JP2007272279A - Control device - Google Patents

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文彦 箱田
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a control device capable of attaining a quick startup even in a control object having disturbance and characteristic fluctuation. <P>SOLUTION: The control device comprises a sensor 21 for detecting an output quantity outputted from a mechanism part 10 according to control to the mechanism part 10 that is the control object; and a sliding mode controller 22 calculating, based on a target value of output quantity in the mechanism part 10 and the output quantity detected by the sensor, a control quantity to the mechanism part 10 by sliding mode control, and outputting a control signal based on the control quantity to the mechanism part 10. The sliding mode controller 22 is configured to attenuate a predetermined frequency component in the output quantity detected by the sensor 21 and calculate the control quantity based on the output quantity in which the predetermined frequency component is attenuated. <P>COPYRIGHT: (C)2008,JPO&INPIT

Description

本発明は、スライディングモード制御を用いた制御装置に関する。   The present invention relates to a control device using sliding mode control.

モーションコントロールにおいて制御対象の高精度な位置決め及び目標値追従を実現するためには、外乱及び制御対象の特性変動を抑えることが必要である。PID制御に代表される線形のフィードバック制御は設計が容易である反面、必ずしも上記のような目的に対して十分な性能を得ることができない。これに対し、スライディングモード制御は可変構造制御系の性質、つまりコントローラ自体に非線形な特性を内包しており、外乱及び制御対象の特性変動を効果的に抑えることが可能である。   In order to realize highly accurate positioning and target value tracking of a controlled object in motion control, it is necessary to suppress disturbances and fluctuations in characteristics of the controlled object. Although linear feedback control represented by PID control is easy to design, sufficient performance for the above-mentioned purpose cannot always be obtained. On the other hand, the sliding mode control includes the property of the variable structure control system, that is, the nonlinear characteristic in the controller itself, and it is possible to effectively suppress the disturbance and the characteristic variation of the controlled object.

スライディングモード制御では、状態空間の中に予め決められたすべり平面というものを設定し、制御対象システムをこのすべり平面に拘束する。この拘束によりシステムは外乱及び特性変動から不感(影響を受けなくなるということ)となり、高精度な位置決め及び目標値追従が可能となる。ここで、すべり平面への拘束を行う制御力は、以下のように求めることができる。   In the sliding mode control, a predetermined slip plane is set in the state space, and the controlled system is constrained to the slip plane. This restriction makes the system insensitive (to be unaffected) by disturbances and characteristic fluctuations, and enables highly accurate positioning and target value tracking. Here, the control force for constraining the slip plane can be obtained as follows.

モーションコントロールで一般的な1自由度制御対象の運動方程式を(1)式とする。ここで、mは質量、xは変位、Fは制御力、dは外乱力である。   A general equation of motion of a one-degree-of-freedom control object in motion control is represented by equation (1). Here, m is mass, x is displacement, F is control force, and d is disturbance force.

Figure 2007272279
Figure 2007272279

1=xとし、x1の時間微分をxとすると、(1)式は(2)式のように行列形式で表現することができる。 Assuming x 1 = x and the time derivative of x 1 is x 2 , equation (1) can be expressed in matrix form as equation (2).

Figure 2007272279
Figure 2007272279

制御系を位置決め制御系または目標値追従系とするために、目標値rと変位xの差分を積分した新たな状態量xiを定義する。 In order to the control system positioning control system or target value follow-up system, to define a new state variable x i obtained by integrating the difference between the target value r and the displacement x.

Figure 2007272279
Figure 2007272279

そして、すべり平面σの特性は、(4)式の様に状態量の線形結合を用いて表される。なお、(4)式において、Sはユーザにより設定される線形結合ゲインである。線形結合ゲインSを決定する方法は多数提案されており、例えば、最適制御におけるフィードバックゲインを活用する方法等がある(例えば、非特許文献1を参照)。   The characteristic of the slip plane σ is expressed using a linear combination of state quantities as shown in equation (4). In the equation (4), S is a linear combination gain set by the user. A number of methods for determining the linear combination gain S have been proposed. For example, there is a method of utilizing a feedback gain in optimal control (for example, see Non-Patent Document 1).

Figure 2007272279
Figure 2007272279

(4)式で表されるすべり平面σの特性をシステムに与えるためには、σ=0をFについて解き、このときのFを第1の制御力f1(すなわち制御力F)として適用する。外乱やモデル変動が無い場合には、上記の操作によりシステムはすべり平面に拘束され、高精度な位置決め及び目標値追従が可能となる。 In order to give the system the characteristic of the slip plane σ expressed by the equation (4), σ = 0 is solved for F, and F at this time is applied as the first control force f 1 (ie, control force F). . When there is no disturbance or model fluctuation, the system is constrained to the slip plane by the above operation, and highly accurate positioning and target value tracking are possible.

一方、外乱やモデル変動がある場合、システムをすべり平面に拘束させる(つまりσ=0を成立させる)ためには、以下の操作を追加する。まず、すべり平面の特性を表すσの2次関数Vを(5)式のように定義する。   On the other hand, when there is a disturbance or model variation, the following operation is added to constrain the system to the slip plane (that is, to establish σ = 0). First, a quadratic function V of σ representing the characteristics of the slip plane is defined as in equation (5).

Figure 2007272279
Figure 2007272279

Vの時間微分が0より小さければσ=0に収束するので、先で求めた第1の制御力f1に第2の制御力f2を加え、f1+f2を新たな制御力Fとする。ここで、f2は(6)式のようにσの符号関数を含む形で与える。なお、(6)式において、Kはユーザにより設定される制御ゲインである。 If the time derivative of V is smaller than 0, it converges to σ = 0. Therefore, the second control force f 2 is added to the first control force f 1 obtained previously, and f 1 + f 2 is set as a new control force F. To do. Here, f 2 is given in a form including a sign function of σ as shown in equation (6). In Equation (6), K is a control gain set by the user.

Figure 2007272279
Figure 2007272279

制御入力Fをf1+f2として、Vの時間微分を求めると(7)式となり、制御ゲインKの大きさが適切に設定されていればσ=0への収束が保証される。 When the control input F is f 1 + f 2 and the time derivative of V is obtained, equation (7) is obtained. If the magnitude of the control gain K is set appropriately, convergence to σ = 0 is guaranteed.

Figure 2007272279
Figure 2007272279

このとき、システムはすべり平面に拘束され、外乱及び制御対象の特性変動に不感となる。   At this time, the system is constrained to the slip plane, and is insensitive to disturbances and characteristic variations of the controlled object.

なお、位置決め及び目標値追従ばかりでなく高速な立ち上がりをも必要とする場合には、フィードバック制御に加えフィードフォワード制御を併用するのが一般的である。例えば、図8に示すように、フィードバック制御器101と並列にフィードフォワード制御器102が設けられ、フィードバック制御器101からの出力とフィードフォワード制御器102からの出力とを加えたものが制御対象103に入力される。フィードフォワード制御は主に慣性に起因する応答の遅れを補償し、素早い立ち上がりを実現する技術である。ここで、外乱の影響を受けない1自由度制御対象の運動方程式を(8)式とする。   In addition, when not only positioning and target value tracking but also a fast rise is required, it is common to use feedforward control in addition to feedback control. For example, as shown in FIG. 8, a feedforward controller 102 is provided in parallel with the feedback controller 101, and the control target 103 is obtained by adding the output from the feedback controller 101 and the output from the feedforward controller 102. Is input. Feedforward control is a technology that compensates for response delays mainly due to inertia and realizes quick rise. Here, the equation of motion of the one-degree-of-freedom control object that is not affected by disturbance is represented by equation (8).

Figure 2007272279
Figure 2007272279

目標軌道をrとして、(9)式のように制御力Fを求めれば、制御対象を遅れなく駆動することが可能である。   If the target trajectory is r and the control force F is obtained as shown in equation (9), the controlled object can be driven without delay.

Figure 2007272279
Figure 2007272279

このことから、図8におけるフィードフォワード補償演算は(10)式となる。ここで、FFはフィードフォワード制御器102によるゲインであり、uは被演算子である。   From this, the feedforward compensation calculation in FIG. Here, FF is a gain by the feedforward controller 102, and u is an operand.

Figure 2007272279
Figure 2007272279

このような操作を追加することにより、素早い立ち上がりを実現することができる。
美多勉、陳芸峰,「スライディングモード制御とロボットアームの軌道制御」,「システム/制御/情報」,システム制御情報学会,1990年,第34巻,第1号,p.50−55
By adding such an operation, a quick rise can be realized.
Mita Tsutomu, Chen Geifeng, “Sliding Mode Control and Robot Arm Trajectory Control”, “System / Control / Information”, System Control Information Society, 1990, Vol. 34, No. 1, p. 50-55

スライディングモード制御を用いる場合、外乱及び制御対象の特性変動の大きさを予め見積もっておく必要があり、その大きさに応じて(6)式の制御ゲインKの設定を行うことで、外乱及び制御対象の特性変動を抑圧可能としている。しかしながら、制御対象に共振特性が含まれる場合、大きなゲイン設定は、共振を励振して制御対象を不安定化させてしまうことになる。このため、制御対象が共振特性を含む場合には、スライディングモード制御のゲインKを大きく設定することができず、外乱及び制御対象の特性変動を十分に抑えることができなくなる。   When the sliding mode control is used, it is necessary to estimate in advance the magnitude of the disturbance and the characteristic variation of the controlled object. By setting the control gain K of the equation (6) according to the magnitude, the disturbance and the control are controlled. The characteristic variation of the target can be suppressed. However, when the controlled object includes a resonance characteristic, a large gain setting excites resonance and destabilizes the controlled object. For this reason, when the control target includes resonance characteristics, the gain K of the sliding mode control cannot be set large, and disturbance and fluctuations in the characteristics of the control target cannot be sufficiently suppressed.

また、制御対象を低速に駆動する場合には、制御対象に含まれる摩擦や抵抗成分の影響が慣性による遅れに比べて相対的に強くなり、慣性に起因する遅れを補償するフィードフォワード制御、すなわち(10)式の演算を行っても素早い立ち上がりは期待できない。そのため、低速駆動において高速な立ち上がりを実現するには、外乱及び制御対象の特性変動を抑えることが必要となる。   Also, when driving the controlled object at a low speed, the effects of friction and resistance components included in the controlled object become relatively stronger than the delay due to inertia, and feedforward control that compensates for the delay due to inertia, Even if the calculation of equation (10) is performed, a quick rise cannot be expected. For this reason, it is necessary to suppress disturbances and fluctuations in the characteristics of the controlled object in order to realize high-speed rising during low-speed driving.

本発明は、このような問題に鑑みてなされたものであり、外乱及び特性変動を有する制御対象においても、素早い立ち上がりを実現することが可能な制御装置を提供することを目的とする。   The present invention has been made in view of such a problem, and an object of the present invention is to provide a control device capable of realizing a quick rise even in a controlled object having disturbance and characteristic fluctuation.

このような目的達成のため、本発明に係る制御装置は、制御対象に対する制御に応じて制御対象から出力される出力量を検出する検出器と、制御対象における出力量の目標値および検出器により検出された出力量に基づいて、スライディングモード制御により制御対象に対する制御量を算出し、制御量に基づいた制御信号を制御対象に出力するスライディングモード制御器とを備え、スライディングモード制御器は、検出部に検出された出力量における所定の周波数成分を減衰させ、所定の周波数成分を減衰させた出力量に基づいて制御量を算出するように構成される。   In order to achieve such an object, a control device according to the present invention includes a detector that detects an output amount that is output from a control target in response to control on the control target, and a target value and a detector for the output amount in the control target. The sliding mode controller includes a sliding mode controller that calculates a control amount for the control target by sliding mode control based on the detected output amount, and outputs a control signal based on the control amount to the control target. A predetermined frequency component in the output amount detected by the unit is attenuated, and the control amount is calculated based on the output amount in which the predetermined frequency component is attenuated.

また、上述の発明において、制御対象は、ベースと、ベース上にスライド移動可能に設けられたステージと、ステージをスライド移動させる駆動源とを有して構成され、検出器はベース上におけるステージの相対速度を前記出力量として検出し、スライディングモード制御器は、検出部に検出されたステージの相対速度における高周波成分を減衰させ、高周波成分を減衰させたステージの相対速度および前記目標値であるステージの目標速度に基づいて、スライディングモード制御により駆動源の駆動力を制御量として算出し、駆動力に基づいた制御信号を駆動源に出力するように構成されてもよい。   In the above-described invention, the control target includes a base, a stage that is slidable on the base, and a drive source that slides the stage, and the detector is the stage on the base. The relative speed is detected as the output amount, and the sliding mode controller attenuates the high-frequency component in the relative speed of the stage detected by the detection unit, and the stage which is the relative speed of the stage attenuated the high-frequency component and the target value The driving force of the driving source may be calculated as a control amount by sliding mode control based on the target speed, and a control signal based on the driving force may be output to the driving source.

本発明によれば、外乱及び特性変動を有する制御対象においても素早い立ち上がりを実現することができる。   According to the present invention, it is possible to realize a quick rise even in a controlled object having disturbance and characteristic fluctuation.

以下、図面を参照して本発明の好ましい実施形態について説明する。本発明に係る制御装置(制御部20)を備えたステージ装置の概要を図1に示す。このステージ装置1は、機構部10と、制御対象となる機構部10の作動を制御する制御部20とを主体に構成される。機構部10は、ベース11と、ベース11上に固設された2本のガイド12と、ガイド12上にスライド移動可能に取り付けられたステージ13と、ステージ13をスライド移動させるためのモータ14と、モータ14の出力軸と連結されたスクリュー15と、スクリュー15と螺合した状態でステージ13に結合されたナット16とを備えて構成される。   Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. An outline of a stage apparatus provided with a control device (control unit 20) according to the present invention is shown in FIG. This stage apparatus 1 is mainly composed of a mechanism unit 10 and a control unit 20 that controls the operation of the mechanism unit 10 to be controlled. The mechanism unit 10 includes a base 11, two guides 12 fixed on the base 11, a stage 13 slidably mounted on the guide 12, and a motor 14 for sliding the stage 13. The screw 15 is connected to the output shaft of the motor 14, and the nut 16 is coupled to the stage 13 while being screwed with the screw 15.

ベース11は、金属材料を用いて矩形板状に形成され、このベース11上に機構部10の各部品が取り付けられる。2本のガイド12は直線に延びるレール状に形成され、ベース11に対して互いに平行に並ぶように取り付けられる。ステージ13は、金属材料を用いて矩形板状に形成され、ガイド12上にスライド移動可能に取り付けられる。これにより、ステージ13はベース11上で一方向に(図1における左右方向に)スライド移動可能となる。   The base 11 is formed in a rectangular plate shape using a metal material, and each component of the mechanism unit 10 is attached on the base 11. The two guides 12 are formed in a linearly extending rail shape, and are attached to the base 11 so as to be arranged in parallel to each other. The stage 13 is formed in a rectangular plate shape using a metal material and is slidably mounted on the guide 12. As a result, the stage 13 can slide on the base 11 in one direction (in the left-right direction in FIG. 1).

モータ14はいわゆるサーボモータであり、モータ14の出力軸はカップリング17を介してスクリュー15と連結される。スクリュー15はベース11に対して回転自在に取り付けられており、その回転軸がガイド12の延びる方向、すなわちステージ13がベース11上でスライド移動する方向と平行となるように構成されている。ナット16は、前述したように、スクリュー15と螺合した状態でステージ13の側部に結合される。   The motor 14 is a so-called servo motor, and the output shaft of the motor 14 is connected to the screw 15 via a coupling 17. The screw 15 is rotatably attached to the base 11, and is configured such that its rotation axis is parallel to the direction in which the guide 12 extends, that is, the direction in which the stage 13 slides on the base 11. As described above, the nut 16 is coupled to the side portion of the stage 13 while being screwed with the screw 15.

モータ14の駆動トルク(回転駆動力)によりスクリュー15が回転すると、その回転力はナット16により並進方向の力に変換される。そして、ステージ13はガイド12による直線拘束とナット16により並進方向に変換された力とよって駆動される。   When the screw 15 is rotated by the driving torque (rotational driving force) of the motor 14, the rotational force is converted into a translational force by the nut 16. The stage 13 is driven by a linear constraint by the guide 12 and a force converted in the translation direction by the nut 16.

また、モータ14の駆動制御(すなわち、機構部10の作動制御)は、制御部20が位置センサ21の値からステージ13の速度を算出し、CPU上での演算により得られるモータ14へのトルク指令を図示しないモータドライバに与えることにより行われる。なお、制御部20は、図3にも示すように、ベース11上におけるステージ13の相対位置を検出する位置センサ21と、スライディングモード制御器22とを主体に構成される。また、位置センサ21は、ベース11におけるステージ13の近傍に取り付けられる。   Further, the drive control of the motor 14 (that is, the operation control of the mechanism unit 10) is performed by the control unit 20 calculating the speed of the stage 13 from the value of the position sensor 21, and the torque to the motor 14 obtained by calculation on the CPU. This is performed by giving a command to a motor driver (not shown). As shown in FIG. 3, the control unit 20 is mainly configured by a position sensor 21 that detects the relative position of the stage 13 on the base 11 and a sliding mode controller 22. The position sensor 21 is attached in the vicinity of the stage 13 in the base 11.

モータ14、スクリュー15、ナット16、ガイド12等の機械要素は摩擦抵抗を含んでおり、制御対象の特性変動と見なすことができる。スクリュー15およびナット16はモータ14のトルクをステージ13に伝達する上で重要な部品であるが、高速な駆動を実現するのに十分な剛性を確保することは難しい。これらは制御対象の内部にばね成分が組み込まれたことに相当し、共振の発生という形で制御特性に悪影響を与える。そこで、本実施形態では、摩擦等の特性変動と共振の両方を、周波数整形型スライディングモード制御の適用により抑える。   Machine elements such as the motor 14, screw 15, nut 16, guide 12, and the like include frictional resistance, and can be regarded as characteristic variation of the control target. The screw 15 and the nut 16 are important parts for transmitting the torque of the motor 14 to the stage 13, but it is difficult to ensure sufficient rigidity to realize high-speed driving. These correspond to the incorporation of a spring component inside the controlled object, and adversely affect the control characteristics in the form of resonance. Therefore, in the present embodiment, both characteristic fluctuations such as friction and resonance are suppressed by applying frequency shaping sliding mode control.

すなわち、スライディングモード制御器22が行うスライディングモード制御において、すべり平面の特性を周波数軸で適切に整形することで、制御力に含まれる高周波成分を適切に減衰させ安定な制御を行うことが可能となる。この安定化により、(6)式の制御ゲインKも大きな値に設定することが可能で、外乱及び特性変動を有する制御対象においても素早い立ち上がりを実現することができる。すべり平面の周波数整形は、すべり平面を構成する状態量に対して、システムの共振特性を抑制するように設計されたフィルタ(ローパスフィルタ)を適用することで実現する。すべり平面を整形するフィルタは、(11)式のように行列形式で表現することができる。   That is, in the sliding mode control performed by the sliding mode controller 22, it is possible to appropriately attenuate the high frequency component included in the control force and perform stable control by appropriately shaping the characteristics of the slip plane on the frequency axis. Become. By this stabilization, the control gain K in the equation (6) can be set to a large value, and a quick rise can be realized even in a controlled object having disturbance and characteristic fluctuation. The frequency shaping of the slip plane is realized by applying a filter (low-pass filter) designed to suppress the resonance characteristics of the system to the state quantities constituting the slip plane. A filter that shapes the slip plane can be expressed in matrix form as shown in equation (11).

Figure 2007272279
Figure 2007272279

そして、(4)式のすべり平面の設計において、(11)式のフィルタを適用してすべり平面の周波数整形を行った後、(5)〜(7)式の手順を適用することで、共振を含むシステムでも安定した制御を行うことができる。なお、フィルタをスカラーで表現する場合には(12)式となる。(12)式において、sはラプラス演算子、m,nは分母分子の次数である。   Then, in the design of the slip plane of the formula (4), the frequency of the slip plane is applied by applying the filter of the formula (11), and then the procedure of the formulas (5) to (7) is applied to resonate. Stable control can be performed even in a system including In the case where the filter is expressed by a scalar, equation (12) is obtained. In the equation (12), s is a Laplace operator, and m and n are orders of the denominator numerator.

Figure 2007272279
Figure 2007272279

ところで、共振を含む制御対象の簡易モデルは図2のように考えることができる。この簡易モデルは、自由度1の第1の物体31と、同じく自由度1の第2の物体32と、第1の物体31と第2の物体32とを繋ぐバネ33およびダンパ34とから構成される。そして、図2における第1の物体31は、図1におけるモータ14、スクリュー15等の回転系の慣性を表し、第2の物体32はステージ13の慣性を表すものと考えることができる。なお、ここでの回転と並進に大きな意味の違いはないため、両者ともに並進成分として考えても一向に差し支えない。   By the way, a simple model of a controlled object including resonance can be considered as shown in FIG. This simple model includes a first object 31 having one degree of freedom, a second object 32 having one degree of freedom, and a spring 33 and a damper 34 that connect the first object 31 and the second object 32. Is done. The first object 31 in FIG. 2 represents the inertia of the rotating system such as the motor 14 and the screw 15 in FIG. 1, and the second object 32 represents the inertia of the stage 13. Note that there is no significant difference between the rotation and translation here, so both can be considered as translational components.

図2の簡易モデルを運動方程式で記述すると(13)式となる。ここで、Fは制御力、m1,m2は第1および第2の物体31,32の質量、x1,x2は第1および第2の物体31,32の変位、kはバネ33におけるばね定数、cはダンパ34における減衰係数である。 When the simple model of FIG. 2 is described by an equation of motion, equation (13) is obtained. Here, F is a control force, m 1 and m 2 are masses of the first and second objects 31 and 32, x 1 and x 2 are displacements of the first and second objects 31 and 32, and k is a spring 33. Is a damping coefficient in the damper 34.

Figure 2007272279
Figure 2007272279

(13)式におけるパラメータの具体値をm1=45kg、m2=5kg、k=100000N/m、c=100Ns/mとし、制御対象の変動として想定する摩擦は50Nとする。ここで、制御力Fの入力に対する制御対象(第1および第2の物体31,32の速度)の周波数応答を求めると、図4が得られる。このことから、制御対象が23.7Hzの共振を持つことが分かる。 The specific values of the parameters in the equation (13) are m 1 = 45 kg, m 2 = 5 kg, k = 100000 N / m, c = 100 Ns / m, and the friction assumed as the variation of the controlled object is 50 N. Here, when the frequency response of the control target (the speeds of the first and second objects 31 and 32) with respect to the input of the control force F is obtained, FIG. 4 is obtained. From this, it can be seen that the controlled object has a resonance of 23.7 Hz.

一般的に、制御設計を行う際に用いるモデルは制御対象の特性を可能な限り簡略化したものが用いられる。本実施形態では、図2におけるばね成分が十分に剛であると仮定してばね成分とダンパ成分を無視した(14)式を考えることにする。   In general, a model used for control design is a simplified model of the characteristics of the controlled object. In the present embodiment, it is assumed that the spring component in FIG. 2 is sufficiently rigid and the equation (14) is ignored, ignoring the spring component and the damper component.

Figure 2007272279
Figure 2007272279

ここで、M=m1+m2、vはx1(=x2)の時間微分である。(2)式に相当する(14)式の状態空間モデル表現は、vを状態量に選ぶと(15)式となる。 Here, M = m 1 + m 2 , v is a time derivative of x 1 (= x 2 ). The state space model expression of equation (14) corresponding to equation (2) becomes equation (15) when v is selected as the state quantity.

Figure 2007272279
Figure 2007272279

(11)式を用いて周波数整形されたすべり平面を得る方法のひとつは、制御対象に直接フィルタを含ませることである。そこで、適用すべきフィルタを図4の制御対象の特性を考慮して設計すると、次数1次、カットオフ周波数ω=5Hzをひとつの候補とすることができる。図5に設計したフィルタの周波数応答を示す。   One method for obtaining a frequency-shaped slip plane using equation (11) is to include a filter directly in the controlled object. Therefore, when the filter to be applied is designed in consideration of the characteristics of the control target in FIG. 4, the first order and the cut-off frequency ω = 5 Hz can be set as one candidate. FIG. 5 shows the frequency response of the designed filter.

(11)式より、設計したフィルタの状態方程式は、状態量zをxfilとすると(16)式のように表される。そのため、(15)式の制御設計用モデルに(16)式のフィルタを適用すると、拡大モデル(17)式を得る。なお、本実施形態では、in=vとなる。 From equation (11), the state equation of the designed filter is expressed as equation (16), where state quantity z is xfil . Therefore, when the filter of the equation (16) is applied to the control design model of the equation (15), the enlarged model (17) is obtained. In this embodiment, in = v.

Figure 2007272279
Figure 2007272279

Figure 2007272279
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制御系を位置決め制御系または目標値追従系とするために、目標速度rとフィルタリングされた速度xfilとの差分を積分した新たな状態量xiを(18)式のように定義する。 In order to the control system positioning control system or target value follow-up system is defined as a new state variable x i obtained by integrating the difference between the target velocity r and filtered velocity x fil (18) equation.

Figure 2007272279
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(17)式と(18)式とを合わせて、最終的な制御設計用モデル(19)式を得る。なお、(19)式は、目標速度rの項を除くと(20)式のように表すことができる。   The final equation (19) for control design is obtained by combining the equations (17) and (18). The expression (19) can be expressed as the expression (20) except for the term of the target speed r.

Figure 2007272279
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Figure 2007272279
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そして、制御設計用モデル(19)式におけるすべり平面σの特性は、(4)式と同様にして、(21)式のように表される。なお、(21)式において、Sはユーザにより設定される線形結合ゲインである。   The characteristic of the slip plane σ in the control design model (19) is expressed as in (21) in the same manner as in (4). In Equation (21), S is a linear combination gain set by the user.

Figure 2007272279
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ここで、(21)式の線形結合ゲインSを決定することを考える。ゲインSを決定する方法は多数提案されており、本実施形態では、最適制御におけるフィードバックゲインを活用する方法を用いる。最適制御におけるフィードバックゲインを活用する方法では、(22)式で示されるリカッチ型代数方程式を用いてSが決定される。   Here, it is considered to determine the linear combination gain S of the equation (21). Many methods for determining the gain S have been proposed. In the present embodiment, a method of utilizing a feedback gain in optimal control is used. In the method of utilizing the feedback gain in the optimal control, S is determined using the Riccati-type algebraic equation expressed by the equation (22).

Figure 2007272279
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ここで、Pは代数方程式の解、QおよびRは設計者が与えるパラメータとなる。また、A1およびB1は(23)式に示す制御対象モデルのパラメータである。 Here, P is a solution of the algebraic equation, and Q and R are parameters given by the designer. A 1 and B 1 are parameters of the controlled object model shown in the equation (23).

Figure 2007272279
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(23)式において、xおよびuは、一般的な状態量および制御入力を指し、本実施形態においては、A1が(20)式におけるAに該当し、B1が(20)式におけるBに該当する。 In the equation (23), x and u indicate general state quantities and control inputs. In the present embodiment, A 1 corresponds to A in the equation (20), and B 1 represents B in the equation (20). It corresponds to.

この方法を用いることにより、各式のパラメータ(M=m1+m2,ω等)に具体的な値を代入して得られる線形結合ゲインSは、S=(2.0663e+003,2.5263e+000,-2.0027e+004)となる。さらに、(6)式の制御ゲインKについては、設定した摩擦力50Nを抑えるのに十分な値として、K=100000に設定する。 By using this method, the linear combination gain S obtained by substituting specific values for the parameters (M = m 1 + m 2 , ω, etc.) of each equation is S = (2.0663e + 003, 2.5263e + 000, -2.0027e + 004). Further, the control gain K in the equation (6) is set to K = 100000 as a value sufficient to suppress the set frictional force 50N.

ここで、上述にように線形結合ゲインSおよび制御ゲインKが決定された制御部20による機構部10の制御方法について図6を参照しながら説明する。まず、ステップS101において、位置センサ21がベース11上におけるステージ13の変位量y(すなわち、ベース11上におけるステージ13の相対位置)を検出する。このとき、変位量yの時間毎の変化よりステージ13の速度vが算出(検出)される。   Here, a control method of the mechanism unit 10 by the control unit 20 in which the linear combination gain S and the control gain K are determined as described above will be described with reference to FIG. First, in step S101, the position sensor 21 detects the displacement amount y of the stage 13 on the base 11 (that is, the relative position of the stage 13 on the base 11). At this time, the speed v of the stage 13 is calculated (detected) from the change of the displacement amount y over time.

次に、ステップS102において、スライディングモード制御器22は、ステップS101で算出した速度vから(16)式を利用して状態量xfilを算出し、(18)式を利用して状態量xiを算出する。なお、目標速度rは、例えば100μm/s(一定値)に設定される。 Next, in step S102, the sliding mode controller 22 calculates the state quantity x fil using the equation (16) from the velocity v calculated in step S101, and uses the equation (18) to calculate the state quantity x i. Is calculated. The target speed r is set to 100 μm / s (a constant value), for example.

次に、ステップS103において、スライディングモード制御器22は、ステップS102で算出した各状態量xfil,xi,vから(21)式を利用してすべり平面σを算出する。 Next, in step S103, the sliding mode controller 22 calculates the slip plane σ using the equation (21) from the respective state quantities x fil , x i , v calculated in step S102.

次に、ステップS104において、スライディングモード制御器22は、(21)式においてσ=0をFについて解き、このときのFを第1の制御力f1(すなわち制御力F)として算出する。なお、σ=0をFについて解くには、まず、σ=0であるため、(24)式が得られる。 Next, in step S104, the sliding mode controller 22 solves σ = 0 in equation (21) for F, and calculates F at this time as the first control force f 1 (ie, control force F). In order to solve σ = 0 for F, first, since σ = 0, equation (24) is obtained.

Figure 2007272279
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この(24)式に(20)式を代入して、(25)式を得る。   By substituting equation (20) into equation (24), equation (25) is obtained.

Figure 2007272279
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そして、(25)式をFについて解くと(26)式が得られ、この(26)式に、ステップS102で算出した各状態量xfil,xi,vを代入することにより、制御力Fが算出される。 Then, when equation (25) is solved for F, equation (26) is obtained. By substituting the state quantities x fil , x i , and v calculated in step S102 into this equation (26), the control force F Is calculated.

Figure 2007272279
Figure 2007272279

次に、ステップS105において、スライディングモード制御器22は、ステップS103で算出したすべり平面σから(6)式を利用して第2の制御力f2を算出する。 Next, in step S105, the sliding mode controller 22 calculates the second control force f 2 using the equation (6) from the slip plane σ calculated in step S103.

次に、ステップS106において、スライディングモード制御器22は、ステップS104で算出した第1の制御力f1に第2の制御力f2を加え、f1+f2を新たな制御力Fとして算出する。 Next, in step S106, the sliding mode controller 22, the second control force f 2 in addition to the first control force f 1 calculated in step S104, calculates the f 1 + f 2 as a new control force F .

次に、ステップS107において、スライディングモード制御器22は、ステップS106で算出した制御力F(本実施形態では、モータ14の回転駆動力になる)に基づく制御信号を機構部10のモータ14に出力する。そして、ステップS107が終了するとステップS101に戻る。   Next, in step S107, the sliding mode controller 22 outputs a control signal based on the control force F calculated in step S106 (in this embodiment, the rotational driving force of the motor 14) to the motor 14 of the mechanism unit 10. To do. When step S107 ends, the process returns to step S101.

図7に、ステージ13の目標速度を100μm/s(一定値)とした時の0秒から1秒後までのシミュレーション結果を示す。従来のスライディングモード制御を用いた場合には、応答が振動的になっているのに対し、周波数整形されたスライディングモード制御を用いると滑らかな応答が得られることが分かる。   FIG. 7 shows the simulation results from 0 second to 1 second when the target speed of the stage 13 is 100 μm / s (constant value). It can be seen that when the conventional sliding mode control is used, the response is oscillating, whereas a smooth response can be obtained by using the frequency-shaped sliding mode control.

この結果、本実施形態によれば、制御力に含まれる高周波成分を適切に減衰させ安定な制御を行うことが可能となる。この安定化により、(6)式の制御ゲインKも大きな値に設定することが可能で、外乱及び特性変動を有する制御対象においても素早い立ち上がりを実現することができる。なお、すべり平面の周波数整形は、すべり平面を構成する状態量に対して、システムの共振特性を抑制するように設計されたフィルタを適用することで実現する。   As a result, according to this embodiment, it is possible to perform stable control by appropriately attenuating the high-frequency component included in the control force. By this stabilization, the control gain K in the equation (6) can be set to a large value, and a quick rise can be realized even in a controlled object having disturbance and characteristic fluctuation. Note that the frequency shaping of the slip plane is realized by applying a filter designed to suppress the resonance characteristics of the system with respect to the state quantities constituting the slip plane.

本実施形態では、ステージ13の速度v(制御対象の出力)に対してローパスフィルタを適用し、高周波成分を適切に減衰させたステージ13の速度v(xfil)に基づいてすべり平面σおよび制御力Fを算出している。このようにすれば、比較的単純な演算ですべり平面σおよび制御力Fを算出することができる。 In this embodiment, a low-pass filter is applied to the speed v (output of the control target) of the stage 13, and the slip plane σ and the control are controlled based on the speed v (x fil ) of the stage 13 in which the high-frequency component is appropriately attenuated. The force F is calculated. In this way, the slip plane σ and the control force F can be calculated by a relatively simple calculation.

なお、上述の実施形態において、制御対象の速度を目標値としているが、これに限られるものではなく、制御対象の変位を目標値とするようにしてもよい。   In the above-described embodiment, the speed of the control target is set as the target value. However, the present invention is not limited to this, and the displacement of the control target may be set as the target value.

また、上述の実施形態において、ステージ13の速度v(制御対象の出力)に対してローパスフィルタを適用し、高周波成分を適切に減衰させたステージ13の速度v(xfil)に基づいてすべり平面σおよび制御力Fを算出しているが、これに限られるものではなく、システムの共振特性によってはハイパスフィルタや帯域阻止フィルタ等を用いるようにしてもよい。 Further, in the above-described embodiment, a slip plane is applied based on the speed v (x fil ) of the stage 13 in which a low-pass filter is applied to the speed v (output of the control target) of the stage 13 and the high-frequency component is appropriately attenuated. Although σ and control force F are calculated, the present invention is not limited to this, and a high-pass filter, a band rejection filter, or the like may be used depending on the resonance characteristics of the system.

さらに、上述の実施形態では、制御対象が、ベース11と、ベース11上にスライド移動可能に設けられたステージ13と、ステージ13をスライド移動させるモータ14とを有したステージ装置1の機構部10である場合について説明しているが、これに限られるものではなく、スライディングモード制御が行われる制御対象モデルであれば、本発明を適用することができる。   Furthermore, in the above-described embodiment, the control target is the mechanism unit 10 of the stage apparatus 1 that includes the base 11, the stage 13 that is slidably provided on the base 11, and the motor 14 that slides the stage 13. However, the present invention is not limited to this, and the present invention can be applied to any control target model in which sliding mode control is performed.

本発明に係る位置決め制御装置を備えたステージ装置の概略図である。It is the schematic of the stage apparatus provided with the positioning control apparatus which concerns on this invention. ステージ装置の簡易モデルを示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the simple model of a stage apparatus. ステージ装置の制御ブロック図である。It is a control block diagram of a stage apparatus. 制御入力に対する制御対象(簡易モデル)の周波数応答を示すグラフである。It is a graph which shows the frequency response of the controlled object (simple model) with respect to control input. フィルタの周波数応答を示すグラフである。It is a graph which shows the frequency response of a filter. 本実施形態でのスライディングモード制御を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the sliding mode control in this embodiment. 本実施形態のシミュレーション結果を示すグラフである。It is a graph which shows the simulation result of this embodiment. フィードフォワード制御の一例を示す制御ブロック図である。It is a control block diagram which shows an example of feedforward control.

符号の説明Explanation of symbols

1 ステージ装置
10 機構部(制御対象) 11 ベース
13 ステージ 14 モータ(駆動源)
20 制御部(制御装置) 21 位置センサ(検出器)
22 スライディングモード制御器
F 制御力(制御量) v 速度(出力量)
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Stage apparatus 10 Mechanism part (control object) 11 Base 13 Stage 14 Motor (drive source)
20 control unit (control device) 21 position sensor (detector)
22 Sliding mode controller F Control force (control amount) v Speed (output amount)

Claims (2)

制御対象に対する制御に応じて前記制御対象から出力される出力量を検出する検出器と、
前記制御対象における前記出力量の目標値および前記検出器により検出された前記出力量に基づいて、スライディングモード制御により前記制御対象に対する制御量を算出し、前記制御量に基づいた制御信号を前記制御対象に出力するスライディングモード制御器とを備え、
前記スライディングモード制御器は、前記検出部に検出された前記出力量における所定の周波数成分を減衰させ、前記所定の周波数成分を減衰させた前記出力量に基づいて前記制御量を算出するように構成されることを特徴とする制御装置。
A detector for detecting an output amount output from the control object in response to control on the control object;
Based on a target value of the output amount in the control target and the output amount detected by the detector, a control amount for the control target is calculated by sliding mode control, and a control signal based on the control amount is controlled by the control A sliding mode controller that outputs to the target,
The sliding mode controller is configured to attenuate a predetermined frequency component in the output amount detected by the detection unit and calculate the control amount based on the output amount attenuated the predetermined frequency component. A control device.
前記制御対象は、ベースと、前記ベース上にスライド移動可能に設けられたステージと、前記ステージをスライド移動させる駆動源とを有して構成されており、
前記検出器は前記ベース上における前記ステージの相対速度を前記出力量として検出し、
前記スライディングモード制御器は、前記検出部に検出された前記ステージの相対速度における高周波成分を減衰させ、前記高周波成分を減衰させた前記ステージの相対速度および前記目標値である前記ステージの目標速度に基づいて、スライディングモード制御により前記駆動源の駆動力を前記制御量として算出し、前記駆動力に基づいた制御信号を前記駆動源に出力するように構成されることを特徴とする請求項1に記載の制御装置。
The control object includes a base, a stage slidably provided on the base, and a drive source that slides the stage.
The detector detects the relative speed of the stage on the base as the output amount,
The sliding mode controller attenuates the high-frequency component in the relative speed of the stage detected by the detection unit, and sets the relative speed of the stage and the target speed of the stage, which are the target values, after the high-frequency component is attenuated. The driving force of the driving source is calculated as the control amount based on sliding mode control, and a control signal based on the driving force is output to the driving source. The control device described.
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