JP2018124699A - Frequency response analysis algorithm - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、各種案内・軸受を有する精密位置決め機構システム（以下、機構システムと記す）に対する、線形ダイナミクスの周波数特性を同定するための周波数応答解析アルゴリズムに関する。 The present invention relates to a frequency response analysis algorithm for identifying frequency characteristics of linear dynamics for a precision positioning mechanism system (hereinafter referred to as a mechanism system) having various guides and bearings.
機構システムに対する、線形ダイナミクスの周波数特性を同定する従来技術は主に２つある。 There are two main techniques for identifying the frequency characteristics of linear dynamics for mechanical systems.
従来技術１は、例えば特許文献１のようにサーボアナライザを用いた正弦波掃引試験において、周波数応答解析時の機構システムに対する加振力を、機構システムが有する摩擦力の影響が無視できるように増加することである。加振力を増加することで周波数応答解析結果における摩擦の影響を低減できるが、機構システムへの最大加振力の制限、加振する際の大きな騒音、大加振力による機構システム破損の恐れなどの理由で、実用的ではないことも多い。 In prior art 1, for example, in a sinusoidal sweep test using a servo analyzer as in Patent Document 1, the excitation force on the mechanism system at the time of frequency response analysis is increased so that the influence of the frictional force of the mechanism system can be ignored. It is to be. Although the influence of friction on the frequency response analysis results can be reduced by increasing the excitation force, the maximum excitation force on the mechanical system is limited, the loud noise during vibration, and the mechanical system may be damaged by the large excitation force For many reasons, it is not practical.
また従来技術１においては、周波数応答解析アルゴリズムに対する力と位置に関する２つの入力信号のうち、力の次元に対応する信号には機構システムへの加振力そのものを用いるため、軸受・案内部で発生する摩擦の影響が考慮されていない。よって、線形ダイナミクスに対する周波数応答解析における非線形な摩擦の影響を除去できない。 Further, in the prior art 1, since the excitation force to the mechanism system itself is used for the signal corresponding to the force dimension among the two input signals related to the force and position for the frequency response analysis algorithm, it is generated in the bearing / guide unit. The effect of friction is not taken into account. Therefore, the influence of nonlinear friction in the frequency response analysis with respect to linear dynamics cannot be removed.
一方、非特許文献１に記載されている従来技術２は、摩擦モデルを用いて摩擦を推定し、周波数応答解析における摩擦の影響を低減可能であるが、システムの入出力に存在する遅れ要素の影響を考慮していなため、線形ダイナミクスに対する解析誤差を生じる。これに対し、加振力の増加や、摩擦モデルパラメータの更新・調整を要する、という問題点を有する。
即ち、従来技術２において、入出力に存在する遅れ要素を考慮していないため、線形ダイナミクスの解析誤差を生ずる。また、その解析誤差を補正するための加振力や摩擦モデルパラメータの調整・更新に多大な労力が必要となる。
On the other hand, the related art 2 described in Non-Patent Document 1 can estimate the friction using a friction model and reduce the influence of friction in the frequency response analysis. Since the influence is not taken into account, an analysis error for linear dynamics is generated. On the other hand, there is a problem that it is necessary to increase the excitation force and to update / adjust the friction model parameters.
That is, in the conventional technique 2, since a delay element existing in input / output is not taken into consideration, an analysis error of linear dynamics occurs. In addition, much effort is required to adjust and update the excitation force and the friction model parameters for correcting the analysis error.
本発明の課題は、機構システムに過大な加振力を加えることなく、解析誤差を補正するための加振力や摩擦モデルパラメータの調整・更新に多大な労力を必要としない線形ダイナミクスの周波数特性を同定する周波数応答解析アルゴリズムを提供することである。 The problem of the present invention is that the frequency characteristics of linear dynamics do not require a great deal of effort to adjust or update the excitation force and friction model parameters for correcting the analysis error without applying an excessive excitation force to the mechanism system. It is to provide a frequency response analysis algorithm for identifying.
課題を解決するために、発明は、加振力により機構システム（１）の線形ダイナミクスを同定する周波数応答解析アルゴリズムにおいて、機構システム（１）のブロック線図に、プラント（２０）及びオブザーバ（１０）を有し、加振力に起因する入力（ｕ）に対し、プラント（２０）において、摩擦力（ｆ）、プラント特性（Ｐ（ｓ））、力次元の遅れ要素（Ｇｄｉ（ｓ））と位置次元の遅れ要素（Ｇｄｏ（ｓ））より位置（ｙ’）を出力し、オブザーバ（１０）において、入力（ｕ）と、力次元の遅れ要素モデル（Ｇｄｉｍ（ｓ））と、位置次元の遅れ要素モデル（Ｇｄｏｍ（ｓ））と、の積と、位置（ｙ’）を用いて摩擦モデル（１５）から算出した摩擦力（ｆｏｂ）との差を、実入力（ｕｅ）の推定値（ｕｏｂ）として出力する周波数応答解析アルゴリズムである。
なお、上記及び特許請求の範囲における括弧内の符号は、特許請求の範囲に記載された用語と後述の実施形態に記載されて当該用語の例となる具体物等との対応関係を示すものである。
In order to solve the problem, the present invention relates to a frequency response analysis algorithm for identifying linear dynamics of a mechanism system (1) by an excitation force, and includes a plant (20) and an observer (10) in a block diagram of the mechanism system (1). ) And an input (u) due to the excitation force, the plant (20) has a frictional force (f), a plant characteristic (P (s)), and a force dimension delay element (Gdi (s)). And the position (y ′) from the position dimension delay element (Gdo (s)), and the observer (10) receives the input (u), the force dimension delay element model (Gdim (s)), and the position dimension. The difference between the product of the delay element model (Gdom (s)) and the frictional force (fob) calculated from the friction model (15) using the position (y ′) is the estimated value of the actual input (ue) The frequency to output as (uob) It is the answer analysis algorithm.
In addition, the code | symbol in the parenthesis in the said and the claim shows the correspondence of the term described in the claim, and the specific substance etc. which are described in the below-mentioned embodiment, and become the example of the said term. is there.
発明によると、加振力は、機構システムを動かす程度でよい。即ち、機構システムの摩擦力を考慮した適正な加振力でよいので、機構システムを加振する際の大きな騒音がない。よって、機構システムを破壊する恐れもない。
また、加振力や摩擦モデル入出力の遅れ要素の影響を考慮しているため、加振力や摩擦モデルパラメータ更新・調整が不要である。従って、機構システムの線形ダイナミクスを同定する周波数応答解析において、人的労力や時間の削減が可能である。
According to the invention, the excitation force may be sufficient to move the mechanism system. That is, since an appropriate excitation force that takes into account the frictional force of the mechanism system is sufficient, there is no significant noise when the mechanism system is vibrated. Therefore, there is no fear of destroying the mechanism system.
In addition, since the influence of the excitation force and the delay factor of the friction model input / output is taken into consideration, it is not necessary to update or adjust the excitation force or the friction model parameter. Therefore, it is possible to reduce human labor and time in the frequency response analysis for identifying the linear dynamics of the mechanism system.
以下、図面を参照しつつ本発明の実施の形態について説明する。本発明は、以下の実施形態に限定されるものではなく、発明の範囲を逸脱しない限りにおいて、変更、修正、改良を加え得るものである。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. The present invention is not limited to the following embodiments, and changes, modifications, and improvements can be added without departing from the scope of the invention.
（実施形態）
機構システム１は、機器部（可動部を備える揺動あるいは直動機械、可動部に対する推力を発生するアクチュエータ、アクチュエータを駆動するためのサーボアンプ及び可動部位置を検出するセンサ等、制御演算を行う補償器）と周波数応答解析（以下、ＦＲＡ）部によって構成される。
本実施形態は、このような摩擦を内在するメカトロニクス機器の線形ダイナミクスに対する、周波数応答解析を用いた周波数応答解析アルゴリズムに関するものである。
(Embodiment)
The mechanism system 1 performs control calculations such as a device unit (a swinging or linear motion machine including a movable unit, an actuator that generates thrust for the movable unit, a servo amplifier for driving the actuator, and a sensor that detects the position of the movable unit). Compensator) and a frequency response analysis (hereinafter referred to as FRA) unit.
The present embodiment relates to a frequency response analysis algorithm using frequency response analysis with respect to linear dynamics of a mechatronics device in which such friction is inherent.
図１は、ＦＲＡシステムの実施形態のブロック線図である。機構システム１のＦＲＡシステム３は、サーボアナライザ５とオブザーバ１０を有する。機構システム１の機器部は、プラント２０と制御演算を行う補償器Ｃ（ｚ）７を有する。プラント２０には、機器部のサーボアンプやセンサに起因する入出力の遅れ要素、機械系における共振振動などの線形ダイナミクス、可動部の位置や速度に依存した非線形な摩擦が含まれる。
ＦＲＡシステム３より、一定周波数の加振力ｕｓｉｎを出力されると、加振力ｕｓｉｎは、第１加算器８を経由してオブザーバ１０とプラント２０への入力ｕとなる。入力ｕによってプラント２０が変位ｙ’を生じる。変位ｙ’は、ＦＲＡシステム３のサーボアナライザ５とオブザーバ１０へ入力されると共に、第２加算器９に入力され、位置指令ｒ（例えばｒ＝０）との差分が計算されて補償器Ｃ（ｚ）７に入力される。
補償器Ｃ（ｚ）７では、制御アルゴリズムに基づき変位の次元から力の次元に変換し、ＦＲＡシステム３からの加振力ｕｓｉｎに加算されプラントへの入力ｕとなる。
本実施形態は、オブザーバ１０にて、入力ｕと変位ｙ’から更新された実入力ｕｅの推定ｕｏｂが出力され、サーボアナライザ５に入力される。ここで、実入力ｕｅの推定ｕｏｂでは、機構システム１の機器部の摩擦の影響が除かれている。
即ち、同定対象となるプラント２０における実入力ｕｅの推定ｕｏｂと出力ｙ’をサーボアナライザ３に入力する。サーボアナライザ３では、離散フーリエ変換等の周波数解析アルゴリズムによってｕｏｂとｙ’の周波数応答を算出し、ゲイン及び位相を計算する。ｕｏｂには、実際の機器部の摩擦力の影響が除かれているので線形特性のみで構成される。よって、本実施形態は、線形プラント特性に対する高精度なＦＲＡを用いた周波数応答解析アルゴリズムとなる。
FIG. 1 is a block diagram of an embodiment of an FRA system. The FRA system 3 of the mechanism system 1 includes a servo analyzer 5 and an observer 10. The equipment part of the mechanism system 1 includes a compensator C (z) 7 that performs control calculation with the plant 20. The plant 20 includes input / output delay elements caused by servo amplifiers and sensors in the equipment section, linear dynamics such as resonance vibration in the mechanical system, and nonlinear friction depending on the position and speed of the movable section.
When an excitation force usin having a constant frequency is output from the FRA system 3, the excitation force usin becomes an input u to the observer 10 and the plant 20 via the first adder 8. The input u causes the plant 20 to produce a displacement y ′. The displacement y ′ is input to the servo analyzer 5 and the observer 10 of the FRA system 3 and also input to the second adder 9, and a difference from the position command r (for example, r = 0) is calculated to calculate the compensator C ( z) is input to 7.
The compensator C (z) 7 converts the displacement dimension into the force dimension based on the control algorithm, and adds to the excitation force usin from the FRA system 3 to become an input u to the plant.
In this embodiment, the observer 10 outputs an estimated uob of the actual input ue updated from the input u and the displacement y ′, and inputs it to the servo analyzer 5. Here, in the estimation uob of the actual input ue, the influence of the friction of the device unit of the mechanism system 1 is excluded.
That is, the estimation uob of the actual input ue and the output y ′ in the plant 20 to be identified are input to the servo analyzer 3. In the servo analyzer 3, the frequency response of uob and y ′ is calculated by a frequency analysis algorithm such as discrete Fourier transform, and the gain and phase are calculated. Since the influence of the frictional force of the actual device part is removed, uub is composed only of linear characteristics. Therefore, the present embodiment is a frequency response analysis algorithm using a highly accurate FRA for linear plant characteristics.
加振力ｕｓｉｎは、単一周波数のサイン波を用いたが、これに限らずＭ系列や合成正弦波等の複数の周波数成分から構成される信号でもよい。 As the excitation force usin, a sine wave having a single frequency is used. However, the excitation force usin is not limited to this, and may be a signal composed of a plurality of frequency components such as an M series and a synthesized sine wave.
ＦＲＡシステム３にはサーボアナライザ５を用いたが、これに限らず周波数解析を行うアルゴリズムを備えるシステムでもよい。 Although the servo analyzer 5 is used for the FRA system 3, the present invention is not limited to this, and a system including an algorithm for performing frequency analysis may be used.
図２は、実施形態のプラント２０及びオブザーバ１０の詳細を示すブロック線図である。
プラント２０において、線形ダイナミクスＰ（ｓ）への実入力ｕｅは、入力ｕと、実制御対象中の入力に存在する力次元の遅れ要素Ｇｄｉ（ｓ）の積から、第４加算器２７にてシステム１の摩擦力ｆを差し引くことで表される。ここで、力次元の遅れ要素Ｇｄｉ（ｓ）は、伝達関数である。
次に、実入力ｕｅとプラント特性Ｐ（ｓ）との積にて変位ｙを得る。ここで、プラント特性Ｐ（ｓ）は、機構システム（１）の線形ダイナミクスを表す伝達関数であり、例えば数式（１）で示される。
In the plant 20, the actual input ue to the linear dynamics P (s) is obtained by the fourth adder 27 from the product of the input u and the force dimension delay element Gdi (s) existing in the input in the actual control target. It is expressed by subtracting the friction force f of the system 1. Here, the force dimension delay element Gdi (s) is a transfer function.
Next, the displacement y is obtained by the product of the actual input ue and the plant characteristic P (s). Here, the plant characteristic P (s) is a transfer function representing the linear dynamics of the mechanism system (1), and is represented by, for example, Expression (1).
変位ｙに位置次元の遅れ要素Ｇｄｏ（ｓ）の積にて変位ｙ’を得る。ここで、位置次元の遅れ要素Ｇｄｏ（ｓ）は、伝達関数である。
オブザーバ１０においては、まず入力ｕと、力次元の遅れ要素モデルＧｄｉｍ（ｓ）と、位置次元の遅れ要素モデルＧｄｉｍ（ｓ）と、の積を算出する。一方、プラント２０の出力である変位ｙ’に対し、摩擦モデル１５により摩擦力ｆｏｂを求める。実入力ｕｅの推定ｕｏｂは、第３加算器１７にて、ｕとＧｄｉｍ（ｓ）とＧｄｏｍ（ｓ）の積から摩擦力ｆｏｂを引いて求める。この関係を数式（２）に示す。
The observer 10 first calculates the product of the input u, the force dimension delay element model Gdim (s), and the position dimension delay element model Gdim (s). On the other hand, the friction force fob is obtained by the friction model 15 with respect to the displacement y ′ that is the output of the plant 20. The estimated uob of the actual input ue is obtained by subtracting the frictional force fob from the product of u, Gdim (s), and Gdom (s) by the third adder 17. This relationship is shown in Equation (2).
ここで、摩擦モデル１５が実摩擦特性を理想的に表現できるとき、摩擦力ｆｏｂは数式（３）を満たす。
ここで、モデル化によりＧｄｏ（ｓ）＝Ｇｄｏｍ（ｓ）とみなせるとき、数式（２）、（３）より数式（４）が成立する。
Here, when it can be considered that Gdo (s) = Gdom (s) by modeling, Expression (4) is established from Expressions (2) and (3).
加えて、モデル化によりＧｄｉ（ｓ）＝Ｇｄｉｍ（ｓ）とみなせるとき、数式（２）、（３）、（４）より、数式（１）のプラント特性Ｐ（ｓ）の推定Ｐｏｂ（ｓ）は、数式（５）で計算できる。
本実施形態で供される摩擦モデル１５とは、位置および速度等の入力に対して摩擦力を出力するモデルを指す。
機構システム１の可動部に内在する各種ころがり案内・ころがり軸受機構で発生する摩擦がころがり摩擦等を対象とする。具体的には、可動部に用いられる案内・軸受部の実機データ、計算から摩擦モデルを構築する。例えば転がり摩擦は、転がり要素を用いた案内・軸受で発生する摩擦力であり、粗動・微動によって非線形に摩擦挙動が変化する。数１０〜数１００μｍの微動領域では非線形ばね特性を示し、それ以上の粗動領域ではクーロン摩擦による静的特性を示す。ころがり摩擦に限らず、すべり案内・軸受などの摺動部も摩擦に対しても同様にモデル化すれば、ＦＲＡシステムにおける摩擦モデルとして使用することができる。
The friction model 15 provided in this embodiment refers to a model that outputs a friction force in response to inputs such as position and speed.
Friction generated by various rolling guide / rolling bearing mechanisms inherent in the movable part of the mechanism system 1 is intended for rolling friction and the like. Specifically, a friction model is constructed from actual machine data and calculation of the guide / bearing used for the movable part. For example, rolling friction is a frictional force generated in a guide / bearing using a rolling element, and the frictional behavior changes nonlinearly due to coarse / fine movement. Nonlinear spring characteristics are exhibited in the fine movement region of several tens to several hundreds of micrometers, and static characteristics due to Coulomb friction are exhibited in the coarse movement region higher than that. Not only rolling friction but also sliding parts such as sliding guides and bearings can be modeled similarly to friction, and can be used as a friction model in the FRA system.
図３は、本実施形態におけるころがり摩擦の考え方を示す。
図３（ａ）は、ころがり摩擦の全体サイクル（ア）〜（エ）を示す。横軸を変位、縦軸を摩擦力である。（ア）より右側へ移動する際、変位に対して摩擦力が非線形かつ急峻に増加して（イ）に移る。（イ）から（ウ）へは、変位の増加に対して摩擦力の増加は緩やかである。（ウ）より左側へ移動する際、変位に対して摩擦力は急峻に減少して（エ）に移動する。（エ）から（ア）へは、変位の減少（減少量）に対して摩擦力の減少は緩やかである。
図３（ｂ）は、（ア）から（イ）の変化を拡大して示す。
微動は（ア）から（イ）及び（ウ）から（エ）であり、ころがり案内・軸受機構で供されるころがり要素が有効に転動するまでを指す。粗動は（イ）から（ウ）及び（エ）から（ア）であり、ころがり要素が完全に転動している状態を指す。
FIG. 3 shows the concept of rolling friction in this embodiment.
Fig.3 (a) shows the whole cycle (a)-(d) of rolling friction. The horizontal axis is displacement, and the vertical axis is frictional force. When moving to the right side from (a), the frictional force increases non-linearly and steeply with respect to the displacement and moves to (b). From (b) to (c), the increase in friction force is moderate with respect to the increase in displacement. When moving to the left side from (c), the frictional force sharply decreases with respect to the displacement and moves to (d). From (D) to (A), the decrease in friction force is moderate with respect to the decrease (decrease amount) in displacement.
FIG. 3B shows an enlarged view of the change from (a) to (b).
The fine movements are (a) to (b) and (c) to (d) and refer to the rolling element provided by the rolling guide / bearing mechanism until it effectively rolls. Coarse movement is from (A) to (U) and from (E) to (A), and refers to a state in which the rolling elements are completely rolling.
図４は、転がり摩擦の摩擦モデル１５を示す。転がり摩擦モデル１５は、Ｎ個の要素モデルが並列に繋がっている。各要素モデルには、弾性要素Ｋｉと減衰要素Ｄｉが並列に構成され、摩擦力ｆｉが発生する。この各要素モデルの摩擦力ｆｉを加えた値が転がり摩擦力になる。 FIG. 4 shows a friction model 15 of rolling friction. In the rolling friction model 15, N element models are connected in parallel. In each element model, an elastic element Ki and a damping element Di are configured in parallel, and a frictional force fi is generated. A value obtained by adding the frictional force fi of each element model is a rolling frictional force.
転がり摩擦力は、数式（６）〜（１１）により計算される。
一方、機構システム１の粘性に起因する粘性摩擦力は数式（１２）で計算される。
以上より、摩擦力ｆｏｂは、数式（１１）の転がり摩擦力と数式（１２）式の粘性摩擦力の和として、数式（１３）で表示される。
図５は、本実施形態の周波数応答のシミュレーション結果を示す。比較として、従来技術１（遅れ要素を考慮しない、摩擦を考慮しない）を示す。
（ア）の太い破線は、同定すべき実線形プラント特性Ｐ（ｓ）であり、目標値に相当する。本実施形態の結果を、（エ）の太い実線（振幅Ａ＝７５Ｎ）、及び（オ）の太い破線（振幅Ａ＝１２Ｎ）で示す。振幅Ａは、加振力の最大値に相当する。以上の３つの線である（ア）、（エ）、及び（オ）は、位相、ゲインともよく一致し、一本の太線で示され良く同定できている。特に、本実施形態は、加振力が１２Ｎと小さくでも実線形プラント特性Ｐ（ｓ）を同定できている。
また、従来技術１のＦＲＡ法による結果（遅れ要素を考慮しない、摩擦を考慮しない）を、（イ）の細い破線（振幅Ａ＝７５Ｎ）、及び（ウ）の細い破線（振幅Ａ＝１２Ｎ）で示すが、（ア）の太い破線の同定すべき実線形プラント特性Ｐ（ｓ）には一致しておらず同定できていない。なお、差が大きいほうが小さな加振力（振幅Ａ＝１２Ｎ）の場合である。
FIG. 5 shows the simulation result of the frequency response of this embodiment. As a comparison, prior art 1 (not considering the delay element and not considering the friction) is shown.
The thick broken line in (a) is the real linear plant characteristic P (s) to be identified and corresponds to the target value. The results of the present embodiment are indicated by a thick solid line (a) (amplitude A = 75N) and a thick broken line (a) (amplitude A = 12N). The amplitude A corresponds to the maximum value of the excitation force. The above three lines (a), (d), and (e) are in good agreement with both phase and gain, and are well identified by a single thick line. In particular, this embodiment can identify the real linear plant characteristic P (s) even when the excitation force is as small as 12N.
Further, the results of the FRA method of the prior art 1 (not considering the delay element and not considering the friction) are shown in (a) a thin broken line (amplitude A = 75N) and (c) a thin broken line (amplitude A = 12N). However, it does not coincide with the real linear plant characteristic P (s) to be identified indicated by the thick broken line in (a) and cannot be identified. Note that the larger the difference, the smaller the excitation force (amplitude A = 12N).
図６は、本実施形態の周波数応答のシミュレーション結果を示す。比較として、非特許文献１記載されている従来技術２（遅れ要素を考慮しない、摩擦を考慮）を示す。
（ア）の太い破線は、同定すべき実線形プラント特性Ｐ（ｓ）であり、目標値に相当する。本実施形態の結果を、（ウ）の太い実線（振幅Ａ＝１２Ｎ）で示す。振幅Ａは、加振力の最大値に相当する。以上の２つの線である（ア）及び（ウ）は、位相、ゲインともよく一致し、一本の太線で示され良く同定される。ここで、本実施形態は、加振力が１２Ｎと小さくでも実線形プラント特性Ｐ（ｓ）を再現できている。
同時に従来技術２のＦＲＡ法による結果（遅れ要素を考慮しない、摩擦を考慮）を、（イ）の実線（振幅Ａ＝７５Ｎ）で示すが、加振力を大きくしても、（ア）の太い破線の同定すべき実線形プラント特性Ｐ（ｓ）には一致せず同定できていない。
FIG. 6 shows the simulation result of the frequency response of this embodiment. As a comparison, prior art 2 described in Non-Patent Document 1 (not considering delay elements, considering friction) is shown.
The thick broken line in (a) is the real linear plant characteristic P (s) to be identified and corresponds to the target value. The result of this embodiment is indicated by a thick solid line (a) (amplitude A = 12N). The amplitude A corresponds to the maximum value of the excitation force. The above two lines (A) and (C) are in good agreement with both phase and gain, and are well identified by a single thick line. Here, the present embodiment can reproduce the real linear plant characteristic P (s) even when the excitation force is as small as 12N.
At the same time, the result of the FRA method of prior art 2 (not considering the lag element and considering the friction) is shown by the solid line (a) (amplitude A = 75 N). The actual linear plant characteristic P (s) to be identified with a thick broken line does not match and cannot be identified.
以上、本実施形態によれば、機構システム１に、過大な加振力を加える必要がない。機構システム１を動かす程度の、摩擦力を考慮した適正な加振力でよいので、機構システム１を加振する際の大きな騒音がない。よって、機構システムを破壊する恐れもない。
更に、解析誤差を補正するための加振力や摩擦モデルパラメータの調整・更新に多大な労力を必要としないので、人的労力や時間の削減が可能である。
よって、本実施形態は、小さな適正な加振力にて効率的に高精度で、機構システム１の線形ダイナミクスの周波数特性を同定する周波数応答解析アルゴリズムを提供することができる。
As described above, according to the present embodiment, it is not necessary to apply an excessive excitation force to the mechanism system 1. An appropriate excitation force that takes into account the frictional force that moves the mechanism system 1 is sufficient, so there is no significant noise when the mechanism system 1 is excited. Therefore, there is no fear of destroying the mechanism system.
Furthermore, since a great deal of labor is not required for adjusting and updating the excitation force and the friction model parameters for correcting the analysis error, it is possible to reduce human labor and time.
Therefore, the present embodiment can provide a frequency response analysis algorithm for identifying the frequency characteristics of the linear dynamics of the mechanism system 1 with high efficiency efficiently with a small appropriate excitation force.
図７は、本実施形態の周波数応答を制御器モデルに用いた、位置決め過渡応答のシミュレーション結果を示す。比較として、従来技術１（遅れ要素を考慮しない、摩擦を考慮しない）を示す。
（ア）の太い破線は、目標値である。（イ）に本実施形態の周波数応答を制御器モデルに用いた結果を示す。（ア）及び（イ）はよく一致している。これは、図６、７で示されるように、同定すべき実線形プラント特性Ｐ（ｓ）を、本実施形態が良く同定しているからである。
一方、（ウ）の従来技術１（遅れ要素を考慮しない、摩擦を考慮しない）では、オ−バーシュートが発生しており、目標値とも良く一致していない。これは、同定すべき実線形プラント特性Ｐ（ｓ）を、従来技術１は精度良く同定していないからである。このような同定誤差が生じた場合、機構システムの位置決め精度は劣化する。従来技術２（遅れ要素を考慮しない、摩擦を考慮）の場合もこれと同様の結果となる。よって、実線形プラント特性Ｐ（ｓ）の同定精度を上げるために、加振力や摩擦モデルパラメータの調整・更新に多大な労力を必要とし、その人的労力や時間も多大となる。
FIG. 7 shows a simulation result of positioning transient response using the frequency response of the present embodiment as a controller model. As a comparison, prior art 1 (not considering the delay element and not considering the friction) is shown.
The thick broken line in (a) is the target value. (A) shows the result of using the frequency response of the present embodiment for the controller model. (A) and (b) agree well. This is because, as shown in FIGS. 6 and 7, the present embodiment sufficiently identifies the real linear plant characteristic P (s) to be identified.
On the other hand, in the conventional technique 1 of (c) (a delay element is not considered and friction is not considered), an overshoot occurs and does not agree well with the target value. This is because the prior art 1 does not accurately identify the real linear plant characteristic P (s) to be identified. When such an identification error occurs, the positioning accuracy of the mechanism system deteriorates. In the case of the prior art 2 (not considering the delay element, considering the friction), the same result is obtained. Therefore, in order to increase the identification accuracy of the real linear plant characteristic P (s), a great amount of labor is required for adjusting and updating the excitation force and the friction model parameters, and the human labor and time are also great.
（参考例）
図８は、従来のＦＲＡシステム１０１の構成を示すブロック線図である。ＦＲＡシステム１０３にサーボアナライザ１０５を有するが、オブザーバ１０は有しない。
(Reference example)
FIG. 8 is a block diagram showing a configuration of a conventional FRA system 101. The FRA system 103 includes the servo analyzer 105 but does not include the observer 10.
周波数応答解析機器を扱うメーカにとって、精密位置決め機構システム１等で問題視されている摩擦システムに対する線形ダイナミクス解析技術として有望である。 It is promising as a linear dynamics analysis technique for a friction system that is regarded as a problem in the precision positioning mechanism system 1 and the like for manufacturers handling frequency response analysis equipment.
１ 機構システム
３ ＦＲＡシステム
５ サーボアナライザ
７ 補償器Ｃ（ｚ）
８ 第１加算器
９ 第２加算器
１０ オブザーバ
Ｇｄｉｍ（Ｓ） 力次元の遅れ要素モデル（伝達関数）
Ｇｄｏｍ（Ｓ） 位置次元の遅れ要素モデル（伝達関数）
１５ 摩擦モデル（ＦＭ）
１７ 第３加算器
２０ プラント
Ｇｄｉ（Ｓ） 力次元の遅れ要素（伝達関数）
Ｇｄｏ（Ｓ） 位置次元の遅れ要素（伝達関数）
Ｐ（ｓ） プラント特性（伝達関数）
２７ 第４加算器
1 Mechanical system 3 FRA system 5 Servo analyzer
7 Compensator C (z)
8 First adder 9 Second adder 10 Observer Gdim (S) Force dimension delay element model (transfer function)
Gdom (S) Position dimension delay element model (transfer function)
15 Friction model (FM)
17 Third adder 20 Plant Gdi (S) Force dimension delay element (transfer function)
Gdo (S) Position dimension delay element (transfer function)
P (s) Plant characteristics (transfer function)
27 Fourth adder
Claims (1)
前記機構システム（１）のブロック線図に、プラント（２０）及びオブザーバ（１０）を有し、
前記加振力に起因する入力（ｕ）に対し 、
前記プラント（２０）において、
摩擦力（ｆ）、プラント特性（Ｐ（ｓ））、力次元の遅れ要素（Ｇｄｉ（ｓ））と位置次元の遅れ要素（Ｇｄｏ（ｓ））より位置（ｙ’）を出力し、
前記オブザーバ（１０）において、
前記入力（ｕ）と、力次元の遅れ要素モデル（Ｇｄｉｍ(ｓ)）と、位置次元の遅れ要素モデル（Ｇｄｏｍ(ｓ)）と、の積と、
前記位置（ｙ’）を用いて摩擦モデル（１５）から算出した摩擦力（ｆｏｂ）との差を、
前記入力（ｕ）の更新値として出力する周波数応答解析アルゴリズム。
In the frequency response analysis algorithm for identifying the linear dynamics of the mechanism system (1) by the excitation force,
The block diagram of the mechanism system (1) has a plant (20) and an observer (10),
For input (u) resulting from the excitation force,
In the plant (20),
Output the position (y ′) from the frictional force (f), plant characteristics (P (s)), force dimension delay element (Gdi (s)) and position dimension delay element (Gdo (s)),
In the observer (10),
A product of the input (u), a force dimension delay element model (Gdim (s)), and a position dimension delay element model (Gdom (s));
The difference from the frictional force (fob) calculated from the friction model (15) using the position (y ′),
A frequency response analysis algorithm that is output as an updated value of the input (u).
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