JP6260214B2 - Information processing method, apparatus and program - Google Patents
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Description
本技術は、モデル予測制御に関する。 The present technology relates to model predictive control.
モデル予測制御は、各時刻において有限時間未来までの応答を最適化することによって制御対象への入力を決定する制御方法である。操作量飽和などの不等式制約条件を陽に扱うことができる制御手法として高い制御性能を期待されている。 Model predictive control is a control method that determines the input to a controlled object by optimizing the response to a finite time future at each time. High control performance is expected as a control method that can explicitly handle inequality constraints such as manipulated variable saturation.
このモデル予測制御の適用については様々な分野について考察されているが、ディーゼルエンジンの吸気系制御への適用も考察されている。ディーゼルエンジンの吸気系は、EGR(Exhaust Gas Recirculator:排気循環器)とVNT(Variable Nozzle Turbo:可変ノズルターボ)を用いて、MAF(Mass Air Flow:新気量)とMAP(Manifold Absolute Pressure:吸気圧)を独立に、SISO(Single Input Single Output)としてPID(Proportional, Integral and Differential)制御を行っていることが多い。しかしながら、EGRとVNTは排気を共有して互いに干渉することから、現行の手法では低環境負荷性能を達成するために十分な目標追従性を確保することが難しくなっている。 Although application of this model predictive control is considered in various fields, application to intake system control of a diesel engine is also considered. The diesel engine intake system uses EGR (Exhaust Gas Recirculator) and VNT (Variable Nozzle Turbo), MAF (Mass Air Flow) and MAP (Manifold Absolute Pressure). In many cases, PID (Proportional, Integral and Differential) control is performed as SISO (Single Input Single Output) independently. However, since EGR and VNT share exhaust and interfere with each other, it is difficult for current methods to ensure sufficient target follow-up to achieve low environmental load performance.
このため、EGR及びVNTでMAF及びMAPを制御する2入力2出力のMIMO(Multi-Input and Multi-Output)制御が検討されているが、ここでEGRバルブとVNTノズルの操作量の飽和に起因する目標値追従性能の劣化が大きな問題となっている。この問題の解決策として、上で述べたモデル予測制御が期待されている。 For this reason, 2-input 2-output MIMO (Multi-Input and Multi-Output) control for controlling MAF and MAP with EGR and VNT has been studied. Here, due to saturation of the operation amount of the EGR valve and VNT nozzle. Degradation of target value tracking performance is a major problem. As a solution to this problem, the model predictive control described above is expected.
しかしながら、吸気系のような応答の速い対象に対してモデル予測制御を適用する場合、大きな課題となるのが、サンプル時間間隔毎に行う最適化計算に要する計算時間である。この問題に対しては様々な取り組みがなされているが、その中で使われる手法が、操作量(制御入力とも呼ぶ)飽和条件付きの最適化問題をペナルティ関数を用いて緩和する方法である。 However, when model predictive control is applied to a fast-response target such as an intake system, a major issue is the calculation time required for optimization calculation performed at each sample time interval. Various approaches have been made to deal with this problem, and the technique used therein is a method of relaxing an optimization problem with a manipulated variable (also called control input) saturation condition using a penalty function.
一方、エンジンなどの制御対象となるプラントに状態制約が存在する場合については、あまり検討がなされていない。そして、どのようにすれば実時間処理における計算時間を抑えることができるかという点については、具体的に考察されていない。 On the other hand, little consideration has been given to the case where a state constraint exists in a plant to be controlled such as an engine. And the point of how the calculation time in real-time processing can be suppressed is not specifically considered.
従って、本技術の目的は、一側面として、モデル予測制御において制御対象の状態制約を適切に取り扱うための技術を提供することである。 Accordingly, an object of the present technology is to provide a technology for appropriately handling a state constraint of a control target in model predictive control as one aspect.
本発明の第1の態様に係るオフライン処理方法は、(1)(a)モデル予測制御の評価関数とラグランジュ乗数を含み且つ制御対象の状態方程式に関する第1の関数との和を含む第2の関数をラグランジュ乗数について偏微分することで得られ且つ制御対象の状態偏差及び制御対象に対する線形化制御入力を変数として含む第1の一次式群と、(b)第2の関数を制御対象の状態偏差について偏微分することで得られ且つ制御対象の状態偏差及びラグランジュ乗数を変数として含む第2の一次式群と、(c)第2の関数を制御対象の線形化制御入力について偏微分することで得られ且つラグランジュ乗数及び制御対象の状態偏差を変数として含む第3の一次式群と、(d)モデル予測制御の制御対象についての制約条件に対応するペナルティ関数と、(e)制約条件において制限されるパラメータに関する関係式とを格納するデータ格納部から第1の一次式群を読み出して、状態偏差の現在値を除き状態偏差の変数を消し込むように順次代入を行って、第1の一次式群を、状態偏差の現在値と線形化制御入力とを変数として含む第4の一次式群に変形し、(2)データ格納部から第2の一次式群を読み出して、ラグランジュ乗数の変数を消し込むように順次代入を行って、第2の一次式群を、状態偏差を変数として含む第5の一次式群に変形し、(3)データ格納部から第3の一次式群を読み出して、第4の一次式群及び第5の一次式群を代入することで、第3の一次式群を、状態偏差の現在値と線形化制御入力とを変数として含む第6の一次式群に変形し、(4)第6の一次式群を、第1の係数行列と線形化制御入力についてのベクトルとの積が、状態偏差の現在値の関数ベクトルと等式で表されるように変形し、(5)データ格納部に格納されたペナルティ関数をパラメータについて1階偏微分した第1の微分関数及び2階偏微分した第2の微分関数を生成し、(6)データ格納部から関係式を読み出して、第4の一次式群を関係式に代入することで、関係式を、状態偏差の現在値と線形化制御入力とを変数として含む第7の一次式群に変形し、(7)第7の一次式群から線形化制御入力についての係数を抽出し、ペナルティ関数について予め定められている第2の係数行列及び係数ベクトルを算出する処理を含む。 The off-line processing method according to the first aspect of the present invention includes (1) (a) a model predictive control evaluation function and a Lagrangian multiplier and a second function including a sum of a first function related to a state equation to be controlled. A first linear expression group obtained by partial differentiation of a function with respect to a Lagrange multiplier and including a state deviation of the controlled object and a linearized control input for the controlled object as variables; and (b) a state of the controlled object of the second function. A second linear expression group obtained by performing partial differentiation on the deviation and including the state deviation and Lagrangian multiplier of the controlled object as variables; and (c) partially differentiating the second function with respect to the linearized control input of the controlled object. And a third linear expression group including the Lagrange multiplier and the state deviation of the controlled object as variables, and (d) a penalty corresponding to the constraint condition on the controlled object of model predictive control The first linear expression group is read from the data storage unit that stores the number and (e) the relational expression related to the parameter restricted by the constraint condition, and the variable of the state deviation is eliminated except for the current value of the state deviation. Subsequent substitution is performed to transform the first linear expression group into a fourth linear expression group including the current value of the state deviation and the linearization control input as variables, and (2) from the data storage unit to the second primary expression group. Read out the formula group, and sequentially substitute so as to eliminate the Lagrange multiplier variable, transform the second primary formula group into a fifth primary formula group including the state deviation as a variable, and (3) store data The third linear expression group is read from the unit, and the fourth linear expression group and the fifth linear expression group are substituted, so that the third linear expression group is converted into the current value of the state deviation, the linearization control input, Is transformed into a sixth primary expression group including as a variable, and (4) a sixth primary expression group The product of the first coefficient matrix and the vector for the linearization control input is transformed so as to be represented by the function vector of the current value of the state deviation, and (5) the penalty stored in the data storage unit Generate a first differential function obtained by first-order partial differentiation of the function with respect to the parameter and a second differential function obtained by second-order partial differentiation of the function, and (6) read out the relational expression from the data storage unit and relate the fourth primary expression group By substituting into the expression, the relational expression is transformed into a seventh linear expression group including the current value of the state deviation and the linearization control input as variables, and (7) the linearization control input from the seventh linear expression group. Is included, and a second coefficient matrix and a coefficient vector that are predetermined for the penalty function are calculated.
本発明の第2の態様に係る制御方法は、(1)(a)モデル予測制御の制御対象についての状態偏差の現在値についての関数ベクトルと、(b)制御期間内における制御対象に対する線形化制御入力のベクトルとの積が関数ベクトルと等しくなるように予め算出されている第1の係数行列と、(c)モデル予測制御の制御対象における制約条件に対応するペナルティ関数について予め算出されている第2の係数行列及び係数ベクトルと、(d)制約条件において制限されるパラメータについてペナルティ関数を1階偏微分した第1の式及び2階偏微分した第2の式とを格納するデータ格納部から第1の式及び第2の式を読み出して、状態偏差の現在値から得られる、パラメータの基点の値を代入することで、第1の値及び第2の値を算出し、(2)データ格納部から第1の係数行列及び第2の係数行列を読み出して、第2の値と第2の係数行列との積と第1の係数行列との和である第1の行列を算出し、(3)データ格納部から関数ベクトルを読み出して、関数ベクトルに状態偏差の現在値を代入することで得られる第1のベクトルから、((第1の値)−(第2の値とパラメータの基点に関連し且つ状態偏差の現在値又は線形化制御入力の1単位時間前の値から得られる第3の値との積))と係数ベクトルとの積を差し引いた第2のベクトルを算出し、(4)第1の行列の逆行列と第2のベクトルとの積により、線形化制御入力のベクトルを生成し、(5)線形化制御入力のベクトルの要素のうち最初の時刻のための線形化制御入力を抽出する処理を含む。 The control method according to the second aspect of the present invention includes (1) (a) a function vector for a current value of a state deviation for a control target of model predictive control, and (b) linearization for the control target within a control period. The first coefficient matrix calculated in advance so that the product of the control input vector and the function vector is equal, and (c) the penalty function corresponding to the constraint condition in the control target of model predictive control is calculated in advance. A data storage unit for storing a second coefficient matrix and a coefficient vector, and (d) a first expression obtained by first-order partial differentiation of a penalty function and a second expression obtained by second-order partial differentiation with respect to a parameter restricted by the constraint condition The first value and the second value are read out, and the first value and the second value are calculated by substituting the value of the parameter base point obtained from the current value of the state deviation, 2) Read out the first coefficient matrix and the second coefficient matrix from the data storage unit, and obtain a first matrix that is the sum of the product of the second value and the second coefficient matrix and the first coefficient matrix. (3) From the first vector obtained by reading out the function vector from the data storage unit and substituting the current value of the state deviation into the function vector, ((first value) − (second value) And the third vector obtained by subtracting the product of the current value of the state deviation and the third value obtained from the current value of the state deviation or the value one unit time before the linearization control input)) and the coefficient vector (4) A vector of the linearization control input is generated by the product of the inverse matrix of the first matrix and the second vector, and (5) the first time among the elements of the vector of the linearization control input Including a process for extracting linearization control inputs for.
一側面によれば、モデル予測制御において制御対象の状態制約をペナルティ関数で適切に取り扱うことができるようになる。 According to one aspect, in the model predictive control, it is possible to appropriately handle the state constraint of the control target with the penalty function.
[実施の形態1]
図1にディーゼルエンジンの吸気システムを示す。ディーゼルエンジンの吸気制御系は、吸気圧制御系と新気量制御系を含む。吸気圧制御系は、排気中の微粒子物質(PM:Particulate Matter)を低減するために、可変ノズルターボVNTのノズル径を制御して吸気圧を吸気圧目標値に追従するようにコントロールしている。一方、新気量制御系は、排気中の窒素酸化物(NOx)を低減するために、排気をシリンダ内に再循環させる排気循環器EGRのバルブ開度を制御して新気量を新気量目標値に追従するようにコントロールしている。
[Embodiment 1]
FIG. 1 shows a diesel engine intake system. The intake control system of the diesel engine includes an intake pressure control system and a new air volume control system. In order to reduce particulate matter (PM) in the exhaust, the intake pressure control system controls the nozzle diameter of the variable nozzle turbo VNT to control the intake pressure to follow the intake pressure target value. . On the other hand, in order to reduce nitrogen oxide (NOx) in the exhaust, the new air amount control system controls the valve opening degree of the exhaust gas circulator EGR that recirculates the exhaust gas into the cylinder, thereby reducing the fresh air amount. Control is performed to follow the quantity target value.
すなわち、エンジン本体1には、エンジン本体1からの排ガスを供給する排気循環器EGRと、排ガスの圧力にてタービンを回して新気(Fresh Air)を圧縮してエンジン本体1に供給する可変ノズルターボVNTとが接続されている。可変ノズルターボVNTのノズル開度を調整することによって、可変ノズルターボVNTのタービンの回転が調整され、吸気圧(MAP)センサで測定される吸気圧(MAP)が調整される。一方、排気循環器EGRに設けられているEGRバルブのバルブ開度を調整することによって、新気量(MAF)センサで測定される新気量(MAF)が調整される。
That is, the
本実施の形態に係るエンジン制御装置1000には、MAPセンサからの吸気圧測定値と、MAFセンサからの新気量測定値と、外部から与えられる燃料噴射量の設定値と、同じく外部から与えられるエンジン回転数の設定値とが入力されるようになっている。また、エンジン制御装置1000からは、EGRバルブのバルブ開度の操作量がEGRバルブに出力され、VNTノズルのノズル開度の操作量がVNTノズルに出力されるようになっている。
In the
以下、エンジンをプラントの一例として説明するが、本実施の形態の適用範囲は、エンジンに限られない。 Hereinafter, although an engine is demonstrated as an example of a plant, the application range of this Embodiment is not restricted to an engine.
本実施の形態に係るエンジン制御装置1000のブロック線図を図2に示す。エンジン制御装置1000は、計画器210と、モデル予測制御部220と、変換部225とを有する。プラント240は、例えばモデル化されたエンジン特性に相当し、EGRバルブ及びVNTノズルの開度には物理的に制限があるため、飽和要素230も設けられている。すなわち、プラント240への操作量は、飽和要素230による制限を受ける。
FIG. 2 shows a block diagram of
このようなエンジン制御装置1000の計画器210には、燃料噴射量の設定値とエンジン回転数の設定値とが入力されて、燃料噴射量の値及びエンジン回転数の値に対応付けてEGRバルブの状態目標値及びVNTノズルの状態目標値Vref、燃料噴射量の値及びエンジン回転数の値に対応付けて吸気圧MAPの目標値及び新気量MAFの目標値Xrefが登録されている。本実施の形態では、計画器210は、EGRバルブの状態目標値及びVNTノズルの状態目標値Vref、及び吸気圧MAPの目標値及び新気量MAFの目標値Xrefを出力する。
The
この目標値Xrefとプラント240からの出力y(例えばMAFセンサ出力及びMAPセンサ出力)との差が、モデル予測制御部220に入力される。モデル予測制御部220は、以下で述べるモデル予測制御の処理を実施して、線形化制御入力uを出力する。この線形化制御入力uは、以下で説明する変換部225(g-1)で、EGRバルブの状態及びVNTノズルの状態vに変換される。そして、状態vと、計画器210からの状態目標値Vrefとは加算されて操作量が生成され、当該操作量が飽和要素230を介してプラント240に入力される。このような処理が繰り返される。
A difference between the target value X ref and the output y (for example, MAF sensor output and MAP sensor output) from the plant 240 is input to the model
このようなエンジン本体1の吸気系システムは、EGRバルブ及びVNTノズルについて非線形であり、エンジンのモデルとしても、エンジン回転数ω及び燃料噴射量σに応じて非線形に変化する。
Such an intake system of the
ここで、エンジン回転数ω及び燃料噴射量σが固定であるとして、エンジンモデルは、以下のように定式化される。 Here, assuming that the engine speed ω and the fuel injection amount σ are fixed, the engine model is formulated as follows.
ここでAω(k),σ(k)及びBω(k),σ(k)は、時刻kにおける運転条件(ω(k),σ(k))によって変化する非線形の2×2行列関数である。なお、時刻kにおける回転数をω(k)と表し、燃料噴射量をσ(k)と表す。また、時刻kにおけるMAFの状態偏差をxmaf(k)と表し、MAPの状態偏差をxmap(k)と表す。また、時刻kにおけるMAFの測定値をymaf(k)と表し、MAPの測定値をymap(k)と表す。さらに、時刻kにおけるEGRバルブの状態をvegr(k)と表し、VNTノズルの状態をvvnt(k)と表す。また、吸気圧MAPの目標値をXmap refと表し、新気量MAFの目標値をXmaf refと表す。 Here, A ω (k), σ (k) and B ω (k), σ (k) are nonlinear 2 × 2 matrices that change depending on the operating condition (ω (k), σ (k)) at time k. It is a function. The rotational speed at time k is represented as ω (k), and the fuel injection amount is represented as σ (k). Further, the state deviation of MAF at time k is represented as x maf (k), and the state deviation of MAP is represented as x map (k). Further, the measured value of MAF at time k is expressed as y maf (k), and the measured value of MAP is expressed as y map (k). Further, the state of the EGR valve at time k is represented as v egr (k), and the state of the VNT nozzle is represented as v vnt (k). Further, the target value of the intake pressure MAP is expressed as X map ref, and the target value of the fresh air amount MAF is expressed as X maf ref .
従って、状態偏差ベクトルx(k)、測定値ベクトルy(k)、目標値ベクトルXref(k)及び状態ベクトルv(k)は、以下のように表される。 Therefore, the state deviation vector x (k), the measurement value vector y (k), the target value vector X ref (k), and the state vector v (k) are expressed as follows.
x(k)、y(k)及びXref(k)の関係は以下のようになっている。 The relationship between x (k), y (k) and X ref (k) is as follows.
また、非線形関数gを以下のように表す。 Further, the nonlinear function g is expressed as follows.
g1及びg2は、単調増加関数である。実験データからすると、このような仮定は妥当性がある。非線型モデルでは計算速度等から取り扱いが困難なため、以下では、非線形なエンジンモデルを線型モデルに変換する。そこで、上で述べた線形化制御入力uegr及びuvntを導入することで、線形化する。 g 1 and g 2 are monotonically increasing functions. Based on experimental data, this assumption is valid. Since the nonlinear model is difficult to handle due to the calculation speed and the like, the nonlinear engine model is converted into a linear model below. Therefore, linearization is performed by introducing the linearization control inputs u egr and u vnt described above.
なお、線形化制御入力ベクトルu(k)を以下のように表す。 The linearization control input vector u (k) is expressed as follows.
本実施の形態では、典型的な運転条件を選択して、セットポイントと呼ぶことにする。そして、モデル予測制御部220は、運転条件(ω(k),σ(k))を取得すると、対応するセットポイントについてのω及びσについての行列Aω,σ及びBω,σを選択し、以下で述べる処理を行って線形化制御入力uを算出する。また、変換関数225は、線形化制御入力uを、変換関数g-1により非線形の最適状態vに変換する。この最適状態vと状態目標値Vrefとは加算されて操作量が生成され、エンジンのプラント240に出力される。
In the present embodiment, typical operating conditions are selected and referred to as set points. Then, when the model
モデル予測制御部220は、セットポイントについて最適な線形化制御入力uを、1サンプル時間毎に、以下の線形モデルに従って算出する。
The model
但し、線形化制御入力uについての制約条件は以下のとおりである。 However, the constraint conditions for the linearization control input u are as follows.
例えば、ω=2000rpm、σ=20mm3/stの場合、以下のような行列が用いられる。 For example, when ω = 2000 rpm and σ = 20 mm 3 / st, the following matrix is used.
各時刻kについての線形化制御入力uは、以下に示すような評価関数Jを最小化することで決定される。なお、予測ホライズンHp及び制御ホライズンHcは、予め設定されるものとする。 The linearization control input u for each time k is determined by minimizing an evaluation function J as shown below. Note that the predicted horizon Hp and the control horizon Hc are set in advance.
ここで、QTは行列Qの転置行列である。また、Q∈M(n,R)、R∈M(n,R)及びS∈M(n,R)は、重み行列であり、予め設定される。なお、M(n,R)はn×n行列を表す。(9)式において、無限ホライズンについての最適化問題を、有限ホライズンについての最適化問題にしており、このため、Ricatti代数方程式を解く行列として重み行列Sを用いている。 Here, Q T is a transposed matrix of the matrix Q. QεM (n, R), RεM (n, R), and SεM (n, R) are weight matrices and are set in advance. M (n, R) represents an n × n matrix. In Equation (9), the optimization problem for infinite horizon is changed to the optimization problem for finite horizon, and therefore, the weight matrix S is used as a matrix for solving the Ricatti algebraic equation.
本実施の形態では、モデル予測制御の問題は、有限ホライズンの最適制御問題を解くことに変形される。 In the present embodiment, the model predictive control problem is transformed into solving a finite horizon optimal control problem.
ここで、xは、現在の状態偏差ベクトルを表す。 Here, x represents the current state deviation vector.
最適解を求める手法として、ラグランジュの未定乗数法が効率的であるが、不等式制約がある場合にはこの手法をそのまま用いることができない。従って、不等式制約の代わりにペナルティ関数を導入して、不等式制約のない評価関数に緩和する。 Lagrange's undetermined multiplier method is efficient as a method for obtaining an optimal solution, but this method cannot be used as it is when there is an inequality constraint. Therefore, a penalty function is introduced instead of the inequality constraint to relax the evaluation function without the inequality constraint.
すなわち、以下のような評価関数Jbに緩和する。 That is, the evaluation function is relaxed to the following evaluation function Jb.
ここで、p(u(k+i))はペナルティ関数であり、入力値u(k+i)が、可能な値域の境界に近づくと、大きな値を評価関数Jに加えることになる。 Here, p (u (k + i)) is a penalty function, and when the input value u (k + i) approaches the boundary of the possible value range, a large value is added to the evaluation function J.
一般的に、不等式制約u≦umaxに対して用いられるペナルティ関数としては以下のようなものがある。 In general, the following penalty functions are used for the inequality constraint u ≦ u max .
rは、ペナルティ関数の係数であり、不等式制約に対する重みを表している。 r is a coefficient of the penalty function and represents a weight for the inequality constraint.
本実施の形態では、以下の演算のためには、(c)のようなシンプルなペナルティ関数が好ましいので、(c)を用いることにする。 In the present embodiment, a simple penalty function such as (c) is preferable for the following calculation, and (c) will be used.
ディーゼルエンジンの場合、線形化制御入力uには以下のような制約が存在する。 In the case of a diesel engine, the following restrictions exist on the linearization control input u.
(c)のような形のペナルティ関数を採用する場合には、ペナルティ関数は以下のように表される。 When the penalty function having the form as shown in (c) is adopted, the penalty function is expressed as follows.
(15)式を用いて制約条件を緩和する場合、以下に示すような、有限ホライズンについての最適制御問題を解くことに帰着する。 When the constraint condition is relaxed using the equation (15), it results in solving the optimal control problem for the finite horizon as shown below.
このような最適制御問題を解くためには、ラグランジュの未定乗数法が用いられる。ここで、ラグランジュ乗数λ(j)=[λmaf(j),λmap(j)]Tを用い、ハミルトニアンHを以下のように表す。 In order to solve such an optimal control problem, Lagrange's undetermined multiplier method is used. Here, the Lagrange multiplier λ (j) = [λ maf (j), λ map (j)] T is used, and the Hamiltonian H is expressed as follows.
ここで、Х(χの大文字)は、以下のように定義される。 Here, Х (capital letter of χ) is defined as follows.
∇x,u,λH=0と置けば、以下のような方程式が得られる。 If ∇x , u, λ H = 0, the following equation is obtained.
なお、(20)式において∂Jb/∂x=∂J/∂x+∂p(u)/∂x=∂J/∂xと変形されている。 In the equation (20), 変 形 Jb / ∂x = ∂J / ∂x + ∂p (u) / ∂x = ∂J / ∂x.
なお、∂/∂x,∂/∂u,∂/∂λは、以下のような演算である。 Note that ∂ / ∂x, ∂ / ∂u, and ∂ / ∂λ are the following calculations.
なお、方程式(20)乃至(22)は、∂p/∂uの部分を除き線形方程式となっている。∂p/∂uを、直前のステップの最適線形化制御入力u~(”~”はuの上に付される)でテイラー展開することで線形化すると、以下のように表される。 The equations (20) to (22) are linear equations except for the portion of ∂p / ∂u. When で p / ∂u is linearized by Taylor expansion with the optimal linearization control input u ~ ("~" is added on u) of the immediately preceding step, it is expressed as follows.
(23)式の第1項のEGR成分は、以下のように表される。なお、VNT成分も同様の形で表される。 The EGR component of the first term of the equation (23) is expressed as follows. The VNT component is also expressed in the same manner.
このような線形近似を行えば、(20)乃至(22)式は線形となる。そうすると、線形近似された(20)乃至(22)式は以下のように表される。 If such linear approximation is performed, the equations (20) to (22) become linear. Then, the linearly approximated equations (20) to (22) are expressed as follows.
ここでMは、(2Hp+Hc)×(2Hp+Hc)の行列であり、U及びbは、(2Hp+Hc)ベクトルである。ベクトルUは、以下のように表される。 Here, M is a matrix of (2H p + H c ) × (2H p + H c ), and U and b are (2H p + H c ) vectors. The vector U is expressed as follows.
また、ベクトルbは、以下のように表される。なお、bmaf、bmap及びbconstは、行列の変換によって算出される(2Hp+Hc)行列である。 Further, the vector b is expressed as follows. Note that b maf , b map, and b const are (2H p + H c ) matrices calculated by matrix conversion.
b=xmafbmaf+xmapbmap+bconst (27) b = x maf b maf + x map b map + b const (27)
最適な線形化制御入力は、この線形方程式を解くことによって得られる。しかしながら、行列Mのサイズが大きければ計算時間は長くなってしまうので、行列Mのサイズをオフラインの前処理にて削減する。 The optimal linearization control input is obtained by solving this linear equation. However, if the size of the matrix M is large, the calculation time becomes long. Therefore, the size of the matrix M is reduced by offline preprocessing.
まず、(22)式の第1乃至第3の方程式を具体的に書き下すと以下のようになる。 First, the first to third equations of equation (22) are specifically written as follows.
(28−1)式及び(28−2)式の状態偏差xmaf(k)及びxmap(k)は、現在値である。従って、(28−1)式によれば、xmaf(k+1)は線形化制御入力u(k)の1次式で表される。(28−2)式によれば、xmap(k+1)も、線形化制御入力u(k)の1次式で表される。また、(29)式によれば、xmaf(k+2)は、状態偏差及び線形化制御入力の1次式で表される。しかしながら、(28−1)式及び(28−2)式を(29)式に代入すると、xmaf(k+2)を、線形化制御入力u(k)及びu(k+1)で表すことができるようになる。これをiを増加させつつ繰り返せば、状態偏差xmaf(k+i)及びxmap(k+i)は、線形化制御入力の1次式として以下のように表される。 The state deviations x maf (k) and x map (k) in the expressions (28-1) and (28-2) are current values. Therefore, according to the equation (28-1), x maf (k + 1) is expressed by a linear equation of the linearization control input u (k). According to Expression (28-2), x map (k + 1) is also expressed by a linear expression of the linearization control input u (k). Further, according to the equation (29), x maf (k + 2) is expressed by a linear equation of state deviation and linearization control input. However, if the expressions (28-1) and (28-2) are substituted into the expression (29), x maf (k + 2) can be expressed by the linearization control inputs u (k) and u (k + 1). become. If this is repeated while increasing i, the state deviations x maf (k + i) and x map (k + i) are expressed as follows as a linear expression of the linearization control input.
一方、(20)式の(2Hp−1)番目及び(2Hp−3)番目の方程式を具体的に書き下すと以下のようになる。 On the other hand, the (2H p −1) th and (2H p -3) th equations of the equation (20) are specifically written as follows.
ここで、s11、s22、r11は、重み行列S及びRの行列成分を表す。 Here, s 11 , s 22 , and r 11 represent matrix components of the weight matrices S and R.
この(31)式及び(32)式は、λmaf(Hp)及びλmap(Hp)の一次式で表されることが分かる。そこで、(31)式及び(32)式を、(33)式に代入すると、λmaf(Hp−1)が、目標値Xref maf、状態偏差x(k+Hp)及びx(k+Hp−1)で表すことができる。このような処理をiを減少させつつ順次行うことで、ラグランジュ乗数λ(k+i)は、以下のように表される。 It can be seen that the equations (31) and (32) are expressed by linear equations of λ maf (H p ) and λ map (H p ). Therefore, when the equations (31) and (32) are substituted into the equation (33), λ maf (H p −1) becomes the target value X ref maf , the state deviation x (k + H p ), and x (k + H p −). 1). By sequentially performing such processing while decreasing i, the Lagrange multiplier λ (k + i) is expressed as follows.
さらに、(30)式を(34)式に代入することで、ラグランジュ乗数λ(k+i)は、線形化制御入力u(k)の一次式に変形される。 Further, by substituting equation (30) into equation (34), Lagrange multiplier λ (k + i) is transformed into a linear expression of linearization control input u (k).
最後に、(30)式及び(35)式を、(21)式に代入すると、以下のように表される。 Finally, when the equations (30) and (35) are substituted into the equation (21), they are expressed as follows.
このように、(21)式は、状態偏差の初期値x(k)及び線形化制御入力uの一次式で表すことができるようになる。そうすると、(36)式は、以下の形式に直すことができる。 In this way, the equation (21) can be expressed by the linear equation control input u and the initial value x (k) of the state deviation. Then, the expression (36) can be corrected to the following form.
ここでM2はHc×Hc行列である。U2及びb2は、以下のような形のベクトルである。 Here, M 2 is an H c × H c matrix. U 2 and b 2 are vectors of the form:
なお、b2maf、b2map及びb2constは、行列の変換によって算出される(2Hp+Hc)行列である。 Note that b 2maf , b 2map, and b 2const are (2H p + H c ) matrices calculated by matrix conversion.
このような処理を数式処理を用いてオフラインで行っておけば、エンジン制御装置1000では、(37)式を解く演算を行えばよい。行列M2のサイズは、行列Mよりも小さくなっており、計算量も削減されるため、高速に制御入力を得ることができるようになる。
If such processing is performed off-line using mathematical expression processing, the
次に、制御入力に加えて、一般的な状態制約を導入する場合を考える。例えばディーゼルエンジンでは、燃費効率を上げるために、運転時にエンジン本体に送る気体の空気過剰率(一般的にはλを用いて表すが、ここでは記号の重複を避けるためにτを用いる)を一定以上に保つことを求められる。 Next, let us consider a case where a general state constraint is introduced in addition to the control input. For example, in a diesel engine, in order to improve fuel efficiency, the excess air ratio of gas sent to the engine body during operation (generally expressed using λ, but τ is used here to avoid duplication of symbols) is constant. It is required to keep above.
空気過剰率τは、各運転条件(すなわち回転数及び燃料噴射料)に応じて、各時刻k+iに対し、MAF及びMAPの状態偏差ベクトルx(k+i)と線形化入力ベクトルu(k+i)を用いて以下のように近似される。
モデル予測制御を用いた、ディーゼルエンジンのMAF及びMAP制御には、以下のような空気過剰率τの制約条件を、各時刻に対して適用する。
よって、モデル予測制御の問題は、以下のように表される。
しかしながら、このままではモデル予測制御問題が不等式制約を含む問題となり、現実的には解けないので、例えば、以下に示すようなペナルティ関数を導入することで、不等式制約問題を等式制約問題に緩和する。 However, since the model predictive control problem becomes a problem including inequality constraints and cannot be solved practically as it is, for example, by introducing a penalty function as shown below, the inequality constraint problem is reduced to an equality constraint problem .
ここでは、評価関数Jbに対して(41)式のペナルティ関数を加える。そうすると、以下のように表される。 Here, adding the penalty function of the equation (41) with respect to the evaluation function J b. Then, it is expressed as follows.
また、(40−2)式から各時刻のτ(k+i)は、具体的には以下のように表される。 Further, from the equation (40-2), τ (k + i) at each time is specifically expressed as follows.
そして、(30)式を(42)式に代入すれば、τ(k+i)は、以下のように書き下される。 Then, if equation (30) is substituted into equation (42), τ (k + i) is written as follows.
そうすると、τ(k+i)は、全てのiについて、u(0)乃至u(Hc−1)の関数であるので、(42)式のペナルティ関数についてもu(0)乃至u(Hc−1)の関数と考えることができる。よって、入力制約について(20)式乃至(22)式で記述された最適化問題は、以下のように変形される。 Then, τ (k + i) for all i, u (0) to u since it is a function of (H c -1), (42 ) equation u (0) is also the penalty function to u (H c - It can be considered as a function of 1). Therefore, the optimization problem described in the equations (20) to (22) with respect to the input constraint is modified as follows.
このような(46)式乃至(48)式を解くことになるが、そのためには状態についてのペナルティ関数に関する∂qb(x)/∂uを線形化する。 In order to solve such equations (46) to (48), ∂q b (x) / ∂u related to the penalty function for the state is linearized.
まず、∂qb(τ(k+i))/∂uegr(k+j)は以下のように表される。また、(43)式から、2行目も得られる。 First, ∂q b (τ (k + i)) / ∂u egr (k + j) is expressed as follows. Further, the second line is also obtained from the equation (43).
次に、(51)式中の∂qb(τ(k+i))/∂τ(k+i)を線形化する。その際、以下の最適な線形化制御入力u~で1次のテイラー展開を行うと、∂qb(τ(k+i))/∂τ(k+i)は以下のように表される。 Next, ∂q b (τ (k + i)) / ∂τ (k + i) in the equation (51) is linearized. At that time, when the first-order Taylor expansion is performed with the following optimal linearization control input u˜, ∂q b (τ (k + i)) / ∂τ (k + i) is expressed as follows.
また、(51)式と同様に、以下のように表される。 Moreover, it represents as follows similarly to (51) Formula.
従って、以下のような近似式を得られる。 Therefore, the following approximate expression can be obtained.
よって、(51)式及び(54)式を組み合わせると、以下のような近似式が得られる。 Therefore, the following approximate expression is obtained by combining the expressions (51) and (54).
ここで、近似のためペナルティ関数部分の変数として代入するτのベースポイントを設定する。x~(k+i)(”~”はxの上に載っているものとする)を、u~に対応する状態偏差ベースポイントと設定する。そして、短い時間における状態偏差の値の変動は小さいので、xbase(k)は以下のように表される。 Here, a base point of τ to be substituted as a variable of the penalty function portion is set for approximation. x ~ (k + i) ("~" is assumed to be on x) is set as a state deviation base point corresponding to u ~. And since the fluctuation | variation of the value of the state deviation in a short time is small, xbase (k) is represented as follows.
従って、(40−2)式から、τのベースポイントτbase(k)は、以下のように表される。なお、u*(k−1)は、1単位時間前の最適な線形化制御入力である。 Therefore, from the equation (40-2), the base point τ base (k) of τ is expressed as follows. Note that u * (k−1) is an optimal linearization control input one unit time ago.
このようなベースポイントτbase(k)を用いると、(43)式は以下のように変形される。 When such a base point τ base (k) is used, the equation (43) is transformed as follows.
ここで(57)式を、以下のように表す。 Here, the expression (57) is expressed as follows.
さらに、τ(k+i)をτbase(k)と近似すれば、{∂2qb(τ(k+i))/∂τ(k+i)2}(u~)は、全てのiについてτbase(k)に関して同じ関数になる。同様に、{∂qb(τ(k+i))/∂τ(k+i)}(u~)は、全てのiについてτbase(k)に関して同じ関数になる。 Furthermore, if τ (k + i) is approximated to τ base (k), {∂ 2 q b (τ (k + i)) / ∂τ (k + i) 2 } (u˜) is τ base (k ) Is the same function. Similarly, {∂q b (τ (k + i)) / ∂τ (k + i)} (u˜) is the same function with respect to τ base (k) for all i.
以下、ペナルティ関数のτについての一階偏微分を∂(τ)と表し、二階偏微分を∂2(τ)と表し、τ=τbase(k)についての∂(τbase(k))及び∂2(τbase(k))によって、(55)式は以下のように表される。 In the following, the first partial differential with respect to τ of the penalty function is represented as ∂ (τ), the second partial partial derivative is represented as ∂ 2 (τ), and τ (τ base (k)) and τ = τ base (k) and By ∂ 2 (τ base (k)), equation (55) is expressed as follows.
この(62)式から、以下のような近似も行われる。 From the equation (62), the following approximation is also performed.
さらに、この(63)式から、以下のような近似も行われる。 Furthermore, the following approximation is also performed from the equation (63).
ここで、Λl及びνlは以下のように表される。 Here, Λ l and ν l are expressed as follows.
なお、Λlにおけるpは2j+1で固定で、qについては、1からHcまで増加する。すなわち、Λlは、1行Hc列の行列である。 Note that p in Λ l is fixed at 2j + 1, and q increases from 1 to H c . That is, Λ l is a matrix of 1 row and H c columns.
従って、(64)式及び(37)式から、状態についてのペナルティ関数を伴う最適化問題は、以下のように緩和される。 Therefore, from the equations (64) and (37), the optimization problem with the penalty function for the state is mitigated as follows.
(65)式をエンジン制御装置1000で解くためには、M2、b2、Λl及びνlを予めオフラインで用意しておき、ペナルティ関数のτについての一階偏微分∂(τ)と、二階偏微分∂2(τ)を予めオフラインで算出しておく。そして、エンジン制御装置1000では、τbase(k)を(56)式で算出するとともに、∂(τbase(k))及び∂2(τbase(k))を算出し、さらにdl(τbase(k))を(58)式で算出する。そして(65)式を解くことになる。
In order to solve the equation (65) by the
次に、本実施の形態に係るオフライン処理装置100の機能ブロック図を図3に示す。本実施の形態では、オフライン処理装置100は、入力部101と、入力データ格納部102と、第1変形処理部103と、第1データ格納部104と、第2変形処理部105と、第2データ格納部106と、第3変形処理部107と、第3データ格納部108と、第1行列生成部109と、第4データ格納部110と、第2行列生成部111と、微分処理部112とを有する。
Next, a functional block diagram of the
次に、オフライン処理装置100の処理内容を図4を用いて説明する。まず、入力部101は、ユーザからの入力データとして、行列A、B、C、D、S及びR、予測ホライズンHp及び制御ホライズンHcなどの値の入力を受け付け、入力データ格納部102に格納する(図4:ステップS1)。なお、入力データ格納部102に格納されていない場合には、(46)乃至(48)式のデータも入力部101を介して入力データ格納部102に格納されるものとする。同様に、入力制約に係る項の式のデータ((24)式)についても同様に、入力データ格納部102に格納されており、格納されていない場合には入力部101を介して入力される。さらに、状態偏差ベクトルx(k+i)と線形化入力ベクトルu(k+i)を用いて表されるτ(k+i)に係る式のデータについても同様に、入力データ格納部102に格納されており、格納されていない場合には入力部101を介して入力される。
Next, processing contents of the
次に、第1変形処理部103は、入力データ格納部102に格納されているデータを用いて、状態偏差xについての第1変形処理を実行し、処理結果を第1データ格納部104に格納する(ステップS3)。(22)式に由来する(28−1)及び(28−2)式を(29)式に代入する処理をiを増加させながら繰り返して実行し、状態偏差ベクトルについての(30)式を生成する処理を実行する。
Next, the first
本実施の形態では、さらに、第1変形処理部103は、入力データ格納部102に格納されているデータを用いて、制約されるパラメータである空気過剰率τについての変形処理を実行し、処理結果を第1データ格納部104に格納する(ステップS4)。(30)式を(42)式に代入することで、(43)式に示すようにτ(k+i)は書き下される。
In the present embodiment, the first
また、第2変形処理部105は、入力データ格納部102に格納されているデータを用いて、ラグランジュ乗数λについての第2変形処理を実行し、処理結果を第2データ格納部106に格納する(ステップS5)。(20)式に由来する(31)及び(32)式を(33)式に代入する処理をiを減少させながら繰り返して実行し、(34)式を生成する処理を実行する。
In addition, the second
さらに、第3変形処理部107は、第1データ格納部104及び第2データ格納部106に格納されているデータを用いて、ラグランジュ乗数λについての第3変形処理を実行し、処理結果を第3データ格納部108に格納する(ステップS7)。(30)式を(34)式に代入する処理を実行して、(35)式を生成する。
Further, the third
そして、第1行列生成部109は、(30)式(第1データ格納部104に格納されている)及び(35)式(第3データ格納部108に格納されている)を(21)式(入力データ格納部102に格納されている)に代入して連立方程式(36)式を生成し、これを(37)式の形に変形することで、行列M2及びb2を算出し、第4データ格納部110に格納する(ステップS9)。ステップS4以外のここまでの処理は、特開2012−194960号公報に記載の技術とほぼ同様である。
Then, the first
その後、第2行列生成部111は、第1データ格納部104に格納されているτについての変形処理の結果((43)式)を用いて、入力データ格納部102に格納されている式に従って、係数行列Λl及び係数ベクトルνlを生成し、第4データ格納部110に格納する(ステップS11)。
Thereafter, the second
さらに、微分処理部112は、第1データ格納部102に格納されている、状態制約に対するペナルティ関数のτについての1階偏微分関数∂(τ)と、2階偏微分関数∂2(τ)を生成し、第4データ格納部110に格納する(ステップS13)。1階偏微分関数及び2階偏微分関数の生成については、周知であるからここでは説明を省略する。
Furthermore, the
以上のような処理を実行することで、エンジン制御装置1000の処理負荷を大幅に削減でき、処理速度を高速化できる。
By executing the processing as described above, the processing load of the
次に、図5にエンジン制御装置1000におけるモデル予測制御部220の構成例を示す。モデル予測制御部220は、微分値算出部2201と、行列算出部2202と、出力生成部2203と、データ格納部2205とを有する。
Next, FIG. 5 shows a configuration example of the model
データ格納部2205には、第4データ格納部110に格納されているデータが格納される。
The
次に、図6を用いて、エンジン制御装置1000におけるモデル予測制御部220の処理内容について説明する。
Next, processing contents of the model
まず、モデル予測制御部220は、x(k)(=Xref(k)−y(k))を取得する(図6:ステップS21)。
First, the model
そうすると、モデル予測制御部220は、関数ベクトルb2にx(k)を代入して関数ベクトルb2を数値ベクトル化する(ステップS23)。
Then, the model
また、微分値算出部2201は、制約されるパラメータのベースポイントの値であるτbase(k)((56)式)を算出し、データ格納部2205に格納されているペナルティ関数の1階偏微分関数∂(τ)と、2階偏微分関数∂2(τ)にτbase(k)を代入し、∂(τbase(k))及び∂2(τbase(k))を求める(ステップS25)。
In addition, the differential
そして、行列算出部2202は、M3及びb3を算出する(ステップS27)。
Then, the
(65)式の左辺におけるベクトルU2以外の部分である(M2+∂2(τbase(k))Λl)がM3である。また、(65)式の右辺がb3である。すなわち、b3=b2−(∂(τbase(k))−∂2(τbase(k))dl(τbase(k))νlである。b3を算出するためには、dl(τbase(k))を、(58)式で算出する。 (M 2 + ∂ 2 (τ base (k)) Λ l ) other than the vector U 2 on the left side of the equation (65) is M 3 . Further, the right side of the expression (65) is b 3 . That is, b 3 = b 2 − (∂ (τ base (k)) − ∂ 2 (τ base (k)) d l (τ base (k)) ν l In order to calculate b 3 , d l (τ base (k)) is calculated by equation (58).
そして、出力生成部2203は、U=M-1 3b3によってベクトルUを算出する(ステップS29)。さらに、出力生成部2203は、ベクトルUから線形化制御入力u(k)(i=0)を抽出し、出力する(ステップS31)。
Then, the
その後、モデル予測制御部220は、処理が終了するのかを判断し(ステップS33)、処理終了でなければ処理はステップS21に戻り、処理終了であれば処理は終了する。
Thereafter, the model
以上のような処理で分かるように、オフライン処理によって算出されているデータを活用でき、M3のサイズも削減されているので、状態制約についてのペナルティ関数を導入することでステップS25及びS27が追加されていても、高速に線形化制御入力を得ることができるようになる。さらに、ペナルティ関数の近似も適切に行われており、高い精度で適切な制御がなされるようになる。 As can be seen from the above processing, since the data calculated by the offline processing can be utilized and the size of M 3 is also reduced, steps S25 and S27 are added by introducing a penalty function for state constraints. Even if it is done, linearization control input can be obtained at high speed. Furthermore, the penalty function is appropriately approximated so that appropriate control can be performed with high accuracy.
なお、エンジンの制御だけではなく、例えばリチウムイオン電池の充放電制御に適用しても良い。リチウムイオン電池の等価回路を図7に示す。リチウムイオン電池の端子電圧V(k)は、充電率SoC(k)と係数aの積と、抵抗R1及び容量C1が並列に接続された部分の電圧v(k)と、直列等価抵抗R0と流れる電流i(k)との積との和で表される。すなわち、以下の式で表される。 Note that the present invention may be applied not only to engine control but also to charge / discharge control of a lithium ion battery, for example. An equivalent circuit of the lithium ion battery is shown in FIG. The terminal voltage V (k) of the lithium ion battery includes the product of the charging rate SoC (k) and the coefficient a, the voltage v (k) at the portion where the resistor R1 and the capacitor C1 are connected in parallel, and the series equivalent resistance R 0. And the product of the flowing current i (k). That is, it is expressed by the following formula.
また、充電率SoC(k)は、以下のような関係式に従って変化する。なお、FCは蓄電池の最大蓄積容量を表す。 Further, the charging rate SoC (k) changes according to the following relational expression. Note that FC represents the maximum storage capacity of the storage battery.
さらに、電圧v(k)は、以下のような関係式に従って変化する。 Further, the voltage v (k) changes according to the following relational expression.
一方、状態偏差ではなく、状態についての一般的なモデル予測制御は、以下のように表される。 On the other hand, general model predictive control for a state, not a state deviation, is expressed as follows.
そうすると、リチウムイオン電池の場合、電圧v(k)と充電率SoC(k)を状態x、端子電圧V(k)を出力y、電流i(k)を入力u(k)として扱えば、以下のように表される。 Then, in the case of a lithium ion battery, if the voltage v (k) and the charging rate SoC (k) are treated as the state x, the terminal voltage V (k) as the output y, and the current i (k) as the input u (k), It is expressed as
ここで、ymin<y(k)<ymaxという制約条件を適用する場合には、以下のようなペナルティ関数を導入する。 Here, when the constraint condition y min <y (k) <y max is applied, the following penalty function is introduced.
これは、上で述べた(41)式と同様の形を有する。 This has the same shape as the equation (41) described above.
また、(30)式相当の式は、以下のように表されるので、(101)式をそれらの式に代入する。そうすると、(43)式相当の式が得られるようになる。 In addition, since an expression corresponding to the expression (30) is expressed as follows, the expression (101) is substituted into these expressions. Then, an expression corresponding to the expression (43) can be obtained.
以上のようにすれば、上で述べたのと同様の式の変形ができる。 By doing so, it is possible to modify the same equation as described above.
[実施の形態2]
上で述べたようなディーゼルエンジンでは、MAF及びMAPを変化させる制御を行うが、耐久性の問題から、MAF及びMAPの急激な変化は避けることが好ましい。
[Embodiment 2]
In the diesel engine as described above, control for changing MAF and MAP is performed. However, it is preferable to avoid a sudden change in MAF and MAP from the viewpoint of durability.
本実施の形態では、モデル予測制御を用いた、ディーゼルエンジンのMAF及びMAP制御において、MAF及びMAPの急激な変化を抑制するための制約を加えるものとする。但し、説明を簡単にするためにMAFの急激な変化を抑制する制約のみを考えるものとする。 In the present embodiment, in the MAF and MAP control of a diesel engine using model predictive control, a restriction for suppressing a rapid change in MAF and MAP is added. However, in order to simplify the explanation, only the constraint for suppressing a rapid change in MAF is considered.
このような問題は、以下のように表される。 Such a problem is expressed as follows.
(201−5)式に対してペナルティ関数qcは、以下のように表される。 For the equation (201-5), the penalty function q c is expressed as follows.
そうすると、モデル予測制御の目的関数は、以下のように表される。 Then, the objective function of model predictive control is expressed as follows.
上でも述べたように、MAFのみ取り扱うので、(201−2)式から、以下の式が得られる。 As described above, since only MAF is handled, the following equation is obtained from equation (201-2).
そうすると、(30)式を(203)式に代入すると、(43)式相当の式が得られる。 Then, when the equation (30) is substituted into the equation (203), an equation corresponding to the equation (43) is obtained.
そうすると、dx(k+i)は、全てのiについて、u(0)乃至u(Hc−1)の関数であるので、(202)式のペナルティ関数についてもu(0)乃至u(Hc−1)の関数と考えることができる。よって、入力制約について(20)式乃至(22)式で記述された最適化問題は、以下のように変形される。 Then, dx (k + i) for all i, u (0) to u since it is a function of (H c -1), (202 ) type u (0) also the penalty function to u (H c - It can be considered as a function of 1). Therefore, the optimization problem described in the equations (20) to (22) with respect to the input constraint is modified as follows.
このような(204)式乃至(206)式を解くことになるが、そのためには状態についてのペナルティ関数に関する∂qc(x)/∂uを線形化する。 In order to solve these equations (204) to (206), ∂q c (x) / ∂u related to the penalty function for the state is linearized.
まず、∂qc(dxmaf(k+i))/∂uegr(k+j)は以下のように表される。 First, ∂q c (dx maf (k + i)) / ∂u egr (k + j) is expressed as follows.
次に、(208)式中の∂qc(dxmaf(k+i))/∂dxmaf(k+i)を線形化する。その際、以下の最適な線形化制御入力u~で1次のテイラー展開を行うと、∂qc(dxmaf(k+i))/∂dxmaf(k+i)は以下のように表される。 Next, ∂q c (dx maf (k + i)) / ∂dx maf (k + i) in equation (208) is linearized. At this time, when the first-order Taylor expansion is performed with the following optimal linearization control input u˜, ∂q c (dx maf (k + i)) / ∂dx maf (k + i) is expressed as follows.
また、(208)式と同様に、以下のように表される。 Moreover, it represents as follows similarly to (208) Formula.
従って、以下のような近似式を得られる。 Therefore, the following approximate expression can be obtained.
よって、(208)式及び(211)式を組み合わせると、以下のような近似式が得られる。 Therefore, the following approximate expression can be obtained by combining the expressions (208) and (211).
ここで、近似のためペナルティ関数部分の変数として代入するdxmafのベースポイントを設定する。この場合近似は行わずとも、ベースポイントdxbase maf(k)は以下のように表される。 Here, a base point of dx maf to be substituted as a variable in the penalty function portion is set for approximation. In this case, the base point dx base maf (k) is expressed as follows without approximation.
ディーゼルエンジンの特性上、状態の変化は入力の影響が支配的になるため、初期値の影響が状態の変化に与える影響は極めて小さいものとして取り扱って近似できる。従って、(204)式の定数部分は、(211)式から以下のように近似される。 Due to the characteristics of the diesel engine, the influence of the input is dominant in the change of the state, so that the influence of the influence of the initial value on the change of the state can be handled and approximated as extremely small. Therefore, the constant part of the equation (204) is approximated from the equation (211) as follows.
さらに、dx~maf(k+i)をdxbase maf(k)と近似すれば、{∂2qc(dxmaf(k+i))/∂dxmaf(k+i)2}(u~)は、全てのiについてベースポイントdxbase maf(k)に関して同じ関数になる。同様に、{∂qc(dxmaf(k+i))/∂dxmaf(k+i)}(u~)は、全てのiについてベースポイントdxbase maf(k)に関して同じ関数になる。 Further, if the approximate dx ~ maf the (k + i) and dx base maf (k), { ∂ 2 q c (dx maf (k + i)) / ∂dx maf (k + i) 2} (u ~) , all i Is the same function with respect to the base point dx base maf (k). Similarly, {∂q c (dx maf (k + i)) / ∂dx maf (k + i)} (u˜) is the same function with respect to the base point dx base maf (k) for all i.
以下、ペナルティ関数のdx(ここではdxmaf)についての一階偏微分を∂(dx)と表し、二階偏微分を∂2(dx)と表し、dx=dxbase maf(k)についての∂(dxbase maf(k))及び∂2(dxbase maf(k))によって、(212)式は以下のように表される。 Hereinafter, the first-order partial differential for dx (here, dx maf ) of the penalty function is represented as ∂ (dx), the second-order partial derivative is represented as ∂ 2 (dx), and ∂ (dx = dx base maf (k) (dx base maf (k)) and ∂ 2 (dx base maf (k)), the expression (212) is expressed as follows.
この(215)式から、以下のような近似も行われる。 From the equation (215), the following approximation is also performed.
さらに、この(216)式から、以下のような近似も行われる。 Furthermore, the following approximation is also performed from the equation (216).
ここで、Λd及びνdは以下のように表される。 Here, Λ d and ν d are expressed as follows.
なお、Λdにおけるpは2j+1で固定で、qについては、1からHcまで増加する。すなわち、Λdは、1行Hc列の行列である。 Note that p in Λ d is fixed at 2j + 1, and q increases from 1 to H c . That is, Λ d is a matrix of 1 row and H c columns.
従って、(217)式及び(37)式から、状態についてのペナルティ関数を伴う最適化問題は、以下のように緩和される。 Therefore, from the equations (217) and (37), the optimization problem with the penalty function for the state is mitigated as follows.
(218)式をエンジン制御装置1000で解くためには、M2、b2、Λd及びνdを予めオフラインで用意しておき、ペナルティ関数のdxmafについての一階偏微分∂(dx)と、二階偏微分∂2(dx)を予めオフラインで算出しておく。そして、エンジン制御装置1000では、dxbase maf(k)を(213)式で算出するとともに、∂(dxbase maf(k))及び∂2(dxbase maf(k))を算出する。そして(218)式を解くことになる。
In order to solve the equation (218) by the
なお、上ではdxmafについて状態制約を設ける例を示したが、dxmapについて状態制約を設けるようにしてもよいし、それら両方に状態制約を設けるようにしてもよい。基本的な処理は上で述べたとおりである。 Although an example in which state constraints are provided for dx maf has been described above, state constraints may be provided for dx map , or state constraints may be provided for both of them. The basic processing is as described above.
なお、本実施の形態に係るオフライン処理装置100は、図3に示したものと同様の構成を有する。
The
次に、オフライン処理装置100の処理内容も、おおよそ第1の実施の形態と同様であるから、図4を用いて説明する。まず、入力部101は、ユーザからの入力データとして、行列A、B、S及びR、予測ホライズンHp及び制御ホライズンHcなどの値の入力を受け付け、入力データ格納部102に格納する(図4:ステップS1)。なお、入力データ格納部102に格納されていない場合には、(205)乃至(207)式のデータも入力部101を介して入力データ格納部102に格納されるものとする。同様に、入力制約に係る項の式のデータ((24)式)についても同様に、入力データ格納部102に格納されており、格納されていない場合には入力部101を介して入力される。状態偏差の変化量dx(k+i)(=x(k+i)−x(k+i−1))に係る式のデータについても同様に、入力データ格納部102に格納されており、格納されていない場合には入力部101を介して入力される。
Next, the processing content of the
次に、第1変形処理部103は、入力データ格納部102に格納されているデータを用いて、状態偏差xについての第1変形処理を実行し、処理結果を第1データ格納部104に格納する(ステップS3)。(22)式に由来する(28−1)及び(28−2)式を(29)式に代入する処理をiを増加させながら繰り返して実行し、状態偏差ベクトルについての(30)式を生成する処理を実行する。
Next, the first
本実施の形態では、さらに、第1変形処理部103は、入力データ格納部102に格納されているデータを用いて、制約されるパラメータである状態偏差の変化量dxについての変形処理を実行し、処理結果を第1データ格納部104に格納する(ステップS4)。制約条件が異なるので、このステップは第1の実施の形態とは異なる。(30)式を(203)式に代入することで、(204)式に示すようにdx(k+i)は書き下される。
In the present embodiment, the first
また、第2変形処理部105は、入力データ格納部102に格納されているデータを用いて、ラグランジュ乗数λについての第2変形処理を実行し、処理結果を第2データ格納部106に格納する(ステップS5)。(20)式に由来する(31)及び(32)式を(33)式に代入する処理をiを減少させながら繰り返して実行し、(34)式を生成する処理を実行する。
In addition, the second
さらに、第3変形処理部107は、第1データ格納部104及び第2データ格納部106に格納されているデータを用いて、ラグランジュ乗数λについての第3変形処理を実行し、処理結果を第3データ格納部108に格納する(ステップS7)。(30)式を(34)式に代入する処理を実行して、(35)式を生成する。
Further, the third
そして、第1行列生成部109は、(30)式(第1データ格納部104に格納されている)及び(35)式(第3データ格納部108に格納されている)を(21)式(入力データ格納部102に格納されている)に代入して連立方程式(36)式を生成し、これを(37)式の形に変形することで、行列M2及びb2を算出し、第4データ格納部110に格納する(ステップS9)。
Then, the first
その後、第2行列生成部111は、第1データ格納部104に格納されているdxについての変形処理の結果((204)式)を用いて、入力データ格納部102に格納されている式に従って、係数行列Λd及び係数ベクトルνdを生成し、第4データ格納部110に格納する(ステップS11)。このステップについても第1の実施の形態とは異なる。
Thereafter, the second
さらに、微分処理部112は、第1データ格納部102に格納されている、状態偏差の変化量についてのペナルティ関数におけるτについての1階偏微分関数∂(dx)と、2階偏微分関数∂2(dx)を生成し、第4データ格納部110に格納する(ステップS13)。1階偏微分関数及び2階偏微分関数の生成については、周知であるからここでは説明を省略する。
Further, the
以上のような処理を実行することで、エンジン制御装置1000の処理負荷を大幅に削減でき、処理速度を高速化できる。
By executing the processing as described above, the processing load of the
また、エンジン制御装置1000におけるモデル予測制御部220の構成例は、第1の実施の形態と同様である。
Further, the configuration example of the model
データ格納部2205には、第4データ格納部110に格納されているデータが格納される。
The
次に、エンジン制御装置1000におけるモデル予測制御部220の処理内容についても、第1の実施の形態と同様であるから、図6を用いて説明する。
Next, the processing contents of the model
まず、モデル予測制御部220は、x(k)(=Xref(k)−y(k))を取得する(図6:ステップS21)。
First, the model
そうすると、モデル予測制御部220は、関数ベクトルb2にx(k)を代入して関数ベクトルb2を数値ベクトル化する(ステップS23)。
Then, the model
また、微分値算出部2201は、制約されるパラメータのベースポイントの値であるdxbase maf(k)((213)式)を算出し、データ格納部2205に格納されているペナルティ関数の1階偏微分関数∂(dx)と、2階偏微分関数∂2(dx)にdxbase maf(k)を代入し、∂(dxbase maf(k))及び∂2(dxbase maf(k))を求める(ステップS25)。ここは第1の実施の形態とは異なる。
Also, the differential
そして、行列算出部2202は、M3及びb3を算出する(ステップS27)。
Then, the
(218)式の左辺におけるベクトルU2以外の部分である(M2+∂2(dxbase maf(k))Λd)がM3である。また、(218)式の右辺がb3である。すなわち、b3=b2−(∂(dxbase maf(k))−∂2(dxbase maf(k))dxbase maf(k))νdである。b3を算出するためには、dxbase maf(k)を、(213)式で算出する。ここは第1の実施の形態とは異なる。 (M 2 + ∂ 2 (dx base maf (k)) Λ d ) other than the vector U 2 on the left side of the equation (218) is M 3 . Further, the right side of the equation (218) is b 3 . That is, b 3 = b 2 − (∂ (dx base maf (k)) − ∂ 2 (dx base maf (k)) dx base maf (k)) ν d . In order to calculate b 3 , dx base maf (k) is calculated by equation (213). This is different from the first embodiment.
そして、出力生成部2203は、U=M-1 3b3によってベクトルUを算出する(ステップS29)。さらに、出力生成部2203は、ベクトルUから線形化制御入力u(k)(i=0)を抽出し、出力する(ステップS31)。
Then, the
その後、モデル予測制御部220は、処理が終了するのかを判断し(ステップS33)、処理終了でなければ処理はステップS21に戻り、処理終了であれば処理は終了する。
Thereafter, the model
[実施の形態3]
実際に制御を行う場合、空気過剰率τが制限値を超えてしまう場合や、多少制限値を超えることを許容する場合もある。この場合でも、できるだけ過剰に制限値を超えることは避けることが好ましい。
[Embodiment 3]
When the control is actually performed, the excess air ratio τ may exceed the limit value or may be allowed to slightly exceed the limit value. Even in this case, it is preferable to avoid exceeding the limit value as much as possible.
この場合には、例えば、以下のようなペナルティ関数を採用する。 In this case, for example, the following penalty function is adopted.
このペナルティ関数は、図8に示すように変化する関数である。このように、τがτmin以下となるqbが指数関数的に増加する。 This penalty function is a function that changes as shown in FIG. In this way, q b where τ is equal to or less than τ min increases exponentially.
さらに、設計者によっては空気過剰率τが、所望する目標値周辺で推移するような制御を行う場合もある。 Furthermore, some designers may perform control such that the excess air ratio τ changes around a desired target value.
この場合も、過度に目標値から離れることを抑制するために、目標値想定推移区間をτminからτmaxとした場合、以下のようなペナルティ関数を採用する場合もある。 In this case as well, in order to suppress excessive separation from the target value, the following penalty function may be adopted when the target value assumed transition section is changed from τ min to τ max .
このペナルティ関数は、図9に示すように変化する関数である。すなわち、τmin乃至τmaxの間qbは「0」となるが、その区間を離れるほどqbは指数関数的に増加する。 This penalty function is a function that changes as shown in FIG. That is, q b is “0” between τ min and τ max , but q b increases exponentially as the interval is increased.
さらに、空気過剰率τをより目標値τrefに近づけたい場合には、以下のようなペナルティ関数を採用する場合もある。 Furthermore, when it is desired to make the excess air ratio τ closer to the target value τ ref , the following penalty function may be employed.
このようなペナルティ関数を導入したとしても、基本的に第1の実施の形態で説明したオフライン処理は同じである。但し、空気過剰率τの値域によって関数の形が異なるので、それぞれについてτ(k+i)についての1階偏微分関数及び2階偏微分関数を算出する。すなわち、ステップS13では、各適用範囲について、1階偏微分関数∂(τ)及び2階偏微分関数∂2(τ)を生成する。 Even if such a penalty function is introduced, the offline processing described in the first embodiment is basically the same. However, since the form of the function differs depending on the range of the excess air ratio τ, the first-order partial differential function and the second-order partial differential function for τ (k + i) are calculated for each. That is, in step S13, a first-order partial differential function ∂ (τ) and a second-order partial differential function ∂ 2 (τ) are generated for each application range.
そして、τ(k+i)の値に応じて、ペナルティ関数の適用範囲を特定し、適用範囲に応じた1階偏微分関数∂(τ)及び2階偏微分関数∂2(τ)又は「制約なし」(ペナルティ関数が「0」の場合)を用いることになる。 Then, the application range of the penalty function is specified according to the value of τ (k + i), and the first-order partial differential function ∂ (τ) and the second-order partial differential function ∂ 2 (τ) or “no constraint” according to the application range. (When the penalty function is “0”).
具体的に、図10を用いてモデル予測制御部220の処理内容を説明する。
Specifically, the processing contents of the model
まず、モデル予測制御部220は、x(k)(=Xref(k)−y(k))を取得する(図10:ステップS41)。
First, the model
そうすると、モデル予測制御部220は、関数ベクトルb2にx(k)を代入して関数ベクトルb2を数値ベクトル化する(ステップS43)。
Then, the model
また、微分値算出部2201は、制約されるパラメータの現在値であるτ(k)(=Cx(k−1)+Du(k−1))を算出する(ステップS44)。さらに、微分値算出部2201は、τ(k)から、ペナルティ関数の適用範囲を特定する(ステップS45)。
Also, the differential
そうすると、微分値算出部2201は、特定された適用範囲が、ペナルティ関数が0の範囲であるか否かを判断する(ステップS47)。
Then, the differential
特定された適用範囲が、ペナルティ関数が0の範囲ではない場合には、微分値算出部2201は、制約されるパラメータのベースポイントにおける値であるτbase(k)((56)式)を算出し、データ格納部2205に格納されているペナルティ関数の1階偏微分関数∂(τ)と、2階偏微分関数∂2(τ)にτbase(k)を代入し、∂(τbase(k))及び∂2(τbase(k))を求める(ステップS51)。
When the specified application range is not a range where the penalty function is 0, the differential
そして、行列算出部2202は、特定された適用範囲についてのM3及びb3を算出する(ステップS53)。
Then, the
(65)式の左辺におけるベクトルU2以外の部分である(M2+∂2(τbase(k))Λl)がM3である。また、(65)式の右辺がb3である。すなわち、b3=b2−(∂(τbase(k))−∂2(τbase(k))dl(τbase(k)))νlである。b3を算出するためには、dl(τbase(k))を、(58)式で算出する。そして処理はステップS57に移行する。 (M 2 + ∂ 2 (τ base (k)) Λ l ) other than the vector U 2 on the left side of the equation (65) is M 3 . Further, the right side of the expression (65) is b 3 . That is, b 3 = b 2 − (∂ (τ base (k)) − ∂ 2 (τ base (k)) d l (τ base (k))) ν l . In order to calculate b 3 , d l (τ base (k)) is calculated by equation (58). Then, the process proceeds to step S57.
一方、特定された適用範囲が、ペナルティ関数が0の範囲であれば、微分値算出部2201は、M3=M2及びb3=b2と設定する(ステップS55)。状態制約についてのペナルティ関数は適用されない。その後処理はステップS57に移行する。
On the other hand, if the specified application range is a range in which the penalty function is 0, the differential
そして、出力生成部2203は、U=M-1 3b3によってベクトルUを算出する(ステップS57)。さらに、出力生成部2203は、ベクトルUから線形化制御入力u(k)(i=0)を抽出し、出力する(ステップS59)。
Then, the
その後、モデル予測制御部220は、処理が終了するのかを判断し(ステップS61)、処理終了でなければ処理はステップS41に戻り、処理終了であれば処理は終了する。
Thereafter, the model
このような処理を実行すれば、適切なペナルティ関数が適用されるようになり、オーバーシュートやアンダーシュートを効果的に抑制できるようになる。 By executing such processing, an appropriate penalty function is applied, and overshoot and undershoot can be effectively suppressed.
[実施の形態4]
状態偏差の変化量に関する制約についても、過度の変化を抑える目的もあるので、制御の方法によっては、制約を超えた変化も許す場合もある。この場合も、過度に制約を超えることを抑制するため、以下のようなペナルティ関数を採用する場合もある。
[Embodiment 4]
The restriction on the amount of change in the state deviation also has the purpose of suppressing an excessive change. Therefore, depending on the control method, a change exceeding the restriction may be allowed. In this case as well, the following penalty function may be employed in order to suppress excessive restrictions.
このペナルティ関数は、図11に示すが、図9に示したものと同様である。 This penalty function is shown in FIG. 11 and is the same as that shown in FIG.
従って、第3の実施の形態で説明したように、オフラインでは、dxの適用範囲毎に、ペナルティ関数の1階偏微分関数∂(dx)と、2階偏微分関数∂2(dx)とを算出しておく。さらに、オンライン処理では、dx(k)(=x(k)−x(k−1))を算出し、dx(k)が含まれる適用範囲についての、1階偏微分関数∂(dx)及び2階偏微分関数∂2(dx)を用いて、演算を行えばよい。 Therefore, as described in the third embodiment, the first-order partial differential function ∂ (dx) and the second-order partial differential function ∂ 2 (dx) of the penalty function are set off-line for each application range of dx. Calculate it. Further, in the online processing, dx (k) (= x (k) −x (k−1)) is calculated, and the first-order partial differential function ∂ (dx) and the application range including dx (k) are included. The calculation may be performed using the second-order partial differential function ∂ 2 (dx).
以上本技術の実施の形態を説明したが、本技術はこれに限定されるものではない。例えば、上で述べた機能ブロック構成については、プログラムモジュール構成とは一致しない場合もある。また、処理結果が変わらない限り、処理フローについても、ステップの順番を入れ替えたり、複数のステップを並列実行するようにしてもよい。 Although the embodiment of the present technology has been described above, the present technology is not limited to this. For example, the functional block configuration described above may not match the program module configuration. Further, as long as the processing result does not change, the order of steps may be changed in the processing flow, or a plurality of steps may be executed in parallel.
なお、上で述べたオフライン処理装置100は、コンピュータ装置であって、図12に示すように、メモリ2501とCPU2503とハードディスク・ドライブ(HDD)2505と表示装置2509に接続される表示制御部2507とリムーバブル・ディスク2511用のドライブ装置2513と入力装置2515とネットワークに接続するための通信制御部2517とがバス2519で接続されている。オペレーティング・システム(OS:Operating System)及び本実施例における処理を実施するためのアプリケーション・プログラムは、HDD2505に格納されており、CPU2503により実行される際にはHDD2505からメモリ2501に読み出される。CPU2503は、アプリケーション・プログラムの処理内容に応じて表示制御部2507、通信制御部2517、ドライブ装置2513を制御して、所定の動作を行わせる。また、処理途中のデータについては、主としてメモリ2501に格納されるが、HDD2505に格納されるようにしてもよい。本技術の実施例では、上で述べた処理を実施するためのアプリケーション・プログラムはコンピュータ読み取り可能なリムーバブル・ディスク2511に格納されて頒布され、ドライブ装置2513からHDD2505にインストールされる。インターネットなどのネットワーク及び通信制御部2517を経由して、HDD2505にインストールされる場合もある。このようなコンピュータ装置は、上で述べたCPU2503、メモリ2501などのハードウエアとOS及びアプリケーション・プログラムなどのプログラムとが有機的に協働することにより、上で述べたような各種機能を実現する。
The
また、上で述べたエンジン制御装置1000は、コンピュータ装置であって、図13に示すように、RAM(Random Access Memory)4501とプロセッサ4503とROM(Read Only Memory)4507とセンサ群4515とがバス4519で接続されている。本実施の形態における処理を実施するための制御プログラム及び存在している場合にはオペレーティング・システム(OS:Operating System))は、ROM4507に格納されており、プロセッサ4503により実行される際にはROM4507からRAM4501に読み出される。プロセッサ4503は、センサ群4515(例えば、吸気圧センサ及び新気量センサ。場合によっては燃料噴射量測定部及びエンジン回転数測定部など。)を制御して、測定値を取得する。また、処理途中のデータについては、RAM4501に格納される。なお、プロセッサ4503は、ROM4507を含む場合もあり、さらに、RAM4501を含む場合もある。本技術の実施の形態では、上で述べた処理を実施するための制御プログラムは、コンピュータ読み取り可能なリムーバブル・ディスクに格納されて頒布され、ROMライタによってROM4507に書き込まれる場合もある。このようなコンピュータ装置は、上で述べたプロセッサ4503、RAM4501、ROM4507などのハードウエアと制御プログラム(場合によってはOSも)とが有機的に協働することにより、上で述べたような各種機能を実現する。
The
以上述べた本実施の形態をまとめると以下のようになる。 The above-described embodiment can be summarized as follows.
本実施の形態の第1の態様に係るオフライン処理方法は、(1)(a)モデル予測制御の評価関数とラグランジュ乗数を含み且つ制御対象の状態方程式に関する第1の関数との和を含む第2の関数をラグランジュ乗数について偏微分することで得られ且つ制御対象の状態偏差及び制御対象に対する線形化制御入力を変数として含む第1の一次式群と、(b)第2の関数を制御対象の状態偏差について偏微分することで得られ且つ制御対象の状態偏差及びラグランジュ乗数を変数として含む第2の一次式群と、(c)第2の関数を制御対象の線形化制御入力について偏微分することで得られ且つラグランジュ乗数及び制御対象の状態偏差を変数として含む第3の一次式群と、(d)モデル予測制御の制御対象についての制約条件に対応するペナルティ関数と、(e)制約条件において制限されるパラメータに関する関係式とを格納するデータ格納部から第1の一次式群を読み出して、状態偏差の現在値を除き状態偏差の変数を消し込むように順次代入を行って、第1の一次式群を、状態偏差の現在値と線形化制御入力とを変数として含む第4の一次式群に変形し、(2)データ格納部から第2の一次式群を読み出して、ラグランジュ乗数の変数を消し込むように順次代入を行って、第2の一次式群を、状態偏差を変数として含む第5の一次式群に変形し、(3)データ格納部から第3の一次式群を読み出して、第4の一次式群及び第5の一次式群を代入することで、第3の一次式群を、状態偏差の現在値と線形化制御入力とを変数として含む第6の一次式群に変形し、(4)第6の一次式群を、第1の係数行列と線形化制御入力についてのベクトルとの積が、状態偏差の現在値の関数ベクトルと等式で表されるように変形し、(5)データ格納部に格納されたペナルティ関数をパラメータについて1階偏微分した第1の微分関数及び2階偏微分した第2の微分関数を生成し、(6)データ格納部から関係式を読み出して、第4の一次式群を関係式に代入することで、関係式を、状態偏差の現在値と線形化制御入力とを変数として含む第7の一次式群に変形し、(7)第7の一次式群から線形化制御入力についての係数を抽出し、ペナルティ関数について予め定められている第2の係数行列及び係数ベクトルを算出する処理を含む。 The off-line processing method according to the first aspect of the present embodiment includes (1) (a) a model predictive control evaluation function and a Lagrange multiplier and a sum of a first function related to a state equation to be controlled. A first linear expression group obtained by partially differentiating a function of 2 with respect to a Lagrange multiplier and including a state deviation of the controlled object and a linearized control input for the controlled object, and (b) a second function as the controlled object A second linear expression group obtained by partial differentiation with respect to the state deviation of the control object and including the state deviation and Lagrange multiplier of the controlled object as variables, and (c) the partial differentiation of the second function with respect to the linearized control input of the controlled object. And a third linear expression group that includes the Lagrange multiplier and the state deviation of the controlled object as variables, and (d) a pena that corresponds to the constraint condition on the controlled object of model predictive control. The first linear expression group is read from the data storage unit that stores the tee function and (e) the relational expression related to the parameter restricted by the constraint condition, and the state deviation variable is eliminated except for the current value of the state deviation. And the first linear expression group is transformed into a fourth linear expression group including the current value of the state deviation and the linearization control input as variables, and (2) from the data storage unit to the second linear expression group The primary expression group is read out and sequentially substituted so as to eliminate the variable of the Lagrangian multiplier, and the second primary expression group is transformed into a fifth primary expression group including the state deviation as a variable. (3) Data The third primary expression group is read from the storage unit, and the fourth linear expression group and the fifth primary expression group are substituted, so that the third primary expression group is changed to the current value of the state deviation and the linearization control input. To the sixth group of linear expressions including (4) sixth one The expression group is transformed so that the product of the first coefficient matrix and the vector for the linearization control input is expressed by an equation with the function vector of the current value of the state deviation, and (5) stored in the data storage unit A first differential function obtained by first-order partial differentiation of the penalty function and a second differential function obtained by second-order partial differentiation with respect to the parameters, and (6) a relational expression is read out from the data storage unit to obtain a fourth linear expression By substituting the group into the relational expression, the relational expression is transformed into a seventh linear expression group including the current value of the state deviation and the linearization control input as variables, and (7) linear from the seventh linear expression group. Including a process of extracting a coefficient for the optimization control input and calculating a second coefficient matrix and coefficient vector predetermined for the penalty function.
このような処理をオフラインで実行しておくことにより、様々な状態制約を導入したモデル予測制御を行うことができるようになる。 By executing such processing offline, it is possible to perform model predictive control in which various state constraints are introduced.
なお、上で述べたパラメータが、状態偏差と線形化制御入力とから表されるパラメータである場合もある。このような場合には、ディーゼルエンジンの空気過剰率などに対して制約条件を設定することができるようになる。 The parameter described above may be a parameter expressed from the state deviation and the linearization control input. In such a case, a constraint condition can be set for the excess air ratio of the diesel engine.
さらに、上で述べたパラメータが、状態偏差の変化量である場合もある。このような場合には、状態偏差についての変化が急激に発生しないようにすることができるようになる。 Furthermore, the parameter described above may be a change amount of the state deviation. In such a case, it becomes possible to prevent a change in the state deviation from occurring suddenly.
さらに、上で述べたペナルティ関数が、パラメータの値域毎に異なる関数で表される場合がある。この場合、上で述べた第1及び第2の微分関数を、パラメータの値域毎に生成するようにしても良い。このようにすれば、制御実行時に第1の関数と第2の関数とを切り替えて用いることができるようになる。 Furthermore, the penalty function described above may be represented by a function that is different for each parameter range. In this case, the first and second differential functions described above may be generated for each parameter range. In this way, the first function and the second function can be switched and used during control execution.
本実施の形態の第2の態様に係る制御方法は、(1)(a)モデル予測制御の制御対象についての状態偏差の現在値についての関数ベクトルと、(b)制御期間内における制御対象に対する線形化制御入力のベクトルとの積が関数ベクトルと等しくなるように予め算出されている第1の係数行列と、(c)モデル予測制御の制御対象における制約条件に対応するペナルティ関数について予め算出されている第2の係数行列及び係数ベクトルと、(d)制約条件において制限されるパラメータについてペナルティ関数を1階偏微分した第1の式及び2階偏微分した第2の式とを格納するデータ格納部から第1の式及び第2の式を読み出して、状態偏差の現在値から得られる、パラメータの基点の値を代入することで、第1の値及び第2の値を算出し、(2)データ格納部から第1の係数行列及び第2の係数行列を読み出して、第2の値と第2の係数行列との積と第1の係数行列との和である第1の行列を算出し、(3)データ格納部から関数ベクトルを読み出して、関数ベクトルに状態偏差の現在値を代入することで得られる第1のベクトルから、((第1の値)−(第2の値とパラメータの基点に関連し且つ状態偏差の現在値又は線形化制御入力の1単位時間前の値から得られる第3の値との積))と係数ベクトルとの積を差し引いた第2のベクトルを算出し、(4)第1の行列の逆行列と第2のベクトルとの積により、線形化制御入力のベクトルを生成し、(5)線形化制御入力のベクトルの要素のうち最初の時刻のための線形化制御入力を抽出する処理を含む。 The control method according to the second aspect of the present embodiment includes (1) (a) a function vector for a current value of a state deviation for a control target of model predictive control, and (b) for a control target within a control period. The first coefficient matrix calculated in advance so that the product of the vector of the linearization control input becomes equal to the function vector, and (c) the penalty function corresponding to the constraint condition in the control target of model predictive control is calculated in advance. The second coefficient matrix and coefficient vector, and (d) data that stores a first expression obtained by first-order partial differentiation of a penalty function and a second expression obtained by second-order partial differentiation with respect to parameters restricted by the constraint condition The first value and the second value are calculated by reading the first and second equations from the storage unit and substituting the value of the parameter base point obtained from the current value of the state deviation. (2) The first coefficient matrix and the second coefficient matrix are read from the data storage unit, and the first coefficient matrix is the sum of the product of the second value and the second coefficient matrix and the first coefficient matrix. (3) From the first vector obtained by reading the function vector from the data storage unit and substituting the current value of the state deviation into the function vector, ((first value) − (first The product of the value of 2 and the third value obtained from the current value of the state deviation or the value one unit time before the linearization control input)) and the coefficient vector. (4) a vector of the linearization control input is generated by the product of the inverse matrix of the first matrix and the second vector, and (5) of the elements of the vector of the linearization control input The process includes extracting a linearization control input for the first time.
このような処理を実行することで、高速に状態制約を伴うモデル予測制御を実行できるようになる。 By executing such processing, model predictive control with state constraints can be executed at high speed.
また、第2の態様に係る制御方法は、状態偏差の現在値から算出されるパラメータの現在値が所定範囲内であるか判断する処理をさらに含むようにしても良い。この場合、パラメータの現在値が所定範囲内であれば、第1の値及び第2の値を算出する処理と、第1の行列を算出する処理と、第2のベクトルを算出する処理と、線形化制御入力のベクトルを生成する処理と、線形化制御入力を抽出する処理とを実行するようにしても良い。制御対象によっては、状態制約に基づく処理を行うことが好ましくない場合もあるためである。 The control method according to the second aspect may further include a process of determining whether the current value of the parameter calculated from the current value of the state deviation is within a predetermined range. In this case, if the current value of the parameter is within a predetermined range, a process for calculating the first value and the second value, a process for calculating the first matrix, a process for calculating the second vector, You may make it perform the process which produces | generates the vector of a linearization control input, and the process which extracts a linearization control input. This is because depending on the control target, it may not be preferable to perform processing based on state constraints.
さらに、上で述べたデータ格納部が、パラメータの現在値の値域に応じた第1の式及び第2の式を格納している場合もある。この場合、上記第1の値及び第2の値を算出する処理が、パラメータの現在値が属する値域を特定し、当該特定された値域に応じた第1の式及び第2の式を読み出す処理を含むようにしても良い。適切な式を状況に応じて切り分けて用いることで、適切な制御を行うことができるようになる。 Furthermore, the data storage unit described above may store the first expression and the second expression corresponding to the range of the current value of the parameter. In this case, the process of calculating the first value and the second value specifies the value range to which the current value of the parameter belongs, and reads the first expression and the second expression corresponding to the specified value range May be included. Appropriate control can be performed by separating and using appropriate expressions according to the situation.
また、上で述べたパラメータの現在値が所定範囲外であれば、データ格納部から関数ベクトル及び第1の係数行列を読み出して、関数ベクトルに状態偏差の現在値を代入することで得られる第1のベクトルと、第1の係数行列の逆行列との積により、線形化制御入力の第2のベクトルを生成し、線形化制御入力の第2のベクトルの要素のうち最初の時刻のための線形化制御入力を抽出する処理をさらに含むようにしても良い。状態制約を考慮しないモデル予測制御を高速に実行できる。 Further, if the current value of the parameter described above is outside the predetermined range, the function vector and the first coefficient matrix are read from the data storage unit, and the current value of the state deviation is substituted into the function vector. The product of the vector of 1 and the inverse of the first coefficient matrix generates a second vector of the linearization control input, for the first time of the elements of the second vector of the linearization control input A process of extracting a linearization control input may be further included. Model predictive control without considering state constraints can be executed at high speed.
なお、上で述べたパラメータが、状態偏差と線形化制御入力とから表されるパラメータである場合には、上で述べた第3の値は、制御対象の状態方程式で用いられる行列と線形化制御入力の1単位時間前の値とから算出される場合もある。例えば、空気過剰率の場合には、このような演算が行われる。 In addition, when the parameter described above is a parameter represented by the state deviation and the linearization control input, the third value described above is linearized with the matrix used in the state equation to be controlled. It may be calculated from a value one unit time before the control input. For example, such calculation is performed in the case of the excess air ratio.
さらに、上で述べたパラメータが、状態偏差の変化量である場合には、第3の値は、状態偏差の現在値と状態偏差の1単位時間前の値との差である場合もある。状態偏差の変化量に制約がある場合には、このような演算が行われる。 Further, when the above-described parameter is a change amount of the state deviation, the third value may be a difference between the current value of the state deviation and a value one unit time before the state deviation. Such calculation is performed when there is a restriction on the amount of change in the state deviation.
なお、上記方法による処理をプロセッサ(又はコンピュータ)に行わせるためのプログラムを作成することができ、当該プログラムは、例えばフレキシブルディスク、CD−ROM、光磁気ディスク、半導体メモリ、ハードディスク等のコンピュータ読み取り可能な記憶媒体又は記憶装置に格納される。尚、中間的な処理結果はメインメモリ等の記憶装置に一時保管される。 It is possible to create a program for causing a processor (or computer) to perform the processing according to the above method, and the program can be read by a computer such as a flexible disk, CD-ROM, magneto-optical disk, semiconductor memory, hard disk, Stored in a storage medium or storage device. The intermediate processing result is temporarily stored in a storage device such as a main memory.
以上の実施例を含む実施形態に関し、さらに以下の付記を開示する。 The following supplementary notes are further disclosed with respect to the embodiments including the above examples.
(付記1)
(a)モデル予測制御の評価関数とラグランジュ乗数を含み且つ前記制御対象の状態方程式に関する第1の関数との和を含む第2の関数を前記ラグランジュ乗数について偏微分することで得られ且つ前記制御対象の状態偏差及び前記制御対象に対する線形化制御入力を変数として含む第1の一次式群と、(b)前記第2の関数を前記制御対象の状態偏差について偏微分することで得られ且つ前記制御対象の状態偏差及び前記ラグランジュ乗数を変数として含む第2の一次式群と、(c)前記第2の関数を前記制御対象の線形化制御入力について偏微分することで得られ且つ前記ラグランジュ乗数及び前記制御対象の状態偏差を変数として含む第3の一次式群と、(d)前記モデル予測制御の制御対象についての制約条件に対応するペナルティ関数と、(e)前記制約条件において制限されるパラメータに関する関係式とを格納するデータ格納部から前記第1の一次式群を読み出して、前記状態偏差の現在値を除き前記状態偏差の変数を消し込むように順次代入を行って、前記第1の一次式群を、前記状態偏差の現在値と前記線形化制御入力とを変数として含む第4の一次式群に変形し、
前記データ格納部から前記第2の一次式群を読み出して、前記ラグランジュ乗数の変数を消し込むように順次代入を行って、前記第2の一次式群を、前記状態偏差を変数として含む第5の一次式群に変形し、
前記データ格納部から前記第3の一次式群を読み出して、前記第4の一次式群及び前記第5の一次式群を代入することで、前記第3の一次式群を、前記状態偏差の現在値と前記線形化制御入力とを変数として含む第6の一次式群に変形し、
前記第6の一次式群を、第1の係数行列と前記線形化制御入力についてのベクトルとの積が、前記状態偏差の現在値の関数ベクトルと等式で表されるように変形し、
前記データ格納部に格納された前記ペナルティ関数を前記パラメータについて1階偏微分した第1の微分関数及び2階偏微分した第2の微分関数を生成し、
前記データ格納部から前記関係式を読み出して、前記第4の一次式群を前記関係式に代入することで、前記関係式を、前記状態偏差の現在値と前記線形化制御入力とを変数として含む第7の一次式群に変形し、
前記第7の一次式群から前記線形化制御入力についての係数を抽出し、前記ペナルティ関数について予め定められている第2の係数行列及び係数ベクトルを算出する
処理を、コンピュータに実行させるためのプログラム。
(Appendix 1)
(A) obtained by partially differentiating the second function including the evaluation function of model predictive control and a Lagrange multiplier and including the sum of the first function related to the state equation of the controlled object with respect to the Lagrange multiplier and the control A first linear expression group including a target state deviation and a linearized control input for the control target as variables; and (b) obtained by partial differentiation of the second function with respect to the control target state deviation and A second linear expression group including the state deviation of the controlled object and the Lagrange multiplier as variables; and (c) the Lagrange multiplier obtained by partial differentiation of the second function with respect to the linearized control input of the controlled object. And a third linear equation group including the state deviation of the controlled object as a variable, and (d) a penalty corresponding to a constraint condition on the controlled object of the model predictive control The first linear expression group is read from a data storage unit that stores a number and (e) a relational expression related to a parameter restricted by the constraint condition, and the variable of the state deviation is excluded except for the current value of the state deviation. Subsequent substitution is performed so that the first linear expression group is transformed into a fourth linear expression group including the current value of the state deviation and the linearization control input as variables,
The second primary expression group is read from the data storage unit and sequentially substituted so as to eliminate the variable of the Lagrange multiplier, and the second primary expression group includes the state deviation as a variable. Transformed into a linear group of
By reading the third primary expression group from the data storage unit and substituting the fourth primary expression group and the fifth primary expression group, the third primary expression group is changed to the state deviation. Transformed into a sixth linear expression group including the current value and the linearization control input as variables,
Transforming the sixth linear equation group so that the product of the first coefficient matrix and the vector for the linearization control input is expressed by an equation with the function vector of the current value of the state deviation;
Generating a first differential function obtained by first-order partial differentiation of the penalty function stored in the data storage unit with respect to the parameter and a second differential function obtained by second-order partial differentiation;
By reading the relational expression from the data storage unit and substituting the fourth primary expression group into the relational expression, the relational expression is used with the current value of the state deviation and the linearization control input as variables. Transformed into a seventh group of primary formulas,
A program for causing a computer to execute a process of extracting a coefficient for the linearization control input from the seventh linear expression group and calculating a second coefficient matrix and a coefficient vector predetermined for the penalty function .
(付記2)
前記パラメータが、前記状態偏差と前記線形化制御入力とから表されるパラメータである
付記1記載のプログラム。
(Appendix 2)
The program according to
(付記3)
前記パラメータが、前記状態偏差の変化量である
付記1記載のプログラム。
(Appendix 3)
The program according to
(付記4)
前記ペナルティ関数が、前記パラメータの値域毎に異なる関数で表され、
前記第1及び第2の微分関数を、前記パラメータの値域毎に生成する
付記1乃至3のいずれか1つ記載のプログラム。
(Appendix 4)
The penalty function is represented by a different function for each range of the parameter,
The program according to any one of
(付記5)
(a)モデル予測制御の制御対象についての状態偏差の現在値についての関数ベクトルと、(b)制御期間内における前記制御対象に対する線形化制御入力のベクトルとの積が前記関数ベクトルと等しくなるように予め算出されている第1の係数行列と、(c)前記モデル予測制御の制御対象における制約条件に対応するペナルティ関数について予め算出されている第2の係数行列及び係数ベクトルと、(d)前記制約条件において制限されるパラメータについて前記ペナルティ関数を1階偏微分した第1の式及び2階偏微分した第2の式とを格納するデータ格納部から前記第1の式及び前記第2の式を読み出して、前記状態偏差の現在値から得られる、前記パラメータの基点の値を代入することで、第1の値及び第2の値を算出し、
前記データ格納部から前記第1の係数行列及び前記第2の係数行列を読み出して、前記第2の値と前記第2の係数行列との積と前記第1の係数行列との和である第1の行列を算出し、
前記データ格納部から前記関数ベクトルを読み出して、前記関数ベクトルに前記状態偏差の現在値を代入することで得られる第1のベクトルから、((前記第1の値)−(前記第2の値と前記パラメータの基点に関連し且つ前記状態偏差の現在値又は前記線形化制御入力の1単位時間前の値から得られる第3の値との積))と前記係数ベクトルとの積を差し引いた第2のベクトルを算出し、
前記第1の行列の逆行列と前記第2のベクトルとの積により、前記線形化制御入力のベクトルを生成し、
前記線形化制御入力のベクトルの要素のうち最初の時刻のための線形化制御入力を抽出する
処理をプロセッサに実行させるためのプログラム。
(Appendix 5)
(A) The product of the function vector for the current value of the state deviation for the control target of model predictive control and (b) the vector of the linearization control input for the control target within the control period is equal to the function vector. (C) a first coefficient matrix that is calculated in advance, (c) a second coefficient matrix and coefficient vector that are calculated in advance for a penalty function corresponding to a constraint condition in the control target of the model predictive control, and (d) The first equation and the second equation are stored in a data storage unit that stores a first equation obtained by first-order partial differentiation of the penalty function and a second equation obtained by second-order partial differentiation for the parameters restricted in the constraint condition. By reading the equation and substituting the value of the base point of the parameter obtained from the current value of the state deviation, the first value and the second value are calculated,
The first coefficient matrix and the second coefficient matrix are read from the data storage unit, and the product of the second value and the second coefficient matrix and the sum of the first coefficient matrix Calculate the matrix of 1
From the first vector obtained by reading the function vector from the data storage unit and substituting the current value of the state deviation for the function vector, ((the first value) − (the second value) And the third value obtained from the current value of the state deviation or the value of one unit time before the linearization control input))) and the coefficient vector are subtracted. Calculate a second vector;
A vector of the linearization control input is generated by a product of an inverse matrix of the first matrix and the second vector;
A program for causing a processor to execute a process of extracting a linearization control input for the first time among vector elements of the linearization control input.
(付記6)
前記状態偏差の現在値から算出される前記パラメータの現在値が所定範囲内であるか判断する処理をさらに含み、
前記パラメータの現在値が前記所定範囲内であれば、前記第1の値及び第2の値を算出する処理と、前記第1の行列を算出する処理と、前記第2のベクトルを算出する処理と、前記線形化制御入力のベクトルを生成する処理と、前記線形化制御入力を抽出する処理とを実行する
付記5記載のプログラム。
(Appendix 6)
A process of determining whether the current value of the parameter calculated from the current value of the state deviation is within a predetermined range;
If the current value of the parameter is within the predetermined range, a process for calculating the first value and a second value, a process for calculating the first matrix, and a process for calculating the second vector The program according to claim 5, wherein: a process for generating a vector of the linearization control input and a process for extracting the linearization control input are executed.
(付記7)
前記データ格納部が、
前記パラメータの現在値の値域に応じた前記第1の式及び前記第2の式を格納しており、
前記第1の値及び前記第2の値を算出する処理が、
前記パラメータの現在値が属する値域を特定し、当該特定された値域に応じた前記第1の式及び前記第2の式を読み出す処理
を含む付記5又は6記載のプログラム。
(Appendix 7)
The data storage unit
Storing the first equation and the second equation according to the range of the current value of the parameter;
The process of calculating the first value and the second value includes:
The program according to appendix 5 or 6, including a process of specifying a range to which a current value of the parameter belongs and reading the first expression and the second expression according to the specified range.
(付記8)
前記パラメータの現在値が前記所定範囲外であれば、
前記データ格納部から前記関数ベクトル及び前記第1の係数行列を読み出して、前記関数ベクトルに前記状態偏差の現在値を代入することで得られる第1のベクトルと、前記第1の係数行列の逆行列との積により、前記線形化制御入力の第2のベクトルを生成し、
前記線形化制御入力の第2のベクトルの要素のうち最初の時刻のための線形化制御入力を抽出する
処理をさらに含む付記5乃至7のいずれか1つ記載のプログラム。
(Appendix 8)
If the current value of the parameter is outside the predetermined range,
The function vector and the first coefficient matrix are read from the data storage unit, and the first vector obtained by substituting the current value of the state deviation into the function vector and the inverse of the first coefficient matrix Generating a second vector of said linearization control inputs by multiplication with a matrix;
The program according to any one of appendices 5 to 7, further including a process of extracting a linearization control input for a first time among elements of a second vector of the linearization control input.
(付記9)
前記パラメータが、前記状態偏差と前記線形化制御入力とから表されるパラメータである場合には、
前記第3の値は、前記制御対象の状態方程式で用いられる行列と前記線形化制御入力の1単位時間前の値とから算出される
付記5乃至8のいずれか1つ記載のプログラム。
(Appendix 9)
When the parameter is a parameter represented by the state deviation and the linearization control input,
The program according to any one of appendices 5 to 8, wherein the third value is calculated from a matrix used in the state equation of the control target and a value one unit time before the linearization control input.
(付記10)
前記パラメータが、前記状態偏差の変化量である場合には、
前記第3の値は、前記状態偏差の現在値と前記状態偏差の1単位時間前の値との差である
付記1記載のプログラム。
(Appendix 10)
When the parameter is a change amount of the state deviation,
The program according to
(付記11)
(a)モデル予測制御の評価関数とラグランジュ乗数を含み且つ前記制御対象の状態方程式に関する第1の関数との和を含む第2の関数を前記ラグランジュ乗数について偏微分することで得られ且つ前記制御対象の状態偏差及び前記制御対象に対する線形化制御入力を変数として含む第1の一次式群と、(b)前記第2の関数を前記制御対象の状態偏差について偏微分することで得られ且つ前記制御対象の状態偏差及び前記ラグランジュ乗数を変数として含む第2の一次式群と、(c)前記第2の関数を前記制御対象の線形化制御入力について偏微分することで得られ且つ前記ラグランジュ乗数及び前記制御対象の状態偏差を変数として含む第3の一次式群と、(d)前記モデル予測制御の制御対象についての制約条件に対応するペナルティ関数と、(e)前記制約条件において制限されるパラメータに関する関係式とを格納するデータ格納部から前記第1の一次式群を読み出して、前記状態偏差の現在値を除き前記状態偏差の変数を消し込むように順次代入を行って、前記第1の一次式群を、前記状態偏差の現在値と前記線形化制御入力とを変数として含む第4の一次式群に変形し、
前記データ格納部から前記第2の一次式群を読み出して、前記ラグランジュ乗数の変数を消し込むように順次代入を行って、前記第2の一次式群を、前記状態偏差を変数として含む第5の一次式群に変形し、
前記データ格納部から前記第3の一次式群を読み出して、前記第4の一次式群及び前記第5の一次式群を代入することで、前記第3の一次式群を、前記状態偏差の現在値と前記線形化制御入力とを変数として含む第6の一次式群に変形し、
前記第6の一次式群を、第1の係数行列と前記線形化制御入力についてのベクトルとの積が、前記状態偏差の現在値の関数ベクトルと等式で表されるように変形し、
前記データ格納部に格納された前記ペナルティ関数を前記パラメータについて1階偏微分した第1の微分関数及び2階偏微分した第2の微分関数を生成し、
前記データ格納部から前記関係式を読み出して、前記第4の一次式群を前記関係式に代入することで、前記関係式を、前記状態偏差の現在値と前記線形化制御入力とを変数として含む第7の一次式群に変形し、
前記第7の一次式群から前記線形化制御入力についての係数を抽出し、前記ペナルティ関数について予め定められている第2の係数行列及び係数ベクトルを算出する
処理を含み、コンピュータにより実行されるオフライン処理方法。
(Appendix 11)
(A) obtained by partially differentiating the second function including the evaluation function of model predictive control and a Lagrange multiplier and including the sum of the first function related to the state equation of the controlled object with respect to the Lagrange multiplier and the control A first linear expression group including a target state deviation and a linearized control input for the control target as variables; and (b) obtained by partial differentiation of the second function with respect to the control target state deviation and A second linear expression group including the state deviation of the controlled object and the Lagrange multiplier as variables; and (c) the Lagrange multiplier obtained by partial differentiation of the second function with respect to the linearized control input of the controlled object. And a third linear equation group including the state deviation of the controlled object as a variable, and (d) a penalty corresponding to a constraint condition on the controlled object of the model predictive control The first linear expression group is read from a data storage unit that stores a number and (e) a relational expression related to a parameter restricted by the constraint condition, and the variable of the state deviation is excluded except for the current value of the state deviation. Subsequent substitution is performed so that the first linear expression group is transformed into a fourth linear expression group including the current value of the state deviation and the linearization control input as variables,
The second primary expression group is read from the data storage unit and sequentially substituted so as to eliminate the variable of the Lagrange multiplier, and the second primary expression group includes the state deviation as a variable. Transformed into a linear group of
By reading the third primary expression group from the data storage unit and substituting the fourth primary expression group and the fifth primary expression group, the third primary expression group is changed to the state deviation. Transformed into a sixth linear expression group including the current value and the linearization control input as variables,
Transforming the sixth linear equation group so that the product of the first coefficient matrix and the vector for the linearization control input is expressed by an equation with the function vector of the current value of the state deviation;
Generating a first differential function obtained by first-order partial differentiation of the penalty function stored in the data storage unit with respect to the parameter and a second differential function obtained by second-order partial differentiation;
By reading the relational expression from the data storage unit and substituting the fourth primary expression group into the relational expression, the relational expression is used with the current value of the state deviation and the linearization control input as variables. Transformed into a seventh group of primary formulas,
An off-line executed by a computer, including processing for extracting a coefficient for the linearization control input from the seventh linear expression group and calculating a second coefficient matrix and coefficient vector predetermined for the penalty function; Processing method.
(付記12)
(a)モデル予測制御の制御対象についての状態偏差の現在値についての関数ベクトルと、(b)制御期間内における前記制御対象に対する線形化制御入力のベクトルとの積が前記関数ベクトルと等しくなるように予め算出されている第1の係数行列と、(c)前記モデル予測制御の制御対象における制約条件に対応するペナルティ関数について予め算出されている第2の係数行列及び係数ベクトルと、(d)前記制約条件において制限されるパラメータについて前記ペナルティ関数を1階偏微分した第1の式及び2階偏微分した第2の式とを格納するデータ格納部から前記第1の式及び前記第2の式を読み出して、前記状態偏差の現在値から得られる、前記パラメータの基点の値を代入することで、第1の値及び第2の値を算出し、
前記データ格納部から前記第1の係数行列及び前記第2の係数行列を読み出して、前記第2の値と前記第2の係数行列との積と前記第1の係数行列との和である第1の行列を算出し、
前記データ格納部から前記関数ベクトルを読み出して、前記関数ベクトルに前記状態偏差の現在値を代入することで得られる第1のベクトルから、((前記第1の値)−(前記第2の値と前記パラメータの基点に関連し且つ前記状態偏差の現在値又は前記線形化制御入力の1単位時間前の値から得られる第3の値との積))と前記係数ベクトルとの積を差し引いた第2のベクトルを算出し、
前記第1の行列の逆行列と前記第2のベクトルとの積により、前記線形化制御入力のベクトルを生成し、
前記線形化制御入力のベクトルの要素のうち最初の時刻のための線形化制御入力を抽出する
処理を含み、プロセッサにより実行される制御方法。
(Appendix 12)
(A) The product of the function vector for the current value of the state deviation for the control target of model predictive control and (b) the vector of the linearization control input for the control target within the control period is equal to the function vector. (C) a first coefficient matrix that is calculated in advance, (c) a second coefficient matrix and coefficient vector that are calculated in advance for a penalty function corresponding to a constraint condition in the control target of the model predictive control, and (d) The first equation and the second equation are stored in a data storage unit that stores a first equation obtained by first-order partial differentiation of the penalty function and a second equation obtained by second-order partial differentiation for the parameters restricted in the constraint condition. By reading the equation and substituting the value of the base point of the parameter obtained from the current value of the state deviation, the first value and the second value are calculated,
The first coefficient matrix and the second coefficient matrix are read from the data storage unit, and the product of the second value and the second coefficient matrix and the sum of the first coefficient matrix Calculate the matrix of 1
From the first vector obtained by reading the function vector from the data storage unit and substituting the current value of the state deviation for the function vector, ((the first value) − (the second value) And the third value obtained from the current value of the state deviation or the value of one unit time before the linearization control input))) and the coefficient vector are subtracted. Calculate a second vector;
A vector of the linearization control input is generated by a product of an inverse matrix of the first matrix and the second vector;
A control method executed by a processor, including a process of extracting a linearization control input for a first time among elements of a vector of the linearization control input.
(付記13)
(a)モデル予測制御の評価関数とラグランジュ乗数を含み且つ前記制御対象の状態方程式に関する第1の関数との和を含む第2の関数を前記ラグランジュ乗数について偏微分することで得られ且つ前記制御対象の状態偏差及び前記制御対象に対する線形化制御入力を変数として含む第1の一次式群と、(b)前記第2の関数を前記制御対象の状態偏差について偏微分することで得られ且つ前記制御対象の状態偏差及び前記ラグランジュ乗数を変数として含む第2の一次式群と、(c)前記第2の関数を前記制御対象の線形化制御入力について偏微分することで得られ且つ前記ラグランジュ乗数及び前記制御対象の状態偏差を変数として含む第3の一次式群と、(d)前記モデル予測制御の制御対象についての制約条件に対応するペナルティ関数と、(e)前記制約条件において制限されるパラメータに関する関係式とを格納するデータ格納部から前記第1の一次式群を読み出して、前記状態偏差の現在値を除き前記状態偏差の変数を消し込むように順次代入を行って、前記第1の一次式群を、前記状態偏差の現在値と前記線形化制御入力とを変数として含む第4の一次式群に変形する手段と、
前記データ格納部から前記第2の一次式群を読み出して、前記ラグランジュ乗数の変数を消し込むように順次代入を行って、前記第2の一次式群を、前記状態偏差を変数として含む第5の一次式群に変形する手段と、
前記データ格納部から前記第3の一次式群を読み出して、前記第4の一次式群及び前記第5の一次式群を代入することで、前記第3の一次式群を、前記状態偏差の現在値と前記線形化制御入力とを変数として含む第6の一次式群に変形する手段と、
前記第6の一次式群を、第1の係数行列と前記線形化制御入力についてのベクトルとの積が、前記状態偏差の現在値の関数ベクトルと等式で表されるように変形する手段と、
前記データ格納部に格納された前記ペナルティ関数を前記パラメータについて1階偏微分した第1の微分関数及び2階偏微分した第2の微分関数を生成する手段と、
前記データ格納部から前記関係式を読み出して、前記第4の一次式群を前記関係式に代入することで、前記関係式を、前記状態偏差の現在値と前記線形化制御入力とを変数として含む第7の一次式群に変形する手段と、
前記第7の一次式群から前記線形化制御入力についての係数を抽出し、前記ペナルティ関数について予め定められている第2の係数行列及び係数ベクトルを算出する手段と、
を有するオフライン処理装置。
(Appendix 13)
(A) obtained by partially differentiating the second function including the evaluation function of model predictive control and a Lagrange multiplier and including the sum of the first function related to the state equation of the controlled object with respect to the Lagrange multiplier and the control A first linear expression group including a target state deviation and a linearized control input for the control target as variables; and (b) obtained by partial differentiation of the second function with respect to the control target state deviation and A second linear expression group including the state deviation of the controlled object and the Lagrange multiplier as variables; and (c) the Lagrange multiplier obtained by partial differentiation of the second function with respect to the linearized control input of the controlled object. And a third linear equation group including the state deviation of the controlled object as a variable, and (d) a penalty corresponding to a constraint condition on the controlled object of the model predictive control The first linear expression group is read from a data storage unit that stores a number and (e) a relational expression related to a parameter restricted by the constraint condition, and the variable of the state deviation is excluded except for the current value of the state deviation. Means for sequentially substituting to eliminate the first linear expression group into a fourth linear expression group including the current value of the state deviation and the linearization control input as variables;
The second primary expression group is read from the data storage unit and sequentially substituted so as to eliminate the variable of the Lagrange multiplier, and the second primary expression group includes the state deviation as a variable. Means for transforming into a linear group of
By reading the third primary expression group from the data storage unit and substituting the fourth primary expression group and the fifth primary expression group, the third primary expression group is changed to the state deviation. Means for transforming the current value and the linearization control input into a sixth group of linear expressions including variables,
Means for transforming the sixth linear equation group so that a product of a first coefficient matrix and a vector for the linearization control input is expressed by an equation with a function vector of the current value of the state deviation; ,
Means for generating a first differential function obtained by first-order partial differentiation of the penalty function stored in the data storage unit with respect to the parameter and a second differential function obtained by second-order partial differentiation;
By reading the relational expression from the data storage unit and substituting the fourth primary expression group into the relational expression, the relational expression is used with the current value of the state deviation and the linearization control input as variables. Means for transforming into a seventh group of primary formulas including:
Means for extracting a coefficient for the linearization control input from the seventh linear equation group, and calculating a second coefficient matrix and coefficient vector predetermined for the penalty function;
An off-line processing apparatus.
(付記14)
(a)モデル予測制御の制御対象についての状態偏差の現在値についての関数ベクトルと、(b)制御期間内における前記制御対象に対する線形化制御入力のベクトルとの積が前記関数ベクトルと等しくなるように予め算出されている第1の係数行列と、(c)前記モデル予測制御の制御対象における制約条件に対応するペナルティ関数について予め算出されている第2の係数行列及び係数ベクトルと、(d)前記制約条件において制限されるパラメータについて前記ペナルティ関数を1階偏微分した第1の式及び2階偏微分した第2の式とを格納するデータ格納部から前記第1の式及び前記第2の式を読み出して、前記状態偏差の現在値から得られる、前記パラメータの基点の値を代入することで、第1の値及び第2の値を算出する手段と、
前記データ格納部から前記第1の係数行列及び前記第2の係数行列を読み出して、前記第2の値と前記第2の係数行列との積と前記第1の係数行列との和である第1の行列を算出する手段と、
前記データ格納部から前記関数ベクトルを読み出して、前記関数ベクトルに前記状態偏差の現在値を代入することで得られる第1のベクトルから、((前記第1の値)−(前記第2の値と前記パラメータの基点に関連し且つ前記状態偏差の現在値又は前記線形化制御入力の1単位時間前の値から得られる第3の値との積))と前記係数ベクトルとの積を差し引いた第2のベクトルを算出する手段と、
前記第1の行列の逆行列と前記第2のベクトルとの積により、前記線形化制御入力のベクトルを生成する手段と、
前記線形化制御入力のベクトルの要素のうち最初の時刻のための線形化制御入力を抽出する手段と、
を有する制御装置。
(Appendix 14)
(A) The product of the function vector for the current value of the state deviation for the control target of model predictive control and (b) the vector of the linearization control input for the control target within the control period is equal to the function vector. (C) a first coefficient matrix that is calculated in advance, (c) a second coefficient matrix and coefficient vector that are calculated in advance for a penalty function corresponding to a constraint condition in the control target of the model predictive control, and (d) The first equation and the second equation are stored in a data storage unit that stores a first equation obtained by first-order partial differentiation of the penalty function and a second equation obtained by second-order partial differentiation for the parameters restricted in the constraint condition. Means for calculating a first value and a second value by reading an equation and substituting the value of the base point of the parameter obtained from the current value of the state deviation;
The first coefficient matrix and the second coefficient matrix are read from the data storage unit, and the product of the second value and the second coefficient matrix and the sum of the first coefficient matrix Means for calculating a matrix of 1;
From the first vector obtained by reading the function vector from the data storage unit and substituting the current value of the state deviation for the function vector, ((the first value) − (the second value) And the third value obtained from the current value of the state deviation or the value of one unit time before the linearization control input))) and the coefficient vector are subtracted. Means for calculating a second vector;
Means for generating a vector of the linearization control input by a product of an inverse matrix of the first matrix and the second vector;
Means for extracting a linearization control input for a first time among vector elements of the linearization control input;
Control device.
101 入力部
102 入力データ格納部
103 第1変形処理部
104 第1データ格納部
105 第2変形処理部
106 第2データ格納部
107 第3変形処理部
108 第3データ格納部
109 第1行列生成部
110 第4データ格納部
111 第2行列生成部
112 微分処理部
101
Claims (14)
前記データ格納部から前記第2の一次式群を読み出して、前記ラグランジュ乗数の変数を消し込むように順次代入を行って、前記第2の一次式群を、前記状態偏差を変数として含む第5の一次式群に変形し、
前記データ格納部から前記第3の一次式群を読み出して、前記第4の一次式群及び前記第5の一次式群を代入することで、前記第3の一次式群を、前記状態偏差の現在値と前記線形化制御入力とを変数として含む第6の一次式群に変形し、
前記第6の一次式群を、第1の係数行列と前記線形化制御入力についてのベクトルとの積が、前記状態偏差の現在値の関数ベクトルと等式で表されるように変形し、
前記データ格納部に格納された前記ペナルティ関数を前記パラメータについて1階偏微分した第1の微分関数及び2階偏微分した第2の微分関数を生成し、
前記データ格納部から前記関係式を読み出して、前記第4の一次式群を前記関係式に代入することで、前記関係式を、前記状態偏差の現在値と前記線形化制御入力とを変数として含む第7の一次式群に変形し、
前記第7の一次式群から前記線形化制御入力についての係数を抽出し、前記ペナルティ関数について予め定められている第2の係数行列及び係数ベクトルを算出する
処理を、コンピュータに実行させるためのプログラム。 (A) obtained by partially differentiating the second function including the evaluation function of model predictive control and a Lagrange multiplier and including the sum of the first function related to the state equation of the controlled object with respect to the Lagrange multiplier and the control A first linear expression group including a target state deviation and a linearized control input for the control target as variables; and (b) obtained by partial differentiation of the second function with respect to the control target state deviation and A second linear expression group including the state deviation of the controlled object and the Lagrange multiplier as variables; and (c) the Lagrange multiplier obtained by partial differentiation of the second function with respect to the linearized control input of the controlled object. And a third linear equation group including the state deviation of the controlled object as a variable, and (d) a penalty corresponding to a constraint condition on the controlled object of the model predictive control The first linear expression group is read from a data storage unit that stores a number and (e) a relational expression related to a parameter restricted by the constraint condition, and the variable of the state deviation is excluded except for the current value of the state deviation. Subsequent substitution is performed so that the first linear expression group is transformed into a fourth linear expression group including the current value of the state deviation and the linearization control input as variables,
The second primary expression group is read from the data storage unit and sequentially substituted so as to eliminate the variable of the Lagrange multiplier, and the second primary expression group includes the state deviation as a variable. Transformed into a linear group of
By reading the third primary expression group from the data storage unit and substituting the fourth primary expression group and the fifth primary expression group, the third primary expression group is changed to the state deviation. Transformed into a sixth linear expression group including the current value and the linearization control input as variables,
Transforming the sixth linear equation group so that the product of the first coefficient matrix and the vector for the linearization control input is expressed by an equation with the function vector of the current value of the state deviation;
Generating a first differential function obtained by first-order partial differentiation of the penalty function stored in the data storage unit with respect to the parameter and a second differential function obtained by second-order partial differentiation;
By reading the relational expression from the data storage unit and substituting the fourth primary expression group into the relational expression, the relational expression is used with the current value of the state deviation and the linearization control input as variables. Transformed into a seventh group of primary formulas,
A program for causing a computer to execute a process of extracting a coefficient for the linearization control input from the seventh linear expression group and calculating a second coefficient matrix and a coefficient vector predetermined for the penalty function .
請求項1記載のプログラム。 The program according to claim 1, wherein the parameter is a parameter represented by the state deviation and the linearization control input.
請求項1記載のプログラム。 The program according to claim 1, wherein the parameter is a change amount of the state deviation.
前記第1及び第2の微分関数を、前記パラメータの値域毎に生成する
請求項1乃至3のいずれか1つ記載のプログラム。 The penalty function is represented by a different function for each range of the parameter,
The program according to any one of claims 1 to 3, wherein the first and second differential functions are generated for each value range of the parameter.
前記データ格納部から前記第1の係数行列及び前記第2の係数行列を読み出して、前記第2の値と前記第2の係数行列との積と前記第1の係数行列との和である第1の行列を算出し、
前記データ格納部から前記関数ベクトルを読み出して、前記関数ベクトルに前記状態偏差の現在値を代入することで得られる第1のベクトルから、((前記第1の値)−(前記第2の値と前記パラメータの基点に関連し且つ前記状態偏差の現在値又は前記線形化制御入力の1単位時間前の値から得られる第3の値との積))と前記係数ベクトルとの積を差し引いた第2のベクトルを算出し、
前記第1の行列の逆行列と前記第2のベクトルとの積により、前記線形化制御入力のベクトルを生成し、
前記線形化制御入力のベクトルの要素のうち最初の時刻のための線形化制御入力を抽出する
処理をプロセッサに実行させるためのプログラム。 (A) The product of the function vector for the current value of the state deviation for the control target of model predictive control and (b) the vector of the linearization control input for the control target within the control period is equal to the function vector. (C) a first coefficient matrix that is calculated in advance, (c) a second coefficient matrix and coefficient vector that are calculated in advance for a penalty function corresponding to a constraint condition in the control target of the model predictive control, and (d) The first equation and the second equation are stored in a data storage unit that stores a first equation obtained by first-order partial differentiation of the penalty function and a second equation obtained by second-order partial differentiation for the parameters restricted in the constraint condition. By reading the equation and substituting the value of the base point of the parameter obtained from the current value of the state deviation, the first value and the second value are calculated,
The first coefficient matrix and the second coefficient matrix are read from the data storage unit, and the product of the second value and the second coefficient matrix and the sum of the first coefficient matrix Calculate the matrix of 1
From the first vector obtained by reading the function vector from the data storage unit and substituting the current value of the state deviation for the function vector, ((the first value) − (the second value) And the third value obtained from the current value of the state deviation or the value of one unit time before the linearization control input))) and the coefficient vector are subtracted. Calculate a second vector;
A vector of the linearization control input is generated by a product of an inverse matrix of the first matrix and the second vector;
A program for causing a processor to execute a process of extracting a linearization control input for the first time among vector elements of the linearization control input.
前記パラメータの現在値が前記所定範囲内であれば、前記第1の値及び第2の値を算出する処理と、前記第1の行列を算出する処理と、前記第2のベクトルを算出する処理と、前記線形化制御入力のベクトルを生成する処理と、前記線形化制御入力を抽出する処理とを実行する
請求項5記載のプログラム。 A process of determining whether the current value of the parameter calculated from the current value of the state deviation is within a predetermined range;
If the current value of the parameter is within the predetermined range, a process for calculating the first value and a second value, a process for calculating the first matrix, and a process for calculating the second vector The program according to claim 5, wherein: a process of generating a vector of the linearization control input and a process of extracting the linearization control input are executed.
前記パラメータの現在値の値域に応じた前記第1の式及び前記第2の式を格納しており、
前記第1の値及び前記第2の値を算出する処理が、
前記パラメータの現在値が属する値域を特定し、当該特定された値域に応じた前記第1の式及び前記第2の式を読み出す処理
を含む請求項5又は6記載のプログラム。 The data storage unit
Storing the first equation and the second equation according to the range of the current value of the parameter;
The process of calculating the first value and the second value includes:
7. The program according to claim 5, further comprising: a process of specifying a value range to which a current value of the parameter belongs, and reading the first expression and the second expression according to the specified value range.
前記データ格納部から前記関数ベクトル及び前記第1の係数行列を読み出して、前記関数ベクトルに前記状態偏差の現在値を代入することで得られる第1のベクトルと、前記第1の係数行列の逆行列との積により、前記線形化制御入力の第2のベクトルを生成し、
前記線形化制御入力の第2のベクトルの要素のうち最初の時刻のための線形化制御入力を抽出する
処理をさらに含む請求項5乃至7のいずれか1つ記載のプログラム。 If the current value of the parameter is outside the predetermined range,
The function vector and the first coefficient matrix are read from the data storage unit, and the first vector obtained by substituting the current value of the state deviation into the function vector and the inverse of the first coefficient matrix Generating a second vector of said linearization control inputs by multiplication with a matrix;
The program according to any one of claims 5 to 7, further comprising: extracting a linearization control input for a first time among elements of a second vector of the linearization control input.
前記第3の値は、前記制御対象の状態方程式で用いられる行列と前記線形化制御入力の1単位時間前の値とから算出される
請求項5乃至8のいずれか1つ記載のプログラム。 When the parameter is a parameter represented by the state deviation and the linearization control input,
The program according to any one of claims 5 to 8, wherein the third value is calculated from a matrix used in the state equation of the control target and a value one unit time before the linearization control input.
前記第3の値は、前記状態偏差の現在値と前記状態偏差の1単位時間前の値との差である
請求項5記載のプログラム。 When the parameter is a change amount of the state deviation,
The program according to claim 5, wherein the third value is a difference between a current value of the state deviation and a value one unit time before the state deviation.
前記データ格納部から前記第2の一次式群を読み出して、前記ラグランジュ乗数の変数を消し込むように順次代入を行って、前記第2の一次式群を、前記状態偏差を変数として含む第5の一次式群に変形し、
前記データ格納部から前記第3の一次式群を読み出して、前記第4の一次式群及び前記第5の一次式群を代入することで、前記第3の一次式群を、前記状態偏差の現在値と前記線形化制御入力とを変数として含む第6の一次式群に変形し、
前記第6の一次式群を、第1の係数行列と前記線形化制御入力についてのベクトルとの積が、前記状態偏差の現在値の関数ベクトルと等式で表されるように変形し、
前記データ格納部に格納された前記ペナルティ関数を前記パラメータについて1階偏微分した第1の微分関数及び2階偏微分した第2の微分関数を生成し、
前記データ格納部から前記関係式を読み出して、前記第4の一次式群を前記関係式に代入することで、前記関係式を、前記状態偏差の現在値と前記線形化制御入力とを変数として含む第7の一次式群に変形し、
前記第7の一次式群から前記線形化制御入力についての係数を抽出し、前記ペナルティ関数について予め定められている第2の係数行列及び係数ベクトルを算出する
処理を含み、コンピュータにより実行されるオフライン処理方法。 (A) obtained by partially differentiating the second function including the evaluation function of model predictive control and a Lagrange multiplier and including the sum of the first function related to the state equation of the controlled object with respect to the Lagrange multiplier and the control A first linear expression group including a target state deviation and a linearized control input for the control target as variables; and (b) obtained by partial differentiation of the second function with respect to the control target state deviation and A second linear expression group including the state deviation of the controlled object and the Lagrange multiplier as variables; and (c) the Lagrange multiplier obtained by partial differentiation of the second function with respect to the linearized control input of the controlled object. And a third linear equation group including the state deviation of the controlled object as a variable, and (d) a penalty corresponding to a constraint condition on the controlled object of the model predictive control The first linear expression group is read from a data storage unit that stores a number and (e) a relational expression related to a parameter restricted by the constraint condition, and the variable of the state deviation is excluded except for the current value of the state deviation. Subsequent substitution is performed so that the first linear expression group is transformed into a fourth linear expression group including the current value of the state deviation and the linearization control input as variables,
The second primary expression group is read from the data storage unit and sequentially substituted so as to eliminate the variable of the Lagrange multiplier, and the second primary expression group includes the state deviation as a variable. Transformed into a linear group of
By reading the third primary expression group from the data storage unit and substituting the fourth primary expression group and the fifth primary expression group, the third primary expression group is changed to the state deviation. Transformed into a sixth linear expression group including the current value and the linearization control input as variables,
Transforming the sixth linear equation group so that the product of the first coefficient matrix and the vector for the linearization control input is expressed by an equation with the function vector of the current value of the state deviation;
Generating a first differential function obtained by first-order partial differentiation of the penalty function stored in the data storage unit with respect to the parameter and a second differential function obtained by second-order partial differentiation;
By reading the relational expression from the data storage unit and substituting the fourth primary expression group into the relational expression, the relational expression is used with the current value of the state deviation and the linearization control input as variables. Transformed into a seventh group of primary formulas,
An off-line executed by a computer, including processing for extracting a coefficient for the linearization control input from the seventh linear expression group and calculating a second coefficient matrix and coefficient vector predetermined for the penalty function; Processing method.
前記データ格納部から前記第1の係数行列及び前記第2の係数行列を読み出して、前記第2の値と前記第2の係数行列との積と前記第1の係数行列との和である第1の行列を算出し、
前記データ格納部から前記関数ベクトルを読み出して、前記関数ベクトルに前記状態偏差の現在値を代入することで得られる第1のベクトルから、((前記第1の値)−(前記第2の値と前記パラメータの基点に関連し且つ前記状態偏差の現在値又は前記線形化制御入力の1単位時間前の値から得られる第3の値との積))と前記係数ベクトルとの積を差し引いた第2のベクトルを算出し、
前記第1の行列の逆行列と前記第2のベクトルとの積により、前記線形化制御入力のベクトルを生成し、
前記線形化制御入力のベクトルの要素のうち最初の時刻のための線形化制御入力を抽出する
処理を含み、プロセッサにより実行される制御方法。 (A) The product of the function vector for the current value of the state deviation for the control target of model predictive control and (b) the vector of the linearization control input for the control target within the control period is equal to the function vector. (C) a first coefficient matrix that is calculated in advance, (c) a second coefficient matrix and coefficient vector that are calculated in advance for a penalty function corresponding to a constraint condition in the control target of the model predictive control, and (d) The first equation and the second equation are stored in a data storage unit that stores a first equation obtained by first-order partial differentiation of the penalty function and a second equation obtained by second-order partial differentiation for the parameters restricted in the constraint condition. By reading the equation and substituting the value of the base point of the parameter obtained from the current value of the state deviation, the first value and the second value are calculated,
The first coefficient matrix and the second coefficient matrix are read from the data storage unit, and the product of the second value and the second coefficient matrix and the sum of the first coefficient matrix Calculate the matrix of 1
From the first vector obtained by reading the function vector from the data storage unit and substituting the current value of the state deviation for the function vector, ((the first value) − (the second value) And the third value obtained from the current value of the state deviation or the value of one unit time before the linearization control input))) and the coefficient vector are subtracted. Calculate a second vector;
A vector of the linearization control input is generated by a product of an inverse matrix of the first matrix and the second vector;
A control method executed by a processor, including a process of extracting a linearization control input for a first time among elements of a vector of the linearization control input.
前記データ格納部から前記第2の一次式群を読み出して、前記ラグランジュ乗数の変数を消し込むように順次代入を行って、前記第2の一次式群を、前記状態偏差を変数として含む第5の一次式群に変形する手段と、
前記データ格納部から前記第3の一次式群を読み出して、前記第4の一次式群及び前記第5の一次式群を代入することで、前記第3の一次式群を、前記状態偏差の現在値と前記線形化制御入力とを変数として含む第6の一次式群に変形する手段と、
前記第6の一次式群を、第1の係数行列と前記線形化制御入力についてのベクトルとの積が、前記状態偏差の現在値の関数ベクトルと等式で表されるように変形する手段と、
前記データ格納部に格納された前記ペナルティ関数を前記パラメータについて1階偏微分した第1の微分関数及び2階偏微分した第2の微分関数を生成する手段と、
前記データ格納部から前記関係式を読み出して、前記第4の一次式群を前記関係式に代入することで、前記関係式を、前記状態偏差の現在値と前記線形化制御入力とを変数として含む第7の一次式群に変形する手段と、
前記第7の一次式群から前記線形化制御入力についての係数を抽出し、前記ペナルティ関数について予め定められている第2の係数行列及び係数ベクトルを算出する手段と、
を有するオフライン処理装置。 (A) obtained by partially differentiating the second function including the evaluation function of model predictive control and a Lagrange multiplier and including the sum of the first function related to the state equation of the controlled object with respect to the Lagrange multiplier and the control A first linear expression group including a target state deviation and a linearized control input for the control target as variables; and (b) obtained by partial differentiation of the second function with respect to the control target state deviation and A second linear expression group including the state deviation of the controlled object and the Lagrange multiplier as variables; and (c) the Lagrange multiplier obtained by partial differentiation of the second function with respect to the linearized control input of the controlled object. And a third linear equation group including the state deviation of the controlled object as a variable, and (d) a penalty corresponding to a constraint condition on the controlled object of the model predictive control The first linear expression group is read from a data storage unit that stores a number and (e) a relational expression related to a parameter restricted by the constraint condition, and the variable of the state deviation is excluded except for the current value of the state deviation. Means for sequentially substituting to eliminate the first linear expression group into a fourth linear expression group including the current value of the state deviation and the linearization control input as variables;
The second primary expression group is read from the data storage unit and sequentially substituted so as to eliminate the variable of the Lagrange multiplier, and the second primary expression group includes the state deviation as a variable. Means for transforming into a linear group of
By reading the third primary expression group from the data storage unit and substituting the fourth primary expression group and the fifth primary expression group, the third primary expression group is changed to the state deviation. Means for transforming the current value and the linearization control input into a sixth group of linear expressions including variables,
Means for transforming the sixth linear equation group so that a product of a first coefficient matrix and a vector for the linearization control input is expressed by an equation with a function vector of the current value of the state deviation; ,
Means for generating a first differential function obtained by first-order partial differentiation of the penalty function stored in the data storage unit with respect to the parameter and a second differential function obtained by second-order partial differentiation;
By reading the relational expression from the data storage unit and substituting the fourth primary expression group into the relational expression, the relational expression is used with the current value of the state deviation and the linearization control input as variables. Means for transforming into a seventh group of primary formulas including:
Means for extracting a coefficient for the linearization control input from the seventh linear equation group, and calculating a second coefficient matrix and coefficient vector predetermined for the penalty function;
An off-line processing apparatus.
前記データ格納部から前記第1の係数行列及び前記第2の係数行列を読み出して、前記第2の値と前記第2の係数行列との積と前記第1の係数行列との和である第1の行列を算出する手段と、
前記データ格納部から前記関数ベクトルを読み出して、前記関数ベクトルに前記状態偏差の現在値を代入することで得られる第1のベクトルから、((前記第1の値)−(前記第2の値と前記パラメータの基点に関連し且つ前記状態偏差の現在値又は前記線形化制御入力の1単位時間前の値から得られる第3の値との積))と前記係数ベクトルとの積を差し引いた第2のベクトルを算出する手段と、
前記第1の行列の逆行列と前記第2のベクトルとの積により、前記線形化制御入力のベクトルを生成する手段と、
前記線形化制御入力のベクトルの要素のうち最初の時刻のための線形化制御入力を抽出する手段と、
を有する制御装置。 (A) The product of the function vector for the current value of the state deviation for the control target of model predictive control and (b) the vector of the linearization control input for the control target within the control period is equal to the function vector. (C) a first coefficient matrix that is calculated in advance, (c) a second coefficient matrix and coefficient vector that are calculated in advance for a penalty function corresponding to a constraint condition in the control target of the model predictive control, and (d) The first equation and the second equation are stored in a data storage unit that stores a first equation obtained by first-order partial differentiation of the penalty function and a second equation obtained by second-order partial differentiation for the parameters restricted in the constraint condition. Means for calculating a first value and a second value by reading an equation and substituting the value of the base point of the parameter obtained from the current value of the state deviation;
The first coefficient matrix and the second coefficient matrix are read from the data storage unit, and the product of the second value and the second coefficient matrix and the sum of the first coefficient matrix Means for calculating a matrix of 1;
From the first vector obtained by reading the function vector from the data storage unit and substituting the current value of the state deviation for the function vector, ((the first value) − (the second value) And the third value obtained from the current value of the state deviation or the value of one unit time before the linearization control input))) and the coefficient vector are subtracted. Means for calculating a second vector;
Means for generating a vector of the linearization control input by a product of an inverse matrix of the first matrix and the second vector;
Means for extracting a linearization control input for a first time among vector elements of the linearization control input;
Control device.
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