JP2009122779A - 制御システムおよび制御支援装置 - Google Patents

Abstract

【課題】より適切なサーボの制御条件の設定を短時間で実現する制御システムおよび制御支援装置を得ること。
【解決手段】負荷装置１１３を駆動するモータ１１２を制御するサーボシステム１００と、前記サーボシステム１００に接続され、前記モータ１１２を所定の目標動作に制御するために設定される調整パラメータの最適値を自動調整する制御支援装置２００と、で構成され、前記制御支援装置２００における調整パラメータ調整部２１０はシミュレーション結果に基づいて、調整すべきパラメータやその調整範囲を自動設定し、調整範囲内で調整パラメータの最適値をモータ１１２の実動作の結果に基づいて自動調整する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、負荷装置を駆動する電動機を制御するサーボシステムの制御ゲインやフィルタパラメータなどの制御条件を自動調整する機能を有する制御システムおよび制御支援装置に関するものである。

従来、サーボ制御に関する技術として、パラメータ調整範囲を制御対象の周波数応答特性から自動算出する技術が提案されている。自動算出の詳細としては、トルク指令からモータ速度までの周波数応答特性上で、位相−１８０［ｄｅｇ］に対し任意の位相余裕許容値［ｄｅｇ］以下となる周波数帯域における最大ゲインを算出し、この最大ゲインに基づき速度ゲイン最大値を、また位置ゲインなどその他パラメータは速度ゲイン最大値から一定比率により算出し、これを調整範囲の最大値に設定する。パラメータ調整範囲の最小値については、周波数応答特性から反共振周波数を算出し、この反共振周波数の０．５〜０．８倍に基づいて速度ゲイン最小値を算出している（たとえば、特許文献１参照）。

また、他の技術として、モータ駆動装置、制御対象の各々についてシミュレーションモデルを作成し、時間軸に注目した応答シミュレーション（時間応答シミュレーション）による制御パラメータの最適化を行う手法が提案されている（たとえば、特許文献２参照）。

国際公開第００／６２４１２号パンフレット 特開２００４−１８８５４１号公報

しかしながら、上記特許文献１の技術によれば、周波数応答特性に基づいてパラメータ調整範囲を自動設定という構成を有するので、整定時間、オーバーシュートといった時間応答特性での目標値は検討が難しく、パラメータ調整範囲が広くなる、または狭くなるなど、最適範囲にならないという問題がある。

上記特許文献２の技術によれば、シミュレーションで最適化したパラメータ値を実機に適用するという構成を有するが、実機とシミュレーション間には誤差が存在するため、シミュレーションでの最適値が必ずしも実機での最適値とはならないという問題や、誤差を改善するためにシミュレーションと実機とを交互に動作させる場合には調整時間が増大するという問題がある。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、より適切なサーボ制御条件の設定を短時間で実現する制御システムおよび制御支援装置を得ることを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明にかかる制御システムは、負荷装置を駆動する電動機を制御するサーボシステムと、サーボシステムに接続され、電動機を所定の目標動作に制御するために設定される調整パラメータの最適値を自動調整する制御支援装置と、で構成され、制御支援装置は、調整パラメータの最適値を電動機の実動作の結果に基づいて自動調整するサーボシステム自動調整制御手段と、電動機の動作制御のシミュレーションを行うための演算モデルを同定する演算モデル同定手段と、シミュレーションを行うための調整パラメータの模擬条件であるシミュレーション条件を設定するシミュレーション条件設定手段と、演算モデルとシミュレーション条件とを用いて、電動機を所定の目標動作に制御する場合のシミュレーションをシミュレーション条件を変更して複数回行うサーボシステムシミュレーション部と、シミュレーションの結果に基づいて、前記サーボシステム自動調整制御手段における調整条件を自動設定するサーボシステム調整条件設定手段と、を備えることを特徴とする。

この発明によれば、シミュレーション結果に基づいて、電動機を所定の目標動作に制御するために調整すべきパラメータやその調整範囲が自動設定される。そして、調整範囲内で調整パラメータの最適値を電動機の実動作の結果に基づいて自動調整するため、実機とシミュレーション間に存在するパラメータ調整誤差を許容できるようになり、サーボ制御条件の設定を短時間で実現することが可能となる、という効果を奏する。

以下に、本発明にかかる制御システムおよび制御支援装置の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、本発明は以下の記述に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において適宜変更可能である。

実施の形態
図１は、本発明の実施の形態にかかる制御システムの概略構成を示す図である。図１に示すように、本実施の形態にかかる制御システムは、実機として使用されるサーボシステム１００と、サーボシステム１００に接続される制御支援装置２００と、で構成される。

サーボシステム１００は、位置指令発生部１０１、位置制御部１０２、速度制御部１０３、フィルタ制御部１０４、スイッチ１０５、試験用トルク指令発生部１０６、積分器１０７、状態量観測部１０８、制御対象１１０、を有する。また、制御対象１１０は、トルク制御部１１１とモータ１１２と負荷装置１１３と回転量検出器１１４とを有する。モータ１１２は、例えば回転型モータや、リニアモータなど直動型のモータである。

サーボシステム１００は、スイッチ１０５を接点（ａ）側に接続することで、位置決め制御モードとなる。位置決め制御モードにおいて、位置指令発生部２２１では、位置指令Ｘｒを生成して出力する。位置制御部１０２は、位置指令発生部１０１から出力される位置指令Ｘｒと積分器１０７から出力されるモータ１１２の位置Ｘｍとの差を入力として、モータ１１２の位置Ｘｍが位置指令Ｘｒに追従するように速度指令Ｖｒを出力する。

速度制御部１０３は、速度指令Ｖｒとモータ１１２の速度Ｖｍとの差を入力として、速度Ｖｍが速度指令Ｖｒに追従するように仮トルク指令Ｔｆを出力する。フィルタ制御部１０４は、トルクの変化を連続にするためや振動要素を除去するために仮トルク指令Ｔｆにフィルタ処理をかけ、トルク指令Ｔｒを出力する。トルク制御部１１１は、トルク指令Ｔｒに基づきモータ１１２と負荷装置１１３に所望の動作を行わせる。回転量検出器１１４は、モータ１１２の速度Ｖｍを検出して出力する。積分器１０７は、モータ１１２の速度Ｖｍを一階積分し、モータ１１２の位置Ｘｍを出力する。状態量観測部１０８は、サーボシステム１００の位置決め動作に関する状態量を観測する。

また、サーボシステム１００は、スイッチ１０５を接点（ｂ）側に接続することで、試験用トルク指令発生部１０６が試験用トルク指令Ｔｓを制御対象１１０に与える制御対象解析モードとなる。このときの試験用トルク指令Ｔｓとモータ速度Ｖｍの時系列データは、後述する制御支援装置２００の記憶部２１６に記憶される。

制御支援装置２００は、調整パラメータ調整部２１０、サーボシステムシミュレーション部２２０と、表示部２３０と、入力部２４０とを有する。調整パラメータは、サーボの応答を調整するためのパラメータであり、位置制御部１０２や速度制御部１０３における位置ゲインや速度ゲイン、フィルタ制御部におけるフィルタパラメータ等を含む。

調整パラメータ調整部２１０は、演算モデル同定手段２１１と、シミュレーション条件設定手段２１２と、サーボシステム調整条件設定手段２１３と、サーボシステム自動調整制御手段２１４と、推奨情報生成手段２１５と、記憶部２１６とを有する。

演算モデル同定手段２１１は、モータ１１２の動作制御のシミュレーションを行うための演算モデルの同定と周波数応答特性の算出を行う。シミュレーション条件設定手段２１２は、調整パラメータの初期値など、モータ１１２の動作制御のシミュレーションを行うための調整パラメータの模擬条件であるシミュレーション条件を設定する。また、シミュレーション条件設定手段２１２は、サーボシステムシミュレーション部２２０でのシミュレーションを、制御信号Ｃｇｓ１をサーボシステムシミュレーション部２２０に出力して制御する。

サーボシステムシミュレーション部２２０は、演算モデルとシミュレーション条件とを用いて、モータ１１２を所定の目標動作に制御する場合のシミュレーションをシミュレーション条件を変更して複数回行う。

このようなサーボシステムシミュレーション部２２０は、サーボシステム１００と同様に構成された位置指令発生部２２１、位置制御部２２２、速度制御部２２３、フィルタ制御部２２４と、同定された制御対象の演算モデル２２５、モータ速度Ｖｍ１を一階積分しモータの位置Ｘｍ１を出力する積分器２２７を有し、実機であるサーボシステム１００における位置決め動作をシミュレーションする。またこのとき、位置決め動作の実行時における各位置決め目標項目の状態量を、シミュレーション状態量観測部２２６で観測する。

推奨情報生成手段２１５は、後述するサーボシステム自動調整制御手段２１４がサーボシステム１００における調整パラメータの最適値を自動調整する際に調整すべきパラメータとして推奨する調整パラメータの情報を、シミュレーションの結果に基づいて生成する。

サーボシステム調整条件設定手段２１３は、シミュレーション結果および推奨情報生成手段２１５で生成された推奨する調整パラメータの情報に基づいて、サーボシステム自動調整制御手段２１４がサーボシステム１００における調整パラメータの最適値を自動調整する際の調整条件を自動設定する。サーボシステム自動調整制御手段２１４は、サーボシステム調整条件設定手段２１３で自動設定された調整条件により、制御信号Ｃｇｓをサーボシステム１００に出力し、サーボシステム１００における調整パラメータの最適値をモータ１１２の実動作に基づいて自動調整する。記憶部２１６は、サーボシステム１００および制御支援装置２００に入力されたデータや処理において生成されたデータなどの各種データを記憶する。

このような、制御支援装置２００は、専用の演算装置として構成しても良く、またたとえばパソコン上において動作するアプリケーションとして構成しても良い。

上記のようにサーボシステム１００における調整パラメータの最適値は、サーボシステム自動調整制御手段（以下、実機調整パラメータサーチモードと呼ぶ）で自動調整される。ここで実機調整パラメータサーチモードは、後述する制御信号Ｃｇｓにより、サーボシステム１００をコントロールし、（１）パラメータ変更→（２）位置決め動作→（３）動作結果評価→（１）・・・の処理を繰り返しながら、モータ１１２の所定の目標動作を制御するための位置決め目標を満足する、または任意の評価式を最小化するゲインやフィルタパラメータの最適値を自動調整するモードである。

実機調整パラメータサーチモードにおける調整パラメータの最適値の自動調整は、調整する調整パラメータの設定およびそのパラメータの初期値（中心値）、または範囲、または間隔、または変更比率など動作条件次第で調整時間、調整精度が大幅に変わる。このとき、調整時間と調整精度とはトレードオフの関係となる。

また、上記のように構成された制御支援装置２００は、サーボシステム１００の制御対象解析モードにおける試験用トルク指令Ｔｓとモータ１１２の速度Ｖｍの時系列データを入力とし、演算モデルの同定を行い、シミュレーション環境を整えた後、シミュレーション調整パラメータサーチモードを実行する。シミュレーション調整パラメータサーチモードは、実機調整パラメータサーチモードでの最適な調整条件を自動調整するモードである。

シミュレーション調整パラメータサーチモードでは、サーボシステムシミュレーション部２２０において実機調整パラメータサーチモードと同様の処理を行い、位置決め目標を満足する、または任意の評価式を最小化するゲインやフィルタパラメータの範囲を自動調整する。また、制御支援装置２００は、シミュレーション結果に基づいて、実機調整パラメータサーチモードでの調整指針の提示を行う機能を有する。

ここで、実機調整パラメータサーチモードで自動調整により得られる調整パラメータの値が最終的なサーボ制御の最適値であるのに対し、シミュレーション調整パラメータサーチモードにおいて得られるのは、実機調整パラメータサーチモードでの最適な調整を行うための、ある程度の幅を有する調整範囲である。

すなわち、本実施の形態では、シミュレーション調整パラメータサーチモードでのシミュレーションにより実機調整パラメータサーチモードでの最適な調整範囲を自動調整する。そして、実機調整パラメータサーチモードが、前記最適な調整範囲にてモータ１１２の所定の目標動作を制御するための位置決め目標を満足する、または任意の評価式を最小化するゲインやフィルタパラメータの最適値を自動調整する。

つぎに、調整パラメータ調整部２１０の処理について説明する。図２は、調整パラメータ調整部２１０の処理を説明するためのフローチャートである。

まず、演算モデル同定手段２１１は、制御対象１１０の演算モデルと周波数応答特性の算出を行う（ステップＳ１１０）。実機であるサーボシステム１００にてスイッチ１０５を接点（ｂ）側に接続し、試験用トルク指令発生部１０６において試験用トルク指令Ｔｓを発生させる。そして、演算モデル同定手段２１１は、トルク指令Ｔｒからモータ速度Ｖｍまでの制御対象１１０の演算モデルの同定と周波数応答特性の算出を行う。具体的な方法は足立修一「ユーザのためのシステム同定理論」１９９３年（財）計測自動制御学会に詳しいため、ここでは割愛する。また、制御対象１１０の演算モデルの同定結果と周波数応答特性の算出結果は、記憶部２１６に記憶する。

図３は、本実施の形態にかかる制御システムにおける制御対象例を説明するための図である。例えば制御対象例が図３に示すようなＸＹテーブル上のヘッド３００であり、ヘッド３００が移動し得るヘッド位置が大まかに４箇所（箇所１、箇所２、箇所３、箇所４）であるとする。この場合には、４箇所分（箇所１、箇所２、箇所３、箇所４）だけステップＳ１１０を実行しても良く、また、ＸＹテーブル機台毎にステップＳ１１０を実行しても良い。評価箇所により位置決め動作の精度や調整の困難度等が変化し、位置決め制御のばらつきが発生する場合がある。このため、所定箇所毎にステップＳ１１０を実行することにより、所定箇所毎にシミュレーションを行い、箇所毎に詳細な位置決め制御を行うことが可能となる。

制御対象が複数ある場合には、後述するステップＳ１３０において演算モデル毎の位置決め精度誤差に対してロバストな調整パラメータ調整結果を得ることが可能である。また、制御対象毎の調整の困難さについての指針を得ることも可能である。

つぎに、シミュレーション条件設定手段２１２が、指令パターン設定を行う（ステップＳ１２０）。例えばユーザが、サーボシステムシミュレーション部２２０の位置指令発生部２２１で発生させる指令パターンに関する指令パターン情報を制御支援装置の入力部２４０により入力すると、この指令パターン情報がシミュレーション条件設定手段２１２に入力され、設定される。また、予め記憶部２１６に記憶しておいた指令パターンをシミュレーション条件設定手段２１２が読み出して設定しても良い。

位置指令発生部２２１で発生させる指令パターンの例を、図４−１および図４−２に示す。図４−１は、速度指令パターン例１である三角波を示している。図４−２は、速度指令パターン例２である台形波を示している。発生させる指令パターンに関する指令パターン情報は、複数設定しても良い。

指令パターンが複数ある場合には、後述するステップＳ１３０において、指令パターン毎の位置決め精度誤差に対してロバストな調整パラメータ調整結果を得ることが可能である。また、指令パターン毎の調整パラメータの調整の困難さについての指針を得ることも可能である。なお、実機であるサーボシステム１００における位置指令発生部１０１で与えられる位置指令Ｘｒの時系列データを記憶し、位置指令Ｘｒの時系列データをシミュレーションにおける位置指令発生部２２１の代わりに使用することも可能である。

つぎに、サーボシステムシミュレーション部２２０は、シミュレーション調整パラメータサーチモードでの調整パラメータのサーチを行う（ステップＳ１３０）。すなわち、実機であるサーボシステム１００と同様の位置決め制御系（位置指令発生部２２１、位置制御部２２２、速度制御部２２３、フィルタ制御部２２４で構成される）と、ステップＳ１１０で算出した演算モデル２２５、とを有して構成されたサーボシステムシミュレーション部２２０に対して、ステップＳ１２０で設定された指令パターンを位置指令発生部２２１に与え、実機における実機調整パラメータサーチモードを模擬した時間応答シミュレーション（シミュレーション調整パラメータサーチモードでの時間応答シミュレーション）を行わせる。

このシミュレーションにおける指令パターン、演算モデル、調整パラメータ値の変更はシミュレーション条件設定手段２１２からの制御信号Ｃｇｓ１でコントロールされる。サーボシステムシミュレーション部２２０は、制御信号Ｃｇｓ１に基づいて調整パラメータ値等のシミュレーション条件を変更して、複数回、シミュレーション調整パラメータサーチを実行する。またこのとき、実行された全てのシミュレーションにおいて、位置決め動作をシミュレーション状態量観測部２２６で観測し、観測した状態量を記憶部２１６に記憶する。

つぎに、ステップＳ１３０のシミュレーション調整パラメータサーチモードでのシミュレーション処理について図５を参照して詳細に説明する。図５は、ステップＳ１３０のシミュレーション調整パラメータサーチモードでのシミュレーション処理を説明するためのフローチャートである。

まず、シミュレーション条件設定手段２１２は、調整パラメータの初期値を設定する（ステップＳ１３１）。初期値の設定方法として、以下に示す例が挙げられる。
（１） シミュレーション条件設定手段２１２が、ステップＳ１１０で算出した周波数応答特性からフィルタ制御部２２４を含めた速度開ループ特性、閉ループ特性を計算し、周波数応答上で安定に駆動できる最大値を速度制御系パラメータ、フィルタパラメータ初期値に自動設定する。その後、位置制御系パラメータの初期値についても同様に位置開ループ特性、位置閉ループ特性を計算し自動設定する。
（２） ユーザが入力部２４０を用いて調整パラメータの初期値に関する情報を制御支援装置２００に入力すると、入力された情報がシミュレーション条件設定手段２１２に入力される。シミュレーション条件設定手段２１２は、この情報に基づいて調整パラメータの初期値を設定する。
（３） （１）と（２）とを組み合わせて調整パラメータの初期値を設定する。

つぎに、シミュレーション条件設定手段２１２は、位置決め目標項目の目標値を設定する（ステップＳ１３２）。ユーザが入力部２４０を用いて位置決め目標項目の目標値に関する情報を制御支援装置２００に入力すると、該情報がシミュレーション条件設定手段２１２に入力される。シミュレーション条件設定手段２１２は、この位置決め目標項目の目標値に関する情報に基づいて位置決め目標項目の目標値を設定する。位置決め目標項目について図６を参照して説明する。図６は、位置決め目標項目を説明するための図である。位置決め目標項目には、たとえば整定時間、動作時間、オーバーシュート、残留振動がある。各項目の定期は以下の通りである。

＜位置決め目標項目＞
（１） 整定時間 ＝位置決め完了時間−指令完了時間
（２） 動作時間 ＝位置決め完了時間−指令開始時間
（３） オーバーシュート ＝指令完了時間以降における位置偏差の最大行き過ぎ量
（４） 残留振動 ＝位置決め完了時間以降の減衰率が悪く収束しない振動量
ここで
・位置偏差Ｘｅ１ ＝ 位置指令Ｘｒ１−モータ位置Ｘｍ１
・位置決め完了時間 ＝ 位置偏差Ｘｅ１が最終的に整定幅内に収まった時間
である。

つぎに、シミュレーション条件設定手段２１２は、シミュレーション条件であるシミュレーション調整パラメータサーチの調整条件を設定する（ステップＳ１３３）。

＜調整パラメータ数の設定＞
まず、ユーザが入力部２４０を用いて調整パラメータ数に関する情報を制御支援装置２００に入力すると（調整パラメータ数に制限はなし）、該情報がシミュレーション条件設定手段２１２に入力される。シミュレーション条件設定手段２１２は、この情報に基づいて調整パラメータ数を設定する。

＜調整パラメータの設定＞
つぎに、シミュレーション条件設定手段２１２は、調整パラメータを設定する。調整パラメータ設定方法として例えば以下の例が挙げられる。
（１） ユーザーが入力部２４０を用いて調整可能な全パラメータに関する情報を制御支援装置２００に入力すると、該情報がシミュレーション条件設定手段２１２に入力される。シミュレーション条件設定手段２１２は、この情報に基づいて調整パラメータを設定する（どのパラメータを調整すればよいか不明な場合）。
（２） ユーザが入力部２４０を用いて、調整するべき調整パラメータに関する情報を制御支援装置２００に入力すると、入力された情報がシミュレーション条件設定手段２１２に入力される。シミュレーション条件設定手段２１２は、この情報に基づいて調整パラメータを設定する（どのパラメータを調整すればよいか予め判明している場合）。

＜調整パラメータの調整範囲設定＞
つぎに、シミュレーション条件設定手段２１２は、調整パラメータ毎の調整範囲を自動設定する。調整範囲は、ステップＳ１３１で設定された調整パラメータ初期値を調整中心値（ｓｉｍ＿ｐｒｍ＿ｍｉｄ）とし、例えば以下のように設定する。
最小値 ｓｉｍ＿ｐｒｍ＿ｍｉｎ ＝ ｓｉｍ＿ｐｒｍ＿ｍｉｄ×０．５
最大値 ｓｉｍ＿ｐｒｍ＿ｍａｘ ＝ ｓｉｍ＿ｐｒｍ＿ｍｉｄ×１．５

＜調整パラメータの調整間隔設定＞
つぎに、シミュレーション条件設定手段２１２は、調整パラメータの調整間隔を設定する。ユーザが入力部２４０を用いて、刻み数に関する情報を制御支援装置２００に入力すると、入力された情報がシミュレーション条件設定手段２１２に入力される。シミュレーション条件設定手段２１２は、この情報に基づいて刻み数を設定する。そして、シミュレーション条件設定手段２１２は、調整パラメータ毎の調整間隔を、調整範囲と刻み数とから自動計算し、設定する。刻み数は、調整パラメータ毎に異なる値であっても良い。

なお、上記においては、ステップＳ１３３で調整条件として調整範囲と調整間隔とを設定する例を示したが、調整中心値、調整値変更比率などを使用しても良い。

つぎに、シミュレーション条件設定手段２１２は、これらの設定されたシミュレーション条件に基づいてサーボシステムシミュレーション部２２０に制御信号Ｃｇｓ１を出力する。サーボシステムシミュレーション部２２０は、制御信号Ｃｇｓ１によりシミュレーション調整パラメータサーチ処理を行う（ステップＳ１３４）。

サーボシステムシミュレーション部２２０は、シミュレーション調整パラメータサーチ処理として、ステップＳ１１０で同定した演算モデル、ステップＳ１２０で設定した指令パターン、ステップＳ１３１〜ステップＳ１３３で設定されたシミュレーション条件に従い、（１）パラメータ変更（調整点変更）→（２）位置決め動作→（３）動作結果評価→（１）パラメータ変更・・・を繰り返す時間応答シミュレーションを実行する。

図７は、シミュレーション調整パラメータサーチ処理を説明するための図である。図７に示す例では、調整パラメータは調整パラメータ１と調整パラメータ２との２つであり、横軸に調整パラメータ１を、縦軸に調整パラメータ２を記載している。調整パラメータ１の刻み数は５であり、調整範囲がｓｉｍ＿ｐｒｍ１（１）〜ｓｉｍ＿ｐｒｍ１（５）に５分割されている。ｓｉｍ＿ｐｒｍ１（１）は最小値（ｓｉｍ＿ｐｒｍ（１）＿ｍｉｎ）であり、ｓｉｍ＿ｐｒｍ１（５）は最大値（ｓｉｍ＿ｐｒｍ（１）＿ｍａｘ）である。また、調整パラメータ２の刻み数は７であり、調整範囲がｓｉｍ＿ｐｒｍ２（１）〜ｓｉｍ＿ｐｒｍ２（７）に７分割されている。ｓｉｍ＿ｐｒｍ２（１）は最小値（ｓｉｍ＿ｐｒｍ（２）＿ｍｉｎ）であり、ｓｉｍ＿ｐｒｍ１（７）は最大値（ｓｉｍ＿ｐｒｍ（２）＿ｍａｘ）である。

そして、シミュレーション調整パラメータサーチ処理では、たとえば、
（調整パラメータ１：ｓｉｍ＿ｐｒｍ１（１）、調整パラメータ２：ｓｉｍ＿ｐｒｍ２（１））
→（調整パラメータ１：ｓｉｍ＿ｐｒｍ１（１）、調整パラメータ２：ｓｉｍ＿ｐｒｍ２（２））
→（調整パラメータ１：ｓｉｍ＿ｐｒｍ１（１）、調整パラメータ２：ｓｉｍ＿ｐｒｍ２（３））
→・・・
の、ように調整パラメータの組み合わせ（調整点）を変更して時間応答シミュレーションを繰り返し実行する。そして、シミュレーション結果（動作結果評価）を記憶部２１６に記憶しておく。

つぎに、推奨情報生成手段２１５が、位置決め目標項目の目標値に対する調整パラメータの感度解析を行う（ステップＳ１３５）。調整パラメータ感度とは、シミュレーション結果における各位置決め目標項目の値の増減に対する調整パラメータ毎の影響度である。例えば位置決め目標項目がオーバーシュート量である場合、オーバーシュート量の増減に対するパラメータ毎の影響度である。

推奨情報生成手段２１５は、実機調整パラメータサーチ処理の際に位置決め目標項目の目標値を満たすように、シミュレーション結果を基に、調整すべき調整パラメータを多数ある調整パラメータの中から選択して推奨する。このため、推奨情報生成部２１５は、位置決め目標項目の目標値に対する調整パラメータの感度を解析し、順位付けを行う。

調整パラメータの感度解析に用いる情報としては、例えばステップＳ１３４のシミュレーション調整パラメータサーチ処理における、調整パラメータが初期値の場合の動作結果（シミュレーション結果）と、調整パラメータの値を初期値から前後に値を振って変更した場合（他のパラメータは固定）の動作結果（シミュレーション結果）と、から得られる位置決め目標値の変化率がある。

つぎに、サーボシステム調整条件設定手段２１３が、ステップＳ１３４のシミュレーション調整パラメータサーチ処理における調整パラメータの調整結果と、推奨情報生成手段２１５が推奨する調整パラメータを調整指針として表示する（ステップＳ１３６）。サーボシステム調整条件設定手段２１３は、位置決め目標を満たすか満たさないかに関わらず、シミュレーション調整パラメータサーチの結果をユーザに直感的にわかりやすく理解させるために、該シミュレーション調整パラメータサーチの結果を図、表などを用いて表示部２３０に表示させる。

また、調整指針は、実機調整パラメータサーチ処理にて調整パラメータの最適値を自動調整する際に調整すべき調整パラメータとして推奨する調整パラメータの情報である。このように、多数ある調整パラメータの中から位置決め目標を満たす為に調整すべきパラメータをシミュレーション調整パラメータサーチ結果に基づいて推奨することで、短時間で最適調整結果に達することが可能となる。

表示内容としては例えば、調整パラメータの調整過程・調整結果・調整指針などが挙げられる。図８−１、図８−２に、シミュレーション調整パラメータサーチ結果の波形表示の例として、調整パラメータ１または調整パラメータ２を変更した場合の位置偏差波形と、整定時間、オーバーシュートの結果の例を示す。

図８−１（ａ）は、図７の例で所定の速度指令パターンＰを使用し、調整パラメータ１のみを変更した場合のシミュレーション調整パラメータサーチ結果の位置偏差波形表示の例を示している。また、図８−１（ｂ）は、シミュレーション調整パラメータサーチ結果から得られた調整指針の表示例を示している。図８−２（ａ）は、図７の例で所定の速度指令パターンＰを使用し、調整パラメータ２のみを変更した場合のシミュレーション調整パラメータサーチ結果の位置偏差波形表示の例を示している。また、図８−２（ｂ）は、シミュレーション調整パラメータサーチ結果から得られた調整指針の表示例を示している。なお、図８−１における調整パラメータ１の変化率と図８−２における調整パラメータ２の変化比率は同じである。

図８−１（ａ）、図８−１（ｂ）、図８−２（ａ）、図８−２（ｂ）より、調整パラメータ１と調整パラメータ２との変化比率は同じであっても、制定時間、オーバーシュートなどの位置決め目標項目の値に対する感度は異なることがわかり、調整パラメータ１の方が整定時間、オーバーシュートに対する感度が高いことなどが判断できる。

図８−３は、評価箇所が複数あり、評価箇所が異なる以外は同一動作条件（パラメータ値、指令パターン）である場合の、シミュレーション調整パラメータサーチ結果の波形表示の例として、評価箇所による位置偏差波形と、整定時間、オーバーシュート量の比較例を示す。図８−３（ａ）は、シミュレーション調整パラメータサーチ結果の位置偏差波形表示の例を示している。また、図８−３（ｂ）は、シミュレーション調整パラメータサーチ結果から得られた調整指針の表示例を示している。この場合、評価箇所１よりも評価箇所２はオーバーシュート量が大きく、整定幅内から一度はみ出しており整定時間も遅れている。このことから、「評価箇所１の方が調整し易い、箇所による位置決めバラつきがある制御対象である」などの調整指針を表示部２３０に表示してユーザに提示することが可能であり、ユーザに直感的にわかりやすい理解を与えることができる。

図８−４は、指令パターンが複数ある場合に、指令パターンが異なる以外は同一動作条件（パラメータ値、評価箇所）である場合の、指令パターンの違いによる位置偏差波形と、整定時間、オーバーシュート量の比較例を示す。図８−４（ａ）は、シミュレーション調整パラメータサーチ結果の位置偏差波形表示の例を示している。また、図８−４（ｂ）は、シミュレーション調整パラメータサーチ結果から得られた調整指針の表示例を示している。この場合、速度指令パターン２を用いた場合は、速度指令パターン１を用いた場合よりもオーバーシュート量が大きく、整定幅内から一度はみ出しており整定時間も遅れている。このことから、「指令パターン１の方が調整し易い」などの調整指針を表示部２３０に表示してユーザに提示することが可能である。これにより、ユーザに直感的にわかりやすい理解を与えることができる。

つぎに、サーボシステム調整条件設定手段２１３は、シミュレーション調整パラメータサーチ結果において位置決め目標項目の目標値を満たす調整パラメータ値（調整パラメータが複数の場合は、前記の目標値を満たす調整パラメータの組み合わせ）が存在したか否かを判断する（ステップＳ１３７）。シミュレーション調整パラメータサーチ結果において目標値を満たす調整パラメータ値が存在した場合には（ステップＳ１３７肯定）、サーボシステム調整条件設定手段２１３は一連のシミュレーション調整パラメータサーチモードを終了する。また、シミュレーション調整パラメータサーチ結果において目標値を満たすパラメータ値が存在しない場合には（ステップＳ１３７否定）、ステップＳ１３２に戻る。

図２に戻って、ステップＳ１４０以降の説明をする。つぎに、サーボシステム調整条件設定手段２１３は、シミュレーション調整パラメータサーチ結果に基づいて、実機調整パラメータサーチモードにおける調整条件を設定する（ステップＳ１４０）。実機調整パラメータサーチモードでの調整条件としては、調整パラメータの調整範囲、調整中心値などがある。また、調整中心値、調整値変更比率などを使用しても良い。

調整パラメータの調整範囲をシミュレーション結果に基づいて設定することで、短時間で最適調整結果に達することが可能となる。また、シミュレーション調整パラメータサーチ結果に基づいて設定した調整範囲内で実機調整パラメータサーチモードを行い最適値を調整をするため、シミュレーションと実機の間に存在するパラメータ値調整誤差を許容し、調整パラメータの調整精度の向上が図れる。

＜調整パラメータ数の設定＞
サーボシステム調整条件設定手段２１３は、シミュレーション調整パラメータサーチ結果に基づいて、調整パラメータ数を設定する（調整パラメータ数に制限はなし）。

＜調整パラメータの設定＞
つぎに、サーボシステム調整条件設定手段２１３は、調整パラメータを設定する。調整パラメータ設定方法として例えば以下の例が挙げられる。
（１） ステップＳ１３５での感度解析により順位付けされた上位の調整パラメータから自動設定する。
（２） ユーザがステップＳ１３５でのパラメータ感度やステップＳ１３６での調整結果と指針を参考に入力部２４０を用いて、調整パラメータに関する情報を制御支援装置２００に入力すると、入力された情報がサーボシステム調整条件設定手段２１３に入力される。サーボシステム調整条件設定手段２１３は、この情報に基づいて調整パラメータを設定する。

＜調整パラメータの調整範囲設定＞
つぎに、サーボシステム調整条件設定手段２１３は、実機調整パラメータサーチモードでの調整範囲を自動設定する。自動設定手段として例えば以下の例が挙げられる。
（１） シミュレーション調整パラメータサーチモードで算出したパラメータ最適値を中心値（ｐｒｍ＿ｍｉｄ）として、ステップＳ１３３で設定した調整範囲を基に例えば以下のように範囲を狭める方向で設定する。
最小値 ｐｒｍ＿ｍｉｎ ＝ ｐｒｍ＿ｍｉｄ×（０．５＋０．３）
最大値 ｐｒｍ＿ｍａｘ ＝ ｐｒｍ＿ｍｉｄ×（１．５−０．３）
（２） 位置決め目標値から大幅に外れるパラメータ値を除外して設定する。例えば整定時間目標値α、許容係数βとし、シミュレーション結果での整定時間値γが以下の式（１）で示す範囲内となる調整範囲を抽出する。
α×（１−β） ＜＝ γ ＜＝ α×（１＋β） ・・・式（１）
また、上記の調整範囲は最低１点、目標値を満たす調整点を含んでいる必要があるが最適点である必要はない（目標値αに比べ最適点が良すぎて式（１）に該当しない場合があるため）。

上記の（１）の例を図９−１、図９−２に示す。図９−１は、シミュレーション調整パラメータサーチでの最適値を黒丸印で、またこれを基に選択する実機調整パラメータサーチモードでの調整範囲を太線で示している。図９−１においては、調整パラメータは調整パラメータ１と調整パラメータ２との２つであり、横軸に調整パラメータ１を、縦軸に調整パラメータ２を記載している。調整パラメータ１の刻み数は５であり、調整範囲がｓｉｍ＿ｐｒｍ１（１）〜ｓｉｍ＿ｐｒｍ１（５）に５分割されている。ｓｉｍ＿ｐｒｍ１（１）は最小値（ｓｉｍ＿ｐｒｍ（１）＿ｍｉｎ）であり、ｓｉｍ＿ｐｒｍ１（５）は最大値（ｓｉｍ＿ｐｒｍ（１）＿ｍａｘ）である。また、調整パラメータ２の刻み数は７であり、調整範囲がｓｉｍ＿ｐｒｍ２（１）〜ｓｉｍ＿ｐｒｍ２（７）に７分割されている。ｓｉｍ＿ｐｒｍ２（１）は最小値（ｓｉｍ＿ｐｒｍ（２）＿ｍｉｎ）であり、ｓｉｍ＿ｐｒｍ１（７）は最大値（ｓｉｍ＿ｐｒｍ（２）＿ｍａｘ）である。

図９−２には、シミュレーション調整パラメータサーチでの最適値を基に設定した実機調整パラメータサーチモードでの調整範囲を太線で示している、太線で囲まれた領域が該当範囲である。なお、図９−２においては、図９−１においてシミュレーション調整パラメータサーチでの最適値を基に選択した実機調整パラメータサーチモードでの調整範囲を、調整パラメータ１の刻み数は５、調整パラメータ２の刻み数は７として設定し直している。

上記の（２）の例を図１０−１、図１０−２に示す。図１０−１は、位置決め目標値を満たす調整点を三角印で、上記の式（１）を満たす調整点を白抜きの四角で、上記の式（１）を満たさない調整点を網がけハッチング入りの四角で示している。図１０−１においては、図９−１と同様に調整パラメータは調整パラメータ１と調整パラメータ２との２つであり、横軸に調整パラメータ１を、縦軸に調整パラメータ２を記載している。調整パラメータ１の刻み数は５であり、調整範囲がｓｉｍ＿ｐｒｍ１（１）〜ｓｉｍ＿ｐｒｍ１（５）に５分割されている。ｓｉｍ＿ｐｒｍ１（１）は最小値（ｓｉｍ＿ｐｒｍ（１）＿ｍｉｎ）であり、ｓｉｍ＿ｐｒｍ１（５）は最大値（ｓｉｍ＿ｐｒｍ（１）＿ｍａｘ）である。また、調整パラメータ２の刻み数は７であり、調整範囲がｓｉｍ＿ｐｒｍ２（１）〜ｓｉｍ＿ｐｒｍ２（７）に７分割されている。ｓｉｍ＿ｐｒｍ２（１）は最小値（ｓｉｍ＿ｐｒｍ（２）＿ｍｉｎ）であり、ｓｉｍ＿ｐｒｍ１（７）は最大値（ｓｉｍ＿ｐｒｍ（２）＿ｍａｘ）である。

図１０−２には、上記の式（１）を基準に設定した実機調整パラメータサーチモードでの調整範囲を太線で示しており、太線で囲まれた領域が該当範囲である。なお、図１０−２においては、図１０−１において上記の式（１）を基準に選択した実機調整パラメータサーチモードでの調整範囲を、調整パラメータ１の刻み数は５、調整パラメータ２の刻み数は７として設定し直している。

＜調整パラメータの調整間隔設定＞
つぎに、サーボシステム調整条件設定手段２１３は、調整パラメータの調整間隔を設定する。調整間隔は調整範囲と刻み数から計算する。刻み数の設定方法としては、例えば以下の例が挙げられる。
（１） ステップＳ１３３で設定した刻み数をそのまま流用する。
（２） ユーザがステップＳ１３５でのパラメータ感度やステップＳ１３６での調整結果と調整指針を参考に入力部２４０を用いて、刻み数に関する情報を制御支援装置２００に入力すると、入力された情報がサーボシステム調整条件設定手段２１３に入力される。サーボシステム調整条件設定手段２１３は、この情報に基づいて刻み数を設定する。そして、サーボシステム調整条件設定手段２１３は、調整パラメータ毎の調整間隔を、調整範囲と刻み数とから自動計算し、設定する。刻み数は、調整パラメータ毎に異なる値であっても良い。

＜指令パターン、評価箇所に関する設定＞
指令パターンまたは評価箇所が複数存在する場合は、ステップＳ１３６で示された調整指針に基づき、調整の困難さを考慮して指令パターンと評価箇所の順位付けを行う。また、この順位付けに基づき、最も調整困難な指令パターンから、または評価箇所から、実機調整パラメータサーチを開始させるように設定する。例えば評価箇所４箇所中で目標値を満足する箇所が３つ、目標値を満足しない箇所が１つある場合、目標値を満足しない評価箇所から実機調整パラメータサーチを開始することで、残り３箇所での実機調整パラメータサーチを省略でき、調整時間の短縮効果を得ることができる。すなわち、調整点が位置決め目標を満たすか満たさないか、を迅速に判断でき、調整時間の短縮が図れる。

つぎに、サーボシステム自動調整制御手段２１４は、ステップＳ１４０で設定された調整条件に基づいて、制御信号Ｃｇｓをサーボシステム１００に出力し、サーボシステム１００における調整パラメータの最適値を自動調整する（ステップＳ１５０）。サーボシステム１００は、制御信号Ｃｇｓに従って、実機調整パラメータサーチモードを実行する。すなわち、サーボシステム１００は、制御信号Ｃｇｓにより、（１）パラメータ変更→（２）位置決め動作→（３）動作結果評価→（１）・・・の処理を繰り返しながら、モータ１１２の所定の目標動作を制御するための位置決め目標を満足する、または任意の評価式を最小化するゲインやフィルタパラメータの最適値を自動調整する。

上述したように、本実施の形態にかかる制御システムにおいては、制御支援装置２００は、シミュレーション調整パラメータサーチモードを実行した結果に基づいて、実機調整パラメータサーチモードの調整条件を設定し、実機調整パラメータサーチモードは設定された調整条件に基づいてサーボシステム１００における調整パラメータの最適値を自動調整する。シミュレーション調整パラメータサーチモードでは時間応答シミュレーションの実行により、整定時間、オーバーシュートといった位置決め目標も考慮することができ、制御対象の周波数応答特性から実機調整パラメータサーチモードの調整条件を設定するよりも、より適切な調整条件を設定することができるため、調整精度が向上し、また短時間で調整を行うことができる。

すなわち、シミュレーション調整パラメータサーチでの粗調整と実機調整パラメータサーチでの微調整とを組合せることにより、調整パラメータの最適値を自動調整する際の調整精度向上と調整時間短縮の両立が可能となる。

また、実機調整パラメータサーチモードでの調整条件をマニュアル設定で行う場合には、ユーザにより調整精度にムラが生じたり、適切な調整条件を設定できず、調整時間がかかる問題があったが、シミュレーション調整パラメータサーチ結果から調整条件を自動設定することで調整時間の短縮、調整結果の均質化、調整の簡略化効果が得られる。

以上のように、本発明にかかる制御システムは、より正確で迅速なサーボ制御が要求される用途に有用である。

本発明の実施の形態にかかる制御システムの概略構成を示す図である。 本発明の実施の形態にかかる制御システムにおける調整パラメータ調整部の処理を説明するためのフローチャートである。 本発明の実施の形態にかかる制御システムにおける制御対象例を説明するための図である。 本発明の実施の形態にかかる制御システムの位置指令発生部で発生させる指令パターンの例を示す図である。 本発明の実施の形態にかかる制御システムの位置指令発生部で発生させる指令パターンの例を示す図である。 本発明の実施の形態にかかる制御システムにおけるシミュレーション調整パラメータサーチモードでのシミュレーション処理を説明するためのフローチャートである。 本発明の実施の形態にかかる制御システムにおける位置決め目標項目を説明するための図である。 本発明の実施の形態にかかる制御システムにおけるシミュレーション調整パラメータサーチ処理を説明するための図である。 本発明の実施の形態にかかる制御システムにおけるシミュレーション調整パラメータサーチ結果の波形表示の例を示す図である。 本発明の実施の形態にかかる制御システムにおけるシミュレーション調整パラメータサーチ結果の波形表示の例を示す図である。 本発明の実施の形態にかかる制御システムにおけるシミュレーション調整パラメータサーチ結果の波形表示の例を示す図である。 本発明の実施の形態にかかる制御システムにおけるシミュレーション調整パラメータサーチ結果の波形表示の例を示す図である。 本発明の実施の形態にかかる制御システムのサーボシステム調整条件設定手段における調整パラメータの調整範囲設定方法を説明するための図である。 本発明の実施の形態にかかる制御システムのサーボシステム調整条件設定手段における調整パラメータの調整範囲設定方法を説明するための図である。 本発明の実施の形態にかかる制御システムのサーボシステム調整条件設定手段における調整パラメータの調整範囲設定方法を説明するための図である。 本発明の実施の形態にかかる制御システムのサーボシステム調整条件設定手段における調整パラメータの調整範囲設定方法を説明するための図である。

符号の説明

１００ サーボシステム
１０１ 位置指令発生部
１０２ 位置制御部
１０３ 速度制御部
１０４ フィルタ制御部
１０５ スイッチ
１０６ 試験用トルク指令発生部
１０７ 積分器
１０８ 状態量観測部
１１０ 制御対象
１１１ トルク制御部
１１２ モータ
１１３ 負荷装置
１１４ 回転量検出器
２００ 制御支援装置
２１０ 調整パラメータ調整部
２１１ 演算モデル同定手段
２１２ シミュレーション条件設定手段
２１３ サーボシステム調整条件設定手段
２１４ サーボシステム自動調整制御手段
２１５ 推奨情報生成手段
２１６ 記憶部
２２０ サーボシステムシミュレーション部
２２１ 位置指令発生部
２２２ 位置制御部
２２３ 速度制御部
２２４ フィルタ制御部
２２５ 演算モデル
２２６ シミュレーション状態量観測部
２２７ 積分器
２３０ 表示部
２４０ 入力部
３００ ヘッド
Ｃｇｓ 制御信号
Ｃｇｓ１ 制御信号
Ｐ 速度指令パターン

Claims (8)

1. 負荷装置を駆動する電動機を制御するサーボシステムと、
   前記サーボシステムに接続され、前記電動機を所定の目標動作に制御するために設定される調整パラメータの最適値を自動調整する制御支援装置と、
   で構成され、
   前記制御支援装置は、
   前記調整パラメータの最適値を前記電動機の実動作の結果に基づいて自動調整するサーボシステム自動調整制御手段と、
   前記電動機の動作制御のシミュレーションを行うための演算モデルを同定する演算モデル同定手段と、
   前記シミュレーションを行うための前記調整パラメータの模擬条件であるシミュレーション条件を設定するシミュレーション条件設定手段と、
   前記演算モデルと前記シミュレーション条件とを用いて、前記電動機を所定の目標動作に制御する場合のシミュレーションを前記シミュレーション条件を変更して複数回行うサーボシステムシミュレーション部と、
   前記シミュレーションの結果に基づいて、前記サーボシステム自動調整制御手段における調整条件を自動設定するサーボシステム調整条件設定手段と、
   を備えることを特徴とする制御システム。
2. 前記シミュレーション条件として複数の前記調整パラメータを使用し、前記サーボシステム自動調整制御手段において調整すべきパラメータとして推奨する調整パラメータの情報を、前記シミュレーションの結果に基づいて生成する推奨情報生成手段を備えること、
   を特徴とする請求項１に記載の制御システム。
3. 推奨情報生成手段は、前記推奨する調整パラメータを、各前記調整パラメータの値を所定の割合で変化させた場合における前記シミュレーションの結果から得られる、前記調整パラメータの値の変化が前記電動機の動作に対して与える影響の大きさに基づいて生成すること、
   を特徴とする請求項２に記載の制御システム。
4. 推奨情報生成手段は、前記推奨する調整パラメータを、各前記調整パラメータの値を所定の割合で変化させた場合における前記シミュレーションの結果から得られる、前記調整パラメータの値の変化が前記電動機の動作に対して与える影響の傾向に基づいて生成すること、
   を特徴とする請求項２に記載の制御システム。
5. 前記サーボシステム調整条件設定手段で自動設定する調整条件は、前記サーボシステム自動調整制御手段において前記調整パラメータの最適値を自動調整する際の調整パラメータの調整範囲を特定する条件、調整パラメータの調整間隔、調整パラメータの調整値の変更比率の何れかであること、
   を特徴とする請求項１に記載の制御システム。
6. 前記シミュレーション条件として複数の速度指令パターンまたは複数の評価箇所（演算モデル）が与えられた場合に、どの速度指令パターンまたはどの評価箇所（演算モデル）が前記調整パラメータの調整が困難であるかに関する情報を生成するとともに、その情報を表示する表示部を備えること、
   を特徴とする請求項１に記載の制御システム。
7. 前記サーボシステム自動調整制御手段は、前記情報に基づいて調整が困難な速度指令パターンまたは評価箇所（演算モデル）に対応する条件から前記調整パラメータの最適値を自動調整すること、
   を特徴とする請求項６に記載の制御システム。
8. 負荷装置を駆動する電動機を制御するサーボシステムに接続され、前記電動機を所定の目標動作に制御するために設定される調整パラメータの最適値を前記電動機の実動作の結果に基づいて自動調整するサーボシステム自動調整制御手段と、
   前記電動機の動作制御のシミュレーションを行うための演算モデルを同定する演算モデル同定手段と、
   前記シミュレーションを行うための前記調整パラメータの模擬条件であるシミュレーション条件を設定するシミュレーション条件設定手段と、
   前記演算モデルと前記シミュレーション条件とを用いて、前記電動機を所定の目標動作に制御する場合のシミュレーションを前記シミュレーション条件を変更して複数回行うサーボシステムシミュレーション部と、
   前記シミュレーションの結果に基づいて、前記サーボシステム自動調整制御手段における調整条件を自動設定するサーボシステム調整条件設定手段と、
   を備えることを特徴とする制御支援装置。

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