JP3869002B2 - 制御システム及びそのような制御システム中で用いられる制御手段、並びに相関システム - Google Patents

Description

本発明は、周期的な乱れ(periodic disturbance)を現す制御量を持つプロセスと；上記量を表す測定信号を生成するための測定手段と；測定信号に応じて上記量を制御し、周期的な乱れを減少させるための制御手段と；を有して成る制御システムであって、上記制御手段は遅延手段を含み、それは測定信号に係わる該遅延手段への入力信号を上記周期的な乱れの周期の長さに等しい時間だけ遅延させるものであり、また上記制御手段は、遅延時間と周期的な乱れの周期との間の関係を維持するための手段を含む制御システムに関する。
本発明はまたそのような制御システム中で使用される制御手段にも関する。
本発明は更にまた測定システムにも関する。
上に規定したタイプの制御システムは、例えば英国特許出願GB-A 2043964号から既知である。この文献には、光学的走査デバイスに対し回転するという動き方をするところの光学的に読み出し可能なディスク形の記録担体を読み取るための光学的読み出しデバイス中で用いられる制御システムが記載されている。記録担体は渦巻き状の(helical）トラックを有する。光学的走査デバイスは既知の制御システムによりトラック上に保持されている。この動作中に光学的走査デバイスの位置はサーボ追尾(servotrack)誤差信号に応じて改定される。一般的に渦巻き状のトラックは回転の中心の周りに中心をはずれて位置しており、またトラックの回り方も偏心しているから、サーボ追尾誤差信号には周期的な乱れが現れる。記録担体の一回転の時間に対応する遅延時間を持つクロック制御ディジタル遅延回路を用いてサーボ追尾における周期的な乱れを大幅に抑圧する制御が実現する。この高度の抑圧というのは、周期的な乱れの周期が遅延回路の遅延時間に、又は遅延回路の遅延時間の整数部分に、精確に等しい周期的な乱れに対してのみ得られるものである。既知のシステムでは、遅延時間と周期的な乱れとの間のこの密接な関係が、記録担体を駆動するモータの駆動心軸(spindle）上に配置されたパルスディスク(pulse disc)により導かれるクロック信号を持つディジタル遅延回路を制御することによって確立される。しかしそのようなパルスディスクは極めて高価である。
本発明の目的は周期的な乱れと遅延時間との間の精確な関係が極めて経済的に実現できる制御システムを提供することである。
本発明による制御システムではこの目的は、上記関係を維持するための手段が、上記周期的な乱れの周期と上記遅延時間との間の乖離(deviation)を表す分析信号を導き出すための分析手段と；この分析信号に応じて遅延手段の遅延時間を改定する手段と；
分析手段が分析信号として相関測定信号を導き出すための導出手段を含み、該相関測定信号は入力信号と遅延された信号との間の相関の程度を表す信号であり、また
Ｔpを周期的な乱れの周期とし；
Ｔmを、入力信号と入力信号を遅延させたものとの間の相関が最大又は最小を示す時間シフトとし；
ＭをＴp/Ｔmに等しい値とするとき、上記遅延された信号は、上記入力信号に等しいが、但し入力信号に対し遅延時間ＴのＭ倍に等しい時間だけ時間的にシフトされているものであることによって達成される。
この実施例もまた、周期的な信号中ではこの信号とこの信号の時間シフトされた変形との間の相関は信号の周期のＭ／Ｎ倍に等しい遅延時間に対して最大又は最小が現れる、という認識に基づいている。遅延時間を改定して相関に最大又は最小があるようにすることにより遅延時間が周期的な信号の周期に精確に等しくなるということが達成される。
この制御システムのもう１つの一実施例は、上記制御手段が、遅延させることにより入力信号から１番目、２番目、及び３番目の補助信号を導き出すための遅延手段を含み；上記２番目の補助信号及び上記３番目の補助信号は、上記１番目の補助信号に対し、１番目及び２番目の時間間隔だけ、それぞれ時間的にシフトされたものであり；上記１番目の時間間隔の長さは遅延時間のＭ倍より短い所定の期間であり、上記２番目の時間間隔の長さは遅延時間のＭ倍より長い所定の期間であり、また、上記制御手段は、一方を１番目の補助信号と２番目の補助信号との間の相関とし、もう一方を１番目の補助信号と３番目の補助信号との間の相関とするとき、この両者の差を表す差分信号を、相関測定信号として導き出すための導出手段を含むことを特徴とする。この実施例では、２つの相関の間の差の正負の符号(sign)が真の遅延時間と所望の遅延時間との間の乖離の正負の符号と同時に変化する。これは、この差に基づいて遅延時間を正しい方向に改定することが簡単にできるという利点がある。
上記制御システムの実施例のうち後者の実施例は本発明による相関システムを有し、其処では２番目の補助信号及び上記３番目の補助信号が１番目の補助信号に対しそれぞれ１番目及び２番目の時間間隔だけシフトされ、茲で１番目の時間間隔の長さは或る基準時間間隔よりも短い所定の時間間隔であり、２番目の時間間隔の長さは該基準時間間隔よりも長い所定の時間間隔であり、また、上記後者の実施例は、一方を１番目の補助信号と２番目の補助信号との間の相関とし、もう一方を１番目の補助信号と３番目の補助信号との間の相関とするとき、この両者の差を表す差分信号を導き出すための導出手段を有する。
上記制御システムの更にもう１つの実施例は、差分信号を導き出すための上記導出手段が、１番目の補助信号と、２番目及び３番目の補助信号の間の差との積を計算する計算手段を含み、また該計算された積の連続的な(running）平均値を計算する計算手段を含むことを特徴とする。
この実施例もまた、乱れの周期の変化が乱れの周期に対比してゆっくりとしか変動しないので、計算された平均値が相関の差に対する適正な尺度となり、従って遅延時間の偏差の程度及び正負の符号に対する適正な尺度となる、という認識に立脚している。
以下に述べる実施例により本発明のこれら及びその他の態様が詳細に説明され明らかにされる。
図面では：
図１が、本発明による制御システムの実施例を示し、
図２及び図４が、相互に対し時間的にシフトされた信号間の相関を示し、
図３及び図５が、本発明による制御デバイスの実施例を示す。
図１は本発明による制御システムの一実施例を示す。この制御システムは、プロセス１と；プロセス１の特性量を測定し、該測定された量を示す測定信号Ｖmを生成するための測定デバイス２と；制御信号Ｖrをプロセス１に供給し、測定信号Ｖmに応じて特性量を制御するための制御デバイス３と；を有する。
プロセス１は通常のタイプの処理実行部であって、其処では特性量に周期的な乱れ(disturbance）が現れている。このようなプロセスは目的物が回転モータにより駆動される運輸(transport）プロセスであって、例えば光学的記録デバイス中での記録担体の動きとか又は磁気記録デバイス中での回転ヘッドの動き等がこれに該当しよう。周期的な乱れが運輸プロセスからの様々なプロセス中にも生じることは当業者にとって周知である。制御デバイス３は部分3aと部分3bとを含む。部分3aは既知のタイプのもので、周期的な乱れを強力に抑圧する遅延回路４を含み、この遅延回路は、周期的な乱れの周期Ｔpに対応する遅延時間Ｔを持っている。部分3aは更に部分５を含み、これは測定信号Ｖmに係わる入力信号Ｖinを遅延回路４に供給し、また遅延回路４の出力信号Ｖuitに依存する制御信号Ｖrを導き出す。部分3aの動作は本発明を理解する上に重要ではないからこれ以上詳細に説明しない。部分3aの実施例の詳細な説明については、プロセス１の実施例及び測定デバイス２の実施例と同様に、英国特許出願GB-A 2043964号及び米国特許US 4,821,168号を参照されたく、これらを引用文献として挙げておく。
周期的な乱れの強力な抑圧は、乱れの周期が遅延回路４の遅延時間Ｔに正確に等しい場合（基本高調波のとき）又は遅延時間Ｔの整数部分に正確に等しい場合（高次高調波のとき）に限って、抑圧が実行される。
制御デバイスのうちの部分3bは、周期的な乱れの基本高調波の周期Ｔpと遅延時間Ｔとの間の偏差を示す分析信号Ｖaを導くための分析回路６を有する。このような回路は例えば通常のタイプの周波数分析回路を含み、それが測定信号中の支配的な周波数を判定して、その支配的な周波数に対応する周期Ｔpを遅延時間Ｔと比較する。そのとき分析信号は、周期Ｔpが遅延時間Ｔからどの程度乖離しているかを示す。更にまた、部分3bは制御回路13及びアダプタ回路７を有する。アダプタ回路７は通常のタイプのもので、遅延回路の遅延時間Ｔがそれにより改定される。制御回路13は、分析信号Ｖaに応じて遅延時間Ｔが周期Ｔpに対応していることを分析信号Ｖaが示す値に、遅延時間Ｔを設定するタイプのものである。遅延回路が一連の引き続くメモリエ・メントを含み、其処でそれらのメモリエレメント中の情報がクロックパルスに応じて次のメモリエレメントに常時シフトしているような場合にあっては、アダプタ回路は分析信号に制御される発振器を含み、この発振器が遅延回路を制御するためのクロックパルスを生成する。いわゆる「サイクリック」メモリが遅延回路として用いられ、其処では初期アドレス及び最終アドレスへのポインタがクロックに応じて常時改定されることが好適である。クロック信号の周波数を変えることにより、メモリを通して情報がシフトされるスピードが改定され、従って遅延時間Ｔが改定される。遅延時間Ｔの改定は、遅延回路の入力と出力との間のメモリエレメントの数を変えることによっても実施できる。それは、分析信号Ｖaに応じて一連のメモリエレメントのうちから１つのメモリエレメントを出力信号Ｖuitの生成のために選定することにより、簡単に実施できる。
図１に示す実施例では、分析回路は通常のタイプの相関器(correlator)を含み、この相関器は分析信号として相関測定信号を導くものであり、該相関測定信号とは入力信号Ｖinと遅延信号との相関の程度を示すもので、この遅延信号は入力信号に等しいが入力信号Ｖinに対し遅延時間Ｔに等しい時間間隔だけ時間シフトされている。図１に示す実施例にあっては、出力信号Ｖuitが遅延信号として用いられている。信号Ｖinと信号Ｖuitの積の時間平均値が、入力信号Ｖinと出力信号Ｖuitとの間の相関の尺度(measure）として用いられる。相関を判定するため、分析回路は信号ＶinとＶuitの積を計算する乗算器10；及び乗算器の出力信号を濾波してＶinとＶuitの積の時間平均値を定める低域通過フィルタを含む。信号Ｖinと信号Ｖuitとの間の相関は、周期Ｔpが遅延時間の整数倍のときに最大となる。結局、遅延時間のこの値に対して信号Ｖinと信号Ｖuitとは、幾つかの非周期の乱れを除keba等しくなり、従って最大の相関を示す。説明用の図２を見れば、信号Ｖinと信号Ｖuitとの間の相関Ｃの程度が、遅延時間Ｔに対してプロットされた曲線20により示されている。
制御回路13は設定サイクル中で設定された遅延時間を変動させるタイプのもので、分析信号Ｖaの対応する値に基づいて遅延時間の最適設定を判定し、遅延時間Ｔを最適値に設定する。設定サイクルは、例えば制御システムがスイッチオンされたときに１回だけ実行される。しかしその代わりに一定の間隔で設定サイクルを繰り返すこともできる。
図３は本発明による制御デバイス３の更に別の実施例である。この実施例では遅延回路４が更に２つの部分に分割される、すなわち遅延時間Ｔ−dT1を持つ１番目の部分4aと、遅延時間dT1を持つ２番目の部分4bとに分割される。入力信号Ｖinと出力信号Ｖuitとの間の、部分4aと部分4bとによって生じる合計遅延時間はＴに等しくなる。遅延時間Ｔ−dT1を持つ部分4aの出力信号を、以後はＶ-と呼ぶ。出力信号Ｖuitは、部分５に供給されるばかりでなく、信号Ｖuitを時間dT2だけ遅延させる遅延回路30にも供給される。この遅延信号をこれからはＶ+と呼ぶ。信号Ｖ-及び信号Ｖ+は信号Ｖinに対し時間Ｔ−dT1及び時間Ｔ＋dT2だけそれぞれ時間的にシフトされる。図４には、遅延時間Ｔに関して信号Ｖinと信号Ｖ-との間の相関Ｃ-をプロットした曲線40が示される。また曲線41は遅延時間Ｔに関して信号Ｖinと信号Ｖ+との間の相関Ｃ+をプロットしたものである。dT1及びdT2の値は、周期Ｔpに等しい時点Ｔで曲線40と曲線41とが交差するように選定される。一般的に、周期的な乱れに関する相関曲線は最大値の周りの小さい領域では対称と考えられる。これは一般的にはdT1の値とdT2の値とが相互に等しい値に選定されることを意味する。図４の曲線42は遅延時間Ｔに対してプロットされた相関Ｃ+と相関Ｃ-との差を示すものである。遅延時間Ｔが周期Ｔpを上回る場合にこの差が正になり、遅延時間Ｔが周期Ｔpを下回る場合にこの差が負になるので、差の正負の符号に基づいて設定された遅延時間Ｔが大き過ぎるか小さ過ぎるかが検出できる。従ってこの差は分析信号Ｖaとして格段に適したものである。
Ｃ+とＣ-との差を示す信号Ｖaを定めるために制御デバイス３の部分3bは、差分回路31と、乗算器32と、平均値算出回路33とを有する。信号Ｖ+と信号Ｖ-とが差分回路31の入力に供給される。差分回路31は、Ｖ+とＶ-との差を表す信号を乗算器の入力に与える。乗算器32のもう一方の入力には信号Ｖinが供給される。乗算器32の出力には、その入力の受け取った信号の積を表す信号が生成される。乗算器32の出力に生成された信号が平均値算出回路33に供給される。平均値算出回路33は通常のタイプのもの、例えば低域通過フィルタであって、受け取った信号を時間的な平均値に変形した信号を生成する。Ｃ+とＣ-との差を表す信号Ｖaは平均値算出回路33の出力に出て来る。次いで信号Ｖaは制御回路13に供給され、該制御回路13が信号Ｖaの正負の符号及び量に依存して遅延時間Ｔを増加させ又は減少させる。
図５は本発明の制御デバイスの更にもう１つの実施例を示し、茲では既に説明した実施例中の対応するコンポネントには同じ番号が付してある。制御デバイス３の部分3aは、遅延回路４だけではなく、出力信号Ｖuitを遅延時間Ｔだけ遅延させるための２番目の遅延回路50をも更に有する。遅延回路50の出力に生成される信号Ｖuit'は、信号Ｖuitに対しＴだけ遅延しており、従ってＶinに対しては2Tだけ遅延している。信号Ｖuit及び信号Ｖuit'は部分５に供給され、其処ではプロセス１を制御するための制御信号Ｖrをこれらの信号に依存して導き出す。遅延回路50及び４の分枝から信号Ｖi,Ｖ+,Ｖ-が取り出されて、それにより信号Ｖ+及びＶ-は信号Ｖ-に対して時間的にＴ＋dT2及びＴ−dT1だけそれぞれシフトされる。分析信号Ｖaは信号Ｖ+,Ｖ-,Ｖiから図３に示す実施例におけるやり方と同様に導かれる。
部分4a，4b，30，31，33が全体として相関システムを形成し、デバイスに供給される信号（この場合にはＶin）が所定の基準の長さの時間間隔（この場合にはＴ）から乖離しているか否かを、この相関システムが相関技術に基づいて判断する、ということが理解されよう。この相関システムを利用することは、図３に示すタイプの、すなわち相関デバイスにより生成された信号Ｖaに依存して遅延時間５を改定するためのフィードバックを含むタイプの実施例に限定されるものではない。原理的にこの相関デバイスは、測定がなされるとき又は周期が精確に基準周期に対応するとき、例えば楽器を調律するときには常に使用できるものである。
上述の実施例では、遅延時間Ｔは時間Ｔだけシフトされた２つの信号間の相関が最大化される値に設定される。結局、この最大相関は時間Ｔが周期的な乱れの周期Ｔpに等しいときに生じる。Ｔの値がＴpの倍数に等しいときにも相関は最大になり、従って遅延時間Ｔの整数倍だけ相互にシフトされた２つの信号間の相関を示す信号に基づいて遅延時間Ｔを設定することもできる、ということを理解しなければならない。
更にまた、周期的な乱れは一般的に、基本高調波ばかりでなく基本高調波の周波数の整数倍の周波数を持つ多数の高次高調波をも有すると認められる。そのような高次の高調波の存在は、相関曲線に局所的最大及び局所的最小を結果的にもたらすことになる。図２は、22と番号を付したこれら多数の局所的最大と、23と番号を付したこれら多数の局所的最小とを示している。遅延時間Ｔが局所的最小又は局所的最大の位置に基づいて設定されることもできる、ということは当業者にとって明らかであろう。これは、ＭがＴm/Ｔpに等しいとし、Ｔmが局所的最小相関又は局所的最大相関の生じる時間シフトであるとするときに、ＴのＭ倍だけ時間シフトした場合に最大又は最小の相関が生じるか否かを判断することにより、実現できよう。
局所的最大に基づいて遅延時間Ｔを設定することは、時間間隔Ｔによってシフトされれるのではなく時間間隔Ｍ×Ｔによってシフトされる信号を、相関を定めるために用いることにより、実現できよう。図３及び図５の実施例に対しては、時間間隔Ｔ＋dT2及び時間間隔Ｔ−dT1によってシフトされるのではなく時間間隔MT＋dT2及び時間間隔MT−dT1によってシフトされる信号を、相関を定めるために用いることにより、設定を局所的最大に基づいて求めることができよう。相関の局所的最小に基づいての設定は、遅延時間を分析信号Ｖaが時間シフトされた信号間の最小相関を示す値に設定することにより求められよう。
上述の制御システム３の実施例はすべていわゆる固定配線された回路により実現される。この制御システムは、いわゆるプログラム制御形の回路、例えばマイクロコンピュータによっても、同様に実現できることは当業者にとって明らかであろう。

Claims (5)

1. 周期的な乱れを現す制御量を持つプロセスと；上記量を表す測定信号を生成するための測定手段と；測定信号に応じて上記量を制御し、周期的な乱れを減少させるための制御手段と；を有して成る制御システムであって、
   上記制御手段は遅延手段を含み、それは測定信号に係わる該遅延手段への入力信号を上記周期的な乱れの周期の長さに等しい時間だけ遅延させるものであり；また上記制御手段は、遅延時間と周期的な乱れの周期との間の関係を維持するための手段を含む制御システムにおいて、
   上記関係を維持するための手段は、
   上記周期的な乱れの周期と上記遅延時間との間の乖離を表す分析信号を導き出すための分析手段と；
   この分析信号に応じて遅延手段の遅延時間を改定する手段と；
   を含み、
   分析手段は分析信号として相関測定信号を導き出すための導出手段を含み、該相関測定信号は入力信号と遅延された信号との間の相関の程度を表す信号であり、また
   Ｔpを周期的な乱れの周期とし；
   Tmを、入力信号と入力信号を遅延させたものとの間の相関が最大又は最小を示す時間シフトとし；
   ＭをＴp/Ｔmに等しい値とするとき、
   上記遅延された信号は、上記入力信号に等しいが、但し入力信号に対し遅延時間ＴのＭ倍に等しい時間だけ時間的にシフトされているものであることを特徴とする制御システム。
2. 請求項１に記載の制御システムにおいて、
   上記制御手段は、遅延させることにより入力信号から１番目、２番目、及び３番目の補助信号を導き出すための遅延手段を含み；上記２番目の補助信号及び上記３番目の補助信号は、上記１番目の補助信号に対し、１番目及び２番目の時間間隔だけ、それぞれ時間的にシフトされたものであり；上記１番目の時間間隔の長さは遅延時間のＭ倍より短い所定の期間であり、上記２番目の時間間隔の長さは遅延時間のＭ倍より長い所定の期間であり、また
   上記制御手段は、一方を１番目の補助信号と２番目の補助信号との間の相関とし、もう一方を１番目の補助信号と３番目の補助信号との間の相関とするとき、この両者の差を表す差分信号を、相関測定信号として導き出すための導出手段を含むことを特徴とする制御システム。
3. 請求項２に記載の制御システムにおいて、差分信号を導き出すための上記導出手段は、１番目の補助信号と、２番目及び３番目の補助信号の間の差との積を計算する計算手段を含み、また該計算された積の連続的な平均値を計算する計算手段を含むことを特徴とする制御システム。
4. 請求項１ないし４のうちのいずれか１項に記載の制御システムにおいて、Ｍが１に等しいことを特徴とする制御システム。
5. プロセスの制御量を表す測定信号に応答して上記量を制御するとともに上記量によって現された周期的な乱れを減少させるための制御手段制御手段あって、
   上記制御手段は遅延手段を含み、それは測定信号に係わる該遅延手段への入力信号を上記周期的な乱れの周期の長さに等しい時間だけ遅延させるものであり；また上記制御手段は、遅延時間と周期的な乱れの周期との間の関係を維持するための手段を含む制御システムにおいて、
   上記関係を維持するための手段は、
   上記周期的な乱れの周期と上記遅延時間との間の乖離を表す分析信号を導き出すための分析手段と；
   この分析信号に応じて遅延手段の遅延時間を改定する手段と；
   を含み、
   分析手段は分析信号として相関測定信号を導き出すための導出手段を含み、該相関測定信号は入力信号と遅延された信号との間の相関の程度を表す信号であり、また
   Ｔpを周期的な乱れの周期とし；
   Tmを、入力信号と入力信号を遅延させたものとの間の相関が最大又は最小を示す時間シフトとし；
   ＭをＴp/Ｔmに等しい値とするとき、
   上記遅延された信号は、上記入力信号に等しいが、但し入力信号に対し遅延時間ＴのＭ倍に等しい時間だけ時間的にシフトされているものであることを特徴とする制御手段。

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