(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
目標信号と制御対象の検出信号との偏差に基づいて低速積分演算結果を含む第１の演算結果を取得し、該第１の演算結果により動力部を駆動し、該動力部により前記制御対象を制御し、前記制御対象の制御結果を前記検出信号とするフィードバック制御方法において、
前記偏差の絶対値が予め設定した第１の閾値内にあるときに前記偏差の高速積分演算を行ってその積分値を前記第１の演算結果に加算して第２の演算結果とし、又は前記第１の演算結果に対して高速積分演算を行ってその積分値を前記第１の演算結果と加算して第２の演算結果とし、該第２の演算結果により前記動力部を駆動することを特徴とするフィードバック制御方法。
【請求項２】
請求項１に記載のフィードバック制御方法において、
前記偏差の絶対値が前記第１の閾値を超えたとき、前記高速積分演算の積分値を前記低速積分演算の積分値に加算し又は加算せず、且つ前記高速積分演算の積分値を零リセットし、且つ前記高速積分演算を停止することを特徴とするフィードバック制御方法。
【請求項３】
請求項１又は２に記載のフィードバック制御方法において、
前記偏差が零又は零とみなせるとき、前記高速積分演算の積分値を前記低速積分演算の積分値に加算し、且つ前記高速積分演算の積分値を零リセットしてから、前記高速積分演算を継続することを特徴とするフィードバック制御方法。
【請求項４】
請求項１又は２に記載のフィードバック制御方法において、
前記第１の閾値よりも小さな第２閾値を設け、前記偏差の絶対値が前記第２閾値以内のとき、前記高速積分演算の積分値を前記低速積分演算の積分値に加算し又は加算せず、且つ前記高速積分演算の積分値を零リセットしてから、前記高速積分演算を停止することを特徴とするフィードバック制御方法。
【請求項５】
請求項１、２、３又は４に記載のフィードバック制御方法において、
前記高速積分演算の最大積分値を前記低速積分演算の最大積分値よりも小さく設定したことを特徴とするフィードバック制御方法。
【請求項６】
目標信号と制御対象の検出信号との偏差に基づいて低速積分を行う低速積分演算器を含む第１の演算部と、該第１の演算部で得られた第１の演算結果により駆動されて前記制御対象を制御する動力部と、前記制御対象の制御結果を検出する検出器とを備え、該検出器で検出された信号を前記検出信号とするフィードバック制御装置において、
前記偏差の絶対値が予め設定した第１の閾値内にあるときに前記偏差の高速積分演算を行ってその積分値を前記第１の演算結果に加算して第２の演算結果とし、又は前記第１の演算結果に対して高速積分演算を行ってその積分値を前記第１の演算結果と加算して第２の演算結果とする高速積分演算器を設け、前記第２の演算結果により前記動力部を駆動するようにしたことを特徴とするフィードバック制御装置。
【請求項７】
請求項６に記載のフィードバック制御装置において、
前記偏差の絶対値が前記第１の閾値を超えたとき、前記高速積分演算器の積分値を前記低速積分演算器の積分値に加算し又は加算せず、且つ前記高速積分演算器の積分値を零リセットし、且つ前記高速積分演算器を動作停止させることを特徴とするフィードバック制御装置。
【請求項８】
請求項６又は７に記載のフィードバック制御装置において、
前記偏差が零又は零とみなせるとき、前記高速積分演算器の積分値を前記低速積分演算器の積分値に加算し、且つ前記高速積分演算器の積分値を零リセットしてから、前記高速積分演算器を継続動作させることを特徴とするフィードバック制御装置。
【請求項９】
請求項６又は７に記載のフィードバック制御装置において、
前記第１の閾値よりも小さな第２閾値を設け、前記偏差の絶対値が前記第２閾値以内のとき、前記高速積分演算器の積分値を前記低速積分演算器の積分値に加算し、且つ前記高速積分演算器の積分値を零リセットしてから、前記高速積分演算器を動作停止させることを特徴とするフィードバック制御装置。
【請求項１０】
請求項６、７、８又は９に記載のフィードバック制御装置において、
前記高速積分演算器の最大積分値を、前記低速積分演算器の最大積分値よりも小さく設定したことを特徴とするフィードバック制御装置。
【請求項１１】
目標信号と制御対象の検出信号との偏差に基づいて低速積分演算結果を含む第１の演算結果を取得し、該第１の演算結果により動力部を駆動し、該動力部により前記制御対象を制御し、前記制御対象の制御結果を前記検出信号とするフィードバック制御方法における積分演算をコンピュータに実行させるプログラムにおいて、
前記偏差の絶対値が予め設定した第１の閾値内にあるか否かを判定する第１のステップと、
該第１のステップによって前記偏差の絶対値が予め設定した第１の閾値内にあると判定されたとき、前記偏差の高速積分演算を行ってその積分値を前記第１の演算結果に加算して第２の演算結果とし、又は前記第１の演算結果に対して高速積分演算を行ってその積分値を前記第１の演算結果と加算して第２の演算結果とする第２のステップと、
を備え、
前記第２の演算結果により前記動力部が駆動されるようにしたことを特徴とするプログラム。
【請求項１２】
請求項１１に記載のプログラムにおいて、
前記偏差の絶対値が前記第１の閾値を超えたとき、前記高速積分演算の積分値を前記低速積分演算の積分値に加算し又は加算せず、且つ前記高速積分演算の積分値を零リセットし、且つ前記高速積分演算を停止する第３のステップを備えることを特徴とするプログラム。
【請求項１３】
請求項１１又は１２に記載のプログラムにおいて、
前記偏差が零又は零とみなせるとき、前記高速積分演算の積分値を前記低速積分演算の積分値に加算し、且つ前記高速積分演算の積分値を零リセットしてから、前記高速積分演算を継続する第４のステップを備えることを特徴とするプログラム。
【請求項１４】
請求項１１又は１２に記載のプログラムにおいて、
前記第１の閾値よりも小さな第２閾値を設け、前記偏差の絶対値が前記第２閾値以内のとき、前記高速積分演算の積分値を前記低速積分演算の積分値に加算し、且つ前記高速積分演算の積分値を零リセットしてから、前記高速積分演算を停止する第５のステップを備えることを特徴とするプログラム。
【請求項１５】
請求項１１、１２、１３又は１４に記載のプログラムにおいて、
前記高速積分演算の最大積分値を前記低速積分演算の最大積分値よりも小さく設定したことを特徴とするプログラム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ウェブのテンションやその他の制御対象を所定の状態に制御するフィードバック制御方法、フィードバック制御装置及びプログラムに関する。
【背景技術】
【０００２】
図５にウェブ用のテンション制御装置の一例を示す。これは、ロール状態から巻き戻される印刷用紙等のウェブ１０に弛みやしわ等が生じることを防止するために、そのウェブ１０に対して搬送途中で所定のテンションを与える装置である。図６にそのテンション制御装置で使用されるフィードバック制御装置の機能ブロック図を示す。【０００３】
ウェブ１０は、２個のローラ２０と中間ローラ３０とを介在して、ロール状態から矢印Ａ方向に巻き戻される。ウェブ１０には、下流側の巻き上げ動力と上流側巻戻しブレーキ力によりテンションが与えられる。中間ローラ３０にかかるウェブ１０による力は、このテンションに対応した力であり、中間ローラ３０の両端を支持するように配置された２個のテンション検出器４０によって検出され、コントローラ５０Ｂに取り込まれる。このコントローラ５０Ｂには、あらかじめ目標テンションの値が設定されており、その目標テンション信号と、テンション検出器４０で検出されたテンション検出信号（力信号）を実際のテンションに変換したテンション検出信号との偏差に応じた制御信号が、そのコントローラ５０Ｂで生成される。この制御信号によって、動力部としての電磁ブレーキ６０が駆動されることで、そのウェブ１０のロールの巻戻しのブレーキ力が制御され、そのウェブ１０に加わるテンションが前記目標テンションになるように制御される。動力部としては、電磁ブレーキ６０以外に、クラッチやモータを使用することも行われ、近年ではモータ制御とする事例も多いが、コスト的には電磁ブレーキを使用する方が安価になる傾向がある。【０００４】
図７にこのコントローラ５０Ｂの内部構成を示す。テンション検出器４０で検出されたテンション検出信号（力信号）の実体は中間ローラ３０にかかっている力であり、この信号が信号変換器５３において、事前に与えられた校正値を基に本来のテンション信号に変換される。ノイズが大きい場合は予めスイッチＳＷ１を破線側に切り替えておくことによりローパスフィルタ５１でノイズが除去されてからその信号変換器５３に入力する。目標テンション信号は、減算器５４において信号変換器５３から出力するテンション検出信号と減算されて偏差信号となる。この偏差信号は、ＰＩＤ演算器５５に取り込まれることで比例・積分・微分の演算が行われる。【０００５】
テンション検出器４０は、ウェブ１０のテンションをバネの変位として取り込むことで中間ローラにかかる圧力を検出するのが基本原理であるため、中間ローラ３０の質量とテンション検出器４０のバネ定数の関係で、数十Ｈｚ〜百数十Ｈｚの共振点を持つことがある。このため、この共振点の信号成分は確実にカットすることが望ましいことから、前記ローパスフィルタ５１として、１０ミリ秒〜数百ミリ秒の時定数をもつ１次遅れのローパスフィルタが挿入される。近年では、テンション検出器４０として歪みゲージを用いたものが登場している。この種のテンション検出器は、バネ定数が非常に大きくとれるので、テンション検出器４０の共振周波数が高くなるため、ローパスフィルタ５１の時定数を小さくすることが可能になる。【０００６】
ＰＩＤ演算部５５において、比例演算を行う比例演算器５５１は、偏差を比例的に増幅して偏差を速やかに修正する役割をもつ。比例計算だけでは、偏差が小さくなると制御演算結果が零に近くなるため、定常偏差が残ることになり、十分な制御演算は実現できない。そこで、積分演算器５５２で現在までの偏差の積分演算を行うとその欠点は改善される。積分演算では偏差が微小であってもそれを積分するので、制御対象の定常偏差をなくすだけの出力を出すことが可能である。一般的に積分のゲインは積分時間とよばれ、積分時間が短いほどそのゲインが高くなる。比例と積分の演算のみで十分な制御特性を得られる場合も多くあり、この比例と積分の演算だけによる制御はＰＩ制御と呼ばれる。微分演算器５５３で行う微分演算は、急激な偏差の変動に対し有効に働く。各演算器５５１、５５２、５５３の演算結果が加算器５５４で加算されて制御出力信号となる。なお、偏差信号は、ノイズが大きい場合には、予めスイッチＳＷ２を破線側に切り替えておくことにより、ローパスフィルタ５２を経由してからＰＩＤ演算器５５に入力する。コントローラ５０Ｂでの演算は、ＰＩＤの各パラメータを調整することで行う。【０００７】
制御対象を目標値に追従させるフィードバック制御では、コントローラ５０Ｂに最低１つの積分演算器を入れることが一般的である。設計理論においては、コントローラ５０Ｂで導出される演算結果に積分結果を含まないことがあるが、この場合は、制御対象に積分動作が含まれるものと仮定し、実装においてコントローラ５０Ｂに積分演算を移すのが一般的である。これは、コントローラ５０Ｂに１つ以上の積分演算器を入れることで定常偏差が無くなることが理論的に知られている（内部モデル原理）ためである。【０００８】
ところで、一般的にコントローラ５０Ｂの制御演算のゲインを上げると、制御系の応答が速くなって定常偏差が減少する等の利点が多いが、これは制御系の安定度を下げることになる。従って、ある一定値以上にゲインを上げることができない。【０００９】
例えば輪転印刷機では、巻出しロールの質量は変化し続ける。この輪転印刷機のテンション制御では、ロール質量が時間と共に変化すれば、最適な制御パラメータも時間と共に変化する。この場合、考えられる全ての条件で安定した制御パラメータに調整する必要があるが、一般的には、コントローラ５０Ｂのゲインを低めに設定することで、安定性を確保することが行われる。このため、高精度な制御系の構築は難しい。【００１０】
この問題に関してはいくつかの提案がなされ実施されている。コントローラ５０Ｂの制御出力はロール質量に比例する傾向があるので、ロール質量が小さい（ブレーキ制御出力信号が小さい）ときの出力はより小さく、ロール質量が大きい（ブレーキ制御出力信号が大きい）ときの出力はより大きくする指数補正の例がある。この手法は、ダイオードの非線形特性を利用することで、アナログ回路のみで実装できる。現在では、マイクロプロセッサやＦＰＧＡ等が安価に入手できるため、テンション制御にこれを採用する例が多い。このため多くの場合、この機能を追加コスト無しに実装可能な場合が多い。【００１１】
しかし、この手法はロール重量変化を完全にキャンセルできるわけではなく、コントローラ５０Ｂの制御演算のゲインを最適値まで上げることができるかは保証できない。従って、この指数補正を用いてもコントローラ５０Ｂの制御演算のゲインを十分高くするとはできず、外乱抑制や制御精度を十分に高められない可能性がある。【００１２】
さらに高度な手段として、図８のコントローラ５０Ｃで示すように、ＰＩＤ演算器５５の演算結果に、スイッチＳＷ４により径補正部５９による演算を追加できるようにしておいて、この径補正部５０において制御信号に指数の補正係数をかけることが行われる。これは、巻戻しロールの巻径を演算又は計測しで取得し、これを径補正部５９の制御パラメータに反映させるものである。巻戻しロール径は、接触あるいは非接触の位置検出器によって巻き出しロールの表面位置を求めることで容易に得ることが出来る。また、ライン速度を求めるエンコーダと巻戻しロールの回転を測定するエンコーダ（又は近接センサ）を用いることでも容易に巻戻しロール径を演算できる。【００１３】
しかし、径補正部５９を用いる手法には２つの欠点があることが容易に想像できる。１つはシステムの価格が上昇することである。もう１つはロール径の自乗とロールの慣性モーメントは比例関係にあるが、ロール径が判ればロールの慣性モーメントが判るというわけではない。例えば、紙幅や紙の重量密度が変われば、同じロール径でも質量は異なる。また、ロールの巻取りテンションが異なれば、同じロール径でも質量および慣性モーメントは変わる可能性がある。すなわち、単純にロール径の演算結果を適用して径補正部５９のパラメータ設定し、可変ゲインのコントローラ５０Ｃを実現しても、それが最適な制御パラメータである保証はなく、ある程度安定性に余裕を持たせなければならない。【００１４】
当然、ロールの慣性モーメントをリアルタイムで推定し、各状態に応じて径補正部５９の制御パラメータを可変するシステムを実現すれば問題は解決すると推測できる。しかし、これらの情報を輪転印刷機の印刷のたびに入力するには、莫大なデータベースシステムを構築する必要があり、運用として好ましくない。また、装置を供給する機械メーカ側としても、このようなシステムを作るのには多大な手間がかかる。【００１５】
他に考えられる手段としてロバスト制御理論を使用することがある（例えば特許文献１）。これは、制御対象の数学モデルを求め、制御対象の変動範囲を定めて、最適な制御演算を求める手法である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１６】
【特許文献１】特開２０１０−５１１０４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１７】
しかし、この手法では、制御パラメータの調整を行うためには、高度な制御理論が必要とされる。このため、通常の工場勤務者が制御パラメータの調整することを想定したコントローラにこれを採用するのは現実的とは言えない。また、専用のコントローラとしてロバスト制御を採用するのも問題がある。ロバスト制御の設計・調整には高度な制御理論の知識が必要である上、高価な設計ソフトを使用する必要があるためである。このため、ロバスト制御理論を採用できる制御対象は、制御自体に手間と費用がかけられるものに限定されると思慮される。【００１８】
汎用のコントローラを製品化するには、通常の工場勤務者が使いこなすことを想定しなくてはならない。彼らは高度な制御理論を取得しているとは限らない。仮に高度な制御理論を駆使できる能力があったとしても、高価な設計ソフトを導入・運用することが経費的に許されるとは限らない。【００１９】
また目標値がランプ状に変化する場合、積分器が１つのみのシステムでは目標値に終息できないことが理論的に知られている（内部モデル原理）。積分器を複数用いれば、この間題は解消できるが、積分器は位相遅れを誘発するためコントローラのゲインを高くすることは出来ない。【００２０】
一般的には、コントローラの積分器を１つにする代わりに、その積分ゲインを高めることで定常偏差の値を小さくする、もしくは常にオーバーシュートするように積分ゲインを高く設定する、等のことが行われるが、制御対象によっては、前記したように、コントローラの制御演算のゲインを十分に上げることができない場合がある。この場合は要求性能が満たせない可能性がある。【００２１】
本発明の目的は、制御対象が目標値に収束するまでの時間を短縮して、制御対象を目標値から外れ難くすることができ、しかも制御系の安定性を劣化させないようにしたフィードバック制御方法、フィードバック制御装置およびプログラムを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００２２】
上記目的を達成するために、請求項１にかかる発明のフィードバック制御方法は、目標信号と制御対象の検出信号との偏差に基づいて低速積分演算結果を含む第１の演算結果を取得し、該第１の演算結果により動力部を駆動し、該動力部により前記制御対象を制御し、前記制御対象の制御結果を前記検出信号とするフィードバック制御方法において、前記偏差の絶対値が予め設定した第１の閾値内にあるときに前記偏差の高速積分演算を行ってその積分値を前記第１の演算結果に加算して第２の演算結果とし、又は前記第１の演算結果に対して高速積分演算を行ってその積分値を前記第１の演算結果と加算して第２の演算結果とし、該第２の演算結果により前記動力部を駆動することを特徴とする。
【００２３】
請求項２にかかる発明は、請求項１に記載のフィードバック制御方法において、前記偏差の絶対値が前記第１の閾値を超えたとき、前記高速積分演算の積分値を前記低速積分演算の積分値に加算し又は加算せず、且つ前記高速積分演算の積分値を零リセットし、且つ前記高速積分演算を停止することを特徴とする。【００２４】
請求項３にかかる発明は、請求項１又は２に記載のフィードバック制御方法において、前記偏差が零又は零とみなせるとき、前記高速積分演算の積分値を前記低速積分演算の積分値に加算し、且つ前記高速積分演算の積分値を零リセットしてから、前記高速積分演算を継続することを特徴とする。【００２５】
請求項４にかかる発明は、請求項１又は２に記載のフィードバック制御方法において、前記第１の閾値よりも小さな第２閾値を設け、前記偏差の絶対値が前記第２閾値以内のとき、前記高速積分演算の積分値を前記低速積分演算の積分値に加算し又は加算せず、且つ前記高速積分演算の積分値を零リセットしてから、前記高速積分演算を停止することを特徴とする。【００２６】
請求項５にかかる発明は、請求項１、２、３又は４に記載のフィードバック制御方法において、前記高速積分演算の最大積分値を前記低速積分演算の最大積分値よりも小さく設定したことを特徴とする。【００２７】
請求項６にかかる発明のフィードバック制御装置は、目標信号と制御対象の検出信号との偏差に基づいて低速積分を行う低速積分演算器を含む第１の演算部と、該第１の演算部で得られた第１の演算結果により駆動されて前記制御対象を制御する動力部と、前記制御対象の制御結果を検出する検出器とを備え、該検出器で検出された信号を前記検出信号とするフィードバック制御装置において、前記偏差の絶対値が予め設定した第１の閾値内にあるときに前記偏差の高速積分演算を行ってその積分値を前記第１の演算結果に加算して第２の演算結果とし、又は前記第１の演算結果に対して高速積分演算を行ってその積分値を前記第１の演算結果と加算して第２の演算結果とする高速積分演算器を設け、前記第２の演算結果により前記動力部を駆動するようにしたことを特徴とする。
【００２８】
請求項７にかかる発明は、請求項６に記載のフィードバック制御装置において、前記偏差の絶対値が前記第１の閾値を超えたとき、前記高速積分演算器の積分値を前記低速積分演算器の積分値に加算し又は加算せず、且つ前記高速積分演算器の積分値を零リセットし、且つ前記高速積分演算器を動作停止させることを特徴とする。【００２９】
請求項８にかかる発明は、請求項６又は７に記載のフィードバック制御装置において、前記偏差が零又は零とみなせるとき、前記高速積分演算器の積分値を前記低速積分演算器の積分値に加算し、且つ前記高速積分演算器の積分値を零リセットしてから、前記高速積分演算器を継続動作させることを特徴とする。【００３０】
請求項９にかかる発明は、請求項６又は７に記載のフィードバック制御装置において、前記第１の閾値よりも小さな第２閾値を設け、前記偏差の絶対値が前記第２閾値以内のとき、前記高速積分演算器の積分値を前記低速積分演算器の積分値に加算し、且つ前記高速積分演算器の積分値を零リセットしてから、前記高速積分演算器を動作停止させることを特徴とする。【００３１】
請求項１０にかかる発明は、請求項６、７、８又は９に記載のフィードバック制御装置において、前記高速積分演算器の最大積分値を、前記低速積分演算器の最大積分値よりも小さく設定したことを特徴とする。【００３２】
請求項１１にかかる発明のプログラムは、目信号と制御対象の検出信号との偏差に基づいて低速積分演算結果を含む第１の演算結果を取得し、該第１の演算結果により動力部を駆動し、該動力部により前記制御対象を制御し、前記制御対象の制御結果を前記検出信号とするフィードバック制御方法における積分演算をコンピュータに実行させるプログラムにおいて、前記偏差の絶対値が予め設定した第１の閾値内にあるか否かを判定する第１のステップと、該第１のステップによって前記偏差の絶対値が予め設定した第１の閾値内にあると判定されたとき、前記偏差の高速積分演算を行ってその積分値を前記第１の演算結果に加算して第２の演算結果とし、又は前記第１の演算結果に対して高速積分演算を行ってその積分値を前記第１の演算結果と加算して第２の演算結果とする第２のステップと、を備え、前記第２の演算結果により前記動力部が駆動されるようにしたことを特徴とする。
【００３３】
請求項１２にかかる発明は、請求項１１に記載のプログラムにおいて、前記偏差の絶対値が前記第１の閾値を超えたとき、前記高速積分演算の積分値を前記低速積分演算の積分値に加算し又は加算せず、且つ前記高速積分演算の積分値を零リセットし、且つ前記高速積分演算を停止する第３のステップを備えることを特徴とする。【００３４】
請求項１３にかかる発明は、請求項１１又は１２に記載のプログラムにおいて、前記偏差が零又は零とみなせるとき、前記高速積分演算の積分値を前記低速積分演算の積分値に加算し、且つ前記高速積分演算の積分値を零リセットしてから、前記高速積分演算を継続する第４のステップを備えることを特徴とする。【００３５】
請求項１４にかかる発明は、請求項１１又は１２に記載のプログラムにおいて、前記第１の閾値よりも小さな第２閾値を設け、前記偏差の絶対値が前記第２閾値以内のとき、前記高速積分演算の積分値を前記低速積分演算の積分値に加算し、且つ前記高速積分演算の積分値を零リセットしてから、前記高速積分演算を停止する第５のステップを備えることを特徴とする。【００３６】
請求項１５にかかる発明は、請求項１１、１２、１３又は１４に記載のプログラムにおいて、前記高速積分演算の最大積分値を前記低速積分演算の最大積分値よりも小さく設定したことを特徴とする。
【発明の効果】
【００３７】
請求項１、６、１１では、偏差の絶対値が閾値内のときに限って高速積分演算が行われるので、制御系の安定性を保持しながら、制御対象が目標値に収束するまでの時間を短縮して、制御対象を目標値から外れ難くすることができる。【００３８】
請求項２、７、１２では、偏差の絶対値が閾値を超えたときに高速積分値が零リセットされるとともに高速積分演算を停止するので、次の高速積分がゼロからスタートすることになる。このとき、それまでの高速積分値が低速積分値に加算されれば、操作量の急変が防止される。【００３９】
請求項３、８、１３では、偏差が零になったときに高速積分値が零リセットされるので、高速積分の効果が減じられ、オーバーシュートが発生し難くなる。このとき、それまでの高速積分値が低速積分値に加算されれば、操作量の急変が防止される。これにより、低速積分を一時的に高速化したのと同様な効果が得られる。
請求項４、８、１４では、請求項３と本質的に同じである。これは制御系において不感帯が設定されることになる。【００４０】
請求項５、１０、１５では、高速積分の最大積分値が低速積分の最大値よりも小さく設定されるので、高速積分による操作量が小さく抑えられ、制御の安定性が確保される。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】本発明の第１の実施例のフィードバック制御装置のコントローラの構成を示す機能ブロック図である。
【図２】第１の実施例のコントローラの高速積分演算のフローチャートである。
【図３】本発明の第２の実施例のフィードバック制御装置のコントローラの構成を示す機能ブロック図である。
【図４】本発明の第３の実施例のコントローラの高速積分演算のフローチャートである。
【図５】ウェブのテンションを制御するテンション制御装置の構成を示す図である。
【図６】図５のテンション制御装置で使用されるフィードバック制御装置の機能ブロック図である。
【図７】図６のフィードバック制御装置のコントローラの構成を示す機能ブロック図である。
【図８】図５のテンション制御装置で使用される別の例のコントローラの機能ブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００４２】
フィードバック制御における制御性の問題は、ＰＩＤ演算の延長として通常の工場勤務者が理解できる制御演算を用いてを解決することが望ましい。ウェブのテンション制御のように、偏差が零に収束したときに動力部の出力が一定値を保持する制御系の場合、コントローラの出力と積分値が一致すると考えられる。この場合、積分器の応答を速くすることで収束するまでの時間を短縮できるが、応答を速くするために積分時間を小さくした場合、制御系の安定性が劣化する。
【００４３】
そこで、本発明では、ウェブのテンション制御装置に適用されるフィードバック制御において、従来のＰＩＤ演算部に含まれる積分演算器を応答性の遅い（積分時間の大きい）低速積分演算器として扱い、補助として、応答性の速い高速積分演算器を新たに導入する。この高速積分演算器については、その演算のタイミングを制限することにより、制御系の安定性を劣化させないようにする。
【００４４】
＜第１の実施例＞
図１に本発明の第１の実施例のフィードバック制御のコントローラ５０を示す。このコントローラ５０は、図５，図６で説明したフィードバック制御装置に、コントローラ５０Ｂ、５０Ｃに代えて組み込まれるものである。
【００４５】
本実施例のコントローラ５０は、ローパスフィルタ５１，５２、力を示すテンション検出信号を実際のテンション信号に変換する信号変換器５３、減算器５４、ＰＩＤ演算部５５、積分時間の短い高速積分演算器５６、加算器５７、スイッチＳＷ１，ＳＷ２，ＳＷ３を備える。ＰＩＤ演算部５５は、比例演算器５５１、積分演算器５５２、微分演算器５５３、それらの各演算器５５１〜５５３の演算結果を加算する加算器５５４を備える。ここで、ＰＩＤ演算部５５における積分演算器５５２としては、積分時間の長い低速積分演算器を使用する。
【００４６】
テンション検出器４０で検出されたテンション検出信号は、スイッチＳＷ１を経由して信号変換器５３に入力するが、ノイズが大きいときは予めスイッチＳＷ１を破線側に切り替えておくことにより、ローパスフィルタ５１でそのノイズが抑制されてから信号変換器５３に入力する。この信号変換器５３に入力したテンション検出信号（力信号）は、力信号からテンション信号に変換されて出力する。減算器５４では、入力する目標テンション信号からテンション検出信号が減算されることで極性をもつ偏差信号が生成される。その偏差信号はスイッチＳＷ２を経由してＰＩＤ演算部５５に入力する。ノイズが大きいときは、偏差信号は予めスイッチＳＷ２を破線側に切り替えておくことにより、ローパスフィルタ５２でそのノイズが抑制されてからＰＩＤ演算器５５に入力する。そして、スイッチＳＷ３がオンしているときは、高速積分演算器５６にも入力する。ＰＩＤ演算器５５と高速積分演算器５６におけるそれぞれの演算結果が加算器５７で加算されて、制御出力信号として出力する。
【００４７】
スイッチＳＷ３は、減算器５４で得られる偏差信号の絶対値があらかじめ決めた第１の閾値以内のときにオンし、その第１の閾値を超えるときはオフになる。このオフ時は、高速積分演算器５６は積分演算を停止するとともにそれまでの積分値（以下、「高速積分値」と呼ぶ）を零リセットする。また、高速積分演算器５６は、偏差信号が零になる（零点をクロスする）、又は零とみなせるほど小さくなったとき、それまでの高速積分値を零リセットする。高速積分値を零リセットするときは、その零リセットの前に高速積分値を低速積分演算器５５２の積分値（以下、「低速積分値」と呼ぶ）に加算してもよく、加算しなくてもよい。
【００４８】
図２に高速積分演算器５６の制御プログラムのフローチャートを示す。本実施例のコントローラ５０の処理実現には、マイクロプロセッサあるいはＦＰＧＡ等のコンピュータを使用したデジタル演算装置が使用され、減算器５４で得られた偏差のサンプリング毎に処理が行われる。高速積分演算器５５２による高速積分が行われるときは、スイッチＳＷ３がオンされる。
【００４９】
まず、サンプリングされた偏差の絶対値が第１の閾値以内か否かが判定される（ステップＳ１）。偏差の絶対値が第１の閾値以内のときは、その偏差が零又は零とみなせるか否かが判定される（ステップＳ２）。このとき、偏差が零又は零とみなすことができる場合であれば、前回までのサンプリングで得られた偏差の高速積分値を低速積分値に加算した後に、高速積分値を零リセットしてから、今回の偏差（零又は零とみなせる偏差）を高速積分し（ステップＳ３)、その高速積分値をＰＩＤ演算結果に加算する（ステップＳ４）。また、偏差が零又は零とみなすことができないときは、その偏差を高速積分し（ステップＳ５)、得られた高速積分値をＰＩＤ演算結果に加算する（ステップＳ４）。一方、ステップＳ１において偏差の絶対値が第１の閾値の範囲外になっているときは、前回までのサンプリングで得られた偏差の高速積分値を低速積分値に加算した後に、高速積分値を零リセットしてから、高速積分動作を停止する。このときステップＳ４でＰＩＤ演算結果に加算される高速積分値は零である。次にサンプリグされた偏差を取り込んだときは、その偏差の絶対値に応じて上記と同様な処理が繰り返される。なお、前記したように、高速積分値を零リセットするときは、高速積分値を必ずしも低速積分値に加算しなくてもよい。
【００５０】
このような制御を行うことにより、偏差の絶対値が第１の閾値以内の偏差時にのみ高速積分が行われることになるので、制御系が暴走することを防止しながら、制御対象が目標値に収束するまでの時間が短縮され、制御対象が目標値から外れ難くなる。偏差が零又は零とみなせる値になったときは、高速積分値が零リセットされるので、高速積分の効果が減じられ、オーバーシュートが発生しにくくなる。また、高速積分値を零リセットするときは、その直前に高速積分値を低速積分値に加算することで操作量の急変が防止される。これは、低速積分演算器を一時的に高速化したのと同様である。なお、高速積分演算器の最大積分値を低速積分演算器による最大積分値よりも小さく設定することにより、高速積分演算器による操作量が小さくなる。
【００５１】
＜第２の実施例＞
図３に第２の実施例のフィードバック制御装置のコントローラ５０Ａの機能ブロック図を示す。図１で説明したコントローラ５０と異なるところは、高速積分演算器５６をＰＩＤ演算器５５の出力側にスイッチＳＷ３を経由して設け、その高速積分演算器５６の演算結果を加算器５８でＰＩＤ演算器５５による演算結果と加算するように構成した点である。
【００５２】
本実施例でも、図１で説明したコントローラ５０と全く同様に、図２で説明した制御プログラムにより制御することで、偏差の絶対値が第１の閾値の範囲内のときのみ高速積分が行われ、ＰＩＤ演算結果に加算されることになる。このため、制御系が暴走することを防止しながら、制御対象が目標値に収束するまでの時間を短縮することができる等の第１の実施例のフィードバック制御と同様の作用効果がある。
【００５３】
＜第３の実施例＞
図４に第３の実施例のフィードバック制御装置の高速積分演算器５６の制御プログラムのフローチャートを示す。本実施例は図１のコントローラ５０および図３のコントローラ５０Ａに適用できるものである。本実施例では、第１の閾値およびその第１の閾値より小さい第２の閾値を設定し、偏差の絶対値が第１と第２の閾値の間にある場合にのみ高速積分演算器５６の積分動作を行わせるようにした。高速積分が行われるときは、スイッチＳＷ３がオンされる。
【００５４】
まず、サンプリングされた偏差の絶対値が第１の閾値以内か否かが判定される（ステップＳ１１）。偏差の絶対値が第１の閾値以内のときは、次に、偏差の絶対値が第２の閾値以内か否かが判定される（ステップＳ１２）。偏差の絶対値が第２の閾値以内であれば、前回までのサンプリングで得られた偏差の高速積分値を低速積分値に加算した後に、その高速積分値を零リセットしてから、高速積分を停止する（ステップＳ１３)。このときステップＳ１４でＰＩＤ演算結果に加算される高速積分値は零である。また、偏差の絶対値が第２の閾値以内でないときは、その偏差を高速積分し（ステップＳ１５)、得られた高速積分値をＰＩＤ演算結果に加算する（ステップＳ１４）。一方、ステップＳ１１において偏差の絶対値が第１の閾値の範囲外になっているときは、前回までのサンプリングで得られた高速積分値を低速積分値に加算した後に、その高速積分値を零リセットしてから、高速積分が停止する。このときステップＳ１４でＰＩＤ演算結果に加算される高速積分値は零である。次にサンプリングされた偏差を取り込んだときは、その偏差の絶対値に応じて上記と同様な処理が繰り返される。なお、前記したように、高速積分値を零リセットするときは、高速積分値を必ずしも低速積分値に加算しなくてもよい。
【００５５】
このように、本実施例では、偏差の絶対値が第１と第２の閾値の間に入っているときに高速積分を行うが、第２の閾値以内ときは高速積分を停止するようにしたものであり、図２で説明した制御プログラムに不感帯（第２の閾値範囲内）を設定したものである。
【００５６】
＜その他の実施例＞
ウェブの巻出し部は、運転を行い続けるとロール径が変わり慣性モーメントが変化する。これに伴い制御系の最適ゲインが変化する。これに対しては背景技術の欄で説明した、指数補正あるいは径補正を実施することが望ましい。システムの価格から考えれば指数補正の方が安価である。径補正の場合は、径と制御パラメータの関係を工夫する必要が生じる。性能面では径補正の方が勝るが、パラメータ調整のやりやすさは指数補正の方が容易である。
【００５７】
コントローラ５０，５０Ａの各パラメータ調整は、試運転時に行うのが好ましい。まず、本発明の高速積分演算器５６を用いない（スイッチＳＷ３がオフ）フィードバック制御装置を使用して試運転を行い、安定に制御できるようにコントローラ５０，５０Ａのパラメータを調整する。次いで本発明を用いた試運転を行い、高速積分演算器関係の各パラメータを調整するのが望ましい。高速積分演算器関連のパラメータは、コントローラ５０，５０Ａの工場出荷時に、一般的な条件でそのまま利用できるパラメータにセットされているのが望ましい。ただし適用する機械毎に特性が異なるため、試運転でパラメータを確認することが推奨される。本発明と従来の制御手法を併用することで、安定性と制御精度を両立した制御系の確立が可能になる。
【００５８】
なお、以上説明した本実施例のフィードバック制御装置のＰＩＤ演算部５５は、文字通り比例・積分・微分の演算を含むものであるが、この演算部としては少なくとも低速積分演算器が含まれる演算部であれば、演算部の種類を問わず本発明を適用できる。また、以上説明した積分演算には、パルス伝達関数演算、線形差分方程式演算等のように、その他の積分に近似する演算も含まれる。また、フィードバック制御としては、モデル化誤差をも考慮したロバスト制御や制御対象の大きな変動に対応してパラメータを変化させる適応制御等を適用することができる。
【符号の説明】
【００５９】
１０：ウェブ
２０：ローラ
３０：中間ローラ
４０：テンション検出器
５０，５０Ａ，５０Ｂ，５０Ｃ：コントローラ、５１，５２：ローパスフィルタ、５３：信号変換器、５４：減算器、５５：ＰＩＤ演算部、５５１：比例演算器、５５２：積分演算器、５５３：微分演算器、５５４：加算器、５６：高速積分演算器、５７，５８：加算器、５９：径補正部
６０：電磁ブレーキ
【要約】
【課題】制御対象が目標値に収束するまでの時間を短縮して、制御対象を目標値から外れ難くすることができ、しかも制御系の安定性を劣化させないようにする。
【解決手段】目標信号と制御対象の検出信号との偏差に基づいて低速積分演算結果を含む第１の演算結果を取得し、該第１の演算結果により動力部を駆動し、該動力部により前記制御対象を制御し、前記制御対象の制御結果を前記検出信号とするフィードバック制御方法において、前記偏差の絶対値が予め設定した第１の閾値内にあるときに前記偏差の高速積分演算を行ってその積分値を前記第１の演算結果に加算して第２の演算結果とし、又は前記第１の演算結果に対して前記高速積分演算を行ってその積分値を第２の演算結果とし、該第２の演算結果により前記動力部を駆動する。
【選択図】図１【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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