[发明专利]控制装置的设计方法以及控制装置

说明书

技术领域

本发明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。

背景技术

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

发明内容

发明要解决的课题

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。