(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
負荷機械と、動力を伝達する伝達機構と、前記伝達機構を介して前記負荷機械を駆動する電動機と、実トルク信号に基づいて前記電動機に電気信号を提供する動力変換装置と、前記負荷機械、伝達機構、電動機、動力変換装置により構成される機械システムの状態量の少なくとも一部を観測し実応答信号を提供する実観測器と、実指令信号を提供する指令発生器と、前記実指令信号と前記実応答信号とに基づいて前記動力変換装置に実トルク信号を提供する実制御器とからなる機械システムの同定装置において、
前記実トルク信号に基づいて実応答保存器にトルク信号を一定のサンプル間隔毎に離散化して提供する第1前処理器と、
前記実応答信号に基づいて実応答保存器に位置応答信号と速度応答信号とを一定のサンプル間隔毎に離散化して提供する第２前処理器と、
一定のサンプル間隔毎に離散化された前記トルク信号と前記位置応答信号と速度応答信号をデータ行列として保存する実応答保存器と、
少なくとも１回の積分演算より構成され、前記実応答保存器からトルク信号を読み込み、模擬パラメータに基づいて、模擬位置応答信号と模擬速度応答信号とを提供する模擬回路と、
前記実応答保存器から読み込まれた位置応答信号及び速度応答信号と前記模擬位置応答信号と模擬速度応答信号とに基づいて評価値を提供する評価関数器と、
遺伝アルゴリズムに基づいて前記評価値を最適化するように前記模擬回路の模擬パラメータを調整し最適模擬パラメータを提供するトータル調整装置とを備えたことを特徴とする機械システムの同定装置。
【請求項２】
前記模擬回路が少なくとも２回の積分演算より構成され、前記トルク信号と模擬ねじりトルク信号とに基づいて第1模擬位置信号と第1模擬速度信号とを提供する第1慣性系模擬回路と、
第1模擬位置信号と第２模擬位置信号とに基づいて模擬ねじりトルク信号を提供する第1ばね系模擬回路と、
前記模擬ねじりトルク信号に基づいて第２模擬位置信号と第２模擬速度信号とを提供する第2慣性系模擬回路と、
前記第1慣性系模擬回路と第2慣性系模擬回路との状態量の一部を観測し、模擬位置応答信号と模擬速度応答信号を前記評価関数器へ提供する模擬観測器とから構成された２慣性系模擬回路とを備えたことを特徴とする請求項１記載の機械システムの同定装置。
【請求項３】
前記第１前処理器が、第1カット周波数を持つ第1フィルタから構成され、
前記第２前処理器が、第1カット周波数を持ち位置応答信号を提供する第２フィルタと、第1カット周波数を持ち、速度応答信号を提供する第2擬似微分器とを備えたことを特徴とする請求項１または２記載の機械システムの同定装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば、工作機械におけるテーブルやロボットのアームのような負荷機械を駆動する電動機（直流電動機、誘導電動機、同期電動機、リニアモータなど）の制御調整装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来例の構成を、図９を参照しながら説明する。図９は、例えば、特開平9-131087で公開された従来の電動機の制御装置を示すブロック図である。図９において、４０はサーボシステム、４１はコントローラ、４２は近似モデル、４３はモデル同定部、４４は制御ゲイン調整部、４５は切り換え手段、４６は規範モデル、４７は評価値演算部である。
次に、上述した従来例の動作について説明する。
図９に示すように、従来例の近似モデル４２を作成するためのモデル同定部４３と遺伝アルゴリズムの手法を用いて制御ゲインの自動調整を行う制御調整装置４４を有する。モデル同定部４３に関しては、調整を行うに妥当なモデルを近似モデル４２に予め設定しており、未知の定数のみを最小二乗法等により同定する。制御ゲイン調整装置４４については、遺伝アルゴリズム（Genetic Algorithm以下、ＧＡと略す）を利用して、制御ゲインの最適化を行う。また、調整後は制御対象側へ切り換え、通常運転に入る。前記の調整装置および調整方法により、局所解に陥ることなく、しかも高速にサーボ系の制御ゲインを最適に調整できる。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の制御装置では、制御ゲインの最適化を行う時にもかかわらず、実コントローラ４１を利用するので、応用上には不便が生じる場合がある。また、同定用指令は実指令と同一であるので、指令の変更などが困難であり、よって調整時間が長くかかるなどの問題があった。なお、従来の遺伝的アルゴリズム（以下、GAと略す）を用いて最適化するとき、乱数指針の変化により評価関数値の収束状況が大きく左右されている。すなわち、最適化判断条件に達する調整時間にばらつきが激しいという問題があった。
本発明が解決すべき課題は、制御ゲインを自動的にかつより高速にかつ最適に調整することにある。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
上記問題を解決するため、本発明の請求項１における機械システムの同定装置は、以下に述べるような手段を備えるものである。
１）負荷機械、伝達機構、電動機、動力変換装置により構成される機械システムの状態量の少なくとも一部を観測し、実応答信号を提供する実観測器。
２）実指令信号を提供する指令発生器。
３）実指令信号と実応答信号とに基づいて前記電動機に実トルク信号を提供する実制御器。
４）実トルク信号に基づいて、実応答保存器にトルク信号を提供する第1前処理器。
５）実応答信号に基づいて、実応答保存器に位置応答信号及び速度応答信号を提供する第２前処理器。
６）実応答保存器。
７）少なくとも１回の積分演算より構成され、実応答保存器からトルク信号を読み込み、模擬パラメータに基づいて、模擬位置応答信号と模擬速度応答信号とを提供する模擬回路。
８）実応答保存器から読み込まれた位置応答信号及び速度応答信号と模擬位置応答信号と模擬速度応答信号とに基づいて、評価値を提供する評価関数器。
９）遺伝アルゴリズムに基づいて、前記評価値を最適化するように、前記模擬回路の模擬パラメータを調整し、最適模擬パラメータを提供するトータル調整装置。
本発明の請求項２における機械システムの同定装置は、更に、以下に述べるような手段を備えるものである。
１）少なくとも２回の積分演算より構成され、トルク信号と模擬ねじりトルク信号とに基づいて第1模擬位置信号と第1模擬速度信号とを提供する第1慣性系模擬回路。
２）第1模擬位置信号と第２模擬位置信号とに基づいて模擬ねじりトルク信号を提供する第1ばね系模擬回路。
３）模擬ねじりトルク信号に基づいて第２模擬位置信号と第２模擬速度信号とを提供する第2慣性系模擬回路。
４）第1慣性系模擬回路と第2慣性系模擬回路との状態量の一部を観測し、模擬位置応答信号と模擬速度応答信号を提供する模擬観測器。
本発明の請求項３における機械システムの同定装置は、更に、以下に述べるような手段を備えるものである。
１）第１前処理器が、第1カット周波数を持つ第1フィルタから構成される。
２）第２前処理器が、第1カット周波数を持ち、位置応答信号を提供する第２フィルタと、第1カット周波数を持ち、速度応答信号を提供する第2擬似微分器。
【０００５】
【発明の実施の形態】
［実施例１］
以下、本発明の実施例を図に基づいて詳細に説明する。
まず、本発明の第１実施例を、図１、図２に基づいて説明する。
図１は、第１実施例の全体構成を示すブロック図である。図１において、負荷機械１と伝達機構２と電動機３と動力変換装置４とから構成された機械システム５と、
実観測器６と、指令発生器７と、実制御器８と、第1前処理器９と、第２前処理器１０と、実応答保存器１１と、模擬回路１２と、評価関数器１３と、トータル調整装置１４とから構成されている。システム５と実観測器６と指令発生器７と実制御器８とは従来装置のものと同一である。
第1前処理器９は、連続または離散信号τM(t)を一定のサンプル間隔T毎に離散信号τM(k)に変換し、τM(k)をデータ行列として実応答保存器１１に保存するものである。
第２前処理器１０は、まず、連続または離散的な応答信号θM(t)をサンプル間隔T毎に離散信号θM(k)に変換する。次に、（１）式を計算し、
【０００６】
【数１】
0004415424.tif 000002
【０００７】
その値をωM(k)とする。最後に、θM(k)とωM(k)とを２つのデータ行列として実応答保存器１１に保存するものである。
実応答保存器１１は、P組の、τm(k)、θm(k)、ωm(k)データを保存できる保存器（例えば、メモリ）である。
図2は、模擬回路１２の構成を示すブロック図である。図2に示すように、模擬回路１２は、係数器２１と、積分器２２，２３とから構成されている。模擬回路１２において、与えられたＪmiを用いて、実応答保存器１１に保存されたτM(k)のデータに対して、1つずつ、図に示す所定の計算を行い、θM＾(k)、ωM＾(k)を計算し、評価関数器１３に提供する。
評価関数器１３は、模擬回路１２からθM＾(k)、ωM＾(k)を、実応答保存器１１からθM (k)、ωM (k)を読み込み、式（２）所定の計算を行う。計算された評価関数値Ｊiをトータル調整装置１４に提供する。
【０００８】
【数２】
0004415424.tif 000003
【０００９】
トータル調整装置１４は、評価関数値Ｊiに対して、特開平9-131087で公開されたGA調整方法で、Ｊiを最小化するものである。そのGA調整方法の最適化判定条件が満足されたときＪmiは、同定された最適模擬パラメータである。最適化判定条件は、世代数が２０００に達することである。
［実施例２］
次に、本発明の第２実施例を、図１、図３に基づいて説明する。
図３は、第２の実施例の全体構成を示すブロック図である。図３において、本発明の実施例は、
負荷機械１と伝達機構２と電動機３と動力変換装置４とから構成されたシステム５と、
実観測器６と、指令発生器７と、実制御器８と、第1前処理器９と、第２前処理器１０と、実応答保存器１１と、模擬回路１２と、評価関数器１３と、トータル調整装置１４とから構成されている。システム５と観測器６と指令発生器７と実制御器８と第1前処理器９と第２前処理器１０と実応答保存器１１と評価関数器１３とは実施例１の装置のものと同一である。第１の実施例と異なるのは、模擬回路３０の構成である。
図４は、模擬回路３０の構成を示すブロック図である。図４に示すように、模擬回路３０は、係数器３０ｂ、３０ｆ、３０ｇと、積分器３０ｃ，３０ｄ，３０ｈ，３０ｉと、比較器３０ａ，３０ｅと、模擬観測器３０ｊから構成されている。模擬回路３０において、与えられたパラメータＰiを用いて、係数器３０ｂ、３０ｆ、３０ｇの係数Ｊmi、ＪLi、Ｋciを更新し、実応答保存器１１に保存されたτM(k)のデータに対して、1つずつ、図４に示す所定の計算を行い、θM＾(k)、ωM＾(k)を計算し、評価関数器１３に提供する。
トータル調整装置３１は、評価関数値Ｊiに対して、特開平9-131087で公開されたGA調整方法で、Ｊiを最小化するものである。そのGA調整方法の最適化判定条件が満足されたときＰi（Ｊmi、ＪLi、Ｋciを含む）は、同定された最適模擬パラメータ行列である。最適化判定条件は、世代数が２０００に達することである。
［実施例３］
次に、本発明の請求項３に関する実施例を、図５、６を参照しながら説明する。
本発明の実施例の全体は、図１または図２のように構成される。ただし、第1前処理器９と、第２前処理器１０とは、それぞれ、図５、６のように構成されるものである。
図５は、第1前処理器９を示すブロック図である。図５において、第1前処理器９は、第１カット周波数ｆを持つ一次フィルタ９ａ通じて、トルク信号τM(t)をデータ行列τM(k)に変換し、実応答保存器１１に提供する。
図６は、第２前処理器１０を示すブロック図である。図６において、第２前処理器１０は、第１カット周波数ｆを持つ一次フィルタ１０ａ、擬似微分器１０ｂ通じて、応答信号θM(t)をデータ行列θM(k)、ωM(k)に変換し、実応答保存器１１に提供する。
［実施例４］
次に、本発明の請求項４に関する実施例を、図７を参照しながら説明する。
本発明の実施例の全体は、図１または図２のように構成される。ただし、トータル調整装置１４は、図７のように構成されるものである。
図７は、トータル調整装置１４のフローチャートを示す。トータル調整装置１４は、第０工程〜第１０工程で構成されている。第０、２〜６、９、１０工程は従来の従来装置のものと同一である。また、最適化判定条件は、前記第１工程〜第９工程の繰り返す回数が２０００に達することである。
第１工程は、まず、親集団から、第ｉ親個を選択し、それが代表する模擬回路の模擬パラメータ行列を、模擬回路１２、または、３０に提供する。次に、評価関数器１３から評価値を読み込み、第ｉ個の評価値Ｊｉとする。その作業を繰り返し、親集団のすべての親の評価値を生成する。更に、次計算式で、各親の適応度を計算する。
【００１０】
【数３】
0004415424.tif 000004
【００１１】
ただし、は十分小さいな定数を表す。
第７工程は、親集団から、（３）式で計算された適応度が最も高い親を選択し、それをエリートとする。エリートを子集団の第１子にコピーする。
第８工程は、まず、エリートを子集団の第２子にコピーする。子集団の第２子の各bitに対して、第４工程で使われている第１突然変異確率と異なる第２突然変異確率で、逆転させる。
［実施例５］
上述第８工程は、ＧＡを利用した他の同定装置及び方法にも容易に利用できるものである。
［実施例６］
次に、本発明の請求項６に関する実施例を、図８を参照しながら説明する。
本発明の実施例の全体は、図１または図２のように構成される。ただし、トータル調整装置１４は、図８のように構成されるものである。
第１１工程は、上述第０工程の操作を行うと共に、移住確率をＮに、村数をMに設定する。
第１２工程は、上述第１１工程で設定されたS個の親を有する親集団SSを（４）式のように、M個の村MS1、MS2、…、MSMに分ける。ただし、Pijは、各親を表すデータ行列である。
【００１２】
【数４】
0004415424.tif 000005
【００１３】
第１３工程は、指定されたｉに基づいて、村MSiに対して、上述第１工程〜第９工程の操作を行う。
第１４工程は、ｉを１からMまで、指定し、前記第１３工程を繰り返す。その後、次工程に入る。
第１５工程は、M個の村MS1、MS2、…、MSMから、MSi、MSjを乱数的に選択し、村ペアにする。
第１６工程は、村ペアMSi、MSjから、それぞれの適応度が最も高い親Ｐik、Ｐjnを選択し、親ペアにする。次に、親ペアＰik、Ｐjnに対して、第１４工程を行い、移民子ペアＫ1、Ｋ2を生成する。
第１７工程は、移住確率Ｎで、移民子Ｋ1を村MSiの第３親に、移民子Ｋ2を村MSjの第３親にコピーする。
第１８工程は、最適化判断条件が満足されるまで、前記第１３工程〜第１７工程を繰り返す。最適化判断条件が満足されたとき、前記各村のエリートの適応度を比較し、最適な適応度を持つエリートを最適親として選択し、最適親が表すパラメータを最適模擬パラメータとして提供する。最適化判定条件は、前記第１３工程〜第１７工程の繰り返す回数が２０００に達することである。
なお、上述第１１、１２、１３〜１８工程は、ＧＡを利用した他の同定や最適化装置及び方法にも容易に利用できるものである。
なお、上述実制御器と第1前処理器と第２前処理器と実応答保存器と模擬回路と評価関数器とトータル調整装置とを複数のマイクロプロセッサで構成することが容易に実現できる。
【００１４】
【発明の効果】
本発明請求項１では、システムの一定時間区間の入出力信号を、複数回ではなく、１回だけ計測すれば、システムを模擬回路のパラメータとして同定することができる。すなわち、同定システムは、より利用しやすくなり、同一な同定精度に到達までの同定時間を減らすことも可能になる。本発明請求項２では、システムを２慣性系として近似し、２慣性系模擬回路のパラメータを同定することができる。本発明請求項３では、実トルク信号と実応答信号にのせられたノイズによる同定精度の劣化を避けることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施例を示すブロック図である。
【図２】本発明の第１実施例の模擬回路１２を示すブロック図である。
【図３】本発明の第２実施例を示すブロック図である。
【図４】本発明の第２実施例の模擬回路３０を示すブロック図である。
【図５】本発明の第３実施例の第１前処理器９を示すブロック図である。
【図６】本発明の第３実施例の第２前処理器１０を示すブロック図である。
【図７】本発明の第４実施例のトータル調整装置１４を示すフローチャートである。
【図８】本発明の第６実施例のトータル調整装置１４を示すフローチャートである。
【図９】従来技術を示すブロック図である。
【符号の説明】
１  負荷機械
２  伝達機構
３  電動機
４  動力変換回路
５  機械システム
６  実観測器
７  指令発生器
８  実制御器
９  第１前処理器
９ａ  フィルタ
１０  第２前処理器
１０ａ  フィルタ
１０ｂ  擬似微分器
１１  実応答保存器
１２  模擬回路
１３  評価関数器
１４  トータル調整装置
２１  係数器
２２  積分器
２３  積分器
３０  模擬回路
３０ａ  減算器
３０ｂ  係数器
３０ｃ  積分器
３０ｄ  積分器
３０ｅ  減算器
３０ｆ  係数器
３０ｇ  係数器
３０ｈ  積分器
３０ｉ  積分器
３０ｊ  模擬観測器
３１  トータル調整装置
４０  サーボシステム
４１  コントローラ
４２  近似モデル
４３  モデル同定部
４４  制御ゲイン調整装置
４５  スイッチ
４６  規範応答モデル
４７  評価値演算部
【図１】
0004415424.tif 000006
【図２】
0004415424.tif 000007
【図３】
0004415424.tif 000008
【図４】
0004415424.tif 000009
【図５】
0004415424.tif 000010
【図６】
0004415424.tif 000011
【図７】
0004415424.tif 000012
【図８】
0004415424.tif 000013
【図９】
0004415424.tif 000014