(57)【要約】  【課題】  機台振動を有する制御対象に対する位置指令と補償器のチューニング作業の時間を短縮する。  【解決手段】  電動機で駆動される装置を搭載した機台の振動を有する制御対象に対し、前記電動機の回転位置又は前記装置の可動部の位置に関する位置情報を用いて位置決め制御系を構成した電動機制御システムの自律設計方法において、前記可動部の特定の移動距離もしくは複数の移動距離に対して、（１）位置決め仕様を満足し、（２）機台振動抑制に関する制御目標を考慮し、（３）動作上の安全性を考慮し、（４）フィードバック補償器の安定性を確保したフィードフォワード補償器とフィードバック補償器と位置指令パラメータを最適化手法を用いて自律設計する。最適化手法として遺伝アルゴリズムを用いる。フイードバック補償器パラメータの探索範囲には、初期設定された又は出荷後に設定された安定化補償器パラメータが含まれるように設定する。  【選択図】  図４
2006042473.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電動機で駆動される装置を搭載した機台の振動を有する制御対象に対し、前記電動機の回転位置又は前記装置の可動部の位置に関する位置情報を用いて位置決め制御系を構成した電動機制御システムの自律設計方法において、
前記可動部の特定の移動距離もしくは複数の移動距離に対して、（１）位置決め仕様を満足し、（２）機台振動抑制に関する制御目標を考慮し、（３）動作上の安全性を考慮し、（４）フィードバック補償器の安定性を確保したフィードフォワード補償器とフィードバック補償器と位置指令パラメータを最適化手法を用いて自律設計することを特徴とする電動機制御システムの自律設計方法。
【請求項２】
前記最適化手法として遺伝アルゴリズムを用いることを特徴とする請求項１に記載の電動機制御システムの自律設計方法。
【請求項３】
前記遺伝アルゴリズムで用いるシミュレータ回路部は、時間応答性能を評価するための時間応答回路部と、前記フィードバック補償器の安定性を評価するための周波数応答回路部とを備えていることを特徴とする請求項２に記載の電動機制御システムの自律設計方法。
【請求項４】
前記周波数応答回路部は、事前に保存されている電動機電流値入力指令から観測量位置までの周期数応答データと、個体情報により規定されるフィードバック補償器を用いて、一巡伝達関数の周波数応答と相補感度関数の周波数応答を計算することを特徴とする請求項３に記載の電動機制御システムの自律設計方法。
【請求項５】
前記周波数応答回路部で計算された一巡伝達関数の周波数応答に対して、目標安定余裕値を下回った場合にペナルティを与える評価規範と、前記周波数応答回路部で計算された相補感度関数の周波数応答に対して、目標ピークゲインを上回った場合にペナルティを与える評価規範とを併せ持ったフィードバック安定性の評価関数を設定することを特徴とする請求項３又は４に記載の電動機制御システムの自律設計方法。
【請求項６】
位置決め仕様を満足しない場合にペナルティを与える評価規範と、動作上危険を及ぼす可能性のある場合にペナルティを与える評価規範と、位置決め仕様を満足しているものの、位置決め性能と機台振動抑制性能を劣化させてしまう要因に対してペナルティを与える評価規範とを持ち合わす評価関数と、前記フィードバック安定性の評価関数とを足し合わすことで、個体の適合度を評価することを特徴とする請求項５に記載の電動機制御システムの自律設計方法。
【請求項７】
染色体に保存されているフィードバック補償器を規定するパラメータ群の探索範囲は、初期設定された又は出荷後に設定された安定化補償器の特性が含まれるように設定したことを特徴とする請求項２乃至６のいずれかに記載の電動機制御システムの自律設計方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、機台振動を有する制御対象に対する位置指令と補償器のパラメータを自律設計する電動機制御システムの自律設計方法に関する発明である。
【背景技術】
【０００２】
電子部品自動装着機等に代表される設備機械においては、電動機と電動機に接続された駆動機構と、電動機と電動機に接続された駆動機構を支える機台で構成される制御対象がばね特性を有する場合、その加減速動作により、機構振動が発生し、位置決め時間の増大や位置決め精度の劣化を招き、更には機台振動の発生により、機械周辺環境へ悪影響を及ぼす場合もある。
【０００３】
これらの機台振動を有する位置決め制御問題に対し、サーボ制御手法による解決策を模索した場合、次のような幾つかの手法が考えられる。
【０００４】
（Ａ）状態フィードバック制御
機台振動を不可観測な状態量とおき、一部観測量からオブザーバやカルマンフィルタ等を用いた状態推定器と最適レギュレータ等を組み合わせて状態フィードバック制御を行う。
【０００５】
（Ｂ）フィードフォワード制御
機台振動の伝達特性を考慮した上で、その振動を軽減させられる補償器を設計する。また、機台振動が制御量に陽に現れる場合は、制御量までの伝達特性をモデル化し、二自由度モデルマッチング制御や零位相差制御に適用させる。
【０００６】
（Ｃ）目標軌道（位置指令）の工夫
各々の位置指令生成アルゴリズムにより、目標軌道を設計する時にその位置指令が持つパワースペクトル分布特性を解析し、機台振動を抑制できるような位置指令アルゴリズムとそのパラメータを選択する。
【０００７】
（Ｄ）オートチューニング
補償器のパラメータをオートチューニングする（下記特許文献１参照）。また、オンライン同定機構を併用する。
【０００８】
これら（Ａ）〜（Ｄ）の手法の中から適当な手法を選択して適用することにより、機台振動抑制効果を向上させることが期待できるが、一方で十分な成果が上げられない可能性もある。
【０００９】
各々の制御手法の特性に目を向けてゆくと、例えば（Ａ）や（Ｂ）の手法は、位置指令の軌道が予め何らかの方法で設計されていることが前提であるため、得られる結果がその軌道に依存してしまうという問題がある。
【００１０】
一方、（Ｃ）の手法については、位置指令の軌道に可動部が完全追従すれば、可動部の駆動特性も所望のスペクトル分布を有することになるが、制御則との組み合わせにおいて、電動機のピークトルク等の機械の制約条件を満足し、かつ前述の機械周辺環境への悪影響や位置決め精度劣化の問題に対する最適解を与える位置指令の軌道を探し出すには、位置指令の特性だけに着眼するのでは不十分なことが多い。また、完全追従方式等の制御則を適用しない場合は、可動部の駆動特性は位置指令の特性と異なるということもあり、実際には所望の特性を得るために試行錯誤の領域が存在している。つまり、補償器と位置指令を個別に設計する従来の枠組みでは、制御仕様を満足する最適解を探索するのが容易ではなかった。
【００１１】
（Ｄ）の手法に関しても、同様のことが言え、従来の枠組みで導出された解が必ずしも最適解に成り得ていない状況にあった。
【００１２】
また、機台振動を有する位置決めシステムにこれらの手法を適用する際に、制御目標に対する明確な設計規範を有する手法は過去において特に見受けられず、そのことが、試行錯誤による設計作業を更に困難とさせる要因にもなっていた。
【特許文献１】特開２００１−８４７７号公報（第２頁〜第５頁等）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
上記従来の問題点を解決するために、本発明者らは、特願２００３−２７８８０号の明細書（以下「先願明細書」という）に記載されている電動機制御システムの自律設計方法を研究している。この自律設計方法は、位置指令と補償器の同時最適化設計を遺伝アルゴリズム（ＧＡ）を用いて実施することにより、従来に比べて最適解を探索する時間を短縮できるようにしたところに特徴がある。しかしながら、先願明細書に記載された実施形態では、フィードバック補償器は、自律設計を実施せずに固定とし、それの具体的な自律設計方法は開示されていない。
【００１４】
先願明細書に記載された実施形態の自律設計を実施する場合は、図１３の設計フローチャートにようになる。この設計フローチャートの手法では、フィードフォワード補償器と位置指令の自律設計を実施したとしても、フィードバック補償器の性能不足が原因で満足のいく結果を得られない場合は、フィードバック補償器の再設計が必要となり、必要に応じて位置指令・フィードフォワード補償器の再調整も実施しなければならず、パラメータ設計が複雑になる。このため、機台振動を有する制御対象に対する位置指令と補償器のチューニング作業の時間が長くなるという問題がある。
【００１５】
そこで、本発明の目的は、機台振動を有する制御対象に対する位置指令と補償器のチューニング作業の時間を短縮することができる電動機制御システムの自律設計方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
上記目的を達成するために、本発明は、電動機で駆動される装置を搭載した機台の振動を有する制御対象に対し、前記電動機の回転位置又は前記装置の可動部の位置に関する位置情報を用いて位置決め制御系を構成した電動機制御システムの自律設計方法において、前記可動部の特定の移動距離もしくは複数の移動距離に対して、（１）位置決め仕様を満足し、（２）機台振動抑制に関する制御目標を考慮し、（３）動作上の安全性を考慮し、（４）フィードバック補償器の安定性を確保したフィードフォワード補償器とフィードバック補償器と位置指令パラメータを最適化手法を用いて自律設計するようにしたものである。このようにすれば、図１４に示すように、フィードバック補償器の自律設計をも可能にする位置指令・フィードフォワード補償器・フィードバック補償器の同時最適化設計を実現できるため、フィードバック補償器の再設計・調整を自律設計によって行うことが可能となり、図１３に示すようなフィードバック工程が不要となる。これにより、機台振動を有する制御対象に対する位置指令と補償器のチューニング作業の時間を短縮することができると共に、従来に比べて、より制御性能の高い、機台振動特性変化に応じて位置指令と補償器のパラメータを自律設計する制御システムを構築できる。
【００１７】
この場合、最適化手法として遺伝アルゴリズム（ＧＡ）を用いると良い。この遺伝アルゴリズムを用いれば、比較的少ない測定数でも、精度の良いパラメータを設計することができる。この遺伝アルゴリズムの処理は、次のような工程を経て行われる。
【００１８】
［初期工程］
フィードフォワード補償器とフィードバック補償器と位置指令の各パラメータを保存するための染色体から構成される、決められた個体数分の初期集団を生成する。
また、フイードバック補償器パラメータの探索範囲には、初期設定された又は出荷後に設定された安定化補償器パラメータが含まれるように設定する。
【００１９】
［第一工程］
それぞれの個体に対するシミュレータ回路部による応答結果を評価関数の入力値として用いて適応度を評価する。シミュレータ回路部内で、フィードバック補償器の安定性を評価するための周波数応答回路部と、時間応答性能を評価するための時間応答回路部の２種類の回路を構成する。
【００２０】
周波数応答回路部は、事前に保存されている電動機電流値入力指令から観測量位置までの周期数応答データと、個体情報により規定されるフィードバック補償器を用いて、一巡伝達関数の周波数応答と相補感度関数の周波数応答を計算する。
【００２１】
更に、周波数応答回路部で計算された一巡伝達関数の周波数応答に対して、目標安定余裕値を下回った場合にペナルティを与える評価規範と、前記周波数応答回路部で計算された相補感度関数の周波数応答に対して、目標ピークゲインを上回った場合にペナルティを与える評価規範とを併せ持ったフィードバック安定性の評価関数を設定する。
【００２２】
［第二工程］
適応度に基づき評価の高い個体が多く残るように親個体を選択する。
［第三工程］
第二工程で選択された親個体の染色体を交叉させて、次世代の染色体候補を生成する。［第四工程］
前記第三工程で生成された次世代の染色体候補に対し、突然変異を判定し、実行した結果を次世代の染色体候補に反映させる。
【００２３】
［第五工程］
集団内で最も適応度の良い個体はそのまま親個体に残すエリート保存を行い、それ以外は次世代の染色体候補を親個体の染色体に保存する。
［第六工程］
任意の世代数まで第一工程から第五工程を繰り返す。
【００２４】
［第七工程］
任意の試行回数まで初期工程から第六工程まで繰り返し、終了後に最も適応度の良い個体の染色体情報を位置指令と補償器の同時最適化パラメータとして位置決め制御系へ提供する。
以上の工程を経て、フィードフォワード補償器とフィードバック補償器と位置指令パラメータを最適化手法を用いて自律設計する。
【００２５】
また、前記第一工程で適応度を評価する際に、位置決め仕様を満足しない場合にペナルティを与える評価規範と、動作上危険を及ぼす可能性のある場合にペナルティを与える評価規範と、位置決め仕様を満足しているものの、位置決め性能と機台振動抑制性能を劣化させてしまう要因に対してペナルティを与える評価規範とを持ち合わす評価関数と、前記フィードバック安定性の評価関数とを足し合わすことで、個体の適合度を評価するようにすると良い。このように３種類の評価規範を組み合わせた評価関数とフィードバック安定性の評価関数とを足し合わせるようにすれば、適合度を精度良く評価することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２６】
本発明は、図１の概念図に基づいて実施される。位置決め制御装置１１は、主に位置指令生成部１２、位置制御部１３及びパラメータ記憶部１４から構成されている。機台１５（図２参照）と一体となった制御対象１６は、剛体系もしくは電動機１７と可動部１８との間にばね特性を有する共振振動系であり、また、機台１５は可動部１８の加減速動作時に発生する負荷トルクにより、弾性変形を起こし、更には負荷トルクの反作用を吸収しきれない場合には機台１５の固有振動数に依存した振動を起こす場合がある。
【００２７】
この状況下で、本発明は、各請求項で記述した制御仕様に基づき、位置指令パラメータとフィードフォワード補償器２５とフィードバック補償器２６のパラメータの最適化を行う。この最適化を行う際には自律設計装置１９を用いる。この自律設計装置１９では、遺伝アルゴリズム（以下「ＧＡ」と略記する）を採用し、更に、位置指令とフィードフォワード補償器２５とフィードバック補償器２６の同時最適化処理を可能としている。
【００２８】
ここで、自律設計装置１９で用いるＧＡ処理の基本概念について説明する。このＧＡ処理は、図３に示すＧＡ処理のフローチャートに従って、次のような工程を経て行われる。      
【００２９】
［初期工程］
フィードフォワード補償器２５とフィードバック補償器２６と位置指令の各パラメータを保存するための染色体から構成される、決められた個体数分の初期集団を生成する（Ｓ１）。
【００３０】
初期集団を構成する染色体には最適化を行うパラメータが設定されるが、この際、フィードフォワード補償器２５とフィードバック補償器２６と位置指令の各パラメータの同時最適化を可能とするために、ある特定の移動距離において位置指令の軌道を規定する各パラメータと、フィードフォワード補償器２５とフィードバック補償器２６の特性を規定する各パラメータを染色体情報として保有する。
【００３１】
［第一工程］
それぞれの個体に対するシミュレータ回路部２２による応答結果を評価関数の入力値として用いて適応度を評価する（Ｓ２）。
【００３２】
図４に示すように、シミュレータ回路部２２内で、フィードバック補償器２６の安定性を評価するための周波数応答回路部３１と、時間応答性能を評価するための時間応答回路部３２の２種類の回路を構成する。
【００３３】
周波数応答回路部３２は、事前に保存されている電動機電流値入力指令から観測量位置までの周期数応答データと、個体情報により規定されるフィードバック補償器２６を用いて、一巡伝達関数の周波数応答と相補感度関数の周波数応答を計算する。
【００３４】
［第二工程］
適応度に基づき評価の高い個体が多く残るように親個体を選択する（Ｓ３）。この際、特定の移動距離もしくは複数の移動距離に対して、（１）位置決め仕様を満足し、（２）機台振動抑制に関する制御目標を考慮し、（３）動作上の安全性を保証し、（４）フィードバック補償器２６の安定性を確保するようなパラメータが適合度の高いものとなるように、評価関数は、以下の三種類の評価規範（Ａ）〜（Ｃ）を持ち合わせた評価関数と、フィードバック安定性の評価関数とを足し合わせた評価関数が用いられる。
【００３５】
（Ａ）位置決め仕様を満足しない場合にペナルティを与える評価規範
（Ｂ）動作上危険を及ぼす可能性のある場合にペナルティを与える評価規範
（Ｃ）位置決め仕様を満足しているものの、位置決め性能と機台振動抑制性能を劣化させてしまう要因に対しペナルティを与える評価規範
【００３６】
評価関数の性質上、それの入力値は位置決め制御量と位置決め制御装置１１内で採取可能な信号と機台加速度応答が用いられる。この評価関数への入力値はシミュレータ回路部２２により、再現されている。例えば，ＧＡ処理過程で動作上危険を及ぼす可能性のあるパラメータが生成されても、制御対象１６を損傷させる心配はない。また、制御対象１６が製品として出荷された後には位置決め制御装置１１では採取できない応答に対しても再現できることから、自律設計装置１９は製品の試作段階から量産出荷後の全ての状況において適用可能となる。
【００３７】
また、シミュレータ回路部２２内の機台振動特性を規定するパラメータは、自律設計装置１９内にある機台振動同定部を介して様々な条件により変化する機台振動応答に応じて変更させることが可能である。
【００３８】
［第三工程］
第二工程で選択された親個体の染色体を交叉させて、次世代の染色体候補を生成する（Ｓ４）。
［第四工程］
前記第三工程で生成された次世代の染色体候補に対し、突然変異を判定し、実行した結果を次世代の染色体候補に反映させる（Ｓ５）。
【００３９】
［第五工程］
集団内で最も適応度の高い個体はそのまま親個体に残すエリート保存を行い、それ以外は次世代の染色体候補を親個体の染色体に保存する（Ｓ６）。
［第六工程］
任意の世代数まで第一工程から第五工程を繰り返す（Ｓ７）。
【００４０】
［第七工程］
任意の試行回数まで初期工程から第六工程まで繰り返し、終了後に最も適応度の良い個体の染色体情報を位置指令最適化パラメータとフィードフォワード補償器２５とフィードバック補償器２６の同時最適化パラメータとして位置決め制御装置１１へ提供する。
【００４１】
ところで、特願２００３−２７８８０号の明細書に記載されている実施形態（１）で説明されている二自由度制御系は、フィードバック補償器とフィードフォワード補償器の両方を含む補償器であるが、目標値応答特性とフィードバック特性は独立に設計できるようになっている。ここで、実際の制御対象の中で果たさなければならない、二自由度制御系におけるフィードバック補償器の役割は、制御系の低感度化とロバスト安定性の確保が挙げられる。特に、電動機に接続された駆動部の位置、角荷変動、摩擦特性のばらつき、設置条件などにより系が変動する場合に、上述した二つのフィードバック性能が製品の性能に大きく影響を及ぼす。
【００４２】
例えば、特願２００３−２７８８０号の実施形態（１）で説明した既約分解表現に基づく二自由度制御系を構成する際に、電動機電流指令から電動機位置までの近似伝達関数をＧ＾rm(s) とし、真の伝達関数Ｇtm(s) がΔ(s) だけ乗法的に変動して近似関数Ｇ＾tm(s) に等しくなる場合、各々の位置指令から電動機位置までの伝達関数は、以下の関係式で表される。
｛１＋（１＋Ｇ＾tm(s) ・Ｃ(s) ）-1・Δ(s) ｝Ｇrm(s) ＝Ｇ＾rm(s)
【００４３】
ただし、Ｃ(s) は、フィードバック補償器である。
Ｇ＾rm(s) は、電動機電流指令から電動機位置までの伝達関数がＧ＾tm(s) であるときの位置指令から電動機位置までの伝達関数である。
Ｇrm(s) は、電動機電流指令から電動機位置までの伝達関数がＧtm(s) であるときの位置指令から電動機位置までの伝達関数である。
【００４４】
モデル誤差により発生する目標値応答特性の変化は、
（１＋Ｇ＾tm(s) ・Ｃ(s) ）-1・Δ(s)
で表現されるため、感度関数（１＋Ｇ＾tm(s) ・Ｃ(s) ）-1を小さくできれば、所望の目標値応答特性に近づけられることが分かる。
【００４５】
実際に二自由度制御系における低感度化は、目標値応答特性とΔ(s) の特性を見ながら、位置決め応答に影響を及ぼしやすい帯域で、できるだけ感度関数のゲインを下げるような工夫を行っている。特願２００３−２７８８０号の方法では、この低感度化とロバスト安定化を合わせた混合感度によるフィードバック補償器設計を二自由度制御系で実施するために多くの時間を費やしている。
【００４６】
目標値応答特性よりも帯域が高いところでは、あらかじめΔ(s) の変動幅が既知であるならば、その範囲内で安定化できる補償器を設計しておけばよいが、Δ(s) が目標値応答特性の帯域内に存在する湯合には、安定性能と外乱抑圧性能の両方が位置決め応答に影響を及ぼすため、設計の難易度が高くなる。具体的には、ゼロクロスゲイン周波数が目標値応答特性の帯域内にある場合には、それの位相余裕が位置決め応答に大きく影響を及ぼすため、Δ(s) の特性と実際の位置決め目標仕様を考慮した位相設計を進めていかなればならない。
【００４７】
また、前述の通り、Δ(s) が所望の目標値応答特性を摂動させ、位置決め特性の劣化を招くため、安定余裕を損なわない範囲で出来るだけ低感度化を進める必要がある。更には、ゼロクロスゲイン周波数付近の特性は制御対象を実際に動作させながら試行錯誤により設計する場合が多く、この原因としては、以下の二つの事情が挙げられる。
【００４８】
第一に、二自由度制御系のフィードバック補償器の入力である位置偏差は、位置指令に依存している部分があることを考えると、安定余裕による位置決め応答特性の劣化度はフィードフォワード部分すなわち位置指令とフィードフォワード補償器の影響をも考慮しなければならない。
【００４９】
第二に、Δ(s) が低周波域で非線形特性を有し、その影響がゼロクロスゲイン周波数付近まで及ぶ場合には位相余裕を正確に見積もることができない。案内要素にボールガイドを使用したり、動力伝達機構にボールねじを使用する際に発生する動摩擦・静摩擦がその最たる例である。
【００５０】
このような状況の中で一自由度系を前提とした各々のフィードバック制御理論を用いてフィードバック補償器の初期設計した時に、その妥当性は実際に二自由度制御系を構成した場合の位置決め特性で初めて確認されるため、特願２００３−２７８８０号の自律設計を実施した後に位置決め応答の目標仕様を満足しない場合はフィードバック補償器の再設計を実施し、フィードバック補償器の微調整を加えながら、時間応答を確認するという試行錯誤の作業が必要であった。また、その微調整の結果を反映させて、フィードフォワード補償器・位置指令の自律設計も再度実施する場合もあるため、パラメータ調整時間が長くなるという欠点があった。
【００５１】
本発明は、特願２００３−２７８８０号の自律設計装置に対して、フィードバック補償器２６の自律設計を実現するための機能・回路を付与したものである。以下、本発明の自律設計装置の特徴（Ａ）〜（Ｄ）を説明する。
【００５２】
（Ａ）個体の染色体にフィードバック補償器２６の特性を規定するパラメータを保有させるようにする。フィードバック補償器２６の再設計・調整を自律設計によって実施できるようにするためである。
【００５３】
（Ｂ）フイードバック補償器２６のパラメータの探索範囲には、初期設定された又は出荷後に設定された安定化補償器パラメータが含まれるように設定する。
【００５４】
本発明におけるフィードバック補償器の自律設計は、製品の出荷前の段階においては、諸々の一自由度系でのフィードバック設計技法を用いて初期設計したパラメータ、もしくは出荷後に自律設計を実施する場合に実製品で運用しているパラメータを、実際の位置決め制御系において、フィードフォワード補償器ならびに位置指令が与えられる中での最適解に調整するものである。そのため、探索範囲をそれらパラメータを含むように設定する。このようにすることで、安定性が確保できないような誤った探索範囲の設定を防ぐことができ、しかも、不要に探索範囲を広げる必要もないため、パラメータの収束速度を早めることができる。
【００５５】
（Ｃ）シミュレータ回路部２２内で、フィードバック補償器２６の安定性を評価するための周波数応答回路部３１と、時間応答性能を評価するための時間応答回路部３２の２種類の回路を構成する（図４参照）。
【００５６】
周波数応答回路部３１へはフィードバック補償器２６のパラメータ情報だけが送信される。周波数応答回路部３１には、安定性を評価する上で必要十分なモデル集合を表現するために、単一もしくは複数の電動機電流値入力指令から観測量位置までの伝達関数が保存されている。
【００５７】
ところで、周波数応答回路部３１内で一巡伝達関数ならびに相補感度関数を計算する際に、伝達関数の次数が大きくなると、有理多項式の係数が大きくなりすぎたり小さくなりすぎる場合がある。そのため、周波数応答特性の計算を行う際に、数値オーバフローもしくはアンダーフローが発生し、正確な特性を計算できない可能性がある。
【００５８】
この計算精度の劣化を未然に防ぐ対策としては、有理多項式の表現のままでそれぞれの伝達関数の計算を行わず、まず電動機電流値入力指令から観測量位置までの伝達関数と補償器の周波数応答特性を複素数で表現し、その後、各周波数毎の複素数演算により、最終結果を得る方法を用いればよい。
【００５９】
そこで、本発明では、電動機電流値入力指令から観測量位置までの伝達関数は、有理関数表現ではなく、周波数応答特性である、周波数／複素数表現でメモリに保存されているものとする。このような保存形態にしておくことで、制御対象の伝達関数から周波数応答データに変換する計算過程をあらかじめ省略させることができる。
【００６０】
例えば、伝達関数がｆＴ個登録されている場合の周波数応答回路部３１の処理は、図８のフローチャートに従って次のように処理される。まず、特定個体のフィードバック補償器情報を受信する（ステップＳ１１）。この後、全箇所の電動機電流値入力指令から観測量位置までの周波数応答データをロードして（ステップＳ１２）、特定個体のフィードバック補償器の周波数応答データを作成する（ステップＳ１３）。そして、カウンタｔをリセットした後（ステップＳ１４）、ｔ番目の一巡伝達関数と相補感度関数の周波数応答データを演算する（ステップＳ１５）。そして、カウンタｔをインクリメントした後（ステップＳ１６）、カウンタｔの値が所定値ｆＴを越えたか否かを判定し（ステップＳ１７）、カウンタｔの値が所定値ｆＴを越えていなければ、ｔ＋１番目の一巡伝達関数と相補感度関数の周波数応答データを演算する。このようにして、ｆＴ番目まで、一巡伝達関数と相補感度関数の周波数応答データを演算する処理を繰り返す。そして、ｆＴ番目まで、一巡伝達関数と相補感度関数の周波数応答データを演算し終えたところで、全箇所（０〜ｆＴ番目）の一巡伝達関数と相補感度関数の周波数応答データをＧＡ処理部２１に送信する（ステップＳ１６）。
【００６１】
以上により、ＧＡ処理部２１の第一工程においてシミュレーション回路部２２からフィードバック性能を評価するための周波数応答データを得ることができる。
（Ｄ）ＧＡ処理の評価関数に、一巡伝達関数と相補感度関数を用いてペナルティを与える評価規範を加える。
【００６２】
ＧＡ処理の第一工程での周波数応答データから一巡伝達関数の安定余裕と相補感度関数のピークゲインを計算し、その結果に基づいてペナルティを与える評価関数を設定するものである。これと従来の自律設計装置での評価規範を併せ持つことにより、従来のフィードフォワード補償器・位置指令のみならず、フィードバック補償器を含めた個体の適合度を評価できるようになる。
【００６３】
《実施例》
次に、本発明を図２に示す装置に適用した実施例を説明する。図２に示す装置は、サーボモータ１７（電動機）によってボールねじ２０を駆動してテーブル１８（可動部）をスライド移動させる、いわゆるボールねじシステムを機台１５に搭載した構成となっている。本実施例１では、このボールねじシステムの位置決め制御装置１１を図５のように構成した。パラメータ記憶部１４は自律設計装置１９と接続されており、また、位置指令生成部１２と位置制御部１３へ必要なパラメータを転送する。
【００６４】
位置指令生成部１２は３回微分可能位置指令アルゴリズムを搭載し、移動距離Ｌ、速度Ｖ、加速度Ａ、減速度Ｄ、ジャーク率Ｊにより位置指令の軌道が決定される。補償器は既約分解表現に基づく二自由度制御系が構成されている。
【００６５】
図５において、Ｄ（ｓ）／Ｎａ（ｓ）は、電動機電流指令からテーブル１８までの近似伝達特性の逆特性であり、Ｎｍ（ｓ）／Ｎａ（ｓ）は、電動機１７の位置からテーブル１８までの近似伝達特性の逆特性である。
【００６６】
そして、Ｋ（ｓ）は、Ｄ（ｓ）／Ｎａ（ｓ）とＮｍ（ｓ）／Ｎａ（ｓ）をプロパーにし、かつ、機台１５の振動を抑制するように目標値追従特性を変更させたフィルタである。また、Ｃｐｏｓ（ｓ）は、ＰＩＤ補償器＋トルクフィルタである。尚、ｓはラプラス変換演算子を示す。
【００６７】
位置制御部はディジタル制御を行っているため、各々の補償器は何らかの離散化手法を用いて実装されている。本位置決め制御装置１１において、移動距離５００００パルスに対して、テーブルの位置決め時間６５０サンプル、位置決め完了幅２０パルスを目標位置決め仕様と設定し、機台振動抑制に関しては位置決め時に発生する機台残留振動がテーブル位置の偏差として影響を及ぼすため、それを出来るだけ少なくするように駆動させることを目標とする。
【００６８】
今回、各パラメータをチューニングするにあたり、Ｄ（ｓ）／Ｎａ（ｓ）とＮｍ（ｓ）／Ｎａ（ｓ）は固定とし、３回微分可能指令のパラメータＬ，Ｖ，Ａ，Ｄ，Ｊと、Ｃｐｏｓ（ｓ）を規定するパラメータを可変とするという条件を設けた。
【００６９】
まず、Ｃｐｏｓ（ｓ）は事前に採取した、各テーブル位置での電動機電流指令から電動機位置までの周波数特性を用いて、位相余裕４０°、ゲイン余裕７ｄＢを確保するような比例項、微分項、積分項ならびにトルクフィルタの調整を行った。トルクフィルタは、以下の二次継続型フィルタで構成し、各パラメータａn1，ａn2，ａn3，ｂn1，ｂn2，ｂn3を調整しながら、フィルタ特性を決定した。
【００７０】
【数１】
2006042473.tif 000003
【００７１】
その後、特願２００３−２７８８０号の自律設計装置を用いて最大個体数２０、最大世代数５０、最大試行回数１０回の条件で、Ｋ（ｓ），Ｌ，Ｖ，Ａ，Ｄ，Ｊを調整した。シミュレータ回路部２２へ入力する制御対象の伝達関数は以下の通り設定した。
【００７２】
Ｎａｋ（ｓ）／Ｄｋ（ｓ）は、制御対象がｋ番目の摩擦特性を持ち合わす時の電動機電流指令からテーブル位置までの伝達特性である。
Ｎｍｋ（ｓ）／Ｄｋ（ｓ）は、制御対象がｋ番目の摩擦特性を持ち合わす時の電動機電流指令から電動機位置までの伝達特性である。
Ｇｂａｓｅｋ（ｓ）は、制御対象がｋ番目の摩擦特性を持ち合わす時の電動機電流指令から機台加速度までの伝達特性である。
【００７３】
本制御対象においては、案内要素と動力伝達機構にそれぞれボールガイドとボールねじを使用しており、それらが持ち合わす摩擦の非線形特性の個体差ならびに経年変化が系を変動させる要因となる。ｋ番目の摩擦特性とは、これらの事情を考慮し、摩擦特性が異なる場合に、番号により摩擦特性を規定していることを示している。
【００７４】
また、摩擦特性が非線形特性を有する場合、伝達関数で表現するのが困難であることが多い。そのため、シミュレータ回路部２２内では摩擦特性は伝達関数だけではなく、時間応答領域での摩擦力を一種の外乱と捉えた非線形関数としても表現できるものとする。
【００７５】
本実施例においては制御対象の摩擦変動幅を事前の測定で見積もった上で、シミュレータ回路内で、上限・平均・下限の動摩擦特性を表現できる、テーブル速度を入力とした摩擦力のルックアップテーブルを作成し、図７の通り挿入している。
【００７６】
今回設定した制御目標に対し、以下のような評価規範をもつ評価関数を設計している。［評価関数１］
位置決め条件（位置決め時間と位置決め完了幅）を満足しない場合、遅延時間と位置決め偏差にある重み値を乗じた値を評価値に加える。
【００７７】
［評価関数２］
電動機電流指令が飴和してしまった場合、評価値に大きなペナルティを加える。
［評価関数３］
位置決め完了後の位置決め偏差量の総和にある重み値を乗じた値を評価値に加える。
［評価関数４］
位置決め完了後の機台残留振動の絶対値の総和にある重み値を乗じた値を評価値に加える。
【００７８】
次に、本発明による自律設計装置を用いて、同様に最大値体数２０、最大世代数５０、最大試行回数１０回の条件でＫ（ｓ），Ｌ，Ｖ，Ａ，Ｄ，Ｊ，Ｃｐｏｓ（ｓ）を最適化した。この際、Ｃｐｏｓ（ｓ）は次式で算出される。
Ｃｐｏｓ（ｓ）＝｛（Ｋｄ・ｓ2 ＋Ｋｐ・ｓ＋Ｋｉ）／ｓ｝・Ｔ（ｓ）
この関係から、Ｋｄ，Ｋｐ，ＫｉとΠＴｎ（ｓ）の各係数を染色体情報の一部として組み込む。Ｃｐｏｓ（ｓ）の各パラメータの探索範囲は、初期設計したＣｐｏｓ（ｓ）の各値を含むように設定する。
【００７９】
図６に示したシミュレータ回路部２２では、時間応答回路部３２へは全ての染色体情報が送信され、周波数応答回路部３１へはフィードバック補償器２６のパラメータだけが送信される。シミュレータ回路部２２は特定個体のパラメータを用いて計算した時間応答回路部３２と周波数応答回路部３１の出力結果をＧＡ処理部２１へ送信し、ＧＡ処理部２１は個体の適合度を調べるが、その評価規範は前述のフィードフォワード補償器２５と位置指令を自律設計した時の評価関数１〜４に加え、以下の周波数応答回路部３１の出力結果に対する評価関数を用いる。
【００８０】
［評価関数５］
一巡伝達関数において、位相余裕が４０°未満、ゲイン余裕が７ｄＢ未満である揚合に評価値にペナルティを加える。
［評価関数６］
相補感度関数において、ゲインが３ｄＢを超えた場合に評価値にペナルティを加える。      
【００８１】
特願２００３−２７８８０号による自律設計結果と本発明の自律設計結果を図９と図１０に示す。
特願２００３−２７８８０号による自律設計結果においては、動摩擦特性が下限の制御対象に対して目標位置決め時間を達成できなかった。また、位置決め完了後の機台振動による残留偏差は、動摩擦特性が上限の制御対象だけやや大きくなる結果となった。
【００８２】
一方、本発明の自律設計結果においては、全ての動摩擦特性に対して目標位置決め時間を達成できた。位置決め完了後の機台振動による残留偏差も動摩擦特性に依存せず安定している。ここで、本発明の自律設計装置内の周波数応答回路部３１内に保存されている周波数応答特性の１つを用いて、初期設計したフィードバック補償器と自律設計したフィードバック補償器の位置オープンループ特性を比較した結果を図１１と図１２に示す。各図中の周波数軸は、ある特定周波数をｆ（Ｈｚ）として正規化し、それとの比率で示している。
【００８３】
図１１の初期設計の補償器は零クロスゲイン周波数での位相余裕が約４５°あるが、自律設計の方は約２６°しかない。そのため、図１２の相補感度関数でピークゲインが約７ｄＢまで持ち上がる結果となった。しかしながら、０．２ｆ（Ｈｚ）以前の低域の感度特性が改善されていることが分かる。この結果と位置決め応答波形より、本発明が位置決め制御装置で構成されている二自由度制御系と実際の位置決め動作において、フィードバック補償器２６の安定性を保証できる範囲で、必要な位相余裕を確保しながら、位置決め特性ならびに機台振動抑制効果の劣化を防ぐ低感度化を進めるフィードバック補償器へと自律設計できることが分かる。
【００８４】
また、特願２００３−２７８８０号で示した製品出荷後の実施例に対しても、本発明の自律設計装置に置き換えてフィードバック補償器を含めた位置制御装置内のパラメータ群を調整できることは明らかである。
【００８５】
尚、本発明の適用範囲は、ボールねじシステムに限定されず、電動機を駆動源とする各種の位置決め制御装置に本発明を適用して実施できることは言うまでもない。
【図面の簡単な説明】
【００８６】
【図１】本発明の概要を説明するシステム全体の概念図である。
【図２】本発明を適用するボールねじシステムの概念図である。
【図３】ＧＡ処理の流れを示すフローチャートである。
【図４】シミュレータ回路部の構成とＧＡ処理部との信号の流れを説明する図である。
【図５】位置決め制御装置の構成例を示すブロック図である。
【図６】本発明でのシミュレータ回路部内の時間応答回路部の構成例を説明する図である。
【図７】特願２００３−２７８８０号でのシミュレータ回路部の構成例を説明する図である。
【図８】時間応答回路部内の処理手順を説明するフローチャートである。
【図９】特願２００３−２７８８０号による自律設計結果と本発明の自律設計結果を対比して示す図である（その１）。
【図１０】特願２００３−２７８８０号による自律設計結果と本発明の自律設計結果を対比して示す図である（その２）。
【図１１】初期設計したフィードバック補償器と自律設計したフィードバック補償器について、位置オープンループ特性の測定結果を示す図である。
【図１２】初期設計したフィードバック補償器と自律設計したフィードバック補償器について、相補感度関数と感度特性の測定結果を示す図である。
【図１３】特願２００３−２７８８０号の自律設計方法を説明するフローチャートである。
【図１４】本発明の自律設計方法を説明するフローチャートである。
【符号の説明】
【００８７】
１１…位置決め制御装置、１２…位置指令生成部、１３…位置制御部、１４…パラメータ記憶部、１５…機台、１６…制御対象、１７…電動機、１８…テーブル（可動部）、１９…自律設計装置、２０…ボールねじ、２１…ＧＡ処理部、２２…シミュレータ回路部、２３…機台振動同定部、２５…フィードフォワード補償器、２６…フィードバック補償器、３１…周波数応答回路部、３２…時間応答回路部
【図１】
2006042473.tif 000004
【図２】
2006042473.tif 000005
【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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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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