JP2008152523A - Position control device and control method - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、制御対象のモデルを用いず,過去の複数の位置データのみから1サンプリング時間未来の位置を推定し,フィードバックに用いる位置制御装置とその制御方法に関する。 The present invention relates to a position control apparatus and its control method used for feedback by estimating a future position for one sampling time from only a plurality of past position data without using a model to be controlled.
従来の位置推定装置を有する位置制御装置は、例えば特許文献1、非特許文献1に開示されている。特許文献1の従来の位置制御装置は、位置推定装置に位置制御を行う制御対象のモデルを与え,得られる状態量から現在位置を推定している。また、非特許文献1の従来の位置制御装置は、2階積分系を制御対象のモデルとしている。
図3は特許文献1に開示されている従来の位置制御装置のブロック図である。図3において、111は位置指令rと位置xとを減算する減算器であり、112は位置制御コントローラ,113は制御対象である。120の破線の中がオブザーバである。114は減算器、115は力から速度への伝達関数でMは質量であり、116は減算器、117は速度から位置への伝達関数、118は位置フィードバックゲイン、119は速度フィードバックゲインであり、制御対象とコントローラの動特性を動的モデルとして使用している。xハットは位置推定信号である。
FIG. 3 is a block diagram of a conventional position control device disclosed in Patent Document 1. In FIG. In FIG. 3, 111 is a subtractor for subtracting the position command r and the position x, 112 is a position controller, and 113 is a control target. The inside of the broken line 120 is an observer. 114 is a subtractor, 115 is a force-to-speed transfer function, M is mass, 116 is a subtractor, 117 is a speed-to-position transfer function, 118 is a position feedback gain, 119 is a speed feedback gain, The dynamic characteristics of the controlled object and the controller are used as a dynamic model. x hat is a position estimation signal.
図4は図3の従来の位置制御装置の位置推定装置の動作を説明するためのブロック図である。位置指令出力が修了し、位置偏差が±1パルス以下になると、図3に示す連続系の応答は正確でなくなり、位置フィードバックおよび速度フィードバックが図4のようにスイッチSW1(121)、スイッチSW2(122)を介して、断続的にフィードバックが行われる。したがって位置偏差が±1パルス以下では応答の現象を正確に推定することができなくなる。このように、従来の位置制御装置は、位置偏差が小さい状態では正しい位置推定が行われず、位置決め誤差を生じたり、オーバーシュートを生じたり、±1パルスの振動が発生するなどの問題点があった。
本発明はこのような問題点に鑑みてなされたものであり、位置推定のためのモデルをなくし,過去の複数の位置データのみから1サンプリング時間未来の位置を推定するとともに,1サンプリング時間未来の推定位置をフィードバックし、整定位置の近傍でも正しい位置制御を行うことができる位置推定装置を有する位置制御装置とその制御方法を提供することを目的とする。
FIG. 4 is a block diagram for explaining the operation of the position estimation apparatus of the conventional position control apparatus of FIG. When the position command output is completed and the position deviation becomes ± 1 pulse or less, the response of the continuous system shown in FIG. 3 becomes inaccurate, and the position feedback and speed feedback are switched to the switches SW1 (121) and SW2 ( 122), feedback is provided intermittently. Therefore, if the position deviation is ± 1 pulse or less, the response phenomenon cannot be accurately estimated. As described above, the conventional position control device has a problem that correct position estimation is not performed in a state where the position deviation is small, causing a positioning error, an overshoot, and a ± 1 pulse vibration. It was.
The present invention has been made in view of such problems, eliminates a model for position estimation, estimates the position of one sampling time in the future from only a plurality of past position data, and determines the future of one sampling time in the future. An object of the present invention is to provide a position control apparatus having a position estimation apparatus that can feed back an estimated position and perform correct position control even in the vicinity of a settling position, and a control method therefor.
上記問題を解決するため、本発明は、次のように構成したのである。
請求項1に記載の発明は、位置指令と位置推定値の位置偏差から速度指令を生成する位置制御部と、前記速度指令と速度推定値の速度偏差からトルク指令を生成する速度制御部と、前記トルク指令に基づいて制御対象を駆動するトルク制御部と、を備える位置制御装置において、サンプリング時間ごとに前記制御対象の位置を位置データとして記憶する位置記憶部と、1サンプリング時間未来の位置推定値を生成する位置推定部と、前記1サンプリング時間未来の位置推定値と現在の位置データから速度推定値を生成する速度推定部と、を備えることを特徴とするものである。
請求項2に記載の発明は、請求項1記載の位置制御装置において、前記位置記憶部は、過去の複数の位置データxj(j=−N、−(N−1)、・・・、1)を記憶することを特徴とするものである。
請求項3に記載の発明は、請求項2記載の位置制御装置において、前記位置推定部は、過去の複数の位置データと式(1)から式(9)とに基づいて位置推定値を生成することを特徴とする。
In order to solve the above problem, the present invention is configured as follows.
The invention according to claim 1 is a position control unit that generates a speed command from a position deviation of a position command and a position estimation value; a speed control unit that generates a torque command from the speed deviation of the speed command and the speed estimation value; A position control device comprising: a torque control unit that drives a control object based on the torque command; a position storage unit that stores the position of the control object as position data for each sampling time; and a position estimation for one sampling time in the future A position estimation unit that generates a value; and a speed estimation unit that generates a speed estimation value from the position estimation value in the future of the one sampling time and the current position data.
According to a second aspect of the present invention, in the position control device according to the first aspect, the position storage unit includes a plurality of past position data x j (j = −N, − (N−1),. 1) is stored.
According to a third aspect of the present invention, in the position control device according to the second aspect, the position estimation unit generates a position estimated value based on a plurality of past position data and the expressions (1) to (9). It is characterized by doing.
ここでd1は位置差分、d2は位置の2階差分、S−は平均加速度、u^ i−1は(i−1)時刻の位置増分の推定値、u^ iは(i)時刻の位置増分の推定値、u^ i+1は(i+1)時刻の位置増分の推定値、eiは位置の予測誤差、A、B、Cはデータ個数から決まる定数で、過去及び現在のデータ個数をNとすると、a=2/(N+1)、b = 1−a、更に A = 1−b3、B = (3/2)*(1−b2)*(1−b)、C = (1/2)*(1−b)3である。
請求項4に記載の発明は、請求項2記載の位置制御装置において、前記速度推定部は、前記1サンプリング時間未来の位置推定値と現在の位置データと式(10)とに基づいて速度推定値を生成することを特徴とするものである。
Here, d1 is a position difference, d2 is a second-order difference in position, S − is an average acceleration, u ^ i-1 is an estimated value of position increment at (i-1) time, and u ^ i is a position at (i) time. Increment estimated value, u ^ i + 1 is an estimated value of position increment at (i + 1) time, e i is a position prediction error, A, B, and C are constants determined from the number of data. Then, a = 2 / (N + 1), b = 1-a, A = 1-b 3 , B = (3/2) * (1-b 2 ) * (1-b), C = (1 / 2) * (1-b) 3
According to a fourth aspect of the present invention, in the position control device according to the second aspect, the speed estimation unit estimates the speed based on the position estimated value in the future of the one sampling time, the current position data, and the equation (10). A value is generated.
ここでv^は速度推定値、Tsはサンプリング時間である。
請求項5に記載の発明は、請求項3記載の位置制御装置において、前記位置推定部は、位置偏差の大きさにより過去の連続した位置データの数を変えることを特徴とするものである。
請求項6に記載の発明は、請求項3記載の位置制御装置において、前記位置推定部は、位置偏差の大きさにより過去の位置データのサンプリング時間数を変えることを特徴とするものである。
請求項7に記載の発明は、位置指令と位置推定値の位置偏差から速度指令を生成する位置制御部と、前記速度指令と速度推定値の速度偏差からトルク指令を生成する速度制御部と、前記トルク指令に基づいて制御対象を駆動するトルク制御部と、を備える位置制御装置の制御方法において、サンプリング時間ごとに前記制御対象の位置を位置データとして記憶するステップと、1サンプリング時間未来の位置推定値を生成するステップと、前記1サンプリング時間未来の位置推定値と現在の位置データから速度推定値を生成するステップと、位置指令と位置推定値から速度指令を生成するステップと、速度指令と速度推定値からトルク指令を生成するステップと、を備えることを特徴とするものである。
Here v ^ is the speed estimate, T s is the sampling time.
According to a fifth aspect of the present invention, in the position control device according to the third aspect, the position estimating unit changes the number of past continuous position data according to the magnitude of the position deviation.
According to a sixth aspect of the present invention, in the position control device according to the third aspect, the position estimation unit changes the number of sampling times of past position data according to the magnitude of the position deviation.
The invention according to claim 7 is a position control unit that generates a speed command from a position deviation of a position command and a position estimation value, a speed control unit that generates a torque command from the speed deviation of the speed command and the speed estimation value, A step of storing the position of the control object as position data for each sampling time, and a position one sampling time in the future, in a control method of a position control device comprising: a torque control unit that drives the control object based on the torque command; A step of generating an estimated value; a step of generating a speed estimated value from the position estimated value in the future of the one sampling time and the current position data; a step of generating a speed command from the position command and the position estimated value; Generating a torque command from the estimated speed value.
請求項1乃至3に記載の発明によると、±1パルス以内の位置制御を構成することができ、偏差が1パルス以下の分解能で制御する位置制御装置を提供できる。
また、請求項4に記載の発明によると、速度推定精度を高くすることができ、分解能が高い速度制御系を構成した位置制御装置を提供できる。
また、請求項5に記載の発明によると、最適なデータ個数を用いることで大偏差から小偏差の状態までを高い精度で制御する位置制御装置を提供できる。
また、請求項6に記載の発明によると、±1パルス以内での振動を抑える位置制御装置を提供できる。
また、請求項7に記載の発明によると、±1パルス以内の位置制御を構成することができ、偏差が1パルス以下の分解能で制御できる位置制御方法を提供できる。
According to the first to third aspects of the present invention, a position control within ± 1 pulse can be configured, and a position control device that controls the deviation with a resolution of 1 pulse or less can be provided.
According to the invention described in claim 4, it is possible to provide a position control device that can increase the speed estimation accuracy and constitute a speed control system with high resolution.
According to the fifth aspect of the present invention, it is possible to provide a position control device that controls from a large deviation to a small deviation with high accuracy by using an optimum number of data.
Further, according to the invention described in claim 6, it is possible to provide a position control device that suppresses vibration within ± 1 pulse.
Further, according to the seventh aspect of the present invention, it is possible to provide a position control method capable of configuring position control within ± 1 pulse and controlling the deviation with a resolution of 1 pulse or less.
以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
図1は、本発明の位置制御装置のブロック図である。図1において、1は位置制御部、2は速度制御部、3はトルク制御部、4は位置記憶部、5は位置推定部、6は速度推定部、7は制御対象、8は位置検出器である。本発明が従来技術の位置制御装置と異なる部分は、位置推定値および速度推定値をフィードバックすることと位置推定を式(1)〜(9)で行うことである。 FIG. 1 is a block diagram of a position control device of the present invention. In FIG. 1, 1 is a position control unit, 2 is a speed control unit, 3 is a torque control unit, 4 is a position storage unit, 5 is a position estimation unit, 6 is a speed estimation unit, 7 is a control target, and 8 is a position detector. It is. The difference between the present invention and the position control device of the prior art is that the position estimation value and the speed estimation value are fed back and the position estimation is performed by equations (1) to (9).
ここでd1は位置差分、d2は位置の2階差分、S−は平均加速度、u^ i−1は(i−1)時刻の位置増分の推定値、u^ iは(i)時刻の位置増分の推定値、u^ i+1は(i+1)時刻の位置増分の推定値、eiは位置の予測誤差、A、B、Cはデータ個数から決まる定数で、過去及び現在のデータ個数をNとすると、a=2/(N+1)、b = 1−a、更に A = 1−b3、B = (3/2)*(1−b2)*(1−b)、C = (1/2)*(1−b)3である。
Here, d1 is a position difference, d2 is a second-order difference in position, S − is an average acceleration, u ^ i-1 is an estimated value of position increment at (i-1) time, and u ^ i is a position at (i) time. Increment estimated value, u ^ i + 1 is an estimated value of position increment at (i + 1) time, e i is a position prediction error, A, B, and C are constants determined from the number of data. Then, a = 2 / (N + 1), b = 1-a, A = 1-b 3 , B = (3/2) * (1-b 2 ) * (1-b), C = (1 / 2) * (1-b) 3
本発明の位置推定方法の動作は、図6に示す正弦波信号の推定値および図7に示す放物線信号のようになっている。図6の左に示すグラフは振幅1、周期2πの正弦波信号の推定値であり、図6の右に示すのは位置推定誤差のグラフである。位置推定誤差の最大値は約2.5×10−8と非常に小さい。図7の左に示すグラフは放物線の推定値であり、図7の右に示すグラフは位置推定誤差のグラフで、最大推定誤差は−8×10−4と小さい。このように本発明の位置推定方法を用いれば、極めて小さな推定誤差で位置推定が行えるため、±1パルス以内の位置にある場合にも精度の高い位置制御が可能となる。 The operation of the position estimation method of the present invention is as shown in the estimated value of the sine wave signal shown in FIG. 6 and the parabolic signal shown in FIG. The graph shown on the left of FIG. 6 is an estimated value of a sine wave signal having an amplitude of 1 and a period of 2π, and the graph on the right of FIG. 6 is a graph of a position estimation error. The maximum position estimation error is as small as about 2.5 × 10 −8 . The graph shown on the left of FIG. 7 is an estimated value of the parabola, the graph shown on the right of FIG. 7 is a graph of the position estimation error, and the maximum estimation error is as small as −8 × 10 −4 . As described above, if the position estimation method of the present invention is used, position estimation can be performed with a very small estimation error, so that position control with high accuracy is possible even when the position is within ± 1 pulse.
図7は本発明の制御装置の制御方法を示すフローチャートである。ステップST1でサンプリング時間ごとに前記制御対象の位置を位置データとして記憶し、ステップST2で1サンプリング時間未来の位置推定値を生成し、ステップST3で1サンプリング時間未来の位置推定値と現在の位置データから速度推定値を生成し、ステップST4で位置指令と位置推定値から速度指令を生成し、ステップST5で速度指令と速度推定値からトルク指令を生成する。
このように、図1のような構成をしており、数式1に示す式(1)〜式(9)により位置推定を行うので、高い精度で位置が推定でき、位置偏差が±1以下の領域においても高い精度の位置制御を実現することができる。
FIG. 7 is a flowchart showing a control method of the control device of the present invention. In step ST1, the position of the control target is stored as position data for each sampling time, in step ST2, a position estimation value in the future of one sampling time is generated, and in step ST3, the position estimation value in the future of one sampling time and the current position data are generated. Is generated from the position command and the position estimated value in step ST4, and a torque command is generated from the speed command and the estimated speed value in step ST5.
In this way, the configuration is as shown in FIG. 1, and the position is estimated by the equations (1) to (9) shown in the equation 1, so that the position can be estimated with high accuracy and the position deviation is ± 1 or less. Position control with high accuracy can be realized even in the region.
1 減算器
2 コントローラ
3 制御対象
4 位置検出器
5 位置記憶装置
6 位置推定装置
101 減算器
102 力から速度への伝達関数
103 速度から位置への伝達関数
111 減算器
112 コントローラ
113 制御対象
114 減算器
115 力から速度への伝達関数
116 減算器
117 速度から位置への伝達関数
118 位置フィードバックゲイン
119 速度フィードバックゲイン
120 位置のオブザーバ
121 位置フィードバックのスイッチ
122 速度フィードバックのスイッチ
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Subtractor 2 Controller 3 Control object 4 Position detector 5 Position memory | storage device 6 Position estimation apparatus 101 Subtractor 102 Transfer function from force to speed 103 Transfer function from speed to position 111 Subtractor 112 Controller 113 Control object 114 Subtractor 115 Force to Speed Transfer Function 116 Subtractor 117 Speed to Position Transfer Function 118 Position Feedback Gain 119 Speed Feedback Gain 120 Position Observer 121 Position Feedback Switch 122 Speed Feedback Switch
Claims (7)
サンプリング時間ごとに前記制御対象の位置を位置データとして記憶する位置記憶部と、
1サンプリング時間未来の位置推定値を生成する位置推定部と、
前記1サンプリング時間未来の位置推定値と現在の位置データから速度推定値を生成する速度推定部と、
を備えることを特徴とする位置制御装置。 A position control unit that generates a speed command from the position command and a position deviation of the position estimation value, a speed control unit that generates a torque command from the speed command and the speed deviation of the speed estimation value, and a control target based on the torque command In a position control device comprising a torque control unit for driving,
A position storage unit that stores the position of the control target as position data for each sampling time;
A position estimation unit that generates a position estimation value for one sampling time in the future;
A speed estimation unit for generating a speed estimation value from the position estimation value in the future of the one sampling time and the current position data;
A position control device comprising:
ここでd1は位置差分、d2は位置の2階差分、S−は平均加速度、u^ i−1は(i−1)時刻の位置増分の推定値、u^ iは(i)時刻の位置増分の推定値、u^ i+1は(i+1)時刻の位置増分の推定値、eiは位置の予測誤差、A、B、Cはデータ個数から決まる定数で、過去及び現在のデータ個数をNとすると、a=2/(N+1)、b = 1−a、更に A = 1−b3、B = (3/2)*(1−b2)*(1−b)、C = (1/2)*(1−b)3である。 The position control device according to claim 2, wherein the position estimation unit generates a position estimation value based on a plurality of past position data and Expressions (1) to (9).
Here, d1 is a position difference, d2 is a second-order difference in position, S − is an average acceleration, u ^ i-1 is an estimated value of position increment at (i-1) time, and u ^ i is a position at (i) time. Increment estimated value, u ^ i + 1 is an estimated value of position increment at (i + 1) time, e i is a position prediction error, A, B, and C are constants determined from the number of data. Then, a = 2 / (N + 1), b = 1-a, A = 1-b 3 , B = (3/2) * (1-b 2 ) * (1-b), C = (1 / 2) * (1-b) 3
ここでv^は速度推定値、Tsはサンプリング時間である。 The position control device according to claim 2, wherein the speed estimation unit generates a speed estimation value based on the position estimation value in the future of the one sampling time, the current position data, and Equation (10).
Here v ^ is the speed estimate, T s is the sampling time.
サンプリング時間ごとに前記制御対象の位置を位置データとして記憶するステップと、
1サンプリング時間未来の位置推定値を生成するステップと、
前記1サンプリング時間未来の位置推定値と現在の位置データから速度推定値を生成するステップと、
位置指令と位置推定値から速度指令を生成するステップと、
速度指令と速度推定値からトルク指令を生成するステップと、
を備えることを特徴とする位置制御装置の制御方法。 A position control unit that generates a speed command from the position command and a position deviation of the position estimation value, a speed control unit that generates a torque command from the speed command and the speed deviation of the speed estimation value, and a control target based on the torque command In a control method of a position control device comprising a torque control unit for driving,
Storing the position of the control object as position data for each sampling time;
Generating a position estimate in the future of one sampling time;
Generating a speed estimate from the position estimate of the one sampling time future and the current position data;
Generating a speed command from the position command and the estimated position value;
Generating a torque command from the speed command and the estimated speed value;
A control method of a position control device comprising:
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KR101483405B1 (en) * | 2010-08-08 | 2015-01-15 | 니혼 덴산 산쿄 가부시키가이샤 | Control system, and position estimation method to be used in control system |
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