JP3654975B2

JP3654975B2 - Control system gain automatic determination method

Info

Publication number: JP3654975B2
Application number: JP28914895A
Authority: JP
Inventors: 哲朗加藤; 浩之村山
Original assignee: FANUC Corp
Current assignee: FANUC Corp
Priority date: 1995-10-12
Filing date: 1995-10-12
Publication date: 2005-06-02
Anticipated expiration: 2015-10-12
Also published as: JPH09106303A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、モータやロボット等の制御において、比例制御を行う際の制御ループゲインを自動決定する方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
モータやロボット等の制御において、制御対象を比例制御によって制御する場合がある。この比例制御は、制御要素に対する動作信号と該制御要素から制御対象に加えられる操作量との間に連続的比例関係が成り立つような制御であり、制御ループのゲインを発振限界付近に設定することによって、制御系の性能を最大限に利用することができる。
【０００３】
通常、この制御系の制御ループのゲインの調整は専ら人手により、ゲインと該ゲインに対する応答との関係を観察しながらゲインを調節する試行錯誤の操作を繰り返すことによって行っている。
【０００４】
図１０は、比例制御系を表すブロック線図であり、該ブロック線図はモータやロボットを制御対象としている。比例制御系では、速度指令ｖｃと制御対象２の速度ｖとから速度偏差Ｓufを求め、ゲイン項１において速度偏差ＳufにゲインＫｖを乗じ、このゲイン項１の出力制御対象に加えている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来のゲイン決定方法では、人手によるゲイン調整であるため多くの労力を必要とし、最適なゲイン調整はより多くの時間と労力を要し、制御対象の特性が不明である場合には、ゲイン調整は特に困難となる。
【０００６】
そこで、本発明は前記した従来の制御系のゲイン調整の問題点を解決して、制御系のゲインの最適値を自動決定する決定方法を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明の制御系のゲイン自動決定方法は、対象とする制御系を基にして制御系のゲイン最適値を自動決定するためのゲイン調整系を形成し、このゲイン調整系を用いて得られるゲインを制御系のゲインとするものである。つまり、速度偏差に制御ループのゲインを乗じた値を制御対象に加えて制御対象の比例制御を行う制御系において、速度偏差の増加に対して発振領域から安定領域に向かってゲインが減少する特性を備えたゲイン調整系を形成し、このゲイン調整系において発振限界に収束するゲインを求め、ゲイン調整系で求めたゲインを制御系のゲインとするものである。
【０００８】
本発明のゲイン調整系において、速度偏差の増加に対して発振領域から安定領域に向かってゲインが減少する特性は、速度偏差に対して逆比例するゲイン特性、あるいは速度偏差に対してゲインが負の傾斜を有する一次関数特性によって形成することができる。
【０００９】
速度偏差に対して逆比例するゲイン特性によって、速度偏差の増加に対して発振領域から安定領域に向かってゲインが減少する特性を形成する場合には、速度偏差に係数を加算した値で制御対象の最大トルクを除算した除算値を求め、該除算値を初期ゲインを加算することによって得ることができる。
【００１０】
速度偏差に対してゲインが負の傾斜を有する一次関数特性によって、速度偏差の増加に対して発振領域から安定領域に向かってゲインが減少する特性を形成する場合には、速度偏差に傾斜係数を乗算し、この乗算値を初期ゲインから減算することによって得ることができる。
【００１１】
本発明のゲイン調整系では、速度偏差に制御ループのゲインを乗じた値を制御対象に加えて行う比例制御によって、速度偏差を減少させゲインを増加させる制御を行い、一方、速度偏差の増加に対して発振領域から安定領域に向かってゲインが減少する特性によって、逆に速度偏差を増加させゲインを減少させる制御を行う。この両制御を、発振限界のゲインを挟んで行うことによって、ゲイン調整系は自動的に制御系のゲインの最適値を決定する。
【００１２】
ゲイン調整系は、安定領域において、制御対象の速度を速度指令側にフィードバックして速度偏差を求め、この速度偏差に基づいて、速度偏差を減少する方向のフィードバック制御を行う。この制御によって速度偏差が減少し、ゲインは逆に増加する。ゲインが制御系の発振限界を越えて大きくなると、制御系は発振を起こして速度偏差が大きくなる。発振領域において、発振して速度偏差が大きくなると、ゲインは減少する。ゲイン調整系は、この速度偏差とゲインの増減を発振限界を境に繰り返して発振限界に収束する。この収束時のゲインは、発振限界時のゲインであって、制御系の性能を最大限に発揮するゲインとなる。
【００１３】
このゲイン調整系におけるゲイン収束の動作は自動的に行われ、制御系の特性を知ることなく行うことができる。
【００１４】
なお、ゲイン調整系の形成において、速度偏差に対して逆比例するゲイン特性を形成する場合には、制御系の最大速度偏差をゲイン調整系中の係数として用いることができ、最大速度偏差に近い程大きなゲインを出力する。また、ゲイン調整系によるゲイン調整において、始めに行う係数および初期ゲインの設定において、速度偏差が零の場合のゲイン調整系のゲインが発振限界のゲインより大きくなるように、係数および初期ゲインの設定を行う。つまり、制御対象の最大トルクを係数で除算し、該除算値に初期ゲインを加算した値が発振限界のゲインより大きくなるように、係数および初期ゲインの設定を行う。
【００１５】
また、速度偏差に対してゲインが負の傾斜を有する一次関数特性を形成する場合には、ゲイン調整系によるゲイン調整において、初期ゲインの設定において、初期ゲインが発振限界のゲインより大きくなるように設定する。
【００１６】
前記設定によって、ゲイン調整系によるゲイン調整系の発振限界への収束を保証することができる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図を参照しながら詳細に説明する。
【００１８】
（第１の実施の形態）
図１は本発明の第１の実施の形態を説明するためのゲイン調整系のブロック線図である。図１のゲイン調整系は、前記図１０に示した比例制御系のゲインの最適値を自動決定するためのブロック線図である。ゲイン調整系は、図１０のブロック線図と同様にゲイン項１と制御対象２を備え、速度指令ｖｃから制御対象２の速度ｖを減じた速度偏差Ｓufをゲイン項１（図１中の一点鎖線）に入力し、ゲイン項１の出力を制御対象２に入力する。ゲイン調整系のゲイン項１は、以下の式により表されるゲインＧを備える。
【００１９】
ゲインＧ＝Ｋｖ＝Ｋｖ0 ＋｛Ｔmax ／（｜Ｓuf｜＋δ）｝ …（１）
ここで、Ｋｖ0 は初期ゲイン項１１のゲイン値、Ｔmax はロボットやモータ等の制御対象が出せる最大トルク、Ｓufは速度偏差、δは係数である。最大トルクＴmax は制御対象によって定まる既知の値であり、初期ゲイン値Ｋｖ0 および係数δは制御対象の動作が安定な範囲で、制御系が発振するような設定値である。この初期ゲイン値Ｋｖ0 および係数δの設定については後述する。
【００２０】
ゲイン項１は、前記式（１）のゲインとするために、ゲイン値Ｋｖ0 の初期ゲイン項１１の出力に｛Ｓuf×Ｔmax ／（｜Ｓuf｜＋δ）｝を加算する構成とする。この構成により、速度偏差Ｓufの入力に対して、ゲイン項１は初期ゲイン項１１の出力（Ｋｖ0 ×Ｓuf）に｛Ｓuf×Ｔmax ／（｜Ｓuf｜＋δ）｝を加算した（Ｋｖ0 ×Ｓuf）＋｛Ｓuf×Ｔmax ／（｜Ｓuf｜＋δ）｝を制御対象に入力する。これによって、ゲイン項１のゲインＧは前記式（１）で表される値となる。
【００２１】
次に、ゲイン調整系のゲインＧの特性について、図２の特性図を用いて説明する。図２の特性図は、横軸を速度偏差Ｓufとし、縦軸をゲインＧとし、前記式（１）を表されるゲイン特性である。式（１）を表されるゲイン特性は、ゲインＧが速度偏差Ｓufに対して逆比例する特性である。図中において、速度偏差Ｓufが零の場合（図中の点Ｂ）のゲイン値｛Ｋｖ0 ＋（Ｔmax ／δ）｝を最大値とし、該最大値から速度偏差Ｓufの増加に従って減少する。この減少の途中において、図中の一点鎖線で示される制御系が発振を生じる限界のゲインを通過する。したがって、一点鎖線の発振限界のゲインより大きなゲインの領域では制御系は発振し、発振限界のゲインより小さなゲインの領域では制御系は安定な動作となる。なお、図中で発振限界における速度偏差ＳufをＳufC で表し、ゲインをＧC で表している。
【００２２】
次に、制御系のゲインの最適値を決定するゲイン調整系の動作について説明する。
【００２３】
ゲイン調整系は比例制御を行う制御系であり、制御対象の速度ｖを速度指令側にフィードバックして速度偏差Ｓufを求め、この速度偏差Ｓufに基づいて、速度偏差を減少する方向のフィードバック制御を行う。例えば、図２において、速度偏差ＳufがＳufA の場合には、一点鎖線で示される発振限界以下の制御系が安定な領域であるため、比例制御によって図中の特性曲線に沿って速度偏差Ｓufが減少し、ゲインＧは逆に増加する。この制御方向は、図２中で矢印Ａで表される。
【００２４】
この比例制御によって、ゲインＧが制御系の発振限界のゲインＧC を越えると、制御系は発振領域となり発振を起こす。これによって、制御系の速度偏差Ｓufは大きくなる。発振領域における発振によって速度偏差Ｓufが大きくなると、ゲインＧは減少する。この動作は図２中で矢印Ｂで表される。
【００２５】
ゲイン調整系は、発振限界を境にして、特性曲線に従って速度偏差ＳufとゲインＧの増減を繰り返し発振限界に収束する。この収束時のゲインは、発振限界時のゲインＧC であって、制御系の性能を最大限に発揮するゲインとなる。このゲイン調整系におけるゲイン収束の動作は、前記したように制御系の持つ特性に応じて自動的に行われるため、制御系の特性を知ることなく行うことができる。
【００２６】
したがって、ゲイン調整系では、ゲインが発振限界以下の安定領域では、速度偏差に制御ループのゲインを乗じた値を制御対象に加える比例制御によって、速度偏差を減少させゲインを増加させる制御を行う。一方、ゲインが発振限界以上の発振領域では、速度偏差の増加に対して発振領域から安定領域に向かってゲインが減少する特性によって、逆に速度偏差を増加させゲインを減少させる制御を行う。そして、この発振限界を挟んで逆の特性を持つ二つの制御を用いることによって、ゲイン調整系は自動的に制御系のゲインの最適値を決定する。
【００２７】
図２の特性図において、ゲイン調整系が自動的に制御系のゲインの最適値を決定するためには、前記式（１）で表される特性曲線と発振限界のゲイン（図中の一点鎖線）とが交差する必要があり、特性曲線は式（１）中の初期ゲインＫｖ0 と係数δによって調整することができる。
【００２８】
以下、図３および図４を用いて初期ゲインＫｖ0 の大小による特性曲線の変化を示し、図５および図６を用いて係数δの大小による特性曲線の変化を示す。
【００２９】
はじめに、初期ゲインＫｖ0 について説明する。図３は初期ゲインＫｖ0 が大の場合の特性曲線の状態を示している。初期ゲインＫｖ0 が大きい場合（図中では細い二点鎖線で示している）には、ゲインＧは大きくなる。そして、初期ゲインＫｖ0 が発振限界のゲインＧC よりも大きな場合には、特性曲線は常に発振領域（図中の斜線部分）内となって安定な制御系を形成することができない。
【００３０】
一方、図４は初期ゲインＫｖ0 が小の場合の特性曲線の状態を示している。初期ゲインＫｖ0 が小さい場合（図中では細い二点鎖線で示している）にはゲインＧも小さくなって常に安定領域となるが、最大のゲインを得ることができる速度偏差Ｓufが零の場合でもゲインＧは発振限界のゲインＧC に達せず、制御対象の持つ特性を充分に発揮することができない。
【００３１】
次に、係数δについて説明する。図５は係数δが大の場合の特性曲線の状態を示している。係数δは最大速度偏差に対応する値である。係数δが大きい場合には、ゲインＧは小さくなって系は安定領域となるが、速度偏差Ｓufが零の場合でも最大のゲインＧ（＝｛Ｋｖ0 ＋（Ｔmax ／δ）｝）は発振限界のゲインＧC に達せず、制御対象の持つ特性を充分に発揮することができない場合がある。
【００３２】
一方、図６は係数δが小の場合の特性曲線の状態を示している。係数δが小の場合には、ゲインＧは大きくなって系は発振領域内に入り、安定領域に復帰することができない程度まで上昇する場合がある。
【００３３】
したがって、初期ゲインＫｖ0 と係数δは、速度偏差Ｓufが零の場合のゲインＧ（＝｛Ｋｖ0 ＋（Ｔmax ／δ）｝）が発振限界のゲインＧC より大きくなり、かつゲインＧC と交差するような値に設定する。
【００３４】
次に、制御系とゲイン調整系との関係を図７を用いて説明する。図７において、符号２０から２４で示される制御系は、モータやロボット等の制御を行う制御系であり、２０はコンピュータを内蔵した数値制御装置（ＣＮＣ）、２１は共有ＲＡＭ、２２はプロセッサ（ＣＰＵ），ＲＯＮ，ＲＡＭ等を有するデジタルサーボ回路、２３はトランジスタインバータ等のサーボアンプ、２４はサーボモータ、２５はパルスコーダである。なお、この構成は従来のデジタルサーボ制御を行う装置と同一であるため、概略的に示している。前記図１０のブロック線図で示す制御系は、図７中の破線で囲まれる制御系Ａであり、この制御系Ａを基にして該制御系Ａの最適なゲインを自動決定するためのゲイン調整系Ｂを構成する。このゲイン調整系Ｂは、前記図１に示すブロック線図によって構成される。ここで、このゲイン調整系Ｂを形成する初期ゲインＫｖ0 および係数δは、前記したように、速度偏差Ｓufが零の場合のゲインＧ（＝｛Ｋｖ0 ＋（Ｔmax ／δ）｝）が発振限界のゲインＧC より大きくなり、かつゲインＧC と交差するような値に設定する。
【００３５】
ゲイン調整系Ｂによって自動決定したゲインＫｖをゲインパラメータとして、制御系Ａのゲインに設定することによって、ゲインの最適な調整を行うことができる。
【００３６】
（第２の実施の形態）
図８は本発明の第２の実施の形態を説明するためのゲイン調整系のブロック線図である。図８のゲイン調整系は、前記図１０に示した比例制御系のゲインの最適値を自動決定するためのブロック線図である。ゲイン調整系は第２の実施の形態と同様の構成であり、ゲイン項１と制御対象２を備え、速度指令ｖｃから制御対象２の速度ｖを減じた速度偏差Ｓufをゲイン項１（図８中の一点鎖線）に入力し、ゲイン項１の出力を制御対象２に入力する。そして、ゲイン調整系のゲイン項１は、以下の式により表されるゲインＧを備える。
【００３７】
ゲインＧ＝Ｋｖ＝Ｋｖ1 −α・｜Ｓuf｜ …（２）
ここで、Ｋｖ1 は初期ゲイン項１１のゲイン値、Ｓufは速度偏差、αは傾斜係数である。初期ゲイン値Ｋｖ1 および傾斜係数αは制御対象の動作が安定な範囲で、制御系が発振するような設定値である。この初期ゲイン値Ｋｖ1 および傾斜係数αについては後述する。
【００３８】
ゲイン項１は、前記式（２）のゲインとするために、ゲイン値Ｋｖ1 の初期ゲイン項１１の出力から（α・｜Ｓuf｜・Ｓuf）を減算する構成とする。この構成により、速度偏差Ｓufの入力に対して、ゲイン項１は初期ゲイン項１１の出力（Ｋｖ1 ×Ｓuf）から（α・｜Ｓuf｜・Ｓuf）を減算した（Ｋｖ1 ×Ｓuf）−（α・｜Ｓuf｜・Ｓuf）を制御対象に入力する。これによって、ゲイン項１のゲインＧは前記式（２）で表される値となる。なお、（α・｜Ｓuf｜・Ｓuf）を減算する代わりに、（−α・｜Ｓuf｜・Ｓuf）を加算する構成とすることもできる。
【００３９】
次に、ゲイン調整系のゲインＧの特性について、図９の特性図を用いて説明する。図９の特性図は、横軸を速度偏差Ｓufとし、縦軸をゲインＧとし、前記式（２）を表されるゲイン特性である。式（２）を表されるゲイン特性は、ゲインＧが速度偏差Ｓufに対して傾斜係数αで減少する特性である。図中において、速度偏差Ｓufが零の場合のゲイン値（Ｋｖ1 ）を最大値とし、該最大値から速度偏差Ｓufの増加に従って減少する。この減少の途中において、図中の一点鎖線で示される制御系が発振を生じる限界のゲインを通過する。したがって、一点鎖線の発振限界のゲインより大きなゲインの領域では制御系は発振し、発振限界のゲインより小さなゲインの領域では制御系は安定な動作となる。なお、図中で発振限界におけるゲインをＧC で表している。また、図９に特性図では、速度偏差Ｓufが大となる部分では、ゲインＧを正とするために一定の正のゲインＫｖ2 に設定している。
【００４０】
次に、制御系のゲインの最適値を決定するゲイン調整系の動作について説明する。この動作は、前記図２とほぼ同様である。
【００４１】
比例制御によって、ゲイン調整系は制御対象の速度ｖを速度指令側にフィードバックして速度偏差Ｓufを求め、この速度偏差Ｓufに基づいて速度偏差を減少する方向のフィードバック制御を行う。図９において、速度偏差ＳufがＳufA の場合には、ゲインは一点鎖線で示される発振限界以下となる。この場合には、制御系が安定な領域であるため、比例制御によって傾斜係数αの特性曲線上を移動して速度偏差Ｓufが減少し、図９中の矢印Ａで表されるようにゲインＧは逆に増加する。
【００４２】
この比例制御によって、ゲインＧが制御系の発振限界のゲインＧC を越えると、制御系は発振領域となり発振を起こす。これによって、制御系の速度偏差Ｓufは大きくなる。発振領域における発振によって速度偏差Ｓufが大きくなると、図９中の矢印Ｂで示されるようにゲインＧは減少する。
【００４３】
ゲイン調整系は、発振限界を境にして、傾斜係数αの特性曲線上において速度偏差ＳufとゲインＧの増減を繰り返して発振限界に収束する。この収束時のゲインは、発振限界時のゲインＧC であって、制御系の性能を最大限に発揮するゲインとなる。このゲイン調整系におけるゲイン収束の動作は、前記したように制御系の持つ特性に応じて自動的に行われるため、制御系の特性を知ることなく行うことができる。
【００４４】
したがって、図８に示す第２の実施の形態のゲイン調整系においても、図２で示す第１の実施の形態と同様に、ゲインが発振限界以下の安定領域では、比例制御によって速度偏差を減少させゲインを増加させる制御を行い、ゲインが発振限界以上の発振領域では、速度偏差の増加に対して発振領域から安定領域に向かってゲインが減少する特性によって、逆に速度偏差を増加させゲインを減少させる制御を行う。そして、この発振限界を挟んで逆の特性を持つ二つの制御を用いることによって、ゲイン調整系は自動的に制御系のゲインの最適値を決定する。
【００４５】
また、前記実施の形態に示したゲイン調整系の特性曲線の他に、速度偏差の増加に対して発振領域から安定領域に向かってゲインが減少する他の特性を備えたゲイン調整系を形成することによって、同様の作用によって、ゲイン調整系を発振させることによって発振限界のゲインを求め、該ゲインを制御系のゲインとすることにより、適切なゲインを自動的に決定すことができる。
【００４６】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、制御系のゲインの最適値を自動決定する決定方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態を説明するためのゲイン調整系のブロック線図である。
【図２】本発明の第１の実施の形態のゲイン調整系のゲインＧの特性図である。
【図３】初期ゲインＫｖ0 が大の場合の特性曲線である。
【図４】初期ゲインＫｖ0 が小の場合の特性曲線である。
【図５】係数δが大の場合の特性曲線である。
【図６】係数δが小の場合の特性曲線である。
【図７】制御系とゲイン調整系との関係を示す図である。
【図８】本発明の第２の実施の形態を説明するためのゲイン調整系のブロック線図である。
【図９】本発明の第２の実施の形態のゲイン調整系のゲインＧの特性図である。
【図１０】比例制御系を表すブロック線図である。
【符号の説明】
１ゲイン項
２制御対象
１１初期ゲイン
Ｓuf 速度偏差
２０制御装置
２１共有ＲＡＭ
２２デジタルサーボ回路
２３サーボアンプ
２４モータ
２５パルスコーダ[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a method for automatically determining a control loop gain when performing proportional control in controlling a motor, a robot, and the like.
[0002]
[Prior art]
In the control of motors, robots, etc., the controlled object may be controlled by proportional control. This proportional control is a control in which a continuous proportional relationship is established between the operation signal for the control element and the operation amount applied to the control target from the control element, and the gain of the control loop is set near the oscillation limit. Thus, the performance of the control system can be utilized to the maximum.
[0003]
Normally, the gain of the control loop of the control system is adjusted manually by repeating trial and error operations for adjusting the gain while observing the relationship between the gain and the response to the gain.
[0004]
FIG. 10 is a block diagram showing a proportional control system, and the block diagram is controlled by a motor and a robot. In the proportional control system, the speed deviation Suf is obtained from the speed command vc and the speed v of the control target 2, and the gain deviation 1 is multiplied by the gain Kv in the gain term 1 and added to the output control target of the gain term 1.
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
However, in the conventional gain determination method, since it is manual gain adjustment, a lot of labor is required, and the optimal gain adjustment requires more time and labor, and when the characteristics of the controlled object are unknown, Gain adjustment is particularly difficult.
[0006]
SUMMARY OF THE INVENTION Accordingly, an object of the present invention is to provide a determination method for automatically determining an optimum value of a gain of a control system by solving the above-described problem of gain adjustment of the control system.
[0007]
[Means for Solving the Problems]
According to the control system gain automatic determination method of the present invention, a gain adjustment system for automatically determining the optimum gain of the control system is formed based on the target control system, and the gain obtained by using this gain adjustment system Is the gain of the control system. In other words, in a control system that performs proportional control of the control target by adding a value obtained by multiplying the speed deviation by the gain of the control loop to the control target, the gain decreases from the oscillation region toward the stable region with respect to an increase in the speed deviation. Is formed, a gain that converges to the oscillation limit in this gain adjustment system is obtained, and the gain obtained by the gain adjustment system is used as the gain of the control system.
[0008]
In the gain adjustment system of the present invention, the characteristic that the gain decreases from the oscillation region toward the stable region with respect to the increase in the speed deviation is a gain characteristic that is inversely proportional to the speed deviation, or the gain is negative with respect to the speed deviation. It can be formed by a linear function characteristic having the following slope.
[0009]
When a gain characteristic that is inversely proportional to the speed deviation is used to form a characteristic in which the gain decreases from the oscillation region to the stable region with respect to an increase in the speed deviation, the control target is a value obtained by adding a coefficient to the speed deviation. The division value obtained by dividing the maximum torque can be obtained and the division value can be obtained by adding the initial gain.
[0010]
If a linear function characteristic having a negative slope with respect to the speed deviation is used to form a characteristic in which the gain decreases from the oscillation region to the stable region with respect to an increase in the speed deviation, a slope coefficient is added to the speed deviation. It can be obtained by multiplying and subtracting this multiplied value from the initial gain.
[0011]
In the gain adjustment system of the present invention, the speed deviation is decreased and the gain is increased by proportional control performed by adding the value obtained by multiplying the speed deviation by the gain of the control loop to the control target, while the speed deviation is increased. On the other hand, control is performed to increase the speed deviation and decrease the gain by the characteristic that the gain decreases from the oscillation region toward the stable region. By performing both of these controls with an oscillation limit gain interposed therebetween, the gain adjustment system automatically determines the optimum value of the gain of the control system.
[0012]
In the stable region, the gain adjustment system feeds back the speed to be controlled to the speed command side to obtain a speed deviation, and performs feedback control in a direction to reduce the speed deviation based on the speed deviation. By this control, the speed deviation decreases and the gain increases conversely. When the gain increases beyond the oscillation limit of the control system, the control system oscillates and the speed deviation increases. In the oscillation region, the gain decreases as the speed deviation increases due to oscillation. The gain adjustment system repeats this speed deviation and gain increase / decrease at the oscillation limit and converges to the oscillation limit. The gain at the time of convergence is a gain at the oscillation limit, and is a gain that maximizes the performance of the control system.
[0013]
The gain convergence operation in this gain adjustment system is performed automatically and can be performed without knowing the characteristics of the control system.
[0014]
When forming a gain characteristic that is inversely proportional to the speed deviation in forming the gain adjustment system, the maximum speed deviation of the control system can be used as a coefficient in the gain adjustment system, which is close to the maximum speed deviation. A large gain is output. In gain adjustment by the gain adjustment system, the coefficient and initial gain are set so that the gain of the gain adjustment system is greater than the oscillation limit gain when the speed deviation is zero in the initial setting of the coefficient and initial gain. I do. That is, the coefficient and the initial gain are set so that the maximum torque to be controlled is divided by the coefficient, and the value obtained by adding the initial gain to the divided value is larger than the oscillation limit gain.
[0015]
When a linear function characteristic having a negative slope with respect to the speed deviation is formed, in the gain adjustment by the gain adjustment system, the initial gain is set to be larger than the oscillation limit gain in the initial gain setting. Set.
[0016]
By the setting, convergence to the oscillation limit of the gain adjustment system by the gain adjustment system can be guaranteed.
[0017]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
[0018]
(First embodiment)
FIG. 1 is a block diagram of a gain adjustment system for explaining the first embodiment of the present invention. The gain adjustment system in FIG. 1 is a block diagram for automatically determining the optimum gain value of the proportional control system shown in FIG. The gain adjustment system includes a gain term 1 and a controlled object 2 as in the block diagram of FIG. 10, and a speed deviation Suf obtained by subtracting the speed v of the controlled object 2 from the speed command vc is represented by a gain term 1 (one point in FIG. 1). The output of the gain term 1 is input to the control object 2. The gain term 1 of the gain adjustment system includes a gain G expressed by the following equation.
[0019]
Gain G = Kv = Kv0 + {Tmax / (| Suf | + δ)} (1)
Here, Kv0 is the gain value of the initial gain term 11, Tmax is the maximum torque that can be produced by the controlled object such as the robot or motor, Suf is the speed deviation, and δ is a coefficient. The maximum torque Tmax is a known value determined by the controlled object, and the initial gain value Kv0 and the coefficient δ are set values that cause the control system to oscillate within a stable range of the controlled object. The setting of the initial gain value Kv0 and the coefficient δ will be described later.
[0020]
The gain term 1 is configured to add {Suf × Tmax / (| Suf | + δ)} to the output of the initial gain term 11 of the gain value Kv0 in order to obtain the gain of the equation (1). With this configuration, the gain term 1 adds {Suf × Tmax / (| Suf | + δ)} to the output (Kv0 × Suf) of the initial gain term 11 (Kv0 × Suf) + with respect to the input of the speed deviation Suf. {Suf × Tmax / (| Suf | + δ)} is input to the control target. As a result, the gain G of the gain term 1 becomes a value represented by the equation (1).
[0021]
Next, the characteristic of the gain G of the gain adjustment system will be described with reference to the characteristic diagram of FIG. In the characteristic diagram of FIG. 2, the horizontal axis is the speed deviation Suf, the vertical axis is the gain G, and the gain characteristic is expressed by the equation (1). The gain characteristic represented by Expression (1) is a characteristic in which the gain G is inversely proportional to the speed deviation Suf. In the figure, the gain value {Kv0 + (Tmax / δ)} when the speed deviation Suf is zero (point B in the figure) is set to the maximum value, and decreases from the maximum value as the speed deviation Suf increases. In the middle of this reduction, the control system indicated by the alternate long and short dash line in the figure passes through a limit gain that causes oscillation. Therefore, the control system oscillates in a gain region larger than the oscillation limit gain of the alternate long and short dash line, and the control system operates stably in a gain region smaller than the oscillation limit gain. In the figure, the speed deviation Suf at the oscillation limit is represented by SufC, and the gain is represented by GC.
[0022]
Next, the operation of the gain adjustment system that determines the optimum value of the gain of the control system will be described.
[0023]
The gain adjustment system is a control system that performs proportional control, and feeds back the speed v to be controlled to the speed command side to obtain a speed deviation Suf, and performs feedback control in a direction to reduce the speed deviation based on the speed deviation Suf. Do. For example, in FIG. 2, when the speed deviation Suf is SufA, the control system below the oscillation limit indicated by the alternate long and short dash line is a stable region, so that the speed deviation Suf is proportional to the characteristic curve in the figure by proportional control. The gain G decreases, and conversely increases. This control direction is represented by an arrow A in FIG.
[0024]
If the gain G exceeds the control system oscillation limit gain GC by this proportional control, the control system becomes an oscillation region and causes oscillation. This increases the speed deviation Suf of the control system. When the speed deviation Suf increases due to oscillation in the oscillation region, the gain G decreases. This operation is represented by an arrow B in FIG.
[0025]
The gain adjusting system repeatedly converges the speed deviation Suf and the gain G to the oscillation limit according to the characteristic curve with the oscillation limit as a boundary. The gain at the time of convergence is a gain GC at the oscillation limit, and is a gain that maximizes the performance of the control system. Since the gain convergence operation in this gain adjustment system is automatically performed according to the characteristics of the control system as described above, it can be performed without knowing the characteristics of the control system.
[0026]
Therefore, in the gain adjustment system, in a stable region where the gain is equal to or less than the oscillation limit, control is performed to reduce the speed deviation and increase the gain by proportional control in which a value obtained by multiplying the speed deviation by the gain of the control loop is added to the control target. On the other hand, in the oscillation region where the gain is equal to or greater than the oscillation limit, control is performed to increase the speed deviation and decrease the gain by the characteristic that the gain decreases from the oscillation region toward the stable region with respect to the increase in the speed deviation. The gain adjustment system automatically determines the optimum value of the gain of the control system by using two controls having opposite characteristics across the oscillation limit.
[0027]
In the characteristic diagram of FIG. 2, in order for the gain adjustment system to automatically determine the optimum value of the gain of the control system, the characteristic curve represented by the above equation (1) and the oscillation limit gain (the one-dot chain line in the figure) And the characteristic curve can be adjusted by the initial gain Kv0 and the coefficient δ in the equation (1).
[0028]
Hereinafter, changes in the characteristic curve depending on the magnitude of the initial gain Kv0 will be shown using FIGS. 3 and 4, and changes in the characteristic curve depending on the magnitude of the coefficient δ will be shown using FIGS.
[0029]
First, the initial gain Kv0 will be described. FIG. 3 shows the state of the characteristic curve when the initial gain Kv0 is large. When the initial gain Kv0 is large (indicated by a thin two-dot chain line in the figure), the gain G increases. When the initial gain Kv0 is larger than the oscillation limit gain GC, the characteristic curve is always within the oscillation region (shaded portion in the figure) and a stable control system cannot be formed.
[0030]
On the other hand, FIG. 4 shows the state of the characteristic curve when the initial gain Kv0 is small. When the initial gain Kv0 is small (indicated by a thin two-dot chain line in the figure), the gain G also becomes small and always becomes a stable region, but even when the speed deviation Suf at which the maximum gain can be obtained is zero. The gain G does not reach the oscillation limit gain GC, and the characteristics of the controlled object cannot be fully exhibited.
[0031]
Next, the coefficient δ will be described. FIG. 5 shows the state of the characteristic curve when the coefficient δ is large. The coefficient δ is a value corresponding to the maximum speed deviation. When the coefficient δ is large, the gain G is small and the system becomes a stable region. However, even when the speed deviation Suf is zero, the maximum gain G (= {Kv0 + (Tmax / δ)}) is the oscillation limit. The gain GC may not be reached and the characteristics of the controlled object may not be fully exhibited.
[0032]
On the other hand, FIG. 6 shows the state of the characteristic curve when the coefficient δ is small. When the coefficient δ is small, the gain G increases and the system may enter the oscillation region and rise to such an extent that it cannot return to the stable region.
[0033]
Therefore, the initial gain Kv0 and the coefficient δ are such that the gain G (= {Kv0 + (Tmax / δ)}) when the speed deviation Suf is zero is larger than the oscillation limit gain GC and intersects the gain GC. Set to value.
[0034]
Next, the relationship between the control system and the gain adjustment system will be described with reference to FIG. In FIG. 7, control systems indicated by reference numerals 20 to 24 are control systems for controlling motors, robots, etc., 20 is a numerical controller (CNC) incorporating a computer, 21 is a shared RAM, and 22 is a processor ( CPU, RON, RAM, etc., 23 is a servo amplifier such as a transistor inverter, 24 is a servo motor, and 25 is a pulse coder. This configuration is schematically shown because it is the same as a conventional apparatus for performing digital servo control. The control system shown in the block diagram of FIG. 10 is a control system A surrounded by a broken line in FIG. 7, and a gain for automatically determining the optimum gain of the control system A based on this control system A The adjustment system B is configured. The gain adjustment system B is configured by the block diagram shown in FIG. Here, as described above, the initial gain Kv0 and the coefficient δ forming the gain adjustment system B are such that the gain G (= {Kv0 + (Tmax / δ)}) when the speed deviation Suf is zero is the oscillation limit. The value is set so as to be larger than the gain GC and cross the gain GC.
[0035]
By setting the gain Kv automatically determined by the gain adjustment system B as the gain parameter to the gain of the control system A, the gain can be optimally adjusted.
[0036]
(Second Embodiment)
FIG. 8 is a block diagram of a gain adjustment system for explaining the second embodiment of the present invention. The gain adjustment system of FIG. 8 is a block diagram for automatically determining the optimum gain value of the proportional control system shown in FIG. The gain adjustment system has the same configuration as that of the second embodiment, and includes a gain term 1 and a control target 2. A speed deviation Suf obtained by subtracting the speed v of the control target 2 from the speed command vc is represented by a gain term 1 (FIG. 8). The output of the gain term 1 is input to the controlled object 2. The gain term 1 of the gain adjustment system includes a gain G expressed by the following equation.
[0037]
Gain G = Kv = Kv1−α · | Suf | (2)
Here, Kv1 is the gain value of the initial gain term 11, Suf is the speed deviation, and α is the slope coefficient. The initial gain value Kv1 and the slope coefficient α are set values such that the control system oscillates within a range where the operation of the controlled object is stable. The initial gain value Kv1 and the slope coefficient α will be described later.
[0038]
The gain term 1 has a configuration in which (α · | Suf | · Suf) is subtracted from the output of the initial gain term 11 of the gain value Kv 1 in order to obtain the gain of the equation (2). With this configuration, the gain term 1 is obtained by subtracting (α · | Suf | · Suf) from the output (Kv1 × Suf) of the initial gain term 11 with respect to the input of the speed deviation Suf (Kv1 × Suf) − (α · | Suf | · Suf) is input to the control target. As a result, the gain G of the gain term 1 becomes a value represented by the equation (2). Instead of subtracting (α · | Suf | · Suf), (−α · | Suf | · Suf) may be added.
[0039]
Next, the characteristic of the gain G of the gain adjustment system will be described with reference to the characteristic diagram of FIG. In the characteristic diagram of FIG. 9, the horizontal axis is the speed deviation Suf, the vertical axis is the gain G, and the gain characteristic is expressed by the above equation (2). The gain characteristic represented by Expression (2) is a characteristic in which the gain G decreases with the inclination coefficient α with respect to the speed deviation Suf. In the figure, the gain value (Kv1) when the speed deviation Suf is zero is set to the maximum value, and decreases from the maximum value as the speed deviation Suf increases. In the middle of this reduction, the control system indicated by the alternate long and short dash line in the figure passes through a limit gain that causes oscillation. Therefore, the control system oscillates in a gain region larger than the oscillation limit gain of the alternate long and short dash line, and the control system operates stably in a gain region smaller than the oscillation limit gain. In the figure, the gain at the oscillation limit is represented by GC. In the characteristic diagram of FIG. 9, in a portion where the speed deviation Suf is large, a constant positive gain Kv2 is set to make the gain G positive.
[0040]
Next, the operation of the gain adjustment system that determines the optimum value of the gain of the control system will be described. This operation is almost the same as in FIG.
[0041]
By the proportional control, the gain adjustment system feeds back the speed v to be controlled to the speed command side to obtain the speed deviation Suf, and performs feedback control in the direction of decreasing the speed deviation based on the speed deviation Suf. In FIG. 9, when the speed deviation Suf is SufA, the gain is below the oscillation limit indicated by the alternate long and short dash line. In this case, since the control system is a stable region, the speed deviation Suf is decreased by moving on the characteristic curve of the slope coefficient α by proportional control, and the gain G as shown by the arrow A in FIG. Conversely increases.
[0042]
If the gain G exceeds the control system oscillation limit gain GC by this proportional control, the control system becomes an oscillation region and causes oscillation. This increases the speed deviation Suf of the control system. When the speed deviation Suf increases due to oscillation in the oscillation region, the gain G decreases as indicated by an arrow B in FIG.
[0043]
The gain adjustment system converges to the oscillation limit by repeatedly increasing and decreasing the speed deviation Suf and the gain G on the characteristic curve of the slope coefficient α with the oscillation limit as a boundary. The gain at the time of convergence is a gain GC at the oscillation limit, and is a gain that maximizes the performance of the control system. Since the gain convergence operation in this gain adjustment system is automatically performed according to the characteristics of the control system as described above, it can be performed without knowing the characteristics of the control system.
[0044]
Therefore, in the gain adjustment system of the second embodiment shown in FIG. 8, as in the first embodiment shown in FIG. 2, the speed deviation is reduced by proportional control in the stable region where the gain is below the oscillation limit. In the oscillation region where the gain exceeds the oscillation limit, the speed deviation is increased and the gain is increased by the characteristic that the gain decreases from the oscillation region toward the stable region with respect to the increase in the speed deviation. Control to decrease. Then, by using two controls having opposite characteristics across this oscillation limit, the gain adjustment system automatically determines the optimum value of the gain of the control system.
[0045]
In addition to the characteristic curve of the gain adjustment system shown in the above embodiment, a gain adjustment system having other characteristics in which the gain decreases from the oscillation region toward the stable region with respect to an increase in speed deviation is formed. Thus, by the same action, the gain of the oscillation limit is obtained by oscillating the gain adjustment system, and the appropriate gain can be automatically determined by setting the gain as the gain of the control system.
[0046]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, it is possible to provide a determination method for automatically determining the optimum value of the gain of the control system.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a block diagram of a gain adjustment system for explaining a first embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a characteristic diagram of a gain G of the gain adjustment system according to the first embodiment of this invention.
FIG. 3 is a characteristic curve when the initial gain Kv0 is large.
FIG. 4 is a characteristic curve when the initial gain Kv0 is small.
FIG. 5 is a characteristic curve when the coefficient δ is large.
FIG. 6 is a characteristic curve when the coefficient δ is small.
FIG. 7 is a diagram illustrating a relationship between a control system and a gain adjustment system.
FIG. 8 is a block diagram of a gain adjustment system for explaining a second embodiment of the present invention.
FIG. 9 is a characteristic diagram of the gain G of the gain adjustment system according to the second embodiment of the present invention.
FIG. 10 is a block diagram showing a proportional control system.
[Explanation of symbols]
1 Gain term 2 Control object 11 Initial gain Suf Speed deviation 20 Controller 21 Shared RAM
22 Digital Servo Circuit 23 Servo Amplifier 24 Motor 25 Pulse Coder

Claims

In the control system that performs proportional control of the controlled object by adding the value obtained by multiplying the speed deviation to the gain of the control loop to the controlled object,
Form a gain adjustment system with the characteristic that the gain decreases from the oscillation region to the stable region with respect to the increase in speed deviation,
In the gain adjustment system,
In the stable region where the gain is less than the oscillation limit, control is performed to reduce the speed deviation and increase the gain by proportional control that adds the value obtained by multiplying the speed deviation by the gain of the control loop to the controlled object.
In the oscillation region where the gain exceeds the oscillation limit, the gain at the oscillation limit is controlled by increasing the speed deviation and controlling the gain by the characteristic that the gain decreases from the generation region toward the stable region with respect to the increase in the speed deviation. Seeking
Automatic gain determination method of the control system, characterized in that the gain and the gain of the control system.

2. The control system automatic gain determination method according to claim 1, wherein the gain adjustment system has a gain characteristic inversely proportional to the speed deviation.

The gain adjustment system divides a maximum torque to be controlled by a value obtained by adding a coefficient to a speed deviation, and uses a value obtained by adding the divided value to an initial gain as a gain. To automatically determine the gain of the control system.

4. The control system automatic gain determination method according to claim 3, wherein the coefficient is a maximum speed deviation of the control system.

4. The control system automatic gain determination method according to claim 3, wherein the coefficient and the initial gain are values that make the gain of the gain adjustment system larger than the oscillation limit gain when the speed deviation is zero.

4. The coefficient and the initial gain are values that divide the maximum torque to be controlled by the coefficient and add a value obtained by adding the initial gain to the divided value to be larger than the oscillation limit gain. Automatic gain determination method for control system.

2. The automatic gain determination method for a control system according to claim 1, wherein the gain adjustment system has a linear function characteristic in which the gain has a negative slope with respect to the speed deviation.