(57)【要約】【課題】  制御対象のモデルをパルス伝達関数で表し、離散系で制御器を設計してデジタル補償器を用いて実現することによって、簡単な構成で高速高精度に制御対象の出力を目標指令に追従させることができる２自由度デジタル制御装置を提供する。【解決手段】  フィードフォワード補償部２とデジタルフィルタ１とフィードバック補償部３とパラメータ調整部５とを備え、フィードバック操作量ｕｆｂとフィードフォワード操作量ｕｆｆとを加算して制御対象４の操作量ｕとする２自由度デジタル制御装置において、  フィードフォワード補償部２はフィードフォワードゲイン２１とフィードフォワード位相補償部２２とで構成され、パラメータ調整部５は制御対象４の操作量ｕと制御対象４の出力ｙに基づいてフィードフォワードゲイン２１およびデジタルフィルタ１の係数を算出する。【選択図】図１
2010086395.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
目標指令を入力しフィードフォワード操作量を出力するフィードフォワード補償部と、前記目標指令を入力しフィードバック指令を出力するデジタルフィルタと、前記フィードバック指令と制御対象の出力との偏差を入力しフィードバック操作量を出力するフィードバック補償部と、パラメータ調整部とを備え、前記フィードバック操作量と前記フィードフォワード操作量とを加算して前記制御対象の操作量とする２自由度デジタル制御装置において、
前記フィードフォワード補償部はフィードフォワードゲインとフィードフォワード位相補償部とで構成され、前記パラメータ調整部は前記制御対象の操作量と前記制御対象の出力に基づいて前記フィードフォワードゲインおよび前記デジタルフィルタの係数を算出することを特徴とする２自由度デジタル制御装置。
【請求項２】
前記制御対象のパルス伝達関数を未定係数の有理式で表し、前記フィードフォワード位相補償部のパルス伝達関数を一定係数の有理式とし、前記フィードフォワードゲインに初期値を与え、前記制御対象の操作量および前記制御対象の出力のデータに基づいて最小２乗法を用いて前記未定係数を定め、前記フィードフォワードゲインを原点における前記制御対象のパルス伝達関数の値と原点における前記フィードフォワード位相補償部のパルス伝達関数の値との乗積の逆数とし、前記デジタルフィルタのパルス伝達関数を前記フィードフォワードゲインと前記フィードフォワード位相補償部のパルス伝達関数と前記制御対象のパルス伝達関数との乗積とすることを特徴とする請求項１記載の２自由度デジタル制御装置。
【請求項３】
目標指令を入力しフィードフォワード操作量を出力するフィードフォワード補償部と、前記目標指令を入力しフィードバック指令を出力するデジタルフィルタと、前記フィードバック指令と制御対象の出力との偏差を入力しフィードバック操作量を出力するフィードバック補償部と、パラメータ調整部とを備え、前記フィードバック操作量と前記フィードフォワード操作量とを加算して前記制御対象の操作量とする２自由度デジタル制御装置において、
前記フィードバック補償部の出力を操作する第１スイッチと、前記パラメータ調整部の出力を操作する第２スイッチとを備え、
前記フィードフォワード補償部はフィードフォワードゲインとフィードフォワード位相補償部とで構成され、前記パラメータ調整部は前記目標指令と前記制御対象の出力に基づいて前記フィードフォワードゲインおよび前記デジタルフィルタの係数を算出することを特徴とする２自由度デジタル制御装置。
【請求項４】
前記フィードフォワード位相補償部のパルス伝達関数を一定係数の有理式とし、前記フィードフォワードゲインに初期値を与え、前記第１スイッチをオフし前記第２スイッチをオンした状態で制御系を機能させて前記目標指令および前記制御対象の出力のデータを取り記憶装置に格納し、前記目標指令から前記制御対象の出力までの目標応答特性のパルス伝達関数を未定係数の有理式で表し、前記記憶装置に格納された前記目標指令および前記制御対象の出力のデータを取り出し最小２乗法を用いて前記未定係数を定め、前記フィードフォワードゲインを、前記初期値を原点における前記目標応答特性のパルス伝達関数の値で割った値とし、前記デジタルフィルタのパルス伝達関数を前記目標応答特性のパルス伝達関数と前記フィードフォワードゲインとの乗積を前記初期値で割った値とすることを特徴とする請求項３記載の２自由度デジタル制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、適応型デジタルフィルタと適応型フィードフォワード補償部を備え目標指令追従特性を良好にする２自由度デジタル制御装置およびその制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
産業上ほとんどの制御システムでは、制御対象の出力を目標指令に対して完全追従させることが理想的な目標である。これを達成するためには、制御対象のモデルを用いてフィードフォワード制御を行う必要がある。実際の制御対象は不確かさや変動などが存在するため、正確なモデルを与えることが不可能である。
高速応答を可能とする従来技術の例としては、特許文献１で開示されている適応型２自由度制御装置などが提案されている。
図３は従来の適応型２自由度制御装置の構成を示すブロック線図である。同図において、３１は前置フィルタ、３２はフィードフォワード補償器、３３はフィードバック補償器、３４は制御対象である。また、フィードフォワード補償器３２の出力ｕｆｆとフィードバック補償器３３の出力ｕｆｂとの和を操作量ｕとして制御対象３４に与える。そして、３５はオートチューニング部であり、フィードフォワード補償器３２の出力ｕｆｆとフィードバック補償器３３の出力ｕｆｂおよび制御対象３４の出力ｙに基づいて、前置フィルタ３１とフィードフォワード補償器３２およびフィードバック補償器３３のパラメータをチューニングする。
ここに、オートチューニング部３５に制御対象３４のモデルを設け、制御対象３４の出力から特徴量を抽出し、その特徴量をもとに制御対象３４のモデルの伝達関数を修正する。
このように、従来の２自由度制御装置は、制御対象のモデルを事前に特定することなく、オートチューニング部３５に備えた制御対象３４のモデルのパラメータを自動的にかつリアルタイムにチューニングすることにより、外乱抑制などのフィードバック特性を良好に保ち、高速な応答を実現することができる。
【特許文献１】特開平６−２８００６号公報（第５−１３頁、図４）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
従来の２自由度制御装置は、制御対象のモデルをアナログ伝達関数で表すので、制御対象の構造を正確に知る必要があるため、複雑なモデルをもつ制御対象に対して制御器も複雑になるという問題があった。また、制御器をデジタル補償器を用いて実現する場合に、離散化による目標指令に対する追従精度が十分でないという問題もあった。
本発明はこのような問題点に鑑みてなされたものであり、制御対象のモデルをパルス伝達関数で表し、離散系で制御器を設計してデジタル補償器を用いて実現することによって、簡単な構成で高速高精度に制御対象の出力を目標指令に追従させることができる２自由度デジタル制御装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
上記問題を解決するため、本発明は、次のように構成したものである。
請求項１に記載の発明は、目標指令を入力しフィードフォワード操作量を出力するフィードフォワード補償部と、前記目標指令を入力しフィードバック指令を出力するデジタルフィルタと、前記フィードバック指令と制御対象の出力との偏差を入力しフィードバック操作量を出力するフィードバック補償部と、パラメータ調整部とを備え、前記フィードバック操作量と前記フィードフォワード操作量とを加算して前記制御対象の操作量とする２自由度デジタル制御装置において、
前記フィードフォワード補償部はフィードフォワードゲインとフィードフォワード位相補償部とで構成され、前記パラメータ調整部は前記制御対象の操作量と前記制御対象の出力に基づいて前記フィードフォワードゲインおよび前記デジタルフィルタの係数を算出することを特徴とするものである。
また、請求項２に記載の発明は、請求項１記載の２自由度デジタル制御装置において、前記制御対象のパルス伝達関数を未定係数の有理式で表し、前記フィードフォワード位相補償部のパルス伝達関数を一定係数の有理式とし、前記フィードフォワードゲインに初期値を与え、前記制御対象の操作量および前記制御対象の出力のデータに基づいて最小２乗法を用いて前記未定係数を定め、前記フィードフォワードゲインを原点における前記制御対象のパルス伝達関数の値と原点における前記フィードフォワード位相補償部のパルス伝達関数の値との乗積の逆数とし、前記デジタルフィルタのパルス伝達関数を前記フィードフォワードゲインと前記フィードフォワード位相補償部のパルス伝達関数と前記制御対象のパルス伝達関数との乗積とすることを特徴とするものである。
【０００５】
請求項３に記載の発明は、目標指令を入力しフィードフォワード操作量を出力するフィードフォワード補償部と、前記目標指令を入力しフィードバック指令を出力するデジタルフィルタと、前記フィードバック指令と制御対象の出力との偏差を入力しフィードバック操作量を出力するフィードバック補償部と、パラメータ調整部とを備え、前記フィードバック操作量と前記フィードフォワード操作量とを加算して前記制御対象の操作量とする２自由度デジタル制御装置において、
前記フィードバック補償部の出力を操作する第１スイッチと、前記パラメータ調整部の出力を操作する第２スイッチとを備え、前記フィードフォワード補償部はフィードフォワードゲインとフィードフォワード位相補償部とで構成され、前記パラメータ調整部は前記目標指令と前記制御対象の出力に基づいて前記フィードフォワードゲインおよび前記デジタルフィルタの係数を算出することを特徴とするものである。
また、請求項４に記載の発明は、請求項３記載の２自由度デジタル制御装置において、前記フィードフォワード位相補償部のパルス伝達関数を一定係数の有理式とし、前記フィードフォワードゲインに初期値を与え、前記第１スイッチをオフし前記第２スイッチをオンした状態で制御系を機能させて前記目標指令および前記制御対象の出力のデータを取り記憶装置に格納し、前記目標指令から前記制御対象の出力までの目標応答特性のパルス伝達関数を未定係数の有理式で表し、前記記憶装置に格納された前記目標指令および前記制御対象の出力のデータを取り出し最小２乗法を用いて前記未定係数を定め、前記フィードフォワードゲインを、前記初期値を原点における前記目標応答特性のパルス伝達関数の値で割った値とし、前記デジタルフィルタのパルス伝達関数を前記目標応答特性のパルス伝達関数と前記フィードフォワードゲインとの乗積を前記初期値で割った値とすることを特徴とするものである。
【発明の効果】
【０００６】
請求項１および請求項２に記載の発明によると、目標指令を僅かな位相遅れを持つデジタルフィルタを介してフィードバック指令とし、そして制御対象の操作量と制御対象の出力に基づいてデジタルフィルタの係数およびフィードフォワードゲインをオンラインで決定することによって、フィードバック制御ゲインが上げられなく制御対象に不確かさや変動および遅れ要素が存在する制御システムに対しても、簡単な構成で高速高精度に制御対象の出力を目標指令に追従させることができる。
また、請求項３および請求項４に記載の発明によると、目標指令を僅かな位相遅れを持つデジタルフィルタを介してフィードバック指令とし、そして目標指令と制御対象の出力に基づいてデジタルフィルタの係数およびフィードフォワードゲインをオフラインで決定することによって、フィードバック制御ゲインが上げられなく制御対象に不確かさや変動および遅れ要素が存在する制御システムに対しても、高速高精度に制御対象の出力を目標指令に追従させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
以下、本発明の実施の形態について図１および図２を参照して説明する。また、以下同一名称には同一符号を付け重複説明を省略する。
【実施例１】
【０００８】
図１は、本発明の第１実施例を示す２自由度デジタル制御装置のブロック線図である。同図において、１はデジタルフィルタであり、目標指令ｒを入力してフィードバック指令ｒｆｂを出力する。２はフィードフォワード補償部であり、フィードフォワードゲイン２１とフィードフォワード位相補償部２２を含んでおり、目標指令ｒを入力してフィードフォワード操作量ｕｆｆを出力する。５はパラメータ調整部であり、制御対象４の操作量ｕと制御対象４の出力ｙに基づいてデジタルフィルタ１の係数およびフィードフォワードゲイン２１を決定する。
以下、動作原理について説明する。
【０００９】
まず、制御対象４のパルス伝達関数Ｐ（ｚ）を式（１）のように表す。
【００１０】
【数１】
2010086395.tif 000003
【００１１】
ただし、ｎとｍは自然数、ｃｉ（ｉ＝１，２，・・・，ｍ），ｄｊ（ｊ＝０，１，２，・・・，ｎ）は未定係数である。
また、Ｐ（ｚ）の遅れ位相を位相進み補償し、そしてフィードフォワード操作量ｕｆｆが急変にならないようにフィードフォワード位相補償部２２、Ｍ（ｚ）を選定する。例えば、電動機を駆動する速度サーボ制御系では、電流ループや速度検出回路や摩擦などの細かい要素を無視したモデル（１／Ｊｓ、Ｊは機械可動部のイナーシャである）の位相を補償するため、Ｍ（ｚ）を（１−ｚ−１）／Ｔ（Ｔはサンプリング周期である）とする。
また、フィードフォワードゲイン２１、αに適当な初期値α０を与える。
次に、Ｐ（ｚ）の入力ｕ（ｚ）および出力ｙ（ｚ）のデータに基づいて最小２乗法を用いて係数ｃｉ（ｉ＝１，２，・・・，ｍ），ｄｊ（ｊ＝０，１，２，・・・，ｎ）を決定する。
次に、フィードフォワードゲイン２１、αを式（２）のように与える。
【００１２】
【数２】
2010086395.tif 000004
【００１３】
最後に、デジタルフィルタＦ（ｚ）を式（３）のように与える。
Ｆ（ｚ）＝αＭ（ｚ）Ｐ（ｚ）                     （３）
そうすると、フィードバック補償部３、Ｃ（ｚ）と関係なく、制御対象４の出力ｙを常にフィードバック指令ｒｆｂに追従させることができる。すなわち、制御対象４の出力ｙが目標指令ｒにデジタルフィルタ１、Ｆ（ｚ）の遅れ量で追従する。また、式（２）および式（３）より、式（４）が成り立つ。
Ｆ（０）＝αＭ（０）Ｐ（０）＝１                 （４）
従って、デジタルフィルタ１、Ｆ（ｚ）がローパスフィルタとなり、制御対象４の出力ｙと目標指令ｒとの定常偏差が０となる。また、Ｐ（ｚ）の遅れ位相はＭ（ｚ）により位相進み補償されるため、Ｆ（ｚ）の位相遅れ量が小さい。
【００１４】
このように、目標指令ｒを僅かな位相遅れを持つデジタルフィルタ１を介してフィードバック指令ｒｆｂとし、そして制御対象４の操作量ｕと出力ｙに基づいてデジタルフィルタ１の係数およびフィードフォワードゲイン２１をパラメータ調整部５によってオンラインで決定することによって、フィードバック制御ゲインが上げられなく制御対象４に不確かさや変動および遅れ要素が存在する制御システムに対しても、簡単な構成で高速高精度に制御対象の出力を目標指令に追従させることができる。
【実施例２】
【００１５】
図２は、本発明の第２実施例を示す２自由度デジタル制御装置のブロック線図である。同図において、６は第１スイッチ、７は第２スイッチである。また、５はパラメータ調整部であり、目標指令ｒと制御対象４の出力ｙに基づいてデジタルフィルタ１の係数およびフィードフォワードゲイン２１を決定する。
以下、動作原理について説明する。
【００１６】
まず、制御対象４のパルス伝達関数Ｐ（ｚ）の遅れ位相を位相進み補償し、そしてフィードフォワード操作量ｕｆｆが急変にならないようにフィードフォワード位相補償部２２、Ｍ（ｚ）を選定する。例えば、電動機を駆動する速度サーボ制御系では、電流ループや速度検出回路や摩擦などの細かい要素を無視したモデル（１／Ｊｓ、Ｊは機械可動部のイナーシャである）の位相を補償するため、Ｍ（ｚ）を（１−ｚ−１）／Ｔ（Ｔはサンプリング周期である）とする。
また、フィードフォワードゲイン２１、αに適当な初期値α０を与える。
次に、第１スイッチ６をオフし第２スイッチ７をオンした状態で制御系を機能させ、目標指令ｒと制御対象４の出力ｙのデータを取り記憶装置に格納する。
次に、目標指令ｒから制御対象４の出力ｙまでのパルス伝達関数Ｇ（ｚ）を式（５）に示すものとする。
【００１７】
【数３】
2010086395.tif 000005
【００１８】
ただし、ｎとｍは自然数、ａｉ（ｉ＝１，２，・・・，ｍ），ｂｊ（ｊ＝０，１，２，・・・，ｎ）は未定係数である。
また、格納された目標指令ｒと制御対象４の出力ｙのデータを取り出し最小２乗法を用いて係数ａｉ（ｉ＝１，２，・・・，ｍ），ｂｊ（ｊ＝０，１，２，・・・，ｎ）を決定する。よって、Ｇ（ｚ）が式（６）を満たす。
Ｇ（ｚ）＝α０Ｍ（ｚ）Ｐ（ｚ）                  （６）
最後に、フィードフォワードゲイン２１、αを式（７）のように設定する。
α ＝α０／Ｇ（０）                      （７）
そして、デジタルフィルタＦ（ｚ）を式（８）のように与える。
Ｆ（ｚ）＝Ｇ（ｚ）α ／α０               （８）
式（６）および式（８）より、式（９）が成り立つ。
Ｆ（ｚ）＝αＭ（ｚ）Ｐ（ｚ）                     （９）
実際の作業は、以上のように定めたフィードフォワードゲイン２１，αとデジタルフィルタ１、Ｆ（ｚ）を用いて、第１スイッチ６をオフし第２スイッチ７をオンした状態で行う。
式（９）より、フィードバック補償部３、Ｃ（ｚ）と関係なく、制御対象４の出力ｙを常にフィードバック指令ｒｆｂに追従させることができる。すなわち、制御対象４の出力ｙが目標指令ｒにデジタルフィルタ１の遅れ量で追従する。また、式（７）および式（８）より、式（１０）が成り立つ。
Ｆ（０）＝Ｇ（０）α ／α０＝１                （１０）
従って、デジタルフィルタ１、Ｆ（ｚ）がローパスフィルタとなり、制御対象４の出力と目標指令ｒとの定常偏差が０となる。また、Ｐ（ｚ）の遅れ位相を十分位相進み補償するようにＭ（ｚ）を構成したため、Ｆ（ｚ）の位相遅れ量が小さい。
【００１９】
このように、目標指令ｒを僅かな位相遅れを持つデジタルフィルタ１を介してフィードバック指令ｒｆｂとし、そして目標指令ｒと制御対象４の出力ｙに基づいてデジタルフィルタ１の係数およびフィードフォワードゲイン２１をパラメータ調整部５によってオフラインで決定することによって、フィードバック制御ゲインが上げられなく制御対象４に不確かさや変動および遅れ要素が存在する制御システムに対しても、簡単な構成で高速高精度に制御対象の出力を目標指令に追従させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明の第１実施例を示す２自由度デジタル制御装置のブロック線図
【図２】本発明の第２実施例を示す２自由度デジタル制御装置のブロック線図
【図３】従来技術を用いた２自由度制御装置の構成を示すブロック線図
【符号の説明】
【００２１】
１  デジタルフィルタ
２  フィードフォワード補償部
３  フィードバック補償部
４、３４  制御対象
５  パラメータ調整部
６  第１スイッチ
７  第２スイッチ
２１  フィードフォワードゲイン
２２  フィードフォワード位相補償部
３１  前置フィルタ
３２  フィードフォワード補償器
３３  フィードバック補償器
３５  オートチューニング部
【図１】
2010086395.tif 000006
【図２】
2010086395.tif 000007
【図３】
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