(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
被制御量ｙの、目標値ｒｅｆに対する偏差を零にするための出力値を発生するフィ−ドバック制御器；
目標値ｒｅｆに対する、第３補正値の偏差を零にするための第１補正値を発生する、前記フィ−ドック制御器と伝達関数が実質上同一の補正制御器，この第１補正値より第２補正値を算出する、制御対象機器の被制御量ｙのフィ−ドバック伝達関数と伝達関数が実質上同一の第１補正演算器、および、第２補正値より第３補正値を算出する、制御対象機器と伝達関数が実質上同一の第２補正演算器、を含む第１補償器；
前記フィ−ドバック制御器が発生する出力値に対する第１補正値の偏差に補正を与えた第４補正値を発生する第２補償器；および、
前記フィ−ドバック制御器が発生する出力値と第４補正値の和を、制御対象機器に指令値として与える手段；
を備えるフィ−ドバック制御装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、フィ−ドバック制御装置に関し、特に、これに限定する意図ではないが、サーボ機構の駆動を制御する２自由度制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
例えば、圧延機などのロ−ルを回転駆動するロ−ル駆動装置の速度制御系においては、一般に、駆動用の電動機に取り付けた速度検出器からの速度信号と、目標速度とを比較した結果に応じて、電動機の駆動状態を制御することにより実施されている。
【０００３】
ところが、この種の装置は、鋼板の噛み込み時や鋼板張力の変動等の負荷外乱をうけると、速度変動が発生し、目標速度からはずれてしまう。安定した操業を行うためには速度制御器の働きを強めて、このような負荷外乱の影響を低減し、変動した速度を速やかに目標速度に復帰させること（リカバリータイムの短縮）が重要である。しかし、このリカバリータイムを短縮するために制御器のゲインを上げると、目標値の変化に追従する目標値応答時のオーバーシュート量が大きくなってしまい、安定性がそこなわれる。従って、負荷外乱の影響低減（負荷応答改善）と目標値応答の安定化を同時に満たす２自由度制御器が必要となる。
【０００４】
例えば、一般的に知られているＰＩＤ制御系は調整法が確立されており調整が容易である反面、１自由度系であるので、負荷応答と目標値応答をそれぞれ独立に制御することができない。フィ−ドバック信号を目標値に追従させる制御系の代表例であるＰＩＤ制御系を図１０の（ａ）に示す。このＰＩＤ制御系において、目標値ｒｅｆの入力側から被制御量ｙの出力側までの伝達関数Ｇｒｅｆ−ｙは、次のように表される。
【０００５】
Ｇｒｅｆ−ｙ  ＝  Ｋｃａ・Ｇａ／（１＋Ｋｃａ・Ｇａ・Ｈａ）
図１０の（ａ）に示すＰＩＤ制御は、フィ−ドバック制御器２２の伝達関数を規定するパラメ−タの調整法が確立されており、多くの産業界で広く利用されているものの、負荷応答改善と目標値応答改善とを各々独立に最適調整できない１自由度制御系であるという欠点がある。すなわち、フィ−ドバック信号を目標値に追従させる制御系において負荷外乱が存在する場合、制御出力への外乱の影響を低減すること（負荷応答の改善）と、フィ−ドバック信号の目標値への追従性を向上させること（目標値応答の改善）を同時に満足させることが難かしい。
【０００６】
例えば、制御対象機器１０が圧延機であってフィ−ドバック制御器２２がＰＩ制御演算にて、圧延速度（圧延ロ−ルの回転速度Ｎ）ｙを目標値（目標速度）ｒｅｆとするための速度指令を圧延機に与えるものである場合、目標速度（ｒｅｆ）をステップ状に与え、その後負荷外乱τｄを与えると、圧延ロ−ルの回転速度Ｎは図１１あるいは図１２に示すように変化する。図１１はフィ−ドバック制御器２２のＰＩ制御の時定数を大きく設定した場合のもので、目標値応答はよいが、負荷応答は時間がかかり過ぎている。図１２は制御器２２のＰＩ制御の時定数を小さく設定した場合のものであり、負荷応答に関しては図１１の場合よりも改善されているが、目標値応答のオ−バ−シュ−トが大き過ぎ、振動的である。このように通常のＰＩ制御では目標値応答と負荷応答を同時に満足させることは難しい。
【０００７】
負荷応答改善と目標値応答改善を同時に達成するためには、フィ−ドバック制御装置を２自由度化しなければならないが、一般に２自由度制御系の制御パラメ−タ調整は簡単ではない。例えば図１０の（ｂ）に示す２自由度系のフィ−ドバック制御装置では、フィ−ドバック制御器２３のパラメ−タを調整することにより負荷応答を最適化した後、補償器３０’によって負荷応答を変えることなく目標値応答を改善することが可能である。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、フィ−ドバック制御器２３および補償器３０’の調整法にＰＩＤ制御（制御器２２）のような一般的に良く知られたノウハウがないため調整が難かしく、かつ負荷応答改善のために制御器２３のパラメ−タを調整し直すと、目標値応答を悪化させてしまうことが多いため、再度補償器３０’も調整し直さなければならないという欠点がある。このような問題に対して、制御系の基本的な応答調整は調整ノウハウのよく知られたＰＩＤ制御系で行ない、ＰＩＤ制御だけでは不十分な系の特性改善を補償器５０’，３０’で行うことによって、高い制御性能を達成しながら調整を容易とした２自由度Ｈ∞制御法を適用したフィ−ドバック制御装置を提案した（特願平６−１５９９１７号）。その概要を図１０の（ｃ）に示す。しかしこれでも、ＰＩＤ制御器２４あるいは補償器５０’を調整した場合、補償器３０’を再調整する必要があることについては、通常の２自由度制御系と同様である。
【０００９】
本発明は、高度な２自由度制御系でありながら、調整法のよく知られたＰＩＤ等のフィ−ドバック制御系と同様に、制御特性の調整が容易なフィ−ドバック制御装置を提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明のフィ−ドバック制御装置（図１のＰＩＮ）は、
被制御量ｙの、目標値ｒｅｆに対する偏差を零にするための出力値を発生するフィ−ドバック制御器（２２）；
目標値ｒｅｆに対する、第３補正値の偏差を零にするための第１補正値を発生する、前記フィ−ドック制御器（２２）と伝達関数が実質上同一の補正制御器（３２），この第１補正値より第２補正値を算出する、制御対象機器の被制御量ｙのフィ−ドバック伝達関数と伝達関数が実質上同一の第１補正演算器（３３）、および、第２補正値より第３補正値を算出する、制御対象機器と伝達関数が実質上同一の第２補正演算器（３４）、を含む第１補償器（３０）；
前記フィ−ドバック制御器（２２）が発生する出力値に対する第１補正値の偏差に補正を与えた第４補正値を発生する第２補償器（５０）；および、
前記フィ−ドバック制御器（２２）が発生する出力値と第４補正値の和を、制御対象機器に指令値として与える手段（６０）；
を備える。なお、理解を容易にするためにカッコ内に、図面に示し後述する実施形態でブロックで示した機能要素の符号を、参考までに付記した。なお、・・・器なる要素表現ならびに図面に示すフィ−ドバック制御装置内各ブロックは、ハ−ドウェア上の演算素子のみならず、演算プログラムに基づいて実行される演算機能をも意味するものである。すなわち、「・・・器」は、「・・・機能」をも意味する。
【００１１】
上記本発明のフィ−ドバック制御装置（図１のＰＩＮ）は、図１０の（ｂ）に示す一般的な２自由度制御系において制御器２３を、図１に示すように調整法のよく知られたフィ−ドバック制御器２２に変更することによって、制御系の目標値応答調整は、調整法のよく知られたフィ−ドバック制御器２２で行ないながら、第２補償器５０によって目標値応答を悪化させることなく、負荷応答改善が行なえるようにしたものである。第１補償器３０は、目標値ｒｅｆの入力側から見て、第２補償器５０が存在しないかのように見なせる補償を行なうものであり、１つのフィ−ドバックル−プを構成しており、目標値ｒｅｆに対する、第３補正値の偏差を零にするための第１補正値を発生する。第１補償器３０の伝達関数Ｃ２は、Ｃ２＝Ｋｃｉ／（１＋ＫｃｉＧｉＨｉ）で示される。なお、補正制御器３２は、フィ−ドック制御器２２と伝達関数が実質上同一（Ｋｃｉ＝Ｋｃａ）であり、第１補正値より第２補正値を算出する第１補正演算器３３は、制御対象機器１０の被制御量ｙのフィ−ドバック伝達関数と伝達関数が実質上同一（Ｈｉ＝Ｈａ）であり、また、第２補正値より第３補正値を算出する第２補正演算器３４は、制御対象機器１０の動作の伝達関数と伝達関数が実質上同一（Ｇｉ＝Ｇａ）である。
【００１２】
図１３の（ａ）に、上述の本発明のフィードバック制御装置（図１のＰＩＮ）を含めた、目標値ｒｅｆの入力側から対象機器１０のｙの出力側までの主要構成ブロック（図１：第１補償器３０、減算器４０、第２補償器５０、加算器６０、対象機器１０伝達関数１１，１２に対応）と同構成のブロック線図を示す。これは、図１０の（ａ）に示したＰＩＤ制御系に補償器（３０，５０に対応）を付加したものである。ところで、この伝達関数Ｇ’ｒｅｆ−ｙを求めるには、まず図１３の（ａ）に示したブロック線図を等価変換し、図１４の（ｇ）の形に簡略化する。この変換工程の一例を図１３および図１４に（ｂ）〜（ｆ）の順で示す。図１４の（ｇ）の形に等価変換されたブロック図より、本発明のフィードバック制御装置ＰＩＮを含めた、図１に示す制御系の目標値ｒｅｆの入力側から被制御量ｙを出力する対象機器１０の出力側までの伝達関数Ｇ’ｒｅｆ−ｙを求めると、次の通りである。
【００１３】
【数１】
0003553264.tif 000002
【００１４】
ここで、Ｃ２は第１補償器３０の伝達関数であるので、Ｃ２＝Ｋｃｉ／（１＋ＫｃｉＧｉＨｉ）を代入すると、
【００１５】
【数２】
0003553264.tif 000003
【００１６】
となる。さらに、補正制御器３２はフィ−ドック制御器２２と伝達関数が実質上同一であり、第１補正演算器３３は制御対象機器１０の被制御量ｙのフィ−ドバック伝達関数と伝達関数が実質上同一であり、第２補正演算器３４は制御対象機器１０の動作の伝達関数と伝達関数が実質上同一であるので、（１）式において、Ｋｃｉ＝Ｋｃａ，Ｈｉ＝Ｈａ，Ｇｉ＝Ｇａを代入すれば、
【００１７】
【数３】
0003553264.tif 000004
【００１８】
となり、最終的には前述した図１０の（ａ）に示すＰＩＤ制御系の伝達関数Ｇｒｅｆ−ｙと同一となる。
【００１９】
以上のように、本発明によりフィ−ドバック制御装置ＰＩＮを図１に示すように構成し、かつ、Ｋｃｉ＝Ｋｃａ，Ｈｉ＝Ｈａ  ＆  Ｇｉ＝Ｇａ  とすることにより、すなわち、第１補償器３０の伝達関数Ｃ２を、
Ｋｃａ／（１＋Ｋｃａ・Ｇａ・Ｈａ）
とすることにより、フィ−ドバック制御器２２および補正制御器３２の伝達関数のパラメ−タを、所望の目標値応答のものに同時に同一値に調整し、第２補償器５０の伝達関数のパラメ−タを負荷応答のよいものに調整して、目標値応答および負荷応答共に最適に調整しうる。第２補償器５０の調整によってフィ−ドバック制御装置２２による目標値応答特性が悪化しないので、この負荷応答の調整が容易である。
【００２０】
フィ−ドバック制御器２２（Ｋｃａ）は、ＰＩ制御器あるいはＰＩＤ制御器である必要もなく、比例（Ｐ）制御器，積分（Ｉ）制御器，微分（Ｄ）制御器あるいは比例微分（ＰＤ）制御器であってもよいし、第２補償器５０（Ｃ１）は、比例演算（Ｐ），微分演算（Ｄ），位相進み遅れ演算，１次遅れ演算，多項式演算のいずれでも、本発明を適用できる。
【００２１】
【発明の実施の形態】
図１に本発明の一実施形態を示す。図１に示すフィ−ドバック制御器２２は、次の表１に示すＮｏ．１〜Ｎｏ．６のいずれの態様であっても、本発明を実現しうる。Ｎｏ．１〜Ｎｏ．３の各態様の演算器（制御器２２）の構成を図２に、１．〜３．として示し、Ｎｏ．４〜Ｎｏ．６の各態様の演算器（制御器２２）の構成を図３に、３．〜６．として示す。
【００２２】
【表１】
0003553264.tif 000005
【００２３】
フィ−ドバック制御装置ＰＩＮの指令値から対象機器１０の被制御量ｙまでの伝達関数をブロック１１（Ｇａ）で示し、被制御量ｙをフィ−ドバック制御装置ＰＩＮに与えるフィ−ドバックル−プの伝達関数をブロック１２（Ｈａ）で示す。
【００２４】
対象機器１０を図８の（ａ）に示すロール駆動装置とした場合、通板ロールという負荷は、モ−タに連結されており、このロール駆動装置のモータ軸まわりの全慣性モ−メントの合計をＪとすると、図８の（ｂ）に示す系に模擬できる。この圧延機の伝達関数Ｇａを図４の（ａ）に示す。伝達関数Ｇａの成分である、伝達関数Ｇｅは、速度指令（ＰＩＮの出力）に応答してモ−タの通電レベルを変更するモ−タドライバのもの、伝達関数Ｇｍはモ−タのもの、伝達関数Ｇｐはモ−タによって駆動される機械系のものである。
【００２５】
この圧延機の、圧延ロ−ラの回転速度（被制御量ｙ）をフィ−ドバック制御器２２に与えるフィ−ドバックル−プの伝達関数Ｈａを図５の（ａ）に示す。
【００２６】
この圧延機に適用する態様において、フィ−ドバック制御器２２（Ｋｃａ）は、ＰＩ制御器（図３の４．）又はＰＩＤ制御器（図３の５．）とする。これに対応して、第１補償器３０の補正制御器３２（Ｋｃｉ）は、フィ−ドバック制御器２２（Ｋｃａ）と同一の伝達特性のもの（Ｋｃｉ＝Ｋｃａ）とする。すなわち、補正制御器３２の伝達関数Ｋｃｉはフィ−ドバック制御器２２の伝達関数Ｋｃａと同一とし、フィ−ドバック制御器２２の伝達関数Ｋｃａのパラメ−タ値と補正制御器３２の伝達関数Ｋｃｉのパラメ−タ値も同一とする。すなわち、目標値応答を調整するためにフィ−ドバック制御器２２の伝達関数Ｋｃａのパラメ−タ値を調整（変更）するときには、補正制御器３２の伝達関数Ｋｃｉの対応パラメ−タ値も同じ値に調整（変更）する。
【００２７】
上述の圧延機に適用する態様において、第１補償器３０の第１補正演算器３３（Ｈｉ）は、圧延機（１０）のフィ−ドバック伝達関数Ｈａと同一の伝達特性のものとする。すなわち、第２補正演算器３４の伝達関数Ｈｉは、図５の（ｂ）に示すように、図５の（ａ）に示す伝達関数Ｈａと同一とする。
【００２８】
上述の圧延機に適用する態様において、補償器３０の第２補正演算器３４（Ｇｉ）は、図４の（ｂ）に示すように、図４の（ａ）に示す圧延機伝達関数Ｇａと同一の伝達特性のものとする。
【００２９】
第２補償器５０（Ｃ１）は、次の表２に示すＮｏ．１〜Ｎｏ．５のいずれの態様も用いうる。図６の（ａ）〜（ｄ）に、Ｎｏ．１〜Ｎｏ．４の態様すなわち、比例演算（Ｐ），微分演算（Ｄ），１次遅れ演算および位相進み遅れ演算、のそれぞれの構成を示し、図７に、Ｎｏ．５の多項式演算の構成を示す。
【００３０】
【表２】
0003553264.tif 000006
【００３１】
上述の圧延機に適用する態様において、第２補償器５０（Ｃ１）は、Ｎｏ．３（図６の（ｃ））の１次遅れ演算，Ｎｏ．４（図６の（ｄ））の位相進み遅れ演算あるいはＮｏ．５の多項式演算のものを用いる。Ｎｏ．３（図６の（ｃ））の１次遅れ演算のものが、構成および調整が簡単であるので、これを用いるのが好ましい。例えば、１次遅れ演算（表２のＮｏ．４のＫ４／（Ｔ３・ｓ＋１））のものを用いる場合、図１１に示した目標値応答が良い場合のＰＩ制御器（２２）の時定数をＴ１１とし、この伝達特性にＰＩ制御器２２および補正制御器３２が設定されているときに、図１２に示した負荷応答に調整するときには、図１２に示した負荷応答が良い場合のＰＩ制御器（２２）の時定数をＴ１２とすると、第２補償器５０の伝達関数Ｃ１：Ｋ４／（Ｔ３・ｓ＋１）を、
Ｋ４／（Ｔ３・ｓ＋１）＝（Ｔ１１−Ｔ１２）／（Ｔ１１・Ｔ１２・ｓ＋Ｔ１２）
＝〔（Ｔ１１−Ｔ１２）／Ｔ１２〕／（Ｔ１１・ｓ＋１）
したがって、Ｋ４＝〔（Ｔ１１−Ｔ１２）／Ｔ１２〕、Ｔ３＝Ｔ１１、と調整することにより、図１１に示した目標値応答と図１２に示した負荷応答を同時に満たす、例えば図９に示す応答特性に調整しうる。
【００３２】
以上の通り、本発明によれば、基本的な目標値応答調整はフィ−ドバック制御器２２で調整しこれと同じく第１補償器３０の補正制御器３２を調整し、この目標値応答を変えることなく第２補償器５０により負荷応答を調整しうる。制御器２２，３２ならびに第２補償器５０の伝達関数は、第１表および第２表に示すように各種のものであって良く、汎用性が高い。したがって産業上の応用範囲としても、上述のモ−タ速度制御系のみならず負荷外乱があり得るあらゆる制御対象機器に適用できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のフィ−ドバック制御装置ＰＩＮの機能構成を示すブロック図である。
【図２】図１に示すフィ−ドバック制御器２２および補正制御器３２の構成の３種を示すブロック図である。
【図３】図１に示すフィ−ドバック制御器２２および補正制御器３２の構成の他の３種を示すブロック図である。
【図４】（ａ）は図１に示す対象機器１０の動作の伝達関数を示すブロック図、（ｂ）は図１に示す第２補正演算器３４の伝達関数を示すブロック図である。
【図５】（ａ）は図１に示す対象機器１０の被制御量ｙのフィ−ドバック伝達関数を示すブロック図、（ｂ）は図１に示す第２補正演算器３３の伝達関数を示すブロック図である。
【図６】図１に示す第２補償器５０の構成の４種を示すブロック図である。
【図７】図１に示す第２補償器５０の構成の他の１種を示すブロック図である。
【図８】（ａ）は図１に示す対象機器１０の圧延機の外観を示す斜視図であり、（ｂ）は（ａ）の圧延機の等価モデルを示すブロック図である。
【図９】図１に示すフィ−ドバック制御装置ＰＩＮで実現しうる圧延機のロ−ル回転速度Ｎの変化特性を示すタイムチャ−トである。
【図１０】（ａ）は、従来の一般的なフィ−ドバック制御系を示すブロック図、（ｂ）は従来の２自由度制御系の１つを示すブロック図、（ｃ）は従来の２自由度Ｈ∞制御系を示すブロック図である。
【図１１】図１０の（ａ）に示す一般的なフィ−ドバック制御系で実現しうる圧延機のロ−ル回転速度Ｎの変化特性の１つを示すタイムチャ−トである。
【図１２】図１０の（ａ）に示す一般的なフィ−ドバック制御系で実現しうる圧延機のロ−ル回転速度Ｎの変化特性のもう１つを示すタイムチャ−トである。
【図１３】（ａ）は図１に示すフィ−ドバック制御装置の制御ブロックと同構成のブロック図であり、（ｂ）は（ａ）を等価変換したブロック図であり、（ｃ）は（ｂ）を等価変換したブロック図である。
【図１４】（ｄ）は図１３の（ｃ）を等価変換したブロック図であり、（ｅ）は（ｄ）を等価変換したブロック図であり、（ｆ）は（ｅ）を等価変換したブロック図である。（ｇ）は（ｆ）を等価変換したブロック図である。
【符号の説明】
１０：対象機器                    １１：対象機器１０の動作の伝達関数
１２：対象機器１０の被制御量ｙのフィ−ドバック伝達関数
２０：フィ−ドバック制御器        ２１：減算器
２２：制御器                      ３０：第１補償器
３１：減算器                      ３２：補正制御器
３３：第１補正演算器              ３４：第２補正演算器
４０：減算器                      ５０：第２補償器
６０：加算器
【図１】
0003553264.tif 000007
【図２】
0003553264.tif 000008
【図３】
0003553264.tif 000009
【図４】
0003553264.tif 000010
【図５】
0003553264.tif 000011
【図６】
0003553264.tif 000012
【図７】
0003553264.tif 000013
【図８】
0003553264.tif 000014
【図９】
0003553264.tif 000015
【図１０】
0003553264.tif 000016
【図１１】
0003553264.tif 000017
【図１２】
0003553264.tif 000018
【図１３】
0003553264.tif 000019
【図１４】
0003553264.tif 000020