控制装置的设计方法以及控制装置制造方法及图纸

本发明专利技术涉及通过反馈控制决定具有滞后时间的控制对象的操作量，以使得控制对象的控制量接近目标值的控制装置的设计方法。根据本发明专利技术，进行：使用包含控制对象的预测模型的多个控制器来设计反馈环，所述反馈环计算对操作量的校正量；从预测模型的滞后时间因子取出与多个控制器相同数量的延迟因子；将多个控制器的每一个与延迟因子组合而分配给多个运算装置，以使得通过使用了并行工作的多个运算装置的并行计算进行反馈环的运算。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】控制装置的设计方法以及控制装置
本专利技术涉及控制装置的设计方法，尤其涉及处理物理现象的控制装置的设计方法，详细而言，涉及通过反馈控制来决定具有滞后时间的控制对象的操作量的控制装置的设计方法以及这样的控制装置。
技术介绍
计算装置的运算能力能够通过提高核的工作频率而提高。但是，因计算装置所放置的环境，有时无法提高工作频率。另外，从功率利用系数的观点来看，由工作频率的高频率化带来的高性能化有限。因此，近年来，例如如日本特开2010-160537号公报所公开那样，在1个半导体芯片上搭载多个核的多核型的并行计算装置受到关注。根据多核型的并行计算装置，只要是处理相同量的运算，与单核型的计算装置相比较，工作频率就可以低。进而，通过将应处理的任务分配给多个核进行并行计算，与由单一的核进行计算的情况相比较，能够缩短运算时间。作为能够有效地利用这样的并行计算装置的一个用途，能举出实时控制装置。为了控制复杂的控制对象的动作、状态，在实时控制装置中，使用需要很多数值计算的控制算法。特别地，在作为实时控制装置的一种的车辆控制装置的情况下，为了响应市场或预定的要求，控制算法逐年大规模且复杂化。因此，能预测如下的状况：运算负荷增大，如果是单核型的中央运算处理装置(CPU)，则几乎在控制周期内完不成运算。并行计算装置对实时控制装置的应用，作为用于避免这样的状况成为现实的有效的手段而受到期待。现有技术文献专利文献专利文献1：日本特开2010-160537号公报
技术实现思路
专利技术要解决的课题然而，如果仅仅是将并行计算装置应用到控制装置，则无法谋求充分的性能的提高。以往的控制算法的并行化在软件的设计阶段进行。但是，在控制算法的有序性强的情况下，在软件的设计阶段、也就是说源代码级下的并行化有限。根据阿姆达尔(amdahl)定律，在使用N个核执行可并行化的部分的执行时间的比例为a的程序的情况下，总体的性能提高率S用S＝1/((1-a)+a/N)来表示。由此可知，在可并行化的部分少的程序的情况下，1步长(step)内的性能提高很困难。另外，在各步长中，进行相对于传感器输入的促动器(actuator)输出，因此活用多核的并行性对输入数据进行流处理很困难。进而，在并行化中伴随额外开销，因此，以构思或模块为单位，分割为运算量少的细粒度任务进行的并行化、环的分割进行的并行化也有限。这是因为越增加分割数，则在核间的运算的同步、运算结果的通信等的成本就越增加，因此通过并行计算所期待的性能显现不出来。在源代码级将有序性强的控制算法进行并行化很困难的情况，能够从实时控制装置、特别从处理物理现象的控制装置的控制逻辑来具体地说明。那样的控制装置的控制对象多多少少具有滞后时间，因此，作为控制算法，能够采用处理滞后时间类的控制理论。滞后时间类控制的代表性的控制，是使用将控制对象模型化了的预测模型进行反馈控制的内部模型控制(IMC)。以下，说明在以往的控制装置中使用的内部模型控制的控制逻辑和其并行化中的问题。图3是表示在以往的控制装置中使用的一般的内部模型控制的控制逻辑的框图。控制对象2具有滞后时间L，因此，其传递函数可以用Pe-Ls表示。在内部模型控制中，构筑使用了将控制对象2模型化了的预测模型102和IMC滤波器101的反馈系统。预测模型102是将控制对象2的滞后时间L也包含在内模型化后的预测模型，因此，其传递函数可以用Me-Ls表示。预测模型102的传递函数Me-Ls和控制对象2的真正的传递函数Pe-Ls完全一致是理想的，但是实际上在两者之间存在模型化误差。IMC滤波器101的传递函数Cimc作为预测模型102的传递函数的最小相位因子的倒数而构成。IMC滤波器101基于控制量的目标值r算出对控制对象2的促动器的操作量u。与操作量u一起向控制对象2输入干扰d，从控制对象2得到受到该干扰d的影响的控制量的传感器值y。传感器值是指通过传感器计测出的控制量的计测值。预测模型102与控制对象2并联配置，操作量u也并行地输入至预测模型102。并且，传感器值y和预测模型102的输出之差，经由用传递函数Cdis标记的干扰补偿器103反馈给目标值r。在图3所示的控制逻辑中，在预测模型102、IMC滤波器101以及干扰补偿器103这3个控制器的运算中存在有序性。运算的有序性通过将各控制器的处理在时间轴上排列能够明确。图4是表示将上述的控制逻辑安装在以往的单核型的计算装置的情况下的各控制器的运算的时间性的关系的图。图4中的横轴是时间轴，在时间轴上，排列有1步长的处理。如该图所示，逐步地执行预测模型(Me-Ls)102的运算、与传感器值y的减法运算、干扰补偿器(Cdis)103的运算、与目标值r的减法运算、IMC滤波器(Cimc)101的运算，并算出与下一步长对应的操作量u′。上述的控制逻辑能够安装于多核型的计算装置。在多核型的计算装置中安装上述的控制逻辑的情况下，需要将1步长的处理分割为多个任务而分配给各核。这里，对3个控制器的每一个进行了离散化后，将各自作为任务进行分割而分配给3个核。另外，传感器值y的加减法运算和目标值r的加减法运算包含在前后的任务的任一个中。图5是表示利用这样的方法对多个核进行处理的分配的情况下的各处理的时间性的关系的图。各核仅处理一部分任务即可，因此如果与由单核执行全部的处理的情况相比较，每1核的运算时间缩短。然而，即使是在由多个核进行处理的情况下，也保持运算的有序性，因此，直至与某个控制器对应的任务结束为止，无法开始与下一控制器对应的任务。也就是说，不能由多个核同时执行任务，在计算装置整体中无法将1步长的处理高速化。由此可知，即便是将上述的控制逻辑安装在多核型的计算装置上，结果只能进行源代码级下的并行化，因此难以实现并行化带来的运算时间的大幅的缩短。接着考虑的是，不是源代码阶段，而是在控制逻辑的阶段进行并行化。这里，着眼于内部模型控制中的操作量的更新式。下面的式(1)是与图3所示的控制逻辑对应的操作量的更新式。构成更新式的变量以及传递函数，与图3所示的控制逻辑中的变量和各控制器的传递函数对应。[式1]u＝{r-(y-u*M(s(e-Ls)*Cdis(s}*Cimc(s)…(1)从上述的更新式可知，伴随图5所示的任务间的输入输出的运算的有序性，起因于更新式中的括弧内部的加减法运算。也就是说，对多个因子进行的加减法运算，成为核间的默认的同步，但是这通过括弧括起来而在任务间产生逐步的顺序。因此，为了消除起因于括弧的有序性，将括弧展开而分割成与各变量r、y、u有关的项。这样，通过将式(1)变形，得到由下面的式(2)表示的更新式。[式2]u＝r*Cimc(s)-y*Cdis(s)*Cimc(s)+u*M(s)e-Ls*Cdis(s)*Cimc(s)…(2)图6是表示与式(2)对应的控制逻辑的框图。从式(1)和式(2)的关系可知，图6所示的控制逻辑相当于将图3所示的控制逻辑进行等效变换后的控制逻辑。在该等效变换中，复制1个干扰补偿器(Cdis)和2个IMC滤波器(Cimc)。根据图6所示的控制逻辑，操作量u经由预测模型(Me-Ls)112、干扰补偿器(Cdis)113以及IMC滤波器(Cimc)114再次反馈给操作量u，同时，传感器值y经由干扰补偿器(Cdis本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种控制装置的设计方法，是通过反馈控制决定具有滞后时间的控制对象的操作量以使得所述控制对象的控制量接近目标值的控制装置的设计方法，其特征在于，包括以下步骤：使用包含所述控制对象的预测模型的多个控制器来设计反馈环，所述反馈环运算对所述操作量的校正量；从所述预测模型的滞后时间因子取出与所述多个控制器相同数量的延迟因子；以及将所述多个控制器的每一个与所述延迟因子组合而分配给并行工作的多个运算装置，以使得通过使用了所述多个运算装置的并行计算来进行所述反馈环的运算。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2013.02.21 JP 2013-0323211.一种控制装置的设计方法，是通过反馈控制决定具有滞后时间的控制对象的操作量以使得所述控制对象的控制量接近目标值的控制装置的设计方法，其特征在于，包括以下步骤：使用包含所述控制对象的预测模型的多个控制器来设计反馈环，所述反馈环运算对所述操作量的校正量；从所述预测模型的滞后时间因子取出与所述多个控制器相同数量的延迟因子；以及将所述多个控制器的每一个与所述延迟因子组合而分配给并行工作的多个运算装置，以使得通过使用了所述多个运算装置的并行计算来进行所述反馈环的运算。2.一种控制装置，通过反馈控制决定具有滞后时间的控制对象的操作量，以使得所述控制对象的控制量接近目标值，其特征在于，具备并行工作的多个运算装置，所述多个运算装置构成为，在运算装置间按顺序传递信号，向信号的传递的顺序中最初的运算装置输入所述操作量，从信号的传递的顺序中最后的运算装置输出对所述操作量的校正量，所述多个运算装置的每一个具有：使输入延迟预定步长的延迟因子、和处理由所述延迟因子延迟了的输入而得到输出的控制器，所述多个运算装置构成为，使由所述延迟因子的总个数和所述控制装置的控制周期决定的总延迟时间、和所述控制器具有的总滞后时间的合计时间，与所述控制对象具有的滞后时间相等。3.根据权利要求2所述的控制装置，其特征在于，所述控制装置安装于具有多个核的多核处理器，对所述多个运算装置的每一个使用不同的核。4.根据权利要求2所述的控制装置，其特征在于，所述多个运算装置构成为，在运算装置间控制设备的运算量均等。5.根据权利要求3所述的控制装置，其特征在于，所述多个运算装置构成为，在运算装置间控制设备的运算量均等。6.根据权利要求2所述的控制装置，其特征在于，所述多个运算装置具有的控制器的某一个包含忽略了滞后时间的控制对象的预测模型。7.根据权利要求3所述的控制装置，其特征在于，所述多个运算装置具有的控制器的某一个包含忽略了滞后时间的控制对象的预测模型。8.根据权利要求4所述的控制装置，其特征在于，所述多个运算装置具有的控制器的某一个包含忽略了滞后时间的控制对象的预测模型。9.根据权利要求5所述的控制装置，其特征在于，所述多个运算装置具有的控制器的某一个包含忽略了滞后时间的控制对象的预测模型。10.根据权利要求2所述的控制装置，其特征在于，所述多个运算装置具有的控制器的某一个包含将所述控制对象具有的滞后时间和所述总延迟时间之差作为滞后时间的滞后时间因子。11.根据权利要求3所述的控制装置，其特征在于，所述多个运算装置具有的控制器的某一个包含将所述控制对象具有的滞后时间和所述总延迟时间之差作为滞后时间的滞后时间因子。12.根据权利要求4所述的控...

【专利技术属性】
技术研发人员：佐多宏太，加古纯一，渡边智，铃木悠太，枝广正人，
申请(专利权)人：丰田自动车株式会社，国立大学法人名古屋大学，
类型：发明
国别省市：日本;JP