(57)【要約】【課題】簡易的なセンサを用いても高精度な出力制御が可能なフィードバック制御装置を提供する。【解決手段】本発明のフィードバック制御装置は、制御対象２０の物理量を表す出力ｙに付加されるランダム信号ｗを発生するランダム信号発生部４０と、出力ｙにランダム信号ｗが加算された加算信号を検出し当該加算信号に対応した離散的なフィードバック制御量を出力する二値量子化センサ３０と、制御対象２０の所望の物理量を表す目標値ｒと、加算信号が二値量子化センサ３０で量子化された値であるフィードバック制御量ｖとの差分である制御偏差が０となるように、制御対象２０への操作量ｕを制御する制御部１０とを備える。【選択図】図１
2015018299.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
制御対象の物理量を検出し、当該検出された物理量に基づいてフィードバック制御量を生成することにより前記制御対象を自動制御するフィードバック制御装置であって、
前記物理量を表す出力信号に付加されるランダム信号を発生するランダム信号発生部と、
前記出力信号に前記ランダム信号が加算された加算信号を検出し、当該加算信号に対応した離散的な前記フィードバック制御量を出力するセンサと、
前記制御対象の所望の物理量を表す目標値と前記フィードバック制御量との差分である制御偏差が０となるように前記制御対象を制御する制御部とを備える
フィードバック制御装置。
【請求項２】
前記センサは、前記加算信号を二値化し、当該二値化された前記フィードバック制御量を出力する
請求項１に記載のフィードバック制御装置。
【請求項３】
前記センサがＨ及びＬの二値を出力する場合、
前記ランダム信号は、−Ｈと−Ｌとの間の値をランダムにとる確率変数である
請求項２に記載のフィードバック制御装置。
【請求項４】
さらに、
前記出力信号と前記ランダム信号とを加算する加算部と、
前記制御偏差を算出する差分部と、
前記制御部からの指示により前記制御対象を駆動する駆動部とを備える
請求項１〜３のいずれか１項に記載のフィードバック制御装置。
【請求項５】
前記駆動部は、前記制御対象を移動させるアクチュエータであり、
前記フィードバック制御装置は、さらに、前記制御対象の移動方向に沿って配置された、前記制御対象の位置情報を色情報として表したグラデーション表示材を備え、
前記ランダム信号発生部は、前記グラデーション表示材にランダム光信号を照射し、
前記センサは、前記グラデーション表示材のうち前記制御対象の現在の位置を表す領域に光信号を照射し、当該光信号と前記ランダム光信号との加算信号が前記領域で反射された反射信号を検出し、当該反射信号に対応した、二値化された前記フィードバック制御量を出力する光センサであり、
前記制御部は、前記制御対象の所望の位置を色情報として表した目標値と、前記二値化された前記フィードバック制御量との制御偏差が０となるように前記駆動部を駆動する
請求項４に記載のフィードバック制御装置。
【請求項６】
制御対象の移動方向に沿って配置された、前記制御対象の位置情報を色情報として表したグラデーション表示材と、
前記グラデーション表示材にランダム光信号を照射する前記ランダム信号発生部と、
前記制御対象に固定された状態で、前記グラデーション表示材のうち前記制御対象の現在の位置を表す領域に光信号を照射し、当該光信号と前記ランダム光信号との加算信号が前記領域で反射された反射信号を検出し、当該反射信号に対応した二値化信号を出力する光センサとを備える
ランダムディザ二値化検出器。
【請求項７】
制御対象の位置を検出し、当該検出された位置に基づいてフィードバック制御量を生成することにより前記制御対象を自動制御するフィードバック制御方法であって、
色情報を検出するセンサが、前記制御対象の移動方向に沿って配置された、前記制御対象の位置情報を色情報として表したグラデーション表示材のうち前記制御対象の現在の位置を表す領域に光信号を照射する照射ステップと、
前記グラデーション表示材にランダム光信号を照射するランダム照射ステップと、
前記光信号と前記ランダム光信号との加算信号が前記領域で反射された反射信号を検出し、当該反射信号に対応した、二値化された前記フィードバック制御量を出力する二値化ステップと、
前記制御対象の所望の位置を色情報として表した目標値と、前記フィードバック制御量との差分である制御偏差が０となるように、前記制御対象の位置を制御する制御ステップとを含む
フィードバック制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、フィードバック制御装置、ランダムディザ二値化検出器及びフィードバック制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
アクチュエータなどの制御対象の物理量（位置、速度、電流、周波数など）を命令どおりの状態とするため、制御対象の出力から得られるフィードバック値（制御量）と目標値とを比較して上記物理量の自動制御を行なうフィードバック制御装置が、様々な分野で活用されている。より具体的には、フィードバック制御装置は、連続動作する制御対象の現在の物理量を常時検出することにより、当該物理量から得られたフィードバック値と目標値との比較を行ない、目標値とフィードバック値との差異である制御偏差が０となるように制御対象への操作量を自動制御する。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００３】
【非特許文献１】松瀬貢規、「基礎制御工学」、初版、数理工学社，平成２５年６月１０日、ｐｐ．１−７
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上述した従来のフィードバック制御装置において、高精度な出力制御を行う条件として、高精度なフィードバック値を生成することが挙げられる。
【０００５】
しかしながら、高精度なフィードバック値を生成するためには、制御対象の物理量を高精度に検出する必要があるが、従来のフィードバック制御装置では、制御対象の物理量を検出する高性能なセンサを使用できないような環境下においては、高精度に出力制御することが困難となる。
【０００６】
そこで、本発明は、このような問題に鑑みてなされたものであり、簡易的なセンサを用いても高精度な出力制御が可能なフィードバック制御装置、ランダムディザ二値化検出器及びフィードバック制御方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記目的を達成するために、本発明に係るフィードバック制御装置の一形態は、制御対象の物理量を検出し、当該検出された物理量に基づいてフィードバック制御量を生成することにより前記制御対象を自動制御するフィードバック制御装置であって、前記物理量を表す出力信号に付加されるランダム信号を発生するランダム信号発生部と、前記出力信号に前記ランダム信号が加算された加算信号を検出し、当該加算信号に対応した離散的な前記フィードバック制御量を出力するセンサと、前記制御対象の所望の物理量を表す目標値と前記フィードバック制御量との差分である制御偏差が０となるように前記制御対象を制御する制御部とを備えることを特徴とする。
【０００８】
これにより、センサが、出力信号にランダム信号が加算された加算信号を検出し、当該加算信号に対応した離散的なフィードバック制御量を出力するので、低性能なセンサを用いた場合でも、あたかも高性能なアナログセンサを用いてフィードバック制御量を生成した場合と同様の高精度な出力制御が可能となる。換言すれば、制御対象の物理量を検出するセンサとして、簡易的かつ安価なセンサを用いた場合であっても、制御対象の出力を高精度に制御することが可能となる。
【０００９】
また、前記センサは、前記加算信号を二値化し、当該二値化された前記フィードバック制御量を出力する。
【００１０】
これにより、ランダムディザ二値量子化するセンサがフィードバック制御量の生成手段として用いられるので、低性能なセンサを用いた場合でも、高精度な出力制御が可能となる。よって、簡易的かつ安価なセンサを用いた場合であっても、制御対象の出力を高精度に制御することが可能となる。
【００１１】
また、前記センサがＨ及びＬの二値を出力する場合、前記ランダム信号は、−Ｈと−Ｌとの間の値をランダムにとる確率変数である。
【００１２】
これにより、量子化前の出力に、意図的にランダム信号を加えても、量子化の悪影響を低減することが可能となる。
【００１３】
また、さらに、前記出力信号と前記ランダム信号とを加算する加算部と、前記制御偏差を算出する差分部と、前記制御部からの指示により前記制御対象を駆動する駆動部とを備える。
【００１４】
また、前記駆動部は、前記制御対象を移動させるアクチュエータであり、前記フィードバック制御装置は、さらに、前記制御対象の移動方向に沿って配置された、前記制御対象の位置情報を色情報として表したグラデーション表示材を備え、前記ランダム信号発生部は、前記グラデーション表示材にランダム光信号を照射し、前記センサは、前記グラデーション表示材のうち前記制御対象の現在の位置を表す領域に光信号を照射し、当該光信号と前記ランダム光信号との加算信号が前記領域で反射された反射信号を検出し、当該反射信号に対応した、二値化された前記フィードバック制御量を出力する光センサであり、前記制御部は、前記制御対象の所望の位置を色情報として表した目標値と、前記二値化された前記フィードバック制御量との制御偏差が０となるように前記駆動部を駆動する。
【００１５】
これによれば、制御対象の直接の出力である位置情報を色情報に変換して検出することにより、当該色情報を出力信号とし、当該出力信号を検出する際に出射される光信号に対応したランダム光信号により加算信号を生成している。よって、制御対象を移動方向に振動させるようなランダム信号を付加することなく、ランダム信号の合成が容易な光センサを用いて、安定した制御系を構築することが可能となる。
【００１６】
また、本発明は、フィードバック制御装置として実現できるだけでなく、そのフィードバック制御装置のフィードバック経路に配置されるランダムディザ二値化検出器として実現できる。
【００１７】
本発明に係るランダムディザ二値化検出器の一形態は、制御対象の移動方向に沿って配置された、前記制御対象の位置情報を色情報として表したグラデーション表示材と、前記グラデーション表示材にランダム光信号を照射する前記ランダム信号発生部と、前記制御対象に固定された状態で、前記グラデーション表示材のうち前記制御対象の現在の位置を表す領域に光信号を照射し、当該光信号と前記ランダム光信号との加算信号が前記領域で反射された反射信号を検出し、当該反射信号に対応した二値化信号を出力する光センサとを備える。
【００１８】
このランダムディザ二値化検出器を、制御対象の位置を制御するフィードバック制御系に配置することにより、あたかも高性能なアナログセンサを用いてフィードバック制御量を生成した場合と同様の高精度な出力制御が可能となる。換言すれば、制御対象の位置情報に対応した光情報を検出するセンサとして、簡易的かつ安価なセンサを用いた場合であっても、制御対象の位置を高精度に制御することが可能となる。
【００１９】
また、制御対象の位置を検出し、当該検出された位置に基づいてフィードバック制御量を生成することにより前記制御対象を自動制御するフィードバック制御方法であって、色情報を検出するセンサが、前記制御対象の移動方向に沿って配置された、前記制御対象の位置情報を色情報として表したグラデーション表示材のうち前記制御対象の現在の位置を表す領域に光信号を照射する照射ステップと、前記グラデーション表示材にランダム光信号を照射するランダム照射ステップと、前記光信号と前記ランダム光信号との加算信号が前記領域で反射された反射信号を検出し、当該反射信号に対応した、二値化された前記フィードバック制御量を出力する二値化ステップと、前記制御対象の所望の位置を色情報として表した目標値と、前記フィードバック制御量との差分である制御偏差が０となるように、前記制御対象の位置を制御する制御ステップとを含む。
【００２０】
なお、本発明は、フィードバック制御装置及びランダムディザ二値化検出器として実現できるだけでなく、そのフィードバック制御装置を構成する処理部をステップとするフィードバック制御方法として実現したり、それらのステップをコンピュータに実行させるプログラムとして実現したり、そのプログラムを記録したコンピュータ読み取り可能なＣＤ−ＲＯＭなどの記録媒体として実現したりすることもできる。
【発明の効果】
【００２１】
本発明に係るフィードバック制御装置によれば、制御対象の物理量を検出するセンサとして簡易的なセンサを用いた場合であっても、制御対象の出力を高精度に制御することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本発明の実施の形態に係るフィードバック制御システムの構成を示す機能ブロック図
【図２】実施の形態に係るランダムディザ二値量子化を説明する概念図
【図３Ａ】比較例に係るフィードバック制御装置の構成及び応答特性を示す図
【図３Ｂ】本発明の実施の形態に係るフィードバック制御装置の構成及び応答特性を示す図
【図４】実験例に係るフィードバック制御システムの概略構成図
【図５】実験例に係る光センサ出力とモノトーングラデーションとの関係を表すグラフ
【図６】実験例に係るランダムディザ二値量子化センサにおける信号加算を説明する図
【図７】実験例に係るフィードバック制御装置の応答特性を表すグラフ
【発明を実施するための形態】
【００２３】
（本発明の基礎となった知見）
本発明者は、「背景技術」の欄において記載した従来のフィードバック制御装置に関し、以下の問題が生じることを見出した。
【００２４】
制御対象の物理量を検出する高性能なセンサを使用できないような環境下において、二値またはそれに準ずる離散的な多値しか出力することができない低性能なセンサをフィードバック制御装置に用いた場合を想定する。この場合、制御対象の出力（物理量）は目標値に収束しない。具体的には、時間が経っても制御偏差が０とはならず、オフセットまたは発振を有する出力結果となる。
【００２５】
このような問題を解決するために、本発明の一態様に係るフィードバック制御装置は、制御対象の物理量を表す出力信号に付加されるランダム信号を発生するランダム信号発生部と、出力信号にランダム信号が加算された加算信号を検出し、当該加算信号に対応した離散的なフィードバック制御量を出力するセンサと、制御対象の所望の物理量を表す目標値とフィードバック制御量との差分である制御偏差が０となるように制御対象を制御する制御部とを備えることを特徴とする。
【００２６】
本態様によれば、制御対象の物理量を検出するセンサとして簡易的なセンサを用いた場合であっても、制御対象の出力を高精度に制御することが可能となる。
【００２７】
以下、本発明の実施の形態について、図面を用いて詳細に説明する。なお、以下で説明する実施の形態は、いずれも本発明の好ましい一具体例を示すものである。以下の実施の形態で示される数値、構成要素、構成要素の配置位置及び接続形態、ステップ、ステップの順序などは、一例であり、本発明を限定する主旨ではない。本発明は、特許請求の範囲によって特定される。よって、以下の実施の形態における構成要素のうち、本発明の最上位概念を示す独立請求項に記載されていない構成要素については、本発明の課題を達成するのに必ずしも必要ではないが、より好ましい形態を構成するものとして説明される。
【００２８】
（実施の形態）
図１は、本発明の実施の形態に係るフィードバック制御システムの構成を示す機能ブロック図である。同図に示されたフィードバック制御システム１は、制御対象２０と、制御対象２０を制御するフィードバック制御装置とで構成される。
【００２９】
実施の形態に係るフィードバック制御装置は、制御部１０と、二値量子化センサ３０と、ランダム信号発生部４０とを備え、制御対象２０の物理量を検出し、当該検出された物理量に基づいてフィードバック制御量を生成することにより制御対象２０を自動制御する。二値量子化センサ３０とランダム信号発生部４０とは、本発明の要部であるランダムディザ二値量子化部５０を構成する。
【００３０】
制御部１０は、制御対象２０の所望の物理量を表す目標値ｒとランダムディザ二値量子化部５０から出力される制御量（フィードバック制御量）ｖとの差分である制御偏差ｅを入力とし、当該制御偏差ｅが０となるように操作量ｕを制御対象２０に出力する。
【００３１】
なお、制御部１０は、コンピュータ等に備えられるプロセッサで実行されるプログラムによってソフトウェア的に実現されてもよいし、半導体集積回路等の専用の電子回路によってハードウェア的に実現されてもよい。
【００３２】
制御対象２０は、本実施の形態に係るフィードバック制御装置が制御を行う対象であり、例えば、位置、角度及び回転数等を物理量とするモータ、または、電流及び周波数等を物理量とする回路等が相当する。
【００３３】
以下、本発明の要部であるランダムディザ二値量子化部５０を詳細に説明する。
【００３４】
二値量子化センサ３０は、出力ｙにランダム信号ｗが加算された加算信号（ｙ＋ｗ）を検出してフィードバック値（制御量ｖ）を生成する機能を有し、簡易的なセンサを備える。二値量子化センサ３０は、制御対象２０の現在の状態を表す物理量を検出する簡易的なセンサである。二値量子化センサ３０は、検出した制御対象２０の物理量を、連続的なアナログ量として出力する高精度なセンサではない。
【００３５】
ここで、本実施の形態に係る簡易的なセンサとは、大きい（「１」）及び小さい（「０」）、明るい（「１」）及び暗い（「０」）、高い（「１」）及び低い（「０」）などの二値、または、それに準ずる離散的な多値（四値など）を検出信号として出力する低性能なセンサである。つまり、二値量子化センサ３０は、加算信号を二値化し、当該二値化されたフィードバック値（制御量ｖ）を出力する。
【００３６】
ランダム信号発生部４０は、制御対象２０の物理量を表す出力ｙに付加されるランダム信号ｗを発生する。
【００３７】
なお、図示していないが、本実施の形態に係るフィードバック制御装置は、出力ｙとランダム信号ｗとを加算する加算部と、目標値ｒと制御量ｖとの差分をとる差分部と、制御部１０と制御対象２０との間に、制御対象２０を駆動する駆動部とを備えてもよい。この場合、駆動部は、例えば、制御対象を移動ざせるため、または、制御対象を所定の角速度で回転させるためのアクチュエータなどである。
【００３８】
図２は、実施の形態に係るランダムディザ二値量子化を説明する概念図である。同図は、ランダムディザ二値量子化部５０の信号処理を模式的に表したものである。
【００３９】
ランダムディザ二値量子化は、量子化前の出力（物理量）ｙに、意図的にランダム信号ｗを加えることで、量子化の悪影響の低減を図るものである。二値量子化センサ３０は、出力ｙにランダム信号ｗが加算された加算信号（ｙ＋ｗ）を入力として、それらが正の値か負の値かによって、以下の式１に従って、二値化された制御量（フィードバック制御量）ｖを出力する。
【００４０】
【数１】
2015018299.tif 000003
【００４１】
ここで、Ｈはｙの取りうる最大値で、Ｌはｙのとりうる最小値であるとし、ランダム信号ｗは、−Ｈ≦ｗ≦−Ｌの値をとる一様分布に従う独立な確率変数である。
【００４２】
つまり、二値量子化センサ３０は、制御対象２０の物理量である量子化前の出力ｙを検出して二値化した制御量ｖを出力するにあたり、出力ｙにランダム信号ｗを加算した加算信号を上記式１に従って二値化する。
【００４３】
ここで、量子化誤差ηは、以下のように表される。
【００４４】
【数２】
2015018299.tif 000004
【００４５】
また、式１の量子化誤差ηの期待値（平均）Ｅ（η（ｋ））は、以下の式３を満たす。
【００４６】
【数３】
2015018299.tif 000005
【００４７】
式２及び式３より、以下の式４が導出される。
【００４８】
【数４】
2015018299.tif 000006
【００４９】
上記式４により、量子化後の制御量ｖの期待値（平均）が量子化前の出力ｙのそれと等しくなることがわかる。これにより、ランダム信号ｗを出力ｙに加算することは、量子化後の二値（制御量ｖ）もランダムに変化することになり、制御量ｖを平均的に評価すると量子化前の出力ｙと一致することとなる。つまり、ランダムディザ二値量子化は、量子化前の出力ｙに、意図的にランダム信号ｗを加えることで、量子化の悪影響を平均的に低減することが可能となる。
【００５０】
以下、上記ランダムディザ二値量子化がなされる本実施の形態のフィードバック制御装置の効果を説明する。
【００５１】
図３Ａは、比較例に係るフィードバック制御装置の構成及び応答特性を示す図である。また、図３Ｂは、本発明の実施の形態に係るフィードバック制御装置の構成及び応答特性を示す図である。
【００５２】
図３Ａに示された比較例に係るフィードバック制御装置は、制御対象の状態量をフィードバックする構成として、出力ｙを二値化する二値化部が配置されている。この構成によれば、図３Ａの下段に示された応答特性のように、出力ｙが目標値ｒに収束せず、時間が経っても常に制御偏差ｅが０とはならない。
【００５３】
また、非特許文献２（森田、他２名、フィードバック制御系におけるランダムディザ量子化器の性能解析、第３９回制御理論シンポジウム、ｐｐ．２２３−２２６（２０１０））には、制御部と制御対象との間に、制御対象への操作量を量子化する量子化器が配置された離散値入力型のフィードバック制御系が開示されている。具体的には、制御部が出力する制御対象への操作量に対して、ランダム信号を付加しつつ量子化し、当該量子化された操作量により制御対象を制御する。これによれば、操作量が量子化されることの悪影響が低減されるとしている。しかしながら、上記離散値入力型のフィードバック制御系において、制御部からの操作量がランダムディザ量子化されても、制御対象の出力を高精度にフィードバックすることは独立した必須条件である。つまり、非特許文献１に開示されたフィードバック制御系は、制御対象の操作量を量子化することの影響を低減させるためのものであり、フィードバック値を生成するためのセンサを簡易的（低性能）なもので構成できることを意図していない。
【００５４】
これに対して、図３Ｂに示された実施の形態に係るフィードバック制御装置は、制御対象の物理量をフィードバックする構成として、出力ｙにランダム信号ｗが加算された加算信号を二値化するランダムディザ二値化部５０が配置されている。この構成によれば、図３Ｂの下段に示された応答特性のように、出力ｙが目標値ｒに追従し制御偏差ｅが０に収束する。つまり、フィードバック構成要素として低性能な二値量子化センサ３０を用いた場合でも、あたかも高性能なアナログセンサを用いてフィードバック制御量を生成した場合と同様の高精度な出力制御が可能となる。換言すれば、制御対象の物理量を検出するセンサとして、簡易的かつ安価なセンサを用いた場合であっても、制御対象の出力を高精度に制御することが可能となる。
【００５５】
（実験例）
以下、本実施の形態に係るフィードバック制御装置を、実験例に即して説明する。
【００５６】
図４は、実験例に係るフィードバック制御システムの概略構成図である。同図に示されたフィードバック制御システムは、主に、制御対象２０およびそれを駆動する駆動部の構成を示している。制御対象２０は、光センサ３０１であり、モータ２０３と、ギア２０２と、駆動軸２０１と、モータ２０３の電気回路である抵抗２０４とインダクタ２０５とは、光センサ３０１を所望の位置（目標値）へ（ｘ方向に）移動させるためのアクチュエータ（駆動部）である。
【００５７】
本実験例に係るフィードバック制御装置は、光センサ３０１の変位ｘを自動制御するための装置である。光センサ３０１は、ギア２０２と噛み合う駆動軸２０１に固定され、駆動軸２０１（ｘ方向）に沿って配置されたモノトーングラデーション７０１の濃淡度（物理量）を検出する。モノトーングラデーション７０１は、光センサ３０１の移動方向に沿って配置された、光センサ３０１の位置情報を色情報として表したグラデーション表示材である。光センサ３０１は、制御対象２０であるとともに、光センサ３０１の現在の位置に対応した上記濃淡度を検出するセンサでもある。光センサ３０１を有する二値化量子化部３０は、上記濃淡度の二値である制御量ｖを出力する。
【００５８】
具体的には、光センサ３０１は、連続動作する光センサ３０１の現在の位置を、当該位置に対応したモノトーングラデーション７０１の濃淡度（物理量）にランダム信号が加算された加算信号を、濃淡度として検出する。そして、差分部は、当該加算信号から得られた二値（フィードバック制御量ｖ）と、光センサ３０１の所望の位置に対応するモノトーングラデーション７０１の濃淡度（目標値）との制御偏差を抽出する。制御部１０は、制御偏差が０となるように、アクチュエータが有するモータ駆動回路に対して制御電圧ｕ（操作量）を出力してモータ２０３を駆動する。これにより、光センサ３０１の変位ｘが高精度に自動制御される。
【００５９】
図５は、実験例に係る光センサ出力とモノトーングラデーションとの関係を表すグラフである。同図に示されるように、本実験例に使用した光センサ３０１は、モノトーングラデーション７０１の各濃淡度に対して、固有のアナログ値を出力することが可能なセンサである。具体的には、白〜黒のモノトーンに対して、約４９０〜６９０の出力値を出力することができる。
【００６０】
上記構成において、上方に光センサ３０１を停止させたい濃淡色の上記出力値を、目標値ｒとして入力する。光センサ３０１は、現在停止しているモノトーングラデーション７０１上の濃淡色を検出し、４９０〜６９０の出力値範囲のうちの二値を制御量ｖとして出力する。このとき、本実験例に使用する光センサ３０１は、図５に示されたような高精度なアナログ値を出力できる性能を有するが、本実験例では、これを、本実施の形態に係るフィードバック制御装置が備える低性能のセンサに模擬する。つまり、光センサ３０１の出力であるアナログ値を、後続する情報処理部により二値に変換して制御量ｖとして出力する。つまり、実施の形態に係る二値量子化センサ３０は、実験例に係る光センサ３０１の機能と、後続する情報処理部の機能とを有する簡易的なセンサである。
【００６１】
ここで、ランダムディザ二値量子化部５０における信号処理を説明する。
【００６２】
図６は、実験例に係るランダムディザ二値量子化部における信号加算を説明する図である。同図には、実験例に係る二値量子化センサ３０を模擬した光センサ３０１と、ランダム信号発生部４０と、モノトーングラデーション７０１とが示されている。
【００６３】
光センサ３０１は、発光部３５と受光部３６とを有する。光センサ３０１は、発光部３５から赤色光を、モノトーングラデーション７０１のうち光センサ３０１の下方領域に照射する。光センサ３０１は、赤色光照射による上記下方領域からの反射光を受光部３６で検出することにより、当該下方領域の濃淡度に相当するアナログ出力値を取得する。光センサ３０１は低性能のセンサと模擬されているので、二値量子化センサ３０（光センサ３０１に後続する情報処理部）は、ランダム信号ｗの加算がない場合には、以下の式５に示された二値を制御量ｖとして出力する。
【００６４】
【数５】
2015018299.tif 000007
【００６５】
これに対し、本実施の形態に係るフィードバック制御装置では、出力ｙにランダム信号ｗが加算される。本実験例では、発光部３５から赤色光の照射の他に、ランダム信号発生部４０からのランダム赤色光が上記下方領域に照射される。ランダム赤色光が照射されると、光センサ３０１の検出値は変化する。このようにして照射された２つの赤色光による上記下方領域からの反射光を受光部３６で検出することにより、光センサ３０１は、当該下方領域の濃淡度に相当するアナログ出力値を、図５のグラフに従い取得する。光センサ３０１に後続する情報処理部は、光センサ３０１が取得したアナログ出力値（発光部３５からの赤色光にランダム信号発生部４０からのランダム赤色光が加算された合成赤色光の反射光（加算信号）に対応した濃淡度）を以下の式６に従い二値変換して制御量ｖを出力する。
【００６６】
【数６】
2015018299.tif 000008
【００６７】
上記式６は、４９０を境に二値化するものであるため、正の値か負の値かで二値化する式１と対応させると、
【数７】
2015018299.tif 000009
と解釈できる。そのために、ランダム信号ｗは、−Ｈ＝−１００≦ｗ≦−Ｌ＝０の値をとる一様分布に従うランダム信号（ランダム赤色光）とした。
【００６８】
ここで、モノトーングラデーション７０１と、当該モノトーングラデーション７０１にランダム赤外光を照射するランダム信号発生部４０と、二値量子化センサ３０（光センサ３０１及び情報処理部）とは、ランダムディザ二値化検出器５５を構成する。二値量子化センサ３０は、モノトーングラデーション７０１のうち制御対象の現在の位置を表す領域に赤外光を照射し、当該赤外光とランダム赤外光との加算信号が上記領域で反射された反射信号を検出し、当該反射信号に対応した二値化信号を出力する簡易的な光センサである。
【００６９】
このランダムディザ二値化検出器を、制御対象の位置を制御するフィードバック制御系に配置することにより、あたかも高性能なアナログセンサを用いてフィードバック制御量を生成した場合と同様の高精度な出力制御が可能となる。換言すれば、制御対象の位置情報に対応した光情報を検出するセンサとして、簡易的かつ安価なセンサを用いた場合であっても、制御対象の位置を高精度に制御することが可能となる。
【００７０】
以上まとめると、実験例に係るフィードバック制御装置のランダムディザ二値量子化部は、アクチュエータの変位を表す濃淡信号にランダム信号を加算し、当該加算された赤外反射光を二値量子化する。
【００７１】
図７は、実験例に係るフィードバック制御装置の応答特性を表すグラフである。同図に示されたグラフにおいて、実線は、それぞれ、光センサ３０１の出力値に対応した目標値ｒを５２０、５５０及び５７０とした場合の、光センサ３０１の変位ｘの制御特性を表している。また、破線は、ランダム信号ｗを加算せず、かつ、光センサ３０１の出力を二値量子化せずに制御した場合の制御特性を表している。つまり、破線は、高性能のセンサを使用した従来のアナログフィードバック制御装置の制御特性である。
【００７２】
図７の応答特性より、本実施の形態に係るフィードバック制御装置によれば、二値量子化が行われていても、従来のアナログ値によるフィードバック制御方式と同等の応答をしていることがわかる。これに対して、図示していないが、ランダム信号ｗ（ランダム赤色光）の照射がない、二値化されたフィードバック制御量を有するフィードバック制御装置の場合には、目標値ｒに拘わらず、閾値４９０の付近で振動する応答にしかならない。
【００７３】
以上のように、本実施の形態におけるフィードバック制御装置によれば、フィードバック構成要素として低性能なセンサを用いた場合でも、あたかも高性能なアナログセンサを用いた場合と同様の高精度な出力制御が可能となる。換言すれば、制御対象の状態量を検出するセンサとして、簡易的かつ安価なセンサを用いても、制御対象の出力を高精度に制御することが可能となる。
【００７４】
また、上記実験例により、さらに、以下のような効果が奏される。まず、制御対象２０を所望の位置に到達させる制御系を検討する場合、制御対象２０の位置情報（変位ｘ）を直接検出し、当該位置情報を直接表すフィードバック制御量を生成し、目標値としての所望の位置（変位ｘ）とフィードバック制御量とを比較して操作量を決定することが考えられる。しかしながら、この場合には、制御対象２０の出力信号に加算されるべきランダム信号は、制御対象２０の位置をｘ方向にランダム振動させる信号となり、安定制御という観点からは現実的ではない。
【００７５】
この観点から、本実験例にかかるフィードバック制御装置では、制御対象２０の直接の出力である位置情報（変位ｘ）を色情報に変換して検出することにより、当該色情報を出力信号とし、当該出力信号を検出する際に出射される赤外光に対応したランダム赤外光により加算信号を生成している。これにより、制御対象２０を振動させることなく、ランダム信号の合成が容易な光センサを用いて、安定した制御系を構築することが可能となる。
【００７６】
なお、本発明は、上述したフィードバック制御装置及びランダムディザ二値化検出器として実現できるだけでなく、そのフィードバック制御装置を構成する処理部をステップとするフィードバック制御方法として実現することができる。本発明のフィードバック制御方法は、制御対象の位置を検出し当該検出された位置に基づいてフィードバック制御量を生成することにより制御対象を自動制御するフィードバック制御方法であって、色情報を検出するセンサが、制御対象の移動方向に沿って配置された、制御対象の位置情報を色情報として表したグラデーション表示材のうち制御対象の現在の位置を表す領域に光信号を照射する照射ステップと、グラデーション表示材にランダム光信号を照射するランダム照射ステップと、光信号とランダム光信号との加算信号が上記領域で反射された反射信号を検出し、当該反射信号に対応した、二値化されたフィードバック制御量を出力する二値化ステップと、制御対象の所望の位置を色情報として表した目標値と、フィードバック制御量との差分である制御偏差が０となるように、制御対象の位置を制御する制御ステップとを含む。
【００７７】
これにより、フィードバック構成要素として二値しか出力できない低性能なセンサを用いた場合でも、あたかも高性能なアナログセンサを用いてフィードバック制御量を生成した場合と同様の高精度な出力制御が可能となる。
【００７８】
また、上記実験例では、モノトーングラデーション７０１の濃淡度に対応したアナログ値を出力できる光センサ３０１を使用し、当該アナログ値を式６の条件に従って二値に変換してフィードバック制御量を生成した。つまり、二値しか出力することができない低性能センサが、本実施の形態に係るフィードバック制御装置に組み込まれているものと模擬した。本発明に係るフィードバック装置は、例えば、アナログ値を出力できる光センサ３０１ではなく、実際に二値またはそれに準ずる多値した出力できない低性能なセンサを備えるものである。実際に低性能なセンサを備えた構成であっても、上記実験例の図７に示されたような高性能を有することは言うまでもない。
【００７９】
以上、本発明に係るフィードバック制御装置、ランダムディザ二値化検出器及びフィードバック制御方法について、実施の形態に基づいて説明したが、本発明は、この実施の形態に限定されるものではない。本発明の趣旨を逸脱しない限り、当業者が思いつく各種変形を本実施の形態に施したものや、異なる実施の形態における構成要素を組み合わせて構築される形態も、本発明の範囲内に含まれる。
【００８０】
なお、上記実施の形態では、二値量子化センサとして、二値のみを出力するセンサを例示したが、本発明はこれに限られない。上記センサは、二値に準ずる離散的な多値、例えば、四値または八値等を出力するセンサであっても、同様の効果が奏される。この場合、実施の形態に係る二値量子化センサは多値量子化センサと定義され、ランダムディザ二値量子化部は、ランダムディザ多値量子化部と定義され、ランダムディザ二値化検出器は、ランダムディザ量子化検出器と定義される。
【００８１】
また、制御部１０が行う制御方式は、例えば、Ｐ制御方式及びＰＩ制御方式が挙げられるが、これに限られず、制御内容に応じてあらゆる制御方式が適用される。
【００８２】
また、本発明は、フィードバック制御方法をコンピュータにより実現するコンピュータプログラムであるとしても良いし、上記コンピュータプログラムからなるデジタル信号であるとしても良い。
【００８３】
さらに、本発明は、上記コンピュータプログラムまたは上記デジタル信号をコンピュータ読み取り可能な非一時的な記録媒体、例えば、フレキシブルディスク、ハードディスク、ＣＤ−ＲＯＭ、ＭＯ、ＤＶＤ、ＤＶＤ−ＲＯＭ、ＤＶＤ−ＲＡＭ、ＢＤ（Ｂｌｕ−ｒａｙ（登録商標）  Ｄｉｓｃ）、半導体メモリなどに記録したものとしても良い。また、これらの非一時的な記録媒体に記録されている上記デジタル信号であるとしても良い。
【００８４】
また、本発明は、上記コンピュータプログラムまたは上記デジタル信号を、電気通信回線、無線または有線通信回線、インターネットを代表とするネットワーク、データ放送等を経由して伝送するものとしても良い。
【００８５】
また、本発明は、マイクロプロセッサとメモリを備えたコンピュータシステムであって、上記メモリは、上記コンピュータプログラムを記憶しており、上記マイクロプロセッサは、上記コンピュータプログラムに従って動作するとしても良い。
【００８６】
また、上記プログラムまたは上記デジタル信号を上記非一時的な記録媒体に記録して移送することにより、または上記プログラムまたは上記デジタル信号を、上記ネットワーク等を経由して移送することにより、独立した他のコンピュータシステムにより実施するとしても良い。
【産業上の利用可能性】
【００８７】
本発明は、フィードバック制御装置として、特に、簡易的なセンサを用いて高精度な出力制御を実行する必要のあるアクチュエータ及び制御系に対して有用である。
【符号の説明】
【００８８】
１    フィードバック制御システム
１０    制御部
２０    制御対象
３０    二値量子化センサ
３５    発光部
３６    受光部
４０    ランダム信号発生部
５０    ランダムディザ二値量子化部
５５    ランダムディザ二値化検出器
２０１    駆動本体
２０２    ギア
２０３    モータ
２０４    抵抗
２０５    インダクタ
３０１    光センサ
７０１    モノトーングラデーション
【図１】
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【図２】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図７】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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