JPH05173605A - 内燃機関の回転速度ｐｉｄ制御器用ゲイン調整装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 人間の思考に合った適正なゲイン調整を行う
ことができ、多数の評価項目を設定する必要のある内燃
機関等の制御対象に対して適切な制御を行うことができ
るゲイン調整量設定装置を得る。 【構成】 記憶手段２２は、複数の特徴量を複数の組に
分けたときの各組に対応する特徴量とゲイン調整量との
関係を表すルール群、及び各組毎の特徴量の大きさとゲ
イン調整量の採用度との関係を記憶している。また前件
部修正器２４は各特徴量を許容範囲内に抑えることが不
可能であると判断したときに該許容範囲を緩和するよう
に前記ルール群を修正する。ファジィ推論部２０では検
出された複数の特徴量とルール群とに基づいてルール群
毎にＰ、Ｉ、Ｄのゲイン調整量を推論し、特徴量の大き
さに応じて採用度を求め、採用度を重みとした推論結果
の重み付き平均均値を求め、ＰＩＤのゲイン調整量を決
定する。決定されたゲイン調整量はＰＩＤ演算部１２に
設定され、ＰＩＤの各ゲインが調整される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は内燃機関の回転速度を調
節するＰＩＤ制御器に対してゲインを設定する内燃機関
の回転速度ＰＩＤ制御器用ゲイン調整装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】フィードバック制御装置の一種であるＰ
ＩＤ制御装置において、人間がＰＩＤゲインの調整に用
いている知識やノウハウを利用し、ファジィ推論を利用
してゲイン調整量を設定し、ゲインの調整を自動的に行
うようにしたＰＩＤ制御装置が知られている（一例とし
て、特開昭62-241006 号公報、特開平1-258003号公報等
参照）。これらのファジィ推論を利用したＰＩＤ制御装
置では、ゲイン調整用の知識やノウハウを記述した多数
のルールから成るルールベースを予め記憶している。

【０００３】ＰＩＤ制御装置によって制御される制御対
象には、制御状態を評価するための複数の特徴量が設定
されている。前記多数のルールの各々は人間がゲイン調
整に用いている知識やノウハウを用いて作成され、例え
ば特徴量として目標到達時間、オーバーシュート量、振
動減衰が設定されている場合に「ＩＦ 目標値到達時間
＝遅い かつオーバーシュート量＝大きい、かつ振動減
衰＝悪い ＴＨＥＮＰ（比例ゲイン）の値を大きく、Ｉ
（積分ゲイン）の値を大きく、Ｄ（微分ゲイン）の値を
大きくする」のように、評価する特徴量を全てつなげた
ＩＦ〜ＴＨＥＮ〜形式の複合命題で記述される。また前
記ＰＩＤ制御装置は、例として図１４の（Ａ）乃至
（Ｄ）に示すように、検出された特徴量を評価して各ル
ールに対する適合度を求めるための前件部をメンバーシ
ップ関数の形で記憶している。また例として図１５の
（Ａ）乃至（Ｃ）に示すように、各ルールに対する適合
度に応じて各ルールが指示するゲイン調整量を重み付け
するための後件部をメンバーシップ関数の形で記憶して
いる。

【０００４】実際にファジィ推論を利用してゲイン調整
量を設定する場合には、前記複数の特徴量を検出し、例
として図１６に示すように、検出された特徴量の各ルー
ルに対する適合度を前件部のメンバーシップ関数を用い
て求める。次に、後件部のメンバーシップ関数におい
て、各ルール毎に、各ルールが指示するゲイン調整量に
対応する三角形の頂部を各ルールに対する適合度で切っ
た図形を求め、各ルール毎に求めた前記図形を重ね合わ
せて重心を求め、ゲイン調整量を設定する。この処理
は、各ルールが指示するゲイン調整量を各ルールの適合
度に応じて重み付けして平均値を算出する処理に相当す
る。上記処理によって設定されたゲイン調整量は、人間
がゲイン調整に用いている知識やノウハウが反映された
ものとなるので、ファジィ推論を適用していないＰＩＤ
ゲイン調整装置と比較して、人間の思考に合った適正な
ゲインの調整を行うことができる。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記Ｐ
ＩＤ制御装置におけるゲイン調整量の設定は、前述のよ
うに評価する特徴量を全てつなげた複合命題でルールを
記述したルールベースを用いて行っており、前件部にお
ける評価の分割数（単一の特徴量に対する「やや大き
い」、「小さい」等の評価の数）をｍ、評価する特徴量
の数をｎとすると、ルールの組合せ数がｍのｎ乗という
膨大な数になる。例えば分割数を４、特徴量の数を５と
した場合にはルールの組合せ数が1000以上になる。

【０００６】制御状態に対する要求を細かく設定しよう
とすると、分割数及び特徴量の数を多くして制御状態を
評価する必要があるが、前記のように分割数及び特徴量
の数を多くすると、上記のようなゲイン調整量の設定方
法ではルールの組合せ数が膨大になり、ルールの構築自
体が困難になる。このため従来のファジィ推論法による
ＰＩＤゲイン調整装置を多数の評価項目を設定する必要
がある内燃機関の回転速度制御に適用することができな
かった。

【０００７】また、内燃機関では特に出力軸が比較的低
い速度で回転する低回転域において回転が不安定とな
り、各特徴量を許容範囲内に抑えることが不可能となる
が、従来のゲイン調整量の設定方法によって内燃機関の
回転速度を調節するようにした場合、前記低回転域で回
転速度の変動を抑制しようとしてゲインがハイゲイン側
に変更され制御がかえって振動的になり、この振動を抑
えようとして次にはゲインを下げるというようなゲイン
が収束しない状況が発生する、という問題があった。

【０００８】本発明は上記事実を考慮して成されたもの
で、人間の思考に合った適正なゲイン調整を行うことが
でき、多数の評価項目を設定する必要のある内燃機関に
対して適切な制御を行うことができる内燃機関の回転速
度ＰＩＤ制御器用ゲイン調整装置を得ることが目的であ
る。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に本発明に係る内燃機関の回転速度ＰＩＤ制御器用ゲイ
ン調整装置は、内燃機関の回転速度と目標値との偏差及
びゲインに基づいて前記回転速度が前記目標値に一致す
るように前記回転速度の操作量を制御するＰＩＤ制御器
に対して、前記ゲインを設定する内燃機関の回転速度Ｐ
ＩＤ制御器用ゲイン調整装置であって、推論に使用する
前記回転速度に関する複数の特徴量を検出する特徴量検
出手段と、前記複数の特徴量を複数の組に分けたときの
各組に対応する特徴量とゲイン調整量との関係を表すル
ール群を記憶した第１の記憶手段と、前記各組に対応す
る特徴量の大きさとゲイン調整量の採用度との関係を記
憶した第２の記憶手段と、各特徴量を許容範囲内に抑え
ることが不可能であると判断したときに該許容範囲を緩
和するように前記ルール群の特徴量とゲイン調整量との
関係を修正する修正手段と、前記検出された特徴量と前
記ルール群とに基づいて各組毎のゲイン調整量を推論す
ると共に、特徴量の大きさに応じて各組毎の前記ゲイン
調整量の採用度を求め、該ゲイン調整量の推論結果と採
用度とから採用度を重みとしたゲイン調整量の推論結果
の重み付き平均値を演算して前記ＰＩＤ制御器に設定す
るゲインの調整量を定める推論手段と、を有している。

【００１０】

【作用】本発明において、ルール群は複数の特徴量を複
数の組に分けたときの各組に対応する特徴量とゲイン調
整量との関係を表すように構成している。例えば分割数
を４、特徴量の数を４とした場合、従来は各ルールが４
つの特徴量をつなげた複合命題となり、ルールの数は４
⁴ ＝２５６になるが、本発明に従って４つの特徴量を例
えば２つの組に分けてルール群を構成した場合には、各
ルールは２つの特徴量をつなげた複合命題となるので、
ルールの数は４² ＋４² ＝３２で済む。さらに４つの組
に分けてルール群を構成した場合には、各ルールが単一
命題となり、ルールの数は４×４＝１６になる。従っ
て、ルールの数を削減することができるので、ルール群
の構築、調整が容易になり、特に多数の評価項目を設定
する必要のある制御対象に適用した場合に、従来よりも
ルールの数を大幅に減少させることができ、ルールベー
スの構築、調整を容易に行うことができる。このよう
に、特に多数の評価項目を設定する必要のある内燃機関
の回転速度を制御するＰＩＤ制御器に容易に適用するこ
とができる。

【００１１】また、ルールベースの各ルール群を人間が
ゲイン調整に用いている知識やノウハウを用いて作成す
ることができるので、本発明の内燃機関の回転速度ＰＩ
Ｄ制御器用ゲイン調整装置で設定するゲインの調整量を
人間の知識やノウハウが反映されたものとすることがで
き、従来と同様に人間の思考に合った適正なゲイン調整
を行うことができる。

【００１２】また、各組毎の特徴量の大きさとゲイン調
整量の採用度との関係を記憶しておき、特徴量の大きさ
に応じて各組毎のゲイン調整量の採用度を求め、ゲイン
調整量の推論結果と採用度とから採用度を重みとしたゲ
イン調整量の推論結果の重み付き平均値を求めるように
したので、採用度によって各推論結果の重要度を変更す
ることができる。これは人間により調整を行う場合に、
要求を満たしていない評価項目に特に注目し、要求を満
足している評価項目には余り注目しないことに相当す
る。従って、特徴量を評価項目に対応するように組に分
け、特定の評価項目の要求を満たしていないときに、該
評価項目に対応する組の推論結果の重要度すなわち採用
度が高くなるように、特徴量の変化に応じて採用度を変
更することによって、より人間の思考に合った適正なゲ
イン調整を行うことができる。

【００１３】また、特徴量を許容範囲内に抑えることが
不可能なときに、前記許容範囲を緩和するように修正手
段によってルール群の特徴量とゲイン調整量との関係を
修正するようにしたので、例えば低回転域における除去
不可能な回転数の変動が検出されても、許容範囲を緩和
してこの変動を容認するようにルール群が修正されるの
で、前記回転数変動を抑制しようとしてゲインが変更さ
れ、適正なゲインが設定されないということはない。こ
のため、許容範囲内に抑えることができない特徴量が存
在する内燃機関に対して適切な制御を行うことができ
る。

【００１４】なお、前記組の数は複数であればよい。但
し、各組毎のルールの数は、評価の分割数をｍ、各組に
対応する特徴量の数をｐとするとｍ^p となる。このた
め、ルール数を少なくしてルール群の構築、調整を容易
にするためには、複数の特徴量をできるだけ多くの組に
分けることが好ましい。特に、特徴量の数と前記組の数
を同数とした場合には、ルール群の各ルールが前述のよ
うに単一命題となるので、推論手段による推論が容易に
なる。

【００１５】

【実施例】

〔第１実施例〕以下、図面を参照して本発明の第１実施
例を詳細に説明する。図１には本第１実施例に係るゲイ
ン調整器付きＰＩＤ制御装置１０が示されている。

【００１６】ゲイン調整器付きＰＩＤ制御装置１０は制
御対象としての内燃機関１４の回転速度の制御を行う。
ゲイン調整器付きＰＩＤ制御装置１０はＰＩＤ演算部１
２を備えている。ＰＩＤ演算部１２は吸入空気量調節器
１３を介して内燃機関１４に接続されている。ＰＩＤ演
算部１２は吸入空気量調節器１３に対してＰ（比例ゲイ
ン）、Ｉ（積分ゲイン）、Ｄ（微分ゲイン）から成る所
定の操作量を加える。吸入空気量調節器１３は内燃機関
１４の吸気管内に配置された図示しないダンパを備えて
おり、加えられた操作量に応じて前記ダンパを移動させ
て内燃機関１４の吸入空気量を調節する。吸入空気量を
調節した結果は内燃機関１４の制御量としての回転速度
に現れる。ＰＩＤ演算部１２には回転速度と回転速度目
標値との偏差が入力され、入力された偏差に応じて前記
操作量を変更する周知のＰＩＤ制御を行う。また、ＰＩ
Ｄ演算部１２には本発明のゲイン調整装置に対応するオ
ートチューニング部１６が接続されている。ＰＩＤ演算
部１２にはオートチューニング部１６からＰ、Ｉ、Ｄ毎
のゲインの調整量が設定され、設定されたゲインの調整
量に基づいて前記Ｐ、Ｉ、Ｄの各ゲインを調整する。

【００１７】オートチューニング部１６はマイクロコン
ピュータ等から構成される。オートチューニング部１６
は特徴量検出部１８を備えている。特徴量検出部１８に
は、吸入空気量調節器１３を介して内燃機関１４に加え
られた操作量、内燃機関１４の回転速度、前記回転速度
目標値及び前記偏差が入力される。特徴量検出部１８は
入力された情報から１２個の特徴量を検出する。検出す
る特徴量は「目標値到達時間と指定値との偏差」、「オ
ーバーシュート量」、「振動減衰」、「オーバシュート
収束時間」、「整定時の操作変動」、「目標値到達前の
制御量変動」、「Ｔ_P （95％到達時間÷60％到達時
間）」、「外乱が入った場合の制御量変動」、「外乱が
入った場合の制御量変動の回復時間」、「自励振動」、
「制御量の振動」、「操作量の振動」である。特徴量検
出部１８にはファジィ推論部２０が接続されており、検
出した特徴量をファジィ推論部２０へ出力する。ファジ
ィ推論部２０には調整用ルールベースを記憶した記憶手
段２２が接続されている。記憶手段２２は、例えば不揮
発性のメモリ等で構成されている。

【００１８】本実施例では内燃機関１４の制御状態を評
価するために、後述する１１個の評価項目が設定されて
おり、１２個の特徴量は前記評価項目に対応する１１個
の組に分けられている。本実施例では、特定の評価項目
に対応する特徴量とゲイン調整量との関係を表すルール
群が１１個の評価項目の各々に対応して設けられて前記
調整用ルールベースが構成されている。各ルール群は人
間がゲインの調整に用いている知識やノウハウが反映さ
れたものとなっている。以下、本実施例における評価項
目と該評価項目に対応するルール群を示す。

【００１９】評価項目１：目標値到達時間と指定値との
偏差は小さいか。 ルール群１：目標値到達時間を指定値に維持するように
ゲイン調整を行う。 IF 目標値到達時間が十分速い THEN ゲイン調整を行わない。 IF 目標値到達時間が少し遅い THEN 比例ゲインを１％大きくする。

【００２０】 積分ゲインを２％大きくする。 微分ゲインを１％大きくする。 IF 目標値到達時間が遅い THEN 比例ゲインを３５％大きくする。

【００２１】 積分ゲインを３５％大きくする。 微分ゲインを３５％大きくする。 IF 目標値到達時間が非常に遅い THEN 比例ゲインを５０％大きくする。

【００２２】 積分ゲインを５０％大きくする。 微分ゲインを５０％大きくする。

【００２３】評価項目２：オーバーシュート量が小さ
く、振動減衰が良いか。 ルール群２：オーバーシュート量が小さく、かつ振動減
衰を良くするようにゲイン調整を行う。評価項目２は制
御の安定化を目的としており、関係する特徴量は「オー
バーシュート量」と「振動減衰」の２つである。ルール
群２の各ルールの構成を次の表１乃至表３に示す。

【００２４】

【表１】

【００２５】

【表２】

【００２６】

【表３】

【００２７】評価項目３：オーバーシュート収束時間Ｔ
₀ は短いか。 ルール群３：オーバーシュート量が小さくても制御偏差
がいつまでも残っていると好ましくないので、オーバー
シュート収束時間Ｔ₀ を短くするようにゲイン調整を行
う。 IF Ｔ₀ が十分短い THEN ゲイン調整を行わない。 IF Ｔ₀ が少し長い THEN 微分ゲインを５％小さくする。 IF Ｔ₀ が長い THEN 微分ゲインを１０％小さくする。 IF Ｔ₀ が非常に長い THEN 微分ゲインを２０％小さくする。

【００２８】評価項目４：整定時の操作変動は小さい
か。 ルール群４：制御量が安定している場合（整定時）であ
っても、操作量がノイズ等によって変動することがある
ので、整定時の操作量変動を小さくするようにゲイン調
整を行う。 IF 整定時操作量変動が十分小さい THEN ゲイン調整を行わない。 IF 整定時操作量変動が少し大きい THEN 比例ゲイン調整を行わない。

【００２９】 積分ゲイン調整を行わない。 微分ゲインを７％小さくする。 IF 整定時操作量変動が大きい THEN 比例ゲインを２％小さくする。

【００３０】 積分ゲインを２％小さくする。 微分ゲインを１５％小さくする。 IF 整定時操作量変動が THEN 比例ゲインを４％小さくする。

【００３１】 非常に大きい 積分ゲインを４％小さくする。 微分ゲインを３０％小さくする。

【００３２】評価項目５：目標値到達前の制御量変動は
ないか。 ルール群５：比例ゲインの値が大きいと制御量が目標値
に到達する前に逆戻りする場合があるので、この現象が
起こった場合に制御量が逆戻りしないようにゲイン調整
を行う。 IF 目標値到達前の制御量変動が THEN ゲイン調整を行わない。

【００３３】 ない IF 目標値到達前の制御量変動が THEN 比例ゲインを１５％小さくする。

【００３４】 少し大きい 積分ゲインを１％大きくする。 微分ゲインを３％小さくする。 IF 目標値到達前の制御量変動が THEN 比例ゲインを３０％小さくする。

【００３５】 大きい 積分ゲインを２％大きくする。 微分ゲインを５％小さくする。 IF 目標値到達前の制御量変動が THEN 比例ゲインを４０％小さくする。

【００３６】 非常に大きい 積分ゲインを５％大きくする。 微分ゲインを１０％小さくする。

【００３７】評価項目６：Ｔ_P （95％到達時間÷60％到
達時間）は小さいか。 ルール群６：制御量の立上がりは速くても目標値直前で
変化が鈍くなり、いつまでも制御偏差が残る場合がある
ので、これを改善するようにゲイン調整を行う。95％到
達時間÷60％到達時間をＴ_P として、 IF Ｔ_P が十分小さい THEN ゲイン調整を行わない。 IF Ｔ_P が少し大きい THEN 比例ゲインを３０％小さくする。

【００３８】 積分ゲインを５％小さくする。 微分ゲインを３０％小さくする。 IF Ｔ_P が大きい THEN 比例ゲインを５０％小さくする。

【００３９】 積分ゲインを１０％小さくする。 微分ゲインを５０％小さくする。 IF Ｔ_P が非常に大きい THEN 比例ゲインを７０％小さくする。

【００４０】 積分ゲインを２０％小さくする。 微分ゲインを７０％小さくする。

【００４１】評価項目７：外乱が入った場合の制御量変
動は小さいか。 ルール群７：負荷変動等の外乱が入った場合の制御量変
動を抑えるようにゲイン調整を行う。 IF 外乱時制御量変動が十分小さい THEN ゲイン調整を行わない。 IF 外乱時制御量変動が少し大きい THEN 比例ゲインを６％大きくする。

【００４２】 積分ゲインを４％大きくする。 微分ゲイン調整を行わない。 IF 外乱時制御量変動が大きい THEN 比例ゲインを１２％大きくする。

【００４３】 積分ゲインを８％大きくする。 微分ゲインを２％大きくする。 IF 外乱時制御量変動が THEN 比例ゲインを２４％大きくする。

【００４４】 非常に大きい 積分ゲインを１６％大きくする。 微分ゲインを４％大きくする。

【００４５】評価項目８：外乱が入った場合の制御量変
動の回復時間Ｔ_r は短いか。 ルール群８：負荷変動等の外乱が入った場合の制御量変
動の回復にかかる時間Ｔ_r を短くするようにゲイン調整
を行う。 IF Ｔ_r が十分小さい THEN ゲイン調整を行わない。 IF Ｔ_r が少し大きい THEN 比例ゲインを２％大きくする。

【００４６】 積分ゲインを５％大きくする。 微分ゲインを８％小さくする。 IF Ｔ_r が大きい THEN 比例ゲインを４％大きくする。

【００４７】 積分ゲインを１５％大きくする。 微分ゲイン調整を行わない。 IF Ｔ_r が非常に大きい THEN 比例ゲインを８％大きくする。

【００４８】 積分ゲインを３０％大きくする。 微分ゲインを５％大きくする。

【００４９】評価項目９：自励振動は減衰しているか。 ルール群９：制御対象の特性変動等によって自励振動を
起こす場合があるので、自励振動の初期段階で振動を抑
えるようにゲイン調整を行う。 IF 振動が減衰している THEN ゲイン調整を行わない。 IF 振動が少し増幅している THEN 比例ゲインを１０％小さくする。 IF 振動が増幅している THEN 比例ゲインを２０％小さくする。 IF 振動が非常に増幅している THEN 比例ゲインを５０％小さくする。

【００５０】評価項目１０：制御量の振動は減衰してい
るか。 ルール群１０：制御量の振動が大きいままいつまでも残
る場合に、危険回避のために制御ゲインを小さくする操
作を行う。 IF 制御量振動は十分減衰している THEN ゲイン調整を行わない。 IF 制御量振動の大きさが THEN 全ゲインを１０％小さくする。

【００５１】 少し残っている IF 制御量振動の大きさが THEN 全ゲインを２０％小さくする。

【００５２】 残っている IF 制御量振動の大きさが THEN 全ゲインを５０％小さくする。

【００５３】 大きく残っている 評価項目１１：操作量の振動は減衰しているか。

【００５４】ルール群１１：操作量の振動が大きいまま
いつまでも残る場合に、危険回避のために制御ゲインを
小さくする操作を行う。 IF 操作量振動は十分減衰している THEN ゲイン調整を行わない。 IF 操作量振動の大きさが THEN 全ゲインを１０％小さくする。

【００５５】 少し残っている IF 操作量振動の大きさが THEN 全ゲインを２０％小さくする。

【００５６】 残っている IF 操作量振動の大きさが THEN 全ゲインを５０％小さくする。

【００５７】 大きく残っている 上記のように、本実施例では評価の分割数が「４」、検
出する特徴量の数が「１２」であるので、従来のルール
ベースではルールの組合せ数が４¹²＝16777216という膨
大な数になり、ルールベースの構築、調整は殆ど不可能
である。しかしながら、本実施例では１２個の特徴量が
１１個の評価項目に対応する組に分けられて各組毎にル
ール群が設定されており、ルール群２以外のルールが単
一命題で構成され、ルール数が４×１０＋４² ＝５６で
済むので、ルールの構築、調整を容易に行うことができ
る。

【００５８】上記１１個のルール群には、ルール群の各
ルールに対する適合度を求めてゲイン調整量をルール群
毎に推論するためのメンバーシップ関数が含まれてお
り、記憶手段２２はこれらを記憶している。例として、
図２（Ａ）乃至（Ｄ）にルール群１を表現するメンバー
シップ関数を示す。なお、（Ａ）は前件部のメンバーシ
ップ関数、（Ｂ）乃至（Ｄ）は後件部のメンバーシップ
関数であり、各々比例ゲイン、積分ゲイン、微分ゲイン
に対応している。また、記憶手段２２は特徴量の大きさ
と調整量の推論結果を採用するための採用度との関係を
各ルール群毎に記憶している。図６に示すように、本実
施例における採用度は、ルール群２に対応する採用度を
除いて特徴量の変化に応じて変更されるようになってお
り、前記関係がメンバーシップ関数の形で記憶されてい
る。

【００５９】ルール群２の特徴量であるオーバーシュー
ト量と振動減衰は制御の安定性に係わる特徴量であり、
重要度が高いため、この２つの特徴量を組合せ、上記表
１、表２、表３に示すような詳細なルールを設けてい
る。また、採用度に関してもルール群２の採用度を最大
とし、制御の安定性を重視した調整を行なっている。

【００６０】また、記憶手段２２には前件部修正器２４
が接続されている。本実施例では、内燃機関１４の特徴
量を許容範囲内に抑えることが不可能な回転速度域が予
め観測されている。なお、本実施例では上記回転速度域
を1000rpm 以下としている。前件部修正器２４は制御量
としての回転速度が入力され、入力された回転速度に基
づいて内燃機関１４が前記回転速度域内であるか否か判
定する。前記回転域内であると判定した場合には、前記
回転速度の変動を容認するようにルール群の特徴量とゲ
イン調整量との関係を修正する。

【００６１】具体的には図３に示すように、ルール群７
の「外乱時の回転速度（制御量）変動量」を評価するた
めの前件部のメンバーシップ関数を、三角形が大きい方
（右方）へシフトするように修正する。これにより、同
一の回転速度変動量に対して「良い」という評価に対す
る重みが増すことになるので、外乱時の回転速度変動量
に対する評価が甘くなることになる。ルール群２、ルー
ル群３、ルール群８の「オーバーシュート量」、「オー
バシュート収束時間」、「外乱時の制御量変動回復時
間」を評価するための前件部のメンバーシップ関数につ
いても同様に修正する。また、ルール群２の「振動減
衰」を評価するための前件部のメンバーシップ関数につ
いては図４に示すように修正する。すなわち、メンバー
シップ関数の「悪い」という評価に対応する三角形につ
いては、「非常に悪い」という評価に対応する三角形と
の関連を考慮して三角形の右下の頂点を固定し、他の２
頂点を右方へシフトするように修正する。「やや悪
い」、「十分良い」という評価に対応する三角形につい
ては、全体的に右方へシフトするように修正する。

【００６２】一方、ファジィ推論部２０は、特徴量検出
部１８から入力された特徴量、記憶手段２２に記憶され
たルールベース及び採用度を用いてファジィ推論を行
い、ゲイン調整量をＰ、Ｉ、Ｄ毎に求めてＰＩＤ演算部
へ出力する。

【００６３】次に図５のフローチャートを参照して本第
１実施例の作用を説明する。なお、図５のフローチャー
トは偏差が規定値以上になると実行される。

【００６４】ステップ１００では内燃機関１４の回転速
度が1000rpm 以下か否か判定する。ステップ１００の判
定が肯定された場合は、ステップ１０２において前件部
修正器２４によりルール群２、３、７、８の前件部のメ
ンバーシップ関数を前述の図３及び図４に示すように修
正し、ステップ１０４へ移行する。これにより、「振動
減衰」、「オーバーシュート量」、「オーバシュート収
束時間」、「外乱時の制御量変動量」、「外乱時の制御
量変動回復時間」に対する評価が甘くなり、内燃機関１
４の回転速度の変動の発生に伴う上記各特徴量の悪化が
容認されることになる。なお、ステップ１００の判定が
否定された場合には、ステップ１０２の処理を実行する
ことなくステップ１０４へ移行する。

【００６５】ステップ１０４では、特徴量検出部１８に
入力された各種の情報に基づいて前述の１２個の特徴量
の検出を行う。次のステップ１０２では、記憶手段２２
に記憶されている調整用ルールベースの中から、特定の
評価項目に対応するルール群（例えば評価項目１の場合
にはルール群１）を読み込む。このとき、ルール群２、
３、７、８については前記ステップ１０２の処理が実行
されている場合には、前件部のメンバーシップ関数が修
正されたルール群が読み込まれる。ステップ１０８で
は、前記評価項目に関係する特徴量（例えば評価項目１
の場合には「目標値到達時間と指定値との偏差」）と、
前記読み込んだルール群に対応する前件部のメンバーシ
ップ関数と、を用い、前記特徴量の各ルールに対する適
合度を算出する。

【００６６】例として、特徴量「目標値到達時間と指定
値との偏差」の値が図２（Ａ）に矢印Ａで示す値であっ
た場合、第１ルールの「目標値到達時間が十分に速い」
に対する適合度は0.25、第２ルールの「目標値到達時間
が少し遅い」に対する適合度は0.75であると算出され、
第３ルール、第４ルールに対する適合度は０であると判
断される。

【００６７】次のステップ１１０では、後件部のメンバ
ーシップ関数において、各ルール毎に、各ルールが指示
するゲイン調整量に対応する三角形の頂部を各ルールに
対する適合度で切った図形を求め、求めた複数の図形を
重ね合わせて重心を求める。例として、第１ルールに対
する適合度を0.25、第２ルールに対する適合度を0.75と
した場合の比例ゲインの調整量について、図２（Ｂ）を
参照して説明すると、第１ルールについては、第１ルー
ルが指示するゲイン調整量は「ゲイン調整を行わない」
であるので、「変更せず」に対応する図形の頂部を、第
１ルールに対する適合度0.25で切った図形Ｂが求まる。
第２ルールについては、第２ルールが指示するゲイン調
整量は「比例ゲインを１％大きくする」であるので、
「１％増」に対応する図形の頂部を、第２ルールに対す
る適合度0.75で切った図形Ｃが求まる。ここで、図形Ｂ
と図形Ｃを重ね合わせた図形の重心を求める。この重心
は各ルールが指示するゲイン調整量を各ルールの適合度
に応じて重み付けした平均値に相当し、ルール群１で比
例ゲインの調整量を推論した結果である。上記処理を積
分ゲインの調整量及び微分ゲインの調整量に対して同様
に行うことにより、単一の評価項目（組）に対するゲイ
ン調整量が推論される。

【００６８】ステップ１１２では全ての評価項目に対し
て推論処理が終了したか否か判定する。ステップ１１２
の判定が否定された場合にはステップ１０２へ戻り、ス
テップ１１２の判定が肯定されるまでステップ１０２乃
至ステップ１１２を繰り返し、推論処理の終了していな
い評価項目に対応するルール群を読み込んで、上記と同
様に処理する。これにより、全ての評価項目に対してゲ
イン調整量が推論される。なお、内燃機関１４の回転速
度が、特徴量を許容範囲内に抑えることが不可能である
回転速度域の場合には、ルール群のメンバーシップ関数
が前述のように修正されているので、上記で推論された
ゲイン調整量に、除去不可能な回転速度の変動を抑えよ
うとする調整分が含まれることはなく、各々適正なゲイ
ン調整量が推論されることになる。

【００６９】ステップ１１４では、記憶手段２２に記憶
されている採用度のメンバーシップ関数と特徴量とを用
いて、各ルール群の推論結果の採用度を算出する。ルー
ル群２を除く各ルール群の採用度のメンバーシップ関数
は、制御対象１４の制御状態が評価項目の要求を満たし
ていないときに採用度が高くなるように設定されてい
る。これにより、要求を満たしていない評価項目に対応
するルール群の推論結果により大きな重みが付与される
ことになるので、より人間の思考に合った適正なゲイン
調整を行うことができる。なおルール群２については制
御の安定性と密接に関わっているため、制御の安定性を
考慮して特徴量（オーバーシュート量と減衰比）の変化
に拘わらず採用度を「1.0 」（最大値）としている（図
６参照）。

【００７０】ステップ１１６では各ルール群毎の推論結
果を上記で算出された採用度を用いて重み付けし、平均
値を演算する。これにより、各推論結果が並列的に扱わ
れ多数の特徴量を反映したゲイン調整量が比例ゲイン、
積分ゲイン、微分ゲイン毎に決定される。ステップ１１
８では上記で決定したＰＩＤの各ゲインの調整量をＰＩ
Ｄ演算部１２へ出力し設定する。なお、ルールベースの
各ルール群は人間の知識やノウハウを用いて作成してい
るので、前記ゲイン調整量は人間の知識やノウハウが反
映されたものとなる。従って、人間の思考に合った適正
な制御が行われるように各ゲインが調整される。

【００７１】次のステップ１２０では、ステップ１０２
の処理が実行され前件部のメンバーシップ関数が修正さ
れていた場合に、これを復帰させて元に戻す。これによ
り、本ルーチンを次に実行するときに内燃機関１４の回
転速度が1000rpm よりも大きい場合には、通常のルール
群によってゲイン調整量の推論が行われ、回転速度の変
動が生じている場合にはこれを除去するようにゲイン調
整量が決定されることになる。

【００７２】次に、本第１実施例のゲイン調整器付きＰ
ＩＤ制御装置１０によって実際に内燃機関１４のゲイン
調整を行った結果を説明する。図７（Ａ）及び（Ｂ）に
は内燃機関１４の無負荷時に目標値を変更した場合のオ
ートチューニングの過程が示されている。振動的であっ
たエンジン回転数の変化がオートチューニングによって
改善されていく様子が分かる。図８（Ａ）及び（Ｂ）に
は内燃機関１４に加える負荷を油圧ポンプによって変化
させた場合のオートチューニング過程が示されている。
負荷入り時（負荷が加わった瞬間）及び負荷抜け時（加
わっている負荷が抜けた瞬間）におけるエンジン回転数
の変動のピーク値が徐々に小さくなっている。このよう
に、目標値変更によるチューニングと負荷変化によるチ
ューニングを交互に行うことにより、目標値追従と外乱
抑制を両立するようにゲイン調整が行われる。チューニ
ング終了後の応答を図９の（Ａ）及び（Ｂ）に示す。

【００７３】このように、本第１実施例では１２個の特
徴量を評価項目に対応する１１個の組に分け、各組毎
に、対応する特徴量とゲイン調整量の関係をメンバーシ
ップ関数を用いて表現するルール群を設定してルールベ
ースを構成し、ルール群２以外のルール群の各ルールを
単一命題で構成したので、ルール数を少なくすることが
でき、多数の評価項目を設定する必要のある内燃機関１
４等の制御対象にも適用することができる。

【００７４】また、ルール群２を除く各ルール群の採用
度のメンバーシップ関数を、制御対象１４の制御状態が
ルール群に対応される評価項目の要求を満たしていない
ときに採用度が高くなるように設定したので、要求を満
たしていない評価項目に対応するルール群の推論結果に
より大きな重みが付与され、より人間の思考に合った適
正なゲイン調整を行うことができる。

【００７５】また、本第１実施例では内燃機関１４の回
転速度が1000rpm 以下の場合に、各特徴量の許容範囲を
緩和するようにルール群の前件部のメンバーシップ関数
を修正するようにしたので、前記回転数の変動を抑制し
ようとしてゲインが変更され、適正なゲインが設定され
ないということはない。このため、多数の評価項目を設
定する必要のある内燃機関１４等の制御対象に対して、
より適切な制御を行うことができる。

【００７６】本実施例では、ルール群２を上記表１、表
２、表３に示すように、２つの特徴量を考慮した詳細な
ルールによって構成したが、これに限ることなく、ルー
ル群２を２組に分け、組の数を特徴量の数と等しくする
こともできる。この場合の図６と同様の概念図を図１７
に示し、ルール群を以下に示す。この場合、運転条件に
よっては収束時間が３０％程度延びることもあるが、実
用上は問題ない。

【００７７】評価項目２：オーバーシュート量は小さい
か。 ルール群２：オーバーシュート量を小さくするようにゲ
イン調整を行う。また、ルール群の採用度は常に１．０
である。 IF オーバーシュート量が十分小さい THEN ゲイン調整を行わない。 IF オーバーシュート量が少し大きい THEN 比例ゲインを３％大きくする。

【００７８】 積分ゲインを３％小さくする。 IF オーバーシュート量が大きい THEN 比例ゲインを１６％大きくする。

【００７９】 積分ゲインを６％小さくする。 IF オーバーシュート量が非常に大きい THEN 比例ゲインを３０％大きくする。

【００８０】 積分ゲインを１２％小さくする。 評価項目３：振動減衰は良いか。

【００８１】ルール群３：振動減衰が良くなるようゲイ
ン調整を行う。また、ルール群の採用度は常に１．０と
する。 IF 振動減衰が十分良い THEN ゲイン調整を行わない。 IF 振動減衰が少し悪い THEN 比例ゲインを３％小さくする。

【００８２】 積分ゲインを３％小さくする。 微分ゲインを４％大きくする。 IF 振動減衰が悪い THEN 比例ゲインを６％小さくする。

【００８３】 積分ゲインを６％小さくする。 微分ゲインを１０％大きくする。 IF 振動減衰が非常に悪い THEN 比例ゲインを１２％小さくする。

【００８４】 積分ゲインを１２％小さくする。 微分ゲインを２０％大きくする。

【００８５】〔第２実施例〕次に本発明の第２実施例を
説明する。本第２実施例は第１実施例とほぼ同一の構成
であるが、ファジィ推論部２０で第１実施例と同様にゲ
イン調整量を決定した後に、該ゲイン調整量と現在のゲ
インより調整後のゲインを計算し、調整後のゲインをＰ
ＩＤ演算部１２に設定するようにしている。ＰＩＤ演算
部１２では設定されたゲインと入力された偏差に基づい
て内燃機関１４に加える操作量を決定する。

【００８６】上記のように、ファジィ推論部２０がゲイ
ンを演算してＰＩＤ演算部１２に設定するように構成し
た場合にも、第１実施例と同様に、より人間の思考に合
った適正なゲイン調整を行うことができ、多数の評価項
目を設定する必要のある内燃機関１４等の制御対象に適
用することができる、という効果が得られる。このよう
に、本発明のゲイン調整装置は、ＰＩＤ制御器にゲイン
の調整量を設定するものに限定されるものではなく、上
記のようにゲインを演算して設定するものであってもよ
い。

【００８７】〔第３実施例〕次に本発明の第３実施例を
説明する。なお、前記各実施例と同一の部分には同一の
符号を付し、説明を省略する。

【００８８】図１０に示すように、本第３実施例のゲイ
ン調整器付きＰＩＤ制御装置は、ＰＩＤ演算部１２を備
えたＰＩＤ制御部１１と、特徴量検出部１８、ファジィ
推論部２０及び記憶手段２２を備えたオートチューニン
グ部１６と、に分離されている。ＰＩＤ制御部１１は通
信装置３２を有している。通信装置３２には、内燃機関
１４に加えられた操作量、内燃機関１４の回転速度、回
転速度目標値及び回転速度目標値と回転速度との偏差が
入力される。通信装置３２は前記入力された情報を、オ
ートチューニング部１６の通信装置３１へ送信する。

【００８９】通信装置３１は特徴量検出部１８に接続さ
れており、受信した前記各情報を特徴量検出部１８に供
給する。特徴量検出部１８は供給された情報に基づい
て、第１実施例と同様に特徴量を検出する。また、通信
装置３１はファジィ推論部２０に接続されており、ファ
ジィ推論部２０で決定されたＰＩＤ毎のゲイン調整量が
入力される。通信装置３１は入力されたＰＩＤ毎のゲイ
ン調整量を前述の通信装置３２へ送信する。通信装置３
２は受信したＰＩＤゲイン調整量をＰＩＤ演算部１２へ
設定する。ＰＩＤ演算部１２は設定されたゲイン調整量
に応じてＰＩＤ毎にゲインを調整し、内燃機関１４に所
定の操作量を加える。

【００９０】上記のように、オートチューニング部１６
がＰＩＤ制御部１１にゲイン調整量を通信手段等を介し
て設定するよう構成した場合も、第１実施例と同様に、
より人間の思考に合った適正なゲイン調整を行うことが
でき、多数の評価項目を設定する必要のある内燃機関１
４等の制御対象に適用することができる、という効果が
得られる。このように、本発明はゲイン調整装置とＰＩ
Ｄ制御器とを直接接続する必要はなく、通信装置等の伝
達手段を介して接続するようにしてもよい。

【００９１】〔第４実施例〕次に本発明の第４実施例を
説明する。本第４実施例は第３実施例とほぼ同一の構成
であるが、ファジィ推論部２０で第１実施例と同様にゲ
イン調整量を決定した後に、該ゲイン調整量と現在のゲ
インより調整後のゲインを計算し、調整後のゲインを通
信装置３１へ出力するようにしている。出力されたゲイ
ンは通信装置３１、３２を介してＰＩＤ演算部１２に設
定される。ＰＩＤ演算部１２では設定されたゲインと入
力された偏差に基づいて操作量を決定する。

【００９２】上記のように、ファジィ推論部２０でゲイ
ンを演算し、通信装置等の伝達手段を介して前記ゲイン
をＰＩＤ演算部１２に設定するように構成した場合に
も、より人間の思考に合った適正なゲイン調整を行うこ
とができ、多数の評価項目を設定する必要のある内燃機
関１４等の制御対象に適用することができる、という効
果が得られる。

【００９３】なお、上記実施例では予め各特徴量を許容
範囲内に抑えることが不可能な回転域を求め、内燃機関
１４の回転速度がこの回転域となった場合に、前件部修
正器２４によって前件部のメンバーシップ関数を修正す
るようにしていたが、これに代えて燃料供給に関連する
制御量と内燃機関１４の回転速度とを比較して、燃料供
給に関連する操作量が変更されていないにも拘わらず回
転速度が許容量以上に変動している場合に前述のように
前件部のメンバーシップ関数を修正して回転速度の変動
を容認するようにしてもよい。

【００９４】また、上記実施例では各特徴量を許容範囲
内に抑えることが不可能な回転域で前件部のメンバーシ
ップ関数を修正するようにしていたが、前件部のメンバ
ーシップ関数を修正せず、前件部のメンバーシップ関数
の評価結果に対するゲイン調整量が小さくなるように後
件部のメンバーシップ関数を修正するようにしてもよ
い。

【００９５】また、上記実施例では制御対象を内燃機関
１４とした例について説明したが、本発明はこれに限定
されるものではなく、多数の評価項目を設定する必要の
ある制御対象に適用した場合にも、適切な制御を行うこ
とができる。例として本発明をアナログコンピュータの
ゲイン調整に適用した場合の結果を説明する。図１１の
（Ａ）及び（Ｂ）には、制御対象１４をアナログコンピ
ュータの２次遅れ系とした場合のゲイン調整によるオー
トチューニングの過程が示されており、目標値を変更す
る毎に波形認識をしてゲイン調整を行っている。振動的
であった制御量の変化がオートチューニングによって改
善されていく様子が分かる。図１２（Ａ）及び（Ｂ）に
はアナログコンピュータの２次遅れ系を制御対象とし、
制御対象の応答特性が速い系から遅い系に変化した場合
のゲイン再調整過程が示されている。特性が変わって制
御量の応答に振動が発生しているが、オートチューニン
グにより、応答速度を低下させることなく良好な応答波
形になっていくのが分かる。図１３（Ａ）及び（Ｂ）に
はアナログコンピュータの４次遅れ系を制御対象とした
場合のオートチューニング過程が示されている。制御対
象の次数が変わってもゲイン調整によるオートチューニ
ングが可能であることが理解できる。このように本発明
は汎用性が高く、様々な制御対象の制御に適用すること
ができる。

【００９６】また、上記実施例では三角形型のメンバシ
ップ関数を用いていたが、釣鐘型のメンバーシップ関数
を用いてもよい。

【００９７】

【発明の効果】以上説明したように本発明では、ルール
群によって複数の特徴量を複数の組に分けたときの各組
に対応する特徴量と制御対象のゲイン調整量との関係を
表すと共に、各特徴量を許容範囲内に抑えることが不可
能であると判断したときに許容範囲を緩和するようにル
ール群の特徴量とゲイン調整量との関係を修正するよう
にしたので、人間の思考に合った適正なゲイン調整を行
うことができ、多数の評価項目を設定する必要のある内
燃機関等の制御対象に対して適切な制御を行うことがで
きる、という優れた効果が得られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】第１実施例に係るオートチューニング部を含む
ゲイン調整器付きＰＩＤ制御装置を示す概略構成図であ
る。

【図２】（Ａ）乃至（Ｄ）はルール群１に対応するメン
バーシップ関数を示す概念図である。

【図３】前件部修正器による「外乱時の制御量変動
量」、「オーバーシュート量」、「オーバシュート収束
時間」、「外乱時の制御量変動回復時間」に対応する前
件部メンバーシップ関数の修正を説明するための概念図
である。

【図４】前件部修正器による「振動減衰」に対応する前
件部メンバーシップ関数の修正を説明するための概念図
である。

【図５】第１実施例の作用を説明するフローチャートで
ある。

【図６】各ルール群毎にゲイン調整量を推論した後の処
理を説明する概念図である。

【図７】（Ａ）及び（Ｂ）は内燃機関の無負荷時に目標
値を変更した場合のオートチューニングの過程を示す波
形図である。

【図８】（Ａ）及び（Ｂ）は油圧ポンプによって内燃機
関に加える負荷を変化させた場合のオートチューニング
過程を示す波形図である。

【図９】（Ａ）及び（Ｂ）はチューニング終了後の内燃
機関の応答を示す波形図である。

【図１０】第３実施例に係るオートチューニング部を含
むゲイン調整器付きＰＩＤ制御装置を示す概略構成図で
ある。

【図１１】（Ａ）及び（Ｂ）は本発明をアナログコンピ
ュータの２次遅れ系のゲイン調整に適用した場合のオー
トチューニング過程を示す波形図である。

【図１２】（Ａ）及び（Ｂ）は本発明をアナログコンピ
ュータの２次遅れ系のゲイン調整に適用し、制御対象の
応答特性が速い系から遅い系に変化した場合のゲイン再
調整過程を示す波形図である。

【図１３】（Ａ）及び（Ｂ）は本発明をアナログコンピ
ュータの４次遅れ系のゲイン調整に適用した場合のオー
トチューニング過程を示す波形図である。

【図１４】（Ａ）乃至（Ｄ）はファジィ推論を適用した
従来のＰＩＤ制御装置において、前件部のメンバーシッ
プ関数を説明するための概念図である。

【図１５】（Ａ）乃至（Ｃ）はファジィ推論を適用した
従来のＰＩＤ制御装置において、後件部のメンバーシッ
プ関数を説明するための概念図である。

【図１６】ファジィ推論を適用した従来のＰＩＤ制御装
置の作用として、比例ゲインの調整量の算出処理を例に
説明するための説明図である。

【図１７】ルール群２を２組に分けたときの図６と同様
の概念図である。

【符号の説明】

１０ ゲイン調整器付きＰＩＤ制御装置 １２ ＰＩＤ演算部 １４ 内燃機関 １６ オートチューニング部 １８ 特徴量検出部 ２０ ファジィ推論部 ２２ 記憶手段 ２４ 前件部修正器

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁵ 識別記号 庁内整理番号 ＦＩ 技術表示箇所 Ｇ０５Ｄ 13/62 Ｅ 7361−3Ｈ (72)発明者 大澤 正敬 愛知県愛知郡長久手町大字長湫字横道41番 地の１ 株式会社豊田中央研究所内 (72)発明者 大年 浩太 愛知県刈谷市豊田町２丁目１番地 株式会 社豊田自動織機製作所内 (72)発明者 岩井 友宏 愛知県刈谷市豊田町２丁目１番地 株式会 社豊田自動織機製作所内

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 内燃機関の回転速度と目標値との偏差及
   びゲインに基づいて前記回転速度が前記目標値に一致す
   るように前記回転速度の操作量を制御するＰＩＤ制御器
   に対して、前記ゲインを設定する内燃機関の回転速度Ｐ
   ＩＤ制御器用ゲイン調整装置であって、 推論に使用する前記回転速度に関する複数の特徴量を検
   出する特徴量検出手段と、 前記複数の特徴量を複数の組に分けたときの各組に対応
   する特徴量とゲイン調整量との関係を表すルール群を記
   憶した第１の記憶手段と、 前記各組に対応する特徴量の大きさとゲイン調整量の採
   用度との関係を記憶した第２の記憶手段と、 各特徴量を許容範囲内に抑えることが不可能であると判
   断したときに該許容範囲を緩和するように前記ルール群
   の特徴量とゲイン調整量との関係を修正する修正手段
   と、 前記検出された特徴量と前記ルール群とに基づいて各組
   毎のゲイン調整量を推論すると共に、特徴量の大きさに
   応じて各組毎の前記ゲイン調整量の採用度を求め、該ゲ
   イン調整量の推論結果と採用度とから採用度を重みとし
   たゲイン調整量の推論結果の重み付き平均値を演算して
   前記ＰＩＤ制御器に設定するゲインの調整量を定める推
   論手段と、 を有する内燃機関の回転速度ＰＩＤ制御器用ゲイン調整
   装置。