JP4362925B2 - 位置制御装置 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、工作機械など制御対象の位置を移動して目標停止位置に停止させる位置制御装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
図17に従来の位置制御装置の構成を示す。図において1は制御対象、2は追従制御部である。
【0003】
次に動作を説明する。制御対象1は追従制御部2の発生するトルク指令τrに応じたトルクを発生して駆動される機械系である。また、追従制御部2は外部から入力した位置指令yrを入力し、制御対象1の位置である実位置ymを検出し、実位置ymが位置指令yrに特定の伝達特性を持って追従するように、例えばPID制御や2自由度制御などの制御方式によりトルク指令τrを演算して出力する。このような位置制御については例えば刊行物(「ACサーボ応用マニュアル」編者:三菱電機株式会社、発行所:株式会社電気書院、1994年5月25日第1版第2刷発行。p.195)に記載されている。
【0004】
次に、位置指令yrおよび制御対象1の実位置ymの特性について図18および図19に基づいて説明する。図18は従来の技術における位置指令yrの微分(速度)であるvrおよび制御対象1の実位置ymの微分である実速度vmの軌道を表す図であり、図19は減速から停止にかけての位置指令yrおよび実位置ymの応答を表す図である。図18および図19において、tsは位置指令yr(位置指令yrの微分vr)の停止時刻である。
【0005】
次に位置指令yrの特性について説明する。位置指令yrは位置制御装置の外部の装置によって生成され、制御対象1を移動させる距離に応じて、目標停止位置ysまで位置指令yrが変化するように生成される。また、制御対象1が発生するトルクには限界が有り、また制御対象1の機械強度にも限界が有るため、制御対象1のとり得る加速度には限界が有る。また、制御対象1の移動距離に応じて位置指令yrの軌道を計算させる必要が有り、それを簡単に行うため、制御対象1を移動させて停止させる目的の場合、通常の位置指令yrの軌道は加速度一定で加速し、長い距離を移動する場合には速度一定の期間を経過した後、加速度一定で減速させるよう、位置指令yrの速度vrが時間に対して台形状の軌跡となるように生成される。
【0006】
次に、制御対象1の実位置ymの応答については、追従制御部2は位置指令yrの高周波数成分によって制御対象1に衝撃を与えないように、すなわち実位置ymが滑らかになるよう、通常は位置指令yrから実位置ymの応答がローパス特性となるように設定され、その結果、実位置ymの応答が位置指令yrに比べて遅れの特性を持つ。したがって、図18および図19に示すように、実位置ymおよび実速度vmがそれぞれ位置指令yrおよびその微分vrに対して遅れて追従する特性を持つ。
【0007】
また、位置制御装置を用いるシステムでは、制御対象1の実位置ymが停止した後に何らかの作業を行うため、位置指令yrが目標停止位置に停止した後、制御対象1の実位置ymが停止するのを待つ必要が生じ、位置指令yrが目標停止位置に停止した後、制御対象1の実位置ymが目標停止位置に停止するまでの時間、すなわち整定時間を短縮したいという要求がある。
【0008】
しかしながら、従来の位置制御装置において停止時の整定時間を短縮するために追従制御部2が遅れないように応答を速くすると、ローパス特性である位置指令yrから実位置ymの高域遮断特性(高周波数成分の減衰特性)が弱くなるため、位置指令yrの速度や加速度の変化(以下、位置指令yrの変化と記述する)やノイズに対して常に制御対象1に与える衝撃を大きくするという問題が起きる。またその結果、停止時にも制御対象1に与える衝撃を大きくしたり、機械共振を励起したりする。
【0009】
【発明が解決しようとする課題】
従来の位置制御装置は以上のように構成されており、位置指令をそのまま追従制御部2に入力するため、停止時の整定時間を短縮するために追従制御部2の応答を速くすると追従制御部2の高域遮断特性が弱くなり位置指令の変化やノイズに対して常に制御対象1に与える衝撃を大きくするため整定時間を短縮できないという問題が有る。また、停止時に制御対象1の機械系に与える衝撃を大きくしたり機械共振を励起したりするため整定時間を短縮するのが困難であるという問題が有る。
【0010】
本発明は、上述のような従来のものの問題点を解決するためになされたものであり、追従制御部における位置指令に対する実位置の高域遮断特性を維持したまま停止時の整定時間を短縮することができる位置制御装置を提供することを第1の目的とする。
また、停止時に制御対象の機械系に与える衝撃を増大したり、機械共振を励起したりすることなく整定時間を短縮できる位置制御装置を提供することを第2の目的とする。
【0011】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る位置制御装置は、外部から入力した第1の位置指令に基づいて実先行移動量を出力する先行移動量演算部と、前記第1の位置指令と前記実先行移動量の和信号である第2の位置指令を入力し制御対象の位置が前記第2の位置指令に追従するように制御を行う追従制御部を備え、前記先行移動量演算部は前記第1の位置指令の微分あるいは疑似微分である疑似指令速度に予め設定した先行時間Tpを乗じた信号と前記第1の位置指令の2階微分あるいは2階疑似微分である疑似指令加速度に予め設定した加速度増幅定数を乗じた信号との加算に基づいて前記実先行移動量を演算するものである。
【0012】
また、外部から入力した第1の位置指令に基づいて実先行移動量を出力する先行移動量演算部と、前記第1の位置指令に基づいて第1の位置指令が減速中に切り替え時点の判別を行う切り替え判別部と、前記第1の位置指令と前記実先行移動量の和信号である第2の位置指令を入力し制御対象の位置が前記第2の位置指令に追従するように制御を行う追従制御部を備え、前記先行移動量演算部は前記切り替え時点以前は前記第1の位置指令の微分あるいは疑似微分である疑似指令速度に予め設定した先行時間Tpを乗じた信号と前記第1の位置指令の2階微分あるいは2階疑似微分である疑似指令加速度に予め設定した加速度増幅定数を乗じた信号との加算に基づいて前記第1の先行移動量を演算するとともに、前記切り替え時点以降は前記の切り替え時点以前と異なる演算により前記実先行移動量を演算するものである。
【0013】
また、前記先行移動量演算部は、前記加速度増幅定数を前記第1の位置指令が加速するときは前記第1の位置指令が減速するときより小さい値になるよう切り替えるものである。
【0014】
また、前記先行移動量演算部は、前記加速度増幅定数を前記先行時間Tpの2乗を2で割った値に基づいて設定するものである。
【0015】
また、前記先行移動量演算部は、次式で表される第1の位置指令yr1を入力とした2次以上の伝達関数演算により疑似指令速度vfの演算を行い、次式においてb2=a1とするものである。
vf/yr1=(s+b2・S2+…+bm・sm)/(1+a1・s+a2・s2+…+an・sn)
(ただし、n、mは2以上の整数で、a1、a2、…、anおよびb2、…、bmは予め設定した定数、sはラプラス演算子である。)
【0016】
また、外部から入力した第1の位置指令に基づいて第2の位置指令を生成し、前記第2の位置指令に追従するように制御を行う追従制御部を備える位置制御装置において、前記第1の位置指令が減速中に前記第1の位置指令の変化特性に基づいて前記第1の位置指令が将来停止する位置である目標停止位置と前記第1の位置指令の現在の位置との差を推定して推定残距離として出力する残距離推定部と、前記第1の位置指令に基づいて前記第1の位置指令が減速開始時あるいは減速中に切り替え時点を判別する切り替え判別部とを備え、前記切り替え時点以降は前記第1の位置指令と前記推定残距離とに基づいて前記第2の位置指令を生成するものである。
【0017】
また、外部から入力した第1の位置指令に基づいて第1の先行移動量を出力する第1の先行移動量演算部と、前記第1の位置指令を入力し前記第1の位置指令が減速中に前記第1の位置指令の変化特性に基づいて前記第1の位置指令が将来停止する位置である目標停止位置と前記第1の位置指令の現在の位置との差を推定して推定残距離として出力する残距離推定部と、前記推定残距離に基づいて第2の先行移動量を出力する第2の先行移動量演算部と、前記第1の位置指令に基づいて前記第1の位置指令が減速中に切り替え時点を判別する切り替え判別部と、前記切り替え時点以前は前記第1の先行移動量を実先行移動量として出力し前記切り替え時点以降は前記第2の先行移動量を実先行移動量として出力する切り替えスイッチと、前記第1の位置指令と前記実先行移動量の和信号を第2の位置指令として入力し制御対象の位置が前記第2の位置指令に追従するように制御を行う追従制御部を備えるものである。
【0018】
また、前記残距離推定部は、前記第1の位置指令の微分あるいは疑似微分である疑似指令速度と前記第1の位置指令の2階微分あるいは2階疑似微分である疑似指令加速度に基づき、前記疑似指令速度の2乗を前記疑似加速度の−2倍で除算する演算に基づいて前記推定残距離を演算するものである。
【0019】
また、前記第2の先行移動量を前記推定残距離と同じにするものである。
【0020】
また、前記第2の先行移動量を前記推定残距離の定数倍とするものである。
【0021】
また、前記切り替え判別部は、前記第1の先行移動量と前記第2の先行移動量が一致する条件に基づいて前記切り替え時点を判別するものである。
【0022】
また、前記第1の先行移動量演算部および前記第2の先行移動量演算部は、前記第1の位置指令が減速中に前記第1の先行移動量と前記第2の先行移動量が一致する時点で前記第1の先行移動量の微分と前記第2の先行移動量の微分が一致するように構成するものである。
【0023】
また、前記第1の先行移動量演算部は、前記第1の位置指令の微分あるいは疑似微分である疑似指令速度に予め設定した先行時間Tpを乗じた信号と、前記第1の位置指令の2階微分あるいは2階疑似微分である疑似指令加速度に前記先行時間Tpの2乗を乗じて2で除算した信号との加算に基づいて前記第1の先行移動量を演算し、前記残距離推定部は、前記疑似指令速度の2乗を前記疑似加速度の−2倍で除算して前記推定残距離を演算し、前記第2の先行移動量演算部は、前記推定残距離を前記第2の先行移動量とするものである。
【0024】
また、前記第1の先行移動量演算部は、前記第1の位置指令の微分あるいは疑似微分である疑似指令速度に予め設定した先行時間Tpを乗じた信号と、前記第1の位置指令の2階微分あるいは2階疑似微分である疑似指令加速度に前記先行時間Tpの2乗と予め設定した加速度設定定数を乗じて2で除算した信号との加算に基づいて前記第1の先行移動量を演算し、前記残距離推定部は、前記疑似指令速度の2乗を前記疑似加速度の−2倍で除算して前記推定残距離を演算し、前記第2の先行移動量演算部は、前記推定残距離を前記加速度設定定数で除算した信号を前記第2の先行移動量とするものである。
【0025】
【発明の実施の形態】
実施の形態1.
図1は本発明の実施の形態1による位置制御装置の構成を示す図である。図1において、1は工作機械などの駆動される機械である制御対象、2は追従制御部、3は第1の先行移動量演算部、4は残距離推定部、5は第2の先行移動量演算部、6は切り替え判別部、7は切り替えスイッチである。追従制御部2、第1の先行移動量演算部3、残距離推定部4、第2の先行移動量演算部5、切り替え判別部6、切り替えスイッチ7は例えばマイクロコンピュータで構成される。
【0026】
次に図1に示した位置制御装置の動作について説明する。
まず、外部から制御対象1の位置である実位置ymに対する指令として第1の位置指令yr1を位置制御装置に入力する。ここで、制御対象1が発生するトルクには限界が有り、また制御対象1の機械強度にも限界が有るため、制御対象1のとり得る加速度には限界が有る。したがって、制御対象1を移動させて停止させる目的の場合、通常では第1の位置指令yr1は、加速度一定で加速し、長い距離を移動する場合には速度一定の期間を経過した後、加速度一定で減速させるよう、図18にvrで示したように、第1の位置指令yr1の速度が時間経過に対して台形状の軌跡になるように入力される。
【0027】
次に、第1の先行移動量演算部3は、第1の位置指令yr1に基づいて後述の演算により第1の先行移動量yp1を出力し、残距離推定部4は第1の位置指令yr1に基づいて後述の演算により推定残距離yeを出力し、第2の先行移動量演算部5は推定残距離yeに基づいて後述の演算により第2の先行移動量yp2を出力し、切り替え判別部6は第1の位置指令yr1に基づいて後述の方法により切り替え信号swを出力し、切り替えスイッチ7は切り替え信号swに基づいて第1の先行移動量yp1と第2の先行移動量yp2のどちらかを切り替えて実先行移動量ypとして出力する。また追従制御部2は、第1の位置指令yr1と実先行移動量ypの和信号を第2の位置指令yr2として入力し、制御対象1の位置である実位置ymが第2の位置指令yr2に追従するように制御を行う。
【0028】
次に追従制御部2の動作について説明する。
追従制御部2は、切り替えスイッチ7により切り替えられた第1の先行移動量yp1あるいは第2の先行移動量yp2である実先行移動量ypと第1の位置指令yr1との和信号を第2の位置指令yr2として入力し、実位置ymを検出して実位置ymが第2の位置指令yr2に追従するように、例えばPID制御や2自由度制御などの制御方式によりトルク指令τrを演算して出力し、制御対象1はトルク指令τrに応じたトルクを発生することにより駆動される。
【0029】
次に第1の先行移動量演算部3の動作について説明する。
第1の先行移動量演算部3は、第1の位置指令yr1を入力し、第1の位置指令yr1を微分あるいは後述の疑似微分演算により疑似指令速度vfを演算し、第1の位置指令yr1の2階微分あるいは2階疑似微分により疑似指令加速度afを演算する。また、第1の先行移動量演算部3は、予め設定した先行時間Tpを用いて、第1の先行移動量yp1を疑似指令速度vfに先行時間Tpを乗じた信号と疑似加速度指令afに加速度増幅定数を乗じた信号の和として演算する。ここで、加速度増幅定数は先行時間Tpの2乗を2で除算した定数である。すなわち次の式(1)により第1の先行移動量yp1を演算して出力する。
yp1=Tp・vf+(Tp2/2)・af ・・・・(1)
【0030】
ここで、上記の式(1)について、その物理的意味を図2を用いて説明する。以降では第1の位置指令の微分(速度)および2階微分(加速度)をそれぞれvr1、ar1で、また第2の位置指令yr2の微分(速度)および2階微分(加速度)をそれぞれvr2、ar2で記述する。
第1の位置指令yr1が加速度一定すなわちar1が一定で変化しているとする。すなわちvr1は図2に示すように変化しているとする。その場合ある時刻tにおいて、第1の位置指令yr1の先行時間Tp時間だけ未来の値と現在の値との差は図2における斜線部[A]の面積で表され、その値は次の式(2)で表される。
yr1(t+Tp)ーyr1(t)=Tp・vr(t)+(Tp2/2)・ar1 ・・・・(2)
【0031】
したがって、前述の疑似指令速度vfおよび疑似指令加速度afが第1の位置指令yr1の速度vr1および加速度ar1に一致しているとすると、式(1)により演算した第1の先行移動量yp1を実先行移動量ypとすることにより、第2の位置指令yr2は第1の位置指令yr1よりも先行時間Tpだけ先行した信号とすることができ、また第2の位置指令yr2の速度であるvr2も図2に示すように先行時間Tpだけ先行した軌道になる。したがって第2の位置指令yr2の軌道を、位置指令yr1が将来停止する目標停止位置ysに位置指令yr1よりも先行時間Tpだけ早く到達するとともに、目標停止位置ysに到達するときの速度が0になるように、良好な減速軌道として生成することができる。
【0032】
次に、第1の先行移動量演算部3における上述の疑似指令速度vfの演算について述べる。
第1の位置指令yr1が一定加速度で減速しているとき、第1の位置指令yr1の加速度ar1は一定であるので、疑似指令加速度afがar1に対して通常のローパス特性を持つように、第1の位置指令yr1を通常の2階疑似微分する演算により、疑似指令加速度afがar1と定常誤差無く、また高周波数ノイズを除去して演算することができる。しかしながら第1の位置指令yr1の速度vr1は一定の変化率で変化するため、通常の疑似微分を用いると疑似指令速度vfは第1の指令速度vr1に対して定常誤差を生じ、上記式(1)により求める第1の先行移動量が、式(2)の演算に対して誤差を生じる。そこで、第1の位置指令yr1から疑似指令速度vfを求める演算を、次の式(3)で表される2次以上の伝達関数演算で行い、式(3)における定数であるb2とa1を等しい値とすることにより、高周波数ノイズの影響を低減しながら疑似指令速度vfと第1の指令速度vr1の定常誤差を無くし、式(1)の演算により式(2)の値を定常誤差無く推定することができる。ただし次の式(3)においてn、mは2以上の整数で、a1、a2、…、anおよびb1、b2、…、bmは予め設定した定数、sはラプラス演算子である。
vf/yr1=(s+b2・s2+…+bm・sm)/(1+a1・s+a2・s2+…+an・sn) ・・・・(3)
【0033】
次に、残距離推定部4および第2の先行移動量演算部5の動作について説明する。
残距離推定部4は、第1の指令位置yr1に基づいて第1の先行移動量演算部3と同じ動作により疑似指令速度vfと疑似指令加速度afを演算する。なお、第1の先行移動量演算部3で演算した疑似指令速度vfと疑似指令加速度afを入力してもよい。次に、残距離推定部4は疑似指令速度vfの2乗を疑似指令加速度afの−2倍で除算する演算により推定残距離yeを演算して出力する。すなわち次の式(4)の演算により推定残距離yeを演算して出力する。
ye=−vf2/(2・af) ・・・・(4)
また、第2の先行移動量演算部5は、推定残距離yeを入力し、推定残距離yeに基づく第2の先行移動量yp2を出力する。本実施の形態では第2の先行移動量演算部5は推定残距離yeを第2の先行位置yp2と同じ信号として出力する。
【0034】
ここで、上記の式(4)について、その物理的意味を図3を用いて説明する。第1の位置指令yr1が一定の加速度ar1で減速しているとき、ある時刻tにおいて第1の位置指令yr1が将来停止する位置である目標停止位置ysと現在の位置yr1(t)との差は図3における斜線部[B]の面積で表され、その値は次の式(5)で表される。
ys−yr1(t)=−vr1(t)2/(2・ar1) ・・・・(5)
【0035】
したがって、前述の疑似指令速度vfおよび疑似指令加速度afがそれぞれvr1およびar1に一致しているとすると、第1の位置指令yr1に上記の式(4)の推定残距離yeを加算すると目標停止位置ysを推定できるため、実先行移動量ypを推定残距離yeに基づいて演算すると、目標停止位置ysを基準とした任意の信号を第2の位置指令yr2として生成することが可能になる。
また、本実施の形態では上記の推定残距離をそのまま第2の先行移動量yp2としているため、実先行移動量ypを第2の先行移動量yp2とすることにより、時刻tにおいて第2の位置指令yr2が目標停止位置ysの一定値になるように第2の位置指令yr2を生成できる。
【0036】
次に、切り替え判別部6の動作および切り替え判別部6による切り替え時の位置制御装置の動作について説明する。
切り替え判別部6は第1の位置指令yr1に基づいて第1の位置指令yr1が減速中に切り替え時点tcの判別を行い、切り替えスイッチ7が切り替え時点tcより以前は第1の先行移動量yp1を実先行移動量ypにし、切り換え時点tc以降は第2の先行移動量yp2を実先行移動量ypにするように切り替え信号swを出力する。
【0037】
ここで、切り替え判別部6により上記のように切り替えた瞬間、第2の位置指令yr2およびその速度vr2が共に連続でなければ、切り替え時に制御対象1に対するトルク指令τrにピークが生じ、制御対象1の機械系に衝撃を与えてしまう。その衝撃を防止するためには、まず、第1の先行移動量yp1と第2の先行移動量yp2が一致する時点tcを判別して切り替えれば第2の位置指令yr2は連続になり、切り換え時に生じる衝撃を小さくすることができる。更に、その切り換え時点に第1の先行移動量yp1の微分と第2の先行移動量yp2の微分が同じ値になるように、第1の先行移動量演算部3および第2の先行移動量演算部4を構成していれば、制御対象1に衝撃を与えることなく切り替えることができる。
【0038】
ここで、疑似指令速度vfおよび疑似指令加速度afが定常状態でvr1およびar1にそれぞれ一致していると考えると、上述の本実施の形態では、第1の位置指令yr1と第1の先行移動量yp1の和信号が、目標停止位置ysに到達する時点でその速度が0になるように構成しており、また、第1の位置指令yr1と第2の先行移動量yp2の和信号が目標停止位置ysで一定、すなわち速度が0になるように構成している。したがって第1の位置指令yr1と第1の先行移動量yp1の和信号が目標停止位置ysに到達した時点を切り替え時点tcとすることにより、第2の位置指令yr2がysで連続で、第2の位置指令yr2の速度vr2が0で連続になり、制御対象1に衝撃を与えることなく切り替えることができると考えられる。また、第2の位置指令yr2が目標停止位置ysに到達した時点すなわち切り替え時点tcにおいて次の式(6)が成り立つ。
vf(tc)=−Tp・af ・・・・(6)
【0039】
したがって、切り替え判別部6は位置指令yr1が減速しているときに上式(6)の関係が成り立つ時点tcで切り替えを判別し、実先行移動量ypを第1の先行移動量yp1から第2の先行移動量yp2に切り替えればよいと考えられる。また、上述の説明では疑似指令速度vfおよび疑似指令加速度afが定常状態でvr1およびar1にそれぞれ一致していると考えて説明したが、疑似指令速度vfおよび疑似指令加速度afが過渡的変化をしている場合の確認のため第1の先行移動量yp1と第2の先行移動量yp2の差を計算すると次の式(7)になり、式(6)の関係が成り立つ時刻tcにおいて、式(7)および式(7)の時間微分は0になる、すなわち第1の先行移動量yp1の微分と第2の先行移動量yp2の微分も一致し、制御対象1に衝撃を与えないように切り替えられることが確認できる。
yp1−yp2=Tp・vf+(Tp2/2)・af+vf2/(2・af)
={1/(2・af)}(Vf+Tp・af)2 ・・・・(7)
【0040】
なお、実際の切り替え判別部6の動作は、式(6)の等号が成り立つ瞬間を判別するのは困難なため、第1の位置指令yr1が停止から加速開始した時点では実先行移動量ypを第1の位置指令yp1とし、第1の位置指令が減速しているときに、次の式(8)が成立すれば実先行移動量ypを第2の先行移動量yp2に切り替えればよい。
図4に切り替え判別部6および切り替えスイッチ7の動作のフローチャートを示す。図4において、まず、第1の位置指令速度yr1が減速中であるか否かを判別する(ST1)。減速中でなければyp=yp1のままとし(ST2)、減速中であれば、次式(8)が成立するか否かを判別する(ST3)。次式(8)が成立しなければyp=yp1のままとし(ST2)、成立すればyp=yp2に切り替える(ST4)。なお、ST1で第1の位置指令yp1が減速しているか否かの判別は、例えば疑似指令速度vfと疑似指令加速度afの積の符号が負であるか否かで判別すればよい。
|vf| < Tp・|af| ・・・・(8)
【0041】
本実施の形態による位置制御装置を以上のように構成することにより、第2の位置指令yr2は、第1の位置指令yr1よりも一定の先行時間Tpだけ先行した軌道で減速して目標停止位置ysで速度0になり、その後第1の位置指令yr1が目標停止位置ysに到達するまで目標停止位置ysで停止すような軌道として生成できる。図5に第1の位置指令yr1、第2の位置指令yr2および実位置ymの減速から停止にかけた応答を示す。図5より、第1の位置指令をそのまま追従制御部2に入力した従来の技術の場合の図19に比べて、実位置ymの減速および停止時の応答を一定の先行時間Tpだけ進めるようにすることができることが分かる。
【0042】
なお、上記の説明では、第1の先行移動量演算部3、残距離推定演算部4、切り替え判別部6は第1の位置指令yr1を入力して演算しているが、第1の位置指令yr1を微分(あるいは差分)した信号vr1が得られる場合には、第1の位置指令yr1の代わりにvr1を入力して上記の説明と等価な演算をしてもよい。
【0043】
本実施の形態による位置制御装置は以上のように構成されており、従来の技術に比べて減速および停止時の制御対象1の位置の応答が一定の先行時間Tpだけ先行するようにでき、追従制御部2における高域遮断特性を維持したまま、停止時にも制御対象1の機械系に与える衝撃を大きくしたり機械共振を励起したりすることなく、整定時間を短縮することが可能である。
【0044】
実施の形態2.
図6は本発明の実施の形態2による位置制御装置の構成を示す図である。図6において、図1と同一符号は同一部分を表し、その説明を省略する。103は第1の先行移動量演算部である。本実施の形態は実施の形態1における第1の先行移動量演算部3の演算方法を変更しただけものであり、それ以外の部分の説明を省略する。
【0045】
次に第1の先行移動量演算部103の動作を説明する。
実施の形態1における第1の先行移動量演算部3は第1の位置指令yr1が加速中や一定速時も減速時と同じ演算をするように構成したが、位置指令yr1が加速中や一定速時は異なる演算に変えても停止近傍の制御対象1の動作は殆ど変わらないため、適切に変更してもよい。
【0046】
第1の先行移動量演算部103は、予め設定した先行時間Tpおよび第1の位置指令yr1を微分あるいは疑似微分した疑似速度vfおよび第1の位置指令yr1を2階微分あるいは2階疑似微分した疑似加速度afに基づき、第1の位置指令yr1が減速するときには、実施の形態1と同じ式(1)の演算により第1の先行移動量yp1を演算して出力する。
yp1=Tp・vf+(Tp2/2)・af ・・・・(1)
【0047】
ここで、疑似指令加速度afは第1の位置指令yr1が減速する場合には負の値であり、上記式(1)の右辺第2項は負である。また、第1の位置指令yr1が一定速度で変化する場合には上式の右辺第2項は定常的に0になり、上式の右辺第2項を省略しても定常的に第1の先行移動量yp1の値は変わらない。また、第1の位置指令yr1が加速するときには、式(1)の右辺第2項は定常的に一定の正の値を持つ。したがって、第1の位置指令yr1の加速が終了し一定速度あるいは減速に変わったとき、式(1)の右辺第2項は正の値から0あるいは負の値に変化する。しかしながら、第1の位置指令yr1が減速するときの軌道にとっては、第1の位置指令yr1の加速時に式(1)をそのまま用いて第1の先行移動量yp1を演算すると、式(1)の右辺第2項は無駄な先行移動量を加算していることになる。このため、加速開始時および加速終了時に制御対象1に無駄な動作を与え、場合によってはそれが制御対象1に与える衝撃となる。また、式(1)の右辺第2項は第1の位置指令yr1に含まれる高周波数ノイズが増幅して含まれるため、必要の無い場合は右辺第2項を省略した方が、第1の先行移動量yp1および第2の位置指令yr2に含まれる高周波数ノイズが低減され、よりなめらかに制御対象1を駆動することが可能になる。
【0048】
したがって、本実施の形態における第1の先行移動量演算部103は、第1の位置指令yr1の加速時および一定速のときには上記式(1)における右辺第2項を省略した次の式(9)により第1の先行移動量yp1を演算する。
yp1=Tp・vf ・・・・(9)
また、第1の位置指令yr1が減速時には実施の形態1と同様に式(1)により第1の先行移動量yp1を演算する。
【0049】
なお、本実施の形態では第1の位置指令yr1が一定速のときにも第1の先行移動量を式(9)で演算するとしたが、上述のように第1の位置指令yr1が一定速のときは式(1)で演算しても定常的に同じであるため、第1の位置指令yr1が一定速のときに第1の先行移動量yp1を式(1)で演算するようにしてもよい。
【0050】
また、本実施の形態では第1の位置指令yr1が少なくとも加速するときには上記式(9)により第1の先行移動量yp1を演算するとしたが、上記式(1)の第2項における疑似加速度afに対する係数である加速度増幅定数を、第1の位置指令yr1が加速するときには上記式(1)のTp2/2に比べて小さい値になるように切り替えても同様の効果が得られる。
【0051】
本実施の形態による位置制御装置は以上のように構成されており、第1の位置指令yr1が加速するときの高周波数ノイズの影響および第1の位置指令yr1が加速開始および加速終了したときの制御対象1に与える衝撃を大きくせずに、従来の技術に比べて減速および停止時の制御対象1の位置の応答を先行時間Tpだけ先行させることができ、追従制御部2における高域遮断特性を維持したまま、停止時にも制御対象1の機械系に与える衝撃を大きくしたり機械共振を励起したりすることなく、整定時間を短縮することが可能である。
【0052】
実施の形態3.
図7は本発明の実施の形態3による位置制御装置の構成を示す図である。図7において、図1と同一符号は同一部分を表しその説明を省略する。203は第1の先行移動量演算部、205は第2の先行移動量演算部、206は切り替え判別部である。
【0053】
実施の形態1では第1の先行移動量の演算を第2の位置指令yr2が第1の位置指令yr1に対し一定の先行時間Tpだけ正確に先行するように構成したが、本実施の形態は位置指令yr1に対し先行時間Tp時間だけ先行した信号を基準に変更したものである。また、実施の形態1では推定残距離yeをそのまま第2の先行移動量とすることにより、第1の位置指令yr1が目標停止位置ysに到達する以前に第2の位置指令yr2が目標停止位置ysに静止しているように構成したが、推定残距離yeに基づいて異なる軌道の第2の位置指令yr2を生成してもよい。
【0054】
次に本実施の形態の位置制御装置の動作を説明する。
本実施の形態は実施の形態1における第1の先行移動量演算部3、第2の先行移動量演算部5、切り替え判別部6の演算方式を変更したものであり、実施の形態1と動作の異なる部分のみ説明する。
【0055】
まず、第1の先行移動量演算部203の動作について説明する。
第1の先行移動量演算部203は第1の位置指令yr1を入力し、実施の形態1と同様の演算により疑似指令速度vfおよび疑似指令加速度afを演算する。
また、第1の先行移動量演算部203は予め設定した先行時間Tpを用いて、第1の先行移動量yp1を疑似指令速度vfに先行時間Tpを乗じた信号と疑似加速度指令afに加速度増幅定数を乗じた信号の和として演算する。ここで加速度増幅定数は予め設定した加速度設定定数rと先行時間Tpの2乗を乗じ2で除算した定数である。すなわち次の式(10)により第1の先行移動量yp1を演算して出力する。
yp1=Tp・vf+r・(Tp2/2)・af ・・・・(10)
【0056】
本実施の形態における上記式(10)に示した第1の先行移動量yp1の、実施の形態1における式(1)の第1の先行移動量yp1との差をhp1と表すと、hp1は次の式(11)で表される。
hp1=(r−1)(Tp2/2)・af ・・・・(11)
【0057】
したがって第1の位置指令yr1が一定の加速度で変化しているとき、上記式(11)のhp1は定常的に一定値となる。したがって第1の実施の形態と同様に第1の先行移動量yp1を実先行移動量ypとしたとき、第2の位置指令yr2は第1の位置指令yr1を先行時間Tpだけ先行させた信号に対して一定の値hp1を保持した信号として生成できる。また加速度設定定数rの設定を変更することにより、すなわち加速度増幅定数を適切に設定することにより、第2の位置指令yr2を第1の位置指令yr1より適切な距離だけ先行させることができる。またこのとき、第2の位置指令yr2の速度vr2は定常的に第1の位置指令yr1の速度vr1を先行時間Tpだけ先行した信号として生成できる。すなわち、第2の位置指令を第1の位置指令より早く目標停止位置付近に到達させて減速させる。
【0058】
次に、第2の先行移動量演算部205の動作について説明する。
第2の先行移動量演算部205は第1の位置指令yr1が減速しているときに、残距離推定部4において実施の形態1と同じ式(4)で演算した推定残距離yeに基づき、推定残距離yeを1/r倍した信号を第2の先行移動量yp2として出力する。すなわち第2の先行移動量yp2は次の式(12)で演算する。
yp2=−vf2/(2・r・af) ・・・・(12)
【0059】
また、第1の位置指令yr1が将来停止する目標停止位置ysと第1の位置指令yr1の差の推定値が推定残距離yeであるので、式(12)により演算した第2の先行移動量yp2を実先行移動量ypとすることにより、次の式(13)の関係から、目標停止位置ysと生成する第2の位置指令yr2との差を、目標停止位置と第1の位置指令の差の(1ー1/r)倍にすることが分かる。
ys−yr2=ys−yr1−yp2
=ys−yr1−(1/r)・ye
=(1−1/r)・ye ・・・・(13)
【0060】
すなわち第2の位置指令yr2の目標停止位置ysを基準とした軌道を第1の位置指令yr1の目標停止位置ysを基準とした軌道の(1−1/r)倍である相似な軌道とすることが可能である。したがって、第1の位置指令yr1が一定の加速度ar1で減速して停止する軌道に対して、第2の位置指令yr2が(1−1/r)・ar1の一定加速度で減速し、第1の位置指令yr1が停止する時刻tsに第2の位置指令yr2も同じ目標停止位置ysで停止するような軌道を生成することができる。
【0061】
図8は本実施の形態において加速度設定定数rを1より大きくした場合の、停止近傍の動作を表す図で、vr1およびvr2の動作を表している。図8において時刻tで、斜線部[C]と斜線部[D]の和が残距離推定部4で推定された推定残距離ye、すなわち第1の位置指令yr1の目標停止位置ysとの差を表し、斜線部[C]が式(12)により演算された第2の先行移動量yp2を、斜線部[D]が式(13)で表される第2の位置指令yr2と目標停止位置ysとの差を表す。
また図9は本実施の形態において加速度設定定数rを1より小さくした場合の、停止近傍の動作を表す図で、vr1およびvr2の動作を示している。図9において時刻tで、斜線部[E]が残距離推定部4で推定された残距離ye、すなわち第1の位置指令yr1の目標停止位置ysとの差を表し、斜線部[E]と斜線部[F]の和が式(12)により演算された第2の先行移動量yp2を、斜線部[F]が式(13)で表される第2の位置指令yr2の目標停止位置ysとの差を表す。
【0062】
次に、切り替え判別部206の動作および切り替え判別部206による切り替え時の位置制御装置の動作について説明する。
切り替え判別部206は第1の位置指令yr1に基づいて切り替え時点tcを判別し、切り替えスイッチ7が切り替え時点tcより以前は第1の先行移動量yp1を実先行移動量ypにし、切り換え時点tc以降は第2の先行移動量yp2を実先行移動量ypにするように切り替え信号swを出力する。
【0063】
ここで、第1の先行移動量yp1と第2の先行移動量yp2の差は次の式(14)で表される。
yp1−yp2=Tp・vf+(Tp2/2)・r・af+vf2/(2・r・af)
={1/(2・r・af)}(vf+Tp・r・af)2 ・・・・(14)
【0064】
したがって、第1の位置指令yr1が減速中に次の式(15)が成り立つ時点を切り替え時点tcとすれば、切り替え時点tcで上記の式(14)および式(14)の時間微分は0になる。すなわち第1の先行移動量yp1と第2の先行移動量yp2が一致するとともに、第1の先行移動量yp1の微分と第2の先行移動量yp2の微分も一致する。したがって式(15)が成り立つ時点でスイッチ7が第1の先行移動量yp1から第2の先行移動量yp2へ切り替えて実先行移動量ypとして出力すれば、第2の位置指令yr2およびその微分vr2は連続になり、制御対象1に衝撃を与えることなく切り替えることが可能である。
vf=−Tp・r・af ・・・・(15)
【0065】
なお、実際の切り替え判別部206の動作は、式(15)の等号が一致する瞬間を判別するのは困難なため、第1の位置指令yr1が停止から加速開始した時は実先行移動量ypを第1の位置指令yp1とし、第1の位置指令yr1が減速しているときに次の式(16)が成立すれば実先行移動量ypを第2の先行移動量yp2に切り替えればよい。
図10に切り替え判別部6の動作のフローチャートを示す。図10において、まず、第1の位置指令速度yr1が減速中であるか否かを判別する(ST11)。減速中でなければyp=yp1のままとし(ST12)、減速中であれば、次式(16)が成立するか否かを判別する(ST13)。次式(16)が成立しなければyp=yp1のままとし(ST12)、成立すればyp=yp2に切り替える(ST14)。なお、第1の位置指令yp1が減速しているか否かの判別は、例えば疑似指令速度vfと疑似指令加速度afの積の符号が負であるか否かで判別すればよい。
|vf| < Tp・r・|af| ・・・・(16)
【0066】
図11に、本実施の形態において加速度設定定数rが1より大きい場合の第1の位置指令yr1、第2の位置指令yr2および実位置ymの減速から停止にかけた応答を示す。また図11にはyr2’として第1の位置指令yr1を先行時間Tpだけ先行させた信号を併せて示す。図11に示したように、加速度設定定数rが1より大きい場合は、第2の位置指令yr2は第1の位置指令yr1よりも先行時間Tpだけ先行した軌道を基準に一定距離だけ遅れた軌道で減速し、停止近傍では第1の位置指令yr1の加速度ar1を(1ー1/r)倍した、加速度ar1より小さな加速度で減速して目標停止位置ysで停止する。すなわち第1の位置指令yr1が停止するのと同時に、かつ緩やかに目標停止位置ysに停止するような軌道で第2の位置指令yr2を生成することができる。したがって、第1の位置指令yr1をそのまま追従制御部に入力した従来の技術に比べて、実位置ymの整定を遅くすることなく、しかも制御対象1により衝撃を与えないように、より緩やかに、整定させることが可能になる。
【0067】
また、図12に加速度設定定数rが1より小さい場合の第1の位置指令yr1および第2の位置指令yr2および実位置ymの減速から停止にかけた応答を示す。また図12にはyr2’として第1の位置指令yr1を先行時間Tpだけ先行させた信号を併せて示す。図12に示したように、加速度設定定数rが1より小さい場合は、第2の位置指令yr2は第1の位置指令yr1よりも先行時間Tpだけ先行した軌道より一定距離だけ進んだ軌道で減速してオーバーシュートをし、停止近傍では第1の位置指令yr1の加速度ar1を(1ー1/r)倍した、加速度ar1と逆符号の加速度で減速して目標停止位置ysで停止する。このとき第2の位置指令yr2はオーバーシュートをするが、追従制御部2がローパス特性を持つため制御対象1の実位置ymは第2の位置指令yr2より滑らかに整形され、このオーバーシュート量を調整することにより実位置ymの停止時の応答を加速度設定定数rが1の場合に比べて急峻にし、整定時間を短縮することができる。したがって、第1の位置指令yr1をそのまま追従制御部に入力した従来の技術に比べて実位置ymの応答を先行時間Tpだけ先行させた場合より急峻に停止させ、整定時間を先行時間Tp以上に短縮することが可能になる。
【0068】
本実施の形態による位置制御装置は以上のように構成されており、第2の位置指令を第1の位置指令より早く目標停止位置付近に到達させて減速させるため、追従制御部2における高域遮断特性を維持したまま、整定時間を短縮することが可能である。また、切り換え時点以降は第2の位置指令を適切に生成することにより、停止時にも制御対象1の機械系に与える衝撃を大きくしたり機械共振を励起したりすることなく、整定時間を短縮することが可能であり、加速度設定定数rの設定に応じて、従来の技術より整定時間が長くなることなく停止時の応答を緩やかにして制御対象1に与える衝撃を更に低減したり、停止時の応答を急峻にして整定時間を更に短縮したりすることが可能になる。
【0069】
実施の形態4.
上記各実施の形態では、第1の位置指令yr1が停止する近傍で残距離推定部4の出力である推定残距離yeに基づいて第2の位置指令yr2を生成するような構成としたが、推定残距離yeの演算を行わず近似的に上記各実施の形態と同様な効果を実現してもよい。
【0070】
図13は実施の形態4による位置制御装置の構成を示す図である。図13において、図1と同一符号は同一部分を表し、その説明を省略する。303は先行移動量演算部であり、実施の形態1における第1の先行移動量演算部3に残距離推定部4および第2の先行移動量演算部5の機能を近似的に付加したものである。
【0071】
次に図13に示した位置制御装置の動作について説明する。
まず、外部から制御対象1の位置である実位置ymに対する指令として第1の位置指令yr1を位置制御装置に入力する。第1の位置指令yr1の特性は実施の形態1と同じであり、説明を省略する。
【0072】
切り替え判別部6は、第1の位置指令yr1を入力し切り替え信号swを出力する。切り替え判別部6の動作は実施の形態1と同様であり、その説明を省略する。
先行移動量演算部303は、第1の位置指令yr1と切り替え信号swに基づいて後述の演算により実先行移動量ypを出力する。
追従制御部2は、第1の位置指令yr1と実先行移動量ypの和を第2の位置指令yr2として入力し、制御対象1の位置である実位置ymが第2の位置指令yr2に追従するように制御を行う。
【0073】
次に、先行移動量演算部303の動作について説明する。
先行移動量演算部303は、第1の位置指令yr1と切り替え信号swを入力して実施の形態1と同様に疑似指令速度vfおよび疑似指令加速度afを演算し、第1の位置指令yr1が加速開始した時点から切り替え信号swが切り替わる切り替え時点tcまで実施の形態1と同様に第1の先行移動量yp1を演算し、第1の先行移動量yp1を実先行移動量ypとして出力する。すなわち次の式(17)により第1の先行移動量yp1および実先行移動量ypを演算する。ここで、疑似指令速度vfおよび疑似指令加速度afの演算については実施の形態1と同様であり、その説明を省略する。
yp=yp1
= yp1=Tp・vf+(Tp2/2)・af ・・・・(17)
【0074】
ここで、第1の位置指令yr1が停止するまで上記の式(17)の演算により実先行移動量ypを演算すると、第2の位置指令yr2は目標停止位置ysより小さくなるような逆応答を起こす。また第1の位置指令yr1が停止した以降に上記の式(17)の演算により実先行移動量ypを演算すると、疑似指令速度vfおよび疑似指令加速度afが過渡的応答をするため、第2の位置指令yr2の波形が乱れ、制御対象1の応答が乱れる。
したがって、第1の位置指令yr1が減速中で停止する以前に、実先行移動量ypの演算方法を式(17)から適切に変更することにより、制御対象1の実位置ymの応答が適切な応答となるように変更することができる。
【0075】
先行移動量演算部303は、切り替え判別部6が切り替えを判別した切り替え時点tcから以降は、切り替え時点tcにおける実先行移動量yp(tc)に基づいて、実先行移動量ypが0になるまで徐々に減算する。すなわち、時刻tにおける実先行移動量yp(t)は直前の実先行移動量ypから適切な演算により減算していき、実先行移動量ypが0になった時点以降は実先行移動量ypを0に固定すれば、実施の形態1と同様な効果が得られる。また、実先行移動量ypが切り換え時刻tcから先行時間Tpをかけて0になるように上述の減算を実現すれば、簡易な演算で実施の形態1に類似した特性が得られる。特に、次の式(18)に基づいて実先行移動量ypを演算し、先行移動量ypが0になった時点で演算を停止すれば、第1の位置指令yr1の加速度ar1と疑似指令加速度afが一致している場合には実施の形態1と全く同じ動作を行う。
yp(t)=yp(tc)−∫(vf(tc))dt+∫∫(af)dt2 ・・・・(18)
ただし上式の右辺第2項は切り替え時点tcにおける疑似指令速度vf(tc)の時間積分を表し、右辺第3項は疑似指令加速度afの切り替え時点tcからの2階時間積分を表す。なお、疑似指令加速度afは負の値であるため右辺第3項も減算をしていることになる。
【0076】
図14に本実施の形態の切り替え判別部6および先行移動量演算部303の動作のフローチャートを示す。図14において、まず、第1の位置指令速度yr1が減速中であるか否かを判別する(ST21)。減速中でなければyp=yp1のままとし(ST22)、減速中であれば、前述の式(8)が成立するか否かを判別する(ST23)。式(8)が成立しなければyp=yp1のままとし(ST22)、成立すれば実先行移動量ypが0または負であるか否かを判別する(ST24)。ypが0または負であればyp=0とし(ST25)、ypが0または負でなければすなわち正であればypを直前の値から減じる(ST26)。なお、第1の位置指令yp1が減速しているか否かの判別は、例えば疑似指令速度vfと疑似指令加速度afの積の符号が負であるか否かで判別すればよい。
|vf| < Tp・|af| ・・・・(8)
【0077】
本実施の形態による位置制御装置は以上のように構成されており、第2の位置指令を第1の位置指令より早く目標停止位置付近に到達させて減速させるため、追従制御部2における高域遮断特性を維持したまま、整定時間を短縮することが可能である。また、切り換え時点以降は比較的簡単な演算で第2の位置指令を適切に生成することにより、停止時にも制御対象1の機械系に与える衝撃を大きくしたり機械共振を励起したりすることなく、整定時間を短縮することが可能である。
【0078】
実施の形態5.
図15は本発明の実施の形態5による位置制御装置の構成を示す図である。図15において、図1と同一符号は同一部分を表し、その説明を省略する。405は停止軌道生成部、406は切り替え判別部、407は切り替えスイッチである。
【0079】
次に図15に示した位置制御装置の動作について説明する。
残距離推定部4は、外部から入力した第1の位置指令yr1を入力し実施の形態1と同じ動作により演算した推定残距離yeを第1の推定残距離ye1として出力しする。
停止軌道生成部405は、第1の位置指令yr1と第1の推定残距離ye1を入力して後述の演算により第3の位置指令yr3を出力する。
切り替え判別部406は、第1の位置指令yr1が減速開始あるいは減速中であることを判別して切り替え信号swを出力する。
切り替えスイッチ407は、第1の位置指令yr1と第3の位置指令yr3を入力し、切り替え信号swに基づいて第1の位置指令yr1が加速中および一定速中は第1の位置指令yr1をそのまま第2の位置指令yr2として出力し、第1の位置指令yr1の減速開始時あるいは減速中に切り替え信号swが切り替わって以降は第3の位置指令yr3を第2の位置指令yr2として出力する。
【0080】
次に、停止軌道生成部405について説明する。
図16は停止軌道生成部の内部の構成を表す図である。図16において、408は積分器、409は速度軌道生成部である。
停止軌道生成部405は、まず、第1の位置指令yr1と残距離推定部4が出力した第1の推定残距離ye1と切り替え判別部406が出力した切り替え信号swを入力し、切り替え信号swが切り替わった瞬間に積分器408の出力の初期値を第1の位置指令yr1に一致させる。
次に、第1の位置指令yr1と第1の推定残距離ye1の和信号を推定停止位置yseとして演算する。ここで、第1の位置指令yr1が加速度一定で減速している場合には、定常的に、前記の推定停止位置yseは第1の位置指令yr1が将来停止する目標停止位置ysに一致する。
【0081】
次に、前記の推定停止位置yseと積分器408の出力である第3の位置指令yr3との差信号を第2の推定残距離ye2とし、第1の位置指令yr1と第2の推定残距離ye2を速度軌道生成部409に入力する。ここで、第2の推定残距離ye2は、第1の位置指令yr1が将来停止する目標停止位置ysと第3の位置指令yr3の現在の値との差を推定した値である。
【0082】
次に、速度軌道生成部409は、第1の位置指令yr1の動作に応じて第2の推定残距離ye2に対する第3の指令速度vr3の軌道の関係を後述のような演算式あるいは参照テーブルにより予め定めておき、入力した第2の推定残距離ye2および第1の位置指令yr1に基づいて第3の指令速度vr3を出力する。
次に、積分器408は、第3の指令速度vr3を入力し、上述のように設定した出力初期値から第3の指令速度vr3を積分した信号を第3の位置指令yr3として出力し、停止軌道生成部405は第3の位置指令yr3を出力する。
【0083】
停止軌道生成部405を以上のように構成することにより、第3の位置指令yr3の軌道は速度軌道生成部409において予め任意に設定した軌道に一致して生成され、また、切替判別部406が切り替わった後、すなわち第1の位置指令yr1が減速中から停止するまでは、第2の位置指令yr2を第3の位置指令yr3とすることにより、第2の位置指令yr2は速度軌道生成部409において予め任意に設定した軌道に一致して生成される。
【0084】
次に、速度軌道生成部409における軌道の設定について説明する。
速度軌道生成部409は予め設定した関係式あるいはテーブル参照により、第2の推定残距離ye2に対して予め設定した速度軌道を描くような第3の指令速度vr3を算出する。例えば目標停止位置ysに一定の加速度a0で停止させたいとした場合は、速度軌道生成部409は次の式(19)により第3の指令速度vr3を演算することにより、第3の位置指令yr3は目標停止位置ysに一定の加速度a0で減速して停止する。
vr3=(−2・a0・ye2)1/2 ・・・・(19)
【0085】
本実施の形態では、第1の位置指令yr1の加速度である第1の指令加速度ar1に応じて、第1の指令加速度ar1より急な加速度で減速させるために、第1の位置指令yr1を2階微分あるいは2階疑似微分した疑似指令加速度afを演算し、1より大きな定数gを用いて、次の式(20)により第3の指令速度vr3を演算する。
vr3=(−2・g・af・ye2)1/2 ・・・・(20)
【0086】
更に、切替信号swが切り替わった直後に第3の指令速度vr3が大きくなると制御対象1に与える衝撃となるため、第1の位置指令yr1の微分あるいは2階微分である疑似指令速度vfを演算しておき、切替信号swが切り替わった瞬間の疑似指令速度vfを超えないように第3の指令速度vr3を制限しておく。
【0087】
速度軌道生成部409の軌道を以上のように設定しておくことにより、切り替えスイッチ407が切り替わった後の第3の位置指令yr3、すなわち第2の位置指令yr2の動作は、切り替えスイッチ407が切り替わった直後は第1の位置指令yr1が減速しても一定速で変化し、その後に第1の位置指令の加速度ar1をg倍した加速度で減速し、目標停止位置ysに第1の位置指令yr1が停止するより早く停止するような軌道を生成することができる。
【0088】
なお、上述の説明では第1の位置指令yr1の加速度のg倍の加速度で第2の位置指令yr2が減速して停止するように速度軌道生成部409を構成するとしたため、停止時の加速度変化がその分だけ大きくなるが、減速時間が長い場合には加速度を少し大きくするだけで第2の位置指令yr2が第1の位置指令yr1より早く目標到達位置に到達し、また追従制御部2の高域遮断特性は維持するため、従来の技術において追従制御部2の応答を速くした場合に比べると制御対象1の機械系に与える衝撃を大きくせずに整定時間が短縮される。また速度軌道生成部409を、第3の位置指令yr3および第2の位置指令yr2が停止する直前は加速度を小さく変更するように構成することも可能であり、停止時に制御対象1の機械系に与える衝撃を大きくしないようにする事も可能である。
【0089】
本実施の形態では以上のように位置制御装置を構成することにより、第2の位置指令yr2が減速して停止する軌道を停止軌道生成部405および速度軌道生成部409で任意に設定することが可能になるため、第2の位置指令yr2を第1の位置指令yr1より早く目標停止位置ysに停止させるように第3の位置指令yr3の軌道を生成することにより、停止時に制御対象1の機械系に与える衝撃を大きくしたり機械共振を励起したりすることなく、整定時間を短縮することが可能である。
【0090】
【発明の効果】
以上のように、本発明によれば、以下に示すような効果が得られる。
外部から入力した第1の位置指令に基づいて実先行移動量を出力する先行移動量演算部と、前記第1の位置指令と前記実先行移動量の和信号である第2の位置指令を入力し制御対象の位置が前記第2の位置指令に追従するように制御を行う追従制御部を備え、前記先行移動量演算部は前記第1の位置指令の微分あるいは疑似微分である疑似指令速度に予め設定した先行時間Tpを乗じた信号と前記第1の位置指令の2階微分あるいは2階疑似微分である疑似指令加速度に予め設定した加速度増幅定数を乗じた信号との加算に基づいて前記実先行移動量を演算するので、
追従制御部に入力する第2の位置指令を第1の位置指令より早く目標停止位置付近に到達させて減速させるため、追従制御部における位置指令に対する実位置の高域遮断特性を維持したまま停止時の整定時間を短縮することが可能である。
【0091】
また、外部から入力した第1の位置指令に基づいて実先行移動量を出力する先行移動量演算部と、前記第1の位置指令に基づいて第1の位置指令が減速中に切り替え時点の判別を行う切り替え判別部と、前記第1の位置指令と前記実先行移動量の和信号である第2の位置指令を入力し制御対象の位置が前記第2の位置指令に追従するように制御を行う追従制御部を備え、前記先行移動量演算部は前記切り替え時点以前は前記第1の位置指令の微分あるいは疑似微分である疑似指令速度に予め設定した先行時間Tpを乗じた信号と前記第1の位置指令の2階微分あるいは2階疑似微分である疑似指令加速度に予め設定した加速度増幅定数を乗じた信号との加算に基づいて前記第1の先行移動量を演算するとともに、前記切り替え時点以降は前記の切り替え時点以前と異なる演算により前記実先行移動量を演算するので、
切り替え時点以前は追従制御部に入力する第2の位置指令を第1の位置指令より早く目標停止位置付近に到達させて減速させ、切り換え時点以降の第2の位置指令を適切に生成させるため、追従制御部における位置指令に対する実位置の高域遮断特性を維持したまま、また停止時に制御対象の機械系に与える衝撃を増大したり機械共振を励起したりすることなく停止時の整定時間を短縮することが可能である。
【0092】
さらに、前記先行移動量演算部は、前記加速度増幅定数を前記第1の位置指令が加速するときは前記第1の位置指令が減速するときより小さい値になるよう切り替えるので、
加速時に制御対象に高周波数成分を印加しないようにし、また加速開始時および加速終了時に制御対象に加える衝撃が増大しないようにしながら、追従制御部における位置指令に対する実位置の高域遮断特性を維持したまま、停止時の整定時間を短縮することが可能である。
【0093】
さらに、先行移動量演算部は、前記加速度増幅定数を前記先行時間Tpの2乗を2で割った値に基づいて設定するので、
追従制御部に入力する第2の位置指令を第1の位置指令に対して先行時間Tpだけ先行させて目標停止位置で速度が零になるように生成し、追従制御部における位置指令に対する実位置の高域遮断特性を維持したまま、停止時の整定時間を短縮することが可能である。
【0094】
さらに、前記先行移動量演算部は、次式で表される第1の位置指令yr1を入力とした2次以上の伝達関数演算により疑似指令速度vfの演算を行い、次式においてb2=a1とするので、
疑似速度指令を高周波数ノイズを除去しながら第1の位置指令の微分に定常的に一致させることができ、先行移動量を定常的誤差無く演算することができる。これにより第2の位置指令の軌道を定常誤差無く正確に生成するため、追従制御部における位置指令に対する実位置の高域遮断特性を維持したまま、整定時間を短縮することが可能である。
vf/yr1=(s+b2・S2+…+bm・sm)/(1+a1・s+a2・s2+…+an・sn)
(ただし、n、mは2以上の整数で、a1、a2、…、anおよびb2、…、bmは予め設定した定数、sはラプラス演算子である。)
【0095】
また、外部から入力した第1の位置指令に基づいて第2の位置指令を生成し、前記第2の位置指令に追従するように制御を行う追従制御部を備える位置制御装置において、前記第1の位置指令が減速中に前記第1の位置指令の変化特性に基づいて前記第1の位置指令が将来停止する位置である目標停止位置と前記第1の位置指令の現在の位置との差を推定して推定残距離として出力する残距離推定部と、前記第1の位置指令に基づいて前記第1の位置指令が減速開始時あるいは減速中に切り替え時点を判別する切り替え判別部とを備え、前記切り替え時点以降は前記第1の位置指令と前記推定残距離とに基づいて前記第2の位置指令を生成するので、
切り替え時点以降は目標停止位置を基準に任意に設定した軌道で第2の位置指令を生成できる。これにより切り替え時点以降に第2の位置指令を第1の位置指令より早く目標停止位置に停止させるように軌道を生成させ、追従制御部における位置指令に対する実位置の高域遮断特性を維持したまま、また停止時に制御対象の機械系に与える衝撃を増大したり機械共振を励起したりすることなく停止時の整定時間を短縮することが可能である。
【0096】
また、外部から入力した第1の位置指令に基づいて第1の先行移動量を出力する第1の先行移動量演算部と、前記第1の位置指令を入力し前記第1の位置指令が減速中に前記第1の位置指令の変化特性に基づいて前記第1の位置指令が将来停止する位置である目標停止位置と前記第1の位置指令の現在の位置との差を推定して推定残距離として出力する残距離推定部と、前記推定残距離に基づいて第2の先行移動量を出力する第2の先行移動量演算部と、前記第1の位置指令に基づいて前記第1の位置指令が減速中に切り替え時点を判別する切り替え判別部と、前記切り替え時点以前は前記第1の先行移動量を実先行移動量として出力し前記切り替え時点以降は前記第2の先行移動量を実先行移動量として出力する切り替えスイッチと、前記第1の位置指令と前記実先行移動量の和信号を第2の位置指令として入力し制御対象の位置が前記第2の位置指令に追従するように制御を行う追従制御部を備えるので、
切り替え時点以前に第2の位置指令を予め第1の位置指令より先行させておき、切り替え時点以降に第2の位置指令を目標停止位置を基準として任意に設定した軌道として生成することができる。これにより第2の位置指令を切り替え時点以前は第1の位置指令より早く目標停止位置の近くに到達させ、切り替え時点以降は適切な軌道で目標停止位置に停止させることができ、追従制御部における位置指令に対する実位置の高域遮断特性を維持したまま、また停止時に制御対象の機械系に与える衝撃を増大したり機械共振を励起したりすることなく停止時の整定時間を短縮することが可能である。
【0097】
さらに、前記残距離推定部は、前記第1の位置指令の微分あるいは疑似微分である疑似指令速度と前記第1の位置指令の2階微分あるいは2階疑似微分である疑似指令加速度に基づき、前記疑似指令速度の2乗を前記疑似加速度の−2倍で除算する演算に基づいて前記推定残距離を演算するので、
第1の位置指令が一定の加速度で減速して停止する場合に正確に推定残距離を演算することができる。これにより第2の位置指令の軌道を正確に演算させる、追従制御部における位置指令に対する実位置の高域遮断特性を維持したまま、また停止時に制御対象の機械系に与える衝撃を増大したり機械共振を励起したりすることなく停止時の整定時間を短縮することが可能である。
【0098】
さらに、前記第2の先行移動量を推定残距離と同じにするので、
第1の位置指令が停止する以前に第2の位置指令を目標停止位置に静止するように生成することができる。これにより追従制御部における位置指令に対する実位置の高域遮断特性を維持したまま整定時間を短縮することが可能である。
【0099】
さらに、前記第2の先行移動量を推定残距離の定数倍とするので、
切り替え時点以降は第1の位置指令が停止する以前に第2の位置指令を第1の位置指令と相似な軌道として生成することができる。これにより制御対象の位置を緩やかに減速停止させ、停止時に制御対象の機械系に衝撃を与えたり機械共振を励起したりすることを更に低減させながら停止時の整定時間を短縮したり、制御対象の位置を急峻に減速停止させ、追従制御部における位置指令に対する実位置の高域遮断特性を維持したまま、整定時間を更に短縮したりすることが可能である。
【0100】
さらに、前記切り替え判別部は、前記第1の先行移動量と前記第2の先行移動量が一致する条件に基づいて前記切り替え時点を判別するので、
切り替え時点で第2の位置指令を連続にすることができる。これにより切り替え時点に制御対象に与える衝撃を小さくしながら第2の位置指令を切り替え時点以前は第1の位置指令より早く目標停止位置の近くに到達させ、切り替え時点以降は適切な軌道で目標停止位置に停止させることができ、追従制御部における位置指令に対する実位置の高域遮断特性を維持したまま、また停止時に制御対象の機械系に与える衝撃を増大したり機械共振を励起したりすることなく停止時の整定時間を短縮することが可能である。
【0101】
さらに、前記第1の先行移動量演算部および前記第2の先行移動量演算部は、前記第1の位置指令が減速中に前記第1の先行移動量と前記第2の先行移動量が一致する時点で前記第1の先行移動量の微分と前記第2の先行移動量の微分が一致するように構成するので、
切り替え時点で第2の位置指令およびその微分を連続にすることができる。これにより切り替え時点に制御対象に与える衝撃を与えることなく第2の位置指令を切り替え時点以前は第1の位置指令より早く目標停止位置の近くに到達させ、切り替え時点以降は適切な軌道で目標停止位置に停止させることができ、追従制御部における位置指令に対する実位置の高域遮断特性を維持したまま、また停止時に制御対象の機械系に与える衝撃を増大したり機械共振を励起したりすることなく停止時の整定時間を短縮することが可能である。
【0102】
さらに、前記第1の先行移動量演算部は、前記第1の位置指令の微分あるいは疑似微分である疑似指令速度に予め設定した先行時間Tpを乗じた信号と、前記第1の位置指令の2階微分あるいは2階疑似微分である疑似指令加速度に前記先行時間Tpの2乗を乗じて2で除算した信号との加算に基づいて前記第1の先行移動量を演算し、前記残距離推定部は、前記疑似指令速度の2乗を前記疑似加速度の−2倍で除算して前記推定残距離を演算し、前記第2の先行移動量演算部は、前記推定残距離を前記第2の先行移動量とするので、
第1の位置指令が加速度一定で減速停止する場合に、第2の位置指令を切り替え時点以前は第1の位置指令に対して先行時間Tpだけ先行するようにし、切り替え時点で第2の位置指令およびその微分は連続にし、切り替え時点以降は目標停止位置に静止するように生成できる。これにより切り替え時点で制御対象に与える衝撃を大きくすることなく、追従制御部における位置指令に対する実位置の高域遮断特性を維持したまま、また停止時に制御対象の機械系に与える衝撃を増大したり機械共振を励起したりすることなく停止時の整定時間を短縮することが可能である。
【0103】
さらに、前記第1の先行移動量演算部は、前記第1の位置指令の微分あるいは疑似微分である疑似指令速度に予め設定した先行時間Tpを乗じた信号と、前記第1の位置指令の2階微分あるいは2階疑似微分である疑似指令加速度に前記先行時間Tpの2乗と予め設定した加速度設定定数を乗じて2で除算した信号との加算に基づいて前記第1の先行移動量を演算し、前記残距離推定部は、前記疑似指令速度の2乗を前記疑似加速度の−2倍で除算して前記推定残距離を演算し、前記第2の先行移動量演算部は、前記推定残距離を前記加速度設定定数で除算した信号を前記第2の先行移動量とするので、
第1の位置指令が加速度一定で減速停止する場合に、第2の位置指令を切り替え時点以前は第1の位置指令に対して先行時間Tpだけ先行した軌道に一定の差を保つように減速し、切り替え時点で第2の位置指令およびその微分を連続にし、切り替え時点以降は第1の位置指令と相似な軌道になるように生成できる。これにより切り替え時点で制御対象に与える衝撃を大きくすることなく、停止時に制御対象の機械系に衝撃を与えたり機械共振を励起したりすることを更に低減させながら停止時の整定時間を短縮したり、制御対象の位置を急峻に減速停止させ、追従制御部における位置指令に対する実位置の高域遮断特性を維持したまま、整定時間を更に短縮したりすることが可能である。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明の実施の形態1による位置制御装置の構成図である。
【図2】 本発明の実施の形態1に係り、第1の先行移動量演算部の動作原理を説明する図である。
【図3】 本発明の実施の形態1に係り、第2の先行移動量演算部の動作原理を説明する図である。
【図4】 本発明の実施の形態1に係り、切り替え判別部および切り替えスイッチの動作の流れを表すフローチャート図である。
【図5】 本発明の実施の形態1に係り、第1の位置指令、第2の位置指令および実位置の減速から停止にかけた応答を表す図である。
【図6】 本発明の実施の形態2による位置制御装置の構成図である。
【図7】 本発明の実施の形態3による位置制御装置の構成図である。
【図8】 本発明の実施の形態3に係り、第2の先行移動量演算部の動作原理を説明する図である。
【図9】 本発明の実施の形態3に係り、第2の先行移動量演算部の動作原理を説明する図である。
【図10】 本発明の実施の形態3に係り、切り替え判別部および切り替えスイッチの動作の流れを表すフローチャート図である。
【図11】 本発明の実施の形態3に係り、第1の位置指令、第2の位置指令および実位置の減速から停止にかけた応答の一例を表す図である。
【図12】 本発明の実施の形態3に係り、第1の位置指令、第2の位置指令および実位置の減速から停止にかけた応答の別の例を表す図である。
【図13】 本発明の実施の形態4による位置制御装置の構成図である。
【図14】 本発明の実施の形態4に係り、切り替え判別部および切り替えスイッチの動作の流れを表す図である。
【図15】 本発明の実施の形態5による位置制御装置の構成図である。
【図16】 本発明の実施の形態5に係り、停止軌道生成部の内部の構成を表す図である。
【図17】 従来の技術による位置制御装置の構成図である。
【図18】 従来の技術における位置指令の速度および実速度の軌道を表す図である。
【図19】 従来の技術における位置指令および実位置の応答を表す図である。
【符号の説明】
1 制御対象、2 追従制御部、3,103,203 第1の先行移動量演算部、303 先行移動量演算部、4 残距離推定部、5,205 第2の先行移動量演算部、6,206,406 切り替え判別部、7,407 切り替えスイッチ、405 停止軌道生成部、408 積分器、409 速度軌道生成部。
Claims (14)
- 外部から入力した第1の位置指令に基づいて実先行移動量を出力する先行移動量演算部と、前記第1の位置指令と前記実先行移動量の和信号である第2の位置指令を入力し制御対象の位置が前記第2の位置指令に追従するように制御を行う追従制御部を備え、前記先行移動量演算部は前記第1の位置指令の微分あるいは疑似微分である疑似指令速度に予め設定した先行時間Tpを乗じた信号と前記第1の位置指令の2階微分あるいは2階疑似微分である疑似指令加速度に予め設定した加速度増幅定数を乗じた信号との加算に基づいて前記実先行移動量を演算することを特徴とする位置制御装置。
- 外部から入力した第1の位置指令に基づいて実先行移動量を出力する先行移動量演算部と、前記第1の位置指令に基づいて第1の位置指令が減速中に切り替え時点の判別を行う切り替え判別部と、前記第1の位置指令と前記実先行移動量の和信号である第2の位置指令を入力し制御対象の位置が前記第2の位置指令に追従するように制御を行う追従制御部を備え、前記先行移動量演算部は前記切り替え時点以前は前記第1の位置指令の微分あるいは疑似微分である疑似指令速度に予め設定した先行時間Tpを乗じた信号と前記第1の位置指令の2階微分あるいは2階疑似微分である疑似指令加速度に予め設定した加速度増幅定数を乗じた信号との加算に基づいて前記第1の先行移動量を演算するとともに、前記切り替え時点以降は前記の切り替え時点以前と異なる演算により前記実先行移動量を演算することを特徴とする位置制御装置。
- 前記先行移動量演算部は、前記加速度増幅定数を前記第1の位置指令が加速するときは前記第1の位置指令が減速するときより小さい値になるよう切り替えることを特徴とする請求項1または2に記載の位置制御装置。
- 前記先行移動量演算部は、前記加速度増幅定数を前記先行時間Tpの2乗を2で割った値に基づいて設定することを特徴とする請求項1または2に記載の位置制御装置。
- 前記先行移動量演算部は、次式で表される第1の位置指令yr1を入力とした2次以上の伝達関数演算により疑似指令速度vfの演算を行い、次式においてb2=a1とすることを特徴とする請求項1または2に記載の位置制御装置。
vf/yr1=(s+b2・S2+…+bm・sm)/(1+a1・s+a2・s2+…+an・sn)
(ただし、n、mは2以上の整数で、a1、a2、…、anおよびb2、…、bmは予め設定した定数、sはラプラス演算子である。) - 外部から入力した第1の位置指令に基づいて第2の位置指令を生成し、前記第2の位置指令に追従するように制御を行う追従制御部を備える位置制御装置において、前記第1の位置指令が減速中に前記第1の位置指令の変化特性に基づいて前記第1の位置指令が将来停止する位置である目標停止位置と前記第1の位置指令の現在の位置との差を推定して推定残距離として出力する残距離推定部と、前記第1の位置指令に基づいて前記第1の位置指令が減速開始時あるいは減速中に切り替え時点を判別する切り替え判別部とを備え、前記切り替え時点以降は前記第1の位置指令と前記推定残距離とに基づいて前記第2の位置指令を生成することを特徴とする位置制御装置。
- 外部から入力した第1の位置指令に基づいて第1の先行移動量を出力する第1の先行移動量演算部と、前記第1の位置指令を入力し前記第1の位置指令が減速中に前記第1の位置指令の変化特性に基づいて前記第1の位置指令が将来停止する位置である目標停止位置と前記第1の位置指令の現在の位置との差を推定して推定残距離として出力する残距離推定部と、前記推定残距離に基づいて第2の先行移動量を出力する第2の先行移動量演算部と、前記第1の位置指令に基づいて前記第1の位置指令が減速中に切り替え時点を判別する切り替え判別部と、前記切り替え時点以前は前記第1の先行移動量を実先行移動量として出力し前記切り替え時点以降は前記第2の先行移動量を実先行移動量として出力する切り替えスイッチと、前記第1の位置指令と前記実先行移動量の和信号を第2の位置指令として入力し制御対象の位置が前記第2の位置指令に追従するように制御を行う追従制御部を備えることを特徴とする位置制御装置。
- 前記残距離推定部は、前記第1の位置指令の微分あるいは疑似微分である疑似指令速度と前記第1の位置指令の2階微分あるいは2階疑似微分である疑似指令加速度に基づき、前記疑似指令速度の2乗を前記疑似加速度の−2倍で除算する演算に基づいて前記推定残距離を演算することを特徴とする請求項6または7に記載の位置制御装置。
- 前記第2の先行移動量を前記推定残距離と同じにすることを特徴とする請求項7に記載の位置制御装置。
- 前記第2の先行移動量を前記推定残距離の定数倍とすることを特徴とする請求項7に記載の位置制御装置。
- 前記切り替え判別部は、前記第1の先行移動量と前記第2の先行移動量が一致する条件に基づいて前記切り替え時点を判別することを特徴とする請求項7に記載の位置制御装置。
- 前記第1の先行移動量演算部および前記第2の先行移動量演算部は、前記第1の位置指令が減速中に前記第1の先行移動量と前記第2の先行移動量が一致する時点で前記第1の先行移動量の微分と前記第2の先行移動量の微分が一致するように構成することを特徴とする請求項7に記載の位置制御装置。
- 前記第1の先行移動量演算部は、前記第1の位置指令の微分あるいは疑似微分である疑似指令速度に予め設定した先行時間Tpを乗じた信号と、前記第1の位置指令の2階微分あるいは2階疑似微分である疑似指令加速度に前記先行時間Tpの2乗を乗じて2で除算した信号との加算に基づいて前記第1の先行移動量を演算し、前記残距離推定部は、前記疑似指令速度の2乗を前記疑似加速度の−2倍で除算して前記推定残距離を演算し、前記第2の先行移動量演算部は、前記推定残距離を前記第2の先行移動量とすることを特徴とする請求項12に記載の位置制御装置。
- 前記第1の先行移動量演算部は、前記第1の位置指令の微分あるいは疑似微分である疑似指令速度に予め設定した先行時間Tpを乗じた信号と、前記第1の位置指令の2階微分あるいは2階疑似微分である疑似指令加速度に前記先行時間Tpの2乗と予め設定した加速度設定定数を乗じて2で除算した信号との加算に基づいて前記第1の先行移動量を演算し、前記残距離推定部は、前記疑似指令速度の2乗を前記疑似加速度の−2倍で除算して前記推定残距離を演算し、前記第2の先行移動量演算部は、前記推定残距離を前記加速度設定定数で除算した信号を前記第2の先行移動量とすることを特徴とする請求項12に記載の位置制御装置。
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