JP2020160717A - 制御系設計装置及びそれを備えた試験装置 - Google Patents

Abstract

【課題】安定した制御系を誤差の影響が少なくなるように設計可能な制御系設計装置を提供する。【解決手段】制御系設計装置６は、制御対象Ｐのむだ時間を取得するむだ時間推定部６１と、むだ時間Ｌ＾１を除いたむだ時間なし伝達関数Ｇ＾´を取得する、むだ時間なし伝達関数取得部６２と、むだ時間なし伝達関数Ｇ＾´を用いて、制御対象Ｐの逆モデルを取得する逆モデル取得部６３と、前記逆モデルを用いて制御系の伝達関数を取得する制御系伝達関数取得部６４と、を備える。【選択図】図１

Description

本発明は、制御対象の制御系を設計するための制御系設計装置及びそれを備えた試験装置に関する。

制御対象の制御系を自動設計する装置が知られている。このような装置として、例えば特許文献１に開示されるサーボ制御システムが知られている。このサーボ制御システムでは、ステップ状目標値でサーボモータを駆動した際に得られる応答を、所望の応答波形との差異を評価する所定の評価関数に代入して、所望の応答波形との差異を示す評価値を算出する。前記サーボ制御システムは、前記算出された評価値に応じて制御ゲインを制御する。

これにより、前記サーボ制御システムでは、制御ゲインの調整を自動的に行うことができる。したがって、調整作業の作業時間を大幅に短縮できるとともに、人為が働かないため、個体差をなくすことができ、性能の均一化を図ることができる。

特開平８−１６２０５号公報

ところで、上述のように制御系の設計を自動的に行う装置において、設計の際に用いる制御モデル（伝達関数）等に誤差があると、制御対象の制御性能に影響を与える。そのため、制御系を自動設計可能な装置において、より精度の高い制御モデルを用いることが望まれている。

特に、フィードフォワード制御系などのように制御対象の逆モデルを用いた制御系を設計する場合に、前記制御モデルにむだ時間が含まれると、得られる制御系は不安定な制御系になる。

本発明の目的は、安定した制御系を誤差の影響が少なくなるように設計可能な制御系設計装置を提供することにある。

本発明の一実施形態に係る制御系設計装置は、制御対象を制御する制御系を設計するための制御系設計装置である。この制御系設計装置は、前記制御対象のむだ時間を取得するむだ時間推定部と、前記むだ時間を除いたむだ時間なし伝達関数を取得する、むだ時間なし伝達関数取得部と、前記むだ時間なし伝達関数を用いて、前記制御対象の逆モデルを取得する逆モデル取得部と、前記逆モデルを用いて前記制御系の伝達関数を取得する制御系伝達関数取得部と、を備える（第１の構成）。

これにより、制御モデルである伝達関数として、制御対象のむだ時間を除いたむだ時間なし伝達関数を用いて、逆モデルを取得することができる。したがって、制御系設計装置によって、前記逆モデルを用いて、安定し且つ制御性能の高い制御系を自動的に設計することができる。

前記第１の構成において、前記むだ時間推定部は、前記制御対象に信号を入力して、その応答結果から前記制御対象の伝達関数を取得する制御対象伝達関数取得部と、前記制御対象伝達関数取得部によって取得された前記伝達関数の制御対象に所定の入力信号を入力した場合に得られる応答信号において、所定の閾値を超えるまでの時間を、前記むだ時間として求めるむだ時間演算部と、を備える。前記むだ時間なし伝達関数取得部は、前記制御対象の伝達関数から前記むだ時間に対応するむだ時間要素を除いた要素の周波数特性を求める周波数特性取得部と、前記周波数特性をＧ＾／ｅ^{-L^}′^1sとし、前記制御対象においてむだ時間要素を含まない伝達関数をＧ＾′とした場合に、式（１）の評価関数Ｊの値が最小になる伝達関数Ｇ＾′を、前記むだ時間なし伝達関数として求めるむだ時間なし伝達関数演算部と、を備える（第２の構成）。

これにより、制御対象のむだ時間を含まないむだ時間なし伝達関数を、精度良く求めることができる。すなわち、制御対象に信号を入力して、その応答結果から前記制御対象の伝達関数を取得し、該伝達関数の制御モデルに所定の入力信号を入力した場合に得られる応答信号から、むだ時間を求めることにより、前記制御対象のむだ時間を精度良く求めることができる。そして、前記制御対象の伝達関数からむだ時間要素を除いた要素の周波数特性と、前記制御対象のむだ時間要素を含まない伝達関数との関係を示す（１）式の評価関数において、該評価関数の値が最小になる伝達関数をむだ時間なし伝達関数として求めることにより、むだ時間を含まない伝達関数を精度良く求めることができる。

よって、上述のように求めたむだ時間なし伝達関数を用いて、制御性能のより高い制御系を設計することができる。

前記第１または第２の構成において、前記逆モデル取得部は、前記むだ時間なし伝達関数取得部によって取得された前記むだ時間なし伝達関数を低次元化し、該低次元化されたむだ時間なし伝達関数を用いて、前記逆モデルを取得する（第３の構成）。

これにより、むだ時間なし伝達関数を用いて制御対象の逆モデルを取得する際に、演算器の性能に応じて演算負荷を軽減することができる。よって、制御対象の制御系を容易に設計することができる。

前記第１から第３の構成のうちいずれか一つの構成において、前記逆モデル取得部は、前記むだ時間なし伝達関数を各要素に分離した後、これらの要素のうち少なくとも一つの要素を含む所定の伝達関数から、前記逆モデルを取得する（第４の構成）。

これにより、制御系を設計する際に、むだ時間なし伝達関数のうち必要な要素のみを用いて、逆モデルを取得することができる。よって、制御対象に合わせて、適した制御系を設計することが可能になる。

前記第４の構成において、前記制御系は、微分器を有し、且つ、前記制御対象の出力値を入力指令に対して負帰還させるフィードバックループを含む。前記制御系伝達関数取得部は、前記逆モデルを用いて、前記フィードバックループの伝達関数を求める（第５の構成）。

これにより、むだ時間なし伝達関数から求めた逆モデルを用いて、微分器を有するフィードバックループを含む制御系を設計することができる。このような制御系の設計において前記逆モデルを用いることにより、制御対象のむだ時間の影響を排除できるため、安定且つ精度の高い制御を設計できる。

本発明の一実施形態に係る試験装置は、供試体に対して駆動力を与える制御対象と、前記制御対象を制御する制御装置と、前記制御装置に対し、求めた制御系の伝達関数を出力する、第１から第５の構成のうちいずれか一つの構成における制御系設計装置と、を備える（第６の構成）。

これにより、供試体の試験装置において、前記供試体に駆動力を与える制御対象を制御する制御装置に対し、制御系設計装置で求めた伝達関数を出力することができる。よって、制御対象を、設計した制御系で制御することができるため、試験装置を精度良く駆動することができる。

本発明の一実施形態に係る制御系設計装置は、むだ時間なし伝達関数を用いて、制御対象の逆モデルを得るとともに、該逆モデルを用いて制御系の伝達関数を取得する。これにより、安定した制御系を誤差の影響が少なくなるように設計可能な制御系設計装置を提供することができる。

図１は、実施形態１に係る制御系設計装置を備えた試験装置の概略構成を示す機能ブロック図である。 図２は、実施形態１に係る制御装置のブロック線図である。 図３は、誤差の有無による制御性能の違いを説明するための制御対象のボード線図の一例である。 図４は、制御対象にランダム信号を入力した場合の周波数特性と、評価関数を用いて求めた伝達関数との関係の一例を示す図である。 図５は、ステップ応答の一例を示す図である。 図６は、実測した周波数特性の一例と、モデルを用いて求めた周波数特性の一例とを比較して示す図である。 図７は、むだ時間を除いた周波数特性及びむだ時間を示すボード線図の一例である。 図８は、実施形態１に係る制御系設計装置の動作の一例を示すフローチャートである。 図９は、実施形態２に係る制御系設計装置を備えた試験装置の概略構成を示す機能ブロック図である。 図１０は、むだ時間なし伝達関数を低次元化した場合の周波数特性を示すボード線図である。 図１１は、実施形態２に係る制御系設計装置の動作の一例を示すフローチャートである。 図１２は、実施形態３に係る制御系設計装置を備えた試験装置の概略構成を示す機能ブロック図である。 図１３は、実施形態３に係る制御装置のブロック線図である。 図１４は、伝達関数を分離した場合の周波数特性の一例を示すボード線図である。 図１５は、実施形態３に係る制御系設計装置の動作の一例を示すフローチャートである。 図１６は、実施形態４に係る制御系設計装置を備えた試験装置の概略構成を示す機能ブロック図である。 図１７は、実施形態４に係る制御系設計装置の動作の一例を示すフローチャートである。 図１８は、入力部によって表示される画面の一例である。 図１９は、その他の実施形態に係る制御装置のブロック線図である。

以下、図面を参照し、本発明の実施の形態を詳しく説明する。図中の同一または相当部分については同一の符号を付してその説明は繰り返さない。

＜実施形態１＞
（全体構成）
図１は、本発明の実施形態１に係る制御系設計装置６を備えた試験装置１の概略構成を機能ブロックで示す図である。この試験装置１は、自動車のモータなどの供試体Ｍの特性を試験するための試験装置である。なお、試験装置１で試験する供試体Ｍは、モータ以外の回転体であってもよい。

具体的には、試験装置１は、制御装置２と、モータ駆動回路３と、電動モータ４と、トルク検出器５と、制御系設計装置６とを備える。

制御装置２は、入力指令であるモータトルク指令ｒと後述のフィードバック値とを用いて、モータ駆動回路３に対する駆動指令を生成する。制御装置２は、トルク検出器５の出力値を用いてモータトルク指令ｒに対して負帰還するフィードバックループ１０を有する（図２参照）。なお、制御装置２が前記駆動指令を生成する構成は、従来と同様であるため、詳しい説明は省略する。

本実施形態において、制御装置２は、図２に示すように、例えば２自由度制御系を有する。すなわち、制御装置２は、フィードバックループ１０と、フィードフォワードループ２０とを有する。フィードバックループ１０は、入力指令であるモータトルク指令ｒに対してトルク検出器５の出力値をフィードバックする。フィードフォワードループ２０は、モータトルク指令ｒを用いてフィードフォワード系のコントローラ２１によって得られる信号を、制御対象Ｐの入力に加算する。

なお、図２において、ｒはモータトルク指令としての目標値であり、ｙはトルク検出器５の出力値であり、符号１２は、フィードバック系のコントローラである。符号１１，２１は、フィードフォワード系のコントローラである。また、図２における符号Ｐは制御対象である。

モータ駆動回路３は、特に図示しないが、複数のスイッチング素子を有する。モータ駆動回路３は、前記駆動指令に基づいて前記複数のスイッチング素子が駆動することにより、電動モータ４の図示しないコイルに電力を供給する。

電動モータ４は、図示しない回転子及び固定子を有する。前記固定子のコイルにモータ駆動回路３から電力が供給されることにより、前記回転子が前記固定子に対して回転する。前記回転子は、図示しない中間軸を介して、供試体Ｍに対し、供試体Ｍと一体で回転可能に連結されている。これにより、前記回転子の回転によって、電動モータ４から供試体Ｍにトルクを出力することができる。なお、電動モータ４の構成は、一般的なモータの構成と同様であるため、電動モータ４の詳しい説明は省略する。

トルク検出器５は、電動モータ４と供試体Ｍとを接続する中間軸に設けられている。トルク検出器５は、電動モータ４から出力されたトルクを検出する。トルク検出器５で検出されたトルクの出力値は、制御装置２にフィードバックループ１０の入力値として入力される。すなわち、トルク検出器５の出力値は、フィードバック制御に用いられる。なお、トルク検出器５の構成は、従来の構成と同様であるため、トルク検出器５の詳しい説明は省略する。

本実施形態では、制御対象Ｐは、モータ駆動回路３、電動モータ４及びトルク検出器５を含む。なお、制御対象Ｐには、電動モータ４と供試体Ｍとを接続する中間軸のうち、電動モータ４からトルク検出器５までの範囲も含む。すなわち、制御対象Ｐは、供試体Ｍに駆動力を与える。本実施形態の試験装置１は、制御装置２、モータ駆動回路３、電動モータ４及びトルク検出器５を含み且つ供試体Ｍを含まない制御系によって、電動モータ４の駆動を制御する。

ところで、試験装置１において制御対象Ｐを制御する際には、制御装置２のサンプリング周期及び通信等によって、モータトルク指令ｒに対して供試体Ｍに入力されるトルクが遅れを生じる。このような遅れは、いわゆるむだ時間と呼ばれ、制御対象Ｐの制御に影響を与える。

よって、むだ時間を考慮して制御系を設計する場合、制御対象Ｐのむだ時間を精度良く推定し、推定したむだ時間を用いて制御対象Ｐを制御する必要がある。例えば、むだ時間を考慮してフィードフォワード制御系を設計した場合、図３に示すように、制御モデルとしての伝達関数に誤差がない場合（図３の実線）に対して、伝達関数に誤差がある場合には、破線及び一点鎖線のように、設計した制御性能と異なる特性になる。なお、図３における誤差の条件１、２は、制御モデルにおいて異なる誤差を有する場合の一例である。

制御系設計装置６は、制御対象Ｐのむだ時間を除いた伝達関数（以下、むだ時間なし伝達関数）を用いて、制御対象Ｐの制御系の設計を行う。具体的には、制御系設計装置６は、制御対象Ｐのむだ時間なし伝達関数を用いて逆モデルを取得し、該逆モデルを用いて、２自由度制御系の伝達関数を求める。

なお、以下の説明では、文章表記の都合上、数式及び図において各文字の上に付される“＾”を、各文字の後ろに記載する。

図１に示すように、制御系設計装置６は、むだ時間推定部６１と、むだ時間なし伝達関数取得部６２と、逆モデル取得部６３と、制御系伝達関数取得部６４とを備える。

むだ時間推定部６１は、制御対象Ｐの伝達関数を取得し、該伝達関数を用いて求めたステップ応答から、制御対象Ｐのむだ時間を推定する。具体的には、むだ時間推定部６１は、制御対象伝達関数取得部６６と、むだ時間演算部６７とを備える。

制御対象伝達関数取得部６６は、制御対象Ｐにランダム信号（信号）を入力して得られた周波数特性Ｇ（応答結果）から、制御対象Ｐの伝達関数Ｇ＾を取得する。制御対象Ｐにランダム信号を入力して得られた周波数特性Ｇの一例を図４に実線で示す。伝達関数Ｇ＾は、後述のむだ時間推定部６１でむだ時間Ｌ＾１を取得するために用いられる伝達関数である。前記ランダム信号は、予測できない変動を有する信号である。本実施形態では、前記ランダム信号として、例えばホワイトノイズの信号を用いる。

また、制御対象伝達関数取得部６６は、式（２）の評価関数Ｊ０の値が最小になる伝達関数Ｇ＾を求める。具体的には、制御対象伝達関数取得部６６は、式（２）の評価関数Ｊ０の値が最小になるように、式（３）に示す伝達関数の一般式における、分母及び分子の次数、ａ₀〜ａ_mの値及びｂ₀〜ｂ_nの値を求める。図４に、評価関数Ｊ０の値が最小になる伝達関数Ｇ＾を求める際に繰り返し演算で得られる伝達関数の計算結果の一例（計算例）を、破線で示す。

むだ時間演算部６７は、制御対象伝達関数取得部６６で取得した伝達関数Ｇ＾を用いて、制御対象Ｐのむだ時間Ｌ＾１を推定する。具体的には、むだ時間演算部６７は、伝達関数Ｇ＾を有する制御対象Ｐのモデルに対してステップ信号（所定の入力信号）を入力することにより得られるステップ応答から、むだ時間Ｌ＾１を推定する。図５に、前記ステップ応答の一例を示す。本実施形態では、図５に示すように、むだ時間演算部６７は、前記ステップ応答において、前記ステップ信号の入力時（図５における時間０）から出力値が閾値Ｘを超えるまでの時間を、むだ時間Ｌ＾１として推定する。閾値Ｘは、例えば、ステップ応答の収束値に対して所定の割合（例えば１０％）の値に設定される。

なお、むだ時間演算部６７は、前記ステップ応答において、前記ステップ信号の入力時から出力値の移動平均値が閾値を超えるまでの時間を、むだ時間Ｌ＾１として推定してもよい。

ところで、トルク指令によって駆動されるモータにステップ信号を入力した場合、前記モータが加速し続けて該モータの速度上限に達する可能性がある。そのため、前記ステップ信号の調整が必要である。これに対し、上述のように、制御対象Ｐの伝達関数Ｇ＾を求めるとともに、その伝達関数Ｇ＾を有するモデルに対してステップ信号を入力してステップ応答を得ることにより、制御対象Ｐに対してステップ信号を直接入力しなくても、制御対象Ｐにおけるむだ時間Ｌ＾１を推定できる。したがって、前記ステップ信号の調整が不要になり、制御対象Ｐにおけるむだ時間Ｌ＾１を容易に推定できる。

また、上述のようにむだ時間Ｌ＾１を求めることにより、制御対象Ｐの周波数特性Ｇを取得する過程及び伝達関数Ｇ＾を推定する過程の少なくとも一方の過程において、ノイズ処理を行うことにより、伝達関数Ｇ＾を有するモデルのステップ応答にノイズの影響が現れにくくすることができる。図６に、実測した周波数特性と、上述のように伝達関数Ｇ＾を有するモデルを用いて求めた周波数特性とを比較して示す。図６に示すように、ノイズの少ない周波数特性を得ることができる。これにより、前記ステップ応答から、むだ時間Ｌ＾１を容易に推定できる。

なお、制御対象Ｐに対してステップ信号を入力することにより得られるステップ応答から、むだ時間を推定してもよい。この場合にも、得られたステップ応答において、前記ステップ信号の入力時から出力値が閾値Ｘを超えるまでの時間を、前記むだ時間として推定してもよいし、前記ステップ信号の入力時から出力値の移動平均値が閾値を超えるまでの時間を、前記むだ時間として推定してもよい。

むだ時間なし伝達関数取得部６２は、推定した制御対象Ｐのむだ時間Ｌ＾１を用いて、伝達関数Ｇ＾からむだ時間Ｌ＾１を用いて求められるむだ時間要素を除いたＧ＾／ｅ^{-L^}´^1sの周波数成分を求める。むだ時間なし伝達関数取得部６２は、求めた周波数特性から、むだ時間を含まない制御対象Ｐの伝達関数（むだ時間なし伝達関数）Ｇ＾´を取得する。具体的には、むだ時間なし伝達関数取得部６２は、周波数特性取得部６８と、むだ時間なし伝達関数演算部６９とを備える。

周波数特性取得部６８は、制御対象伝達関数取得部６６で取得した伝達関数Ｇ＾と、むだ時間演算部６７で取得したむだ時間Ｌ＾１を用いて求められるむだ時間要素ｅ^{-L^}´^1sとを用いて、伝達関数Ｇ＾からむだ時間Ｌ＾１を用いて求められるむだ時間要素を除いたＧ＾／ｅ^{-L^}´^1sの周波数特性を求める。図７に、むだ時間を除いた周波数特性及びむだ時間の一例を示す。

ここで、Ｌ＾´１は、例えば、以下の関係を満たす値である。なお、Ｌ＾´１は、Ｌ＾１を基準とした他の範囲で規定された値であってもよい。また、Ｌ＾´１の代わりに、Ｌ＾１を用いてもよい。
Ｌ＾１ｍｉｎ＝Ｌ＾１−Ｌ＾１／１０
Ｌ＾１ｍａｘ＝Ｌ＾１＋Ｌ＾１／１０
Ｌ＾１ｍｉｎ≦Ｌ＾´１≦Ｌ＾１ｍａｘ

むだ時間なし伝達関数演算部６９は、式（１）の評価関数Ｊの値が最小になるむだ時間なし伝達関数Ｇ＾´を求める。

なお、式（１）において、Ｇ＾／ｅ^{-L^}´^1sの導出は、制御対象伝達関数取得部６６で求めたＧ＾を用いてもよいし、制御対象Ｐにランダム信号を入力して得られた周波数特性Ｇを用いてもよい。

これにより、Ｌ＾１ｍｉｎ≦Ｌ＾´１≦Ｌ＾１ｍａｘを満たし、且つ、式（１）の評価関数Ｊの値が最小になるむだ時間なし伝達関数Ｇ＾´を求めることができる。このように、むだ時間Ｌ＾１を基準とした所定の範囲内で且つ式（１）の評価関数Ｊの値が最小になるむだ時間なし伝達関数Ｇ＾´を求めることにより、むだ時間Ｌ＾１を精度良く求めることができない場合でも、制御対象Ｐのむだ時間なし伝達関数Ｇ＾´を精度良く求めることができる。

以上のように式（１）を用いて制御対象Ｐにおけるむだ時間なし伝達関数Ｇ＾´を求めることにより、むだ時間なし伝達関数Ｇ＾´を精度良く求めることができる。

逆モデル取得部６３は、むだ時間なし伝達関数Ｇ＾´を用いて、制御対象Ｐの逆モデルを取得する。むだ時間なし伝達関数Ｇ＾´は、制御対象Ｐのむだ時間要素を含まないため、むだ時間なし伝達関数Ｇ＾´から求められる制御対象Ｐの逆モデルは、不安定ゼロ点を有しない。

制御系伝達関数取得部６４は、逆モデル取得部６３で取得した逆モデルを用いて、制御対象Ｐを制御する制御系の伝達関数を取得する。具体的には、制御系伝達関数取得部６４は、図２におけるＰ＾に、むだ時間なし伝達関数Ｇ＾´を用いるとともに、図２におけるｅ^-Lsに、むだ時間Ｌ＾１を用いて、制御系の伝達関数を求める。

なお、制御系伝達関数取得部６４は、フィードフォワード系のコントローラ２１の伝達関数が不安定極を含まないように、該伝達関数を生成する。具体的には、制御系伝達関数取得部６４は、フィードフォワード系のコントローラ２１の伝達関数において、分母の次数が分子の次数以上になるとともに分母に不安定ゼロ点を含まないように、前記伝達関数を生成する。

これにより、制御対象Ｐのむだ時間を含まない伝達関数を用いて、制御系の伝達関数を取得できるため、制御系設計装置６によって、安定し且つ制御性能の高い制御系を設計できる。したがって、制御対象Ｐを、設計した制御系で制御することができるため、試験装置１を精度良く駆動することができる。

（むだ時間推定装置の動作）
次に、上述の構成を有する制御系設計装置６の動作を、図８に示すフローを用いて説明する。

図８に示すフローがスタートすると、ステップＳＡ１において、制御系設計装置６の制御対象伝達関数取得部６６は、制御対象Ｐにランダム信号を入力する。続くステップＳＡ２で、制御対象伝達関数取得部６６は、制御対象Ｐにランダム信号を入力した際の出力から周波数特性Ｇを測定する。その後、ステップＳＡ３で、制御対象伝達関数取得部６６は、周波数特性Ｇを用いて、既述の式（２）の評価関数Ｊ０が最小になるように制御対象Ｐの伝達関数Ｇ＾を推定する。

次に、むだ時間演算部６７は、伝達関数Ｇ＾を有する制御対象Ｐのモデルに対してステップ信号を入力して、ステップ応答を取得する（ステップＳＡ４）。その後、むだ時間演算部６７は、前記ステップ応答から、むだ時間Ｌ＾１を推定する（ステップＳＡ５）。この際、むだ時間演算部６７は、前記ステップ応答において、ステップ信号の入力から出力値が閾値を超えるまでの時間を、むだ時間Ｌ＾１として推定する。

続くステップＳＡ６では、周波数特性取得部６８は、ステップＳＡ３で取得した伝達関数Ｇ＾からむだ時間Ｌ＾１を用いて求められるむだ時間要素を除いたＧ＾／ｅ^{-L^}´^1sの周波数特性を求める。ここで、Ｌ＾´１は、例えば、以下の関係を満たす値である。
Ｌ＾１ｍｉｎ＝Ｌ＾１−Ｌ＾１／１０
Ｌ＾１ｍａｘ＝Ｌ＾１＋Ｌ＾１／１０
Ｌ＾１ｍｉｎ≦Ｌ＾´１≦Ｌ＾１ｍａｘ

そして、ステップＳＡ６では、むだ時間なし伝達関数演算部６９は、既述の式（１）の評価関数Ｊが最小になるように制御対象Ｐのむだ時間なし伝達関数Ｇ＾´を求める。続くステップＳＡ７では、逆モデル取得部６３は、むだ時間なし伝達関数Ｇ＾を用いて、制御対象Ｐの逆モデルを取得する。むだ時間なし伝達関数Ｇ＾´は、制御対象Ｐのむだ時間要素を含まないため、むだ時間なし伝達関数Ｇ＾´から求められる制御対象Ｐの逆モデルは、不安定ゼロ点を有しない。

その後、ステップＳＡ８で、制御系伝達関数取得部６４は、逆モデルを用いて、制御対象Ｐを制御する制御系の伝達関数を取得する。このとき、制御系伝達関数取得部６４は、フィードフォワード系のコントローラ２１の伝達関数が不安定極を含まないように、該伝達関数を生成する。その後、このフローを終了する。

これにより、制御対象Ｐを制御する安定した制御系を誤差の影響が少なくなるように設計することができる。

＜実施形態２＞
図９に、実施形態２に係る制御系設計装置１０６を備えた試験装置１０１の概略構成を機能ブロックで示す。本実施形態では、制御系設計装置１０６の逆モデル取得部１６３が、制御対象Ｐのむだ時間なし伝達関数Ｇ＾´を低次元化する点で、実施形態１の構成とは異なる。以下では、実施形態１の構成と同様の構成には同一の符号を付して説明を省略し、実施形態１の構成と異なる構成についてのみ説明する。

制御系設計装置１０６は、むだ時間推定部６１と、むだ時間なし伝達関数取得部６２と、逆モデル取得部１６３と、制御系伝達関数取得部６４とを備える。むだ時間推定部６１、むだ時間なし伝達関数取得部６２及び制御系伝達関数取得部６４は、実施形態１の制御系設計装置６と同様であるため、詳しい説明を省略する。

逆モデル取得部１６３は、むだ時間なし伝達関数演算部６９で得られたむだ時間なし伝達関数Ｇ＾´を低次元化した後、低次元化した伝達関数を用いて、逆モデルを取得する。逆モデル取得部１６３は、例えば、むだ時間なし伝達関数Ｇ＾´のうち、３次以上の次数の要素を省略して、低次元化する。これにより、制御系設計装置１０６の演算負荷を低減できる。

図１０に、図７に示す伝達関数を低次元化した伝達関数の一例を示す。なお、逆モデル取得部１６３の構成は、むだ時間なし伝達関数Ｇ＾´を低次元化可能な構成であれば、本実施形態の構成に限定されない。

（制御系設計装置の動作）
次に、上述の構成を有する制御系設計装置１０６の動作を、図１１に示すフローを用いて説明する。なお、ステップＳＢ１からＳＢ６、ＳＢ９における動作は、実施形態１のステップＳＡ１からＳＡ６、ＳＡ８における動作と同様であるため、詳しい説明を省略する。

ステップＳＢ７では、逆モデル取得部１６３は、むだ時間なし伝達関数演算部６９で得られたむだ時間なし伝達関数Ｇ＾´を低次元化する。続くステップＳＢ８では、逆モデル取得部１６３は、低次元化したむだ時間なし伝達関数を用いて、逆モデルを取得する。その後、ステップＳＢ９で、制御系伝達関数取得部６４、前記逆モデルを用いて、制御対象Ｐを制御する制御系の伝達関数を取得する。その後、このフローを終了する。

＜実施形態３＞
図１２に、実施形態３に係る制御系設計装置２０６を備えた試験装置２０１の概略構成を機能ブロックで示す。本実施形態では、制御系設計装置２０６の逆モデル取得部２６３が、制御対象Ｐのむだ時間なし伝達関数を各要素に分離した後、任意の要素を含む所定の伝達関数を取得し、該伝達関数から逆モデルを取得する点で、実施形態１の構成とは異なる。

また、本実施形態では、制御装置２０２の構成が実施形態１の構成とは異なる。図１３に、制御装置２０２の構成を示す。

以下では、実施形態１の構成と同様の構成には同一の符号を付して説明を省略し、実施形態１の構成と異なる構成についてのみ説明する。

まず、制御装置２０２の構成について説明する。本実施形態において、制御装置２０２は、図１３に示すように、入力指令であるモータトルク指令ｒに対してトルク検出器５の出力値をフィードバックするフィードバックループ２１０を有する。すなわち、制御装置２０２は、微分フィードバックの制御系を有する。本実施形態の試験装置２０１は、制御装置２０２、モータ駆動回路３、電動モータ４及びトルク検出器５を含み且つ供試体Ｍを含まない制御系によって、電動モータ４の駆動を制御する。

なお、図１３において、ｒはモータトルク指令としての目標値であり、ｙはトルク検出器５の出力値であり、Ｋ_Dは微分係数であり、ｓは微分要素であり、Ｆｄはフィルタ５２の伝達関数である。

フィードバックループ２１０は、微分要素ｓを含む微分フィードバック系である。フィードバックループ２１０には、トルク検出器５の出力値が入力される。フィードバックループ２１０は、減衰比調整部５１（微分器）と、フィルタ５２とを有する。減衰比調整部５１は、微分要素ｓ及び微分係数Ｋ_Dによって、制御対象に対する減衰比を調整する。フィルタ５２は、トルク検出器５の出力値からむだ時間の影響を排除する。フィードバックループ２１０では、トルク検出器５の出力値は、フィルタ５２及び減衰比調整部５１によって処理された後、フィードバック値としてモータトルク指令ｒに負帰還される。

制御系設計装置２０６は、むだ時間推定部６１と、むだ時間なし伝達関数取得部６２と、逆モデル取得部２６３と、制御系伝達関数取得部２６４とを備える。むだ時間推定部６１及びむだ時間なし伝達関数取得部６２は、実施形態１の制御系設計装置６と同様であるため、詳しい説明を省略する。

逆モデル取得部２６３は、むだ時間なし伝達関数演算部６９で得られたむだ時間なし伝達関数Ｇ＾´を各要素に分離して、所定の要素を含む伝達関数を取得する。逆モデル取得部２６３は、むだ時間なし伝達関数Ｇ＾´を、１次共振や２次共振などの各次数の共振の伝達関数に分離し、それらの伝達関数の中から、共振を抑制したい伝達関数を除いた伝達関数を含む伝達関数を、前記所定の要素を含む伝達関数として、取得する。例えば、逆モデル取得部２６３は、図１４に示すように、むだ時間なし伝達関数Ｇ＾´を、１次共振の伝達関数と２次共振の伝達関数とに分離する。逆モデル取得部２６３は、１次共振を抑制する場合には、２次共振の伝達関数を、前記所定の要素を含む伝達関数とする。

逆モデル取得部２６３は、前記所定の要素を含む伝達関数を用いて、逆モデルを取得する。

制御系伝達関数取得部２６４は、逆モデル取得部２６３によって取得された逆モデルをフィルタ５２に代入して、振動を抑制するように微分係数Ｋ_Dを設計する。この際、制御系伝達関数取得部２６４は、ＦｄＫ_Dｓの伝達関数が安定した伝達関数になるように、Ｆｄの分母の次数を調整する。

これにより、制御系伝達関数取得部２６４によって、制御対象Ｐを制御する制御系を設計することができる。したがって、図１３に示すように、微分器を有し且つ制御対象Ｐの出力値を入力指令に対して負帰還させるフィードバックループ２１０を含む制御系を、制御系設計装置２０６によって自動的に且つ容易に設計することができる。

（制御系設計装置の動作）
次に、上述の構成を有する制御系設計装置２０６の動作を、図１５に示すフローを用いて説明する。なお、図１５におけるステップＳＣ１からＳＣ６の動作は、実施形態１のステップＳＡ１からＳＡ６の動作と同様であるため、詳しい説明を省略する。

ステップＳＣ７では、逆モデル取得部２６３は、むだ時間なし伝達関数演算部６９で得られたむだ時間なし伝達関数Ｇ＾´を各要素に分離する。具体的には、逆モデル取得部２６３は、むだ時間なし伝達関数Ｇ＾´を、各次数の共振の伝達関数に分離する。

その後、ステップＳＣ８で、逆モデル取得部２６３は、ステップＳＣ８で分離された各要素のうち所定の要素を含む伝達関数を取得し、該伝達関数から逆モデルを生成する。続くステップＳＣ９では、制御系伝達関数取得部２６４は、前記逆モデルを用いて、制御対象Ｐを制御する微分フィードバック制御系の伝達関数を取得する。具体的には、制御系伝達関数取得部２６４は、前記逆モデルをフィルタ５２に代入して、振動を抑制するように微分係数Ｋ_Dを設計する。この際、制御系伝達関数取得部２６４は、ＦｄＫ_Dｓの伝達関数が安定した伝達関数になるように、Ｆｄの分母の次数を調整する。その後、このフローを終了する。

＜実施形態４＞
図１６に、実施形態４に係る制御系設計装置３０６の概略構成を示す。この制御系設計装置３０６は、制御対象Ｐのむだ時間を推定し、該むだ時間を除いた伝達関数を各要素に分離した後、該伝達関数のパラメータを調整して設計用伝達関数を選択可能である点、及び、共振を抑制する係数として、制御系を適用した際の共振抑制の減衰比も設定可能である点で、実施形態３の制御系設計装置２０６とは異なる。以下では、実施形態３の構成と同様の構成には同一の符号を付して説明を省略し、実施形態３の構成と異なる構成についてのみ説明する。なお、図１６において、符号３０１は、試験装置である。

制御系設計装置３０６は、むだ時間推定部６１と、むだ時間なし伝達関数取得部６２と、逆モデル取得部２６３と、制御系伝達関数取得部２６４と、入力部２６５とを備える。むだ時間推定部６１、むだ時間なし伝達関数取得部６２、逆モデル取得部２６３及び制御系伝達関数取得部２６４は、実施形態３の制御系設計装置２０６と同様であるため、詳しい説明を省略する。

入力部２６５は、ＧＵＩ（グラフィカルユーザインタフェース）によって、ユーザが操作端末を用いて制御系設計装置３０６に数値等を入力可能に構成されている。入力部２６５を介して制御系設計装置３０６には、設計用伝達関数を取得する際のパラメータの数値を入力可能であるとともに、微分フィードバックを設計する際に減衰比を入力可能である。入力部２６５によって表示される画面の一例を図１８に示す。この図１８では、設計用伝達関数を取得する際のパラメータの数値を入力する例を示す。入力部２６５には、むだ時間を入力するむだ時間入力部２６５ａと、伝達関数の各要素のパラメータを入力するパラメータ入力部２６５ｂとが含まれる。図１８では、入力部２６５によって表示される画面Ｄ上における各入力部の入力箇所に、各入力部の符号を付している。

なお、入力部２６５によって表示される画面Ｄには、制御系設計装置３０６で設計されたデータがデフォルト値として表示されている。画面Ｄ上で、入力部２６５によって、パラメータの値を書き換えることにより、該パラメータを変更することができる。

上述のように制御系設計装置３０６が入力部２６５を有することにより、ユーザが制御系設計装置３０６に対して数値を入力したり、選択の指示を入力したりすることができる。

以上のように、本実施形態の制御系設計装置３０６では、設計用伝達関数を取得する際及び微分フィードバックを設計する際に、入力部２６５に対する入力によってユーザが調整することができる。したがって、制御対象Ｐの制御系の設計を全て自動で行う場合に比べて、利便性を向上することができる。

（制御系設計装置の動作）
次に、上述の構成を有する制御系設計装置３０６の動作を、図１７に示すフローを用いて説明する。なお、図１７におけるステップＳＤ１からＳＤ７の動作は、実施形態３のステップＳＣ１からＳＣ７の動作と同様であるため、詳しい説明を省略する。

ステップＳＤ８では、逆モデル取得部２６３は、入力部２６５に入力されたパラメータを取得する。このパラメータは、むだ時間なし伝達関数Ｇ＾´を分離した際の各要素におけるパラメータである。逆モデル取得部２６３は、取得したパラメータを用いて、制御対象Ｐの逆モデルを求める。この逆モデルを用いて、設計用伝達関数が得られる（ステップＳＤ９）。

次に、ステップＳＤ１０で、制御系伝達関数取得部２６４は、入力部２６５に入力された減衰比を取得する。制御系伝達関数取得部２６４は、ステップＳＤ９で得られた設計用伝達関数と、取得した減衰比とを用いて、微分フィードバックの制御系における伝達関数を求める（ステップＳＤ１１）。その後、このフローを終了する。

これにより、微分フィードバックの制御系を、容易に設計できるとともに、設計の際に用いる設計用伝達関数及び減衰比のパラメータを、入力部２６５の入力によって調整することができる。したがって、微分フィードバックの制御系を設計する際に、各パラメータを調整することにより、制御対象Ｐの制御を容易に微調整することが可能になる。

（その他の実施形態）
以上、本発明の実施の形態を説明したが、上述した実施の形態は本発明を実施するための例示に過ぎない。よって、上述した実施の形態に限定されることなく、その趣旨を逸脱しない範囲内で上述した実施の形態を適宜変形して実施することが可能である。

前記実施形態１，２では、制御装置２，１０２は、２自由度制御系を有する。前記実施形態３，４では、制御装置２０２，３０２は、微分フィードバック系を有する。しかしながら、制御装置は、伝達関数の逆モデルを用いて設計される制御系であれば、他の制御系を有していてもよい。

前記実施形態１、２では、制御系設計装置６，１０６が、制御系として、むだ時間を考慮する２自由度制御系を設計する。しかしながら、制御系設計装置は、制御系として、むだ時間を考慮しない２自由度制御系を設計してもよい。この場合には、図１９に示す制御ブロックにおいて、Ｐ＾に、むだ時間なし伝達関数取得部で取得したむだ時間なし伝達関数を用いて、制御系の伝達関数を求めればよい。なお、図１９において、符号３０２は制御装置を、符号３１１はフィードフォワード系のコントローラを、それぞれ示す。

前記各実施形態では、むだ時間推定部６１は、伝達関数Ｇ＾を有する制御対象Ｐのモデルに対してステップ信号を入力することにより得られるステップ応答から、むだ時間Ｌ＾１を推定する。しかしながら、むだ時間推定部は、前記モデルにおけるランプ応答から、むだ時間を推定してもよい。すなわち、むだ時間推定部は、応答から、むだ時間を推定できれば、前記モデルに対してどのような種類の信号を入力してもよい。なお、得られるむだ時間の精度を考慮すると、前記モデルにおけるステップ応答を得るのが最も好ましい。

前記各実施形態では、制御対象Ｐは、モータ駆動回路３、電動モータ４及びトルク検出器５を含む。しかしながら、制御対象は、供試体に駆動力を与えることができる構成を有していれば、他の構成を含んでもよいし、他の構成を有する軸系を含んでいてもよい。

本発明は、制御対象を制御する制御系を設計する制御系設計装置に利用可能である。

１、１０１、２０１、３０１ 試験装置
２、１０２、２０２、３０２ 制御装置
３ モータ駆動回路
４ 電動モータ
５ トルク検出器
６、１０６、２０６、３０６ 制御系設計装置
１０、２１０ フィードバックループ
１２ フィードバック系のコントローラ
２０ フィードフォワードループ
１１、２１、３１１ フィードフォワード系のコントローラ
５１ 減衰比調整部
５２ フィルタ
６１ むだ時間推定部
６２ むだ時間なし伝達関数取得部
６３、１６３、２６３ 逆モデル取得部
６４、２６４ 制御系伝達関数取得部
６６ 制御対象伝達関数取得部
６７ むだ時間演算部
６８ 周波数特性取得部
６９ むだ時間なし伝達関数演算部
２６５ 入力部
Ｐ 制御対象
Ｍ 供試体

Claims (6)

1. 制御対象を制御する制御系を設計するための制御系設計装置であって、
   前記制御対象のむだ時間を取得するむだ時間推定部と、
   前記むだ時間を除いたむだ時間なし伝達関数を取得する、むだ時間なし伝達関数取得部と、
   前記むだ時間なし伝達関数を用いて、前記制御対象の逆モデルを取得する逆モデル取得部と、
   前記逆モデルを用いて前記制御系の伝達関数を取得する制御系伝達関数取得部と、
   を備える、制御系設計装置。
2. 請求項１に記載の制御系設計装置において、
   前記むだ時間推定部は、
   前記制御対象に信号を入力して、その応答結果から前記制御対象の伝達関数を取得する制御対象伝達関数取得部と、
   前記制御対象伝達関数取得部によって取得された前記伝達関数の制御対象に所定の入力信号を入力した場合に得られる応答信号において、所定の閾値を超えるまでの時間を、前記むだ時間として求めるむだ時間演算部と、
   を備え、
   前記むだ時間なし伝達関数取得部は、
   前記制御対象の伝達関数から前記むだ時間に対応するむだ時間要素を除いた要素の周波数特性を求める周波数特性取得部と、
   前記周波数特性をＧ＾／ｅ^{-L^}′^1sとし、前記制御対象においてむだ時間要素を含まない伝達関数をＧ＾′とした場合に、式（１）の評価関数Ｊの値が最小になる伝達関数Ｇ＾′を、前記むだ時間なし伝達関数として求めるむだ時間なし伝達関数演算部と、
   を備える、制御系設計装置。
   

   
3. 請求項１または２に記載の制御系設計装置において、
   前記逆モデル取得部は、前記むだ時間なし伝達関数取得部によって取得された前記むだ時間なし伝達関数を低次元化し、該低次元化されたむだ時間なし伝達関数を用いて、前記逆モデルを取得する、制御系設計装置。
4. 請求項１から３のいずれか一つに記載の制御系設計装置において、
   前記逆モデル取得部は、前記むだ時間なし伝達関数を各要素に分離した後、これらの要素のうち少なくとも一つの要素を含む所定の伝達関数から、前記逆モデルを取得する、制御系設計装置。
5. 請求項４に記載の制御系設計装置において、
   前記制御系は、微分器を有し、且つ、前記制御対象の出力値を入力指令に対して負帰還させるフィードバックループを含み、
   前記制御系伝達関数取得部は、前記逆モデルを用いて、前記フィードバックループの伝達関数を求める、制御系設計装置。
6. 供試体に対して駆動力を与える制御対象と、
   前記制御対象を制御する制御装置と、
   前記制御装置に対し、求めた伝達関数を出力する、請求項１から５のいずれか一つに記載の制御系設計装置と、
   を備える、試験装置。

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