JP2003112224A - Ｈ∞コントローラを用いた位置決め制御装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 ゲイン切換機能を不要にし、また、移動ピッ
チ、加工位置、材料の重量などの違いによる整定特性の
変化を抑圧して良好な整定特性を実現する。 【解決手段】 板金加工機の送り機構を制御対象として
位置ループ制御および速度ループ制御を行う位置決め制
御装置において、位置ループのポジションゲインとし
て、Ｈ∞制御理論に基づき一般化プラントを用いて設計
され、外生入力による制御量への影響を抑圧するＨ∞コ
ントローラ３０を設け、このＨ∞コントローラ３０を、
速度ループを含む一般化プラント１００，２００を用い
て設計した。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、例えば各種板金
加工機の送り機構の位置決めに適用されるＨ∞コントロ
ーラを用いた位置決め制御装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】例えばパンチングマシンなど、材料（ワ
ーク）を載せたＸＹテーブルを移動させて加工を行う板
金加工機において、汎用ＮＣ装置を用いた位置決め制御
では、位置ループは主として比例制御、速度ループは主
として比例積分制御により行っている。これに、微分補
償や、ゲイン切換などの機能を付加することで、性能向
上を図っている。この方式では、パラメータは現調によ
って決定されている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、このよ
うな従来のものは、移動ピッチ、加工位置、材料
の重量、機械の個体差、経年変化、季節変動、な
どの要因によって位置決め特性は変化する。すなわち、
移動ピッチの場合、移動ピッチによって含まれる周波
数成分が異なるため、指令値によっては機械を励振する
ことがある。また、加工位置では、可動ストロークの
大きな機械では、例えばボールねじなどの駆動機構の剛
性や、機械の組立精度により、ＸＹテーブル任意の位置
での送り軸特性に大きな差がみられることがある。ま
た、材料の重量では、テーブルにセットされる材料の
大きさが様々であるうえ、加工の進行によって材料が切
り取られていくことで、その重量は一定でなく徐々に変
化していくため、送り軸特性も変化する。

【０００４】このような各種の要因が影響するあらゆる
状況に対し、現調により決定したパラメータによって目
標の整定特性を充たすことは困難である。

【０００５】また、高速化が進む中、制御対象の振動モ
ードが制御帯域内に存在すると位置決め整定特性を向上
させることが困難であり、従来の調整法ではこれ以上の
性能向上と安定性を望むのは難しいなど、さまざまな問
題があった。

【０００６】この発明の課題は、上記従来のもののもつ
問題点を排除して、ゲイン切換機能を不要にし、また、
移動ピッチ、加工位置、材料の重量などの違いによる整
定特性の変化を抑圧して良好な整定特性を実現すること
のできるＨ∞コントローラを用いた位置決め制御装置を
提供することにある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】この発明は上記課題を解
決するものであって、請求項１に係る発明は、板金加工
機の送り機構を制御対象として位置ループ制御および速
度ループ制御を行う位置決め制御装置において、位置ル
ープのポジションゲインとして、Ｈ∞制御理論に基づき
一般化プラントを用いて設計され、外生入力による制御
量への影響を抑圧するＨ∞コントローラを設け、前記Ｈ
∞コントローラを、速度ループを含む一般化プラントを
用いて設計したＨ∞コントローラを用いた位置決め制御
装置である。

【０００８】請求項２に係る発明は、板金加工機の送り
機構を制御対象として位置ループ制御および速度ループ
制御を行う位置決め制御装置において、位置ループのポ
ジションゲインとして、外生入力による制御量への影響
を抑圧するＨ∞制御理論に基づき、速度ループを含む一
般化プラントを用いて設計したＨ∞コントローラを設
け、前記位置ループの手前に前置フィルタを設けて、当
該前置フィルタへの位置指令を、速度ループの速度コン
トローラの出力に加えるフィードフォワードフィルタを
設けたＨ∞コントローラを用いた位置決め制御装置であ
る。

【０００９】

【発明の実施の形態】この発明の実施の形態を、図面を
参照して説明する。図１は、この発明によるＨ∞コント
ローラを用いた位置決め制御装置の一実施の形態を示す
ブロック図であり、この位置決め制御装置１は、送り機
構の特性を表す制御対象１０と、制御対象１０の速度フ
ィードバックループを比例制御または比例積分制御する
速度コントローラ２０と、制御対象１０の位置フィード
バックループにおけるポジションゲインとして用いるコ
ントローラであって、Ｈ∞制御理論に基づいて、制御対
象１０の振動モードやモデル誤差を考慮した周波数ゲイ
ン特性を有し、外乱トルク、センサノイズ、モデル誤
差、制御対象のパラメータ変動の影響を抑圧するＨ∞コ
ントローラ３０とを備えて構成されている。この位置決
め制御装置１は、充分な外乱抑圧性を発揮することがで
きるものである。

【００１０】図２は、この発明によるＨ∞コントローラ
を用いた位置決め制御装置の他の実施の形態を示すブロ
ック図であり、この位置決め制御装置２は、図１に示す
位置決め制御装置１にさらに、位置指令値に作用し、制
御対象１０の振動モードを励振させにくくする前置フィ
ルタ４０と、前置フィルタ４０と連係し、制御対象１０
に適したトルク指令を形成するフィードフォワードフィ
ルタ５０とを備えて構成されている。前置フィルタ４０
とフィードフォワードフィルタ５０には、制御対象１０
の振動モードを励振させにくい周波数特性をもたせ、位
置指令値から制御対象が追従しきれない周波数成分の低
減を図り、整定特性の改善を実現するとともに目標追従
性を向上させる。そのため、この位置決め制御装置２
は、図１に示す位置決め制御装置１と同様に充分な外乱
抑圧性を発揮することに加えて、図１に示す位置決め制
御装置１に比べて向上した目標追従性を発揮することが
できるものである。

【００１１】いずれの位置決め制御装置１，２でも、ポ
ジションゲインとして用いるＨ∞コントローラ３０の構
成には差異がなく、Ｈ∞コントローラ３０の設計はつぎ
のようにする。すなわち、Ｈ∞制御理論は、図３に示す
ような一般化プラントにおいて、「外生入力（外部入
力）Ｗに対して制御量Ｚをなるべく小さく抑える」よう
なコントローラＫの設計を可能とするものであるから、
位置決め制御装置１，２のＨ∞コントローラ３０の設計
に用いる一般化プラントとして、まず、図４に示すよう
な定式化を行う。

【００１２】図４に示す一般化プラント１００は、制御
対象の周波数特性の特徴を２慣性系で表現するモデルを
制御対象モデル１１０として想定したものであり、ま
た、この一般化プラント１００に速度ループを含んでい
る点に特徴がある。外生入力Ｗとして、外乱トルクＷ１
とセンサノイズＷ２を設定し、この影響を受けにくくす
る制御量Ｚとして、テーブル変位Ｚ１と速度指令Ｚ２を
設定した。但し、テーブル変位Ｚ１には、感度関数に対
する周波数重み関数Ｗｓをかけ、また、速度指令Ｚ２に
は、相補感度関数に対する周波数重み関数Ｗｔをかけ
た。

【００１３】速度ループは位置指令からみれば微分補償
の役割を果たし、これによって制御対象１０の応答性を
向上させている。微分要素は、そのゲイン特性が周波数
に比例するが、この特性を速度ループなしにＨ∞コント
ローラ３０で実現しようとすると、重み関数が高次にな
ることが避けられず、感覚的にもわかりにくくなり、設
定・調整も手間取ることになる。そこで、一般化プラン
ト１００に速度ループを含み応答性を確保することで、
Ｈ∞コントローラ３０に関わる重み関数の設定はロバス
ト性に重点をおくことができる。この結果、振動やノイ
ズの影響が小さい周波数帯域では高ゲインであり、一
方、振動モード近傍やモデル誤差・ノイズが影響するよ
うな周波数帯域では低ゲインとなる、周波数整形された
ポジションゲインを実現することができ、外乱抑圧性に
優れた、ゲイン切換不要なシステム（位置決め制御装置
１，２）を構成することができる。

【００１４】ゲインの周波数整形に大きな役割を果たす
重み関数は、感度関数Ｓと相補感度関数Ｔに作用する。
感度関数Ｓ・相補感度関数Ｔは、図５に示すようなフィ
ードバック制御系において、Ｓ＝１／（１＋ＧＣ），Ｔ
＝ＧＣ／（１＋ＧＣ）で定義される。目標追従性や外乱
抑圧性を向上させるにはＳを小さくし、モデルの不確か
さに対するロバスト安定性を向上させるにはＴを小さく
する。また、Ｓ＋Ｔ＝１の関係があるため、Ｓ・Ｔ間で
トレードオフを図る。

【００１５】周波数重み関数Ｗｓ・ＷｔはＳ・Ｔの特性
を整形するための関数であり、Ｈ∞制御理論により、‖
Ｗｓ・Ｓ‖_∞≦１，‖Ｗｔ・Ｔ‖_∞≦１を充たすような
コントローラＣ（すなわちＳ，Ｔ）が計算される。一般
に、目標追従性や外乱抑圧性は低域で大きくなければな
らない（低域でＳ小→Ｗｓ大）。また、モデル誤差は高
域ほど大きくなる傾向があるので高域のロバスト性を大
きくとる（高域でＴ小→Ｗｔ大）。

【００１６】このような重み関数の決定は、制御特性を
見ながらの試行錯誤は避けられないものであり、つぎの
ような手順によって決定する。 （１）感度関数Ｓ・相補感度関数Ｔの基本的な特性に加
え、制御対象の周波数特性も考慮して設定した重み関数
によって、Ｈ∞コントローラを設計する。 （２）制御系設計ツールなどによりシミュレーションを
行う。 （３）制御対象モデルが所望の特性を示すまで（１）重
み関数の調整と（２）シミュレーションとを繰り返す。 （４）所望の特性がなかなか得られない場合は、一般化
プラントの構成を変更して（１）（２）（３）を行う。 （５）シミュレーションで所望の特性が得られたら、実
機による確認を行う。 （６）実機が所望の特性を示すまで重み関数の微調整を
行う。 （７）所望の特性が得られない場合は、最も良好なとこ
ろで妥協するか、（４）へ戻る。 （８）所望の特性または良好な特性を示した重み関数に
決定する。

【００１７】このような手順を実行したとき、図４の一
般化プラント１００では良好な特性が得られない場合、
または、一定の特性は得られるがそれ以上の特性を得た
い場合は、一般化プラントの構成を、例えば図６に示す
ものに変更することができる。図６に示す一般化プラン
ト２００では、感度関数Ｓ・相補感度関数Ｔと周波数重
み関数Ｗｓ・Ｗｔとの対応が、上述したほど単純ではな
いが、主にＳ→Ｗin１，Ｔ→Ｗin２と考えられる。ま
た、この一般化プラント２００は、先の一般化プラント
１００の外乱トルクＷ１を等価的に速度ループ外へ移動
させたものである。この重み関数Ｗin１に積分特性をも
たせることで、積分器を有するＨ∞コントローラ３０を
構成できる。Ｗin２は高周波帯域でロバスト安定性を確
保する重み関数である。先の一般化プラント１００では
調整できる重み関数が３つだけであるのに対し、この一
般化プラント２００ではＷin１，Ｗin２，Ｗout１，Ｗo
ut２と４つあるため、微調整が可能である。

【００１８】この一般化プラント２００を用いることで
上記の手順で決定した重み関数の周波数ゲイン特性を図
７に示し、また、制御対象モデルの周波数ゲイン特性を
図８に示す。図８からわかるように、モータ位置、モー
タ速度、テーブル位置いずれについても、速度ループ有
り（アンダラインをつけて示す）の方が、速度ループ無
し（カッコをつけて示す）に比べて良好な特性が得られ
る。

【００１９】さらに、図９には、従来の位置決め制御方
法（ａ）と、Ｈ∞コントローラにフィードフォワードを
加えた位置決め制御方法（ｂ）との違いを示す。図９か
らわかるように、Ｈ∞コントローラにフィードフォワー
ドを加えた位置決め制御方法（ｂ）は、従来の位置決め
制御方法（ａ）に比べて、負荷変動によるバラツキが大
きく低減するとともに、整定性が大幅に向上する。

【００２０】以上に説明したように、この発明によるＨ
∞コントローラを用いた位置決め制御装置は、移動ピッ
チ、加工位置、材料の重量、機械の個体差、経年変化、
季節変動などの整定特性への影響を抑圧した高速高精度
の位置決めを実現することができるとともに、従来のよ
うなゲイン切換機能や再調整を不要とすることができ
る。

【００２１】また、モデルに基づく設計によりポジショ
ンゲインに振動抑圧効果をもたせることができるため、
制御帯域内に振動モードが存在する場合でも、従来のも
のに優る整定特性を得ることができる。

【００２２】また、一般化プラントに含まれる速度ルー
プによって応答性が確保できるため、Ｈ∞コントローラ
を計算する際の重み関数はロバスト性向上に振り向ける
ことができ、感覚的にわかりやすい。

【００２３】なお、上記の実施の形態では、一般化プラ
ント１００の制御対象モデル１１０として、制御対象の
周波数特性の特徴を２慣性系で表現するモデルを想定し
たが、これに限定するものでなく、３慣性系で表現する
モデルを想定することも可能である。

【００２４】また、この発明によるＨ∞コントローラを
用いた位置決め制御装置を送り機構の位置決めに適用す
る板金加工機としては、例えば、パンチングマシンの
Ｘ・Ｙ送り軸の位置決め、タレットパンチプレスのタ
レットの位置決め、プレスブレーキのバックゲージの
位置決め、プレスブレーキのＤ軸の位置決め、レー
ザマシンのＸ軸・Ｙ軸の早送り、などのほか、油圧の位
置決めにも適用することが可能である。これらの板金加
工機に適用する場合、パンチングマシンのＸ・Ｙ送り
軸の位置決めでは、Ｚ１はキャレッジ位置、タレット
パンチプレスのタレットの位置決めでは、Ｚ１はタレッ
ト位置（回転角度）、プレスブレーキのバックゲージ
の位置決めでは、Ｚ１はバックゲージ位置、プレスブ
レーキのＤ軸の位置決めでは、Ｚ１はテーブル（Ｄ軸）
位置、レーザマシンのＸ軸・Ｙ軸の早送りでは、レー
ザヘッド移動タイプのレーザマシンの場合は、Ｚ１はヘ
ッド位置、材料移動タイプのレーザマシンの場合は、Ｚ
１はキャレッジ位置である。そして、Ｚ２は、速度入力
（速度コントローラ入力でフィードバック信号を差し引
く前のものであり、一般化プラントによって、ｕだけの
こともあるし、ｕ＋Ｗ１のこともある。）、Ｗ１は、ト
ルク外乱（またはそれを加え合わせる点により等価変換
したもの。）、Ｗ２は、観測ノイズ（センサノイズ）で
あり、これらは各板金加工機に共通である。

【００２５】

【発明の効果】この発明は以上のように、板金加工機の
送り機構を制御対象として位置ループ制御および速度ル
ープ制御を行う位置決め制御装置において、位置ループ
のポジションゲインとして、Ｈ∞制御理論に基づき一般
化プラントを用いて設計され、外生入力による制御量へ
の影響を抑圧するＨ∞コントローラを設け、前記Ｈ∞コ
ントローラを、速度ループを含む一般化プラントを用い
て設計したので、ゲイン切換機能が不要であり、また、
移動ピッチ、加工位置、材料の重量などの変化による整
定特性への影響を抑圧した高速高精度の位置決めを実現
することができる効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】Ｈ∞コントローラを用いた位置決め制御装置の
一実施の形態を示すブロック図である。

【図２】Ｈ∞コントローラを用いた位置決め制御装置の
他の実施の形態を示すブロック図である。

【図３】Ｈ∞制御理論における一般化プラントを示すブ
ロック図である。

【図４】位置決め制御装置のＨ∞コントローラの設計に
用いた一般化プラントの一例を示すブロック図である。

【図５】感度関数・相補感度関数の説明に用いるフィー
ドバック制御系のブロック図である。

【図６】位置決め制御装置のＨ∞コントローラの設計に
用いた一般化プラントの他の例を示すブロック図であ
る。

【図７】重み関数の周波数ゲイン特性を示すグラフであ
る。

【図８】制御対象モデルの各要素の周波数ゲイン特性を
示すグラフである。

【図９】従来の位置決め制御方法（ａ）と、Ｈ∞コント
ローラにフィードフォワードを加えた位置決め制御方法
（ｂ）との違いを比較して示すグラフである。

【符号の説明】

１，２ Ｈ∞コントローラを用いた位置決め制御装置 １０ 制御対象 ２０ 速度コントローラ ３０ Ｈ∞コントローラ（ポジションゲイン） ４０ 前置フィルタ ５０ フィードフォワードフィルタ １００，２００ 一般化プラント １１０，２１０ 制御対象モデル １２０，２２０ 速度コントローラ

フロントページの続き Ｆターム(参考） 5H004 GA02 GA03 GA06 GA17 GB15 HA07 HA08 HB07 HB08 KB13 KB18 KB32 KC05 KC08 KC18 5H303 AA01 CC02 CC03 CC05 DD01 KK11 KK21 KK23 KK28 KK33

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 板金加工機の送り機構を制御対象として
   位置ループ制御および速度ループ制御を行う位置決め制
   御装置において、 位置ループのポジションゲインとして、Ｈ∞制御理論に
   基づき一般化プラントを用いて設計され、外生入力によ
   る制御量への影響を抑圧するＨ∞コントローラを設け、 前記Ｈ∞コントローラを、速度ループを含む一般化プラ
   ントを用いて設計したことを特徴とするＨ∞コントロー
   ラを用いた位置決め制御装置。
2. 【請求項２】 板金加工機の送り機構を制御対象として
   位置ループ制御および速度ループ制御を行う位置決め制
   御装置において、 位置ループのポジションゲインとして、外生入力による
   制御量への影響を抑圧するＨ∞制御理論に基づき、速度
   ループを含む一般化プラントを用いて設計したＨ∞コン
   トローラを設け、 前記位置ループの手前に前置フィルタを設けて、当該前
   置フィルタへの位置指令を、速度ループの速度コントロ
   ーラの出力に加えるフィードフォワードフィルタを設け
   た、ことを特徴とするＨ∞コントローラを用いた位置決
   め制御装置。