JP2002062906A

JP2002062906A - 予測制御装置

Info

Publication number: JP2002062906A
Application number: JP2000248738A
Authority: JP
Inventors: Yuji Nakamura; 裕司中村
Original assignee: Yaskawa Electric Corp
Current assignee: Yaskawa Electric Corp
Priority date: 2000-08-18
Filing date: 2000-08-18
Publication date: 2002-02-28
Anticipated expiration: 2020-08-18
Also published as: TW500991B; JP3666578B2; EP1315054A1; CN1181416C; US6825631B1; EP1315054B1; EP1315054A4; WO2002017023A1; CN1447932A; DE60128929D1; DE60128929T2

Abstract

(57)【要約】【課題】制御対象にフィードフォワード制御を与えた
場合にそのＦＦ信号によって予測精度が劣化しない、追
従精度の高い制御装置を提供する。【解決手段】予測制御装置１は、フィードフォワード
信号作成指令フィルタ２で、現在から複数サンプリング
未来までの目標指令信号の各サンプリング周期間の増分
である未来の指令増分値と、フィードフォワード信号を
未来の目標指令信号から作成する。また、予測制御器３
で、未来の指令増分値と、フィードフォワード信号と、
ゼロサンプリング以上過去のサンプリング時刻の制御対
象出力とを入力として、フィードフォワード信号および
制御入力から制御対象出力までの伝達関数モデルを用い
て未来の偏差予測値を求め、その偏差予測値と制御入力
に関する評価関数が最小となるように制御入力を決定
し、その制御入力を制御対象９に与える。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は，工作機械やロボッ
ト等の制御装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来のこの種の制御装置としては、本出
願人が提案した国際公開ＷＯ９３／２０４８９号の第ｘ
ｉ実施例に示された装置がある。図６は国際公開ＷＯ９
３／２０４８９号の第ｘｉ実施例の装置の構成を示すブ
ロック図である。

【０００３】図６においてｉは現在時刻、ｉ＋Ｘ（Ｘは
正の整数）はサンプリング周期Ｔｓで現在のサンプリン
グ時刻ｉよりＸサンプリングだけ未来の時刻、ｉ−Ｘは
サンプリング周期Ｔｓで時刻ｉよりＸサンプリングだけ
過去の時刻を示す。

【０００４】また、ｒ（Ｙ）（Ｙは整数）は時刻Ｙの目
標指令、ｙ（Ｙ）は時刻Ｙの制御対象（不図示）からの
出力、ｕ（Ｙ）は時刻Ｙの制御対象への入力（以下、制
御入力と称す）を示す。

【０００５】図６の従来の制御装置８０は与えられた目
標指令に制御対象（不図示）の出力を一致させるように
制御対象を制御する装置である。

【０００６】図６を参照すると、制御装置８０は、与え
られた未来の目標指令ｒ（ｉ＋Ｍ）および制御対象（不
図示）からの出力ｙ（ｉ−Ｋ）を入力として、制御対象
からの出力ｙ（ｉ）が目標指令ｒ（ｉ）に一致するよう
に、制御入力ｕ（ｉ）を制御対象に入力する。制御装置
８０は、メモリ８１，８２，８３，８４と演算器８５と
減算器８６を有している。

【０００７】メモリ８１はＫサンプリング過去からＭサ
ンプリング未来までの目標指令を記憶し、メモリ８２は
制御用定数を記憶し、メモリ８３はＫ＋Ｎａ（Ｎａは自
然数）サンプリング過去からＫサンプリング過去までの
制御対象からの出力を記憶し、メモリ８４はＫ＋Ｎｂ
（Ｎｂは自然数）過去から１サンプリング過去までの制
御入力を記憶している。

【０００８】減算器８６は目標指令ｒ（ｉ−Ｋ）と制御
対象からの出力ｙ（ｉ−Ｋ）との偏差を求める。

【０００９】演算器８５は制御入力ｕ（ｉ）から制御対
象の出力ｙ（ｉ）までの伝達関数モデルを用いて求めた
未来偏差予測値と制御入力に関する評価関数が最小とな
るように、制御入力ｕ（ｉ）を、

【００１０】

【数８】

【００１１】として決定する演算器である。

【００１２】従来の制御装置８０によれば、未来の偏差
予測値が最小となるように制御入力が決定されるため追
従精度の高い制御を制御対象に与えることができる。

【００１３】

【発明が解決しようとする課題】しかし、図６に示した
従来の制御装置８０では、制御対象に対して何らかのフ
ィードフォワード制御を施した場合、制御装置８０はそ
のフィードフォワード信号（以下、ＦＦ信号と称す）を
考慮せずに未来偏差を予測するため、未来偏差予測値に
誤差が生じ、その結果として追従精度が劣化するという
問題があった。

【００１４】本発明の目的は、制御対象にフィードフォ
ワード制御を与えた場合にそのＦＦ信号によって予測精
度が劣化しない、追従精度の高い制御装置を提供するこ
とである。

【００１５】

【課題を解決するための手段】上記問題を解決するため
に本発明の予測制御装置は、制御対象の出力を目標指令
に一致させるように制御入力とフィードフォワード信号
を制御対象に出力する予測制御装置であって、未来の前
記目標指令に関する情報である目標指令信号を入力とし
て、現在のサンプリング時刻から複数サンプリング未来
までの前記目標指令信号の各サンプリング周期間の増分
である未来の指令増分値および前記フィードフォワード
信号を出力するフィードフォワード信号作成指令フィル
タと、未来の前記指令増分値と、前記フィードフォワー
ド信号およびゼロサンプリング以上過去の制御対象出力
を入力として、前記フィードフォワード信号および前記
制御入力から前記制御対象出力までの伝達関数モデルを
用いて未来の偏差予測値を求め、該偏差予測値と前記制
御入力に関する評価関数が最小となるように前記制御入
力を決定し、該制御入力を前記制御対象に与える予測制
御器とを有している。

【００１６】予測制御器の演算において、フィードフォ
ワード信号を考慮した伝達関数モデルで未来の偏差予測
値を求め、その未来予測値と制御入力に関する評価関数
が最小となるように制御入力を決定するので、フィード
フォワード制御を加えることによる予測精度の劣化がな
い。

【００１７】本発明の実施態様によれば、前記フィード
フォワード信号作成指令フィルタは、現在のサンプリン
グ時刻に、前記目標指令信号を入力として、該目標指令
信号または該目標指令信号をフィルタリングした信号の
各サンプリング周期間の増分を未来の前記指令増分値と
して出力する。

【００１８】本発明の実施態様によれば、前記フィード
フォワード信号作成指令フィルタは、ｉを現在のサンプ
リング時刻、Ｇａｉｎ１，Ｇａｉｎ２を定数、ｍ１およ
びｍ２を０≦ｍ１≦ｍ２の整数、Δｒ（ｉ＋ｍ１）をｍ
１サンプリング未来の前記指令増分値、ＦＦ₁（ｉ）お
よびＦＦ₂（ｉ）を前記フィードフォワード信号とした
とき、前記フィードフォワード信号

【００１９】

【数９】

【００２０】を演算し出力する。

【００２１】本発明の実施態様によれば、前記制御対象
はモータおよびその速度制御器であり、前記制御入力は
速度指令であり、前記制御対象出力はモータ位置であ
り、前記フィードフォワード信号は速度制御用のフィー
ドフォワード信号およびトルク制御用のフィードフォワ
ード信号である。

【００２２】本発明の実施態様によれば、前記予測制御
器は、未来の前記指令増分値を入力として、現在のサン
プリング時刻から複数サンプリング未来までの前記目標
指令を算出する積算器と、予め、予測制御用の定数を記
憶しており、前記積算器で算出された前記目標指令と、
２つの前記フィードフォワード信号と、前記制御対象出
力と、前記制御入力を入力として、過去の前記目標指令
と、過去の前記フィードフォワード信号と、過去の前記
制御対象出力と、過去の前記制御入力を記憶する記憶部
と、過去の前記目標指令から前記制御対象出力を減算し
て過去の偏差を求める減算器と、前記積算器で求められ
た前記目標指令と、前記記憶部が記憶した過去の前記フ
ィードフォワード信号、過去の前記制御対象出力、過去
の前記制御入力および予測制御用の定数と、前記減算器
で求められた前記偏差を入力として、ＦＦ₁（ｚ）およ
びＦＦ₂（ｚ）を２つの前記フィードフォワード信号の
ｚ変換、Ｕ（ｚ）を前記制御入力のｚ変換、Ｙ（ｚ）を
前記制御対象出力のｚ変換、Ｎａ，Ｎｂ，Ｎｃ，Ｎｄを
自然数、ａ₁，ａ₂，…，ａ_Na，ｂ₁，ｂ₂，…，ｂ_Nb，ｃ
₁，ｃ₂，…，ｃ_Nc，ｄ₁，ｄ₂，…，ｄ_Ndを所定の係数と
したとき、前記フィードフォワード信号および前記制御
入力から前記制御対象出力までの離散時間伝達関数モデ
ル

【００２３】

【数１０】

【００２４】を用いて未来偏差予測値を求め、該未来偏
差予測値と前記制御入力に関する評価関数が最小となる
ように前記制御入力を決定して出力する演算器を有して
いる。

【００２５】本発明の実施態様によれば、前記演算器
は、ｘをサンプリング時刻を示す整数として、ＦＦ
₁（ｘ）およびＦＦ₂（ｘ）を２つの前記フィードフォワ
ード信号、ｕ（ｘ）を前記制御入力、ｙ（ｘ）を前記制
御対象出力、ｒ（ｘ）を前記目標指令、Ｍ，Ｎａ，Ｎ
ｂ，Ｎｃ，Ｎｄを自然数、ＫをＫ≧０の整数、ｑｍ，ｐ
ｎ，Ｅ，ｇｎ，ｘｎ，ｔｎを前記予測制御用の定数、ｉ
を現在のサンプリング時刻としたとき、前記制御入力

【００２６】

【数１１】

【００２７】を演算し出力する。

【００２８】本発明の他の実施態様によれば、前記予測
制御器は、２つの前記フィードフォワード信号を入力と
して該フィードフォワード信号の各サンプリング周期間
の増分をフィードフォワード信号増分値として求める第
１の差分器と、過去の前記制御対象出力を入力として該
制御対象出力の各サンプリング周期間の増分を過去の出
力増分値として求める第２の差分器と、予め、予測制御
用の定数を記憶しており、前記指令増分値と、前記第１
の差分器で求められた２つの前記フィードフォワード信
号増分値と、前記第２の差分器で求められた前記出力増
分値と、前記制御入力と、前記制御入力の増分値を入力
として、過去の前記指令増分値と、過去の前記フィード
フォワード信号増分値と、過去の前記出力増分値と、過
去の前記制御入力と、前記制御入力の過去の増分値を記
憶する記憶部と、過去の前記指令増分値から過去の前記
出力増分値を減算して過去の偏差の増分値を求める減算
器と、前記減算器で求められた前記偏差の増分値を積算
して前記偏差を求める第１の積算器と、未来の前記指令
増分値と、前記記憶手段が記憶した過去の前記指令増分
値、過去の前記フィードフォワード信号増分値、過去の
前記出力増分値、過去の前記制御入力、前記制御入力の
過去の増分値および前記予測制御用の定数と、前記第１
の積算器で求められた前記偏差を入力として、ＦＦ
₁（ｚ）およびＦＦ₂（ｚ）を２つの前記フィードフォワ
ード信号のｚ変換、Ｕ（ｚ）を前記制御入力のｚ変換、
Ｙ（ｚ）を前記制御対象出力のｚ変換、Ｎａ，Ｎｂ，Ｎ
ｃ，Ｎｄを自然数、ａ₁，ａ₂，…，ａ_Na，ｂ₁，ｂ₂，
…，ｂ_Nb，ｃ₁，ｃ₂，…，ｃ_Nc，ｄ₁，ｄ₂，…，ｄ_Ndを
所定の係数としたとき、前記フィードフォワード信号お
よび前記制御入力から前記制御対象出力までの離散時間
伝達関数モデル

【００２９】

【数１２】

【００３０】を用いて未来偏差予測値を求め、該未来偏
差予測値と前記制御入力に関する評価関数が最小となる
ように前記制御入力の増分値を決定して出力する演算器
と、前記演算器が出力した前記制御入力の増分値を積算
して前記制御入力を求める第２の積算器を有している。

【００３１】本発明の他の実施態様によれば、前記演算
器は、ｘをサンプリング時刻を示す整数として、ΔＦＦ
₁（ｘ）およびΔＦＦ₂（ｘ）を２つの前記フィードフォ
ワード信号増分値、Δｕ（ｘ）を前記制御入力の増分
値、Δｙ（ｘ）を前記出力増分値、Δｒ（ｘ）を前記指
令増分値、ｅ（ｘ）を前記偏差、Ｍ，Ｎａ，Ｎｂ，Ｎ
ｃ，Ｎｄを自然数、ＫをＫ≧０の整数、ｖｍ，ｐｎ，
Ｅ，ｇｎ，ｘｎ，ｔｎ，Ｆを前記予測制御用の定数、ｉ
を現在のサンプリング時刻としたとき、前記制御入力の
増分値

【００３２】

【数１３】

【００３３】を演算し出力する。

【００３４】本発明のさらに他の実施態様によれば、前
記予測制御器は、過去の前記制御対象出力を入力として
該制御対象出力の各サンプリング周期間の増分を過去の
出力増分値として求める差分器と、予め、予測制御用の
定数を記憶しており、前記指令増分値と、２つのフィー
ドフォワード信号と、前記差分手段で求められた前記出
力増分値と、前記制御入力を入力として、過去の前記指
令増分値と、過去の前記フィードフォワード信号と、過
去の前記出力増分値と、過去の前記制御入力を記憶する
記憶部と、過去の前記指令増分値から過去の前記出力増
分値を減算して過去の偏差の増分値を求める減算器と、
前記減算器で求められた前記偏差の増分値を積算して前
記偏差を求める積算器と、未来の前記指令増分値と、前
記記憶部が記憶した過去の前記指令増分値、過去の前記
フィードフォワード信号、過去の前記出力増分値、過去
の前記制御入力および予測制御用の定数と、前記積算器
で求められた前記偏差を入力として、ＦＦ ₁（ｚ）およ
びＦＦ₂（ｚ）を２つの前記フィードフォワード信号の
ｚ変換、Ｕ（ｚ）を前記制御入力のｚ変換、Ｙ（ｚ）を
前記制御対象出力のｚ変換、Ｎａ，Ｎｂ，Ｎｃ，Ｎｄを
自然数、ａ₁，ａ₂，…，ａ_Na，ｂ₁，ｂ₂，…，ｂ_Nb，ｃ
₁，ｃ₂，…，ｃ_Nc，ｄ₁，ｄ₂，…，ｄ_Ndを所定の係数と
したとき、前記フィードフォワード信号および前記制御
入力から前記制御対象出力までの離散時間伝達関数モデ
ル

【００３５】

【数１４】

【００３６】を用いて未来偏差予測値を求め、該未来偏
差予測値と前記制御入力に関する評価関数が最小となる
ように前記制御入力を決定して出力する演算器を有して
いる。

【００３７】本発明のさらに他の実施態様によれば、前
記演算器は、ｘをサンプリング時刻を示す整数として、
ＦＦ₁（ｘ）およびＦＦ₂（ｘ）を２つの前記フィードフ
ォワード信号、ｕ（ｘ）を前記制御入力、Δｙ（ｘ）を
前記出力増分値、Δｒ（ｘ）を前記指令増分値、ｅ
（ｘ）を前記偏差、ｖｍ，ｐｎ，Ｅ，ｇｎ，ｘｎ，ｔｎ
を前記予測制御用の定数、ｉを現在のサンプリング時刻
としたとき、前記制御入力

【００３８】

【数１５】

【００３９】を演算し出力する。

【００４０】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施形態について
図面を参照して詳細に説明する。

【００４１】図１は本発明の実施形態の予測制御装置の
構成を示すブロック図である。

【００４２】図１を参照すると、本実施形態の予測制御
装置１は制御対象９の出力を目標指令に一致させるよう
に、制御入力ｕ（ｉ）とＦＦ信号を制御対象に出力する
装置であり、ＦＦ信号作成指令フィルタ２と予測制御器
３を有している。

【００４３】なお、図７に示すように本実施形態の制御
対象９は、一例としてモータ９１とその速度制御器９２
であるとする。ただし、本実施形態の予測制御装置１は
モータと速度制御器の制御用に限定されるものではな
く、フィードフォワード制御が行われる他の制御対象に
用いることもできる。例えば、化学プラントの化学反応
プロセスにおいて温度や湿度、圧力、流量などを制御す
るプロセス制御に用いることができる。

【００４４】また、制御入力ｕ（ｉ）は速度制御器９２
への速度指令、制御対象９の出力ｙ（ｉ−Ｋ）はＫ（Ｋ
≧０の整数）サンプリング過去のモータ９１のモータ位
置、ＦＦ信号は速度制御用ＦＦ信号Ｖ_FF（ｉ）とトルク
制御用ＦＦ信号Ｔ_FF（ｉ）であるとする。

【００４５】ＦＦ信号作成指令フィルタ２は、現在のサ
ンプリング時刻ｉにおいて未来の目標指令に関する情報
を入力として、Ｍ（Ｍは自然数）サンプリング未来まで
の指令増分値Δｒ（ｉ），…，Δｒ（ｉ＋Ｍ）と、ＦＦ
信号Ｖ_FF（ｉ），Ｔ_FF（ｉ）を出力する。なお、ここで
Δ付きの変数等は１サンプリング周期の間の増分値を示
す。

【００４６】図２は本実施形態のＦＦ信号作成指令フィ
ルタの構成を示すブロック図である。

【００４７】図２を参照すると、ＦＦ信号作成指令フィ
ルタ２はフィルタ２１とメモリ２２とＦＦ信号演算器２
３を有している。

【００４８】フィルタ２１は、未来の目標指令に関する
情報を入力として、その入力した信号、あるいはその入
力した信号を内部のディジタルフィルタ（不図示）でフ
ィルタリングした信号のＭサンプリング未来におけるサ
ンプリング周期の間の増分値を指令増分値Δｒ（ｉ＋
Ｍ）として出力する。

【００４９】ディジタルフィルタは、目標指令をフィル
タリングする目的で用いることが可能ないかなるフィル
タであってもよく、例えば、インパルス応答が無限長の
ＩＩＲフィルタ、あるいは有限長のＦＩＲフィルタであ
ってもよく、また、ローパスフィルタ、ノッチフィル
タ、さらには制御対象の動特性を考慮して制御対象出力
の振動を抑える信号を生成するものであってもよい。

【００５０】メモリ２２は、フィルタ２１から出力され
た指令増分値を順次記憶して現在時刻ｉからＭサンプリ
ング未来までの指令増分値Δｒ（ｉ），Δｒ（ｉ＋
１），…，Δｒ（ｉ＋Ｍ）を出力する。

【００５１】ＦＦ信号演算器２３は、メモリ２２から出
力された指令増分値Δｒ（ｉ），Δｒ（ｉ＋１），…，
Δｒ（ｉ＋Ｍ）からＦＦ信号Ｖ_FF（ｉ），Ｔ_FF（ｉ）を
求めて出力する。ＦＦ信号を求める演算式は特に限定さ
れるものではなく、例えば、制御対象９に加わる外乱が
判っている場合は演算によってそれらを打ち消してもよ
く、また、

【００５２】

【数１６】

【００５３】としてもよい。ここでＧａｉｎ１，Ｇａｉ
ｎ２は乗数、Δｒ（ｉ＋ｍ１）はｍ１サンプリング未来
の指令増分値、ｍ１，ｍ２は０≦ｍ１≦ｍ２の整数であ
る。

【００５４】図３は本実施形態の予測制御器３の構成を
示すブロック図である。

【００５５】予測制御器３はＦＦ信号Ｖ_FF（ｉ），Ｔ_FF
（ｉ）、指令増分値Δｒ（ｉ），Δｒ（ｉ＋１），…，
Δｒ（ｉ＋Ｍ）、制御対象９の出力ｙ（ｉ−Ｋ）を入力
として、ＦＦ信号および制御入力から出力までの伝達関
数モデルを用いて未来の偏差予測値を求め、その未来偏
差予測値と制御入力ｕ（ｉ）に関する評価関数が最小と
なるように制御入力ｕ（ｉ）を決定し出力する。

【００５６】図３を参照すると、予測制御器３は積算器
３１とメモリ３２，３３，３４，３５，３８，３９と減
算器３７と演算器３６を有している。

【００５７】積算器３１は未来の指令増分値Δｒ
（ｉ），Δｒ（ｉ＋１），…，Δｒ（ｉ＋Ｍ）から未来
の指令値ｒ（ｉ），ｒ（ｉ＋１），…，ｒ（ｉ＋Ｍ）を
求める。

【００５８】メモリ３２は積算器３１から出力される指
令値ｒ（ｉ＋１），ｒ（ｉ＋２），…，ｒ（ｉ＋Ｍ）を
入力として指令値ｒ（ｉ−１），ｒ（ｉ−２），…，ｒ
（ｉ−Ｋ）を記憶する。

【００５９】メモリ３３は予測制御用の定数ｑｍ（ｍ＝
１，２，…，Ｍ），ｐｎ（ｎ＝０，１，…，Ｎａ），
Ｅ，ｇｎ（ｎ＝１，２，…，Ｎｂ＋Ｋ），ｘｎ（ｎ＝
０，１，…，Ｎｄ＋Ｋ），ｔｎ（ｎ＝０，１，…，Ｎｃ
＋Ｋ）を記憶する。

【００６０】メモリ３４は制御対象９の出力ｙ（ｉ−
Ｋ）を入力として過去の出力ｙ（ｉ−Ｋ），ｙ（ｉ−Ｋ
−１），…，ｙ（ｉ−Ｋ−Ｎａ）を記憶する。なお、Ｎ
ａは自然数である。

【００６１】メモリ３５は制御入力ｕ（ｉ）を入力とし
て過去の制御入力ｕ（ｉ−１），ｕ（ｉ−２），…，ｕ
（ｉ−Ｋ−Ｎｂ）を記憶する。なお、Ｎｂは自然数であ
る。

【００６２】メモリ３８はＦＦ信号Ｖ_FF（ｉ）を入力と
して過去のＦＦ信号Ｖ_FF（ｉ），Ｖ _FF（ｉ−１），…，
Ｖ_FF（ｉ−Ｋ−Ｎｄ）を記憶する。なお、Ｎｄは自然数
である。

【００６３】メモリ３９はＦＦ信号Ｔ_FF（ｉ）を入力と
して過去のＦＦ信号Ｔ_FF（ｉ），Ｔ _FF（ｉ−１），…，
Ｔ_FF（ｉ−Ｋ−Ｎｃ）を記憶する。なお、Ｎｃは自然数
である。

【００６４】減算器３７はメモリ３２に記憶された指令
値ｒ（ｉ−Ｋ）と制御対象９の出力ｙ（ｉ−Ｋ）との偏
差ｅ（ｉ−Ｋ）を求める。

【００６５】演算器３６は、式（１）の演算により現在
時刻の制御入力ｕ（ｉ）を算出して制御対象９に出力す
る。

【００６６】

【数１７】

【００６７】本実施形態の予測制御装置１は、予測制御
器３にＦＦ信号を記憶するメモリ３８，３９を有してお
り、演算器３６の演算にＦＦ信号を考慮しているので、
フィードフォワード制御を加えることによる予測精度の
劣化がなく、さらに、ＦＦ信号を有効に活用しているの
で目標指令に対する追従精度が高い。

【００６８】なお、本実施形態の予測制御装置１は、予
測制御器３に代えて他の構成の予測制御器を用いてもよ
い。

【００６９】図４は本発明の予測制御装置１の他の構成
の予測制御器４の構成を示すブロック図である。

【００７０】図４を参照すると、予測制御器４は積算器
４１，４２と差分器４３，４４，４５とメモリ４６，４
７，４８，４９，５０，５３，５４と演算器５１と減算
器５２を有している。

【００７１】メモリ４６は未来の指令増分値Δｒ
（ｉ），Δｒ（ｉ＋１），…，Δｒ（ｉ＋Ｍ）を入力と
して指令値増分値Δｒ（ｉ−１），Δｒ（ｉ−２），
…，Δｒ（ｉ−Ｋ）を記憶する。

【００７２】メモリ４７は定数ｖｍ（ｍ＝−Ｋ＋１，−
Ｋ＋２，…，Ｍ），ｐｎ（ｎ＝０，１，…，Ｎａ−
１），Ｅ，ｇｎ（ｎ＝１，２，…，Ｎｂ＋Ｋ−１），ｘ
ｎ（ｎ＝０，１，…，Ｎｄ＋Ｋ−１），ｔｎ（ｎ＝０，
１，…，Ｎｃ＋Ｋ−１），Ｆを記憶している。

【００７３】差分器４３は制御対象９の出力ｙ（ｉ−
Ｋ）を入力として、サンプリング周期の間の出力増分値
Δｙ（ｉ−Ｋ）を求める。

【００７４】メモリ４８は増分値Δｙ（ｉ−Ｋ）を入力
として過去の出力増分値Δｙ（ｉ−Ｋ−Ｎａ＋１），Δ
ｙ（ｉ−Ｋ−Ｎａ＋２），…，Δｙ（ｉ−Ｋ）を記憶す
る。

【００７５】メモリ４９は演算器５１の出力である制御
入力増分値Δｕ（ｉ）を入力として過去の制御入力増分
値Δｕ（ｉ−Ｋ−Ｎｂ＋１），Δｕ（ｉ−Ｋ−Ｎｂ＋
２），…，Δｕ（ｉ−１）を記憶する。

【００７６】メモリ５０は積算器４２の出力である制御
入力ｕ（ｉ）を入力として過去の制御入力ｕ（ｉ−１）
を記憶する。

【００７７】差分器４４はＦＦ信号Ｖ_FF（ｉ）を入力と
して、サンプリング周期の間の増分値ΔＶ_FF（ｉ）を求
める。

【００７８】メモリ５３はＦＦ信号の増分値ΔＶ
_FF（ｉ）を入力として過去の増分値ΔＶ_FF（ｉ−Ｋ−Ｎ
ｄ＋１），ΔＶ_FF（ｉ−Ｋ−Ｎｄ＋２），…，ΔＶ
_FF（ｉ）を記憶する。

【００７９】差分器４５はＦＦ信号Ｔ_FF（ｉ）を入力と
して、サンプリング周期の間の増分値ΔＴ_FF（ｉ）を求
める。

【００８０】メモリ５４はＦＦ信号の増分値ΔＴ
_FF（ｉ）を入力として過去の増分値ΔＴ_FF（ｉ−Ｋ−Ｎ
ｃ＋１），ΔＴ_FF（ｉ−Ｋ−Ｎｃ＋２），…，ΔＴ
_FF（ｉ）を記憶する。

【００８１】減算器５２はメモリ４６が記憶した指令増
分値Δｒ（ｉ−Ｋ）と差分器４３が出力する出力増分値
Δｙ（ｉ−Ｋ）の差分値Δｅ（ｉ−Ｋ）を求める。

【００８２】積算器４１は差分値Δｅ（ｉ−Ｋ）を積算
して偏差ｅ（ｉ−Ｋ）を求める。

【００８３】演算器５１は、式（２）の演算により現在
時刻の制御入力増分値Δｕ（ｉ）を算出する。

【００８４】積算器４２は、制御入力増分値Δｕ（ｉ）
を積算して制御入力ｕ（ｉ）を求め、制御対象９に出力
する。

【００８５】

【数１８】

【００８６】予測制御器３の場合と同様に、予測制御器
４を用いた予測制御装置１によって高い予測精度を得る
ことができる。

【００８７】図５は本発明の予測制御装置１のさらに他
の構成の予測制御器６の構成を示すブロック図である。

【００８８】図５を参照すると、予測制御器６は積算器
４１と差分器４３とメモリ４６，６１，４８，６２，６
４，６５と演算器６３と減算器５２を有している。

【００８９】積算器４１、差分器４３、メモリ４６，４
８および減算器５２は図４のものと同じである。

【００９０】メモリ６１は定数ｖｍ（ｍ＝−Ｋ＋１，−
Ｋ＋２，…，Ｍ），ｐｎ（ｎ＝０，１，…，Ｎａ−
１），Ｅ，ｇｎ（ｎ＝１，２，…，Ｎｂ＋Ｋ−１），ｘ
ｎ（ｎ＝０，１，…，Ｎｄ＋Ｋ−１），ｔｎ（ｎ＝０，
１，…，Ｎｃ＋Ｋ−１）を記憶している。

【００９１】メモリ６２は演算器６３の出力である制御
入力ｕ（ｉ）を入力として過去の制御入力ｕ（ｉ−Ｋ−
Ｎｂ＋１），ｕ（ｉ−Ｋ−Ｎｂ＋２），…，ｕ（ｉ−
１）を記憶する。

【００９２】メモリ６４はＦＦ信号Ｖ_FF（ｉ）を入力と
して過去のＦＦ信号Ｖ_FF（ｉ−Ｋ−Ｎｄ＋１），Ｖ
_FF（ｉ−Ｋ−Ｎｄ＋２），…，Ｖ_FF（ｉ）を記憶する。

【００９３】メモリ６５はＦＦ信号Ｔ_FF（ｉ）を入力と
して過去のＦＦ信号Ｔ_FF（ｉ−Ｋ−Ｎｃ＋１），Ｔ
_FF（ｉ−Ｋ−Ｎｃ＋２），…，Ｔ_FF（ｉ）を記憶する。

【００９４】演算器６３は、式（３）の演算により現在
時刻の制御入力ｕ（ｉ）を算出して制御対象９に出力す
る。

【００９５】

【数１９】

【００９６】予測制御器３，４の場合と同様に、予測制
御器６を用いた予測制御装置１によって高い予測精度を
得ることができる。

【００９７】次に、上記した式（１）〜式（３）につい
て説明する。

【００９８】まず、式（１）を導出する。

【００９９】制御対象９の２つのＦＦ信号Ｖ_FF（ｉ），
Ｔ_FF（ｉ）および制御入力ｕ（ｉ）から出力ｙ（ｉ）ま
での離散時間伝達関数モデルは、

【０１００】

【数２０】

【０１０１】で得られるとする。ただし、Ｙ（ｚ），Ｕ
（ｚ），Ｖ_FF（ｚ），Ｔ_FF（ｚ）はそれぞれｙ（ｉ），
ｕ（ｉ），Ｖ_FF（ｉ），Ｔ_FF（ｉ）のｚ変換である。

【０１０２】その場合の入出力モデルは、

【０１０３】

【数２１】

【０１０４】となる。

【０１０５】時刻ｉにおいて、時刻ｉ−Ｋ以降の出力の
モデル推定値

【０１０６】

【数２２】

【０１０７】を実測値ｙ（ｉ−ｎ）（ｎ＝Ｋ，Ｋ＋１，
…）を用いて表すと、

【０１０８】

【数２３】

【０１０９】より、

【０１１０】

【数２４】

【０１１１】となる。

【０１１２】ここで係数

【０１１３】

【数２５】

【０１１４】

【数２６】

【０１１５】となる。ただし、ａ_n＝０（ｎ＞Ｎａ）、
ｂ_n＝０（ｎ＜１およびｎ＞Ｎｂ）、ｄ _n＝０（ｎ＜１お
よびｎ＞Ｎｄ）、ｃ_n＝０（ｎ＜１およびｎ＞Ｎｃ）で
ある。

【０１１６】そこで時刻ｉ−Ｋ以降の出力を、

【０１１７】

【数２７】

【０１１８】で予測すると、出力予測値ｙ＊（ｉ＋ｍ）
は、

【０１１９】

【数２８】

【０１２０】と表され、係数Ａ_mn，Ｂ_mn，Ｄ_mn，Ｃ
_mnは、

【０１２１】

【数２９】

【０１２２】となる。

【０１２３】ただし、

【０１２４】

【数３０】

【０１２５】である。そこで、未来偏差予測値

【０１２６】

【数３１】

【０１２７】を、

【０１２８】

【数３２】

【０１２９】と与えて評価関数

【０１３０】

【数３３】

【０１３１】が最小となるように制御入力ｕ（ｉ）を決
定すると、∂Ｊ／∂ｕ（ｉ）＝０より式（１）を得るこ
とができる。ただし各定数ｑｍ，Ｅ，ｐｎ，ｇｎ，ｘ
ｎ，ｔｎは、

【０１３２】

【数３４】

【０１３３】である。

【０１３４】これによれば、ＦＦ信号Ｖ_FF（ｉ），Ｔ_FF
（ｉ）を考慮した伝達関数モデル（式（４））を用いて
評価関数Ｊ（式（１６））が最小となるような制御入力
ｕ（ｉ）を制御対象９に与えることができ、フィードフ
ォワード制御による予測精度の劣化のない、追従精度の
高い制御が可能となる。

【０１３５】次に、式（２）を導出する。

【０１３６】制御対象の２つのＦＦ信号Ｖ_FF（ｉ），Ｔ
_FF（ｉ）および制御入力ｕ（ｉ）から出力ｙ（ｉ）まで
の離散時間伝達関数モデル

【０１３７】

【数３５】

【０１３８】を用い、時刻ｉにおいて、時刻ｉ−Ｋ以降
の出力増分値を、

【０１３９】

【数３６】

【０１４０】で予測すると、出力増分値予測値Δｙ＊
（ｉ＋ｍ）は、

【０１４１】

【数３７】

【０１４２】となる。

【０１４３】ここで未来の制御入力とフィードフォワー
ド信号増分値をΔｕ（ｊ）＝ΔＶ_FF（ｊ）＝ΔＴ
_FF（ｊ）＝０（ｊ＝ｉ＋１，ｉ＋２，…）とすると係数
Ａ_mn，Ｂ_mn，Ｄ_mn，Ｃ_mnは、

【０１４４】

【数３８】

【０１４５】となる。

【０１４６】ただし、ａ_n＝０（ｎ＞Ｎａ）、ｂ_n＝０
（ｎ＜１およびｎ＞Ｎｂ）、ｄ_n＝０（ｎ＜１およびｎ
＞Ｎｄ）、ｃ_n＝０（ｎ＜１およびｎ＞Ｎｃ）である。

【０１４７】そこで，未来偏差予測値ｅ＊（ｉ＋ｍ）
を、

【０１４８】

【数３９】

【０１４９】と与えて、評価関数

【０１５０】

【数４０】

【０１５１】が最小となるように制御入力増分値Δｕ
（ｉ）を決定すると、∂Ｊ／∂Δｕ（ｉ）＝０より式
（２）を得ることができる。ただし各定数ｖｍ，Ｅ，ｐ
ｎ，ｇｎ，Ｆ，ｘｎ，ｔｎは、

【０１５２】

【数４１】

【０１５３】である。

【０１５４】これによれば、ＦＦ信号Ｖ_FF（ｉ），Ｔ_FF
（ｉ）を考慮した伝達関数モデル（式（１８））を用い
て評価関数Ｊ（式（２６））が最小となるような制御入
力ｕ（ｉ）を制御対象９に与えることができ、フィード
フォワード制御による予測精度の劣化のない、追従精度
の高い制御が可能となる。

【０１５５】次に、式（３）を導出する。

【０１５６】制御対象の２つのＦＦ信号Ｖ_FF（ｉ），Ｔ
_FF（ｉ）および制御入力ｕ（ｉ）から出力ｙ（ｉ）まで
の離散時間伝達関数モデルが、

【０１５７】

【数４２】

【０１５８】で得られている場合、時刻ｉにおいて，時
刻ｉ−Ｋ以降の出力増分値を、

【０１５９】

【数４３】

【０１６０】で予測すると、出力増分値予測値Δｙ＊
（ｉ＋ｍ）は、

【０１６１】

【数４４】

【０１６２】となる。

【０１６３】ここで未来の制御入力とフィードフォワー
ド信号をｕ（ｊ）＝ｕ（ｉ），Ｖ_FF（ｊ）＝Ｖ
_FF（ｉ），Ｔ_FF（ｊ）＝Ｔ_FF（ｉ）（ｊ＝ｉ＋１，ｉ＋
２，…）とすると係数Ａ_mn，Ｂ_mn，Ｄ_mn，Ｃ_mnは、

【０１６４】

【数４５】

【０１６５】で与えられる。ただし、ａ_n＝０（ｎ＞Ｎ
ａ）、ｂ_n＝０（ｎ＜１およびｎ＞Ｎｂ）、ｄ_n＝０（ｎ
＜１およびｎ＞Ｎｄ）、ｃ_n＝０（ｎ＜１およびｎ＞Ｎ
ｃ）である。

【０１６６】そこで、未来偏差予測値ｅ＊（ｉ＋ｍ）
を、

【０１６７】

【数４６】

【０１６８】で与え、評価関数

【０１６９】

【数４７】

【０１７０】が最小となるように制御入力ｕ（ｉ）を決
定すると，∂Ｊ／∂ｕ（ｉ）＝０より式（３）を得るこ
とができる。ただし各定数ｖｍ，Ｅ，ｐｎ，ｇｎ，ｘ
ｎ，ｔｎは、

【０１７１】

【数４８】

【０１７２】である。

【０１７３】これによれば、ＦＦ信号Ｖ_FF（ｉ），Ｔ_FF
（ｉ）を考慮した伝達関数モデル（式（２８））を用い
て評価関数Ｊ（式（３６））が最小となるような制御入
力ｕ（ｉ）を制御対象９に与えることができ、フィード
フォワード制御による予測精度の劣化のない、追従精度
の高い制御が可能となる。

【０１７４】

【発明の効果】本発明によれば、予測制御器の演算にお
いて、フィードフォワード信号を考慮した伝達関数モデ
ルで未来の偏差予測値を求め、その未来予測値と制御入
力に関する評価関数が最小となるように制御入力を決定
するので、フィードフォワード制御を加えることによる
予測精度の劣化がなく、追従精度の高い制御が可能とな
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施形態の予測制御装置の構成を示す
ブロック図である。

【図２】本実施形態のＦＦ信号作成指令フィルタの構成
を示すブロック図である。

【図３】本実施形態の予測制御器の構成を示すブロック
図である。

【図４】本発明の予測制御装置の他の構成の予測制御器
４の構成を示すブロック図である。

【図５】本発明の予測制御装置のさらに他の構成の予測
制御器６の構成を示すブロック図である。

【図６】従来の制御装置の構成を示すブロック図であ
る。

【図７】本実施形態における制御対象の構成を示すブロ
ック図である。

【符号の説明】

１予測制御装置２ＦＦ信号作成指令フィルタ２１フィルタ２２メモリ２３ＦＦ信号演算器３予測制御器３１積算器３２，３３，３４，３５，３８，３９メモリ３６演算器３７減算器４予測制御器４１，４２積算器４３，４４，４５差分器４６，４７，４８，４９，５０，５３，５４メモリ５１演算器５２減算器６予測制御器６１，６２，６４，６５メモリ９制御対象９１モータ９２速度制御器

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】制御対象の出力を目標指令に一致させる
ように制御入力とフィードフォワード信号を制御対象に
出力する予測制御装置であって、未来の前記目標指令に関する情報である目標指令信号を
入力として、現在のサンプリング時刻から複数サンプリ
ング未来までの前記目標指令信号の各サンプリング周期
間の増分である未来の指令増分値および前記フィードフ
ォワード信号を出力するフィードフォワード信号作成指
令フィルタと、未来の前記指令増分値と、前記フィードフォワード信号
およびゼロサンプリング以上過去の制御対象出力を入力
として、前記フィードフォワード信号および前記制御入
力から前記制御対象出力までの伝達関数モデルを用いて
未来の偏差予測値を求め、該偏差予測値と前記制御入力
に関する評価関数が最小となるように前記制御入力を決
定し、該制御入力を前記制御対象に与える予測制御器と
を有する予測制御装置。
【請求項２】前記フィードフォワード信号作成指令フ
ィルタは、現在のサンプリング時刻に、前記目標指令信号を入力と
して、該目標指令信号または該目標指令信号をフィルタ
リングした信号の各サンプリング周期間の増分を未来の
前記指令増分値として出力する、請求項１記載の予測制
御装置。
【請求項３】前記フィードフォワード信号作成指令フ
ィルタは、ｉを現在のサンプリング時刻、Ｇａｉｎ１，Ｇａｉｎ２
を定数、ｍ１およびｍ２を０≦ｍ１≦ｍ２の整数、Δｒ
（ｉ＋ｍ１）をｍ１サンプリング未来の前記指令増分
値、ＦＦ₁（ｉ）およびＦＦ₂（ｉ）を前記フィードフォ
ワード信号としたとき、前記フィードフォワード信号【数１】を演算し出力する、請求項１記載の予測制御装置。
【請求項４】前記制御対象はモータおよびその速度制
御器であり、前記制御入力は速度指令であり、前記制御対象出力はモータ位置であり、前記フィードフォワード信号は速度制御用のフィードフ
ォワード信号およびトルク制御用のフィードフォワード
信号である、請求項１記載の予測制御装置。
【請求項５】前記予測制御器は、未来の前記指令増分値を入力として、現在のサンプリン
グ時刻から複数サンプリング未来までの前記目標指令を
算出する積算器と、予め、予測制御用の定数を記憶しており、前記積算器で
算出された前記目標指令と、２つの前記フィードフォワ
ード信号と、前記制御対象出力と、前記制御入力を入力
として、過去の前記目標指令と、過去の前記フィードフ
ォワード信号と、過去の前記制御対象出力と、過去の前
記制御入力を記憶する記憶部と、過去の前記目標指令から前記制御対象出力を減算して過
去の偏差を求める減算器と、前記積算器で求められた前記目標指令と、前記記憶部が
記憶した過去の前記フィードフォワード信号、過去の前
記制御対象出力、過去の前記制御入力および予測制御用
の定数と、前記減算器で求められた前記偏差を入力とし
て、ＦＦ₁（ｚ）およびＦＦ₂（ｚ）を２つの前記フィー
ドフォワード信号のｚ変換、Ｕ（ｚ）を前記制御入力の
ｚ変換、Ｙ（ｚ）を前記制御対象出力のｚ変換、Ｎａ，
Ｎｂ，Ｎｃ，Ｎｄを自然数、ａ₁，ａ₂，…，ａ_Na，
ｂ₁，ｂ₂，…，ｂ_Nb，ｃ₁，ｃ₂，…，ｃ_Nc，ｄ₁，ｄ₂，
…，ｄ_Ndを所定の係数としたとき、前記フィードフォワ
ード信号および前記制御入力から前記制御対象出力まで
の離散時間伝達関数モデル【数２】を用いて未来偏差予測値を求め、該未来偏差予測値と前
記制御入力に関する評価関数が最小となるように前記制
御入力を決定して出力する演算器を有する、請求項１記
載の予測制御装置。
【請求項６】前記演算器は、ｘをサンプリング時刻を示す整数として、ＦＦ₁（ｘ）
およびＦＦ₂（ｘ）を２つの前記フィードフォワード信
号、ｕ（ｘ）を前記制御入力、ｙ（ｘ）を前記制御対象
出力、ｒ（ｘ）を前記目標指令、Ｍ，Ｎａ，Ｎｂ，Ｎ
ｃ，Ｎｄを自然数、ＫをＫ≧０の整数、ｑｍ，ｐｎ，
Ｅ，ｇｎ，ｘｎ，ｔｎを前記予測制御用の定数、ｉを現
在のサンプリング時刻としたとき、前記制御入力【数３】を演算し出力する、請求項５記載の予測制御装置。
【請求項７】前記予測制御器は、２つの前記フィードフォワード信号を入力として該フィ
ードフォワード信号の各サンプリング周期間の増分をフ
ィードフォワード信号増分値として求める第１の差分器
と、過去の前記制御対象出力を入力として該制御対象出力の
各サンプリング周期間の増分を過去の出力増分値として
求める第２の差分器と、予め、予測制御用の定数を記憶しており、前記指令増分
値と、前記第１の差分器で求められた２つの前記フィー
ドフォワード信号増分値と、前記第２の差分器で求めら
れた前記出力増分値と、前記制御入力と、前記制御入力
の増分値を入力として、過去の前記指令増分値と、過去
の前記フィードフォワード信号増分値と、過去の前記出
力増分値と、過去の前記制御入力と、前記制御入力の過
去の増分値を記憶する記憶部と、過去の前記指令増分値から過去の前記出力増分値を減算
して過去の偏差の増分値を求める減算器と、前記減算器で求められた前記偏差の増分値を積算して前
記偏差を求める第１の積算器と、未来の前記指令増分値と、前記記憶手段が記憶した過去
の前記指令増分値、過去の前記フィードフォワード信号
増分値、過去の前記出力増分値、過去の前記制御入力、
前記制御入力の過去の増分値および前記予測制御用の定
数と、前記第１の積算器で求められた前記偏差を入力と
して、ＦＦ₁（ｚ）およびＦＦ₂（ｚ）を２つの前記フィ
ードフォワード信号のｚ変換、Ｕ（ｚ）を前記制御入力
のｚ変換、Ｙ（ｚ）を前記制御対象出力のｚ変換、Ｎ
ａ，Ｎｂ，Ｎｃ，Ｎｄを自然数、ａ₁，ａ₂，…，ａ_Na，
ｂ₁，ｂ₂，…，ｂ_Nb，ｃ₁，ｃ₂，…，ｃ_Nc，ｄ₁，ｄ₂，
…，ｄ_Ndを所定の係数としたとき、前記フィードフォワ
ード信号および前記制御入力から前記制御対象出力まで
の離散時間伝達関数モデル【数４】を用いて未来偏差予測値を求め、該未来偏差予測値と前
記制御入力に関する評価関数が最小となるように前記制
御入力の増分値を決定して出力する演算器と、前記演算器が出力した前記制御入力の増分値を積算して
前記制御入力を求める第２の積算器を有する、請求項１
記載の予測制御装置。
【請求項８】前記演算器は、ｘをサンプリング時刻を示す整数として、ΔＦＦ
₁（ｘ）およびΔＦＦ₂（ｘ）を２つの前記フィードフォ
ワード信号増分値、Δｕ（ｘ）を前記制御入力の増分
値、Δｙ（ｘ）を前記出力増分値、Δｒ（ｘ）を前記指
令増分値、ｅ（ｘ）を前記偏差、Ｍ，Ｎａ，Ｎｂ，Ｎ
ｃ，Ｎｄを自然数、ＫをＫ≧０の整数、ｖｍ，ｐｎ，
Ｅ，ｇｎ，ｘｎ，ｔｎ，Ｆを前記予測制御用の定数、ｉ
を現在のサンプリング時刻としたとき、前記制御入力の
増分値【数５】を演算し出力する、請求項７記載の予測制御装置。
【請求項９】前記予測制御器は、過去の前記制御対象出力を入力として該制御対象出力の
各サンプリング周期間の増分を過去の出力増分値として
求める差分器と、予め、予測制御用の定数を記憶しており、前記指令増分
値と、２つのフィードフォワード信号と、前記差分手段
で求められた前記出力増分値と、前記制御入力を入力と
して、過去の前記指令増分値と、過去の前記フィードフ
ォワード信号と、過去の前記出力増分値と、過去の前記
制御入力を記憶する記憶部と、過去の前記指令増分値から過去の前記出力増分値を減算
して過去の偏差の増分値を求める減算器と、前記減算器で求められた前記偏差の増分値を積算して前
記偏差を求める積算器と、未来の前記指令増分値と、前記記憶部が記憶した過去の
前記指令増分値、過去の前記フィードフォワード信号、
過去の前記出力増分値、過去の前記制御入力および予測
制御用の定数と、前記積算器で求められた前記偏差を入
力として、ＦＦ ₁（ｚ）およびＦＦ₂（ｚ）を２つの前記
フィードフォワード信号のｚ変換、Ｕ（ｚ）を前記制御
入力のｚ変換、Ｙ（ｚ）を前記制御対象出力のｚ変換、
Ｎａ，Ｎｂ，Ｎｃ，Ｎｄを自然数、ａ₁，ａ₂，…，
ａ_Na，ｂ₁，ｂ₂，…，ｂ_Nb，ｃ₁，ｃ₂，…，ｃ_Nc，
ｄ₁，ｄ₂，…，ｄ_Ndを所定の係数としたとき、前記フィ
ードフォワード信号および前記制御入力から前記制御対
象出力までの離散時間伝達関数モデル【数６】を用いて未来偏差予測値を求め、該未来偏差予測値と前
記制御入力に関する評価関数が最小となるように前記制
御入力を決定して出力する演算器を有する、請求項１記
載の予測制御装置。
【請求項１０】前記演算器は、ｘをサンプリング時刻を示す整数として、ＦＦ₁（ｘ）
およびＦＦ₂（ｘ）を２つの前記フィードフォワード信
号、ｕ（ｘ）を前記制御入力、Δｙ（ｘ）を前記出力増
分値、Δｒ（ｘ）を前記指令増分値、ｅ（ｘ）を前記偏
差、ｖｍ，ｐｎ，Ｅ，ｇｎ，ｘｎ，ｔｎを前記予測制御
用の定数、ｉを現在のサンプリング時刻としたとき、前
記制御入力【数７】を演算し出力する、請求項９記載の予測制御装置。