JP5621744B2 - 車載動力プラントの制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、車載動力プラントの制御装置に関し、詳しくは、車載動力プラントの状態量に課せられた制約条件が満足されるようにリファレンスガバナを用いて目標値を整形する制御装置に関する。

プラントの制御においては、アクチュエータの操作量やプラントの状態量に関してハード上の或いは制御上の様々な制約が存在している。それらの制約が満たされない場合、ハードの破損や制御性能の低下が生じるおそれがある。このため、プラントの制御装置を設計する際には、所望の応答性能を得ることに加えて上記制約を満たすことが同時に求められている。リファレンスガバナはそのような要求を満たすための１つの手段である。リファレンスガバナによれば、制御システムに入力される目標値を整形することによって制約を満足させることができる。

リファレンスガバナをプラントの制御に適用した発明の例としては、特開２０１０−２５３５０１号公報に開示された発明を挙げることができる。この公報に開示された発明は、多段圧延装置の圧延スタンドで圧延される圧延材の張力制御方法に関する発明である。この発明によれば、圧延材の張力の時間変化を規定した目標軌道データがリファレンスガバナによって予め演算される。そして、圧延材の張力実績値と目標軌道データとの偏差に基づいて圧延材の張力が制御される。

特開２０１０−２５３５０１号公報 llya Kolmanovsky 著"Nonlinear tracking control in the presence of state and control constraints: a generalized reference governor" Automatica学会，Volume 38(2002年)

上記公報に開示された発明では、リファレンスガバナによるオフライン計算が行われている。多段圧延装置における圧延材の張力の目標値は予め与えられているため、リファレンスガバナによる目標値の整形はオフラインで行うことができる。しかし、プラントの種類によっては、オフライン計算ではなくオンライン計算が必要とされる場合がある。具体的には、エンジン、ハイブリッドシステム或いは燃料電池システムといった車両に搭載される動力プラントである。これらの車載動力プラントでは、車両の運転状態や運転条件によって刻々と目標値が変化することから、制約を満たすためにはオンライン計算による目標値の整形が必要となる。

車載動力プラントにおいて課せられる制約には、制御量である状態量に関して課せられる制約が含まれる。例えば、車載動力プラントがディーゼルエンジンの場合、制御量である過給圧には、燃費の観点からの制約やハードの信頼性の観点からの制約が課せられる。リファレンスガバナによるオンライン計算によれば、過給圧の将来の軌道を予測し、過給圧に課せられる制約を満足するように目標値を整形することができる。ただし、リファレンスガバナのオンライン計算にかかる計算量は多大であるのに対して、車載される制御装置の演算能力に余裕はない。このため、リファレンスガバナによるオンライン計算を車載の制御装置に実装する場合、制御装置には多大な演算負荷がかかってしまう。

本発明は、上述のような問題に鑑みてなされたもので、車載動力プラントの状態量に課せられた制約条件が満足されるようにリファレンスガバナを用いて目標値を整形するにあたり、状態量の将来の軌道の予測に要する演算負荷を低減することを目的とする。

上記の目的を達成するため、本発明の１つの形態によれば、車載動力プラントの制御装置はフィードバックコントローラとリファレンスガバナとを備える。フィードバックコントローラは、特定状態量の実値を目標値に近づけるようにフィードバック制御によってアクチュエータの操作量を決定する。リファレンスガバナは、フィードバック制御にかかる閉ループ系の動特性が「むだ時間＋２次振動系」でモデル化されたプラントモデルを用いて特定状態量の将来の軌道を予測し、特定状態量に課せられる制約を満足するように目標値を整形する。本制御装置によれば、リファレンスガバナにおける予測長は、プラントモデルにおけるむだ時間と２次振動系の振動周期の半分の時間との合計時間に設定される。

リファレンスガバナにおける予測長をプラントモデルにおけるむだ時間と２次振動系の振動周期の半分の時間との合計時間に設定したことで、特定状態量の将来の軌道の予測のために不必要に長い計算が行われることはない。よって、本発明によれば、車載動力プラントの制御装置にかかる演算負荷を低減することができる。

本発明の実施の形態１としてのディーゼルエンジンの過給圧追従制御構造を示す図である。 図１に示す過給圧追従制御構造の閉ループ系の動特性を示す図である。 本発明の実施の形態２としてのガソリンエンジンの充填効率追従制御構造を示す図である。

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。

本発明の実施の形態１にかかる車載動力プラントはディーゼルエンジン、詳しくは、可変容量ターボチャージャー付きディーゼルエンジンである。可変容量ターボチャージャーには可変ノズルが備えられている。ディーゼルエンジンの制御装置は、可変ノズルを操作することによって過給圧を制御する。詳しくは、制御装置は、エンジン回転数とエンジン負荷を含む種々の運転条件に過給圧を関連付けたマップを備えている。制御装置は、このマップを用いて過給圧の目標値を決定し、過給圧センサにより計測された過給圧の実値が目標値になるように可変ノズルを操作して過給圧を制御する。

図１は本発明の実施の形態１の制御装置が有するディーゼルエンジンの過給圧追従制御構造を示す図である。実施の形態１の制御装置２は、リファレンスガバナ４とフィードバックコントローラ６とを備える。リファレンスガバナ４は、ハード上及び制御上の制約を満たすようにオンライン計算で過給圧の目標値を整形する。フィードバックコントローラ６は、過給圧センサにより得られた過給圧の実値をリファレンスガバナ４で整形された目標値（修正目標値）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１０の可変ノズル開度（ＶＮ開度）の指令値を決定する。フィードバックコントローラ６の仕様には限定はなく、公知のコントローラを用いることができる。一方、リファレンスガバナ４の仕様には以下に説明するような限定がある。

リファレンスガバナ４は、種々の制約を満たすように過給圧の目標値を整形する。それら制約のうちの１つが過給圧に課せられる制約である。排気ガス性能、ドライバビリティ、燃費性能、或いはハードの信頼性といった様々な観点からの制約が過給圧に課せられる。リファレンスガバナ４は、過給圧の将来の軌道を予測し、過給圧に課せられる制約を満足するように目標値を整形する。より詳しくは、リファレンスガバナ４はＮステップ先までの目標値の軌道データＰ_ref(l)｛ｌ＝１，２・・・Ｎ｝、すなわち、過給圧の将来の軌道をディーゼルエンジン１０のプラントモデルを用いて予測する。このプラントモデルでは、過給圧のフィードバック制御にかかる閉ループ系の動特性が「むだ時間＋２次振動（２次遅れ）系」でモデル化されている。このプラントモデルのモデル式は、次の式１に示す伝達関数によって表される。式１において、“Ｇ(S)”は伝達関数、“Ｌ”はむだ時間、“ω_n”は自然角周波数、“Ｋ”は係数、“ζ”は減衰係数である。

図２の時間図には、式２で表されるプラントモデルを用いて予測した過給圧の軌道と、制御系に入力された目標値（整形前の目標値）の軌道と、過給圧に課せられた制約である上限値とが示されている。プラントモデルを用いて過給圧の将来の軌道を予測する範囲、すなわち、予測長が長くなるほど、制御装置２にかかる演算負荷は大きくなる。よって、予測長はできる限り短くしたい。図２では、過給圧の予測値が上限値を超える時点、すなわち、制約を満たさなくなる時点はＡ点であるので、このＡ点までの時間を予測長とすれば予測長を最小にすることができる。しかし、Ａ点は条件によって変化するので、予め適合によってＡ点を探す場合には適合作業のために多大な労力を要することになり、また、オンライン計算によりＡ点を探す場合にはかえって演算負荷が増大してしまう。

そこで、リファレンスガバナ４では、過給圧の予測値が最高圧となるＢ点までの時間を予測長とする。Ｂ点までの時間は、図２中に示すように、むだ時間“Ｌ”と２次振動系の振動周期の半分の時間“Ｔ/２”との合計時間として特定される。次の式２は、リファレンスガバナ４による予測長を計算するための式である。前述のＰ_ref(l)の計算を行うステップ数“Ｎ”は、式２で計算される予測長を満たすように決定される。

むだ時間Ｌと振動周期Ｔはともに予め特定しておくことができるので、Ｂ点の探索のために演算負荷が増大することはない。また、過給圧が制約を満たさなくなるＡ点は現在からＢ点までの範囲に存在するので、Ｂ点までの時間を予測長とすることで、過給圧が制約を満たさなくなる時点を確実に予測範囲に収めることができる。さらに、Ｂ点までの時間を予測長とすれば、不必要に長い計算が行われることもない。よって、リファレンスガバナ４による予測長を上記のように設定することで、過給圧の将来の軌道の予測に要する演算負荷を低減することができる。

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。

本発明の実施の形態２にかかる車載動力プラントはガソリンエンジンである。ガソリンエンジンの制御装置は、スロットルを操作することによって充填効率を制御する。詳しくは、制御装置は、エンジン回転数とエンジン負荷を含む種々の運転条件に充填効率を関連付けたマップを備えている。制御装置は、このマップを用いて充填効率の目標値を決定し、充填効率の推定値が目標値になるようにスロットルを操作して充填効率を制御する。充填効率の推定値は、スロットルの動作に対する筒内空気量の応答を流体力学等に基づいてモデル化したエアモデル（吸気系の物理モデル）を用いて計算される。

図３は本発明の実施の形態２の制御装置が有するガソリンエンジンの充填効率追従制御構造を示す図である。実施の形態２の制御装置１２は、リファレンスガバナ１４とフィードバックコントローラ１６とを備える。リファレンスガバナ１４は、ハード上及び制御上の制約を満たすようにオンライン計算で目標値を整形する。フィードバックコントローラ１６は、エアモデルで計算された充填効率（ＫＬ）の実値をリファレンスガバナ１４で整形された目標値（修正目標値）に近づけるように、フィードバック制御によってガソリンエンジン２０のスロットル開度の指令値を決定する。フィードバックコントローラ１６の仕様には限定はなく、公知のコントローラを用いることができる。一方、リファレンスガバナ１４の仕様には実施の形態１のリファレンスガバナ４と同様の限定がある。

リファレンスガバナ１４は、種々の制約を満たすように充填効率の目標値を整形する。それら制約のうちの１つが充填効率に課せられる制約である。リファレンスガバナ１４は、充填効率の将来の軌道をガソリンエンジン２０のプラントモデルを用いて予測し、充填効率に課せられる制約を満足するように目標値を整形する。このプラントモデルでは、充填効率のフィードバック制御にかかる閉ループ系の動特性が「むだ時間＋２次振動系」でモデル化されている。リファレンスガバナ１４は、むだ時間と２次振動系の振動周期の半分の時間との合計時間を予測長として充填効率の将来の軌道を予測する。

その他．
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。また、本発明が適用される車載動力プラントの制御は、ディーゼルエンジンの過給圧制御とガソリンエンジンの充填効率制御に限定されない。状態量のフィードバック制御にかかる閉ループ系の動特性が「むだ時間＋２次振動系」でモデル化されるものであれば、本発明の制御装置を適用することができる。例えば、車載動力プラントがエンジンの場合、ＥＧＲ弁の操作によるＥＧＲ率の制御に本発明を適用してもよい。また、本発明は内燃機関以外の車載動力プラントの制御、例えば、ハイブリッドシステムや燃料電池システムの制御にも適用することができる。

Claims (3)

1. アクチュエータの操作によって車載動力プラントの特定の状態量を制御する車載動力プラントの制御装置において、
   前記状態量の実値を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アクチュエータの操作量を決定するフィードバックコントローラと、
   前記フィードバック制御にかかる閉ループ系の動特性が「むだ時間＋２次振動系」でモデル化されたプラントモデルを用いて前記状態量の将来の軌道を予測し、前記状態量に課せられる制約を満足するように前記目標値を整形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における予測長は、前記プラントモデルにおけるむだ時間と２次振動系の振動周期の半分の時間との合計時間に設定されていることを特徴とする車載動力プラントの制御装置。
2. 前記車載動力プラントはディーゼルエンジンであり、前記状態量は過給圧であり、前記アクチュエータは可変容量ターボの可変ノズルであることを特徴とする請求項１に記載の車載動力プラントの制御装置。
3. 前記車載動力プラントはガソリンエンジンであり、前記状態量は充填効率であり、前記アクチュエータはスロットルであることを特徴とする請求項１に記載の車載動力プラントの制御装置。

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