控制裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及控制裝置，尤其涉及處理物理現(xiàn)象的控制裝置，詳細而言，涉及通過反饋控制來決定控制對象的操作量的控制裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]計算裝置的運算能力能夠通過提高核的工作頻率而提高。但是，因計算裝置所放置的環(huán)境，有時無法提高工作頻率。另外，從功率利用系數(shù)的觀點來看，由工作頻率的高頻率化帶來的高性能化有限。因此，近年來，例如如日本特開2010-160537號公報所公開那樣，在I個半導(dǎo)體芯片上搭載多個核的多核型的并行計算裝置受到關(guān)注。根據(jù)多核型的并行計算裝置，只要是處理相同量的運算，與單核型的計算裝置相比較，工作頻率就可以低。進而，通過將應(yīng)處理的任務(wù)分配給多個核進行并行計算，與由單一的核進行計算的情況相比較，能夠縮短運算時間。
[0003]作為能夠有效地利用這樣的并行計算裝置的一個用途，能舉出實時控制裝置。為了控制復(fù)雜的控制對象的動作、狀態(tài)，在實時控制裝置中，使用需要很多數(shù)值計算的控制算法。特別地，在作為實時控制裝置的一種的車輛控制裝置的情況下，為了響應(yīng)市場或規(guī)定的要求，控制算法逐年大規(guī)模且復(fù)雜化。因此，能預(yù)測如下的狀況:運算負荷增大，如果是單核型的中央運算處理裝置(CPU)，則幾乎在控制周期內(nèi)完不成運算。并行計算裝置對實時控制裝置的應(yīng)用，作為用于避免這樣的狀況成為現(xiàn)實的有效的手段而受到期待。
[0004]現(xiàn)有技術(shù)文獻
[0005]專利文獻
[0006]專利文獻1:日本特開2010-160537號公報

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]發(fā)明要解決的課題
[0008]然而，如果僅僅是將并行計算裝置應(yīng)用到控制裝置，則無法謀求充分的性能的提高。以往的控制算法的并行化在軟件的設(shè)計階段進行。但是，在控制算法的有序性強的情況下，在軟件的設(shè)計階段、也就是說源代碼級下的并行化有限。根據(jù)阿姆達爾(amdahl)定律，在使用N個核執(zhí)行可并行化的部分的執(zhí)行時間的比例為a的程序的情況下，總體的性能提高率S用S = l/((l-a)+a/N)來表示。由此可知，在可并行化的部分少的程序的情況下，I步長(step)內(nèi)的性能提高很困難。另外，在各步長中，進行相對于傳感器輸入的促動器(actuator)輸出，因此活用多核的并行性對輸入數(shù)據(jù)進行流處理也很困難。進而，在并行化中伴隨額外開銷，因此，以構(gòu)思或模塊為單位，分割為運算量少的細粒度任務(wù)進行的并行化、環(huán)的分割進行的并行化也有限。這是因為越增加分割數(shù)，則在核間的運算的同步、運算結(jié)果的通信等的成本就越增加，因此通過并行計算所期待的性能顯現(xiàn)不出來。
[0009]在源代碼級將有序性強的控制算法進行并行化很困難的情況，能夠從實時控制裝置、特別從處理物理現(xiàn)象的控制裝置的控制邏輯來具體地說明。那樣的控制裝置的控制對象多多少少具有滯后時間，因此，作為控制算法，能夠采用處理滯后時間類的控制理論。滯后時間類控制的代表性的控制，是使用將控制對象模型化了的預(yù)測模型進行反饋控制的內(nèi)部模型控制(IMC)。以下，說明在以往的控制裝置中使用的內(nèi)部模型控制的控制邏輯和其并行化中的問題。
[0010]圖6是表示在以往的控制裝置中使用的一般的內(nèi)部模型控制的控制邏輯的框圖?？刂茖ο?具有滯后時間L，因此，其傳遞函數(shù)可以用表示。在內(nèi)部模型控制中，構(gòu)筑使用了將控制對象2模型化了的預(yù)測模型102和MC濾波器101的反饋系統(tǒng)。預(yù)測模型102是將控制對象2的滯后時間L也包含在內(nèi)模型化后的預(yù)測模型，因此，其傳遞函數(shù)可以用Μ。3表示。預(yù)測模型102的傳遞函數(shù)Me &和控制對象2的真正的傳遞函數(shù)Pe?完全一致是理想的，但是實際上在兩者之間存在模型化誤差。MC濾波器101的傳遞函數(shù)Cimc作為預(yù)測模型102的傳遞函數(shù)的最小相位因子的倒數(shù)而構(gòu)成。MC濾波器101基于控制量的目標值r算出對控制對象2的促動器的操作量U。與操作量u —起向控制對象2輸入干擾d，從控制對象2得到受到該干擾d的影響的控制量的傳感器值I。傳感器值是指通過傳感器計測出的控制量的計測值。預(yù)測模型102與控制對象2并聯(lián)配置，操作量u也并行地輸入至預(yù)測模型102。并且，傳感器值y和預(yù)測模型102的輸出之差，經(jīng)由用傳遞函數(shù)Cdis標記的干擾補償器103反饋給目標值r。
[0011]在圖6所示的控制邏輯中，在預(yù)測模型102、IMC濾波器101以及干擾補償器103這3個控制器的運算中存在有序性。運算的有序性通過將各控制器的處理在時間軸上排列能夠明確。圖7是表示將上述的控制邏輯安裝在以往的單核型的計算裝置的情況下的各控制器的運算的時間性的關(guān)系的圖。圖7中的橫軸是時間軸，在時間軸上，排列有I步長的處理。如該圖所示，逐步地執(zhí)行操作量u向控制對象2的輸出、預(yù)測模型(Μθ+)102的運算、與傳感器值y的減法運算、干擾補償器(Cdis) 103的運算、與目標值r的減法運算、MC濾波器(Cimc)1l的運算，并算出與下一步長對應(yīng)的操作量Y。
[0012]上述的控制邏輯能夠安裝于多核型的計算裝置。在多核型的計算裝置中安裝上述的控制邏輯的情況下，需要將I步長的處理分割為多個任務(wù)而分配給各核。這里，對3個控制器的每一個進行了離散化后，將各自作為任務(wù)進行分割而分配給3個核。另外，傳感器值y的加減法運算和目標值r的加減法運算包含在前后的任務(wù)的任一個中。圖8是表不利用這樣的方法對多個核進行處理的分配的情況下的各處理的時間性的關(guān)系的圖。各核僅處理一部分任務(wù)即可，因此如果與由單核執(zhí)行全部的處理的情況相比較，每I核的運算時間縮短。然而，即使是在由多個核進行處理的情況下，也保持運算的有序性，因此，直至與某個控制器對應(yīng)的任務(wù)結(jié)束為止，無法開始與下一控制器對應(yīng)的任務(wù)。也就是說，不能由多個核同時執(zhí)行任務(wù)，在計算裝置整體中無法將I步長的處理高速化。由此可知，即便是將上述的控制邏輯安裝在多核型的計算裝置上，結(jié)果只能進行源代碼級下的并行化，因此難以實現(xiàn)并行化帶來的運算時間的大幅的縮短。
[0013]接著考慮的是，不是源代碼級，而是在控制邏輯的階段進行并行化。這里，著眼于內(nèi)部模型控制中的操作量的更新式。下面的式(I)是與圖6所示的控制邏輯對應(yīng)的操作量的更新式。構(gòu)成更新式的變量以及傳遞函數(shù)，與圖6所示的控制邏輯中的變量和各控制器的傳遞函數(shù)對應(yīng)。
[0014][式I]
[0015]u= {r-(y_u*M(s) e-Ls) *Cdis (s)} *Cimc (s)…(I)
[0016]從上述的更新式可知，伴隨圖8所示的任務(wù)間的輸入輸出的運算的有序性，起因于更新式中的括弧內(nèi)部的加減法運算。也就是說，對多個因子進行的加減法運算，成為核間的默認的同步，但是這通過括弧括起來而在任務(wù)間產(chǎn)生逐步的順序。因此，為了消除起因于括弧的有序性，將括弧展開而分割成與各變量r、y、u有關(guān)的項。這樣，通過將式(I)變形，得到由下面的式(2)表示的更新式。
[0017][式2]
[0018]u = r*Cimc (s)-y*Cdis (s) *Cimc (s)+u*M(s) _Ls*Cdis (s) Cimc (s)…(2)
[0019]圖9是表示與式(2)對應(yīng)的控制邏輯的框圖。從式⑴和式(2)的關(guān)系可知，圖9所示的控制邏輯相當(dāng)于將圖6所示的控制邏輯進行等效變換后的控制邏輯。在該等效變換中，復(fù)制I個干擾補償器(Cdis)和2個MC濾波器(Cimc)。根據(jù)圖9所示的控制邏輯，操作量u經(jīng)由預(yù)測模型(Μθ?)112、干擾補償器(Cdis)113以及MC濾波器(Cimc)IH再次反饋給操作量U，同時，傳感器值y經(jīng)由干擾補償器(Cdis)115、以及MC濾波器(Cimc)116反饋給操作量U。
[0020]在式⑵中，將未被括弧括起來的各變量r、y、u的項的運算分別作為任務(wù)進行分害J，將各任務(wù)分配給3個核。另外，從各任務(wù)的輸出算出與下一步長對應(yīng)的操作量u'的加減法運算分配給某一個核。圖10是表示用這樣的方法對多個核進行處理的分配的情況下的各處理的時間性的關(guān)系的圖。圖10中的橫軸是時間軸，在時間軸上排列有I步長的處理。在該圖中，分配給核I的任務(wù)為任務(wù)1，分配給核2的任務(wù)包括任務(wù)2、3，分配給核3的任務(wù)包括任務(wù)4、5、6。各核中的任務(wù)的輸入為變量r、y、U，因此，不需要為了開始某任務(wù)而等待其他任務(wù)的結(jié)束。也就是說，在將圖9所示的控制邏輯安裝在多核型的計算裝置上的情況下，能夠由各核同時并行地開始運算。
[0021]然而，實際上，圖10所示的流程的每I步長的運算時間，與圖7或圖8所示的流程的每I步長的運算時間相比較，不會變短。原因是，在包括操作量u的項的任務(wù)中包含與全部控制器有關(guān)的運算。也就是說，包含預(yù)測模型(Me+)的運算(任務(wù)4)、干擾補償器(Cdis)的運算(任務(wù)5)、以及MC濾波器(