(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
サーボ機構を制御する改善された方法であって、前記方法は、
所望の物理量を表す位置命令信号を発生し、
前記位置命令信号に従って従動素子を駆動して前記サーボ機構を制御し、前記物理量を出力し、
前記出力された物理量を測定し、それを前記位置命令信号と比較し、
前記位置命令信号と前記測定された物理量の出力信号との間の差を表す位置エラー信号を発生し、
前記位置エラー信号を可変利得変数を有するフィードバックループ・コントローラに与え、フィードバックアクチュエータ値により前記位置エラー信号をゼロ値に低減するように前記従動素子を駆動し、
前記位置エラー信号および命令速度の関数である可変利得変数を用いて、
前記位置エラー信号に比例フィードバック係数と前記可変利得変数の２乗とを乗算した値を比例フィードバック値とし、
前記位置エラー信号の時間変化分に微分フィードバック係数と前記可変利得変数とを乗算した値を微分フィードバック値とし、
前記位置エラー信号の絶対値が正かつ前記位置エラー信号の絶対値の時間変化分が正であるか否かに応じて第１積分フィードバックパラメータ値および第２積分フィードバックパラメータ値を決定した後、前記位置エラー信号に前記第１積分フィードバックパラメータ値と前記可変利得変数の３乗とを乗算した値と、前記位置エラー信号の時間変化分に前記第２積分フィードバックパラメータ値と前記可変利得変数係数の２乗とを乗算した値と、を加算更新した値を積分フィードバック値とし、
前記比例フィードバック値と前記微分フィードバック値と前記積分フィードバック値とを加算した値を前記フィードバックアクチュエータ値としてＰＩＤ制御演算し、
前記位置エラー信号の絶対値および前記命令速度に基づいて、前記可変利得変数の目標値を算出した後、該目標値が現在の前記可変利得変数より大きい場合、該目標値を新たな可変利得変数として更新し、該目標値が現在の前記可変利得変数より小さい場合、前記可変利得変数に所定のフィルタ処理をして新たな可変利得変数として更新するステップを含むことを特徴とする前記方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
（発明の分野）
本発明は、サーボ機構および制御システムに係り、さらに詳細には、速度および位置トラッキングエラー情報に基づいて、動作中に自動サーボループパラメータ調節を行うことを特徴とする新規なサーボ機構制御システムおよび方法に関する。
【０００２】
（発明の背景）
ここ２、３年で、モータ駆動技術は、アナログからデジタル制御に切り替わり、この設計方法の変更により良好な雑音余裕度が得られるとともに、ACおよびDCモータ用の精巧な駆動装置を低コストで得ることが可能となっている。電気モータに適用される閉ループサーボ機構制御システムは、命令信号と制御された出力との間の差を表すエラー信号を発生するエラー検出器およびそのエラー信号を増幅するコントローラを含み、基本素子を備えるフィードバックループとして構成されている。エラー検出は、システムの状態を測定し、その値を制御システムにフィードバックするために使用されるフィードバックセンサの使用に基づいている。例えば、電気モータ制御の場合、モータシャフトに取り付けられた位置フィードバック装置が位置情報を与える。モータ制御の他の方法は、電流の制御に関連している。多くの他の制御装置は、この方法を用いて設計されてる。サーボ機構制御システムの過渡解析は、システム性能に関する基本概念の定義を与え、PID（比例積分偏差）制御は、これらの概念に基づいている。これらのシステムの設計に影響を与える典型的な問題は、閉ループフィードバックシステムにおける外乱に対する応答速度、許容され得るオーバシュート量およびそのシステムが平衡点に達した後に得る定常状態エラーに関連している。
いかなるサーボ機構制御システム設計においても、PID制御の導入は、オフシュートを最小化し、システムを不安定化させる発振を回避させるが、良好な応答速度を得る上で制限を与える。従って、良好な設計のサーボ機構制御システムを得ることは、精緻な自動的、連続的、即時的な性能を同時に達成するためのニーズを考慮すると、込み入った目標になる。制御の緻密さが目標であり、それを達成する方法は、発振問題に直面し、さらに素早い応答を達成し、所定のエラーに対する応答振幅を上げることを含む。
従って、装置とその動作を過度に複雑化することなく、サーボ機構の制御の緻密さを改善する方法を提供することが望まれている。
【０００３】
（発明の開示）
従って、本発明の主たる目的は、サーボ機構のPID制御および応答速度と関連付けられた従来技術を克服し、サーボ機構を制御する改善された方法を提供することである。
本発明によれば、サーボ機構を制御する改善された方法が与えられ、この方法は、
所望の物理量を表す命令信号を発生し、
前記命令信号に従って従動素子を駆動し、前記物理量を出力し、
前記出力された物理量を測定し、それを前記命令信号と比較し、
前記命令信号と前記測定された出力との間の差を表すエラー信号を発生し、
前記エラー信号を可変利得を有するフィードバックループに与え、前記エラー信号をゼロ値に低減するように前記従動素子を駆動するステップからなり、
前記可変利得が、前記エラー信号の絶対値と前記命令信号の絶対値に関連する関数に従って与えられることを特徴としている。
本発明の方法は、ほとんどすべての型のサーボ機構制御システムに適用可能である。一般的な適用においては、フィードバック値を制御システムに与えるために、システムの状態を変化させる手段を与えるアクチュエータおよびシステムの状態を測定する手段を与えるフィードバックセンサを用いて、システムの状態を制御することが有用である。この型のシステムの例は、シャフトに取り付けられた位置フィードバック装置を持つ電気モータのサーボ機構制御装置、位置フィードバック装置を持つ流体圧ピストンによって駆動される機械、電気モータの電流制御装置、ボイラーの水位制御装置、航空機翼フラップ位置システム等の航空装置の制御装置、化学処理プラントの弁制御装置等を含む。
本発明の方法は、トラッキングエラー、すなわち、所望の状態と制御変数の実際の状態との間の差を低減させるため、これらの型のシステムのすべてに適用可能である。また、応答速度を増大させて、新たな状態値を所定の精度内に持っていくため、システムが必要とする時間を削減させる。さらに、制御の緻密さを増大させる。すなわち、外部摂動によって導びかれるトラッキングエラーを低減させる。
本発明の方法の特徴は、デジタルフィードバックセンサを利用するサーボ機構制御システムの性能を改善する能力にある。デジタルフィードバックセンサを用いているときに利得を制限している従来システムに関するのもとは異なり、本発明の方法は、例えば、摂動が発生するときとか、速度が増加するときなど、必要なときにのみ利得を大きくすることによって利得を変えられるようになっている。
例えば、光学エンコーダを持つ電気モータを用いている位置制御システムなどの従来システムにおいては、そのエンコーダのディスクリート特性が非常に低速度において最大ループ利得を減少させる。低速度では、エンコーダに基づいて検出する速度は、精確ではなく、ループ利得を上げることで平衡位置付近で強い振動を発生する。本発明の方法は、可変利得を与えるので、より一層緻密な制御を可能にさせる。
本発明の他の特徴および利点は、以下の図面および説明から明らかになる。
【０００４】
（好適な実施例の詳細な説明）
図１を参照する。ここには、例えば、電気モータをシステムアクチュエータとして使用して位置制御装置を与える適用における簡単なサーボ機構制御システム１０の概略ブロック図が示されている。制御システム１０は、命令位置発生器１２、エラー検出器１４、コントローラ１６、アクチュエータ１８および位置フィードバック装置２０を有する閉ループフィードバックシステムから構成される。コントローラ１６は、ラプラス変換として表現されたPID制御ループの形態で記述された制御式で示されている。図１に示された制御変数は、以下の通りである。
Cは、システムが到達するよう指令される位置である命令位置、
Vcは、位置命令の速度である命令速度、
Eは、電気モータのシャフト角など、システムの現在位置である実際の位置、
εは、位置エラー  ＝  （命令位置）−  （実際の位置）
Iは、フィードバックアクチュエータ値（例えば、電気モータの電流）である。
ほとんどの従来システムにおいては、制御式は、以下のようにPID制御ループの形態で記述され得る。
I = Ki* ∫ε*dt + Kp*ε + Kd*dε/dt                                （１）
多くの変形、付加およびさらに精巧なアルゴリズムが存在するが、ほとんどが定義された同一の基本パラメータ（PID係数）を持つ。
Kiは、積分フィードバック係数、
Kpは、比例フィードバック係数、
Kdは、微分フィードバック係数である。
【０００５】
多くの場合、時々さらに多くの項を持ち、同じ方法で記述される数学的変換によってであるが、それらの式は、異なる形態で記述される。式を表すための共通の技術は、ラプラス変換の使用であり、そこではF(ｓ)は、図１に示されるように、物理システムの伝達関数を表す。
本発明の原理によれば、サーボ機構制御の改善された方法は、式（１）と同一形態のものを利用するが、その式のパラメータは、以下に説明するように特定の方法で調整される。
本発明についての改善された制御方法で利用されるアルゴリズムを説明するために、説明の以下の部分は、改善された制御方法に関する制御変数、それらの関係および効果の定義を与える。
１）Kｇは、制御ループの利得を変えるために使用される変数として定義される。この変数は、PID式（１）の利得に影響を与える。本発明の方法においては、この変数は、位置エラーと命令速度の復号関数である。命令速度０および位置エラー０では、Kg＝１、すなわちPID係数は、変更されない。動作中、命令速度および位置エラー値が増加する。その後、位置エラーを低減させるために、システムの応答を良くする大きな値に、Kgが変更される。
２）ｔ＿ＫｇＰａｒは、命令速度によってKgの変化速度を設定する係数として定義される。この係数は、所定のシステムに対して固定値が与えられ、Kgと位置エラー間の関係を定める。
３）ｎKdは、命令速度によってKgの変化速度を設定する係数として定義される。この係数は、所定のシステムに対して固定値が与えられ、Kgと命令速度間の関係を定める。
４）MinSpeedは、速度しきいパラメータとして定義される。この係数は、所定のシステムに対して固定値が与えられ、Kgと命令速度間の関係を定める。命令速度がかなり所定の固定値よりも下にあるとき、Kgは、命令速度とは独立している。命令速度がその値を超えると、Kgは、命令とともに漸次増加する。
５）MaxKgは、Kgの上限として定義される。命令速度および位置エラーに関するKgの変化は、その最大値に制限される。
６）KgFilterは、Kgが減少しているとき、Kgをフィルタするパラメータとして定義される。フィードバック応答の不連続性を避けるために、Kg値が減少しているときに低域通過時間フィルタがKgに適用される。Kgが増加しているときには、フィルタは、適用されない。
【０００６】
上述の定義に関して、本発明の制御方法によれば、サーボ機構制御システムに適用されるフィードバック量（ここでは、積分フィードバック）を表している次式が与えられる。
I = Integral + Kp.Kg^2.ε + Kd.Kg.dε/dt                      （２）
ここで、積分は、以下のように定められる。
Integral(t+dt)= Integral(t)+ dt.Kii.Kg.Kg.Kgε
+dt.Kip.Kg.Kg.dε/dt                  （３）
KiiおよびKipは、次のように定められる。（ここで、｜ε｜は、εの絶対値を表す。）
|ε|>0かつd|ε|/dt>0の場合には、そのとき[Kii=Kis,Kip=Kiv]であり、そうでない場合には、[Kii=Ki,Kip=0]である。
Kgは、次式によって計算される。
Kgの初期値、Kg  ＝  １                                            （４）
TKg = f(|ε|,|Vc|)                                                （５）
ここで、ｆは、有限最大値および１の正の最小値を持ち、位置エラー｜ε｜および命令速度｜Vc｜の両方の成長関数である。これらの規則と一致する多くの数学的関数または値のテーブルは、ｆに対して、および以下の関数が選択された好適な実施例に対して選択される。
Tkg1={ｎKd*abs|Vc|＋MinSpeed}/{|Vc|+MinSpeed}+t_KgPar*|ε|        （６）
Tkg>MaxKgの場合には、そのときは、TKg=Maxkg                        （７）
Tkg>Kgの場合には、そのときは、Kg=Tkg                              （８）
そうでない場合には、Kg(t+dt) = Kg(t) + KgFilter*dt* (TKg-Kg(t))    （９）
【０００７】
本発明の制御方法によれば、上述の制御式（１）−（９）は、以下の機能を与える。
（１）Kgの機能
フィードバックパラメータは、Kgによって増大される。平衡点では、すなわち、位置エラーが小さく、速度が遅いときは、一般に滑らかな動作が要求される。そのような場合には、制御システムにおける振動を避けるように、フィードバック利得を制限することが望ましい。低速度でフィードバック利得を制限する別の理由は、摩擦、フィードバック装置のデジタル特性、歯車のバックラッシュおよび他の物理的な制限により、大抵のサーボ制御システムが定常状態において非線形動作を行うということである。多くの場合、これらの物理的制限は、定常状態における制御システムの最大フィードバック利得を制限する。しかし、動作中は、一層大きなフィードバック利得が許容される。
本発明の方法の原理によれば、Kgが動作中の利得を変更できるようにさせ、Kg式（上述の式（４）−（９））の命令速度と位置エラー変数の特定の組み合わせは、制御システムに発振を導くことなく、利得を変更する実際的な方法を提供する。
また、Kgの値は、各フィードバックパラメータに対して異なる数学的指数に上げられ、これはMaxKgより小さいすべてのKg値に対して制御ループ安定性を維持する。
（２）従来のシステムにおいては、積分フィードバックは、位置エラー積分に比例している。積分フィードバック利得が増大される場合には、オーバシュートの問題が現れ、システムの不安定性が出てくる。本発明の有効範囲では、位置エラーが減少しているとき、積分は、その位置エラーを引き起こした摂動を補償するに十分な値に達したことが観察された。しかし、従来のシステムでは、積分項が成長し続け、位置エラーが最後に０に戻ると、積分項が大きすぎる値を持ち、オーバシュートの発生源になる。このことは、積分フィードバック利得に制限が設けられる主な理由である。
本発明によれば、位置エラーが成長しているときに、積分フィードバック項は、大きく成長するが、位置エラーが減少しているときには、ゆっくりと成長する（またはKi=0のとき停止する。）。このことは、オーバシュートの原因を除去する。その結果、積分フィードバック利得は、１０倍以上の一層大きな値を持つことができる。
同様に、本発明は、この方法を位置エラー導関数（Kiv）の積分に適用する。位置エラー導関数の積分は、位置エラーに関係しているので、Kivは、発振を起こすことなく、いわゆる比例フィードバック利得Ｋpを増大させる。
【０００８】
図２ａ−図２ｂを参照する。そこには、例えば、電気モータをシステムアクチュエータとして使用して位置制御を与える応用において、本発明の方法に係る図１のシステムを制御する方法のフローチャートが表されている。好適な実施例においては、その方法は、ソフトウエアプログラミング技術に従って、代表的にはNECＶ８５３マイクロプロセッサチップまたは他のもので作られ、制御ハードウエア・コンピュータ・システムにかけられるソフトウエア制御ルーチンに包含される。
図２ａ−図２ｂに記載された制御ルーチンは、制御ハードウエアで実行され、ブロック２５において、定間隔でそのルーチンを呼び出すために、代表的には割込み、すなわち遅延によって制御ルーチンが繰返し呼び出される。ブロック２８において、制御ルーチンの現在の呼と最後の呼との間の時間間隔が計算される。代表的には、定間隔が用いられる場合には、変数ｄｔが一定値に設定される。
ブロック３０において、速度を計算するために、位置の前回値がメモリに記憶される。ブロック３２において、現在の命令位置およびシステム位置が測定され、それらの差が計算され、結果として位置エラーεが得られる。これらの命令位置およびシステム位置の値は、デジタルエンコーダなどの特定の用途に設けられるインタフェース装置を介して読み取られる。
ブロック３４において、式（５）および式（６）を用いて、利得係数Kgの目標値が計算される。この式は、位置エラーおよび命令速度とともに利得を漸次増大させる。ブロック３６において、利得の目標値が検査され、利得の目標値が現在のものよりも低い場合には、ブロック３８においてKgにフィルタがかけられる。これにより、摂動後のある時間より大きな利得が残され、利得がその初期値に下げられる前に安定化させるためのより多くの時間がシステムに与えられる。
利得目標値のブロック３６の検査が現在値よりも高い値を示す場合には、ブロック４０において検出された摂動に素早くかつ強力に応答するために、利得は、即座に高い値にジャンプする。ブロック４２において、図示の式に従って比例微分フィードバックが計算される。比例フィードバックには、利得Kgが２乗され、微分フィードバックには、利得Kgが掛算される。
ブロック４４において、位置エラーが増加しているか減少しているかを判定するために、位置エラーが検査され、制御ルーチンが積分フィードバックパラメータの値を選択する。位置エラーが増加している場合には、ブロック４６において、フィードバック利得が増大され、積分フィードバック（式（２））の高い値が選ばれる。
しかし、位置エラーが減少している場合には、これは積分フィードバックがそのシステムを命令位置方向に向ける値に最終的に達することを意味する。積分フィードバックが成長し続けようとした場合には、システムが最終的に命令位置に達すると、積分フィードバックの値が大きくなり過ぎ、オーバシュートが生成されることになる。従って、ブロック４８において、Kiiに対しては小さな値が選択され、Kipには０値が選択される。
ブロック５０において、積分フィードバックが式（２）に関して計算され、このステップにおいて、KiiにKgが３乗され、KipにはKgが２乗される。
ブロック５２において、総計算フィードバックがシステムに出力される。ブロック５４において、制御ルーチンの終了に達し、そのルーチンは、次の時間間隔ｄｔでシステムソフトウエアによって再度、呼び出される。
代替実施例においては、通常の設計技術に従って、アナログ信号プロセッサに閉ループフィードバックシステムが実装され得る。
【０００９】
本発明の方法を特定のステップに関して説明したが、当業者に他の変形例を示唆しており、この説明に制限されるものではないことを理解される。また、請求の範囲に入るような変形例をカバーするものである。
【図面の簡単な説明】
本発明の実施例に関連して、本発明を良く理解するため、添付図面を参照する。図において、全体を通して同様の番号は対応する要素または部分を示す。これらの図において、
【図１】  図１は、簡単なサーボ機構制御システムの概略ブロック図である。
【図２ａ】  本発明の方法に従って図１のシステムを制御する方法のフローチャートを表している。
【図２ｂ】  本発明の方法に従って図１のシステムを制御する方法のフローチャートを表している。
【図１】
0004698026.tif 000002
【図２ａ】
0004698026.tif 000003
【図２ｂ】
0004698026.tif 000004