DE60128929T2

DE60128929T2 - Praediktive steuerungsvorrichtung

Info

Publication number: DE60128929T2
Application number: DE60128929T
Authority: DE
Inventors: Hiroshi Kitakyushu-shi NAKAMURA
Original assignee: Yaskawa Electric Corp
Current assignee: Yaskawa Electric Corp
Priority date: 2000-08-18
Filing date: 2001-08-10
Publication date: 2008-02-14
Anticipated expiration: 2021-08-11
Also published as: TW500991B; US6825631B1; DE60128929D1; CN1181416C; JP2002062906A; JP3666578B2; WO2002017023A1; CN1447932A; EP1315054B1; EP1315054A1; EP1315054A4

Description

Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Steuervorrichtung einer Werkzeugmaschine und eines Roboters etc.
Hintergrund der Erfindung
Im Stand der Technik gibt es eine Vorrichtung, die in der XI-ten Ausführungsform der internationalen ungeprüften Patentveröffentlichung No. WO93/20489 offenbart ist, welche vom Anmelder dieser Erfindung als dieser Typ Steuervorrichtung vorgeschlagen wurde. 6 ist ein Blockdiagramm, das eine Konfiguration einer Vorrichtung gemäß der XI-ten Ausführungsform der internationalen ungeprüften Patentveröffentlichung No. WO93/20489 zeigt.
In 6 kennzeichnet i die momentane Zeit, i + x (X ist eine positive ganze Zahl) eine zukünftige Zeit, die im X-Abtasten aus der momentanen Abtastzeit i bei einer Abtastzeit Ts hervorgerufen wird, und i – X eine vergangene Zeit, die durch das X-Abtasten von der Zeit i bei einer Abtastzeit Ts abgelaufen ist. Genauso kennzeichnet r(Y) (Y ist eine ganze Zahl) einen Zielbefehl der Zeit Y, y(Y) eine Ausgabe eines gesteuerten Objekts (nicht dargestellt) bei Zeit Y, und u(Y) eine Eingabe (nachstehend als „Steuereingabe" bezeichnet) in das gesteuerte Objekt (nicht dargestellt) bei Zeit Y. Eine in 6 dargestellte Steuervorrichtung 80 aus dem Stand der Technik ist eine Steuervorrichtung zum in Einklang bringen der Ausgabe eines gesteuerten Objekts (nicht dargestellt) mit einem gegebenen Zielbefehl.
Mit Bezug auf 6 gibt die Steuervorrichtung 80 eine Steuereingabe u(i) in ein gesteuertes Objekt (nicht dargestellt) ein, so dass eine Ausgabe y(i) aus dem Objekt mit einem Zielbefehl r(i) in Einklang gebracht wird, durch Verwenden eines gegebenen zukünftigen Zielbefehls r(i + M) und einer Ausgabe y(i – K) aus dem Objekt als Eingabe. Die Steuervorrichtung 80 umfasst Speicher 81, 82, 83, 84, eine betriebsbereite Einheit 85 und einen Subtrahierer 86. Der Speicher 81 speichert einen Zielbefehl von der K-Abtastvergangenheit in die M-Abtastzukunft, der Speicher 82 speichert Steuerkonstanten, der Speicher 83 speichert die Ausgaben aus einem gesteuerten Objekt der K + Na-Abtastvergangenheit (Na ist eine natürliche Zahl) in die K-Abtastvergangenheit, und der Speicher 84 speichert die Steuereingaben der K + Nb-Vergangenheit (Nb ist eine natürliche Zahl) in die I-Abtastvergangenheit. Der Subtra hierer 86 erlangt einen Fehler zwischen dem Zielbefehl r(i – K) und einer Ausgabe y(i – K) aus dem gesteuerten Objekt.
Die betriebsbereite Einheit 85 ist ein Berechnungselement zum Bestimmen einer Steuereingabe u(i) wie unten dargestellt, so dass eine Leistungsfunktion hinsichtlich sowohl einem zukünftigen Fehlerprädiktionswert, der durch Verwenden eines Transferfunktionsmodells von einer Steuereingabe u(i) zu einer Ausgabe y(i) eines gesteuerten Objekts erhalten wurde, als auch der Steuereingabe minimal wird:
Gemäß der Steuervorrichtung 80 aus dem Stand der Technik kann die Steuerung der hohen Folgegenauigkeit auf das gesteuerte Objekt angewendet werden, da die Steuereingabe so bestimmt ist, dass der zukünftige Fehlerprädiktionswert minimalisiert wird.
Allerdings berechnet in der in 6 dargestellten Steuervorrichtung 80 aus dem Stand der Technik, wenn eine Vorwärtskopplungssteuerung auf das gesteuerte Objekt angewendet wird, die Steuervorrichtung 80 einen zukünftigen Fehler voraus, ohne das Vorwärtskopplungssignal (nachstehend als FF-Signal bezeichnet) zu berücksichtigen, wobei in dem zukünftigen Fehlerprädiktionswert ein Prädiktionsfehler erzeugt wird und sich daraus das Problem der Verschlechterung der Folgegenauigkeit ergibt.
US-A-5 477 449 bezieht sich auf ein prädiktives Steuersystem basierend auf einem hierarchischen Model zum Vorausberechnen einer Manipulation, die auf Basis der Prädiktion einer zukünftigen Bewegung variabel ist, welche einer Steuerung auf Basis des Modellierens dynamischer Eigenschaften eines Steuerobjekts entspricht.
EP-A-0 760 954 bezieht sich auf eine Prädiktionssteuereinrichtung, die ein Übertragungsfunktionsmodell eines zu steuernden Objekts wie zum Beispiel einer Werkzeugmaschine, eines Roboters etc. verwendet.
EP-A-0 587 897 bezieht sich auf eine Prädiktionssteuereinrichtung zum Bestimmen einer Steuereingabe, die in jeder vorbestimmten Abtastperiode auf die Weise an ein Steuerungsobjekt auszugeben ist, dass der Schätzwert einer zukünftigen Abweichung, der von einem Modell des Steuerobjekts erhalten wurde, minimal wird, so dass die Ausgabe des Steuerobjekts mit einer Zielangabe übereinstimmt.
Daher ist ein Ziel der vorliegenden Erfindung, eine Steuervorrichtung bereitzustellen, die verhindert, dass die Prädiktionsgenauigkeit verschlechtert wird, wenn die Vorwärtskopplungssteuerung auf ein gesteuertes Objekt angewendet wird.
Dieses Ziel wird durch eine Prädiktionssteuervorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3 erreicht. Die bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung sind in den Unteransprüchen festgelegt.
Ein weiteres Ziel der Erfindung ist, eine Steuervorrichtung mit hoher Folgegenauigkeit bereitzustellen, deren Prädiktionsgenauigkeit nicht durch ein FF-Signal verschlechtert wird, wenn die Vorwärtskopplungssteuerung auf ein gesteuertes Objekt angewendet wird.
Um das vorstehend beschriebene Problem zu lösen, gibt eine Prädiktionssteuervorrichtung gemäß der Erfindung eine Steuereingabe und ein Vorwärtskopplungssignal an das gesteuerte Objekt aus, so dass die Ausgabe des gesteuerten Objekts mit einem Zielbefehl in Einklang gebracht wird, wobei die Prädiktionssteuervorrichtung einen Vorwärtskopplungssignalerzeugungsbefehlsfilter aufweist, der ein Zielbefehlssignal empfängt, welches Information des zukünftigen Zielbefehls als eine Eingabe ist und ein zukünftiges Befehlsinkrement ausgibt, welches ein Inkrement von einer Abtastperiode zur nächsten Abtastperiode eines Zielbefehlsignals von der momentanen Abtastzeit zu einer Mehrfachabtastzukunft und ein Vorwärtskopplungssignal von dem zukünftigen Zielbefehlsignal ist, und die Prädiktionssteuervorrichtung ferner eine Prädiktionseinrichtung aufweist, die das zukünftige Befehlsinkrement, das Vorwärtskopplungssignal und eine Ausgabe des gesteuerten Objekts an der vergangenen Abtastzeit über Null Abtastung als Eingabe empfängt, den zukünftigen Fehlerprädiktionswert durch Verwenden eines Übertragungsfunktionsmodells aus dem Vorwärtskopplungssignal und der Steuereingabe zur Ausgabe des gesteuerten Objekts erlangt, die Steuereingabe so bestimmt, dass die Leistungsfunktion des Fehlerprägdiktionswerts und der Steuereingabe minimal wird, und die Steuereingabe auf das gesteuerte Objekt anwendet.
Da ein zukünftiger Fehlerprädiktionswert von einem Übertragungsfunktionsmodell unter Berücksichtigung des Vorwärtskopplungssignals erlangt wurde, und die Steuereingabe so bestimmt wird, dass die Leistungsfunktion des zukünftigen Prädiktionswerts und der Steuereingabe minimalisiert wird, wird die Prädiktionsgenauigkeit im Betrieb der Prädiktionssteuereinrichtung durch das Hinzufügen der Vorwärtskopplungssteuerung nicht verschlechtert.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung empfängt der vorstehend beschriebene Vorwärtskopplungssignalerzeugungsbefehlsfilter das vorstehend beschriebene Zielbefehlssignal bei der momentanen Abtastzeit als eine Eingabe und gibt das entsprechende Zielbefehlssignal oder die Inkremente zwischen den jeweiligen Abtastperioden der Signale, die durch das Abtasten des entsprechenden Zielbefehlssignals erhalten worden sind, als die vorstehend beschriebenen Befehlsinkremente aus.
Gemäß der vorliegenden Ausführungsform der Erfindung berechnet der vorstehend beschriebene Vorwärtskopplungssignalerzeugungsbefehlsfilter die vorstehend beschriebenen Vorwärtskopplungssignale und gibt sie aus, welche: FF1(i) = Gain1·Δr(i + m1) FF2(i) = Gain2·{Δr(i + m2) – Δr(i + m2 – 1)}sind, wo i die momentane Abtastzeit ist, Gain1 und Gain2 Konstanten sind, m1 und m2 ganze Zahlen von 0 ≤ m1 ≤ m2 sind, Δr(i + m1) das vorstehend beschriebene Befehlsinkrement der m1-Abtastzukunft ist, und FF₁(i) und FF₂(i) die Vorwärtskopplungssignale sind.
Gemäß der Ausführungsform der Erfindung sind die vorstehend beschriebenen gesteuerten Objekte ein Motor und seine Geschwindigkeitssteuereinrichtung, ist die Steuereingabe ein Geschwindigkeitsbefehl, die Ausgabe des gesteuerten Objekts eine Motorposition und sind die Vorwärtskopplungssignale ein Vorwärtskopplungssignal zur Geschwindigkeitssteuerung und ein Vorwärtskopplungssignal zur Drehmomentsteuerung.
Gemäß der vorliegenden Ausführungsform der Erfindung schließt die vorstehend beschriebene Prädiktionssteuereinrichtung ein: einen Integrator, der die zukünftigen Befehlsinkremente als eine Eingabe empfängt und den Zielbefehl aus der momentanen Abtastzeit zu einer Mehrfachabtastzukunft berechnet; einen Speicherabschnitt, der Konstanten zur Prädiktionssteuerung im Voraus speichert und den durch den Integrator berechneten Zielbefehl, zwei Vorwärtskopplungssignale, die Ausgabe des gesteuerten Objekts und die Steuereingabe empfangt und das vergangene Zielbefehlssignal, die vergangenen Vorwärtskopplungssignale, die vergangene Ausgabe des gesteuerten Objekts und die vergangene Steuereingabe speichert; einen Subtrahierer, der die Ausgabe des gesteuerten Objekts von dem vergangenen Zielbefehl subtrahiert und den vergangenen Fehler erlangt; und eine betriebsbereite Einheit, die als Eingaben den durch den vorstehend beschriebenen Integrator erlangten Zielbefehl, die vergangenen Vorwärtskopplungssignale, die vergangene Ausgabe des gesteuerten Objekts, die vergangene Steuereingabe, die Konstanten zur Prädiktionssteuerung, die durch den Speicherabschnitt gespeichert sind, und den durch den Subtrahierer erhaltenen Fehler empfangt, durch Verwenden eines Diskretzeit-Übertragungsfunktionsmodells, welches
ist, aus dem Vorwärtskopplungssignal und der Steuereingabe zur Ausgabe des gesteuerten Objekts, wo FF₁(z) und FF₂(z) Z-Transformationen der zwei Vorwärtskopplungssignale sind, U(z) eine Z-Transformation aus der obigen Steuereingabe ist, Y(z) eine Z-Transformation der Ausgabe des gesteuerten Objekts ist, Na, Nb, Nc und Nd natürliche Zahlen sind und a₁, a₂, ..., a_Na, b₁, b₂ ..., b_Nb, c₁, c₂, ..., c_Nc, d₁, d₂, ..., d_Nd vorgeschriebene Koeffizienten sind, einen zukünftigen Fehlerprädiktionswert erhält und die Steuereingabe so bestimmt und ausgibt, dass die Leistungsfunktion des entsprechenden zukünftigen Fehlerprädiktionswerts und der Steuereingabe minimalisiert wird.
Gemäß der Ausführungsform der Erfindung berechnet die vorstehend beschriebene betriebsbereite Einheit die vorstehend beschriebene Steuereingabe und gibt sie aus, welche
ist, wo x eine ganze Zahl ist, die eine Abtastzeit anzeigt, FF₁(x) und FF₂(x) zwei Vorwärtskopplungssignale sind, u(x) die Steuereingabe ist, y(x) die Ausgabe des gesteuerten Objekts ist, r(x) der Zielbefehl ist, M, Na, Nb, Nc und Nd natürliche Zahlen sind, K eine ganze Zahl von K ≥ 0 ist, qm, pn, E, gn, xn und tn die Konstanten zur vorstehend beschriebenen Prädiktionssteuerung sind und i die momentane Abtastzeit ist.
Gemäß einer anderen Ausführungsform der Erfindung schließt die Prädiktionssteuervorrichtung ein: eine erste Differenzeinheit, welche die zwei Vorwärtskopplungssignale als Eingaben empfangt und die Inkremente der jeweiligen Abtastperioden der entsprechenden Vorwärtskopplungssignale als Vorwärtskopplungssignalinkremente erlangt; eine zweite Differenzeinheit, welche die vergangene Ausgabe des gesteuerten Objekts als eine Eingabe empfängt und die Inkremente der jeweiligen Abtastperioden der entsprechenden Ausgabe des gesteuerten Objekts als die vergangenen Ausgabeinkremente des gesteuerten Objekts erlangt; einen Speicherabschnitt, der die Konstanten zur Prädiktionssteuerung im Voraus speichert, als Eingaben die Befehlsinkremente, zwei durch die erste Differenzeinheit erlangte Vorwärtskopplungssignalinkremente, ein durch die zweite Differenzeinheit erlangtes Ausgabeinkrement, die Steuereingabe und das Inkrement der Steuereingabe empfängt und das vergangene Befehlsinkrement, die vergangenen Vorwärtskopplungssignalinkremente, das vergangene Ausgabeinkrement, die vergangene Steuereingabe und das vergangene Inkrement der Steuereingabe speichert; einen Subtrahierer, der das vergangene Ausgabeinkrement von dem vergangenen Befehlsinkrement subtrahiert und ein Inkrement des vergangenen Fehlers erlangt; einen ersten Integrator, der das Inkrement des durch den Subtrahierer erlangten Fehlers integriert und den vorstehend beschriebenen Fehler erlangt; eine betriebsbereite Einheit, die als Eingaben das zukünftige Befehlsinkrement, das vergangene Befehlsinkrement, die vergangenen Vorwärtskopplungssignalsinkremente, das vergangene Ausgabeinkrement, die vergangene Steuereingabe, das Inkrement der vergangenen Steuereingabe sowie die Konstanten zur Prädiktionssteuerung, die durch den Speicherabschnitt gespeichert sind, und den durch den ersten Integrator erlangten Fehler empfängt, durch Verwenden eines Diskretzeit-Übertragungsfunktionsmodells aus den Vorwärtskopplungssignalen und der Steuereingabe zur Ausgabe des gesteuerten Objekts, welches Y(z) = {(b1z–1 + ... + bNbz–Nb)U(z) + (d1z–1 + ... + dNdz–Nd)FF1(z) + (c1z–1 + ... + cNcz–Nc)FF2(z)}/(1 – a1z–1 – ... –aNaz–Na)ist, wo FF₁(z) und FF₂(z) Z-Transformationen der zwei Vorwärtskopplungssignale sind, U(z) eine Z-Transformation der Steuereingabe ist, Y(z) eine Z-Transformation der Ausgabe des gesteuerten Objekts ist, Na, Nb, Nc und Nd natürliche Zahlen sind und a₁, a₂, ..., a_Na, b₁, b₂ ..., b_Nb, c₁, c₂, ..., c_Nc, d₁, d₂, ..., d_Nd vorgeschriebene Koeffizienten sind, einen zukünftigen Fehlerprädiktionswert erlangt und das Inkrement der Steuereingabe so bestimmt und ausgibt, dass die Leistungsfunktion hinsichtlich des entsprechenden zukünftigen Fehlerprädiktionswerts und der Steuereingabe minimalisiert wird; und einen zweiten Integrator, der das Inkrement der von der vorstehend beschriebenen betriebsbereiten Einheit ausgegebenen Steuereingabe integriert und die Steuereingabe erlangt.
Gemäß der Ausführungsform der Erfindung berechnet die vorstehend beschriebene betriebsbereite Einheit das Inkrement der Steuereingabe und gibt es aus, welches:
ist, wo ΔFF₁(x) und ΔFF₂(x) Inkremente der zwei Vorwärtskopplungssignale sind, Δu(x) ein Inkrement der Steuereingabe ist, Δy(x) das Ausgabeinkrement ist, Δr(x) das Befehlsinkrement ist, e(x) der Fehler ist, M, Na Nb, Nc und Nd natürliche Zahlen sind, K eine ganze Zahl von K ≥ 0 ist, vm, pn, E, gn, xn und tn und F die Konstanten zur Prädiktionssteuerung sind und i die momentane Abtastzeit ist.
Gemäß einer noch anderen Ausführungsform der Erfindung schließt die vorstehend beschriebene Prädiktionssteuereinrichtung ein: eine Differenzeinheit, welche die vergangene Ausgabe des gesteuerten Objekts als eine Eingabe empfängt und die Inkremente der jeweiligen Abtastperioden der entsprechenden Ausgabe des gesteuerten Objekts als die vergangenen Ausgabeinkremente erlangt; einen Speicherabschnitt, der die Konstanten zur Prädiktionssteuerung im Voraus speichert und als Eingaben die Befehlsinkremente, zwei Vorwärtskopplungssignale, das durch die Differenzeinrichtung erhaltene Ausgabeinkrement und die Steuereingabe empfängt und das vergangene Befehlsinkrement, die vergangenen Vorwärtskopplungssignale, das vergangene Ausgabeinkrement, und die vergangene Steuereingabe speichert; einen Subtrahierer, der das vergangene Ausgabeinkrement von dem vergangenen Befehlsinkrement subtrahiert und die Inkremente des vergangenen Fehlers erlangt; einen Integrator, der das Inkrement des durch den Subtrahierer erhaltenen Fehlers integriert und den Fehler erlangt; eine betriebsbereite Einheit, die als Eingaben die zukünftigen Befehlsinkremente, das vergangene Befehlsinkrement, das vergangene Vorwärtskopplungssignalinkrement, das vergangene Ausgabeinkrement, die vergangene Steuereingabe, die Konstanten zur Prädiktionssteuerung, die durch den Speicherabschnitt gespeichert sind, und den durch den Integrator erlangten Fehler empfängt, durch Verwenden eines Diskretzeit-Übertragungsfunktionsmodells aus den Vorwärtskopplungssignalen und der Steuereingabe zur Ausgabe des gesteuerten Objekts, welches Y(z) = {(b1z–1 + ... + bNbz–Nb)U(z) + (d1z–1 + ... + dNdz–Nd)FF1(z) + (c1z–1 + ... + cNcz–Nc)FF2(z)}/{(1 – z–1)(1 –a1z–1 – ... –aNaz–Na)} ist, wo FF₁(z) und FF₂(z) Z-Transformationen der zwei Vorwärtskopplungssignale sind, U(z) eine Z-Transformation der Steuereingabe ist, Y(z) eine Z-Transformation der Ausgabe des gesteuerten Objekts ist, Na, Nb, Nc und Nd natürliche Zahlen sind und a₁, a2, ..., a_Na, b₁, b₂ ..., b_Nb, c₁, c₂, ..., c_Nc, d₁, d₂, ..., d_Nd vorgeschriebene Koeffizienten sind, einen zukünftigen Fehlerprädiktionswert erlangt und die Steuereingabe so bestimmt und ausgibt, dass die Leistungs funktion hinsichtlich des entsprechenden zukünftigen Fehlerprädiktionswerts und der Steuereingabe minimalisiert wird.
Gemäß der Ausführungsform der Erfindung berechnet die vorstehend beschriebene betriebsbereite Einheit die vorstehend beschriebene Steuereingabe und gibt sie aus, welche
ist, wo x eine ganze Zahl ist, die eine Abtastzeit anzeigt, FF₁(x) und FF₂(x) die zwei Vorwärtskopplungssignale sind, Δu(x) die Steuereingabe ist, Δy(x) das Ausgabeinkrement ist, Δr(x) das Befehlsinkrement, e(x) der Fehler ist, vm, pn, E, gn, xn und tn die Konstanten zur Prädiktionssteuerung sind und i die momentane Abtastzeit ist.
Gemäß der Erfindung und den Berechnungen der Prädiktionssteuereinrichtung wird ein zukünftiger Fehlerprädiktionswert durch ein Übertragungsfunktionsmodell erlangt, in dem die Vorwärtskopplungssignale berücksichtigt werden, und die Steuereingabe wird so bestimmt, dass die Leistungsfunktion hinsichtlich des zukünftigen Prädiktionswerts und der Steuereingabe minimalisiert wird. Daher wird die Prädiktionsgenauigkeit durch das Hinzufügen der Vorwärtskopplungssteuerung, wobei die Steuerung der hohen Folgegenauigkeit ermöglicht wird, nicht verschlechtert.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
1 ist ein Blockdiagramm, das eine Konfiguration einer Prädiktionssteuervorrichtung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung zeigt;
2 ist ein Blockdiagramm, das eine Konfiguration eines FF-Signalerzeugungsbefehlsfilters gemäß der Ausführungsform zeigt;
3 ist ein Blockdiagramm, das eine Konfiguration einer Prädiktionssteuereinrichtung gemäß der Ausführungsform zeigt;
4 ist ein Blockdiagramm, das eine Konfiguration einer Prädiktionssteuereinrichtung 4 gemäß einer anderen Konfiguration der Prädiktionssteuervorrichtung der Erfindung zeigt;
5 ist ein Blockdiagramm, das eine Konfiguration einer Prädiktionssteuereinrichtung 6 gemäß einer noch anderen Konfiguration der Prädiktionssteuervorrichtung der Erfindung zeigt;
6 ist ein Blockdiagramm, das eine Konfiguration einer Steuereinrichtung aus dem Stand der Technik zeigt; und
7 ist ein Blockdiagramm, das eine Konfiguration eines gesteuerten Objekts gemäß der vorliegenden Ausführungsform zeigt.
Bester Modus zum Ausführen der Erfindung
Nachstehend wird eine Ausführungsform der Erfindung mit Bezug auf die beiliegenden Zeichnungen ausführlich beschrieben.
1 ist ein Blockdiagramm, das eine Konfiguration einer Prädiktionssteuervorrichtung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung zeigt. Mit Bezug auf 1 gibt eine Prädiktionssteuervorrichtung 1 gemäß der vorliegenden Ausführungsform die Steuereingabe u(i) und die FF-Signale an ein gesteuertes Objekt aus, so dass die Ausgabe des gesteuerten Objekts mit einem Zielbefehl in Einklang gebracht wird, und schließt einen FF-Signalerzeugungsbefehlsfilter 2 und eine Prädiktionssteuereinrichtung 3 ein.
Außerdem ist, wie in 7 dargestellt, das gesteuerte Objekt 9 gemäß der Ausführungsform beispielsweise ein Motor 91 und seine Geschwindigkeitssteuerung 92. Allerdings ist die Prädiktionssteuervorrichtung 1 gemäß der Ausführungsform nicht auf die Steuerung des Motors und seine Geschwindigkeitssteuerung begrenzt. Sie kann auch für andere gesteuerte Objekte verwendet werden, für die eine Vorwärtskopplungssteuerung ausgeführt wird. Zum Beispiel kann die Prädiktionssteuervorrichtung 1 für eine Prozesssteuerung verwendet werden, die Temperatur, Feuchtigkeit, Druck, Fließgeschwindigkeit etc. in einem chemischen Reaktionsprozess in einer Chemiefabrik steuert. Eine Steuereingabe u(i) ist ebenfalls ein Geschwindigkeitsbefehl für die Geschwindigkeitssteuereinrichtung 92, eine Ausgabe y(i – K) des gesteuerten Objekts 9 ist eine Motorposition des Motors 91 der K-Abtastvergangenheit (eine ganze Zahl von K ≥ 0), und die FF-Signale schließen ein FF-Signal V_FF(i) zur Geschwindigkeitssteuerung und ein FF-Signal T_FF(i) zur Drehmomentsteuerung ein.
Der FF-Signalerzeugungsbefehlsfilter 2 empfängt Informationen hinsichtlich eines zukünftigen Zielbefehls bei der momentanen Abtastzeit i als eine Eingabe und gibt die Befehlsinkremente Δr(i), Δr(i + M) an die M-Abtastzukunft (M ist eine natürliche Zahl) sowie die FF-Signale V_FF(i) und T_FF(i) aus. Auch Variablen mit Δ etc. kennzeichnen ein Inkrement in einer Abtastperiode.
2 ist ein Blockdiagramm, das eine Konfiguration eines FF-Signalerzeugungsbefehlsfilters gemäß der Ausführungsform zeigt. Mit Bezug auf 2 schließt der FF-Signalerzeugungsbefehlsfilter 2 einen Filter 21, einen Speicher 22 und eine betriebsbereite Einheit 23 für das FF-Signal ein. Der Filter 21 empfängt Informationen hinsichtlich eines zukünftigen Zierbefehls als eine Eingabe und gibt die Inkremente für die jeweiligen Abtastperioden in einer M-Abtastzukunft des eingegebenen Signals oder einem Signal, welches durch Filtern des eingegebenen Signals durch einen internen digitalen Filter (nicht dargestellt) erhalten wurde, als ein Befehlsinkrement Δr(i + M) aus.
Der digitale Filter kann jeder zum Filtern des Zielbefehls verwendbare Filtertyp sein. Zum Beispiel kann er ein IIR-Filter sein, dessen Impulsantwort eine unbestimmte Länge ist oder ein FIR-Filter, dessen Impulsantwort eine bestimmte Länge ist. Ferner kann der Filter ein Tiefpassfilter, ein Kerbfilter oder ein Filter zum Erzeugen eines Signals zum Unterdrücken der Vibrationen der Ausgabe des gesteuerten Objekts sein, wobei die dynamischen Eigenschaften des gesteuerten Objekts berücksichtigt werden.
Der Speicher 22 speichert die nacheinander aus dem Filter 21 ausgegebenen Befehlsinkremente und gibt die Befehlsinkremente Δr(i), Δr(i + 1), ..., Δr(i + M) von der momentanen Zeit i an die M-Abtastzukunft aus.
Die betriebsbereite Einheit des FF-Signals 23 erlangt die FF-Signale V_FF(i) und T_FF(i) aus den vom Speicher 22 ausgegebenen Befehlsinkrementen Δr(i), Δr(i + 1), ..., Δr(i + M) und gibt sie aus. Ein operationaler Ausdruck zum Erlangen von FF-Signalen ist nicht besonders begrenzt. Er kann zum Beispiel eine auf das gesteuerte Objekt 9 wirkende äußere Störung leugnen, wenn sie verstanden wird, oder kann VFF(i) = Gain1·Ar(i + m1) TFFGain2·(Ar0 + m2) – Ar(i + m2 – 1)) sein.
Hier sind Gain1 und Gain2 Multiplizierer. Δr(i + m1) ist ein Befehlsinkrement einer m1-Abtastzeitzukunft. Und m1 und m2 sind ganze Zahlen, die 0 ≤ m1 ≤ m2 erfüllen.
3 ist ein Blockdiagramm, das eine Konfiguration der Prädiktionssteuereinrichtung 3 gemäß der vorliegenden Ausführungsform zeigt. Die Prädiktionssteuereinrichtung 3 empfängt als Eingaben die FF-Signale V_FF(i) und T_FF(i), die Befehlsinkremente Δr(i), Δr(i + 1), Δr(i + M) und die Ausgabe y(i – K) des gesteuerten Objekts 9, erlangt einen zukünftigen Fehlerprädiktionswert durch Verwenden eines Übertragungsfunktionsmodells von den FF-Signalen und der Steuereingabe zur Ausgabe, und bestimmt und gibt die Steuereingabe u(i) aus, so dass die Leistungsfunktion hinsichtlich des zukünftigen Fehlerprädiktionswert und der Steuereingabe u(i) minimalisiert wird.
Mit Bezug auf 3 schließt die Prädiktionssteuereinrichtung 3 einen Integrator 31 und Speicher 32, 33, 34, 35, 38 und 39, einen Subtrahierer 37 und eine betriebsbereite Einheit 36 ein. Der Integrator 31 erlangt die zukünftigen Befehlswerte r(1), r(i + 1), ..., r(i + M) aus den zukünftigen Befehlsinkrementen Δr(i), Δr(i + 1), ..., Δr(i + M). Der Speicher 32 empfängt die aus dem Integrator 31 als Eingaben ausgegebenen Befehlswerte r(i + 1), r(i + 2), ..., r(i + M) und speichert die Befehlswerte r(i – 1), r(i – 2), ..., r(i – K). Der Speicher 33 speichert die Konstanten zur Prädiktionssteuerung, die qm(m = 1, 2, ..., M), pn(n = 0, 1, ..., Na), E, gn(n = 1, 2, ..., Nb + K), xn(n = 0, 1, ..., Nd + K) und tn(n = 0, 1, ..., Nc + K) sind. Der Speicher 34 empfangt die Ausgabe y(i – K) des gesteuerten Objekts 9 und speichert die vergangenen Ausgaben y(i – K), y(i – K – 1), y(i – K – Na). Auch Na ist eine natürliche Zahl. Der Speicher 35 empfängt die Steuereingabe u(i) als eine Eingabe und speichert die vergangenen Steuereingaben u(i – 1), u(i – 2), ..., u(i – K – Nb). Auch Nb ist eine natürliche Zahl. Der Speicher 38 empfängt ein FF-Signal V_FF(i) als eine Eingabe und speichert die vergangenen FF-Signale V_FF(i), V_FF(i – 1), ..., V_FF(i – K – Nd). Auch Nd ist eine natürliche Zahl. Der Speicher 39 empfängt ein FF-Signal T_FF(i) und speichert die vergangenen FF-Signale T_FF(i), T_FF(i – 1), ..., T_FF(i – K – Nc). Auch Nc ist eine natürliche Zahl. Der Subtrahierer 37 erlangt einen Fehler e(i – K) zwischen dem im Speicher 32 gespeicherten Befehlswert r(i – K) und der Ausgabe y(i – K) des gesteuerten Objekts 9. Die betriebsbereite Einheit 36 berechnet die Steuereingabe u(i) der momentanen Zeit durch Berechnungen mithilfe des Ausdrucks (1) und gibt sie an das gesteuerte Objekt 9 aus.
Da die Prädiktionssteuervorrichtung 1 gemäß der vorliegenden Ausführungsform die Speicher 38 und 39 einschließt, die FF-Signale in der Prädiktionssteuereinrichtung 3 speichert und die FF-Signale in den von der betriebsbereiten Einheit 36 durchgeführten Berechnungen berücksichtigt werden, wird die Prädiktionsgenauigkeit durch das Hinzufügen der Vorwärtskopplungssteuerung nicht verschlechtert, und da ferner die FF-Signale effektiv verwendet werden, ist die Folgegenauigkeit hinsichtlich eines Zielbefehls hoch.
Die Prädiktionssteuervorrichtung 1 gemäß der Ausführungsform kann auch andere Konfigurationen einer Prädiktionssteuereinrichtung als die Prädiktionssteuereinrichtung 3 verwenden.
4 ist ein Blockdiagramm, das eine Konfiguration einer Prädiktionssteuereinrichtung 4 einer anderen Konfiguration der Prädiktionssteuervorrichtung 1 gemäß der Erfindung zeigt. Mit Bezug auf 4 schließt die Prädiktionssteuereinrichtung 4 Integratoren 41, 42, Differenzeinheiten 43, 44 und 45, Speicher 46, 47, 48, 49, 50, 53 und 54, eine betriebsbereite Einheit 51 und einen Subtrahierer 52 ein. Der Speicher 46 empfängt die zukünftigen Befehlsinkremente Δr(i), Δr(i + 1), ..., Δr(i + M) als Eingaben und speichert die Befehlswertinkremente Δr(i – 1), Δr(i – 2), ..., Δr(i – K). Der Speicher 47 speichert die Konstanten vm(m = –K + 1, –K + 2, ..., M), pn(n = 0, 1, ..., Na – 1), E, gn(n = 1, 2, ..., Nb + K – 1), xn(n = 0, 1, ... Nd + K – 1), tn(n = 0, 1, ... , Nc + K – 1) und F. Die Differenzeinheit 43 empfängt die Ausgabe y(i – K) des gesteuerten Objekts 9 und erlangt ein Ausgabeinkrement Δy(i – K) zwischen den jeweiligen Abtastperioden. Der Speicher 48 empfangt die Ausgabe Δy(i – K) als Eingabe und speichert die vergangenen Ausgabeinkremente Δy(i – K – Na + 1), Δy(i – K – Na + 2), ..., Δy(i – K – Na). Der Speicher 49 empfängt ein Inkrement Δu(i) der Steuereingabe, das eine Ausgabe der betriebsbereiten Einheit 51 ist, als eine Eingabe und speichert die Inkremente Δu(i – K – Nb + 1), Δu(i – K – Nb + 2), Δu(i – 1) der vergangenen Steuereingabe. Der Speicher 50 empfängt die Steuereingabe u(i), die eine Ausgabe des Integrators 42 ist, als eine Eingabe und speichert die vergangene Steuereingabe u(i – 1). Die Differenzeinheit 44 empfängt das FF-Signal V_FF(i) als eine Eingabe und erlangt ein Inkrement ΔV_FF(i) zwischen den Abtastperioden. Der Speicher 53 empfängt ein Inkrement ΔV_FF(i) des FF-Signals als eine Eingabe und speichert die vergangenen Inkremente ΔV_FF(i – K – Nd + 1), ΔV_FF(i – K – Nc1 + 2), ..., ΔV_FF(i). Die Differenzeinheit 45 empfängt das FF-Signal T_FF(i) als eine Eingabe und erlangt ein Inkrement ΔT_FF(i) zwischen den Abtastperioden. Der Speicher 54 empfängt ein Inkrement ΔT_FF(i) des FF-Signals als eine Eingabe und speichert die vergangenen Inkremente ΔT_FF(i – K – Nc + 1), ΔT_FF(i – K – Nc + 2), ..., ΔT_FF(i). Der Subtrahierer 52 erlangt einen Fehler Δe(i – K) zwischen dem im Speicher 46 gespeicherten Befehlsinkrement Δr(i – K) und dem von der Differenzeinheit 43 ausgegebenen Ausgabeinkrement Δy(i – K).
Der Integrator 41 integriert einen Differenzwert Δe(i – K) und erlangt einen Fehler e(i – K). Die betriebsbereite Einheit 51 berechnet das Steuereingabeinkrement Δu(i) der momentanen Zeit durch Berechnungen des Ausdrucks (2). Der Integrator 42 integriert das Steuereingabeinkrement Δu(i), erlangt eine Steuereingabe u(i) und gibt sie an das gesteuerte Objekt 9 aus.
Wie im Falle der Prädiktionssteuereinrichtung 3 ist es möglich, die hohe Prädiktionsgenauigkeit durch die Prädiktionssteuervorrichtung 1 durch Verwenden der Prädiktionssteuereinrichtung 4 zu erhalten.
5 ist ein Blockdiagramm, das eine Konfiguration einer Prädiktionssteuereinrichtung 6 gemäß einer noch anderen Konfiguration der Prädiktionssteuervorrichtung 1 der Erfindung zeigt. Mit Bezug auf 5 schließt die Prädiktionssteuereinrichtung 6 einen Integrator 41, eine Differenzeinheit 43, Speicher 46, 61, 48, 62, 64 und 65, eine betriebsbereite Einheit 63 und einen Subtrahierer 52 ein. Der Integrator 41, die Differenzeinheit 43, die Speicher 46 und 48 und der Subtrahierer 52 sind dieselben wie die in 4. Der Speicher 61 speichert die Konstanten vm(m = – K + 1, – K + 2, ..., M), pn(n = 0, 1, ..., Na – 1), E, gn(n = 1, 2, ..., Nb + K – 1), xn(n = 0, 1, ..., Nd + K – 1), tn(n = 0, 1, ..., Nc + K – 1). Der Speicher 62 empfängt eine Steuereingabe u(i), die eine Ausgabe der betriebsbereiten Einheit 63 ist, als eine Eingabe und speichert die vergangenen Steuereingaben u(i – K – Nb + 1), u(i – K – Nb + 2), ..., u(i – 1). Der Speicher 64 empfängt ein FF-Signal V_FF(i) als eine Eingabe und speichert die vergangenen FF-Signale V_FF(i – K – Nd + 1), ..., V_FF(i – K – Nd + 2), ..., V_FF(i). Der Speicher 65 empfängt ein FF-Signal T_FF(i) als eine Eingabe und speichert die vergangenen FF-Signale T_FF(i – K – Nc + 1), T_FF(i – K – Nc + 2), ..., T_FF(i). Die betriebsbereite Einheit 63 berechnet die Steuereingabe u(i) der momentanen Zeit durch Berechnungen des Ausdrucks (3) und gibt sie an das gesteuerte Objekt 9 aus.
Wie im Falle der Prädiktionssteuereinrichtungen 3 und 4 ist es möglich, die hohe Prädiktionsgenauigkeit durch die Prädiktionssteuervorrichtung 1 durch Verwenden der Prädiktionssteuereinrichtung 6 zu erhalten.
Als Nächstes werden die vorstehend erwähnten Ausdrücke (1) bis (3) beschrieben. Zuerst wird der Ausdruck (1) hergeleitet. Es wird angenommen, dass das Diskretzeit-Übertragungsfunktionsmodell des gesteuerten Objekts 9 von den zwei FF-Signalen V_FF(i), T_FF(i) und der Steuereingabe u(i) zur Ausgabe y(i) erhalten wird durch: Y(z) = {(b1z–1 + ... + bNbz–Nb)U(z) + (d1z–1 + ... + dNdz–Nd)VFF(z) + (c1z–1 + ... + cNcz–Nc)TFF(z)}/(1 – a1z–1 – .... –aNaz–Na) (4)
Hier sind Y(z), U(z), V_FF(z) und T_FF(z) Z-Transformationen von y(i), u(i), V_FF(i) und T_FF(i).
In diesem Fall wird das Eingabe- und Ausgabemodell zu:
Bei Zeit i wird es, wenn der Modellschätzwert, der nach der Ausgabe bei Zeit i – K y^ (i + m)(m = – K + 1, – K + 2, ...),ist, hinsichtlich eines tatsächlich gemessenen Werts ŷ(i – n)(n = 1, K + 1, ...) ausgedrückt wird, weil die folgenden Ausdrücke (6a) und (6b) etabliert sind,
zu:
Hier, wo angenommen wird, dass die zukünftige Steuereingabe und das Vorwärtskopplungssignal u(j) = u(i), V_FF(j) = V_FF(i), T_FF(j) = T_FF(i)(j = i + 1, i + 2, ...) sind, sind die Koeffizienten a / ^mn, ^bmn, ^dmn, c / ^mn gegeben durch:
Hier ist an = 0(n > Na), bn = 0(n < 1 und n > Nb), dn = 0 (n < 1 und n > Nd), cn = 0 (n < 1 und n > Nc). Wenn die Ausgaben nach der Zeit i – K berechnet werden durch
und der Ausgabeprädiktionswert y*(i + m), wie nachstehend dargestellt, ausgedrückt wird
werden die Koeffizienten Amn, Bmn, Dmn und Cmn zu:
Hier bn = dn = cn = 0(n < 1), a^ m(Na + K) = b^ m(Nb + K) = d^ m(Nd + K) = c^ m(Nc + K) = 0
Daher kann, wenn der zukünftige Prädiktionswert e*(i + m) gegeben ist als e*(i + m) = r(i + m) – y*(i + m) m = 1, 2 ..., M (15)und die Steuereingabe u(i) so bestimmt wird, dass die Leistungsfunktion von
minimalisiert wird, der Ausdruck (1) durch ∂J/∂u(i) = 0 erhalten werden. Die jeweiligen Konstanten von qm, E, pn, gn, xn und tn sind:
Gemäß dem Vorstehenden ist es durch Verwenden eines Übertragungsfunktionsmodells (Ausdruck (4)), in dem die FF-Signale V_FF(i) und T_FF(i) berücksichtigt werden, möglich, dem gesteuerten Objekt 9 eine Steuereingabe u(i) zu geben, so dass die Leistungsfunktion J (Ausdruck (16)) minimalisiert wird, wobei es möglich wird, mit hoher Folgegenauigkeit zu steuern, wobei die Prädiktionsgenauigkeit durch die Vorwärtskopplungssteuerung nicht ver schlechtert wird.
Im nächsten Schritt wird Ausdruck (2) hergeleitet. Durch Verwenden eines Diskretzeit-Übertragungsfunktionsmodells des gesteuerten Objekts von den zwei FF-Signalen V_FF(i) und T_FF(i) und der Steuereingabe u(i) zur Ausgabe y(i), welche Y(z) = {(b1z–1 + ... + bNbz–Nb)U(z) + (d1z–1 + ... + dNdz–Nd)VFF(z) + (c1z–1 + ... + cNcz–Nc)TFF(z)}/(1 – a1z–1 – .... –aNaz–Na) (18)ist, bei Zeit (i), wird das Ausgabeinkrement nach der Zeit i – K vorausberechnet durch:
und der Ausgabeinkrementprädiktionswert Δy*(i + M) wird
Hier, wo angenommen wird, dass eine zukünftige Steuereingabe und ein Vorwärtskopplungssignal Δu(j) = ΔV_FF(j) = ΔT_FF(i) = 0, j = i + 1, i + 2, ...) sind, werden die Koeffizienten Amn, Bmn, Dmn und Cmn zu:
Hier ist an = 0(n > Na), b_n = 0(n < 1 und n > Nb), dn = 0 (n < 1 und n > Nd), cn = 0 (n < 1 und n > Nc).
Daher kann, wenn der zukünftige Prädiktionswert e*(i + m) gegeben ist als
und das Steuereingabeinkrement Δu(i) so bestimmt wird, dass die Leistungsfunktion, welche
ist, minimalisiert wird, der Ausdruck (2) durch ∂J/∂u(i) = 0 erhalten werden. Die jeweiligen Konstantem vm, E, pn, gn, F, xn und tn werden zu:
Gemäß dem Vorstehenden ist es durch Verwenden eines Übertragungsfunktionsmodells (Ausdruck (18)), in dem die FF-Signale V_FF(i) und T_FF(i) berücksichtigt werden, möglich, dem gesteuerten Objekt 9 eine Steuereingabe u(i) zu geben, so dass die Leistungsfunktion J (Ausdruck (26)) minimalisiert wird, und die Steuerung mit hoher Folgegenauigkeit sichergestellt werden kann, wobei die Prädiktionsgenauigkeit durch die Vorwärtskopplungssteuerung nicht verschlechtert werden kann.
Im nächsten Schritt wird Ausdruck (3) hergeleitet. In dem Fall, in dem das Diskretzeit-Übertragungsfunktionsmodell des gesteuerten Objekts von den zwei FF-Signalen V_FF(i), T_FF(i) und der Steuereingabe u(i) zur Ausgabe y(i) durch Y(z) ={(b1z–1 + ... + bNbz–Nb)U(z) + (d1z–1 + ... + dNdz–Nd)VFF(z) + (c1z–1 + ... + cNcz–Nc)TFF(z)}/{(1 –z–1)(1 – a1z–1 – .... –aNaz–Na)} (28),erhalten wird, wenn, an der Zeit i, das Ausgabeinkrement nach der Zeit i – K vorausberechnet wird durch:
wird der Ausgabeinkrementprädiktionswert Δy*(i + m) zu:
Hier, wo angenommen wird, dass die zukünftige Steuereingabe und das Vorwärtskopplungssignal u(j) = u(i), V_FF(j) = V_FF(i), T_FF(j) = T_FF(i)(j = i + 1, i + 2, ...) sind, sind die Koeffizienten Amn, Bmn, Dmn und Cmn gegeben durch:
Hier ist an = 0(n > Na), bn = 0(n < 1 und n > Nb), dn = 0 (n < 1 und n > Nd), cn = 0 (n < 1 und n > Nc). Daher kann, wenn der zukünftige Prädiktionswert e*(i + m) gegeben ist als
und die Steuereingabe u(i) so bestimmt wird, dass die Leistungsfunktion von
minimalisiert wird, der Ausdruck (3) durch den Ausdruck ∂J/∂u(i) = 0 erhalten werden. Die jeweiligen Konstantem vm, E, pn, gn, F, xn und tn sind:
Gemäß dem Vorstehenden ist es durch Verwenden eines Übertragungsfunktionsmodells (Ausdruck (28)), in dem die FF-Signale V_FF(i) und T_FF(i) berücksichtigt werden, möglich, dem gesteuerten Objekt 9 eine Steuereingabe u(i) zu geben, so dass die Leistungsfunktion J (Ausdruck (36)) minimalisiert wird, und die Steuerung mit hoher Folgegenauigkeit sichergestellt werden kann, wobei die Prädiktionsgenauigkeit durch die Vorwärtskopplungssteuerung nicht verschlechtert werden kann.
Industrielle Anwendbarkeit
Gemäß der Erfindung wird in den Berechnungen der Prädiktionssteuereinrichtung ein zukünftiger Fehlerprädiktionswert durch ein Übertragungsfunktionsmodell erhalten, in dem die Vorwärtskopplungssignale berücksichtigt werden, und die Steuereingabe so bestimmt, dass die Leistungsfunktion hinsichtlich des zukünftigen Prädiktionswerts und der Steuereingabe minimalisiert wird. Daher wird die Prädiktionsgenauigkeit durch Hinzufügen der Vorwärtskopplungssteuerung, wobei die Steuerung der hohen Folgegenauigkeit ermöglicht wird, nicht verschlechtert.

Claims

Prädiktionssteuervorrichtung (1), die eine Steuereingabe und ein Vorwärtskopplungssignal an ein gesteuertes Objekt (9) ausgibt, so dass die Ausgabe des gesteuerten Objekts (9) mit einem Zielbefehl in Einklang gebracht wird, umfassend: ein Vorwärtskopplungssignalerzeugungsbefehlsfilter (2), der ein Zielbefehlssignal empfängt, das Information für einen zukünftigen Zielbefehl als eine Eingabe ist, und zukünftige Befehlsinkremente, die Inkremente aus einer Abtastperiode zu der nächsten Abtastperiode eines Zielbefehlssignals aus der momentanen Abtastzeit zu einer Mehrfachabtastzukunft sind, und aus den Befehlsinkrementen erlangte Vorwärtskopplungssignale ausgibt; und eine Prädiktionssteuereinrichtung (3), das die zukünftigen Befehlsinkremente, die Vorwärtskopplungssignale und eine Ausgabe des gesteuerten Objekts bei der vergangenen Abtastzeit über Null, als Eingaben abtastend, empfängt, einen zukünftigen Fehlerprädiktionswert durch Verwenden eines Übertragungsfunktionsmodells aus den Vorwärtskopplungssignalen und der Steuereingabe an die Ausgabe des gesteuerten Objekts erlangt, die Steuereingabe bestimmt, so dass eine Leistungsfunktion des Fehlerprädiktionswerts und der Steuereingabe minimal wird, und die Steuereingabe an dem gesteuerte Objekt (9) anwendet; und worin die Prädiktionssteuereinrichtung (3) einschließt: einen Integrator (31), der die zukünftigen Befehlsinkremente als eine Eingabe empfängt und den Zielbefehl aus der momentanen Abtastzeit zu einer Mehrfachabtastzukunft berechnet; einen Speicherabschnitt (32, 33, 34, 35, 38, 39), der Konstanten zur Prädiktionssteuerung im Voraus speichert und den durch den Integrator berechneten Zielbefehl, Vorwärtskopplungssignale, die Ausgabe des gesteuerten Objekts und Steuereingabe empfängt und Zielbefehlssignale, Vorwärtskopplungssignale, Ausgabe des gesteuerten Objekts und die den vergangenen Abtastzeiten entsprechende Steuereingabe speichert; einen Subtrahierer, der die Ausgabe des gesteuerten Objekts von dem vergangenen Zielbefehl subtrahiert und den vergangenen Fehler erlangt; und eine betriebsbereite Einheit, die als Eingaben den durch den Integrator erlangten Zielbefehl, die vergangenen Vorwärtskopplungssignale, die vergangene Ausgabe des gesteuerten Objekts, die vergangene Steuereingabe und Konstanten zur Prädiktionssteuerung, die durch den Speicherabschnitt gespeichert sind, und den durch den Subtrahierer erhaltenen Fehler empfängt, einen zukünftigen Fehlerprädiktionswert durch Verwenden eines Diskretzeit-Übertragungsfunktionsmodells, welches wie folgt ist: Y(z) = {(b1z–1 + ... + bNbz–Nb)U(z) + (d1z–1 + ... + dNdz–Nd)FF1(z) + (c1z–1 + ... + cNcz–Nc)FF2(z)}/(1 – a1z–1 – .... –aNaz–Na),aus dem Vorwärtskopplungssignal und die Steuereingabe an die Ausgabe des gesteuerten Objekts, wo FF₁(z) und FF₂(z) Z-Transformation der zwei Vorwärtskopplungssignale sind, U (z) Z-Transformation aus der obigen Steuereingabe ist, Y (z) Z-Transformation der Ausgabe des gesteuerten Objekts ist, Na, Nb, Nc und Nd natürliche Zahlen sind und a₁, a₂, ..., a_Na, b₁, b₂ ..., b_Nb, c₁, c₂, ..., c_Nd, d₁, d₂, ..., d_Nd vorgeschriebene Koeffizienten sind, erhält und die Steuereingabe so bestimmt und ausgibt, dass die Leistungsfunktion des entsprechenden zukünftigen Fehlerprädiktionswerts und der Steuereingabe minimalisiert wird; und des Weiteren worin, wo x eine ganze Zahl ist, die eine Abtastzeit anzeigt, FF₁(x) und FF₂(x) Vorwärtskopplungssignale sind, u(x) die Steuereingabe ist, y(x) die Ausgabe des gesteuerten Objekts ist, r(x) der Zielbefehl ist, M, Na, Nb, Nc und Nd natürliche Zahlen sind, K eine ganze Zahl von K ≥ 0 ist, qm, pn, E, gn, xn und tn Konstanten zur Prädiktionssteuerung sind und i die momentane Abtastzeit ist, die betriebsbereite Einheit die Steuereingabe berechnet, die
ist und dieselbe ausgibt.
Prädiktionssteuervorrichtung (1), die eine Steuereingabe und ein Vorwärtskopplungssignal an ein gesteuertes Objekt (9) ausgibt, so dass die Ausgabe des gesteuerten Objekts (9) mit einem Zielbefehl in Einklang gebracht wird, umfassend: ein Vorwärtskopplungssignalerzeugungsbefehlsfilter, der ein Zielbefehlssignal empfängt, das Information für einen zukünftigen Zielbefehl als eine Eingabe ist, und zukünftige Befehlsinkremente, die Inkremente aus einer Abtastperiode zu der nächsten Abtastperiode eines Zielbefehlssignals aus der momentanen Abtastzeit zu einer Mehrfachabtastzukunft sind, und das Vorwärtskopplungssignal aus dem zukünftigen Zielbefehlssignal ausgibt; und eine Prädiktionssteuereinrichtung (4), das die zukünftigen Befehlsinkremente, das Vorwärtskopplungssignal und eine Ausgabe des gesteuerten Objekts bei der vergangenen Abtastzeit über Null, als Eingaben abtastend, empfängt, einen zukünftigen Fehlerprädiktionswert durch Verwenden eines Übertragungsfunktionsmodells aus dem Vorwärtskopplungssignal und der Steuereingabe an die Ausgabe des gesteuerten Objekts erlangt, die Steuereingabe bestimmt, so dass eine Leistungsfunktion des Fehlerprädiktionswerts und der Steuereingabe minimal wird, und die Steuereingabe an dem gesteuerten Objekt (9) anwendet; und worin die Prädiktionssteuereinrichtung (4) einschließt: eine erste Differenzeinheit (45), welche die Vorwärtskopplungssignale als Eingaben empfängt und Inkremente der jeweiligen Abtastperioden der entsprechenden Vorwärtskopplungssignale als Vorwärtskopplungssignalinkremente erlangt; eine zweite Differenzeinheit (43), welche die Ausgabe des gesteuerten Objekts als eine Eingabe empfängt und Inkremente der jeweiligen Abtastperioden der entsprechenden Ausgaben des gesteuerten Objekts als die vergangenen Ausgabeninkremente des gesteuerten Objekts erlangt; einen Speicherabschnitt (46, 47, 48, 49, 50, 52, 54), der Konstanten zur Prädiktionssteuerung im Voraus speichert, als Eingaben die Befehlsinkremente, Vorwärtskopplungssignale, durch die erste Differenzeinheit erlangte Vorwärtskopplungssignalinkremente, durch die zweite Differenzeinheit erlangte Ausgabeninkremente, Steuereingabe und das Inkrement der Steuereingabe empfängt und Zielbefehlsinkremente, Vorwärtskopplungssignalinkremente, Ausgabeinkremente, Steuereingabe und das den vergangenen Abtastzeiten entsprechende Inkrement der Steuereingabe speichert; einen Subtrahierer, der das vergangene Ausgabeninkrement von dem vergangenen Zielbefehlsinkrement subtrahiert und ein Inkrement des vergangenen Fehlers erlangt; einen ersten Integrator (41), der das Inkrement des durch den Subtrahierer erlangten Fehlers integriert und den Fehler erlangt; eine betriebsbereite Einheit (51), die als Eingaben die zukünftigen Zielbefehlsinkremente und Befehlsinkremente, Vorwärtskopplungssignalsinkremente, Ausgabeinkrement, Steuereingabe, das Inkrement der den vergangenen Abtastzeiten entsprechenden Steuereingabe, sowie Konstanten zu Prädiktionssteuerung, die durch die Speichereinrichtung gespeichert sind, und den durch den ersten Integrator (41) erlangten Fehler empfängt, einen zukünftigen Fehlerprädiktionswert durch Verwenden eines Diskretzeit-Übertragungsfunktionsmodells aus den Vorwärtskopplungssignalen und der Steuereingabe an die Ausgabe des gesteuerten Objekts erlangt, welches Y(z) = {(b1z–1 + ... + bNbz–Nb)U(z) + (d1z–1 + ... + dNdz–Nd)FF1(z) + (c1z–1 + ... + cNcz–Nc)FF2(z)}/(1 – a1z–1 – .... –aNaz–Na)ist, wo FF₁(z) und FF₂(z) Z-Transformation der zwei Vorwärtskopplungssignale sind, U (z) Z-Transformation der Steuereingabe ist, Y (z) Z-Transformation der Ausgabe des gesteuerten Objekts ist, Na, Nb, Nc und Nd natürliche Zahlen sind und a₁, a₂, ..., a_Na, b₁, b₂, ..., b_Nb, c₁, c₂, ..., c_Nc, d₁, d₂, ..., d_Nd vorgeschriebene Koeffizienten sind, und das Inkrement der Steuereingabe so bestimmt und ausgibt, dass die Leistungsfunktion hinsichtlich des entsprechenden zukünftigen Fehlerprädiktionswerts und der Steuereingabe minimalisiert wird; und einen zweiten Integrator (42), der das Inkrement des durch die betriebsbereite Einheit ausgegebene Steuereingabe integriert und die Steuereingabe erlangt; und des Weiteren worin die betriebsbereite Einheit (51) das Inkrement der Steuereingabe berechnet und ausgibt, welches
ist, wo ΔAFF₁(x) und ΔFF₂(x) Inkremente der Vorwärtskopplungssignale sind, Δu(x) ein Inkrement der Steuereingabe ist, Δy(x) das Ausgabeinkrement ist, Δr(x) das Befehlsinkrement ist, e(x) der Fehler ist, M, Na. Nb, Nc und Nd natürliche Zahlen sind, K eine ganze Zahl von K ≥ 0 ist, vm, pn, E, gn, xn und tn und F Konstanten der Prädiktionssteuerung sind und i die momentane Abtastzeit ist.
Prädiktionssteuervorrichtung (1), die eine Steuereingabe und ein Vorwärtskopplungssignal an ein gesteuertes Objekt ausgibt, so dass die Ausgabe des gesteuerten Objekts mit einem Zielbefehl in Einklang gebracht wird, umfassend: ein Vorwärtskopplungssignalerzeugungsbefehlsfilter, der ein Zielbefehlssignal empfängt, das Information für einen zukünftigen Zielbefehl als eine Eingabe ist, und zukünftige Befehlsinkremente, die Inkremente aus einer Abtastperiode zu der nächsten Abtastperiode eines Zielbefehlssignals aus der momentanen Abtastzeit zu einer Mehrfachabtastzukunft sind, und das Vorwärtskopplungssignal aus dem zukünftigen Zielbefehlssignal ausgibt; eine Prädiktionssteuereinrichtung (6), welches das zukünftige Befehlsinkrement, die Vorwärtskopplungssignale und eine Ausgabe des gesteuerten Objekts bei der vergangenen Abtastzeit über Null, als Eingaben abtastend, empfängt, einen zukünftigen Fehlerprädiktionswert durch Verwenden eines Übertragungsfunktionsmodells aus den Vorwärtskopplungssignalen und der Steuereingabe an die Ausgabe des gesteuerten Objekts erlangt, die Steuereingabe so bestimmt, dass eine Leistungsfunktion des Fehlerprädiktionswerts und der Steuereingabe minimal wird, und die Steuereingabe an dem gesteuerten Objekt (9) anwendet; und worin die Prädiktionssteuereinrichtung (6) einschließt: eine erste Differenzeinheit (43), welche die vergangene Ausgabe des gesteuerten Objekts als eine Eingabe empfangt und Inkremente der jeweiligen Abtastperioden der entsprechenden Ausgabe des gesteuerten Objekts als die vergangenen Ausgabeninkremente erlangt; einen Speicherabschnitt (46, 61, 48, 62, 64, 65), der Konstanten zur Prädiktionssteuerung im Voraus speichert und als Eingaben die Befehlsinkremente, Vorwärtskopplungssignale, das durch die erste Differenzeinrichtung erhaltene Ausgabeinkrement, und Steu ereingabe empfängt und Befehlsinkremente, Vorwärtskopplungssignale, Ausgabeinkrement, und die den vergangenen Abtastzeiten entsprechende Steuereingabe speichert; einen Subtrahierer (43), der das vergangene Ausgabeninkrement von dem vergangenen Befehlsinkrement subtrahiert und die Inkremente des vergangenen Fehlers erlangt; einen Integrator (41), der das Inkrement des Fehlers, der durch den Subtrahierer (43) erhalten wird, integriert und den Fehler erlangt; eine betriebsbereite Einheit (63), die als Eingaben die zukünftige Befehlsinkremente und das vergangene Befehlsinkrement, vergangene Vorwärtskopplungssignalsinkrement, vergangene Ausgabeinkrement, die vergangene Steuereingabe, Konstanten zur Prädiktionssteuerung, die durch den Speicherabschnitt gespeichert sind, und den durch den Integrator (41) erlangten Fehler empfängt, einen zukünftigen Fehlerprädiktionswert durch Verwenden eines Diskretzeit-Übertragungsfunktionsmodells aus den Vorwärtskopplungssignalen und der Steuereingabe an die Ausgabe des gesteuerten Objekts erlangt, welches Y(z) = {(b1z–1 + ... + bNbz–Nb)U(z) + (d1z–1 + ... + dNdz–Nd)FF1(z) + (c1z–1 + ... + cNcz–Nc)FF2(z)}/(1 – a1z–1 – .... –aNaz–Na)}ist, wo FF₁(z) und FF₂(z) Z-Transformation der Vorwärtskopplungssignale sind, U(z) Z-Transformation der Steuereingabe ist, Y(z) Z-Transformation der Ausgabe des gesteuerten Objekts ist, Na, Nb, Nc und Nd natürliche Zahlen sind und a₁, a₂, ..., a_Na, b₁, b₂, ..., b_Nb, c₁, c₂, ..., c_Nc, d₁, d₂, ..., d_Nd vorgeschriebene Koeffizienten sind, und die Steuereingabe so bestimmt und ausgibt, dass die Leistungsfunktion hinsichtlich des entsprechenden zukünftigen Fehlerprädiktionswerts und der Steuereingabe minimalisiert wird; und des Weiteren worin die betriebsbereite Einheit die Steuereingabe berechnet und ausgibt, die
ist, wo FF₁(x) und FF₂(x) die Vorwärtskopplungssignale sind, u(x) die Steuereingabe ist, Δy(x) das Ausgabeinkrement ist, Δr(x) das Befehlsinkrement ist, e(x) der Fehler ist, vm, pn, E, gn, xn und tn Konstanten zur Prädiktionssteuerung sind und i die momentane Abtastzeit ist.
Prädiktionssteuervorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, worin der Vorwärtskopplungssignalerzeugungsbefehlsfilter (2) das Zielbefehlssignal bei momentaner Abtastzeit als eine Eingabe empfängt und Inkremente zwischen jeweiligen Abtastzeiten des/der entsprechenden Zielbefehlssignals oder -signale, die durch das Filtern der Zielbefehlssignale erhalten worden sind, als die zukünftigen Befehlsinkremente ausgibt.
Prädiktionssteuervorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, worin der Vorwärtskopplungssignalerzeugungsbefehlsfilter (2) die Vorwärtskopplungssignale berechnet und ausgibt, welche FF1(i) = Gain1·Δr(i + m1) FF2(i) = Gain2·{Δr(i + m2) – Δr(i + m2 – 1)}Sind, wo i die momentane Abtastzeit ist, Gain1 und Gain2 Konstanten sind, m1 und m2·ganze Zahlen von 0 ≤ m1 ≤ m2, Δr(i + m1) das Befehlsinkrement der m1-Abtastzukunft ist, und FF(i) und FF2(i) die Vorwärtskopplungssignale sind.
Prädiktionssteuervorrichtung (1), nach einem der Ansprüche 1 bis 3, worin das gesteuerte Objekt (9) einen Motor (91) und seine Geschwindigkeitssteuereinrichtung (92) einschließt, die Steuereingabe ein Geschwindigkeitsbefehl ist, die Ausgabe des gesteuerten Objekts eine Motorposition ist und die Vorwärtskopplungssignale ein Vorwärtskopplungssignal zur Geschwindigkeitssteuerung und ein Vorwärtskopplungssignal zur Drehmomentssteuerung sind.