JP3582676B2

JP3582676B2 - サーボ系の制御ゲイン調整装置およびその調整方法

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Publication number: JP3582676B2
Application number: JP28524495A
Authority: JP
Inventors: 信弘梅田; 龍一小黒; 正夫尾島
Original assignee: Yaskawa Electric Corp
Current assignee: Yaskawa Electric Corp
Priority date: 1995-11-01
Filing date: 1995-11-01
Publication date: 2004-10-27
Anticipated expiration: 2015-11-01
Also published as: JPH09131087A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、サーボモータを駆動源とする産業用ロボットまたはＮＣ（数値制御）において、サーボ系の制御ゲインを自動的に調整する装置およびその調整方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
産業用ロボットやＮＣの動力源となっているサーボモータのフィードバック制御には、一般に比例積分制御が用いられる。この場合、要求の応答性、安定性を満足させるには適切な制御ゲインの設定が必要である。しかし、多軸になれば、状態変化による負荷変動、各軸の相互干渉や要求仕様による制御ゲインの制約等から、理論通りには設定できない。そのため、従来は作業者がオーバーシュート、速度リップル等の特徴量を観測し、試行錯誤で変更していた。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の制御装置では、制御ゲインの設定に時間がかかる上、作業者の経験に頼るところが大きく、状況に応じた設定変更などが困難であった。本発明が解決すべき課題は、制御ゲインを状況に応じて自動的に高速かつ最適に調整することにある。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため本発明のサーボ系の制御ゲイン調整装置は、サーボモータを動力源とし、フィードバック制御を用いて位置および速度の制御を行なうサーボ系の制御装置において、負荷を考慮した制御対象の近似モデルの応答と規範とする応答モデルとの応答偏差を評価値とする評価関数比較手段と、前記評価関数の評価値をもとに制御ゲインを調整する手段と、基準範囲内の応答が得られた場合に、前記サーボモータを制御するコントローラの出力信号を前記近似モデルから制御対象側へ切り換える手段とを備え、さらに制御対象と負荷を考慮した制御対象の近似モデルとに同一の指令を与え、その応答偏差により近似モデルの各パラメータを修正するモデル同定部と、モータに結合された減速機で生じるねじり角およびねじり角速度の状態推定量をフィードバックする状態量推定器を備える。
【０００５】
また、本発明のサーボ系の制御ゲイン調整方法は、調整する制御ゲインをそれぞれ記号列に変換し、前記記号列をつなぎ合わせたものを制御ゲインおよびその組合せを表すコード列とするとき、前記調整する制御ゲインの選択および調整条件を入力する第１工程と、前記調整条件に応じて解候補となるコード列の初期集団を生成する第２工程と、前記各コード列について、制御ゲインへのデコードを行ない、前記制御ゲインにより得られた応答から評価値を求める第３工程と、前記評価値に応じて各候補（Ｍ）の選択確率を計算し、選択確率により重複を含んでＭ／２組の組み合わせを決定し、各ペアで交叉位置をランダムに決定し、決定された交叉位置で各ぺアの前後のコード列を入れ換え、Ｍ個の新しい解候補となるコード列を生成する交叉操作と、突然変異確率に従い、各コード列について、ランダムに突然変異の発生位置を宣言し、突然変位の発生を宣言された位置のビットを反転させる突然変異操作を施し、生成されたＭ個の子のコード列を次の世代のコード列群とする子となる解候補コード列を生成する第４工程と、収束を判定する第５工程とを有し、前記第３工程から第５工程を繰り返し実行することによって、制御ゲインの最適化を行なうものである。
【０００６】
【発明の実施の態様】
図１は本発明の制御ゲイン調整装置の構成を示すブロック図である。同図において、１はサーボシステム、２はサーボシステム１のコントローラ、３は近似モデル、４はモデル同定部、５は制御ゲイン調整装置、７は規範応答モデル、８は評価値演算部である。
本発明は、図１に示すように、近似モデル３を作成するためのモデル同定部４と遺伝的アルゴリズムの手法を用いて制御ゲインの自動調整を行なう制御ゲイン調整装置５を有する。
モデル同定部４に関しては、調整を行なうに妥当なモデルを近似モデル３に予め設定しておき、未知の定数のみを最小二乗法等により同定する。
制御ゲイン調整装置５については、図３に示すように、調整する制御ゲインの選択および調整条件を入力する第１工程と、前記調整条件に応じて解候補となるコード列の初期集団を生成する第２工程と、前記各コード列について、制御ゲインへのデコードを行ない、前記制御ゲインにより得られた応から評価値を求める第３工程と、前記評価値に応じて各コード列に対して遺伝的アルゴリズムに基づく遺伝子操作を施し、子となる解候補コード列を生成する第４工程と、収束を判定する第５工程とを有し、前記第３工程から第５工程を繰り返し実行することによって、制御ゲインの最適化を行なう。
また、調整中は制御対象を近似した近似モデル３を用い、安全に調整を行ない、最適化終了後にコントローラ２の出力信号を制御対象側へ切り替え、通常運転に入る。
前記の調整装置および調整方法により、局所解に陥ることなく、しかも高速にサーボ系の制御ゲインを最適に調整できる。
【０００７】
【実施例】
以下、本発明の実施例について詳細に説明する。
〔実施例１〕
本発明の実施例１では、一般的なサーボ系の制御ゲイン調整について説明する。ここでは、速度ループ積分型のＰＩ制御の場合の制御ゲインとして、位置ループゲインＫ_ｐ、速度ループゲインＫ_ｖ、速度ループ積分ゲインＫ_ｉの調整について述べる。また、図１の近似モデル３については妥当なモデル化ができているものとする。この妥当なモデル化とは、例えば各軸を２慣性系に近似し、各々の干渉を考慮したモデル化で、２軸で表せば後述の数２の状態方程式のようになる。
図２に本発明の実施例の制御ゲイン調整装置５を持った制御系の構成を示すブロック図を示す。また、本発明の制御ゲイン調整方法の手順を説明するフローチャートを図３に示す。
【０００８】
まず、はじめに条件の入力を行ない（第１工程）、初期集団を作成する（第２工程）。各制御ゲインの下限値と必要あるいは設定できる数値の刻みを基にしたスケーリングと２進数変換により各制御ゲインをコード化し、この制御ゲインを表すビット列をつなぎ合わせたものをーつの制御ゲインの組み合わせ候補となるコード列とする。本実施例では各ビットをランダムに設定したコード列をＭ個発生させ初期集団としている。
次に、各コード列をデコードした制御ゲインにより応答シミュレーションを行ない、前記各候補の評価値を求める（第３工程）。本実施例では、位置ステップ指令に対する評価用近似モデル３の応答を予め設定した理想の規範応答モデル７と比較している。評価値Ｖ_ｉについては次の評価関数により求めている。
【数１】

ここで、Ｎは評価する状態変数の数、Ｔは評価時間、Ｘ_ｊは近似モデルの状態変数（位置、速度等）、Ｘ_{ｊｍｏｄｅｌ}は理想モデルの状態変数、Ｋ_ｉは各評価変数の重みを表している。
【０００９】
次に、評価値Ｖ_ｉを基に次式のように各候補の選択確率Ｐ_ｉを計算する。
Ｐ_ｉ＝１／Ｖ_ｉ
この選択確率に従って、重複を含みながらＭ／２組のコード列の対を作り、交叉、突然変異の遺伝的操作を行なう。
交叉については図４、図５に、突然変異については図６、図７に、処理を説明するフローチャートと処理のイメージを示す。
【００１０】
図４および図５について、交叉の場合の処理を説明する。すなわち、選択確率により重複を含んでＭ／２組の組合せを決定する（ステップ２１０、図５（ａ））。次に、各ペアで交叉位置をランダムに決定する（ステップ２２０、図５（ｂ））。次いで、決定された交叉位置で各ペアの前後のコード列を入れ替える（ステップ２３０、図５（ｃ））。最後に、Ｍ個の新しい解候補となるコード列を生成する（ステップ２４０）。
次に、図６および図７について、突然変異の場合の処理を説明する。すなわち、突然変異確率に従い、各コード列（図７（ａ））について、ランダムに突然変異の発生位置を宣言する（ステップ３１０、図７（ｂ））。次に、突然変異の発生を宣言された位置のビットを反転させる（ステップ３２０、図７（ｃ））。
このようにして生成されたＭ個の子のコード列を次の世代のコード列群とする（図３第４工程）。その後、設定しておいた条件により、収束の判定を行なう（第５工程）。第３工程から第５工程の作業を繰り返すことにより制御ゲインが最適化される。決定された制御ゲインをコントローラ２’に設定する。最後に、コントローラ２’の出力信号を制御対象側に切り換え、通常の運転に入る。
【００１１】
〔実施例２〕
本発明の実施例２では、２軸ロボットの制御ゲイン調整について説明する。図８にモデルの外観図を示す。近似モデルは、２軸ロボットアームを、べース１１→モータ１２→減速機１３−剛体アーム１４→モータ１５→剛体アーム１６→負荷１７の結合とし、モータ１２、１５と減速機１３、１８の間はバネとダンパで結合、その他の部分は剛体結合としている。また、２軸間には干渉があるものとしている。この近似モデル３の状態方程式を次のように表す。ここで、１軸目をＬ軸、２軸目をＵ軸としておく。
【数２】

ただし、θ_ｍＬ，θ_ｍＵをモータ角度、θ_ＳＬ，θ_ＳＵをねじり角、Ｊ_ｍＬ，Ｊ_ｍＵをモータ慣性、Ｊ_ＩＬ，Ｊ_ＩＵを負荷慣性、Ｎ_Ｌ，Ｎ_Ｕを減速比、Ｋ_ＪＬ（＝Ｊ_ＩＬ／Ｊ_ｍＬＮ_Ｌ ^２），Ｋ_ＪＵを慣性比、Ｋ_ＣＬ，Ｋ_ＣＵを減速機バネ定数、Ｄ_ＩＬ，Ｄ_ＩＵを減速機減衰係数、ω_Ｌ，ω_Ｕを機構部固有角振動周波数、ｄ_ＵＬをＵ軸からＬ軸への干渉、ｄ_ＬＵをＬ軸からＵ軸への干渉とする。
【００１２】
まず、モデルの同定を行なう。ここで、上述の近似モデル３を用いた場合、未知の定数は減速機バネ定数と減速機減衰係数および機構部固有振動数と考えられる。そこで、近似モデル３とサーボシステム１の応答の違いから、モデル同定部４により、これらの定数を同定する。同定方法については、図１のコントローラ２の出力信号をａ側にし、あらかじめ設定しておいた制御ゲインによるサーボシステム１の応答波形をモデル同定部４に記憶する。次にコントローラ２の出力信号をｂ側に切り換え、制御ゲインを固定したまま、近似モデル３の応答を求め、その応答偏差から、最小２乗法等を用いて、前記の未知の定数を同定する。
次に、近似モデル３の応答によって制御ゲインの調整を行なう。
本実施例では、ねじり角およびねじり角速度、状態推定量フィードバック制御の場合について示す。図９にねじり角状態推定量フィードバック制御のブロック線図を示す。ここで状態量推定器６の状態方程式は次のように定義している。ここで用いている状態量推定器６は、コントローラ２”の出力信号Ｕ_ｒｅｆとモータ位置のフィードバック値θ_ｍに基づき、次のステップでのモータ位置、速度、減速機のねじり角、ねじり角速度を推定しており、コントローラ２”へフィードバックする値としてはねじり角およびねじり角速度の推定値である。
【００１３】
【数３】

ここで、Ｌ_ｗＬは状態量推定器６のフィードバック行列である。ｌ_１〜ｌ_４は適当に設定する。Ｕ軸もＬ軸同様に定義している。ここで調整する制御ゲインは、Ｋ_ｐＬ，Ｋ_ｖＬ，Ｋ_ｉＬ，Ｋ_ｓＬ，Ｋ_ｓｄＬ，Ｋ_ｐＵ，Ｋ_ｖＵ，Ｋ_ｉＵ，Ｋ_ｓＵ，Ｋ_ｓｄＵである。調整方法については、実施例１と同様に行なう。ただし、評価関数は以下のように定義している。
【数４】

ここで、Ｋ_１，Ｋ_２，Ｋ_３，Ｋ_４は重み係数、θ_{ｍｍｏｄｅｌ}は規範モデルの応答、θ_ｍｒｅｆは位置指令、θ_{ＳＬｍａｘ}，θ_{ＳＵｍａｘ}はねじり角速度の最大値、‖ａ‖＝Σａ^２とする。ここで第１項および第２項はモデルとの応答誤差、第３項および第４項は振動の減衰の評価量である。
上記評価関数により、応答性を落とさず、相互干渉が少なく、減衰の良い制御ゲインを探索できる。
この実施例２においても、実施例１と同様に、近似モデルによる調整が終了したら、コントローラ２”の出力信号を制御対象側（ｂ側）に切り換え、通常運転で、ねじり角および、ねじり角速度状態推定量フィードバック制御を行なう。
【００１４】
【発明の効果】
上述したように、本発明によれば、下記の効果を奏する。
（１）遺伝的アルゴリズムを用いて、サーボ系の制御ゲインの自動調整を行なうことにより、非線形の大きな系についても高速かつ高精度に制御ゲインを調整できる。
（２）近似モデルを用いて制御ゲインの調整を行うことにより、調整中に不安定な系が生じても、安全に自動調整をすすめることができる。
（３）同定部を備えることにより、設置条件や減速機の劣化などによりモデルが変わっても、何度でも制御ゲインの調整をやり直すことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の制御ゲイン調整装置の構成を示すブロック線図である。
【図２】本発明の実施例１の制御ゲイン調整装置を持った制御系の構成を示すブロック図である。
【図３】本発明の制御ゲイン調整方法の手順を説明するフローチャートである。
【図４】交叉の処理を説明するフローチャートである。
【図５】交叉の処理のイメージ図である。
【図６】突然変異の処理を説明するフローチャートである。
【図７】突然変異の処理のイメージ図である。
【図８】モデルの外観図である。
【図９】本発明の実施例２の制御ゲイン調整装置を持った制御系の構成を示すブロック図である。
【符号の説明】
１サーボシステム、２，２’，２” コントローラ、３近似モデル、４モデル同定部、５制御ゲイン調整装置、６状態量推定器、７規範応答モデル、８評価値演算部、９切り換え手段、１１ベース、１２モータ、１３減速機、１４剛体アーム、１５モータ、１６剛体アーム、１７負荷、１８モータ

Claims

サーボモータを動力源とし、フィードバック制御を用いて位置および速度の制御を行なうサーボ系の制御装置において、負荷を考慮した制御対象の近似モデルの応答と規範とする応答モデルとの応答偏差を評価値とする評価関数比較手段と、前記評価関数の評価値をもとに制御ゲインを調整する手段と、基準範囲内の応答が得られた場合に、前記サーボモータを制御するコントローラの出力信号を前記近似モデルから制御対象側へ切り換える手段とを備え、さらに
制御対象と負荷を考慮した制御対象の近似モデルとに同一の指令を与え、その応答偏差により近似モデルの各パラメータを修正するモデル同定部と、モータに結合された減速機で生じるねじり角およびねじり角速度の状態推定量をフィードバックする状態量推定器を備えたことを特徴とするサーボ系の制御ゲイン調整装置。
調整する制御ゲインをそれぞれ記号列に変換し、前記記号列をつなぎ合わせたものを制御ゲインおよびその組合せを表すコード列とするとき、前記調整する制御ゲインの選択および調整条件を入力する第１工程と、前記調整条件に応じて解候補となるコード列の初期集団を生成する第２工程と、前記各コード列について、制御ゲインへのデコードを行ない、前記制御ゲインにより得られた応答から評価値を求める第３工程と、前記評価値に応じて各候補（Ｍ）の選択確率を計算し、選択確率により重複を含んでＭ／２組の組み合わせを決定し、各ペアで交叉位置をランダムに決定し、決定された交叉位置で各ぺアの前後のコード列を入れ換え、Ｍ個の新しい解候補となるコード列を生成する交叉操作と、突然変異確率に従い、各コード列について、ランダムに突然変異の発生位置を宣言し、突然変位の発生を宣言された位置のビットを反転させる突然変異操作を施し、生成されたＭ個の子のコード列を次の世代のコード列群とする子となる解候補コード列を生成する第４工程と、収束を判定する第５工程とを有し、前記第３工程から第５工程を繰り返し実行することによって、制御ゲインの最適化を行なうことを特徴とするサーボ系の制御ゲイン調整方法。