(57)【要約】【課題】設定値変更や負荷変動が周期的に発生するような制御系に用いられる繰り返し制御装置の安定化と制御特性の改善を図ること。【解決手段】制御入力１の信号を出力１０に伝達する経路８にむだ時間要素ｅ−Ｌｓで構成される要素６と、出力信号を入力側に正帰還する経路７から構成される繰り返し制御器５において、上記経路８に特性Ｋなる補償要素１１を追加し、正帰還する経路７に特性１／Ｋなる第２の補償要素８を追加する。これにより、安定化範囲を拡大することが可能となる。また、上記において正帰還する経路７に特性Ｆなる補償要素を追加することにより、制御対象Ｇｐのベクトル軌跡が実軸のマイナス側にも存在するような場合でも安定化が可能になる。さらに、入力１の信号を補償要素を介して繰り返し制御器５の出力に加えてフィードフォワード補償を行うことにより応答性を改善することができる。【選択図】          図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
制御偏差が周期的に発生するような制御系に用いられ、少なくとも制御入力信号を出力に伝達する経路に、むだ時間要素ｅ−ｓＬで構成される要素と、出力信号を入力側に正帰還する経路から構成される繰り返し制御装置であって、
上記入力信号を出力に伝達する経路に特性Ｋなる第１補償要素を設け、上記出力信号を正帰還する経路に特性１／Ｋなる第２補償要素を設けた
ことを特徴とする繰り返し制御装置。
【請求項２】
上記出力信号を正帰還する経路に、上記特性１／Ｋなる第２の補償要素に加えて、特性Ｆなる第３の補償要素を設置する
ことを特徴とする第１項記載の繰り返し制御装置。
【請求項３】
フィードフォワード補償を併用する繰り返し制御装置に適用する
ことを特徴とする請求項１または請求項２記載の繰り返し制御装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は自動制御装置に関し、特に、設定値変更や負荷変動などが周期的に発生するような制御系に用いられる繰り返し制御装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
設定値変更や負荷変動などが周期的に発生するような制御系に用いられる繰り返し制御装置が非特許文献１で提案されている。
上記非特許文献１の例えば「ＰＡＲＴＢ  繰り返し制御の理論」，ｐ．１６−ｐ．１７には、任意の周期Ｌの目標信号を追随目標とする場合、図８に示すようなＬ時間のむだ時間要素を含む系を取れば、任意の周期Ｌの目標信号に対して、定常偏差のないサーボ系が構成できることが記載されている。
図８において、設定入力１と負帰還される制御出力１０を比較器２にて差し引いた偏差信号３が繰り返し制御器５へ与えられる。この入力信号はむだ時間要素６を介して出力した信号８が制御対象９へ伝達され、出力信号８は正帰還経路７により加算器４により入力信号に加算される。
上記非特許文献１では、このむだ時間要素を含む繰り返し制御器５を繰返し補償器（周期関数発生器）と呼び、この繰返し補償器を組み込んだ制御系を繰返し制御系と呼んでいる。
【０００３】
また、例えば、上記非特許文献１の第９３頁〜第９８頁のＣ２．２無効電力制御、および、図Ｃ．２．７には、上記繰返し制御系において、制御偏差すなわち入力信号と出力との差をある時間ごとに保持し、それを次の周期に偏差信号に加算することにより、設定値や負荷が周期的に変動する自動制御系にて極めて高精度の制御を実現できることが記載されている。
さらに、特許文献１には、制御装置の位置に相関して前記偏差信号の記憶、加算を行うことによって、設定値や負荷が周期的に変動する自動制御系において、極めて高精度の制御を実現できることが記載されている。
【０００４】
【非特許文献１】
中野道雄、井上  悳、山本  裕、原  辰次共著「繰り返し制御」、社団法人計測自動制御学会  平成元年１２月２５日初版
【特許文献１】
特開平３−７０００３号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
上記非特許文献１、特許文献１に記載される繰り返し制御の手法は、設定値や負荷が周期的に変動する自動制御系にて、極めて高精度の制御を実現することが出来るが、一方、非特許文献１の第４頁などに紹介されているように、繰り返し制御器は制御対象の遅れに比し比較的大きいむだ時間を持ち、かつ、正帰還で構成されているため、安定な制御を得ることに困難が多い。
そのため、特別に考慮した安定化補償器を挿入するなどの対策が必要となり、実用上問題が多かった。
本発明は上記従来技術の問題点を解決するためになされたものであって、本発明の目的は、簡易な補償要素を追加するだけで安定化範囲を拡大することができる繰り返し制御装置を提供することである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
前記の問題を解決するため、本発明においては前記図８に示した従来の繰り返し制御系に、図１、図４に示すように、繰り返し制御器５の制御入力３の信号をむだ時間要素ｅ−Ｌｓで構成される要素６を介して出力８に伝達する経路に特性ｋなる補償要素１１を追加し、正帰還する経路７に特性「１／ｋ」なる第２の補償要素１２、あるいはそれに特性「Ｆ」なる第３の補償要素１３を加えた補償要素を追加する。
さらに、図１、図４の制御系において、図７に示すように、入力１の信号を特性Ｈを持つ補償要素１４を介して繰り返し制御器出力８に設置した加算器１６へ加えてフィードフォワード補償を行う。これにより、制御応答を改善することができる。
【０００７】
図８に示した従来の繰り返し制御系の安定条件は、図８を周波数領域にて示した図９を用いて説明すれば、図１０に示したベクトル軌跡図にて示されるように、実軸上の点（１，０）を中心とした半径１の円内に制御対象Ｇｐ（ｊω）のベクトル軌跡が収まることが条件となる。
そのため、制御対象Ｇｐの特性によっては安定条件を満足することが不可能となる。
一方、図１を周波数領域で示した図２の安定条件は、第１の要素１１のｋを常数とすると、図３に示したベクトル軌跡図のように実軸上の点（１／ｋ，０）を中心とした半径１／ｋの円内に制御対象Ｇｐ（ｊω）のベクトル軌跡が収まればよいことになる。
したがって、第１の要素１１のｋの値の選定によって安定化範囲を拡大することが可能となる。
【０００８】
さらに、図４のように特性Ｆを持つ第３の補償要素１３を加えると、仮に図５のようにＦ＝１／ｎ（ｎは常数）とすれば、その場合の安定条件は図６のベクトル軌跡図に示すように、実軸上の点（１／ｎｋ，０）を中心とする半径１／ｋの円（同図の点線）内に制御対象Ｇｐ（ｊω）のベクトル軌跡が収まればよいことになり、制御対象Ｇｐのベクトル軌跡が図６に示したように実軸のマイナス側にも存在するような場合でも安定化が可能になる。
また、図７に示すように、上記繰り返し制御系にフィードフォワード補償を施すことにより、制御応答を改善することができる。
【０００９】
【発明の実施の形態】
図１は本発明の第１の実施例の構成を示すブロック図である。
図１に示す制御系は、前記した設定値変更や負荷変動などが周期的に発生する繰り返し制御系であり、設定入力１と負帰還される制御出力１０を比較器２にて差し引いた偏差信号３が繰り返し制御器５へ与えられる。繰り返し制御器５の出力は、特性Ｇｐであらわされる制御対象９へ伝達され、制御対象９の出力が比較器２に負帰還される。
本実施例の繰り返し制御器５は、図１に示すように、むだ時間要素６の出力側に特性ｋの第１の補償要素１１が付加され、また正帰還経路７に特性１／ｋなる第２の補償要素１２を付加されている。繰り返し制御器５の入力信号は加算器４で正帰還経路７により正帰還された信号と加算され、むだ時間要素６、第１の補償要素１１を介して出力され制御対象９へ伝達される。また、第１の補償要素１１の出力は、第２の補償要素１２を有する正帰還路７を介して、上記加算器４に正帰還される。
【００１０】
本実施例の繰り返し制御系は、上記構成を有しているので、制御系の安定化が前記図８に示したものに比べ容易となる。
図１の各ブロックを周波数表示した前記図２で説明すると、前記したように制御系の安定条件は、図３のナイキスト線図に示すように、安定限界は実軸上の点（１／ｋ，０）を中心とする半径１／ｋの円で示される。制御対象Ｇｐ（ｊω）のベクトル軌跡がこの円内に収まれば安定な制御が得られることになる。
一方、前記図８に示した基本的な従来の繰り返し制御系においては次のようになる。
図８の繰り返し制御系の特性を説明するため、前記したように図８を各ブロックの伝達関数を周波数表示した図９を用い、この制御系の安定度をナイキスト線図により説明すると、この制御系の安定条件は、図１０にて実軸上の点（１．０）を中心とする半径１の円内に、制御対象Ｇｐ（ｊω）のベクトル軌跡が収まる必要がある。そのため、制御対象Ｇｐ（ｊω）の特性によっては必ずしも安定条件を満たせず、安定化のために特別な調整器を付加する必要もあった。
これに対し、図１に示した本実施例の制御系では、図３のナイキスト線図から明らかなように、ｋの値を調整することで、図１０の安定限界より、より広い安定領域を得ることが可能となる。
【００１１】
図４はさらにこの発明を拡張し、より自由度の高い安定化を可能とした本発明の第２の実施例を示している。
本実施例は、同図に示すように正帰還経路７に追加した特性１／ｋの第２の補償要素１２に加えて、特性Ｆ（ｓ）の伝達関数を持つ第３の補償要素１３を追加したものである。
この第３の補償要素１３の効果を、簡単のため補償要素Ｆ（ｓ）として１／ｎなる常数を用いた図５を例として説明する。
同様に安定限界をナイキスト線図にて説明すれば、図５の制御系の安定化限界は図６の点線で示すように、実軸上の点（１／ｎｋ，０）を中心とする、半径１／ｋの円にて与えられる。
図６に示すように図２の制御系の安定限界を示す円（図６の実線）の中心が、実軸上を１／ｋより１／ｎｋへ移動することになり、ｎを適当に調整することで安定化限界を実軸の負領域へ広げることが可能となる。
このため、制御対象Ｇｐ（ｊω）のベクトル軌跡が原点に収斂する付近で実軸の負極性領域に存在する場合であっても、安定な制御系を得ることができる。
【００１２】
図７は本発明の第３の実施例を示す図であり、本実施例は、前記図１に示した制御系に、補償器１４を追加し、フィードフォワード補償を行うようにしたものである。
図７では、入力１の信号を、特性Ｈを持つ補償要素１４を介して繰り返し制御器５の出力側に設けた加算器１６へ加えてフィードフォワード補償を行う。なお、繰り返し制御器の動作は上記実施例で説明したのと同じである。
上記構成とすることにより、前記したように制御系の安定性を確保しながら応答性を改善することができる。
図７では、前記図１に示した第１の実施例のものに、フィードフォワード補償を行う場合について示したが、前記図４に示した第２の実施例のものに、同様にフィードフォワード補償を行うようにしてもよい。
【００１３】
【発明の効果】
以上詳述したように、本発明によれば以下の効果を得ることができる。
（１）繰り返し制御系の安定化問題に対し、繰り返し制御器の前向き経路と正帰還路に、特性ｋと１／ｋを持つ簡易な補償要素を追加するだけで安定化範囲を拡大することが可能となる。
また、一般に制御対象Ｇｐ（ｊω）のベクトル軌跡は原点に収斂する付近で実軸の負極性領域に存在することが多いが、繰り返し制御器の正帰還経路に特性Ｆ（ｓ）の伝達関数を持つ第３の補償要素を追加することで、そのような場合にも簡便に安定な制御系を得ることが出来る。
繰り返し制御系では高い制御精度を簡易に得ることが出来る利点はあるものの安定化が必ずしも簡単でなかったことが最大の問題点であった。本発明によれば、極めて簡単な補償要素を付加するだけで安定範囲を大幅に拡大することができ、工業的価値多大なものがある。
（２）繰り返し制御系ではフィードフォワード補償を行い、制御応答を改善することがしばしば用いられているが、上記フィードフォワード補償を本発明の繰り返し制御器に適用することにより、安定性の確保に加えて、応答性を改善することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施例の繰り返し制御系を示すブロック図である。
【図２】図１の伝達関数を周波数領域にて表示したブロック図である。
【図３】図２の制御系の安定条件を説明するナイキスト線図である。
【図４】図１の制御系に機能を拡張する補償を加えた本発明の第２の実施例のブロック図である。
【図５】図４の伝達関数を周波数領域にて表示したブロック図である。
【図６】図５の制御系の安定条件を説明するナイキスト線図である。
【図７】図１の実施例の制御系にフィードフォワード補償を適用した本発明の第３の実施例のブロック図である。
【図８】従来の繰り返し制御系を示すブロック図である。
【図９】図８の伝達関数を周波数領域にて表示したブロック図である。
【図１０】図９の制御系の安定条件を説明するナイキスト線図である。
【符号の説明】
１      制御系の入力信号
２      入力信号に制御出力を負帰還して制御偏差をうる比較器
３      制御偏差信号
４      繰り返し制御器を構成する正帰還信号の加算器
５      繰り返し制御器
６      繰り返し制御器を構成するむだ時間要素
７      繰り返し制御器を構成する正帰還経路
８      繰り返し制御器の出力
９      制御対象の要素
１０    制御対象出力
１１    第１の補償要素
１２    第２の補償要素
１３    第３の補償要素
１４    フィードフォワード補償要素
１５    フィードフォワード補償信号
【図１】
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【図２】
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【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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