(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
サーボ系のオートチューニングを応答波形から抽出された特徴量に基づいて行うオートチューニング方法において、
オートチューニングの実行中、前記サーボ系を、スライディングモードの操作量を計算するスライディングモードコントローラと、スライディングモードでの可変ゲイン切換えを行うゲイン切換え判定機構を有するスライディングモード制御構造とし、さらに可変ゲインの切換え回数を計数する回数計算部を設け、前記回数計算部の計数値を特徴量として制御系の補正ゲインを修正することを特徴とするオーバーシュートレスオートチューニング方法。
【請求項２】
オートチューニングの実行中はサーボ系を比例積分制御構造とスライディングモード制御構造の併用とし、オートチューニングの実行時以外は前記サーボ系を比例積分制御構造に切換えることを特徴とする請求項１に記載のオーバーシュートレスオートチューニング方法。
【請求項３】
前記サーボ系が位置決めサーボ系である請求項１または２に記載のオーバーシュートレスオートチューニング方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、サーボ系のオートチューニング方法に関し、特に、オーバーシュートの発生を抑えた位置決めサーボ系のオートチューニング方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
サーボ系に対するオートチューニング方法として、ステップ波形などを系に入力した際の応答波形のオーバーシュート量等を特徴量とし、抽出された特徴量に基づき各種の手法を用いてゲインの調整や慣性モーメントの同定などを行う方法が従来からあり（例えば、文献：電気学会全国大会講演論文集Vol.1991, No.6, 9.10.1, pp.5-18）、この方法は実現が容易であるので、一般的に用いられている。図７はステップ応答波形の一例を示しており、指令値ｅ0に対する応答波形から値ｅ1,ａ,ｂ,Ｔを求めることにより、オーバーシュート量Ｅ、振幅減衰比Ｄ、整定時間比Ｒなどの特徴量が求められ、これらの特徴量に基づいてチューニングが行われる。
【０００３】
また、特開平５−３２４０８１号公報には、スライディングモード制御を利用してオーバーシュートの発生を抑えた位置決め方法が開示されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述した従来のオートチューニング方法では、ステップ応答から特徴量を抽出するため、ゲインが十分にチューニングされていないオートチューニング初期ではオーバーシュート量が大きく、位置決めサーボ系の実プロセスに適用した場合には、周辺装置への衝突等、大きな損害を引き起こすことがあるという問題点がある。また、特開平５−３２４０８１号公報に開示された技術は、２種類のスライディングカーブを使用するため制御が複雑になり、また、スライディングモードでの制御を常時行うため、計算量が膨大になるという問題点がある。
本発明の目的は、オーバーシュートの発生を抑えたオートチューニング方法を提供することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明のオーバーシュートレスオートチューニング方法は、サーボ系のオートチューニングを応答波形から抽出された特徴量に基づいて行うオートチューニング方法において、オートチューニングの実行中、前記サーボ系を、スライディングモードの操作量を計算するスライディングモードコントローラと、スライディングモードでの可変ゲイン切換えを行うゲイン切換え判定機構を有するスライディングモード制御構造とし、さらに可変ゲインの切換え回数を計数する回数計算部を設け、前記回数計算部の計数値を特徴量として制御系の補正ゲインを修正する。
本発明において、オートチューニングの実行中はサーボ系を比例積分制御構造とスライディングモード制御構造の併用とし、オートチューニングの実行時以外はサーボ系を比例積分制御構造に切換えるようにすることができる。
【０００６】
【作用】
オートチューニング動作中の制御構造として、負荷系の応答に対してロバスト性が大きいスライディングモード制御を採用しているので、オートチューニング初期でも、オーバーシュートを発生させることがない。このため、実プロセスにおいて位置決めサーボ系のオートチューニングを実施する場合に、周辺装置の衝突等の問題を引き起こすことがない。スライディングモード制御ではゲインの切換えが発生するが、後述する実施例から明らかになるように、本発明では、このゲインの切換え回数をオートチューニングのための特徴量として用い、系の諸特性、例えばサーボモータや負荷系の特性の推定を行っている。また本発明においては、サーボ系のオートチューニングは、オフラインであるいはオンライン動作中に行うことができる。
【０００７】
【実施例】
次に、本発明の実施例について図面を参照して説明する。図１は本発明の一実施例のオートチューニング方法が適用される制御系を示す制御ブロック図、図２はこのオートチューニング方法の処理手順を示すフローチャートである。まず、制御系について説明する。
この制御系は、制御対象８の位置ｘをサーボモータトルク発生機構６が発生するトルクにより位置決めするサーボ系である。図示１１がサーボモータと慣性負荷を表しており、出力電流ｉrefに応じトルク定数ＫTでもってトルクを発生するサーボモータトルク発生機構６と、このトルクで駆動されるサーボモータと負荷の慣性モーメントＪのイナーシャ要素７とによって構成されているものとする。制御対象８は、サーボモータと慣性負荷の角加速度ｕを位置ｘに変換する機能を有するものであり、その伝達関数が１／Ｓ2（２回積分要素）で表わされている。この制御系は、通常の動作時にはＰＩ（比例積分）制御によって制御を行い、オートチューニング時にはスライディングモード制御構造に移行するように構成されている。すなわち、位置ループゲインがＫPであり位置偏差に対応して速度指令値を発生する速度指令発生部１と、速度ループゲインがＫV、積分ゲインがＫiであって速度偏差に応じて比例制御操作量ＵPIDを発生するＰＩ制御部２と、操作量Ｕrefに応じた出力電流ｉrefを出力する補正部５と、上述したサーボモータ＋慣性負荷１１及び制御対象８と、位置ｘが入力して制御対象の速度
【０００８】
【外１】
0003541857.tif 000002
を出力する微分要素９とによって、ＰＩ制御のための制御ループが構成されている。さらに、オートチューニングを行うために、切換えゲイン（可変ゲイン）がＫSであってスライディングモードを発生させるための操作量ＵSを発生するスライディングモードコントローラ３と、スライディングモードでのゲイン切換えの判定を行いスライディングモードコントローラ３でのゲイン切換えを行うゲイン切換え判定機構１０と、ゲインの切換え回数ｍを計数する回数計算部４が設けられている。
位置指令ｘrefと制御対象８の実際の位置ｘとの偏差（位置偏差）ｘref−ｘは、速度指令発生部１に入力するとともに、スライディングモードコントローラ３とゲイン切換え判定機構１０にも入力している。速度指令発生部１は、ＫP（ｘref−ｘ）で表わされる速度指令値を発生する。そして、速度指令値と実際の速度との偏差（速度偏差）
【０００９】
【外２】
0003541857.tif 000003
がＰＩ制御部２とともにゲイン切換え判定機構１０に入力する。ＰＩ制御部２は、
【００１０】
【数１】
0003541857.tif 000004
で表わされるように、比例制御操作量ＵPIDを出力する。補正部５は、入力する操作量Ｕrefに対し、トルク定数設定値ＫTn（トルク定数のモデル値）と慣性モーメント設定値（慣性モーメントのモデル値）Ｊnとの比Ｊn／ＫTnに応じた補正を行い、サーボモータに対する出力電流ｉrefを出力するように構成されている。この比Ｊn／ＫTnは、サーボモータや負荷系（制御対象８）の特性を表すパラメータである。ここで操作量Ｕrefは、比例制御操作量ＵPIDとスライディングモードを発生させるための操作量ＵSとの差ＵPID−ＵSである。また、比Ｊn／ＫTnが回数計算部４の出力によって変化するようになっている。
次に、制御系における制御動作について、図２を用いて説明する。
まず、オートチューニング動作であるかどうかの判定が行われる（ステップ１０１）。オートチューニング動作でない場合には、周知の手順に従って通常の制御（ＰＩ制御）を実行し（ステップ１０９）、出力電流ｉrefを出力してサーボモータを駆動し（ステップ１０８）、ステップ１０１に戻る。オートチューニング動作の場合には、速度指令値ｘrefや位置ｘ、速度
【００１１】
【外３】
0003541857.tif 000005
を入力し（ステップ１０２）、速度指令値ＫP（ｘref−ｘ）を算出した後にゲイン切換え判定機構１０においてゲイン切換えの判断を行い（ステップ１０３）、ＰＩ制御部２において比例制御操作量ＵPIDを算出し（ステップ１０４）、スライディングモードコントローラ３においてスライディングモード発生のための操作量ＵSを算出する。そして、回数計算部４においてゲインの切換え回数ｍを計算し（ステップ１０６）、切換え回数ｍに応じて補正部５の比Ｊn／ＫTnを調整する（ステップ１０７）。そして、設定値要素５が調整後の比Ｊn／ＫTnに基づいて出力電流ｉrefを出力し（ステップ１０８）、ステップ１０１に戻る。
次に、制御構造をスライディングモード制御として行われるオートチューニング動作について、さらに詳しく説明する。
【００１２】
ゲイン切換え判定機構１０は、速度偏差
【００１３】
【外４】
0003541857.tif 000006
と位置偏差ｘref−ｘとの積の符号により、状態を判断し、スライディングモードコントローラ３の切換えゲインＫSを切換え、スライディングモードを実施する。具体的には、
【００１４】
【数２】
0003541857.tif 000007
とする。ここで、文献[1]:電気学会論文誌Ｄ分冊第107巻第11号1403〜1410頁(1987年)や文献[2]:平成５年電気学会全国大会講演論文集No.871(1993年)にあるように、
【００１５】
【数３】
0003541857.tif 000008
とすると、(2)式では、
【００１６】
【数４】
0003541857.tif 000009
となり、(3)式では、
【００１７】
【数５】
0003541857.tif 000010
となる。モデルが正しく、図１において
【００１８】
【数６】
0003541857.tif 000011
となっていれば、すなわちトルク定数と慣性モーメントについて、モデル値相互の比と実際値相互の比が等しくなっている場合には、
【００１９】
【数７】
0003541857.tif 000012
となり、ゲインの切換えを発生せずに位置決めが完了する。
上述したように、回数計算部４は、ゲイン切換え回数ｍを入力とし、補正部５の比Ｊn／ＫTnをチューニングする。本実施例では、状態２から状態３への切換え回数をｍ1、状態２から状態１への切換え回数をｍ2として、ゲイン切換え回数ｍを
ｍ ＝ ｍ1 − ｍ2          …(5)
で定義した。また、δを正の数として、
【００２０】
【数８】
0003541857.tif 000013
で表わされるように、比Ｊn／ＫTnのチューニングを行った。
(6)式のチューニングにより、Ｊn／ＫTnが実際値（実際のＪ／ＫT）より小さいときには、比Ｊn／ＫTnがδ・ｍだけ増加し、実際値より大きいときは、δ・ｍだけ減少する。そして、最終的に、
【００２１】
【数９】
0003541857.tif 000014
となるまでチューニングが行われる。
次に、本実施例のチューニング方法について、シミュレーションを行った結果を説明する。ここでは、初期状態において、
【００２２】
【数１０】
0003541857.tif 000015
となっている位置決め系に対して本実施例のチューニング方法を適用した。
図３は、初期状態において通常の制御（ＰＩ制御）を行った場合におけるステップ応答波形を時間と変位との関係によって示したものである。この図に示されるように、通常の制御によってオートチューニングを行った場合には、オートチューニング初期にかなりのオーバーシュートが発生することになる。図４は、本実施例にしたがって制御構造をスライディングモード制御とした場合の、初期状態（オートチューニング開始前）におけるステップ応答波形を示したものである。図４(a)は位置応答波形であり、図４(b)は位相面軌跡波形である。図４(a)に示されるように、スライディングモード制御とすることによって、初期状態においてもオーバーシュートが発生していない。なお、図４(b)において、のこぎり波状の軌跡となっている部分があるが、これはそこでゲインの切換えがあったことを示している。本実施例では、ステップ波形が入力する都度、ゲイン切換え回数ｍに応じて比Ｊn／ＫTnが変化し、これによってチューニングが進行する。
【００２３】
上述のようにしてオートチューニングが進行すると、ステップ波形を入力した際のゲインの切換え回数ｍが次第に減少する。図５は、チューニング終了直前のゲイン切換え回数ｍが２のときのステップ応答波形を示したものである。図５(a)と(b)は、図４の場合と同様に、それぞれ、位置応答波形と位相面軌跡波形を示している。ゲインの切換え回数ｍが２なので、図５(b)に示す位相面軌跡波形には、のこぎり波状の部分はほとんど見られない。そして、図６は、オートチューニングが終了した後、通常の制御に戻した時のステップ応答波形を時間と変位との関係によって示したものである。なお、図４及び図５における単位ｐ.ｕ.は、系において定められた位置の単位である。
以上のシミュレーション結果から明らかなように、本発明のオートチューニング方法によれば、チューニング初期から終了まで、一貫してオーバーシュートを発生させることなく位置決め系のチューニングを行うことが可能となる。
【００２４】
【発明の効果】
以上説明したように本発明のオーバーシュートレスオートチューニング方法は、オートチューニング中にオーバーシュートを発生させることがないので、周辺装置への衝突等の事故を発生させることなく迅速なチューニングを行うことが可能になり、実プロセスへの適用が容易であるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例のオーバーシュートレスオートチューニング方法が適用される制御系を示す制御ブロック図である。
【図２】本発明の一実施例のオーバーシュートレスオートチューニング方法の処理手順を示すフローチャートである。
【図３】初期状態での通常制御系のステップ応答波形を示すグラフである。
【図４】スライディングモード適用時の初期状態でのステップ応答波形を示す図であって、(a)は位置応答波形を示すグラフ、(b)は位相面軌跡波形を示すグラフである。
【図５】スライディングモード適用時のオートチューニング終了直前のステップ応答波形を示す図であって、(a)は位置応答波形を示すグラフ、(b)は位相面軌跡波形を示すグラフである。
【図６】オートチューニング終了後のステップ応答波形を示すグラフである。
【図７】ステップ応答波形の一例を示す図である。
【符号の説明】
１      速度指令発生部
２      ＰＩ制御部
３      スライディングモードコントローラ
４      回数計算部
５      補正部
６      サーボモータトルク発生機構
７      イナーシャ要素
８      制御対象
９      微分要素
１０      ゲイン切換え判定機構
１１      サーボモータ＋慣性負荷
１０１〜１０９      ステップ
ｉref   出力電流
Ｊ      慣性モーメント
Ｊn     慣性モーメント設定値
Ｋi     積分ゲイン
ＫP     位置ループゲイン
ＫS     切換えゲイン
ＫT     トルク定数
ＫTn    トルク定数設定値
ＫV     速度ループゲイン
ｍ      切換え回数
ｘ      位置
ｘref   位置指令値
【図１】
0003541857.tif 000016
【図２】
0003541857.tif 000017
【図３】
0003541857.tif 000018
【図４】
0003541857.tif 000019
【図５】
0003541857.tif 000020
【図６】
0003541857.tif 000021
【図７】
0003541857.tif 000022