JP4306299B2 - Control method and control apparatus for compensating for periodic disturbance in servo system - Google Patents
Control method and control apparatus for compensating for periodic disturbance in servo system Download PDFInfo
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えばディスクドライブのリード/ライトヘッド制御のような位置決め駆動機構を備えた被制御システムの動作を制御する制御方法に関する。本発明は、さらに、上述の方法を実行させる制御装置、及びこの制御装置を含む位置決めサーボシステムに関する。
【0002】
【従来の技術】
周期的外乱は、多くのサーボシステムにおいて見られ、システムの性能を悪化させる。主な例としては、データ記録用のディスクドライブ内のリード/ライトヘッドのサーボシステムがあり、ここでは、このサーボの主要な機能は、回転するディスクの選択されたトラック上に、ヘッドを正確に維持することである。周期的外乱の影響による位置決めの不正確さは、繰返し回転振れ(Repeatable Run-Out:以下、RROという。)と呼ばれ、システムの位置決めの正確さを改良するにあたって、主要な障害の1つとなっている。
【0003】
図1は、リード/ライトヘッドが、所望のトラックへ移動し、同トラックで位置を維持しようとする、所謂トラック追従(track following)と呼ばれるプロセスの後の、3.5”ハードディスクドライブの位置誤差信号(position error signal)を示す。
【0004】
スピンドルディスクが偏心している場合には、その影響から、ヘッドの位置に周期的外乱が生じ、その結果、従来のサーボでは残差(residual error)をトラック幅の±25%内までしか確実に抑えることができない。しかし、それに対し、必要とされる位置の正確さはトラック幅の±10%未満の残差である。
【0005】
ディスクが着脱可能なディスクドライブでは、ディスクの偏心度がより大きいため、RROはより大きい。周期的外乱についてのこの種の問題は、工作機械、繰返しの作業を行うロボットマニピュレータを含む回転機械においても発生する。さらに、アクチュエータでの非直線性には、周期的外乱としてモデル化することができるものがある。
【0006】
これらの外乱に共通の特徴は、これらが周期的(すなわち、繰返し)であるということである。この周期は、周知であるか、又は解析若しくは測定可能である。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】
図1に示されている残差e(t)は周期的であり、且つ、残差の基本周波数は75Hzであり、これはディスクの回転速度と完全に一致することがわかる。
【0008】
従来、RROを打ち消す方法として、フィードバックループの一部としてノッチフィルタを使用するものがある。ノッチフィルタは、フィードバックループ中に直列挿入されているので、ループ内においてノッチ周波数を持つ全ての信号に影響がある。したがって、閉ループにノッチフィルタを挿入すると、システム特性が変わるので、サーボ制御器の構成がより複雑になる。さらに、ノッチフィルタを用いる場合の主な問題点は、その方法がモデルベースであり、外乱についての情報に基づいて選択された固定パラメータでノッチフィルタが設計されることにある。外乱は動作状態によって変わり得るので、ノッチフィルタによる補償が常に有効であるとは限らない。
【0009】
RROに関する他の解決策として、適応フィードフォワードキャンセル(Adaptive Feedforward Cancellation:以下、AFCという。)がある(参考文献[1] A. Sacks, M. Bodson And W. Messer, "Advanced method for repeatable runout compensation", IEEE Trans. On Magnetics, vol. 31, No. 2, pp. 1031-1036"、[2] Y. Onuki, H. Ishioka and H. Yada, "Repeatable runout compensation for disk drives using multi-loop adaptive feedforward compensation", SICE ’98, Chiba Japan, pp. 1093-1098、[3] M. Bodson, A. Sacks and P. Khosla, "Harmonic Generation in adaptive feedforward cancellation schemes", IEEE Trans. On Automatic Control, vol. 39, No. 9, pp. 1939-1994参照)。AFCは、ノッチフィルタ法とは異なり、フィードフォワードパスで動作し、システム特性を変えることがない。
【0010】
しかしながら、所定数の周波数成分を除去するように設計されたAFCアルゴリズムは、高次の高調波を発生することがあり(上記文献[3]参照)、補償効果を悪化させることがあることが判っている。
【0011】
さらに、所謂「修正AFC」では位相シフトが必要とされるが、位相シフトを正確に特定できない場合、残差が大きくなる原因となる(上記文献[1]、[2]参照)。
【0012】
また、AFCの実現には、サイン(sin)及びコサイン(cos)関数が必要であり、これらは通常、デジタルシグナルプロセッサ(digital signal processor:以下、DSPという。)のルックアップテーブル(look-up table)によって実行される。ルックアップテーブルは大きなメモリスペースを占め、プログラミングを煩雑にする。
【0013】
参考文献[4](Y. Lou, "Observer-based compensation of repeatable run-outs in hard disk drives", Proceedings of the 9th Sony Research Forum (1999) p 453-458)において、本発明者はオブザーバベースドフィードフォワード補償(Observer-based Feedforward Compensation:以下、OFCという。)法を提案している。RROは、状態オブザーバによって観察される追加のシステム状態として処理される。観察された信号は、次に、フィードフォワード補償ループを作成するために用いられ、RROの影響を除去する。OFCの問題点は、RROの各高調波成分について2つの余分な状態変数を必要とすることにあり、これによって、十分に高調波成分の補償を実行することが困難になる。
【0014】
周期的外乱を除去する他の仕組みとして、繰返し制御器(repetitive controller)があり、参考文献[5](Y. Onuki and H. Ishioka, "Compensation for repeatable tracking errors in hard drives using discrete-time repetitive controllers", Proceedings of the 6th International Workshop on advanced motion control, March 2000, Nagoya, Japan, pp 490-495)においてAFCと比較されている。上記文献で述べられているように、繰返し制御器はAFCよりも高い高調波を補償することができ、繰返し制御器の計算負荷は、AFCの4分の1にすぎない。しかし、各高調波について、繰返し制御器による補償効果は、AFCによるものよりも小さい。上記参考文献[5]で使用されている繰返し制御器は、基本高調波について45dBの減衰率、及びその他のより高い高調波についてはより低い減衰となるが、一方、AFCは各被補償高調波について、60dBよりも大きな減衰率を有する。
【0015】
さらに、上述の全ての方法は、DSP又はマイクロプロセッサで、ソフトウェアによって実行される。したがって、DSP又はマイクロプロセッサの制限(すなわち、限られた計算速度及び/又はワード長)によって、外乱を補償する能力が限定されることがある。
【0016】
本発明は、サーボシステムを制御する新規で有用な方法及び装置を提供する。また、本発明はサーボシステムでの周期的外乱を効果的、確実、簡潔、経済的に補償し得る方法及び装置を提供する。
【0017】
【課題を解決するための手段】
本発明は、周期的ノイズの影響下にあるサーボシステムを、2つの層(隠れ層及び出力層)を含むニューラルネットワーク(neural network)を使用して制御することを提案する。
すなわち、本発明は、位置決め駆動機構を備えた被制御システムの動作を制御する制御方法において、前記被制御システムから出力される当該被制御システムの動作状態を示す測定信号を比較手段により基準信号と比較して、前記被制御システムの動作における位置誤差を示す位置誤差信号を生成し、入力に対する予め定めた関数をそれぞれ出力する隠れ層ニューロンユニットを複数個含み、該複数個の隠れ層ニューロンユニットが対に配置され、各対の一方のニューロンユニットの出力が他方のニューロンユニットに入力されるよう構成された隠れ層と、該複数個の隠れ層ニューロンユニットの出力をそれぞれ重み付けして加算した合計を出力する出力層ニューロンユニットを含む出力層とを有し、前記出力層ニューロンユニットにおける前記複数個の隠れ層ニューロンユニットの出力を加算する際の重み付け値を調整することにより、入力に対して、任意に近似した周期的信号を出力するニューラルネットワークに入力される周期的外乱の影響下における前記被制御システムの動作状態を示す測定信号から前記比較手段により生成される位置誤差信号に基づいて、ニューラルネットワーク学習機構により、前記周期的外乱の影響を学習して、前記出力層ニューロンユニットにおける前記複数個の隠れ層ニューロンユニットの出力を加算する際の重み付け値を調整することにより、前記被制御システムにおける周期的外乱の影響を補償する周期的信号を前記ニューラルネットワークの出力層ニューロンユニットから出力するように、前記ニューラルネットワークを制御し、前記比較手段により生成される位置誤差信号をサーボ制御器に供給して、前記位置誤差信号により示される前記被制御システムの動作における位置誤差を修正する修正信号を生成し、前記サーボ制御器により生成される修正信号を前記出力層ニューロンユニットから出力される周期的信号と加算手段により加算合成し、前記加算手段により前記修正信号と周期的信号を加算合成して得られる制御信号を前記被制御システムに供給し、前記周期的外乱の影響を補償した状態で前記被制御システムの位置決め駆動機構を駆動することを特徴とする。
また、本発明は、位置決め駆動機構を備えた被制御システムの動作を制御する制御装置において、前記被制御システムから出力される当該被制御システムの動作状態を示す測定信号を基準信号と比較して、前記被制御システムの動作における位置誤差を示す位置誤差信号を生成する比較手段と、前記被制御システムの位置決め駆動機構を駆動し、前記比較手段により生成される位置誤差信号により示される前記被制御システムの動作における位置誤差を修正する修正信号を生成するサーボ制御器と、前記比較手段により生成される位置誤差信号が入力され、入力に対する予め定めた関数をそれぞれ出力する隠れ層ニューロンユニットを複数個含み、該複数個の隠れ層ニューロンユニットが対に配置され、各対の一方のニューロンユニットの出力が他方のニューロンユニットに入力されるよう構成された隠れ層と、該複数個の隠れ層ニューロンユニットの出力をそれぞれ重み付けして加算した合計を出力する出力層ニューロンユニットを含む出力層とを有し、前記出力層ニューロンユニットにおける前記複数個の隠れ層ニューロンユニットの出力を加算する際の重み付け値を調整することにより、入力に対して、任意に近似した周期的信号を出力するニューラルネットワークと、周期的外乱の影響下における前記被制御システムの動作状態を示す測定信号から前記比較手段により生成され、前記ニューラルネットワークに入力される位置誤差信号に基づいて、前記周期的外乱の影響を学習して、前記出力層ニューロンユニットにおける前記複数個の隠れ層ニューロンユニットの出力を加算する際の重み付け値を調整することにより、前記被制御システムにおける周期的外乱の影響を補償する周期的信号を前記ニューラルネットワークの出力層ニューロンユニットから出力するように、前記ニューラルネットワークを制御するニューラルネットワーク学習機構と、前記サーボ制御器により生成される修正信号と前記出力層ニューロンユニットから出力される周期的信号を加算合成する加算手段とを備え、前記加算手段により前記修正信号と周期的信号を加算合成して得られる制御信号を前記被制御システムに供給し、前記周期的外乱の影響を補償した状態で前記被制御システムの位置決め駆動機構を駆動することを特徴とする。
さらに、本発明は、位置決め駆動機構を備えた被制御システムと、前記被制御システムの動作を制御する制御装置とからなる位置決めサーボシステムであって、前記制御装置は、前記被制御システムから出力される当該被制御システムの動作状態を示す測定信号を基準信号と比較して、前記被制御システムの動作における位置誤差を示す位置誤差信号を生成する比較手段と、前記被制御システムの位置決め駆動機構を駆動し、前記比較手段により生成される位置誤差信号により示される前記被制御システムの動作における位置誤差を修正する修正信号を生成するサーボ制御器と、前記比較手段により生成される位置誤差信号が入力され、入力に対する予め定めた関数をそれぞれ出力する隠れ層ニューロンユニットを複数個含み、該複数個の隠れ層ニューロンユニットが対に配置され、各対の一方のニューロンユニットの出力が他方のニューロンユニットに入力されるよう構成された隠れ層と、該複数個の隠れ層ニューロンユニットの出力をそれぞれ重み付けして加算した合計を出力する出力層ニューロンユニットを含む出力層とを有し、前記出力層ニューロンユニットにおける前記複数個の隠れ層ニューロンユニットの出力を加算する際の重み付け値を調整することにより、入力に対して、任意に近似した周期的信号を出力するニューラルネットワークと、周期的外乱の影響下における前記被制御システムの動作状態を示す測定信号から前記比較手段により生成され、前記ニューラルネットワークに入力される位置誤差信号に基づいて、前記出力層ニューロンユニットにおける前記複数個の隠れ層ニューロンユニットの出力を加算する際の重み付け値を調整することにより、前記被制御システムにおける周期的外乱の影響を補償する周期的信号を前記ニューラルネットワークの出力層ニューロンユニットから出力するように、前記周期的外乱の影響を学習して、前記ニューラルネットワークを制御するニューラルネットワーク学習機構と、前記サーボ制御器により生成される修正信号と前記出力層ニューロンユニットから出力される周期的信号を加算合成する加算手段とを備え、前記加算手段により前記修正信号と周期的信号を加算合成して得られる制御信号を前記被制御システムに供給し、前記周期的外乱の影響を補償した状態で前記被制御システムの位置決め駆動機構を駆動することを特徴とする。
【0019】
本発明は、三角級数で展開可能であるという周期的外乱の固有特性に基づいている。実質的には、隠れ層ニューロンの各対は、三角級数の成分の1つを補償することができる。よって、十分な数の隠れ層ユニットがあれば、どの次元の周期的外乱も、正確に補償することができる。
【0020】
ニューラルネットワークは自動的に同調できる。つまり、周期的ノイズの変化のような環境変化を学習し、それに適応する学習能力を有している。
【0021】
後述するように、本発明の制御方法及び制御装置は、DSPのソフトウェアのみならず、ハードウェアでも実行することができるので、得られる補償がサーボDSPの制限に限定されることがない。
【0022】
具体的には、本発明の制御方法及び制御装置は、アナログ回路、好ましくはVLSIのような集積回路によって実現することができる。特に、ニューラルネットワーク及びその学習システムは、例えば、既存のドライバチップ内に集積された追加部分のように、チップ内に集積することができる。
【0023】
AFCに対して、本発明が有する利点は、AFCのサイン/コサイン(sin/cos)ルックアップテーブルが、隠れ層の自己フィードバックで置き換えられることである。これによって、本発明がより簡潔になり、信頼性が増す。
【0024】
さらに、本発明の学習機構により、ニューラルネットワークは、変化する動作状況に対処することができる。これによって、本発明の好ましい実施の形態が、より高い耐性をもつようになる。
【0025】
さらに、構造の物理的意味が明確なので、本発明では、より多くのニューロンを加えるだけで、周期的外乱のどの次元の高調波も補償することができる。これによって、本発明の好ましい実施の形態が、より柔軟性をもつようになる。
【0026】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る制御方法及び制御装置について、図面を参照しながら、詳細に説明する。なお、本発明は、以下の実施の形態に限定されるものではない。
【0027】
先ず、図2(a)に本発明の一実施の形態を示す。この実施の形態は、例えば、ハードディスクドライブのサーボシステムである。
【0028】
この実施の形態のサーボシステムは、リード/ライトヘッドに対応して制御されるシステム210を有する。このシステム210は、外乱rの影響を受ける。なお、本明細書における全ての信号は、時間の関数である。測定信号ymはシステム210から出力され、システム210の状態を示す。公称サーボ制御器200の入力である位置誤差信号(position error signal)eを求めるために、測定信号ymは比較器100により基準信号y*と比較される。公称サーボ制御器200は、アクチュエータを駆動する指示信号uを出力する。公称サーボ制御器200は、公称システム、すなわち外乱rのないシステム210用に設計されたサーボ制御器である。
【0029】
このサーボシステムは、さらにニューラルネットワーク222を有するユニット220を備える。本明細書では、ニューラルネットワーク(詳細は後述する)は、ハイブリッド三角関数ニューラルネットワーク(Hybrid Trigonometric NeuralNetwork:以下、HTNNという。)と称し、それぞれがベクトルXで表される出力を有する(2n+1)個のニューロンからなる隠れ層、及び単一の出力fNを生成する出力層を有する。HTNN222は、ベクトルWとして記述される(2n+1)個の重み付け値の群に基づいて制御される。ベクトルWは、学習機構(Learning Mechanism:LM)221により設定される。学習機構221は、隠れ層ニューロンの出力X及び瞬時値eが供給される。
【0030】
公称サーボ制御器200の出力である指示信号uは、加算器110によりHTNN222の出力fNに加算され、制御されるシステム210への入力である制御信号を形成する。ここでは、制御されるシステム210は、2つの積分器211及び212としてモデル化されている。
【0031】
システム210が、ハードディスクドライブ(HDD)である場合は、システム210は、移動可能なアクチュエータ、サスペンション付アーム、アクチュエータの位置決めのための移動を可能にする駆動機構、及びボイスコイルモータを有する。これらの部品の何れも図示はされていないが、何れも公知の構造であるので、当業者には明らかである。
【0032】
ここで繰返し回転振れ(RRO)と称する周期的外乱は、rで示される。HDDの場合は、ディスクの偏心、回転軸の変形、又はサーボ書込み工程の不完全さによって引き起こされる位置の外乱として現れる。
【0033】
このRROは周期的であるので、下記式(1)のように三角多項式で概算することができる。
【0034】
【数1】
【0035】
このRROは位置の外乱として現れるが、これはラプラス変換F(s)で図2(b)に示すように力の外乱f(t)と等価である。
【0036】
【数2】
【0037】
ここで、R(s)はRRO r(t)のラプラス変換である。したがって、
【0038】
【数3】
【0039】
ここで、Fi=−i2ω2Ri/kvkyである。式(1)で指数がゼロの第1項は、定数であるため2重の微分後に消える。式(3)は、さらに、下記式(4)のように記述することができる。
【0040】
【数4】
【0041】
ここで、
【0042】
【数5】
【0043】
であり、且つこれらは、以下で定められる。
【0044】
X(t)=[sinωt sin2ωt ・・・ sinnωt cosωt cos2ωt ・・・ cosnωt]TW=[F1cosj1 F2cosj2 ・・・ Fncosjn F1sinj1 F2sinj2 ・・・ Fnsinjn]T
三角関数の特性によって、次の行列運動方程式が得られる。
【0045】
【数6】
【0046】
ここで、
【0047】
【数7】
【0048】
且つ、
【0049】
【数8】
【0050】
である。
【0051】
式(4)及び式(5)は、周期的外乱が三角多項式で表現され得ることを示しており、この三角多項式は、図3のニューラルネットワークで表される。図3のニューラルネットワークは2層になっている。すなわち、(2n+1)個のニューロンを有する隠れ層と、1つのニューロンからなる出力層の2層である。ニューロン303を除き、X1,...,Xn,Xn+1,...,X2nで示されている隠れ層ニューロンの出力は、式(4)のXのそれぞれの成分に等しい。
【0052】
図3で、ニューロン303以外の各隠れ層ニューロンは、入力を、それぞれの値a1,...,an,an+1,...,a2nで乗算する(この乗算は、素子300として示されている)という簡単な機能を果たし、その結果を積分器301に入力して、隠れ層ニューロンの出力を生成する。ニューロン303は、特別なニューロンであり、一定の出力として1を出力し、出力層のバイアスとして作用する。ニューロン303は、他の隠れ層ニューロンと等しく取り扱うことが可能だが、その値a0=0の場合は、
【0053】
【数9】
【0054】
となる。
【0055】
隠れ層からの各出力X0,...,Xn,Xn+1,...,X2nは、1つのニューロンからなる出力層に入力される。この1つのニューロンは、入力された各出力X0,...,Xn,Xn+1,...,X2nのそれぞれを、対応する重み付け値W0,...,Wn,Wn+1,...,W2nで乗算して(304で示す乗算器で)、それぞれ結果306を得る。この結果306を加算器307を使用して合計し、fN(t,W(t))である出力308を得る。
【0056】
調整可能な重みW0,...,Wn,Wn+1,...,W2nの値は、後述する学習機構により変化させることが可能であり、動作305として図3に示されている。
【0057】
このニューラルネットワークの構造は、所謂「放射状ニューラルネットワーク(Radial Neural Network)」に極めて類似している。その理由としては、このニューラルネットワークが、各フィードフォワードパスに、1つだけしか調整可能な重みを有しておらず、出力前に出口関数がないことがあげられる。すなわち、出力ニューロンの出力は、重み付けされた入力の合計にすぎず、その関数ではない。このニューラルネットワークと放射状ニューラルネットワークとの相違は、図3のニューラルネットワークが、それ自身の動作によって出力層への入力を三角関数の形式で得ることである。このため、図3のニューラルネットワークをハイブリッド三角関数ニューラルネットワーク(HTNN)と称する。
【0058】
HTNNについて、以下2点の注釈を加える。
【0059】
1.HTNNは、任意の周期的信号に近似することができる。これは、次のように数学的に表すことができる。周期Tを有する任意の連続周期的関数f(t+T)=f(t)、及び任意のδ>0において、有限の値n及び重み付けベクトルW*が存在し、下記式(7)のようになる。
【0060】
【数10】
【0061】
2.周期T、及びn未満の次元を有する全三角多項式の中で、HTNNは可能な限り最良の平均平方近似値をfに与える。
【0062】
以下に、図3のHTNNの学習機構及びシステム安定性について説明する。
【0063】
図2(b)から、y=ymならば、HTNNを有しないHDDサーボの原動力は、下記式(8)のように記述することができる。
【0064】
【数11】
【0065】
公称サーボ制御器200が、線形比例微分制御器である場合、下記式(9)が得られる。
【0066】
【数12】
【0067】
ここで、e=y*−yは、位置誤差(position error)である。
【0068】
この制御器のゲインは下記式(10)のとおりである。
【0069】
【数13】
【0070】
ここで、kc>0,β0>0及びβ1>0は、下記式(11)で定義される合成誤差(composite error)の係数である。
【0071】
【数14】
【0072】
したがって、上記式(8)乃至式(10)を考慮して、式(11)を微分することによって、下記式(12)が得られる。
【0073】
【数15】
【0074】
ここで、fR(t)=−kvkyf(t)である。
【0075】
HTNN222の出力fN(t,W(t))を考慮すると、下記式(13)が得られる。
【0076】
【数16】
【0077】
安定性の設計の場合は、下記式(14)のように、リアプノフ関数が構築される。
【0078】
【数17】
【0079】
ここで、EW(t)=W*−W(t)は重み誤差(weight error)である。
【0080】
HTNN222が、連続時間で(例えば、アナログ回路によって)動作する場合は、HTNN222の学習ルールは、ここでは下記式(15)となるように選ばれる。
【0081】
【数18】
【0082】
ここで、
【0083】
【数19】
【0084】
である。
【0085】
したがって、HTNN222の動作、及び学習アルゴリズムは図4に概略的に示されているようになる。ここで、ボックス400はHTNN222を表し、ボックス401は学習機構221の動作を示す。HTNN222は、XをAで乗算する連続ループを有し、Xは学習機構401にフィードバックされる。したがって、V(t)の時間微分は、下記式(16)のとおりである。
【0086】
【数20】
【0087】
よって、
【0088】
【数21】
【0089】
上記式(17a)が満たされる時、式(17b)に示す関係が成り立つ。
【0090】
したがって、システム合成誤差は、β1δ/kcに収束するが、これは換言すると、誤差e(t)は次の線形微分方程式(18)に従って収束することを意味する。
【0091】
【数22】
【0092】
式(18)の解は、下記式(19)のとおりである。
【0093】
【数23】
【0094】
式(19)は、システムの誤差e(t)が、その初期値e(0)から、β1δ/(β0kc)のバイアスで、正の定数β1δ/(β0kc)に向かって、β0/β1の指数定数で、指数関数的に収束することを示している。
【0095】
以下に、HTNN及び学習機構のパラメータをどのようにして選択するかという点について説明する。
【0096】
HTNNの隠れ層ニューロンの初期状態、すなわちX(0)は、状態X(t)が三角関数的であることを確実にするように割り当てられるべきであり、つまり下記式(20)のようになる。
【0097】
【数24】
【0098】
HTNN内の重みW(0)の初期値は、HTNNがゼロ初期出力を有するように、ゼロに設定されてもよい。
【0099】
【数25】
【0100】
HTNNの次元nは、近似精度δに影響し、さらに、全体のシステム補償性能に影響する。一般に、nが大きいと、結果的にδが小さくなるので、良好な補償である。しかしながら、HTNNの次元nは、実際には制限がある。例えば、HTNNがアナログVLSIで実現される場合は、集積度で制限され、また、HTNNがソフトウェアで実現される場合は、DSPの計算能力で制限されることがある。HTNNの次元nを選択する現実的な方法は、誤差信号に対する高調波解析によるものである。誤差信号の高調波成分の内容から、HTNNが全ての主な高調波成分を打ち消すことが確実となるように、適切なnを選ぶことができる。nを設定する他の方法としては、ハードウェア又はソフトウェアの制限を考慮した上で、充分な補償性能が達成されるまでnを初期値から増加させるというものがある。この方法は、HTNNが動作設定前に、又はオンラインアダプテーションによって行われる。
【0101】
次に、パラメータβ0、β1及びkcの設定方法について説明する。
【0102】
上記式(10)から、下記式(22)が得られる。
【0103】
【数26】
【0104】
リニアシステムが臨界状態で動作するようにリニア制御器が設計されていると仮定した場合、すなわち、
【0105】
【数27】
【0106】
であると仮定すると、下記式(24)が得られる。
【0107】
【数28】
【0108】
β1=k1と設定すると、β0=2k0となる。よって、式(9)及び式(11)から、下記式(25)が得られる。
【0109】
【数29】
【0110】
学習機構において式(25)を使用すると、通常現実的には問題となるe(t)の微分の測定が避けられる。
【0111】
ここで、ハードウェア又はソフトウェアのいずれか一方を用いた実施の形態について説明する。
【0112】
先ず、DSPを使用してのソフトウェアによる実施の形態、及びアナログVLSIでのハードウェアによる実施の形態を以下に詳細に説明する。この場合、上述の連続方程式はもはや適切ではないので、代わりに、式(5)を下記式(26)のように変換する。
【0113】
【数30】
【0114】
ここで、Tはサンプリング時間で、
【0115】
【数31】
【0116】
である。Xd(k)の初期値は
Xd(0)=[01×n I1×n]T
である。
【0117】
学習ルールを表す式(15)は、下記式(27)で置換される。
【0118】
【数32】
【0119】
DSPソフトウェアにより学習機構が実現されるHTNNの概略ブロック図を図5に示す。ここで、500はニューラルネットワーク本体であり、501は学習機構である。この場合、全体の構造は図4のものに似ているが、ブロック500において、行列Aが行列Dに置き換えられ、積分器はz−1で示されている遅延ユニットに置き換えられている。同様に、学習機構に対応するブロック501において、積分器は遅延ユニットz−1に置き換えられ、ブロック501の出力はこの遅延ユニットの合計、すなわち、式(27)の結果で、前のサイクルにおけるWである。
【0120】
次に、アナログVLSIによる実施の形態について説明する。この場合、上記式(5)及び式(15)は有効であり、上記式(26)及び式(27)に置き換えられることはない。一実施例が図6に示されており、これは参考文献[6](S. P. DeWeerth et al., "A neuron-based pulse servo for motion control", Proc. IEEE Conf. Robotics and Automation (Cincinnati, OH), 1990, pp1698-1703)、[7](C. A. Mead, Analog VLSI and neural systems, Reading MA, Addison-Wesley, 1989)で発表されている設計手法に従っている。
【0121】
図6の左上には相互コンダクタンス増幅器(上記文献[7]参照)と呼ばれる部品600を示している。部品600は出力電流i0を有しており、この電流は、複数ある入力端子のうちの2つ入力端子間の入力電圧vi、他の端子へのバイアス電流ib、及び利得Kの関数であり、下記式(28)で求められる。
【0122】
【数33】
【0123】
図6には、また、4象限乗算器と呼ばれる部品601が示されている。部品601は出力電流i0を有し、この電流は2つの入力電圧vi1、vi2並びにバイアス電流ibの関数であり、下記式(29)で求められる。
【0124】
【数34】
【0125】
図6の上部はニューラルネットワーク本体であり、下部は学習機構である。
【0126】
ニューラルネットワーク本体は、610で示される2n個のニューロンを隠れ層に含み、1つのニューロン620を出力層に含んでいる。ニューロン610からの出力電圧は、ニューロン620の入力の一部をなす。ニューロン610は、隠れ層ニューロンを構成する素子611、612、613及び614を有する。ニューロン620は、隠れ層ニューロンの出力を対応する重み付け値で乗算し、その合計をして電圧出力v0を求める素子621及び622を有する。
【0127】
640として示されている定電圧vx0は、学習素子630に対応する部分によって生成される重み付け値w0を介して、ニューロン620内のいずれかの乗算器(例えば図6の素子621)のバイアス電流によってニューロン620にバイアスを与える。学習素子630は、乗算器621で使用するための重み付け値を生成する。
【0128】
誤差信号e(t)は、増幅器650として示される部品を使用して生成され、増幅器650は図示の抵抗配列で、2つの入力y及びy*に接続されている。
【0129】
この動作を詳細に説明する。抵抗値Rを有する抵抗器613を考慮しつつ、相互コンダクタンス増幅器612の定義を利用すると、下記式(30)が得られる。
【0130】
【数35】
【0131】
ここで、フィードバック行列[αi]は、ニューロン610内の各ノードを接続、又はその接続を切ることによって決まる。相互コンダクタンス増幅器612及びキャパシタCからなる追従積分器(follower integrator)614を使用すると、K及びRの正しい選択について、下記式(31)が得られる。
【0132】
【数36】
【0133】
乗算器621は、下記式(32)に従って、隠れ層ニューロンの出力を学習した重みwiで乗算する。
【0134】
【数37】
【0135】
ここで、重みは学習素子630により求められ、ib1=w0である。
【0136】
HTNNの全出力は、2n全てからの電流の合計を取り、且つ増幅器622を使用して、電流i0を電圧信号V0に変換することによって求められる。
【0137】
【数38】
【0138】
各学習素子630は、下記式(34)に従って、対応する重み値を連続的に更新する。
【0139】
【数39】
【0140】
こうして、式(4)中のHTNNは、アナログVLSIで実現される。
【0141】
上述のように、本発明の実施例によれば、位置決めサーボシステムのシステム性能について、周期的外乱が及ぼす影響を補償することが可能な方法及び装置を提供することができる。
【0142】
【発明の効果】
本発明に係る制御装置及び制御方法は、システマティックに実現することができ、周期的外乱の必要な成分の全てが容易に補償可能である。
【0143】
また本発明に係る制御装置及び制御方法は、環境変化を学習し、それらに適応する学習能力を有している。
【0144】
さらに、本発明に係る制御装置及び制御方法は、DSPのソフトウェアによってのみならず、ハードウェアによっても実行することができ、サーボDSPの制限は、本発明の補償効果に影響しない。
【0145】
また、アナログVLSIで実現できるので、全HTNN及びその学習機構を、1つのチップに集積することができる。
【0146】
本明細書においては、本発明の実施の形態を詳細に説明したが、当業者にとって明らかであるように、本発明は上述した実施の形態に限定される物ではなく、本発明の範囲内で多様な変形が可能であることは言うまでもない。
【0147】
(参考文献)
下記参考文献の開示内容を全て本願に引用して援用する:
[1]A. Sacks, M. Bodson and W. Messer, "Advanced method for repeatable runout compensation", IEEE Trans. on Magnetics, vol. 31, no. 2, pp. 1031-1036.
[2]Y. Onuki, H. Ishioka and H. Yada, "Repeatable runout compensation for disk drives using multi-loop adaptive feedforward compensation", SICE ’98, Chiba Japan, pp. 1093-1098.
[3]M. Bodson, A. Sacks and P. Khosla, "Harmonic generation in adaptive feedforward cancellation schemes", IEEE Trans. on Automatic Control, vol. 39, no. 9, pp. 1939-1994
[4]Y. Lou, "Observer-based compensation of repeatable run-outs in hard disk drives", Proceedings of the 9th Sony Research Forum (1999) p453-458.
[5]Y. Onuki and H. Ishioka, "Compensation for repeatable tracking errors in hard drives using discrete-time repetitive controllers", Proceedings of the 6th International Workshop on advanced motion control, March 2000, Nagoya, Japan, pp 490-495.
[6]S. P. DeWeerth et al., "A neuron-based pulse servo for motion control," Proc. IEEE Int Conf. Robotics and Automation (Cincinnati, OH), 1990, pp 1698-1703.
[7]C. A. Mead, Analog VLSI and neural systems, Reading MA, Addison-Wesley, 1989.
【図面の簡単な説明】
【図1】ハードディスクドライブのサーボシステムにおける周期的外乱の影響を示すグラフである。
【図2】(a)はハードディスクドライブのサーボシステムを制御する本発明の実施の形態の構造を示す概略図であり、(b)は同様の図において周期的外乱を力信号として表したものである。
【図3】図2のニューラルネットワークの構造を示す概略図である。
【図4】図3のニューラルネットワーク、及び学習機構の概略を示し、ニューラルネットワークは、連続システムで表されている。
【図5】DSPソフトウェアで実行される図3のニューラルネットワーク、及びその学習機構の概略ブロック図である。
【図6】アナログVLSIによる図3のニューラルネットワークの実施例を示す図である。
【符号の説明】
200 公称サーボ制御器、210 システム、211 積分器、212 積分器、220 ユニット、221 学習機構、222 HTNN、300 素子、301 積分器、303 ニューロン、304 乗算器、306 結果、307加算素子、308 出力、400 HTNN、401 学習機構、500 ニューラルネットワーク本体、501 学習機構、600 相互コンダクタンス増幅器、601 4象限乗算器、610 ニューロン、620 ニューロン、630 学習部品、640 定電圧、650 増幅器[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention is, for example,Such as disk drive read / write head controlOperation of controlled system with positioning drive mechanismThe present invention relates to a control method for controlling. The present invention further includes a control device for executing the above-described method, and the control device.PositioningRelated to servo system.
[0002]
[Prior art]
Periodic disturbances are found in many servo systems and degrade system performance. A prime example is a read / write head servo system in a disk drive for data recording, where the main function of this servo is to accurately place the head on a selected track of a rotating disk. Is to maintain. Positioning inaccuracy due to the effects of periodic disturbances is called Repeatable Run-Out (RRO), and is one of the major obstacles in improving system positioning accuracy. ing.
[0003]
FIG. 1 shows a 3.5 "hard disk drive position error after a so-called track following process where the read / write head moves to the desired track and tries to maintain the position on the track. Indicates a signal (position error signal).
[0004]
When the spindle disk is decentered, the influence causes a periodic disturbance at the head position. As a result, the conventional servo reliably suppresses the residual error to within ± 25% of the track width. I can't. However, the required position accuracy is a residual of less than ± 10% of the track width.
[0005]
In a disk drive in which a disk is removable, the RRO is larger because the disk is more eccentric. This kind of problem with periodic disturbances also occurs in machine tools and rotating machines including robot manipulators that perform repetitive tasks. In addition, some non-linearities in actuators can be modeled as periodic disturbances.
[0006]
A common feature of these disturbances is that they are periodic (ie, repetitive). This period is well known or can be analyzed or measured.
[0007]
[Problems to be solved by the invention]
It can be seen that the residual e (t) shown in FIG. 1 is periodic and the fundamental frequency of the residual is 75 Hz, which perfectly matches the rotational speed of the disk.
[0008]
Conventionally, as a method of canceling RRO, there is a method using a notch filter as a part of a feedback loop. Since the notch filter is inserted in series in the feedback loop, it affects all signals having a notch frequency in the loop. Therefore, when the notch filter is inserted in the closed loop, the system characteristics are changed, and the configuration of the servo controller becomes more complicated. Furthermore, the main problem when using a notch filter is that the method is model-based and the notch filter is designed with fixed parameters selected based on information about the disturbance. Since the disturbance can vary depending on the operating state, compensation by the notch filter is not always effective.
[0009]
Another solution for RRO is Adaptive Feedforward Cancellation (AFC) (reference [1] A. Sacks, M. Bodson And W. Messer, "Advanced method for repeatable runout compensation". ", IEEE Trans. On Magnetics, vol. 31, No. 2, pp. 1031-1036", [2] Y. Onuki, H. Ishioka and H. Yada, "Repeatable runout compensation for disk drives using multi-loop adaptive feedforward compensation ", SICE '98, Chiba Japan, pp. 1093-1098, [3] M. Bodson, A. Sacks and P. Khosla," Harmonic Generation in adaptive feedforward cancellation schemes ", IEEE Trans. On Automatic Control, vol 39, No. 9, pp. 1939-1994) Unlike the notch filter method, AFC operates in the feedforward path and does not change the system characteristics.
[0010]
However, it has been found that the AFC algorithm designed to remove a predetermined number of frequency components may generate higher-order harmonics (see the above document [3]) and may deteriorate the compensation effect. ing.
[0011]
Furthermore, the so-called “corrected AFC” requires a phase shift, but if the phase shift cannot be accurately specified, it causes a residual error (see the above-mentioned documents [1] and [2]).
[0012]
In order to realize AFC, sine and cosine functions are required, and these are usually look-up tables of a digital signal processor (DSP). ) Is executed. Lookup tables take up a lot of memory space and make programming complicated.
[0013]
Reference [4] (Y. Lou, "Observer-based compensation of repeatable run-outs in hard disk drives", Proceedings of the 9th In Sony Research Forum (1999) p 453-458), the present inventor has proposed an observer-based feedforward compensation (hereinafter referred to as OFC) method. The RRO is treated as an additional system state that is observed by the state observer. The observed signal is then used to create a feed forward compensation loop to remove the effect of RRO. The problem with OFC is that it requires two extra state variables for each harmonic component of the RRO, which makes it difficult to fully compensate for the harmonic components.
[0014]
Another mechanism for removing periodic disturbances is a repetitive controller, which is described in Reference [5] (Y. Onuki and H. Ishioka, “Compensation for repeatable tracking errors in hard drives using discrete-time repetitive controllers”. ", Proceedings of the 6th International Workshop on advanced motion control, March 2000, Nagoya, Japan, pp 490-495). As described in the above document, the iterative controller can compensate for higher harmonics than AFC, and the iterative controller's computational load is only a quarter of AFC. However, for each harmonic, the compensation effect by the iterative controller is smaller than that by AFC. The repetitive controller used in reference [5] above has an attenuation factor of 45 dB for the fundamental harmonic and lower attenuation for the other higher harmonics, while AFC is each compensated harmonic. Has an attenuation factor greater than 60 dB.
[0015]
In addition, all the methods described above are performed by software on a DSP or microprocessor. Thus, DSP or microprocessor limitations (ie limited computational speed and / or word length) may limit the ability to compensate for disturbances.
[0016]
The present invention provides a new and useful method and apparatus for controlling a servo system. The present invention also provides a method and apparatus that can effectively, reliably, simply and economically compensate for periodic disturbances in a servo system.
[0017]
[Means for Solving the Problems]
The present invention proposes to control a servo system under the influence of periodic noise using a neural network comprising two layers (hidden layer and output layer).
That is, the present invention provides a control method for controlling the operation of a controlled system having a positioning drive mechanism, wherein a measurement signal indicating the operating state of the controlled system output from the controlled system is used as a reference signal by a comparison unit. In comparison, the system includes a plurality of hidden layer neuron units that generate a position error signal indicating a position error in the operation of the controlled system and output a predetermined function with respect to the input. A hidden layer that is arranged in pairs and configured so that the output of one neuron unit of each pair is input to the other neuron unit, and the sum of weighted outputs of the plurality of hidden layer neuron units, respectively. An output layer including an output layer neuron unit for outputting, in the output layer neuron unit By adjusting the weighting value when adding the outputs of multiple hidden layer neuron units, it is subject to the influence of periodic disturbances that are input to a neural network that outputs an arbitrary approximate periodic signal to the input. Based on the position error signal generated by the comparison means from the measurement signal indicating the operating state of the controlled system in the above, the neural network learning mechanism learns the influence of the periodic disturbance, and the output layer neuron unit A periodic signal that compensates for the influence of periodic disturbance in the controlled system is output from the output layer neuron unit of the neural network by adjusting a weighting value when adding the outputs of the plurality of hidden layer neuron units. The neural network to control the ratio A position error signal generated by the means is supplied to a servo controller to generate a correction signal for correcting a position error in the operation of the controlled system indicated by the position error signal, and generated by the servo controller. The correction signal is added and combined with the periodic signal output from the output layer neuron unit by the adding means, and the control signal obtained by adding and combining the correction signal and the periodic signal is supplied to the controlled system by the adding means. The positioning drive mechanism of the controlled system is driven in a state in which the influence of the periodic disturbance is compensated.
Further, the present invention provides a control device for controlling the operation of a controlled system having a positioning drive mechanism by comparing a measurement signal output from the controlled system and indicating the operating state of the controlled system with a reference signal. Comparing means for generating a position error signal indicating a position error in the operation of the controlled system; and driving the positioning drive mechanism of the controlled system and indicating the controlled state indicated by the position error signal generated by the comparing means. A servo controller for generating a correction signal for correcting a position error in the operation of the system, and a plurality of hidden layer neuron units each receiving a position error signal generated by the comparison means and outputting a predetermined function for the input. The plurality of hidden layer neuron units are arranged in pairs, and one neuron unit of each pair Has a hidden layer configured to be input to the other neuron unit, and an output layer including an output layer neuron unit that outputs a sum of weighted outputs of the plurality of hidden layer neuron units. Adjusting a weighting value when adding the outputs of the plurality of hidden layer neuron units in the output layer neuron unit, and outputting a periodic signal arbitrarily approximated to the input, and a period Based on the position error signal generated by the comparison means from the measurement signal indicating the operating state of the controlled system under the influence of the external disturbance and input to the neural network, the influence of the periodic disturbance is learned, The outputs of the plurality of hidden layer neuron units in the output layer neuron unit A neural network that controls the neural network so as to output a periodic signal from the output layer neuron unit of the neural network to compensate for the influence of periodic disturbances in the controlled system by adjusting a weighting value when calculating A network learning mechanism; and an adding means for adding and synthesizing the correction signal generated by the servo controller and the periodic signal output from the output layer neuron unit, and the correction means and the periodic signal are added by the adding means. A control signal obtained by addition and synthesis is supplied to the controlled system, and the positioning drive mechanism of the controlled system is driven in a state where the influence of the periodic disturbance is compensated.
Furthermore, the present invention is a positioning servo system comprising a controlled system having a positioning drive mechanism and a control device that controls the operation of the controlled system, wherein the control device is output from the controlled system. Comparing a measurement signal indicating an operation state of the controlled system with a reference signal to generate a position error signal indicating a position error in the operation of the controlled system, and a positioning drive mechanism of the controlled system. A servo controller for driving and generating a correction signal for correcting a position error in the operation of the controlled system indicated by the position error signal generated by the comparison means, and a position error signal generated by the comparison means are input. A plurality of hidden layer neuron units each outputting a predetermined function with respect to the input. Layer neuron units are arranged in pairs, and the output of one neuron unit of each pair is input to the other neuron unit, and the outputs of the plurality of hidden layer neuron units are weighted respectively. An output layer including an output layer neuron unit that outputs the added sum, and by adjusting a weight value when adding outputs of the plurality of hidden layer neuron units in the output layer neuron unit, On the other hand, it is generated by the comparison means from a neural network that outputs an arbitrarily approximated periodic signal and a measurement signal indicating the operating state of the controlled system under the influence of periodic disturbance, and is input to the neural network. Based on the position error signal, the output layer neuron unit A periodic signal that compensates for the influence of periodic disturbances in the controlled system is output from the output layer neuron unit of the neural network by adjusting the weighting value when adding the outputs of several hidden layer neuron units The neural network learning mechanism for learning the influence of the periodic disturbance and controlling the neural network, the correction signal generated by the servo controller, and the periodic signal output from the output layer neuron unit Adding means for adding and synthesizing, supplying a control signal obtained by adding and synthesizing the correction signal and the periodic signal by the adding means to the controlled system, and compensating the influence of the periodic disturbance in the state The positioning drive mechanism of the controlled system is driven.
[0019]
The present invention is based on the characteristic property of periodic disturbances that can be expanded in a trigonometric series. In effect, each pair of hidden layer neurons can compensate for one of the components of the trigonometric series. Therefore, if there are a sufficient number of hidden layer units, periodic disturbances of any dimension can be accurately compensated.
[0020]
The neural network can be automatically tuned. That is, it has a learning ability to learn and adapt to environmental changes such as changes in periodic noise.
[0021]
As will be described later, since the control method and control apparatus of the present invention can be executed not only by DSP software but also by hardware, the obtained compensation is not limited to the limitation of the servo DSP.
[0022]
Specifically, the control method and control apparatus of the present invention can be realized by an analog circuit, preferably an integrated circuit such as a VLSI. In particular, the neural network and its learning system can be integrated in the chip, for example an additional part integrated in an existing driver chip.
[0023]
An advantage of the present invention over AFC is that the AFC sine / cosine look-up table is replaced with hidden layer self-feedback. This makes the present invention simpler and more reliable.
[0024]
Furthermore, the learning mechanism of the present invention allows the neural network to cope with changing operating conditions. This makes the preferred embodiment of the present invention more resistant.
[0025]
Furthermore, since the physical meaning of the structure is clear, the present invention can compensate for harmonics of any dimension of periodic disturbances by simply adding more neurons. This makes the preferred embodiment of the present invention more flexible.
[0026]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, a control method and a control apparatus according to the present invention will be described in detail with reference to the drawings. Note that the present invention is not limited to the following embodiments.
[0027]
First, FIG. 2A shows an embodiment of the present invention. This embodiment is, for example, a hard disk drive servo system.
[0028]
This embodimentServo systemHas a
[0029]
This servo systemFurther comprises a
[0030]
The instruction signal u which is the output of the
[0031]
When the
[0032]
A periodic disturbance, referred to herein as repetitive rotational runout (RRO), is denoted r. In the case of an HDD, it appears as a position disturbance caused by disk eccentricity, rotation axis deformation, or incomplete servo writing process.
[0033]
Since this RRO is periodic, it can be approximated by a triangular polynomial as shown in the following formula (1).
[0034]
[Expression 1]
[0035]
This RRO appears as a position disturbance, which is equivalent to a force disturbance f (t) as shown in FIG. 2B by Laplace transform F (s).
[0036]
[Expression 2]
[0037]
Here, R (s) is a Laplace transform of RRO r (t). Therefore,
[0038]
[Equation 3]
[0039]
Where Fi= -I2ω2Ri/ KvkyIt is. The first term with an index of zero in equation (1) is a constant and therefore disappears after double differentiation. Formula (3) can be further described as the following formula (4).
[0040]
[Expression 4]
[0041]
here,
[0042]
[Equation 5]
[0043]
And these are defined below.
[0044]
X (t) = [sinωt sin2ωt ... sinnωt cosωt cos2ωt ... cosnωt]TW = [F1cosj1 F2cosj2 ・ ・ ・ Fncosjn F1sinj1 F2sinj2 ・ ・ ・ Fnsinjn]T
The following matrix equation of motion is obtained by the characteristics of the trigonometric function.
[0045]
[Formula 6]
[0046]
here,
[0047]
[Expression 7]
[0048]
and,
[0049]
[Equation 8]
[0050]
It is.
[0051]
Equations (4) and (5) show that the periodic disturbance can be represented by a triangular polynomial, and this triangular polynomial is represented by the neural network of FIG. The neural network of FIG. 3 has two layers. That is, there are two layers: a hidden layer having (2n + 1) neurons and an output layer consisting of one neuron. Except for
[0052]
In FIG. 3, each hidden layer neuron other than the
[0053]
[Equation 9]
[0054]
It becomes.
[0055]
Each output X from the hidden layer0,. . . , Xn, Xn + 1,. . . , X2nAre input to an output layer consisting of one neuron. This one neuron has each input output X0,. . . , Xn, Xn + 1,. . . , X2nFor each of the corresponding weight values W0,. . . , Wn, Wn + 1,. . . , W2nRespectively (with a multiplier indicated by 304) to obtain a
[0056]
Adjustable weight W0,. . . , Wn, Wn + 1,. . . , W2nThe value of can be changed by a learning mechanism, which will be described later, and is shown in FIG.
[0057]
The structure of this neural network is very similar to the so-called “Radial Neural Network”. The reason is that this neural network has only one adjustable weight in each feedforward path and there is no exit function before output. That is, the output of the output neuron is only the sum of the weighted inputs, not its function. The difference between this neural network and the radial neural network is that the neural network of FIG. 3 obtains the input to the output layer in the form of a trigonometric function by its own operation. For this reason, the neural network of FIG. 3 is referred to as a hybrid trigonometric function neural network (HTNN).
[0058]
For HTNN, add the following two notes.
[0059]
1. HTNN can approximate any periodic signal. This can be expressed mathematically as follows: For any continuous periodic function f (t + T) = f (t) with period T, and for any δ> 0, a finite value n and a weighting vector W*And is represented by the following formula (7).
[0060]
[Expression 10]
[0061]
2. Among all trigonometric polynomials with period T and dimensions less than n, HTNN gives f the best mean square approximation possible.
[0062]
Hereinafter, the learning mechanism and system stability of the HTNN of FIG. 3 will be described.
[0063]
From FIG. 2 (b), y = ymThen, the driving force of the HDD servo that does not have HTNN can be described as the following equation (8).
[0064]
## EQU11 ##
[0065]
When the
[0066]
[Expression 12]
[0067]
Where e = y*-Y is a position error.
[0068]
The gain of this controller is as shown in the following formula (10).
[0069]
[Formula 13]
[0070]
Where kc> 0, β0> 0 and β1> 0 is a coefficient of a composite error defined by the following equation (11).
[0071]
[Expression 14]
[0072]
Therefore, the following formula (12) is obtained by differentiating the formula (11) in consideration of the above formulas (8) to (10).
[0073]
[Expression 15]
[0074]
Where fR(T) = − kvkyf (t).
[0075]
Output f of
[0076]
[Expression 16]
[0077]
In the case of stability design, a Lyapunov function is constructed as shown in the following equation (14).
[0078]
[Expression 17]
[0079]
Where EW(T) = W*-W (t) is a weight error.
[0080]
When the
[0081]
[Formula 18]
[0082]
here,
[0083]
[Equation 19]
[0084]
It is.
[0085]
Therefore, the operation of
[0086]
[Expression 20]
[0087]
Therefore,
[0088]
[Expression 21]
[0089]
When the above formula (17a) is satisfied, the relationship shown in the formula (17b) is established.
[0090]
Therefore, the system synthesis error is β1δ / kcThis means that the error e (t) converges according to the following linear differential equation (18).
[0091]
[Expression 22]
[0092]
The solution of equation (18) is as shown in equation (19) below.
[0093]
[Expression 23]
[0094]
Equation (19) shows that the error e (t) of the system is calculated from the initial value e (0) by β1δ / (β0kc) Bias, positive constant β1δ / (β0kc), Β0/ Β1The exponential constant indicates that it converges exponentially.
[0095]
The following describes how to select HTNN and learning mechanism parameters.
[0096]
The initial state of the HTNN hidden layer neuron, ie, X (0), should be assigned to ensure that the state X (t) is trigonometric, ie: .
[0097]
[Expression 24]
[0098]
The initial value of the weight W (0) in the HTNN may be set to zero so that the HTNN has a zero initial output.
[0099]
[Expression 25]
[0100]
The dimension n of HTNN affects the approximation accuracy δ, and further affects the overall system compensation performance. In general, when n is large, δ is small as a result. However, the dimension n of HTNN is actually limited. For example, when HTNN is realized by an analog VLSI, it is limited by the degree of integration, and when HTNN is realized by software, it may be limited by the calculation capability of the DSP. A realistic way to select the dimension n of HTNN is by harmonic analysis on the error signal. From the contents of the harmonic components of the error signal, an appropriate n can be selected to ensure that HTNN cancels all the main harmonic components. Another method of setting n is to increase n from the initial value until sufficient compensation performance is achieved, taking into account hardware or software limitations. This method is performed before the HTNN sets the operation or by online adaptation.
[0101]
Next, the parameter β0, Β1And kcThe setting method of will be described.
[0102]
From the above formula (10), the following formula (22) is obtained.
[0103]
[Equation 26]
[0104]
Assuming that the linear controller is designed so that the linear system operates in a critical state, i.e.
[0105]
[Expression 27]
[0106]
Assuming that, the following equation (24) is obtained.
[0107]
[Expression 28]
[0108]
β1= K1To set β0= 2k0It becomes. Therefore, the following equation (25) is obtained from the equations (9) and (11).
[0109]
[Expression 29]
[0110]
Using equation (25) in the learning mechanism avoids the measurement of e (t) derivative, which is usually a problem in practice.
[0111]
Here, an embodiment using either hardware or software will be described.
[0112]
First, an embodiment using software using a DSP and an embodiment using hardware in an analog VLSI will be described in detail below. In this case, the above continuous equation is no longer appropriate, and instead, equation (5) is transformed into equation (26) below.
[0113]
[30]
[0114]
Where T is the sampling time,
[0115]
[31]
[0116]
It is. XdThe initial value of (k) is
Xd(0) = [01xn I1xn]T
It is.
[0117]
Expression (15) representing the learning rule is replaced with the following expression (27).
[0118]
[Expression 32]
[0119]
FIG. 5 shows a schematic block diagram of HTNN in which a learning mechanism is realized by DSP software. Here, 500 is a neural network body, and 501 is a learning mechanism. In this case, the overall structure is similar to that of FIG. 4, but in
[0120]
Next, an embodiment using analog VLSI will be described. In this case, the above formulas (5) and (15) are effective and are not replaced by the above formulas (26) and (27). An example is shown in FIG. 6, which is described in reference [6] (SP DeWeerth et al., “A neuron-based pulse servo for motion control”, Proc. IEEE Conf. Robotics and Automation (Cincinnati, OH , 1990, pp 1698-1703), [7] (CA Mead, Analog VLSI and neural systems, Reading MA, Addison-Wesley, 1989).
[0121]
6 shows a
[0122]
[Expression 33]
[0123]
FIG. 6 also shows a
[0124]
[Expression 34]
[0125]
The upper part of FIG. 6 is a neural network body, and the lower part is a learning mechanism.
[0126]
The neural network body includes 2n neurons indicated by 610 in the hidden layer and one
[0127]
Constant voltage v shown as 640x0Is the weighting value w generated by the part corresponding to the
[0128]
The error signal e (t) is generated using the components shown as
[0129]
This operation will be described in detail. When the definition of the
[0130]
[Expression 35]
[0131]
Where the feedback matrix [αi] Is determined by connecting or disconnecting each node in the
[0132]
[Expression 36]
[0133]
The
[0134]
[Expression 37]
[0135]
Here, the weight is determined by the
[0136]
The total output of HTNN is the sum of the currents from all 2n and using
[0137]
[Formula 38]
[0138]
Each
[0139]
[39]
[0140]
Thus, HTNN in equation (4) is realized by analog VLSI.
[0141]
As described above, according to the embodiments of the present invention, it is possible to provide a method and an apparatus capable of compensating the influence of periodic disturbance on the system performance of the positioning servo system.
[0142]
【The invention's effect】
The control device and the control method according to the present invention can be systematically realized, and all components that require periodic disturbance can be easily compensated.
[0143]
In addition, the control device and the control method according to the present invention have a learning ability to learn and adapt to environmental changes.
[0144]
Furthermore, the control device and the control method according to the present invention can be executed not only by the DSP software but also by hardware, and the limitation of the servo DSP does not affect the compensation effect of the present invention.
[0145]
Further, since it can be realized by analog VLSI, all HTNNs and their learning mechanisms can be integrated on one chip.
[0146]
In the present specification, embodiments of the present invention have been described in detail. However, as will be apparent to those skilled in the art, the present invention is not limited to the above-described embodiments, and is within the scope of the present invention. It goes without saying that various modifications are possible.
[0147]
(References)
The entire disclosure of the following references is incorporated herein by reference:
[1] A. Sacks, M. Bodson and W. Messer, "Advanced method for repeatable runout compensation", IEEE Trans. On Magnetics, vol. 31, no. 2, pp. 1031-1036.
[2] Y. Onuki, H. Ishioka and H. Yada, "Repeatable runout compensation for disk drives using multi-loop adaptive feedforward compensation", SICE '98, Chiba Japan, pp. 1093-1098.
[3] M. Bodson, A. Sacks and P. Khosla, "Harmonic generation in adaptive feedforward cancellation schemes", IEEE Trans. On Automatic Control, vol. 39, no. 9, pp. 1939-1994
[4] Y. Lou, "Observer-based compensation of repeatable run-outs in hard disk drives", Proceedings of the 9th Sony Research Forum (1999) p453-458.
[5] Y. Onuki and H. Ishioka, "Compensation for repeatable tracking errors in hard drives using discrete-time repetitive controllers", Proceedings of the 6th International Workshop on advanced motion control, March 2000, Nagoya, Japan, pp 490-495.
[6] S. P. DeWeerth et al., "A neuron-based pulse servo for motion control," Proc. IEEE Int Conf. Robotics and Automation (Cincinnati, OH), 1990, pp 1698-1703.
[7] C. A. Mead, Analog VLSI and neural systems, Reading MA, Addison-Wesley, 1989.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a graph showing the influence of periodic disturbances in a servo system of a hard disk drive.
FIG. 2A is a schematic diagram showing the structure of an embodiment of the present invention for controlling a servo system of a hard disk drive, and FIG. 2B shows periodic disturbances as force signals in the same diagram. is there.
FIG. 3 is a schematic diagram showing the structure of the neural network of FIG. 2;
4 shows an outline of the neural network of FIG. 3 and the learning mechanism, where the neural network is represented by a continuous system.
FIG. 5 is a schematic block diagram of the neural network of FIG. 3 and its learning mechanism executed by DSP software.
6 is a diagram showing an example of the neural network of FIG. 3 using analog VLSI.
[Explanation of symbols]
200 nominal servo controller, 210 system, 211 integrator, 212 integrator, 220 units, 221 learning mechanism, 222 HTNN, 300 elements, 301 integrator, 303 neurons, 304 multiplier, 306 result, 307 adder element, 308 outputs , 400 HTNN, 401 learning mechanism, 500 neural network body, 501 learning mechanism, 600 transconductance amplifier, 601 4-quadrant multiplier, 610 neuron, 620 neuron, 630 learning component, 640 constant voltage, 650 amplifier
Claims (10)
前記被制御システムから出力される当該被制御システムの動作状態を示す測定信号を比較手段により基準信号と比較して、前記被制御システムの動作における位置誤差を示す位置誤差信号を生成し、
入力に対する予め定めた関数をそれぞれ出力する隠れ層ニューロンユニットを複数個含み、該複数個の隠れ層ニューロンユニットが対に配置され、各対の一方のニューロンユニットの出力が他方のニューロンユニットに入力されるよう構成された隠れ層と、該複数個の隠れ層ニューロンユニットの出力をそれぞれ重み付けして加算した合計を出力する出力層ニューロンユニットを含む出力層とを有し、前記出力層ニューロンユニットにおける前記複数個の隠れ層ニューロンユニットの出力を加算する際の重み付け値を調整することにより、入力に対して、任意に近似した周期的信号を出力するニューラルネットワークに入力される周期的外乱の影響下における前記被制御システムの動作状態を示す測定信号から前記比較手段により生成される位置誤差信号に基づいて、ニューラルネットワーク学習機構により、前記周期的外乱の影響を学習して、前記出力層ニューロンユニットにおける前記複数個の隠れ層ニューロンユニットの出力を加算する際の重み付け値を調整することにより、前記被制御システムにおける周期的外乱の影響を補償する周期的信号を前記ニューラルネットワークの出力層ニューロンユニットから出力するように、前記ニューラルネットワークを制御し、
前記比較手段により生成される位置誤差信号をサーボ制御器に供給して、前記位置誤差信号により示される前記被制御システムの動作における位置誤差を修正する修正信号を生成し、
前記サーボ制御器により生成される修正信号を前記出力層ニューロンユニットから出力される周期的信号と加算手段により加算合成し、
前記加算手段により前記修正信号と周期的信号を加算合成して得られる制御信号を前記被制御システムに供給し、前記周期的外乱の影響を補償した状態で前記被制御システムの位置決め駆動機構を駆動することを特徴とする制御方法。 In a control method for controlling the operation of a controlled system having a positioning drive mechanism ,
A measurement signal indicating the operating state of the controlled system output from the controlled system is compared with a reference signal by comparison means to generate a position error signal indicating a position error in the operation of the controlled system ,
It includes a plurality of hidden layer neuron units that each output a predetermined function for input, the plurality of hidden layer neuron units are arranged in pairs, and the output of one neuron unit of each pair is input to the other neuron unit has a hidden layer that is so that arrangement, and an output layer comprising an output neuron unit which outputs a sum obtained by adding to each weighted outputs of several hidden layer neuron units plurality, said in the output layer neuron unit By adjusting the weighting value when adding the outputs of multiple hidden layer neuron units, it is under the influence of periodic disturbances that are input to a neural network that outputs an arbitrary approximate periodic signal to the input. Generated by the comparison means from a measurement signal indicating the operating state of the controlled system Based on the position error signal, the neural network learning mechanism learns the influence of the periodic disturbance and adjusts the weight value when adding the outputs of the plurality of hidden layer neuron units in the output layer neuron unit. Thereby controlling the neural network to output a periodic signal from the output layer neuron unit of the neural network that compensates for the effects of periodic disturbances in the controlled system ,
Supplying a position error signal generated by the comparison means to a servo controller to generate a correction signal for correcting a position error in the operation of the controlled system indicated by the position error signal ;
Adding synthesized by a periodic signal and adding means output a correction signal generated by the servo controller from the output layer neuron unit,
A control signal obtained by adding and synthesizing the correction signal and the periodic signal by the adding means is supplied to the controlled system, and the positioning drive mechanism of the controlled system is driven in a state in which the influence of the periodic disturbance is compensated. A control method characterized by:
前記被制御システムから出力される当該被制御システムの動作状態を示す測定信号を基準信号と比較して、前記被制御システムの動作における位置誤差を示す位置誤差信号を生成する比較手段と、
前記被制御システムの位置決め駆動機構を駆動し、前記比較手段により生成される位置誤差信号により示される前記被制御システムの動作における位置誤差を修正する修正信号を生成するサーボ制御器と、
前記比較手段により生成される位置誤差信号が入力され、入力に対する予め定めた関数をそれぞれ出力する隠れ層ニューロンユニットを複数個含み、該複数個の隠れ層ニューロンユニットが対に配置され、各対の一方のニューロンユニットの出力が他方のニューロンユニットに入力されるよう構成された隠れ層と、該複数個の隠れ層ニューロンユニットの出力をそれぞれ重み付けして加算した合計を出力する出力層ニューロンユニットを含む出力層とを有し、前記出力層ニューロンユニットにおける前記複数個の隠れ層ニューロンユニットの出力を加算する際の重み付け値を調整することにより、入力に対して、任意に近似した周期的信号を出力するニューラルネットワークと、
周期的外乱の影響下における前記被制御システムの動作状態を示す測定信号から前記比較手段により生成され、前記ニューラルネットワークに入力される位置誤差信号に基づいて、前記周期的外乱の影響を学習して、前記出力層ニューロンユニットにおける前記複数個の隠れ層ニューロンユニットの出力を加算する際の重み付け値を調整することにより、前記被制御システムにおける周期的外乱の影響を補償する周期的信号を前記ニューラルネットワークの出力層ニューロンユニットから出力するように、前記ニューラルネットワークを制御するニューラルネットワーク学習機構と、
前記サーボ制御器により生成される修正信号と前記出力層ニューロンユニットから出力される周期的信号を加算合成する加算手段とを備え、
前記加算手段により前記修正信号と周期的信号を加算合成して得られる制御信号を前記被制御システムに供給し、前記周期的外乱の影響を補償した状態で前記被制御システムの位置決め駆動機構を駆動することを特徴とする制御装置。 In a control device for controlling the operation of a controlled system having a positioning drive mechanism ,
Comparison means for generating a position error signal indicating a position error in the operation of the controlled system by comparing a measurement signal output from the controlled system and indicating the operation state of the controlled system with a reference signal ;
A servo controller that drives a positioning drive mechanism of the controlled system and generates a correction signal that corrects a position error in the operation of the controlled system indicated by the position error signal generated by the comparison means;
The position error signal generated by the comparison means is input, and includes a plurality of hidden layer neuron units each outputting a predetermined function for the input, the plurality of hidden layer neuron units being arranged in pairs, A hidden layer configured such that the output of one neuron unit is input to the other neuron unit, and an output layer neuron unit that outputs a sum of weighted outputs of the plurality of hidden layer neuron units. An output layer, and by adjusting the weighting value when adding the outputs of the plurality of hidden layer neuron units in the output layer neuron unit, a periodic signal arbitrarily approximated to the input is output A neural network that
The influence of the periodic disturbance is learned based on the position error signal generated from the measurement signal indicating the operating state of the controlled system under the influence of the periodic disturbance and input to the neural network. Adjusting the weighting value when adding the outputs of the plurality of hidden layer neuron units in the output layer neuron unit to thereby generate a periodic signal for compensating for the influence of the periodic disturbance in the controlled system. A neural network learning mechanism for controlling the neural network to output from the output layer neuron unit of
Adding means for adding and synthesizing a correction signal generated by the servo controller and a periodic signal output from the output layer neuron unit;
A control signal obtained by adding and synthesizing the correction signal and the periodic signal by the adding means is supplied to the controlled system, and the positioning drive mechanism of the controlled system is driven in a state in which the influence of the periodic disturbance is compensated. A control device.
前記制御装置は、 The control device includes:
前記被制御システムから出力される当該被制御システムの動作状態を示す測定信号を基準信号と比較して、前記被制御システムの動作における位置誤差を示す位置誤差信号を生成する比較手段と、 Comparison means for generating a position error signal indicating a position error in the operation of the controlled system by comparing a measurement signal output from the controlled system and indicating the operation state of the controlled system with a reference signal;
前記被制御システムの位置決め駆動機構を駆動し、前記比較手段により生成される位置誤差信号により示される前記被制御システムの動作における位置誤差を修正する修正信号を生成するサーボ制御器と、 A servo controller that drives a positioning drive mechanism of the controlled system and generates a correction signal that corrects a position error in the operation of the controlled system indicated by the position error signal generated by the comparison means;
前記比較手段により生成される位置誤差信号が入力され、入力に対する予め定めた関数をそれぞれ出力する隠れ層ニューロンユニットを複数個含み、該複数個の隠れ層ニューロンユニットが対に配置され、各対の一方のニューロンユニットの出力が他方のニューロンユニットに入力されるよう構成された隠れ層と、該複数個の隠れ層ニューロンユニットの出力をそれぞれ重み付けして加算した合計を出力する出力層ニューロンユニットを含む出力層とを有し、前記出力層ニューロンユニットにおける前記複数個の隠れ層ニューロンユニットの出力を加算する際の重み付け値を調整することにより、入力に対して、任意に近似した周期的信号を出力するニューラルネットワークと、 The position error signal generated by the comparison means is input, and includes a plurality of hidden layer neuron units each outputting a predetermined function for the input, the plurality of hidden layer neuron units being arranged in pairs, A hidden layer configured such that the output of one neuron unit is input to the other neuron unit, and an output layer neuron unit that outputs a sum of weighted outputs of the plurality of hidden layer neuron units. An output layer, and by adjusting the weighting value when adding the outputs of the plurality of hidden layer neuron units in the output layer neuron unit, a periodic signal arbitrarily approximated to the input is output A neural network that
周期的外乱の影響下における前記被制御システムの動作状態を示す測定信号から前記比較手段により生成され、前記ニューラルネットワークに入力される位置誤差信号に基づいて、前記出力層ニューロンユニットにおける前記複数個の隠れ層ニューロンユニットの出力を加算する際の重み付け値を調整することにより、前記被制御システムにおける周期的外乱の影響を補償する周期的信号を前記ニューラルネットワークの出力層ニューロンユニットから出力するように、前記周期的外乱の影響を学習して、前記ニューラルネットワークを制御するニューラルネットワーク学習機構と、 Based on the position error signal generated by the comparison means from the measurement signal indicating the operating state of the controlled system under the influence of periodic disturbance and input to the neural network, the plurality of output layer neuron units By adjusting the weighting value when adding the output of the hidden layer neuron unit, to output a periodic signal from the output layer neuron unit of the neural network to compensate for the influence of the periodic disturbance in the controlled system, A neural network learning mechanism for learning the influence of the periodic disturbance and controlling the neural network;
前記サーボ制御器により生成される修正信号と前記出力層ニューロンユニットから出力される周期的信号を加算合成する加算手段とを備え、 Adding means for adding and synthesizing a correction signal generated by the servo controller and a periodic signal output from the output layer neuron unit;
前記加算手段により前記修正信号と周期的信号を加算合成して得られる制御信号を前記被制御システムに供給し、前記周期的外乱の影響を補償した状態で前記被制御システムの位置決め駆動機構を駆動する A control signal obtained by adding and synthesizing the correction signal and the periodic signal by the adding means is supplied to the controlled system, and the positioning drive mechanism of the controlled system is driven in a state in which the influence of the periodic disturbance is compensated. Do
ことを特徴とする位置決めサーボシステム。 A positioning servo system characterized by that.
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