JPH03245201A - Shortest time controller - Google Patents
Shortest time controllerInfo
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- JPH03245201A JPH03245201A JP4297490A JP4297490A JPH03245201A JP H03245201 A JPH03245201 A JP H03245201A JP 4297490 A JP4297490 A JP 4297490A JP 4297490 A JP4297490 A JP 4297490A JP H03245201 A JPH03245201 A JP H03245201A
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- Feedback Control In General (AREA)
Abstract
Description
【発明の詳細な説明】
[産業上の利用分野]
本発明は、ロボット等の運動機械系やその他の制御対象
において入力に制限がある場合、制御量を目標値に最短
時間で一致させる制御装置に関する。[Detailed Description of the Invention] [Field of Industrial Application] The present invention provides a control device that matches a controlled variable with a target value in the shortest possible time when there is a limit to input in a motion mechanical system such as a robot or other controlled object. Regarding.
[従来の技術]
例えば、種々の工業分野で用いられるロボット(主にロ
ボットアーム)のような運動機械系は、位置指令を発生
するコントローラによって制御されている。このような
制御系では、位置を目標値に最短時間で一致させること
が望まれるが、従来の制御装置による位置指令では、最
短時間で目標値に到達できない。一方、最短時間で制御
する方法として、モータの出力を正(負)の最大トルク
で加速し、その後、負(正)の最大トルクで減速する”
bang −bang”制御が知られている。[Prior Art] For example, motion mechanical systems such as robots (mainly robot arms) used in various industrial fields are controlled by controllers that generate position commands. In such a control system, it is desired that the position match the target value in the shortest possible time, but the position command from the conventional control device cannot reach the target value in the shortest time. On the other hand, as a method for controlling in the shortest time, the motor output is accelerated with the maximum positive (negative) torque, and then decelerated with the maximum negative (positive) torque.
"bang-bang" control is known.
[発明が解決しようとする課題]
しかしながら、従来の°’bang −bang”制御
には加速から減速への切換え点を求めることが難しいと
いう問題点がある。[Problems to be Solved by the Invention] However, the conventional °'bang-bang' control has a problem in that it is difficult to determine the switching point from acceleration to deceleration.
また、実際のロボット等の制御対象では、モータに印加
される電圧等の入力に制限があり、制限された入力の範
囲内で有用な最短時間制御の方法は知られていない3更
に、入力に対応したモータの最大出力トルクは、速度に
対して必ずしも一定でなく、その速度にも制限があるの
で、速度等の状態が制限された範囲内に入るように最短
時間制御を行なうことは非常に難しいという問題点があ
った。In addition, in actual controlled objects such as robots, there are limits to the input such as voltage applied to the motor, and there is no known method for effective shortest time control within the limited input range3. The maximum output torque of the corresponding motor is not necessarily constant with respect to speed, and there is a limit to that speed, so it is extremely difficult to control the speed etc. for the shortest possible time so that the state is within a limited range. The problem was that it was difficult.
本発明の目的は、人力に制限のある制御対象に対し、制
御量を目標値に最短時間で一致させる入力を生成できる
制御装置を提供することである。SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to provide a control device that can generate an input that causes a controlled variable to match a target value in the shortest possible time for a controlled object with limited human power.
本発明の他の目的は、ロボッ]・のような運動機械系に
おいて、最大出力トルクが速度に対して一定でないよう
に入力の制限が状態に依存する場合や、速度等の状態変
数に制限がある場合でも、目標値に最短時間で一致させ
る入力を生成できる制御装置を提供することである。Another object of the present invention is to solve cases where the input limit depends on the state so that the maximum output torque is not constant with respect to the speed in a motion mechanical system such as a robot, or where there is a limit on a state variable such as speed. An object of the present invention is to provide a control device capable of generating an input that matches a target value in the shortest possible time even in some cases.
[課題を解決するための手段]
本発明は、入力に制限がある制御対象を表わすパラメー
タと現時点から制御対象の状態変数をOにするまでの時
間とで決定されるコントロールゲインを演算する演算手
段と、該演算手段で算出されたコントロールゲインのう
ち、制御対象への入力の制限された範囲内で制御量と目
標値との偏差を最短時間で0にするコントロールゲイン
を選択し、そのコントロールゲインと前記の偏差とから
制御対象への入力を生成するコントローラとを備えたこ
とを特徴とする。[Means for Solving the Problems] The present invention provides a calculation means for calculating a control gain determined by a parameter representing a controlled object whose input is limited and a time from the current moment until the state variable of the controlled object is set to O. Then, among the control gains calculated by the calculation means, select a control gain that makes the deviation between the control amount and the target value 0 in the shortest time within the limited range of input to the controlled object, and select that control gain. and a controller that generates an input to a controlled object from the deviation and the deviation.
具体的には、入力に制限がある制御対象に対し、位置や
速度等の状態変数の初期値が与えられた時、工(=τ1
τ2.・・・、τヨ)時間で状態変数をOにする、現時
点でのフィードバック入力側をU(t) =Fc+t
+ ・ x(tl fi
lとして、m個(多いほどよい)のコントロールゲイン
FC画を求める。Specifically, when the initial values of state variables such as position and velocity are given to a controlled object with limited input, the process (=τ1
τ2. ..., τyo) time to set the state variable to O, the current feedback input side is U(t) = Fc + t
+ ・x(tl fi
m (the more, the better) control gain FC images are determined as l.
また、制御量を目標値に最短時間で一致させることは、
制御量x ftl と目標値xd(一定)との偏差e
(t)を最短時間で0にすることと同等であるから、入
力の制限範囲内で現時点からどのくらいの時間iで偏差
をOにできるかを上記のF c 17+を用いて求め、
その中から偏差を最短時間で0にするFcIT、を選択
して、入力U (t)を生成する6より詳細に説明する
と、入力に制限のあるn次の制御対象(連続系)は、−
数的に次のような状態方程式で表わされる。In addition, making the controlled variable match the target value in the shortest possible time is
Deviation e between the control amount x ftl and the target value xd (constant)
Since it is equivalent to reducing (t) to 0 in the shortest time, use the above F c 17+ to find out how much time i can make the deviation from the current time i within the input limit range,
From among them, select the FcIT that makes the deviation 0 in the shortest time and generate the input U (t)6. To explain in more detail, the n-th controlled object (continuous system) with limited input is -
Numerically, it is expressed by the following state equation.
LJ (t) l≦U 、n、、
+2−21ここで、A及びBは制御対象を表わす
パラメータで、AはnXn、BはnXlの行列である6
f2−])式の解は
x (tl =expfAt) ・X fO)(3)
である。可制御の場合、初期値x(0)が与えられると
、工(=王1.工2.・・・・、T1)時間で状態変数
をOにする最小エネルギーの入力は、
U ft) = −B ” exp I −A ”t、
)・x(0)
(Tは転置行列を示す)
(4)
と表わされる。ここで、最小エネルギーの人力とは、次
式で表わされる評価関数Jを最小にする入力のことであ
る。LJ (t) l≦U, n,,
+2-21 Here, A and B are parameters representing the controlled object, A is a matrix of nXn, and B is a matrix of nXl6
f2−]) The solution to the equation is x (tl = expfAt) ·X fO) (3). In the case of controllability, when the initial value x(0) is given, the minimum energy input that makes the state variable O in time is U ft) = -B ” exp I -A ”t,
)・x(0) (T indicates a transposed matrix) (4) Here, the minimum energy human power is the input that minimizes the evaluation function J expressed by the following equation.
(4)式で1=0とすると、
U to) = F c fil ・X (ol6−
1)
F e (τ=13T
(6−21
となる。このFc1T、をτ=τ+、 Ez、 ”’、
T−でそれぞれ計算し、m個のF e lT’ll
I F c (τff1l 、 ””・・、 FC,
τ1を求める。If 1=0 in equation (4), then U to) = F c fil ・X (ol6-
1) F e (τ=13T (6-21) This Fc1T is τ=τ+, Ez, ”',
T- respectively, calculate m F e lT'll
I F c (τff1l, “”..., FC,
Find τ1.
ここで、目標値をX a (一定)とすれば、偏差はe
(tl =x(t)−Xd(71
であり、更に
e(tl =Ae(tl +BU(tl (8
1となるから、(6−1)式のx(0)に偏差e (t
)を使用し、目標値に対して偏差がある時、入力の限界
値±U□8をとるF C+τ)を選択することにより、
最短時間で偏差をOにする入力U (t)が求められる
。よって。Here, if the target value is X a (constant), the deviation is e
(tl = x(t) - Xd(71), and e(tl = Ae(tl +BU(tl (8
1, so the deviation e (t
), and when there is a deviation from the target value, by selecting F C + τ) which takes the input limit value ±U□8,
An input U (t) that reduces the deviation to O in the shortest time is found. Therefore.
Llftl=FC+で+ ・eft)
+9)として制御を行なう。Llftl=FC++・eft)
+9).
以上のように制御対象を連続系とした場合の本発明の制
御装置を第1図に示す。FIG. 1 shows the control device of the present invention when the controlled object is a continuous system as described above.
図において、1)は[2−1)及び(2−21式で表わ
される制御対象、12は+6−21式に従ってm個のF
cft1を計算する演算手段、13は演算手段12で算
出されたm個のF c (Tlのうち(2−2)式の範
囲内で制御量x ftl と目標値X、との偏差e (
t)を最短時間でOにするF c (τ)を選択し、そ
のF c 171と偏差e (tl とから(9)式に
より制御対象1)への入力U ftl を生成するコン
トローラ、14は制御量x(tl と目標値Xaから偏
差e ft)を生成する加算器である。In the figure, 1) is the controlled object expressed by [2-1) and (2-21 formula), and 12 is m F according to +6-21 formula.
A calculation means 13 calculates cft1, and a calculation means 13 calculates the deviation e (
The controller 14 selects F c (τ) that makes t) O in the shortest time, and generates the input U ftl to the controlled object 1) from the F c 171 and the deviation e (tl) using equation (9). This is an adder that generates the control amount x (tl and the deviation e ft from the target value Xa).
また、制御対象に対する入力をコンビコ−一夕で計算し
てディジタル制御を行なう場合、本発明は、制御対象を
所定のサンプリング時間で離散化したモデルで表現し、
前記演算手段では、現時点から状態変数をOにするまで
のサンプリング回数によって前記コントロールゲインを
演算するように構成される。Furthermore, when performing digital control by calculating inputs to a controlled object overnight, the present invention expresses the controlled object as a model that is discretized at a predetermined sampling time,
The calculation means is configured to calculate the control gain based on the number of samplings from the current time until the state variable is set to O.
具体的には、離散化した制御対象の状態変数の初期値が
与えられた時、その時点からサンプリング回数K (=
に+、 kg、 ・・・、kplで状態を0にする状態
フィードバック入力則を
U m = F a no ・X k(101として、
p個(多いほどよい)のコントロールゲインF a I
YIを演算する。Specifically, when the initial value of the discretized state variable of the controlled object is given, the number of samplings K (=
The state feedback input law that makes the state 0 at +, kg, ..., kpl is U m = F a no ・X k (as 101,
p control gains F a I (the more the better)
Calculate YI.
前述のように、最短時間で目標値に一致させることは、
制御量x5と目標値X6との偏差emを最短時間でOに
することと同等であるから、各サンプリング時に、入力
の制限された範囲内で現時刻からどのくらいのサンプリ
ング回数で偏差をOにできるかを上記のF d(Mlを
用いて求め、その中から偏差ekを最短時間で0にする
F a +ii+を選択して入力Ukを生成する。As mentioned above, matching the target value in the shortest time is
Since this is equivalent to bringing the deviation em between the control amount x5 and the target value is determined using the above F d (Ml), and F a +ii+ which makes the deviation ek 0 in the shortest time is selected from among them to generate the input Uk.
より詳細には、前記の制御対象を表わす(2−1)及び
+2−21式を所定時間毎にサンプリングした離散モデ
ルで表現すると、
×に=ΦXk−+ 十r Uk−1(1)−1)IU5
1≦U、、、 (1,1−21こ
こで、ΦはnXn、「はnXlの行列である。More specifically, when expressions (2-1) and +2-21 representing the control object described above are expressed as a discrete model sampled at predetermined time intervals, × = ΦXk-+ 1 r Uk-1 (1)-1 )IU5
1≦U, , (1, 1-21 where Φ is a matrix of nXn and ``is a matrix of nXl.
fil−1)式の状態がk (=1)i、、 k2.・
・・、L)サンプリング後にOになる最小エネルギーの
入力は、と表わされる。ここで、最小エネルギーの入力
とは、次式で表わされる評価関数Jを最小にする人力の
ことである。fil-1) when the state of the equation is k (=1)i,, k2.・
..., L) The minimum energy input that becomes O after sampling is expressed as . Here, the minimum energy input is the human power that minimizes the evaluation function J expressed by the following equation.
0O J=Σ U−”Ub (13) k=oでの入力は、 (J o = F a tM+ ’ X 。0O J=Σ U−”Ub (13) The input at k=o is (J o = F a tM+ ’ X.
(14−1)
14−21
xo:状態の初期値
となる。そこで、i=r+、 kg、・・・、ipにお
けるF a +!+すなわちp個のFa+rn 、 F
dlrzl −・−・・・、 Fd+i+p+ を計
算する。(14-1) 14-21 xo: Becomes the initial value of the state. Therefore, i=r+, kg,..., F a + in ip! + that is, p Fa+rn, F
dlrzl −..., Fd+i+p+ is calculated.
一方、目標値をX a (一定)とすれば、偏差はe
w = X i+ X a (
151であり、更に
る5=Φe++−+ + r U、l−+
f16)となるから、f14−1)式のxoに偏差e
kを使用し、目標値に対して偏差がある時、例えば人力
の限界値U、、、をとるF1a)を選択することにより
、最短時間で偏差e3をOにする人力Ukが求められる
。よって
1
U k= F +++’i’+ He 1)
f17)とすることにより、制御を行な
う。On the other hand, if the target value is X a (constant), the deviation is e
w = X i + X a (
151, and further 5=Φe++-+ + r U, l-+
f16), so the deviation e in xo of f14-1) equation
Using k, when there is a deviation from the target value, for example, by selecting F1a) which takes the limit value U, . Therefore, 1 U k= F +++'i'+ He 1)
control is performed by setting f17).
上記のように制御対象を離散モデルで表わした場合の本
発明の制御装置を第2図に示す。FIG. 2 shows a control device of the present invention in which the controlled object is represented by a discrete model as described above.
図において、21はfil−1)及び(1)−21式で
表わされる制御対象、22はf14−21式に従ってp
個のF a tT;+を計算する演算手段、23は演算
手段22で算出されたp個のF d+T;+のうち(1
)−2)式の範囲内で制御量xよと目標値×6との偏差
ekを最短時間でOにするFalW+を選択し、そのF
6rf+と偏差e3とから(17)式により制御対象
21への入力Ukを生成するコントローラ、24は制御
量xkと目標値x6から偏差ekを生成する加算器であ
る。In the figure, 21 is the controlled object expressed by formulas fil-1) and (1)-21, and 22 is p according to formula f14-21.
Calculating means 23 calculates (1 of the p F d+T;+ calculated by the calculating means 22
)-2) Select FalW+ to make the deviation ek between the controlled variable x and the target value x 6 O in the shortest time within the range of the formula, and
6rf+ and the deviation e3 by equation (17), the controller generates the input Uk to the controlled object 21, and 24 is an adder that generates the deviation ek from the control amount xk and the target value x6.
また、制御対象がロボットのような運動制御系である場
合、出力トルクは速度が上がるにつれて減少する。この
ように制御対象への入力の制限がその制御対象の状態変
数に依存する場合1本発明の制御装置は、状態変数に応
じて入力の制限範囲を変更する手段を備え、コントロー
ラでは、変更2
された制限範囲内で前記の偏差を最短時間で0にするコ
ントロールゲインを選択し、そのコントロールゲインに
よる制御時間が最小でなければ、元の入力限界値を制御
対象への入力とするように構成される。Furthermore, when the controlled object is a motion control system such as a robot, the output torque decreases as the speed increases. In this way, when the limit on the input to the controlled object depends on the state variable of the controlled object, 1. The control device of the present invention is equipped with a means for changing the input limit range according to the state variable, A control gain that makes the above deviation 0 in the shortest time within the specified limit range is selected, and if the control time using that control gain is not the minimum, the original input limit value is configured to be input to the controlled object. be done.
具体的には、現時点での状態変数(例えば速度)に対す
る最大出力トルクを求め、その値から求められる入力値
tJ waxsを新たな入力限界として、その範囲内で
前述のコントロールゲインFC山又はF a +Y+を
選択し、そのコントロールゲインによる制御時間工又は
頁が最小のとき、前述のように選択されたFCLτ、又
はF a (わと偏差から制御対象への入力を生成し、
工又はkが最小でなければ、元の入力限界値±U、18
を制御対象への入力とする。Specifically, the maximum output torque for the current state variable (for example, speed) is determined, the input value tJ waxs determined from that value is set as the new input limit, and the aforementioned control gain FC peak or F a is set within that range. +Y+ is selected, and when the control time or page by the control gain is the minimum, the selected FCLτ or F a (generates input to the controlled object from the cotton deviation as described above,
If k or k is not minimum, the original input limit value ±U, 18
is the input to the controlled object.
この制御装置を第2図の離散制御系に適用した場合の構
成を第3図に示す。図において、25は制御対象21の
状態変数(例えば速度量)に応じて入力の制限をU +
max*に変更する入力制限変更手段である。FIG. 3 shows a configuration in which this control device is applied to the discrete control system shown in FIG. 2. In the figure, 25 indicates the input limit according to the state variable (for example, velocity) of the controlled object 21.
This is input limit changing means for changing to max*.
更に、運動機械系を制御対象とする場合は、制御対象の
状態変数に制限が加えられる。例えば、位置を検出する
時に速度に制限が加えられる。このようなとき、状態変
数が指定した範囲内にあるようにするため、本発明の制
御装置は、状態変数の値が予め指定された範囲内にある
か否かを判定し、その値が指定範囲を越えているとき、
元の制限された入力限界値を制御対象への入力として生
成する手段を備えることができる。Furthermore, when a motion mechanical system is to be controlled, restrictions are placed on the state variables of the controlled object. For example, limits are placed on speed when detecting position. In such a case, in order to ensure that the state variable is within the specified range, the control device of the present invention determines whether or not the value of the state variable is within the specified range, and the control device determines whether the value of the state variable is within the specified range. When the range is exceeded,
Means may be provided for generating the original limited input limit value as an input to the controlled object.
この制御装置を離散制御系に適用した場合の構成を第4
図に示す。図において、26は制御対象21の状態変数
(例えば速度量)の値が指定された範囲V、ゆ内にある
か否かを判定する判定手段であり、範囲内にあればコン
トローラ23で前述のように入力Uうを生成し、範囲内
になければ元の入力限界値±Uゆ□を制御対象21への
入力として生成する。The configuration when this control device is applied to a discrete control system is shown in the fourth section.
As shown in the figure. In the figure, 26 is a determination means for determining whether the value of the state variable (for example, velocity) of the controlled object 21 is within a specified range V, and if it is within the range, the controller 23 If it is not within the range, the original input limit value ±Uy is generated as an input to the controlled object 21.
[作用]
第1図の制御装置においては、演算手段12で(6−2
1式に従ってm個のF c1r+を演算し、それらの値
を保持する。コントローラ13では、第5図のフローチ
ャートに示すように、加算器14から状態Xと目標値x
6との偏差eを取り込み、制限された入力の範囲内で偏
差eを最短時間でOにするF c (Tlを選択する。[Operation] In the control device shown in FIG. 1, the calculation means 12 (6-2
m F c1r+ are calculated according to Equation 1 and their values are held. In the controller 13, as shown in the flowchart of FIG.
6, and select F c (Tl) to make the deviation e 0 in the shortest time within the limited input range.
そして、選択したF e ITIと偏差eとから制御量
を目標値に最短時間で一致させる人力u tt+を生成
する。Then, from the selected F e ITI and the deviation e, a human power utt+ is generated that makes the control amount match the target value in the shortest possible time.
第2図の制御装置においても同様に、演算手段22で(
14−21式に従ってp個のF6閏を演算し、それらの
値を保持する。コントローラ23では、第6図のフロー
チャートに示すように加算器24から状態X工と目標値
×6との偏差ekを取り込み、制限された入力の範囲内
で偏差ekを最短時間で0にするF a 、T;lを選
択する。そして、選択したF a +’Q’lと偏差e
、とから制御量を目標値に最短時間で一致させる入力U
kを生成する。Similarly, in the control device shown in FIG. 2, the calculation means 22 (
p F6 increments are calculated according to formula 14-21 and their values are held. The controller 23 takes in the deviation ek between the state X and the target value x 6 from the adder 24 as shown in the flowchart of FIG. Select a, T;l. Then, the selected F a +'Q'l and the deviation e
, an input U that makes the controlled variable match the target value in the shortest possible time.
Generate k.
第3図の制御装置においては、第7図のフローチャート
に示すように、現時点での状態変数(例えば速度;c)
を入力制限変更手段25に取り込み、その取り込んだ状
態変数に応じて入力の制限を5
U waxsに変更する。コントローラ23では、加算
器24から状態X3と目標値x6との偏差ehを取り込
み、変更した入力の範囲U +naxs内で偏差ekを
最短時間で0にするF a n+を選択する。そして、
選択されたF1a)のRが最小か否かを判定し、°“Y
es”のときは、前述のようにp 6.i、と偏差e8
から制御対象への入力U8を生成し、kが最小でなけれ
ば、元の人力限界値U−8にF、σ1・ekの符号を付
して制御対象への入力Uアを生成する。In the control device of FIG. 3, as shown in the flowchart of FIG. 7, the current state variable (for example, speed; c)
is input into the input limit changing means 25, and the input limit is changed to 5 U waxs according to the loaded state variable. The controller 23 takes in the deviation eh between the state X3 and the target value x6 from the adder 24, and selects F a n+ that makes the deviation ek 0 in the shortest time within the changed input range U + naxs. and,
Determine whether R of the selected F1a) is the minimum, and
es'', as mentioned above, p6.i and the deviation e8
If k is not the minimum, the input U8 to the controlled object is generated by adding the signs F and σ1·ek to the original human power limit value U-8.
更に、第4図の制御装置においては、第8図のフローチ
ャートに示すように、現時点での状態変数(例えば速度
夫)を判定手段26に取り込み、その取り込んだ状態変
数の値が指定された範囲V8.内にあるか否かを判定す
る。そして、その値が指定範囲を越えているときは、元
の入力限界値[1waxにe、と逆の符号を付して制御
対象への入力Ukを生成する6また、状態変数の値が指
定範囲V r i m内にあれば、コントローラ23に
指令を送り、コントローラ23で、加算器24から状態
6
×にと目標値×6との偏差Qkを取り込み、制限された
入力の範囲内で偏差(?bを最短時間でOにするF61
M+を選択する。そして、選択したF a 1f+と偏
差e、とから制御量を目標値に最短時間で一致させる入
力U、を生成する。Furthermore, in the control device of FIG. 4, as shown in the flowchart of FIG. 8, the current state variable (for example, speed) is imported into the determining means 26, and the value of the imported state variable is determined within a specified range. V8. Determine whether it is within the range. If the value exceeds the specified range, the input Uk to the controlled object is generated by attaching the opposite sign to the original input limit value [1wax and e].6 Also, if the value of the state variable is specified If it is within the range V r i m, a command is sent to the controller 23, and the controller 23 takes in the deviation Qk between the state 6 x and the target value x 6 from the adder 24, and calculates the deviation within the limited input range. (F61 to turn ?b to O in the shortest time
Select M+. Then, from the selected F a 1f+ and the deviation e, an input U is generated that makes the control amount match the target value in the shortest possible time.
[実施例]
以下、本発明を運動機械系に用いた場合の実施例につい
て説明する。[Example] Hereinafter, an example in which the present invention is applied to a motion mechanical system will be described.
まず、ロボットに代表される運動機械系は2次の微分方
程式で表わされる連続系であり、これに使用されるモー
タの出力トルクをτ、モータへの入力電圧Uとすると、
両者の関係は次式で表わされる。First, a motion mechanical system represented by a robot is a continuous system expressed by a second-order differential equation, and if the output torque of the motor used in this system is τ, and the input voltage to the motor is U, then
The relationship between the two is expressed by the following equation.
τ= K U f18
1但し、IUI≦U、、、、にはトルク定数である。τ= K U f18
1 However, IUI≦U, . . . is a torque constant.
第9図に示すように、モータlで慣性モーメントJ、、
粘性摩擦係数D1の機械系2を駆動する制御対象は、次
式で表わされる。As shown in Fig. 9, the moment of inertia J,
The controlled object that drives the mechanical system 2 with the viscous friction coefficient D1 is expressed by the following equation.
I U it) l≦U wax
[19−2)(旦し1、J = J + + J
2 、 D = D + +D !J2:上2:のロー
タ部の慣性モーメントD2:モータのロータ部の粘性摩
擦係数X :回転角
この制御対象を時間]゛でサンプリングして離散化する
と、
xk=ΦXh−+ + 「Uk−+
(20−1)但し、
(20−3)
(20−4)
次に、この制御対象の状態をK (=h+、 k2.・
・・・、ili″p)サンプリング後にOにする、現時
点での入力は
U o = F a fil Hx 。I U it) l≦U wax
[19-2) (day 1, J = J + + J
2, D = D + +D! J2: Moment of inertia of the rotor of the above 2: D2: Coefficient of viscous friction of the rotor of the motor
(20-1) However, (20-3) (20-4) Next, the state of this controlled object is K (=h+, k2.
..., ili''p) Set to O after sampling, the current input is U o = F a fil Hx.
(21−1)
F dl’;il =−F”lΦ−1)0(ΣΦ−″F
「0(Φ−’l”l−’(21−2)
×。=状態の初期値
となるから、前述のようにに=r、、 W2.・・・・
、VlでのF a n1l−すなわちFalr++ 、
Fa+ru −・・、 F a (Wp+ を求めて
おく。(21-1) F dl';il =-F"lΦ-1)0(ΣΦ-"F
``0(Φ-'l''l-'(21-2) ×.= is the initial value of the state, so as mentioned above, = r,, W2...
, F a n1l− i.e. Falr++ at Vl,
Fa+ru −..., F a (Wp+ is determined in advance.
ここで、制御量xkと目標値x6との偏差ekは、
ここでF 6 jWlの選び方について例を挙げて説明
する。Here, the deviation ek between the control amount xk and the target value x6 is F 6 jWl. Here, an example will be given to explain how to select F 6 jWl.
例えば、前記のザンブリング数k (=に、、 k2゜
・・・・−bp)を8(すなわちp=8)とすると、k
=に、、 k2. −−、 k、に対してF a fi
ll + F a n2)、F□マ。1が予め求めら
れる。このとき、例えばに+ = 5. k2=IO,
k、=1.5. k、=20. k、=25゜k6=3
0. k7=35. k、=40のように、k+< L
<・・・・・< Itoの小雪式が成り立つものとす
る。For example, if the above Zumbling number k (=,, k2゜...-bp) is 8 (i.e. p=8), then k
= to,, k2. --, F a fi for k,
ll + F a n2), F□ma. 1 is determined in advance. At this time, for example, + = 5. k2=IO,
k,=1.5. k,=20. k, = 25° k6 = 3
0. k7=35. k+<L, such as k,=40
<・・・・・・< It is assumed that Ito's Koyuki formula holds true.
第2図の制御装置によれば、コントローラ23は、第1
0図に示す手順に従って動作する。According to the control device of FIG. 2, the controller 23
It operates according to the procedure shown in Figure 0.
となる、この偏差を(21−1)式の初期値と考え、予
め求めであるF a +ir+を用いて、制限されてい
る入力の範囲±TJ amつ内で、偏差ei+を最短時
間で0にするF a lflを前述のコントローラで選
択してU、を求める。このU。をにサンプリングで制御
量を目標値に一致させる入力U、とする。以後、(17
)式に従って制御を行なう。Considering this deviation as the initial value of equation (21-1), and using F a +ir+ determined in advance, the deviation ei+ can be reduced to 0 in the shortest time within the limited input range ±TJ am. F a lfl is selected by the above-mentioned controller to obtain U. This U. Let it be an input U that makes the controlled variable match the target value by sampling. From then on, (17
) is controlled according to the formula.
9
み、p=8として、前記(17)式によりLl m =
F a +ba+ ′e kの演算を行なう。そして
、Ukが制限範囲±U +max内にあるかどうかを判
定し、l UkI<U□8でな 0
ければFt、、マ、lを選び、
U ll= sgn (u kl U+max
(231によりUkを生成する。なお、sg
n ((J JはU3の符号(+又は−)を示す。9, assuming p=8, Ll m =
The calculation F a +ba+'e k is performed. Then, it is determined whether Uk is within the limit range ±U + max, and if l UkI<U
(Uk is generated by 231. Note that sg
n ((J J indicates the sign (+ or -) of U3.
IUbl<TJms++であれば、pをp−1としてF
d+Wy+ 、 Fana+ + ””’ + Fa
lmB の順番でUk=Fa、マ、・ekを計算し、各
々のUkについて Uつ≦U□8を判定する。そして、
l ut、l>U、□が初めて成り立つFdnp+ よ
り1つrIiiのF a +Tpinを選ぶ。例えば、
I ut、l= l F d+T71−ekl≦U w
axu+tl= l Fa+hs+ ・eJ≦U ea
a’xU k1= I F d(Tsl Heml>
TJeaaxとなった場合には、F□マ、) を選ぶ。If IUbl<TJms++, then F with p as p-1.
d+Wy+, Fana+ + “”’ + Fa
Calculate Uk=Fa, ma, ·ek in the order of lmB, and determine whether U≦U□8 for each Uk. and,
Select one rIii F a +Tpin from Fdnp+ where l ut, l>U, □ holds for the first time. For example, I ut, l=l F d+T71−ekl≦U w
axu+tl= l Fa+hs+ ・eJ≦U ea
a'xU k1= I F d(Tsl Heml>
If TJeaax, select F□ma,).
こうして選んだF d+7941)を用いてU m =
F a +h p”ll e k(241を演算し、
上記の式(23)によりU。を生成する。Using F d+7941) selected in this way, U m =
F a + h p”ll e k (calculate 241,
U according to the above formula (23). generate.
また、p=l、すなわちFdnn でもl Ukl>U
□つが成り立たない場合には、F□W’B を選びU
k= F dtr++ ・e mを生成する。Also, even if p=l, that is, Fdnn, l Ukl>U
□If one does not hold, choose F□W'B and U
Generate k=F dtr++ ・e m.
ところで、第9図の運動機械系のモータ出力トルつてを
表わす(18)式では、U III a Nは一定と考
えているが、第1)図に示すように、最大出力トルクT
、waxは速度が上がるにつれて減少する。このような
場合は、第3図の制御装置により、F 6(τ)からU
工を求める時に以下の演算を行なう。By the way, in equation (18) representing the motor output torque of the exercise machine system shown in Fig. 9, U III a N is considered to be constant, but as shown in Fig. 1), the maximum output torque T
, wax decreases as the speed increases. In such a case, the control device shown in FIG.
The following calculations are performed when finding the
まず、現時点にでの速度完により(第1)図のように速
度域により直線(1次)で近似して)最大出力トルクで
、、、0を求め、この値から(18)式のUの値が求め
られる。第7図に示したように、そのUの値を入力の制
限U m+aX#として、最短時間で偏差ekを0にす
るF6r;+をコントローラ23で選択し、そのF a
+T+により、出力U3はTJ 1) = sgn(
F6tマ)eu ) Umax (251として
求める。また、この時、予め求めであるF d+;+の
うち、最小のに1でのF、、+T++が選ばれた場合は
、(25)式を使わずに(17)式によってUkを生成
する。First, the maximum output torque (approximated by a straight line (first-order) according to the speed range as shown in Figure 1) is determined by the complete speed at the current moment, and from this value, U of equation (18) is calculated. The value of is calculated. As shown in FIG. 7, using the value of U as the input limit U m+aX#, the controller 23 selects F6r;
+T+, the output U3 becomes TJ 1) = sgn(
F6tma) eu) Umax (calculated as 251. At this time, if the minimum value of F, +T++ is selected from among the F d+;+ calculated in advance, use formula (25). Instead, Uk is generated using equation (17).
また、−h記のような運動機械系を制御対象とする場合
、−Mには位置を検出する時、速度に制限が加えられる
。この時、目標値が大きいと上記の制御対象では速度の
制限を越えてしまう。このような場合、状態変数の速度
が指定した値(V、、。Furthermore, when a motion mechanical system as described in -h is to be controlled, a restriction is placed on the speed of -M when detecting the position. At this time, if the target value is large, the speed limit of the above-mentioned controlled object will be exceeded. In such a case, the speed of the state variable is the specified value (V, .
:速度の上限より小さい値)を越えた時、指定した範囲
内に入るような入力Ukが必要になる。: A value smaller than the upper speed limit), an input Uk that falls within the specified range is required.
従って、第4図の制御装置を用いて、第8図に示したよ
うに、1交1>Vz、のとき
U t+ = sgn (e 1) ) Untax
f261とする入力により、指定したVI
、ユを越えた時、最大の人力U8で状態変数をv9.1
内に入れるようにする。Therefore, using the control device shown in FIG. 4, as shown in FIG. 8, when 1-cross 1>Vz, U t+ = sgn (e 1) ) Untax
By inputting f261, the specified VI
, when U8 is exceeded, the state variable is changed to v9.1 with maximum human power U8.
Let it go inside.
最後に、本発明の制御装置を用いてモータ制御を実施し
た結果を示す。これは、日本精工株式会社製の6インチ
メガトルクモータ(登録商標)と称するダイレクトドラ
イブモータの制御を行なったものである。すなわち、制
御対象は、入力に制限があり、最大出力トルクが速度に
対して一定でなく、速度にも制限がある運動機械系であ
る。これを制御するため、第7図及び第8図の制御アル
ゴリズムに従ってコンピュータで演算を行ない、3
制御入力を生成した。Finally, the results of motor control using the control device of the present invention will be shown. This controls a direct drive motor called a 6-inch Megatorque Motor (registered trademark) manufactured by NSK Ltd. That is, the controlled object is a moving mechanical system in which input is limited, maximum output torque is not constant with respect to speed, and speed is also limited. In order to control this, calculations were performed by a computer according to the control algorithms shown in FIGS. 7 and 8, and three control inputs were generated.
入力の振幅の制限は±10ボルト、制御対象の慣性モー
メントが0.2 kgm2の状態で、速度の制限にかか
らない場合(第7図)、目標位置を0.50radとし
たときの入力電圧の変化を第13図に示す。この場合、
FdLf、は、長=に1. kg、・・・・・Y8に対
して8個のFa(FB 、 Fa(rzl + °゛°
°゛Fd(val が予め求められ、2.Om5ec毎
のザンブリングにより、制御量と目標値との偏差を取り
込んだ時に、制限された入力の範囲内で、第14図に示
すように選ばれた。制御対象の位置は、0.00rad
から0.50 radまで、第12図に示すように変化
した。The input amplitude limit is ±10 volts, the moment of inertia of the controlled object is 0.2 kgm2, and when the speed limit is not applied (Figure 7), the change in input voltage when the target position is set to 0.50 rad. is shown in FIG. in this case,
FdLf is length=1. kg,...8 Fa(FB, Fa(rzl + °゛°
°゛Fd(val) was determined in advance, and when the deviation between the control amount and the target value was taken in by zumbling every 2.0m5ec, it was selected as shown in Fig. 14 within the limited input range. .The position of the controlled object is 0.00rad
to 0.50 rad, as shown in FIG.
また、速度の制限(第8図のV、、、)を12.0ra
d/secとした場合の速度の変化を第16図に示す。In addition, the speed limit (V in Figure 8) is set to 12.0ra.
FIG. 16 shows the change in speed when it is set to d/sec.
目標値を2.00 radとしたとき、制御対象の位置
は0.00 radから2.00 radまで、第15
図に示すように変化した。When the target value is 2.00 rad, the position of the controlled object is from 0.00 rad to 2.00 rad, from the 15th
Changes occurred as shown in the figure.
以上の実験結果から、入力に制限があり、且つ第1)図
のように最大出力トルクが高速の速度域 4
で減少するような、入力の制限が状態に依存する場合で
も、最短時間で目標値に一致させる制御ができることが
実証された。From the above experimental results, even if there is a limit to the input and the maximum output torque decreases in the high speed range as shown in Figure 1), even if the input limit depends on the state, the target can be achieved in the shortest possible time. It has been demonstrated that it can be controlled to match the value.
以上、実施例について説明したが、本発明はこれに限ら
ない。例えば、本発明の装置は第1図〜第4図のように
各ブロック毎に構成できるが、各部の演算は1つのコン
ピュータで実行することができる。また、各ブロック内
の構成や状態を表わす信号の形態も、制御対象の構造や
機能に応じて適宜に定めることができる。Although the embodiments have been described above, the present invention is not limited thereto. For example, although the apparatus of the present invention can be constructed in blocks as shown in FIGS. 1 to 4, the calculations of each part can be executed by one computer. Furthermore, the format of the signal representing the configuration and state within each block can be determined as appropriate depending on the structure and function of the controlled object.
[発明の効果]
以上のように1本発明によれば、従来能しかった最短時
間で目標値に一致させる制御が可能であり、これは状態
変数に制限がある場合でも実現される。目標値は、簡単
にステップで与えられる。[Effects of the Invention] As described above, according to the present invention, it is possible to perform control to match the target value in the shortest time that was conventionally possible, and this can be achieved even when there are restrictions on the state variables. The target value is easily given in steps.
また、運動制御系を制御対象とする場合、速度が上がる
につれて最大トルクが減少するというように、状態によ
って入力の制限が変わる、すなわち時間と共に変化する
ときでも、制御量を目標値に最短時間で一致させること
ができる。In addition, when controlling a motion control system, even when the input limit changes depending on the state, such as maximum torque decreasing as the speed increases, that is, changes over time, the control amount can be brought to the target value in the shortest possible time. Can be matched.
更に、制御対象の状態(例えば速度)に制限が加えられ
る場合でも、指定された制限内で目標値に最短時間で一
致させることができる。Furthermore, even when restrictions are placed on the state of the controlled object (for example, speed), it is possible to match the target value within the specified limits in the shortest possible time.
第1図は制御対象を連続系とした場合の本発明の制御装
置を示すブロック図、
第2図は制御対象を離散系とした場合の本発明の制御装
置を示すブロック図、
第3図は制御対象の人力の制限が状態変数に対して一定
でない場合の本発明の制御装置を示すブロック図、
第4図は制御対象の状態変数に制限がある場合の本発明
の制御装置の構成を示すブロック図、第5図乃至第8図
はそれぞれ第1図乃至第4図の制御装置における制御ア
ルゴリズムを示すフロチャート、
第9図は運動機械系の説明図、
第10図は本発明においてコントロールゲインを選択し
入力を生成する手順の例を示すフローチャート、
第1)図は運動機械系において最大入力時の速度−トル
ク特性を示すグラフ、
第12図、第13図及び第14図は本発明の制御装置に
よる実験結果として、速度制限にかからない場合の目標
値に対する位置出力、入力電圧及び選択されたコントロ
ールゲインを示す図、第15図及び第16図は本発明の
制御装置による実験結果として、速度制限にかかる場合
の目標値に対する位置出力及び速度を示す図である。
1).21・・・制御対象、
12.22・・・演算手段、
13.23・・・コントローラ、
14.24・・・加算器、
25・・・入力制限変更手段、
26・・・判定手段。Fig. 1 is a block diagram showing the control device of the present invention when the controlled object is a continuous system, Fig. 2 is a block diagram showing the control device of the present invention when the controlled object is a discrete system, and Fig. 3 is a block diagram showing the control device of the present invention when the controlled object is a discrete system. FIG. 4 is a block diagram showing the control device of the present invention when the limit of human power of the controlled object is not constant with respect to the state variable. FIG. 4 shows the configuration of the control device of the present invention when there is a limit to the state variable of the controlled object. The block diagram, FIGS. 5 to 8 are flowcharts showing the control algorithms in the control devices shown in FIGS. 1 to 4, respectively, FIG. 9 is an explanatory diagram of the motion mechanical system, and FIG. 1) is a graph showing the speed-torque characteristics at maximum input in a motion mechanical system; 12, 13 and 14 are flowcharts showing an example of a procedure for selecting and generating an input; Figures 15 and 16 are diagrams showing the position output, input voltage, and selected control gain with respect to the target value when the speed limit is not applied, as experimental results using the control device of the present invention. It is a figure which shows the position output and speed with respect to a target value in the case of a restriction|limiting. 1). 21...Controlled object, 12.22...Calculating means, 13.23...Controller, 14.24...Adder, 25...Input limit changing means, 26...Judging means.
Claims (4)
現時点から前記制御対象の状態変数を0にするまでの時
間とで決定されるコントロールゲインを演算する演算手
段と、 該演算手段で算出されたコントロールゲインのうち、前
記制御対象への入力の制限された範囲内で制御量と目標
値との偏差を最短時間で0にするコントロールゲインを
選択し、そのコントロールゲインと前記偏差とから前記
制御対象への入力を生成するコントローラと を備えたことを特徴とする最短時間制御装置。(1) a calculation means for calculating a control gain determined by a parameter representing a controlled object whose input is limited and a time from the current time until the state variable of the controlled object is set to 0; Among the control gains, a control gain that makes the deviation between the controlled amount and the target value 0 in the shortest time within a limited range of input to the controlled object is selected, and from the control gain and the deviation, the controlled object A shortest time control device comprising: a controller that generates an input to the controller;
したモデルで表現し、前記演算手段では、現時点から前
記状態変数を0にするまでのサンプリング回数によって
前記コントロールゲインを演算することを特徴とする請
求項(1)記載の最短時間制御装置。(2) The controlled object is represented by a model that is discretized at a predetermined sampling time, and the calculation means calculates the control gain based on the number of samplings from the current time until the state variable is set to 0. The shortest time control device according to claim (1).
態に依存する場合、その状態変数に応じて前記入力の制
限範囲を変更する手段を備え、前記コントローラでは、
変更された制限範囲内で前記偏差を最短時間で0にする
コントロールゲインを選択し、そのコントロールゲイン
による制御時間が最小でなければ、元の入力限界値を前
記制御対象への入力とすることを特徴とする請求項(1
)又は(2)記載の最短時間制御装置。(3) If the restriction of the input to the controlled object depends on the state of the controlled object, the controller includes means for changing the input restriction range according to the state variable, and the controller includes:
Select a control gain that makes the deviation 0 in the shortest time within the changed limit range, and if the control time by that control gain is not the minimum, use the original input limit value as the input to the controlled object. Claim (1)
) or the shortest time control device described in (2).
変数の値が予め指定した範囲内にあるか否かを判定し、
その値が指定範囲を越えているとき、元の制限された入
力限界値を前記制御対象への入力として生成する手段を
備えたことを特徴とする請求項(1)又は(2)記載の
最短時間制御装置。(4) If the state variable to be controlled has a limit, determine whether the value of the state variable is within a prespecified range;
The shortest method according to claim 1 or 2, further comprising means for generating an original limited input limit value as an input to the controlled object when the value exceeds a specified range. Time control device.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2042974A JP3050565B2 (en) | 1990-02-23 | 1990-02-23 | Minimum time control device |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2042974A JP3050565B2 (en) | 1990-02-23 | 1990-02-23 | Minimum time control device |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JPH03245201A true JPH03245201A (en) | 1991-10-31 |
JP3050565B2 JP3050565B2 (en) | 2000-06-12 |
Family
ID=12651015
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
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JP2042974A Expired - Fee Related JP3050565B2 (en) | 1990-02-23 | 1990-02-23 | Minimum time control device |
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Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US5428563A (en) * | 1992-05-22 | 1995-06-27 | Honda Giken Kogyo Kabushiki Kaisha | Function generator whose output attains to desired value at designated time |
CN116047915A (en) * | 2023-02-21 | 2023-05-02 | 陕西铁路工程职业技术学院 | Self-adaptive control method for full-load working condition of water turbine |
-
1990
- 1990-02-23 JP JP2042974A patent/JP3050565B2/en not_active Expired - Fee Related
Cited By (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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US5428563A (en) * | 1992-05-22 | 1995-06-27 | Honda Giken Kogyo Kabushiki Kaisha | Function generator whose output attains to desired value at designated time |
CN116047915A (en) * | 2023-02-21 | 2023-05-02 | 陕西铁路工程职业技术学院 | Self-adaptive control method for full-load working condition of water turbine |
CN116047915B (en) * | 2023-02-21 | 2023-08-15 | 陕西铁路工程职业技术学院 | Self-adaptive control method for full-load working condition of water turbine |
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