JP2012118785A - ２自由度制御系のチューニング - Google Patents
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Abstract
【課題】フィードフォーワード制御器とフィードバック制御器から構成される２自由度制御系において主に制御対象の逆モデルから構成されるフィードフォーワード制御器内部のモデルと実際の制御対象との間にモデル誤差が生じた場合の目標値応答性を改善する。
【解決手段】フィードバック制御器４の操作量がゼロ付近となるようにフィードフォーワード制御器３内部のモデルを調整する機構と前記フィードフォーワード制御器内部のモデルとは無関係な外乱などを調整する機構を具備する。
【選択図】図１
【解決手段】フィードバック制御器４の操作量がゼロ付近となるようにフィードフォーワード制御器３内部のモデルを調整する機構と前記フィードフォーワード制御器内部のモデルとは無関係な外乱などを調整する機構を具備する。
【選択図】図１
Description
本発明は、フィードフォーワード制御器とフィードバック制御器から構成される２自由度制御系において主に制御対象の逆モデルから構成されるフィードフォーワード制御器内部のモデルと実際の制御対象との間にモデル誤差が生じた場合の目標値応答性の改善に関するものである。
図３は特許文献１に記載されているオートチューニング機能を持つ２自由度制御装置を示したものであり、図３に基づいて従来の技術を説明する。
図３の制御システムは、制御対象１、目標値指令２、フィードフォーワード制御器３、フィードバック制御器４、前置フィルタ６、オートチューニング部７から構成され、制御対象１はフィードフォーワード制御器３とフィードバック制御器４と前置フィルタ６から構成される２自由度制御器により制御される。
前置フィルタ６は制御系全体の目標特性である入出力伝達関数Ｃｆ（ｓ）と同じ伝達関数を持ち目標値指令２を入力として応答目標値を出力する。
フィードフォーワード制御器３は、制御対象１のモデルの伝達関数をＰｍ（ｓ）として、Ｐｍ（ｓ）−１・Ｃｆ（ｓ）という伝達関数を持ち、目標値指令２を入力として操作量ＦＦを出力する。
フィードバック制御器４は応答目標値と制御対象１の出力Ｙとの偏差ｅが入力され、操作量ＦＢを出力する。
制御対象１にはフィードフォーワード制御器３の操作量ＦＦとフィードバック制御器４の操作量ＦＢの和が入力される。
オートチューニング部７ではフィードバック制御器４の操作量ＦＢを用いて２自由度制御器内部の各構成要素を適切なものに自動調整する。
制御対象１の伝達関数Ｐ（ｓ）と制御対象１のモデルの伝達関数Ｐｍ（ｓ）が等しいと仮定すると、ある信号が目標値指令２として入力された場合、フィードバック制御器４の操作量ＦＢは０となる。
フィードバック制御器４の操作量ＦＢが０とならない場合には、制御対象１の伝達関数Ｐ（ｓ）と制御対象１のモデルの伝達関数Ｐｍ（ｓ）とが一致していないこととなる。
そこでオートチューニング部７では、現在のモデルの伝達関数Ｐｍ（ｓ）を記憶しておき、フィードバック制御器４の操作量ＦＢから時間積分値などの特徴量を抽出し、その値により制御対象１のモデルの伝達関数Ｐｍ（ｓ）を修正し、それに適した伝達関数となるように前置フィルタ６、フィードバック制御器４、フィードフォーワード制御器３の修正を行っている。
また特許文献１においては、オートチューニング部７の入力として、フィードバック制御器４の操作量ＦＢに加え、フィードフォーワード制御器３の操作量ＦＦや制御対象１の出力Ｙを入力として、前置フィルタ６、フィードバック制御器４、フィードフォーワード制御器３の修正を行っている。
しかしながら、制御対象１のモデルの伝達関数Ｐｍ（ｓ）に含まれない外乱が混入した場合には、フィードバック制御器４の操作量ＦＢは外乱の影響を受けるため、フィードバック制御器４の操作量ＦＢを入力としているオートチューニング部７による前置フィルタ６、フィードバック制御器４、フィードフォーワード制御器３の修正も外乱の影響受け、安定性を欠くこととなる。
解決しようとする問題点は、フィードフォーワード制御器とフィードバック制御器から構成される２自由度制御系において主に制御対象の逆モデルから構成されるフィードフォーワード制御器内部のモデルと実際の制御対象との間にモデル誤差が生じた場合や外乱などのフィードフォーワード制御器とは無関係なパラメータの変動により目標値応答性の劣化することである。
請求項１の発明によれば、制御対象と該制御対象の逆モデルから構成され目標値指令を入力とし操作量を出力するフィードフォーワード制御器と前記目標値指令と前記制御対象の出力との偏差を入力とし該偏差がゼロとなるように操作量を出力するフィードバック制御器があって、前記フィードフォーワード制御器の出力である操作量と前記フィードバック制御器の出力である操作量の和を前記制御対象に入力することで前記制御対象の出力を前記目標値指令に追従させるシステムにおいて、
前記フィードバック制御器の操作量がゼロ付近となるように前記フィードフォーワード制御器内部のモデルを調整する機構と前記フィードフォーワード制御器内部のモデルとは無関係な外乱などを調整する機構を具備することを特徴とする。
前記フィードバック制御器の操作量がゼロ付近となるように前記フィードフォーワード制御器内部のモデルを調整する機構と前記フィードフォーワード制御器内部のモデルとは無関係な外乱などを調整する機構を具備することを特徴とする。
請求項２の発明によれば、請求項１に記載の制御システムにおいて、
前記目標値指令に変化があってから後、前記目標値指令と制御対象の出力との偏差の絶対値が所定値以下に収束するまでの間はフィードフォーワード制御器内部のモデルのうち前記目標値指令に変化があった時に前記フィードフォーワード制御器の操作量に変化を与えるパラメータをフィードバック制御器の操作量がゼロに近づくように調整し、前記目標値指令に変化があってから後、前記目標値指令と前記制御対象の出力との偏差の絶対値が所定値以下に収束したら前記フィードフォーワード制御器内部のモデルのうち前記目標値指令の大きさに対して前記フィードフォーワード制御器の操作量に変化を与えるパラメータを前記フィードバック制御器の操作量がゼロに近づくように調整し、前記目標値指令が一定の状態で前記目標値指令と前記制御対象の出力との偏差が生じた場合には前記フィードフォーワード制御器内部のモデルとは無関係な外乱などをフィードバック制御器の操作量がゼロに近づくように調整する機構を具備することを特徴とする。
前記目標値指令に変化があってから後、前記目標値指令と制御対象の出力との偏差の絶対値が所定値以下に収束するまでの間はフィードフォーワード制御器内部のモデルのうち前記目標値指令に変化があった時に前記フィードフォーワード制御器の操作量に変化を与えるパラメータをフィードバック制御器の操作量がゼロに近づくように調整し、前記目標値指令に変化があってから後、前記目標値指令と前記制御対象の出力との偏差の絶対値が所定値以下に収束したら前記フィードフォーワード制御器内部のモデルのうち前記目標値指令の大きさに対して前記フィードフォーワード制御器の操作量に変化を与えるパラメータを前記フィードバック制御器の操作量がゼロに近づくように調整し、前記目標値指令が一定の状態で前記目標値指令と前記制御対象の出力との偏差が生じた場合には前記フィードフォーワード制御器内部のモデルとは無関係な外乱などをフィードバック制御器の操作量がゼロに近づくように調整する機構を具備することを特徴とする。
フィードフォーワード制御器とフィードバック制御器から構成される２自由度制御系のフィードフォーワード制御器に用いられる制御モデルと実際の制御対象との間にモデル誤差が生じた場合でも、目標値応答性の悪化を抑制して目標値指令に制御対象を追従させることができる。
フィードフォーワード制御器とフィードバック制御器から構成される２自由度制御系のフィードフォーワード制御器に用いられる制御モデルと実際の制御対象との間にモデル誤差が生じた場合でも、目標値応答性を悪化させないという目的を実現した。
図１に本発明の請求項１および請求項２を一般的な制御モデルに適用した実施例を示し、図１に基づいて本発明の詳細な説明をする。
図1の制御システムは、制御対象１、目標値指令２、フィードフォーワード制御器３、フィードバック制御器４、外乱補償器５から構成され、目標値指令２に制御対象１の出力Ｙを追従させる。
フィードフォーワード制御器３は、主に制御対象1の逆モデルで構成され、目標値指令２を入力として制御対象１が目標値に追従するように制御対象１に操作量ＦＦを与える。
フィードバック制御器４は目標値指令２と制御対象1の出力Ｙとの偏差ｅを入力として偏差ｅがゼロとなるように制御対象１に操作量ＦＢを与える。
外乱補償器５は、外乱などのようにフィードフォーワード制御器では補償できない要素の操作量Ｄを出力する。
その結果、制御対象1には操作量ＦＦと操作量ＦＢと操作量Ｄの和が入力される。
またフィードバック制御器２の操作量ＦＢはフィードフォーワード制御器３および外乱補償器５に入力され、フィードバック制御器４の操作量ＦＢがゼロとなるようにフィードフォーワード制御器３のモデルおよび外乱補償器５のパラメータを調整する。
目標値指令２に変化があってから後、偏差ｅの絶対値が所定値以下に収束するまでの間はフィードフォーワード制御器３のモデルの内、目標値指令２に変化があった時にフィードフォーワード制御器３の出力に変化を与えるパラメータ、たとえば微分項をもつパラメータをフィードバック制御器４の操作量ＦＢがゼロに近づくように調整する。
目標値指令２に変化があってから後、偏差ｅの絶対値が所定値以下に収束したら、フィードフォーワード制御器３のモデルの内、目標値指令２の大きさに対してフィードフォーワード制御器３の出力に変化を与えるパラメータ、例えば目標値に対する比例項をもつパラメータをフィードバック制御器４の操作量ＦＢがゼロに近づくように調整を行う。
目標値指令２が一定の状態で、偏差ｅが発生した場合には、目標値指令２を入力とするフィードフォーワード制御器３のパラメータとは無関係なパラメータ、たとえば外乱とみなして、フィードバック制御器４の操作量ＦＢがゼロに近づくように外乱補償器５のパラメータを調整してフォードフォーワード制御器３の操作量ＦＦに加算する。
このようにすることで、フィードフォーワード制御器３のモデルと制御対象１の実モデルに差が生じた場合でも、フィードフォーワード制御器３のモデルをフィードバック制御器４の操作量ＦＢにより調整して、制御対象１の実モデルに近づけることができ、パラメータ変動に対してロバストな目標値応答性を確保することができる。
図２にモータなどの回転体の速度制御に請求項１および請求項２を適用した実施例を示し、図２に基づいて本発明の詳細な説明をする。
図２の制御システムは、回転体１０、回転速度指令２０、フィードフォーワード制御器３０、フィードバック制御器４０、負荷トルク５０、推定負荷トルク５１から構成され、回転速度指令２0に回転体１０の回転速度ωを追従させる。
回転体１０のモデルは慣性モーメントＪｐと摩擦Ｄｐからなり（１）式のように表され、トルクＴｐを入力として回転速度ωを出力する。
フィードフォーワード制御器３０は、（２）式のように回転体１の逆モデルで構成され、回転速度指令２０を入力として回転体１０が回転速度指令２０に追従するように回転体１０にトルクＴｆｆを与える。
フィードバック制御器４０は（３）式のように比例器４１と積分器４２から構成され、回転速度指令２０と回転体1０の回転速度ωとの偏差ｅを入力として偏差ｅがゼロとなるように比例器４１と積分器４２の出力の和がトルクＴｆｂとして回転体１０に与えられる。
回転体１０に入力されるトルクＴｐはフィードフォーワード制御器３０の出力であるトルクＴｆｆとフィードバック制御器４０の出力であるトルクＴｆｂと推定負荷トルク51の値Ｔｍの和から負荷トルク５０の値ＴＬを引いたものであり、（４）式のように表される。
回転速度指令２０の値ωｒｅｆに変化があってから後、偏差ｅの絶対値が所定値以下に収束するまでの間はフィードフォーワード制御器３０のモデルの内、微分項をもつパラメータである慣性モーメントＪｍの値をフィードバック制御器４０の出力であるトルクＴｆｂがゼロに近づくように調整する。
回転速度指令２０の値ωｒｅｆに変化があってから後、偏差ｅの絶対値が所定値以下に収束したら、フィードフォーワード制御器３０のモデルの内、回転速度指令２０に対する比例項のパラメータとなる摩擦係数Ｄｍの値をフィードバック制御器４０の出力であるトルクＴｆｂがゼロに近づくように調整する。
回転速度指令２０が一定の状態で、偏差ｅが発生した場合には、推定負荷トルク５１の値Ｔｍをフィードバック制御器４０の出力であるトルクＴｆｂがゼロに近づくように調整する。
このようにすることで、回転体２０のモデルに変化が生じ、フィードフォーワード制御器のモデルとの間に差が生じた場合でも、瞬時にフィードフォーワード制御器のモデルの修正を行うことができ、また負荷トルクの変動があった場合でも、推定負荷トルクの修正を行うことができるため、パラメータ変動や負荷変動に対してロバストな制御系を構成することができる。
本発明によりモデルのパラメータ変動や負荷変動に対してロバストは制御系を構成することができるので産業上の利用の可能性は大いにある。
１ 制御対象
２ 目標値指令
３ フィードフォーワード制御器
４ フィードバック制御器
１０ 回転体
２０ 回転速度指令
３０ フィードフォーワード制御器
４０ フィードバック制御器
４１ 比例器
４２ 積分器
５ 外乱補償器
５０ 負荷トルク
５１ 推定負荷トルク
６ 前置フィルタ
７ オートチューニング部
２ 目標値指令
３ フィードフォーワード制御器
４ フィードバック制御器
１０ 回転体
２０ 回転速度指令
３０ フィードフォーワード制御器
４０ フィードバック制御器
４１ 比例器
４２ 積分器
５ 外乱補償器
５０ 負荷トルク
５１ 推定負荷トルク
６ 前置フィルタ
７ オートチューニング部
Claims (2)
- 制御対象と該制御対象の逆モデルから構成され目標値指令を入力とし操作量を出力するフィードフォーワード制御器と前記目標値指令と前記制御対象の出力との偏差を入力とし該偏差がゼロとなるように操作量を出力するフィードバック制御器があって、前記フィードフォーワード制御器の出力である操作量と前記フィードバック制御器の出力である操作量の和を前記制御対象に入力することで前記制御対象の出力を前記目標値指令に追従させるシステムにおいて、
前記フィードバック制御器の操作量がゼロ付近となるように前記フィードフォーワード制御器内部のモデルを調整する機構と前記フィードフォーワード制御器内部のモデルとは無関係な外乱などを調整する機構を具備することを特徴とする制御システム。 - 請求項１に記載の制御システムにおいて、
前記目標値指令に変化があってから後、前記目標値指令と制御対象の出力との偏差の絶対値が所定値以下に収束するまでの間はフィードフォーワード制御器内部のモデルのうち前記目標値指令に変化があった時に前記フィードフォーワード制御器の操作量に変化を与えるパラメータをフィードバック制御器の操作量がゼロに近づくように調整し、前記目標値指令に変化があってから後、前記目標値指令と前記制御対象の出力との偏差の絶対値が所定値以下に収束したら前記フィードフォーワード制御器内部のモデルのうち前記目標値指令の大きさに対して前記フィードフォーワード制御器の操作量に変化を与えるパラメータを前記フィードバック制御器の操作量がゼロに近づくように調整し、前記目標値指令が一定の状態で前記目標値指令と前記制御対象の出力との偏差が生じた場合には前記フィードフォーワード制御器内部のモデルとは無関係な外乱などをフィードバック制御器の操作量がゼロに近づくように調整する機構を具備することを特徴とする制御システム。
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Cited By (3)
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|---|---|---|---|---|
| US9658608B2 (en) | 2013-03-14 | 2017-05-23 | Mitsubishi Electric Corporation | Servo control apparatus |
| CN108919646A (zh) * | 2018-07-18 | 2018-11-30 | 中国航空工业集团公司洛阳电光设备研究所 | 一种基于支持向量机的快速偏转镜视轴抖振抑制方法 |
| JP2021157429A (ja) * | 2020-03-26 | 2021-10-07 | いすゞ自動車株式会社 | ２自由度制御システムの制御器設定方法 |
Citations (1)
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|---|---|---|---|---|
| JP2008310651A (ja) * | 2007-06-15 | 2008-12-25 | Yaskawa Electric Corp | 二自由度制御装置とその制御方法 |
-
2010
- 2010-12-01 JP JP2010268333A patent/JP2012118785A/ja active Pending
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