(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
速度偏差に制御ループのゲインを乗じた値を制御対象に加えて制御対象の比例制御を行う制御系において、
速度偏差の増加に対して発振領域から安定領域に向かってゲインが減少する特性を備えたゲイン調整系を形成し、
当該ゲイン調整系において、
ゲインが発振限界以下の安定領域では、速度偏差に制御ループのゲインを乗じた値を制御対象に加える比例制御によって速度偏差を減少させゲインを増加させる制御を行い、
ゲインが発振限界以上の発振領域では、速度偏差の増加に対して発生領域から安定領域に向かってゲインが減少する特性によって速度偏差を増加させゲインを減少させる制御を行うことによって発振限界のゲインを求め、
当該ゲインを制御系のゲインとすることを特徴とする制御系のゲイン自動決定方法。
【請求項２】
前記ゲイン調整系は、速度偏差に対して逆比例のゲイン特性を備えることを特徴とする請求項１記載の制御系のゲイン自動決定方法。
【請求項３】
前記ゲイン調整系は、速度偏差に係数を加算した値で制御対象の最大トルクを除算し、前記除算値を初期ゲインに加算した値をゲインとすることを特徴とする請求項１，又は２記載の制御系のゲイン自動決定方法。
【請求項４】
前記係数は、制御系の最大速度偏差であることを特徴とする請求項３記載の制御系のゲイン自動決定方法。
【請求項５】
前記係数および初期ゲインは、速度偏差が零の場合のゲイン調整系のゲインを発振限界のゲインより大きくする値であることを特徴とする請求項３記載の制御系のゲイン自動決定方法。
【請求項６】
前記係数および初期ゲインは、制御対象の最大トルクを該係数で除算し、該除算値に初期ゲインを加算した値を発振限界のゲインより大きくする値であることを特徴とする請求項３記載の制御系のゲイン自動決定方法。
【請求項７】
前記ゲイン調整系は、速度偏差に対してゲインが負の傾斜を有する一次関数特性であることを特徴とする請求項１記載の制御系のゲイン自動決定方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、モータやロボット等の制御において、比例制御を行う際の制御ループゲインを自動決定する方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
モータやロボット等の制御において、制御対象を比例制御によって制御する場合がある。この比例制御は、制御要素に対する動作信号と該制御要素から制御対象に加えられる操作量との間に連続的比例関係が成り立つような制御であり、制御ループのゲインを発振限界付近に設定することによって、制御系の性能を最大限に利用することができる。
【０００３】
通常、この制御系の制御ループのゲインの調整は専ら人手により、ゲインと該ゲインに対する応答との関係を観察しながらゲインを調節する試行錯誤の操作を繰り返すことによって行っている。
【０００４】
図１０は、比例制御系を表すブロック線図であり、該ブロック線図はモータやロボットを制御対象としている。比例制御系では、速度指令ｖｃと制御対象２の速度ｖとから速度偏差Ｓufを求め、ゲイン項１において速度偏差ＳufにゲインＫｖを乗じ、このゲイン項１の出力制御対象に加えている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来のゲイン決定方法では、人手によるゲイン調整であるため多くの労力を必要とし、最適なゲイン調整はより多くの時間と労力を要し、制御対象の特性が不明である場合には、ゲイン調整は特に困難となる。
【０００６】
そこで、本発明は前記した従来の制御系のゲイン調整の問題点を解決して、制御系のゲインの最適値を自動決定する決定方法を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明の制御系のゲイン自動決定方法は、対象とする制御系を基にして制御系のゲイン最適値を自動決定するためのゲイン調整系を形成し、このゲイン調整系を用いて得られるゲインを制御系のゲインとするものである。つまり、速度偏差に制御ループのゲインを乗じた値を制御対象に加えて制御対象の比例制御を行う制御系において、速度偏差の増加に対して発振領域から安定領域に向かってゲインが減少する特性を備えたゲイン調整系を形成し、このゲイン調整系において発振限界に収束するゲインを求め、ゲイン調整系で求めたゲインを制御系のゲインとするものである。
【０００８】
本発明のゲイン調整系において、速度偏差の増加に対して発振領域から安定領域に向かってゲインが減少する特性は、速度偏差に対して逆比例するゲイン特性、あるいは速度偏差に対してゲインが負の傾斜を有する一次関数特性によって形成することができる。
【０００９】
速度偏差に対して逆比例するゲイン特性によって、速度偏差の増加に対して発振領域から安定領域に向かってゲインが減少する特性を形成する場合には、速度偏差に係数を加算した値で制御対象の最大トルクを除算した除算値を求め、該除算値を初期ゲインを加算することによって得ることができる。
【００１０】
速度偏差に対してゲインが負の傾斜を有する一次関数特性によって、速度偏差の増加に対して発振領域から安定領域に向かってゲインが減少する特性を形成する場合には、速度偏差に傾斜係数を乗算し、この乗算値を初期ゲインから減算することによって得ることができる。
【００１１】
本発明のゲイン調整系では、速度偏差に制御ループのゲインを乗じた値を制御対象に加えて行う比例制御によって、速度偏差を減少させゲインを増加させる制御を行い、一方、速度偏差の増加に対して発振領域から安定領域に向かってゲインが減少する特性によって、逆に速度偏差を増加させゲインを減少させる制御を行う。この両制御を、発振限界のゲインを挟んで行うことによって、ゲイン調整系は自動的に制御系のゲインの最適値を決定する。
【００１２】
ゲイン調整系は、安定領域において、制御対象の速度を速度指令側にフィードバックして速度偏差を求め、この速度偏差に基づいて、速度偏差を減少する方向のフィードバック制御を行う。この制御によって速度偏差が減少し、ゲインは逆に増加する。ゲインが制御系の発振限界を越えて大きくなると、制御系は発振を起こして速度偏差が大きくなる。発振領域において、発振して速度偏差が大きくなると、ゲインは減少する。ゲイン調整系は、この速度偏差とゲインの増減を発振限界を境に繰り返して発振限界に収束する。この収束時のゲインは、発振限界時のゲインであって、制御系の性能を最大限に発揮するゲインとなる。
【００１３】
このゲイン調整系におけるゲイン収束の動作は自動的に行われ、制御系の特性を知ることなく行うことができる。
【００１４】
なお、ゲイン調整系の形成において、速度偏差に対して逆比例するゲイン特性を形成する場合には、制御系の最大速度偏差をゲイン調整系中の係数として用いることができ、最大速度偏差に近い程大きなゲインを出力する。また、ゲイン調整系によるゲイン調整において、始めに行う係数および初期ゲインの設定において、速度偏差が零の場合のゲイン調整系のゲインが発振限界のゲインより大きくなるように、係数および初期ゲインの設定を行う。つまり、制御対象の最大トルクを係数で除算し、該除算値に初期ゲインを加算した値が発振限界のゲインより大きくなるように、係数および初期ゲインの設定を行う。
【００１５】
また、速度偏差に対してゲインが負の傾斜を有する一次関数特性を形成する場合には、ゲイン調整系によるゲイン調整において、初期ゲインの設定において、初期ゲインが発振限界のゲインより大きくなるように設定する。
【００１６】
前記設定によって、ゲイン調整系によるゲイン調整系の発振限界への収束を保証することができる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図を参照しながら詳細に説明する。
【００１８】
（第１の実施の形態）
図１は本発明の第１の実施の形態を説明するためのゲイン調整系のブロック線図である。図１のゲイン調整系は、前記図１０に示した比例制御系のゲインの最適値を自動決定するためのブロック線図である。ゲイン調整系は、図１０のブロック線図と同様にゲイン項１と制御対象２を備え、速度指令ｖｃから制御対象２の速度ｖを減じた速度偏差Ｓufをゲイン項１（図１中の一点鎖線）に入力し、ゲイン項１の出力を制御対象２に入力する。ゲイン調整系のゲイン項１は、以下の式により表されるゲインＧを備える。
【００１９】
ゲインＧ＝Ｋｖ＝Ｋｖ0 ＋｛Ｔmax ／（｜Ｓuf｜＋δ）｝          …（１）
ここで、Ｋｖ0 は初期ゲイン項１１のゲイン値、Ｔmax はロボットやモータ等の制御対象が出せる最大トルク、Ｓufは速度偏差、δは係数である。最大トルクＴmax は制御対象によって定まる既知の値であり、初期ゲイン値Ｋｖ0 および係数δは制御対象の動作が安定な範囲で、制御系が発振するような設定値である。この初期ゲイン値Ｋｖ0 および係数δの設定については後述する。
【００２０】
ゲイン項１は、前記式（１）のゲインとするために、ゲイン値Ｋｖ0 の初期ゲイン項１１の出力に｛Ｓuf×Ｔmax ／（｜Ｓuf｜＋δ）｝を加算する構成とする。この構成により、速度偏差Ｓufの入力に対して、ゲイン項１は初期ゲイン項１１の出力（Ｋｖ0 ×Ｓuf）に｛Ｓuf×Ｔmax ／（｜Ｓuf｜＋δ）｝を加算した（Ｋｖ0 ×Ｓuf）＋｛Ｓuf×Ｔmax ／（｜Ｓuf｜＋δ）｝を制御対象に入力する。これによって、ゲイン項１のゲインＧは前記式（１）で表される値となる。
【００２１】
次に、ゲイン調整系のゲインＧの特性について、図２の特性図を用いて説明する。図２の特性図は、横軸を速度偏差Ｓufとし、縦軸をゲインＧとし、前記式（１）を表されるゲイン特性である。式（１）を表されるゲイン特性は、ゲインＧが速度偏差Ｓufに対して逆比例する特性である。図中において、速度偏差Ｓufが零の場合（図中の点Ｂ）のゲイン値｛Ｋｖ0 ＋（Ｔmax ／δ）｝を最大値とし、該最大値から速度偏差Ｓufの増加に従って減少する。この減少の途中において、図中の一点鎖線で示される制御系が発振を生じる限界のゲインを通過する。したがって、一点鎖線の発振限界のゲインより大きなゲインの領域では制御系は発振し、発振限界のゲインより小さなゲインの領域では制御系は安定な動作となる。なお、図中で発振限界における速度偏差ＳufをＳufC で表し、ゲインをＧC で表している。
【００２２】
次に、制御系のゲインの最適値を決定するゲイン調整系の動作について説明する。
【００２３】
ゲイン調整系は比例制御を行う制御系であり、制御対象の速度ｖを速度指令側にフィードバックして速度偏差Ｓufを求め、この速度偏差Ｓufに基づいて、速度偏差を減少する方向のフィードバック制御を行う。例えば、図２において、速度偏差ＳufがＳufA の場合には、一点鎖線で示される発振限界以下の制御系が安定な領域であるため、比例制御によって図中の特性曲線に沿って速度偏差Ｓufが減少し、ゲインＧは逆に増加する。この制御方向は、図２中で矢印Ａで表される。
【００２４】
この比例制御によって、ゲインＧが制御系の発振限界のゲインＧC を越えると、制御系は発振領域となり発振を起こす。これによって、制御系の速度偏差Ｓufは大きくなる。発振領域における発振によって速度偏差Ｓufが大きくなると、ゲインＧは減少する。この動作は図２中で矢印Ｂで表される。
【００２５】
ゲイン調整系は、発振限界を境にして、特性曲線に従って速度偏差ＳufとゲインＧの増減を繰り返し発振限界に収束する。この収束時のゲインは、発振限界時のゲインＧC であって、制御系の性能を最大限に発揮するゲインとなる。このゲイン調整系におけるゲイン収束の動作は、前記したように制御系の持つ特性に応じて自動的に行われるため、制御系の特性を知ることなく行うことができる。
【００２６】
したがって、ゲイン調整系では、ゲインが発振限界以下の安定領域では、速度偏差に制御ループのゲインを乗じた値を制御対象に加える比例制御によって、速度偏差を減少させゲインを増加させる制御を行う。一方、ゲインが発振限界以上の発振領域では、速度偏差の増加に対して発振領域から安定領域に向かってゲインが減少する特性によって、逆に速度偏差を増加させゲインを減少させる制御を行う。そして、この発振限界を挟んで逆の特性を持つ二つの制御を用いることによって、ゲイン調整系は自動的に制御系のゲインの最適値を決定する。
【００２７】
図２の特性図において、ゲイン調整系が自動的に制御系のゲインの最適値を決定するためには、前記式（１）で表される特性曲線と発振限界のゲイン（図中の一点鎖線）とが交差する必要があり、特性曲線は式（１）中の初期ゲインＫｖ0 と係数δによって調整することができる。
【００２８】
以下、図３および図４を用いて初期ゲインＫｖ0 の大小による特性曲線の変化を示し、図５および図６を用いて係数δの大小による特性曲線の変化を示す。
【００２９】
はじめに、初期ゲインＫｖ0 について説明する。図３は初期ゲインＫｖ0 が大の場合の特性曲線の状態を示している。初期ゲインＫｖ0 が大きい場合（図中では細い二点鎖線で示している）には、ゲインＧは大きくなる。そして、初期ゲインＫｖ0 が発振限界のゲインＧC よりも大きな場合には、特性曲線は常に発振領域（図中の斜線部分）内となって安定な制御系を形成することができない。
【００３０】
一方、図４は初期ゲインＫｖ0 が小の場合の特性曲線の状態を示している。初期ゲインＫｖ0 が小さい場合（図中では細い二点鎖線で示している）にはゲインＧも小さくなって常に安定領域となるが、最大のゲインを得ることができる速度偏差Ｓufが零の場合でもゲインＧは発振限界のゲインＧC に達せず、制御対象の持つ特性を充分に発揮することができない。
【００３１】
次に、係数δについて説明する。図５は係数δが大の場合の特性曲線の状態を示している。係数δは最大速度偏差に対応する値である。係数δが大きい場合には、ゲインＧは小さくなって系は安定領域となるが、速度偏差Ｓufが零の場合でも最大のゲインＧ（＝｛Ｋｖ0 ＋（Ｔmax ／δ）｝）は発振限界のゲインＧC に達せず、制御対象の持つ特性を充分に発揮することができない場合がある。
【００３２】
一方、図６は係数δが小の場合の特性曲線の状態を示している。係数δが小の場合には、ゲインＧは大きくなって系は発振領域内に入り、安定領域に復帰することができない程度まで上昇する場合がある。
【００３３】
したがって、初期ゲインＫｖ0 と係数δは、速度偏差Ｓufが零の場合のゲインＧ（＝｛Ｋｖ0 ＋（Ｔmax ／δ）｝）が発振限界のゲインＧC より大きくなり、かつゲインＧC と交差するような値に設定する。
【００３４】
次に、制御系とゲイン調整系との関係を図７を用いて説明する。図７において、符号２０から２４で示される制御系は、モータやロボット等の制御を行う制御系であり、２０はコンピュータを内蔵した数値制御装置（ＣＮＣ）、２１は共有ＲＡＭ、２２はプロセッサ（ＣＰＵ），ＲＯＮ，ＲＡＭ等を有するデジタルサーボ回路、２３はトランジスタインバータ等のサーボアンプ、２４はサーボモータ、２５はパルスコーダである。なお、この構成は従来のデジタルサーボ制御を行う装置と同一であるため、概略的に示している。前記図１０のブロック線図で示す制御系は、図７中の破線で囲まれる制御系Ａであり、この制御系Ａを基にして該制御系Ａの最適なゲインを自動決定するためのゲイン調整系Ｂを構成する。このゲイン調整系Ｂは、前記図１に示すブロック線図によって構成される。ここで、このゲイン調整系Ｂを形成する初期ゲインＫｖ0 および係数δは、前記したように、速度偏差Ｓufが零の場合のゲインＧ（＝｛Ｋｖ0 ＋（Ｔmax ／δ）｝）が発振限界のゲインＧC より大きくなり、かつゲインＧC と交差するような値に設定する。
【００３５】
ゲイン調整系Ｂによって自動決定したゲインＫｖをゲインパラメータとして、制御系Ａのゲインに設定することによって、ゲインの最適な調整を行うことができる。
【００３６】
（第２の実施の形態）
図８は本発明の第２の実施の形態を説明するためのゲイン調整系のブロック線図である。図８のゲイン調整系は、前記図１０に示した比例制御系のゲインの最適値を自動決定するためのブロック線図である。ゲイン調整系は第２の実施の形態と同様の構成であり、ゲイン項１と制御対象２を備え、速度指令ｖｃから制御対象２の速度ｖを減じた速度偏差Ｓufをゲイン項１（図８中の一点鎖線）に入力し、ゲイン項１の出力を制御対象２に入力する。そして、ゲイン調整系のゲイン項１は、以下の式により表されるゲインＧを備える。
【００３７】
ゲインＧ＝Ｋｖ＝Ｋｖ1 −α・｜Ｓuf｜                          …（２）
ここで、Ｋｖ1 は初期ゲイン項１１のゲイン値、Ｓufは速度偏差、αは傾斜係数である。初期ゲイン値Ｋｖ1 および傾斜係数αは制御対象の動作が安定な範囲で、制御系が発振するような設定値である。この初期ゲイン値Ｋｖ1 および傾斜係数αについては後述する。
【００３８】
ゲイン項１は、前記式（２）のゲインとするために、ゲイン値Ｋｖ1 の初期ゲイン項１１の出力から（α・｜Ｓuf｜・Ｓuf）を減算する構成とする。この構成により、速度偏差Ｓufの入力に対して、ゲイン項１は初期ゲイン項１１の出力（Ｋｖ1 ×Ｓuf）から（α・｜Ｓuf｜・Ｓuf）を減算した（Ｋｖ1 ×Ｓuf）−（α・｜Ｓuf｜・Ｓuf）を制御対象に入力する。これによって、ゲイン項１のゲインＧは前記式（２）で表される値となる。なお、（α・｜Ｓuf｜・Ｓuf）を減算する代わりに、（−α・｜Ｓuf｜・Ｓuf）を加算する構成とすることもできる。
【００３９】
次に、ゲイン調整系のゲインＧの特性について、図９の特性図を用いて説明する。図９の特性図は、横軸を速度偏差Ｓufとし、縦軸をゲインＧとし、前記式（２）を表されるゲイン特性である。式（２）を表されるゲイン特性は、ゲインＧが速度偏差Ｓufに対して傾斜係数αで減少する特性である。図中において、速度偏差Ｓufが零の場合のゲイン値（Ｋｖ1 ）を最大値とし、該最大値から速度偏差Ｓufの増加に従って減少する。この減少の途中において、図中の一点鎖線で示される制御系が発振を生じる限界のゲインを通過する。したがって、一点鎖線の発振限界のゲインより大きなゲインの領域では制御系は発振し、発振限界のゲインより小さなゲインの領域では制御系は安定な動作となる。なお、図中で発振限界におけるゲインをＧC で表している。また、図９に特性図では、速度偏差Ｓufが大となる部分では、ゲインＧを正とするために一定の正のゲインＫｖ2 に設定している。
【００４０】
次に、制御系のゲインの最適値を決定するゲイン調整系の動作について説明する。この動作は、前記図２とほぼ同様である。
【００４１】
比例制御によって、ゲイン調整系は制御対象の速度ｖを速度指令側にフィードバックして速度偏差Ｓufを求め、この速度偏差Ｓufに基づいて速度偏差を減少する方向のフィードバック制御を行う。図９において、速度偏差ＳufがＳufA の場合には、ゲインは一点鎖線で示される発振限界以下となる。この場合には、制御系が安定な領域であるため、比例制御によって傾斜係数αの特性曲線上を移動して速度偏差Ｓufが減少し、図９中の矢印Ａで表されるようにゲインＧは逆に増加する。
【００４２】
この比例制御によって、ゲインＧが制御系の発振限界のゲインＧC を越えると、制御系は発振領域となり発振を起こす。これによって、制御系の速度偏差Ｓufは大きくなる。発振領域における発振によって速度偏差Ｓufが大きくなると、図９中の矢印Ｂで示されるようにゲインＧは減少する。
【００４３】
ゲイン調整系は、発振限界を境にして、傾斜係数αの特性曲線上において速度偏差ＳufとゲインＧの増減を繰り返して発振限界に収束する。この収束時のゲインは、発振限界時のゲインＧC であって、制御系の性能を最大限に発揮するゲインとなる。このゲイン調整系におけるゲイン収束の動作は、前記したように制御系の持つ特性に応じて自動的に行われるため、制御系の特性を知ることなく行うことができる。
【００４４】
したがって、図８に示す第２の実施の形態のゲイン調整系においても、図２で示す第１の実施の形態と同様に、ゲインが発振限界以下の安定領域では、比例制御によって速度偏差を減少させゲインを増加させる制御を行い、ゲインが発振限界以上の発振領域では、速度偏差の増加に対して発振領域から安定領域に向かってゲインが減少する特性によって、逆に速度偏差を増加させゲインを減少させる制御を行う。そして、この発振限界を挟んで逆の特性を持つ二つの制御を用いることによって、ゲイン調整系は自動的に制御系のゲインの最適値を決定する。
【００４５】
また、前記実施の形態に示したゲイン調整系の特性曲線の他に、速度偏差の増加に対して発振領域から安定領域に向かってゲインが減少する他の特性を備えたゲイン調整系を形成することによって、同様の作用によって、ゲイン調整系を発振させることによって発振限界のゲインを求め、該ゲインを制御系のゲインとすることにより、適切なゲインを自動的に決定すことができる。
【００４６】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、制御系のゲインの最適値を自動決定する決定方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態を説明するためのゲイン調整系のブロック線図である。
【図２】本発明の第１の実施の形態のゲイン調整系のゲインＧの特性図である。
【図３】初期ゲインＫｖ0 が大の場合の特性曲線である。
【図４】初期ゲインＫｖ0 が小の場合の特性曲線である。
【図５】係数δが大の場合の特性曲線である。
【図６】係数δが小の場合の特性曲線である。
【図７】制御系とゲイン調整系との関係を示す図である。
【図８】本発明の第２の実施の形態を説明するためのゲイン調整系のブロック線図である。
【図９】本発明の第２の実施の形態のゲイン調整系のゲインＧの特性図である。
【図１０】比例制御系を表すブロック線図である。
【符号の説明】
１  ゲイン項
２  制御対象
１１  初期ゲイン
Ｓuf  速度偏差
２０  制御装置
２１  共有ＲＡＭ
２２  デジタルサーボ回路
２３  サーボアンプ
２４  モータ
２５  パルスコーダ
【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】
0003654975.tif 000009
【図９】
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【図１０】
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