JP4506561B2

JP4506561B2 - 自動制御装置

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Publication number: JP4506561B2
Application number: JP2005152994A
Authority: JP
Inventors: 禎之浦川
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 2005-05-25
Filing date: 2005-05-25
Publication date: 2010-07-21
Anticipated expiration: 2025-05-25
Also published as: JP2006331030A

Description

本発明は、制御対象の角度又は位置を目標値へ向けて動作制御する閉ループで構成される自動制御装置及び方法、またこの自動制御装置に対して制御パラメータを供給するための制御パラメータ生成装置及び方法に関する。

従来、比例動作、積分動作並びに微分動作の制御を組み合わせて制御対象を制御するＰＩＤ制御装置が提案されている。

このＰＩＤ制御装置を構成する制御系における制御パラメータ調整は、比例ゲインＫ_ｐ、微分ゲインＫ_ｄ、積分ゲインＫ_ｉ等を試行錯誤的に変更しつつ応答を評価することで行っていたが、かかる制御パラメータと応答との関係が明確でないため、その調整につき熟練が必要となり、またこれにつき多大な時間を費やさなければならないという問題点もあった。

更に、この試行錯誤による制御パラメータ調整では、制御系における性能の限界を識別することができない。即ち、調整を実行してみてある程度以上の性能が得られない場合には、より最適な制御パラメータを模索することなく、それが限界と判断せざるを得なかった。

このため、かかる問題点を解決するために、従来、ＰＩＤ制御を適用した制御装置が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。この特許文献１では、制御パラメータの調整を容易に実行するために制御系の伝達関数の極、零点から変数変換により制御パラメータを算出する方法も開示されている。

図１１は、この特許文献１において提案されている制御装置の構成を示している。この制御装置８は、減算器３１、フィードフォワード（ＦＦ）制御演算部３２、フィードバック（ＦＢ）制御演算部３３、加算器３４を有する制御演算部９８と、Ｄ／Ａ変換器３６と、変数変換部３７と、変数設定部３８と、最適極配置演算部３９と、サンプラ１０４とからなる制御器３００を有し、モータドライバ４２を介してモータ４１を制御し、その制御結果がエンコーダ２００によって位置信号として検出されて、減算器３１に負帰還される。

この制御装置８は、アクチュエータとしてモータを用いて産業用ロボットのアーム等の制御対象を制御する装置であって、サンプリング制御理論に基づくサンプリング制御を前提とし、目標指令に対するフィードフォワード制御、及び目標指令と実際の検出信号との偏差に対するフィードバック制御とを組み合わせた制御を行う。これらフィードバック制御とフィードフォワード制御に、上述した制御パラメータＫ_ｐ、Ｋ_ｄ、Ｋ_ｉを用いている。フィードバック制御式とフィードフォワード制御式をそれぞれ以下に示す式（２０）、式（２１）に示す。

この制御装置８は、各制御パラメータＫ_ｐ、Ｋ_ｄ、Ｋ_ｉに加え、０次フィードフォワードゲインα、１次（速度）フィードフォワードゲインβ等の制御パラメータの調整を容易に実行すべく、変数変換部３７、変数設定部３８、最適極配置演算部３９を用いて制御系の伝達関数の極、零点から変数変換により制御パラメータを算出する。即ち、この制御装置８は、具体的には、図１２に示すｚ座標系における極、零点の指令値ａ、ｂ、ｃ、ｆ、ｇに応じて制御パラメータを算出する。算出した制御パラメータはＦＦ制御演算部３２並びにＦＢ制御演算部３３において実際の制御に使用される。

即ち、この制御装置８は、各制御パラメータＫ_ｐ、Ｋ_ｄ、Ｋ_ｉ、α、βを適切に設定することにより、比例動作、微分動作、積分動作に応じて制御対象をより良好に制御することができ、制御パラメータを決定するための最適極配置演算により試行錯誤によらず最適な制御パラメータを求めることが可能となる。

また、従来においては、例えば特許文献２に示すような適応制御型制御装置も提案されている。この従来の適応制御型制御装置では、最適極配置演算部３９において、４重極を想定した極配置式、即ちｚの５次式に基づいて演算を行うため、最適極配置のための演算量が、従来のような２重の繰り返し計算を行う場合と比較して少なくなることから、かかる最適極配置の算出をより簡便かつ迅速に行うことができる。また、性能の限界を把握した上で調整することができ、効率的な制御パラメータ調整を行うことが可能となる。

特開平８−１７１４０２号公報特開２０００−３２２１０４号公報

上述した制御パラメータの算出においては、制御系に１サンプリング時間の演算時間遅れのみ存在すると想定したものだったが、実際の制御系では様々な理由により１サンプリング時間以上のむだ時間が存在することも多い。１サンプリング時間より大きいむだ時間要素がある場合には、この実むだ時間をサンプリング時間の整数倍のむだ時間要素で近似し、配置しきれない極を多項式の係数の形で解くことで極配置式を求めて制御パラメータを演算する方法等も考えられるが、実むだ時間の近似誤差によっては極零配置で指定した応答と実際の応答にずれが生じ、正確に応答を指定することができないことがある。

例えば、制御パラメータ算出で想定したむだ時間要素よりも実むだ時間の方が大きければ、実システムでは位相遅れの方が若干大になり、これにより想定した位相余裕が小さくなってしまう。光ディスクドライブのサーボ系などでは位相余裕を十分確保する必要があるため、実際の位相遅れの方が大きくなる場合にはサーボ帯域を若干下げる必要が生じる。これに対して、制御パラメータ算出で想定したむだ時間要素よりも実むだ時間の方が小さければ、実システムでは位相余裕が若干大になり、余裕のある制御パラメータとなる。この場合には、本来もう少しサーボ帯域を上げられる可能性があるところを性能を抑えた状態で使用することになり、実システムの能力を十分に活用することができない。

特に、ディジタル化されたＰＩＤ制御系においては、何らかの理由で１サンプリング時間より大きいむだ時間要素が存在することは珍しいことではなく、かかる制御パラメータの調整効率の改善が要求されている。

そこで、本発明は、上述した問題点に鑑みて案出されたものであり、１サンプリング時間よりも大きいむだ時間要素が存在する制御系においても効率よく制御パラメータを演算することができ、所望の制御性能を得ることが可能な自動制御装置及び方法、並びに制御パラメータを演算してこれを当該自動制御装置へ供給するための制御パラメータ生成装置及び方法を提供することを目的とする。

上述した課題を解決するために、本発明に係る自動制御装置は、生成した制御信号に基づいて制御対象の角度又は位置を目標値へ向けて動作制御する閉ループで構成される自動制御装置において、上記制御対象の現時点における角度又は位置の上記目標値に対する差分に応じた差分信号を生成する差分信号生成手段と、上記制御対象を動作制御するための制御パラメータを、上記閉ループにおける閉ループ伝達関数の極から、当該自動制御装置における１次遅れ要素及びむだ時間要素を含む演算式に基づいて生成する制御パラメータ生成手段と、上記制御パラメータ生成手段により生成された制御パラメータを用いた制御関数に基づいて、上記差分信号生成手段により生成された差分信号につき所定の演算処理を施すことにより上記制御信号を生成する制御演算手段とを備え、上記制御パラメータ生成手段は、当該自動制御装置におけるむだ時間要素を１次遅れ要素及びサンプリング時間の整数倍のむだ時間要素に近似して上記閉ループ伝達関数を算出し、また上記制御パラメータの数に応じた上記閉ループ伝達関数の極を配置するとともに、それ以外の配置できない極については、多項式の係数を算出することとして求めた極配置式に基づいて上記制御パラメータを演算する。

本発明に係る自動制御装置における制御演算手段は、当該自動制御装置におけるむだ時間要素を１次遅れ要素及びサンプリング時間の整数倍のむだ時間要素に近似して閉ループ伝達関数を算出し、また制御パラメータの数に応じた閉ループ伝達関数の極を配置するとともに、それ以外の配置できない極については多項式の係数を算出することとして求めた極配置式に基づいて制御パラメータを演算する。そして、制御演算手段は、配置できない極について安定判別を行い、その安定判別の結果をユーザに通知してもよい。

また、本発明に係る自動制御装置は、ディスク状記録媒体に対してデータを書き込み、又はディスク状記録媒体に記録されているデータを読み取る記録再生装置に搭載され、ディスク状記録媒体の記録面に対して記録再生素子を水平方向又は垂直方向へ駆動させるための駆動手段の制御パラメータを演算する。

また、上述した課題を解決するために、本発明に係る自動制御方法は、生成した制御信号に基づいて制御対象の角度又は位置を目標値へ向けて閉ループで動作制御する自動制御方法において、上記制御対象の現時点における角度又は位置の上記目標値に対する差分に応じた差分信号を生成する差分信号生成ステップと、上記制御対象を動作制御するための制御パラメータを、上記閉ループにおける閉ループ伝達関数の極から、当該閉ループにおける１次遅れ要素及びむだ時間要素を含む演算式に基づいて生成する制御パラメータ生成ステップと、上記制御パラメータ生成ステップにより生成された制御パラメータを用いた制御関数に基づいて、上記差分信号生成ステップにおいて生成した差分信号につき所定の演算処理を施すことにより上記制御信号を生成する制御演算ステップとを有し、上記制御パラメータ生成ステップでは、当該閉ループにおけるむだ時間要素を１次遅れ要素及びサンプリング時間の整数倍のむだ時間要素に近似して上記閉ループ伝達関数を算出し、また上記制御パラメータの数に応じた上記閉ループ伝達関数の極を配置するとともに、それ以外の配置できない極については、多項式の係数を算出することとして求めた極配置式に基づいて上記制御パラメータを演算する。

上述した課題を解決するために、本発明に係る制御パラメータ生成装置は、生成した制御信号に基づいて制御対象の角度又は位置を目標値へ向けて動作制御する閉ループで構成され、上記制御対象の現時点における角度又は位置の上記目標値に対する差分に応じた差分信号を生成する差分信号生成手段と、上記差分信号生成手段により生成された差分信号につき、制御関数に基づいて所定の演算処理を施すことにより上記制御信号を生成する制御手段とを有する制御装置に対して、上記制御関数を構成する制御パラメータを供給するための制御パラメータ生成装置において、上記制御対象を動作制御するための制御パラメータを、上記閉ループにおける閉ループ伝達関数の極から、当該自動制御装置における１次遅れ要素及びむだ時間要素を含む演算式に基づいて演算するパラメータ演算手段を備え、上記パラメータ演算手段は、上記閉ループにおけるむだ時間要素を１次遅れ要素及びサンプリング時間の整数倍のむだ時間要素に近似して上記閉ループ伝達関数を算出し、また上記制御パラメータの数に応じた上記閉ループ伝達関数の極を配置するとともに、それ以外の配置できない極については、多項式の係数を算出することとして求めた極配置式に基づいて、上記制御パラメータを演算する。

また、本発明に係る制御パラメータ生成方法は、生成した制御信号に基づいて制御対象の角度又は位置を目標値へ向けて動作制御する閉ループで構成され、上記制御対象の現時点における角度又は位置の上記目標値に対する差分に応じた差分信号を生成する差分信号生成部と、上記差分信号生成部により生成された差分信号につき、制御関数に基づいて所定の演算処理を施すことにより上記制御信号を生成する制御部とを有する制御装置に対して、上記制御関数を構成する制御パラメータを供給するための制御パラメータ生成方法において、上記制御対象を動作制御するための制御パラメータを、上記閉ループにおける閉ループ伝達関数の極から、当該閉ループにおける１次遅れ要素及びむだ時間要素を含む演算式に基づいて演算するパラメータ演算ステップを有し、上記パラメータ演算ステップでは、上記閉ループにおけるむだ時間要素を１次遅れ要素及びサンプリング時間の整数倍のむだ時間要素に近似して上記閉ループ伝達関数を算出し、また上記制御パラメータの数に応じた上記閉ループ伝達関数の極を配置するとともに、それ以外の配置できない極については、多項式の係数を算出することとして求めた極配置式に基づいて、上記制御パラメータを演算する。

本発明によれば、１次遅れ要素及びむだ時間要素を併用した実むだ時間を反映した制御モデルを用いて極配置式を算出し、この極配置式からより正確な制御パラメータが算出できるので、実むだ時間をサンプリング時間の整数倍のむだ時間要素で近似する手法では必ずしも近似誤差が小さいといえない場合であっても、近似誤差の影響を低減して、制御対象となる装置の設計時に想定した能力を十分に発揮できる制御が可能である。

以下、本発明を実施するための最良の形態として、生成した制御信号に基づいて制御対象の角度又は位置を目標値へ向けて動作制御する閉ループで構成される自動制御装置について、光ディスク記録再生装置におけるフォーカスサーボ制御系を例に挙げて説明をする。ちなみに本発明は、要旨を逸脱しない範囲で、モータにかかる回転系や直動系に適用可能であることは言うまでもない。

本発明を適用した自動制御装置２が配設される光ディスク記録再生装置３の構成を図１に示す。

光ディスク記録再生装置３は、光ディスク４に対してデータを書き込む又は当該光ディスク４に記録されているデータを読み取るための記録再生素子３１と、所定の演算処理を実行することにより制御信号を出力する制御演算部１５と、上記制御演算部１５における制御関数に必要な制御パラメータを生成する制御パラメータ生成部２８とを備えている。

記録再生素子３１は、回転操作される光ディスク４の各記録層に光ビームを合焦し、光ディスク４の記録面にて反射した戻り光を検出することにより、誤差信号を生成し、これを制御演算部１５へ送信する。この記録再生装置３１は、半導体の再結合発光を利用した半導体レーザ等により構成され、所定の波長のレーザ光を出射するレーザ光源３２と、光ディスク４からの戻り光を受光してこれを光電変換する受光部３５と、このレーザ光源３２から出射されたレーザ光を光ディスク４側へ導くとともに、当該光ディスク４を反射したレーザ光をそのまま透過させてこれを受光部３５へと導く光分離部３３と、光分離部３３からのレーザ光を集光して光ディスク４の各記録層に合焦させるとともに、当該光ディスク４からの戻り光を平行光にするレンズ３４とを備え、さらに自動制御装置２からの制御信号に応じて記録再生素子３１を光ディスク４の記録面に対して近接離間させる電磁アクチュエータ３６をも備えている。

自動制御装置２における制御演算部１５は、受光部３５において生成された誤差信号を検出することにより、トラッキングエラー信号を生成する誤差信号検出回路５１と、誤差信号検出回路５１において生成されたトラッキングエラー信号をＡ／Ｄ変換するためのＡＤ変換部５２と、ＡＤ変換部５２においてディジタル化されたトラッキングエラー信号につき、制御パラメータ生成部２８において生成された制御パラメータを用いて所定の制御を施すことにより制御信号を生成する制御演算回路５３と、制御演算回路５３において生成された制御信号をＤ／Ａ変換するためのＤＡ変換部５４と、ＤＡ変換部５４においてディジタル化された制御信号に基づいて電磁アクチュエータ３６を駆動させるアクチュエータ駆動回路５５とを備えている。

更に、この自動制御装置２における制御パラメータ生成部２８は、制御パラメータを実際に算出する制御パラメータ算出部４１と、制御パラメータ算出部４１に接続される安定判別部４２と、接続された安定判別部４２における安定判別の結果を表示するための表示部４３と、制御パラメータ算出部４１に対して数値設定を行う極位置入力部４４とを備えている。

制御パラメータ算出部４１は、制御演算回路４１のそれぞれの制御関数に用いられる制御パラメータを極位置入力部４４により指定された数値に基づいて演算し、その演算結果を制御演算回路５３に対して出力する。

即ち、この制御パラメータ生成部２８では、上記制御演算に必要な制御パラメータを生成する。具体的には、極位置入力部４４において制御系閉ループ伝達関数における所望の極配置を入力し、制御パラメータ算出部４１において、上記入力された極配置を実現する制御パラメータを算出する。制御パラメータ算出時に算出される配置できない極については、安定判別部４２において安定判別を行い、その判別結果を表示部４３に表示する。安定であればその旨制御パラメータ算出部４１に通知し、制御パラメータを制御演算回路５３へ転送することにより記録再生素子３１のサーボ制御が可能となる。

上述した構成からなる自動制御装置２を構成する制御系をディジタル制御で実現するときの制御ブロックを図２に示す。

図２中に示すｒは、記録再生素子３１が本来あるべき位置を表す目標位置である。ｄは目標位置に加わるディスクの周ぶれ等の外乱である。またｅは位置誤差を表す。この位置誤差ｅは外乱ｄに応じて変化した記録再生素子の目標位置ｒ＋ｄと制御対象の実際の位置ｙとの差ｒ＋ｄ−ｙに相当する。図２に示す制御系では、記録再生素子３１に加わる外乱ｄや実際の位置ｙは直接検出できず、誤差信号検出回路５１においてトラッキングエラー信号に対応した位置誤差ｅ＝ｒ＋ｄ−ｙを検出してサーボ制御を行う。

位置誤差ｅはサンプリングされて制御演算部Ｋ（ｚ）で制御演算が行われる。制御系の制御パラメータは低域強調の低域カットオフ離散化角周波数ａ、低域強調の高域カットオフ離散化角周波数ｃ、位相進み離散化角周波数ｄ、位相遅れ離散化角周波数ｂ、及び制御器ゲインＫ_ｐの５つである。この制御演算を経て１サンプリング時間後に演算結果が出力される。ちなみにこの制御演算部Ｋ（ｚ）における演算時間遅れは図２中のむだ時間要素に相当する。出力された演算結果は０次ホルダを経て制御信号ｕとして出力される。０次ホルダは図１中のＤＡ変換器５４に相当する。制御信号ｕによりアクチュエータが駆動され記録再生素子の位置ｙが決まる。制御信号ｕから記録再生素子の位置ｙへの伝達関数は図２中の制御対象Ｐ（ｓ）で表される。

ちなみに、本実施の形態においては、制御対象Ｐ（ｓ）は簡便のため２次積分要素で表す。これについて説明する。光ディスク記録再生装置３等に適用される電磁アクチュエータ３６は正確には“１次積分＋１次遅れ要素”或いは“共振特性をもつ２次遅れ要素”で表される。しかし、何れも約１００Ｈｚ以下での違いであり、低周波は高ゲインで外乱抑圧効果が大きいため、極配置にはほとんど影響しない。このため、本実施の形態では、電磁アクチュエータ３６を簡便のため２次積分要素とした。

図３に、この制御系の開ループ特性の一例を示す。図３（ａ）はゲインの開ループ特性を示しており、図３（ｂ）は位相の開ループ特性を示している。実線は測定データ、点線は図２に示す制御系の開ループ周波数特性をシミュレーションした結果である。特に、図３（ｂ）の位相の開ループ特性には、１０ｋＨｚ近傍において、実線で示す測定データの方が点線で示すシミュレーションデータより位相遅れが大きいことが現れている。

そこで、制御系モデル中の遅れ時間要素を大きくして２サンプリング時間とする。図４は、２サンプリング時間のむだ時間のあるサーボ制御系の構成を示す。このときのシミュレーションデータが図３中に一点鎖線で示されている。特に、図３（ｂ）の位相の開ループ特性には、１０ｋＨｚ近傍において、実線で示す測定データの方が１点鎖線で示すシミュレーションデータより位相遅れが小さいことが現れている。

このように、何れの場合も測定データと制御系モデルに基づくシミュレーションとのずれが大きく、実むだ時間を整数に近似するのでは近似誤差が大きいことがわかる。そこで、本発明の具体例では、図５に示すように１次遅れ要素（１−ｆ）／（ｚ−ｆ）を用いることを特徴とする。

図５に示す例では、１次遅れ要素の時定数fを変化させることで位相遅れを連続的に変化させることができる。ｆ＝０の場合は、１／ｚとなって１サンプリング時間のむだ時間要素となるため、１サンプリング時間以上のむだ時間遅れを表現できることがわかる。

図６には、図５に示す制御系の開ループ特性の一例を示す。図６（ａ）はゲインの開ループ特性を示しており、図６（ｂ）は位相の開ループ特性を示している。また、図６は前述の測定データを実線で示し、図５の制御系モデルに基づいてｆ＝０．２としてシミュレーションしたときの結果を点線で示している。特に、図６（ｂ）の位相の開ループ特性には、１０ｋＨｚ近傍でも測定データとシミュレーションデータがよく一致すること現れている。このように１次遅れ要素（１−ｆ）／（ｚ−ｆ）を用いることで、より正確な制御モデルを作成することができる。

次に、図５に示す制御モデルの極配置式の算出について述べる。図５中の制御対象Ｐ（ｓ）及び０次ホルダをｚ変換してＰ（ｚ）とし、全体を離散系で表すと図７となる。この制御系の外乱ｄから位置誤差ｅへの閉ループ伝達関数は、以下に示す（１）式で表される。

（１）式は分母が５次式であるので極が５つ存在する。制御パラメータは、上述のように全部で５つ考えられるが、低域強調の低域カットオフ離散化角周波数ａは、制御性能とは別の要因に支配されるため、制御特性に関連する制御パラメータは実質的には４つである。この４つの制御パラメータで５つの極が配置されるので、１つ配置できない極が生じる。なお、式中のＧ_ｐは制御対象のゲイン、Ｔはサンプリング時間、ｆは制御系の実むだ時間から決まる時定数であり、何れも制御系から決まる定数である。

配置できる４つの極をｐ_１、ｐ_２、ｐ_３、ｐ_４とし、配置できない極の位置をｑとすると、閉ループ伝達関数は、（２）式のように表される。

ここで（１）式と（２）式の分母が等しくなるように係数比較式を作成すると、（３）〜（７）式が得られる。

これらの式から、ｂ、ｃ、ｄ、Ｋ_ｐ、ｑは、以下の（８）〜（１４）式の極配置式が得られる。制御パラメータ算出部４１は、（８）〜（１４）式に則って、入力ｐ_１、ｐ_２、ｐ_３、ｐ_４に対して、ｂ、ｃ、ｄ、Ｋ_ｐ、ｑを出力する演算装置で実現される。また安定判別部４２は（１５）式の真偽を判別する装置で実現される。

図８に、以上説明した制御パラメータ算出部４１及び安定判別部４２の動作を示すフローチャートを示す。

先ず、ステップＳ５１において、最初に低域強調の低域カットオフ離散化角周波数ａ、制御対象ゲインＧ_ｐ、サンプリング時間Ｔ、１次遅れ要素の時定数ｆを設定する。このステップＳ５１における操作は電源投入時のみでもよい。

次に、ステップＳ５２へ移行し、極位置ｐ_１、ｐ_２、ｐ_３、ｐ_４を入力する。次にステップＳ５３へ移行し、（８）式よりｑを算出する。次にステップＳ５４へ移行し、ｑも用いて（９）式よりｂを算出する。次にステップＳ５５へ移行し、（１０）式よりＫ_ｐを算出する。次にステップＳ５６へ移行して（１１）式よりｃｄを算出し、更にステップＳ５７へ移行して（１２）式よりｃ＋ｄを算出する。

次にステップＳ５８へ移行し、（１３）式、（１４）式に基づいてｃ、ｄを求める。ｃ、ｄが共役な複素数となる場合は実装時に１次フィルタの直列ではなく２次フィルタとして実現する必要がある。次にステップＳ５９へ移行し、配置できない極ｑの値を安定判別部４０に転送し、安定判別部４０において（１５）式に基づき安定判別を行う。（１５）式が成り立たない場合は不安定であり、ステップＳ６０へ移行する。これに対して、（１５）式が成り立つ場合には、ステップＳ６１へ移行する。

ステップＳ６１へ移行した場合には、制御系が安定である旨を制御パラメータ算出部４１へ通知し、これを受けた制御パラメータ算出部４１は、自ら算出したｂ、ｃ、ｄ、Ｋ_ｐを制御演算部１５へ出力し、処理を終了する。

これに対してステップＳ６０へ移行した場合には、制御系が不安定であることを表示部４３へ表示し、次にステップＳ６２へ移行して、上述した処理をリトライするか否かユーザに対して選択を促す。その結果、ユーザより上述した処理をリトライする旨の選択がなされた場合には、再びステップＳ６２へ移行し、極位置ｐ_１、ｐ_２、ｐ_３、ｐ_４の入力を行う。また、ユーザより上述した処理をリトライしない旨の選択がなされた場合には、処理を終了する。

ここで、配置できない極ｑの挙動について説明する。配置できない極は、むだ時間要素を想定しない閉ループ伝達関数では生じるものではなく、むだ時間要素に起因する。サーボ帯域が低いときには制御系の時定数が大きく、むだ時間要素の影響は相対的に小さくなる。このため、むだ時間要素に起因する配置できない極ｑもまた制御特性に大きく影響しない高周波領域（具体的にはｚ平面での０近傍である。）に存在する。サーボ帯域が広がるにつれ、むだ時間要素の影響は相対的に大きくなり、ついには配置できない極ｑが不安定となる。これがディジタルサーボ制御系のサーボ帯域の限界と考えられる。

以上より、サーボ帯域が低いとき、配置できない極ｑは、０近傍に存在し制御特性に大きく影響しないことがわかる。しかし、サーボ帯域が広くなると、配置できない極ｑの制御特性に対する影響が見逃せなくなることがわかる。

以上は、図３に示した１サンプリング時間以上２サンプリング時間以下の演算時間遅れをもつ制御系に対して１次遅れ要素のみを用いて図７に示す離散系制御系モデルを構成したときの極配置例であるが、実際にはさらに遅れ時間が大きく２サンプリング時間以上の場合もある。この場合、１次遅れ要素の（１−ｆ）／（ｚ−ｆ）の時定数ｆのみを調整する方法もあるが、１次遅れ要素とむだ時間による遅れ時間要素とを併用してもよい。こうすることで、より正確に実むだ時間を表現することができ、より正確に制御パラメータを算出することができる。

図９に、２サンプリング時間以上３サンプリング時間以下の演算時間遅れを有する制御系に対して１次遅れ要素（１−ｆ）／（ｚ−ｆ）とむだ時間要素１／ｚとを併用したサーボ制御系の構成例を示す。この制御系は、１サンプリング時間以上のむだ時間遅れ要素と、１次遅れ要素を含む離散系とで表現することができる。このとき、極配置式は、前述の方法と同様に、閉ループ伝達関数式から係数比較式を作成して求めることができる。具体的には、図９に示す制御系を外乱ｄから位置誤差ｅへの閉ループ伝達関数で表し（１６）式を得る。

上述した（１６）式では分母が６次式となり極が６つ存在する。制御パラメータは４つであるため、２つの配置できない極が存在する。配置できる４つの極をｐ_１、ｐ_２、ｐ_３、ｐ_４とし、配置できない極の位置をｑ_１、ｑ_２として、閉ループ伝達関数を表現すると（１７）式のようになる。

これにより制御パラメータ算出部４１は、前述の例と同様、（１６）式と（１７）式の分母式が等しくなるように係数比較式を作成し、与えられたｐ_１、ｐ_２、ｐ_３、ｐ_４及びｆの値から、ｂ、ｃ、ｄ、Ｋ_ｐ、Ｑ_１、Ｑ_２が算出されるように式を解くと、２サンプリング時間以上３サンプリング時間以下の演算時間遅れを有する制御系であっても、極配置式により正確な制御パラメータを算出することができる。これは３サンプリング時間以上の実むだ時間をもつ制御系であっても、むだ時間要素を増やすことにより同様に極配置を行うことができる。

更に、モータ回転系についてＰＩＤ制御を行う場合も同様に考えることができる。

図１０には、１サンプリング時間以上２サンプリング時間以下の遅れ時間があり、１次遅れ要素を用いた離散系で構成されたＰＩＤ制御系の一例を示す。この場合も前述の方法と同様に閉ループ伝達関数式から係数比較式を作成して解くことで、極配置式を求めることができる。具体的には、図１０の制御系を閉ループ伝達関数で表し、（１８）式を得る。

（１８）式では分母が５次式となり極が５つ存在する。フィードバック制御系の制御パラメータは３つであるため、２つの配置できない極が存在する。配置できる３つの極をｐ_１、ｐ_２、ｐ_３とし、配置できない極の位置をｑ_１、ｑ_２として、閉ループ伝達関数を表現すると（１９）式になる。

前述の場合と同様、（１８）式と（１９）式の分母式が等しくなるように係数比較式を作成し、特許文献３での解法と同様、与えられたｐ_１、ｐ_２、ｐ_３及びｆの値から、Ｋ_ｐ、Ｋ_ｉ、Ｋ_ｄ、Ｑ_１、Ｑ_２が算出されるように式を解くと、１サンプリング時間以上２サンプリング時間以下の演算時間遅れをもつＰＩＤ制御系であっても正確な制御パラメータを算出することができる。

以上説明したように、本発明の具体例として示す自動制御装置２は、１次遅れ要素及びむだ時間要素を考慮した実むだ時間を反映した制御モデルを用いて極配置式を算出し、この極配置式に基づいて制御パラメータを算出することで、実むだ時間をサンプリング時間の整数倍のむだ時間要素で近似したときに、近似誤差の影響を低減し、より正確な制御パラメータの算出が可能になる。

すなわち、例えば、２．５サンプリング時間程度の実むだ時間が存在するような場合、実むだ時間をサンプリング時間の整数倍で切り捨てて２サンプリング時間のむだ時間要素と近似するような従来の制御モデルの生成方法だと、制御パラメータ算出で想定したむだ時間要素よりも実むだ時間の方が大きくなり、実システムでは位相遅れが若干大きくなり位相余裕が小さくなる。光ディスク記録再生装置の駆動サーボ系等では、位相余裕を十分に確保する必要があるため、従来手法による制御モデルではサーボ帯域を若干下げなければならない。

また、逆に、実むだ時間を切り上げて３サンプリング時間とする近似を行うと、制御パラメータ算出で想定したむだ時間要素よりも実むだ時間の方が小さくなり、実システムでは位相余裕が若干大きく余裕のある制御パラメータとなる。このため、本来であればもう少しサーボ帯域を上げられる可能性があるところを性能を抑えて使用することになり、能力を十分活かした動作が期待できないことがある。

これに対して、本発明の具体例として示す自動制御装置２では、２．５サンプリング時間程度の実むだ時間が存在するとき、上述したように１次遅れ要素及びむだ時間要素を実むだ時間とした制御モデルを用いて極配置式を算出し、この極配置式により制御パラメータを算出すると、より正確な制御パラメータを得ることができ、実システムにおいてサーボ帯域を下げなければならないといった問題が解消される。また、適切な位相余裕をもてる最大のサーボ帯域をもつ最適な制御パラメータが算出できるため、制御対象となる装置の性能を十分活かした制御系を構成することができる。

更に、本発明の具体例として示す自動制御装置２によれば、３サンプリング時間以上の実むだ時間をもつＰＩＤ制御系でも、正確な制御パラメータを決定することができる。

なお、フィードフォワード制御については、上記特許文献１と同様に算出することができる。

本発明を適用した自動制御装置が装備される光ディスク記録再生装置を説明する構成図である。上記自動制御装置を構成する制御系をディジタル制御で実現するときの制御ブロック図である。図２に示す制御系の開ループ特性の一例を説明するものであり、（ａ）はゲインの開ループ特性を示す特性図であり、（ｂ）は位相の開ループ特性を示す特性図である。２サンプリング時間のむだ時間があるサーボ制御系を説明する構成図である。１次遅れ要素を有するサーボ制御系を説明する構成図である。図５に示す制御系の開ループ特性の一例を説明するものであり、（ａ）はゲインの開ループ特性を示す特性図であり、（ｂ）は位相の開ループ特性を示す特性図である。１次遅れ要素を有し離散系で表されるサーボ制御系を説明する構成図である。制御パラメータ算出部及び安定判別部における制御パラメータの算出処理を説明するフローチャートである。１次遅れ要素及びむだ時間要素を用いて離散系で構成されるサーボ制御系を説明する構成図である。１サンプリング時間以上２サンプリング時間以下の遅れ時間があって、１次遅れ要素を用い離散系で構成されたＰＩＤ制御系を説明する構成図である。従来の制御装置を説明する構成図である。制御対象につきｚ座標系における安定性を解析するための概念図である。

符号の説明

２自動制御装置、３光ディスク記録再生装置、１５制御演算部、２８制御パラメータ生成部、４１制御パラメータ算出部、４２安定判別部、４３表示部、４４極位置入力部、５１誤差信号検出回路、５２ＡＤ変換部、５３制御演算回路、５４ＤＡ変換部、５５アクチュエータ駆動回路

Claims

生成した制御信号に基づいて制御対象の角度又は位置を目標値へ向けて動作制御する閉ループで構成される自動制御装置において、
上記制御対象の現時点における角度又は位置の上記目標値に対する差分に応じた差分信号を生成する差分信号生成手段と、
上記制御対象を動作制御するための制御パラメータを、上記閉ループにおける閉ループ伝達関数の極から、当該自動制御装置における１次遅れ要素及びむだ時間要素を含む演算式に基づいて生成する制御パラメータ生成手段と、
上記制御パラメータ生成手段により生成された制御パラメータを用いた制御関数に基づいて、上記差分信号生成手段により生成された差分信号につき所定の演算処理を施すことにより上記制御信号を生成する制御演算手段とを備え、
上記制御パラメータ生成手段は、当該自動制御装置におけるむだ時間要素を１次遅れ要素及びサンプリング時間の整数倍のむだ時間要素に近似して上記閉ループ伝達関数を算出し、また上記制御パラメータの数に応じた上記閉ループ伝達関数の極を配置するとともに、それ以外の配置できない極については、多項式の係数を算出することとして求めた極配置式に基づいて、上記制御パラメータを演算する
自動制御装置。
上記制御演算手段は、上記配置できない極について安定判別を行うとともに、その安定判別の結果をユーザに通知する
請求項１記載の自動制御装置。
ディスク状記録媒体に対してデータを書き込み、又は当該ディスク状記録媒体に記録されているデータを読み取るための上記制御対象としての記録再生素子と、
上記ディスク状記録媒体の記録面に対して上記記録再生素子を水平方向又は垂直方向へ駆動させるための駆動手段と、
上記記録再生素子が記録再生を行うべき位置と実際の位置の差分に比例し、かつ上記差分信号に対応する誤差信号を検出する誤差信号検出手段とをさらに備え、
上記制御演算手段は、上記駆動手段を動作制御するための制御パラメータを演算する
請求項１記載の自動制御装置。
上記制御演算手段は、上記制御対象の角度又は位置を目標値へ向けてＰＩＤ制御する閉ループで構成される当該自動制御装置における１次遅れ要素及びむだ時間要素を含む演算式に基づいて、上記制御パラメータを演算する
請求項１記載の自動制御装置。
上記制御演算手段は、上記配置できない極について安定判別を行うとともに、その安定判別の結果をユーザに通知する
請求項４記載の自動制御装置。
着磁されたロータを上記制御演算手段により生成された上記制御信号に応じて回転させる電磁駆動手段をさらに備え、
上記差分信号生成手段は、上記制御対象としての上記ロータの現時点における回転角度の上記目標値に対する差分に応じた差分信号を生成し、
上記制御演算手段は、上記電磁駆動手段を動作制御するための制御パラメータを演算する
請求項４記載の自動制御装置。
生成した制御信号に基づいて制御対象の角度又は位置を目標値へ向けて閉ループで動作制御する自動制御方法において、
上記制御対象の現時点における角度又は位置の上記目標値に対する差分に応じた差分信号を生成する差分信号生成ステップと、
上記制御対象を動作制御するための制御パラメータを、上記閉ループにおける閉ループ伝達関数の極から、当該閉ループにおける１次遅れ要素及びむだ時間要素を含む演算式に基づいて生成する制御パラメータ生成ステップと、
上記制御パラメータ生成ステップにより生成された制御パラメータを用いた制御関数に基づいて、上記差分信号生成ステップにおいて生成した差分信号につき所定の演算処理を施すことにより上記制御信号を生成する制御演算ステップとを有し、
上記制御パラメータ生成ステップでは、当該閉ループにおけるむだ時間要素を１次遅れ要素及びサンプリング時間の整数倍のむだ時間要素に近似して上記閉ループ伝達関数を算出し、また上記制御パラメータの数に応じた上記閉ループ伝達関数の極を配置するとともに、それ以外の配置できない極については、多項式の係数を算出することとして求めた極配置式に基づいて上記制御パラメータを演算する
自動制御方法。
上記制御演算ステップでは、上記配置できない極について安定判別を行うとともに、その安定判別の結果をユーザに通知する
請求項７記載の自動制御方法。
上記差分信号生成ステップでは、ディスク状記録媒体に対してデータを書き込み、又は当該ディスク状記録媒体に記録されているデータを読み取るための上記制御対象としての記録再生素子の現時点における位置の上記目標値に対する差分に応じた差分信号を生成し、
上記制御演算ステップでは、上記ディスク状記録媒体の記録面に対して上記記録再生素子を水平方向又は垂直方向へ駆動させるための駆動部を動作制御するための制御パラメータを演算する
請求項７記載の自動制御方法。
上記制御演算ステップでは、上記制御対象の角度又は位置を目標値へ向けてＰＩＤ制御する閉ループにおける１次遅れ要素及びむだ時間要素を含む演算式に基づいて、上記制御パラメータを演算する
請求項７記載の自動制御方法。
上記制御演算ステップでは、上記配置できない極について安定判別を行うとともに、その安定判別の結果をユーザに通知する
請求項１０記載の自動制御方法。
上記差分信号生成ステップでは、上記制御対象としての着磁されたロータの現時点における回転角度の上記目標値に対する差分に応じた差分信号を生成し、
上記制御演算ステップは、上記ロータを回転させる電磁駆動部を動作制御するための制御パラメータを演算する
請求項１０記載の自動制御方法。
生成した制御信号に基づいて制御対象の角度又は位置を目標値へ向けて動作制御する閉ループで構成され、上記制御対象の現時点における角度又は位置の上記目標値に対する差分に応じた差分信号を生成する差分信号生成手段と、上記差分信号生成手段により生成された差分信号につき、制御関数に基づいて所定の演算処理を施すことにより上記制御信号を生成する制御手段とを有する制御装置に対して、上記制御関数を構成する制御パラメータを供給するための制御パラメータ生成装置において、
上記制御対象を動作制御するための制御パラメータを、上記閉ループにおける閉ループ伝達関数の極から、当該自動制御装置における１次遅れ要素及びむだ時間要素を含む演算式に基づいて演算するパラメータ演算手段を備え、
上記パラメータ演算手段は、上記閉ループにおけるむだ時間要素を１次遅れ要素及びサンプリング時間の整数倍のむだ時間要素に近似して上記閉ループ伝達関数を算出し、また上記制御パラメータの数に応じた上記閉ループ伝達関数の極を配置するとともに、それ以外の配置できない極については、多項式の係数を算出することとして求めた極配置式に基づいて、上記制御パラメータを演算する
制御パラメータ生成装置。
生成した制御信号に基づいて制御対象の角度又は位置を目標値へ向けて動作制御する閉ループで構成され、上記制御対象の現時点における角度又は位置の上記目標値に対する差分に応じた差分信号を生成する差分信号生成部と、上記差分信号生成部により生成された差分信号につき、制御関数に基づいて所定の演算処理を施すことにより上記制御信号を生成する制御部とを有する制御装置に対して、上記制御関数を構成する制御パラメータを供給するための制御パラメータ生成方法において、
上記制御対象を動作制御するための制御パラメータを、上記閉ループにおける閉ループ伝達関数の極から、当該閉ループにおける１次遅れ要素及びむだ時間要素を含む演算式に基づいて演算するパラメータ演算ステップを有し、
上記パラメータ演算ステップでは、上記閉ループにおけるむだ時間要素を１次遅れ要素及びサンプリング時間の整数倍のむだ時間要素に近似して上記閉ループ伝達関数を算出し、また上記制御パラメータの数に応じた上記閉ループ伝達関数の極を配置するとともに、それ以外の配置できない極については、多項式の係数を算出することとして求めた極配置式に基づいて、上記制御パラメータを演算する
制御パラメータ生成方法。