(57)【要約】【課題】カスケード制御系に対するフィードフォワード制御方式【解決手段】制御対象の逆モデルに基づくフィードフォワード制御をカスケード制御系に追加する場合、カスケード制御系の内部ループに入り込んだフィードフォワード制御信号が、制御系に悪影響を与え、応答を劣化させる原因にもなる。この内部ループに入り込んだフィードフォワード制御信号をキャンセルするための補正入力を新たに加えることによって、制御系の応答を改善することができ、良好なフィードフォワード制御効果を得ることができる。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
カスケード制御系において制御対象の逆モデルに基づくフィードフォワード制御を利用する場合に、カスケード制御系の内部ループに入り込んだフィードフォワード制御入力をキャンセルするための補正入力を備える、ことを特徴とするフィードフォワード制御方式
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、制御系の設計法に関する。
【背景技術】
【０００２】
産業用モータの位置決め制御では、図１の制御系が標準形のひとつとして用いられてきた。この制御系は内部に速度制御系を含んでいるが、これはモータ制御の歴史が速度制御から始まったことに由来する。
【０００３】
図１のｙは位置情報であるモータ角、ｒはその目標値である。ｕは制御入力、ｖはモータ速度である。Ｋｐｏｓは位置コントローラの比例ゲイン、ＫｐとＫｉは速度ＰＩコントローラの比例ゲインと積分ゲインである。ＪとＤは制御対象とするモータの慣性モーメントと粘性摩擦係数である。ｓはラプラス演算子であり、ｓは微分、１/ｓは積分の作用を表す。
【０００４】
図１の位置コントローラ出力ｒｖは速度ＰＩコントローラの目標値として使われている。このようにコントローラ出力が別のコントローラの目標値になる構造をもつ制御系はカスケード制御系とよばれる。
【０００５】
高速位置決めなど高い応答性が必要な場合、フィードフォワード制御を併用することが多い。カスケード制御系にフィードフォワード制御を追加する方法として非特許文献１の方法がある。これは図２の点線部分に対する逆モデルをフィードフォワードコントローラとして用いる方法、すなわち
【数１】
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【数２】
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とする方法である。この場合、内部ループ全体を含むサブシステムの逆モデルを考えるため、数１のフィードフォワードコントローラはその分複雑になる。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】「精密位置決め・送り系設計のための制御工学」、森北出版株式会社、２００８年、ｐ.８９
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は、カスケード制御系において、制御対象（数３）の逆モデル（数４）によるフィードフォワード制御を利用する方法を提供する。
【数３】
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【数４】
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【０００８】
まずカスケード制御系に数４のフィードフォワード制御を単に追加するだけでは（図３）、不十分であることの例を示す。
目標値rの９５％に到達させるフィードフォワード制御
【数５】
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を図１のカスケード制御系に追加した場合のシミュレーション例を図１０、図１１に示す。数５のＦは純粋な微分計算を避けるために追加したローパスフィルタである。比較のため、図７と図８にカスケード制御系のみの応答を示し、図９にフィードフォワード制御（数５）のみの応答を示す。パラメータ値はＪ＝０.０１、Ｄ＝０.０２、Ｔ＝０.００１とした。
【０００９】
図１０は、図７の応答のカスケード制御系に図９の応答のフィードフォワード制御を追加した場合であるが、フィードフォワード制御の追加によって応答が速くなるどころか逆に遅くなり、応答自体も乱れてしまう。図１１は、図１０よりもフィードバック制御を強めた場合である（図８の応答のカスケード制御系に図９の応答のフィードフォワード制御を追加）。図１１の応答は、乱れは改善されたが、応答の速さはカスケード制御系のみの場合（図８）と同程度であり、フィードフォワード制御の応答性（図９）を活かすことができていない。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
図３の制御系が不十分なのは「カスケード制御系の内部ループに入り込んだフィードフォワード入力（すなわち数６の信号）が制御系に悪影響を与えるためである」と考えられる。
そこで数６の信号をキャンセルするための補正入力（数７）を加えるのが本発明の方式である（図４）。
【数６】
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【数７】
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【００１１】
既存方法との関連として、本発明と非特許文献１との関係を示す。図４のフィードフォワード入力ｕffに１／Ｃ１をかけてコントローラＣ１の前に移動し、数７の補正入力と加算すると
【数８】
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となり、数１が導かれる。すなわち数４の逆モデルと数７の補正入力により、非特許文献１の方法と同じ特性が得られる。
【００１２】
別の観点から述べる。図５はフィードフォワード制御を併用するときの最も基本的な形であり、多くの制御系で用いられている。非特許文献１では、図２の点線部分を一括して図５の形とみなしてフィードフォワードコントローラを設計している。
【００１３】
一方、本発明の図４のコントローラＣ１の出力は
【数９】
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となる。よって図４も図５の形（数１０の場合）で表すことができるので、本発明の制御系も図５と等価であることが分かる。
【数１０】
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【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
図１のモータ制御の場合、数７の補正入力は数１１となる。
【数１１】
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制御系を図６に示す。数１１の補正入力の追加により、図１０、図１１の応答がそれぞれ図１２、図１３のように改善され、シミュレーションにおいても本発明の効果を確認することができる。ここでは目標値rとして三角波形を積分した信号（三角駆動）を用いているので、補正入力ｓｒは三角波形（図１４）になる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】カスケード制御系（モータ制御の場合）
【図２】既存方法（非特許文献１）
【図３】カスケード制御＋フィードフォワード制御
【図４】本発明の方式
【図５】フィードバック制御＋フィードフォワード制御の基本形
【図６】本発明の方式（モータ制御の場合）以下の図はシミュレーションによる応答例である
【図７】カスケード制御のみの応答例Ａ
【図８】カスケード制御のみの応答例Ｂ
【図９】フィードフォワード制御のみの応答例
【図１０】カスケード制御＋フィードフォワード制御の応答例Ａ（補正入力なし）
【図１１】カスケード制御＋フィードフォワード制御の応答例Ｂ（補正入力なし）
【図１２】カスケード制御＋フィードフォワード制御の応答例Ａ（補正入力あり）
【図１３】カスケード制御＋フィードフォワード制御の応答例Ｂ（補正入力あり）
【図１４】本発明の方式による補正入力
【符号の説明】
【００１６】
１      フィードフォワードコントローラ
２ａ    制御対象の部分モデル１
２ｂ    制御対象の部分モデル２
２      制御対象のモデル
３      コントローラ１
４      コントローラ２
５      本発明の補正要素
１’    フィードフォワードコントローラ（モータ制御の場合）
２ａ’  制御対象の部分モデル１（モータ制御の場合）
２ｂ’  制御対象の部分モデル２（モータ制御の場合）
３’    速度コントローラ（モータ制御の場合）
４’    位置コントローラ（モータ制御の場合）
５’    本発明の補正要素（モータ制御の場合）
６’    フィードフォワード入力の調整係数
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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