(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、制御対象機器の伝達関数を振動のないものに変換した伝達関数の第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。
【請求項２】
第２補償器のト−タルゲインを実質上零としてフィ−ドバック制御器を所望の応答特性に調整すると共に補正制御器を同じく調整し、次に被制御量ｙの振動を抑制するように第２補償器の応答特性を調整し、そしてフィ−ドバック制御器および補正制御器のゲインを同時に上げて応答を上げる、請求項１記載のフィ−ドバック制御装置の調整方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、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−ル駆動装置は、駆動用の電動機，減速機又は増速機，ロ−ル，軸（スピンドル）などで構成されている。この種の装置の制御系においては、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、等価的に、多質点のばね系で表現される振動系を構成しているため、制御系に振動が生じ易い。特に、近年の圧延機の高速化および高応答化の要求に伴なって、ロ−ル駆動制御装置の駆動目標速度の変化を速くする（応答性を高める）と、軸の捩じり振動が顕著になり、安定した運転が難しくなる。また、例えば熱間圧延設備において鋼板を圧延する際、圧延機の板噛み込み時にロ−ル側から駆動側に加わる負荷力（負荷インパクト入力）によって、軸の捩じり振動（軸共振）が発生するため、制御系に振動が外乱として加わり、ロ−ル駆動速度が変動する。
【０００４】
従って、ロ−ル駆動系を高応答化するためには、駆動速度目標値の変更時、あるいは負荷インパクト時に、軸の捩じり振動によって生じる制御系の振動をすみやかに抑制するように制御することが重要である。
【０００５】
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に示す。この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。図１０に示す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。
【０００６】
Ｇｒｅｆ−ｙ＝Ｋｃａ・Ｇａ／（１＋Ｋｃａ・Ｇａ・Ｈａ）
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、図１０に示すような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、軸ねじリ振動に関して何も制御できない。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、その後負荷外乱を与えると、図１１の（ａ）に示すようにモータの速度応答波形は振動的になる。これは、基本応答に軸ねじり振動成分がのっているためであり、この場合の基本応答はモータ速度波形とロール速度波形の平均となる。これよりもさらに目標値応答を速めようとフィードバックのゲインを上げると、モータの速度応答波形は、図１１の（ｂ）に示すようにさらに振動が大きくなり、機械系に負担をかける。
【０００８】
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でしかも軸ねじり振動の少いフィ−ドバック制御装置を提供することを目的とする。
【０００９】
【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（１０）の伝達関数（Ｇａ）を振動のないものに変換した伝達関数（Ｇｉ）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又は対応事項の符号を、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。
【００１０】
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のフィー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）の伝達関数（Ｇａ）を振動のないものに変換した伝達関数（Ｇｉ）を有するものである。
【００１１】
図１２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１２の（ａ）に示したブロック線図を等価変換し、図１３の（ｇ）の形に簡略化する。この変換工程の一例を図１２および図１３に（ｂ）〜（ｆ）の順で示す。図１３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。
【００１２】
【数１】
0003553263.tif 000002
【００１３】
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、
【００１４】
【数２】
0003553263.tif 000003
【００１５】
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るので、（１）式において、Ｋｃｉ＝Ｋｃａ，Ｈｉ＝Ｈａを代入すれば、
【００１６】
【数３】
0003553263.tif 000004
【００１７】
となる。
【００１８】
本式にみるように、制御系の特性多項式（伝達関数の分母）が、元のＧｒｅｆ−ｙにおいては、振動成分を含んだプラントの伝達関数Ｇａが支配的であった特性、
１＋Ｋｃａ・Ｇａ・Ｈａ
であったものを、本発明を適用することによってＧ’ｒｅｆ−ｙにおいては、
｛１＋Ｋｃａ（１＋ｃ１）Ｇａ・Ｈａ｝・（１＋Ｋｃａ・Ｇｉ・Ｈａ）
すなわち、元の制御系に対して補償器Ｃ１を適用して負荷応答を改善した制御系の特性、
｛１＋Ｋｃａ（１＋ｃ１）Ｇａ・Ｈａ｝
と、振動成分を含まないプラントＧｉが支配的な特性
（１＋Ｋｃａ・Ｇｉ・Ｈａ）
の積という、元の制御系の特性に近いが振動の少ない特性に変更できる。
【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：制御対象機器（１０）の伝達関数（Ｇａ）を振動のないものに変換した伝達関数、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・Ｇｉ・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】
この応答特性の調整は具体的には次のようにする。すなわち、第２補償器５０のト−タルゲインを実質上零としてフィ−ドバック制御器２２の目標値応答を所望に調整すると共に補正制御器３２を同じく調整し、次に被制御量ｙの振動を抑制するように第２補償器５０の応答特性を調整する。そしてフィ−ドバック制御器２２および補正制御器５０のゲインを同時に少しづつ上げて応答を上げる。
【００２１】
この過程で必要であれば、被制御量ｙの振動を抑制するように第２補償器５０の応答特性を再調整することもできる。すなわち、フィ−ドバック制御器２２および補正制御器３２のゲインを少し上げて制御系の応答を上げ、被制御量ｙの振動を抑制するように第２補償器５０の応答特性を調整し、このゲインアップと第２補償器５０の調整を繰返す。
【００２２】
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。
【００２３】
【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。
【００２４】
【表１】
0003553263.tif 000005
【００２５】
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。
【００２６】
対象機器１０をある圧延機とした場合、中間慣性と圧延ロ−ラという２つの負荷は、２本の軸を介してモ−タに連結されており、モ−タの慣性モ−メントをＪ１、中間慣性の慣性モ−メントＪ２、圧延ロ−ラの慣性モ−メントをＪ３とすると、図８に示す系に模擬できる。ｋｐ１はモ−タと中間慣性の間の軸のばね係数であり、ｋｐ２は中間慣性と圧延ロ−ラの間の軸のばね係数であり、Ｔｔ１およびＴｔ２はそれぞれ、ｋｐ１およびｋｐ２のばね係数を持つ軸のダンピング定数を示している。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。
【００２７】
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。
【００２８】
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。
【００２９】
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。
【００３０】
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を、軸のねじり振動に関する伝達関数を省略し、ねじれが無い動特性のものに簡略化した、図４の（ｂ）に示すもの（Ｇｉ＝Ｇｅ・Ｇｍ・Ｇｐｉ）とする。
【００３１】
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。
【００３２】
【表２】
0003553263.tif 000006
【００３３】
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。
【００３４】
ここで、以上に説明した、圧延機に適用する態様における図１に示すフィ−ドバック制御装置ＰＩＮの応答特性の調整手順は次の通りである：
１．第２補償器５０のト−タルゲインを０とする。すなわち第２補償器５０が無い状態（結局、第１補償器３０および第２補償器５０が無い状態）と同等とする；２．フィ−ドバック制御器２２を、試運転可能な特性（例えば図１１の（ａ））に調整する。この調整法は、従来のフィ−ドバック制御器の調整法として知られたものである。この調整を終えると、補正制御器３２を制御器２２と同一特性に設定する；
３．軸ねじり振動が収まり安定した駆動（例えば図９の（ａ））となるように、第２補償器５０を調整する；
４．フィ−ドバック制御器２２および補正制御器３０のゲインを少しづつ（同時に同量）上げて制御系の応答を上げる（例えば図９の（ｂ））。
【００３５】
５．必要であれば、上記３．と４．を繰返し、振動を抑制しながら応答を上げて行く；
以上により、例えば図１０に示すように、対象機器１０の被制御量ｙ（回転速度）が推移するように、フィ−ドバック制御装置ＰＩＮの応答を設定することができる。
【００３６】
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の動作の伝達関数の一例を示すブロック図、（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−ドバック伝達関数の一例を示すブロック図、（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】圧延機の等価モデルを示すブロック図である。
【図９】（ａ）は圧延機の速度制御に図１に示すフィ−ドバック制御装置ＰＩＮを適用した場合の、フィ−ドバック制御器２２を目標値応答が好適となるように調整した後、第２補償器５０を軸ねじり振動が収まり安定した駆動となるように調整したときの、圧延機の回転速度の推移を示すタイムチャ−ト、（ｂ）は更にフィ−ドバック制御器２２のゲインを上げたときの圧延機の回転速度の推移を示すタイムチャ−トである。
【図１０】従来の一般的なフィ−ドバック制御系を示すブロック図である。
【図１１】（ａ）は図１０に示す一般的なフィ−ドバック制御系のフィ−ドバック制御器２２を、通常使用しうる程度の軸振動が発生する応答に調整した時のタイムチャ−ト、（ｂ）は基本応答を上げるために制御器のゲインを上げたときの圧延機の回転速度の推移を示すタイムチャ−トである。
【図１２】（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１３】（ｄ）は図１２の（ｃ）を等価変換したブロック図であり、（ｅ）は図１２の（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り、（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】
0003553263.tif 000007
【図２】
0003553263.tif 000008
【図３】
0003553263.tif 000009
【図４】
0003553263.tif 000010
【図５】
0003553263.tif 000011
【図６】
0003553263.tif 000012
【図７】
0003553263.tif 000013
【図８】
0003553263.tif 000014
【図９】
0003553263.tif 000015
【図１０】
0003553263.tif 000016
【図１１】
0003553263.tif 000017
【図１２】
0003553263.tif 000018
【図１３】
0003553263.tif 000019