JP3653387B2 - アクチュエータの制御システム - Google Patents
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Description
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、アクチュエータの制御システムに関し、特に、アクチュエータの動作量と目標値との偏差に基づき、アクチュエータの動作量を目標値に追従させるようにフィードバック制御を行う制御システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
現代制御理論を用いた制御は複雑なマトリックス演算を伴うため、従来は限られた分野でしか利用されてこなかったが、近年における電子デバイスの低価格化、高性能化に加え、制御システムの設計支援ツール等の充実により、自動車や工作機械などの制御にも現代制御理論が利用されている。例えば、特願平8-246386号では、図２に示す航空機の舵面操作システムに現代制御理論を利用している。
【０００３】
図６は、その舵面操作システムを設計するための拡大標準系を示し、図中のＰ(s)は図２に示した舵面操作システムにおける制御入力ｖrからシリンダストロークｘpまでの動特性を、Ｋ(s)はコントローラ８に実装される制御器を、Ｐp(s)は制御入力ｖrから油圧シリンダ３のシリンダ差圧ｐbまでの動特性をそれぞれ表している。
【０００４】
ここで評価信号として、シリンダストロークの目標値ｒと検出値ｘpの偏差ｅの積分ｅs、 動特性モデルＰp(s)により計算される疑似的なシリンダ差圧ｐb’が取り出され、制御器Ｋ(s)は評価式、
【０００５】
【数３】
【０００６】
が最小になるように最適制御理論により求められる。 Ｑ、Ｒは設計パラメータである。
【０００７】
偏差の積分ｅsを小さくすることは目標信号ｒへの追従性を良くすることから舵面アクチュエータの高応答化に、疑似的なシリンダ差圧ｐb’を小さくすることは低剛性舵面１と油圧シリンダ３からなる系の連成振動の共振の抑制にそれぞれつながる。
【０００８】
したがって、図６に示した設計手法では、偏差の積分ｅsと疑似的なシリンダ差圧ｐb’を評価信号とする最適制御理論により、低剛性舵面１と油圧シリンダ３からなる系の連成振動を抑制しつつ舵面アクチュエータの高応答化を実現することができる。
【０００９】
具体的な設計手順は、設計パラメータＱ、Ｒを試行錯誤的に調整して、図２に示した舵面操作システムにとって最も適切な制御器Ｋ(s)を捜し求めることである。なお、設計パラメータＱを大きく設定すると偏差の積分ｅsが小さくなり、高応答な制御器Ｋ(s)を求めることができる。
【００１０】
【発明が解決しようとしている問題点】
しかしながら、図２に示した舵面操作システムにおいて、モータ駆動回路７、スプール駆動モータ６の軽量化、低コスト化を図るためには、偏差の積分ｅsと疑似的なシリンダ差圧ｐb’の他に、制御入力ｖr（コントローラ出力）も同時に小さくする必要がある。特に、航空機においてはこれらの部位の重量増が致命的な問題となる場合がある。
【００１１】
そのためには、図６に示した拡大標準系を図７に示すように拡大し、偏差の積分ｅs、疑似的なシリンダ差圧ｐb’に加え、制御入力ｖrも評価信号として取り出し、偏差の積分ｅs、疑似的なシリンダ差圧ｐb’及び制御入力ｖrからなる評価式、
【００１２】
【数４】
【００１３】
が最小となるように最適制御理論により制御器Ｋ(s)を設計する必要がある。ただし、設計パラメータＲは、
【００１４】
【数５】
【００１５】
で与えられる定数行列である。
【００１６】
しかしながら、このような設計を行うと以下のような問題が生じる。
【００１７】
まず、評価式(4)の評価信号の数が評価式(3)と比較して２個（ｅs、ｐb’）から３個（ｅs、ｐb’、ｖr）に増加しているため、設計パラメータＱ、Ｒの設定可能範囲が制約されてしまう。特に、高応答化に寄与するＱの値を大きく設定できなくなるので、高応答な制御器Ｋ(s)が求められないという問題が生じる。
【００１８】
次に、設計パラメータの数が２個（Ｑ、Ｒ）から３個（Ｑ、ｒ11、ｒ22）に増加してしまうため、３次元的にパラメータ調整の試行錯誤を繰り返す必要があり、適切な制御器Ｋ(s)を捜し求めるのに多くの労力を要するという問題が生じる。
【００１９】
本発明は、かかる従来の設計手法の問題点を鑑みてなされたもので、制御入力ｖrも同時に小さくする場合であっても高応答なＫ(s)を実現でき、しかも少ない労力で適切な制御器Ｋ(s)を捜し求めることができるようにすることである。
【００２０】
【問題点を解決するための手段】
第１の発明は、アクチュエータと、アクチュエータを駆動するアクチュエータ駆動部と、アクチュエータの動作量と目標値との偏差ｅに基づき、アクチュエータの動作量が目標値に追従するようにアクチュエータ駆動部に制御入力ｖrを出力するコントローラとから構成され、コントローラが、前記偏差ｅの積分ｅsと、制御入力ｖrに重み関数Ｗ(s)をかけて得られるｗを評価信号とする評価式を最小化するように最適制御理論により求められる制御器Ｋ(s)を備えたアクチュエータの制御システムにおいて、振動を抑制したい少なくとも１つの部位又は系の共振周波数をｆnとしたときに、前記重み関数Ｗ(s)に、周波数ｆnにおいて逆ノッチ特性を持たせるとともに、周波数ｆn以外においてゲイン一定の特性を持たせたことを特徴とするものである。
【００２１】
第２の発明は、第１の発明において、前記重み関数Ｗ(s)を次式、
【００２２】
【数６】
【００２３】
ただし、ｆn：振動を抑制したい部位又は系の共振周波数、
ζn：同減衰比、
で与えたことを特徴とするものである。
【００２４】
第３の発明は、アクチュエータと、アクチュエータを駆動するアクチュエータ駆動部と、アクチュエータの動作量と目標値との偏差ｅに基づき、アクチュエータの動作量が目標値に追従するようにアクチュエータ駆動部に制御入力ｖrを出力するコントローラとから構成され、前記コントローラが、前記偏差ｅの積分ｅsと、制御入力ｖrに重み関数Ｗ(s)をかけて得られるｗを評価信号とする評価式を最小化するように最適制御理論により求められる制御器Ｋ(s)を備えたアクチュエータの制御システムにおいて、振動を抑制したい少なくとも１つの部位又は系の共振周波数をｆnとしたときに、前記重み関数Ｗ(s)に、周波数ｆnにおいて逆ノッチ特性を持たせるとともに、周波数ｆn以外において低周波域でゲイン小、高周波域でゲイン大の特性を持たせたことを特徴とするものである。
【００２５】
第４の発明は、第３の発明において、前記重み関数Ｗ(s)を次式、
【００２６】
【数７】
【００２７】
ただし、ｆn：振動を抑制したい部位又は系の共振周波数
ζn：同減衰比
ｆm：想定する制御帯域の上限周波数
で与えたことを特徴とするものである。
【００２８】
第５の発明は、第１から第４の発明において、前記アクチュエータに低剛性負荷が連結されているときに、前記周波数ｆnに、アクチュエータと低剛性負荷からなる系の連成振動の共振周波数ｆ1を設定したことを特徴とするものである。
【００２９】
第６の発明は、第１から第４の発明において、前記アクチュエータに低剛性負荷が連結されているときに、前記周波数ｆnに、アクチュエータと低剛性負荷からなる系の連成振動の共振周波数ｆ1と、アクチュエータ駆動部の共振周波数ｆ2とをそれぞれ設定したことを特徴とするものである。
【００３０】
【作用及び効果】
したがって、第１、第２の発明によると、評価信号ｗが、振動を抑制したい部位又は系の共振周波数ｆn付近でその部位又は系と、共振周波数ｆn以外において制御入力ｖrとそれぞれ動的に等価となるので、制御入力ｖrを抑制しつつ振動を抑制したい部位又は系の共振も抑制することができる。
【００３１】
また、評価信号ｗに２つ以上の動特性を持たせたことにより、評価式に用いる評価信号の数が少なくなるので、設計パラメータの設定可能範囲が広がり、高応答な制御器Ｋ(s)を求めることができる。また、設計パラメータの数が少なくなるのでパラメータ調整が容易になり、適切な制御器Ｋ(s)を容易に捜し求めることができる。
【００３２】
第３、第４の発明によると、評価信号ｗが振動を抑制したい部位又は系の共振周波数ｆn付近でその部位又は系と動的に等価になるので、振動を抑制したい部位又は系の共振を抑えることができる。また、重み関数Ｗ(s)が低周波域でゲイン小、高周波域でゲイン大となるように設定されるので、低周波域では制御入力が大きくなることを許容して性能を重視し、高周波域では制御入力を小さく抑えて安定性を重視するという効果が得られる。
【００３３】
また、評価信号ｗに２つ以上の動特性を持たせたことにより、評価式に用いる評価信号の数が少なくなり、高応答な制御器Ｋ(s)を求めることができる。また、設計パラメータの数も少なくなるので、適切な制御器Ｋ(s)を容易に捜し求めることができる。
【００３４】
また、第５の発明によると、アクチュエータと低剛性負荷からなる系の連成振動の共振周波数ｆ1付近で、評価信号ｗがアクチュエータと低剛性負荷からなる系と動的に等価になるので、評価式に用いる評価信号の数を増やすことなく連成振動の共振を抑えることができる。
【００３５】
第６の発明によると、アクチュエータ駆動部の共振周波数ｆ2付近で、評価信号ｗがアクチュエータ駆動部と動的に等価になるので、評価式に用いる評価信号の数を増やすことなくアクチュエータ駆動部の共振も抑えることができる。
【００３６】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面に基づき本発明の実施の形態について説明する。
【００３７】
図１は本発明の第１の実施形態を示し、図２に示す舵面操作システムを設計するための拡大標準系である。
【００３８】
ここでまず、図２に示した舵面操作システムについて簡単に説明すると、舵面操作システムは、低剛性の舵面１と、舵面１が連結されるとともに機体２の所定位置に固定される油圧シリンダ３と、油圧シリンダ３へ油圧を供給する油圧源４と、油圧源４から油圧シリンダ３への油圧の供給を制御するサーボ弁５と、サーボ弁５のスプール５ａを駆動するスプール駆動モータ６と、スプール駆動モータ６へモータ入力を出力するモータ駆動回路７と、モータ駆動回路７へ制御入力ｖrを出力するコントローラ８とから構成される。
【００３９】
油圧シリンダ３は、摺動自由なピストンにより画成された２つの油室３ａ、３ｂを備え、これら２つの油室の圧力ｐ1、ｐ2の差圧ｐbにより駆動される。また、油圧シリンダ３には、そのシリンダストロークｘpを検出するストローク検出器９が備えられており、ストローク検出器９により検出されたシリンダストロークｘpはコントローラ８に入力される。
【００４０】
サーボ弁５には、スプール５ａの変位ｘsを検出するスプール変位検出器１０が備えられており、スプール変位検出器１０により検出されたスプール変位ｘsはコントローラ８に入力される。
【００４１】
コントローラ８は、シリンダストロークの目標値ｒと検出値ｘpの偏差ｅ（ｅ＝ｒ−ｘp）に基づき、シリンダストロークｘpが目標値ｒに追従するようにモータ駆動回路７へ制御入力ｖrを出力する。
【００４２】
次に、この舵面操作システムの設計手法について説明する。
【００４３】
図１において、Ｐ(s)は図２に示した舵面操作システムにおける制御入力ｖrからシリンダストロークｘpまでの動特性、Ｋ(s)はコントローラ８に実装される制御器である。評価信号として、シリンダストロークの目標値ｒと検出値ｘpの偏差ｅに積分要素１／ｓをかけて得られる偏差の積分ｅsと、制御入力ｖrに重み関数Ｗ(s)をかけて得られるｗが取り出される。
【００４４】
ここで、重み関数Ｗ(s)は次式で与えられ、低剛性舵面１と油圧シリンダ３からなる系の連成振動の共振を抑制するため周波数ｆ1においてゲインピークを持つ逆ノッチ特性を有する。
【００４５】
【数８】
【００４６】
評価信号ｗが、低剛性舵面１と油圧シリンダ３からなる系の連成振動の共振周波数付近でシリンダ差圧ｐbと、それ以外の周波数で制御入力ｖrとそれぞれ動的に等価になることをねらいに、式(8)のｆ1には連成振動の共振周波数を、ζ1には同減衰比を設定する。
【００４７】
図３はこのときの重み関数Ｗ(s)のゲイン特性を示し、横軸は周波数（Ｈｚ）、縦軸はゲイン（ｄＢ）である。図３に示すように、重み関数Ｗ(s)は、周波数ｆ1（ここでは２５Ｈｚ）で連成振動と同じゲインピークを、それ以外の周波数でゲイン１の特性を持つ。したがって、制御入力ｖrに重み関数Ｗ(s)をかけて得られる評価信号ｗは、連成振動の共振周波数ｆ1付近でシリンダ差圧ｐbの動特性を、それ以外の周波数で制御入力ｖrの動特性を備える。
【００４８】
制御器Ｋ(s)は、偏差の積分ｅsと評価信号ｗとからなる評価式、
【００４９】
【数９】
【００５０】
を最小化するように最適制御理論により求められる。Ｑ、Ｒは設計パラメータである。
【００５１】
次に作用について説明する。
【００５２】
重み関数Ｗ(s)を式(8)のように与え、さらに式(8)のｆ1を連成振動の共振周波数、ζ1を同減衰比に設定したことにより、評価信号ｗはシリンダ差圧ｐbの動特性と制御入力ｖrの動特性とを同時に兼ね備えることになる。
【００５３】
制御器Ｋ(s)は、偏差の積分ｅsと評価信号ｗからなる評価式(9) を最小化するように最適制御理論により求められるので、連成振動の共振と制御入力ｖrを抑制しつつ舵面アクチュエータを高応答化することができる。なお、この場合、連成振動の共振周波数域以外での抑制効果は薄れるが、もともと共振域を除く周波数域での振動は小さく、共振さえ抑制できれば実用上の効果は十分に高い。
【００５４】
そして、このとき評価信号の数が、図７に示した従来手法の３個（ｅs、ｐb’、ｖr）から２個（ｅs、ｗ）に減少しているので、設計パラメータＱ、Ｒの設定可能範囲が広くなる。特に、高応答化に寄与するＱの値を大きく設定することができるので、高応答な制御器Ｋ(s)を求めることができる。
【００５５】
また、設計パラメータの数が、図７に示した従来手法の３個（Ｑ、ｒ11、ｒ22）から２個（Ｑ、Ｒ）に減少しているので、２次元的なパラメータ調整で済み、最適な制御器Ｋ(s)を容易に捜し求めることができる。
【００５６】
続いて本発明の第２の実施形態について説明する。
【００５７】
第１の実施形態とは重み関数Ｗ(s)の与え方が異なり、前記した連成振動の共振周波数に加えてサーボ弁５の共振周波数においてもゲインピークをもつ逆ノッチ特性を付与したもので、第１の実施形態と同様に、図２に示した舵面操作システムを図１に示した拡大標準系を用いて設計する。
【００５８】
このとき、重み関数Ｗ(s)は次式で与えられる。
【００５９】
【数１０】
【００６０】
制御入力ｖrに重み関数Ｗ(s)をかけて得られる評価信号ｗが、低剛性舵面１と油圧シリンダ３からなる系の連成振動の共振周波数（ここでは２５Ｈｚ）付近で油圧シリンダ３のシリンダ差圧ｐbと、サーボ弁５の共振周波数（ここでは６４Ｈｚ）付近でサーボ弁スプール５ａの変位ｘsと、それ以外の周波数で制御入力ｖrとそれぞれ動的に等価になることをねらいに、式(10)のｆ1には連成振動の共振周波数を、ζ1には同減衰比を、ｆ2にはサーボ弁５の共振周波数を、ζ2には同減衰比をそれぞれ設定する。
【００６１】
図４はそのときの重み関数Ｗ(s)のゲイン特性を示し、重み関数Ｗ(s)は連成振動の共振周波数ｆ1とサーボ弁５の共振周波数ｆ2において逆ノッチ特性を有し、それ以外の周波数ではゲイン１の特性を持っている。
【００６２】
この実施形態によると、評価信号ｗがシリンダ差圧ｐb、制御入力ｖrの動特性の他にサーボ弁スプール５ａの変位ｘsの動特性も同時に兼ね備えるので、連成振動の共振の抑制と制御入力ｖrの抑制の他に、サーボ弁５の共振も抑制することができる。
【００６３】
また、この場合でも、評価式に用いる評価信号の数が減るので、高応答な制御器Ｋ(s)を求めることができ、かつ、設計パラメータの数も少ないため、適切な制御器Ｋ(s)を容易に捜し求めることができる。
【００６４】
続いて本発明の第３の実施の形態について説明する。
【００６５】
この実施の形態は制御入力に関して低周波域でゲインを小さく、高周波域でゲインを大きくすることで、制御性能と制御安定性を向上させるようにしたもので、第１の実施形態と同様に、図２に示した舵面操作システムを図１に示した拡大標準系を用いて設計する。
【００６６】
このとき、重み関数Ｗ(s)は次式で与えられる。
【００６７】
【数１１】
【００６８】
制御入力ｖrに重み関数Ｗ(s)をかけて得られる評価信号ｗが、低剛性舵面１と油圧シリンダ３からなる系の連成振動の共振周波数付近でシリンダ差圧ｐbと、制御帯域で制御入力ｖrの微分ｖr’とそれぞれ動的に等価になることをねらいに、式(11)のｆ1には連成振動の共振周波数を、ζ1には同減衰比を、ｆ3には想定する制御帯域の上限周波数をそれぞれ設定する。
【００６９】
図５はそのときの重み関数Ｗ(s)のゲイン特性を示し、重み関数Ｗ(s)は低周波域でゲイン小、高周波域でゲイン大の特性を有するとともに、連成振動の共振周波数ｆ1において逆ノッチ特性を有する。
【００７０】
この実施形態によると、評価信号ｗが連成振動の共振周波数ｆ1付近でシリンダ差圧ｐbの動特性を、それ以外の周波数で制御入力の微分ｖr’の動特性を備えるので、連成振動の共振の抑制効果に加え、低周波域ではゲインを小さくして制御入力が大きくなることを許容して制御性能を高め、高周波域ではゲインを大きくして制御入力を小さくして安定性を重視できるという効果が得られる。
【００７１】
以上、本発明の実施形態を舵面操作システムを用いて説明したが、舵面操作システムは本発明が適用可能な制御システムの一例であり、本発明の適用対象は舵面操作システムに限定されるものではない。また、ここでは低剛性舵面と油圧シリンダからなる系の連成振動の共振、サーボ弁の共振を抑える重み関数Ｗ(s)を設定したが、他の部位又は系の振動を抑制するような重み関数Ｗ(s)を設定するようにしても構わない。換言すると、重み関数Ｗ(s)には振動を抑制したい動特性の数だけ逆ノッチ特性を与えればよいのであり、これにより各動特性に対して実質的な抑制効果を保ちつつ、高応答で簡易な制御手法を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態を示す図。
【図２】本発明が適用される舵面操作システムの概略構成図。
【図３】本発明の第１の実施形態の重み関数Ｗ(s)のゲイン特性を示す図。
【図４】本発明の第２の実施形態の重み関数Ｗ(s)のゲイン特性を示す図。
【図５】本発明の第３の実施形態の重み関数Ｗ(s)のゲイン特性を示す図。
【図６】従来の設計手法を示す図。
【図７】別の従来の設計手法を示す図。
【符号の説明】
１ 舵面
２ 機体
３ 油圧シリンダ
４ 油圧源
５ サーボ弁
５ａスプール
６ スプール駆動モータ
７ モータ駆動回路
８ コントローラ
９ ストローク検出器
１０ スプール変位検出器
【産業上の利用分野】
本発明は、アクチュエータの制御システムに関し、特に、アクチュエータの動作量と目標値との偏差に基づき、アクチュエータの動作量を目標値に追従させるようにフィードバック制御を行う制御システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
現代制御理論を用いた制御は複雑なマトリックス演算を伴うため、従来は限られた分野でしか利用されてこなかったが、近年における電子デバイスの低価格化、高性能化に加え、制御システムの設計支援ツール等の充実により、自動車や工作機械などの制御にも現代制御理論が利用されている。例えば、特願平8-246386号では、図２に示す航空機の舵面操作システムに現代制御理論を利用している。
【０００３】
図６は、その舵面操作システムを設計するための拡大標準系を示し、図中のＰ(s)は図２に示した舵面操作システムにおける制御入力ｖrからシリンダストロークｘpまでの動特性を、Ｋ(s)はコントローラ８に実装される制御器を、Ｐp(s)は制御入力ｖrから油圧シリンダ３のシリンダ差圧ｐbまでの動特性をそれぞれ表している。
【０００４】
ここで評価信号として、シリンダストロークの目標値ｒと検出値ｘpの偏差ｅの積分ｅs、 動特性モデルＰp(s)により計算される疑似的なシリンダ差圧ｐb’が取り出され、制御器Ｋ(s)は評価式、
【０００５】
【数３】
が最小になるように最適制御理論により求められる。 Ｑ、Ｒは設計パラメータである。
【０００７】
偏差の積分ｅsを小さくすることは目標信号ｒへの追従性を良くすることから舵面アクチュエータの高応答化に、疑似的なシリンダ差圧ｐb’を小さくすることは低剛性舵面１と油圧シリンダ３からなる系の連成振動の共振の抑制にそれぞれつながる。
【０００８】
したがって、図６に示した設計手法では、偏差の積分ｅsと疑似的なシリンダ差圧ｐb’を評価信号とする最適制御理論により、低剛性舵面１と油圧シリンダ３からなる系の連成振動を抑制しつつ舵面アクチュエータの高応答化を実現することができる。
【０００９】
具体的な設計手順は、設計パラメータＱ、Ｒを試行錯誤的に調整して、図２に示した舵面操作システムにとって最も適切な制御器Ｋ(s)を捜し求めることである。なお、設計パラメータＱを大きく設定すると偏差の積分ｅsが小さくなり、高応答な制御器Ｋ(s)を求めることができる。
【００１０】
【発明が解決しようとしている問題点】
しかしながら、図２に示した舵面操作システムにおいて、モータ駆動回路７、スプール駆動モータ６の軽量化、低コスト化を図るためには、偏差の積分ｅsと疑似的なシリンダ差圧ｐb’の他に、制御入力ｖr（コントローラ出力）も同時に小さくする必要がある。特に、航空機においてはこれらの部位の重量増が致命的な問題となる場合がある。
【００１１】
そのためには、図６に示した拡大標準系を図７に示すように拡大し、偏差の積分ｅs、疑似的なシリンダ差圧ｐb’に加え、制御入力ｖrも評価信号として取り出し、偏差の積分ｅs、疑似的なシリンダ差圧ｐb’及び制御入力ｖrからなる評価式、
【００１２】
【数４】
が最小となるように最適制御理論により制御器Ｋ(s)を設計する必要がある。ただし、設計パラメータＲは、
【００１４】
【数５】
で与えられる定数行列である。
【００１６】
しかしながら、このような設計を行うと以下のような問題が生じる。
【００１７】
まず、評価式(4)の評価信号の数が評価式(3)と比較して２個（ｅs、ｐb’）から３個（ｅs、ｐb’、ｖr）に増加しているため、設計パラメータＱ、Ｒの設定可能範囲が制約されてしまう。特に、高応答化に寄与するＱの値を大きく設定できなくなるので、高応答な制御器Ｋ(s)が求められないという問題が生じる。
【００１８】
次に、設計パラメータの数が２個（Ｑ、Ｒ）から３個（Ｑ、ｒ11、ｒ22）に増加してしまうため、３次元的にパラメータ調整の試行錯誤を繰り返す必要があり、適切な制御器Ｋ(s)を捜し求めるのに多くの労力を要するという問題が生じる。
【００１９】
本発明は、かかる従来の設計手法の問題点を鑑みてなされたもので、制御入力ｖrも同時に小さくする場合であっても高応答なＫ(s)を実現でき、しかも少ない労力で適切な制御器Ｋ(s)を捜し求めることができるようにすることである。
【００２０】
【問題点を解決するための手段】
第１の発明は、アクチュエータと、アクチュエータを駆動するアクチュエータ駆動部と、アクチュエータの動作量と目標値との偏差ｅに基づき、アクチュエータの動作量が目標値に追従するようにアクチュエータ駆動部に制御入力ｖrを出力するコントローラとから構成され、コントローラが、前記偏差ｅの積分ｅsと、制御入力ｖrに重み関数Ｗ(s)をかけて得られるｗを評価信号とする評価式を最小化するように最適制御理論により求められる制御器Ｋ(s)を備えたアクチュエータの制御システムにおいて、振動を抑制したい少なくとも１つの部位又は系の共振周波数をｆnとしたときに、前記重み関数Ｗ(s)に、周波数ｆnにおいて逆ノッチ特性を持たせるとともに、周波数ｆn以外においてゲイン一定の特性を持たせたことを特徴とするものである。
【００２１】
第２の発明は、第１の発明において、前記重み関数Ｗ(s)を次式、
【００２２】
【数６】
ただし、ｆn：振動を抑制したい部位又は系の共振周波数、
ζn：同減衰比、
で与えたことを特徴とするものである。
【００２４】
第３の発明は、アクチュエータと、アクチュエータを駆動するアクチュエータ駆動部と、アクチュエータの動作量と目標値との偏差ｅに基づき、アクチュエータの動作量が目標値に追従するようにアクチュエータ駆動部に制御入力ｖrを出力するコントローラとから構成され、前記コントローラが、前記偏差ｅの積分ｅsと、制御入力ｖrに重み関数Ｗ(s)をかけて得られるｗを評価信号とする評価式を最小化するように最適制御理論により求められる制御器Ｋ(s)を備えたアクチュエータの制御システムにおいて、振動を抑制したい少なくとも１つの部位又は系の共振周波数をｆnとしたときに、前記重み関数Ｗ(s)に、周波数ｆnにおいて逆ノッチ特性を持たせるとともに、周波数ｆn以外において低周波域でゲイン小、高周波域でゲイン大の特性を持たせたことを特徴とするものである。
【００２５】
第４の発明は、第３の発明において、前記重み関数Ｗ(s)を次式、
【００２６】
【数７】
ただし、ｆn：振動を抑制したい部位又は系の共振周波数
ζn：同減衰比
ｆm：想定する制御帯域の上限周波数
で与えたことを特徴とするものである。
【００２８】
第５の発明は、第１から第４の発明において、前記アクチュエータに低剛性負荷が連結されているときに、前記周波数ｆnに、アクチュエータと低剛性負荷からなる系の連成振動の共振周波数ｆ1を設定したことを特徴とするものである。
【００２９】
第６の発明は、第１から第４の発明において、前記アクチュエータに低剛性負荷が連結されているときに、前記周波数ｆnに、アクチュエータと低剛性負荷からなる系の連成振動の共振周波数ｆ1と、アクチュエータ駆動部の共振周波数ｆ2とをそれぞれ設定したことを特徴とするものである。
【００３０】
【作用及び効果】
したがって、第１、第２の発明によると、評価信号ｗが、振動を抑制したい部位又は系の共振周波数ｆn付近でその部位又は系と、共振周波数ｆn以外において制御入力ｖrとそれぞれ動的に等価となるので、制御入力ｖrを抑制しつつ振動を抑制したい部位又は系の共振も抑制することができる。
【００３１】
また、評価信号ｗに２つ以上の動特性を持たせたことにより、評価式に用いる評価信号の数が少なくなるので、設計パラメータの設定可能範囲が広がり、高応答な制御器Ｋ(s)を求めることができる。また、設計パラメータの数が少なくなるのでパラメータ調整が容易になり、適切な制御器Ｋ(s)を容易に捜し求めることができる。
【００３２】
第３、第４の発明によると、評価信号ｗが振動を抑制したい部位又は系の共振周波数ｆn付近でその部位又は系と動的に等価になるので、振動を抑制したい部位又は系の共振を抑えることができる。また、重み関数Ｗ(s)が低周波域でゲイン小、高周波域でゲイン大となるように設定されるので、低周波域では制御入力が大きくなることを許容して性能を重視し、高周波域では制御入力を小さく抑えて安定性を重視するという効果が得られる。
【００３３】
また、評価信号ｗに２つ以上の動特性を持たせたことにより、評価式に用いる評価信号の数が少なくなり、高応答な制御器Ｋ(s)を求めることができる。また、設計パラメータの数も少なくなるので、適切な制御器Ｋ(s)を容易に捜し求めることができる。
【００３４】
また、第５の発明によると、アクチュエータと低剛性負荷からなる系の連成振動の共振周波数ｆ1付近で、評価信号ｗがアクチュエータと低剛性負荷からなる系と動的に等価になるので、評価式に用いる評価信号の数を増やすことなく連成振動の共振を抑えることができる。
【００３５】
第６の発明によると、アクチュエータ駆動部の共振周波数ｆ2付近で、評価信号ｗがアクチュエータ駆動部と動的に等価になるので、評価式に用いる評価信号の数を増やすことなくアクチュエータ駆動部の共振も抑えることができる。
【００３６】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面に基づき本発明の実施の形態について説明する。
【００３７】
図１は本発明の第１の実施形態を示し、図２に示す舵面操作システムを設計するための拡大標準系である。
【００３８】
ここでまず、図２に示した舵面操作システムについて簡単に説明すると、舵面操作システムは、低剛性の舵面１と、舵面１が連結されるとともに機体２の所定位置に固定される油圧シリンダ３と、油圧シリンダ３へ油圧を供給する油圧源４と、油圧源４から油圧シリンダ３への油圧の供給を制御するサーボ弁５と、サーボ弁５のスプール５ａを駆動するスプール駆動モータ６と、スプール駆動モータ６へモータ入力を出力するモータ駆動回路７と、モータ駆動回路７へ制御入力ｖrを出力するコントローラ８とから構成される。
【００３９】
油圧シリンダ３は、摺動自由なピストンにより画成された２つの油室３ａ、３ｂを備え、これら２つの油室の圧力ｐ1、ｐ2の差圧ｐbにより駆動される。また、油圧シリンダ３には、そのシリンダストロークｘpを検出するストローク検出器９が備えられており、ストローク検出器９により検出されたシリンダストロークｘpはコントローラ８に入力される。
【００４０】
サーボ弁５には、スプール５ａの変位ｘsを検出するスプール変位検出器１０が備えられており、スプール変位検出器１０により検出されたスプール変位ｘsはコントローラ８に入力される。
【００４１】
コントローラ８は、シリンダストロークの目標値ｒと検出値ｘpの偏差ｅ（ｅ＝ｒ−ｘp）に基づき、シリンダストロークｘpが目標値ｒに追従するようにモータ駆動回路７へ制御入力ｖrを出力する。
【００４２】
次に、この舵面操作システムの設計手法について説明する。
【００４３】
図１において、Ｐ(s)は図２に示した舵面操作システムにおける制御入力ｖrからシリンダストロークｘpまでの動特性、Ｋ(s)はコントローラ８に実装される制御器である。評価信号として、シリンダストロークの目標値ｒと検出値ｘpの偏差ｅに積分要素１／ｓをかけて得られる偏差の積分ｅsと、制御入力ｖrに重み関数Ｗ(s)をかけて得られるｗが取り出される。
【００４４】
ここで、重み関数Ｗ(s)は次式で与えられ、低剛性舵面１と油圧シリンダ３からなる系の連成振動の共振を抑制するため周波数ｆ1においてゲインピークを持つ逆ノッチ特性を有する。
【００４５】
【数８】
評価信号ｗが、低剛性舵面１と油圧シリンダ３からなる系の連成振動の共振周波数付近でシリンダ差圧ｐbと、それ以外の周波数で制御入力ｖrとそれぞれ動的に等価になることをねらいに、式(8)のｆ1には連成振動の共振周波数を、ζ1には同減衰比を設定する。
【００４７】
図３はこのときの重み関数Ｗ(s)のゲイン特性を示し、横軸は周波数（Ｈｚ）、縦軸はゲイン（ｄＢ）である。図３に示すように、重み関数Ｗ(s)は、周波数ｆ1（ここでは２５Ｈｚ）で連成振動と同じゲインピークを、それ以外の周波数でゲイン１の特性を持つ。したがって、制御入力ｖrに重み関数Ｗ(s)をかけて得られる評価信号ｗは、連成振動の共振周波数ｆ1付近でシリンダ差圧ｐbの動特性を、それ以外の周波数で制御入力ｖrの動特性を備える。
【００４８】
制御器Ｋ(s)は、偏差の積分ｅsと評価信号ｗとからなる評価式、
【００４９】
【数９】
を最小化するように最適制御理論により求められる。Ｑ、Ｒは設計パラメータである。
【００５１】
次に作用について説明する。
【００５２】
重み関数Ｗ(s)を式(8)のように与え、さらに式(8)のｆ1を連成振動の共振周波数、ζ1を同減衰比に設定したことにより、評価信号ｗはシリンダ差圧ｐbの動特性と制御入力ｖrの動特性とを同時に兼ね備えることになる。
【００５３】
制御器Ｋ(s)は、偏差の積分ｅsと評価信号ｗからなる評価式(9) を最小化するように最適制御理論により求められるので、連成振動の共振と制御入力ｖrを抑制しつつ舵面アクチュエータを高応答化することができる。なお、この場合、連成振動の共振周波数域以外での抑制効果は薄れるが、もともと共振域を除く周波数域での振動は小さく、共振さえ抑制できれば実用上の効果は十分に高い。
【００５４】
そして、このとき評価信号の数が、図７に示した従来手法の３個（ｅs、ｐb’、ｖr）から２個（ｅs、ｗ）に減少しているので、設計パラメータＱ、Ｒの設定可能範囲が広くなる。特に、高応答化に寄与するＱの値を大きく設定することができるので、高応答な制御器Ｋ(s)を求めることができる。
【００５５】
また、設計パラメータの数が、図７に示した従来手法の３個（Ｑ、ｒ11、ｒ22）から２個（Ｑ、Ｒ）に減少しているので、２次元的なパラメータ調整で済み、最適な制御器Ｋ(s)を容易に捜し求めることができる。
【００５６】
続いて本発明の第２の実施形態について説明する。
【００５７】
第１の実施形態とは重み関数Ｗ(s)の与え方が異なり、前記した連成振動の共振周波数に加えてサーボ弁５の共振周波数においてもゲインピークをもつ逆ノッチ特性を付与したもので、第１の実施形態と同様に、図２に示した舵面操作システムを図１に示した拡大標準系を用いて設計する。
【００５８】
このとき、重み関数Ｗ(s)は次式で与えられる。
【００５９】
【数１０】
制御入力ｖrに重み関数Ｗ(s)をかけて得られる評価信号ｗが、低剛性舵面１と油圧シリンダ３からなる系の連成振動の共振周波数（ここでは２５Ｈｚ）付近で油圧シリンダ３のシリンダ差圧ｐbと、サーボ弁５の共振周波数（ここでは６４Ｈｚ）付近でサーボ弁スプール５ａの変位ｘsと、それ以外の周波数で制御入力ｖrとそれぞれ動的に等価になることをねらいに、式(10)のｆ1には連成振動の共振周波数を、ζ1には同減衰比を、ｆ2にはサーボ弁５の共振周波数を、ζ2には同減衰比をそれぞれ設定する。
【００６１】
図４はそのときの重み関数Ｗ(s)のゲイン特性を示し、重み関数Ｗ(s)は連成振動の共振周波数ｆ1とサーボ弁５の共振周波数ｆ2において逆ノッチ特性を有し、それ以外の周波数ではゲイン１の特性を持っている。
【００６２】
この実施形態によると、評価信号ｗがシリンダ差圧ｐb、制御入力ｖrの動特性の他にサーボ弁スプール５ａの変位ｘsの動特性も同時に兼ね備えるので、連成振動の共振の抑制と制御入力ｖrの抑制の他に、サーボ弁５の共振も抑制することができる。
【００６３】
また、この場合でも、評価式に用いる評価信号の数が減るので、高応答な制御器Ｋ(s)を求めることができ、かつ、設計パラメータの数も少ないため、適切な制御器Ｋ(s)を容易に捜し求めることができる。
【００６４】
続いて本発明の第３の実施の形態について説明する。
【００６５】
この実施の形態は制御入力に関して低周波域でゲインを小さく、高周波域でゲインを大きくすることで、制御性能と制御安定性を向上させるようにしたもので、第１の実施形態と同様に、図２に示した舵面操作システムを図１に示した拡大標準系を用いて設計する。
【００６６】
このとき、重み関数Ｗ(s)は次式で与えられる。
【００６７】
【数１１】
制御入力ｖrに重み関数Ｗ(s)をかけて得られる評価信号ｗが、低剛性舵面１と油圧シリンダ３からなる系の連成振動の共振周波数付近でシリンダ差圧ｐbと、制御帯域で制御入力ｖrの微分ｖr’とそれぞれ動的に等価になることをねらいに、式(11)のｆ1には連成振動の共振周波数を、ζ1には同減衰比を、ｆ3には想定する制御帯域の上限周波数をそれぞれ設定する。
【００６９】
図５はそのときの重み関数Ｗ(s)のゲイン特性を示し、重み関数Ｗ(s)は低周波域でゲイン小、高周波域でゲイン大の特性を有するとともに、連成振動の共振周波数ｆ1において逆ノッチ特性を有する。
【００７０】
この実施形態によると、評価信号ｗが連成振動の共振周波数ｆ1付近でシリンダ差圧ｐbの動特性を、それ以外の周波数で制御入力の微分ｖr’の動特性を備えるので、連成振動の共振の抑制効果に加え、低周波域ではゲインを小さくして制御入力が大きくなることを許容して制御性能を高め、高周波域ではゲインを大きくして制御入力を小さくして安定性を重視できるという効果が得られる。
【００７１】
以上、本発明の実施形態を舵面操作システムを用いて説明したが、舵面操作システムは本発明が適用可能な制御システムの一例であり、本発明の適用対象は舵面操作システムに限定されるものではない。また、ここでは低剛性舵面と油圧シリンダからなる系の連成振動の共振、サーボ弁の共振を抑える重み関数Ｗ(s)を設定したが、他の部位又は系の振動を抑制するような重み関数Ｗ(s)を設定するようにしても構わない。換言すると、重み関数Ｗ(s)には振動を抑制したい動特性の数だけ逆ノッチ特性を与えればよいのであり、これにより各動特性に対して実質的な抑制効果を保ちつつ、高応答で簡易な制御手法を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態を示す図。
【図２】本発明が適用される舵面操作システムの概略構成図。
【図３】本発明の第１の実施形態の重み関数Ｗ(s)のゲイン特性を示す図。
【図４】本発明の第２の実施形態の重み関数Ｗ(s)のゲイン特性を示す図。
【図５】本発明の第３の実施形態の重み関数Ｗ(s)のゲイン特性を示す図。
【図６】従来の設計手法を示す図。
【図７】別の従来の設計手法を示す図。
【符号の説明】
１ 舵面
２ 機体
３ 油圧シリンダ
４ 油圧源
５ サーボ弁
５ａスプール
６ スプール駆動モータ
７ モータ駆動回路
８ コントローラ
９ ストローク検出器
１０ スプール変位検出器
Claims (6)
- アクチュエータと、アクチュエータを駆動するアクチュエータ駆動部と、アクチュエータの動作量と目標値との偏差ｅに基づき、アクチュエータの動作量が目標値に追従するようにアクチュエータ駆動部に制御入力ｖrを出力するコントローラとから構成され、
コントローラが、前記偏差ｅの積分ｅsと、制御入力ｖrに重み関数Ｗ(s)をかけて得られるｗを評価信号とする評価式を最小化するように最適制御理論により求められる制御器Ｋ(s)を備えたアクチュエータの制御システムにおいて、
振動を抑制したい少なくとも１つの部位又は系の共振周波数をｆnとしたときに、前記重み関数Ｗ(s)に、周波数ｆnにおいて逆ノッチ特性を持たせるとともに、周波数ｆn以外においてゲイン一定の特性を持たせたことを特徴とするアクチュエータの制御システム。 - 前記重み関数Ｗ(s)を次式、
ζn：同減衰比、
で与えたことを特徴とする請求項１記載のアクチュエータの制御システム。 - アクチュエータと、アクチュエータを駆動するアクチュエータ駆動部と、アクチュエータの動作量と目標値との偏差ｅに基づき、アクチュエータの動作量が目標値に追従するようにアクチュエータ駆動部に制御入力ｖrを出力するコントローラとから構成され、
前記コントローラが、前記偏差ｅの積分ｅsと、制御入力ｖrに重み関数Ｗ(s)をかけて得られるｗを評価信号とする評価式を最小化するように最適制御理論により求められる制御器Ｋ(s)を備えたアクチュエータの制御システムにおいて、
振動を抑制したい少なくとも１つの部位又は系の共振周波数をｆnとしたときに、前記重み関数Ｗ(s)に、周波数ｆnにおいて逆ノッチ特性を持たせるとともに、周波数ｆn以外において低周波域でゲイン小、高周波域でゲイン大の特性を持たせたことを特徴とするアクチュエータの制御システム。 - 前記重み関数Ｗ(s)を次式、
ζn：同減衰比、
ｆm：想定する制御帯域の上限周波数、
で与えたことを特徴とする請求項３記載のアクチュエータの制御システム。 - 前記アクチュエータには低剛性負荷が連結されており、前記周波数ｆnに、アクチュエータと低剛性負荷からなる系の連成振動の共振周波数ｆ1を設定したことを特徴とする請求項１から４のいずれか一つに記載のアクチュエータの制御システム。
- 前記アクチュエータには低剛性負荷が連結されており、前記周波数ｆnに、アクチュエータと低剛性負荷からなる系の連成振動の共振周波数ｆ1と、アクチュエータ駆動部の共振周波数ｆ2とをそれぞれ設定したことを特徴とする請求項１から４のいずれか一つに記載のアクチュエータの制御システム。
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