JP2008310651A - Two-degree-of-freedom control device and its control method - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、前置補償器を自動調整する機能を備えた二自由度制御装置に関する。 The present invention relates to a two-degree-of-freedom control device having a function of automatically adjusting a predistorter.
従来の前置補償器は，指令に高周波の成分が含まれると機械共振が生じやすいため，指令を滑らかにして機械共振を励起しないようにするための加減速フィルタ，具体的には２次遅れフィルタであり，自動調整演算部は，電流指令値の２乗積分値などを評価基準として機械振動の大きさを監視しており，振動評価値が基準値より大きければ加減速フィルタの時定数を下げるように調整するものであった。（例えば、特許文献１参照）。
図２は特許文献１で使用されている二自由度制御装置の構成である。図２において、３０５は電動機および機械系であり，制御対象となる機械系が電動機によって駆動される。３０６は位置検出器であり，制御対象となる機械系の位置を検出して位置検出値を出力する。１０１はフィードフォワード制御器であり，位置指令値を元にフィードフォワード電流指令値を生成する。１０２は前置補償器であり，位置指令値を元に応答目標値を生成する。１０３はフィードバック制御器であり，応答目標値と位置検出値との差を元にフィードバック電流指令値を生成する。３０４は電流制御部であり，フィードバック電流指令値とフィードフォワード電流指令値との和を電流指令値とし，電動機に流れる電流が電流指令値に一致するように制御する。電動機および機械系３０５の伝達関数をＰ（ｓ），そのモデルの伝達関数をＰｍ（ｓ）とし，フィードフォワード制御器１０１の伝達関数は，Ｐｍ（ｓ）−１・Ｃｆ（ｓ）とおく。ただし，ｓはラプラス演算子である。従来技術ではＣｆ（ｓ）は制御系全体の目標特性とされており，あらかじめ２次遅れフィルタとして与えられている。従来技術では，前置補償器１０２の伝達関数は，制御系全体の目標特性である入出力伝達関数Ｃｆ（ｓ）と同じとしており，具体的には２次遅れフィルタとしていた。Ｐｍ（ｓ）が実際の制御対象と完全に一致している場合，状態量指令値から状態量までの伝達関数はＣｆ（ｓ）となるため，本来Ｃｆ（ｓ）は１となることが望ましいが，従来技術では状態量指令値と状態量を一致させることはあきらめ，状態量指令値に２次遅れフィルタをかけたものを応答目標値として妥協しており，この部分を改善しようとはしていない。３０８は機械振動検出部であり，フィードバック電流指令値を元に機械振動の大きさを算出する。１０７は自動調整演算部であり，電流指令値と，機械振動の大きさとを元に前置補償器１０２，フィードフォワード制御器１０１，フィードバック制御器１０３を自動的に調整する。
以下では，図３を用いて従来の自動調整演算部１０７の動作について説明する。図３は図２での自動調整演算部１０７での自動調整の手順を示すフローチャートである。まずｓｔｅｐ１で動作を開始後，ｓｔｅｐ２で粘性，イナーシャ，摩擦およびフィードバック制御器１０３のゲインの初期値を決定する。ｓｔｅｐ３で粘性，イナーシャ，摩擦を同定する。粘性，イナーシャ，摩擦は，制御対象の伝達関数Ｐｍ（ｓ）を表すパラメータであり，電流指令値の時系列データを元に同定される。この同定は，フィードバック操作量が０となることを目標にＰｍ（ｓ）を調整するものである。ｓｔｅｐ４で機械振動の大きさを測定する。ｓｔｅｐ５で機械振動の大きさをあらかじめ決めておいた基準値と比較し，基準値より大きければｓｔｅｐ６へ，基準値より小さければｓｔｅｐ８へ移行する。ｓｔｅｐ６では，加減速フィルタを修正する。具体的には，２次遅れフィルタで表される前置補償器１０２の時定数を下げる。ｓｔｅｐ７ではＸＹテーブルを動作させ，ｓｔｅｐ４に戻る。ｓｔｅｐ８以降では，ゲインのチューニングが行われる。
このように、従来技術では制御系全体の目標特性Ｃｆ（ｓ）があらかじめ２次遅れフィルタとして与えられており，状態量指令値から状態量までの伝達関数はあらかじめ与えられた２次遅れフィルタの特性以上に改善しようとはしていなかった。また，自動調整演算部では、基本的にモデルの伝達関数Ｐｍ（ｓ）を調整することによりフィードフォワード制御部のみを調整するものであり，前置補償器は，指令を滑らかにして機械共振を励起しないようにするための加減速フィルタとしており，前置補償器の調整は，フィードフォワード制御部の調整の結果，機械振動が生じた場合のみ時定数を下げるという調整にとどまっていた。
FIG. 2 shows the configuration of the two-degree-of-freedom control device used in Patent Document 1. In FIG. 2, reference numeral 305 denotes an electric motor and a mechanical system, and the mechanical system to be controlled is driven by the electric motor. A position detector 306 detects the position of the mechanical system to be controlled and outputs a position detection value. A feedforward controller 101 generates a feedforward current command value based on the position command value. Reference numeral 102 denotes a pre-compensator that generates a response target value based on the position command value. A feedback controller 103 generates a feedback current command value based on the difference between the response target value and the position detection value. Reference numeral 304 denotes a current control unit which controls the sum of the feedback current command value and the feedforward current command value as a current command value so that the current flowing through the motor matches the current command value. The transfer function of the motor and mechanical system 305 is P (s), the transfer function of the model is Pm (s), and the transfer function of the feedforward controller 101 is Pm (s) −1 · Cf (s). Here, s is a Laplace operator. In the prior art, Cf (s) is a target characteristic of the entire control system and is given in advance as a secondary delay filter. In the prior art, the transfer function of the pre-compensator 102 is the same as the input / output transfer function Cf (s), which is the target characteristic of the entire control system, and is specifically a second-order lag filter. When Pm (s) completely matches the actual control target, the transfer function from the state quantity command value to the state quantity is Cf (s), so Cf (s) is desirably 1 originally. However, in the prior art, the state quantity command value and the state quantity are not matched, and the value obtained by applying a second-order lag filter to the state quantity command value is compromised as the response target value. Not. A mechanical vibration detection unit 308 calculates the magnitude of mechanical vibration based on the feedback current command value. An automatic adjustment calculation unit 107 automatically adjusts the precompensator 102, the feedforward controller 101, and the feedback controller 103 based on the current command value and the magnitude of the mechanical vibration.
Hereinafter, the operation of the conventional automatic adjustment calculation unit 107 will be described with reference to FIG. FIG. 3 is a flowchart showing an automatic adjustment procedure in the automatic adjustment calculation unit 107 in FIG. First, after the operation is started at step 1, initial values of viscosity, inertia, friction, and gain of the feedback controller 103 are determined at step 2. In step 3, viscosity, inertia, and friction are identified. Viscosity, inertia, and friction are parameters representing the transfer function Pm (s) to be controlled, and are identified based on time-series data of current command values. In this identification, Pm (s) is adjusted with the goal that the feedback manipulated variable is zero. At step 4, the magnitude of mechanical vibration is measured. In step 5, the magnitude of the mechanical vibration is compared with a predetermined reference value. If it is larger than the reference value, the process proceeds to step 6, and if it is smaller than the reference value, the process proceeds to step 8. In step 6, the acceleration / deceleration filter is corrected. Specifically, the time constant of the predistorter 102 expressed by a second-order lag filter is lowered. In step 7, the XY table is operated, and the process returns to step 4. After step 8, gain tuning is performed.
As described above, in the prior art, the target characteristic Cf (s) of the entire control system is given in advance as a secondary delay filter, and the transfer function from the state quantity command value to the state quantity is given by the secondary delay filter given in advance. It was not trying to improve more than the characteristics. The automatic adjustment calculation unit adjusts only the feedforward control unit by basically adjusting the transfer function Pm (s) of the model, and the precompensator smoothes the command and performs mechanical resonance. The acceleration / deceleration filter is designed to prevent excitation, and adjustment of the pre-compensator has been limited to lowering the time constant only when mechanical vibration occurs as a result of adjustment of the feedforward control unit.
従来の二自由度制御装置は、制御系全体の目標特性Ｃｆ（ｓ）があらかじめ２次遅れフィルタとして与えられており、前置補償器１０２の伝達関数はＣｆ（ｓ）と同じとしており，フィードフォワード制御部の調整の結果，機械振動が生じた場合のみ時定数を下げるという調整にとどまっていたため、状態量指令値から状態量までの伝達関数はあらかじめ与えられた２次遅れフィルタの特性以上に改善できず、追従性などの制御性能が上げられないという問題があった。
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、無駄時間を含む制御対象に対しても，前置補償器を最適に設定することにより，追従性能の高い二自由度制御装置を提供することを目的とする。
In the conventional two-degree-of-freedom control device, the target characteristic Cf (s) of the entire control system is given in advance as a second-order lag filter, and the transfer function of the pre-compensator 102 is the same as Cf (s). As a result of the adjustment of the forward control unit, the adjustment was made to lower the time constant only when mechanical vibration occurred, so the transfer function from the state quantity command value to the state quantity exceeds the characteristics of the second-order lag filter given in advance. There was a problem that control performance such as followability could not be improved because it could not be improved.
The present invention has been made in view of such problems, and a two-degree-of-freedom control device with high tracking performance can be obtained by optimally setting a pre-compensator for a control target including dead time. The purpose is to provide.
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，制御対象の状態量を検出して状態量検出値を出力する状態量検出器と，状態量指令値を入力として状態量指令修正値を出力する前置補償器と、前記状態量指令値を入力としてフィードフォワード操作量を出力するフィードフォワード制御器と，前記状態量指令修正値と前記状態量検出値の差信号を入力としてフィードバック操作量を出力するフィードバック制御器と，前記フィードフォワード操作量と前記フィードバック操作量との和を操作量指令値とし，前記操作量を操作量指令値に追従させる操作量制御器とを備えた二自由度制御装置において，前記前置補償器は可変であり，前記前置補償器の伝達関数が前記状態量指令値から前記状態量検出値までの伝達関数に等しくなるように自動調整する自動調整演算部を備えたことを特徴とするものである。
また，請求項２に記載の発明は，請求項１記載の二自由度制御装置において、前記前置補償器は、ＩＩＲフィルタであることを特徴とするものである。
また，請求項３に記載の発明は，請求項１記載の二自由度制御装置において、前置補償器は、無駄時間フィルタであることを特徴とするものである。
また，請求項４に記載の発明は，請求項１記載の二自由度制御装置において、自動調整演算部はフィルタ係数を最小二乗法により修正することを特徴とするものである。
また，請求項５に記載の発明は，請求項１記載の二自由度制御装置において、自動調整演算部はフィルタ係数を適応則により逐次修正することを特徴とするものである。
また，請求項６に記載の発明は，請求項１記載の二自由度制御装置において、自動調整演算部はフィルタ係数を変化させ，前記状態量指令修正値と前記状態量検出値との差が最小となるようなフィルタ係数を試行錯誤的に探索して決定することを特徴とするものである。
また，請求項７に記載の発明は，請求項１記載の二自由度制御装置において、フィードバック制御器は，前記前置補償器の自動調整中は制御ゲインをほぼ零にすることを特徴とするものである。
また、請求項８記載の発明は、制御対象の状態量を検出して状態量検出値を生成する状態量検出器と，状態量指令値を修正して状態量指令修正値を生成する前置補償器と、前記状態量指令値からフィードフォワード操作量を生成するフィードフォワード制御器と，前記状態量指令修正値と前記状態量検出値の差信号からフィードバック操作量を生成するフィードバック制御器と，前記フィードフォワード操作量と前記フィードバック操作量との和を操作量指令値とし，前記操作量を操作量指令値に追従させる操作量制御器とを備えた二自由度制御装置の制御方法において，前記状態量を検出し状態検出値を生成するステップと、前記状態量指令値を修正して状態量指令修正値を生成するステップと、前記状態量指令修正値と前記状態量検出値の差信号からフィードバック操作量を生成するステップと、前記操作量を操作量指令地に追従させるステップと、前記前置補償器の伝達関数が前記状態量指令値から前記状態量検出値までの伝達関数に等しくなるように自動調整するステップと、を備えることを特徴とするものである。
In order to solve the above problem, the present invention is configured as follows.
The invention according to claim 1 is a state quantity detector that detects a state quantity to be controlled and outputs a state quantity detection value, and a precompensator that outputs a state quantity command correction value with the state quantity command value as an input. A feedforward controller that outputs a feedforward manipulated variable with the state quantity command value as an input, and a feedback controller that outputs a feedback manipulated variable with a difference signal between the state quantity command correction value and the state quantity detected value as an input A two-degree-of-freedom control apparatus comprising: an operation amount command value that is a sum of the feedforward operation amount and the feedback operation amount; and an operation amount controller that causes the operation amount to follow the operation amount command value. The pre-compensator is variable, and an automatic adjustment calculation unit that automatically adjusts so that the transfer function of the pre-compensator is equal to the transfer function from the state quantity command value to the state quantity detection value It is characterized in that it comprises.
According to a second aspect of the present invention, in the two-degree-of-freedom control device according to the first aspect, the pre-compensator is an IIR filter.
According to a third aspect of the present invention, in the two-degree-of-freedom control device according to the first aspect, the predistorter is a dead time filter.
According to a fourth aspect of the present invention, in the two-degree-of-freedom control device according to the first aspect, the automatic adjustment calculation unit corrects the filter coefficient by the least square method.
According to a fifth aspect of the present invention, in the two-degree-of-freedom control device according to the first aspect, the automatic adjustment calculation unit sequentially corrects the filter coefficient by an adaptive law.
According to a sixth aspect of the present invention, in the two-degree-of-freedom control device according to the first aspect, the automatic adjustment calculation unit changes a filter coefficient, and a difference between the state quantity command correction value and the state quantity detection value is determined. It is characterized in that the filter coefficient that minimizes is determined by searching through trial and error.
The invention according to claim 7 is the two-degree-of-freedom control device according to claim 1, wherein the feedback controller makes the control gain substantially zero during automatic adjustment of the predistorter. Is.
According to an eighth aspect of the present invention, there is provided a state quantity detector that detects a state quantity of a control target and generates a state quantity detection value, and a front end that generates a state quantity command correction value by correcting the state quantity command value. A compensator; a feedforward controller that generates a feedforward manipulated variable from the state quantity command value; a feedback controller that generates a feedback manipulated variable from a difference signal between the state quantity command correction value and the state quantity detected value; In a control method of a two-degree-of-freedom control device comprising: an operation amount controller that makes the operation amount command value the sum of the feedforward operation amount and the feedback operation amount, and makes the operation amount follow the operation amount command value; Detecting a state quantity and generating a state detection value; correcting the state quantity command value to generate a state quantity command correction value; and the state quantity command correction value and the state quantity detection value A step of generating a feedback manipulated variable from the difference signal; a step of causing the manipulated variable to follow an manipulated variable command location; and a transfer function of the predistorter from the state quantity command value to the state quantity detected value And automatically adjusting to be equal to.
請求項１に記載の発明によると、前置補償器を自動調整することにより状態量制御の追従性能を高める二自由度制御装置を提供できる。
また、請求項２に記載の発明によると、フィードフォワード誤差を様々な伝達関数で表現でき，前置補償器を最適な伝達関数に調整でき，追従性能を高めることができる。
また、請求項３に記載の発明によると、制御対象が無駄時間を持つ場合でも前置補償器を最適な伝達関数に調整でき，追従性能を高める二自由度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、オフラインで前置補償器を最適な伝達関数に調整でき，追従性能を高める二自由度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、前置補償器をオンラインで最適な伝達関数に調整でき，追従性能を高める二自由度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、前置補償器を最適な伝達関数に調整でき，追従性能を高める二自由度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、フィードバック制御による誤差を小さくし、前置補償器を最適な伝達関数に調整でき，追従性能を高める二自由度制御装置を提供できる。。
また、請求項８に記載の発明によると、前置補償器を自動調整することにより状態量制御の追従性能を高める二自由度制御装置の制御方法を提供できる。
According to the first aspect of the present invention, it is possible to provide a two-degree-of-freedom control device that improves the follow-up performance of the state quantity control by automatically adjusting the predistorter.
According to the second aspect of the invention, the feedforward error can be expressed by various transfer functions, the predistorter can be adjusted to an optimum transfer function, and the follow-up performance can be improved.
According to the third aspect of the present invention, it is possible to provide a two-degree-of-freedom control device that can adjust the pre-compensator to an optimal transfer function even when the controlled object has a dead time, and improve the follow-up performance.
According to the fourth aspect of the present invention, it is possible to provide a two-degree-of-freedom control device that can adjust the predistorter to an optimum transfer function off-line and improve the follow-up performance.
According to the fifth aspect of the present invention, it is possible to provide a two-degree-of-freedom control device that can adjust the predistorter to an optimal transfer function on-line and improve the follow-up performance.
According to the sixth aspect of the present invention, it is possible to provide a two-degree-of-freedom control device that can adjust the predistorter to an optimum transfer function and improve the follow-up performance.
According to the seventh aspect of the present invention, it is possible to provide a two-degree-of-freedom control device that can reduce an error due to feedback control, adjust the predistorter to an optimum transfer function, and improve tracking performance. .
According to the eighth aspect of the present invention, it is possible to provide a control method for a two-degree-of-freedom control device that improves the follow-up performance of state quantity control by automatically adjusting the predistorter.
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、本発明の二自由度制御装置をサーボモータの制御に用いた場合の実施例を示すブロック図である。図において、１０５は制御対象となるモータとそれに取り付けられた負荷であり，操作量であるトルクによって状態量である位置が変化する。１０６は位置検出器であり，制御対象の位置を検出して位置検出値を出力する。１０１はフィードフォワード制御器であり，上位コントローラ（不図示）より与えられた位置指令値を元にフィードフォワード操作量を生成する。１０２は前置補償器であり，位置指令値を元に位置指令修正値を生成する。１０３はフィードバック制御器であり，位置指令修正値と位置検出値との差を元にフィードバック操作量を生成する。３０４はトルク制御器であり，フィードバック操作量とフィードフォワード操作量との和をトルク指令値とし，トルクがトルク指令値に一致するように制御する。１０７は自動調整演算部であり，位置指令修正値と，位置検出値を元に前置補償器１０２を自動的に調整する。
本実施例では，制御対象１０５の伝達関数をＰ（ｓ），制御対象１０５のモデルの伝達関数をＰｍ（ｓ）とし，フィードフォワード制御器１０１の伝達関数は，Ｐｍ（ｓ）−１とおく。例えば，制御対象がサンプリング周期の無駄時間と剛体負荷であるとし，剛体負荷の慣性モーメントをＪとおけば，Ｐ（ｓ）は次式で表される。
従来技術ではＣｆ（ｓ）を制御系全体の目標特性としてあらかじめ２次遅れフィルタで与え，フィードフォワード制御器１０１の伝達関数は，Ｐｍ（ｓ）−１・Ｃｆ（ｓ）としているのに対し，本実施例では，フィードフォワード制御部を制御対象の逆関数となるように実装する。フィードフォワード制御部は，例えば次式のように実装される。
ただし，ｚはZ変換の演算子であり，上式をラプラス領域で表したものがＰｍ（ｓ）−１となる。このＰｍ（ｓ）−１は，以下のような理由からＰ（ｓ）の完全な逆関数とはなっていない。すなわち，１）無駄時間の逆関数は指令の先読みが可能な場合を除き実現できない。２）積分の逆関数である微分をデジタル制御器で実現する際に離散化誤差が生じる。３）慣性モーメントのモデルJｍは真値Jと完全には一致せず，誤差を含む。これらの理由から実現できなかった部分をフィードフォワード誤差Ｍ（ｓ）で表せば，フィードフォワード制御部は次式のように表される。制御対象のモデル化誤差もＭ（ｓ）に含まれる。
FIG. 1 is a block diagram showing an embodiment in which the two-degree-of-freedom control device of the present invention is used for controlling a servo motor. In the figure, reference numeral 105 denotes a motor to be controlled and a load attached thereto, and the position as a state quantity changes depending on the torque as the operation quantity. Reference numeral 106 denotes a position detector, which detects the position of the control target and outputs a position detection value. A feedforward controller 101 generates a feedforward manipulated variable based on a position command value given from a host controller (not shown). Reference numeral 102 denotes a pre-compensator that generates a position command correction value based on the position command value. A feedback controller 103 generates a feedback manipulated variable based on the difference between the position command correction value and the position detection value. A torque controller 304 uses the sum of the feedback manipulated variable and the feedforward manipulated variable as a torque command value, and performs control so that the torque matches the torque command value. An automatic adjustment calculation unit 107 automatically adjusts the predistorter 102 based on the position command correction value and the position detection value.
In this embodiment, the transfer function of the control target 105 is P (s), the transfer function of the model of the control target 105 is Pm (s), and the transfer function of the feedforward controller 101 is Pm (s) −1. . For example, if the control object is the dead time of the sampling cycle and the rigid load, and the inertia moment of the rigid load is J, P (s) is expressed by the following equation.
In the prior art, Cf (s) is given as a target characteristic of the entire control system by a second-order lag filter in advance, and the transfer function of the feedforward controller 101 is Pm (s) −1 · Cf (s), In this embodiment, the feedforward control unit is implemented so as to be an inverse function of the control target. The feedforward control unit is implemented as shown in the following equation, for example.
Here, z is an operator for Z conversion, and the above expression in the Laplace region is Pm (s) -1 . This Pm (s) −1 is not a complete inverse function of P (s) for the following reason. That is, 1) The inverse function of the dead time cannot be realized unless the command can be prefetched. 2) A discretization error occurs when a differential which is an inverse function of integration is realized by a digital controller. 3) The moment of inertia model Jm does not completely match the true value J and contains errors. If the portion that could not be realized for these reasons is expressed by the feedforward error M (s), the feedforward control unit is expressed by the following equation. The modeling error of the controlled object is also included in M (s).
Ｍ（ｓ）は位置指令値から位置までの伝達関数と常に完全に一致する。本実施例では，前置補償器１０２の伝達関数をＭｍ（ｓ）とおき，Ｍｍ（ｓ）をＭ（ｓ）に近づけるように自動調整する。従来技術では制御対象のモデルＰｍ（ｓ）を修正することによりフィードフォワード制御器１０１を自動調整しているのに対し，本発明では，フィードフォワード制御部は固定とし，前置補償器１０２を調整する点が異なる。フィードフォワード部はあらかじめできる限り位置指令と位置が一致するように自動調整を行っておいても良い。
以下では，自動調整演算部の動作を説明する。フィードフォワード誤差Ｍ（ｓ）にできる限り近い伝達関数をもつ前置補償器Ｍｍ（ｓ）の実現方法は，様々なものが考えられる。フィードフォワード制御器で制御対象の逆関数が実現できない要素として代表的なものに位相遅れ要素があり，この遅れ要素を前置補償器Ｍｍ（ｓ）に持たせる必要がある。本実施例では，前置補償器を以下のようにデジタル制御器のＩＩＲ型適応フィルタで実現した例を説明する。
M (s) always coincides perfectly with the transfer function from the position command value to the position. In this embodiment, the transfer function of the pre-compensator 102 is set to Mm (s), and Mm (s) is automatically adjusted to approach M (s). In the prior art, the feedforward controller 101 is automatically adjusted by correcting the model Pm (s) to be controlled. In the present invention, the feedforward controller is fixed and the precompensator 102 is adjusted. The point to do is different. The feedforward unit may perform automatic adjustment so that the position command and the position coincide with each other as much as possible.
Hereinafter, the operation of the automatic adjustment calculation unit will be described. Various methods for realizing the predistorter Mm (s) having a transfer function as close as possible to the feedforward error M (s) can be considered. A typical element that cannot realize the inverse function to be controlled by the feedforward controller is a phase delay element, and this delay element must be provided to the precompensator Mm (s). In the present embodiment, an example will be described in which the predistorter is realized by an IIR type adaptive filter of a digital controller as follows.
フィルタ係数Ａ0，Ａ１，Ａ２，・・・，Ｂ１，Ｂ２，・・・を適応則により求める。フィルタの次数はＡ，Ｂそれぞれいくつにしても良く，多いほど複雑なフィルタを実現できる反面，収束しにくくなる。通常はそれぞれ１つから３つ程度とすると良い。また，ＩＩＲフィルタは収束が補償されない場合があるため，Ｂ１＝Ｂ２＝・・・＝０とし，性能が劣るが収束が補償されるＦＩＲフィルタとしてもよい。位置検出値をＲ（ｋ）とおき，フィルタ出力Ｙ（ｋ）とＲ（ｋ）との偏差が小さくなるように適応演算を行う。適応則は最小二乗法，逐次型最小二乗法，重みつき最小二乗法，固定トレース法など様々なものが知られており，どれも適用可能であるが，例えば以下の逐次最小二乗法による適応演算を行う。演算周期毎に以下の演算を行うことにより，フィルタ出力Ｙ（ｋ）がＲ（ｋ）に近づくようにθ（ｋ）が逐次修正される。
Filter coefficients A 0 , A 1 , A 2 ,..., B 1 , B 2 ,. The number of filter orders A and B may be any number, and the more filters, the more complex the filter can be realized, but the more difficult it is to converge. Usually, it is good to use about 1 to 3 each. In addition, since convergence may not be compensated for the IIR filter, B 1 = B 2 =... = 0, and it may be an FIR filter that is inferior in performance but compensates for convergence. The position detection value is set as R (k), and adaptive calculation is performed so that the deviation between the filter outputs Y (k) and R (k) becomes small. Various adaptation rules are known, such as the least square method, the recursive least square method, the weighted least square method, and the fixed trace method, and any of them can be applied. I do. By performing the following calculation for each calculation cycle, θ (k) is sequentially corrected so that the filter output Y (k) approaches R (k).
ただし，Γ（ｋ）とθ（ｋ）の初期値は以下で与えられる。
However, the initial values of Γ (k) and θ (k) are given below.
ただし，Ｉは単位行列である。
Where I is a unit matrix.
実施例１では，フィードフォワード制御器１０１の伝達関数は，Ｐｍ（ｓ）−１とおいたが，あるフィルタＣｆ（ｓ）を用意し，フィードフォワード制御器１０１の伝達関数を，Ｐｍ（ｓ）−１・Ｃｆ（ｓ）としてもよい。その場合，位置指令値から位置までの伝達関数は，Ｍ（ｓ）・Ｃｆ（ｓ）となる。本実施例では，前置補償器の伝達関数をＭｍ（ｓ）・Ｃｆ（ｓ）とおき，Ｍｍ（ｓ）をＭ（ｓ）に近づけるように自動調整する。あるいは，Ｃｆ（ｓ）を含めた前置補償器の伝達関数Ｍｍ（ｓ）・Ｃｆ（ｓ）をあらたにＭＣｍ（ｓ）おき，ＭＣｍ（ｓ）をＭ（ｓ）・Ｃｆ（ｓ）に近づけるように自動調整する。調整方法は他の実施例と同様にすればよい。Ｃｆ（ｓ）の１つの例としては，従来技術と同様に指令を滑らかにするための遅れフィルタとすることができる。もう１つの例としては，制御対象が不安定零点を持つ場合にそれをＣｆ（ｓ）に含めることができる。制御対象が不安定零点を持つ場合，フィードフォワード制御部にその逆関数が含まれるため振動的になるが，その不安定零点をＣｆ（ｓ）に含めるより，フィードフォワード制御部では不安定零点と不安定極が相殺され，前置補償器にのみ不安定零点が含まれることになり，安定な制御器を得ることができる。 In the first embodiment, the transfer function of the feedforward controller 101 is Pm (s) −1 , but a certain filter Cf (s) is prepared, and the transfer function of the feedforward controller 101 is Pm (s) −. It may be 1 · Cf (s). In this case, the transfer function from the position command value to the position is M (s) · Cf (s). In the present embodiment, the transfer function of the predistorter is set as Mm (s) · Cf (s), and Mm (s) is automatically adjusted to approach M (s). Alternatively, the transfer function Mm (s) · Cf (s) of the predistorter including Cf (s) is newly set at MCm (s), and MCm (s) is made closer to M (s) · Cf (s). To adjust automatically. The adjustment method may be the same as in the other embodiments. As an example of Cf (s), it is possible to use a delay filter for smoothing commands as in the prior art. As another example, if the controlled object has an unstable zero, it can be included in Cf (s). When the controlled object has unstable zeros, the feedforward control unit includes its inverse function, which causes vibration. However, the feedforward control unit does not include the unstable zeros in Cf (s). The unstable pole is canceled out, and the unstable zero is included only in the precompensator, so that a stable controller can be obtained.
本実施例では，前置補償器を以下のように１次のＩＩＲフィルタで実現した例を説明する。 In the present embodiment, an example will be described in which the predistorter is realized by a first-order IIR filter as follows.
ここで，ｋは演算周期ごとに１ずつ増える整数であり，フィルタへの入力をＸ（ｋ），出力をＹ（ｋ）としている。上記ＩＩＲフィルタは１次遅れフィルタとなっており，１次遅れの時定数をＴ，制御周期をＴｓとすればαは次式で表される。
Here, k is an integer that increases by 1 for each calculation cycle, and the input to the filter is X (k) and the output is Y (k). The IIR filter is a first-order lag filter. If the time constant of the first-order lag is T and the control period is Ts, α is expressed by the following equation.
位置指令値に往復動作やチャープ波など必要な周波数成分を含む指令を与えながら，αまたはＴを様々に変え，位置指令修正値と位置検出値との偏差が最も小さくなるときのαまたはＴを探索的に求めることにより，最適なＩＩＲフィルタを得ることができる。位置指令修正値と位置検出値の偏差の評価方法は，例えば同じ往復動作を1回実行する間または同じチャープ波を低周波から高周波まで1回掃引する間の，偏差の平均値，または２乗平均値，または最大値のいずれかを用いればよい。探索方法は，所望の分解能以上でαまたはＴを少しずつ変化させて全体を網羅して探すか，２分探索などの一般的な方法を用いればよい。この探索動作中，フィードバック操作量を０にする，すなわちフィードバック制御ゲインを０にしておくことにより，フィードバック制御による誤差をなくすことができる。また，制御対象の都合上，位置のフィードバック制御をしたまま探索を行いたい場合，探索中はフィードバック制御のゲインを小さく設定することにより誤差を小さくできる。
While giving a command including necessary frequency components such as reciprocating motion and chirp wave to the position command value, α or T is changed in various ways, and α or T when the deviation between the position command correction value and the position detection value is minimized An optimal IIR filter can be obtained by performing a search. The method for evaluating the deviation between the position command correction value and the position detection value is, for example, the average value of the deviation or the square while the same reciprocating operation is executed once or the same chirp wave is swept once from low frequency to high frequency. Either the average value or the maximum value may be used. As a search method, α or T may be changed little by little at a desired resolution or higher to search the whole or a general method such as a binary search may be used. During this search operation, the feedback manipulated variable is set to 0, that is, the feedback control gain is set to 0, so that errors due to feedback control can be eliminated. In addition, for the convenience of the control object, when it is desired to perform the search while performing the position feedback control, the error can be reduced by setting the feedback control gain small during the search.
実施例３と同じＩＩＲフィルタで，αを適応演算により求める場合の例を以下に述べる。以下のようにすると，適応させる変数がα１つのみとなるため収束が早く，安定性が高い。以下の逐次演算を実行することにより，Ｙ（ｋ）がＲ（ｋ）と一致するようにαを適応させることができる。 An example in which α is obtained by adaptive calculation using the same IIR filter as in the third embodiment will be described below. In the following manner, since there is only one variable to be adapted, convergence is quick and stability is high. By executing the following sequential calculation, α can be adapted so that Y (k) matches R (k).
γは適応の速さを設定するパラメータで，この値を大きくするほど適応が早くなるが，振動的になるので，適当な値に調整する。
γ is a parameter that sets the speed of adaptation. The larger this value, the faster the adaptation, but it becomes oscillatory, so it is adjusted to an appropriate value.
本実施例では，前置補償器を以下のようなサンプリング周期のｎ倍の無駄時間フィルタとした場合の例を説明する。ただし，ｎは０以上とする。 In the present embodiment, an example will be described in which the predistorter is a dead time filter of n times the sampling period as follows. However, n is 0 or more.
デジタルで実現する場合は以下のように表される。ただし，ｚはｚ変換の演算子である。
When digitally realized, it is expressed as follows. However, z is an operator of z conversion.
ｎが整数の場合，前置補償器の演算は以下のようにする。
When n is an integer, the operation of the predistorter is as follows.
本発明では，ｎが整数でなくても良く，その場合，ｎの整数部分をｍ，ｎの小数点以下の部分をｑとし，前置補償器の演算は以下のようにする。
In the present invention, n does not have to be an integer. In this case, the integer part of n is m, the part below the decimal point of n is q, and the operation of the predistorter is as follows.
位置指令値に往復動作やチャープ波など必要な周波数成分を含む指令を与えながら，ｎを様々に変え，位置指令修正値と位置検出値との偏差が最も小さくなるときのｎを探索的に求めることにより，最適な無駄時間フィルタを得ることができる。
従来技術では制御対象のモデルＰｍ（ｓ）を修正することによりフィードフォワード制御器１０１を自動調整しているのに対し，本発明は，フィードフォワード制御部は固定しておき，前置補償器１０２を調整する点が異なる。
While giving a command including necessary frequency components such as a reciprocating motion and a chirp wave to the position command value, n is variously changed, and n is searched for when the deviation between the position command correction value and the position detection value is minimized. Thus, an optimal dead time filter can be obtained.
In the prior art, the feedforward controller 101 is automatically adjusted by correcting the model Pm (s) to be controlled. In the present invention, the feedforward controller is fixed and the precompensator 102 is fixed. The point to adjust is different.
このように、前置補償器をフィードフォワード誤差で表し，フィルタ係数を自動調整しているので、状態量指令と状態量の偏差を従来技術より小さくすることができ，追従性能の良い制御器に自動調整することができる。 In this way, the pre-compensator is represented by a feedforward error and the filter coefficient is automatically adjusted, so that the deviation between the state quantity command and the state quantity can be made smaller than in the prior art, and the controller has good tracking performance. Can be adjusted automatically.
図４は、本発明の二自由度制御装置の制御方法を示すブローチャートである。図４において、ステップＳＴ１で位置を検出し位置検出値を生成し、ステップＳＴ２で位置指令値を修正して位置指令修正値を生成し、ステップＳＴ３で位置指令修正値と位置検出値の差信号からフィードバック操作量を生成し、ステップＳＴ４でトルクをトルク指令値に追従させ、ステップＳＴ５で前置補償器の伝達関数が位置指令値から位置検出値までの伝達関数に等しくなるように自動調整する。 FIG. 4 is a flowchart showing a control method of the two-degree-of-freedom control device of the present invention. In FIG. 4, a position is detected and a position detection value is generated at step ST1, a position command correction value is generated by correcting the position command value at step ST2, and a difference signal between the position command correction value and the position detection value is detected at step ST3. From step ST4, the torque is made to follow the torque command value, and in step ST5, the transfer function of the predistorter is automatically adjusted to be equal to the transfer function from the position command value to the position detection value. .
１０１ フィードフォワード制御器
１０２ 前置補償器
１０３ フィードバック制御器
１０４ 操作量制御器
１０５ 制御対象
１０６ 状態量検出器
１０７ 自動調整演算部
３０４ 電流制御部
３０５ 電動機および機械系
３０６ 位置検出器
３０８ 機械振動検出部
DESCRIPTION OF SYMBOLS 101 Feedforward controller 102 Predistorter 103 Feedback controller 104 Operation amount controller 105 Control object 106 State quantity detector 107 Automatic adjustment calculating part 304 Current control part 305 Electric motor and mechanical system 306 Position detector 308 Mechanical vibration detection part
Claims (8)
前記前置補償器は可変であり，前記前置補償器の伝達関数が前記状態量指令値から前記状態量検出値までの伝達関数に等しくなるように自動調整する自動調整演算部を備えたことを特徴とする二自由度制御装置。 A state quantity detector that detects a state quantity to be controlled and generates a state quantity detection value, a precompensator that corrects the state quantity command value and generates a state quantity command correction value, and the state quantity command value A feedforward controller for generating a feedforward manipulated variable; a feedback controller for generating a feedback manipulated variable from a difference signal between the state quantity command correction value and the state quantity detected value; and the feedforward manipulated variable and the feedback manipulated variable A two-degree-of-freedom control device comprising an operation amount controller that makes the operation amount command value follow the operation amount command value.
The pre-compensator is variable, and includes an automatic adjustment calculation unit that automatically adjusts so that a transfer function of the pre-compensator is equal to a transfer function from the state quantity command value to the state quantity detection value. A two-degree-of-freedom control device.
前記状態量を検出し状態検出値を生成するステップと、
前記状態量指令値を修正して状態量指令修正値を生成するステップと、
前記状態量指令修正値と前記状態量検出値の差信号からフィードバック操作量を生成するステップと、
前記操作量を操作量指令地に追従させるステップと、
前記前置補償器の伝達関数が前記状態量指令値から前記状態量検出値までの伝達関数に等しくなるように自動調整するステップと、
を備えることを特徴とする二自由度制御装置の制御方法。 A state quantity detector that detects a state quantity to be controlled and generates a state quantity detection value, a precompensator that corrects the state quantity command value and generates a state quantity command correction value, and the state quantity command value A feedforward controller for generating a feedforward manipulated variable; a feedback controller for generating a feedback manipulated variable from a difference signal between the state quantity command correction value and the state quantity detected value; and the feedforward manipulated variable and the feedback manipulated variable In a control method of a two-degree-of-freedom control device comprising an operation amount controller that sets the operation amount command value as the operation amount command value and follows the operation amount command value,
Detecting the state quantity and generating a state detection value;
Correcting the state quantity command value to generate a state quantity command correction value;
Generating a feedback manipulated variable from a difference signal between the state quantity command correction value and the state quantity detection value;
Making the operation amount follow an operation amount command area;
Automatically adjusting the transfer function of the predistorter to be equal to the transfer function from the state quantity command value to the state quantity detection value;
A control method for a two-degree-of-freedom control device comprising:
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