JPH03108002A - 自動制御装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （ａ）産業上の利用分野 この発明は、自動制御装置に関し、特に制御装置の制御
パラメータを最適値に設定できるようにした自動制御装
置に関する。

（ｂ）従来の技術 一般に、自動制御装置は、制御対象の入力と出力の関係
を理論的または実験的に求め、それを使って制御系の計
画く設計）が行われる。たとえば制御対象を位置制御す
る制御系の場合、位置比例ゲインおよび速度比例ゲイン
を調整することによって最大位置偏差や整定時間などの
制御性能について要求される仕様を満足するようにして
いる。

（Ｃ）発明が解決しようとする課題 しかしながら、このような従来の自動制御装置における
ゲインなどの制御パラメータを定める際・与えた制御パ
ラメータに応じて求められる制御対象の応答波形からＴ
ｒｙ　＆　Ｅｒｒｏｒで制御パラメータを調整する過程
で、数学的解析や技術者の持っているノウハウから制御
パラメータを修正するようにしていたため専門家しか調
整することができず、調整に時間がかかるといった問題
があった。

この発明の目的は、上記数学的解析や技術者のノウハウ
による制御パラメータめ調整操作をファジィ推論により
行うようにし、上記各種問題点を解消した自動制御装置
を提供することにある。

（ｄ）課題を解決するための手段 この発明の請求項１に係る自動制御装置は、与えられた
制御パラメータで制御対象を制御する制御装置を備えた
自動制御装置において、トレードオフの関係にある複数
の制御性能の重み付け比率を設定する手段と、 設定された上記重み付け比率から上記制御パラメータを
決定するファジィ推論手段とを設けたことを特徴とする
。

また、この発明の請求項２′に係る自動制御装置は、与
えられた制御パラメータで制御対象を制御する制御装置
を備えた自動制御装置において、トレードオフの関係に
ある複数の制御性能の重み付け比率を設定する手段と、 設定された上記重み付け比率から上記制御パラメータを
決定するファジィ推論手段と・制御量から制御性能の評
価値を求める制御性能評価手段と、 上記評価値と予め定めた要求性能との差が小さくなる方
向に上記重み付け比率を変化させる重み付け比率修正手
段とから構成したことを特徴とする。

（ｅ）作用 請求項１に係る自動制御装置の構成を第１図に示す。

第１図において重み付け比率設定手段１はトレードオフ
の関係にある複数の制御性能の重み付けの比率を設定す
る。ここでトレードオフの関係にある複数の制御性能と
は、たとえば制御装置のゲインなどの制御パラメータに
よって制御対象を位置制御または速度制御するような場
合、最大位置偏差または最大速度偏差とタクトタイム（
設定値を入力してから制御対象が設定値（設定位置また
は設定速度）に達するまでの時間）の関係などである。

すなわち制御装置のゲインを上げれば最大偏差が小さく
なるがタクトタイムが増大し、逆に制御装置のゲインを
下げればタクトタイムが減少するが最大偏差は増大する
。この例の場合、上記重み付け比率設定手段１は最大偏
差を重視するかタクトタイムを重視するか、その重み付
け比率を設定する。

第１図においてファジィ推論手段２は設定された重み付
け比率から制ＷＪ装置の制御パラメータを決定する。す
なわち、このファジィ推論手段２は公知のようにファジ
ィ演算を行うファジィ演算部と確定値演算を行うデファ
ジファイ部とで構成される。ファジィ演算部は重み付け
比率のラベルに対する制御パラメータのラベルの関係を
示す推論ルールに従った前件部メンバシップ関数発生器
を備え、入力される重み付け比率に対するメンバシップ
値（所属値）を演算するとともに、その結果に基づいて
演算した推論値をデファジファイ部に対して出力する。

上記推論ルールは制御性能の重み付け比例の入力に対す
る実際の制御性能の重み付け比率を実現するための制御
パラメータを数学的解析によりまたは経験的に決めるこ
とにより定められる。

第１図において制御装置３は与えられた制御パラメータ
に基づき、設定値および制御対象の制御量に応じた操作
量を制御対象４に与える。

以上に示した自動制御装置を用いて目標値応答制御を行
い、制御量の応答波形から制御性能を評価し、調整者が
その評価値と制御系に対する要求性能とを比較して、要
求性能を満たす方向へ重み付け比率設定手段１０重み付
け比率を修正する。

制御性能のトレードオフの関係が重み付け比率によって
単調に変化するようにすれば、上記制御性能評価値と要
求性能とに基づき重み付け比率の修正方向を容易に定め
ることができる。たとえば前述の例によれば、最大偏差
が要求性能を満たしていてタクトタイムが要求性能を満
足していない場合にはタクトタイムを重視する方向に重
み付け比率を変化させればよい。逆に、タクトタイムが
要求性能を満たし、最大偏差が要求性能を満足しない場
合には最大偏差性能を重視する方向に重み付け比率を変
化させればよい。

請求項に２に係る自動制御装置の構成を第２図に示す。

第２図において制御性能評価手段５は制御系を目標値応
答させたときの応答波形から制御性能の評価値を求める
。重み付け比率修正手段６は制御性能の評価値から重み
付け比率設定手段ｌの重み付け比率を修正する。その他
の構成は第１図に示したものと同様である。このように
制御性能の評価値に基づいて要求性能を満足するように
制御性能の重み付け比率を自動的に修正するようにした
ことにより、言わば学習機能により制御装置の制御パラ
メータが要求どおりに設定されることになる。

以上のように要求性能を満たす最適制御系を容易に構成
することができる。

（ｆ）実施例 この発明の実施例である自動制御装置のブロック図を第
３図に示す。

第３図において位置指令装置１０は設定位置の変化をパ
ルスによって与える装置、偏差カウンタ１１はこの位置
指令装置１０から与えられるパルスとモータ２３の回転
位置を検出するパルスジェネレータ２５の出力パルスと
に基づいて設定位置に対する現在位置の偏差を求めるカ
ウンタである。Ｄ−Ａコンバーター１２は位置偏差をア
ナログ信号に変換する。増幅回路１３はこの位置偏差信
号を増幅する。微分回路１４は位置偏差信号を微分して
速度偏差信号を作成する。増幅回路１５はこの速度偏差
信号を増幅する。ボリューム１６および１７はそれぞれ
位置偏差信号のゲインおよび速度偏差信号のゲインを調
整する回路であり、ファジィ推論装置１８の出力信号に
より各ゲインが調整される。加算回路２１はゲイン調整
された位置偏差信号と速度偏差信号を加算し、増幅回路
２２はこれを増幅してモータ２３の電流制御を行う。モ
ータ２３には負荷２４が接続されている。ボリューム１
９および２０はファジィ推論装置１８に対して与える入
力信号のレベルを設定する回路であり、１９は負荷２４
のイナーシャ比を設定するためのボリュームである。ま
た２０はタクトタイムと最大位置偏差の二つの制御性能
の重み付け比率を設定するためのボリュームである。フ
ァジィ推論装置１８はこの二つの入力信号に応じてファ
ジィ推論を行い位置比例ゲインＫｐおよび速度比例ゲイ
ンＫｖを上記調整回路１６および１７に与える。また同
図において制御性能評価装置２６は所定パターンでこの
制御系を制御させたときの応答波形からタクトタイムお
よび最大位置偏差を求める。

次に第３図に示したファジィ推論装置工８で用いる各ラ
ベルのメンバシップ関数および推論ルールを第４図およ
び第５図（Ａ）、　　（Ｂ）に示す。

第５図（Ａ）、（Ｂ）において横の欄Ｘ１は負荷のイナ
ーシャ比、縦の欄Ｘ２はトレードオフの関係にある制御
性能の重み付け比率であり、ここでは、その値が大きく
なるほど最大位置偏差が重視され、値が小さくなるほど
タクトタイムが重視されることになる。同図（Ａ）にお
いてマトリックスの内容は位置比例ゲインＫｐ、同図（
Ｂ）においてマトリックスの内容は速度比例ゲインＫｖ
についてのラベルである。

第４図（Ａ）は前件部メンバシップ関数であり、上記イ
ナーシャ比および制御性能の重み付け比率ともにこのメ
ンバシップ関数が適用される。また、同図（Ｂ）は後件
部メンバシップ関数であり、上記位置比例ゲインＫｐお
よび速度比例ゲインＫｖともにこの関数が適用される。

第６図は第３図に示したファジィ推論装置１８の構成図
である。

ファジィ推論装置はファジィ演算部４０とデファジファ
イ部４１．４２とで構成される。ファジィ演算部は第５
図に示した各推論ルールに従ってルール毎の推論結果Ｕ
ｉおよびＶｉを出力するために、前件部における所属度
を演算するためのメンバーシップ関数発生器と、後件部
での推論結果を出力するためのメンバーシップ関数発生
器を備えている。各ファジィ演算部はルール毎に設けら
れ、各ファジィ演算部の推論結果Ｕｉおよびｖｌは並列
にデファジファイ部４１および４２に出力される。

前記ファジィ演算部は第７図（Ａ）に示すような構成に
ある。なお同図は第６図の最上部に示したファジィ演算
部の構成を示している。

図示のとおり４個の汎用メンバーシップ関数発生器５１
〜５３および５６を有し、各メンバーシップ関数発生器
にはＸｌに対応するラベルＮＬ、Ｘ２に対応するラベル
ＮＬ、Ｋｐに対応するラベルＮＬおよびＫＶに対応する
ラベルＮＬが入力される。汎用のメンバーシップ関数発
生器はこのラベルが人力されることによって、そのラベ
ルに対応したメンバーシップ関数を発生する。

メンバーシップ関数発生器５１．５２の出力、即ち前件
部の各項の所属度は前件部論理積回路５４に出力され、
ここで所謂ｌｌｌ１ｎｉ−Ｉｌａｘルールのｍ１ｎｉル
ールによってより小さい方の所属度が選択される。その
結果が後件部論理積回路５５に送らレル。この後件部論
理積回路５５では、メンバーシップ関数発生器５３で出
力されるメンバーシッフ関数に前件部論理積回路５４か
らの推論結果を当てはめて所謂頭切りを行い（論理積を
とり）台形部Ｕ１を推論結果として出力する。同様にし
て後件部論理積回路５７から推論結果■１を出力する。

デファジファイ部４１は第７図ＣＢ）に示す構成からな
る。図示するようにデファジファイ部４１は論理和回路
６０と確定値演算回路６１とで構成される。論理和回路
６０はｍｉｎｉ−ｍａｘルールのｍａＸルールを演算す
る部分であり、各ファジィ演算部からの台形出力（推論
結果）をそれぞれ論理和する。確定値演算回路６１はそ
の重心位置を求め、位置比例ゲインＫｐを出力する。

デファジィファイ部４２は第７図（Ｃ）に示す構成から
なる。図示するようにデファジィファイ部４２は論理和
回路６２と確定値演算回路６３とで構成される。デファ
ジファイ部４工の場合と同様にして速度比例ゲインＫＶ
を出力する。

さて、以上のようにファジィ推論装置を構成し・第３図
に示した構成の自動制御装置を用い、次のようにして位
置比例ゲインＫｐおよび速度比例ゲインＫｖを調整する
。まず第３図に示したボリューム１９の操作により負荷
２４に応じたイナーシャ比Ｘ１を定める。またボリュー
ム２０を操作して制御性能の重み付け比率Ｘ２を最初適
当な値に設定する。この状態で第８図に示すような動作
指令を与え制御系を動作させる。ただし第８図は時間経
過に伴いモータの回転速度を変化させるように表してい
るが、第３図に示した位置指令装置１０はあ（まで位置
制御のための設定値に対応するパルスを与える。この動
作指令による制御対象の応答から第３図に示した制御性
能評価装置２６は最大位置偏差およびタクトタイムを測
定する。

次に調整者は測定された評価値と測定系に対する要求性
能を比較して、要求性能を満たす方向へボリューム２０
を修正する。たとえば、タクトタイムについては要求性
能を満足するが、最大位置偏差について要求性能を満足
しない場合には制御性能の重み付け比率Ｘ２を増大させ
る・このことニヨり第５図（Ａ）および（Ｂ）に示した
推論ルールから明らかなように、位置比例ゲインＫｐお
よび速度比例ゲインＫｖが増大し最大位置偏差が重視さ
れることになる。

調整者は要求性能を満足するような制御性能が得られる
までボリューム２０による上記調整を繰り返す。

次に、第２の実施例に係る自動制御装置のプロ第１の実
施例と異なり、この第２の実施例では制御装置をＣＰＵ
のプログラム処理により動作させるようにしている。第
９図において３０はマイクロコントローラであり、ＣＰ
Ｕ３１、ＲＯＭ３２、ＲＡＭ３３、Ｉ１０ボート３４お
よび３５などから構成されている。ＲＯＭ３２にはＣＰ
Ｕ３１の実行すべきプログラムが予め書き込まれている
。ＲＡＭ３３はそのプログラムの実行に際してワーキン
グエリアとして用いられる。ＣＰＵ３１は■１０ポート
３４を介してディジタルデータの位置比例ゲインＫｐお
よび速度比例ゲインＫｖを読み込む。Ａ−Ｄコンバータ
３６および３７はファジィ推論装置１８から出力される
二つの信号をディジタルデータに変換して上記Ｋｐおよ
びＫｖのデータを出力する。またＣＰＵ３　ｉはＩ１０
ボート３４を介してファジィ推論装置１８の制御性能の
重み付け比率設定用ボリューム２０を調節する。更にＣ
ＰＵ３１はＩ１０ポート３４を介してタクトタイムおよ
び最大位置偏差に関する要求性能データを読み込む。ま
たＣＰＵ３１はＩ１０ボート３５を介してモータ制御用
データをＤ−Ａコンバータ３８へ出カスる。Ｄ−Ａコン
バータ３８はこれをアナログ信号に変換する。増幅回路
２２はその信号のレベルに応じた電流でモータ２３を駆
動する。現在位置カウンタ３９はパルスジェネレータ２
５の出力パルスをカウントして現在位置を求める。ＣＰ
Ｕ３１はＩ１０ボート３５を介してこの現在位置データ
を読み込む。

上記ＣＰＵ３１は第１０図に示すように、まず要求性能
データを読み込み、ＫｐおよびＫＶＯ値を読み込む（ｎ
ｌ−ｎ２）。続いて第８図に示した動作を行わせるため
に予め記憶しているデータの読み出し位置を表すデータ
ポインタＰに初期値Ｏを設定する（ｎ３）。続いてこの
データポインタＰで示されるデータθｒを読み出し、ま
た現在位置カウンタから現在位置データθを読み込む（
ｎ４−ｎ５）。その後θｒ−θの演算により位置偏差を
算出する（ｎ６）。そしてこの位置偏差が前回までの位
置偏差より大きければ、そのデータを最大位置偏差とし
て記憶する（ｎｌ）。更にタクトタイムの測定可能な状
態であるか判定し、測定が可能であればその値を記憶す
る（ｎ８）。その後、位置偏差の微分値を算出し、更に
位置偏差と位置偏差の微分値および制御パラメータＫｐ
Ｋｖから Ｋｐ　（θｒ−θ）＋にν（θｒ−θ）′の演算を行い
、この操・作置データを出力する（ｎ９−ｎ１６→ｎ１
７）。上記ステップｎ４〜ｎｉｌの処理をデータポイン
タｐが最大値に達するまでデータポインタＰをインクリ
メントするとともに繰り返し実行する（ｎ１２→ｎ１３
→ｎ４・・・）。このようにして第８図に示した一連の
動作を行わせた後、その応答特性から評価関数を算出す
る（ｎ１４）。この評価関数はたとえば次式で表される
。

Ｊ　−Σ　−□　・　δ。

ｉ−ま ただし ｉ：評価項目の番号ｉ　＝　１ｏｒ２ １：評価項目の数 ｅｉ：制御性能の評価値 ｅｒｉ＋制御性能の要求性能値 −４二重み付け係数 評価関数値ＪがもしＯならば制御性能の重み付け比率は
修正する必要がなく、ＫｐおよびＫＶの調節を終了する
（ｎ１５−ＥＮＤ）。評価関数値が０でなければ前回の
評価関数値と比較して減少したか否か判定する。減少し
ていれば第９図に示したボリューム２０を調節して制御
性能の重み付け比率Ｘ２の値を評価関数値が更に減少す
る方向に修正する（ｎ１６→ｎ１７）。なお、ステップ
ｎ１６の判定が初回である場合は必ずこの修正が行われ
る。これによりファジィ推論装置１８は新たな位置比例
ゲインＫｐおよび速度比例ゲインＫＶを求める。ＣＰＵ
は再びこれらの値を読み込み同様の動作試験を行い評価
関数値を求める（ｎ１７−ｎ２−・・・）。その結果評
価関数値が０となったとき、すなわちすべての要求性能
を満たしたとき、ＫｐおよびＫＶの調整を終了する。な
お、ボリューム２０の微小な変化により上記δ１゜δ２
が交互に正の値をとる場合には、評価関数値Ｊの値が前
回の値より大きくなったとき調整終了とする（ｎ１６−
ＥＮＤ）。

以上に示した第１および第２の実施例では制御装置の制
御パラメータとして位置比例ゲインＫｐと速度比例ゲイ
ンＫｖの二つの値をそれぞれファシイ推論して求めたが
、位置比例ゲイン！（ｐのみファジィ推論により求め、
減衰率ζ−０，７として、Ｋｐから速度比例ゲインＫｖ
を計算により求めるようにしてもよい。この場合、Ｋｐ
を求めるための推論ルールのみ作成すればよいので、フ
ァジィ推論装置の構成および設定が簡単になる。

なお、上記実施例ではトレードオフの関係にある制御性
能としてタクトタイムと最大位置偏差の二つの関係を例
としたが、たとえば互いにトレードオフの関係にある三
つの制御性能についてその重み付け比率を設定する場合
にも本願発明を適用することができる。

（ｇ）発明の効果 この発明によれば、トレードオフの関係にある複数の制
御性能の重み付け比率を調節することのみによって、要
求される制御性能が満たされるように調節することがで
きる。したがって性能を表す仕様書があれば専門家でな
くても制御装置の制御パラメータを容易に調整すること
ができる。また調整にかかる時間も大幅に短縮される。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の請求項１に係る自動制御装置の構成
図、第２図はこの発明の請求項２に係る自動制御装置の
構成図である。第３図は第１の実施例に係る自動制御装
置のブロック図である。第４図（Ａ）、　　（Ｂ）は第
１および第２の実施例に係るファジィ推論装置に用いら
れるメンバシップ関数を示す図、第５図（Ａ）、　　（
Ｂ）は同ファジィ推論装置に用いられる推論ルールを示
す図である。第６図および第７図（Ａ）〜（Ｃ）はファ
ジィ推論装置の構成図である。第８図は第１および第２
の実施例で実行される動作指令のパターンを示す図であ
る。第９図および第１０図は第２の実施例に係る自動制
御装置のブロック図および処理手順を示すフローチャー
トである。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）与えられた制御パラメータで制御対象を制御する
   制御装置を備えた自動制御装置において、トレードオフ
   の関係にある複数の制御性能の重み付け比率を設定する
   手段と、 設定された上記重み付け比率から上記制御パラメータを
   決定するファジィ推論手段とを設けたことを特徴とする
   自動制御装置。
2. （２）与えられた制御パラメータで制御対象を制御する
   制御装置を備えた自動制御装置において、トレードオフ
   の関係にある複数の制御性能の重み付け比率を設定する
   手段と、 設定された上記重み付け比率から上記制御パラメータを
   決定するファジィ推論手段と、 制御量から制御性能の評価値を求める制御性能評価手段
   と、 上記評価値と予め定めた要求性能との差が小さくなる方
   向に上記重み付け比率を変化させる重み付け比率修正手
   段とからなる自動制御装置。