JP6256656B2 - ロール間搬送制御装置およびロール間搬送制御方法 - Google Patents
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Description
また、特許文献1に記載の技術では、制御ゲインの変更量の判断が張力検出値の振動振幅の大きさのみに基づいて行われるため、周期外乱の周波数が変動する場合には、かえって制御性能が悪化し、張力検出値の振動振幅が拡大するという問題があった。
図1は、本発明の実施の形態1に係るロール間搬送制御装置の構成を示すブロック線図である。
図1に示すように制御対象装置部10は、搬送材11と、張力軸ロール12と、速度軸ロール13と、張力制御量検出器14と、張力軸速度制御部21と、速度軸速度制御部22と、加算器23とを備える。制御対象装置部10は、制御装置部100の出力である張力軸速度加算信号Vadd1と、基準速度指令信号Vref0とを入力とし、張力制御量信号Tfbを出力とする。
張力制御量検出器14は、搬送材11の張力を示す張力制御量信号Tfbを検知して出力する。ここで、張力制御量信号Tfbは、搬送材11の張力そのものでもよいし、搬送材11の張力に応じてその位置を変えるダンサ機構の位置の検出値でもよい。張力制御量信号Tfbは制御量であり、張力の目標値を与える張力指令信号Trefに一致するか又は予め定められた範囲内に収まるように制御される変数である。
制御装置部100は、制御対象装置部10から出力される張力制御量信号Tfbと、張力指令信号Trefと、張力制御演算部101の応答特性を決める応答パラメータ信号Rpfmと、オン又はオフの信号である加振実行指令信号Erunとを入力とする。制御装置部100は、張力制御補正信号Ucntと同定時加算信号Uaddとの和である張力軸速度加算信号Vadd1を演算して出力する。
張力偏差推定部105とゲイン設定部106については、その詳細な構成を後述する。
減算器107は張力指令信号Trefと張力制御量信号Tfbとの差である張力偏差信号Terrを演算して出力する。
加算器108は張力制御補正信号Ucntと同定時加算信号Uaddとの和である張力軸速度加算信号Vadd1を演算して出力する。
以下、張力偏差推定部105と、ゲイン設定部106について、図2を用いて詳細な説明を行う。ここでは、例としてゲイン保持部104において3組の制御ゲイン候補が計算され、保持される場合を考える。なお、ここで示すものは例示であって、この構成に限らない。ゲイン保持部104が計算する制御ゲイン候補は3組以外、つまり2組又は4組以上であってもよい。
張力偏差推定部105は、信号分割器1051、第1張力偏差推定器1052、第2張力偏差推定器1053、第3張力偏差推定器1054、信号結合器1055を備える。
第1包絡線信号演算器1062は、第1張力偏差推定信号Test(1)を入力として、ヒルベルト変換の手法を用いて第1張力偏差推定信号Test(1)の包絡線である第1包絡線信号Tenv(1)を演算して第1制御ゲイン候補Gcan(1)と関連付けて出力する。
第3包絡線信号演算器1064は、第3張力偏差推定信号Test(3)を入力として、ヒルベルト変換の手法を用いて第3張力偏差推定信号Test(3)の包絡線である第3包絡線信号Tenv(3)を演算して第3制御ゲイン候補Gcan(3)と関連付けて出力する。
図3は、加振実行指令信号Erunをオンとするときの制御装置部100の時間応答を示す図である。同図では、横軸を時間として、加振実行指令生成部102が加振実行指令信号Erunをオンとするときの制御装置部100の時間応答を示す。図3の(A)は、制御装置部100における加振実行指令信号Erunの時間応答グラフである。図3の(B)は、制御装置部100における同定時加算信号Uaddの時間応答グラフである。図3の(C)は、制御装置部100における張力軸速度加算信号Vadd1の時間応答グラフである。図3の(D)は、制御装置部100における張力制御量信号Tfbの時間応答グラフである。
この場合、制御対象伝達関数信号Pprmは、同定された制御対象伝達関数Pの特性を決める積分ゲイン(制御対象積分ゲインA)と無駄時間(制御対象無駄時間L)を示す信号となる。
従って、それぞれの制御ゲイン候補を張力制御演算部101の制御ゲインとして設定する場合に張力制御演算部101は安定余裕を有する制御を実現することができる。
すなわち、応答パラメータRpfmを用いることにより、1つのパラメータの決定により簡易的に安定余裕を有する比例ゲインと積分ゲインとを計算することが可能となる。
例えば、Chien−Hrones−Reswickのステップ外乱入力に対する行き過ぎ量(ステップ外乱印加後の最初の制御量のピークと次の制御量のピークとの比)を0%とする調整則に基づいて、次の式(4)および式(5)を用いて安定な制御ゲイン候補を計算することが可能である。
張力制御演算部101の制御ゲインを第i制御ゲイン候補に置き換えた場合の張力偏差信号Terrの推定値を第i張力偏差推定信号Test(i)とする。張力制御演算部101に設定されている比例ゲインKpと積分ゲインKiに基づく張力制御演算部101の伝達関数を現在制御伝達関数C=Kp+Ki/sとする。第i制御ゲイン候補Gcan(i)を張力制御演算部101の制御ゲインとして設定した場合の張力制御演算部101の伝達関数を第i制御伝達関数Cc(i)=Kpc(i)+Kic(i)/sとする。
張力偏差信号Terrの振幅を最小化するための制御ゲイン候補を選択するためには、それぞれの制御ゲイン候補に対する張力偏差推定信号Testの振幅が比較された上で制御ゲイン候補が選択されることが望ましい。しかし、このとき包絡線信号の演算を用いないで、仮に同時刻におけるそれぞれの張力偏差推定信号Testの値を比較するものとすると、それぞれの制御ゲイン候補の位相遅れ特性の差に基づいて生じる張力偏差推定信号Testの位相の差の影響が張力偏差推定信号Testの値に顕著に表れることなる。そのため、正しく張力偏差推定信号Testの振幅を最小化する制御ゲイン候補を選択できない場合がある。
図4は、張力偏差信号Testと包絡線信号Tenvの例を示す図である。同図には、ゲイン保持部104が3組の制御ゲイン候補を保持しており、周波数が低い周期外乱が印加される場合と、周波数が高い周期外乱が印加される場合とにおける3組の制御ゲイン候補に関連付けられる張力偏差推定信号Testと包絡線信号Tenvとが示される。ここで、図4の横軸は時間軸である。
また、本実施の形態では、ゲイン設定部106により選択された制御ゲイン候補が張力制御演算部101に設定されるものとした。さらに、張力制御演算部101の制御ゲインが変更される際には、制御ゲインの値に対してローパスフィルタ、変化率に対するリミッタを作用させて、張力制御演算部の制御ゲインの変化を鈍化する処理をしてもよい。
実施の形態1に示すロール間搬送制御装置では、制御装置部100は加振実行指令生成部102と制御対象同定部103を備えている。ここで、予め制御対象の伝達関数が得られており、ゲイン保持部104に制御ゲイン候補が設定されている場合には、制御装置部100は加振実行指令生成部102と制御対象同定部103は必ずしも必要ではない。本実施の形態では、制御対象装置部が加振実行指令生成部102と制御対象同定部103を備えていない場合の構成について示す。
図5において、制御装置部200は、制御ゲインを用いて張力制御補正信号Ucntを算出する張力制御演算部201と、張力制御演算部201の制御ゲインの候補である制御ゲイン候補を複数保持するゲイン保持部204と、制御ゲイン候補を張力制御演算部201の制御ゲインとして設定した場合の張力偏差信号Terrを制御ゲイン候補ごとに推定する張力偏差推定部205と、張力制御演算部201の制御ゲインを変更するゲイン設定部206と、減算器107とを備える。
図5において、図1と同一の構成要素については、同一の符号を付してその詳細な説明を省略する。
張力制御演算部201は、張力指令信号Trefと張力制御量信号Tfbとの偏差である張力偏差信号Terrを入力とする。張力制御演算部201は、張力偏差信号Terrに対して制御ゲインの1つである比例ゲインを乗じて得た比例補償信号と、張力偏差信号Terrに対して制御ゲインの1つである積分ゲインを乗じて積分を行って得た積分補償信号との和を張力制御補正信号Ucntとして出力する。
本実施の形態におけるロール間搬送制御装置では、ロール間搬送制御装置のユーザが予め複数の制御ゲイン候補をゲイン保持部204に設定しておく。張力制御推定部205において制御ゲイン候補ごとに、制御ゲイン候補を張力制御演算部201に設定した場合の張力偏差信号Terrの推定値である張力偏差推定信号Testが演算される。このときの演算は実施の形態1と同様に行われるため、張力偏差推定信号Testは、実施の形態1で述べたように、それぞれの制御ゲイン候補を張力制御演算部201に設定した場合の張力偏差信号Terrの良い推定値となる。
また、本実施の形態では、張力制御演算部201は比例補償および積分補償からなるものとして、制御ゲイン候補は比例ゲインおよび積分ゲインであるものとして記述したが、微分補償を追加して制御ゲイン候補に微分ゲインを追加してもよい。
実施の形態1に示すロール間搬送制御装置では、張力偏差推定部105において、張力偏差推定信号を演算する演算式は、式(10)に示す通りであるが、張力偏差推定部105の演算式は式(10)に限定されるものではない。本実施の形態では、張力偏差推定部105において、ローパスフィルタとハイパスフィルタを用いた演算に基づいて、良好な制御ゲイン候補の選択が可能なロール間搬送制御装置の構成について述べる。
図6において、制御装置部300は、制御ゲインを用いて張力制御補正信号Ucntを算出する張力制御演算部101と、オン又はオフの信号である加振実行指令信号Erunを出力する加振指令生成部102と、制御対象装置部10の伝達特性を同定する制御対象同定部103と、張力制御演算部101の制御ゲインの候補である制御ゲイン候補を複数保持するゲイン保持部304と、制御ゲイン候補を張力制御演算部101の制御ゲインとして設定した場合の張力偏差信号Terrを制御ゲイン候補ごとに推定する張力偏差推定部305と、張力制御演算部101の制御ゲインを変更するゲイン設定部306と、減算器107と、加算器108とを備える。
図6において、図1と同一の構成要素については、同一の符号を付してその詳細な説明を省略する。
ゲイン保持部304は、制御対象伝達関数信号Pprmと応答パラメータ信号Rpfmとを入力として、制御対象伝達関数信号Pprmと応答パラメータ信号Rpfmとに基づいて、張力制御演算部101の制御ゲインの候補である制御ゲイン候補を2組計算する。制御ゲイン候補は比例ゲインの候補である比例ゲイン候補と積分ゲインの候補である積分ゲイン候補の組であるとする。ゲイン保持部304は2組の制御ゲイン候補を制御ゲイン候補信号Gcanとして出力する。
以下の説明では、ゲイン保持部304において2組の制御ゲイン候補が計算され、保持される場合を考える。
張力偏差推定部305は、遮断周波数演算器3051、第1張力偏差推定器3052、第2張力偏差推定器3053、信号結合器3054を備える。
ゲイン設定部306は、信号分割器3061、第1包絡線信号演算器3062、第2包絡線信号演算器3063、減算器3064、ゲイン選択器3065を備える。
信号分割器3061は、張力偏差推定信号Testから、張力偏差推定信号Testに含まれる第1張力偏差推定信号Test(1)と、第2張力偏差推定信号Test(2)を取り出して出力する。
第2包絡線信号演算器3063は、第1張力偏差推定信号Test(2)を入力として、ヒルベルト変換の手法を用いて第2張力偏差推定信号Test(2)の包絡線である第2包絡線信号Tenv(2)を演算して第2制御ゲイン候補Gcan(2)と関連付けて出力する。
ゲイン選択器3065は、包絡線差分信号dTenvを入力として、包絡線差分信号dTenvの時間積分に基づいて、積分結果が正であれば第2制御ゲイン候補を選択し、積分値が負であれば第1制御ゲイン候補を選択する。ゲイン選択器3065は選択された制御ゲイン候補を制御ゲイン設定値信号Gsetとして出力する。ここで、包絡線差分信号の積分値には上限および下限を設定してもよい。本実施の形態における減算器3064とゲイン選択器3065の処理は、包絡線信号の大きさを最小とする制御ゲイン候補を選択する処理である。
第1制御ゲイン候補Gcan(1)に基づく制御器の伝達関数を第1制御伝達関数Cc(1)、第2制御ゲイン候補Gcan(2)に基づく制御器の伝達関数を第2制御伝達関数Cc(2)とする。このとき、第2制御ゲイン候補Gcan(2)の制御ゲインは第1制御ゲイン候補Gcan(1)と比べて大きい値であるとして説明を行う。
ゲイン設定部306において、包絡線を演算することの効果は実施の形態1で述べた効果と同様である。
実施の形態1に示すロール間搬送制御装置では、制御対象同定部103が図3に示すように、同定時加算信号Uaddとして正負の符号を繰り返す矩形波信号を出力してリミットサイクルを発生させて、その時の張力偏差信号に基づいて制御対象の同定を行う。制御対象の同定をすることができれば他の加振方法でもよい。本実施の形態では、制御対象同定部が同定時加算信号Uaddとしてステップ信号を出力することで張力偏差信号Terrを加振して制御対象の同定を行う構成について述べる。
加振実行指令生成部402は、外部からの操作による指示入力に基づいてオン又はオフを示す信号である加振実行指令信号Erunを生成する。加振実行指令生成部402は、外部からの操作により加振実行指令信号Erunをオフからオンに変更し、予め定められた期間(同定期間)だけオンの信号を出力した後にオフへと戻す。ここで予め定められた期間とは予め定めた一定時間とする。あるいは、同定期間として、制御対象同定部403の出力が予め定められた回数だけ変化したという判断を行うまでの期間のことであってもよい。なお、同定期間はこれらに限る訳ではなく、制御対象装置部10の伝達特性を同定するのに十分な期間として予め定めてあるものであればよい。
図10は、制御装置部400の時間応答を示す図である。図10は、横軸を時間として、加振実行指令生成部402が加振実行指令信号Erunをオンとするときの制御装置部400の時間応答を示すものである。図10の(A)は、加振実行指令信号Erunの時間応答グラフであり、図10の(B)は、同定時加算信号Uaddの時間応答グラフであり、図10の(C)は、張力軸速度加算信号Vadd1の時間応答グラフであり、図10の(D)は、張力制御量信号Tfbの時間応答グラフである。
また、現在における張力制御演算部101の伝達関数を現在制御伝達関数Cとすると、張力制御量信号Tfbが張力指令信号Tref近辺に整定している状態で同定時加算信号Uaddが印加される場合において、同定時加算信号Uaddと張力偏差信号Terrの関係は以下の式(16)にて表される。
ここで同定された制御対象伝達関数Pを制御対象伝達関数信号Pprmとして制御対象同定部403より出力される。
本実施の形態では、制御対象伝達関数Pを同定する処理のみが実施の形態1との差異であり、制御対象伝達関数Pを同定する処理を除く他の処理は、実施の形態1と同様の処理である。
上記の例では制御対象の伝達関数を3次遅れ系として表現したが、制御対象の伝達関数を例えば5次遅れ系又は10次遅れ系等のより高次の伝達関数で表現して同定し、張力制御演算部もより高次の伝達関数で与えてもよい。このような場合には、ゲイン保持部104において、PID制御と比較してより細かく張力制御の応答性の調整を行うことができる制御器を演算して、その制御パラメータを保持しておくことができる。
11 搬送材、
12 張力軸ロール、
13 速度軸ロール、
14 張力制御量検出器、
21 張力軸速度制御部、
22 速度軸速度制御部、
100、200、300、400 制御装置部、
101 張力制御演算部、
102、402 加振実行指令生成部、
103、403 制御対象同定部、
104、204、304 ゲイン保持部、
105、205、305 張力偏差推定部、
106、306 ゲイン設定部。
Claims (7)
- 速度軸ロールおよび張力軸ロールの間で搬送材に張力を与えつつ前記搬送材を搬送するロール間搬送制御装置において、
前記張力の目標値である張力指令信号と前記張力の検出値である張力制御量との偏差である張力偏差信号および制御ゲインを用いて張力制御補正信号を演算する張力制御演算部と、
制御対象の同定を指示する指示入力を受けたときに加振実行指令信号をオフからオンにする加振実行指令生成部と、
前記加振実行指令信号がオンにされると、前記張力制御補正信号に同定時加算信号を加算し、前記加算実行指令信号がオンになった後の予め定められた期間における前記張力偏差信号を用いて、前記張力制御補正信号を入力とし前記張力制御量を出力とする制御対象伝達関数を同定する制御対象同定部と、
前記制御対象同定部で同定された前記制御対象伝達関数を用いて、前記張力制御演算部の制御ゲインの候補である複数の制御ゲイン候補値を演算して保持するゲイン保持部と、 前記張力制御演算部が動作している間に前記制御対象伝達関数を用いて、前記ゲイン保持部で保持される前記複数の制御ゲイン候補値の各々を前記張力制御演算部の制御ゲインとして設定した場合の前記張力偏差信号を演算して張力偏差推定信号として出力する張力偏差推定部と、
前記複数の制御ゲイン候補値のうち、前記張力偏差推定信号を最小にする制御ゲイン候補値を前記張力制御演算部の制御ゲインとして設定するゲイン設定部と、
前記速度軸ロールの速度が速度目標値として設定される基準速度信号に一致するように速度制御を行う速度軸速度制御部と、
前記張力軸ロールの速度が前記基準速度信号と前記張力制御演算部によって演算される前記張力制御補正信号との和に一致するように速度制御を行う張力軸速度制御部と、を備えることを特徴とするロール間搬送制御装置。 - 前記張力偏差推定部は、前記制御対象伝達関数と、前記張力制御演算部に設定されている制御ゲインによる前記張力制御演算部の制御伝達関数である現在制御伝達関数とを用いて、前記張力制御演算部に設定されている制御ゲインによる感度関数である現在感度関数を算出し、
前記制御対象伝達関数と、前記複数の制御ゲイン候補値の各々を前記張力制御演算部の制御ゲインとして設定した場合における前記張力制御演算部の制御伝達関数とを用いて、前記複数の制御ゲイン候補値の各々について候補感度関数を算出し、
前記複数の制御ゲイン候補値の各々について、前記候補感度関数を前記現在感度関数で除した式で示される偏差推定伝達関数を算出し、
前記張力偏差信号を前記偏差推定伝達関数に入力して前記張力偏差推定信号を演算して出力することを特徴とする請求項1に記載のロール間搬送制御装置。 - 前記ゲイン設定部は、前記複数の制御ゲイン候補値の各々について、前記張力偏差推定信号の包絡線となる包絡線信号を演算し、前記包絡線信号の大きさが最小となる制御ゲイン候補値を前記張力制御演算部の制御ゲインとして設定することを特徴とする請求項1に記載のロール間搬送制御装置。
- 前記包絡線信号の大きさとして前記包絡線信号の時間平均値を用いることを特徴とする請求項3に記載のロール間搬送制御装置。
- 前記ゲイン保持部は、前記制御対象伝達関数に加えて、前記張力制御演算部の制御帯域を決定する応答パラメータを用いて、前記複数の制御ゲイン候補値を演算して保持することを特徴とする請求項1に記載のロール間搬送制御装置。
- 前記同定時加算信号は、予め定められた大きさを有し、前記張力偏差信号の正負の符号と一致する符号を取る2値信号であることを特徴とする請求項1に記載のロール間搬送制御装置。
- 速度軸ロールおよび張力軸ロールの間で搬送材に張力を与えつつ前記搬送材を搬送するロール間搬送制御方法において、
前記張力の目標値である張力指令信号と前記張力の検出値である張力制御量との偏差である張力偏差信号および制御ゲインを用いて張力制御補正信号を演算する第1のステップと、
制御対象の同定を指示する指示入力を受けて加振実行指令信号がオフからオンにされると、前記張力制御補正信号に同定時加算信号を加算し、前記加算実行指令信号がオンになった後の予め定められた期間における前記張力偏差信号を用いて、前記張力制御補正信号を入力とし前記張力制御量を出力とする制御対象伝達関数を同定する第2のステップと、 前記第2のステップで同定された前記制御対象伝達関数を用いて、前記制御ゲインの候補である複数の制御ゲイン候補値を演算する第3のステップと、
前記張力制御補正信号の演算が行われている間に前記制御対象伝達関数を用いて、前記複数の制御ゲイン候補値の各々を前記制御ゲインとして設定した場合の前記張力偏差信号を演算して張力偏差推定信号を得る第4のステップと、
前記複数の制御ゲイン候補値の各々に対する前記張力偏差信号のうち、前記張力偏差信号を最小にする制御ゲイン候補値を前記制御ゲインとして設定する第5のステップと、
前記速度軸ロールの速度が速度目標値として設定される基準速度信号に一致するように前記速度軸ロールの速度制御を行う第6のステップと、
前記張力軸ロールの速度が前記基準速度信号と前記張力制御補正信号の和に一致するように前記張力軸ロールの速度制御を行う第7のステップと、
を含むことを特徴とするロール間搬送制御方法。
Applications Claiming Priority (3)
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