(57)【要約】【課題】比例制御及び比例積分制御との切換時点をシステムの種類及び状態に関わらずに容易に検出することができる。【解決手段】比例制御と比例積分制御を選択的に行う比例積分制御器の制御方法は、前記比例積分制御器の出力をフーリエ変換する段階と；全ての周波数の領域に対する所定の基準周波数の前記変換された比例積分制御器の出力のスペクトルエネルギーの比率を計算する段階と；前記計算されたスペクトルエネルギーの比率が所定の基準比率を超える場合、前記比例制御を行い、前記スペクトルエネルギーの比率が前記基準比率以下である場合、前記比例積分制御を行う段階と；を含むことを特徴とする。【選択図】図３ 
2004145868.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
　比例制御と比例積分制御を選択的に行う比例積分制御器の制御方法において、
　前記比例積分制御器の出力をフーリエ変換する段階と；
　全ての周波数の領域に対する所定の基準周波数の前記変換された比例積分制御器の出力のスペクトルエネルギーの比率を計算する段階と；
　前記計算されたスペクトルエネルギーの比率が所定の基準比率を超える場合、前記比例制御を行い、前記スペクトルエネルギーの比率が前記基準比率以下である場合、前記比例積分制御を行う段階と；
　を含むことを特徴とする比例積分制御器の制御方法。
【請求項２】
　前記基準周波数は、前記制御器により制御される駆動部の周波数応答での折点周波数であることを特徴とする請求項１に記載の比例積分制御器の制御方法。
【請求項３】
　前記駆動部の伝達関数が、
【数１】
2004145868.tif 000013
である場合、前記折点周波数は、
【数２】
2004145868.tif 000014
であることを特徴とする請求項２に記載の比例積分制御器の制御方法。
【請求項４】
　前記フーリエ変換する段階は、離散フーリエ変換を含むことを特徴とする請求項２に記載の比例積分制御器の制御方法。
【請求項５】
　前記フーリエ変換する段階は、高速フーリエ変換を含むことを特徴とする請求項２に記載の比例積分制御器の制御方法。
【請求項６】
　前記基準周波数がwcであり、前記制御器の出力のＮ番目の周期でのフーリエ変換がX[k],k=0,1,2…, である時、前記スペクトルエネルギーの比率（Ｒ）は、
【数３】
2004145868.tif 000015
により計算されることを特徴とする請求項４または５に記載の比例積分制御器の制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
　本発明は、比例積分制御器の制御方法に係り、より詳細には、駆動部の周波数の特性を分析して、比例制御と比例積分制御との間の切換時点を検出する比例積分制御器の制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
　一般に、産業用ロボットや工作機械等では、高度の電動制御技術を採用して器機の性能向上を図っており、このような電動制御技術の制御システムでは比例制御器（Ｐｒｏｐｏｒｔｉｏｎａｌ Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ）と積分制御器（Ｉｎｔｅｇｒａｌ Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ）とを合わせた形態の比例積分制御器（ＰＩ Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ）を利用している。
【０００３】
　このような比例積分制御器は、これにより制御される駆動部の特性に従って比例制御と比例積分制御とを選択的に行うことになる。ここで、システムの過度状態では、比例制御を行うことにより、システムの応答追従時間を短縮させ、応答の振動（Ｏｓｃｉｌｌａｔｉｏｎ）発生を最小化させる。また、システムの定常状態では、比例積分制御を行うことにより、過度なオーバーシュートの発生を防止し、定常状態誤差の減少、安定度の向上等のようにシステムの定常状態の特性を向上させる。
【０００４】
　このような従来の比例積分制御器は、比例制御と比例積分制御との間の切換時点、即ちシステムの過度状態と定常状態の区分時点をシステムの速度誤差、速度命令、位置誤差及びトーク命令等の基準変数の変数値が所定の基準値以内であるか否かにより決定した。
【０００５】
　ところが、このような従来の比例積分制御器の切換時点の検出方法では、基準変数の選択及び基準変数の基準値の大きさを検出する過程がシステムに従って別々に適用されて、各システム毎に基準変数及び基準値を設定しなければならないという不便がある。
【０００６】
　また、同一のシステムの場合、特定動作状態で適用された基準変数及び基準値が同一システムの他の状態では最適に適用されないという問題がある。
【０００７】
　また、基準変数及び基準値を設定することにおいて、頻繁な試行錯誤を経て設定されることが一般的であり、熟練者の経験に依存するという問題がある。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
　本発明の目的は、前述した問題点を解決するため、比例制御と比例積分制御との間の切換時点をシステムの種類及び状態に関わらず容易に検出することができる比例積分制御器の制御方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
　上記目的を達成するための本発明は、比例制御と比例積分制御を選択的に行う比例積分制御器の制御方法において、前記比例積分制御器の出力をフーリエ変換する段階と；全ての周波数の領域に対する所定の基準周波数の前記変換された比例積分制御器の出力のスペクトルエネルギーの比率を計算する段階と；前記計算されたスペクトルエネルギーの比率が所定の基準比率を超える場合、前記比例制御を行い、前記スペクトルエネルギーの比率が前記基準比率以下である場合、前記比例積分制御を行う段階と；を含むことを特徴とする。
【００１０】
　ここで、前記基準周波数は、前記制御器により制御される駆動部の周波数応答での折点周波数であることが好ましい。
【００１１】
　前記駆動部の伝達関数が、
【００１２】
【数１】
2004145868.tif 000003
である場合、前記折点周波数は、
【００１３】
【数２】
2004145868.tif 000004
であることが好ましい。
【００１４】
　前記フーリエ変換する段階は、離散フーリエへの切換を含むことが好ましい。
【００１５】
　前記フーリエ変換する段階は、高速フーリエの切換を含むことが好ましい。
【００１６】
　前記基準周波数がwcであり、前記制御器の出力のＮ番めの周期でのフーリエの切換をX[k],k=0,1,2…, であるという時、前記スペクトルエネルギーの比率（Ｒ）は、
【００１７】
【数３】
2004145868.tif 000005
により計算されることが好ましい。
【発明の効果】
【００１８】
　本発明によると、比例制御及び比例積分制御との切換時点をシステムの種類及び状態に関わらず容易に検出することができる比例積分制御器の制御方法を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
　以下、添付した図面を参照して、本発明を詳細に説明する。
【００２０】
　以下では、本発明がサーボシステムに適用される場合を例として説明するが、本発明の思想はこれに限られない。
【００２１】
　図１は本発明による比例積分制御器を有するシステムの制御ブロック図である。図面に示すように、駆動部５０、例えば、モータを制御するための速度命令値(ωi*)をシステムに入力すると、駆動部はこの速度を目標として駆動する。モータの出力値(ωo)はさらにフィードバックされ、フィードバックされた出力値(ωo)は速度命令値(ωi*)から減算されて速度エラー値(ωe*)を生成する。速度エラー値(ωe*)は、比例積分制御器１０（ＰＩ Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ）により比例ゲインまたは比例ゲイン及び積分ゲインが掛けられてトーク命令値(xo*)に変換され、トーク命令値(xo*)は、インバーター３０を通じてアナログ信号(xo)に変換されて駆動部５０に入力される。
【００２２】
　比例積分制御器１０は、比例制御器１１（Ｐｒｏｐｏｒｔｉｏｎａｌ Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ）による比例制御（Ｐｒｏｐｏｒｔｉｏｎａｌ Ｃｏｎｔｒｏｌ）と、比例制御器１１及び積分制御器１２（Ｉｎｔｅｇｒａｌ Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ）の合成による比例積分制御（Ｐｒｏｐｏｒｔｉｏｎａｌ／Ｉｎｔｅｇｒａｌ Ｃｏｎｔｒｏｌ）を選択的に行う。ここで、比例制御と比例積分制御の切換は、積分制御器１２（Ｉｎｔｅｇｒａｌ Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ）に流れる速度エラー値(ωe*)をオン・オフさせるスイッチング部１３により行われる。即ち、スイッチング部１３がオフされる場合、比例積分制御器１０は比例制御を行うことになり、スイッチング部１３がオンされる場合、比例積分制御器１０は比例積分制御を行うことになる。
【００２３】
　ここで、本発明による比例積分制御器１０の比例制御と比例積分制御との切換時点は、比例積分制御器１０の出力の周波数の特性を分析して行われ、この内容は次の通りである。
【００２４】
　比例積分制御器１０の切換時点を検出する前に、比例積分制御器１０により制御される駆動部５０を一次システムと仮定する。例えば、駆動部５０がモータである場合、モータの機械的なシステムが慣性（Ｊｍ）と摩擦（Ｂｍ）による影響だけを受けると仮定する場合、モータの伝達関数（Ｇ（ｓ））は[数４]のように定義することができる。
【００２５】
【数４】
2004145868.tif 000006
【００２６】
　図２は、駆動部５０の周波数の応答に対するボードダイアグラム（Ｂｏｄｅ Ｄｉａｇｒａｍ）の中で利得曲線を示している。図２で実線（“Ｂ”区間及び“Ｃ”区間）で示すグラフは、駆動部５０の周波数の応答に対する利得曲線を示し、点線（“Ａ”区間）は、駆動部５０の伝達関数が
【００２７】
【数５】
2004145868.tif 000007
である時の周波数の応答に対する利得曲線を示す。図面に示すように、低周波領域(ωo-fT)での駆動部５０の周波数応答特性は、摩擦（Ｂｍ）による影響が大きく、高周波領域(fT - ∞)での駆動部５０の周波数の応答特性は慣性（Ｊｍ）だけを有するシステム
【００２８】
【数６】
2004145868.tif 000008
の特性と殆ど類似であることが分かる。即ち、高周波領域(fT - ∞)では駆動部５０の特性が積分制御器の特性に含まれているので、高周波領域で駆動部５０を制御する時には、比例制御だけでも希望する駆動部５０の出力が誘導されることが分かる。ここで、駆動部５０の低周波領域と高周波領域を区切る基準周波数は、ボードダイアグラム上の折点周波数（fT Ｃｏｒｎｅｒ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ）になる。折点周波数（fT）は、駆動部５０の伝達関数（Ｇ（ｓ））が[数４]のような場合[数７]により計算される。
【００２９】
【数７】
2004145868.tif 000009
【００３０】
　一方、本発明では、折点周波数(fT)に当該する時間領域での比例積分制御器１０の切換時点の検出のため、比例積分制御器１０の出力(X*e[n])に対するスペクトル分析（Ｓｐｅｃｔｒｕｍ Ａｎａｌｙｓｉｓ）が適用される。
【００３１】
　比例積分制御器１０の出力(X*e[n])は、非周期的な値の連続である離散信号であることを考慮して、離散フーリエ変換（ＤＦＴ、Ｄｉｓｃｒｅｔｅ Ｆｏｕｒｉｅｒ Ｔｒａｎｓｆｏｒｍ）を利用する。即ち、Ｎ番目の周期での周波数スペクトル(X[k])は[数８]のように定義される。
【００３２】
【数８】
2004145868.tif 000010
【００３３】
　ここで、離散フーリエ変換に代えて、演算速度が向上される高速フーリエ変換（ＦＴＦ、Ｆａｓｔ Ｆｏｕｒｉｅｒ Ｔｒａｎｓｆｏｒｍ）を利用することができる。ただし、高速フーリエ変換による演算方法はすでに公知なので、その説明は省略する。
【００３４】
　フーリエ変換により計算される基準周波数に対する比例積分制御器の出力スペクトルエネルギーは[数９]のように定義される。
【００３５】
【数９】
2004145868.tif 000011
【００３６】
　前記のような方法により比例積分制御器１０の出力(X*e[n])に対する周波数スペクトルが求められると、毎番の制御周期毎に全ての周波数に対する基準周波数（fT）でのスペクトルエネルギー比率（Ｒ、Ｓｐｅｃｔｒａｌ Ｅｎｅｒｇｙ Ｒａｔｉｏ）を[数１０]により計算する。
【００３７】
【数１０】
2004145868.tif 000012
【００３８】
　次に、[数１０]により計算されたスペクトルエネルギー比率（Ｒ）が所定の基準比率を超える場合には、比例積分制御器１０の出力信号に高周波成分が相対的に多い状態、即ち駆動部５０が過度状態であると判断して、比例制御を行うことになる。一方、スペクトルエネルギー比率（Ｒ）が基準比率以下である場合には、比例積分制御器１０の出力信号に低周波成分が相対的に多い、即ち駆動部５０が定常状態であると判断して比例積分制御を行うことになる。
【００３９】
　前記のような方法により計算されたスペクトルエネルギー比率（Ｒ）に基づく、本発明による比例積分制御器の制御過程は次の通りであり、図３を参照して説明する。
【００４０】
　まず、速度命令値がシステムに入力されて（Ｓ４１）駆動部５０が作動すると、システムの初期過度状態で比例制御が行われる（Ｓ４２）。ここで、毎番の制御周期毎に全ての周波数に対する基準周波数（fT）でのスペクトルエネルギー比率（Ｒ）を前述した方法により計算する（Ｓ４３）。
【００４１】
　次に、計算されたスペクトルエネルギー比率（Ｒ）と所定の基準比率を比較して（Ｓ４４）、比例制御と比例積分制御との間の切換時点を検出する。ここで、基準比率を５０％と設定する場合、計算されたスペクトルエネルギー比率（Ｒ）が５０％を超える場合には比例制御を行い（Ｓ４２）、スペクトルエネルギー比率（Ｒ）が５０％以下である場合には、比例積分制御を行うことになる（Ｓ４５）。ここで、比例制御と比例積分制御の切換は、前述のようにスイッチング部１３のオン・オフにより行われる。
【００４２】
　図４の（ａ）は、システムに印加される速度命令信号を示す図面であり、図４の（ｂ）は前記速度命令信号に対する従来の切換時点の検出方法により制御される比例積分制御器１０を有するシステムの応答曲線を示した図面であり、図４の（ｃ）は前記速度命令信号に対する本発明による切換時点の検出方法により制御を行う比例積分制御器１０を有するシステムの応答曲線を示す図である。ここで、従来の比例積分制御器は、駆動部がゆっくり加速される場合に、最適の応答を得ることができるように、基準変数及び基準値を設定して切換時点を検出していた。
【００４３】
　従来の比例積分制御器による場合、モータをゆっくり加速させる領域では、速度命令信号を効果的に追従しているが、モータを急減速させる領域（Ｓ）では、応答特性が悪くなることが分かる（Ｓ’）。一方、本発明による比例積分制御器１０による場合には、急減速に対する応答（Ｓ’’）だけでなく、ゆっくり加速させる場合での応答または速度命令信号を効果的に追従していることが分かる。即ち、本発明による比例積分制御器１０は、システムの状態に関わらず、効果的な応答特性を有するように制御される。
【００４４】
　前述した実施形態では、基準比率を５０％に設定して本発明に適用したが、作業者が任意で設定することもでき、約３０％〜７０％範囲の内で基準比率を設定することが好ましい。
【００４５】
　このように、比例積分制御器１０の出力をフーリエ変換する段階と、所定の基準周波数に対する変換された比例積分制御器１０の出力のスペクトルエネルギーを分析して比例制御と比例積分制御との切換時点を検出する段階を有する制御方法により、比例制御及び比例積分制御との切換時点をシステムの種類及び状態に関わらず容易に検出することができる。
【００４６】
　以上、本発明に係る好適な実施の形態について説明したが、本発明はかかる構成に限定されない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された技術思想の範囲内において、各種の修正例および変更例を想定し得るものであり、それらの修正例および変更例についても本発明の技術範囲に包含されるものと了解される。
【図面の簡単な説明】
【００４７】
【図１】本発明の比例積分制御器を有するシステムの制御ブロック図である。
【図２】図１の駆動部の周波数の応答に対するボードダイアグラムの中で利得曲線を示した図である。
【図３】本発明による比例積分制御器の制御方法を示すフローチャートである。
【図４】同一の速度命令信号に対する従来の比例積分制御器の応答曲線と本発明による比例積分制御器の応答曲線を示す図である。
【符号の説明】
【００４８】
　１０　比例積分制御器
　１１　比例制御器
　１２　積分制御器
　３０　インバーター
　５０　駆動部
【図１】
2004145868.tif 000016
【図２】
2004145868.tif 000017
【図３】
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【図４】
2004145868.tif 000019