温度推定部５１及び床温推定部５２のそれぞれの推定精度はＥＣＵ相当モデル３１の排気温度推定部４１及び床温推定部４３のそれらと同等でもよいし、高精度でもよい。図５ではＥＣＵ相当モデル３１の外部から燃料噴射量を入力しているが、ＥＣＵ相当モデル３１が入力条件に基づいて燃料噴射量を演算し、これを排気温度推定部４１、５１のそれぞれに与えてもよい。

図６は、床温制御機能の評価に関する上記の処理を実行するためにシミュレーション制御部３３が実行する床温制御機能評価ルーチンを示すフローチャートである。図６のルーチンにおいて、シミュレーション制御部３３は最初のステップＳ１でＥＣＵ相当モデル３１及び状態量推定モデル３２に初期条件を入力し、続くステップＳ２では入力条件に従ってＥＣＵ相当モデル３１及び状態量推定モデル３２を動作させる。なお、ＥＣＵ相当モデル３１には図３に示した入力条件が与えられ、状態量推定モデル３２にはＥＣＵ相当モデル３１に与えた入力条件と図４に示した誤差とが与えられる。次のステップＳ３において、シミュレーション制御部３３はＥＣＵ相当モデル３１から燃料添加量を操作量として取得し、続くステップＳ４で状態量推定モデル３２にその操作量を与える。なお、操作量に誤差を与える場合にはステップＳ１に代えてステップＳ４で誤差を加えればよい。

次のステップＳ５においてシミュレーション制御部３３は各モデル３１、３２から出力される床温推定値を取得する。続くステップＳ６にてシミュレーション制御部３３は状態量推定モデル３２から出力された床温推定値をＥＣＵ相当モデル３１にフィードバックし、さらにステップＳ７でシミュレーション結果、この場合にはそれぞれのモデル３１、３２が出力した床温推定値を解析部３４に渡す。さらにステップＳ８でシミュレーションが終了したか否か、すなわちシミュレーションが予め指定された時間継続されたか否かを判断する。シミュレーション終了でなければステップＳ９へ進み、その時点におけるＥＣＵ相当モデル３１の操作量、状態量推定モデル３２の状態量を反映して各モデルへの入力条件を更新し、その後にステップＳ３へ戻る。シミュレーション終了と判断した場合にはモデルを停止させてルーチンを終える。

図７は解析部３４が実行するＦＭＥＡ手法に基づくシミュレーション結果解析ルーチンの一例を示す。このルーチンは所定のサンプリング周期で繰り返し実行される。シミュレーション結果解析部３４は最初のステップＳ１１で状態量推定モデル３２が出力した床温推定値をモニタしてそのピーク値を取得し、これを記憶する。続くステップＳ１２では床温ピーク値の危険度を評価し、その評価結果を演算装置２２の内部メモリに記憶する。危険度は、図８に示すように床温を温度範囲に応じて１〜５の５段階に分け、取得した床温ピーク値がいずれの温度範囲に属するかによって定量的に評価される。例えば床温ピーク値が７２０°Ｃであれば危険度は２と評価される。図７に戻り、続くステップＳ１３では、ステップＳ１１で取得した床温ピーク値が触媒７の上限温度として設定された所定温度（この例では７００°Ｃ）を越える過昇温（ＯＴ）状態が生じているか否かを判断し、過昇温が生じていると判断した場合には演算装置２２の内部メモリに確保されたＯＴ回数カウンタの値に１を加算する。過昇温が生じていない場合にはステップＳ１４をスキップする。

次のステップＳ１５ではＯＴ回数カウンタの値に基づいてＯＴ頻度を評価し、その評価結果を記憶する。ＯＴ頻度は図９に示すようにＯＴカウンタの値（回数）を１〜５の５段階に分け、現在のＯＴカウンタの値がいずれの範囲に属するかによって定量的に評価される。例えばＯＴ回数カウンタの値が５であればＯＴ頻度は３と評価される。図７に戻り、続くステップＳ１６では、それぞれのモデル３１、３２から出力された床温推定値の差を床温推定誤差として取得する。ここではＥＣＵ相当モデル３１の床温推定値から状態量推定モデル３２の床温推定値を差し引いた値を床温推定誤差とする。続くステップＳ１７では床温推定誤差の検出度を評価し、その評価結果を演算装置２２の内部メモリに記憶する。検出度は、図１０に示すように床温推定誤差を温度範囲に応じて１〜５の５段階に分け、ステップＳ１６で取得した誤差がいずれの範囲に属するかによって定量的に評価される。例えば、床温推定誤差が−２８°Ｃであれば検出度は３と評価される。

図７に戻り、続くステップＳ１８では、シミュレーションが終了したか否かを判断し、終了していなければ今回のルーチンを終える。シミュレーションが終了したと判断した場合にはステップＳ１９へ進み、ステップＳ１２で求めた危険度、ステップＳ１４で求めた頻度及びステップＳ１７で求めた検出度を掛け合わせてＲＰＮ（ＲｉｓｋＰｒｉｏｒｉｔｙＮｕｍｂｅｒの略）を演算し、その演算結果をシミュレーション制御部３３へ出力する。このＲＰＮの演算によりルーチンを終える。

シミュレーション制御部３３は、解析部３４が演算した危険度、ＯＴ頻度、検出度、ＲＰＮ等を所定のフォームでモニタ２５等へ出力する。図１１はシミュレーション結果の表示例を示している。この例では、状態量推定モデル３２に対して何ら誤差を与えない場合を中央条件として、誤差の組み合わせに応じて条件１〜条件５までシミュレーションが実行され、それぞれの条件に対応付けて床温ピーク値（床温ＭＡＸ）、危険度、ＯＴ回数、頻度、推定誤差、検出度及びＲＰＮが表示されている。なお、条件１及び条件２ではそれぞれ筒内噴射量に対して１ｍｍ^３／ＳＴ（一行程）、−１ｍｍ^３／ＳＴの誤差が与えられ、条件３では吸入空気量の検出値に対して＋５％の誤差が与えられ、条件４では筒内噴射量に対して１ｍｍ^３／ＳＴの誤差が、吸入空気量の検出値に対して＋６％の誤差がそれぞれ与えられ、条件５では触媒熱容量に対して−１０％の誤差が、触媒浄化率に対して＋２０％の誤差が与えられている。誤差が与えられた項目は着色、点滅等によって表示態様が変更されてもよい。また、ＲＰＮに関しては条件２において３６、条件５で１２となり、これらの条件に対して制御システムのロバスト性が低いことが示されている。こうしたロバスト性の低いＲＰＮに関しても表示態様が変更されてもよい。例えば、所定の許容範囲を超えるＲＰＮを示した条件をシミュレーション制御部３３が抽出して、その条件に対して何らかの強調表示を行ってもよい。

以上の解析処理を行うことにより、燃料噴射量の誤差がＥＣＵ相当モデル３１の床温制御に与える影響を、床温の絶対値、過昇温の発生頻度、床温の推定誤差という３つの観点から定量化して、ＥＣＵ相当モデル３１が表現している制御システムの燃料噴射量誤差に対するロバスト性を客観的に評価することができる。ロバスト性が低い条件に対して制御システムの床温制御機能を見直すべきであることをシミュレーション結果から導き出すことができる。図１１の例では、条件２のシミュレーション結果から、筒内噴射量がマイナス方向にずれた場合の制御性能を改善する必要があることが理解できる。この場合には筒内噴射量の制御精度に関連する見直しが必要である。筒内噴射量の制御精度を改善するためには、例えば、筒内噴射量の制御に関するアルゴリズムの高精度化、あるいは、燃料噴射弁５又は燃料噴射圧を制御するプレッシャレギュレータといったハードウエアの製造公差の見直し、筒内噴射量の誤差の検出機構の追加とその検出結果に応じたフィードバック制御の追加等の対策が考えられる。条件５に関しては触媒７の製造公差の見直し、高品質化等の対策が考えられる。

図５〜図１１では触媒７の床温制御に関するロバスト性の評価を例に挙げたが、上記の形態によれば、ＥＣＵ１１の制御対象となる種々の機器に関するＥＣＵ１１の操作量をＥＣＵ相当モデル３１から出力させ、その操作量と状態量に影響する各種の誤差とを状態量推定モデル３２に与えてエンジン１の誤差の影響を反映した状態量を推定させることにより、エンジン１の制御システムにおける各種の制御機能を評価することができる。

本発明は上述した形態に限ることなく、種々の形態にて実施することができる。例えば、上記の形態ではＥＣＵ相当モデル３１でも床温等の状態量を推定し、これを状態量推定モデル３２が推定する値と比較してロバスト性を評価したが、ＥＣＵ相当モデルから操作量を出力させ、その操作量に対応した状態量を状態量推定モデルが推定する関係が維持される限りにおいて、ＥＣＵ相当モデルが状態量推定機能を有しない場合でも本発明は適用できる。例えば床温制御機能を評価する場合には状態量推定モデルから出力される床温に基づいて過昇温の発生頻度、床温の許容範囲からの上昇量等を求め、それにより床温制御機能の適否を評価してもよい。ＥＣＵ相当モデルが床温等の状態量のフィードバック制御機能を有していない、いわゆるオープンループ制御タイプのモデルであったとしても、状態量推定モデルが推定する状態量に基づいて上記と同様に過昇温の発生頻度、床温の許容範囲からの上昇量を求め、その結果からフィードバック制御系の追加の要否を判断することもできる。シミュレーション結果の解析はＦＭＥＡ手法に限らず、各種の手法を用いてよい。

上記の形態では自動車エンジンの制御システムを例に挙げたが、本発明はエンジンに限らず各種の物理的装置の制御システムの評価に適用できる。例えば自動車のＡＢＳ、シャシ制御、姿勢制御等の各種の制御システムに本発明は適用でき、さらには、物理的装置は自動車に組み込まれるものに限らず、航空機、船舶、ロボット、工作機械、プラント設備、発電プラント等の様々な装置を本発明の対象とすることができる。

本発明の一形態に係る評価装置のハードウエア構成を示す図。図１の評価装置にて評価される対象となる制御システムによって制御される自動車用エンジンの概要を示す図。ＥＣＵ相当モデルに対する入力条件をの例を示す図。状態量推定モデルに対して与える誤差の例を示す図。触媒の床温制御機能を図１の評価装置にて評価する際の各モデルのに対する入力及び出力と、各モデルにおける内部処理を示すブロックダイアグラム。図５の処理を実現するためにシミュレーション制御部が実行する床温制御機能評価ルーチンを示すフローチャート。図６の処理に対応して解析部が実行するシミュレーション結果解析ルーチンを示すフローチャート。状態量推定モデルにて推定された床温の危険度を定量的に評価するための評価区分を示す図。状態量推定モデルにて推定された床温が許容範囲を超えた頻度を定量的に評価するための評価区分を示す図。ＥＣＵ相当モデル及び状態量推定モデルがそれぞれ推定した床温の差に関するＥＣＵ相当モデルの検出度を定量的に評価するための区分を示す図。解析部の解析結果の表示例を示す図。

符号の説明

１エンジン（物理的装置）
５燃料噴射弁（制御対象機器）
８燃料添加弁（制御対象機器）
２１評価装置
２２演算装置
２７ＥＣＵシミュレータ
３１ＥＣＵ相当モデル（評価対象モデル）
３２状態量推定モデル
３３シミュレーション制御部（モデル制御部）
３４解析部（解析手段）
４１排気温度推定部
４２燃料添加部
４３床温推定部
５１排気温度推定部
５２床温推定部

Claims

物理的装置の制御システムに実装されるべき制御アルゴリズムに従って動作し、前記物理的装置に含まれる所定の制御対象機器の操作量を所定の入力条件に対応して出力する評価対象モデルと、
前記制御対象機器の操作の影響を受ける前記物理的装置の状態量を所定の状態量推定条件に対応して推定し、出力する状態量推定モデルと、
前記評価対象モデルに前記入力条件を与えて前記操作量を出力させるとともに、前記状態量推定モデルには、前記状態量推定条件として、前記評価対象モデルに与えられた前記入力条件、及び前記評価対象モデルから出力された操作量に加えて、前記状態量の推定において参照されるべき少なくとも一つのパラメータに関する誤差を与えることにより、前記評価対象モデルから出力された操作量に対応する状態量に対して前記誤差の影響を反映させた状態量を前記状態量推定モデルから出力させるモデル制御手段と、
を備えたことを特徴とする制御システムの評価装置。
前記モデル制御手段は、前記入力条件に含まれるパラメータ、又は前記評価対象モデルから出力された操作量に対して前記誤差を与えることを特徴とする請求項１に記載の評価装置。
前記評価対象モデルは前記制御対象機器の操作によって制御されるべき状態量を推定してその推定結果を前記状態量の制御に反映させ、
前記状態量推定モデルは前記評価対象モデルにて推定される状態量と同種の状態量を推定して出力することを特徴とする請求項１に記載の評価装置。
前記評価対象モデルは、当該評価対象モデルにて推定された状態量と前記状態量推定モデルにて推定された状態量との差を当該評価対象モデルにおける前記状態量の推定に反映させることを特徴とする請求項３に記載の評価装置。
前記状態量推定モデルから出力される前記状態量が所定の許容範囲を超える程度又は頻度の少なくともいずれか一方に基づいて、前記誤差が前記評価対象モデルによる前記状態量の制御に与える影響を定量化する解析手段を備えたことを特徴とする請求項１に記載の評価装置。
前記評価対象モデル及び前記状態量推定モデルのそれぞれにて推定される状態量の差に基づいて、前記誤差が前記評価対象モデルによる前記状態量の制御に与える影響を定量化する解析手段を備えたことを特徴とする請求項３又は４に記載の評価装置。
前記解析手段は、前記状態量推定モデルから出力される前記状態量が所定の許容範囲を超える程度又は頻度の少なくともいずれか一方をさらに考慮して、前記誤差が前記評価対象モデルによる前記状態量の制御に与える影響を定量化することを特徴とする請求項６に記載の評価装置。
前記解析手段によって定量化された解析結果を所定の表示装置上に表示させる解析結果表示手段をさらに備えていることを特徴とする請求項５〜７のいずれか一項に記載の評価装置。
前記解析結果表示手段は、前記解析結果が所定の許容範囲を越えている場合にユーザに所定の強調表示を行うことを特徴とする請求項８に記載の評価装置。
前記物理的装置が自動車用エンジンであり、前記制御アルゴリズムが前記エンジンと組み合わされるコンピュータとしてのエンジンコントロールユニットに実装可能であり、前記入力条件は前記エンジンの運転条件又は環境条件を決定付けるパラメータ群を含み、前記制御対象機器は前記エンジンの制御のために操作されるエンジン付属機器であることを特徴とする請求項１〜９のいずれか一項に記載の評価装置。
物理的装置の制御システムに実装されるべき制御アルゴリズムに従って動作し、前記物理的装置に含まれる所定の制御対象機器の操作量を所定の入力条件に対応して出力する評価対象モデルと組み合わされて前記制御システムを評価するための検証装置であって、
前記制御対象機器の操作の影響を受ける前記物理的装置の状態量を所定の状態量推定条件に対応して推定し、出力する状態量推定モデルと、
前記評価対象モデルに前記入力条件を与えて前記操作量を出力させるとともに、前記状態量推定モデルには、前記状態量推定条件として、前記評価対象モデルに与えられた前記入力条件、及び前記評価対象モデルから出力された操作量に加えて、前記状態量の推定において参照されるべき少なくとも一つのパラメータに関する誤差を与えることにより、前記評価対象モデルから出力された操作量に対応する状態量に対して前記誤差の影響を反映させた状態量を前記状態量推定モデルから出力させるモデル制御手段と、
を備えたことを特徴とする制御システムの検証装置。
物理的装置の制御システムに実装されるべき制御アルゴリズムを備えた評価対象モデルに所定の入力条件を与えて該評価対象モデルを動作させることにより、前記物理的装置に含まれる所定の制御対象機器の操作量を前記入力条件に対応して出力させる手順と、
前記制御対象機器の操作の影響を受ける前記物理的装置の状態量を推定するように構成された状態量推定モデルに対し、状態量推定条件として、前記評価対象モデルに与えられた前記入力条件、及び前記評価対象モデルから出力された操作量に加えて、前記状態量の推定において参照されるべき少なくとも一つのパラメータに関する誤差を与えて該状態量推定モデルを動作させることにより、前記制御対象機器の操作の影響を受ける前記物理的装置の状態量を所定の状態量推定条件に対応して推定させ、出力させる手順と、
を備えたことを特徴とする制御システムの評価方法。
コンピュータを、
物理的装置の制御システムに実装されるべき制御アルゴリズムに従って動作し、前記物理的装置に含まれる所定の制御対象機器の操作量を所定の入力条件に対応して出力する評価対象モデル、
前記制御対象機器の操作の影響を受ける前記物理的装置の状態量を所定の状態量推定条件に対応して推定し、出力する状態量推定モデル、及び
前記評価対象モデルに前記入力条件を与えて前記操作量を出力させるとともに、前記状態量推定モデルには、前記状態量推定条件として、前記評価対象モデルに与えられた前記入力条件、及び前記評価対象モデルから出力された操作量に加えて、前記状態量の推定において参照されるべき少なくとも一つのパラメータに関する誤差を与えることにより、前記評価対象モデルから出力された操作量に対応する状態量に対して前記誤差の影響を反映させた状態量を前記状態量推定モデルから出力させるモデル制御手段、
としてそれぞれ機能させるように構成されたことを特徴とするコンピュータプログラム。
物理的装置の制御システムに実装されるべき制御アルゴリズムに従って動作し、前記物理的装置に含まれる所定の制御対象機器の操作量を所定の入力条件に対応して出力する評価対象モデルを備えた評価装置の構成要素としてコンピュータを機能させるためのコンピュータプログラムであって、前記コンピュータを、
前記制御対象機器の操作の影響を受ける前記物理的装置の状態量を所定の状態量推定条件に対応して推定し、出力する状態量推定モデル、及び
前記評価対象モデルに前記入力条件を与えて前記操作量を出力させるとともに、前記状態量推定モデルには、前記状態量推定条件として、前記評価対象モデルに与えられた前記入力条件、及び前記評価対象モデルから出力された操作量に加えて、前記状態量の推定において参照されるべき少なくとも一つのパラメータに関する誤差を与えることにより、前記評価対象モデルから出力された操作量に対応する状態量に対して前記誤差の影響を反映させた状態量を前記状態量推定モデルから出力させるモデル制御手段、
としてそれぞれ機能させるように構成されたことを特徴とするコンピュータプログラム。