JP4670826B2 - 制御パラメータの実験計画設定方法、その実験計画設定方法をコンピュータに実行させるためのプログラム、およびそのプログラムを記録したコンピュータ読取可能な記録媒体 - Google Patents

制御パラメータの実験計画設定方法、その実験計画設定方法をコンピュータに実行させるためのプログラム、およびそのプログラムを記録したコンピュータ読取可能な記録媒体 Download PDF

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Description

本発明は、制御パラメータの実験計画設定方法、その実験計画設定方法をコンピュータに実行させるためのプログラム、およびそのプログラムを記録したコンピュータ読取可能な記録媒体に関する。
近年、多数の制御パラメータの設定が必要な種々の制御対象が存在する。たとえば、自動車のエンジン制御、半導体デバイスの製造条件、薬品の製造などでは、多数のパラメータを最適化して実用化する必要がある。そのような制御パラメータを設定するために、実験計画法を用いて最適な条件を探索することが行なわれる。
たとえば、自動車のエンジン制御では、排出ガス特性、燃料消費特性、安定燃焼性および動力性能等のエンジン特性がさまざまな要求を満たすべく、複雑な制御が行なわれている。
すなわち、エンジンの回転速度や負荷に基づき決定されるエンジンの運転状態に応じた最適な燃料噴射量や最適な点火時期等の各制御パラメータの適合値を予め設定しておき、エンジン制御用電子制御ユニット(ECU)に記憶させておく。そして、この設定した適合値を参照しつつ、ECUはエンジンの制御を行なう。さまざまな運転状態に各々対応する適合値を用いることにより、各エンジン特性についてのさまざまな要求が満たされる。
特開2006−17698号公報(特許文献1)は、このようなエンジン制御パラメータの適合化を短期に行なうことができるエンジン制御パラメータの実験計画設定方法を開示する。この実験計画設定方法によれば、自動車エンジンのように失火等で正常なデータが得られなかった欠測点が存在する場合に、すでに実験で得られた正常なデータを生かしつつ、少ない追加実験を行なうことによって各特性のモデルの精度が効率的に確保できる。
特開2006−17698号公報 特開平11−150047号公報 特開2004−68729号公報 特開2006−48120号公報 特開2004−118719号公報
しかしながら、制御パラメータ数が増えると、実験候補点の数が飛躍的に増加する。例えば、5パラメータの場合は、中心複合計画の実験点数は29であるので、5水準の全候補点は55−29=3096個である。そして、中心複合計画の実験点29個のうち3点が欠測でその代わりに6点の追加実験点を選ぶとすると、3096個の候補点のうちから6個を選ぶ組合せすなわち、30966=1018通りの中から1つを選択しなければならない。制御パラメータ数が6パラメータになるとさらにこの組合せは増加する。
したがって、特性モデルの精度を保ちつつ、効率的に追加実験点を選択するためには、何らかの有効な手法が必要である。
この発明の目的は、効率的かつ高精度に追加実験点を設定することができる制御パラメータの実験計画設定方法、その実験計画設定方法をコンピュータに実行させるためのプログラム、およびそのプログラムを記録したコンピュータ読取可能な記録媒体を提供することである。
この発明は、要約すると、制御パラメータの実験計画設定方法であって、各々が複数の制御パラメータの組合せで示される実験点を、応答曲面を得るために必要な第1の所定数だけ設定するステップと、設定された第1の所定数の実験点において計測された実験結果データを入力するステップと、実験結果データに基づいて、第1の所定数の実験点のうちに、応答曲面を得るのに有効なデータが得られられなかった欠測点が存在するか否かを判断するステップと、第2の所定数の追加実験点を設定するステップとを備える。第2の所定数の追加実験点は、応答曲面を得るために、第1の所定数の実験点から欠測点を排除した有効実験点と組合せて使用するものである。欠測点を基準として複数の制御パラメータをどのように変更するかについて、予め定められた複数の探索方向が予め定められた複数の優先順位に割り当てられている。追加実験点を設定するステップは、複数の探索方向のうち優先順位の高いものから順に適用して、欠測点の制御パラメータを変更して必要数となるまで追加実験点の候補点を設定するステップと、必要数の候補点のうちから追加実験点を選択するステップとを含む。
好ましくは、候補点を設定するステップは、適用した探索方向に有効実験点が存在するか否かを判断し、有効実験点が存在する場合に、適用した探索方向に基づいて制御パラメータを変更した候補点を設定する。
好ましくは、優先順位は、所定の欠測点に対して、所定の欠測点の制御パラメータを変化させた場合の実験点に対応する行列をXとするとき、行列式|XTX|の大きさが大きいほど高く設定される。
好ましくは、追加実験点を選択するステップは、有効実験点に候補点を加えた実験点群に対応する行列をXとするとき、行列式|XTX|の大きさが最大となる追加実験点を選択する。
好ましくは、第1の所定数の実験点は、中心複合計画に基づいて定められる。
この発明は、他の局面では、上記いずれかの制御パラメータの実験計画設定方法をコンピュータに実行させるプログラムである。
この発明は、さらに他の局面では、上記いずれかの制御パラメータの実験計画設定方法をコンピュータに実行させるプログラムを記録したコンピュータ読取可能な記録媒体である。
本発明によれば、実験計画に欠測点が存在する場合に効率的かつ高精度に追加実験点を設定することができる。
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して詳しく説明する。なお、図中同一または相当部分には同一の符号を付しその説明は繰返さない。
本願発明は、パラメータを適合させることが必要な種々のケース(エンジン制御、製造条件制御、化学実験など)に広く適用可能なものであるが、その一例として、エンジン制
御パラメータを適合させる場合について説明する。
[エンジン制御パラメータ適合システムの構成]
図1は、本発明の実施の形態に係る制御パラメータの実験計画設定方法が適用されるエンジン制御パラメータ適合システムの構成を示すブロック図である。
制御パラメータによって制御される対象は、筒内噴射型のガソリンエンジン10である。図1を参照して、ガソリンエンジン10は、シリンダ11と、ピストン12と、シリンダ11及びピストン12によって区画形成される燃焼室13の上方に配置され、燃料を直接噴射するインジェクタ14と、燃焼室13内の混合気に点火するための点火プラグ15を備える。
燃焼室13には吸気通路16から空気が吸入され、これに燃料が噴射され混合気になる。点火により混合気が燃焼した燃焼ガスは、排気として燃焼室13から排気通路17へ排出される。吸気通路16からの空気の吸入及び排気通路17への排気の排出の各タイミングは、それぞれ吸気バルブ18及び排気バルブ19の開弁タイミングによって設定される。図1に示されるエンジン10の場合、吸気バルブ18の開弁タイミング(排気バルブ19の開弁期間とのオーバーラップ量)は、可変バルブタイミング(VVT:Variable Valve Timing)機構20によって可変設定される。
一方、エンジン10の燃焼室13に取り込まれる空気量は、吸気通路16の途中に設けられた電子制御スロットル21によって調節される。また、排気通路17へ排出された排気の一部は、EGR通路22を介して吸気通路16に戻される。そして、この戻される排気量は、EGRバルブ23の開弁量によって調節される。
こうしたエンジン10の制御は、ECU30によって行われる。また、このECU30には、水温センサ26やエンジン10の出力軸24近傍に設けられた回転速度センサ25等、エンジンの運転状態を計測する各種センサからの情報が計測情報として入力される。
エンジン10の各種制御パラメータを適切な値に設定する制御マップの各適合値を本実施の形態の適合システムは算出する。本実施の形態の適合システムは、エンジン10の出力軸24と連結されるダイナモメータ31と、ダイナモメータ31を操作するダイナモ操作盤32と、ダイナモメータ31を所定の条件に制御すべくダイナモ操作盤32に指令を送る自動計測装置33とを備える。
ここで、ダイナモメータ31は、エンジン10の出力軸24の発生するトルクを吸収する。これにより、エンジン10を擬似的に車両に搭載した負荷状態にして各種試験を行なうことができる。そして、ダイナモメータ31の吸収するトルクは、自動計測装置33からの指令にしたがって、ダイナモ操作盤32が操作されることで制御される。
本実施の形態の適合システムは、さらに、ECU30と自動計測装置33との間でデータのやりとりを仲介するパネルチェッカー34を備える。そして、自動計測装置33では、パネルチェッカー34を介して、ECU30内に保持されるエンジン10の計測情報を取得する。
エンジン10が実際に車両に搭載されるときには、各種センサ等からECU30に入力される計測情報に基づきその運転状態が制御される。これに対し、ダイナモメータ31を用いて擬似的に車両に搭載された状態を作り出す場合には、運転者の意志を反映したアクセルペダルの踏み込み量等のデータがECU30に供給されない。
そこで、自動計測装置33は、エンジン10の計測情報を参照してエンジン10の状態をモニタしつつ、パネルチェッカー34を介してアクセルペダルの踏み込み量に相当するデータ等をECU30に供給する。このようにして、自動計測装置33は、エンジン10を所望の運転状態に制御する。
一方、ECU30内には、エンジン10の制御情報として、エンジン10に類似する型式のエンジンの制御マップ等、エンジン10を大まかに制御することのできる制御マップが記憶されている。
自動計測装置33によるエンジン10やダイナモメータ31を制御する指令は、大きくは自動計測装置33内の条件ファイルに基づいて設定される。この条件ファイルには、基本的には、計測を所望するエンジン10の各運転状態(回転速度及び負荷)ごとに、その制御パラメータ(点火タイミング、燃料噴射量、可変バルブタイミング、吸気に排気を混合する割合、燃料噴射タイミング、燃料圧力等)が書込まれている。そして、この運転状態ごとにエンジン10が固定制御され、そのときのエンジン10の出力が計測器35によって計測される。なお、この条件ファイル内に設定される各条件は、条件設定ツール53によって設定される。
条件ファイルに設定された各運転状態にエンジン10の運転状態を制御するために、自動計測装置33は、パネルチェッカー34を介してECU30にアクセルペダルの踏み込み量に相当するデータ等を供給する。
そして、エンジン10がこの条件ファイルを通じて設定された運転状態に制御されると、自動計測装置33では、パネルチェッカー34を介してECU30内のメモリあるいはレジスタ等にマニュアルフラグをセットする。このマニュアルフラグは、上記制御マップによるエンジン10の制御を禁止するフラグである。
エンジン10が上記条件ファイルを通じて設定された運転状態となると、自動計測装置33では、このフラグをセットするとともに、エンジン10の制御パラメータを同条件ファイル内に設定された値に固定制御する。
こうして上記条件ファイルに設定されたエンジン運転条件に基づいて制御パラメータが所定の制御値に固定制御された状態で、燃料消費量や排気中のNOx濃度、出力トルクの変動量等、エンジン10の各特性値が計測器35により計測される。
詳しくは、この計測器35は、エンジン10に供給される燃料量を計測する燃費計と、エンジン10の排気通路17から排出されるガス成分中のNOx濃度を分析する分析計と、エンジン10及びダイナモメータ31間に設置されたトルクメータと、トルクメータの値を計算処理するトルク変動計とを含む。
そして、燃料消費量に関しては、燃費計による計測値が、自動計測装置33内で計算処理される。また、NOx濃度は、分析計で算出された濃度が計測値として用いられ、自動計測装置33によって計算処理される。さらに、出力トルクの変動量は、トルク変動計の値として計測され、自動計測装置33で計算処理される。これら自動計測装置33内で計算処理されたデータが計測データとなる。
この適合システムは、さらに、計測データを上記各条件ファイルごとに保持するサーバ40と、サーバ40に保持された計測データを各条件ファイルの情報とともに解析する解析ツール50と、解析ツール50による解析結果を表示する表示器51と、解析結果の一部を記憶保持するデータベース52と、これら解析ツール50や条件設定ツール53等を
操作するための操作部60とを備える。
[欠測点と追加実験点の説明]
図2は、欠測点を簡単に説明するための図である。
図2では、本発明の実施の形態の特徴を簡単に説明するために、エンジン制御パラメータとして可変バルブタイミングVVTと点火時期AOPの2つのパラメータを変えた場合の実験計画について説明する。
図2は、各制御パラメータの値を3値的に変化させるという3水準の実験点を設定する場合を示す。各制御パラメータのセンターポイントを「0」、その上下の値をそれぞれ「+1」および「−1」とすると、図2に示すような9点の実験点P(−1,1)、P(0,1)、P(1,1)、P(−1,0)、P(0,0)、P(1,0)、P(−1,−1)、P(0,−1)、P(1,−1)が設定される。以上の32=9点の実験点において測定を行なった結果、実験点P(1,1)が欠測点となったときを考える。
欠測点となる場合とは、異常燃焼によりノッキングが発生しエンジンが正常に回転しない状態や、エンジンが高温となりすぎてエンジンの耐熱温度を超えてしまう場合や、燃料に点火が正常に行なわれず、未燃焼の燃料が排出され排気ガス触媒に対して不都合となってしまう場合などが当てはまる。また、データを測定したがノイズが大きい場合や通信の不具合などによりデータが異常となってしまう場合なども欠測点に当てはまる。
欠測点P(1,1)が生じた場合に精度の高いモデルを得るためには、欠測点P(1,1)を除いた上で再度始めから実験点9点を定める実験計画を立て直し、新たに定めた実験点9点に対して再度計測を行なうことが考えられる。
しかしながら、このような方法では、今までに測定済みで正常なデータが得られている8つの実験点の実験結果が無駄になってしまう場合が多い。
そこで、今まで測定したデータを活かしつつ追加の実験点を設定することにより、今までに得ていた正常な実験点のデータと追加実験点のデータを用いて2次のモデル式を作成する。
ここで、たとえば、エンジン出力特性である燃料消費量BSFC,窒素酸化物濃度NOxおよびトルク変動TFなどについて、2次応答曲面のモデル式で近似することにより入出力特性が定義される。
ここで、モデル式について少し説明しておく。たとえば、エンジンの回転速度と負荷とで定まる複数点(たとえば120点)の運転条件に対して、それら各点におけるエンジン制御パラメータの適合値を求めることが実験計画の最終的な目的となる。
そして、この複数点の適合値の算出は、基本的には:1)各運転状態ごとに、制御パラメータの値をいくつか設定してエンジンの各特性値を計測する;2)こうした計測結果に基づいて、各運転状態ごとに、各制御パラメータとエンジンの各特性値との関係を定めたモデル式を求める;3)各運転状態ごとに上記エンジン10の各特性値に対して予め設定された要求条件に基づいて、この求めたモデル式から各運転状態における制御パラメータの適合値を算出する、といった手順にて行われる。
実験点と実験点の間をモデル式で内挿することにより、応答の様子が理解でき、応答曲面が求まる。
図3は、追加の実験点について説明するための図である。
図3を参照して、まず追加実験点の候補として制御パラメータの制御幅を4等分した点を追加する。制御幅とは、制御パラメータの設定可能な最大値と最小値の差である。追加実験点の候補は、制御パラメータを5値的に変化させる5水準の実験点の総数52からもとの3水準の実験点の数32を引いた数、つまり25−9=16である。
こうして実験候補点が設定され、この実験候補点の中から欠測点の数よりも多い追加点を選択する。たとえば、この追加点の数は、欠測点の数の1.5倍の数の小数点以下を四捨五入してこれを追加点の数とすることができる。図2の場合は欠測点が1点であるので、図3においては追加点は2点となる。
そして実験候補点の中から2点を選択するいくつかの組合せについて評価を行なう。評価は選択した2点と今までに正常にデータが得られている実験点について、D最適化計画による評価を行なう。そして評価が最大となる2点の組合せを追加実験点とする。なお、後に説明するように、D最適化計画は、選択した2点と正常な実験点との組合せについて所定の行列Xを作成し、そして行列式|XTX|が最大となるような2点の実験候補点を選び出すものである。なお、XTは、行列Xの転置行列である。
図3の場合は欠測点P(1,1)に一番近い実験候補点である追加点P(0.5,1)、P(1,0.5)が選択された。
このようにすることにより、既に測定済みである実験点8点のデータを活かすことができ、さらにあらたに測定する実験点の点数を2点に抑えることができる。これにより、欠測点P(1,1)を除いた上で再度最初から実験計画を立て直す場合よりも大幅に時間の短縮が可能となる。
ここで、図2、図3で示したように制御パラメータの数が2である場合には、追加実験点の候補の数は、先に述べたように52−32=16であった。しかし、制御パラメータの数が3以上になってくると追加実験点の候補も増加する。
たとえば、制御パラメータの数が3である場合には、中心複合計画を採用すると当初の実験点の数は15点であり、そのうち中心の実験点のみを3回実験を行なう。この場合の追加実験点の候補の数は、53−15=110となる。
また、たとえば、制御パラメータの数が5である場合には、3水準の中心複合計画を採用すると当初の実験点の数は29点である。この場合5水準の追加実験点の候補数は、55−29=3096となる。
以上のような増加した実験候補点から必要数の実験候補点を選択する組合せすべてについて、有効な実験点と合わせた場合の評価をD最適化計画で行なうのは時間がかかるし効率も悪い。
したがって、本実施の形態においては、ある欠測点に対して、第1の優先順位に割り当てられた実験候補点の群、第2の優先順位に割り当てられた実験候補点の群、第3の優先順位に割り当てられた実験候補点の群・・・、というように、実験候補点を分類し、優先順位が上位の群中に実験候補点が見出せなかった場合に優先順位が下位の群の実験候補点を採用することにする。
ここで、説明の簡単のため、3パラメータの場合を例に挙げて、中心複合計画および優
先順位の定め方について、説明しておくことにする。
図4は、一般的な実験計画法における実験点を示した図である。
図4に示すように、従来の実験計画法では、3の3乗、すなわち27の実験点が必要となる。
しかしながら、近年では、中心複合計画(CCF)などにより、より効率的な計画を設定することが推奨されている。
図5は、中心複合計画によって設定された実験点を示した図である。
図5で示されるように、点火時期AOPは−1,0,1にそれぞれ対応して、15度(°BTDC)、25度、35度の3値を実験値として選ぶことができる。また可変バルブタイミングVVTは、−1,0,1にそれぞれ対応して、クランクアングル0度、20度、40度の3値を実験値として選ぶことができる。さらに吸気に対する排気の率EGRは、−1,0,1にそれぞれ対応して、0%、10%、20%の3値を実験値として選ぶことができる。これらの制御パラメータの設定値の組合せによって15の実験点が選択されている。各実験点をP(AOP,VVT,EGR)であらわすと、15の実験点は、P(-1,-1,-1)、P(1,-1,-1)、P(-1,1,-1)、P(1,1,-1)、P(-1,-1,1)、P(1,-1,1)、P(-1,1,1)、P(1,1,1)、P(-1,0,0)、P(1,0,0)、P(0,-1,0)、P(0,1,0)、P(0,0,-1)、P(0,0,1)、P(0,0,0)である。
図4の場合には27の実験点であったが、図5の場合は15の実験点に減っている。したがって各計測値の重要度は図5の場合よりも増すことになる。ただし中心点はばらつきを考慮するため複数回(たとえば3回)計測することが多い。
このような実験計画に基づいて実験が行なわれた場合に、欠測点が生じたときには、追加実験点を定める必要がある。追加実験点は、計測が可能であれば欠測点に近いほうが望ましいが、所定の規則に基づいて効率よく定める必要がある。ここで、欠測点を基準としてその欠測点について定められている複数の制御パラメータをどのように変更するかについて、その探索方向に対する優先順位を予め定めておく。
図6は、計測不可点が軸点(0以外の因子が1つのみの点)のときの探索方向の優先順位を示した図である。
図6を参照して、追加点探索方向のうち、矢印A1は優先順位が1であるものを示し、矢印A2は優先順位が2であるものを示し、矢印A3は優先順位が3であるものを示す。
矢印A1の追加点探索方向は、値が0の(n−1)因子移動方向である。ただし、nは因子数(制御パラメータの数)である。図6に示される場合は因子数が3であり、欠測点がP(1,0,0)である。このとき欠測点で値が0の因子2つを計測可能な実験点に向けて変更する方向が矢印A1である。
矢印A2の追加点探索方向は、中心点方向である。図6に示される場合は、欠測点P(1,0,0)から中心点P(0,0,0)に向けて因子を変更する方向が矢印A2である。
矢印A3の追加点探索方向は、他の軸点方向である。図6に示される場合は、欠測点P(1,0,0)から他の軸点P(0,0,-1),P(0,-1,0),P(0,0,1),P(0,1,0)に向けて因子を変更する方向が矢印A3である。
矢印A1,A2,A3をそれぞれ優先順位1,2,3に設定した理由について以下説明
する。この優先順位の設定についても行列式|XTX|で評価を行なうD最適化計画が用いられる。
図7は、計測不可点が軸点の場合の行列式|XTX|について示した図である。
図7において、☆印が計測不可点を示しており、X1,X2,X3は、それぞれ第1〜第3因子を示している。また、X1X2,X1X3,X2X3は交互作用、X1X1,X2X2,X3X3は2次成分を示す。X1、X2、X3,X1X2,X1X3,X2X3,X1X1,X2X2,X3X3および定数項は、モデル式の係数に相当する。図7における表は、計測不可点である実験点P(1,0,0)以外の実験点を行列で示したものである。中心点P(0,0,0)は3回実験を行なうので、表の最下段3行が同じ(0,0,0)になっている。図7の表を行列Xとして行列式|XTX|を計算すると、140902400.0であった。
図8は、図6の矢印A1方向に追加実験点を定めた場合の行列式|XTX|について示した図である。
図8では、図7の行列に対して、追加実験点P(1,0.5,0.5)が追加された行列が示されている。図8の表を行列Xとして行列式|XTX|を計算すると、257592320.0であった。このような追加点をAとする。
図9は、図6の矢印A2方向に追加実験点を定めた場合の行列式|XTX|について示した図である。
図9では、図7の行列に対して、追加実験点P(0.5,0,0)が追加された行列が示されている。図9の表を行列Xとして行列式|XTX|を計算すると、185075200.0であった。このような追加点をBとする。
図10は、図6の矢印A3方向に追加実験点を定めた場合の行列式|XTX|について示した図である。
図10では、図7の行列に対して、追加実験点P(0.5,0,0.5)が追加された行列が示されている。図10の表を行列Xとして行列式|XTX|を計算すると、179663360.0であった。このような追加点をCとする。
図11は、図8〜図10の追加点の優先順位を行列式|XTX|の大きさに基づいて定めたことを説明するための図である。
図11を参照して、追加点が無い場合の行列式|XTX|の大きさは、140902400.0であった。また、追加点Aを加えた場合の行列式|XTX|の大きさは、257592320.0であった。また、追加点Bを加えた場合の行列式|XTX|の大きさは、185075200.0であった。また、追加点Cを加えた場合の行列式|XTX|の大きさは、179663360.0であった。
行列式|XTX|の大きさが大きいほど優先順位を高く設定すると、追加点Aが優先順位1となり、追加点Bが優先順位2となり、追加点Cが優先順位3となる。このように、欠測点の基準とした探索方向に予め優先順位を定めておき、優先順位の高い探索方向から追加実験点の候補を採用していけば、最終的に得られた実験計画でも行列式|XTX|の大きさが大きくなることが期待できるので、効率よく追加実験点を定めることができる。
図12は、計測不可点が因子点(因子の値がすべて0以外の点)のときの探索方向の優先順位を示した図である。
図12を参照して、追加点探索方向のうち、矢印A11は優先順位が1であるものを示し、矢印A12は優先順位が2であるものを示し、矢印A13は優先順位が3であるものを示す。
矢印A11の追加点探索方向は、1因子移動方向である。これは、複数の因子のうち1つのみを変更する探索方向である。図6に示される場合は因子数が3であり、欠測点がP(-1,1,1)である。このとき欠測点P(-1,1,1)から計測可能な実験点P(-1,-1,1)またはP(-1,1,-1)またはP(1,1,1)に向けて変更する方向が矢印A11である。
矢印A12の追加点探索方向は、2因子移動方向である。これは、複数の因子のうち2つのみを同時に変更する探索方向である。図12に示される場合は、欠測点P(-1,1,1)から計測可能な実験点P(-1,-1,-1)またはP(1,-1,1)またはP(1,1,-1)に向けて変更する方向が矢印A12である。
矢印A13の追加点探索方向は、n因子移動方向(中心点方向)である。図12に示される場合はn=3であるので、3因子を同時に移動させる方向がA13である。言い換えると、欠測点P(-1,1,1)から計測可能な実験点P(1,-1,-1)またはP(0,0,0)に向けて変更する方向が矢印A13である。
矢印A11,A12,A13をそれぞれ優先順位1,2,3に設定した理由について以下説明する。この優先順位の設定についても行列式|XTX|で評価を行なうD最適化計画が用いられる。
図13は、計測不可点が因子点の場合の行列式|XTX|について示した図である。
図13において、☆印が計測不可点を示しており、X1、X2、X3は、それぞれ第1〜第3因子を示している。図13における表は、計測不可点である実験点P(-1,1,1)以外の実験点を行列で示したものである。中心点P(0,0,0)は3回実験を行なうので、表の最下段3行が同じ(0,0,0)になっている。図13の表を行列Xとして行列式|XTX|を計算すると、59699200.0であった。
図14は、図12の矢印A11方向に追加実験点を定めた場合の行列式|XTX|について示した図である。
図14では、図13の行列に対して、追加実験点P(-0.5,1,1)が追加された行列が示されている。図14の表を行列Xとして行列式|XTX|を計算すると、198350720.0であった。このような追加点をAAとする。
図15は、図12の矢印A12方向に追加実験点を定めた場合の行列式|XTX|について示した図である。
図15では、図13の行列に対して、追加実験点P(-0.5,0.5,1)が追加された行列が示されている。図15の表を行列Xとして行列式|XTX|を計算すると、134726720.0であった。このような追加点をBBとする。
図16は、図12の矢印A13方向に追加実験点を定めた場合の行列式|XTX|について示した図である。
図16では、図13の行列に対して、追加実験点P(-0.5,0.5,0.5)が追加された行列が示されている。図16の表を行列Xとして行列式|XTX|を計算すると、90089600.0であった。このような追加点をCCとする。
図17は、図14〜図16の追加点の優先順位を行列式|XTX|の大きさに基づいて定めたことを説明するための図である。
図17を参照して、追加点が無い場合の行列式|XTX|の大きさは、59699200.0であった。また、追加点AAを加えた場合の行列式|XTX|の大きさは、198350720.0であった。また、追加点BBを加えた場合の行列式|XTX|の大きさは、134726720.0であった。また、追加点CCを加えた場合の行列式|XTX|の大きさは、90089600.0であった。
行列式|XTX|の大きさが大きいほど優先順位を高く設定すると、追加点AAが優先順位1となり、追加点BBが優先順位2となり、追加点CCが優先順位3となる。このように、欠測点の基準とした探索方向に予め優先順位を定めておき、優先順位の高い探索方向から追加実験点の候補を採用していけば、最終的に得られた実験計画でも行列式|XTX|の大きさが大きくなることが期待できるので、効率よく追加実験点を定めることができる。
図18は、本実施の形態における追加実験点を設定する手順を示したフローチャートである。
図18を参照して、処理が開始されるとまずステップS1において中心複合計画を初期点として実験点の設定が行なわれる。そして、ステップS2において、自動計測装置によって実験点の条件に基づいてエンジン等の運転が行なわれ計測器によって必要なデータの計測が行なわれ、その結果がサーバ等に保存される。
続いて、ステップS3において、実験点の計測データが解析され、計測不可であった実験点が存在したか否かが判断される。以下、理解の容易のため図によって説明をするが、説明の簡単のため図2で示したような2パラメータの例を挙げて説明する。
図19は、図18のステップS3において計測不可の点が発生した状態を示す図である。
図19には、図2の9点の初期実験点のうち3つの実験点P(−1,−1)、P(0,−1)、P(1,1)が計測不可の実験点(欠測点)であり、他の実験点は計測可能であった場合が示されている。このように、計測不可の実験点が存在した場合には図18においてステップS3からステップS4に処理が進む。ステップS4では、優先順位に従って追加点探索方向の設定が行なわれる。
図20は、図19のような欠測点と有効実験点があった場合に図18のステップS4で設定された追加点探索方向を示した図である。
図20では、ループの第1回目として、優先順位1の方向が追加点探索方向として採用されている。
欠測点P(0,−1)は、図6で説明した軸点(0以外の因子が1つである点)に相当するので、この欠測点に対する優先順位1の方向はP(−1,−1)に向かう方向と、P(1,−1)に向かう方向である。
欠測点P(−1,−1)は、図12で説明した因子点(因子の値が全て0以外である点)に相当するので、この欠測点に対する優先順位1の方向はP(−1,0)に向かう方向と、P(0,−1)に向かう方向である。
欠測点P(1,1)は、図12で説明した因子点(因子の値が全て0以外である点)に相当するので、この欠測点に対する優先順位1の方向はP(1,0)に向かう方向と、P(0,1)に向かう方向である。
以上のように、図18のステップS4における追加点探索方向の設定が終了する。そしてステップS5において、追加点探索方向の隣接する初期点が計測可能であったか否かが判断される。
欠測点P(1,1)については、探索方向の隣接する初期実験点P(1,0)およびP(0,1)は、両方とも欠測点ではないので、2つの追加点探索方向が採用される。欠測点P(−1,−1)については、探索方向の隣接する初期実験点P(−1,0)は、欠測点ではないのでこの点に向かう方向は採用されるが、隣接する初期実験点P(0,−1)は、欠測点であるのでこの点に向かう方向は採用されない。欠測点P(0,−1)については、探索方向の隣接する初期実験点P(1,−1)は、欠測点ではないのでこの点に向かう方向は採用されるが、隣接する初期実験点P(−1,−1)は、欠測点であるのでこの点に向かう方向は採用されない。図18の処理において、隣接する初期点が計測可能であった探索方向についてはステップS5からステップS6に処理が進む。また、隣接する初期点が計測不可であった探索方向についてはステップS6がスキップされ、ステップS5からステップS7に処理が進む。ステップS6では、探索が未終了の方向のみ候補点を設定する。
図21は、図18のステップS6における候補点が設定された様子を示した図である。
図21においては、候補点は7水準の実験点の中から選択されている。まず、欠測点P(1,1)については、2つの探索方向が採用されているので、候補点P(2/3,1)およびP(1,2/3)が選択されている。欠測点P(−1,−1)については、1つの探索方向が採用されているので、候補点P(−1,−2/3)が選択されている。欠測点P(0,−1)については、1つの探索方向が採用されているので、候補点P(1/3,−1)が選択されている。こうして、4つの候補点が設定された。
ステップS6における候補点の設定が終了すると、ステップS7において候補点数が必要数以上か否かが判断される。候補点の必要点数は、欠測点数に基づいて定められている。たとえば、これには限定されないが、欠測点数の1.5倍の数に候補点の必要点数を設定することができる。図19〜図21に示した例では、欠測点数が3であるので、必要点数をその1.5倍の数に定めた場合には、必要点数は小数第1位を四捨五入すると5である。したがって4つの候補点では不足するので、ステップS7からステップS8に処理が進み優先順位1から優先順位2の探索方向に追加点探索方向が変更される。
ステップS8において追加点探索方向の優先順位が次の優先順位に変更された後には、再びステップS4に処理が戻り次の優先順位に従って追加点探索方向が設定される。
図22は、次の優先順位(優先順位2)の追加点探索方向での候補点の設定を説明するための図である。
図22を参照して、欠測点P(0,−1)については、図6の優先順位2の中心点方向A2に対応する方向が選択されている。また、欠測点P(1,1)およびP(−1,−1)については、図12の優先順位2の2因子移動方向A12に対応する方向が選択されている。これらの探索方向に隣接する初期実験点はいずれもP(0,0)であり、これは欠測点では無かった。したがって、3つの探索方向の候補点P(2/3,2/3)、P(0,−2/3)、P(−2/3,−2/3)はいずれも設定される。
これによりさらに3つの候補点が設定されたので、候補点の合計数は7となった。したがって、ステップS7において候補点数7が必要数5以上となったのでステップS9に処理が進む。ステップS9では、設定された実験候補点7点のうち必要数である5点を選択する組合わせに対して各々評価が行なわれる。この評価では、選択された5点を有効な実験点に追加した実験計画に対して、その実験計画に対応する行列Xの行列式|XTX|の計算を行なう。そして、行列式の値が大きいほど良いというD最適基準の最適化計算を行なう。
図23は、図18のステップS9で決定された追加点を示した図である。
図22、図23を参照して、D最適基準の最適化計算が行なわれた結果、候補点P(2/3,2/3)、P(0,−2/3)は不採用となり、追加実験点は、P(−2/3,−2/3)、P(2/3,1)、P(1,2/3)、P(−1,−2/3)、P(1/3,−1)の5点が採用されている。
このように、追加実験点が決定されたらステップS9からステップS2に処理が進み、追加実験点について計測が行なわれる。そして再びステップS3に処理が進み、計測不可の点が存在したか否かが検出される。
図24は、図23の追加実験点について計測が行なわれた結果を示した図である。
図23、図24を参照して、追加実験点P(2/3,1)、P(1,2/3)、P(1/3,−1)は計測可能であり、追加実験点P(−1,−2/3)、P(−2/3,−2/3)は計測不可であった。したがって、計測不可が発生しているので、ステップS3からステップS4に処理が進む。再計測後は探索方向の優先順位は再び優先順位1からとなる。そしてステップS4では、優先順位1の追加点探索方向が設定される。
図25は、再計測後に優先順位1の追加点探索方向が設定された状態を示した図である。優先順位1の追加点探索方向については、図20で説明したとおりであるので説明は繰返さない。
図26は、図25で示した追加点探索方向のうち再計測後に候補点が設定された状態を示した図である。
図26を参照して、追加点探索方向に隣接する初期点が計測不可であるものと、追加点探索方向に前回までに計測可能な追加点が設定され探索終了しているものとが排除され、残った追加点探索方向に計測不可点をさらに移動させて候補点が設定される。図26では、候補点P(−1,−1/3)が設定された。しかしこれではまだ追加実験点が4であり、必要数の5に満たないので、再びステップS7からステップS8に処理が進み、優先順位2の探索方向にもさらなる探索が行なわれる。
図27は、優先順位2の探索方向についてさらなる探索が行なわれた状態を示した図である。さらなる探索の結果、図27には、候補点P(−1,−1/3)に加えてさらに候補点P(2/3,2/3)、P(0,−2/3)、P(−1/3,−1/3)が設定され、候補点は4つとなった。前回までに計測可能な追加実験点は3点であるので、追加実験点の必要数はあと2である。候補点は4つとなったので、追加候補点の数が必要数2以上となった。そこで、ステップS7からステップS8に処理が進む。ステップS8では、4つの候補点から必要数2を選択する組合せに対してD最適基準の最適化計算が行なわれる。そして、評価のよかった組合せを採用して追加実験点を決定する。
図28は、図27の候補点から追加実験点を決定した状態を示した図である。
図28には、候補点P(−1,−1/3)、P(0,−2/3)が追加実験点として採用されたことが示されている。そして、ステップS2に処理が進み、この2点の追加実験点に対して計測が行なわれる。
図29は、図28の追加実験点についての計測後の状態を示した図である。
図29では、追加実験点P(−1,−1/3)、P(0,−2/3)は、両方とも計測可能であったことが示されている。したがって、ステップS3で計測不可が発生しなかったので、ステップS10において、このフローチャートの処理が終了する。
以上により、11点の実験点P(−1,1)、P(0,1)、P(2/3,1)、P(1,2/3)、P(−1,0)、P(0,0)、P(1,0)、P(−1,−1/3)、P(0,−2/3)、P(1/3,−1)、P(1,−1)が実験計画として採用される。そして、11点の実験点の計測結果が応答曲面を作成するために使用される。
最後に、再び図18を参照して、本実施の形態について総括的に説明する。本実施の形態に係る制御パラメータの実験計画設定方法は、各々が複数の制御パラメータの組合せで示される実験点を、応答曲面を得るために必要な第1の所定数だけ設定するステップ(S1)と、設定された第1の所定数の実験点において計測された実験結果データを入力するステップ(S2)と、実験結果データに基づいて、第1の所定数の実験点のうちに、応答曲面を得るのに有効なデータが得られられなかった欠測点が存在するか否かを判断するステップ(S3)と、第2の所定数の追加実験点を設定するステップ(S4〜S9)とを備える。第2の所定数の追加実験点は、応答曲面を得るために、第1の所定数の実験点から欠測点を排除した有効実験点と組合せて使用するものである。欠測点を基準として複数の制御パラメータをどのように変更するかについて、図6および図12に例示したように、予め定められた複数の探索方向が予め定められた複数の優先順位に割り当てられている。追加実験点を設定するステップ(S4〜S9)は、複数の探索方向のうち優先順位の高いものから順に適用して、欠測点の制御パラメータを変更して必要数となるまで追加実験点の候補点を設定するステップ(S4〜S8)と、必要数の候補点のうちから追加実験点を選択するステップ(S9)とを含む。
好ましくは、候補点を設定するステップ(S4〜S8)は、適用した探索方向に有効実験点が存在するか否かを判断し(S5)、図21に示したように、有効実験点が存在する場合に、適用した探索方向に基づいて制御パラメータを変更した候補点を設定する。
好ましくは、優先順位は、所定の欠測点に対して、所定の欠測点の制御パラメータを変化させた場合の実験点に対応する行列をXとするとき、行列式|XTX|の大きさが大きいほど高く設定される。
好ましくは、追加実験点を選択するステップ(S9)は、有効実験点に候補点を加えた実験点群に対応する行列をXとするとき、行列式|XTX|の大きさが最大となる追加実験点を選択する。
好ましくは、第1の所定数の実験点は、中心複合計画(CCF)に基づいて定められる。
この発明は、他の局面では、上記いずれかの制御パラメータの実験計画設定方法をコンピュータに実行させるプログラムである。すなわち、図1に示した自動計測装置、サーバ、解析ツール、条件設定ツールは、プログラムを実行するコンピュータで実現することが可能である。
この発明は、さらに他の局面では、上記いずれかの制御パラメータの実験計画設定方法をコンピュータに実行させるプログラムを記録したコンピュータ読取可能な記録媒体である。記録媒体としては、操作部60にセットされプログラムの読み込みが可能であり、たとえば、CD−ROMや磁気テープなどを用いることができる。
本実施の形態によれば、以下の効果がえられる。
(1)計測済みの初期計画を再利用することにより、計測時間を低減できる。
(2)追加点を計測可能方向のみに取ることにより、計測やり直し時間を低減できる。
(3)D最適基準を考慮した優先順位に基づく候補点の絞込みにより、最適化計算時間を低減し、かつ応答曲面の精度を確保できる。
(4)計測不可領域に隣接した歪んだ形状の(四角形状でない)実験計画が可能となり、得られる応答曲面から計測不可領域付近の特性を知ることができる。
なお、本実施の形態においては、自動車のエンジン制御パラメータに関して例を挙げて説明したが、本願発明はこれに限定されるものではなくたとえば、半導体デバイスの製造条件、薬品の製造などの制御パラメータの実験計画設定方法に広く適用可能なものである。
今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
本発明の実施の形態に係る制御パラメータの実験計画設定方法が適用されるエンジン制御パラメータ適合システムの構成を示すブロック図である。 欠測点を簡単に説明するための図である。 追加の実験点について説明するための図である。 一般的な実験計画法における実験点を示した図である。 中心複合計画によって設定された実験点を示した図である。 計測不可点が軸点(0以外の因子が1つのみの点)のときの探索方向の優先順位を示した図である。 計測不可点が軸点の場合の行列式|XTX|について示した図である。 図6の矢印A1方向に追加実験点を定めた場合の行列式|XTX|について示した図である。 図6の矢印A2方向に追加実験点を定めた場合の行列式|XTX|について示した図である。 図6の矢印A3方向に追加実験点を定めた場合の行列式|XTX|について示した図である。 図8〜図10の追加点の優先順位を行列式|XTX|の大きさに基づいて定めたことを説明するための図である。 計測不可点が因子点(因子の値がすべて0以外の点)のときの探索方向の優先順位を示した図である。 計測不可点が因子点の場合の行列式|XTX|について示した図である。 図12の矢印A11方向に追加実験点を定めた場合の行列式|XTX|について示した図である。 図12の矢印A12方向に追加実験点を定めた場合の行列式|XTX|について示した図である。 図12の矢印A13方向に追加実験点を定めた場合の行列式|XTX|について示した図である。 図14〜図16の追加点の優先順位を行列式|XTX|の大きさに基づいて定めたことを説明するための図である。 本実施の形態における追加実験点を設定する手順を示したフローチャートである。 図18のステップS3において計測不可の点が発生した状態を示す図である。 図19のような欠測点と有効実験点があった場合に図18のステップS4で設定された追加点探索方向を示した図である。 図18のステップS6における候補点が設定された様子を示した図である。 次の優先順位(優先順位2)の追加点探索方向での候補点の設定を説明するための図である。 図18のステップS9で決定された追加点を示した図である。 図23の追加実験点について計測が行なわれた結果を示した図である。 再計測後に優先順位1の追加点探索方向が設定された状態を示した図である。 図25で示した追加点探索方向のうち再計測後に候補点が設定された状態を示した図である。 優先順位2の探索方向についてさらなる探索が行なわれた状態を示した図である。 図27の候補点から追加実験点を決定した状態を示した図である。 図28の追加実験点についての計測後の状態を示した図である。
符号の説明
10 エンジン、11 シリンダ、12 ピストン、13 燃焼室、14 インジェクタ、15 点火プラグ、16 吸気通路、17 排気通路、18 吸気バルブ、19 排気バルブ、20 可変バルブタイミング機構、21 電子制御スロットル、22 EGR通路、23 EGRバルブ、24 出力軸、25 回転速度センサ、26 水温センサ、31 ダイナモメータ、32 ダイナモ操作盤、33 自動計測装置、34 パネルチェッカー、35 計測器、40 サーバ、50 解析ツール、51 表示器、52 データベース、53 条件設定ツール、60 操作部、S1〜S10 ステップ。

Claims (7)

  1. 各々が複数の制御パラメータの組合せで示される実験点を、応答曲面を得るために必要な第1の数だけ設定するステップと、
    設定された前記第1の数の実験点において計測された実験結果データを入力するステップと、
    前記実験結果データに基づいて、前記第1の数の実験点のうちに、前記応答曲面を得るのに有効なデータが得られられなかった欠測点が存在するか否かを判断するステップと、
    前記欠測点の数よりも多い第2の数の追加実験点を設定するステップとを備え、
    前記第2の数の追加実験点は、前記応答曲面を得るために、前記第1の数の実験点から前記欠測点を排除した有効実験点と組合せて使用するものであり、
    前記欠測点を基準として前記複数の制御パラメータをどのように変更するかについて、予め定められた複数の探索方向が予め定められた複数の優先順位に割り当てられており、
    前記追加実験点を設定するステップは、
    前記複数の探索方向のうち前記優先順位の高いものから順に適用して、前記欠測点の制御パラメータを変更して前記第2の数以上の第3の数となるまで前記追加実験点の候補点を設定するステップと、
    前記第3の数の候補点のうちから前記第2の数の前記追加実験点を選択する組合せを各々評価して、評価結果に基づいて前記第2の数の前記追加実験点を選択するステップとを含む、制御パラメータの実験計画設定方法。
  2. 前記候補点を設定するステップは、適用した探索方向に前記有効実験点が存在するか否かを判断し、前記有効実験点が存在する場合に、前記適用した探索方向に基づいて制御パラメータを変更した候補点を設定する、請求項1に記載の制御パラメータの実験計画設定方法。
  3. 各々の実験点の間を内挿するためのモデル式の係数を列方向に並べた行を複数の実験点について行方向に順に並べた行列をXとするとき、
    前記優先順位は、前記行列Xにおいて前記欠測点に代えて記欠測点の制御パラメータを探索方向に沿って変化させた点を加えた場合の行列式|XTX|の大きさが大きいほど高く設定される、請求項1に記載の制御パラメータの実験計画設定方法。
  4. 各々の実験点の間を内挿するためのモデル式の係数を列方向に並べた行を複数の実験点について行方向に順に並べた行列をXとするとき、
    前記追加実験点を選択するステップは、前記複数の実験点として前記有効実験点に選択した前記第2の数の前記候補点を加えた実験点群の行列Xの行列式|XTX|の大きさが最大となるような前記候補点の組合せを追加実験点として選択する、請求項1に記載の制御パラメータの実験計画設定方法。
  5. 前記第1の数の実験点は、中心複合計画に基づいて定められる、請求項1に記載の制御パラメータの実験計画設定方法。
  6. 請求項1〜5のいずれか1項に記載の制御パラメータの実験計画設定方法をコンピュータに実行させるプログラム。
  7. 請求項1〜5のいずれか1項に記載の制御パラメータの実験計画設定方法をコンピュータに実行させるプログラムを記録したコンピュータ読取可能な記録媒体。
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