(57)【要約】【課題】制御上の工夫によって、サーボ弁等の高価なアクチュエータを用いなくても、アクチュエータを精度よく動作させることができる制御方式を提供する。【解決手段】空間的及び時間的に連続した連続値制御信号ｕを出力する主制御部１１，１２と、アクチュエータ２との間に、切換部１４を介して選択的にフィードバック変調器２０を接続する。フィードバック変調器２０は、アクチュエータ２における、入力信号の受付け可能時間間隔、入力信号の取り得る離散値、及び、入出力特性に基づいた変換式によって、連続値制御信号ｕを空間的及び時間的に離散した離散値制御信号ｕＱに変換する。切換部１４は、連続値制御信号ｕの値が変調領域に入っているときにはアクチュエータ２へ離散値制御信号ｕＰが出力され、それ以外のときは連続値制御信号ｕが出力されるように、接続を切り換える。【選択図】図１
2009217417.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
空間的及び時間的に離散した離散値制御信号と空間的及び時間的に連続した連続値制御信号とのいずれも受付け可能なアクチュエータを制御する、制御方式であって、
前記アクチュエータを駆動するための前記連続値制御信号を出力する、主制御部と、
前記連続値制御信号が入力されると、前記アクチュエータにおける、入力信号の受付け可能時間間隔、前記入力信号の取り得る離散値、及び、入出力特性に基づいた変換式によって、前記連続値制御信号から前記離散値制御信号を生成して、前記離散値制御信号を前記アクチュエータへ出力する、フィードバック変調器と、
前記連続値制御信号の値が変調領域に入っているときには、前記主制御部と前記アクチュエータとの間に前記フィードバック変調器を接続し、前記主制御部から前記フィードバック変調器に前記連続値制御信号が入力されて前記フィードバック変調器から前記アクチュエータへ前記離散値制御信号が出力される離散値制御状態とする一方、前記連続値制御信号の値が前記変調領域に入っていないときには、前記主制御部と前記アクチュエータとを直接接続し、前記主制御部から前記アクチュエータへ前記連続値制御信号が出力される連続値制御状態とする、切換器と、
を備えたことを特徴とする、制御方式。
【請求項２】
前記アクチュエータに前記離散値制御信号又は前記連続値制御信号に加えて入力されるフィードフォワード制御信号を出力する、フィードフォワード制御部をさらに備え、
前記フィードフォワード制御信号は、目標値を微分した速度成分を含むことを特徴とする、請求項１に記載の制御方法。
【請求項３】
前記フィードフォワード制御信号は、摩擦補償のために入力を底上げする摩擦補償成分を含むことを特徴とする、請求項２に記載の制御方法。
【請求項４】
前記フィードフォワード制御部は、
前記アクチュエータの駆動方向が切り替わる前後の間の所定範囲について、前記フィードフォワード制御信号における前記摩擦補償成分による底上げを禁止する補償部を含むことを特徴とする、請求項３に記載の制御方法。
【請求項５】
前記フィードバック変調器は、
複数のアクチュエータへ前記離散値制御信号を出力するとき、少なくとも一つの前記アクチュエータについて前記連続値制御信号に対する前記離散値制御信号の量子化誤差のフィードバック量が基準値よりも大きいときには、前記量子化誤差のフィードバック量が最も大きい前記アクチュエータについて、前記離散値制御信号を更新する処理を、他の前記アクチュエータよりも優先して行うことを特徴とする、請求項１乃至４のいずれか一つに記載の制御方式。
【請求項６】
作動油が供給されて駆動する複数の前記アクチュエータについて、それぞれの前記アクチュエータへの入力信号に応じてそれぞれの前記アクチュエータに供給されるべき作動油の供給量の合計が上限値を超えるとき、それぞれの前記アクチュエータに供給されるべき作動油の供給量の合計が前記上限値を超えない範囲で、それぞれの前記アクチュエータの駆動量が同じ比率で小さくなるように、それぞれの前記アクチュエータへの前記入力信号を補正する入力信号補正手段をさらに備えたことを特徴とする、請求項１乃至５のいずれか一つに記載の制御方法。
【請求項７】
前記変換式は、
前記アクチュエータにおける入力信号の受付け可能な時間間隔以上のサンプリング周期で入力信号をサンプリングするとともにサンプリングした値を次のサンプリングタイミングまで保持するサンプルホールド部と、
前記サンプルホールド部の出力信号を該出力信号の出力値に応じた前記アクチュエータにおける入力信号の取り得る離散値のいずれかに変換する第１変換部と、
前記第１変換部の出力信号を該出力信号の出力値に応じて前記アクチュエータにおける入出力特性で変換する第２変換部と、
前記サンプルホールド部の入力信号から前記第２変換部の出力信号を減算する減算部と、
当該フィードバック変調器が発振しない条件で前記減算部の出力信号を濾波するローパスフィルタ部と、
前記連続値制御信号と前記ローパスフィルタ部の出力信号とを加算して前記サンプルホールド部の前記入力信号とする加算部と、
によって表現されることを特徴とする、請求項１乃至に６のいずれか一つに記載の制御方式。
【請求項８】
前記主制御部は、
前記アクチュエータの駆動目標量についての指令信号と前記アクチュエータの駆動量のフィードバック信号との偏差信号に基づいて前記連続値制御信号を決定することを特徴とする、請求項１乃至７のいずれか一つに記載の制御方式。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、アクチュエータの駆動を制御する制御方式に関し、油圧駆動システムや空気圧システムなどの制御方式として好適な、制御方式に関する。
【背景技術】
【０００２】
大規模な災害が発生した際のレスキュー活動において、人的被害を軽減するためには作業効率の向上が重要であり、そのための新しい技術が多数研究されている。その中で、瓦礫除去などの重作業を行うロボットとしては、テムザックのＴ−５２援竜のように、建機をベースとした操縦型ロボットが開発されている。
【０００３】
レスキュー現場での重作業には油圧駆動によるアクチュエータが適しているが、一般に油圧シリンダの駆動部分に大きな摩擦があると、指令した通りに滑らかに腕を動かすことができず動きにぶれが生じてしまう。また、手先の位置の微調整も難しく、レスキュー現場において円滑な作業ができない。
【０００４】
摩擦力の問題を解決する手段としてはＰＷＭ制御による方法や入力にディザー信号を加える方法が挙げられ、これを利用した制御の研究もなされている（例えば、非特許文献１参照）。
【０００５】
さらに２軸以上を同時に制御する場合に負荷が小さく動きやすい軸にのみ作動油が流れ、他の軸が動かないという問題もある。この問題に対して、従来は圧力補償弁を用いて対処している。
【０００６】
一般に油圧駆動システムにおけるアクチュエータには連続値の信号が入力されることが多いが、空間的及び時間的に離散した入力信号のみを受付け可能なアクチュエータの制御については、例えば特許文献１に、フィードバック変調器を用いる制御法が提案されている。
【特許文献１】特開２００７−２９９３４７号公報
【非特許文献１】加藤、西海、一柳、「ニューラルネットと微小振動重畳による不惑帯を有する油圧モータ角度制御の特性改善」、日本フルードパワーシステム学会論文集、２００４年、第３５巻、第５号、ｐ．８９−９６
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
非特許文献１は高価なサーボ弁の利用を対象としており、応答特性の劣る比例弁では十分な効果が得られない可能性がある。
【０００８】
特許文献１は、空間的及び時間的に離散した入力信号のみを受付け可能なアクチュエータの制御が開示されているにすぎない。特許文献１には、摩擦力の問題を解決する制御について、開示も示唆もされていない。
【０００９】
本発明は、かかる実情に鑑み、摩擦の大きな油圧駆動システムなどの制御システムにおいて、制御上の工夫によって、サーボ弁等の高価なアクチュエータを用いなくても、アクチュエータを精度よく動作させることができる制御方式を提供しようとするものである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明は、上記課題を解決するために、以下のように構成した、制御方式を提供する。
【００１１】
制御方式は、空間的及び時間的に離散した離散値制御信号と空間的及び時間的に連続した連続値制御信号とのいずれも受付け可能なアクチュエータを制御する、制御方式である。制御方式は、（ａ）前記アクチュエータを駆動するための前記連続値制御信号を出力する、主制御部と、（ｂ）前記連続値制御信号が入力されると、前記アクチュエータにおける、入力信号の受付け可能時間間隔、前記入力信号の取り得る離散値、及び、入出力特性に基づいた変換式によって、前記連続値制御信号から前記離散値制御信号を生成して、前記離散値制御信号を前記アクチュエータへ出力する、フィードバック変調器と、（ｃ）前記連続値制御信号の値が変調領域に入っているときには、前記主制御部と前記アクチュエータとの間に前記フィードバック変調器を接続し、前記主制御部から前記フィードバック変調器に前記連続値制御信号が入力されて前記フィードバック変調器から前記アクチュエータへ前記離散値制御信号が出力される離散値制御状態とする一方、前記連続値制御信号の値が前記変調領域に入っていないときには、前記主制御部と前記アクチュエータとを直接接続し、前記主制御部から前記アクチュエータへ前記連続値制御信号が出力される連続値制御状態とする、切換器とを備える。
【００１２】
上記構成によれば、同じ操作量を操作対象に入力しても摩擦等の外乱の影響によって制御量が変動するなど、連続値制御信号を用いてアクチュエータの駆動を制御したのでは十分な制御精度が得られない場合には、連続値制御信号が変調領域に入っているものとして扱い、離散値制御信号を用いてアクチュエータの駆動を制御することで、制御性能を向上することができる。例えば、値が小さい連続値制御信号ではアクチュエータの摩擦の影響のためステップ応答で定常偏差が残る場合に、瞬間的に値が大きい離散値制御信号を用いて摩擦力に打ち勝つようにアクチュエータを間欠的に駆動することで、制御精度を向上することができる。連続値制御信号を用いて十分な制御精度でアクチュエータを駆動できる場合には、連続値制御信号の値が変調領域に入っていないものとして扱い、不要な振動を引き起こすことがある離散値制御信号を用いずに、連続値制御信号を用いてアクチュエータを駆動する。
【００１３】
好ましくは、前記アクチュエータに前記離散値制御信号又は前記連続値制御信号に加えて入力されるフィードフォワード制御信号を出力する、フィードフォワード制御部をさらに備える。前記フィードフォワード制御信号は、目標値を微分した速度成分を含む。
【００１４】
この場合、アクチュエータに入力される駆動信号は、目標値を微分した速度のフィードフォワード制御信号によってアクチュエータの位相遅れを改善することができる。
【００１５】
より好ましくは、前記フィードフォワード制御信号は、摩擦補償のために入力を底上げする摩擦補償成分を含む。
【００１６】
この場合、速度のフィードフォワード制御に加えて摩擦補償のために入力を底上げすることで、摩擦の影響を低減することができる。
【００１７】
より好ましくは、前記フィードフォワード制御部は、前記アクチュエータの駆動方向が切り替わる前後の間の所定範囲について、前記フィードフォワード制御信号における前記摩擦補償成分による底上げを禁止する補償部を含む。
【００１８】
この場合、アクチュエータの駆動方向が切り替わる前後の間の所定範囲で摩擦補償を加えない不感帯を設けることで、アクチュエータの駆動方向が切り替わる際に、アクチュエータに入力される信号が急激に変化しないようにすることができ、オーバーシュートや振動などの不具合の発生を防ぐことができる。
【００１９】
好ましくは、前記フィードバック変調器は、複数のアクチュエータへ前記離散値制御信号を出力するとき、少なくとも一つの前記アクチュエータについて前記連続値制御信号に対する前記離散値制御信号の量子化誤差のフィードバック量が基準値よりも大きいときには、前記量子化誤差のフィードバック量が最も大きい前記アクチュエータについて、前記離散値制御信号を更新する処理を、他の前記アクチュエータよりも優先して行う。
【００２０】
個々の軸（アクチュエータ）への制御入力を単純に合計すると作動油の供給の上限を超えてしまうような場合に、量子化誤差のフィードバック量が大きい軸について、離散値制御信号を優先的に更新して駆動することで、当初与えられた空間目標軌道から大きく逸れないようにして、目標追従性を向上することができる。
【００２１】
好ましくは、作動油が供給されて駆動する複数の前記アクチュエータについて、それぞれの前記アクチュエータへの入力信号に応じてそれぞれの前記アクチュエータに供給されるべき作動油の供給量の合計が上限値を超えるとき、それぞれの前記アクチュエータに供給されるべき作動油の供給量の合計が前記上限値を超えない範囲で、それぞれの前記アクチュエータの駆動量が同じ比率で小さくなるように、それぞれの前記アクチュエータへの前記入力信号を補正する入力信号補正手段をさらに備える。
【００２２】
この場合、アクチュエータへの作動油の供給量が不足するときには、各アクチュエータの駆動量を同じ比率で小さくすることにより、当初与えられた空間目標軌道から外れないように制御することができる。
【００２３】
好ましくは、前記変換式は、（ａ）前記アクチュエータにおける入力信号の受付け可能な時間間隔以上のサンプリング周期で入力信号をサンプリングするとともにサンプリングした値を次のサンプリングタイミングまで保持するサンプルホールド部と、（ｂ）前記サンプルホールド部の出力信号を該出力信号の出力値に応じた前記アクチュエータにおける入力信号の取り得る離散値のいずれかに変換する第１変換部と、（ｃ）前記第１変換部の出力信号を該出力信号の出力値に応じて前記アクチュエータにおける入出力特性で変換する第２変換部と、（ｄ）前記サンプルホールド部の入力信号から前記第２変換部の出力信号を減算する減算部と、（ｅ）当該フィードバック変調器が発振しない条件で前記減算部の出力信号を濾波するローパスフィルタ部と、（ｆ）前記連続値制御信号と前記ローパスフィルタ部の出力信号とを加算して前記サンプルホールド部の前記入力信号とする加算部とによって表現される。
【００２４】
第１変換部の出力を第２変換器によりアクチュエータにおける入出力特性で変換したフィードバック信号を用いることで、第１変換部の出力を単純にフィードバック信号とする場合と比べ、制御性能を向上することができる。
【００２５】
好ましくは、前記主制御部は、前記アクチュエータの駆動目標量についての指令信号と前記アクチュエータの駆動量のフィードバック信号との偏差信号に基づいて前記連続値制御信号を決定する。
【００２６】
この場合、フィードバック制御により制御誤差を小さくすることができる。
【発明の効果】
【００２７】
本発明によれば、摩擦の大きな油圧駆動システムなどの制御システムにおいて、制御上の工夫によって、サーボ弁等の高価なアクチュエータを用いなくても、アクチュエータを精度よく動作させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２８】
以下、本発明の実施の形態について、図１〜図１３を参照しながら説明する。
【００２９】
図１のブロック図に示すように、アクチュエータ２の駆動を制御する制御装置１０は、制御偏差部１１と、フィードバック制御部１２と、切換器１４と、フィードバック変調器２０と、フィードフォワード制御部３０とを備えている。アクチュエータ２は、フィードフォワード項ｖＱとフィードバック項ｕＱとの加算値ｕＰに基づき、駆動が制御される。
【００３０】
制御装置１０には、制御目標値ｒとして、例えば不図示の操作装置から指令信号が入力される。
【００３１】
制御偏差部１１は、制御装置１０に入力された制御目標値ｒとアクチュエータ２からのフィードバックされた出力（制御量）ｙとが入力され、制御偏差ｚ＝ｒ−ｙを出力する。
【００３２】
フィードバック制御部１２は、制御偏差部１１から出力された制御偏差ｚに基づいて、アクチュエータ２の出力ｙが制御目標値ｒとなるような、空間的及び時間的に連続した連続値制御信号である制御信号ｕを生成して、切換器１４へ出力する。
【００３３】
切換器１４は、フィードバック制御部１２から入力された制御信号ｕを、フィードバック変調器２０又は加算部３８へ、選択的に出力する。
【００３４】
フィードバック変調器２０は、切換器１４から入力された制御信号ｕを変調して変調制御信号ｕＱを生成し、変調制御信号ｕＱを加算部３８へ出力する。詳しくは後述するが、アクチュエータ２における、入力信号の受付け可能な時間間隔、入力信号の取り得る離散値、及び、入出力特性に基づいた変換式によって、切換器１４から入力された制御信号ｕを、空間的及び時間的に離散した離散値制御信号である変調制御信号ｕＱに変換する。
【００３５】
なお、制御信号ｕは、アクチュエータ２の出力ｙが制御目標値ｒとなるような、空間的及び時間的に連続した信号であれば、任意でよい。
【００３６】
フィードフォワード制御部３０は、必要に応じて追加する。すなわち、フィードフォワード制御部３０がない構成としてもよい。
【００３７】
フィードフォワード制御部３０は、速度変換部３２と、制御量変換部３４と、補償部３６と、加算部３８とを備える。
【００３８】
速度変換部３２は、制御装置１０に入力された制御目標値ｒを微分して速度値ｖに変換して、制御量変換部３４へ出力する。制御量変換部３４は、速度変換部３２から入力された速度値ｖを、アクチュエータ２の操作量成分値ｖ１に変換して、補償部３６へ出力する。
【００３９】
補償部３６は、制御量変換部３４から入力された操作量成分値ｖ１を、一定の制限のもとで、加算部３８へフィードフォワード制御信号ｖＱとして出力する。すなわち、補償部３６は、制御量変換部３４から入力された操作量成分値ｖ１が所定範囲（例えば、不感帯）に含まれるときには、摩擦補償のための底上げを停止する。
【００４０】
加算部３８は、切換器１４から出力された制御信号ｕ又はフィードバック変調器２０から出力された変調制御信号ｕＱと、補償部３６から入力されたフィードフォワード制御信号ｖＱとが入力され、入力された信号を加算した信号をアクチュエータ２への入力信号ｕＰとして出力する。
【００４１】
フィードバック変調器２０は、図２のブロック図に示すように、加算部２１と、サンプルホールド部（以下、「Ｓ／Ｈ部」と略記する。）２２と、第１変換部２３と、第２変換部２４と、減算部２５と、ローパスフィルタ部（以下、「ＬＰＦ部」と略記する。）２６とを備え、制御信号ｕが入力され、変調制御信号ｕＱを出力する。
【００４２】
加算部２１には、制御信号ｕとＬＰＦ部２６の出力信号ｓ４との和を生成し、この和を出力信号ｕＣとして、Ｓ／Ｈ部２２及び減算部２５へそれぞれ出力する。
【００４３】
Ｓ／Ｈ部２２は、アクチュエータ２における入力信号ｕＰの受付け可能な時間間隔以上のサンプリング周期で、加算部２１からの出力信号ｕＣをサンプリングするとともに、サンプリングした値を、次のサンプリングタイミングで加算部２１からの出力信号ｕＣをサンプリングするまで保持する。そして、Ｓ／Ｈ部２２は、この保持している値をＳ／Ｈ部２２の出力信号ｓ１として、第１変換部２３へ出力する。即ち、Ｓ／Ｈ部２２は、一のサンプリングタイミングでサンプリングした加算部２１からの出力信号ｕＣの値に対応する出力信号ｓ１を、次のサンプリングタイミングで加算部２１からの出力信号ｕＣをサンプリングするまで、第１変換部２３に出力し続ける。
【００４４】
ここで、Ｓ／Ｈ部２２のサンプリング周期は、アクチュエータ２における入力信号ｕＰの受付け可能な時間間隔に近いほど、理想的な制御状態に近くなり、アクチュエータにおける入力信号ｕＰの受付け可能な時間間隔より長くなるほど、理想的な制御状態から離れる傾向がある。理想的な制御状態とは、空間的及び時間的に連続した入力信号が入力可能なアクチュエータ２を空間的及び時間的に連続した制御信号で制御した場合におけるアクチュエータ２の応答である。
【００４５】
第１変換部２３は、Ｓ／Ｈ部２２の出力信号ｓ１を、この出力信号ｓ１の出力値に応じたアクチュエータ２における入力信号ｕＰの取り得る離散値のいずれかに変換する。例えば、第１変換部２３は、Ｓ／Ｈ部２２の出力信号ｓ１を、この出力信号ｓ１の値に最も近いアクチュエータ２における入力信号ｕＰの取り得る離散値のいずれかに変換する。また例えば、第１変換部２３は、Ｓ／Ｈ部２２の出力信号ｓ１を、この出力信号ｓ１の値を超えない整数値であってアクチュエータ２における入力信号ｕＰの取り得る離散値のうちの最大の値に変換する。
【００４６】
第１変換部２３は、例えば、量子化器やパルス幅変調器（Pulse Width Modulator、以下「ＰＷＭ」と略記する。）が利用される。
【００４７】
量子化器は、予め用意された有限個のレベルのうち該量子化器の入力信号の値に最も近いレベルを出力する。第１変換部２３が量子化器である場合では、アクチュエータ２における入力信号ｕＰの取り得る離散値が量子化器の予め用意された有限個のレベルとされ、Ｓ／Ｈ部２２の出力信号ｓ１は、予め用意された有限個のレベルのうちこの出力信号ｓ１の値に最も近いレベルに量子化器によって変換される。
【００４８】
ＰＷＭは、該ＰＷＭの入力信号の値をパルス幅に変換して出力する。第１変換部２３がＰＷＭである場合では、アクチュエータにおける入力信号ｕＰの取り得る離散値が該離散値の符号と同符号のＰＷＭのパルス高さ（パルス振幅）とされ、Ｓ／Ｈ部２２の出力信号ｓ１は、この出力信号ｓ１の値に最も近いパルス幅にＰＷＭによって変換される。
【００４９】
そして、第１変換部２３は、前記変換した値を第１変換部２３の出力信号である変調制御信号ｕＱを加算部３８へ出力するとともに、第２変換部２４に出力する。すなわち、第１変換部２３の出力信号である変調制御信号ｕＱは、フィードバック制御部１２からフィードバック変調器２０に入力された制御信号ｕに対応するアクチュエータ２への入力信号であり、アクチュエータ２に入力される。
【００５０】
第２変換部２４は、第１変換部２３の出力信号ｕＱを、この出力信号ｕＱの出力値に応じてアクチュエータ２における入出力特性で変換する。そして、第２変換部２４は、この変換した値を第２変換部２４の出力信号ｓ２として減算部２５へ出力する。
【００５１】
アクチュエータ２の入力信号ｕＱに対する出力（制御量）ｙが関数Ｈによってｙ＝Ｈ（ｕＱ）で表される場合には、第２変換部２４の出力信号ｓ２は、ｓ２＝Ｈ（ｕＱ）である。
【００５２】
アクチュエータ２の入出力特性、即ちこの入出力特性を表す関数Ｈは、一の入力値に対し一意に出力値が決まれば、任意でよい。例えば、アクチュエータ２の入出力特性を表す関数Ｈは、線形関数（一次関数）でも非線形関数でもよい。アクチュエータ２の入出力特性を表す非線形関数は、例えば、３次関数や５次関数等の高次関数及び対数関数等が挙げられる。あるいは、アクチュエータ２の入出力特性を表す非線形関数は、所定範囲の入力値に対する出力値が一定である場合を含む関数でもよい。このように入力値が変化しても出力値が変わらない不感帯（デッドゾーン）があってもよい。
【００５３】
減算部２５には、加算部２１の出力信号ｕＣと第２変換部２４の出力信号ｓ２とが入力され、加算部２１の出力信号ｕＱから第２変換部２４の出力信号ｓ２を減算することによって、加算部２１の出力信号ｕＱと第２変換部２４の出力信号ｓ２との差の信号ｓ３を生成する。減算部２５は、この差の信号ｓ３をＬＰＦ部２６へ出力する。
【００５４】
ＬＰＦ部２６は、当該フィードバック変調器２０が発振しない条件で、減算部２５から入力された信号ｓ３を濾波する。このようなＬＰＦ部２６は、例えば、ラプラス演算子をｓとした場合に（２τｓ＋１）／（（τｓ＋１）２）と表現された場合に、このτがＳ／Ｈ部２２のサンプリング周期よりも長くなる。ＬＰＦ部２６は、この濾波した信号ｓ４を加算部２１へ出力する。
【００５５】
フィードバック変調器２０は、次のように動作する。
【００５６】
加算部２１は、フィードバック変調器２０に入力された制御信号ｕとＬＰＦ部２６の出力信号ｓ４との和を生成し、この和を出力信号ｕＣとして、Ｓ／Ｈ部２２及び減算部２５へそれぞれ出力する。
【００５７】
Ｓ／Ｈ部２２の出力信号ｓ１は、第１変換部２３に入力され、第１変換部２３はこの出力信号ｓ１の出力値に応じたアクチュエータ２における入力信号の取り得る離散値のいずれかに変換して、変調制御信号ｕＱを生成して、加算部３８へ出力する。
【００５８】
また、第１変換部２３の出力信号ｕＱは、第２変換部２４に入力され、アクチュエータ２の入出力特性で変換され、減算部２５へ出力される。減算部２５は、加算部２１の出力信号ｕＣから第２変換部２４の出力信号ｓ２を減算する。減算部２５の出力信号ｓ３は、ＬＰＦ部２６に入力され、濾波され、加算部２１へ出力される。
【００５９】
第２変換部２４は、第１変換部２３の出力信号、即ち、アクチュエータ２の入力信号ｕＱをアクチュエータ２の入出力特性で変換するので、第２変換部２４は、アクチュエータ２の入力信号ｕＱに対するアクチュエータ２の出力（制御量）ｙをシミュレーション（模擬実験）していることになる。このシミュレーション結果である第２変換部２４の出力信号ｓ２は、減算部２５でＳ／Ｈ部２２の入力信号である加算部２１の出力信号ｕＣから減算される。即ち、減算部２５は、Ｓ／Ｈ部２２の入力信号とシミュレーション結果である第２変換部２４の出力信号ｓ２との偏差の信号ｓ３を求めている。そして、この求めた偏差の信号ｓ３は、ＬＰＦ部２６で高周波成分が濾波され、加算部２１へ出力される。従って、第２変換部２４、減算部２５、ＬＰＦ部２６及び加算部２１によって、第１変換部２３の出力信号ｕＱに応じたアクチュエータ２の出力（制御量）ｙが、制御信号ｕにフィードバックされている。
【００６０】
このような第２変換部２４を備えることにより、制御装置１０は、入出力特性が非線形なアクチュエータ２であっても制御性能を向上することができる。
【００６１】
次に、制御装置１０全体の動作について説明する。
【００６２】
制御装置１０は、制御偏差部１１が制御目標値ｒから制御量ｙを減算することによって制御偏差ｚを生成し、フィードバック制御部１２がこの制御偏差ｚに基づいて、アクチュエータ２の出力ｙを制御目標値ｒとすべく、空間的及び時間的に連続した制御信号ｕを生成する。この空間的及び時間的に連続した制御信号ｕは、切換器１４に入力される。
【００６３】
切換器１４は、入力された制御信号ｕを、フィードバック変調器２０又は加算部３８に入力する。フィードバック変調器２０は、切換器１４から制御信号ｕが入力されると、この空間的及び時間的に連続した制御信号ｕから、空間的及び時間的に離散した変調制御信号ｕＱに生成し、変調制御信号ｕＱを加算部３８に出力する。
【００６４】
また、制御装置１０は、フィードフォード制御部３０により、制御目標値ｒから生成されたフィードフォワード制御信号ｖＱを生成し、フィードフォワード制御信号ｖＱを加算器３８へ出力する。
【００６５】
加算部３８は、切換器１４又はフィードバック変調器２０から入力された制御信号ｕ又は変調制御信号ｕＱとフィーフォワード制御部３０から入力されたフィードフォワード制御信号ｖＱとを加算して入力信号ｕＰを生成し、入力信号ｕＰをアクチュエータ２へ出力する。
【００６６】
切換器１４の選択動作により、制御信号ｕがフィードバック変調器２０を介さずに加算部３８に直接入力されたとき、アクチュエータ２には空間的及び時間的に連続した入力信号が入力され、一般的なフォードバック制御が行われる。
【００６７】
一方、切換器１４の選択動作により、制御信号ｕがフィードバック変調器２０に入力されたときには、アクチュエータ２にはアクチュエータ２には空間的及び時間的に離散した入力信号が入力され、フィードバック制御が行われる。
【００６８】
制御装置１０は、フィードバック変調器２０を備えることにより応答性能が向上する。そのため、入力に対する出力の応答が遅いアクチュエータ２を採用することができるので、コスト的に有利である。例えば、摩擦力によって駆動量が変動する油圧駆動システムにおいて、高価なサーボ弁の代わりに、サーボ弁よりもに安価な比例弁を用いることができる。
【００６９】
また、フィードバック変調器２０を備える制御装置１０は、例えば不感帯（デッドゾーン）に代表される望ましくない非線形な入出力特性を持つアクチュエータ２も制御対象とすることができ、このような非線形な入出力特性を持つアクチュエータ２を例えばＰＷＭ方式等の通常の制御方法で制御した場合に較べて、精度よく制御目標値ｒに制御することができる。
【００７０】
さらに、図１を見ると分かるように、フィードバック変調器２０は、フィードバック制御部１２とアクチュエータ２との間に設けられている。このため、フィードバック制御部１２からの制御信号ｕでアクチュエータ２を制御している既存の制御系に対し、制御信号変換装置としてフィードバック変調器２０をフィードバック制御部１２とアクチュエータ２の間に後付けで設けることができる。そして、フィードバック変調器２０を後付けで設けることによって、アクチュエータ２を制御目標値ｒにより精度よく制御することができるように既存の制御系を改善することができる。
【００７１】
なお、上述のように動作するフィードバック変調器２０は、様々な態様のブロック線図で表現することができる。図２に示すブロック線図は、フィードバック変調器２０の一態様にすぎない。
【００７２】
＜実施例＞  次に、図１及び図２に示した制御装置１０を用いる実施例について、説明する。
【００７３】
図３は、実施例で用いる実験装置の写真である。この実験装置は、Ｔ−５２援竜の手首１軸とグリップの部分のみを抽出したもの（通称、「小援竜」）であり、手首関節の動きによって本体が上下に移動し、グリップは水平方向に開閉するようになっており、これらの関節を複数の油圧シリンダを用いて駆動している。
【００７４】
次の表１に、この実験装置の仕様を示す。
【表１】
2009217417.tif 000003
【００７５】
操縦方法は簡単なマスタ・スレーブ方式をとっており、２本のスティックを動かすことで操縦することができるが、実験においては制御装置に与える指令値は、スティックによるマスタ・スレーブ方式ではなく、計算によって与える。
【００７６】
実験装置の摩擦の影響を見るために、油圧シリンダへの作動油の供給量を調節するための比例弁に入力する電圧を変化させてステップ応答の定常状態での出力を測定した。その結果、約１Ｖ以下で速度が０になった。これが摩擦の影響と考えられる。
【００７７】
比例弁への入力電圧と流量との関係を調べると、約１０リットル／（ｍｉｎ・Ｖ）であった。すなわち、実験装置を使って実測すると、入力電圧が２．５Ｖで関節の角速度が頭打ちになり、その時のポンプ流量は１５．４リットル／ｍｉｎであった。この値は、表１に示したポンプの最大流量の公称値（１４リットル／ｍｉｎ）とほぼ一致する。２．５Ｖのうち、１Ｖは摩擦の影響で打ち消されるので、実質１．５Ｖの入力に相当する。したがって、バルブへの指令電圧と流量との関係は、約１０リットル／（ｍｉｎ・Ｖ）ということになる。
【００７８】
なお、２．５Ｖ以上の電圧を加えても意味がないので、後述する図４では、比例弁への入力電圧は、この２．５Ｖが上限になるように設定されている。
【００７９】
また、２軸を同時制御する場合には，この上限の２．５Ｖを同時に加えると合計５Ｖになり、ポンプの最大流量を越える指令値となるので、後述する図６に示した排他処理が必要になってる。
【００８０】
図１のブロック線図に示すように、フィードバック変調器２０を用い、プラントは角速度に摩擦の影響を入れ、積分して角度を出力としている。コントローラにはＰＤ制御を用いている。
【００８１】
フィードバック変調器２０は、図２に示すような構成となり、アクチュエータの時間分解能や空間分解能の制約によって生じる量子化誤差をフィードバックすることでその影響を抑制することができる。これにより出力の切替速度が遅いアクチュエータや、出力値が｛１，０，−１｝のような有限の集合に属する値しか取れないような場合や、不均等な時間間隔や量子化間隔を持つ場合でも扱うことができる。
【００８２】
ここで、図２中のＱ（ｓ）は、
【数１】
2009217417.tif 000004
とし、τは、制御周期をＴとするとτ＞Ｔを満たすなるべく小さな値にとる。
【００８３】
実施例では、τ＝１．０５Ｔとしてｚ変換に変換した次のパルス伝達関数を使用した。
【数２】
2009217417.tif 000005
【００８４】
このフィードバック変調器２０を利用することで、分解能が粗く、また切替時間の長いアクチュエータを用いた場合でも、連続的な出力が可能なアクチュエータを使用したときと同等の性能を得ることができる。
【００８５】
さらに、振動を抑え、位相遅れを改善するために、図１に示すように速度指令値ｖによるフィードフォワード制御を追加し、摩擦を補償するためにフィードフォワード量を底上げする。底上げにおいては手先に負荷がかかったときに摩擦が変動することを考慮して摩擦の上限と下限を求め、底上げ時には摩擦の下限の値を使用する。小援竜においては手首関節、グリップともに下限０．９Ｖ、上限１．２Ｖとなった。
【００８６】
＜１軸のみの制御＞  まず、１軸のみ制御する場合について説明する。
【００８７】
図４は、小援竜の手首関節について、指令値（目標速度ｖに対応）に対して比例弁への入力電圧をどう決定するかを図示したものである。
【００８８】
図４において、応答の位相遅れを補償するため、点線で示すフィードフォワード制御を追加する。不感帯を補償するための底上げ量は、摩擦の影響を考慮して、不感帯の大きさの下限と考えられる値（摩擦補償として最低限加えるべき量である０．９Ｖ）を用いる。さらに、速度指令値が正から負（又は、負から正）に反転する時の入力の急激な変化を防ぐために、０付近には底上げしない範囲を設定する。底上げしない範囲は、量子化入力を用いて一定速度で動作させたときに振動が発生しない範囲までとした。実験装置では、手首関節０．１５Ｖ、グリップ０．１Ｖがその範囲であった。
【００８９】
さらに、フィードフォワード量が摩擦の上限と考えられる値（１．２Ｖ）より小さい場合は、フィードバック量ｕを大きな量子化間隔で量子化することで入力が確実に摩擦を上回るようにし、上限を超えている場合は量子化する必要はないので、連続値のまま入力することで振動の発生を防ぐ。このような入力の切り換えは、図１中では、切換部１４のスイッチｓｗを切り換えることに相当する。
【００９０】
また、フィードバック変調器２０において量子化する際の量子化間隔（入力パルスの振幅）が大きすぎると振動が発生してしまうため、目標値付近で振動が発生しない量子化間隔を求めると、約１．６〜１．７Ｖが最適であることが分かった。そこで、図４では、量子化間隔として１．６５Ｖを使用した。
【００９１】
さらに、フィードバック変調器２０において量子化入力をフィードバックするときに、摩擦モデル（図２における第２変換部２４）を加えることで、図５のように摩擦モデルを含まないフィードバック変調器２０ａを用いる場合よりも、制御性能が向上した。
【００９２】
次に、シミュレーション及び実験を行った結果を説明する。
【００９３】
＜ＰＤのみの場合との比較＞  正弦波状の軌道においてＰＤ制御のみの場合の結果を図７に、フィードバック変調器２０を用いて制御を行った場合の結果を図８に示す。
【００９４】
図７において破線で示したＰＤ制御のみの場合（ＰＤ）は、図１のブロック図においてフィードフォワード制御部３０、切換部１４、フィードバック変調部２０及び加算部３８がなく、フィードバック制御部１２の出力ｕが、そのままアクチュエータ２に入力される場合である。図７において実線で示したフィードバック変調器２０を用いて制御を行った場合（ＰＤ  ｗｉｔｈ  ＦＭ）は、フィードフォワード制御部３０、切換部１４及び加算部３８がなく、フィードバック制御部１２の出力ｕを常にフィードバック変調器２０に通し、フィードバック変調器２０の出力ｕＱがアクチュエータ２に入力される場合である。
【００９５】
図７より、ＰＤ制御のみの場合では摩擦の影響によって速度の小さい範囲で動きが止まってしまっており、また位相の遅れも非常に大きいが、フィードバック変調器を用いて入力を量子化することで、小さい速度でも追従できるようになり、摩擦の影響で止まってしまっている部分の応答が改善されていることが分かる。
【００９６】
図８に、正弦波状の軌道において、フィードバック変調器２０を用いるとともに、連続量との切換部１４及びフィードフォワード制御とを加えて制御を行った場合（すなわち、図１のブロック図を用いた実施例）の結果を示す。図７と図８とを比較すると、フィードフォワード制御によって応答の位相遅れが改善されることが分かる。また、補償部３６で摩擦の補償の底上げを制限し、切換部１４で必要に応じて連続量に切り替えることで、フィードバック変調器２０による振動的な応答が抑えられていることが分かる。
【００９７】
＜ディザーとの比較＞  フィードバック変調器２０自体の有効性が確認できたので、次に摩擦の補償法としてよく用いられるディザーとの比較を行った。
【００９８】
ディザーの振幅を様々に変化させて、それぞれの場合に目標値４５度のステップ応答を調べた結果を図９に示す。結果より、ディザーの振幅が小さすぎると目標値に追従できず、逆に大きすぎると目標値に到達した後で振動が発生してしまうことが分かる。大きな振動が発生せずに目標値に追従できる最適な振幅は、１．５Ｖであることが分かった。
【００９９】
次に、ディザーの振幅はそのままで、摩擦を大きくして、シミュレーションをした結果を図１０に示す。フィードバック変調器２０を使用した場合は摩擦力が大きくても目標値に到達しているが、ディザーでは完全には追従できていない。これより不惑帯の大きさに応じてディザーの振幅を大きくする必要があることが分かる。
【０１００】
そこで、シミュレーションにより摩擦による不惑帯の幅を変化させて、目標値に到達できてなおかつ定常状態で振動が発生しない最適なディザーの振幅を求めた。その結果を、図１１に示す。図１１の結果から最適な振幅は不惑帯の幅に比例して大きくなることが分かる。
【０１０１】
ディザーを使用する場合には不惑帯の大きさがあらかじめ分かっている必要があるが、フィードバック変調器２０を使用する場合はその必要がなく様々な大きさの不惑帯に対応できる。つまり、フィードバック変調器３０は、ディザーよりも有用性が高い。
【０１０２】
＜２軸の同時制御＞  次に、２軸の同時制御について説明する。
【０１０３】
複数の油圧シリンダに対して一つの油圧ポンプから作動油を供給していると、１軸のみの動作の場合には動かせる速度であっても他の関節を同時に動かそうとするとポンプからの油の供給量が不足し、負荷の少ない軸へ多くの油が流れて意図した通りに動かない場合がある。
【０１０４】
この差動油の供給量不足の問題を解決するための方法として、まず入力が大きすぎると動作に影響が出るので、その場合に、入力をスケールダウンする。その際に両方の軸への入力の比率を保ったままスケールダウンすることで、速度の比率を保ったまま全体の速度を低下させ、当初考えられていた空間目標軌道から外れることを防ぐ。
【０１０５】
次に、フィードバック量を量子化する際に、両方の軸において量子化された入力が加わると合計電圧が一時的に上限を超えることを防ぐため、量子化された入力が同時に使用されないように、図６に示すように、どちらか一方に電圧を使用する排他処理を行う。図６は排他処理を概念的に示した図であり、横軸に特に意味はない。
【０１０６】
排他処理は、両方の軸で量子化された入力が加えられて入力の合計が上限を超えてしまったときに、フィードバック変調器２０において、制御信号ｕに対する変調制御信号ｕＱの量子化誤差のフィードバック量（図２において、ｕＣ）を比較し、それが大きい方を優先して量子化入力を加え、もう一方は量子化入力を加えないようにする。この場合、量子化入力が加えられなかった方の軸は、それが量子化誤差としてフィードバックされ、次のステップにおいて反映される。この排他処理によって使用できる電圧を効率的に使うことができる。
【０１０７】
次に、実験装置の手首関節とグリップの２軸を同時に動かす２軸の同時制御を行い、目標の軌道に対しての空間追従特性を評価した結果を説明する。
【０１０８】
各軸にある時刻まで一定速度で動き、その後停止するような指令値を与えた直線軌道で実験を行い、入力の排他処理を行う場合と行わない場合とを比較した。実験結果を図１２及び図１３に示す。図１２が排他処理を行わない場合、図１３が排他処理を行った場合である。
【０１０９】
図１２に示されたように、排他処理を行わない場合は、負荷が小さく動きやすいグリップ側に、軌道が大きく逸れている。これに対し、排他処理を行った場合では、図１３に示されたように、目標軌道から逸れることなく直線軌道を描いており、排他処理が作動油の流量不足に対して有効であることが分かる。
【０１１０】
＜まとめ＞  以上に説明したように、摩擦の存在する油圧駆動システムを制御する一手法としてフィードバック変調器２０を用いると、ＰＤ制御のみの場合やディザーを使用した場合と比べ、制御性能を向上することができ、サーボ弁等の高価なアクチュエータを用いなくても、アクチュエータを精度よく動作させることができる。また、２軸の同時制御においても、フィードバック変調器の特性を活用した制御法により、軌道追従性を向上することができる。
【０１１１】
なお、本発明は、上記した実施の形態に限定されるものではなく、種々変更を加えて実施可能である。
【０１１２】
例えば、本発明は、油圧駆動システムや空気圧システムに限らず、摩擦等の影響によりアクチュエータの入出力特性が非線形になる制御系や、同じ操作量を操作対象に入力しても摩擦等の外乱の影響によって制御量が変動する制御系に適用可能である。
【図面の簡単な説明】
【０１１３】
【図１】制御系のブロック図である。（実施例）
【図２】フィードバック変調器のブロック図である。（実施例）
【図３】実験装置の写真である。（実施例）
【図４】目標速度と入力電圧の関係を示すグラフである。（実施例）
【図５】フィードバック変調器のブロック図である。（変形例）
【図６】量子化の排他処理を概念的に示すグラフである。（実施例）
【図７】正弦波状の軌道に対する応答を示すグラフである。（比較例）
【図８】正弦波状の軌道に対する応答を示すグラフである。（実施例）
【図９】ステップ応答を示すグラフである。（比較例）
【図１０】ステップ応答を示すグラフである。（実施例、比較例）
【図１１】ディザー振幅のシミュレーション結果を示すグラフである。（比較例）
【図１２】直線軌道に対する応答を示すグラフである。（比較例）
【図１３】直線軌道に対する応答を示すグラフである。（実施例）
【符号の説明】
【０１１４】
２  アクチュエータ
１０  制御装置
１１  減算部（主制御部）
１２  フィードバック制御信号生成部（主制御部）
１４  切換部
２０  フィードバック変調器
３０  フィードフォワード制御部
３８  加算部
【図１】
2009217417.tif 000006
【図２】
2009217417.tif 000007
【図３】
2009217417.tif 000008
【図４】
2009217417.tif 000009
【図５】
2009217417.tif 000010
【図６】
2009217417.tif 000011
【図７】
2009217417.tif 000012
【図８】
2009217417.tif 000013
【図９】
2009217417.tif 000014
【図１０】
2009217417.tif 000015
【図１１】
2009217417.tif 000016
【図１２】
2009217417.tif 000017
【図１３】
2009217417.tif 000018