特開 2022-143321 制御装置、制御方法、コンピュータプログラム、及びエンジンシステム

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2022143321

(43)【公開日】2022-10-03

(54)【発明の名称】制御装置、制御方法、コンピュータプログラム、及びエンジンシステム

(51)【国際特許分類】

   G05B 13/04 20060101AFI20220926BHJP

   G05B 11/32 20060101ALI20220926BHJP

   F02D 45/00 20060101ALI20220926BHJP

【ＦＩ】

G05B13/04

G05B11/32 A

F02D45/00 372

F02D45/00 374

【審査請求】未請求

【請求項の数】6

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2021043777

(22)【出願日】2021-03-17

(71)【出願人】

【識別番号】000003609

【氏名又は名称】株式会社豊田中央研究所

(71)【出願人】

【識別番号】000003218

【氏名又は名称】株式会社豊田自動織機

(74)【代理人】

【識別番号】100160691

【弁理士】

【氏名又は名称】田邊 淳也

(74)【代理人】

【識別番号】100157277

【弁理士】

【氏名又は名称】板倉 幸恵

(72)【発明者】

【氏名】稲垣 英人

(72)【発明者】

【氏名】上田 松栄

(72)【発明者】

【氏名】森安 竜大

(72)【発明者】

【氏名】池田 太郎

(72)【発明者】

【氏名】川口 翔

【テーマコード（参考）】

3G384

5H004

【Ｆターム（参考）】

3G384BA01

3G384BA31

3G384DA01

3G384DA14

3G384DA56

3G384EA25

3G384EE01

5H004GB12

5H004HA01

5H004HA03

5H004HB01

5H004HB03

5H004KC01

5H004KC27

5H004KD61

(57)【要約】

【課題】制御装置において、処理負荷や計算機容量を増大させることなく、一部の操作量を被制御系から切り離した状態での被制御系の特殊動作を可能とする。
【解決手段】多入力多出力の被制御系が有する複数の機能部品に対する各操作量を制御する制御装置であって、次の時刻の被制御系の各状態量を予測するモデルと、モデルを用いて各状態量が予め設定された目標値にそれぞれ追従するように各機能部品に対する各操作量をそれぞれ決定し出力する制御部とを備える。制御部は、モデルによって予測される各状態量と各目標値との偏差を評価関数として、評価関数が最小化するような現時刻の各操作量を制御周期ごとにそれぞれ決定するものであり、任意の契機で、現時刻の目標値の１つ以上に対して、１時刻前の情報を用いてモデルにより予測された現時刻の状態量を代入する。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

複数の操作量が入力され、複数の状態量をそれぞれ出力する多入力多出力の被制御系であって、各前記状態量に対する各前記操作量の影響が互いに干渉した多入力多出力の被制御系において、前記被制御系が有する複数の機能部品に対する前記各操作量をそれぞれ制御する制御装置であって、
現時刻における、前記被制御系の前記各状態量に影響を与える運転条件、及び前記被制御系の前記各状態量と、各前記機能部品に対する前記各操作量とを用いて、次の時刻の前記被制御系の前記各状態量を予測するモデルと、
前記モデルを用いて、前記各状態量が予め設定された目標値にそれぞれ追従するように、前記各機能部品に対する前記各操作量をそれぞれ決定し、出力する制御部と、
を備え、
前記制御部は、
前記モデルによって予測される前記各状態量と、対応する各前記目標値と、の偏差を評価関数として、前記評価関数が最小化するような現時刻の前記各操作量を、制御周期ごとにそれぞれ決定するものであり、
任意の契機で、現時刻の前記目標値の１つ以上に対して、１時刻前の情報を用いて前記モデルにより予測された現時刻の前記状態量を代入する、制御装置。

【請求項2】

請求項１に記載の制御装置であって、
前記制御部は、前記契機が与えられない場合において、各前記目標値として、前記制御装置の外部から与えられた値を用いる、制御装置。

【請求項3】

請求項１または請求項２に記載の制御装置であって、
前記制御部は、前記評価関数として、
現時刻から任意に設定された評価区間内における、前記各状態量と対応する各前記目標値との偏差の総和と、
現時刻から任意に設定された評価区間の終端における、前記各状態量と対応する各前記目標値との偏差と、のいずれか一方、もしくは両方を用いる、制御装置。

【請求項4】

複数の操作量が入力され、複数の状態量をそれぞれ出力する多入力多出力の被制御系であって、各前記状態量に対する各前記操作量の影響が互いに干渉した多入力多出力の被制御系において、前記被制御系が有する複数の機能部品に対する前記各操作量をそれぞれ制御する制御方法であって、情報処理装置が、
現時刻における、前記被制御系の前記各状態量に影響を与える運転条件、及び前記被制御系の前記各状態量と、各前記機能部品に対する前記各操作量とを用いて、次の時刻の前記被制御系の前記各状態量を予測する工程と、
前記モデルを用いて、前記各状態量が予め設定された目標値にそれぞれ追従するように、前記各機能部品に対する前記各操作量をそれぞれ決定し、出力する制御工程と、
を備え、
前記制御工程では、
前記モデルによって予測される前記各状態量と、対応する各前記目標値と、の偏差を評価関数として、前記評価関数が最小化するような現時刻の前記各操作量を、制御周期ごとにそれぞれ決定するものであり、
任意の契機で、現時刻の前記目標値の１つ以上に対して、１時刻前の情報を用いて前記モデルにより予測された現時刻の前記状態量を代入する、制御方法。

【請求項5】

複数の操作量が入力され、複数の状態量をそれぞれ出力する多入力多出力の被制御系であって、各前記状態量に対する各前記操作量の影響が互いに干渉した多入力多出力の被制御系において、前記被制御系が有する複数の機能部品に対する前記各操作量をそれぞれ制御するコンピュータプログラムであって、情報処理装置に、
現時刻における、前記被制御系の前記各状態量に影響を与える運転条件、及び前記被制御系の前記各状態量と、各前記機能部品に対する前記各操作量とを用いて、次の時刻の前記被制御系の前記各状態量を予測する機能と、
前記モデルを用いて、前記各状態量が予め設定された目標値にそれぞれ追従するように、前記各機能部品に対する前記各操作量をそれぞれ決定し、出力する制御機能と、
を実行させ、
前記制御機能では、
前記モデルによって予測される前記各状態量と、対応する各前記目標値と、の偏差を評価関数として、前記評価関数が最小化するような現時刻の前記各操作量を、制御周期ごとにそれぞれ決定するものであり、
任意の契機で、現時刻の前記目標値の１つ以上に対して、１時刻前の情報を用いて前記モデルにより予測された現時刻の前記状態量を代入する、コンピュータプログラム。

【請求項6】

エンジンシステムであって、
内燃機関と、
前記内燃機関に設けられ、前記内燃機関の出力性能、排気性能、振動性能、及び騒音性能のうちの少なくともいずれかを調整可能な複数の機能部品と、
請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の制御装置と、
を備え、
前記制御装置は、前記各機能部品に対する前記各操作量をそれぞれ決定し、出力する、エンジンシステム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、制御装置、制御方法、コンピュータプログラム、及びエンジンシステムに関する。

【背景技術】

【0002】

被制御系の入出力変数に応じたモデルを用いて、被制御系の状態量変化を予測する技術が知られている。例えば、特許文献１には、車両のブレーキ圧制御に関し、評価関数Ｊを最小化するバルブ切替パターンを予測し、予測されたバルブ切替パターンに応じて油圧系の電磁弁を切り替えることで、少ないバルブ切替回数で良好なブレーキ圧制御を可能とすることが記載されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開２０００－２８４８３１号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

ところで、複数の操作量が入力され、複数の状態量をそれぞれ出力する多入力多出力の被制御系であって、各状態量に対する各操作量の影響が互いに干渉した多入力多出力の被制御系が知られている。このような多入力多出力の被制御系の一例には、複数の操作量（入力）として、内燃機関の吸排気路にそれぞれ設けられたエンジンスロットルの開度、ＥＧＲバルブの開度、及び可変ノズルの開度が使用され、複数の状態量（出力）として、内燃機関のポンプ損失、内燃機関のＥＧＲ率、及び吸気管圧力が使用される被制御系を挙げることができる。このような多入力多出力の被制御系において、被制御系からの要求により一部の操作量を固定開度とする場合の一例として、一部の操作量に関わるバルブもしくはアクチュエータの開閉動作が正常であることの評価・確認をする場合や、一部の操作量に関わるバルブもしくはアクチュエータが故障して操作ができなくなった場合などに、一時的に当該一部の操作量を被制御系から切り離した状態で被制御系を動作（以降「特殊動作」とも呼ぶ）させたいという要望があった。

【0005】

この点、特許文献１に記載の技術において、上述した特殊動作をさせようとする場合、評価関数Ｊに重みＱ行列を導入して、切り離し対象の操作量の重みｑ_n（ｎは任意の自然数）にゼロを代入して演算することで対応できる。しかし、この方法では、被制御系に特殊動作をさせる場合に限らず、通常動作をさせる場合でも常に重みＱ行列の演算をする必要が生じるため、制御装置における処理負荷が増大するという課題があった。また、特許文献１に記載の技術において、切り離し対象の操作量を被制御系から除外したモデルを別途用意しておき、特殊動作をさせようとする場合に、適用するモデルを切り替えることもできる。しかし、この方法では、複数のモデル（すなわち、複数の操作量のそれぞれが被制御系から除外された複数のモデル）を予め準備しておく必要があるため、手間と時間が掛かると共に、制御装置の計算機容量が増加するという課題があった。

【0006】

なお、このような課題は、例示した内燃機関の被制御系に限らず、複数の操作量が入力され、複数の状態量をそれぞれ出力する多入力多出力の被制御系であって、各状態量に対する各操作量の影響が互いに干渉した多入力多出力の被制御系に共通する課題であった。

【0007】

本発明は、上述した課題を解決するためになされたものであり、多入力多出力の被制御系を制御する制御装置において、処理負荷や計算機容量を増大させることなく、一部の操作量を被制御系から切り離した状態での被制御系の特殊動作を可能とすることを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0008】

本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態として実現することが可能である。

【0009】

（１）本発明の一形態によれば、複数の操作量が入力され、複数の状態量をそれぞれ出力する多入力多出力の被制御系であって、各前記状態量に対する各前記操作量の影響が互いに干渉した多入力多出力の被制御系において、前記被制御系が有する複数の機能部品に対する前記各操作量をそれぞれ制御する制御装置が提供される。この制御装置は、現時刻における、前記被制御系の前記各状態量に影響を与える運転条件、及び前記被制御系の前記各状態量と、各前記機能部品に対する前記各操作量とを用いて、次の時刻の前記被制御系の前記各状態量を予測するモデルと、前記モデルを用いて、前記各状態量が予め設定された目標値にそれぞれ追従するように、前記各機能部品に対する前記各操作量をそれぞれ決定し、出力する制御部と、を備え、前記制御部は、前記モデルによって予測される前記各状態量と、対応する各前記目標値と、の偏差を評価関数として、前記評価関数が最小化するような現時刻の前記各操作量を、制御周期ごとにそれぞれ決定するものであり、任意の契機で、現時刻の前記目標値の１つ以上に対して、１時刻前の情報を用いて前記モデルにより予測された現時刻の前記状態量を代入することで、１つ以上の現時刻の前記操作量の被制御系からの切り離し（すなわち、被制御系の特殊動作）を可能とする。

【0010】

この構成によれば、制御部は、モデルによって予測される各状態量と、対応する各目標値と、の偏差を評価関数として、評価関数が最小化するような現時刻の各操作量を、制御周期ごとにそれぞれ決定することによって、各状態量が予め設定された目標値にそれぞれ追従するように、各機能部品に対する各操作量を制御できる。また、制御部は、任意の契機で、現時刻の目標値の１つ以上に対して、１時刻前の情報を用いてモデルにより予測された現時刻の状態量を代入することによって、被制御系の特殊動作を実現し、すなわち、１つ以上の現時刻の操作量を被制御系から切り離した状態で被制御系を動作させることが可能となる。すなわち、本構成によれば、従来の構成で特殊動作をさせようとする場合に必要であった重みＱ行列の演算や、複数のモデルを必要とせず、被制御系の特殊動作を実現できる。このため、本構成によれば、多入力多出力の被制御系を制御する制御装置において、処理負荷や計算機容量を増大させることなく、一部の操作量を被制御系から切り離した状態での被制御系の特殊動作を可能とできる。

【0011】

（２）上記形態の制御装置において、前記制御部は、前記契機が与えられない場合において、各前記目標値として、前記制御装置の外部から与えられた値を用いてもよい。
この構成によれば、制御部は、契機が与えられない場合は、各状態量が、制御装置の外部から与えられた目標値にそれぞれ追従するように、各機能部品に対する各操作量を制御できる。すなわち制御部は、任意の契機がない場合は被制御系に通常動作をさせ、任意の契機がある場合は被制御系に特殊動作をさせる、というように被制御系の動作を切り替えて実行できる。

【0012】

（３）上記形態の制御装置において、前記制御部は、前記評価関数として、現時刻から任意に設定された評価区間内における、前記各状態量と対応する各前記目標値との偏差の総和と、現時刻から任意に設定された評価区間の終端における、前記各状態量と対応する各前記目標値との偏差と、のいずれか一方、もしくは両方を用いてもよい。
この構成によれば、制御部は、評価関数として、評価区間内における偏差の総和と、評価区間の終端における偏差と、のいずれか一方、もしくは両方を用いることで、評価関数の演算負荷の軽減が可能となる。

【0013】

（４）本発明の一形態によれば、エンジンシステムが提供される。このエンジンシステムは、内燃機関と、前記内燃機関に設けられ、前記内燃機関の出力性能、排気性能、振動性能、及び騒音性能のうちの少なくともいずれかを調整可能な複数の機能部品と、上記形態の制御装置と、を備え、前記制御装置は、前記各機能部品に対する前記各操作量をそれぞれ決定し、出力する。
この構成によれば、制御部は、内燃機関の出力性能、排気性能、振動性能、及び騒音性能のうちの少なくともいずれかを調整可能な複数の機能部品に対する各操作量をそれぞれ決定し、出力することができる。

【0014】

なお、本発明は、種々の態様で実現することが可能であり、例えば、多入力多出力の被制御系を制御する情報処理装置やＥＣＵ（Engine Control Unit）、制御装置と被制御系とを含むシステム、これら装置及びシステムの制御方法、これら装置及びシステムにおいて実行されるコンピュータプログラム、そのコンピュータプログラムを配布するためのサーバ装置、そのコンピュータプログラムを記憶した一時的でない記憶媒体等の形態で実現することができる。

【図面の簡単な説明】

【0015】

【図1】制御システムの構成を例示した説明図である。

【図2】通常動作時の制御部の処理について説明する図である。

【図3】特殊動作時の制御部の処理について説明する図である。

【図4】特殊動作時の制御システムについて説明する図である。

【図5】制御システムの具体例について説明する図である。

【図6】図５に示す被制御系における第１～３操作量の変化を示す図である。

【図7】図５に示す被制御系における第１～３状態量の変化を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0016】

＜実施形態＞
図１は、制御システム１の構成を例示した説明図である。本発明の一実施形態としての制御システム１は、複数の機能部品を有する被制御系２０と、被制御系２０を制御する制御装置１０とを備えている。被制御系２０は、複数の操作量ｕ₁～₃が入力され、複数の状態量ｘ₁～₃をそれぞれ出力する多入力多出力の被制御系であり、かつ、各状態量ｘ₁～₃に対する各操作量ｕ₁～₃の影響が互いに干渉した多入力多出力の被制御系である。制御装置１０は、モデル１２を用いて、各状態量ｘ₁～₃が予め設定された第１～３目標値ｒ₁～₃にそれぞれ追従するように、各操作量ｕ₁～₃を決定し、出力する。ここで、制御装置１０は、各状態量ｘ₁～₃が各目標値ｒ₁～₃にそれぞれ追従するように各操作量ｕ₁～₃を制御する「通常動作」と、１つ以上の操作量ｕ_n（ｎ＝１，２，３）を被制御系から切り離した状態で被制御系を動作させる「特殊動作」と、を切り替えて実行可能である。

【0017】

制御装置１０は、例えば、パーソナルコンピュータ（ＰＣ：Personal Computer）や、車載ＥＣＵ（Electronic Control Unit）として実現され得る。制御装置１０は、図示しないＣＰＵ、記憶部、ＲＯＭ／ＲＡＭ、及び通信部を含んで構成されており、制御部１１、モデル１２、及び運転条件１３として機能する。

【0018】

制御部１１は、ＲＯＭに格納されているコンピュータプログラムをＲＡＭに展開して実行することにより、現時刻の第１～３操作量ｕ₁～₃をそれぞれ決定して、出力する。具体的には、制御部１１は、モデル１２を用いて、第１～３状態量ｘ₁～₃が予め設定された第１～３目標値ｒ₁～₃にそれぞれ追従するように、第１～３操作量ｕ₁～₃をそれぞれ決定する。そして、制御部１１は、決定した第１操作量ｕ₁を第１機能部品２１に出力し、決定した第２操作量ｕ₂を第２機能部品２２に出力し、決定した第３操作量ｕ₃を第３機能部品２３に出力する。詳細は後述する。

【0019】

モデル１２は、現時刻における運転条件のもと、現時刻における第１～３状態量ｘ₁～₃を有する被制御系２０に対して、第１～３操作量ｕ₁～₃で指定される操作を行った場合に、次の時刻に得られるであろうと推定される被制御系２０の第１～３状態量ｘ₁～₃を算出するためのモデルである。例えば、モデル１２は、現時刻における運転条件と、現時刻における第１～３状態量ｘ₁～₃と、第１～３操作量ｕ₁～₃とを入力変数とし、次の時刻における第１～３状態量ｘ₁～₃を出力変数とする機械学習モデルにより実現できる。モデル１２は、予め実験等により求められ、制御装置１０の記憶部に記憶されている。なお、モデル１２は、上述した入力変数と出力変数とを含む物理式やマップ等の、周知の他の方法により実現されてもよい。

【0020】

運転条件１３は、被制御系２０における第１～３状態量ｘ₁～₃に影響を与える、１つ以上の外部要因（外生入力とも呼ばれる）である。運転条件１３としては、被制御系２０の具体的な構成や、第１～３機能部品２１～２３に応じて種々の条件を用いることができる。運転条件１３は省略されてもよい。運転条件１３は、予め設定され、制御装置１０の記憶部に記憶されている。なお、運転条件１３は、制御装置１０に接続されたセンサや通信部を介して、外部からリアルタイムに取得されてもよい。また、運転条件１３は、上述したモデル１２とは異なるモデル（機械学習モデル、物理式、マップ等）を用いて推定された推定値であってもよい。

【0021】

図２は、通常動作時の制御部１１の処理について説明する図である。図２（Ａ）は１時刻前の処理の様子を、図２（Ｂ）は現時刻の処理の様子を、図２（Ｃ）は１時刻後の処理の様子を、それぞれ示す。以降の説明では、制御装置１０の制御周期を「Δｔ」と表し、図１と同様にｎ＝１，２，３の場合を例示する。通常動作時において、制御部１１は、制御周期Δｔごとに以下のａ１～ａ４の制御を繰り返し実行する。
（ａ１）制御部１１は、現時刻ｔを基準とした評価区間τを設定する。評価区間τとしては任意の間隔を用いることができる。
（ａ２）制御部１１は、モデル１２に対して、現時刻ｔの運転条件ｄと、現時刻ｔの状態量ｘ_nと、操作量ｕ₁～₃とをそれぞれ入力することで、次の時刻（現時刻ｔよりも将来の時刻）における状態量ｘ_nの時系列変化（図２：破線で表す曲線）を予測する。
（ａ３）制御部１１は、モデル１２により予測された状態量ｘ_nと、状態量ｘ_nに対応する目標値ｒ_nとの偏差ｅｓ_nをそれぞれ求める。偏差ｅｓ_nは、図２（Ａ）において斜線を付したハッチングで表す値であり、評価区間τにおける状態量ｘ_nと目標値ｒ_nとの偏差の総和を意味する。なお、制御部１１は、偏差ｅｓ_nに代えて、評価区間τの終端における状態量ｘ_nと目標値ｒ_nとの偏差ｅｆ_nを求めてもよい。なお、目標値ｒ_nは、制御装置１０の外部から与えられた値である。
（ａ４）制御部１１は、偏差ｅｓ_nまたは偏差ｅｆ_nの二乗、もしくは偏差ｅｓ_nと偏差ｅｆ_nのそれぞれの二乗を、下記式（１）に示す評価関数Ｊとして、評価関数Ｊを最小化するような操作量ｕ₁～₃を算出し、これを現時刻ｔの操作量ｕ₁～₃とする。
Ｊ＝ｅ₁ ²＋ｅ₂ ²＋ｅ₃ ² ・・・（１）

【0022】

制御部１１は、図２（Ａ）に示す１時刻前ｔ－Δｔ、図２（Ｂ）に示す現時刻ｔ、図２（Ｃ）に示す１時刻後ｔ＋Δｔの各制御周期について、上述したａ１～ａ４の制御を繰り返し実行する。これにより、制御部１１は、図２（Ａ）～（Ｃ）に示すように、第１～３状態量ｘ₁～₃を第１～３目標値ｒ₁～₃に追従させるための、第１～３操作量ｕ₁～₃を決定し、第１～第３機能部品２１～２３に出力できる。

【0023】

図３は、特殊動作時の制御部１１の処理について説明する図である。図３（Ａ）は１時刻前の処理の様子を、図３（Ｂ）は現時刻の処理の様子を、それぞれ示す。制御部１１は、任意の契機があった際に、図２で説明した通常動作処理に代えて、以降説明する特殊動作処理を行う。この契機は任意に定めることができ、例えば、予め定められた時刻の到来、予め定められた命令の入力、予め定められたアプリケーションの実行等を採用できる。特殊動作時において、制御部１１は、制御周期Δｔごとに以下のｂ１～ｂ３の制御を繰り返し実行する。
（ｂ１）制御部１１は、現時刻ｔを基準とした評価区間τを設定する。
（ｂ２）制御部１１は、１時刻前（ｔ－Δｔ）において、モデル１２により予測された状態量ｘ_nの時系列変化（図３：破線で表す曲線）のうち、現時刻ｔに対応する状態量ｘ_nの予測値ｘ＾_n,t（図３：星印を付した箇所の値）を取得する。
（ｂ３）制御部１１は、取得した状態量ｘ＾_n,tを、現時刻ｔにおける対応する目標値ｒ_n,tに代入する。これにより、現時刻ｔの目標値ｒ_n,tに対して、モデル１２により予測された現時刻ｔの状態量ｘ_nの予測値ｘ＾_n,tが再循環される。

【0024】

ここで、図３（Ａ）に示す１時刻前ｔ－Δｔから、図３（Ｂ）に示す現時刻ｔまでの間に、運転条件１３に変化がない場合（または運転条件１３の変化が十分小さい場合）、以下の項目ｃ１，ｃ２の偏差ｅ_n,tは生じない（または偏差ｅ_n,tはわずかとなる）。この結果、現時刻ｔにおける評価関数Ｊ_t（式１参照）は最小化されるため、操作量ｕ_nが制御から切り離された状態を実現できる。
（ｃ１）１時刻前ｔ－Δｔにおいて予測された現時刻ｔの状態量ｘ＾_n,t
（ｃ２）１時刻前ｔ－Δｔにおいて決定された操作量ｕ_n,t-Δ_tによって実現される、現時刻ｔの状態量ｘ_n,t

【0025】

図４は、特殊動作時の制御システム１について説明する図である。本実施形態の制御システム１は、３入力３出力の被制御系２０を有している。このため、図３で説明したｎには、１，２，３の中から任意に選択された１以上の値が用いられる。換言すれば、制御部１１は、第１～３状態量ｘ₁～₃、第１～３操作量ｕ₁～₃、及び第１～３目標値ｒ₁～₃のうちのいくつかに対して、図３で説明した処理を行う。図４では、３入力３出力の被制御系２０のうち、第１操作量ｕ₁と、第１状態量ｘ₁を被制御系から切り離した特殊動作をさせる場合を例示している。

【0026】

この場合、１時刻前においてモデル１２により予測された現時刻ｔの第１状態量ｘ＾_1,tを、現時刻ｔの第１目標値ｒ₁に代入すると共に、現時刻ｔの第１操作量ｕ₁に固定値を与える。このとき、１時刻前までの制御で最適化された第１操作量ｕ₁と、現時刻ｔにおいて与えられた第１操作量ｕ₁（固定値）と、の間に隔たりがある場合、現時刻ｔでは、第１操作量ｕ₁が固定値である前提の下で、評価関数Ｊ_t（式１参照）を最小化するように、固定されていない操作量（すなわち、第２操作量ｕ₂と第３操作量ｕ₃）が決定される。このサイクルを複数回繰り返して被制御系２０が定常状態になると、第２目標値ｒ₂と第３目標値ｒ₃とが同時に達成されるように、第２操作量ｕ₂と第３操作量ｕ₃とが最適化される。この結果、第１操作量ｕ₁と第１状態量ｘ₁とが被制御系２０から切り離されて、残存した第２，３操作量ｕ_2,3によって、第２，３目標値ｒ_2,3に対する追従制御が継続されることとなる。

【0027】

図５は、制御システム１の具体例について説明する図である。図５には、図１で説明した被制御系２０の一例としての、被制御系２０ａの構成を示す。被制御系２０ａは、内燃機関としてのディーゼルエンジン２１０と、インタークーラ２２０と、エアクリーナ２３０と、コンプレッサ２４０と、過給機２５０と、タービン２６０と、ＥＧＲ（Exhaust Gas Recirculation）クーラ２７０と、これらを接続する吸排気路２８０と、ディーゼルスロットル２９１と、ＥＧＲバルブ２９２と、可変ノズル２９３と、を備えている。図５における矢印は、空気の流れを表す。なお、内燃機関としてのディーゼルエンジン２１０を搭載した被制御系２０ａを「エンジンシステム」とも呼ぶ。

【0028】

図５に示す被制御系２０ａにおいて、制御装置１０は、上述した第１～３状態量ｘ₁～₃、第１～３目標値ｒ₁～₃、第１～３操作量ｕ₁～₃、及び運転条件１３として、次のｄ１～ｄ７に示す各値を使用する。
（ｄ１）第１状態量ｘ₁及び第１目標値ｒ₁：ポンプ損失ＳＶ１（平均有効圧力）［ｋＰａ］
（ｄ２）第２状態量ｘ₂及び第２目標値ｒ₂：ＥＧＲ率ＳＶ２［％］
（ｄ３）第３状態量ｘ₃及び第３目標値ｒ₃：吸気管圧力ＳＶ３（過給圧）［ｋＰａ］
（ｄ４）第１操作量ｕ₁：ディーゼルスロットル２９１の開度［％］
（ｄ５）第２操作量ｕ₂：ＥＧＲバルブ２９２の開度［％］
（ｄ６）第３操作量ｕ₃：可変ノズル２９３の開度［％］
（ｄ７）運転条件１３：エンジン回転数［ｒｐｍ］、燃料噴射量［ｍｍ³／ｓｔ．］

【0029】

例えば、第１状態量ｘ₁としてのポンプ損失ＳＶ１、第２状態量ｘ₂としてのＥＧＲ率ＳＶ２、及び、第３状態量ｘ₃としての吸気管圧力ＳＶ３は、図示しない空気流量センサ、各部の温度／圧力センサ、運転条件１３等から推定された値を利用できる。第２，３状態量ｘ_2,3の推定には、マップと物理式を組み合わせたモデルや、機械学習モデルを用いることができる。また、エンジン回転数は、車速とギア比によって決定され、燃料噴射量は、運転者のアクセル踏み込み量（要求トルク）によって決定される。このため、エンジン回転数と燃料噴射量は、運転条件１３となる。制御装置１０は、この運転条件１３に合わせて燃費、排気、及び騒音性能を最適化するために、筒内の酸素量／空気量を調整する制御を、図２～図４で説明した手順に従って実施する。

【0030】

図６は、図５に示す被制御系２０ａにおける第１～３操作量ｕ₁～₃の変化を示す図である。図７は、図５に示す被制御系２０ａにおける第１～３状態量ｘ₁～₃の変化を示す図である。図６（Ａ）及び図７（Ａ）は、第１操作量ｕ₁の経時的変化と、第１状態量ｘ₁の第１目標値ｒ₁への追従性とを表している。同様に、図６（Ｂ）及び図７（Ｂ）は、第２操作量ｕ₂の経時的変化と、第２状態量ｘ₂の第２目標値ｒ₂への追従性とを表し、図６（Ｃ）及び図７（Ｃ）は、第３操作量ｕ₃の経時的変化と、第３状態量ｘ₃の第３目標値ｒ₃への追従性とを表す。

【0031】

ここでは、予め定められた時刻Ｔの到来を契機として、図６（Ａ）に示すようにディーゼルスロットル２９１の開度（第１操作量ｕ₁）を固定値とし、ディーゼルスロットル２９１の開度（第１操作量ｕ₁）と、ポンプ損失ＳＶ１（第１状態量ｘ₁）を被制御系から切り離した特殊動作をさせている。なお、図７（Ａ）では、時刻Ｔ以降の第１目標値ｒ₁に１時刻前の値を継続して描画しているが、実際には図３の制御ｂ３で説明した通り、時刻Ｔ以降の第１目標値ｒ₁には、モデル１２により予測された現時刻ｔの第１状態量ｘ₁の予測値ｘ＾_1,tが代入される。

【0032】

制御切替前（時刻Ｔより前）は、図６に示すディーゼルスロットル２９１、ＥＧＲバルブ２９２、及び可変ノズル２９３の各開度（第１～３操作量ｕ₁～₃）が、図７に示すポンプ損失ＳＶ、ＥＧＲ率ＳＶ２、及び吸気管圧力ＳＶ３の第１～３目標値ｒ₁～₃を達成するように最適化されている。なお、第１～３目標値ｒ₁～₃には、制御装置１０の外部から与えられた値が使用される。

【0033】

制御切替後（時刻Ｔより後）においては、図６（Ａ）に示すディーゼルスロットル２９１の開度（第１操作量ｕ₁）が外部からの指令により固定される。この結果、図７（Ａ）～（Ｃ）に示すポンプ損失ＳＶ１、ＥＧＲ率ＳＶ２、及び吸気管圧力ＳＶ３についての、第１～３状態量ｘ₁～₃と第１～３目標値ｒ₁～₃との間に偏差が生じる。そして、図３及び図４で説明したように、ＥＧＲ率ＳＶ２及び吸気管圧力ＳＶ３についての第２，３目標値ｒ_2,3が同時に達成されるように、ＥＧＲバルブ２９２の開度及び可変ノズル２９３の開度（第２，３操作量ｕ_2,3）が最適化される。これにより、ディーゼルスロットル２９１の開度（第１操作量ｕ₁）とポンプ損失ＳＶ１（第１状態量ｘ₁）とが被制御系２０ａから切り離される。すなわち、被制御系２０ａは、時刻Ｔより前は３バルブ制御であり、時刻Ｔより後は２バルブ制御となる。

【0034】

以上のように、本実施形態の制御システム１によれば、制御装置１０の制御部１１は、モデル１２によって予測される各状態量ｘ_nと、対応する各目標値ｒ_nと、の偏差ｅ（例えばｅｓ_n，ｅｆ_n）を評価関数Ｊとして、評価関数Ｊが最小化するような現時刻ｔの各操作量ｕ_nを、制御周期Δｔごとにそれぞれ決定することによって、各状態量ｘ_nが予め設定された目標値ｒ_nにそれぞれ追従するように、各機能部品（第１機能部品２１、第２機能部品２２、第３機能部品２３）に対する各操作量ｕ_nを制御できる。また、制御部１１は、任意の契機で、現時刻ｔの目標値ｒ_nの１つ以上に対して、１時刻前ｔ－Δｔの情報を用いてモデル１２により予測された現時刻ｔの状態量＾_n,tを代入することによって、被制御系２０の特殊動作を実現し、すなわち、１つ以上の現時刻ｔの操作量ｕ_nを被制御系２０から切り離した状態で被制御系２０を動作させることを可能とできる。すなわち、上記実施形態の制御システム１によれば、従来の構成で特殊動作をさせようとする場合に必要であった重みＱ行列の演算や、複数のモデルを必要とせず、被制御系２０の特殊動作を実現できる。このため、制御システム１によれば、多入力多出力の被制御系２０を制御する制御装置１０において、処理負荷や計算機容量を増大させることなく、一部の操作量ｕ_nを被制御系２０から切り離した状態での被制御系２０の特殊動作を可能とできる。

【0035】

また、本実施形態の制御システム１によれば、制御部１１は、任意の契機が与えられない場合（例えば、図６及び図７の例では、時刻Ｔが到来する前）は、各状態量ｘ_nが、制御装置１０の外部から与えられた目標値ｒ_nにそれぞれ追従するように、各機能部品（第１機能部品２１、第２機能部品２２、第３機能部品２３）に対する各操作量ｕ_nを制御できる。すなわち制御部１１は、任意の契機がない場合は被制御系２０に通常動作をさせ、任意の契機がある場合は被制御系２０に特殊動作をさせる、というように被制御系２０の動作を切り替えて実行できる。

【0036】

さらに、本実施形態の制御システム１によれば、制御部１１は、評価関数Ｊとして、評価区間τ内における偏差の総和ｅｓ_nと、評価区間τの終端における偏差ｅｆ_nと、のいずれか一方、もしくは両方を用いることで、評価関数Ｊの演算負荷の軽減が可能となる。

【0037】

さらに、図５で説明した構成の制御システム１によれば、制御部１１は、ディーゼルエンジン２１０（内燃機関）の出力性能、排気性能、振動性能、及び騒音性能のうちの少なくともいずれかを調整可能な複数の機能部品としての、ディーゼルスロットル２９１（エンジンスロットル）、ＥＧＲバルブ２９２、及び可変ノズル２９３に対する各操作量ｕ_nをそれぞれ決定し、出力することができる。また、制御部１１は、ディーゼルスロットル２９１、ＥＧＲバルブ２９２、及び可変ノズル２９３のうちの少なくとも１つ以上を被制御系２０ａから切り離した状態で被制御系２０ａを動作させることができる。具体的には、ディーゼルスロットル２９１に固定開度を与えた状態においても、被制御系２０ａは、残ったＥＧＲバルブ２９２、及び可変ノズル２９３によって制御動作を継続することができる。

【0038】

＜本実施形態の変形例＞
本発明は上記の実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能であり、例えば、ハードウェアによって実現されるとした構成の一部をソフトウェアに置き換えるようにしてもよく、逆に、ソフトウェアによって実現されるとした構成の一部をハードウェアに置き換えるようにしてもよい。そのほか、例えば次のような変形も可能である。

【0039】

［変形例１］
上記実施形態では、制御システム１の構成の一例を示した。しかし、制御システム１の構成は種々の変形が可能である。例えば、制御システム１のうち、制御装置１０と被制御系２０とは、ネットワークを介して通信可能に接続され、物理的に離れた位置に存在していてもよい。例えば、制御システム１は、制御装置１０及び被制御系２０とは異なる機能部を有していてもよい。具体的には、例えば、モデル１２と運転条件１３とを用いて各状態量ｘ₁～₃を推定する「状態推定器」を、制御装置１０の外部に設けてもよい。この状態推定器は、各状態量ｘ₁～₃の推定のみを目的としたＥＣＵ等である。制御装置１０と別に状態推定器を設けることにより、制御装置１０の処理負荷を低減させて、制御装置１０の処理速度を向上させることができる。

【0040】

［変形例２］
上記実施形態では、制御装置１０の構成の一例を示した。しかし、制御装置１０の構成は種々の変形が可能である。例えば、制御装置１０は、写像変換などの関数を使って構成された変換部をさらに備えてもよい。変換部は、モデル１２への入力変数を変換（エンコード）し、モデル１２からの出力変数を変換（デコード）する。このような変換部を用いることで、例えば、非線形であったモデル１２を線形化することが可能になるので、制御部１１での最適化計算において安定的に最適解が得られるようになり、制御装置１０の信頼性を向上できる。また、変換部の関数及びモデル１２を変更することなく、被制御系２０の状態量、目標値、及び操作量の切り離しが可能となるため、制御装置１０の信頼性と、制御の柔軟性とを同時に向上できる。

【0041】

［変形例３］
上記実施形態では、被制御系２０ａの構成の一例を示した。しかし、被制御系２０ａの構成は種々の変形が可能である。例えば、被制御系２０ａは、内燃機関としてのディーゼルエンジン２１０に代えて、ガソリンエンジンや、水素、アンモニア、天然ガス等を動力とするエンジンなどを含んで構成されてもよい。例えば、被制御系２０ａは、内燃機関とモータとを組み合わせて構成されたＨＶ（ハイブリッド）システムを含んで構成されてもよい。例えば、被制御系２０は、上述した３入力３出力に限られず、任意の複数入力／任意の複数出力とされてもよい。ここで、被制御系２０への入力の数と、被制御系２０からの出力の数とはそれぞれ相違してもよい。また、被制御系２０は、１入力１出力の被制御系を複数組み合わせて構成されており、全体として多入力多出力の被制御系を構成していてもよい。

【0042】

以上、実施形態、変形例に基づき本態様について説明してきたが、上記した態様の実施の形態は、本態様の理解を容易にするためのものであり、本態様を限定するものではない。本態様は、その趣旨並びに特許請求の範囲を逸脱することなく、変更、改良され得ると共に、本態様にはその等価物が含まれる。また、その技術的特徴が本明細書中に必須なものとして説明されていなければ、適宜、削除することができる。

【符号の説明】

【0043】

１…制御システム
１０…制御装置
１１…制御部
１２…モデル
１３…運転条件
２０，２０ａ…被制御系
２１…第１機能部品
２２…第２機能部品
２３…第３機能部品
２１０…ディーゼルエンジン
２２０…インタークーラ
２３０…エアクリーナ
２４０…コンプレッサ
２５０…過給機
２６０…タービン
２７０…クーラ
２８０…吸排気路
２９１…ディーゼルスロットル
２９２…ＥＧＲバルブ
２９３…可変ノズル
Ｊ…評価関数
ＳＶ１…ポンプ損失
ＳＶ２…ＥＧＲ率
ＳＶ３…吸気管圧力

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】