JP3341498B2 - オブザーバ制御演算装置 - Google Patents
オブザーバ制御演算装置Info
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Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明はロボットのような低剛性
な機械系を制御するディジタル制御装置にオブザーバ演
算機構を組み込む場合において、推定精度をできるだけ
落とさずに演算時間を短くでき、制振効果の安定性を高
くできるオブザーバ制御演算に関するものである。
な機械系を制御するディジタル制御装置にオブザーバ演
算機構を組み込む場合において、推定精度をできるだけ
落とさずに演算時間を短くでき、制振効果の安定性を高
くできるオブザーバ制御演算に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】ロボットの機構部のような剛性の低い機
械系の制御を行う際、振動問題の制御的解決手段の一つ
としてオブザーバ制御技術が利用されている。ロボット
のような非線形な制御対象を線形近似したモデルにオブ
ザーバを適用する際に、負荷イナーシャ値の変動による
推定精度の悪化の問題があるが、計算した負荷イナーシ
ャ値を用いて推定行列成分の変更を行えばよいことが公
知技術として知られている。また、そのようにして求め
た状態推定値をフィードバックさせる場合に、固定値あ
るいは最適レギュレータ、部分モデルマッチング法など
のゲイン決定手法が用いられている［以下、これを『従
来例１』という］。また、従来例２として特公平6-3821
2 号がある。これは、電動機の軸に、回転速度検出器及
び回転角検出器が結合されと共に減速歯車が結合され、
該減速歯車の出力軸がトルク伝達機構を介してアームを
駆動するような構造を有する産業用ロボットと、前記ア
ームの加速度指令値及び位置指令値を発生する手段と、
演算部であって、前記発生手段から加速度指令値、速度
指令値及び位置指令値から、電動機出力トルクの指令値
と、電動機回転角速度の指令値との和を算出すると共
に、電動機回転速度の指令値を算出する前記演算部と、
前記回転角速度の指令値から回転角度検出器によって検
出される電動機回転変位の出力を減算する第１減算器
と、電動機指令値を導出する第２減算器と、前記電動機
の回転子、前記減速歯車、前記トルク伝達機構及び前記
アームによって構成される軸系をばねと剛体とから成る
系と仮定し、電動機電流指令値、電動機回転変位及び電
動機回転速度から、前記ばねと剛体とから成る系のねじ
れ角度の推定値と、そのねじれ角度の時間微分値の推定
値とを求める状態観測器と、前記ねじれ角の推定値と前
記時間微分値の推定値とを加算する２つの加算器とを含
み、第２加算器は第１加算器の出力と、前記演算部から
の電動機出力トルクの指令値と電動機回転角速度の指令
値との前記和を加算し、その加算値から前記回転角度検
出器の出力と前記２つの加算器の出力とを減算して前記
電動機指令値を導出して電動機に与えることを特徴とす
る物体の位置制御装置である。
械系の制御を行う際、振動問題の制御的解決手段の一つ
としてオブザーバ制御技術が利用されている。ロボット
のような非線形な制御対象を線形近似したモデルにオブ
ザーバを適用する際に、負荷イナーシャ値の変動による
推定精度の悪化の問題があるが、計算した負荷イナーシ
ャ値を用いて推定行列成分の変更を行えばよいことが公
知技術として知られている。また、そのようにして求め
た状態推定値をフィードバックさせる場合に、固定値あ
るいは最適レギュレータ、部分モデルマッチング法など
のゲイン決定手法が用いられている［以下、これを『従
来例１』という］。また、従来例２として特公平6-3821
2 号がある。これは、電動機の軸に、回転速度検出器及
び回転角検出器が結合されと共に減速歯車が結合され、
該減速歯車の出力軸がトルク伝達機構を介してアームを
駆動するような構造を有する産業用ロボットと、前記ア
ームの加速度指令値及び位置指令値を発生する手段と、
演算部であって、前記発生手段から加速度指令値、速度
指令値及び位置指令値から、電動機出力トルクの指令値
と、電動機回転角速度の指令値との和を算出すると共
に、電動機回転速度の指令値を算出する前記演算部と、
前記回転角速度の指令値から回転角度検出器によって検
出される電動機回転変位の出力を減算する第１減算器
と、電動機指令値を導出する第２減算器と、前記電動機
の回転子、前記減速歯車、前記トルク伝達機構及び前記
アームによって構成される軸系をばねと剛体とから成る
系と仮定し、電動機電流指令値、電動機回転変位及び電
動機回転速度から、前記ばねと剛体とから成る系のねじ
れ角度の推定値と、そのねじれ角度の時間微分値の推定
値とを求める状態観測器と、前記ねじれ角の推定値と前
記時間微分値の推定値とを加算する２つの加算器とを含
み、第２加算器は第１加算器の出力と、前記演算部から
の電動機出力トルクの指令値と電動機回転角速度の指令
値との前記和を加算し、その加算値から前記回転角度検
出器の出力と前記２つの加算器の出力とを減算して前記
電動機指令値を導出して電動機に与えることを特徴とす
る物体の位置制御装置である。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】ところが、従来例１に
おいて、短い時間間隔でそのときどきの動作姿勢に応じ
た負荷イナーシャ値を計算して、その負荷イナーシャ計
算値に応じて推定行列を計算し直すと、膨大な計算量の
ために、演算時間が不足する。また、フィードバックゲ
インが固定値では負荷イナーシャ値によっては逆効果に
なることもがあるため、制振効果の安定性が低くなる。
従って、最適レギュレータなどのゲイン決定法により、
適切なフィードバックゲインを求めてゆく必要がある
が、同様に計算量が多く、演算時間が不足する。現状の
ディジタル制御装置に、新たにオブザーバ制御演算機構
を組み込む場合など、演算時間の余裕がなく、従来技術
では事実上、実現不可能であった。また、従来例２では
一応ロボットの機械系からの回転角度検出器出力によ
る、変位と変位速度を導入する状態観測器を適用して速
度に関するフィードバック制御を行ってはいるが、従来
例１で述べたような相当量の演算を必要とし、設備の膨
大化は避けられないという欠点があった。ここにおい
て、本発明は、現実的な産業用ロボット等に適用して有
効適切な手法として、オブザーバ推定行列計算時の離散
化手段を巧みに駆使し、各従来例の問題点を払拭したオ
ブザーバ制御演算装置を提供することを目的とする。
おいて、短い時間間隔でそのときどきの動作姿勢に応じ
た負荷イナーシャ値を計算して、その負荷イナーシャ計
算値に応じて推定行列を計算し直すと、膨大な計算量の
ために、演算時間が不足する。また、フィードバックゲ
インが固定値では負荷イナーシャ値によっては逆効果に
なることもがあるため、制振効果の安定性が低くなる。
従って、最適レギュレータなどのゲイン決定法により、
適切なフィードバックゲインを求めてゆく必要がある
が、同様に計算量が多く、演算時間が不足する。現状の
ディジタル制御装置に、新たにオブザーバ制御演算機構
を組み込む場合など、演算時間の余裕がなく、従来技術
では事実上、実現不可能であった。また、従来例２では
一応ロボットの機械系からの回転角度検出器出力によ
る、変位と変位速度を導入する状態観測器を適用して速
度に関するフィードバック制御を行ってはいるが、従来
例１で述べたような相当量の演算を必要とし、設備の膨
大化は避けられないという欠点があった。ここにおい
て、本発明は、現実的な産業用ロボット等に適用して有
効適切な手法として、オブザーバ推定行列計算時の離散
化手段を巧みに駆使し、各従来例の問題点を払拭したオ
ブザーバ制御演算装置を提供することを目的とする。
【０００４】
【課題を解決するための手段】本発明では上記課題を解
決するために、２軸以上の複数の制御軸を有する制御対
象に対し、各軸回りの負荷イナーシャ値を計算する演算
機構と、前記負荷イナーシャ計算値を用いて制御系の状
態変数を推定するためのオブザーバ推定行列を計算する
演算機構と、前記負荷イナーシャ計算値を用いて状態変
数の推定値のフィードバックゲインを計算する演算機構
と、前記オブザーバ推定行列計算値と前記フィードバッ
クゲインの転送手段と、オブザーバ推定行列計算値を用
いて状態変数の推定を行うオブザーバ演算機構を持つオ
ブザーバ制御演算装置において、オブザーバ推定行列計
算時の離散化を状態方程式の段階で１次で終了させる手
段と、前記離散化を１次で終了させることにより負荷イ
ナーシャに無関係となる行列成分と定数をあらかじめ計
算しておく手段とから構成されたオブザーバ制御演算装
置であり、そして状態推定値のフィードバックゲインは
負荷イナーシャ値の有理関数で近似し、必要精度に応じ
て代表点を増減して演算し、オブザーバ演算機構は位
置、速度ループのサンプリング時間と独立にサンプリン
グ時間を設定するオブザーバ制御演算装置であり、また
オブザーバ制御演算装置において、状態推定値のフィー
ドバックゲインは負荷イナーシャ値の有理関数で近似
し、必要精度に応じて代表点を増減して演算する前項に
記載のオブザーバ制御演算装置であり、さらにオブザー
バ制御演算装置において、コントローラ上位側でロボッ
トの手先目標値から、各軸の関節角指令値を求め、これ
をコントローラ下位側に転送し、各軸の位置、速度のフ
ィードバック制御を行うディジタル制御装置に、オブザ
ーバ制御演算装置を接続し、オブザーバ制御演算装置の
上位側では、各軸の関節角をもとに負荷イナーシャ演算
機構で負荷イナーシャ値を求め、それを使ってオブザー
バ推定行列演算機構とフィードバックゲイン演算機構
で、それぞれオブザーバ推定行列とねじれ角フィードバ
ックゲインおよび負荷速度フィードバックゲインを求
め、それをオブザーバ制御演算装置の下位側に転送する
と共に、オブザーバ制御演算装置の下位側では、上位側
から転送されたオブザーバ推定行列とねじれ角フィード
バックゲイン、負荷速度フィードバックゲインとコント
ローラ下位側から速度信号とトルク指令を受け取り、位
置・速度ループのサンプリング時間とは独立に、ねじれ
角及び負荷速度の推定を行い、それぞれのフィードバッ
クゲインと乗算し、位置・速度ループから出力されたト
ルク指令値から減算する第１の項または第２の項に記載
のオブザーバ制御演算装置であり、さらにまた制御対象
は、ロボットである第１の項ないし第３の項のいずれか
の項に記載のオブザーバ制御演算装置である。
決するために、２軸以上の複数の制御軸を有する制御対
象に対し、各軸回りの負荷イナーシャ値を計算する演算
機構と、前記負荷イナーシャ計算値を用いて制御系の状
態変数を推定するためのオブザーバ推定行列を計算する
演算機構と、前記負荷イナーシャ計算値を用いて状態変
数の推定値のフィードバックゲインを計算する演算機構
と、前記オブザーバ推定行列計算値と前記フィードバッ
クゲインの転送手段と、オブザーバ推定行列計算値を用
いて状態変数の推定を行うオブザーバ演算機構を持つオ
ブザーバ制御演算装置において、オブザーバ推定行列計
算時の離散化を状態方程式の段階で１次で終了させる手
段と、前記離散化を１次で終了させることにより負荷イ
ナーシャに無関係となる行列成分と定数をあらかじめ計
算しておく手段とから構成されたオブザーバ制御演算装
置であり、そして状態推定値のフィードバックゲインは
負荷イナーシャ値の有理関数で近似し、必要精度に応じ
て代表点を増減して演算し、オブザーバ演算機構は位
置、速度ループのサンプリング時間と独立にサンプリン
グ時間を設定するオブザーバ制御演算装置であり、また
オブザーバ制御演算装置において、状態推定値のフィー
ドバックゲインは負荷イナーシャ値の有理関数で近似
し、必要精度に応じて代表点を増減して演算する前項に
記載のオブザーバ制御演算装置であり、さらにオブザー
バ制御演算装置において、コントローラ上位側でロボッ
トの手先目標値から、各軸の関節角指令値を求め、これ
をコントローラ下位側に転送し、各軸の位置、速度のフ
ィードバック制御を行うディジタル制御装置に、オブザ
ーバ制御演算装置を接続し、オブザーバ制御演算装置の
上位側では、各軸の関節角をもとに負荷イナーシャ演算
機構で負荷イナーシャ値を求め、それを使ってオブザー
バ推定行列演算機構とフィードバックゲイン演算機構
で、それぞれオブザーバ推定行列とねじれ角フィードバ
ックゲインおよび負荷速度フィードバックゲインを求
め、それをオブザーバ制御演算装置の下位側に転送する
と共に、オブザーバ制御演算装置の下位側では、上位側
から転送されたオブザーバ推定行列とねじれ角フィード
バックゲイン、負荷速度フィードバックゲインとコント
ローラ下位側から速度信号とトルク指令を受け取り、位
置・速度ループのサンプリング時間とは独立に、ねじれ
角及び負荷速度の推定を行い、それぞれのフィードバッ
クゲインと乗算し、位置・速度ループから出力されたト
ルク指令値から減算する第１の項または第２の項に記載
のオブザーバ制御演算装置であり、さらにまた制御対象
は、ロボットである第１の項ないし第３の項のいずれか
の項に記載のオブザーバ制御演算装置である。
【０００５】
【作用】本発明は上記したオブザーバ制御演算方法によ
り、推定精度をできるだけ落とさずに演算時間を短くで
き、制振効果の安定性を高くできるオブザーバ制御演算
装置を得ることができる。
り、推定精度をできるだけ落とさずに演算時間を短くで
き、制振効果の安定性を高くできるオブザーバ制御演算
装置を得ることができる。
【０００６】
【実施例】以下、本発明の一実施例を図面に基づいて説
明する。図１は本発明のオブザーバ制御演算装置の回路
構成を示すブロック図である。図１図中で使用した記号
は次の［数１］通りとし、右上の添字は時間微分の回数
を示すものとする。
明する。図１は本発明のオブザーバ制御演算装置の回路
構成を示すブロック図である。図１図中で使用した記号
は次の［数１］通りとし、右上の添字は時間微分の回数
を示すものとする。
【数１】 このロボットのディジタル制御装置での一実施例では、
コントローラ上位側２ａでロボット１の手先目標値21か
ら、これらを逆変換し各軸の関節角指令値22を求め、こ
れをコントローラ下位側２ｂに転送し、各軸の位置、速
度のフィードバック制御を行うディジタル制御装置２
に、オブザーバ制御演算装置３を接続して構成されてい
る。
コントローラ上位側２ａでロボット１の手先目標値21か
ら、これらを逆変換し各軸の関節角指令値22を求め、こ
れをコントローラ下位側２ｂに転送し、各軸の位置、速
度のフィードバック制御を行うディジタル制御装置２
に、オブザーバ制御演算装置３を接続して構成されてい
る。
【０００７】 すなわち、オブザーバ制御演算装置３の
上位側では、各軸の関節角22を基にに負荷イナーシャ演
算機構31で負荷イナーシャ値ＪL を求め、そのＪL を使
ってオブザーバ推定行列演算機構32とフィードバックゲ
イン演算機構33でそれぞれ、オブザーバ推定行列Ｊ、
Ｆ、Ｇ、Ｌ、とねじれ角フィードバックゲインおよび負
荷速度フィードバックゲインを求め、それをオブザーバ
制御演算装置３の下位側に転送する。オブザーバ制御演
算装置の下位側では、上位側から転送されたオブザーバ
推定行列とねじれ角フィードバックゲイン、負荷速度フ
ィードバックゲインとコントローラ下位側から速度信号
28とトルク指令29を受け取り、位置・速度ループ24のサ
ンプリング時間とは独立に、ねじれ角及び負荷速度の推
定を行い、それぞれのフィードバックゲインと乗算し、
位置・速度ループから出力されたトルク指令値29から減
算25した値とトルク定数30を乗算することで、各軸の電
流指令Ｉ1 、Ｉ2 、…、Ｉn となる。なお、26は位置信
号27から速度信号へ変換する変換手段である。また、負
荷イナーシャ演算に関節角22を用いているが、位置信号
27を用いてもよい。
上位側では、各軸の関節角22を基にに負荷イナーシャ演
算機構31で負荷イナーシャ値ＪL を求め、そのＪL を使
ってオブザーバ推定行列演算機構32とフィードバックゲ
イン演算機構33でそれぞれ、オブザーバ推定行列Ｊ、
Ｆ、Ｇ、Ｌ、とねじれ角フィードバックゲインおよび負
荷速度フィードバックゲインを求め、それをオブザーバ
制御演算装置３の下位側に転送する。オブザーバ制御演
算装置の下位側では、上位側から転送されたオブザーバ
推定行列とねじれ角フィードバックゲイン、負荷速度フ
ィードバックゲインとコントローラ下位側から速度信号
28とトルク指令29を受け取り、位置・速度ループ24のサ
ンプリング時間とは独立に、ねじれ角及び負荷速度の推
定を行い、それぞれのフィードバックゲインと乗算し、
位置・速度ループから出力されたトルク指令値29から減
算25した値とトルク定数30を乗算することで、各軸の電
流指令Ｉ1 、Ｉ2 、…、Ｉn となる。なお、26は位置信
号27から速度信号へ変換する変換手段である。また、負
荷イナーシャ演算に関節角22を用いているが、位置信号
27を用いてもよい。
【０００８】 具体的に、数式を用いて説明する。以下
使用する記号は次の通りとする。 この連続系の状態方程式に対し、離散化を施すと、次の
ようになる。 一般的にはＡd、Ｂdの値が十分収束するようにＮを大き
くとるが、本発明では、Ｎ＝１で離散化を終了させるこ
とによって、Ａd、Ｂdを次のように求める。 この離散化状態方程式に対し、例えば「線形制御系の設
計理論（計測自動制御学会編；１９７８）」で述べられ
ているように最小次元オブザーバを設計すると、次のよ
うになる。
使用する記号は次の通りとする。 この連続系の状態方程式に対し、離散化を施すと、次の
ようになる。 一般的にはＡd、Ｂdの値が十分収束するようにＮを大き
くとるが、本発明では、Ｎ＝１で離散化を終了させるこ
とによって、Ａd、Ｂdを次のように求める。 この離散化状態方程式に対し、例えば「線形制御系の設
計理論（計測自動制御学会編；１９７８）」で述べられ
ているように最小次元オブザーバを設計すると、次のよ
うになる。
【０００９】 ここで使用されている行列Ｊ、Ｆ、Ｇ、
Ｌは図１のものと同じである。具体的に、Ｊ、Ｆ、Ｇ、
Ｌの行列成分を書き出すと、次の［数６］ように、負荷
イナーシャに無関係な行列成分（Ｊ1 、Ｆ11、Ｆ12、Ｆ
21、Ｆ22、Ｇ2 、Ｌ1 ）とそうでないものとに分けるこ
とができる。ただし、α1 、α2 、α3 、β1 、β2 は
定数。
Ｌは図１のものと同じである。具体的に、Ｊ、Ｆ、Ｇ、
Ｌの行列成分を書き出すと、次の［数６］ように、負荷
イナーシャに無関係な行列成分（Ｊ1 、Ｆ11、Ｆ12、Ｆ
21、Ｆ22、Ｇ2 、Ｌ1 ）とそうでないものとに分けるこ
とができる。ただし、α1 、α2 、α3 、β1 、β2 は
定数。
【数６】 負荷イナーシャに無関係な行列成分と定数はあらかじめ
計算しておくことで、リアルタイム演算量が極めて少な
いオブザーバ推定行列を得ることができる。次に、状態
推定値のフィードバックゲインの計算について述べる。
あらかじめいくつかの負荷イナーシャ値（ＪL1、
ＪL2、．．．、ＪLm）における適切なフィードバックゲ
イン列（｛Ｋθs1，ＫωL1｝、｛Ｋθs1，Ｋ
ωL2｝、．．．、｛Ｋθsm，ＫωLm｝）を実験、シミュ
レーション、あるいは最適レギュレータ、部分モデルマ
ッチングなどの方法で求めておく。ロボットの実動作時
には、逐次計算される負荷イナーシャ値をもとに、例え
ば次の［数７］ような１次のラグランジェ補間を行うこ
とで、そのときどきの負荷イナーシャにおけるフィード
バックゲインを求める。
計算しておくことで、リアルタイム演算量が極めて少な
いオブザーバ推定行列を得ることができる。次に、状態
推定値のフィードバックゲインの計算について述べる。
あらかじめいくつかの負荷イナーシャ値（ＪL1、
ＪL2、．．．、ＪLm）における適切なフィードバックゲ
イン列（｛Ｋθs1，ＫωL1｝、｛Ｋθs1，Ｋ
ωL2｝、．．．、｛Ｋθsm，ＫωLm｝）を実験、シミュ
レーション、あるいは最適レギュレータ、部分モデルマ
ッチングなどの方法で求めておく。ロボットの実動作時
には、逐次計算される負荷イナーシャ値をもとに、例え
ば次の［数７］ような１次のラグランジェ補間を行うこ
とで、そのときどきの負荷イナーシャにおけるフィード
バックゲインを求める。
【数７】
【００１０】 図３のように、得られた適切なフィード
バックゲイン列（｛Ｋθs1，ＫωL1｝、｛Ｋθs2，Ｋω
L2｝、．．．、｛Ｋθsm，ＫωLm｝）で適切なフィード
バックゲイン曲線を多項式補間で近似する際、分割点ｍ
の数によっては精度の悪い近似となってしまうことがあ
り、制振効果の不安定あるいは発振現象などの問題を引
き起こす。本発明では、フィードバックゲイン演算機構
に、得られた適切なフィードバックゲイン曲線の形に応
じて、分割点の数をパラメータで可変にする構造をもた
せる。これによって、本発明においては図４のように適
切なフィードバックゲイン曲線を高い精度で近似でき
る。
バックゲイン列（｛Ｋθs1，ＫωL1｝、｛Ｋθs2，Ｋω
L2｝、．．．、｛Ｋθsm，ＫωLm｝）で適切なフィード
バックゲイン曲線を多項式補間で近似する際、分割点ｍ
の数によっては精度の悪い近似となってしまうことがあ
り、制振効果の不安定あるいは発振現象などの問題を引
き起こす。本発明では、フィードバックゲイン演算機構
に、得られた適切なフィードバックゲイン曲線の形に応
じて、分割点の数をパラメータで可変にする構造をもた
せる。これによって、本発明においては図４のように適
切なフィードバックゲイン曲線を高い精度で近似でき
る。
【００１１】 以上の方法で、コントローラ上位側の演
算周期毎に得られる各軸毎のオブザーバ推定行列（Ｊ、
Ｆ、Ｇ、Ｌ）とフィードバックゲイン（Ｋθs 、Ｋ
ωL ）を所定の転送方法でコントローラ下位側が受け取
り、コントローラ下位側で状態推定演算を行う。その場
合、すでに位置・速度ループ演算や各種アラーム検出処
理のために、コントローラ下位側のＣＰＵがサンプリン
グ時間内で使用できる演算時間が短く、同じサンプリン
グ周期ではオブザーバの演算が終了できない場合があ
る。
算周期毎に得られる各軸毎のオブザーバ推定行列（Ｊ、
Ｆ、Ｇ、Ｌ）とフィードバックゲイン（Ｋθs 、Ｋ
ωL ）を所定の転送方法でコントローラ下位側が受け取
り、コントローラ下位側で状態推定演算を行う。その場
合、すでに位置・速度ループ演算や各種アラーム検出処
理のために、コントローラ下位側のＣＰＵがサンプリン
グ時間内で使用できる演算時間が短く、同じサンプリン
グ周期ではオブザーバの演算が終了できない場合があ
る。
【００１２】 このような問題に対し、本発明では位置
・速度ループのサンプリング時間とは独立にオブザーバ
演算用のサンプリング時間を設け、コントローラ下位側
ＣＰＵのわずかな空き時間にすこしずつオブザーバ演算
を行う。これを図５のタイムチャートに示す。図５中、
iは位置・速度ループのサンプリング時間、Ｐ(i) 、Ｐ
(i+1) 、．．．は位置・速度ループ演算や各種アラーム
演算処理に使用する時間、ｋはオブザーバのサンプリン
グ時間、Ｏ(k) 、Ｏ(k)i+1、．．．はオブザーバ演算に
使用する時間を示す。
・速度ループのサンプリング時間とは独立にオブザーバ
演算用のサンプリング時間を設け、コントローラ下位側
ＣＰＵのわずかな空き時間にすこしずつオブザーバ演算
を行う。これを図５のタイムチャートに示す。図５中、
iは位置・速度ループのサンプリング時間、Ｐ(i) 、Ｐ
(i+1) 、．．．は位置・速度ループ演算や各種アラーム
演算処理に使用する時間、ｋはオブザーバのサンプリン
グ時間、Ｏ(k) 、Ｏ(k)i+1、．．．はオブザーバ演算に
使用する時間を示す。
【００１３】この例では、位置・速度ループの５サンプ
リングにオブザーバが１サンプリングの時間割り当てと
なっている。式（13）、（14）、（15）を１オブザーバ
サンプリング時間毎に行うが、Ｏ(k)i、
Ｏ(k)i+1、．．．が図のようにばらばらであるため、式
（13）、（14）、（15）をそれぞれのＯ(k) に合わせて
分割して演算させる。
リングにオブザーバが１サンプリングの時間割り当てと
なっている。式（13）、（14）、（15）を１オブザーバ
サンプリング時間毎に行うが、Ｏ(k)i、
Ｏ(k)i+1、．．．が図のようにばらばらであるため、式
（13）、（14）、（15）をそれぞれのＯ(k) に合わせて
分割して演算させる。
【００１４】
【発明の効果】以上説明したように本発明では、２軸以
上の複数の制御軸を有する制御対象に対し、各軸回りの
負荷イナーシャ値を計算する演算機構と、前記負荷イナ
ーシャ計算値を用いて制御系の状態変数を推定するため
のオブザーバ推定行列を計算する演算機構と、前記負荷
イナーシャ計算値を用いて状態変数の推定値のフィード
バックゲインを計算する演算機構と、前記オブザーバ推
定行列計算値と前記フィードバックゲインの転送手段
と、オブザーバ推定行列計算値を用いて状態変数の推定
を行うオブザーバ演算機構を持つディジタル制御装置に
おいて、オブザーバ推定行列計算時の離散化を状態方程
式の段階で１次で終了させ、状態推定値のフィードバッ
クゲインは負荷イナーシャ値の有理関数で近似し、必要
精度に応じて代表点を増減して演算し、オブザーバ演算
機構は位置、速度ループのサンプリング時間と独立にサ
ンプリング時間を設定することにより、推定精度をでき
るだけ落とさずに演算時間を短くでき、制振効果の安定
性を高くできるオブザーバ制御演算装置を得ることが可
能という特段の効果を奏することができる。例えば、産
業用ロボットのような非線型の制御対象に適用すれば理
想的なオブザーバ演算による制御が行える。
上の複数の制御軸を有する制御対象に対し、各軸回りの
負荷イナーシャ値を計算する演算機構と、前記負荷イナ
ーシャ計算値を用いて制御系の状態変数を推定するため
のオブザーバ推定行列を計算する演算機構と、前記負荷
イナーシャ計算値を用いて状態変数の推定値のフィード
バックゲインを計算する演算機構と、前記オブザーバ推
定行列計算値と前記フィードバックゲインの転送手段
と、オブザーバ推定行列計算値を用いて状態変数の推定
を行うオブザーバ演算機構を持つディジタル制御装置に
おいて、オブザーバ推定行列計算時の離散化を状態方程
式の段階で１次で終了させ、状態推定値のフィードバッ
クゲインは負荷イナーシャ値の有理関数で近似し、必要
精度に応じて代表点を増減して演算し、オブザーバ演算
機構は位置、速度ループのサンプリング時間と独立にサ
ンプリング時間を設定することにより、推定精度をでき
るだけ落とさずに演算時間を短くでき、制振効果の安定
性を高くできるオブザーバ制御演算装置を得ることが可
能という特段の効果を奏することができる。例えば、産
業用ロボットのような非線型の制御対象に適用すれば理
想的なオブザーバ演算による制御が行える。
【図１】本発明のオブザーバ制御演算装置を含むロボッ
トコントローラの一実施例の回路構成を示すブロック図
トコントローラの一実施例の回路構成を示すブロック図
【図２】ロボット動特性の説明図。
【図３】適切なフィードバックゲイン曲線の粗い近似例
［従来例］
［従来例］
【図４】本発明における適切なフィードバックゲイン曲
線の高精度な近似例
線の高精度な近似例
【図５】図１における実施例のコントローラ下位側ＣＰ
Ｕ［中央処理装置］のタイムチャート
Ｕ［中央処理装置］のタイムチャート
１ ロボット ２ 既存のディジタル制御装置 ２ａ コントローラ上位側 ２ｂ コントローラ下位側 21 ロボットの手先目標値 22 逆変換 231 第１番目のフィードバック制御部 232 第２番目のフィードバック制御部 23n 第ｎ番目のフィードバック制御部 24 位置・速度ループ 25 減算器 26 位置信号を速度信号に変換する手段 27 位置信号 28 速度指令 29 トルク指令 ３ オブザーバ制御演算装置 30 トルク定数 31 負荷イナーシャ演算装置 32 オブザーバ推定行列演算機構 33 フィードバックゲイン演算機構 34 オブザーバ演算機構
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平６−284763（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−115189（ＪＰ，Ａ) 特開 昭63−58504（ＪＰ，Ａ) 特開 昭61−163406（ＪＰ，Ａ) 美多 勉、他２名，基礎ディジタル制 御，日本，株式会社コロナ社，1988年 １月20日，初版，ｐ．166−169 (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) G05B 13/02 B25J 9/16 G05D 3/12
Claims (4)
- 【請求項１】２軸以上の複数の制御軸を有する制御対象
に対し、各軸回りの負荷イナーシャ値を計算する演算機
構と、前記負荷イナーシャ計算値を用いて制御系の状態
変数を推定するためのオブザーバ推定行列を計算する演
算機構と、前記負荷イナーシャ計算値を用いて状態変数
の推定値のフィードバックゲインを計算する演算機構
と、前記オブザーバ推定行列計算値と前記フィードバッ
クゲインの転送手段と、オブザーバ推定行列計算値を用
いて状態変数の推定を行うオブザーバ演算機構を持つオ
ブザーバ制御演算装置において、 オブザーバ推定行列計算時の離散化を状態方程式の段階
で１次で終了させる手段と、 前記離散化を１次で終了させることにより負荷イナーシ
ャに無関係となる行列成分と定数をあらかじめ計算して
おく手段とから構成されたことを特徴とするオブザーバ
制御演算装置。 - 【請求項２】 前記オブザーバ制御演算装置において、
状態推定値のフィードバックゲインは負荷イナーシャ値
の有理関数で近似し、必要精度に応じて代表点を増減し
て演算することを特徴とする請求項１記載のオブザーバ
制御演算装置。 - 【請求項３】 前記オブザーバ制御演算装置において、
コントローラ上位側でロボットの手先目標値から、各軸
の関節角指令値を求め、これをコントローラ下位側に転
送し、各軸の位置、速度のフィードバック制御を行うデ
ィジタル制御装置に、オブザーバ制御演算装置を接続
し、オブザーバ制御演算装置の上位側では、各軸の関節
角をもとに負荷イナーシャ演算機構で負荷イナーシャ値
を求め、それを使ってオブザーバ推定行列演算機構とフ
ィードバックゲイン演算機構で、それぞれオブザーバ推
定行列とねじれ角フィードバックゲインおよび負荷速度
フィードバックゲインを求め、それをオブザーバ制御演
算装置の下位側に転送すると共に、オブザーバ制御演算
装置の下位側では、上位側から転送されたオブザーバ推
定行列とねじれ角フィードバックゲイン、負荷速度フィ
ードバックゲインとコントローラ下位側から速度信号と
トルク指令を受け取り、位置・速度ループのサンプリン
グ時間とは独立に、ねじれ角及び負荷速度の推定を行
い、それぞれのフィードバックゲインと乗算し、位置・
速度ループから出力されたトルク指令値から減算するこ
とを特徴とする請求項１または請求項２記載のオブザー
バ制御演算装置。 - 【請求項４】 前記制御対象は、ロボットであることを
特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれかの項に記
載のオブザーバ制御演算装置。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP28278494A JP3341498B2 (ja) | 1994-10-21 | 1994-10-21 | オブザーバ制御演算装置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP28278494A JP3341498B2 (ja) | 1994-10-21 | 1994-10-21 | オブザーバ制御演算装置 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH08123508A JPH08123508A (ja) | 1996-05-17 |
| JP3341498B2 true JP3341498B2 (ja) | 2002-11-05 |
Family
ID=17657043
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP28278494A Expired - Fee Related JP3341498B2 (ja) | 1994-10-21 | 1994-10-21 | オブザーバ制御演算装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3341498B2 (ja) |
-
1994
- 1994-10-21 JP JP28278494A patent/JP3341498B2/ja not_active Expired - Fee Related
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| 美多 勉、他２名，基礎ディジタル制御，日本，株式会社コロナ社，１９８８年 １月２０日，初版，ｐ．１６６−１６９ |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH08123508A (ja) | 1996-05-17 |
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