CN114730162A - 反馈控制装置 - Google Patents

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CN114730162A CN202080082965.3A CN202080082965A CN114730162A CN 114730162 A CN114730162 A CN 114730162A CN 202080082965 A CN202080082965 A CN 202080082965A CN 114730162 A CN114730162 A CN 114730162A
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木下拓矢
山本透
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Kobelco Construction Machinery Co Ltd
Hiroshima University NUC
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Kobelco Construction Machinery Co Ltd
Hiroshima University NUC
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Abstract

反馈控制装置，基于对对象设备的操作输入，利用第一传递函数决定对象设备的输出角速度的目标角速度即第一目标角速度；基于第一目标角速度与输出角速度之间的差分，决定对对象设备的控制输入；基于操作输入，决定操作人员请求的目标角速度即第二目标角速度；基于输出角速度与第二目标角速度之间的差分，决定操作人员的舒适度；将第一目标角速度、舒适度以及目标舒适度依次累积到数据库中；利用被累积在数据库中的数据，以使目标舒适度与舒适度之间的差分变小的方式调整第一转动惯量。

Description

反馈控制装置
技术领域
本发明涉及一种反馈控制装置。
背景技术
根据内阁府的调查，我国虽然国内生产总值（GDP）很高，但是幸福度却很低。即，在与GDP相关的“物质的丰富”和与幸福度相关的“身心的丰富”之间存在着巨大的反差。
作为填补这种反差的一种策略，提出了通过让已经高度化的“物质”（汽车、福利支援设备等）进行考虑到人的感受(sensitivity)的行动，来提高身心的丰富程度。
关于感受的大部分研究都是有关产品的设计评价・设计等静态的领域，而本发明的发明人提出了动态地控制感受的“感受反馈控制法”（例如，非专利文献1）。
以往的感受反馈控制法由级联控制(cascade control)系统构成，通过赋予所期望的舒适度，利用PID控制器生成控制对象设备的目标速度。此时，为了应对人的感受的非线性，对于非线性系统利用有效的数据库驱动型控制法（例如，非专利文献2、3）。
然而，以往的“感受反馈控制法”，由于在人的脑内每次变更目标速度时都需要调整PID增益，例如在液压挖掘机等的操作系统，目标速度会发生各种各样的变化。而且，在控制系统的构成上，由于即使是在人没有进行操作时液压挖掘机等也会自动地动作，为了防止这种情况的发生还需要另外的对策。
现有技术文献
非专利文献
非专利文献1：T. Kinoshita and T. Yamamoto，“Design of a Data-OrientedKansei Feedback Control System”，Journal of Robotics，Networking and ArtificialLife，Vol.4-No.1, 14／17（2017）
非专利文献2：T. Yamamoto，K. Takao and T. Yamada，“Design of a Data-Driven PID Controller”，IEEE Trans on control systems Technology，Vol.17-No.1，29／39（2009）
非专利文献3：脇谷伸、大西义浩、山本透，“利用FRIT法的非线性PID控制系统的设计”，测量和控制，Vol.52-No.10，885／891（2013）。
发明内容
在此，本发明的目的在于提供一种可以让操作人员舒适且安全地进行设备操作的反馈控制装置。
为了实现上述的目的，本发明的发明人们潜心研究的结果，想到了本发明，即，对于被操作人员至少旋转操作的设备，着眼于传递函数的转动惯量(moment of inertia)，将转动惯量作为参数进行调整从而提高操作人员的舒适度。
本发明的一方面涉及的反馈控制装置包括：对象设备，通过操作人员的操作输入被进行至少旋转操作；第一目标角速度决定部，基于所述操作输入，利用所述对象设备的传递函数即第一传递函数决定所述对象设备的输出角速度的目标角速度，所述第一传递函数由表示所述对象设备的转动惯量的第一转动惯量而规定；控制部，基于所述第一目标角速度与所述输出角速度之间的差分，决定对所述对象设备的控制输入；第二目标角速度决定部，基于所述操作输入，决定与所述操作人员请求的所述操作输入对应的所述目标角速度即第二目标角速度；舒适度决定部，基于所述输出角速度与所述第二目标角速度之间的差分，决定所述操作人员的舒适度；以及，数据库，依次累积所述第一目标角速度、所述舒适度以及目标舒适度，其中，所述第一目标角速度决定部，利用被累积在所述数据库中的所述第一目标角速度、所述舒适度以及所述目标舒适度，以使所述目标舒适度与所述舒适度之间的差分变小的方式，调整所述第一转动惯量。
附图说明
图1是实施方式涉及的反馈控制装置的构成图。
图2是表示实施方式涉及的反馈控制装置的舒适度与输出误差之间的关系的示意图。
图3是模拟了在利用实施方式涉及的反馈控制装置的反馈控制中的舒适度、输出角速度以及操作输入的时间变化的结果的示意图。
图4是表示在利用实施方式涉及的反馈控制装置的反馈控制中转动惯量被调整的样子的示意图。
具体实施方式
以下，参照附图对本发明实施方式涉及的反馈控制装置进行说明。另外，本发明的技术保护范围并不局限于以下的实施方式，在本发明的技术构思的范围内可以任意地进行变更。
图1是第一实施方式涉及的反馈控制装置100的构成图。如图1所示，反馈控制装置100具备对象设备10、目标角速度决定部20（第一目标角速度决定部）、控制部30、舒适度决定部40、数据库50。反馈控制装置100还具备脑内目标角速度决定部70（第二目标角速度决定部）、操作机构60、减法器81、82、83、目标舒适度设定部90。
对象设备10是通过操作人员的操作输入τh被至少旋转操作的设备。对象设备10例如为汽车或工程机械等的旋转驱动部。旋转驱动部例如为液压挖掘机的动臂等。对象设备10以与从控制部30输入的控制输入τ对应的输出角速度yω进行动作。对象设备10将输出角速度yω输入到减法器82并将输出角速度yω反馈到减法器81。
目标角速度决定部20，基于操作人员对对象设备10的操作输入τh，利用对象设备10的传递函数即第一传递函数决定对象设备10的输出角速度yω的目标角速度rω（第一目标角速度）。第一传递函数具有表示对象设备10的转动惯量的第一转动惯量。
具体而言，目标角速度决定部20，利用被存储在数据库50中的目标舒适度r、舒适度y以及目标角速度rω，以使目标舒适度r和舒适度y之间的差分变小的方式将第一转动惯量作为参数进行调整。目标角速度决定部20，通过向第一转动惯量被调整了的第一传递函数输入操作输入τh，决定目标角速度rω。
操作机构60被输入操作人员对对象设备10的操作。具体而言，操作机构60包含用于驱动上述旋转驱动部的操作杆，来自操作人员的操作被输入到该操作杆。操作机构60将被输入的操作输入τh输入到目标角速度决定部20以及脑内目标角速度决定部70。
减法器81计算出从目标角速度rω减去输出角速度yω后的差分，并将该差分输入到控制部30。
控制部30，基于目标角速度rω和输出角速度yω之间的差分，例如通过PID控制决定对对象设备10的控制输入τ。具体而言，控制部30，以使从减法器81输入的差分变小的方式，通过PID控制决定控制输入τ。
减法器82计算出从目标角速度rh减去输出角速度yω后的差分eh（速度偏差），并将差分eh输入到舒适度决定部40。
舒适度决定部40基于差分eh决定舒适度y。舒适度决定部40将舒适度y输入到数据库50以及减法器83并将舒适度y输出到外部。
减法器83计算出目标舒适度r与舒适度y之间的差分，并将该差分输入到目标角速度决定部20。
数据库50依次积累目标角速度rω、舒适度y以及舒适度y的目标舒适度r。
目标舒适度设定部90设定目标舒适度r，并将所设定的目标舒适度r输入到数据库50以及减法器83。目标舒适度r例如采用预先规定的值。
在本实施方式的反馈控制装置100，目标角速度决定部20、控制部30、舒适度决定部40、脑内目标角速度决定部70以及目标舒适度设定部90的各功能，通过让计算机执行程序来实施。计算机具备按照程序进行动作的处理器和存储执行程序所需的数据的存储器等作为主要的硬件构成。
而且，在本实施方式的反馈控制装置100，数据库50由计算机可读取的ROM、光盘、硬盘驱动器等的存储介质构成。
本实施方式的反馈控制装置100的特征之一是:目标角速度决定部20利用被积累在数据库50中的目标舒适度r、舒适度y、目标角速度rω，以使目标舒适度r和舒适度y之间的差分变小的方式，一边将第一转动惯量作为参数进行调整，一边决定目标角速度rω。关于第一转动惯量的调整方法将在后述的实施方式进行详细说明。
例如，假设第一转动惯量为J、粘性系数为D，第一传递函数为（1／D）／（1＋（J／D）・s）。在这种情况下，1／D为系统增益。例如，在全杆输入液压挖掘机的动臂操作时的稳定角速度很容易测量。在此，也可以将粘性系数D作为已知的固定值，目标角速度决定部20决定目标角速度rω。或者，目标角速度决定部20也可以一边将粘性系数D与第一转动惯量J一起作为参数进行调整，一边决定目标角速度rω。
此外，在本申请，将对象设备10的第一转动惯量标记为“J”，将目标角速度决定部20作为参数进行调整的第一转动惯量标记为“Jref”。
而且，舒适度决定部40也可以，例如，通过传感器等获取操作人员的心率等的生命体征反应，并基于该生命体征反应决定操作人员所对应的舒适度y。或者，舒适度决定部40也可以，使用操作人员利用触摸面板等的输入装置亲自输入的舒适度，决定操作人员所对应的舒适度y。
脑内目标角速度决定部70，基于输入操作τh，决定与操作人员请求的操作输入τh对应的目標角速度即目标角速度rh（第二目标角速度）。目标角速度rh例如为在操作人员的脑内与操作人员自身的操作输入τh对应的目标角速度（希望角速度）。目标角速度rh和输出角速度yω之间的差分eh是决定操作人员的舒适度y的主要因素。例如，在目标角速度rh与输出角速度yω之间的差分eh为0时，舒适度y被决定为具有最高值。差分eh为0也可以说明操作人员对实际的对象设备10的操作达到了可以获得与目标角速度rh相同的输出角速度yω的程度。在此，在实际应用时的反馈控制装置100，目标角速度rh以及差分e h的值都是未知的。而且，脑内目标角速度决定部70，通过将操作输入τh输入到第二传递函数，可以计算出目标角速度rh。
例如，假设表示操作人员请求的对象设备10的转动惯量的第二转动惯量为Jh，粘性系数为D，第二传递函数用（1／D）／（1＋（Jh／D）・s）来表示。在此，第二转动惯量Jh的值未知。
以上说明的本实施方式的反馈控制装置100具备目标角速度决定部20和控制部30，所述目标角速度决定部20基于对对象设备10的操作输入τh决定对象设备10的输出角速度yω的目标角速度rω；所述控制部30基于目标角速度rω与输出角速度yω之间的差分决定对对象设备10的控制输入τ。反馈控制装置100还具备脑内目标角速度决定部70和舒适度决定部40，所述脑内目标角速度决定部70基于输入操作τh决定操作人员请求的目标角速度即目标角速度rh；所述舒适度决定部40基于输出角速度yω与目标角速度rh之间的差分eh决定操作人员的舒适度y。目标角速度决定部20，以使目标舒适度r与舒适度y之间的差分变小的方式，一边将第一转动惯量Jref作为参数进行调整，一边决定目标角速度rω。
在此，舒适度基于目标角速度rh与输出角速度yω之间的差分eh而决定。为此，舒适度决定部40，在操作人员成功地进行了使操作人员所请求的对象设备的目标角速度成为与现实的对象设备的目标角速度相同的操作时，可以将舒适度决定成为具有最高值。为此，操作人员可以舒适地操作对象设备10。
而且，根据本实施方式涉及的反馈控制装置100，只有当存在操作人员对对象设备10的操作输入τh时，目标角速度rω才被决定，对对象设备10的控制输入τ才被决定，对象设备10进行动作。为此，可以避免，在操作人员没有操作对象设备10时，对象设备10自动地开始动作的事态发生，可以确保安全性。
如上所述，根据本实施方式，可以提供让操作人员能舒适且安全地进行设备操作的反馈控制装置100。
而且，在本实施方式的反馈控制装置100，假设第一转动惯量为Jref、粘性系数为D，第一传递函数可以用（1／D）／（1＋（Jref／D）・s）来表示。
为此，反馈控制装置100可以正确地反馈控制对象设备10的旋转动作。在这种情况下，目标角速度决定部20也可以将粘性系数D作为固定值，来决定目标角速度rω。
由此，调整对象的参数仅为第一转动惯量Jref，可以实现单参数调谐(one-parameter tuning)。另一方面，目标角速度决定部20也可以将粘性系数D与第一转动惯量Jref一起作为参数，一边进行调整，一边决定目标角速度rω。在这种情况下，反馈控制装置100可以考虑到粘性系数D的温度依赖性等，更准确地反馈控制对象设备10的旋转动作。
而且，在本实施方式的反馈控制装置100，对象设备10也可以是液压挖掘机的动臂。
在这种情况下，可以舒适且安全地操作液压挖掘机的动臂。
而且，在本实施方式的反馈控制装置100，脑内目标角速度决定部70具有决定与操作输入τh对应的目标角速度rh的第二传递函数。假设第二转动惯量为Jh、粘性系数为D，第二传递函数则为（1／D）／（1＋（Jh／D）・s）。脑内目标角速度决定部70用被调整的第一转动惯量Jref的值来设定第二转动惯量Jh。
在这种情况下，可以利用第一转动惯量Jref来决定未知的第二转动惯量Jh。
实施例
以下，对图1所示的反馈控制装置100的实施例（模拟例）进行说明。在该实施例，对象设备10是液压挖掘机的动臂，操作人员对动臂操作的舒适度y可以测量。作为舒适度y的目标值被赋予“目标舒适度r”，以使舒适度y满足“目标舒适度r”的方式控制液压挖掘机的动臂的输出角速度yω。
本实施例的目的在于提高舒适度y（t）（t为时间）。在每个时刻直接设定适当的对象设备10（液压挖掘机的动臂）的目标角速度rω（t）并不容易。在此，根据操作输入（在本实施例为操纵杆输入扭矩）τh（t）与第一转动惯量Jref之间的关系式，如下述的公式（1）所示，可以在每个时刻自动地生成适当的目标角速度rω（t）。
Figure 490543DEST_PATH_IMAGE001
在公式（1）中，Jref是以包含液压挖掘机的动臂在内的闭环传递函数为目标的第一转动惯量，D是粘性阻力。如公式（1）所示，1／D是系统增益。由于可以方便地测量在全杆输入液压挖掘机的动臂操作时的稳定角速度，因此本实施例将粘性系数D作为已知的固定值来对待。
本实施例，基于后述的数据库驱动型方法调整第一转动惯量Jref，以便提高舒适度y。在此，假设在操作人员的脑内请求的第二转动惯量为Jh。当第一转动惯量Jref等于第二转动惯量Jh时，实际控制系统的转动惯量与在脑内的转动惯量相互一致。因此，假设第一转动惯量Jref等于第二转动惯量Jh的状态是最舒适的状态。换句话说，在操作人员成功地进行了与操作人员在脑内请求的液压挖掘机的目标响应速度相同的操作时，舒适度y表示最舒适的值。
而且，在本实施方式，控制对象的舒适度y（t）是用下述的公式（2）来表示的离散时间非线性系统。
Figure 696397DEST_PATH_IMAGE002
在公式（2）中，y（t）是系统输出。f（）是非线性函数。φ（t－1）是表示系统的时刻t之前的状态的信息向量。信息向量φ（t－1）用下述的公式（3）定义。
Figure 954203DEST_PATH_IMAGE003
在此，rω（t）（对象设备10的目标角速度）是在舒适度y（t）的控制中的系统输入。ny是系统输出的次数。nw是系统输入的次数。在数据库驱动型控制中，各操作以及作业数据都以公式（3）的形式被累积在数据库50（参照图1）中。而且，将表示当前的系统的状态的信息向量φ（t）称为请求点（查询(query)）。
以下，对利用被累积在数据库50中的数据由目标角速度决定部20实施的通过数据库驱动型控制对第一转动惯量Jref的调整进行说明。
初始数据库的创建
在数据库驱动型控制中，当不存在过去的累积数据的情况下，原则上无法调整第一转动惯量Jref。因此，需要利用初始的第一转动惯量Jref获取输入／输出数据，创建由以下述的公式（4）表示的信息矢量φ构成的初始数据库（数据库50的一部分）。
Figure 977522DEST_PATH_IMAGE004
在公式（4）中，j＝1、2……、N（0），－φ（j）由下述的公式（5）给出。
Figure 687989DEST_PATH_IMAGE005
而且，N（0）表示初始数据数（在初始数据库中的信息向量的数量）。因为在初始数据库中被推测的第一转动惯量Jref是固定的，所以Jref（1）＝Jref（2）＝ …… ＝Jref（N（0））。
距离的计算、近邻的选择
请求点－φ（t）和被累积在数据库中的信息矢量－φ（j）之间的距离，通过下述的公式（6）所表示的加权L1范数(norm)求出。
Figure 572900DEST_PATH_IMAGE006
在公式（6）中，j＝1、2、……、N（t），N（t）表示在时刻t被累积在数据库中的数据数（信息向量）。而且，－φ1（j）表示第j个信息向量的第一个要素。同样，－φ1（t）表示在时刻t的请求点的第一个要素。并且，max－φ1（m）表示在数据库中存在的全部的信息向量（－φ（j）：j＝1、2、……N（t））的第一个要素之中最大的要素，min－φ1（m）表示在该第一个要素中最小的要素。
在本实施例，从距离d较小的一方起，选择通过公式（6）求出的k个信息向量，并将所选择的数据集合定义为近邻。
局部控制器的构成
其次，对于如上所述所选择的近邻，通过线性加权平均法（Linearly WeightedAverage：LWA）构成如下述公式（7）所示的局部控制器。
Figure 950792DEST_PATH_IMAGE007
在此，wi是对包含在所选择的第i个信息向量中的Jref（i）的权重，由下述的公式（8）给出。
Figure 20379DEST_PATH_IMAGE008
通过以上的步骤可以计算出在每个时刻t的第一转动惯量Jrefold（t）。此外，为了可以通过数据库驱动型方法更适当地调整第一转动惯量Jref，需要进行数据库50的学习。在此，在本实施例，通过最陡下降法(steepest descent method)进行对数据库50内的各数据集合的Jref的更新。
通过最陡下降法对第一转动惯量Jref的更新
在本实施例，利用如下所述的公式（9）的最陡下降法进行对第一转动惯量Jref的调整。
Figure 342776DEST_PATH_IMAGE009
在公式（9）中，η是学习系数，I（t）表示由下述的公式（10）、公式（11）定义的评价规范。
Figure 156011DEST_PATH_IMAGE010
Figure 388409DEST_PATH_IMAGE011
而且，公式（9）的右边第二项的偏微分可以如公式（12）所述被展开。
Figure 894477DEST_PATH_IMAGE012
通过反复实施最陡下降法直到公式（10）、公式（11）定义的评价规范变得足够小，可以计算出最优化的第一转动惯量Jref，即，能以接近在操作人员的脑内的第二转动惯量Jh的方式计算出第一转动惯量Jref。
另外，在本实施例，基于韦伯–费希纳法则（Weber-Fechner's law）（I. P.Herman： Physics of the Human Body：Biological and Medical Physics, BiomedicalEngineering，Springer–Ver lag GmbH & CO. KG（2007））设定人的感受模型。该法则扩展了韦伯的法则，是在感觉量F和刺激量R之间，将k作为常数，假设具有如下述的公式（13）所述的对数函数的关系而推导出的法则。
Figure 189323DEST_PATH_IMAGE013
韦伯–费希纳法则具有如下特点，即，随着逐渐增强刺激的强度，感觉的强度对于初期的刺激会急剧地变化，但是，逐渐地其增加率变缓可与直观的事实相对应（增山英太郎：“从心理学的角度看到的感官检查”，感官检查和心理学，Vol.22 – No.3，107／114（1986））。例如，在举起100g的重量的实验中，从已经握着1kg的重量的状态开始进行和从什么都没有握着的状态开始进行，感觉会有很大的不同。由此，可以确认感觉随着越变重会越变迟钝。关于人的感受模型的具体的公式，在以下的数值例中进行说明。
数值例
以下，对上述实施例涉及的反馈控制的数值例进行说明。
在图1所示的反馈控制装置100，假设被操作人员操作的对象设备10是液压挖掘机的动臂，由下述的公式（14）所表示的一阶滞后系统(first-order lag system)给出。
Figure 806249DEST_PATH_IMAGE014
另一方面，舒适度y（t），利用韦伯–费希纳法则，以使舒适度y（t）的最大值变为1的方式，由下述的公式（15）、公式（16）来表示。
Figure 893154DEST_PATH_IMAGE015
Figure 694757DEST_PATH_IMAGE016
在公式（15）、公式（16）中，rh（t）是操作人员在脑内具有的液压挖掘机的动臂的目标角速度，通过下述的公式（17）计算得出。
Figure 601533DEST_PATH_IMAGE017
在公式（17）中，Jh是在操作人员的脑内的液压挖掘机的动臂的第二转动惯量，在本数值例中为未知。而且，eh（t）是在操作人员的脑内感觉到的液压挖掘机的动臂的速度误差（目标角速度rh与输出角速度yω之间的差分）。
如果在操作人员的脑内的差分eh（t）完全为零，根据公式（15），舒适度y（t）变为最大的1。另外，E（t）是与舒适度y（t）有关的变量，根据操作人员的不同而具有不同的值。操作人员所对应的E（t）既可以基于生命体征传感器的生命体征反应来决定，也可以基于操作人员输入的舒适度y来决定。图2是表示在操作人员的脑内的差分eh（t）与舒适度y（t）之间的关系的图表。如图2所示，差分eh（t）越变大则舒适度y（t）就越降低。而且，E（t）越大则舒适度y（t）的降低率就越大。
另外，假设以下说明的数值例中的各设定参数为r（t）＝1.0（固定为舒适度y（t）的最大值1）、η＝0.8、E（t）＝1、D＝1。
而且，在本数值例，假设是液压挖掘机的动臂的升降操作。此时，由于重力的关系，与使动臂提升的情况相比，使动臂下降的情况下动臂的速度会变快。因此，假设在操作人员的脑内也存在这样的前提想象。如下述的公式（18）所示，假设第二转动惯量Jh（t）根据规定的操作输入（操纵杆输入扭矩）τh（t）而变化。在该假设之下，确认了通过在实施例中说明的调整方法得到的第一转动惯量Jref（t）具有相对于第二转动惯量Jh（t）的追随性。
Figure 756571DEST_PATH_IMAGE018
另外，关于控制部30的输入／输出关系，例如，假设将KP、KI、KD分别作为PID参数，进行下述的公式（19）所示的PID控制。
Figure 838927DEST_PATH_IMAGE019
公式（19）中的ε（t），如下述的公式（20）所示，是目标角速度rω（t）与输出角速度yω（t）之间的差分。
Figure 686797DEST_PATH_IMAGE020
控制部30的PID参数，可以利用与对象设备10对应的既有的参数。既有的参数既可以是被固定的常数，也可以是可变参数。在本数值例，假设KP＝10、KI＝0.5、KD＝0。
在以上的设定下，通过数据库驱动型控制一边调整第一转动惯量Jref（t），一边执行对舒适度y（t）、输出角速度yω（t）以及操作输入（操纵杆输入）τh（t）的时间变化的模拟。图3是表示模拟结果的示意图。图3的上段的图表是表示舒适度y（t）与目标舒适度r（t）之间的时间变化的图表。在该上段的图表中，实线表示舒适度y（t），虚线表示目标舒适度r（t）。图3的中段的图表是表示输出角速度yω（t）与目标角速度rh（t）之间的时间变化的图表。在该中段的图表中，实线表示输出角速度yω（t），虚线表示目标角速度rh（t）。图3的下段的图表是表示操作输入τh的时间变化的图表。图4是表示第一转动惯量Jref被调整的状况的示意图。在图4中，实线表示第一转动惯量Jref，虚线表示第二转动惯量Jh。另外，图3所示的rh（t）（操作人员在脑内具有的液压挖掘机的动臂的目标角速度）是将上述各设定值以及公式（18）所示的第二转动惯量Jh（t）代入公式（17）计算出的结果。
从图3可以确认舒适度（系统输出）y（t）正在追随目标舒适度r（t）（＝1）。这种情况从输出角速度yω（t）正在追随目标角速度rh（t）也可以得到确认。此时，第二转动惯量Jh（t）根据操作输入（操纵杆输入）τh（t）而变化，但是，从图4可以看出，通过实施例的数据库驱动型控制，能以让第一转动惯量Jref（t）追随第二转动惯量Jh（t）的方式，适当地推测出第二转动惯量Jh（t）。这就表明通过应用实施例的数据库驱动型控制，可以推测出操作人员的第二转动惯量Jh。
根据以上说明的实施例以及数值例得以证实，在作为操作人员操作的对象设备10以液压挖掘机的动臂为例，操作人员的舒适度是基于韦伯–费希纳的法则的前提下，在着眼于第一转动惯量Jref的控制系统通过进行对第一转动惯量Jref的单参数调谐，可以提高液压挖掘机的动臂操作的舒适度。
以上，对本发明的实施方式（包括实施例）进行了说明，但是，本发明并不局限于上述的实施方式，在发明的范围内可以进行各种变更。即，上述实施方式的说明只是实质上进行了示例而已，并不用于限制本发明、本发明的应用或本发明的用途。
例如，在上述实施方式，以液压挖掘机的动臂为例，对反馈控制装置100进行了说明，但是，本发明也适用于被操作人员至少进行旋转操作的其它的设备。
而且，在上述实施方式，将公式（1）的粘性系数D作为固定值进行了第一转动惯量Jref的单参数调谐，但是，作为替代方案，也可以进行第一转动惯量Jref以及粘性系数D的参数调谐。而且，对象设备10的传递函数并不局限于（1／D）／（1＋（J／D）・s）。例如，如果不需要考虑到粘性的话，可以利用不包含粘性系数D的传递函数。或者，在需要考虑到损失的情况下，也可以利用包含损失项的传递函数。
而且，反馈控制装置100也可以是目标角速度决定部20的数据库驱动类型控制利用了学习功能。在这种情况下，随着操作人员对对象设备10的操作时间变长，对象设备10逐渐地变成能进行更适合该操作人员的输出响应。由此，可以进一步提高操作人员的舒适度y。特别是在学习进一步地深入可以创建针对每个操作人员而定制的数据库50的情况下，也可以不使用舒适度y，而是基于数据库50的内容以及来自对象设备10的传感器输入等，来调整第一转动惯量Jref。
实施方式的总结
本发明的一方面涉及的反馈控制装置包括：对象设备，通过操作人员的操作输入被进行至少旋转操作；第一目标角速度决定部，基于所述操作输入，利用所述对象设备的传递函数即第一传递函数决定所述对象设备的输出角速度的目标角速度，所述第一传递函数由表示所述对象设备的转动惯量的第一转动惯量而规定；控制部，基于所述第一目标角速度与所述输出角速度之间的差分，决定对所述对象设备的控制输入；第二目标角速度决定部，基于所述操作输入，决定与所述操作人员请求的所述操作输入对应的所述目标角速度即第二目标角速度；舒适度决定部，基于所述输出角速度与所述第二目标角速度之间的差分，决定所述操作人员的舒适度；以及，数据库，依次累积所述第一目标角速度、所述舒适度以及目标舒适度，其中，所述第一目标角速度决定部，利用被累积在所述数据库中的所述第一目标角速度、所述舒适度以及所述目标舒适度，以使所述目标舒适度与所述舒适度之间的差分变小的方式，调整所述第一转动惯量。
根据该构成，基于对对象设备的操作输入，决定对象设备的输出角速度的目标角速度即第一目标角速度。基于第一目标角速度与输出角速度之间的差分，决定对对象设备的控制输入。基于与操作人员请求的操作输入对应的目标角速度即第二目标角速度与输出角速度之间的差分，决定操作人员的舒适度。以使目标舒适度与舒适度之间的差分变小的方式调整第一转动惯量。如此，能以提高操作人员的舒适度的方式，一边调整第一传递函数所具有的第一转动惯量一边决定第一目标角速度，基于该第一目标角速度与输出角速度之间的差分决定控制输入。
在此，基于与操作人员请求的操作输入对应的第二目标角速度与输出角速度之间的差分决定舒适度。为此，在操作人员成功地进行了使操作人员请求的对象设备的目标角速度成为与现实的对象设备的目标角速度相同的操作时，舒适度决定部可以将舒适度决定成为具有最高值。因此，操作人员可以舒适地操作对象设备。
而且，根据本实施方式涉及的反馈控制装置，只有当存在操作输入时，第一目标角速度才被决定，对对象设备的控制输入才被决定，对象设备进行动作。为此，可以避免，在操作人员没有操作对象设备时，对象设备自动地开始动作的事态发生，可以确保安全性。
在所述的反馈控制装置，也可以是，所述第一传递函数还由粘性系数而规定，假设所述第一转动惯量为Jref、粘性系数为D，所述第一传递函数为（1／D）／（1＋（Jref／D）·s）。
根据该构成，可以正确地反馈控制对象设备的旋转动作。
在所述的反馈控制装置，也可以是，所述第一目标角速度决定部，将所述粘性系数D作为固定值，调整所述第一转动惯量。
根据该构成，因为调整对象的参数仅为第一转动惯量，可以实现单参数调谐。
在所述的反馈控制装置，也可以是，所述第一目标角速度决定部，还将所述粘性系数D作为参数一边进行调整，一边决定所述第一目标角速度。
根据该构成，可以更准确地反馈控制对象设备的旋转动作。
在所述的反馈控制装置，也可以是，所述对象设备是液压挖掘机的动臂。
根据该构成，可以舒适且安全地操作液压挖掘机的动臂。
在所述的反馈控制装置，也可以是，所述第二目标角速度决定部，具有用于决定与所述操作输入对应的所述第二目标角速度的第二传递函数，所述第二传递函数由表示所述操作人员请求的所述对象设备的转动惯量的第二转动惯量和所述粘性系数而规定，假设所述第二转动惯量为Jh、所述粘性系数为D，所述第二传递函数为（1／D）／（1＋（Jh／D）·s），所述第二转动惯量Jh具有被调整的所述第一转动惯量Jref的值。
根据该构成，可以利用第一转动惯量来决定未知的第二转动惯量。
在所述的反馈控制装置，也可以是，所述舒适度决定部以如下方式设定所述舒适度，所述输出角速度与所述第二目标角速度之间的差分越小则所述舒适度就越大。
根据该构成，在操作人员成功地进行了使操作人员所请求的对象设备的目标角速度成为与现实的对象设备的目标角速度相同的操作时，可以将舒适度设定成比较高的值。

Claims (7)

1.一种反馈控制装置，其特征在于包括：
对象设备，通过操作人员的操作输入被至少旋转操作；
第一目标角速度决定部，基于所述操作输入，利用所述对象设备的传递函数即第一传递函数决定所述对象设备的输出角速度的目标角速度即第一目标角速度，所述第一传递函数由表示所述对象设备的转动惯量的第一转动惯量而规定；
控制部，基于所述第一目标角速度与所述输出角速度之间的差分，决定对所述对象设备的控制输入；
第二目标角速度决定部，基于所述操作输入，决定与所述操作人员请求的所述操作输入对应的所述目标角速度即第二目标角速度；
舒适度决定部，基于所述输出角速度与所述第二目标角速度之间的差分，决定所述操作人员的舒适度；以及，
数据库，依次累积所述第一目标角速度、所述舒适度以及目标舒适度，其中，
所述第一目标角速度决定部，利用被累积在所述数据库中的所述第一目标角速度、所述舒适度以及所述目标舒适度，以使所述目标舒适度与所述舒适度之间的差分变小的方式，调整所述第一转动惯量。
2.根据权利要求1所述的反馈控制装置，其特征在于，
所述第一传递函数还由粘性系数而规定，
假设所述第一转动惯量为Jref、粘性系数为D，所述第一传递函数为（1／D）／（1＋（Jref／D）·s）。
3.根据权利要求2所述的反馈控制装置，其特征在于，
所述第一目标角速度决定部，将所述粘性系数D作为固定值，调整所述第一转动惯量。
4.根据权利要求2所述的反馈控制装置，其特征在于，
所述第一目标角速度决定部，还将所述粘性系数D作为参数一边进行调整，一边决定所述第一目标角速度。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的反馈控制装置，其特征在于，
所述对象设备是液压挖掘机的动臂。
6.根据权利要求2所述的反馈控制装置，其特征在于，
所述第二目标角速度决定部，具有用于决定与所述操作输入对应的所述第二目标角速度的第二传递函数，
所述第二传递函数由表示所述操作人员请求的所述对象设备的转动惯量的第二转动惯量和所述粘性系数而规定，
假设所述第二转动惯量为Jh、所述粘性系数为D，所述第二传递函数为（1／D）／（1＋（Jh／D）·s），
所述第二转动惯量Jh具有被调整了的所述第一转动惯量Jref的值。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的反馈控制装置，其特征在于，
所述舒适度决定部以如下方式设定所述舒适度，所述输出角速度与所述第二目标角速度之间的差分越小则所述舒适度就越大。
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Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US11782402B2 (en) * 2021-07-02 2023-10-10 Mitsubishi Electric Research Laboratories, Inc. Device for controlling a system with polynomial dynamics

Family Cites Families (12)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP0905325A4 (en) * 1996-12-12 2000-05-31 Caterpillar Mitsubishi Ltd CONSTRUCTION MACHINE CONTROL DEVICE
US8086374B2 (en) * 2007-10-19 2011-12-27 Honda Motor Co., Ltd. Steering system
JP5640511B2 (ja) * 2010-07-12 2014-12-17 マツダ株式会社 車両用運転技量育成装置
US8872640B2 (en) * 2011-07-05 2014-10-28 Saudi Arabian Oil Company Systems, computer medium and computer-implemented methods for monitoring health and ergonomic status of drivers of vehicles
US9181682B2 (en) * 2013-04-23 2015-11-10 Caterpillar Inc. Aggressive and stable speed control
JP2016216909A (ja) 2015-05-14 2016-12-22 住友重機械工業株式会社 ショベル
JP6590411B2 (ja) * 2015-10-16 2019-10-16 国立大学法人広島大学 感性評価方法
JP6833195B2 (ja) * 2016-08-30 2021-02-24 国立大学法人広島大学 データ指向型フィードバック制御装置およびデータ指向型フィードバック制御方法
CN110139793B (zh) * 2017-02-02 2021-05-07 日本精工株式会社 电动助力转向装置
US10562562B2 (en) * 2017-02-09 2020-02-18 Nsk Ltd. Electric power steering apparatus
WO2019082271A1 (ja) * 2017-10-24 2019-05-02 日本精工株式会社 電動パワーステアリング装置
CN112739605B (zh) * 2018-12-14 2022-10-04 日本精工株式会社 电动助力转向装置

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