JP5909161B2

JP5909161B2 - 外乱推定装置及び位置制御装置並びに速度制御装置

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Publication number: JP5909161B2
Application number: JP2012158684A
Authority: JP
Inventors: 伊智郎粟屋; 安達　丈泰; 丈泰安達; 慶佑望月; 昌宏中田
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 2012-07-17
Filing date: 2012-07-17
Publication date: 2016-04-26
Anticipated expiration: 2032-07-17
Also published as: JP2014021649A

Description

本発明は、外乱推定装置及びそれを備える位置制御装置及び速度制御装置に関するものである。

従来、さまざまな分野において位置制御が行われている。例えば、特許文献１には、船体の定点保持制御に関する技術が、特許文献２には非線形制御対象である油圧シリンダにおける位置決め制御に関する技術が開示されている。このような位置制御においては、少なからず外乱が発生するため、外乱の影響による位置制御の精度低下を抑制させるための技術が提案されている。
例えば、特許文献１には、船体の加速度及び角加速度を求め、加速度及び角加速度に船体見かけ質量及び船体見かけ慣性モーメントを乗じて船体に作用する作用力及び作用モーメントを求め、この作用力及び作用モーメントから推力発生装置が発生する発生推力及び発生モーメントを差し引いた値を波浪による外乱の推定値として取り扱うことが開示されている。
また、引用文献２には、加算器、外乱オブザーバゲイン及び規範モデルを有する外乱オブザーバを設け、この外乱オブザーバによって外乱を推定することが開示されている。

特開２００６−２９７９７７号公報特開２００２−２５８９０４号公報

上記特許文献１に開示されている外乱推定方法では、位置や角度を２回微分して加速度及び角加速度を算出する必要があり、わずかな信号の変動でも大きく増幅されてしまい、ノイズが大きくなるという不都合があった。
また、引用文献２に開示されている外乱オブザーバでは、規範モデルから速度情報のみがフィードバックされており、外乱推定に用いるパラメータに乏しく、外乱推定における十分な精度が得られないおそれがあった。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、外乱推定の精度を向上させることのできる外乱推定装置及び位置制御装置並びに速度制御装置を提供することを目的とする。

本発明の第１態様は、制御対象の規範モデルと、微分要素を含まず、実際の制御対象の応答に前記制御対象の規範モデルの応答を追従させるフィードバック制御を行う仮想制御系とを備え、前記制御対象の規範モデルには、前記実際の制御対象に与えられる操作量と前記仮想制御系の出力とを加算した値が入力され、前記仮想制御系には、該入力に対する前記制御対象の規範モデルの位置及び速度応答がフィードバックされ、前記仮想制御系の出力を外乱推定値として出力する外乱推定装置である。

このような構成によれば、外乱の推定に微分要素を用いていないため、ノイズを効果的に抑えることが可能となり、外乱推定精度を高めることが可能となる。また、規範モデルにおける速度応答だけでなく、位置応答も仮想制御系にフィードバックさせるため、仮想制御系における制御の応答性を向上させることが可能となる。これにより、規範モデルの応答を実際の制御対象の応答に速やかに一致させることが可能となる。

上記外乱推定装置において、前記制御対象の規範モデルは、例えば、Ｎ慣性モデル（Ｎは１以上の整数）で表わされる。
このように、制御対象の動特性に応じて規範モデルを設定するので、外乱推定の精度を高めることが可能となる。

上記外乱推定装置は、前記制御対象の規範モデルの応答を量子化して前記仮想制御系にフィードバックさせる量子化手段を更に備えていてもよい。
このように、量子化手段を備えるので、センサによる影響も考慮することができ、外乱推定の精度を更に高めることが可能となる。

上記外乱推定装置において、前記仮想制御系は、例えば、ゲイン調整が可能な比例要素及びゲイン調整が可能な比例積分要素の少なくともいずれか一方を有する。

本発明の第２態様は、制御対象の位置を所定の目標位置に追従させるための第１制御指令を決定する第１処理手段と、上記いずれかの外乱推定装置を有し、前記外乱推定装置によって推定された外乱を相殺するための第２制御指令を決定する第２処理手段と、前記第１制御指令と前記第２制御指令とを用いて前記制御対象に与える操作量を決定する第３処理手段とを具備する位置制御装置である。

本発明の第３態様は、制御対象の速度を所定の目標速度に追従させるための第１制御指令を決定する第１処理手段と、上記いずれかの外乱推定装置を有し、前記外乱推定装置によって推定された外乱を相殺するための第２制御指令を決定する第２処理手段と、前記第１制御指令と前記第２制御指令とを用いて前記制御対象に与える操作量を決定する第３処理手段とを具備する速度制御装置である。

本発明の第４態様は、制御対象の規範モデルと、微分要素を含まず、実際の制御対象の応答に前記制御対象の規範モデルの応答を追従させるフィードバック制御を行う仮想制御系とを設け、前記実際の制御対象に与えられる操作量と前記仮想制御系の出力とを加算した値を前記制御対象の規範モデルの入力とし、該入力に対する前記制御対象の規範モデルの位置及び速度応答を前記仮想制御系にフィードバックし、前記仮想制御系の出力を推定外乱値として出力する外乱推定方法である。

本発明の第５態様は、制御対象に作用する外乱を推定するための処理をコンピュータに実行させるための外乱推定プログラムであって、制御対象の規範モデルのアルゴリズムと、微分要素を含まず、実際の制御対象の応答に前記制御対象の規範モデルの応答を追従させるフィードバック制御を行う仮想制御系のアルゴリズムとを有し、前記実際の制御対象に与えられる操作量と前記仮想制御系の出力とを加算した値を前記制御対象の規範モデルの入力とし、該入力に対する前記制御対象の規範モデルの位置及び速度応答を前記仮想制御系にフィードバックし、前記仮想制御系の出力を推定外乱値として出力する外乱推定プログラムである。

本発明によれば、外乱推定の精度を向上させることができるという効果を奏する。

本発明の一実施形態に係る位置制御装置の機能ブロックの一例を示した図である。本発明の一実施形態に係る外乱推定部の機能ブロック図である。図２に示した外乱推定部の効果について説明するための図である。図２に示した外乱推定部の効果について説明するための図である。本発明の他の実施形態に係る外乱推定部の機能ブロック図である。本発明の他の実施形態に係る外乱推定部の機能ブロック図である。本発明の他の実施形態に係る外乱推定部の機能ブロック図である。

以下に、本発明に係る外乱推定装置を水中航走体の方位制御を行う位置制御装置に適用した場合の一実施形態について、図面を参照して説明する。
なお、本発明の外乱推定装置は、水中航走体に限らず、位置制御を必要とする制御対象における位置制御装置に広く適用することが可能である。例えば、本発明の外乱推定装置は、例えば、船体の緯度経度、更に深度を含めた位置制御や船体のピッチ角やロール角等の姿勢制御、シリンダ内におけるピストンの相対的な位置制御など、幅広い分野の位置制御に適用することができる。

図１は、本発明の一実施形態に係る外乱推定装置を採用した位置制御装置１の機能ブロック図の一例を示した図である。位置制御装置１は、例えば、コンピュータであり、後述する各部の機能を実現するための一連の処理過程が、プログラムの形式でコンピュータ読み取り可能な記録媒体に記録されており、このプログラムをＣＰＵがＲＡＭ等に読み出して実行することにより、各種機能が実現される。

位置制御装置１は、図１に示されるように、フィードバック制御部（第１処理手段）１１、外乱制御部（第２処理手段）１２、及び制御指令決定部（第３処理手段）１３を備えている。
フィードバック制御部１１は、船体（制御対象）の方位、具体的には船主の方位θ_Ｐと所定の目標方位θ^＊との差分に基づいて第１制御指令を決定する。例えば、フィードバック制御部１１は、予め設定された所定の目標方位θ^＊と船体の方位θ_ｐとの差分に対して比例積分微分制御等を行うことにより、船体の方位θ_ｐを目標方位θ^＊に一致させるような第１制御指令を決定する。また、フィードバック制御部１１において、比例積分微分制御で用いられる各制御ゲインは、調整可能とされていてもよい。

外乱制御部１２は、船体に作用する方位成分の外乱を推定し、推定した外乱を打ち消すための第２制御指令を決定する。外乱制御部１２は、外乱推定部（外乱推定装置）２１及び操作量換算部２２を主な構成として備えている。
外乱推定部２１は、本発明の主な特徴点であり、詳細については後述する。
操作量換算部２２は、外乱推定部２１によって推定された外乱を相殺するために必要とされる操作量を算出し、これを第２制御指令として出力する。操作量換算部２２は、例えば、比例器で具現化される。また、変換が非線形である場合は、関数またはテーブルデータ等を用いて変換することとしてもよい。
また、外乱制御部１２において、外乱推定部２１と操作量換算部２２との間には、外乱推定部２１によって推定された外乱の帯域を抑制するレートリミッタ、リミッタ、ローパスフィルタ等が設けられていてもよい。

制御指令決定部１３は、フィードバック制御部１１によって決定された第１制御指令と、外乱制御部１２によって決定された第２制御指令とを用いて第３制御指令を決定し、推力発生装置に与える。制御指令決定部１３は、例えば、第１制御指令から第２制御指令を減算した値を第３制御指令として推力発生装置（例えば、舵）に出力する。これにより、第３制御指令に基づいて、例えば、舵の油圧駆動系が制御されることにより舵角が制御され、船体の方位θ_ｐが調整される。

次に、本発明の一実施形態に係る外乱推定部２１について図２を参照して説明する。
図２は、本実施形態に係る外乱推定部２１の機能ブロック図である。
外乱推定部２１は、仮想制御系３１と、制御対象の規範モデル３２（以下、「規範モデル３２」という。）とを主な構成として備えている。なお、外乱推定部２１は、コンピュータによって具現化され、各構成要素により実現される一連の処理過程はプログラムの形式でコンピュータ読み取り可能な記録媒体に記録されており、このプログラムをＣＰＵがＲＡＭ等に読み出して実行することにより、各種機能が実現される。

仮想制御系３１は、船体の方位θ_ｐが入力されるとともに、後述する規範モデル３２から仮想方位θ_ｆｐ、仮想角速度ω_ｆｐがフィードバックされる。仮想制御系３１は、微分要素を含まず、かつ、規範モデル３２の応答を船体（制御対象）の応答に一致させるような構成とされている。
本実施形態においては、仮想制御系３１は、比例器４１と比例積分器４２とから構成されており、方位（位置）のフィードバック制御は比例器４１によって行われ、角速度（速度）のフィードバック制御は比例積分器４２によって行われる。
そして、この仮想制御系３１の出力は、推定外乱τ_ｆｂとして図１に示した操作量換算部２２に出力される。

規範モデル３２には、仮想制御系３１の出力である推定外乱τ_ｆｂと制御対象への指令値である第３制御指令τ_ｐとを加算した値が入力される。規範モデル３２は、制御対象である船体の動特性を数値モデル化したものであり、本実施形態では比例器４３と２つの積分器４４、４５で構成されている。このうち、積分器４４の出力である仮想角速度ω_ｆｐ及び積分器４５の出力である仮想方位θ_ｆｐが仮想制御系３１にフィードバックされる。

上記のような本実施形態に係る外乱推定部２１の構成は、以下の原理により導かれたものである。すなわち、船体（制御対象）に実際に与えられる操作量（第３制御指令）τ_ｐを規範モデル３２に入力すると、規範モデル３２には、実機と同じ制御力が作用するので、操作量τ_ｐに応じて方位や角速度が変化する。しかし、この規範モデル３２には外乱は作用しないため、応答は外乱の分だけ実際の船体（制御対象）とは異なることとなる。従って、この応答の誤差が外乱としてみなせることとなる。

つまり、規範モデル３２に作用する力は以下の運動方程式で表わされる。

また、実際の船体（制御対象）に作用する力は以下の運動方程式で表わされる。

上記（１）式と（２）式とから、θ_ｐ＝θ_ｆｐであれば、τ_ｂ＝τ_ｆｂが成立することがわかる。従って、仮想制御系３１のゲインＫｐ、Ｋｖを調整して、規範モデル３２の応答（仮想方位θ_ｆｐ、仮想角速度ω_ｆｐ）と実際の船体の応答（方位θ_ｐ、ピッチ角速度ω_ｐ）とを一致させることで、仮想制御系３１の出力（フィードバック制御量）τ_ｆｂを船体に作用する外乱τ_ｂとみなすことができる。

このように、外乱推定部２１によれば、船体に与えられる第３制御指令τ_ｐと仮想制御系３１の出力である推定外乱τ_ｆｂとを加算した値が規範モデル３２に入力され、この入力に対する規範モデル３２の応答として、仮想方位θ_ｆｐと仮想角速度ω_ｆｐとが仮想制御系３１にフィードバックされる。
仮想制御系３１では、規範モデル３２からフィードバックされた仮想方位θ_ｆｐと仮想角速度ω_ｆｐとを実際の船体の方位θ_ｐ及び角速度ω_ｐとにそれぞれ一致させるようなフィードバック制御が行われ、そのフィードバック制御量が出力される。このフィードバック制御量は、推定外乱τ_ｆｂとして、図１に示した操作量変換部２２に出力される。
これにより、図１に示した操作量変換部２２では、この推定外乱τ_ｆｂを相殺するような操作量が第２制御指令として決定され、制御指令決定部１３に出力される。制御指令決定部１３には、フィードバック制御部１１から船体の方位θ_ｐを所定の目標方位θ^＊に一致させるための第１制御指令も入力され、第１制御指令から第２制御指令が差し引かれた第３制御指令が操作量τ_ｐとして推力発生装置に出力される。また、この操作量τ_ｐは、外乱推定部２１（図２参照）の仮想制御系３１の出力と加算されて規範モデル３２に入力され、上述した外乱推定までの工程が繰り返し行われる。

以上説明したように、本実施形態に係る外乱推定部２１及びこれを備える位置制御装置１によれば、外乱の推定に微分要素を用いていないため、ノイズを効果的に抑えることが可能となる。また、外乱の推定において、仮想角速度ω_ｆｐだけでなく仮想方位（位置情報）θ_ｆｐも仮想制御系３１にフィードバックさせるため、仮想制御系３１における制御の応答性を向上させることが可能となる。これにより、規範モデル３２の応答を実際の船体の応答に速やかに一致させることが可能となる。更に、規範モデル３２において方位（位置）、角速度（速度）や角加速度（加速度）も得られるので、これらの情報を制御に用いることも可能となる。

図３は、水中航走体に既知の外乱を与えた場合に、外乱推定部２１によって推定された外乱（推定外乱）と既知の外乱（実外乱）とを比較して示した図であり、図４は、そのときの船体の方位（実方位）と外乱推定部２１の規範モデルによって推定された仮想方位とを示した図である。
図３から、起動時には多少の誤差があるものの速やかに推定外乱と実外乱とが一致していることがわかる。また、図４から船体の方位（実方位）と仮想方位とが重なっており、仮想制御系３１におけるフィードバック制御が十分な精度で実施されていることがわかる。

〔他の実施形態〕
上記実施形態においては、仮想制御系３１において方位（位置）制御に比例制御を用い、角速度（速度）制御に比例積分制御を用いていたが、これに代えて、図５に示すように、角度制御に比例積分制御を用い、角速度制御に比例制御を用いる仮想制御系３１´としてもよい。
また、図６に示すように、規範モデル３２において得られた仮想角加速度（加速度）についても仮想制御系３１にフィードバックさせる構成としてもよい。
また、仮想制御系３１の構成は、規範モデル３２からフィードバックされる応答の各パラメータ（角度（位置）、角速度（速度）、角加速度（加速度））を実際の制御対象の応答と一致させることが可能な制御系に構成されていればよく、上述の構成に限定されない。また、フィードバックさせる応答パラメータが多いほど応答性を高めることができ、外乱の推定を速やかに行うことが可能となる。

また、外乱推定部が有する規範モデル３２についても図２に示される構成に限定されない。例えば、制御対象が２慣性の共振系であった場合には、例えば、図７に示すようなモデルを構築することも可能である。
このように、規範モデルについては、制御対象の動特性に応じて設計者が任意に設計することが可能であり、更に次数の高いモデル（例えば、３慣性系、４慣性系）を採用することとしてもよい。
例えば、図７に示した規範モデル３２´によれば、モータ軸の速度、加速度、及び負荷軸の位置、速度を得ることができる。

更に、制御対象の位置などの計測は、センサを用いて行われるが、センサによっては計測値が量子化されて出力されることとなる。そこで、このセンサの量子化の影響を考慮し、例えば、図７に示すように、規範モデル３２´から仮想制御系３１にフィードバックさせる応答パラメータを量子化して出力する量子化モデル３３を更に設けることとしてもよい。このように、パラメータを量子化して仮想制御系３１に戻すことにより、センサによる影響も考慮することができ、仮想制御系３１におけるフィードバック制御の精度を更に高めることが可能となり、外乱推定精度を向上させることができる。
また、更に、規範モデル３２´の入力側に量子化モデル３３を設けることとしてもよい。この場合、量子化モデル３３の一例としては、例えば、Ｄ／Ａコンバータ等が挙げられる。

また、本発明の外乱推定装置は、上述したように位置制御装置に適用されるだけでなく、例えば、速度制御を行う速度制御装置に適用することも可能である。速度制御装置の場合には、図１における位置情報のフィードバックに代えて、速度情報がフィードバックされ、所定の目標速度に制御対象の速度を一致させるための第１制御指令が決定されることとなる。

１位置制御装置
１１フィードバック制御部
１２外乱制御部
１３制御指令決定部
２１外乱推定部
２２操作量換算部
３１、３１´ 仮想制御系
３２、３２´ 規範モデル
３３量子化モデル

Claims

制御対象の規範モデルと、
微分要素を含まず、実際の制御対象の応答に前記制御対象の規範モデルの応答を追従させるフィードバック制御を行う仮想制御系と
を備え、
前記制御対象の規範モデルには、前記実際の制御対象に与えられる操作量と前記仮想制御系の出力とを加算した値が入力され、
前記仮想制御系には、該入力に対する前記制御対象の規範モデルの位置及び速度応答がフィードバックされ、
前記仮想制御系の出力を外乱推定値として出力する外乱推定装置。
前記制御対象の規範モデルは、Ｎ慣性モデル（Ｎは１以上の整数）で表わされる請求項１に記載の外乱推定装置。
前記制御対象の規範モデルの応答を量子化して前記仮想制御系にフィードバックさせる量子化手段を備える請求項１または請求項２に記載の外乱推定装置。
前記仮想制御系は、ゲイン調整が可能な比例要素及びゲイン調整が可能な比例積分要素の少なくともいずれか一方を有する請求項１から請求項３のいずれかに記載の外乱推定装置。
制御対象の位置を所定の目標位置に追従させるための第１制御指令を決定する第１処理手段と、
請求項１から請求項４のいずれかに記載の外乱推定装置を有し、前記外乱推定装置によって推定された外乱を相殺するための第２制御指令を決定する第２処理手段と、
前記第１制御指令と前記第２制御指令とを用いて前記制御対象に与える操作量を決定する第３処理手段と
を具備する位置制御装置。
制御対象の速度を所定の目標速度に追従させるための第１制御指令を決定する第１処理手段と、
請求項１から請求項４のいずれかに記載の外乱推定装置を有し、前記外乱推定装置によって推定された外乱を相殺するための第２制御指令を決定する第２処理手段と、
前記第１制御指令と前記第２制御指令とを用いて前記制御対象に与える操作量を決定する第３処理手段と
を具備する速度制御装置。
制御対象の規範モデルと、
微分要素を含まず、実際の制御対象の応答に前記制御対象の規範モデルの応答を追従させるフィードバック制御を行う仮想制御系と
を設け、
前記実際の制御対象に与えられる操作量と前記仮想制御系の出力とを加算した値を前記制御対象の規範モデルの入力とし、
該入力に対する前記制御対象の規範モデルの位置及び速度応答を前記仮想制御系にフィードバックし、
前記仮想制御系の出力を推定外乱値として出力する外乱推定方法。
制御対象に作用する外乱を推定するための処理をコンピュータに実行させるための外乱推定プログラムであって、
制御対象の規範モデルのアルゴリズムと、
微分要素を含まず、実際の制御対象の応答に前記制御対象の規範モデルの応答を追従させるフィードバック制御を行う仮想制御系のアルゴリズムと
を有し、
前記実際の制御対象に与えられる操作量と前記仮想制御系の出力とを加算した値を前記制御対象の規範モデルの入力とし、
該入力に対する前記制御対象の規範モデルの位置及び速度応答を前記仮想制御系にフィードバックし、
前記仮想制御系の出力を推定外乱値として出力する外乱推定プログラム。