JP2020144017A - フィードバック制御システム、フィーバック制御システムを含んだ計測装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ループゲインを大きく設定することなく、フィードバック値を目標値に収束させることができるフィードバック制御システムを提供する。【解決手段】目標値を入力し、制御値を出力するフィードバック制御システムであって、ゲイン要素と、制御値を入力するフィードバック要素と、目標値とフィードバック要素の出力との差分を出力して、ゲイン要素に入力する減算部と、ゲイン要素の出力と自身の出力とを加算して制御値として出力する加算部と、を備える。【選択図】図１

Description

本発明は、ループゲインを大きく設定することなく、フィードバック値を目標値に収束させることができるフィードバック制御システムに関する。

特許文献１には、図４に示すような、高コスト化を招くことなく高電圧の非接触測定が可能な電圧測定装置２００が記載されている。本図において、導体３１０に周波数ｆｘの電圧Ｖｘが印加されており、電圧測定装置２００は、電圧Ｖｘを導体３１０に非接触で測定する。導体３１０は、絶縁被覆３２０により被覆されており、被覆電線３００を形成している。周波数ｆｘは既知である。

電圧測定装置２００は、電極２０１、電流検出部２２０、差分抽出部２３０、電圧出力部２０４、電圧測定部２５０、演算部２６０を備えている。電圧出力部２０４は、周波数ｆｓの正弦波発振器２１１と出力電圧を調整する可変ゲインアンプ２４１とを備えており、周波数ｆｓの電圧Ｖｓを出力する。周波数ｆｓは既知であり、ｆｓ＞＞ｆｘであるとする。

電極２０１は、被覆電線３００に取り付けられている。このため、導体３１０と電極１０１とは非接触であり、導体３１０と電極２０１との間に寄生容量として容量Ｃ１が存在している。電流検出部２２０は、電極２０１と電圧出力部２０４との間に接続されており、抵抗Ｒ２２１と、抵抗Ｒ２２１に生じる電圧を検出する計装アンプ２２２とを備えている。

測定対象の電圧Ｖｘが起因となって容量Ｃ１を流れる周波数ｆｘの電流をＩｘとし、電圧出力部２０４の電圧Ｖｓが起因となって容量Ｃ１を流れる周波数ｆｓの電流をＩｓとする。実際には、電流Ｉｘと電流Ｉｓとを重ね合わせた電流が容量Ｃ１を流れることになる。

差分抽出部２３０は、周波数ｆｘの信号を通過させる第１フィルタ部２３１、周波数ｆｓの信号を通過させる第２フィルタ部２３２、第１フィルタ部２３１を通過した周波数ｆｘの信号を平滑化して直流に変換する第１交流−直流変換部２３３、第２フィルタ部２３２を通過した周波数ｆｓの信号を平滑化して直流に変換する第２交流−直流変換部２３４、第１交流−直流変換部２３３が出力する電流Ｉｘの大きさに相当する信号Ｖｒｘと第２交流−直流変換部２３４が出力する電流Ｉｓの大きさに相当する信号Ｖｒｓとの差分を抽出する差動アンプ（エラーアンプ）２３５を備えている。

電圧出力部２０４の可変ゲインアンプ２４１は、差動アンプ２３５の出力でゲインが制御される。具体的には、Ｖｒｘ＞Ｖｒｓの場合、差動アンプ２３５の出力電圧が増加し、可変ゲインアンプ２４１のゲインを増加させる。これにより、Ｖｓの振幅が増加し、Ｖｒｓが増加する。一方、Ｖｒｘ＜Ｖｒｓの場合、差動アンプ２３５の出力電圧が減少し、可変ゲインアンプ２４１のゲインを減少させる。これにより、Ｖｓの振幅が減少し、Ｖｒｓが減少する。

電圧測定部２５０は、可変ゲインアンプ２４１の出力電圧Ｖｓを測定し、演算部２６０は、電圧測定部２５０における電圧Ｖｓの測定結果に基づいて電圧Ｖｘを算出して測定結果として出力する。

この構成において、電流検出部２２０は、電流Ｉｘと電流Ｉｓとが重畳した電流を検出する。差分抽出部２３０は、電流検出部２２０の検出結果から、電流Ｉｘの大きさと電流Ｉｓの大きさとの差分に相当する値を抽出して出力する。電圧出力部２０４は、差分抽出部２３０の出力が０になるように、すなわち、電流Ｉｓの大きさが電流Ｉｘの大きさと等しくなるように出力電圧Ｖｓを変化させる。

電流Ｉｘに対する容量Ｃ１のインピーダンスをＸｃｘとし、電流Ｉｓに対する容量Ｃ１のインピーダンスをＸｃｓとすると、電流Ｉｘ、電流Ｉｓは以下のように表すことができる。

ここで、Ａを定数としてｆｓ＝Ａ×ｆｘとすると、

が成り立つので、［数５］が得られる。

差分抽出部２３０と電圧出力部２０４により、Ｉｘ＝Ｉｓとなるように電圧Ｖｓが調整されるため、［数１］［数２］より、

そして、［数５］［数６］より［数７］が得られる。

したがって、演算部２６０は、電圧測定部２５０の測定結果ＶｓをＡ倍する演算を行なうことで、測定対象電圧Ｖｘを算出し、測定結果として出力することができる。このとき、ｆｓ＞＞ｆｘとすることで、電圧測定装置２００では、測定対象電圧よりもはるかに低い電圧で測定することができる

特開２０１８−１１９９４４号公報

電圧測定装置２００では、電流Ｉｓの大きさが電流Ｉｘの大きさと等しくなるようにエラーアンプを含んだフィードバック制御を行なっている。ここで、エラーアンプを含んだフィードバック制御は、一般に、図５に示すようなブロック図で表すことができる。すなわち、目標値Ｓｉを入力し、制御値Ｓｏを出力するシステムについて、制御値Ｓｏにフィードバック要素４０３のゲインβを乗じたフィードバック値Ｓｆを帰還させて、減算器４０１を用いて目標値Ｓｉから減算する。そして、その減算結果をゲインＧの増幅器４０２に入力し、増幅器４０２の出力を制御値Ｓｏとする。

電圧測定装置２００の場合は、電流Ｉｘが目標値Ｓｉに相当し、電流Ｉｓがフィードバック値Ｓｆに相当する。そして、エラーアンプとして機能する差動アンプ２３５が減算器４０１と増幅器４０２に相当し、差動アンプ２３５が出力する可変ゲインアンプ２４１に対する制御信号が、制御値Ｓｏに相当する。フィードバック要素４０３のゲインβは、可変ゲインアンプ２４１、電流検出部２２０、差動アンプ２３５を除いた差分抽出部２３０の特性に基づく値となる。

図５のブロック図において、Ｓｏ＝Ｇ／（１＋Ｇβ）Ｓｉが成り立つ。ここで、ループゲインＧβ＞＞１であれば、Ｓｏ＝（１／β）Ｓｉとなる。フィードバック値Ｓｆ＝β×Ｓｏであり、Ｓｆ＝β×（１／β）Ｓｉ＝Ｓｉであるから、目標値Ｓｉとフィードバック値Ｓｆとが等しくなるように制御される。すなわち、フィードバック値Ｓｆを目標値Ｓｉと等しくするためには、ループゲインＧβ＞＞１であることが条件となる。

電圧測定装置２００のような、フィードバック制御を利用して測定対象の物理量を間接的に測定する計測機器においては、一般に、フィードバックゲインβは１より小さい値となる。このため、ループゲインＧβ＞＞１を成り立たせるためには、Ｇ＞＞１である必要がある。差動アンプ２３５の裸利得は、通常１，０００〜１００，０００程度であるため、この条件を満たすことができる。

しかしながら、ループゲインＧβが大きい場合、制御対象の応答遅延が大きいと、フィードバック値が目標値に収束せず、発振するおそれが生じる。ここで、図６（ａ）は、応答遅延が無く、フィードバック値が目標値に収束している例を示し、図６（ｂ）は、応答遅延が大きく、フィードバック値が発振している例を示している。

そこで、本発明は、ループゲインを大きく設定することなく、フィードバック値を目標値に収束させることができるフィードバック制御システムを提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明の第１の態様である、目標値を入力し、制御値を出力するフィードバック制御システムは、ゲイン要素と、前記制御値を入力するフィードバック要素と、前記目標値と前記フィードバック要素の出力との差分を出力して、前記ゲイン要素に入力する減算部と、前記ゲイン要素の出力と自身の出力とを加算して制御値として出力する加算部と、を備える。
本発明の第２の態様である、目標値を入力し、制御値を出力するフィードバック制御システムは、前記制御値を入力するフィードバック要素と、前記目標値と前記フィードバック要素の出力との差分を出力する減算部と、前記減算部の出力と自身の出力とを加算して制御値として出力する加算部と、を備える。
本発明の第３の態様である計測機器は、上述のフィードバック制御システムを含み、測定対象の物理量から間接的に得られる値を前記目標値とし、前記制御値の制御対象の出力値が前記目標値と同じになるようにフィードバック制御することで測定を行なう。
本発明の第４の態様である電圧測定装置は、第１周波数の交流電圧を測定する電圧測定装置であって、電極と、前記電極と接続し、第２周波数の交流電圧を出力する可変電圧源と、前記電極と前記可変電圧源との間を流れる電流を検出する電流検出部と、検出された電流から、前記第１周波数成分の大きさと、前記第２周波数成分の大きさとの差分に相当する値を抽出して出力する減算部と、前記減算部の出力を増幅する増幅部と、前記増幅部の出力と自身の出力とを加算して出力する加算部と、演算部と、を備え前記可変電圧源は、前記加算部の出力が０になるように、出力電圧を変化させ、前記演算部は、前記可変電圧源の出力電圧と前記第１周波数と前記第２周波数とに基づいて、前記第１周波数の交流電圧を算出する。

本発明によれば、ループゲインを大きく設定することなく、フィードバック値を目標値に収束させることができるフィードバック制御システムが提供される。

本実施形態のフィードバック制御システムのブロック図である。 応答遅延が大きくてもフィードバック値が目標値に収束する例を示す図である。 本実施形態のフィードバック制御を適用した電圧測定装置を説明するブロック図である。 従来の電圧測定装置を説明するブロック図である。 一般的なフィードバック制御のブロック図である。 応答遅延が無く、フィードバック値が目標値に収束する例と、応答遅延が大きく、フィードバック値が発振する例と示す図である。

本発明の実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。図１は、本実施形態のフィードバック制御システム１０を示すブロック図である。本実施形態のフィードバック制御システム１０は、測定対象の物理量を、フィードバック制御を利用して間接的に測定する計測機器に特に効果的に適用することができる。より具体的には、測定対象の物理量から間接的に得られる電流、電圧等を目標値とし、制御対象の出力値が目標値と同じになるようにフィードバック制御することで測定値を得る計測機器等である。

本実施形態のフィードバック制御システム１０は、目標値Ｓｉを入力し、制御値Ｓｏを出力するシステムについて、制御値Ｓｏにフィードバック要素１４のゲインβを乗じたフィードバック値Ｓｆを帰還させて、目標値Ｓｉとの差分を算出する。ここでは、減算器１１を用いて目標値Ｓｉからフィードバック値Ｓｆを減算する。そして、その減算結果をゲインＧの増幅器１２に入力する。さらに、加算器１３を用いて、増幅器１２の出力と制御値Ｓｏとを加算し、加算器１３の出力を新たな制御値Ｓｏとする。

図１のブロック図において、
Ｓｏ＝Ｇ（Ｓｉ−βＳｏ）＋Ｓｏ
であるから、これを整理して、
Ｓｏ＝（１／β）Ｓｉ
となる。

これは、図５に示したブロック図で、Ｇβ＞＞１とした場合と同様の結果であり、本実施形態のフィードバック制御システム１０でも目標値Ｓｉとフィードバック値Ｓｆとが等しくなるように制御されることになる。

このとき、本実施形態のフィードバック制御システム１０では、Ｓｏ＝（１／β）Ｓｉを満たすために、ループゲインＧβ＞＞１の条件は要求されない。このため、増幅器１２のゲインＧを小さく設定することができる。さらには、Ｇ＝１、つまり、増幅器１２を備えない構成とすることもできる。

これにより、システムのループゲインＧβを容易に小さくすることができ、図２に示すように、制御対象の応答遅延が大きい場合であっても、フィードバック値が発振することなく、目標値に収束することになる。

本実施形態のフィードバック制御システム１０を、高電圧の非接触測定が可能な電圧測定装置１００に適用した場合について、図３のブロック図を参照して説明する。図４と重複する部分については説明を簡略化する。

本図において、導体３１０に周波数ｆｘの電圧Ｖｘが印加されており、電圧測定装置１００は、電圧Ｖｘを非接触で測定する。

電圧測定装置１００は、電極１０１、電流検出部１２０、差分抽出部１３０、電圧出力部１０４、電圧測定部１５０、演算部１６０を備えている。電圧出力部１０４は、周波数ｆｓの正弦波発振器１１１と出力電圧を調整する可変ゲインアンプ１４１とを備えており、周波数ｆｓの電圧Ｖｓを出力する。周波数ｆｓ、ｆｘは既知であり、ｆｓ＞＞ｆｘであるとする。

電極１０１は、被覆電線３００に取り付けられており、導体３１０と電極１０１との間に寄生容量として容量Ｃ１が存在している。電流検出部１２０は、電極１０１と電圧出力部１０４との間に接続されており、抵抗Ｒ１２１と、抵抗Ｒ１２１に生じる電圧を検出する計装アンプ１２２とを備えている。

測定対象の電圧Ｖｘが起因となって容量Ｃ１を流れる周波数ｆｘの電流をＩｘとし、電圧出力部１０４の電圧Ｖｓが起因となって容量Ｃ１を流れる周波数ｆｓの電流をＩｓとする。実際には、電流Ｉｘと電流Ｉｓとを重ね合わせた電流が容量Ｃ１を流れることになる。

差分抽出部１３０は、周波数ｆｘの信号を通過させる第１フィルタ部１３１、周波数ｆｓの信号を通過させる第２フィルタ部１３２、第１フィルタ部１３１を通過した周波数ｆｘの信号を平滑化して直流に変換する第１交流−直流変換部１３３、第２フィルタ部１３２を通過した周波数ｆｓの信号を平滑化して直流に変換する第２交流−直流変換部１３４に加え、第１交流−直流変換部１３３が出力する電流Ｉｘの大きさに相当する信号Ｖｒｘと第２交流−直流変換部１３４が出力する電流Ｉｓの大きさに相当する信号Ｖｒｓとの差分を抽出する減算部１３５ａ、減算部１３５ａの出力を増幅する増幅部１３５ｂ、増幅部１３５ｂの出力と自身の出力とを加算して新たな出力とする加算部１３５ｃとを備えている。

すなわち、本実施形態では、図４に示した構成における差動アンプ２３５を、減算部１３５ａ、増幅部１３５ｂ、加算部１３５ｃに置き換えている。ここで、減算部１３５ａが図１の減算器１１として機能し、増幅部１３５ｂが図１の増幅器１２として機能し、加算部１３５ｃが図１の加算器１３として機能する。なお、上述のように、増幅部１３５ｂを省く構成としてもよい。また、可変ゲインアンプ１４１、電流検出部１２０、減算部１３５ａ・増幅部１３５ｂ・加算部１３５ｃを除いた差分抽出部１３０の特性に基づく値がフィードバック要素１４のゲインβとなる。

減算部１３５ａ、増幅部１３５ｂ、加算部１３５ｃは、アナログ回路、ディジタル回路のいずれでも構成することができる。アナログ回路で構成する場合は、例えば、一般的なオペアンプを使用したり、汎用的なアナログ演算ＩＣを使用することができる。ディジタル回路で構成する場合は、減算部１３５ａの２つの入力の前段にＡ／Ｄコンバータをそれぞれ配置し、Ａ／Ｄコンバータの出力を論理回路やマイクロコンピュータ等で減算処理および係数の乗算処理を行ない、現在の制御値と加算した結果を新たな制御値とする。そして、新たな制御値をＤ／Ａコンバータでアナログ信号に変換する回路等を用いることができる。

図３の説明に戻って、電圧出力部１０４の可変ゲインアンプ１４１は、加算部１３５ｃの出力でゲインが制御される。具体的には、Ｖｒｘ＞Ｖｒｓの場合、加算部１３５ｃの出力電圧が増加し、可変ゲインアンプ１４１のゲインを増加させる。これにより、Ｖｓの振幅が増加し、Ｖｒｓが増加する。一方、Ｖｒｘ＜Ｖｒｓの場合、加算部１３５ｃの出力電圧が減少し、可変ゲインアンプ１４１のゲインを減少させる。これにより、Ｖｓの振幅が減少し、Ｖｒｓが減少する。

電圧測定部１５０は、可変ゲインアンプ１４１の出力電圧Ｖｓを測定し、演算部１６０は、電圧測定部１５０における電圧Ｖｓの測定結果に基づいて電圧Ｖｘを算出して測定結果として出力する。

以上説明したように、本実施形態のフィードバック制御システム１０は、フィードバック値Ｓｆを目標値Ｓｉに収束させるにあたってループゲインＧβを大きくする必要がない。このため、制御対象の応答遅延が大きい場合であっても、フィードバック値が発振することなく、目標値に収束することになる。

また、本実施形態のフィードバック制御システム１０は、フィードバック制御を利用して間接的に測定する計測機器に特に効果的に適用することができる。より具体的には、測定対象の物理量から間接的に得られる電流、電圧等を目標値とし、制御対象の出力値が目標値と同じになるようにフィードバック制御することで測定を行なう計測機器等に効果的に適用することができる。

例えば、図３に示した電圧測定装置１００では、周波数ｆｓを固定し、電圧値Ｖｓを変化させることで、電流Ｉｓを変化させていたが、電圧値Ｖｓを固定し、周波数ｆｓを変化させることで電流Ｉｓを変化させることで、測定対象の電圧値Ｖｘを測定する電圧測定装置等にも適用することもできる。

１０ フィードバック制御システム
１１ 減算器
１２ 増幅器
１３ 加算器
１４ フィードバック要素
１００ 電圧測定装置
１０１ 電極
１０４ 電圧出力部
１１１ 正弦波発振器
１２０ 電流検出部
１２１ 抵抗
１２２ 計装アンプ
１３０ 差分抽出部
１３５ａ 減算部
１３５ｃ 加算部
１４１ 可変ゲインアンプ
１５０ 電圧測定部
１６０ 演算部

Claims (4)

1. 目標値を入力し、制御値を出力するフィードバック制御システムであって、
   ゲイン要素と、
   前記制御値を入力するフィードバック要素と、
   前記目標値と前記フィードバック要素の出力との差分を出力して、前記ゲイン要素に入力する減算部と、
   前記ゲイン要素の出力と自身の出力とを加算して制御値として出力する加算部と、
   を備えたフィードバック制御システム。
2. 目標値を入力し、制御値を出力するフィードバック制御システムであって、
   前記制御値を入力するフィードバック要素と、
   前記目標値と前記フィードバック要素の出力との差分を出力する減算部と、
   前記減算部の出力と自身の出力とを加算して制御値として出力する加算部と、
   を備えたフィードバック制御システム。
3. 請求項１または請求項２に記載のフィードバック制御システムを含み、
   測定対象の物理量から間接的に得られる値を前記目標値とし、前記制御値の制御対象の出力値が前記目標値と同じになるようにフィードバック制御することで測定を行なう計測機器。
4. 第１周波数の交流電圧を測定する電圧測定装置であって、
   電極と、
   前記電極と接続し、第２周波数の交流電圧を出力する可変電圧源と、
   前記電極と前記可変電圧源との間を流れる電流を検出する電流検出部と、
   検出された電流から、前記第１周波数成分の大きさと、前記第２周波数成分の大きさとの差分に相当する値を抽出して出力する減算部と、
   前記減算部の出力を増幅する増幅部と、
   前記増幅部の出力と自身の出力とを加算して出力する加算部と、
   演算部と、を備え
   前記可変電圧源は、前記加算部の出力が０になるように、出力電圧を変化させ、
   前記演算部は、前記可変電圧源の出力電圧と前記第１周波数と前記第２周波数とに基づいて、前記第１周波数の交流電圧を算出する電圧測定装置。

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