(57)【要約】  【課題】  速度制御手段（または位置制御手段）と制御対象とに含まれる遅れ要素による追従遅れを補償して、速度指令値（または位置指令値）の変化時にも追従遅れによる偏差を小さくでき、速応性を向上させた制御装置を提供する。  【解決手段】  速度指令値を補償して生成した内部速度指令値を出力する補償手段１１と、内部速度指令値および速度実際値に基づいて制御信号を出力する速度制御手段１２と、制御信号に基づいて動作し、速度実際値を出力する制御対象１３とを備える制御装置であって、補償手段１１は、速度制御手段１２および制御対象１３に含まれる遅れ要素による追従遅れを補償して速度指令値と速度実際値とを略一致させる制御装置とした。【選択図】  図１
2005128762.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
速度指令値を微分してゲイン定数を乗じた加速度相当の制御量を、速度指令値に加算して生成した内部速度指令値を出力する補償手段と、
内部速度指令値および速度実際値に基づいて制御信号を出力する速度制御手段と、
制御信号に基づいて動作し、速度実際値を出力する制御対象と、
を備える制御装置であって、
補償手段は、速度制御手段および制御対象に含まれる遅れ要素による追従遅れを補償して速度指令値と速度実際値とを略一致させることを特徴とする制御装置。
【請求項２】
請求項１に記載した制御装置において、
補償手段は、
速度指令値を微分してゲイン定数を乗じた制御量を出力する微分器と、
微分器から出力される制御量を速度指令値に加算して内部速度指令値を出力する加算器と、
を備えることを特徴とする制御装置。
【請求項３】
位置指令値を微分して速度相当指令値とし、この速度相当指令値を微分してゲイン定数を乗じて加速度相当指令値とし、この加速度相当指令値を積分した速度相当の制御量を、位置指令値に加算して生成した内部位置指令値を出力する補償手段と、
内部位置指令値および位置実際値に基づいて制御信号を出力する位置制御手段と、
制御信号に基づいて動作し、位置実際値を出力する制御対象と、
を備える制御装置であって、
補償手段は、位置制御手段および制御対象に含まれる遅れ要素による追従遅れを補償して内部位置指令値と位置実際値とを略一致させることを特徴とする制御装置。
【請求項４】
請求項３に記載した制御装置において、
補償手段は、
位置指令値を微分して速度相当指令値を出力するプレ微分器と、
プレ微分器から出力される速度相当指令値を微分してゲイン定数を乗じて加速度相当指令値を出力する微分器と、
微分器から出力される加速度相当指令値を積分して速度相当の制御量を出力するポスト積分器と、
ポスト積分器から出力される制御量を位置指令値に加算して内部位置指令値を出力する加算器と、
を備えることを特徴とする制御装置。
【請求項５】
位置指令値を微分して速度相当指令値とし、この速度相当指令値を微分してゲイン定数を乗じた加速度相当の第１制御量を速度相当指令値に加算して第２制御量とし、また、位置指令値から位置実際値を減じた位置偏差にゲイン定数を乗じて乗算偏差を生成し、これら乗算偏差と第２制御量とを加算して内部速度指令値を出力する補償手段と、
内部速度指令値および速度実際値に基づいて制御信号を出力する速度制御手段と、
制御信号に基づいて動作し、速度実際値および位置実際値を出力する制御対象と、
を備える制御装置であって、
補償手段は、速度制御手段および制御対象に含まれる遅れ要素による追従遅れを補償すして位置指令値と位置実際値とを略一致させ、かつ内部速度指令値と速度実際値とを略一致させることを特徴とする制御装置。
【請求項６】
請求項５に記載した制御装置において、
補償手段は、
位置指令値を微分して速度相当指令値を出力するプレ微分器と、
速度相当指令値を微分してゲイン定数を乗じた第１制御量を出力する微分器と、
微分器から出力される第１制御量を速度相当指令値に加算して速度相当の第２制御量を出力する第１加算器と、
位置指令値から位置実際値を減算して位置偏差を出力する減算器と、
位置偏差にゲイン定数を乗算して乗算偏差を出力する比例調節器と、
第１加算器から出力される第２制御量に、比例調節器から出力される乗算偏差を加算して内部速度指令値を出力する第２加算器と、
を備えることを特徴とする制御装置。
【請求項７】
請求項１〜請求項６の何れか一項に記載の制御装置において、
補償手段の微分器は、遅れ時間と略等しい時定数Ｔをゲイン定数として乗算することを特徴とする制御装置。
【請求項８】
請求項７に記載の制御装置において、
位置制御手段または速度制御手段の応答性に関わる定数に基づいて最適なゲイン定数を算出する算出手段を備え、微分器のゲイン定数を決定することを特徴とする制御装置。
【請求項９】
請求項７または請求項８に記載の制御装置において、
微分器のゲイン定数に対して０〜１．０の調整定数を乗算する乗算手段を備え、微分器のゲインを調整することを特徴とする制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、機械の位置制御や速度制御を行う制御装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来技術の制御装置について図を参照しつつ説明する。図８は従来技術の制御装置のブロック構成図である。この従来技術の制御装置１００は、補償手段１０１と、速度制御手段１０２と、制御対象１０３とを備えている。さらに補償手段１０１は、微分器１０１ａと、減算器１０１ｂと、比例調節器１０１ｃと、加算器１０１ｄとを備えている。
【０００３】
続いて各部について信号の流れと共に説明する。
補償手段１０１は、上位のコントローラ（図示せず）から出力される位置指令値と、制御対象１０３の図示しない位置検出器から出力される位置実際値と、が入力され、位置指令値、および、位置実際値に基づいて内部速度指令値を出力する。
速度制御手段１０２は、補償手段１０１から出力される内部速度指令値と、速度実際値と、を入力して制御対象を制御する制御信号を出力する。
制御対象１０３は、例えば、入力される制御信号に基づいて位置・速度を変更する工作機械などの装置であり、速度実際値を速度制御手段１０２へ出力し、また、位置実際値を補償手段１０１へ出力する。
【０００４】
補償手段１０１では、詳しくは以下のような処理が行われている。
微分器１０１ａは、入力される位置指令値を微分し、さらにゲイン定数Ｔを乗算して速度相当の制御量を出力する。
減算器１０１ｂは、位置指令値から位置実際値を減算して、位置偏差を算出する。
比例調節器１０１ｃは、この位置偏差にゲイン定数Ｋ１を乗じて乗算偏差を出力する。
加算器１０１ｄは、比例調節器１０１ｃから出力される乗算偏差と、微分器１０１ａから出力される制御量と、を加算して内部速度指令値を出力する。
【０００５】
このような従来技術の制御装置１００は、フィードバック制御とフィードフォワード制御とが併用されている。フィードフォワード制御では、位置指令値を微分器１０１ａにて微分して得た速度相当の制御量を、内部速度指令値に含めることで、位置実際値の帰還を待たずに内部速度指令を与えている。そのため位置指令値と位置実際値との位置偏差を小さくでき、比例調節器１０１ｃのゲインＫ１を上げる、すなわち追従性を向上させて制御応答を上げることを可能としている。
【０００６】
また、フィードバック制御は、制御対象１０３から出力される位置実際値を、補償手段１０１の減算器１０１ｂへ入力するフィードバック制御を行い、また、制御対象１０３から出力される速度実際値を速度制御手段１０２へ入力してフィードバック制御を行っている。
これら制御により、位置指令値に対して位置・速度を追従させている。
【０００７】
また、この制御装置１００と同様な制御装置の他の従来技術例として、例えば、特許文献１に開示されている位置制御装置などが知られている。
【０００８】
【特許文献１】特開平７−２９５６５２号公報（図１，図８）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
従来技術の制御装置では追従性について問題があった。この問題点について図を参照しつつ説明する。図９は追従性を説明するための特性図であり、上側が速度−時間線図であり、下側が位置−時間線図である。先に説明したように、補償手段１０１により入力される位置指令値に対して内部速度指令値は遅れが生じていない。
しかしながら、速度制御手段１０２と制御対象１０３に含まれる遅れ要素に起因する追従遅れまでは補償出来なかった。このため、内部速度指令値と速度実際値とを比較すると、図９の速度−時間線図で示すように、速度が変化する、すなわち加速または減速する場合には、追従遅れにより内部速度指令値に対して速度実際値が遅れて偏差を発生しており、結果として位置実際値も追従遅れが生じ、制御応答を上げることが出来ないという問題があった。
【００１０】
そこで、この発明は上記問題点を解決するためになされたものであり、その目的は、速度制御手段（または位置制御手段）と制御対象とに含まれる遅れ要素による追従遅れを補償して、速度指令値（または位置指令値）の変化時にも追従遅れによる偏差を小さくでき、速応性を向上させた制御装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
このような本発明の請求項１に係る制御装置は、
速度指令値を微分してゲイン定数を乗じた加速度相当の制御量を、速度指令値に加算して生成した内部速度指令値を出力する補償手段と、
内部速度指令値および速度実際値に基づいて制御信号を出力する速度制御手段と、
制御信号に基づいて動作し、速度実際値を出力する制御対象と、
を備える制御装置であって、
補償手段は、速度制御手段および制御対象に含まれる遅れ要素による追従遅れを補償して速度指令値と速度実際値とを略一致させることを特徴とする。
【００１２】
また、本発明の請求項２に係る制御装置は、
請求項１に記載した制御装置において、
補償手段は、
速度指令値を微分してゲイン定数を乗じた制御量を出力する微分器と、
微分器から出力される制御量を速度指令値に加算して内部速度指令値を出力する加算器と、
を備えることを特徴とする。
【００１３】
また、本発明の請求項３に係る制御装置は、
位置指令値を微分して速度相当指令値とし、この速度相当指令値を微分してゲイン定数を乗じて加速度相当指令値とし、この加速度相当指令値を積分した速度相当の制御量を、位置指令値に加算して生成した内部位置指令値を出力する補償手段と、
内部位置指令値および位置実際値に基づいて制御信号を出力する位置制御手段と、
制御信号に基づいて動作し、位置実際値を出力する制御対象と、
を備える制御装置であって、
補償手段は、位置制御手段および制御対象に含まれる遅れ要素による追従遅れを補償して内部位置指令値と位置実際値とを略一致させることを特徴とする。
【００１４】
また、本発明の請求項４に係る制御装置は、
請求項３に記載した制御装置において、
補償手段は、
位置指令値を微分して速度相当指令値を出力するプレ微分器と、
プレ微分器から出力される速度相当指令値を微分してゲイン定数を乗じて加速度相当指令値を出力する微分器と、
微分器から出力される加速度相当指令値を積分して速度相当の制御量を出力するポスト積分器と、
ポスト積分器から出力される制御量を位置指令値に加算して内部位置指令値を出力する加算器と、
を備えることを特徴とする。
【００１５】
また、本発明の請求項５に係る制御装置は、
位置指令値を微分して速度相当指令値とし、この速度相当指令値を微分してゲイン定数を乗じた加速度相当の第１制御量を速度相当指令値に加算して第２制御量とし、また、位置指令値から位置実際値を減じた位置偏差にゲイン定数を乗じて乗算偏差を生成し、これら乗算偏差と第２制御量とを加算して内部速度指令値を出力する補償手段と、
内部速度指令値および速度実際値に基づいて制御信号を出力する速度制御手段と、
制御信号に基づいて動作し、速度実際値および位置実際値を出力する制御対象と、
を備える制御装置であって、
補償手段は、速度制御手段および制御対象に含まれる遅れ要素による追従遅れを補償すして位置指令値と位置実際値とを略一致させ、かつ内部速度指令値と速度実際値とを略一致させることを特徴とする。
【００１６】
また、本発明の請求項６に係る制御装置は、
請求項５に記載した制御装置において、
補償手段は、
位置指令値を微分して速度相当指令値を出力するプレ微分器と、
速度相当指令値を微分してゲイン定数を乗じた第１制御量を出力する微分器と、
微分器から出力される第１制御量を速度相当指令値に加算して速度相当の第２制御量を出力する第１加算器と、
位置指令値から位置実際値を減算して位置偏差を出力する減算器と、
位置偏差にゲイン定数を乗算して乗算偏差を出力する比例調節器と、
第１加算器から出力される第２制御量に、比例調節器から出力される乗算偏差を加算して内部速度指令値を出力する第２加算器と、
を備えることを特徴とする。
【００１７】
また、本発明の請求項７に係る制御装置は、
請求項１〜請求項６の何れか一項に記載の制御装置において、
補償手段の微分器は、遅れ時間と略等しい時定数Ｔをゲイン定数として乗算することを特徴とする。
【００１８】
また、本発明の請求項８に係る制御装置は、
請求項７に記載の制御装置において、
位置制御手段または速度制御手段の応答性に関わる定数に基づいて最適なゲイン定数を算出する算出手段を備え、微分器のゲイン定数を決定することを特徴とする。
【００１９】
また、本発明の請求項９に係る制御装置は、
請求項７または請求項８に記載の制御装置において、
微分器のゲイン定数に対して０〜１．０の調整定数を乗算する乗算手段を備え、微分器のゲインを調整することを特徴とする。
【発明の効果】
【００２０】
以上のような本発明によれば、速度制御手段（または位置制御手段）と制御対象とに含まれる遅れ要素による追従遅れを補償して、速度指令値（または位置指令値）の変化時にも追従遅れによる偏差を小さくでき、速応性を向上させた制御装置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】
【００２１】
以下、本発明の制御装置について図を参照しつつ説明する。図１は本形態の制御装置のブロック構成図、図２は速度の関係を説明する特性図である。制御装置１０は、補償手段１１と、速度制御手段１２と、制御対象１３とを備えている。
【００２２】
続いて、制御装置１０の各部について信号の流れと共に説明する。
補償手段１１は、速度指令値を微分してゲイン定数を乗じた制御量を、速度指令値に加算して生成した内部速度指令値を出力する。
速度制御手段１２は、補償手段１１から出力された内部速度指令値と、制御対象１１から出力された速度実際値と、を入力して制御対象１３を制御する制御信号を出力する。
制御対象１３は、速度制御手段１２から出力される制御信号に基づいて位置・速度を変更する工作機械などの装置であり、速度実際値を速度制御手段１２へ出力する。
【００２３】
続いて補償手段１１について説明する。補償手段１１は、さらに微分器１１ａと、加算器１１ｂとを備えている。
補償手段１１には、上位のコントローラ（図示せず）から出力される速度指令値が入力される。微分器１１ａは、速度指令値を微分し、さらにゲイン定数Ｔを乗じて生成した制御量を出力する。
加算器１１ｂは、入力された速度指令値と、微分器１１ａから出力される制御量と、を加算して内部速度指令値として出力する。
【００２４】
加算器１１ｂから出力される内部速度指令値は、図２で示すように、加速中（つまり図２の速度−時間線図の実線の特性であって、左側で右上がりの傾斜部）では速度を増加させた内部速度指令値として、速度制御手段１２と制御対象１３とに含まれる遅れ要素による追従遅れを補償している。同様に減速中（つまり図２の速度−時間線図の実線の特性であって、右側で右下がりの傾斜部）では速度を減少させた内部速度指令値として、速度制御手段１２と制御対象１３とに含まれる遅れ要素による追従遅れを補償している。これにより、図２の特性図の点線で示すように、速度変化時にも速度指令値と速度実際値との偏差を零、もしくは、小さく出来るので、速度制御手段１２の追従性を向上させ、制御応答を上げることができる。また、位置実際値も追従遅れを生じさせることなく位置決めをすることができる。また、微分器１１ａのゲイン定数Ｔを速度制御手段１２・制御対象１３の遅れ時間分とすることで追従遅れを完全に補償することが出来る。
【００２５】
続いて本発明の他の制御装置について図を参照しつつ説明する。図３は本形態の他の制御装置のブロック構成図、図４は位置の関係を説明する特性図である。制御装置２０は、補償手段２１と、速度制御手段２２と、制御対象２３とを備えている。
【００２６】
続いて、制御装置２０の各部について信号の流れと共に説明する。
補償手段２１は、位置指令値を微分して速度相当指令値とし、この速度相当指令値を微分してゲイン定数Ｔを乗じて加速度相当指令値とし、この加速度相当指令値を積分して制御量を生成し、この制御量を位置指令値に加算して生成した内部位置指令値を出力する。
位置制御手段２２は、補償手段２１から出力された内部位置指令値と、制御対象２３から出力された位置実際値と、を入力して制御対象を制御する制御信号を出力する。
制御対象２３は、例えば、入力される制御信号に基づいて位置・速度を変更する工作機械などの装置であり、位置実際値を位置制御手段２２へ出力する。
【００２７】
上記の補償手段２１は、さらに詳しくは、プレ微分器２１ａと、微分器２１ｂと、ポスト積分器２１ｃと、加算器２１ｄとを備えている。補償手段２１へは上位のコントローラ（図示せず）から出力される位置指令値が入力される。
プレ微分器２１ａは、位置指令値を微分して速度相当指令値を出力する。
微分器２１ｂは、プレ微分器２１ａから出力される速度相当指令値を微分して加速度相当指令値を出力する。
【００２８】
ポスト積分器２１ｃは、微分器２１ｂから出力される加速度相当指令値を積分して速度相当の制御量を出力する。
加算器２１ｄは、入力される位置指令値と、ポスト積分器２１ｃから出力される制御量と、を加算して内部位置指令値を出力する。
【００２９】
加算器２１ｄから出力される内部位置指令値は、図４で示すように、加速中（つまり図４の位置−時間線図の実線の特性であって、左側の実線の曲線部）では移動量を増加させた内部位置指令値として、位置制御手段２２と制御対象２３とに含まれる遅れ要素による追従遅れを補償している。同様に減速中（つまり図４の位置−時間線図の実線の特性であって、右側の実線の曲線部）では移動量を減少させた内部位置指令値として、位置制御手段２２と制御対象２３とに含まれる遅れ要素による追従遅れを補償している。
これにより、位置変化時にも位置指令値と位置実際値との偏差を小さく出来るので、位置制御手段２２の追従性を向上させて制御応答を上げることができる。また、微分器２１ｂのゲイン定数Ｔを位置制御手段２２・制御対象２３の遅れ時間分とすることで追従遅れを完全に補償することが出来る。
【００３０】
続いて本発明の他の制御装置について図を参照しつつ説明する。図５は本形態の他の制御装置のブロック構成図、図６は速度・位置の関係を説明する特性図である。
制御装置３０は、補償手段３１と、速度制御手段３２と、制御対象３３と、を備えている。
【００３１】
続いて、制御装置３０の各部について信号の流れと共に説明する。
補償手段３１は、位置指令値を微分して速度相当指令値とし、この速度相当指令値を微分してゲイン定数を乗じた加速度相当の第１制御量を速度相当指令値に加算して第２制御量とし、また、位置指令値から位置実際値を減じた位置偏差にゲイン定数を乗じて乗算偏差を生成し、これら乗算偏差と第２制御量とを加算して内部速度指令値を出力する。
速度制御手段３２は、補償手段３１から出力される内部速度指令値と、制御対象３３から出力される速度実際値とを入力し、内部速度指令値に速度実際値を追従させるように制御対象３３を制御する制御信号を出力する。
制御対象３３は、例えば、入力される制御信号に基づいて位置・速度を変更する工作機械などの装置であり、速度実際値を速度制御手段３２へ出力し、また、位置実際値を補償手段３１へ出力する。
【００３２】
続いて補償手段３１について説明する。補償手段３１は、さらにプレ微分器３１ａと、微分器３１ｂと、第１加算器３１ｃと、減算器３１ｄと、比例調整器３１ｅと、第２加算器３１ｆとを備えている。
プレ微分器３１ａは、上位のコントローラ（図示せず）から出力される位置指令値を微分して速度相当指令値を出力する。
微分器３１ｂは、プレ微分器３１ａから出力される速度相当指令値を微分して加速度相当の第１制御量を出力する。
【００３３】
第１加算器３１ｃは、プレ微分器３１ａから出力される速度相当指令値と、微分器３１ｂから出力される第１制御量と、を加算して速度相当の第２制御量を出力する。
減算器３１ｄは、上位のコントローラ（図示せず）から出力される位置指令値から、制御対象３３から出力される位置実際値を、減算して位置偏差を出力する。
比例調節器３１ｅは、位置偏差にゲイン定数Ｋ１を乗算して乗算偏差を出力する。
第２加算器３１ｆは、比例調節器３１ｅから出力される乗算偏差と、第１加算器３１ｃから出力される第２制御量と、を加算して内部速度指令値を出力する。
【００３４】
第２加算器３１ｆから出力される内部速度指令値は、図６の速度−時間線図で示すように、加速中（つまり図６の速度−時間線図の実線の特性であって、左側の右上がりの傾斜部）では第２制御量を含むような内部速度指令値として増速して、速度制御手段３２と制御対象３３とに含まれる遅れ要素による追従遅れを補償している。同様に減速中（つまり図６の速度−時間線図の実線の特性であって、右側の右下がりの傾斜部）では第２制御量を含むような内部速度指令値として減速して、速度制御手段３２と制御対象３３とに含まれる遅れ要素による追従遅れを補償している。
これにより、速度制御手段３２の追従性を向上させて制御応答を上げることができる。
また、微分器３１ｂのゲイン定数Ｔを速度制御手段３２の遅れ時間分とすることで追従遅れを完全に補償することが出来る。また、図６の位置−時間線図で示すように、位置変化時にも位置指令値と位置実際値との位置偏差を小さく出来るので、ゲイン定数Ｋ１を大きくすることも可能となる。
【００３５】
以上、本形態の制御装置１０，２０，３０について説明した。これら制御装置はさらに以下のような機能を備えるようにしてもよい。
この制御系の遅れ時間は、速度制御手段１２または位置制御手段２２の制御応答の設定値などから計算することが可能であり、速度制御手段１２または位置制御手段２２の応答性に関わる定数に基づいて最適なゲイン自動計算により算出する算出手段を備え、補償手段１１，２１，３１の微分器１１ａ，２１ｂ，３１ｂのゲイン定数を決定することで調整を簡単化でき、リアルタイムオートチューニングなどの時々刻々と応答設定が変化するような場合にも自動的に応答出来る。
【００３６】
また更に、補償手段１１，２１，３１の微分器１１ａ，２１ｂ，３１ｂのゲイン定数Ｔ０〜１．０の調整定数を乗算する乗算手段を備え、遅れ時間による値の０〜１００％で微分器１１ａ，２１ｂ，３１ｂのゲイン任意に設定可能とすることにより制御対象に適した補償とすることが出来る。このような調整は、例えば速度制御では、図７で示すように調整される。完全補償すると、制御対象の機械によってはショックが生じる場合があるが、ゲイン定数Ｔを調節可能とすることで適切な補償とすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】本発明を実施するための最良の形態の制御装置のブロック構成図である。
【図２】速度の関係を説明する特性図である。
【図３】本発明を実施するための最良の形態の他の制御装置のブロック構成図である。
【図４】位置の関係を説明する特性図である。
【図５】本発明を実施するための最良の形態の他の制御装置のブロック構成図である。
【図６】速度・位置の関係を説明する特性図である。
【図７】ゲイン定数調整時の速度−時間特性図である。
【図８】従来技術の制御装置のブロック構成図である。
【図９】追従性を説明するための特性図である。
【符号の説明】
【００３８】
１０：制御装置
１１：補償手段
１１ａ：微分器
１１ｂ：加算器
１２：速度制御手段
１３：制御対象
２０：制御装置
２１：補償手段
２１ａ：プレ微分器
２１ｂ：微分器
２１ｃ：ポスト積分器
２１ｄ：加算器
２２：位置制御手段
２３：制御対象
３０：制御装置
３１：補償手段
３１ａ：プレ微分器
３１ｂ：微分器
３１ｃ：第１加算器
３１ｄ：減算器
３１ｅ：比例調整器
３１ｆ：第２加算器
３２：速度制御手段
３３：制御対象
【図１】
2005128762.tif 000003
【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】
2005128762.tif 000009
【図８】
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【図９】
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