JP5092597B2 - Drive control device - Google Patents

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Description

本発明は、駆動機構によって制御対象を目標状態に制御する駆動制御装置に関し、特に、その指向方向を目標角度に向ける制御を行うレーダ用のアンテナ駆動制御装置に関する。   The present invention relates to a drive control device that controls a control target to a target state by a drive mechanism, and more particularly to a radar antenna drive control device that performs control for directing the directivity direction to a target angle.

近年のレーダ技術の発展に伴い、偵察用のスロットアレイ式指向性レーダアンテナ装置が実用化されている。従来、このアンテナの指向角度制御を行うために駆動装置の制御系として、例えばPID(Proportional Integral and Differential)制御等を備えたフィードバック制御装置が採用されている。   With the recent development of radar technology, reconnaissance slot array type directional radar antenna devices have been put into practical use. Conventionally, a feedback control device equipped with, for example, PID (Proportional Integral and Differential) control or the like has been employed as a control system of the drive device in order to perform the directivity angle control of the antenna.

図7は、レーダ装置における従来のアンテナ駆動制御系を示すブロック図であり、レーダアンテナを駆動して該アンテナの指向角度を目標角度に一致させるために、PID制御装置1と制御対象である大型レーダ2とによって単純なフィードバックループ形を構成している。PID制御は、目標値との誤差の定数倍だけでなく誤差の積分値および微分値の定数倍をそれぞれ加えてフィードバック制御するものであって、アンテナ駆動制御系の応答性を良くするとともに定常誤差をなくす効果が得られる。   FIG. 7 is a block diagram showing a conventional antenna drive control system in a radar apparatus. In order to drive the radar antenna and make the directivity angle of the antenna coincide with the target angle, FIG. The radar 2 forms a simple feedback loop shape. The PID control performs feedback control by adding not only a constant multiple of an error from a target value but also an integral value of an error and a constant multiple of a differential value, and improves the response of the antenna drive control system and a steady error. The effect of eliminating is obtained.

しかし、このPID制御によるフィードバック制御装置の場合、構造物の高次共振モードによる制御系の不安定化を押さえるためにはフィードバック制御系の帯域を狭くする必要があるが、一方、目標を高速に捕捉し、かつ指向精度を高めるためには、ゲイン安定の範囲でフィードバック制御系の帯域を上げていく必要がある。また、ゲイン安定の範囲内でフィードバック制御系の帯域を上げることにより予想される構造的な共振モードの問題を解決できたとしても、今度は、摩擦などの非線形な外乱の影響を押さえることができなくなるという問題があり、これら外乱の影響によって制御系が不安定な動作をする場合がある。   However, in the case of this feedback control device based on PID control, it is necessary to narrow the bandwidth of the feedback control system in order to suppress the instability of the control system due to the higher-order resonance mode of the structure. In order to capture and improve the pointing accuracy, it is necessary to increase the bandwidth of the feedback control system within the range of stable gain. Even if the problem of the structural resonance mode expected by raising the bandwidth of the feedback control system within the range of gain stability can be solved, the influence of nonlinear disturbance such as friction can be suppressed. There is a problem that the control system becomes unstable due to the influence of these disturbances.

即ち、PID制御によるフィードバック制御では、高精度な位置制御をしようとすると制御系が不確定な外乱を抑制することができなる構成であるため、風や主軸回りの摩擦等の駆動制御系への外乱として作用する要素の影響を受けて、静止時にハンチング現象を引き起こしてしまう不具合が発生していた。   That is, in the feedback control by PID control, the control system is configured to be able to suppress uncertain disturbances when trying to perform highly accurate position control, so that the drive control system such as wind and friction around the spindle is applied to the drive control system. Under the influence of factors acting as a disturbance, there has been a problem that causes a hunting phenomenon at rest.

このような問題を解決する手段として、例えば、特許文献1では、アンテナ駆動機構制御回路に、アンテナ支持弾性軸受で生じる振動特性を制御し、アンテナに加わる外乱トルクの影響を低減させる外乱補償器を付加することにより、環境からの外乱や軸受の振動特性の影響を受け難くしたアンテナ指向方向制御系を実現している。   As a means for solving such a problem, for example, in Patent Document 1, a disturbance compensator that controls the vibration characteristics generated in the antenna supporting elastic bearing and reduces the influence of disturbance torque applied to the antenna is provided in the antenna drive mechanism control circuit. In addition, an antenna pointing direction control system that is less affected by environmental disturbances and bearing vibration characteristics is realized.

また、特許文献2では、宇宙機に搭載される2軸のジンバル機構からなる光通信用光アンテナの指向角制御を行う際に、例えばPID制御系によってフィードバック制御系をゲイン安定化し、また、外乱に対してはロバスト補償器により外乱を抑制し、さらに、ターゲット衛星の高速な捕捉にはリファレンスモデルとフィードフォワードによる制御を行うことで、フィードバック制御系の帯域に依存しない制御系を構成する技術が記載されている。   Further, in Patent Document 2, when performing directivity angle control of an optical antenna for optical communication composed of a biaxial gimbal mechanism mounted on a spacecraft, for example, the feedback control system is gain-stabilized by a PID control system, and disturbance In contrast, a robust compensator suppresses disturbances, and a high-speed acquisition of the target satellite uses a reference model and feedforward control to create a control system that does not depend on the bandwidth of the feedback control system. Have been described.

特開平6−343007号公報JP-A-6-343007 特開平9−121112号公報JP-A-9-121112 特開2005−135186号公報JP 2005-135186 A 特開平5−297907号公報JP-A-5-297907 特開平5−303403号公報JP-A-5-303403 特開平6−113578号公報JP-A-6-113578

スロットアレイ式指向性レーダアンテナ装置は、構造としては搭載するアンテナが横長で平たい形をしており、風等の影響を受けやすい形状であるために、図7に示すようなPID制御系ループで構成された従来の制御系では所望の角速度安定性を確保することはできない。一方、上記特許文献1〜2等に記載のアンテナ駆動制御装置によれば、従来のPID制御によるアンテナ駆動の場合の問題点を解消して、外乱の影響を抑制し、制御の安定化と応答性を改善することが可能であるが、要求される広範囲な角速度指令に対し、安定で高精度な角速度追従特性と角度精度を一様に実現しようとすると、その設計が困難となるという問題がある。   The slot array type directional radar antenna device has a PID control loop as shown in FIG. 7 because the mounted antenna has a horizontally long and flat shape and is easily affected by wind. The conventional control system configured cannot secure desired angular velocity stability. On the other hand, according to the antenna drive control device described in the above Patent Documents 1 and 2, etc., the problems in the case of conventional antenna drive by PID control are solved, the influence of disturbance is suppressed, and control stabilization and response are achieved. However, there is a problem that it is difficult to design a stable and highly accurate angular velocity tracking characteristic and angular accuracy for a wide range of required angular velocity commands. is there.

本発明の目的は、上記問題点に鑑み、広範囲な角速度指令に対して、安定で高精度な角速度追従特性と角度精度を比較的容易に実現可能にする手段を提供することにある。   In view of the above problems, an object of the present invention is to provide means that makes it possible to realize a stable and highly accurate angular velocity tracking characteristic and angular accuracy relatively easily for a wide range of angular velocity commands.

本発明の制御対象駆動制御装置は、プロファイル型指令生成器と、2自由度型モデル追従補償器とで構成されて制御対象を駆動制御する駆動制御系と、前記制御対象に要求される目標値に応じて前記プロファイル型指令生成器のプロファイル及び前記2自由度型モデル追従補償器を適応的に切り替えるとともに、前記駆動制御系の安定性に関する評価指標をリアルタイムで算出しながら前記駆動制御系を設計して動作させる最適制御器を備えていることを特徴とする。   A control target drive control apparatus according to the present invention includes a drive control system configured to include a profile type command generator and a two-degree-of-freedom model follow-up compensator to drive and control a control target, and a target value required for the control target The drive control system is designed while adaptively switching the profile-type command generator profile and the two-degree-of-freedom model following compensator according to the situation and calculating an evaluation index related to the stability of the drive control system in real time. It is characterized by having an optimal controller to be operated.

即ち本発明は、上記課題を解決するために、制御器の駆動指令を生成していた過程に、立ち上がり、立下りを考慮したプロファイル型指令生成器と、高精度な追従特性を得るべく2自由度型モデル追従補償器とで構成された制御系を設ける。また、要求プロファイルに対して最適な補償器の構成に切り替え、全体システムの安定性に関する評価指標をリアルタイムで算出しながら、コントローラを自動的に設定する最適制御器を採用することを特徴とする。   That is, in order to solve the above-described problems, the present invention provides a profile type command generator that considers rising and falling in the process of generating a controller drive command, and two freedoms to obtain a highly accurate tracking characteristic. A control system composed of a degree model following compensator is provided. Further, the present invention is characterized in that an optimum controller that automatically sets a controller while calculating an evaluation index related to the stability of the entire system in real time is adopted by switching to a configuration of an optimal compensator for a required profile.

そのため前記最適制御器は、入力された目標値および前記制御対象の現状値をもとに、前記制御対象の動的特性と近似する制御対象モデルを選定する機能と、該選定した制御対象モデルに従って前記プロファイル型指令生成器のプロファイル及び前記2自由度型モデル追従補償器を適応的に切り替える機能と、該切り替えられた前記2自由度型モデル追従補償器内部のパラメータを所定の評価式を用いて最適化して自動設定する機能と、該自動設定された前記駆動制御系により前記制御対象を駆動制御する機能を有している。   Therefore, the optimum controller is configured to select a control target model that approximates the dynamic characteristics of the control target based on the input target value and the current value of the control target, and according to the selected control target model. A function for adaptively switching the profile of the profile-type command generator and the two-degree-of-freedom-type model following compensator, and a parameter in the switched two-degree-of-freedom model following compensator using a predetermined evaluation formula It has a function of optimizing and automatically setting, and a function of driving and controlling the controlled object by the automatically set drive control system.

本発明を指向性アンテナの駆動装置として構成した場合には、低速から高速までの幅広い角速度指令に対し、指定角速度、応答状態に合わせた目標プロファイルと補償器を選定し、また、駆動中においてもリアルタイムに最適な評価指標を算出し、自動的に設定されたアンテナの指向性コントローラを形成することで、安定で高精度な角速度追従特性と角度精度を実現することが可能となる。   When the present invention is configured as a driving device for a directional antenna, a target profile and a compensator are selected according to a specified angular velocity and response state for a wide range of angular velocity commands from low speed to high speed, and even during driving. By calculating an optimal evaluation index in real time and forming an antenna directivity controller that is automatically set, it is possible to achieve stable and highly accurate angular velocity tracking characteristics and angular accuracy.

即ち本発明のアンテナ駆動制御系では、アンテナ構造の動的特性を考慮した駆動制御を実施することによりアンテナ面の無駄な振動の発生を抑制できることから、共振に耐えうる補強構造を減らすことが可能となる。また、低速から高速までの角速度追従制御を変速ギア等の構造的変速機構ではなくソフトウエアのみで実現するため、構造の簡略化、小型軽量化が可能となる。   In other words, in the antenna drive control system of the present invention, it is possible to reduce the number of reinforcing structures that can withstand resonance because the occurrence of useless vibration of the antenna surface can be suppressed by performing drive control in consideration of the dynamic characteristics of the antenna structure. It becomes. Further, since the angular velocity tracking control from low speed to high speed is realized only by software, not by a structural transmission mechanism such as a transmission gear, the structure can be simplified and the size and weight can be reduced.

また、現状の構造の特性を考慮した制御系を構築することで、より最短な時間でのアンテナ駆動を実現することができる。   In addition, by constructing a control system that takes into account the characteristics of the current structure, it is possible to realize antenna driving in a shorter time.

本発明の制御系は、最適制御器によって最適化したコントローラを自動設定する構成としているので、容易にロバスト安定性に優れ、かつ広範囲の応答特性を有する構成を実現できる。そのため、制御対象にセンサを取付けにくいものや、制御対象が不確定なもの、または外乱を受けやすいもの、駆動系が機械的剛性を有していないもの(例えば同様な高速高精度駆動を要する搭載レーダ/ジンバルや大型柔軟構造物等)や制御操作量に対する制限があるもの等の高精度駆動制御系に対しても容易に適用可能である。   Since the control system of the present invention is configured to automatically set the controller optimized by the optimal controller, it is possible to easily realize a configuration having excellent robust stability and a wide range of response characteristics. Therefore, it is difficult to attach the sensor to the control target, the control target is uncertain or subject to disturbance, or the drive system does not have mechanical rigidity (for example, mounting that requires similar high-speed and high-precision drive) (E.g., radar / gimbals, large flexible structures, etc.) and those that have restrictions on the amount of control operation, can be easily applied to high-precision drive control systems.

また本発明をレーダ用アンテナに適用した場合、レーダ用アンテナの角度制御系に所望の角速度に合わせた角速度目標指令と、スイッチング機能を用いて最適な補償器を切替え接続する構成とし、さらに全体システムの安定性に関する評価指標を、駆動中においてもリアルタイムに算出して最適化したコントローラを自動設定する構成としているので、要求される広範囲な角速度指令に対し、安定で高精度な角速度追従特性と角度精度を実現することが出来、また、アンテナ構造が共振した時などに大きくなる駆動部主軸周りのねじれトルクによるアンテナやギア系への負荷を極力低減し、最短駆動が可能な駆動制御を実現することが可能となる。   When the present invention is applied to a radar antenna, an angular velocity target command matched to a desired angular velocity and an optimum compensator are switched and connected to the angle control system of the radar antenna using a switching function. Because it is configured to automatically set a controller that calculates and optimizes the evaluation index related to the stability in real time even during driving, it provides stable and highly accurate angular velocity tracking characteristics and angle for a wide range of required angular velocity commands. Achieves high accuracy and reduces the load on the antenna and gear system due to the torsional torque around the drive spindle, which increases when the antenna structure resonates, etc., and realizes drive control that enables the shortest drive It becomes possible.

特に本実施形態の構成では、新たなセンサを追加することなく、同定したアンテナ部の構造数学モデルに基づいて算出された補償器を使用しているため、応答性に優れた駆動を実現することができ、さらに、それに対応した外乱補償器により、摩擦、風等の予測が困難な外乱要素から系が受ける影響を最小にしているため、同様な駆動系構造モデルへの転用が可能となり開発コストを大幅に低減することが可能となる。   In particular, in the configuration of the present embodiment, a compensator calculated based on the structural mathematical model of the identified antenna unit is used without adding a new sensor. In addition, the disturbance compensator corresponding to the system minimizes the influence of the system from disturbance elements that are difficult to predict, such as friction and wind. Can be greatly reduced.

また、PID制御のように確定したパラメータを用いた制御器と比較し、制御対象の構造的特性が経年的に変化しても、その時点における構造的特性を把握し、適応的にコントローラを設定するロバスト性を有しているため、品質向上の面でもきわめて有利である。   Compared with a controller that uses parameters determined like PID control, even if the structural characteristics of the controlled object change over time, grasp the structural characteristics at that time and set the controller adaptively Therefore, it is extremely advantageous in terms of quality improvement.

図1は、本発明の実施形態を示す、レーダ用最適追従補償器モデルのブロック図である。   FIG. 1 is a block diagram of an optimal tracking compensator model for radar, showing an embodiment of the present invention.

本実施形態のレーダ用駆動制御装置は、応答可能範囲を拡大すべく駆動指令を生成していた過程に、立ち上がり、立下りを考慮したプロファイル型指令生成器4と、高精度な追従特性を得るべく2自由度型モデル追従補償器7とで構成された制御系を具備するとともに、該制御系の上位制御器として、要求される角速度で安定に駆動すべく要求プロファイルや補償器を適応的に切り替えたり、全体システムの安定性に関する評価指標をリアルタイムで算出しながら、コントローラを自動的に設定する最適制御器9を備えた構成を採用する。   The radar drive control apparatus according to the present embodiment obtains a profile type command generator 4 that takes rise and fall into account and a highly accurate follow-up characteristic in the process of generating a drive command to expand the response range. Therefore, a control system composed of a two-degree-of-freedom type model following compensator 7 is provided, and as a higher-order controller of the control system, a required profile and a compensator are adaptively adapted to stably drive at a required angular velocity. A configuration including an optimal controller 9 that automatically sets the controller while switching or calculating an evaluation index related to the stability of the entire system in real time is adopted.

また、特に2自由度型モデル追従補償器7の内部においては、搭載するレーダアンテナ構造の動的特性を構造数学モデルに置き換え、従来の駆動指令にフィードフォワード型のモデル追従補償器5と、ロバスト安定性に優れたフィードバック系で構築された安定化補償器10、これに対応する外乱補償器8を盛り込む。構造数学モデルとしては、例えば構造物の振動特性を構造共振として数値で示した数式2次剛体系に置き換える。   In particular, inside the two-degree-of-freedom model following compensator 7, the dynamic characteristics of the mounted radar antenna structure are replaced with a structural mathematical model, and a feedforward type model following compensator 5 and a robust driving command are replaced with a conventional driving command. A stabilizing compensator 10 constructed by a feedback system having excellent stability and a disturbance compensator 8 corresponding to the stabilizing compensator 10 are included. As the structural mathematical model, for example, the vibration characteristic of the structure is replaced with a mathematical formula second-order rigid system in which the structural resonance is expressed numerically.

例えば、15Hzの振動固有値を有した構造体であれば、2次共振系の以下の伝達関数G(S)に置き換えることができる。
G(S)=ω /(S+2ζωS+ω )・・・(1)
ここでωは、ω=2π×15である。
For example, a structure having a vibration eigenvalue of 15 Hz can be replaced with the following transfer function G (S) of the secondary resonance system.
G (S) = ω n 2 / (S 2 + 2ζω n S + ω n 2 ) (1)
Here, ω n is ω n = 2π × 15.

なお安定化補償器10は、該安定化補償器10と制御対象である大型レーダ6が直列及びフィードバックで結合された閉ループ系における内部安定条件を満たす系として構成され、PID補償器、H∞補償器、ニューラルネットワーク等の、安定化させるためのあるゲインを具備した補償器として実現される。   The stabilization compensator 10 is configured as a system that satisfies the internal stability condition in a closed loop system in which the stabilization compensator 10 and the large radar 6 to be controlled are coupled in series and feedback, and includes a PID compensator and an H∞ compensation. It is realized as a compensator having a certain gain for stabilization, such as a condenser or a neural network.

また最適制御器9は、本実施形態の制御系を逐次制御するためのCPU(コンピュータ)を内部に備えており、プロファイル型指令生成器4、モデル追従補償器7のそれぞれの入出力、内部状態、切り替えスイッチSW1、SW2、SW3に接続されて、パラメータ監視及び切り替えスイッチの切り替え制御等を実行する機能を有している。   The optimum controller 9 includes a CPU (computer) for sequentially controlling the control system of the present embodiment, and inputs / outputs and internal states of the profile type command generator 4 and the model following compensator 7. These are connected to the changeover switches SW1, SW2, and SW3, and have a function of executing parameter monitoring, changeover switch changeover control, and the like.

図2は、本実施形態の最適追従補償器モデルの高速運転時におけるアンテナ駆動制御系ブロックの組合せ例を示しており、図3は、角速度安定化を重視した運転時における本実施形態のアンテナ駆動制御系ブロックの組合せ例を示している。   FIG. 2 shows an example of combination of antenna drive control system blocks at the time of high-speed operation of the optimum tracking compensator model of this embodiment, and FIG. 3 shows the antenna drive of this embodiment at the time of operation focusing on stabilization of angular velocity. A combination example of control system blocks is shown.

例えば、停止モード以外で高速運転を行いたい場合には、図2に示すように、応答性を高めるフィードフォワードの要素を多くし、フィードバック要素を減らして高速応答性を重視した構成に切り替える。また停止時には、アンテナが静止する際に揺れることなくスムーズに止まる必要があるため、図3に示すような、静止安定性を重視した構成に切り替える。角速度が安定するためには、オーバーシュート、アンダーシュートを無くす制御を実現する必要があるため、角加速度の変化量を極力小さくするような制御を行う。そのため、応答性を高めるフィードフォワードの要素を無くすことで、制御系全体の安定化を高めた構成を構築する。角速度が安定になるような構成にする判断は最適制御器9で行われる。   For example, when it is desired to perform high-speed operation in a mode other than the stop mode, as shown in FIG. 2, the number of feed-forward elements that increase responsiveness is increased, and the feedback elements are reduced to switch to a configuration that emphasizes high-speed responsiveness. In addition, when stopping, the antenna needs to stop smoothly without shaking when switching to a stationary state. Therefore, the configuration is switched to a configuration that places importance on stationary stability as shown in FIG. In order to stabilize the angular velocity, it is necessary to realize control that eliminates overshoot and undershoot. Therefore, control is performed to minimize the amount of change in angular acceleration. Therefore, by eliminating the feedforward element that enhances the responsiveness, a configuration that improves the stability of the entire control system is constructed. The optimum controller 9 determines whether the configuration is such that the angular velocity is stable.

図4は、プロファイル指令生成器4のプロファイル形状を示す事例であり、例えば、立ち上がり時間α、最大目標速度β、最大減速目標速度γにより設定される。図4では、実線で示された高速プロファイル、点線で示された中速プロファイル、一点鎖線で示された低速プロファイルの例が示されているが、最大到達速度が高い場合であってもその立ち上がりを点線のように緩やかにして最大到達速度時のオーバーシュートを緩和する等、適宜のプロファイル形状を設定することができる。   FIG. 4 is an example showing the profile shape of the profile command generator 4 and is set by, for example, the rising time α, the maximum target speed β, and the maximum deceleration target speed γ. FIG. 4 shows an example of a high speed profile indicated by a solid line, a medium speed profile indicated by a dotted line, and a low speed profile indicated by an alternate long and short dash line. It is possible to set an appropriate profile shape, for example, by relaxing the curve as shown by the dotted line to alleviate overshoot at the maximum speed.

プロファイル生成器4は1入力1出力の構成で、内部回路上では、図4に示すとおり、立ち上がり時間α、最大目標速度β、最大減速目標速度γを調整するパラメータを示しており、各々のバランスを調整することで、制御対象の応答特性に合わせて例えば、高速、低速、中速の3段階の特性プロファイルが事前に設定されている。   The profile generator 4 has a configuration of one input and one output, and on the internal circuit, as shown in FIG. 4, shows parameters for adjusting the rising time α, the maximum target speed β, and the maximum deceleration target speed γ. Is adjusted in advance according to the response characteristics of the object to be controlled, for example, a three-stage characteristic profile of high speed, low speed, and medium speed.

本実施形態では、最適制御器9にて目標角度とともに指定された制定時間を計算した上で、制御対象の応答特性を最適化するようにこれらの組み合わせを選定する。また、最適制御器9は、全体システムの安定性に関する評価指標(例えばH∞ノルム等)をリアルタイムで算出しながら、最適なコントローラを自動的に設計する。   In this embodiment, after calculating the establishment time designated with the target angle in the optimal controller 9, these combinations are selected so as to optimize the response characteristics of the controlled object. The optimal controller 9 automatically designs an optimal controller while calculating an evaluation index (for example, H∞ norm) related to the stability of the entire system in real time.

例えば、目標角度が現時点とかなり離れている場合には、
1. 最初最大速度で動かし、徐々に目標角度に近づくにつれ、低速で動かすように切り替える。
2. 動かし始めはフィードフォワード主体の構成に切り替える。(フィードバックループを使用するとその分指令に対する応答に遅れが生じるため。)
3. 目標角度に近づくにつれ、速度安定性を重視するため、速度を安定化し低速度指令に切り替える。
4. 安定化補償器内部に具備する積分機能の効きを良くするパラメータを大きくすることで、目標角度に停止するための制御性能を向上させる。(制御偏差を小さくする。)
For example, if the target angle is far away from the current time,
1. Move to maximum speed first, then switch to move at lower speed as you approach the target angle gradually.
2. Switch to a feed-forward-oriented configuration at the beginning of movement. (If the feedback loop is used, the response to the command will be delayed accordingly.)
3. As the target angle is approached, the speed is stabilized and switched to the low speed command to emphasize speed stability.
4. The control performance for stopping at the target angle is improved by increasing the parameters that improve the effectiveness of the integration function provided in the stabilization compensator. (Reduce the control deviation.)

また、目標角度が現時点と近い場合には、上記3)〜4)の手順にて最適化制御を行い、等速度旋回させる場合には、上記3)を実施し、必要に応じて4)を実施する制御を行う。その際、最適制御器9は、全体システムの安定性に関する評価指標(例えばH∞ノルム等)をリアルタイムで算出しながら、最適なコントローラを自動的に設計する。   If the target angle is close to the current time, perform optimization control according to steps 3) to 4) above, and if turning at a constant speed, perform step 3) above, and Perform the controls to be implemented. At that time, the optimal controller 9 automatically designs an optimal controller while calculating an evaluation index (for example, H∞ norm) regarding the stability of the entire system in real time.

最適制御器9の自動設計のための判断材料は、目標角度、制定時間、制御対象の応答特性、制御対象が受ける外乱特性等を、現在制御対象をどのような形態で駆動させているかにより、その特性をあらかじめ最適制御器9に把握させておき、場合分けにて設定、判断を行う。またこの評価指標の算出は、フィードバック系よりも遅い一定間隔の周期で更新される。   The judgment material for the automatic design of the optimal controller 9 is based on the target angle, establishment time, response characteristics of the controlled object, disturbance characteristics received by the controlled object, etc. The optimum controller 9 is made aware of the characteristics in advance, and setting and determination are performed according to the case. In addition, the calculation of the evaluation index is updated at a periodic cycle that is slower than the feedback system.

図5は最適制御器9の評価指標モデル例を示しており、図6は本実施形態における評価指標の判定アルゴリズムの事例を示している。以下、本実施形態の動作について図1〜図6を参照して説明する。   FIG. 5 shows an example of an evaluation index model of the optimal controller 9, and FIG. 6 shows an example of an evaluation index determination algorithm in the present embodiment. Hereinafter, the operation of the present embodiment will be described with reference to FIGS.

まず、図5に示すとおり、制御対象である大型レーダアンテナに対し、図1に示す最適制御器9にて構成されたコントローラで駆動するフィードバックループ型のシステムモデルを構築する。図5に示されているコントローラは、図1に示す最適制御器9、プロファイル型指令生成器4、および2自由度型モデル追従補償器7を含む最適追従補償器に対応している。   First, as shown in FIG. 5, a feedback loop type system model is constructed that is driven by a controller configured by the optimal controller 9 shown in FIG. The controller shown in FIG. 5 corresponds to the optimum tracking compensator including the optimum controller 9, the profile type command generator 4, and the two degree of freedom model following compensator 7 shown in FIG. 1.

制御対象となる大型レーダは、数値モデル化した際にモデル化誤差が生じたり、外乱を受ける可能性がある。そのため、図5の外乱w2が制御量(制御によって小さくしたい量)z1に与える影響度合い(ロバスト安定化)、外乱w1が出力yに与える影響度合い(外乱抑圧特性)が考慮される。これは混合感度問題と呼ばれている(例えば特許文献4〜6等参照)。混合感度問題では、低周波領域で感度関数S(s)を小さくすることで良好な外乱抑制を達成でき、高周波領域で相補感度関数T(s)を小さくすることでロバスト安定化を確保できる。   A large radar to be controlled may cause a modeling error or be disturbed when it is numerically modeled. Therefore, the degree of influence (disturbance stabilization) that the disturbance w2 in FIG. 5 has on the control amount (the amount that is desired to be reduced by control) z1 and the degree of influence (disturbance suppression characteristics) that the disturbance w1 has on the output y are considered. This is called a mixing sensitivity problem (see, for example, Patent Documents 4 to 6). In the mixed sensitivity problem, good disturbance suppression can be achieved by reducing the sensitivity function S (s) in the low frequency region, and robust stabilization can be ensured by reducing the complementary sensitivity function T (s) in the high frequency region.

アンテナの駆動を行う前に、最適制御器9の中で数種類の制御対象モデルを推定しておく。制御対象モデルとしては、微妙に周波数帯域を変化させた数値モデルをテーブル化しておき、算出された指標に対して、最も近いモデルを図1のスイッチSW1,SW2,SW3の接続状態と対応させる。   Before the antenna is driven, several types of control target models are estimated in the optimal controller 9. As a control target model, a numerical model whose frequency band is slightly changed is tabulated, and the model closest to the calculated index is associated with the connection state of the switches SW1, SW2, and SW3 in FIG.

最適制御器9は、ステップS1で、コントローラに送られた指令トルクデータ(入力)、角度センサによる検出角度データ(出力)をもとに、現在駆動中の制御対象の動的特性と近似する制御対象モデルを選定する(ステップS2)。即ち、この入力および出力の値を見て、最適制御器9は事前にテーブル化しておいた制御対象の代表数値モデルを推定する。   In step S1, the optimal controller 9 performs control that approximates the dynamic characteristics of the currently controlled object based on the command torque data (input) sent to the controller and the detected angle data (output) from the angle sensor. A target model is selected (step S2). In other words, the optimal controller 9 estimates the representative numerical model of the control target that has been tabulated in advance by looking at the input and output values.

図1で示すブロックの場合では、CPUのサンプリング周期と同期してプロファイル型指令生成器から2自由度型モデル追従補償器に逐次入力される目標角度θ0と現在の角度位置θpを基に、θ0−θpの値(エラー角度差)を算出し、このエラー角度差に応じて、制御対象モデルを選定する。   In the case of the block shown in FIG. 1, based on the target angle θ0 and the current angular position θp that are sequentially input from the profile type command generator to the two-degree-of-freedom model following compensator in synchronization with the sampling period of the CPU, θ0 A value of −θp (error angle difference) is calculated, and a control target model is selected according to the error angle difference.

あるいは、制御系CPUのサンプリングよりも長期の一定周期にて検出角度データを抽出し、検出角度データの変移量(角速度データ)、角速度データの変移量(角加速度データ)等によって、制御対象モデルを選定することもできる。   Alternatively, the detection angle data is extracted at a fixed period longer than the sampling of the control system CPU, and the control target model is determined by the amount of change in the detection angle data (angular velocity data), the amount of change in the angular velocity data (angular acceleration data), etc. It can also be selected.

さらに別な目的として、制御系の処理にも即応性を要求する必要性がある場合、制御対象の数値モデルを簡便化(高次元のモデルを低次元化)する、あるいは逆に厳密なモデル制御を実施したい場合、数値モデルを高次元まで考慮することで、制御対象に忠実な制御系を構築することも可能である。   As another objective, if there is a need to require responsiveness in the processing of the control system, the numerical model to be controlled can be simplified (high-dimensional model is reduced in dimension), or conversely strict model control. Therefore, it is also possible to construct a control system that is faithful to the controlled object by considering the numerical model to a higher dimension.

制御対象である大型レーダの構造モデルは大きく変動はせず、ほとんどは一定の構造共振モデルにて表現可能である。但し、モデルを厳密化することで高周波域の振動条件に対しても考慮する/しないの対応が可能となり、あらかじめ用意されている代表モデルは高周波域をどこまで取り入れるか(固有振動モード)によって変動可能なモデルとすることができる。代表的な構造数学モデルは、以下の式(2)で示される。   The structural model of the large radar that is the object of control does not change greatly, and most of it can be expressed by a constant structural resonance model. However, by tightening the model, it is possible to take into account whether or not to consider vibration conditions in the high frequency range, and the representative model prepared in advance can vary depending on how far the high frequency range is taken in (natural vibration mode) Model. A typical structural mathematical model is represented by the following formula (2).

G(S)=ω /(S+2ζω n−1+・・・+ω ) ・・・(2)
ここでωは構造共振モードの共振周波数を示す。
G (S) = ω n n / (S n + 2ζω n n−1 +... + Ω n n ) (2)
Here, ω n represents the resonance frequency of the structural resonance mode.

制御対象の数値モデルの更新は、制御系CPUのサンプリングに対し、100倍〜1000倍程度の割合で行われる。この一定期間において定値化された数値モデルに対し、最適な挙動をさせるための指令プロファイル及びコントローラを構築する。即ち、この期間ではほぼ一定の数値モデルに対してのコントローラの最適化となるため、目標角度に到達するために最速で動かすべきか、緩やかに速度安定性を考慮しながら制御すべきかを与えられた閾値で判断し、切り替えスイッチのON/OFFを設定する(ステップS3)。   The numerical model to be controlled is updated at a rate of about 100 to 1000 times the sampling of the control system CPU. A command profile and a controller for constructing an optimal behavior with respect to the numerical model that has been fixed for a certain period of time are constructed. That is, during this period, the controller is optimized for an almost constant numerical model, so it is given whether to move at the fastest speed in order to reach the target angle, or to control while considering speed stability gently. The change-over switch is turned ON / OFF (step S3).

続いて、現状の制御対象に最適な補償器を選定した上で、いくつかの代表モデルを設定し補償器内部のパラメータを最適化するために以下の評価式(3)を用いる(ステップS4)。   Subsequently, after selecting the most suitable compensator for the current control target, the following evaluation formula (3) is used to set some representative models and optimize the parameters inside the compensator (step S4). .

‖[SW TW]‖<1 ・・・(3)
ここでSは感度関数、Tは相補感度関数であり、W、Wはそれぞれローパス、ハイパスの周波数重みである。これらの評価関数のH∞ノルムが式(3)の条件を満たすことでロバスト安定なH∞制御器が導出されることは混合感度問題として知られている(特許文献4〜6等参照)。この評価指標をあらかじめ用意されている代表モデルと比較し、動的特性が近似するものを選定してコントローラを自動的に設定する(ステップS5)。
‖ [SW S TW T ] ‖ <1 (3)
Here, S is a sensitivity function, T is a complementary sensitivity function, and W S and W T are low-pass and high-pass frequency weights, respectively. It is known as a mixed sensitivity problem that a robust stable H∞ controller is derived when the H∞ norm of these evaluation functions satisfies the condition of Equation (3) (see Patent Documents 4 to 6). This evaluation index is compared with a representative model prepared in advance, and a controller whose dynamic characteristics approximate is selected and the controller is automatically set (step S5).

即ち、設定されたコントローラの構成の中で、評価指標に基づきコントローラのパラメータが選定されるが、パラメータは各補償器により異なり、応答性、安定性、外乱抑圧特性等にそれぞれに対応したパラメータが選定される。これにより、全体システムの安定性に関する評価指標をリアルタイムに算出しながら、最も良好なコントローラを自動的に設定することができる。   That is, the controller parameters are selected based on the evaluation index in the set controller configuration, but the parameters differ depending on each compensator, and there are parameters corresponding to the response characteristics, stability, disturbance suppression characteristics, etc. Selected. This makes it possible to automatically set the best controller while calculating an evaluation index related to the stability of the entire system in real time.

そして、本コントローラを用いてアンテナ旋回を行うための駆動電圧を入力し、制御対象を駆動制御する(ステップS6)。なお、本評価指標に基づいて設計されるコントローラは導出に要する時間もかかることから、コントローラの実機への更新レートは制御器の計算能力により調整されるものとする。   And the drive voltage for performing antenna turning using this controller is input, and a control object is drive-controlled (step S6). In addition, since the controller designed based on this evaluation index also takes time to derive, the update rate of the controller to the actual machine is adjusted by the calculation capability of the controller.

本実施形態によれば、目標プロファイルとスイッチング機能を用いて補償器構成を最適化した制御系で、駆動中においても評価指標を用いてリアルタイムに補償器内部のパラメータを最適化することにより、大型のレーダアンテナ要求される広範囲な角速度指令に対して、高精度な角速度追従特性と位置決め制御を実現できる。また、アンテナ構造が共振した時などに大きくなる駆動部主軸周りのねじれトルクによるアンテナやギア系への負荷を極力低減し、最短駆動が可能な駆動制御系を実現することが可能となる。   According to the present embodiment, a control system in which the compensator configuration is optimized using the target profile and the switching function, and by optimizing the internal parameters of the compensator in real time using the evaluation index even during driving, High-accuracy angular velocity tracking characteristics and positioning control can be realized for a wide range of angular velocity commands required by the radar antenna. In addition, it is possible to reduce the load on the antenna and the gear system due to the torsional torque around the drive unit main shaft, which becomes large when the antenna structure resonates, and to realize a drive control system that can perform the shortest drive.

なお上記実施形態では、本発明を大型レーダアンテナの駆動制御に適用した場合について説明したが、本制御器構成は、同様な高速高精度駆動及び角速度追従性を要する搭載アンテナ/ジンバルや大型柔軟構造物や駆動中に形状が非線形的に変動するような動的特性が不安定な構造体の駆動制御への転用を比較的容易に実現できる。   In the above embodiment, the case where the present invention is applied to drive control of a large radar antenna has been described. However, the configuration of the controller is not limited to a mounted antenna / gimbal or large flexible structure that requires similar high-speed and high-precision drive and angular velocity tracking. It is possible to relatively easily realize diversion to drive control of an object or a structure whose dynamic characteristics are unstable such that the shape fluctuates nonlinearly during driving.

また本発明は、アンテナ制御系以外にも、低速から高速までの幅広い範囲での角速度追従特性を要する装置、高精度位置決め装置で、センサ等を多用することが出来ない装置、制御対象が一定形状でなかったり、不安定な構造を有する装置などへの適用が可能である。   In addition to the antenna control system, the present invention is a device that requires angular velocity tracking characteristics in a wide range from low speed to high speed, a high-accuracy positioning device that cannot use many sensors, etc. The present invention can be applied to a device having an unstable structure.

本発明の実施形態を示す、レーダ用最適追従補償器モデルのブロック図である。It is a block diagram of the optimal tracking compensator model for radar which shows the embodiment of the present invention. 本実施形態の最適追従補償器モデルの高速運転時におけるアンテナ駆動制御系ブロックの組合せ例を示す図である。It is a figure which shows the example of a combination of the antenna drive control system block at the time of the high-speed driving | running | working of the optimal tracking compensator model of this embodiment. 本実施形態の最適追従補償器モデルの角速度安定化を重視した運転時におけるアンテナ駆動制御系ブロックの組合せ例を示す図である。It is a figure which shows the example of a combination of the antenna drive control system block at the time of the driving | operation which attached importance to the angular velocity stabilization of the optimal tracking compensator model of this embodiment. 本実施形態のプロファイル指令生成器のプロファイル形状例を示す図である。It is a figure which shows the example of a profile shape of the profile command generator of this embodiment. 本実施形態の最適制御器の評価指標モデル例を示す図である。It is a figure which shows the evaluation parameter | index model example of the optimal controller of this embodiment. 本実施形態における評価指標の判定アルゴリズムの事例を示す図である。It is a figure which shows the example of the determination algorithm of the evaluation parameter | index in this embodiment. フィードバックループ系を備えたアンテナ駆動制御系の従来例を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the prior art example of the antenna drive control system provided with the feedback loop system.

符号の説明Explanation of symbols

1 PID制御装置
2、6 大型レーダ
3 角度センサ
4 プロファイル型指令生成器
5 モデル追従補償器
7 2自由度型モデル追従補償器
8 外乱補償器
9 最適制御器
10 安定化補償器
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 PID controller 2, 6 Large radar 3 Angle sensor 4 Profile type command generator 5 Model following compensator 7 Two degree of freedom model following compensator 8 Disturbance compensator 9 Optimal controller 10 Stabilizing compensator

Claims (4)

プロファイル型指令生成器と、2自由度型モデル追従補償器とで構成されて制御対象を駆動制御する駆動制御系と、前記制御対象に要求される目標値に応じて前記プロファイル型指令生成器のプロファイル及び前記2自由度型モデル追従補償器を適応的に切り替えるとともに、前記駆動制御系の安定性に関する評価指標をリアルタイムで算出しながら前記駆動制御系を設計して動作させる最適制御器を備え、
前記最適制御器は、入力された目標角度および前記制御対象の現状角度をもとに、前記制御対象の動的特性と近似する制御対象モデルを選定する機能と、該選定した制御対象モデルに従って前記プロファイル型指令生成器のプロファイル及び前記2自由度型モデル追従補償器を適応的に切り替える機能と、該切り替えられた前記2自由度型モデル追従補償器内部のパラメータを所定の評価式を用いて最適化して自動設定する機能と、該自動設定された前記駆動制御系により前記制御対象を駆動制御する機能を有していることを特徴とする制御対象駆動制御装置。
A drive control system configured to include a profile type command generator and a two-degree-of-freedom model following compensator to drive and control a control target, and the profile type command generator according to a target value required for the control target. An adaptive controller that adaptively switches between the profile and the two-degree-of-freedom model following compensator, and designs and operates the drive control system while calculating an evaluation index related to the stability of the drive control system in real time,
The optimal controller has a function of selecting a control target model that approximates a dynamic characteristic of the control target based on the input target angle and the current angle of the control target, and the control target model according to the selected control target model. A function of adaptively switching the profile of the profile-type command generator and the two-degree-of-freedom model following compensator, and the parameters inside the switched two-degree-of-freedom model following compensator are optimized using a predetermined evaluation formula A control target drive control device having a function of automatically setting the control target and a function of driving and controlling the control target by the automatically set drive control system.
前記プロファイル型指令生成器には、立ち上がり時間、最大目標速度、および最大減速目標速度を調整するパラメータによる複数段階の特性プロファイルが前記制御対象の応答特性に合わせて事前に設定されており、前記最適制御器は、前記選定した制御対象モデルに従って該制御対象の応答特性に合わせた特性プロファイルを選択することを特徴とする請求項1に記載の制御対象駆動制御装置。 In the profile type command generator, a multi-stage characteristic profile with parameters for adjusting the rise time, the maximum target speed, and the maximum deceleration target speed is set in advance according to the response characteristic of the control target, and the optimum The control object drive control apparatus according to claim 1, wherein the controller selects a characteristic profile according to a response characteristic of the control object according to the selected control object model. 前記2自由度型モデル追従補償器は、フィードフォワード型のモデル追従補償器と、ロバスト安定性を有するフィードバック系で構築された安定化補償器と、該安定化補償器に対応して設けた外乱補償器を備えており、前記最適制御器は、前記選定した制御対象モデルに従って前記フィードフォワード型のモデル追従補償器と前記外乱補償器を、前記駆動制御系に接続するまたは前記駆動制御系から切り離す制御を行う機能を有し、
前記最適制御器は、高速運転時には前記プロファイル型指令生成器に設定されている高速応答プロファイルを選択するとともに前記駆動制御系から前記外乱補償器を切り離し、静止安定性を重視した運転時には前記プロファイル型指令生成器に設定されている低速応答プロファイルを選択するとともに前記駆動制御系から前記フィードフォワード型のモデル追従補償器を切り離す制御を行う機能を有していることを特徴とする請求項1または2に記載の制御対象駆動制御装置。
The two-degree-of-freedom type model following compensator includes a feedforward type model following compensator, a stabilization compensator constructed by a feedback system having robust stability, and a disturbance provided corresponding to the stabilization compensator. The optimal controller is configured to connect the feedforward model following compensator and the disturbance compensator to the drive control system or to disconnect from the drive control system according to the selected control target model. Has the ability to control,
The optimum controller selects a high-speed response profile set in the profile-type command generator during high-speed operation and separates the disturbance compensator from the drive control system, and the profile-type during operation focusing on stationary stability. 3. A function of selecting a low-speed response profile set in the command generator and performing a control for separating the feedforward model following compensator from the drive control system. The control target drive control device described in 1.
前記制御対象は、レーダ用のアンテナであることを特徴とする請求項1、2、3のいずれか1項に記載の制御対象駆動制御装置。 The control target drive control apparatus according to claim 1, wherein the control target is a radar antenna.
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