JP2016091041A - プラント制御装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】評価関数J(w)による修正目標値の候補探索を二次元以上の次元において行う場合に、制約抵触による最適解への収束性を安定化させる。
【解決手段】実施の形態では、EGR率の成分の探索の過程において、EGR率の成分が制約を跨ぐときには、EGR率については前回探索の際の方向ベクトルを維持して使用する。そして、前回探索の際のEGR率の方向ベクトルと、今回探索の際の過給圧の方向ベクトルとを合成した合成ベクトルを勾配として次回の探索方向とする。過給圧の成分の探索の過程において、過給圧の成分が制約を跨ぐときには、その成分ベクトルだけ前回探索の際の方向ベクトルを維持して使用する。
【選択図】図6
【解決手段】実施の形態では、EGR率の成分の探索の過程において、EGR率の成分が制約を跨ぐときには、EGR率については前回探索の際の方向ベクトルを維持して使用する。そして、前回探索の際のEGR率の方向ベクトルと、今回探索の際の過給圧の方向ベクトルとを合成した合成ベクトルを勾配として次回の探索方向とする。過給圧の成分の探索の過程において、過給圧の成分が制約を跨ぐときには、その成分ベクトルだけ前回探索の際の方向ベクトルを維持して使用する。
【選択図】図6
Description
本発明は、プラント制御装置に関する。
従来、例えば特開2014−047757号公報には、リファレンスガバナとフィードバックコントローラを用いてプラントを制御するプラント制御装置が開示されている。このプラント制御装置は、車載動力プラントであるディーゼルエンジンを制御対象としている。このディーゼルエンジンは、ディーゼルスロットルと可変容量ターボチャージャーとEGR装置を備えるエンジンである。また、可変容量ターボチャージャーは可変ノズルを備えており、EGR装置はEGR弁を備えている。
このプラント制御装置において、リファレンスガバナは、ディーゼルエンジンの制御量(過給圧)の目標値が与えられると、ディーゼルエンジンの特定状態量(過給圧)に課せられたハード上および制御上の制約を満たすようにこの目標値を修正し、修正目標値を出力するように構成されている。フィードバックコントローラは、リファレンスガバナから修正目標値が与えられると、ディーゼルエンジンの制御量の実値を修正目標値に近付けるようにフィードバック制御によってディーゼルエンジンの操作量(ディーゼルスロットル開度、可変ノズル開度、EGR弁開度)を決定するように構成されている。
リファレンスガバナは、具体的に、次のように修正目標値を出力する。先ず、ディーゼルエンジンの制御量の目標値に基づいて、修正目標値の候補を複数用意する。そして、これらの候補をプラントモデルに入力して、ディーゼルエンジンの特定状態量の将来値を予測し、予測した特定状態量の将来値が制約に抵触するかどうかを候補毎に判定する。そして、特定状態量に課せられる制約を満たす範囲で目標値に最も近い修正目標値の候補を探索し、最終的な修正目標値として選択する。
式(1)に示す評価関数J(w)の右辺第1項は修正目標値wの候補を変数とする目的関数である。この目標関数はオリジナルの目標値rと修正目標値wの候補との距離が小さいほど小さな値を取るように構成されている。評価関数J(w)の右辺第2項はペナルティ関数である。ペナルティ関数は制御出力予測値y^が制約y-に抵触する場合に目的関数にペナルティを加えるように構成されている。ペナルティ関数には、ペナルティに重みを付けるための重み定数ρが設定されている。なお、右辺第2項のy^(k+i|k)は時刻kの時点での情報に基づく時刻k+iの時点の制御出力予測値を表し、Nhは予測ホライズン(予測ステップ数)である。
しかし、式(1)の右辺第2項にはmax関数が含まれているため、微分不可能な点があり、勾配が急変する。そのため、微分不可能な点の近傍で勾配演算を行うと、演算が不安定となり、修正目標値の探索が振動的になり易いという問題がある。
また、上述したプラント制御装置においては、特定状態量が過給圧のみであるが、特定状態量を過給圧とEGR率の2つにした場合、式(1)に示した評価関数J(w)による修正目標値の候補探索は二次元で行われることになる。ここで、二次元探索においては、ある1つの量が探索時のパスの中で制約を跨ぐとき、元の評価関数J(w)が微分不可能になる。そのため、例えば、勾配演算の探索過程でEGR率が制約を跨ぐ場合、EGR率方向の勾配演算がこの微分不可能性によって不安定になる。EGR率方向だけ微分不可能になって精度の低い勾配が算出されると、過給圧方向も干渉を受けて、収束すべき方向とは別の方向に評価関数J(w)が引っ張られてしまい、最適解への収束が遅くなるという問題に繋がる。
本発明は、上述のような課題に鑑みてなされたものである。即ち、評価関数J(w)による修正目標値の候補探索を二次元以上の次元において行う場合に、制約抵触による最適解への収束性を安定化させることを目的とする。
本発明は、上記の目的を達成するため、プラント制御装置であって、
プラントの複数の制御出力をそれぞれの目標値に近づけるようにフィードバック制御によって前記プラントの制御入力を決定するフィードバックコントローラと、
前記プラントと前記フィードバックコントローラとを含む閉ループシステムのモデルを用いて前記プラントの複数の特定状態量の将来の予測値を計算し、計算した予測値と、前記特定状態量のそれぞれに課せられた制約と、に基づいて前記フィードバックコントローラに与えられる前記目標値を修正するリファレンスガバナと、を備え、
前記リファレンスガバナは、式(1)に示される評価関数J(w)を最小にする修正目標値wを、前記特定状態量に対応する各成分の方向ベクトルを合成した合成ベクトルを勾配とする勾配法により探索するように構成され、
前記リファレンスガバナは、前記修正目標値wの探索の際に、前記特定状態量のうちの少なくとも1つが制約に抵触した場合、抵触した特定状態量に対応する成分の方向ベクトルについては、抵触する直前の方向ベクトルを用いるように構成されていることを特徴とする。
プラントの複数の制御出力をそれぞれの目標値に近づけるようにフィードバック制御によって前記プラントの制御入力を決定するフィードバックコントローラと、
前記プラントと前記フィードバックコントローラとを含む閉ループシステムのモデルを用いて前記プラントの複数の特定状態量の将来の予測値を計算し、計算した予測値と、前記特定状態量のそれぞれに課せられた制約と、に基づいて前記フィードバックコントローラに与えられる前記目標値を修正するリファレンスガバナと、を備え、
前記リファレンスガバナは、式(1)に示される評価関数J(w)を最小にする修正目標値wを、前記特定状態量に対応する各成分の方向ベクトルを合成した合成ベクトルを勾配とする勾配法により探索するように構成され、
前記リファレンスガバナは、前記修正目標値wの探索の際に、前記特定状態量のうちの少なくとも1つが制約に抵触した場合、抵触した特定状態量に対応する成分の方向ベクトルについては、抵触する直前の方向ベクトルを用いるように構成されていることを特徴とする。
本発明によれば、評価関数J(w)による修正目標値の候補探索を二次元以上の次元において行う場合に、制約抵触による最適解への収束性を安定化させることが可能となる。
本発明の実施の形態のプラント制御装置は、車両動力プラントであるディーゼルエンジンの制御装置である。図1は、本実施の形態に係る制御装置が適用されるシステムの構成を示す図である。図1に示すように、ディーゼルエンジンの本体2には4つの気筒が直列に備えられ、気筒ごとにインジェクタ8が設けられている。エンジン本体2には吸気マニホールド4と排気マニホールド6が取り付けられている。
吸気マニホールド4にはエアクリーナ20から取り込まれた新気が流れる吸気通路10が接続されている。吸気通路10にはターボ過給機14のコンプレッサが取り付けられている。このコンプレッサの下流にはインタークーラ22が備えられ、インタークーラ22の下流にはディーゼルスロットル24が設けられている。排気マニホールド6にはエンジン本体2からの排気を大気中に放出するための排気通路12が接続されている。排気通路12にはターボ過給機14のタービンが取り付けられている。ターボ過給機14は可変容量型であって、タービンには可変ノズル16が備えられている。
図1に示すシステムは、排気系から吸気系へ排気を再循環させるEGR装置を備えている。EGR装置は、吸気通路10におけるディーゼルスロットル24の下流と排気マニホールド6とをEGR通路30によって接続する高圧ループEGR装置である。EGR通路30にはEGR弁32が設けられている。但し、EGR装置は、吸気通路10におけるコンプレッサの上流と、排気通路12におけるタービンの下流とを、EGR通路30とは別のEGR通路によって接続する低圧ループEGR装置であってもよい。
図1に示すECU(Electronic Control Unit)40が本実施の形態に係る制御装置に相当する。ECU40は、RAM(ランダムアクセスメモリ)、ROM(リードオンリメモリ)、CPU(マイクロプロセッサ)等を備えている。ECU40は、各種センサの信号を取り込み処理する。各種センサには、エンジン回転速度を検出する回転速度センサ42や、アクセルペダルの開度に応じた信号を出力するアクセルペダル開度センサ44などが含まれている。ECU40は、取り込んだ各センサの信号を処理して所定の制御プログラムに従ってアクチュエータを操作する。ECU40によって操作されるアクチュエータには、可変ノズル16、ディーゼルスロットル24、EGR弁32などが含まれている。
本実施の形態において、ECU40は、ディーゼルエンジンの過給圧・EGR率制御を実行する。過給圧・EGR率制御における制御入力(操作量)は可変ノズル開度、EGR弁開度およびディーゼルスロットル開度であり、制御出力(特定状態量)は過給圧とEGR率である。ここで、過給圧とEGR率にはハード上或いは制御上の制約が課せられている。ECU40は、過給圧とEGR率がそれぞれの制約を満たし、尚且つ、それぞれの目標値に追従させるように制御入力を決定する。
図2は本実施の形態に係る制御装置が有する目標値追従制御構造を示す図である。なお、図2に示す目的値追従制御構造は、ECU40のROMに格納された制御プログラムに従いCPUが動作することで仮想的に実現される構成である。この目標値追従制御構造は、目標値マップ(MAP)、リファレンスガバナ(RG)およびフィードバックコントローラ(FBC)を備えている。
目標値マップは、ディーゼルエンジン(DE)の運転条件を示す外生入力d=[エンジン回転速度;燃料噴射量]が与えられると、ディーゼルエンジン(DE)の制御量の目標値r=[EGR率目標値;過給圧目標値]を出力する。
リファレンスガバナは、制御量の目標値r=[EGR率目標値;過給圧目標値]が与えられると、ディーゼルエンジン(DE)の制御出力y=[EGR率;過給圧]に関する制約が満たされるように制御量の目標値rを修正し、修正目標値w=[EGR率修正目標値;過給圧修正目標値]を出力する。リファレンスガバナの詳細については後述する。
フィードバックコントローラは、リファレンスガバナから修正目標値wが与えられると、ディーゼルエンジン(DE)の状態量x=[EGR率;過給圧]を修正目標値wに近づけるように、フィードバック制御によってディーゼルエンジン(DE)の制御入力u=[ディーゼルスロットル開度;EGR弁開度;可変ノズル開度]を決定する。フィードバックコントローラの仕様に限定はなく、公知のフィードバックコントローラを用いることができる。
図3は図2に示す目標値追従制御構造を等価変形して得られたフィードフォワード構造である。図2において破線で囲まれた閉ループシステムは既に設計済みであるとして、図3に示すフィードフォワード構造では1つのモデル(P)とされている。閉ループシステムのモデルは次のモデル式(2)で表される。式(2)において、f,hはモデル式の関数である。また、kは離散時間ステップを表している。
リファレンスガバナは、上記の式(2)で表される予測モデルを用いてディーゼルエンジンの制御出力yの予測値y^を計算する。本実施の形態における制御出力yはEGR率および過給圧であり、制御出力yには制約が課せられている。制御出力yがその上限値y-以下であることが制御出力yに課せられた制約である。制御出力予測値y^の計算には、状態量xおよび外生入力dに加えて修正目標値wが用いられる。リファレンスガバナは、制御出力予測値y^と制御出力上限値y-とに基づき、次式(3)で表される評価関数J(w)を用いて修正目標値wを計算する。
式(3)は既に説明した式(1)と同一である。また、本実施の形態においては、勾配法(最急降下法)を用いて式(3)の評価関数J(w)を最小とする修正目標値wを探索する手法を採用している。この勾配演算においては、通常、ある正の数Δで固定したときのJ(w+Δ)とJ(w−Δ)の差を2Δで割ることで勾配∇を求める。つまり、勾配∇={J(w+Δ)−J(w−Δ)}/2Δである。
図4は、本実施の形態に係るリファレンスガバナアルゴリズムを示す図である。図4に示すように、本実施の形態では、修正目標値wの候補に対して、現在のディーゼルエンジンの運転条件に基づく閉ループシステムの将来予測と、この予測結果を用いた評価関数J(w)の演算とが有限回反復される。これにより、式(3)に示す評価関数J(w)を最小にする修正目標値wの候補を選択し、最終的な修正目標値wとして決定する。
ここで、図5は、評価関数J(w)の構造を示す図である。式(3)の右辺第2項にはmax関数が含まれているため、図5に示すように、修正目標値wが制約y-となる点で微分不可能となり、勾配が急変する。微分不可能な点の近傍で勾配演算を行うと、演算が不安定になり易いため、数値演算上あまり好ましくない。
また、図5に示した評価関数J(w)は一次元であるが、本実施の形態では目的値がEGR率と過給圧の2つあるので、評価関数J(w)の探索は二次元で行われることになる。図6は、勾配法を用いた二次元探索のイメージを示した図である。二次元探索においては、ある1つの量が探索時のパスの中で制約を跨ぐとき、元の評価関数J(w)が微分不可能になる。例えば、勾配演算の探索過程でEGR率が制約を跨ぐ場合、EGR率方向の勾配演算がこの微分不可能性によって不安定になる。このとき、EGR率方向には、勾配近似計算のための微小振動幅の設定がなされるが、EGR率方向の勾配演算自体がセンシティブになる。また仮に、EGR率方向だけ微分不可能になって精度の低い勾配が算出されると、過給圧方向も干渉を受けて、収束すべき方向とは別の方向に評価関数J(w)が引っ張られてしまい、最適解への収束が遅くなる(探索回数が増えてしまう)。但し、演算回数には制限があり、探索を有限回で打ち切る必要があるため、最適解への収束が遅くなれば、探索が中途半端で終了してしまう。
そこで、本実施の形態では、EGR率の成分の探索の過程において、EGR率の成分が制約を跨ぐときには、EGR率については前回探索の際の方向ベクトルを維持して使用する。そして、前回探索の際のEGR率の方向ベクトルと、今回探索の際の過給圧の方向ベクトルとを合成した合成ベクトルを勾配として次回の探索方向とする。図7に示すように、エンジンのシステム挙動が不連続となることは殆どなく、滑らかな連続性を示す。そのため、勾配探索の方向が急激に変化することも稀であることから、前回探索時の方向ベクトルを維持する手法は、過給圧・EGR率制御に適していると言える。なお、過給圧の成分の探索の過程において、過給圧の成分が制約を跨ぐときには、その成分ベクトルだけ前回探索の際の方向ベクトルを維持して使用すればよい。
このように、EGR率または過給圧の成分が制約を跨ぐ場合に、その成分の前回探索の際の方向ベクトルを維持し、今回探索の際の制約を跨がない成分の今回探索の際の方向ベクトルとの合成ベクトルを勾配として次回の探索方向とすれば、探索の方向を大きく間違うことを抑えて、探索アルゴリズムの収束の悪化を防ぐことができる。また、一回分の探索を損することにはなるものの、探索の方向を大きく間違うよりも収束性を安定化させることができる。また、収束性を安定化させことができれば、修正目標値の演算にかかる負荷を軽減でき、同時に、演算資源を節約できる。
なお、本発明は上述の実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施することができる。例えば、図2に示した目標値追従制御構造は、ディーゼルエンジン(DE)が低圧ループEGR装置と高圧ループEGR装置とを備える場合には、図8の(a)〜(d)に示すような制御入力と制御出力との組み合わせにも適用することができる。図8の(a)および(b)では、可変ノズル開度(VN開度)やディーゼルスロットル開度(Dスロ開度)の他に、低圧ループEGR装置のEGR弁開度(LPL−EGR弁開度)と高圧ループEGR装置のEGR弁開度(HPL−EGR弁開度)とが制御入力に含まれている。図8の(c)および(d)では、EGR率の代わりに、低圧ループEGR装置のEGR量(LP−EGR量)と高圧ループEGR装置のEGR量(HP−EGR量)とが制御出力に含まれている。
2 エンジン本体
16 可変ノズル
24 ディーゼルスロットル
32 EGR弁
40 ECU
16 可変ノズル
24 ディーゼルスロットル
32 EGR弁
40 ECU
Claims (1)
- プラントの複数の制御出力をそれぞれの目標値に近づけるようにフィードバック制御によって前記プラントの制御入力を決定するフィードバックコントローラと、
前記プラントと前記フィードバックコントローラとを含む閉ループシステムのモデルを用いて前記プラントの複数の特定状態量の将来の予測値を計算し、計算した予測値と、前記特定状態量のそれぞれに課せられた制約と、に基づいて前記フィードバックコントローラに与えられる前記目標値を修正するリファレンスガバナと、を備え、
前記リファレンスガバナは、式(1)に示される評価関数J(w)を最小にする修正目標値wを、前記特定状態量に対応する各成分の方向ベクトルを合成した合成ベクトルを勾配とする勾配法により探索するように構成され、
前記リファレンスガバナは、前記修正目標値wの探索の際に、前記特定状態量のうちの少なくとも1つが制約に抵触した場合、抵触した特定状態量に対応する成分の方向ベクトルについては、抵触する直前の方向ベクトルを用いるように構成されていることを特徴とするプラント制御装置。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2014220422A JP2016091041A (ja) | 2014-10-29 | 2014-10-29 | プラント制御装置 |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2014220422A JP2016091041A (ja) | 2014-10-29 | 2014-10-29 | プラント制御装置 |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2016091041A true JP2016091041A (ja) | 2016-05-23 |
Family
ID=56016181
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2014220422A Pending JP2016091041A (ja) | 2014-10-29 | 2014-10-29 | プラント制御装置 |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP2016091041A (ja) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
KR20190085470A (ko) * | 2018-01-10 | 2019-07-18 | 도요타 지도샤(주) | 플랜트 제어 장치 |
-
2014
- 2014-10-29 JP JP2014220422A patent/JP2016091041A/ja active Pending
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
KR20190085470A (ko) * | 2018-01-10 | 2019-07-18 | 도요타 지도샤(주) | 플랜트 제어 장치 |
KR102136517B1 (ko) | 2018-01-10 | 2020-07-22 | 도요타 지도샤(주) | 플랜트 제어 장치 |
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