CN116893635A - 控制系统、控制装置、控制方法及控制程序 - Google Patents

控制系统、控制装置、控制方法及控制程序 Download PDF

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Abstract

控制系统、控制装置、控制方法及控制程序。不需要困难的调整就能够提高对指令值的追随性。控制系统具备：根据控制信号而被控制的对象装置(20)；测定对象装置(20)的物理量的传感器(30)；根据物理量及指令值向对象装置(20)输出控制信号并进行反馈控制的控制装置(10)，控制装置(10)具备：生成针对对象装置(20)的指令值的指令值生成部(11)；通过使用了表示控制信号与物理量的关系的动态特性模型、指令值及物理量的模型预测控制来运算指令速度的指令速度运算部(12)；通过使用了对象装置的模型、死区时间、指令速度及物理量的带死区时间补偿的速度控制来生成控制信号并向对象装置输出的控制信号生成部(13)。

Description

控制系统、控制装置、控制方法及控制程序
技术领域
本发明涉及控制系统、控制装置、控制方法及控制程序。
背景技术
在工厂自动化的技术领域中，基于由传感器测定的值对伺服电机等对象装置进行反馈控制。在此，在从对对象装置提供输入到出现与该输入对应的输出为止存在时间差的情况下，反馈控制环路具有死区时间(dead time)。例如，在装置间通过比较低速的有线通信或无线通信连接的情况下，在带式输送机等输送装置的前端进行传感器的测定的情况下，有时产生死区时间。
死区时间成为使控制系统的稳定性和控制性降低的主要原因。因此，通过对包含死区时间的控制系统应用史密斯补偿来补偿死区时间，从而提高稳定性和控制性。
例如，在专利文献1中，在对包含长的死区时间的系统应用史密斯补偿而实现高增益化的基础上，通过设置高通滤波器去除史密斯补偿的弱点即外部干扰引起的偏移。并且，为了改善由高通滤波器引起的相对于指令值的过冲，设置低通滤波器，从输入到该低通滤波器的指令值中去除高频成分。
专利文献1：日本特开2014-81821号公报
然而，在专利文献1记载的结构中，需要组合高通滤波器和低通滤波器进行调整，因此，可以想到很难在要求对指令值的追随性的同时调整高通滤波器和低通滤波器，存在改善的余地。
发明内容
本发明是鉴于这样的情况而完成的，其目的之一在于提供一种不需要困难的调整就能够提高针对指令值的追随性的控制系统、控制装置、控制方法及控制程序。
本发明的一个方式的控制系统具有：对象装置，其根据控制信号而被控制；传感器，其测定对象装置的物理量；以及控制装置，其根据物理量及指令值向对象装置输出控制信号，进行反馈控制，控制装置具有：指令值生成部，其生成针对对象装置的指令值；指令速度运算部，其通过使用了表示控制信号与物理量的关系的动态特性模型、指令值以及物理量的模型预测控制来运算指令速度；以及控制信号生成部，其通过使用了对象装置的模型、死区时间、指令速度及物理量的带死区时间补偿的速度控制来生成控制信号并向对象装置输出。
根据该方式，能够生成针对对象装置的指令值，通过使用了表示控制信号与物理量的关系的动态特性模型、指令值及物理量的模型预测控制来运算指令速度，通过使用了对象装置的模型、死区时间、指令速度及物理量的带死区时间补偿的速度控制来生成控制信号并向对象装置输出。由此，能够在补偿死区时间引起的时间延迟的同时，通过模型预测控制进行控制以使指令值与物理量的偏差变小。
在上述方式中，也可以是，带死区时间补偿的速度控制包括PI控制，带死区时间补偿的速度控制包括模型跟踪型的2自由度控制。
本发明的另一方式的控制系统具有：对象装置，其根据控制信号而被控制；传感器，其测定对象装置的物理量；以及控制装置，其根据物理量及指令值向对象装置输出控制信号，进行反馈控制，控制装置具备第1控制装置和设置在与对象装置及传感器相同的区域的第2控制装置，第1控制装置具有：指令值生成部，其生成针对对象装置的指令值；以及指令速度运算部，其通过使用了表示控制信号与物理量之间的关系的动态特性模型、指令值以及物理量的模型预测控制来运算指令速度并输出到第2控制装置，第2控制装置具有控制信号生成部，控制信号生成部通过使用了对象装置的模型、指令速度以及物理量的速度控制环来生成控制信号并输出到对象装置。
根据该方式，能够生成针对对象装置的指令值，通过使用了表示控制信号与物理量的关系的动态特性模型、指令值及物理量的模型预测控制来运算指令速度，通过使用了对象装置的模型、死区时间、指令速度及物理量的带死区时间补偿的速度控制来生成控制信号并向对象装置输出。由此，能够在补偿死区时间引起的时间延迟的同时，通过模型预测控制进行控制以使指令值与物理量的偏差变小。
在上述方式中，也可以是，速度控制环包含模型跟踪型的2自由度控制。
本发明的另一方式的控制装置根据指令值以及由传感器测定的对象装置的物理量向对象装置输出控制信号，进行反馈控制，控制装置具有：指令值生成部，其生成针对根据控制信号而被控制的对象装置的指令值；指令速度运算部，其通过使用了表示控制信号与物理量的关系的动态特性模型、指令值以及物理量的模型预测控制来运算指令速度；以及控制信号生成部，其通过使用了对象装置的模型、死区时间、指令速度及物理量的带死区时间补偿的速度控制来生成控制信号并向对象装置输出。
根据该方式，能够生成针对对象装置的指令值，通过使用了表示控制信号与物理量的关系的动态特性模型、指令值及物理量的模型预测控制来运算指令速度，通过使用了对象装置的模型、死区时间、指令速度及物理量的带死区时间补偿的速度控制来生成控制信号并向对象装置输出。由此，能够在补偿死区时间引起的时间延迟的同时，通过模型预测控制进行控制以使指令值与物理量的偏差变小。
本发明的另一方式的控制方法由控制装置执行，控制装置根据指令值以及由传感器测定的对象装置的物理量向对象装置输出控制信号，进行反馈控制，控制方法包括：生成针对根据控制信号而被控制的对象装置的指令值；通过使用了表示控制信号与物理量的关系的动态特性模型、指令值以及物理量的模型预测控制来运算指令速度；通过使用了对象装置的模型、死区时间、指令速度及物理量的带死区时间补偿的速度控制来生成控制信号并向对象装置输出。
根据该方式，能够生成针对对象装置的指令值，通过使用了表示控制信号与物理量的关系的动态特性模型、指令值及物理量的模型预测控制来运算指令速度，通过使用了对象装置的模型、死区时间、指令速度及物理量的带死区时间补偿的速度控制来生成控制信号并向对象装置输出。由此，能够在补偿死区时间引起的时间延迟的同时，通过模型预测控制进行控制以使指令值与物理量的偏差变小。
本发明的另一方式的控制程序使控制装置作为指令值生成部、指令速度运算部以及控制信号生成部发挥功能，控制装置根据指令值以及由传感器测定的对象装置的物理量向对象装置输出控制信号，进行反馈控制，指令值生成部生成针对根据控制信号而被控制的对象装置的指令值，指令速度运算部通过使用了表示控制信号与物理量的关系的动态特性模型、指令值以及物理量的模型预测控制来运算指令速度，控制信号生成部通过使用了对象装置的模型、死区时间、指令速度及物理量的带死区时间补偿的速度控制来生成控制信号并向对象装置输出。
根据该方式，能够生成针对对象装置的指令值，通过使用了表示控制信号与物理量的关系的动态特性模型、指令值及物理量的模型预测控制来运算指令速度，通过使用了对象装置的模型、死区时间、指令速度及物理量的带死区时间补偿的速度控制来生成控制信号并向对象装置输出。由此，能够在补偿死区时间引起的时间延迟的同时，通过模型预测控制进行控制以使指令值与物理量的偏差变小。
发明效果
根据本发明，能够提供不需要困难的调整就能够提高针对指令值的追随性的控制系统、控制装置、控制方法及控制程序。
附图说明
图1是示出实施方式的控制系统的网络结构的图。
图2是示出实施方式的控制装置的功能块的图。
图3是实施方式的控制系统的控制框图。
图4是实施方式的控制系统的控制框图。
图5是示出实施方式的控制装置的物理结构的图。
图6是说明由实施方式的控制装置10执行的控制处理的一例的流程图。
图7是示出变形例的控制系统的控制块的图。
图8是示出变形例的控制系统的控制块的图。
图9是表示仿真时的指令值即指令位置的推移的图。
图10a是示出在第1仿真中由实施方式的控制装置控制的对象装置的位置的图。
图10b是示出在第1仿真中由实施方式的控制装置控制的位置与指令值的误差的图。
图10c是示出在第1仿真中由实施方式的控制装置控制的推力的图。
图11a是示出在第1仿真中由比较例1的控制装置控制的对象装置的位置的图。
图11b是示出在第1仿真中由比较例1的控制装置控制的位置与指令值的误差的图。
图11c是示出在第1仿真中由比较例1的控制装置控制的推力的图。
图12a是示出在第1仿真中由比较例2的控制装置控制的对象装置的位置的图。
图12b是示出在第1仿真中由比较例2的控制装置控制的位置与指令值的误差的图。
图12c是示出在第1仿真中由比较例2的控制装置控制的推力的图。
图13是表示第2仿真时施加的外部干扰的图。
图14a是示出在第2仿真中由实施方式的控制装置控制的对象装置的位置的图。
图14b是示出在第2仿真中由实施方式的控制装置控制的位置与指令值的误差的图。
图14c是示出在第2仿真中由实施方式的控制装置控制的推力的图。
图15a是示出在第2仿真中由比较例3的控制装置控制的对象装置的位置的图。
图15b是示出在第2仿真中由比较例3的控制装置控制的位置与指令值的误差的图。
图15c是示出在第2仿真中由比较例3的控制装置控制的推力的图。
图16a是示出在第2仿真中由比较例4的控制装置控制的对象装置的位置的图。
图16b是示出在第2仿真中由比较例4的控制装置控制的位置与指令值的误差的图。
图16c是示出在第2仿真中由比较例4的控制装置控制的推力的图。
图17a是示出在第3仿真中由变形例的控制装置控制的对象装置的位置的图。
图17b是示出在第3仿真中由变形例的控制装置控制的位置与指令值的误差的图。
图17c是示出在第3仿真中由变形例的控制装置控制的推力的图。
图18a是示出在第3仿真中由参考例的控制装置控制的对象装置的位置的图。
图18b是示出在第3仿真中由参考例的控制装置控制的位置与指令值的误差的图。
图18c是示出在第3仿真中由参考例的控制装置控制的推力的图。
图19是示出比较例2的控制系统的控制模块的图。
标号说明
10控制装置；10a CPU；10b RAM；10c ROM；10d通信部；10e输入部；10f显示部；11指令值生成部；12指令速度运算部；13控制信号生成部；14取得部；20对象装置；30传感器；100控制系统。
具体实施方式
参照附图对本发明的优选实施方式进行说明。另外，在各图中，标注了相同符号的部分具有相同或同样的结构。
图1是示出本发明的实施方式的控制系统100的网络结构的图。控制系统100构成为包括：对象装置20，其基于控制信号而被控制；传感器30，其测定对象装置20的物理量；以及控制装置10，其基于由传感器30测定出的物理量以及指令值，向对象装置20发送控制信号而进行反馈控制。
对象装置20只要是基于控制信号而被控制的装置，可以是任何装置。以下，为了具体地进行说明，作为对象装置20，假定由伺服电机控制可动部的位置的装置。此时，指令值是与可动部的位置相关的目标值，控制信号是控制伺服电机的推力(转矩)的信号。
传感器30也可以测量与对象装置20相关的任意物理量。例如，在对象装置20是控制可动部的位置的装置的情况下，传感器30只要测定该可动部的位置即可，物理量为对象装置20的可动部的位置。
控制装置10、对象装置20以及传感器30通过通信网络N以能够相互通信的方式连接。通信网络N可以是有线通信或无线通信的网络，例如也可以是遵循EtherNet/IP或EtherCAT(注册商标)等标准的通信网络，也可以是使用本地5G的通信网络。
图2是示出本实施方式的控制装置10的功能块的图。控制装置10例如具有指令值生成部11、指令速度运算部12、控制信号生成部13以及取得部14作为功能性结构。
指令值生成部11、指令速度运算部12以及控制信号生成部13作为以物理量相对于目标值的偏差变小的方式生成指令值并进行控制的控制部发挥功能。
指令值生成部11例如按照目标位置、移动时间、允许的最大速度以及允许的最大加速度等设定值生成指令值。在控制装置10的控制对象是对象装置20的可动部的位置的情况下，指令值的最终值成为与位置相关的目标值。指令值生成部11可以是控制装置10的结构的一部分，也可以是分体的结构。例如，指令值生成部11也可以作为所谓的控制器的功能部来实现。在该情况下，控制装置10也可以是分开包含所谓的控制器和所谓的驱动器(例如伺服驱动器)的结构。
指令速度运算部12通过使用了表示对象装置20的动态特性的动态特性模型、指令值和物理量的模型预测控制(以下，也称为[MPC](Model Predictive Control))，运算出指令速度。
动态特性模型能够由表示用于控制对象装置20的控制信号与由传感器30测定的对象装置20的物理量的关系的传递函数来规定。
控制信号生成部13通过使用了对象装置20的模型、死区时间、指令速度及物理量的带死区时间补偿的速度控制，生成用于控制对象装置20的控制信号，输出至对象装置20。死区时间补偿可以使用史密斯补偿器进行。带死区时间补偿的速度控制可以使用PI控制进行，也可以使用模型跟踪型的2自由度控制进行。
取得部14取得由传感器30测定出的对象装置20的物理量。所取得的物理量被反馈给指令速度运算部12和控制信号生成部13。
图3及图4是示出本实施方式的控制系统100的控制框图。以下，依次对图3及图4的控制块进行说明。例示性地，以下，说明由控制装置10控制对象装置20的可动部的位置的情况。
对图3的控制块进行说明。图3是使用PI控制以及史密斯补偿进行带死区时间补偿的速度控制时的控制框图。
首先，控制装置10生成指令值r(S40)。在本例的情况下，指令值r是与位置相关的值。
接着，控制装置10将指令值r输入到MPC，输出以使预测的位置与指令值r一致的方式计算出的指令速度(S41)。控制装置10将指令速度输入到PI控制，输出表示推力的控制信号u(S42)。
接着，控制装置10将与死区时间Lm相关的要素(1-e-Lms)与控制信号u相乘(S43)，输入到模型Vm(s)(S44)，估计有死区时间时的速度与假定没有死区时间时的速度之差。通过将其与后述的S47的输出即速度的测定值相加，估计假定为没有死区时间时的速度，反馈给PI控制(S42)。这里，S43和S44由史密斯补偿器处理。
模型Vm(s)是对象装置20的可动部遵循的运动方程式的模型，例如也可以是基于在施加于可动部的推力与惯性力及摩擦力之间成立的运动方程式导出的模型。作为模型Vm(s)，例如可以使用{1/(Jm×s+Cm)}。Jm表示惯性系数的模型值，Cm表示粘性摩擦系数的模型值，s表示拉普拉斯算子。
接着，当控制装置10向对象装置20发送从PI控制输出的控制信号u时，在产生了死区时间的时间延迟e-Ls(S45)后，被控制对象接收(S46)。控制对象的伺服电机由作为控制信号u的推力控制。在此，控制对象可以是对象装置20的一部分(例如可动部)或全部。
控制对象P(s)是对象装置20的可动部遵循的运动方程式的模型，例如可以是基于在施加于可动部的推力与惯性力及摩擦力之间成立的运动方程式导出的模型。作为控制对象P(s)，例如可以使用{1/(J×s+C)s}。J表示惯性系数的值，C表示粘性摩擦系数的值，s表示拉普拉斯算子。
接着，由传感器30读取的控制对象的物理量即位置y被发送给控制装置10，控制装置10将物理量即位置y反馈给MPC(S41)，并且对位置y进行微分而变换为速度(S47)，与史密斯补偿(S43以及S44)的输出值相加而反馈给PI控制(S42)。
控制装置10通过按照每个控制周期重复这样的控制，以使作为物理量的位置y追随指令值r的方式进行控制。
对图4的控制块进行说明。图4是使用模型跟踪型的2自由度控制以及史密斯补偿进行带死区时间补偿的速度控制时的控制框图。
图4的控制块中的与图3的控制块不同的要素是将图3所示的PI控制(S42)置换为图4所示的模型跟踪型的2自由度控制(S42a至S42e)。其他要素与图3的控制块相同。因此，这里主要说明与图3的控制块不同的要素。
图4的模型跟踪型的2自由度控制(S42a至S42e)与图3的PI控制(S42)相同之处在于，控制为与作为控制对象的物理量的位置y对应的速度跟踪从MPC输出的指令速度。
如图4所示，在用于进行模型跟踪型的2自由度控制的控制块中，例如有按照模型速度控制比例增益Kmvp将指令速度变换为加速度的要素(S42a)、对加速度进行积分(1/s)的要素(S42b)、按照速度控制积分增益Kvi以及积分(1/s)调整速度的要素(S42c)、按照速度控制比例增益Kvp将速度变换为加速度的要素(S42d)、将惯性系数的模型值Jm乘以加速度的要素(S42e)。
这里，位于模型部的模型速度控制比例增益Kmvp优选对处于反馈控制部的速度控制比例增益Kvp乘以适当的比率来设定。例如，可以设定为Kmvp＝2×Kvp。
另外，从MPC(S41)来看的控制对象特性GPL(s)可以用以下的(1)式表示。(1)式的Lm表示死区时间，s表示拉普拉斯算子。
GPL(s)＝[1/{1+(1/Kmvp)s}s]e-Lms…(1)
图5是示出本实施方式的控制装置10的物理结构的图。控制装置10具有相当于运算部的CPU(Central Processing Unit)10a、相当于存储部的RAM(Random Access Memory)10b、相当于存储部的ROM(Read Only Memory)10c、通信部10d、输入部10e以及显示部10f。这些各结构经由总线以能够相互收发数据的方式连接。另外，在本例中对控制装置10由一台计算机构成的情况进行说明，但控制装置10也可以通过组合多台计算机来实现。此外，图5所示的结构为一例，控制装置10既可以具有除此之外的结构，也可以不具有这些结构中的一部分。
CPU10a执行存储在RAM10b或ROM10c中的程序，作为进行各种控制、数据的运算和加工的控制部发挥功能。例如，CPU10a执行用于控制对象装置20的程序(控制程序)。另外，CPU10a从输入部10e或通信部10d接收各种数据，将数据的运算结果显示在显示部10f或存储在RAM10b。
RAM 10b是存储部中的可改写数据的存储部，例如可以由半导体存储元件构成。RAM10b例如可以存储CPU10a执行的程序、该程序使用的数据。另外，这些只是例示，在RAM10b中也可以存储这些以外的数据，也可以不存储它们的一部分。
ROM 10c是存储部中的能够读出数据的元件，例如可以由半导体存储元件构成。ROM10c例如可以存储控制程序、不进行改写的数据。
通信部10d是将控制装置10与其他设备连接的接口。通信部10d可以与LAN等通信网络连接。
输入部10e从用户受理数据的输入，例如可以包括键盘以及触摸面板。
显示部10f在视觉上显示CPU10a的运算结果，例如可以由LCD(Liquid CrystalDisplay)构成。显示部10f例如可以按时间序列显示控制信号、物理量。
控制程序可以存储在RAM10b或ROM10c等计算机可读取的存储介质中来提供，也可以经由通过通信部10d连接的通信网络来提供。在控制装置10中，通过CPU10a执行控制程序，实现上述说明的各种功能。另外，这些物理结构是例示，不一定是独立的结构。例如，控制装置10也可以具备CPU10a与RAM10b或ROM10c一体化的LSI(Large-Scale Integration)。
接下来，将参照图6描述由根据本实施例的控制装置10执行的控制处理的示例。
首先，控制装置10执行初始处理(步骤S101)。初始处理例如包括MPC内部模型的离散化处理、速度补偿量计算模型的离散化处理、控制变量的初始化处理等。离散化处理例如包括按每个控制周期分割连续的信息的处理。控制变量的初始化处理例如包括将在MPC中使用的参数初始化为0的处理等。
接着，控制装置10开始控制循环处理。控制循环处理是按照每个控制周期反复执行的处理(后述的步骤S102至步骤S105的处理)。
在控制循环处理中，首先，控制装置10执行基于MPC的位置控制(步骤S102)。
接着，控制装置10执行死区时间补偿的速度补偿量的计算(步骤S103)。
接着，控制装置10执行基于PI控制的速度控制(步骤S104)。
接着，控制装置10判定是否结束控制循环处理(步骤S105)。在该判定为“否”的情况下(步骤S105；否)，将处理转移到上述步骤S102，另一方面，在该判定为“是”的情况下(步骤S105；是)，退出控制循环处理，结束本处理。
[变形例]
以上说明的实施方式在所有方面只不过是本发明的例示。当然可以在不脱离本发明的范围的情况下进行各种改良或变形。即，在实施本发明时，可以适当采用与实施方式相应的具体结构。另外，上述的实施方式是为了容易理解本发明的实施方式，并不是用于限定地解释本发明的实施方式。实施方式具备的各要素及其配置，材料，条件，形状以及尺寸等不限于例示的内容，能够适当变更。
例如，在上述实施方式中，将由图2所示的控制装置10的控制信号生成部13生成的控制信号输出到对象装置20，但控制对象装置20的结构不限于此。作为一例，在对象装置20及传感器30配置在工厂的现场等本地场所(区域)的情况下，也可以在其本地侧设置PI控制器，从该PI控制器向对象装置20输出控制信号。
在该情况下，可以将图2所示的控制装置10的功能结构中的控制信号生成部13设置在本地侧的PI控制器中。并且，可以将由控制装置10的指令速度运算部12运算出的指令速度输出到PI控制器，将由PI控制器的控制信号生成部13生成的控制信号输出到对象装置20。
在此，在上述实施方式的控制系统100中在控制装置10和对象装置20之间产生的死区时间引起的时间延迟e-Ls，在本变形例的控制系统中在控制装置10和PI控制器之间产生。
图7示出本变形例的控制系统的控制框图。由图7的虚线包围的范围成为本地L侧。而且，在本地L侧配置PI控制器、对象装置20以及传感器30。
图7的控制模块与图4的控制模块的不同之处在于，图4的实施方式的控制系统的控制模块中的控制装置10和对象装置20之间产生的死区时间引起的时间延迟e-Ls(S45)在控制装置10和PI控制器之间移动、以及省略了史密斯补偿器的死区时间补偿(S43以及S44)。省略死区时间补偿(S43以及S44)是因为在配置于本地L侧的PI控制器与对象装置20之间不存在死区时间。
图7的符号中的标注了与图4的符号相同的符号的块具有同样的功能，因此，在此省略它们的说明。
作为本变形例的参考例，图8示出将图7的本变形例的控制系统的控制块中的MPC(S41)置换为P控制环(S41P)的控制块。
图8的P控制环(S41P)基于指令值和作为控制对象的物理量的位置y，运算出指令速度并向本地L侧输出。
如图8所示，在P控制环(S41P)中，例如可以包含对位置进行微分(s)而变换为速度的要素(S41a)、按照速度前馈增益Kvff调整速度的要素(S41b)、按照位置控制比例增益Kpp调整位置的要素(S41c)、进行基于史密斯补偿器的死区时间补偿的要素(S41d及S41e)。
从P控制环(S41P)来看的不包含死区时间的控制对象特性GP(s)能够用以下的(2)式表示。(2)式中的s表示拉普拉斯算子。
GP(S)＝1/{1+(1/Kmvp)s}s…(2)
[仿真结果]
以下说明为了验证实施方式的控制系统100的效果而进行的仿真的结果。
[第1仿真]
第1仿真时的条件如下。惯性质量为10[kg]，粘性摩擦系数为0[Ns/m]，控制周期为0.25[ms]，史密斯补偿器的死区时间周期数为20。如图9所示，作为指令值r的指令位置在从时刻10[ms]到250[ms]之间从原点单调增加到100[mm]，移动时的最大加速度为10000[mm/s2]。在该图的曲线图中，横轴表示经过时间[ms]，纵轴表示指令位置[mm]。另外，在第1仿真中，不产生模型误差和外部干扰。
在图10a至图10c中显示针对本实施方式的控制装置10的第1仿真的结果，在图11a至图11c中显示针对比较例1的控制装置的第1仿真的结果，在图12a至图12c中显示针对比较例2的控制装置的第1仿真的结果。
图19示出比较例2的控制装置的控制框图。如该图所示，比较例2的控制装置与本实施方式的控制装置10的不同之处在于，去除图3所示的本实施方式的控制装置10的控制块中的MPC(S41)以及微分要素(S47)，将PI控制(S42)置换为PID控制(S42PI)，将针对速度的模型Vm(s)(S44)置换为针对位置的模型Pm(s)(S44P)。比较例1的控制装置是假设在比较例2的结构中没有死区时间的情况的控制装置。因此，比较例1的控制装置是从图19所示的比较例2的控制装置的控制模块中去除了死区时间(S45)以及史密斯补偿器的死区时间补偿(S43以及S44P)。
图10a是示出由本实施方式的控制装置10控制的对象装置20的位置y1的图。在该图中，用实线表示对象装置20的位置y1，用虚线表示成为指令位置的指令值r。图10b是示出由本实施方式的控制装置10控制的位置y1与指令值r的误差(偏差)的图。图10c是示出由本实施方式的控制装置10控制的推力的图。推力是从控制装置10向对象装置20发送的控制信号。
图11a是示出由比较例1的控制装置控制的对象装置的位置y1a的图。在该图中，用实线表示对象装置的位置y1a，用虚线表示成为指令位置的指令值r。图11b是示出由比较例1的控制装置控制的位置y1a与指令值r的误差(偏差)的图。图11c是示出由比较例1的控制装置控制的推力的图。
图12a是示出由比较例2的控制装置控制的对象装置的位置y1b的图。在该图中，用实线表示对象装置的位置y1b，用虚线表示成为指令位置的指令值r。图12b是示出由比较例2的控制装置控制的位置y1b与指令值r的误差(偏差)的图。图12c是示出由比较例2的控制装置控制的推力的图。
比较本实施方式和比较例1、2，与图11b及图12b所示的比较例1、2的位置误差相比，图10b所示的本实施方式的位置误差被大幅抑制。即，本实施方式显现出与比较例1、2相比能够得到较高的指令跟随性(参照图10b、图11b、图12b)。
另外，本实施方式显现出比没有死区时间的比较例1高的指令追随性是因为MPC使用未来的指令值进行控制，以抵消死区时间及其他因素引起的响应延迟。在史密斯补偿中，预先知道死区时间到达反馈控制环路的外侧，延迟死区时间部分，所以通过先行赋予该死区时间部分的指令值，比较例2能够得到与比较例1同等的追随性。
[第2仿真]
第2仿真是在与第1仿真相同的条件下发生了外部干扰时的仿真。如图13所示，外部干扰在时刻100[ms]到50[ms]之间，脉冲状地加上+50[N]。在该图的曲线图中，横轴表示经过时间[ms]，纵轴表示外部干扰的大小[N]。
在图14a至图14c中显示针对本实施方式的控制装置10的第2仿真的结果，在图15a至图15c中显示针对比较例3的控制装置的第2仿真的结果，在图16a至图16c中显示针对比较例4的控制装置的第2仿真的结果。
比较例3的控制装置与比较例2的控制装置相同。比较例4的控制装置与本实施方式的控制装置10的不同之处在于，将图3所示的本实施方式的控制装置10的控制块中的MPC(S41)替换为P控制。此外，比较例4的控制装置与专利文献1的图7同样，在由史密斯补偿器的死区时间补偿(S43以及S44)的环路中设置高通滤波器，在P控制的前级设置低通滤波器，这一点也与本实施方式的控制装置10不同。在比较例4中，将高通滤波器的设定值例示性地设为{0.01s/(0.01s+1)}，将低通滤波器的设定值例示性地设为{1/(0.01s+1)}。
图14a是示出由本实施方式的控制装置10控制的对象装置20的位置y2的图。在该图中，用实线表示对象装置20的位置y2，用虚线表示成为指令位置的指令值r。图14b是示出由本实施方式的控制装置10控制的位置y2与指令值r的误差(偏差)的图。图14c是示出由本实施方式的控制装置10控制的推力的图。推力是从控制装置10向对象装置20发送的控制信号。
图15a是示出由比较例3的控制装置控制的对象装置的位置y2a的图。在该图中，用实线表示对象装置的位置y2a，用虚线表示成为指令位置的指令值r。图15b是示出由比较例3的控制装置控制的位置y2a与指令值r的误差(偏差)的图。图15c是示出由比较例3的控制装置控制的推力的图。
图16a是示出由比较例4的控制装置控制的对象装置的位置y2b的图。在该图中，用实线表示对象装置的位置y2b，用虚线表示成为指令位置的指令值r。图16b是示出由比较例4的控制装置控制的位置y2b与指令值r的误差(偏差)的图。图16c是示出由比较例4的控制装置控制的推力的图。
比较本实施方式和比较例3、4，与图15b及图16b所示的比较例3、4的位置误差相比，图14b所示的本实施方式的位置误差被大幅抑制。即，本实施方式显现出可得到比比较例3、4高的指令跟随性(参照图14b、图15b、图16b)。
另外，如图15b所示，可知在比较例3中相对于外部干扰发生了偏移。
[第3仿真]
在与第1仿真相同的条件下，对变形例的控制装置和参考例的控制装置进行了仿真。
图17a至图17c示出针对变形例的控制装置的第3仿真的结果，图18a至图18c示出针对参考例的控制装置的第3仿真的结果。
图17a是示出由变形例的控制装置控制的对象装置的位置y3的图。在该图中，用实线表示对象装置的位置y3，用虚线表示作为指令位置的指令值r。图17b是示出由变形例的控制装置控制的位置y3与指令值r的误差(偏差)的图。图17c是示出由变形例的控制装置控制的推力的图。推力是从控制装置向对象装置发送的控制信号。
图18a是示出由参考例的控制装置控制的对象装置的位置y3a的图。在该图中，用实线表示对象装置的位置y3a，用虚线表示作为指令位置的指令值r。图18b是示出由参考例的控制装置控制的位置y3a与指令值r的误差(偏差)的图。图18c是示出由参考例的控制装置控制的推力的图。
比较变形例和参考例，与图18b所示的参考例的位置误差相比，图17b所示的变形例的位置误差被大幅抑制。即，变形例显现出可得到比参考例高的指令跟随性(参照图17b、图18b)。
如上所述，根据实施方式的控制系统100，能够生成针对对象装置20的指令值r，通过使用了表示控制信号u和对象装置20的物理量即位置y的关系的动态特性模型、指令值r及物理量即位置y的MPC，运算指令速度，通过使用了对象装置20的模型、死区时间、指令速度及物理量即位置y的带死区时间补偿的速度控制，生成控制信号u并输出到对象装置20。
由此，能够在补偿死区时间引起的时间延迟e-Ls的同时，通过MPC进行控制以使指令值与作为物理量的位置y之间的偏差变小。
因此，根据实施方式的控制系统100，不需要对高通滤波器和低通滤波器进行困难的调整，就能够提高针对指令值r的追随性。
[附记]
本实施方式的方式包括以下的公开。
(附记1)
一种控制系统(100)，其具有：
对象装置(20)，其根据控制信号而被控制；
传感器(30)，其测定所述对象装置(20)的物理量；以及
控制装置(10)，其根据所述物理量及指令值向所述对象装置(20)输出所述控制信号，进行反馈控制，
所述控制装置(10)具有：
指令值生成部(11)，其生成针对所述对象装置(20)的所述指令值；
指令速度运算部(12)，其通过使用了表示所述控制信号与所述物理量的关系的动态特性模型、所述指令值以及所述物理量的模型预测控制来运算指令速度；以及
控制信号生成部(13)，其通过使用了所述对象装置(20)的模型、死区时间、所述指令速度及所述物理量的带死区时间补偿的速度控制来生成所述控制信号并向所述对象装置(20)输出。
(附记2)
一种控制系统(100)，其具有：
对象装置(20)，其根据控制信号而被控制；
传感器(30)，其测定所述对象装置的物理量；以及
控制装置(10)，其根据所述物理量及指令值向所述对象装置(20)输出所述控制信号，进行反馈控制，
所述控制装置(20)具备第1控制装置和设置在与所述对象装置(20)及所述传感器(30)相同的区域的第2控制装置，
所述第1控制装置具有：
指令值生成部(11)，其生成针对所述对象装置(20)的所述指令值；以及
指令速度运算部(12)，其通过使用了表示所述控制信号与所述物理量之间的关系的动态特性模型、所述指令值以及所述物理量的模型预测控制来运算指令速度并输出到所述第2控制装置，
所述第2控制装置具有控制信号生成部(13)，所述控制信号生成部通过使用了所述对象装置(20)的模型、所述指令速度以及所述物理量的速度控制环来生成所述控制信号并输出到所述对象装置(20)。
(附记3)
一种控制装置(10)，其根据指令值以及由传感器测定的对象装置(20)的物理量向所述对象装置(20)输出控制信号，进行反馈控制，所述控制装置具有：
指令值生成部(11)，其生成针对根据所述控制信号而被控制的所述对象装置(20)的所述指令值；
指令速度运算部(12)，其通过使用了表示所述控制信号与所述物理量的关系的动态特性模型、所述指令值以及所述物理量的模型预测控制来运算指令速度；以及
控制信号生成部(13)，其通过使用了所述对象装置(20)的模型、死区时间、所述指令速度及所述物理量的带死区时间补偿的速度控制来生成所述控制信号并向所述对象装置(20)输出。
(附记4)
一种控制方法，由控制装置(10)执行，所述控制装置根据指令值以及由传感器(30)测定的对象装置(20)的物理量向所述对象装置(20)输出控制信号，进行反馈控制，所述控制方法包括：
生成针对根据所述控制信号而被控制的所述对象装置(20)的所述指令值；
通过使用了表示所述控制信号与所述物理量的关系的动态特性模型、所述指令值以及所述物理量的模型预测控制来运算指令速度；
通过使用了所述对象装置(20)的模型、死区时间、所述指令速度及所述物理量的带死区时间补偿的速度控制来生成所述控制信号并向所述对象装置(20)输出。
(附记5)
一种控制程序，使控制装置(10)作为指令值生成部(11)、指令速度运算部(12)以及控制信号生成部(13)发挥功能，所述控制装置根据指令值以及由传感器测定的对象装置(20)的物理量向所述对象装置(20)输出控制信号，进行反馈控制，
所述指令值生成部(11)生成针对根据所述控制信号而被控制的所述对象装置(20)的所述指令值，
所述指令速度运算部(12)通过使用了表示所述控制信号与所述物理量的关系的动态特性模型、所述指令值以及所述物理量的模型预测控制来运算指令速度，
控制信号生成部(13)通过使用了所述对象装置(20)的模型、死区时间、所述指令速度及所述物理量的带死区时间补偿的速度控制来生成所述控制信号并向所述对象装置(20)输出。

Claims (8)

1.一种控制系统，其具有：
对象装置，其根据控制信号而被控制；
传感器，其测定所述对象装置的物理量；以及
控制装置，其根据所述物理量及指令值向所述对象装置输出所述控制信号，进行反馈控制，
所述控制装置具有：
指令值生成部，其生成针对所述对象装置的所述指令值；
指令速度运算部，其通过使用了表示所述控制信号与所述物理量的关系的动态特性模型、所述指令值以及所述物理量的模型预测控制来运算指令速度；以及
控制信号生成部，其通过使用了所述对象装置的模型、死区时间、所述指令速度及所述物理量的带死区时间补偿的速度控制来生成所述控制信号并向所述对象装置输出。
2.根据权利要求1所述的控制系统，其中，
所述带死区时间补偿的速度控制包括PI控制。
3.根据权利要求1所述的控制系统，其中，
所述带死区时间补偿的速度控制包括模型跟踪型的2自由度控制。
4.一种控制系统，其具有：
对象装置，其根据控制信号而被控制；
传感器，其测定所述对象装置的物理量；以及
控制装置，其根据所述物理量及指令值向所述对象装置输出所述控制信号，进行反馈控制，
所述控制装置具备第1控制装置和设置在与所述对象装置及所述传感器相同的区域的第2控制装置，
所述第1控制装置具有：
指令值生成部，其生成针对所述对象装置的所述指令值；以及
指令速度运算部，其通过使用了表示所述控制信号与所述物理量之间的关系的动态特性模型、所述指令值以及所述物理量的模型预测控制来运算指令速度并输出到所述第2控制装置，
所述第2控制装置具有控制信号生成部，所述控制信号生成部通过使用了所述对象装置的模型、所述指令速度以及所述物理量的速度控制环来生成所述控制信号并输出到所述对象装置。
5.根据权利要求4所述的控制系统，其中，
所述速度控制环包含模型跟踪型的2自由度控制。
6.一种控制装置，其根据指令值以及由传感器测定的对象装置的物理量向所述对象装置输出控制信号，进行反馈控制，所述控制装置具有：
指令值生成部，其生成针对根据所述控制信号而被控制的所述对象装置的所述指令值；
指令速度运算部，其通过使用了表示所述控制信号与所述物理量的关系的动态特性模型、所述指令值以及所述物理量的模型预测控制来运算指令速度；以及
控制信号生成部，其通过使用了所述对象装置的模型、死区时间、所述指令速度及所述物理量的带死区时间补偿的速度控制来生成所述控制信号并向所述对象装置输出。
7.一种控制方法，由控制装置执行，所述控制装置根据指令值以及由传感器测定的对象装置的物理量向所述对象装置输出控制信号，进行反馈控制，所述控制方法包括：
生成针对根据所述控制信号而被控制的所述对象装置的所述指令值；
通过使用了表示所述控制信号与所述物理量的关系的动态特性模型、所述指令值以及所述物理量的模型预测控制来运算指令速度；以及
通过使用了所述对象装置的模型、死区时间、所述指令速度及所述物理量的带死区时间补偿的速度控制来生成所述控制信号并向所述对象装置输出。
8.一种控制程序，使控制装置作为指令值生成部、指令速度运算部以及控制信号生成部发挥功能，所述控制装置根据指令值以及由传感器测定的对象装置的物理量向所述对象装置输出控制信号，进行反馈控制，
所述指令值生成部生成针对根据所述控制信号而被控制的所述对象装置的所述指令值，
所述指令速度运算部通过使用了表示所述控制信号与所述物理量的关系的动态特性模型、所述指令值以及所述物理量的模型预测控制来运算指令速度，
所述控制信号生成部通过使用了所述对象装置的模型、死区时间、所述指令速度及所述物理量的带死区时间补偿的速度控制来生成所述控制信号并向所述对象装置输出。
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