JP7082900B2

JP7082900B2 - 制御装置及び燃焼システム

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Publication number: JP7082900B2
Application number: JP2018082931A
Authority: JP
Inventors: 恒高柳; 拓也小▲柳▼; 芳克井川
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 2018-04-24
Filing date: 2018-04-24
Publication date: 2022-06-09
Anticipated expiration: 2038-04-24
Also published as: JP2019190346A

Description

本開示は、制御装置及び燃焼システムに関する。

特許文献１にはエンジンにおけるパラメータの最適化手法に関して、パラメータに摂動を付与して目的とする性能変数に対する感度を推定し、性能変数が最大又は最小になるようなパラメータの値を探索する極値探索手法（ＥＳ法：ＥｘｔｒｅｍｕｍＳｅｅｋｉｎｇＭｅｔｈｏｄ）が提案されている。

特開２０１２－２１５５７５号公報

エンジン（燃焼装置）のように、性能変数に影響するパラメータが複数ある場合には、ＥＳ法における摂動の周波数を十分に分離することで、複数のパラメータを同時に最適化することが可能となる。例えば図１５に示すように、ｎ個のパラメータについて摂動のｎ個の周波数をそれぞれ３倍分離すればパラメータの同時最適化が可能であると仮定すると、摂動の周波数の最大値ｆｃを１番目としたときに周波数の大きい方から数えてｎ番目の周波数は、ｆｃ／３^ｎ－１となる。ここで、摂動の周波数の最大値ｆｃには、カットオフ周波数を考慮した上限が存在するため、摂動の周波数の個数ｎが大きいほど該周波数の最小値ｆｃ／３^ｎ－１は小さくなりやすい。ＥＳ法における最適化の収束速度は、付加する摂動の周波数が最も低いパラメータに制限されるため、性能変数に影響するパラメータの数が多いとＥＳ法における上記収束速度が低下してしまう。

本発明の少なくとも一実施形態は、上述したような従来の課題に鑑みなされたものであって、その目的とするところは、燃焼装置の性能変数に影響する複数のパラメータが存在する場合においてＥＳ法におけるパラメータ最適化の収束速度の低下を抑制することができる制御装置及びこれを備える燃焼システムを提供することである。

（１）本発明の少なくとも一実施形態に係る制御装置は、
燃焼装置の複数のパラメータを制御するための制御装置であって、
前記複数のパラメータに対して、互いに同一の周波数を有するとともに互いにずれた位相を有する摂動をそれぞれ付与するよう構成された摂動付与部と、
前記摂動を付与された前記複数のパラメータの各々に対する前記燃焼装置の性能変数の感度を推定するよう構成された感度推定部と、
前記複数のパラメータの各々について推定された前記感度に基づいて、前記複数のパラメータの最適化を行うように構成されたパラメータ最適化部と、
を備える。

前述したように、ＥＳ法における最適化の収束速度は、付加する摂動の周波数が最も低いパラメータに制限されるため、性能変数に影響するパラメータが複数ある場合、ＥＳ法における上記収束速度が低下しやすい。

この点、上記（１）に記載の制御装置によれば、互いにずれた位相を有する摂動が摂動付与部によって複数のパラメータに対してそれぞれ付与されるため、摂動の周波数を分離することなく（互いに同一の周波数を有する摂動を用いて）、複数のパラメータを同時に最適化することが可能となる。

これにより、燃焼装置の性能変数に影響する複数のパラメータが存在する場合においてＥＳ法におけるパラメータ最適化の収束速度の低下を抑制することができる。

（２）幾つかの実施形態では、上記（１）に記載の制御装置において、
前記複数のパラメータは、第１パラメータ及び第２パラメータを含み、
前記第１パラメータに付与される前記摂動の位相と前記第２パラメータに付与される前記摂動の位相とのずれは、４５度以上１３５度以下である。

上記（２）に記載の制御装置によれば、性能変数に観測された摂動がどのパラメータに付与した摂動によるものかを判別しやすくなり、摂動の周波数を分離することなく（互いに同一の周波数を有する摂動を用いて）、複数のパラメータを同時に最適化することが容易となる。

（３）幾つかの実施形態では、上記（２）に記載の制御装置において、
前記第１パラメータに付与される前記摂動の位相と前記第２パラメータに付与される前記摂動の位相とのずれは、９０度である。

上記（３）に記載の制御装置によれば、性能変数に観測された摂動がどのパラメータに付与した摂動によるものかを判別しやすくなり、摂動の周波数を分離することなく（互いに同一の周波数を有する摂動を用いて）、複数のパラメータを同時に最適化することが容易となる。

（４）幾つかの実施形態では、上記（１）乃至（３）の何れかに記載の制御装置において、
前記複数のパラメータは、第１パラメータ及び第２パラメータを含み、
前記感度推定部は、前記第１パラメータに対する前記性能変数の感度を推定するよう構成された第１感度推定器と、前記第２パラメータに対する前記性能変数の感度を推定するよう構成された第２感度推定器と、を含み、
前記第１パラメータと前記性能変数の関係を示す伝達関数をＧ１、前記第２パラメータと前記性能変数との関係を示す伝達関数をＧ２とすると、
前記第１感度推定器に入力される前記性能変数と前記第２感度推定器に入力される前記性能変数の少なくとも一方の位相を、前記伝達関数Ｇ１及び前記伝達関数Ｇ２に基づいて補償するように構成された位相補償部を更に備える。

燃焼装置の性能変数の応答特性がパラメータ毎に異なる場合、性能変数に観測された摂動がどのパラメータに付与した摂動に起因するものなのかを判別しにくく、各パラメータに対する性能変数の感度を推定することが困難となりやすい。

そこで、上記（４）に記載の制御装置では、第１感度推定器に入力される性能変数と第２感度推定器に入力される性能変数の少なくとも一方の位相を、伝達関数Ｇ１及び伝達関数Ｇ２に基づいて補償することにより、第１パラメータに対する性能変数の応答特性と第２パラメータに対する性能変数の応答特性を見かけ上揃えることができる。

これにより、燃焼装置の性能変数の応答特性がパラメータ毎に異なる場合であっても、性能変数に観測された摂動がどのパラメータに付与した摂動に起因するものなのかを判別しやすくなり、各パラメータに対する性能変数の感度を推定することが容易となる。

（５）幾つかの実施形態では、上記（４）に記載の制御装置において、
前記位相補償部は、前記第２感度推定器に入力される性能変数に対してＧ１／Ｇ２を乗じるように、又は前記第１感度推定器に入力される前記性能変数に対してＧ２／Ｇ１を乗じるように構成される。

上記（５）に記載の制御装置によれば、簡素な構成で、第１パラメータに対する性能変数の応答特性と第２パラメータに対する性能変数の応答特性を見かけ上揃えることができる。これにより、各パラメータに対する性能変数の感度の推定を、簡素な構成で容易にすることができる。

（６）本発明の少なくとも一実施形態に係る燃焼システムは、燃焼装置と、上記（１）乃至（５）の何れかに記載の制御装置とを備える。

上記（６）に記載の燃焼システムによれば、互いにずれた位相を有する摂動が摂動付与部によって複数のパラメータに対してそれぞれ付与されるため、摂動の周波数を分離することなく（互いに同一の周波数を有する摂動を用いて）、複数のパラメータを同時に最適化することが可能となる。

（７）本発明の少なくとも一実施形態に係る制御装置は、
燃焼装置のパラメータを制御するための制御装置であって、
前記パラメータに対して摂動を付与するよう構成された摂動付与部と、
前記摂動を付与された前記パラメータに対する前記燃焼装置の性能変数の感度を推定するよう構成された感度推定部と、
前記パラメータについて推定された前記感度に基づいて、前記パラメータの最適化を行うよう構成されたパラメータ最適化部と、
を備え、
前記摂動付与部は、前記燃焼装置の出力に影響を与える指標に基づいて前記摂動の振幅を変化させるように構成される。

本願発明者の知見によれば、ＥＳ法により付与される摂動の振幅を大きくし過ぎることは燃焼装置の出力変動の観点で望ましくない。また、摂動の振幅を小さくし過ぎると、センサ信号のノイズに埋もれてしまう可能性があるほか、パラメータの最適化に要する収束時間の増大を招きやすい。また、燃焼装置の出力が大きい場合には、燃焼装置の振動等も大きくなりやすく、ノイズ成分も大きくなりやすい。

そこで、上述のように、燃焼装置の出力に影響を与える指標に基づいて摂動の振幅を変化させるように摂動付与部を構成することにより、燃焼装置の出力に応じた適切な振幅を有する摂動をパラメータに付与することができる。これにより、燃焼装置の不要な出力変動を抑制しつつ、パラメータの最適化を速やかに行うことができる。

（８）幾つかの実施形態では、上記（７）に記載の制御装置において、
前記摂動付与部は、前記燃焼装置の出力デマンド（出力の要求）に基づいて前記摂動の振幅を変化させるように構成される。

上記（８）に記載の制御装置によれば、専用のセンサ等を要することなく簡易な構成で、燃焼装置の出力に応じた適切な振幅を有する摂動をパラメータに付与することができる。

（９）幾つかの実施形態では、上記（７）に記載の制御装置において、
前記摂動付与部は、前記燃焼装置に入力されるパラメータに基づいて前記摂動の振幅を変化させるように構成される。

上記（９）に記載の制御装置によれば、燃焼装置の出力デマンドを取得することができない場合であっても、専用のセンサ等を要することなく簡易な構成で、燃焼装置の出力に応じた適切な振幅を有する摂動をパラメータに付与することができる。

（１０）幾つかの実施形態では、上記（７）に記載の制御装置において、
前記摂動付与部は、前記燃焼装置の出力に影響を与える外乱情報に基づいて前記摂動の振幅を変化させるように構成される。

上記（１０）に記載の制御装置によれば、燃焼装置の出力デマンドを取得することができない場合であっても、燃焼装置の出力に応じた適切な振幅を有する摂動をパラメータに付与することができる。

（１１）本発明の少なくとも一実施形態に係る燃焼システムは、燃焼装置と、上記（７）乃至（１０）の何れかに記載の制御装置とを備える。

上記（１１）に記載の燃焼システムによれば、燃焼装置の出力に影響を与える指標に基づいて摂動の振幅を変化させるように摂動付与部を構成することにより、燃焼装置の出力に応じた適切な振幅を有する摂動をパラメータに付与することができる。これにより、燃焼装置の不要な出力変動を抑制しつつ、パラメータの最適化を速やかに行うことができる。

本発明の少なくとも一つの実施形態によれば、燃焼装置の性能変数に影響する複数のパラメータが存在する場合においてＥＳ法におけるパラメータ最適化の収束速度の低下を抑制することができる制御装置及び燃焼システムが提供される。

一実施形態に係る燃焼システム１００の概略構成を示す図である。エンジン２の複数のパラメータｐ１，ｐ２を最適化する手法の一例を示すブロック線図である。感度推定器１２及び最適化手段１６の計算方法の一例を示す図である。感度推定器１４及び最適化手段１８の計算方法の一例を示す図である。パラメータｐ１に付与する摂動の周波数をパラメータｐ２に付与する摂動の周波数の３倍にしてパラメータ最適化を行った場合（参考例）における、エンジン２の性能変数ｙの時間変化を示す図である。パラメータｐ１に付与する摂動の周波数をパラメータｐ２に付与する摂動の周波数の３倍にしてパラメータ最適化を行った場合（参考例）における、パラメータ最適化部１０から出力されるパラメータｐ１の時間変化を示す図である。パラメータｐ１に付与する摂動の周波数をパラメータｐ２に付与する摂動の周波数の３倍にしてパラメータ最適化を行った場合（参考例）における、パラメータ最適化部１０から出力されるパラメータｐ２の時間変化を示す図である。一実施形態に係る制御装置４によりパラメータｐ１，ｐ２の最適化を行った場合における、エンジン２の性能変数ｙの時間変化を示す図である。一実施形態に係る制御装置４によりパラメータｐ１，ｐ２の最適化を行った場合における、パラメータ最適化部１０から出力されるパラメータｐ１の時間変化を示す図である。一実施形態に係る制御装置４によりパラメータｐ１，ｐ２の最適化を行った場合における、パラメータ最適化部１０から出力されるパラメータｐ２の時間変化を示す図である。エンジン２の複数のパラメータｐ１，ｐ２を最適化する手法の一例を示すブロック線図である。エンジン２の複数のパラメータｐ１，ｐ２を最適化する手法の一例を示すブロック線図である。エンジン２の複数のパラメータｐ１，ｐ２を最適化する手法の一例を示すブロック線図である。他の課題を解決する発明の実施形態に係る燃焼システム２００の概略構成を示す図である。エンジン５０のパラメータｐを最適化する手法の一例を示すブロック線図である。感度推定部５６及びパラメータ最適化部５８の計算方法の一例を示す図である。エンジン５０のパラメータｐを最適化する手法の一例を示すブロック線図である。エンジン５０のパラメータｐを最適化する手法の一例を示すブロック線図である。多変数ＥＳ法における収束速度低下の課題を説明するための図である。

以下、添付図面を参照して本発明の幾つかの実施形態について説明する。ただし、実施形態として記載されている又は図面に示されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対的配置等は、本発明の範囲をこれに限定する趣旨ではなく、単なる説明例にすぎない。
例えば、「ある方向に」、「ある方向に沿って」、「平行」、「直交」、「中心」、「同心」或いは「同軸」等の相対的或いは絶対的な配置を表す表現は、厳密にそのような配置を表すのみならず、公差、若しくは、同じ機能が得られる程度の角度や距離をもって相対的に変位している状態も表すものとする。
例えば、「同一」、「等しい」及び「均質」等の物事が等しい状態であることを表す表現は、厳密に等しい状態を表すのみならず、公差、若しくは、同じ機能が得られる程度の差が存在している状態も表すものとする。
例えば、四角形状や円筒形状等の形状を表す表現は、幾何学的に厳密な意味での四角形状や円筒形状等の形状を表すのみならず、同じ効果が得られる範囲で、凹凸部や面取り部等を含む形状も表すものとする。
一方、一の構成要素を「備える」、「具える」、「具備する」、「含む」、又は、「有する」という表現は、他の構成要素の存在を除外する排他的な表現ではない。

図１は、一実施形態に係る燃焼システム１００の概略構成を示す図である。
図１に示すように、燃焼システム１００は、燃焼装置としてのエンジン２と、エンジン２の性能変数に基づいてエンジン２の複数のパラメータ（制御入力）を制御するように構成された制御装置４を備える。図示する例示的形態では、制御装置４は、エンジン２の性能変数ｙに基づいてパラメータｐ１（第１パラメータ）及びパラメータｐ２（第２パラメータ）を制御するように構成されている。制御装置４は、摂動付与部６、感度推定部８及びパラメータ最適化部１０を含む。

複数のパラメータｐ１，ｐ２は、例えば、エンジン２における燃料噴射タイミング、燃料噴射量、点火タイミング、吸気バルブ開放タイミング、排気バルブ閉鎖タイミングのうちから選択された複数のパラメータであってもよいし、燃焼システム１００にＥＧＲシステム（ＥｘｈａｕｓｔＧａｓＲｅｃｉｒｃｕｌａｔｉｏｎＳｙｓｔｅｍ）が設けられている場合にはＥＧＲバルブの開度を含んでいてもよい。また、性能変数ｙは、例えばエンジン２の燃料消費率又はＮＯｘ排出量であってもよいし、燃焼システム１００にＥＧＲシステムが設けられている場合にはＥＧＲ率又はＥＧＲ量であってもよい。

例えば燃料消費率を性能変数ｙとして扱う場合には、エンジン２の燃料流量を計測する燃料流量計４６の計測値を、エンジン２の回転数を計測する回転計４２の計測値とエンジン２のトルクを計測するトルク計４４の計測値との積で除算することにより燃料消費率を算出してもよい。また、ＮＯｘ排出量を性能変数ｙとして扱う場合には、ＮＯｘ計４８によってＮＯｘ排出量を計測することができる。

制御装置４は、物理的には、例えばＣＰＵ（ＣｅｎｔｒａｌＰｒｏｃｅｓｓｉｎｇＵｎｉｔ）、ＲＡＭ（ＲａｎｄｏｍＡｃｃｅｓｓＭｅｍｏｒｙ）、ＲＯＭ（ＲｅａｄＯｎｌｙＭｅｍｏｒｙ）及びインターフェース等を含む周知のマイクロコンピュータを主体とする電子回路である。以下で説明する制御装置４における各部の機能は、例えばＲＯＭに保持されるプログラムをＲＡＭにロードしてＣＰＵで実行するとともに、ＲＡＭやＲＯＭにおけるデータの読み出し及び書き込みを行うことで実現される。

図２は、エンジン２の複数のパラメータｐ１，ｐ２を最適化する手法の一例を示すブロック線図である。
図２に示すように、摂動付与部６は、複数のパラメータｐ１，ｐ２に対して、互いに同一の周波数を有するとともに互いにずれた位相を有する摂動ａｓｉｎωｔ，ｂｓｉｎ（ωｔ＋φ）をそれぞれ付与するよう構成されている。すなわち、図示する例示的形態では、摂動付与部６は、パラメータｐ１に対して摂動ａｓｉｎωｔを付与し、該摂動ａｓｉｎωｔと同一の周波数ω及び該摂動ａｓｉｎωｔに対してφずれた位相を有する摂動ｂｓｉｎ（ωｔ＋φ）をパラメータｐ２に付与するよう構成されている。

感度推定部８は、摂動ａｓｉｎωｔ，ｂｓｉｎ（ωｔ＋φ）をそれぞれ付与された複数のパラメータｐ１，ｐ２の各々に対するエンジン２の性能変数ｙの感度∂ｙ／∂ｐ１，∂ｙ／∂ｐ２を推定するよう構成されている。図示する例示的形態では、感度推定部８は、摂動ａｓｉｎωｔを付与されたパラメータｐ１に対するエンジン２の性能変数ｙの感度∂ｙ／∂ｐ１を推定する感度推定器１２（パラメータｐ１に対するエンジン２の性能変数ｙの勾配∂ｙ／∂ｐ１を推定する勾配推定器）と、摂動ｂｓｉｎ（ωｔ＋φ）を付与されたパラメータｐ２に対するエンジン２の性能変数ｙの感度∂ｙ／∂ｐ２を推定する感度推定器１４（パラメータｐ２に対するエンジン２の性能変数ｙの勾配∂ｙ／∂ｐ２を推定する勾配推定器）とを含む。

パラメータ最適化部１０は、複数のパラメータｐ１，ｐ２の各々について推定された感度∂ｙ／∂ｐ１，∂ｙ／∂ｐ２に基づいて、複数のパラメータｐ１，ｐ２の最適化を行うよう構成されている。図示する例示的形態では、パラメータ最適化部１０は、パラメータｐ１について推定された感度∂ｙ／∂ｐ１に基づいてパラメータｐ１の最適化を行う最適化手段１６と、パラメータｐ２について推定された感度∂ｙ／∂ｐ２に基づいてパラメータｐ２の最適化を行う最適化手段１８とを含む。

最適化手段１６の出力ｐ１は、摂動付与部６によって上記摂動ａｓｉｎωｔを付与されてエンジン２に入力され、最適化手段１８の出力ｐ２は、摂動付与部６によって上記摂動ｂｓｉｎ（ωｔ＋φ）を付与されてエンジン２に入力される。

この点、上記制御装置４によれば、互いにずれた位相を有する摂動ａｓｉｎωｔ，ｂｓｉｎ（ωｔ＋φ）が摂動付与部６によって複数のパラメータｐ１，ｐ２に対してそれぞれ付与されるため、摂動の周波数を分離することなく（互いに同一の周波数を有する摂動を用いて）、複数のパラメータｐ１，ｐ２を同時に最適化することが可能となる。

これにより、エンジンの性能変数に影響する複数のパラメータが存在する場合においてＥＳ法におけるパラメータ最適化の収束速度の低下を抑制することができる。
なお、性能変数ｙに観測された摂動がどのパラメータに付与した摂動によるものかを判別する観点から、パラメータｐ１に付与される摂動の位相とパラメータｐ２に付与される摂動の位相とのずれφは、４５度以上１３５度以下であることが好ましく、より９０°であることがより好ましい。

図３は、感度推定器１２及び最適化手段１６の計算方法の一例を示す図である。
図３に示すように、感度推定器１２は、ハイパスフィルタ２０、乗算器２２及びローパスフィルタ２４を含む。ハイパスフィルタ２０は、エンジン２の性能変数ｙに対してハイパスフィルタ処理を行うことにより以下の式（ａ）を出力する。

乗算器２２は、ハイパスフィルタ２０の出力に対して摂動ａｓｉｎωｔを乗算することにより、以下の式（ｂ）を出力する。

ローパスフィルタ２４は、乗算器２２の出力に対してローパスフィルタ処理を行うことにより、以下の式（ｃ）を出力する。

最適化手段１６は、ローパスフィルタ２４の出力を積分する積分器を含み、例えば既知の再急降下法によりパラメータｐ１の探索を行う。そして、最適化手段１６の出力に摂動付与部６によって摂動ａｓｉｎωｔが付与されて、エンジン２に再び入力される。

図４は、感度推定器１４及び最適化手段１８の計算方法の一例を示す図である。
図４に示すように、感度推定器１４は、ハイパスフィルタ２６、乗算器２８及びローパスフィルタ３０を含む。ハイパスフィルタ２６は、エンジン２の性能変数ｙに対してハイパスフィルタ処理を行うことにより以下の式（ｄ）を出力する。

乗算器２８は、ハイパスフィルタ２６の出力に対して摂動ｂｓｉｎ（ωｔ＋φ）を乗算することにより、以下の式（ｅ）を出力する。

ローパスフィルタ３０は、乗算器２８の出力に対してローパスフィルタ処理を行うことにより、以下の式（ｆ）を出力する。

最適化手段１８は、ローパスフィルタ３０の出力を積分する積分器を含み、例えば既知の再急降下法により最適なパラメータｐ２の探索を行う。そして、最適化手段１８の出力に摂動付与部６によって摂動ｂｓｉｎ（ωｔ＋φ）が付与されて、エンジン２に再び入力される。

図５Ａ～図５Ｃは、パラメータｐ１に付与する摂動の周波数をパラメータｐ２に付与する摂動の周波数の３倍にしてパラメータ最適化を行った場合（参考例）における、エンジン２の性能変数ｙの時間変化、パラメータ最適化部１０から出力されるパラメータｐ１の時間変化、及びパラメータ最適化部１０から出力されるパラメータｐ２の時間変化、を示す図である。図６Ａ～図６Ｃは、上述した実施形態に係る制御装置４によりパラメータｐ１，ｐ２の最適化を行った場合における、エンジン２の性能変数ｙの時間変化、パラメータ最適化部１０から出力されるパラメータｐ１の時間変化、及びパラメータ最適化部１０から出力されるパラメータｐ２の時間変化、を示す図である。

図５Ａ～図５Ｃに示す参考例では、パラメータｐ２に付与される摂動の周波数がパラメータｐ１に付与される摂動の周波数の１／３であるため、パラメータｐ２の最適化に要する収束時間がパラメータｐ１の最適化に要する収束時間よりも長くなっている。

これに対し、図６Ａ～図６Ｃに示す実施例では、互いにずれた位相を有する摂動が摂動付与部６によって複数のパラメータｐ１，ｐ２に対してそれぞれ付与されるため、互いに同一の周波数を有する摂動を用いて複数のパラメータｐ１，ｐ２を同時に最適化することが可能となる。このため、図６Ａ及び図６Ｃに示すように、参考例と比較してパラメータｐ２及び性能変数ｙを速やかに最適値に収束させることができる。これにより、パラメータｐ１、パラメータｐ２及び性能変数ｙの全てを速やかに最適値に収束させることができる。

幾つかの実施形態では、例えば図７～図９に示すように、制御装置４は、パラメータｐ１と性能変数ｙの関係を示す伝達関数をＧ１、パラメータｐ２と性能変数ｙとの関係を示す伝達関数をＧ２とすると、感度推定器１２に入力される性能変数ｙと感度推定器１４に入力される性能変数ｙの少なくとも一方の位相を、伝達関数Ｇ１及び伝達関数Ｇ２に基づいて補償するよう構成された位相補償部３２を更に備える。

エンジン２の性能変数ｙの応答特性がパラメータ毎に異なる場合、性能変数ｙに観測された摂動がどのパラメータに付与した摂動に起因するものなのかを判別しにくく、各パラメータに対する性能変数の感度を推定することが困難となりやすい。

そこで、図７～図９に示す幾つかの実施形態では、感度推定器１２に入力される性能変数ｙと感度推定器１４に入力される性能変数ｙの少なくとも一方の位相を、伝達関数Ｇ１及び伝達関数Ｇ２に基づいて補償することにより、パラメータｐ１に対する性能変数ｙの応答特性とパラメータｐ２に対する性能変数ｙの応答特性を見かけ上揃えることができる。

これにより、エンジン２の性能変数の応答特性がパラメータ毎に異なる場合であっても、性能変数に観測された摂動がどのパラメータに付与した摂動に起因するものなのかを判別しやすくなり、各パラメータに対する性能変数の感度を推定することが容易となる。

位相補償部３２は、例えば図７に示すように、性能変数ｙが感度推定器１４に入力される前に該性能変数ｙに対してＧ１／Ｇ２を乗じるように構成された位相補償器３４であってもよいし、図８に示すように、性能変数ｙが感度推定器１２に入力される前に該性能変数に対してＧ２／Ｇ１を乗じるように構成された位相補償器３６であってもよい。あるいは、図９に示すように、性能変数ｙが感度推定器１４に入力される前に該性能変数ｙに対してＧ１を乗じるように構成された位相補償器３８と、性能変数ｙが感度推定器１２に入力される前に該性能変数ｙに対してＧ２を乗じるように構成された位相補償器４０とを含んでいてもよい。

図１０は、他の課題を解決する発明の実施形態に係る燃焼システム２００の概略構成を示す図である。
図１０に示すように、燃焼システム２００は、燃焼装置としてのエンジン５０と、エンジン５０の性能変数ｙに基づいてエンジン５０の制御入力としてのパラメータｐを制御するように構成された制御装置５２を備える。制御装置５２は、摂動付与部５４、感度推定部５６及びパラメータ最適化部５８を含む。

パラメータｐは、例えば、エンジン５０における燃料噴射タイミング、燃料噴射量、点火タイミング、吸気バルブ開放タイミング、排気バルブ閉鎖タイミングの何れかであってもよいし、燃焼システム２００にＥＧＲシステム（ＥｘｈａｕｓｔＧａｓＲｅｃｉｒｃｕｌａｔｉｏｎＳｙｓｔｅｍ）が設けられている場合にはＥＧＲバルブの開度であってもよい。また、性能変数ｙは、例えばエンジン５０の燃料消費率又はＮＯｘ排出量であってもよいし、燃焼システム２００にＥＧＲシステムが設けられている場合にはＥＧＲ率又はＥＧＲ量であってもよい。

例えば燃料消費率を性能変数ｙとして扱う場合には、エンジン５０の燃料流量を計測する燃料流量計６４の計測値を、エンジン５０の回転数を計測する回転計６０の計測値とエンジン５０のトルクを計測するトルク計６２の計測値との積で除算することにより燃料消費率を算出してもよい。また、ＮＯｘ排出量を性能変数ｙとして扱う場合には、ＮＯｘ計６６によってＮＯｘ排出量を計測することができる。

制御装置５２は、物理的には、例えばＣＰＵ（ＣｅｎｔｒａｌＰｒｏｃｅｓｓｉｎｇＵｎｉｔ）、ＲＡＭ（ＲａｎｄｏｍＡｃｃｅｓｓＭｅｍｏｒｙ）、ＲＯＭ（ＲｅａｄＯｎｌｙＭｅｍｏｒｙ）及びインターフェース等を含む周知のマイクロコンピュータを主体とする電子回路である。以下で説明する制御装置４における各部の機能は、例えばＲＯＭに保持されるプログラムをＲＡＭにロードしてＣＰＵで実行するとともに、ＲＡＭやＲＯＭにおけるデータの読み出し及び書き込みを行うことで実現される。

図１１は、エンジン５０のパラメータｐを最適化する手法の一例を示すブロック線図である。
図１１に示すように、制御装置５２は、フィードバック制御器６８を備えている。フィードバック制御器６８は、エンジン５０の出力デマンドｘ^＊とエンジン５０の出力ｘの計測値との偏差に基づいて、エンジン５０の制御入力ｕをフィードバック制御するよう構成されている。制御入力ｕは、パラメータｐ以外の制御入力であり、エンジン５０における燃料噴射タイミング、燃料噴射量、点火タイミング、吸気バルブ開放タイミング、排気バルブ閉鎖タイミングの何れかであってもよいし、燃焼システム２００にＥＧＲシステム（ＥｘｈａｕｓｔＧａｓＲｅｃｉｒｃｕｌａｔｉｏｎＳｙｓｔｅｍ）が設けられている場合にはＥＧＲバルブの開度であってもよい。

摂動付与部５４は、パラメータｐに対して摂動ａｓｉｎωｔを付与するよう構成されている。また、摂動付与部５４は、エンジン５０の出力に影響を与える指標に基づいて摂動ａｓｉｎωｔの振幅ａを変化させるよう構成されている。図１１に示す例示的形態では、摂動付与部５４は、エンジン５０の出力デマンドｘ^＊に基づいて摂動ａｓｉｎωｔの振幅ａを変化させるよう構成されている。エンジン５０の出力デマンドｘ^＊は、制御装置５２よりも上位の制御系から与えられる。

感度推定部５６（感度推定器）は、摂動ａｓｉｎωｔを付与されたパラメータｐに対するエンジン５０の性能変数ｙの感度∂ｙ／∂ｐを推定するよう構成されている。パラメータ最適化部５８（最適化手段）は、パラメータｐについて推定された感度∂ｙ／∂ｐに基づいて、パラメータｐの最適化を行うよう構成されている。

パラメータ最適化部５８の出力ｐは、摂動付与部５４によって上記摂動ａｓｉｎωｔを付与されてエンジン２に入力される。

本願発明者の知見によれば、発電用エンジンなどの燃焼装置では、ＥＳ法により付与される摂動の振幅を大きくし過ぎることは出力変動の観点で望ましくない。また、摂動の振幅を小さくし過ぎると、センサ信号のノイズに埋もれてしまう可能性があるほか、パラメータの最適化に要する収束時間の増大を招きやすい。また、エンジン５０の出力が大きい場合には、エンジン５０の振動も大きくなりやすく、ノイズ成分も大きくなりやすい。

そこで、上述のように、エンジン５０の出力に影響を与える指標に基づいて摂動ａｓｉｎωｔの振幅ａを変化させるように摂動付与部５４を構成することにより、エンジン５０の出力に応じた適切な振幅ａを有する摂動ａｓｉｎωｔをパラメータｐに付与することができる。例えば、エンジン５０の出力デマンドｘ^＊が大きくなるにつれて摂動ａｓｉｎωｔの振幅ａを大きくするように摂動付与部５４を構成すれば、エンジン５０の振動等のノイズ成分の大きさに応じた適切な振幅ａを有する摂動ａｓｉｎωｔをパラメータｐに付与することができる。これにより、エンジン５０の不要な出力変動を抑制しつつ、パラメータｐの最適化を速やかに行うことができる。

図１２は、感度推定部５６及びパラメータ最適化部５８の計算方法の一例を示す図である。
図１２に示すように、感度推定部５６は、ハイパスフィルタ７０、乗算器７２及びローパスフィルタ７４を含む。ハイパスフィルタ７０は、エンジン５０の性能変数ｙに対してハイパスフィルタ処理を行うことにより以下の式（ｇ）を出力する。

乗算器７２は、ハイパスフィルタ７０の出力に対して摂動ａｓｉｎωｔを乗算することにより、以下の式（ｈ）を出力する。

ローパスフィルタ７４は、乗算器７２の出力に対してローパスフィルタ処理を行うことにより、以下の式（ｉ）を出力する。

パラメータ最適化部５８は、ローパスフィルタ７４の出力を積分する積分器を含み、例えば既知の再急降下法によりパラメータｐの探索を行う。そして、パラメータ最適化部５８の出力に摂動付与部５４によって摂動ａｓｉｎωｔが付与されて、エンジン５０に再び入力される。

図１３は、エンジン５０のパラメータｐを最適化する手法の一例を示すブロック線図である。図１３に示す手法は、フィードバック制御器６８の機能及び摂動付与部５４の機能が図１２に示す手法とは異なり、その他の構成及び機能は図１２に示す手法と同一である。

図１３に示す手法では、エンジン５０の回転数は一定に制御される。この場合、フィードバック制御器６８は、エンジン５０の目標回転数Ｎ^＊とエンジン５０の回転数Ｎの計測値との偏差に基づいて、エンジン５０の制御入力ｕをフィードバック制御するよう構成されている。制御入力ｕは、パラメータｐ以外の制御入力であって、エンジン５０における燃料噴射タイミング、燃料噴射量、点火タイミング、吸気バルブ開放タイミング、排気バルブ閉鎖タイミングの何れかであってもよいし、燃焼システム２００にＥＧＲシステムが設けられている場合にはＥＧＲバルブの開度であってもよい。

摂動付与部５４は、パラメータｐに対して摂動ａｓｉｎωｔを付与するよう構成されており、エンジン５０の出力に影響を与える指標に基づいて摂動ａｓｉｎωｔの振幅ａを変化させるよう構成されている。図１１に示す例示的形態では、摂動付与部５４は、エンジン５０に入力される制御入力ｕ（フィードバック制御器６８の出力）に基づいて摂動ａｓｉｎωｔの振幅ａを変化させるよう構成されている。

かかる構成によれば、エンジン５０の出力デマンドを取得することができない場合であっても、エンジン５０の出力に応じた適切な振幅ａを有する摂動ａｓｉｎωｔをパラメータｐに付与することができる。これにより、エンジン５０の不要な出力変動を抑制しつつ、パラメータｐの最適化を速やかに行うことができる。

図１４は、エンジン５０のパラメータｐを最適化する手法の一例を示すブロック線図である。図１４に示す手法は、基本的構成は図１３に示した形態と同様であるが、摂動付与部５４の機能が図１２に示す手法とは異なる。

図１４に示す手法においても、エンジン５０の回転数は一定に制御される。摂動付与部５４は、エンジン５０の出力に影響を与える外乱情報ｄに基づいて、パラメータｐに付与する摂動の振幅ａを変化させるように構成されている。エンジンの出力に影響を与える外乱情報ｄは、例えばエンジン５０の周辺環境の温度を示す温度情報であってもよい。この場合、摂動付与部５４は、エンジン５０の周辺環境の温度を示す温度情報を不図示の温度センサから取得し、温度センサの出力信号に基づいてパラメータｐに付与する摂動の振幅ａを変化させる。また、上記外乱情報ｄは、例えば大気圧であってもよい。この場合、摂動付与部５４は、大気圧を示す情報を不図示の気圧センサから取得し、気圧センサの出力信号に基づいてパラメータｐに付与する摂動の振幅ａを変化させる。

本発明は上述した実施形態に限定されることはなく、上述した実施形態に変形を加えた形態や、これらの形態を適宜組み合わせた形態も含む。

例えば、上述した幾つかの実施形態では、燃焼装置の一例としてエンジンを示したが、燃焼装置はエンジンに限らずボイラーやガスタービン等であってもよい。

また、上述した幾つかの実施形態では、説明を平易にするために制御装置が制御するパラメータとして２つのパラメータを例示したが、制御装置は３つ以上のパラメータを制御するよう構成されていてもよい。

２エンジン
４制御装置
６摂動付与部
８感度推定部
１０パラメータ最適化部
１２，１４感度推定器
１６，１８最適化手段
２０，２６ハイパスフィルタ
２２，２８乗算器
２４，３０ローパスフィルタ
３２位相補償部
３４，３６，３８，４０位相補償器
４２回転計
４４トルク計
４６燃料流量計
４８ＮＯｘ計
５０エンジン
５２制御装置
５４摂動付与部
５６感度推定部
５８パラメータ最適化部
６０回転計
６２トルク計
６４燃料流量計
６６ＮＯｘ計
６８フィードバック制御器
７０ハイパスフィルタ
７２乗算器
７４ローパスフィルタ
１００，２００燃焼システム

Claims

燃焼装置の複数のパラメータを制御するための制御装置であって、
前記複数のパラメータに対して、互いに同一の周波数を有するとともに互いにずれた位相を有する摂動をそれぞれ付与するよう構成された摂動付与部と、
前記摂動を付与された前記複数のパラメータの各々に対する前記燃焼装置の性能変数の感度を推定するよう構成された感度推定部と、
前記複数のパラメータの各々について推定された前記感度に基づいて、前記複数のパラメータの最適化を行うように構成されたパラメータ最適化部と、
を備え、
前記複数のパラメータは、第１パラメータ及び第２パラメータを含み、
前記感度推定部は、前記第１パラメータに対する前記性能変数の感度を推定するよう構成された第１感度推定器と、前記第２パラメータに対する前記性能変数の感度を推定するよう構成された第２感度推定器と、を含み、
前記第１パラメータと前記性能変数の関係を示す伝達関数をＧ１、前記第２パラメータと前記性能変数との関係を示す伝達関数をＧ２とすると、
前記第１感度推定器に入力される前記性能変数と前記第２感度推定器に入力される前記性能変数の少なくとも一方の位相を、前記伝達関数Ｇ１及び前記伝達関数Ｇ２に基づいて補償するように構成された位相補償部を更に備える、制御装置。
前記複数のパラメータは、第１パラメータ及び第２パラメータを含み、
前記第１パラメータに付与される前記摂動の位相と前記第２パラメータに付与される前記摂動の位相とのずれは、４５度以上１３５度以下である、請求項１に記載の制御装置。
前記第１パラメータに付与される前記摂動の位相と前記第２パラメータに付与される前記摂動の位相とのずれは、９０度である、請求項２に記載の制御装置。
前記位相補償部は、前記第２感度推定器に入力される前記性能変数に対してＧ１／Ｇ２を乗じるように、又は前記第１感度推定器に入力される前記性能変数に対してＧ２／Ｇ１を乗じるように構成された、請求項１乃至３の何れか１項に記載の制御装置。
前記位相補償部は、前記第２感度推定器に入力される前記性能変数に対してＧ１を乗じ、前記第１感度推定器に入力される前記性能変数に対してＧ２を乗じるように構成された、請求項１乃至３の何れか１項に記載の制御装置。
燃焼装置と、請求項１乃至５の何れか１項に記載の制御装置とを備える燃焼システム。
燃焼装置のパラメータを制御するための制御装置であって、
前記パラメータに対して摂動を付与するよう構成された摂動付与部と、
前記摂動を付与された前記パラメータに対する前記燃焼装置の性能変数の感度を推定するよう構成された感度推定部と、
前記パラメータについて推定された前記感度に基づいて、前記パラメータの最適化を行うよう構成されたパラメータ最適化部と、
を備え、
前記摂動付与部は、前記燃焼装置の出力に影響を与える指標に基づいて前記摂動の振幅を変化させるように構成され、
前記摂動付与部は、前記燃焼装置の出力デマンドに基づいて前記摂動の振幅を変化させるように構成された、制御装置。
燃焼装置のパラメータを制御するための制御装置であって、
前記パラメータに対して摂動を付与するよう構成された摂動付与部と、
前記摂動を付与された前記パラメータに対する前記燃焼装置の性能変数の感度を推定するよう構成された感度推定部と、
前記パラメータについて推定された前記感度に基づいて、前記パラメータの最適化を行うよう構成されたパラメータ最適化部と、
を備え、
前記摂動付与部は、前記燃焼装置の出力に影響を与える指標に基づいて前記摂動の振幅を変化させるように構成され、
前記摂動付与部は、前記燃焼装置に入力されるパラメータに基づいて前記摂動の振幅を変化させるように構成された、制御装置。
前記摂動付与部は、前記燃焼装置の出力に影響を与える外乱情報に基づいて前記摂動の振幅を変化させるように構成された、請求項７又は８に記載の制御装置。
燃焼装置と、請求項７乃至９の何れか１項に記載の制御装置とを備える燃焼システム。