(57)【要約】【課題】ＰＩＤ制御、Ｉ−ＰＤ制御のみでなく、ＰＩ−Ｄ制御も実現することができるＰＩＤ制御装置を提供する【解決手段】Ｐ制御器、Ｉ制御器、Ｄ制御器を備え、Ｐ制御器の出力とＩ制御器の出力とＤ制御器の出力を加算した値を操作量としたＰＩＤ制御装置において、Ｐ制御器に入力される指令信号の割合αを決定する係数器とＩ制御器に入力される指令信号の割合βを決定する係数器とＤ制御器に入力される指令信号の割合γを決定する係数器を備え、夫々の係数器の出力からフィードバック信号を減算する３個の減算器を備え、夫々の減算器の出力を夫々Ｐ、Ｉ、Ｄ制御器の入力とし、Ｐ、Ｉ、Ｄ制御器の夫々の出力を加算して操作量とし、制御対象に合わせてα、β、γの数値を変更するようにしたので自由度が高く最適な制御ができるようになった。【選択図】    図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｐ制御器、Ｉ制御器、Ｄ制御器を備え、前記Ｐ制御器の出力と前記Ｉ制御器の出力と前記Ｄ制御器の出力を加算した値を操作量としたＰＩＤ制御装置において、前記Ｐ制御器に入力される指令信号の割合αを決定する係数器と前記Ｉ制御器に入力される前記指令信号の割合βを決定する係数器と前記Ｄ制御器に入力される前記指令信号の割合γを決定する係数器を対応する前記Ｐ、Ｉ、Ｄ制御器の前段に備え、前記夫々の係数器の出力からフィードバック信号を減算する３個の減算器を備え、夫々の前記減算器の出力を夫々前記Ｐ制御器、前記Ｉ制御器、前記Ｄ制御器の入力とし、前記Ｐ制御器、前記Ｉ制御器、前記Ｄ制御器の出力を加算して操作量とし、制御対象に合わせて前記α、β、γの数値を変更することを特徴とするＰＩＤ制御装置。
【請求項２】
前記ＰＩＤ制御装置は位置制御装置であり、前記の制御対象の入力はトルクであることを特徴とする請求項１記載のＰＩＤ制御装置。
【請求項３】
前記指令信号を微分器に通した後、操作量に加えるフィードフォワード制御器を備え、前記指令信号及び操作量から切替信号を作成する切替装置を備え、停止状態と動作状態とで、ＰＩＤ制御器、Ｉ−ＰＤ制御器、ＰＩ−Ｄ制御器に切り替えることを特徴とする請求項１に記載のＰＩＤ制御装置。
【請求項４】
前記のＰＩＤ制御装置は位置制御装置であり、前記の制御対象の入力はトルクであることを特徴とする請求項３記載のＰＩＤ制御装置。
【請求項５】
前記指令信号を入力して微分信号（４７）を作成し、前記加算器へ前記微分した信号（４７）を入力する微分制御器と、
前記指令信号と前記操作量とを入力し、前記指令値の値に基づいて前記係数α、β、γを決定し、対応する前記各々の係数器へ係数設定信号を送信する切替手段を備えたことを特徴とする請求項１記載のＰＩＤ制御装置。
【請求項６】
前記切替手段は、前記指令信号が目標指令に到達するまではα＝β＝γ＝１とするＰＩＤ制御とし、目標指令に到達するとα＝β＝１、γ＝０としてＰＩ−Ｄ制御に切り替える請求項５記載のＰＩＤ制御装置。
【請求項７】
前記切替手段は、指令信号目標指令から零となるまではα＝β＝γ＝１にするＰＩＤ制御にし、指令信号が零に到達するとα＝γ＝０、β＝１としてＩ−ＰＤ制御に切り替える請求項５記載のＰＩＤ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、高速応答動作が可能でかつ定常状態では安定な動作をする制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図５は一般的な位置ＰＩＤ制御装置の制御ブロック図を示したものである。図５でＫｐは比例ゲイン（Ｎｍ／ｒａｄ）、Ｋｉは積分ゲイン（Ｎｍ／ｒａｄ／ｓｅｃ）、Ｋｄは微分ゲイン（Ｎｍ・ｓｅｃ／ｒａｄ）であり、Ｋｖ（ｍ／ｓｅｃ２／Ｎｍ）は制御対象のゲインである。入力から出力までの伝達関数は（１）式になり、夫々の制御方式により伝達関数は（２）〜（６）式になる。
ＰＩＤ制御の伝達関数は（１）式で表される。
【０００３】
【数１】
2004341706.tif 000003
【０００４】
Ｉ−ＰＤ制御の伝達関数は（２）式で表される。
【０００５】
【数２】
2004341706.tif 000004
【０００６】
Ｐ−ＩＤ制御の伝達関数は（３）式で表される。
【０００７】
【数３】
2004341706.tif 000005
【０００８】
Ｄ−ＰＩ制御の伝達関数は（４）式で示される。
【０００９】
【数４】
2004341706.tif 000006
【００１０】
ＰＩ−Ｄ制御の伝達関数は（５）式で示される。
【００１１】
【数５】
2004341706.tif 000007
【００１２】
ＰＤ−Ｉ制御の伝達関数は（６）式で示される。
【００１３】
【数６】
2004341706.tif 000008
【００１４】
（１）式と（２）式の分母多項式は全く同じであり、ＰＩＤ制御モードとＩ−ＰＤ制御とで係数を変える必要がない。（１）式と（２）式の違いは分子の次数の違いであり、（１）式は分母と分子の次数差が１であり、（２）式は分母と分子の次数差が３である。これは、指令に対する応答の速さを表すものであり、次数差が小さいほど応答が速い。零速度から目標速度に加速するとき、もしくは目標速度から零速度に減速するときは応答性の良いＰＩＤ制御を使用し、目標速度に到達した後、もしくは零速度時は、安定性のあるＩ−ＰＤ制御もしくは、ＰＩ−Ｄ制御を使用するのがよい。
従来のＰＩＤ制御装置は特許文献１のように、ＰＩＤ制御モードとＩ−ＰＤ制御モードを有し、（１―α）×（ＰＩＤ制御）＋α×（Ｉ―ＰＤ制御）とし、αの値によりＰＩＤ制御とＩ−ＰＤ制御とその折衷形の制御をするものであった。また、特許文献２のように、制御出力の値を条件としてＰ制御、Ｉ制御、Ｄ制御の係数の値を変えて立ち上がり時間を短縮し、かつ安定性を確保することを目的とするＰＩＤ制御装置であった。
特許文献１のＰＩＤ制御装置について、図４を使って説明する。図４において、１０１は基本型ＰＩＤ制御モード用ＰＩＤ値（比例ゲインＫＰ（ＰＩＤ）、積分時間ＴＩ（ＰＩＤ）、微分時間ＴＤ（ＰＩＤ）を設定した記憶要素であり、１０２はＩ−ＰＤ制御モード用ＰＩＤ値（Ｋｐ（Ｉ−ＰＤ）、ＴＩ（Ｉ−ＰＤ）、ＴＤ（Ｉ−ＰＤ）を設定した記憶要素であり、減算要素１０３ａ〜１０３ｃと乗算器１０４ａ〜１０４ｃ、１０５ａ〜１０５ｃと加算器１０６ａ〜１０６ｃとから構成される。
特許文献１によれば、従来のＰＩＤ制御装置は、制御モード選択手段により、係数要素から出力された係数値に基づいて、制御モード出力演算手段にて演算された基本ＰＩＤ制御モード出力、Ｉ−ＰＤ制御モード出力の折衷的な制御モード出力のうち、いずれかひとつを選択して制御対象に対する操作量として出力するので、係数値を適宜設定することによって、制御対象固有のステップ外乱を効果的に抑制することができ、しかも目標追従性の優れた汎用性のある２自由度ＰＩＤ制御装置を提供することができるとしている。
【００１５】
【特許文献１】
特開平０８−２４１１０２
【特許文献２】
特開平０７−０３６５０４
【００１６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来のＰＩＤ制御装置は、ＰＩＤ制御とＩ−ＰＤ制御にのみ切り替えるというものであり、しかも複雑な構成となっている。α×ＰＩＤ制御と（１−α）×Ｉ−ＰＤ制御という構成であり、ＰＩＤ制御とＩ−ＰＤ制御で係数値を変更するものである。この場合、動作途中でＰＩＤ制御からＩ−ＰＤに切り替えた場合、積分値に溜まった値も変えないと不連続な制御入力となり、応答は振動的になる。また、ステップ外乱が制御対象入力（操作量）に入る場合には係数値として“１”が設定されるというもので、オンライン状態でＰＩＤ制御、Ｉ−ＰＤ制御に切替ることができないという問題点がある。
本発明はこのような問題点に鑑みてなされたものであり、制御対象に合わせてＰＩＤ制御、Ｉ−ＰＤ制御のみでなく、ＰＩ−Ｄ制御も可能になり、目標値に対する応答が速く、整定時間を短くでき、かつ停止時にも安定な制御ができるＰＩＤ制御装置を提供することを目的とする。
【００１７】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために請求項１記載の本発明は、Ｐ制御器、Ｉ制御器、Ｄ制御器を備え、Ｐ制御器の出力とＩ制御器の出力とＤ制御器の出力を加算した値を操作量としたＰＩＤ制御装置において、Ｐ制御器に入力される指令信号の割合αを決定する係数器とＩ制御器に入力される指令信号の割合βを決定する係数器とＤ制御器に入力される指令信号の割合γを決定する係数器を備え、夫々の係数器の出力からフィードバック信号を減算する３個の減算器を備え、夫々の減算器の出力を夫々Ｐ制御器、Ｉ制御器、Ｄ制御器の入力とし、Ｐ制御器、Ｉ制御器、Ｄ制御器の出力を加算して操作量とし、制御対象に合わせてα、β、γの数値を変更するようにしたものである。
また請求項２記載の本発明は請求項１においてＰＩＤ制御装置は位置制御装置であり、制御対象の入力はトルクとしたものである。
また請求項３記載の本発明は請求項１記載のＰＩＤ制御装置において指令信号を微分器に通した後、操作量に加えるフィードフォワード制御器を備え、指令信号及び操作量から切替信号を作成する切替装置を備え、停止状態と動作状態とで、ＰＩＤ制御器、Ｉ−ＰＤ制御器、ＰＩ−Ｄ制御器に切り替えるようにしたものである。
また請求項４記載の本発明は請求項３記載のＰＩＤ制御装置を位置制御装置とし、制御対象の入力はルクとしたものである。
また請求項５記載の本発明は請求項１記載のＰＩＤ制御装置において指令信号を入力して微分信号（４７）を作成し、加算器へ微分した信号（４７）を入力する微分制御器と、指令信号と操作量とを入力し、指令値の値に基づいて前記係数α、β、γを決定し、対応する各々の係数器へ係数設定信号を送信する切替手段を備えるようにしたものである。
また請求項６記載の本発明は請求項５記載のＰＩＤ制御装置において、切替手段を、前記指令信号が目標指令に到達するまではα＝１、β＝１、γ＝１とするＰＩＤ制御とし、目標指令に到達するとα＝１、β＝１、γ＝０としてＰＩ−Ｄ制御に切り替えるようにしたものである。
また請求項７記載の本発明は請求項５記載のＰＩＤ制御装置において切替手段を、指令信号目標指令から零となるまではα＝１、β＝１、γ＝１にするＰＩＤ制御にし、指令信号が零に到達するとα＝０、β＝１、γ＝０としてＩ−ＰＤ制御に切り替えるようにしたものである。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下本発明の具体的実施例を図に基づいて説明する。
（第１の実施例）
図１は、第１実施例を示す図であり、１は指令信号、２はフィードバック信号、３は操作量、４はＰＩＤ制御装置、５は制御対象である。本発明の請求項に示すＰＩＤ制御装置は４である。従来例では、本発明は比例制御器、積分制御器、微分制御器に入力される指令信号の割合を決める係数器を持たせたことに特徴があり、従来例には指令信号だけを調整する係数器は存在しない。図２は、ＰＩＤ制御装置４を詳細に示すものである。指令信号１は係数器２１と係数器２２および係数器２３に入力される。係数器２１は係数αと指令信号を乗算し、信号４１を減算器２４へ出力する。減算器２４は信号４１からフィードバック信号２を減算し、結果を比例制御器２７に入力する。比例制御器２７は比例処理をして信号４４を加算器３０へ出力する。係数器２２は係数βと指令信号を乗算し信号４２を減算器２５へ出力する。減算器２５は信号４２からフィードバック信号２を減算し、結果を積分制御器２８に入力する。積分制御器２８は積分処理をして信号４５を加算器３０へ出力する。係数器２３は係数γと指令信号を乗算し、信号４３を減算器２６へ出力する。減算器２６は信号４３からフィードバック信号２を減算し、結果を微分制御器２９に入力する。微分制御器２９は微分処理をして信号４６を加算器３０へ出力する。加算器３０は信号４４と信号４５および信号４６を加算し、操作量３を制御対象５へ出力する。
【００１９】
α、β、γが全て１のとき、４はＰＩＤ制御になり、α＝０、β、γ＝１のとき、４はＩＤ−Ｐ制御装置になる。α、γ＝１、β＝０のとき、４はＰＤ−Ｉ制御装置になり、α、β＝１、γ＝０のとき、４はＰＩ−Ｄ制御装置になる。α、β＝０、γ＝１のとき、４はＤ−ＰＩ制御装置になり、α、γ＝０、β＝１のとき、４はＩ−ＰＤ制御装置になる。β、γ＝０、α＝１のとき、４はＰ−ＩＤ制御装置になる。
実際に、利用可能となるものは、ＰＩＤ制御、Ｉ−ＰＤ制御、ＰＩ−Ｄ制御であり、これら以外は（１）〜（６）式にあるように分子にｓ＝０となる根を持つため、指令に対して零になるように働くため使用できない。ＰＩＤ、Ｉ−ＰＤ制御、ＰＩ−Ｄ制御は、目標値追従性が、ＰＩＤ＞ＰＩ−Ｄ＞Ｉ−ＰＤ制御の順番に良い。また、外乱特性については、Ｉ−ＰＤ＞ＰＩ−Ｄ＞ＰＩＤの順番によくなるため、これらのことを考慮して制御方式を選ぶことができる。
【００２０】
（第２の実施例）
図３は第２実施例の構成を示す図である。指令信号１は係数器２１、係数器２２、係数器２３、微分器３１および切替え装置３２に入力される。係数器２１は係数αと指令信号を乗算し信号４１を減算器２４へ出力する。減算器２４は信号４１からフィードバック信号２を減算し、結果を比例制御器２７に入力する。比例制御器２７は比例処理をし、信号４４を加算器３０へ出力する。係数器２２は係数βと指令信号１を乗算し信号４２を減算器２５へ出力する。減算器２５は信号４２からフィードバック信号２を減算し、結果を積分制御器２８に入力する。積分制御器２８は積分処理をして信号４５を加算器３０へ出力する。係数器２３は係数γと指令信号１を乗算し、信号４３を減算器２６へ出力する。減算器２６は信号４３からフィードバック信号２を減算し、結果を微分制御器２９に入力する。微分制御器２９は微分処理をして信号４６を加算器３０へ出力する。微分器３１は指令信号１を微分して信号４７を加算器３０へ出力する。加算器３０は信号４４、信号４５、信号４６、信号４７を加算して操作量３を制御対象５へ出力する。３２は切替装置であり、指令信号１および操作量３からあらかじめ決定された切替条件によりα、β、γの値を決定する。係数設定信号４８は切替装置３２で決定された係数を係数器に出力するための信号である。
【００２１】
次に動作を説明する。切替装置３２は、指令信号１と操作量３の値を監視し、例えば、指令が０から目標指令に到達するまでは、α＝１、β＝１、γ＝１とするＰＩＤ制御とし、目標指令に到達したら、α＝１、β＝１、γ＝０とするＰＩ−Ｄ制御に切り替える。また、指令信号が目標指令から０になるまでは、ＰＩＤ制御に切替え、指令信号が０になったら、Ｉ−ＰＤ制御に切り替えることにより、高速位置決めが実現できる。また、操作量を監視することでバックラッシュが大きな機械でも安定に運転することができる。つまり、操作量の大きい加速時はバックラッシュが片側に押し付けられた状態ではＰＩＤ制御を行い、定速運転時やトルク方向反転時の操作量の小さいバックラッシュの不感帯中にある状態ではＩ−ＰＤ制御をすることで安定な運転が可能になる。
【００２２】
【発明の効果】
以上述べたように本発明によれば、Ｐ制御器、Ｉ制御器、Ｄ制御器を備え、Ｐ制御器の出力とＩ制御器の出力とＤ制御器の出力を加算した値を操作量としたＰＩＤ制御装置において、Ｐ制御器に入力される指令信号の割合αを決定する係数器とＩ制御器に入力される指令信号の割合βを決定する係数器とＤ制御器に入力される指令信号の割合γを決定する係数器を備え、夫々の係数器の出力からフィードバック信号を減算する３個の減算器を備え、夫々の減算器の出力を夫々Ｐ制御器、Ｉ制御器、Ｄ制御器の入力とし、Ｐ制御器、Ｉ制御器、Ｄ制御器の出力を加算して操作量とし、制御対象に合わせて前記のα、β、γの数値を変更することによりＰＩＤ制御器、Ｉ−ＰＤ制御器、ＰＩ−Ｄ制御器に変更可能になりＰＩＤ制御だけしか構成できない場合に比べ自由度が高く最適な制御ができる。
また、本発明によれば指令信号を微分器に通した後、操作量に加えるフィードフォワード制御器と指令信号及び操作量から切替信号を生成する切替装置を備え、停止状態と動作状態とで、ＰＩＤ制御器、Ｉ−ＰＤ制御器、ＰＩ−Ｄ制御器に変更可能としたことにより、目標値に対する応答が速くなり整定時間を早くすることができるとともに停止時にも安定な制御をすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施例を示すＰＩＤ制御装置
【図２】本発明のＰＩＤ装置の詳細図
【図３】本発明の第２実施例を示すＰＩＤ制御装置の構成図
【図４】従来のＰＩＤ制御装置を説明する模式図
【図５】一般的なＰＩＤ制御の制御ブロック図
１  指令信号
２  フィードバック信号
３  操作量
４  ＰＩＤ制御装置
５    制御対象
２１  係数器
２２  係数器
２３  係数器
２４  減算器
２５  減算器
２６  減算器
２７  比例制御器
２８  積分制御器
２９  微分制御器
３０  加算器
３１  微分制御器
３２  切替装置
４１  係数器２１の出力信号
４２  係数器２２の出力信号
４３  係数器２３の出力信号
４４  比例制御器２７の出力信号
４５  積分制御器２８の出力信号
４６  微分制御器２９の出力信号
４７  微分制御器３１の出力信号
１０１  基本型ＰＩＤ制御モード用ＰＩＤ値記憶要素
１１２  基本型ＰＩＤ制御モード用Ｉ−ＰＤ値記憶要素
１０３ａ、１０３ｂ、１０３ｃ  減算要素
１０４ａ、１０４ｂ、１０４ｃ  乗算要素
１０５ａ、１０５ｂ、１０５ｃ  乗算要素
１０６ａ、１０６ｂ、１０６ｃ  加算要素
１１０  乗算要素
１１１  符号判定要素
１１２、１１５、１１７  加算要素
１１３  積分要素
１１４  微分要素
１１６  係数要素
１２０  比例制御器
１２１  積分制御器
１２２  微分制御器
１２３  減算要素
１２４  加算要素
１２５  制御対象
１２６  指令信号
１２７  フィードバック信号
１２８  操作量
α      係数器２１の係数値
β      係数器２２の係数値
γ      係数器２３の係数値
【図１】
2004341706.tif 000009
【図２】
2004341706.tif 000010
【図３】
2004341706.tif 000011
【図４】
2004341706.tif 000012
【図５】
2004341706.tif 000013