JP2024061422A

JP2024061422A - 制御システムおよび制御方法

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Publication number: JP2024061422A
Application number: JP2022169361A
Authority: JP
Inventors: 亮皆木; 洋一五十嵐
Original assignee: NSK Ltd
Current assignee: NSK Ltd
Priority date: 2022-10-21
Filing date: 2022-10-21
Publication date: 2024-05-07

Abstract

【課題】通信遅延および外乱が生じる場合にも安定な制御を実現する。【解決手段】制御システムは、通信網を介して制御対象側へと制御指令値を送ってフィードフォワード制御を行う第１制御部と、前記通信網の前記制御部側に設けられ、前記制御指令値に応じた前記制御対象の制御状態を当該制御対象のノミナルモデルで予測して前記第１制御部による制御に当該制御状態を反映させる状態予測器と、前記通信網の前記制御対象側に設けられ、当該制御対象に対する外乱と当該制御対象のパラメータ誤差とを補償する外乱オブザーバと、を備える。【選択図】図３

Description

本発明は、制御システムおよび制御方法に関する。

従来、種々の分野において、通信網などを介して遠隔の制御対象の動作を制御する制御システムが知られている。
例えば、超高齢化社会による労働者不足の解決策として、完全自動化や遠隔操作が提案されているが、全ての課題に対して完全自動化は難しく、自動化に不具合が生じた場合はバックアップとして遠隔操作が求められる。また、完全自動化は自動運転のように、センサ、コントローラ、アクチュエータ等を全て冗長化させないといけないので、高額になってしまう。このため、通信網などを介する動作制御が強く求められる。
通信網では通信遅延が生じるため、通信網などを介する動作制御においては、通信遅延に伴い制御が不安定化する虞がある。即ち、操作側における操作者やコントローラによる操作指令に対して遠隔側の装置などにおける動作が遅れるため、操作側で過剰な操作をしてしまうなど、意図した動作を得るための操作が困難となる。このため、通信遅延に対応する技術が求められる。
例えば特許文献１には、適応スミス予測器で通信遅延を補償する制御システムが提案されている。

特開２０２２－９７４０号公報

しかしながら、特許文献１の技術では、通信遅延の正確な測定が必要であり、制御対象のモデルに実際の制御対象との誤差が生じたり、制御対象に外乱が加わったりした場合にも、制御が不安定化する虞がある。
そこで、本発明は、通信遅延および外乱が生じる場合にも安定な制御を実現することを課題とする。

上記課題を解決するために、本発明の１つの態様に係る制御システムは、通信網を介して制御対象側へと制御指令値を送ってフィードフォワード制御を行う第１制御部と、前記通信網の前記制御部側に設けられ、前記制御指令値に応じた前記制御対象の制御状態を当該制御対象のノミナルモデルで予測して前記第１制御部による制御に当該制御状態を反映させる状態予測器と、前記通信網の前記制御対象側に設けられ、当該制御対象に対する外乱と当該制御対象のパラメータ誤差とを補償する外乱オブザーバと、を備える。

このような制御方法によれば、状態予測器による制御状態の反映と外乱オブザーバによる補償との協働により、通信遅延および外乱が生じる場合にも安定なフィードフォワード制御が実現される。さらに、制御対象のパラメータ誤差が生じた場合にも安定なフィードフォワード制御が実現される。

前記第１制御部は、前記制御対象の制御目標に対する前記制御状態の偏差を減らすように制御を行ってもよい。例えばＰＩＤ制御に代表される偏差を減らす制御により、制御対象における動作などが効率よく制御目標に近づく。
前記制御目標として、位置、角度、力およびトルクの少なくとも１つが用いられてもよい。位置、角度、力およびトルクは、制御対象の動作などで実用上求められる制御量であり、制御目標などに適している。

前記第１制御部は、前記制御指令値として、トルク、力、電流および電圧の少なくとも１つを示す指令値を前記制御対象に入力してもよい。トルク、力、電流および電圧は、位置、角度などの制御量を制御する場合も含めて制御の基本要素となるので制御指令値として適している。

前記制御システムは、前記通信網の前記制御対象側に設けられ、前記制御指令値に前記制御対象を追従させ、前記外乱オブザーバによる補償が反映される第２制御部を備えもよい。通信網の制御対象側に第２制御部が備えられることで、外乱オブザーバによる補償の反映が容易となる。
前記外乱オブザーバは、ＬＰＦ（ＬｏｗＰａｓｓＦｉｌｔｅｒ）と、制御対象の逆モデルとを有してもよい。

本発明の他の態様に係る制御方法は、通信網を介して制御対象側へと制御指令値を送ってフィードフォワード制御を行うステップと、前記通信網の前記制御部側に設けられ、前記制御指令値に応じた前記制御対象の制御状態を当該制御対象のノミナルモデルで予測して前記第１制御部による制御に当該制御状態を反映させるステップと、前記制御対象に対する外乱と当該制御対象のパラメータ誤差とを前記通信網の当該制御対象側に設けられた外乱オブザーバで補償するステップと、を有する。

本発明によれば、通信遅延および外乱が生じる場合にも安定な制御を実現することができる。

本発明の制御システムが適用される遠隔操作系を示す図である。比較例の制御ブロック図である。本実施形態の遠隔操作系における制御ブロック図である。外乱オブザーバの構成を示すブロック図である。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。但し、以下の説明が不必要に冗長になるのを避け、当業者の理解を容易にするため、必要以上に詳細な説明は省略する場合がある。例えば、既によく知られた事項の詳細説明や実質的に同一の構成に対する重複説明を省略する場合がある。また、先に説明した図に記載の要素については、後の図の説明において適宜に参照する場合がある。

図１は、本発明の制御システムが適用される遠隔操作系１を示す図である。
遠隔操作系１は、操作側装置１０と、通信ネットワーク２０と、遠隔側装置３０とを備えている。
操作側装置１０は、遠隔側装置３０の動作などを制御するための制御指令値を出力する。操作側装置１０には、例えば、プログラムなどに基づいて制御指令値を算出するコントローラ１１や、操作者の操作を受けて、当該操作に応じた制御指令値を出力する操作デバイス１２などが含まれる。操作デバイス１２の具体的な形状としては、例えばジョイスティック１２ａやステアリング１２ｂなどが有る。操作側装置１０は、操作デバイス１２とコントローラ１１とが組み合わされた複合装置であってもよい。

操作側装置１０は、遠隔側装置３０における位置、角度、力およびトルクの少なくとも１つについて制御目標が与えられ、当該制御目標を実現するために、力、トルク、電流および電圧の少なくとも１つの制御指令値を出力する。位置、角度、力およびトルクは遠隔側装置３０の動作などで実用上求められる制御量であり、制御目標として適している。また、力、トルク、電流および電圧は、位置、角度などの制御量を制御する場合も含めて制御の基本要素となるので制御指令値として適している。なお、以下では、角度の制御目標とトルクの指令値が採用された例を代表として説明する。

通信ネットワーク２０は、例えば５ＧやＬＰＷＡ（ＬｏｗＰｏｗｅｒＷｉｄｅＡｒｅａ）などのネットワークであり、操作側装置１０が出力した制御指令値（トルク指令）を遠隔側装置３０へと送る。
遠隔側装置３０は、制御指令値によって遠隔操作される装置である。遠隔側装置３０には、例えば、ラボ装置３１や重機３２などが含まれ、搬送ロボットや手術ロボットや工作機器やＸＹテーブルなども含まれる。遠隔側装置３０は、例えばモータや油圧装置などのアクチュエータと、アクチュエータによって駆動される機構部分とを有する。遠隔側装置３０のアクチュエータには、駆動トルクの指令値を受けて、指令値が示す駆動トルクをアクチュエータで発生させる駆動制御部が組み込まれている。

遠隔側装置３０では、アクチュエータによる駆動の結果として機構部分に生じる角度やトルクなどがセンサで検出され、あるいは角度やトルクなどが状態量として算出されて、通信ネットワーク２０を介して操作側に、遠隔側装置３０のモニタ値として戻される。
遠隔操作系１における遠隔側装置３０の操作においては、通信ネットワーク２０の往路分の通信遅延が生じ、遠隔側装置３０の動作のモニタに際して通信ネットワーク２０の復路分の通信遅延が生じる。

図２は、本実施形態の遠隔操作系１における制御系１５０（図３）に対する比較例を示す図である。
比較例の制御系４０はフィードバック制御を実行する。
比較例の制御系４０は、操作側装置１０が有する位置制御部１５およびアクチュエータモデル１６と、遠隔側装置３０が有するアクチュエータ３５および機構部分３６と、通信ネットワーク２０とを備えている。制御系４０における制御対象は機構部分３６であり、上述したように、一例として機構部分３６の出力角度θが制御される。

制御系４０には、機構部分３６に対する制御目標として例えば角度の目標値θ^＊が入力される。位置制御部１５には、角度の目標値θ^＊と機構部分３６における出力角度θの計測値との差分が入力され、位置制御部１５は、当該差分が減少するように電流指令値Ｉ^＊を算出する。

電流指令値Ｉ^＊は、アクチュエータモデル１６を経てトルク指令値Ｔ^＊に変換され、通信ネットワーク２０を介してアクチュエータ３５に入力される。トルク指令値Ｔ^＊には、通信ネットワーク２０による通信に伴って往路の通信遅延２１が生じる。
アクチュエータ３５からはトルク指令値Ｔ^＊に等しいトルクが出力され、アクチュエータ３５の出力トルクに対して外乱トルクＴｄが付加される。外乱トルクＴｄには、遠隔側装置３０の外部から伝わる外力や、アクチュエータ３５におけるトルク指令値Ｔ^＊との誤差などが含まれる。

外乱トルクＴｄが付加されたアクチュエータ３５のトルクで機構部分３６が駆動され、機構部分３６は角度θを出力する。機構部分３６の出力角度θはセンサなどによって計測され、計測値が通信ネットワーク２０を介して操作側にフィードバックされる。出力角度θの計測値には、通信ネットワーク２０による通信に伴って復路の通信遅延２２が生じる。

上述したように、フィードバックされた出力角度θの計測値と角度の目標値θ^＊との差分が求められて位置制御部１５に入力される。
なお、上記では一例として角度制御が示されているが、遠隔操作系１における制御は、角速度や角加速度の制御でもよいし、角度と角速度との２変数制御であってもよい。

図２に示す比較例の制御系４０における伝達関数Ｇ（ｓ）は、以下に示す式（１）で表される。

但し、
ｓ：ラプラス演算子
Ｃ（ｓ）：位置制御部１５における制御モデル
Ｐ（ｓ）＝１／（Ｊｓ^２＋Ｂｓ）
Ｊ：機構部分３６の慣性
Ｂ：機構部分３６の粘性摩擦
である。

比較例の場合、伝達関数Ｇ（ｓ）の分母多項式には通信遅延項ｅ^－Ｔｓが含まれるため、通信遅延量が大きくなるほど、制御が不安定となる。また、遠隔装置３０側のアクチュエータ３５に作用する外乱トルクＴｄや、操作側における制御モデルＣ（ｓ）に含まれ得るパラメータ誤差によって、応答性の悪化や定常偏差が生じる虞がある。

そこで、本実施形態の遠隔操作系１では、以下説明する制御系１５０が用いられる。
図３は、本実施形態の遠隔操作系１における制御系１５０を示す図である。
本実施形態における制御系１５０は、操作側装置１０が有する位置制御部１５、アクチュエータモデル１６および状態予測器５１と、遠隔側装置３０が有するアクチュエータ３５、機構部分３６および外乱オブザーバ５３と、通信ネットワーク２０とを備えている。制御系１５０における制御対象はアクチュエータ３５および機構部分３６であり、上述したように、一例として機構部分３６の出力角度θが制御される。

比較例と同様に、本実施形態における制御系１５０には、機構部分３６の例えば出力角度θに対する制御目標として角度の目標値θ^＊が入力される。位置制御部１５には、角度の目標値θ^＊と出力角度の予測値θｐとの差分Ｅｓ（ｓ）が入力され、位置制御部１５は、当該差分（即ち制御の偏差）を減らすように電流指令値Ｉ^＊を算出する。

位置制御部１５から出力される電流指令値Ｉ^＊は、アクチュエータモデル１６を経てトルク指令値に変換され、通信ネットワーク２０を介して遠隔側装置３０へと送信される。通信ネットワーク２０による通信に際し、往路の通信遅延２１が生じる。
位置制御部１５は、言い換えると、通信ネットワーク２０を介して遠隔側装置３０側へと制御指令値（例えばトルク指令値）を送りフィードフォワード制御を行う。

状態予測器５１は、トルク指令値に応じた機構部分３６の状態（例えば出力角度）を機構部分３６のノミナルモデルＰｎ（ｓ）で予測して予測値θｐを出力する。状態予測器５１で予測される予測値θｐには通信遅延が生じないので、目標値θ^＊との差分Ｅｓ（ｓ）は、現状の機構部分３６で生じている目標値θ^＊からの偏差を精度よく表している。状態予測器５１による予測値θｐが差分Ｅｓ（ｓ）を介して位置制御部１５の制御に反映されることで、位置制御部１５では、現状に適う電流指令値Ｉ^＊が算出されて制御の安定化が図られる。

但し、位置制御部１５および状態予測器５１では、制御対象である機構部分３６のモデルに基づいた処理が行われるので、特に粘性摩擦Ｂが環境温度などによって変化してモデルのパラメータ誤差（即ちモデル誤差）が生じた場合、制御の過渡応答に乱れが生じる虞がある。また、遠隔側装置３０で外乱トルクＴｄなどの外乱が生じた場合には、状態予測器５１による予測にずれが生じ、制御系１５０による制御に、目標値に対する定常偏差が生じる虞がある。

そこで、本実施形態における制御系１５０には、遠隔側装置３０側に外乱オブザーバ５３が備えられ、外乱トルクＴｄの推定が行われる。

外乱オブザーバ５３で推定された外乱トルク推定値Ｔ（＾付）ｄは、通信ネットワーク２０を介して遠隔側装置３０側に送られてきたトルク指令値の修正に用いられ、修正後のトルク指令値Ｔ^＊がアクチュエータ３５に入力される。
アクチュエータ３５からはトルク指令値Ｔ^＊に等しいトルクが出力され、アクチュエータ３５の出力トルクに対して外乱トルクＴｄが付加される。アクチュエータ３５に入力されたトルク指令値Ｔ^＊は外乱トルク推定値Ｔ（＾付）ｄで修正されているので、外乱トルクＴｄの付加分はキャンセルされる。従って、制御で必要とされる正確なトルクで機構部分３６が駆動され、正確な出力角度θが得られる。

つまり、外乱オブザーバ５３は、通信ネットワーク２０の遠隔側装置３０側に設けられ、遠隔側装置３０に対する外乱と遠隔側装置３０のパラメータ誤差とを補償する。上述したように、アクチュエータ３５には、制御指令値（例えばトルク指令値）に遠隔側装置３０を追従させる駆動制御部が組み込まれており、外乱オブザーバ５３による補償はアクチュエータ３５の駆動制御部に反映される。

状態予測器５１は遠隔側の制御対象３６のノミナルモデルＰｎを用いて、フィードバック制御を安定化している。ノミナルモデルＰｎは、ノミナル慣性モーメントＪｎ、粘性摩擦係数Ｂｎから構成されており、それぞれのモデル誤差ΔＪ、ΔＢは式（２）と式（３）の関係を有する。
J = J_n + ΔJ …（２）
B = B_n + ΔB …（３）

図４は外乱オブザーバ５３のブロック図を示している。外乱オブザーバ５３は、ＬＰＦ（ＬｏｗＰａｓｓＦｉｌｔｅｒ）５５と、制御対象３６の逆モデル５６とを有する。本実施形態の外乱オブザーバ５３は微分を用いない構造になっている。
トルク指令値Ｔ*がＬＰＦ５５に入力され、角度θが逆モデル５６に入力される。逆モデル５６の出力からＬＰＦ５５の出力を引いた値が、外乱トルク推定値Ｔ（＾付）ｄとなる。尚、外乱オブザーバ５３のノミナルパラメータを決める際には、逐次最小二乗法（ＲＬＳ）や固定トレース法（ＦＴＡ）を用いて精度を高めることが好ましい。ＲＬＳはＲｅｃｕｒｓｉｖｅＬｅａｓｔＳｑｕａｒｅｓの略である。ＦＴＡはＦｉｘｅｄＴｒａｃｅＡｌｇｏｒｉｔｈｍの略である。
図４のブロック図を数式で示すと、式（４）及び式（５）となり、外乱オブザーバ５３による外乱トルク推定値Ｔ（＾付）ｄは式（６）となる。時定数τを小さくとれば、外乱トルク推定値Ｔ（＾付）ｄは外乱トルクＴｄと制御対象３６のモデル誤差ΔＪ、ΔＢから推定可能となる。推定した外乱トルクＴ（＾付）ｄをトルク指令Ｔ^＊に加算することにより、制御対象３６のモデル誤差と外乱トルクＴｄを打ち消すことが可能となる。

…（４）

…（５）

…（６）

なお、図４のＬＰＦ５５と制御対象３６の逆モデル５６の分母の（τｓ＋１）は二乗ではなく、三乗としてもよい。

本実施形態の制御系１５０においては、状態予測器５１と外乱オブザーバ５３とが操作側と遠隔側とに分かれて動作するが、状態予測器５１の機能と外乱オブザーバ５３の機能とが相乗的に働いて、制御系１５０における制御の精度向上と制御安定の効果が得られる。

１…遠隔操作系
１０…操作側装置
１１…コントローラ
１２…操作デバイス
１５…位置制御部
１６…アクチュエータモデル
２０…通信ネットワーク
２１…通信遅延
３０…遠隔側装置
３５…アクチュエータ
３６…機構部分
５１…状態予測器
５３…外乱オブザーバ
５５…ＬＰＦ
５６…制御対象の逆モデル
１５０…制御系

Claims

通信網を介して制御対象側へと制御指令値を送ってフィードフォワード制御を行う第１制御部と、
前記通信網の前記制御部側に設けられ、前記制御指令値に応じた前記制御対象の制御状態を当該制御対象のノミナルモデルで予測して前記第１制御部による制御に当該制御状態を反映させる状態予測器と、
前記通信網の前記制御対象側に設けられ、当該制御対象に対する外乱と当該制御対象のパラメータ誤差とを補償する外乱オブザーバと、
を備える制御システム。
前記第１制御部は、前記制御対象の制御目標に対する前記制御状態の偏差を減らすように制御を行う請求項１に記載の制御システム。
前記制御目標として、位置、角度、力およびトルクの少なくとも１つが用いられる請求項２に記載の制御システム。
前記第１制御部は、前記制御指令値として、トルク、力、電流および電圧の少なくとも１つを示す指令値を前記制御対象に入力する請求項３に記載の制御システム。
前記通信網の前記制御対象側に設けられ、前記制御指令値に前記制御対象を追従させ、前記外乱オブザーバによる補償が反映される第２制御部を備える請求項１～４のいずれか１項に記載の制御システム。
前記外乱オブザーバは、ＬＰＦ（ＬｏｗＰａｓｓＦｉｌｔｅｒ）と、制御対象の逆モデルとを有する請求項５に記載の制御システム。
通信網を介して制御対象側へと制御指令値を送ってフィードフォワード制御を行うステップと、
前記通信網の前記制御部側に設けられ、前記制御指令値に応じた前記制御対象の制御状態を当該制御対象のノミナルモデルで予測して前記第１制御部による制御に当該制御状態を反映させるステップと、
前記制御対象に対する外乱と当該制御対象のパラメータ誤差とを前記通信網の当該制御対象側に設けられた外乱オブザーバで補償するステップと、
を有する制御方法。