JPH04346101A - 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】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は制御装置に関し、特に、
位置決め制御等に用いられる、出力信号に対する比例（
Ｐ）・積分（Ｉ）・微分（Ｄ）信号を求めて定められた
ゲインを乗算した後に加算して制御対象への信号を生成
する働きをする補償器、いわゆるＰＩＤレギュレータの
ゲインを計算するための制御装置に関する。

【０００２】従来、ＰＩＤレギュレータは磁気ディスク
装置の磁気ヘッド位置決め制御装置等、精密な制御を要
する各方面で使用されていた。このＰＩＤレギュレータ
においは、観測信号に対する比例（Ｐ）・積分（Ｉ）・
微分（Ｄ）の３つの信号にゲインを掛ける必要がある。 ところが、従来は制御系の特性を定めるために設計者が
経験に基づいてＰＩＤレギュレータゲインを決定してお
り、ＰＩＤレギュレータのゲインを決定するための適正
な手法が望まれている。

【０００３】

【従来の技術】図１４は従来の与えられた入力ｒに対し
て出力ｙが二重積分される制御対象１０、すなわち定数
をＫ、ラプラス演算子をｓで表現した時に、Ｋ／ｓ２　
なる伝達関数で近似できるような伝達関数を持つ制御対
象１０を制御する場合の、ＰＩＤレギュレータと呼ばれ
る補償器１４０を含む制御ブロックの構成を示すもので
ある。ＰＩＤレギュレータ１４０は、制御対象１０の出
力信号ｙを閉ループ系を通して読み込んで制御値（比例
（Ｐ）・積分（Ｉ）・微分（Ｄ）信号）を作り、これら
に適当なゲインを乗算した後に加算して制御対象１０へ
の信号を生成し、制御対象１０に入力してこれを制御す
る。従って、制御対象１０への入力信号ｒと出力信号ｙ
を見ればＰＩＤレギュレータの制御特性が分かることに
なる。

【０００４】このような制御系の特性を調べる時の指標
となる値に、サーボ帯域と位相余有がある。これらは、
制御系の伝達関数、すなわち、ラプラス演算子をｓとし
て、制御対象の伝達関数をＧ（ｓ）、ＰＩＤレギュレー
タ等の補償器の伝達関数をＫ（ｓ）とした時に、　　　
　　　　　　　｜Ｇ（ｊ２πｆ０）　Ｋ（ｊ２πｆ０）
　｜＝１　　　　　　　　　　　　　　…　　（１）　
なる条件を満たす周波数ｆ０　をサーボ帯域と定義し、
その周波数での制御系の位相に１８０°（πｒａｄ）を
加えた値、 　　　　　　　　　　ａｒｇ（Ｇ（ｊ２πｆ０）　Ｋ（
ｊ２πｆ０））　　−　　π　　＝　　θ０　…　　（
２）　を、位相余有と定める。

【０００５】このサーボ帯域と位相余有が制御系の設計
時の指標として用いられるのは、例えば、制御対象の伝
達関数が二重積分となる様な制御対象の場合には、一般
にサーボ帯域を上げると目標値の変化に対する追従性が
向上し、位相余有が増える程オーバーシュート量、すな
わち目標値に一度近づいてから行き過ぎて、また戻る時
の行き過ぎた量、が減少するという理由からである。一
般にはその他の要素、例えば、制御対象の外からの外乱
に対する強さや、制御対象となる装置の持つ伝達特性の
個体差が与える影響、等を考慮に入れて、最適なサーボ
帯域および位相余有を決定するようにしている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、ＰＩＤ
レギュレータのゲインの設計には決定すべき値が３つ存
在し、また、制御対象が近似としては二重積分で表現さ
れるにしても、実際の系では低域や高域の周波数に共振
を含んだ複雑な伝達関数として表現されるため、３つの
値の決定が容易ではないという問題がある。さらに制御
特性の改善を図るために、ＰＩＤレギュレータ以外に様
々なフィルタが入れられるので、設計はさらに難しくな
るという問題がある。

【０００７】このために、制御系の設計者にはＰＩＤレ
ギュレータにより制御された制御系の特性評価に必要な
サーボ帯域と位相余有がゲインからは判断できず、制御
対象の伝達関数が既知であっても未知であっても実際に
制御対象を測定してみたり、シミュレーションしてみた
りするまでは判らなかった。従って、ＰＩＤレギュレー
タのゲインの値の決定は設計者の経験に頼らなければな
らず、目標となる制御系の特性を実現するには長い時間
をかけて試行錯誤を繰り返しながらゲインを調整するし
か方法がなかった。

【０００８】そこで、本発明は伝達関数が二重積分にて
近似できるような制御対象のみを設計対象として、設計
者が規定したサーボ帯域・位相余有を得るための最適な
ＰＩＤレギュレータゲインを自動的に求めるための計算
装置を提供することを目的とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】前記目的を達成する本発
明の制御装置の構成が図１に示される。本発明の制御装
置は、与えられた入力に対して出力が定数Ｋ、ラプラス
演算子ｓを用いてＫ／ｓ２　なる伝達関数で近似できる
ような伝達関数を持つ制御対象を制御する制御装置であ
って、出力信号に対する比例、積分、微分信号に予め定
められたゲインを乗算した後に加算して前記制御対象へ
の信号を生成する働きをする補償器１と、この補償器の
比例、微分、積分値に各々掛けるゲインｆｐ、ｆｉ、ｆ
ｄを計算するゲイン演算手段２と、予め、開ループ特性
のゲインが０ｄＢとなる周波数ｆ０と、この周波数ｆ０
での位相角に１８０度を加算した値である位相余有θ０
　と、開ループ特性の形状を決定するための係数ζとを
格納するデータ格納手段３とを備え、前記ゲイン演算手
段２がω０　＝２πｆ０として、次の式： 　　　　　ｆｐ　＝　　ω０２／（Ｋ（１＋ｔａｎ２θ
０　）１／２　）　　　　　　　　　　　　　　　　　
　…■　　　　　ｆｉ　＝　１／２Ｋ　×（（（１＋ζ
２ｔａｎ２　θ０　）１／２／ζ　ｔａｎθ）　−１）
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　×（　ω０
３ｔａｎ　θ０　）　／（１＋ｔａｎ２θ０　）１／２
　　　　　　…■　　　　　ｆｄ　＝　１／２Ｋ　×（
（（１＋ζ２ｔａｎ２　θ０　）１／２／ζ　ｔａｎθ
）　＋１）　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
×（　ω０ｔａｎθ０　）　／（１＋ｔａｎ２θ０　）
１／２　　　　　　　　…■を基にして、前記補償器の
３つのゲインを計算することを特徴としている。

【００１０】

【作用】本発明の制御装置によれば、理想的な二重積分
の特性と実際の制御対象の伝達関数との誤差を求めて、
式■〜■で表現される理想的な補償器であるＰＩＤレギ
ュレータのゲインの計算式中のサーボ帯域ｆ０および位
相余有θ０　を修正することにより、設計値通りの特性
を持つ制御系が設計される。この結果、経験に頼ること
なく、ＰＩＤレギュレータのゲインを定めることができ
る。

【００１１】

【実施例】以下添付図面を用いて本発明の実施例を詳細
に説明する。図２は本発明の制御装置の一実施例の構成
を示すものであり、与えられた入力ｒに対して出力ｙが
二重積分される制御対象１０、すなわち定数をＫ、ラプ
ラス演算子をｓで表現した時に、Ｋ／ｓ２　なる伝達関
数で近似できるような伝達関数を持つ制御対象１０を制
御する場合の、ＰＩＤレギュレータ２０を含む制御ブロ
ックの構成を示すものである。ＰＩＤレギュレータ２０
は、制御対象１０の出力信号ｙを閉ループ系を通して読
み込んでこれを３つに分け、１つはそのままで比例（Ｐ
）信号とし、積分要素２１を通したものは積分（Ｉ）信
号とし、微分要素２２を通したものは微分（Ｄ）信号と
して、それぞれ乗算器２３，２４，２５で所定のゲイン
ｆｐ，　ｆｉ，　ｆｄを乗算した後に加算し、加算信号
ｕを制御対象１０に入力してこれを制御する。

【００１２】このＰＩＤレギュレータ２０の比例、微分
、積分値に各々掛けるゲインｆｐ，　ｆｉ，　ｆｄは、
ゲイン演算器３０において、ＲＯＭ等のメモリ４０に予
め記憶された開ループ特性のゲインが０ｄＢとなる周波
数ｆ０と、この周波数ｆ０での位相角に１８０度を加算
した値である位相余有θ０　と、開ループ特性の形状を
決定するための係数ζを使用して、ω０　＝２πｆ０と
して、次の式■〜■を基にして演算される。

【００１３】 　　　　　ｆｐ　＝　　ω０２／（Ｋ（１＋ｔａｎ２θ
０　）１／２　）　　　　　　　　　　　　　　　　　
　…■　　　　　ｆｉ　＝　１／２Ｋ　×（（（１＋ζ
２ｔａｎ２　θ０　）１／２／ζ　ｔａｎθ）　−１）
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　×（　ω０
３ｔａｎ　θ０　）　／（１＋ｔａｎ２θ０　）１／２
　　　　　　…■　　　　　ｆｄ　＝　１／２Ｋ　×（
（（１＋ζ２ｔａｎ２　θ０　）１／２／ζ　ｔａｎθ
）　＋１）　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
×（　ω０ｔａｎθ０　）　／（１＋ｔａｎ２θ０　）
１／２　　　　　　　　…■　　次に、設計者の要求す
るサーボ帯域ｆ０および位相余有θ０　を得るための基
本となる上述の■〜■式を導出する。

【００１４】制御対象がＫ／ｓ２　で表現される時、こ
の制御系をＰＩＤレギュレータ２０により制御するもの
とし、ＰＩＤレギュレータ２０の比例（Ｐ）・積分（Ｉ
）・微分（Ｄ）のゲインをそれぞれｆｐ、ｆｉ、ｆｄと
すると、制御対象１０およびＰＩＤレギュレータ２０の
伝達関数を掛け合わした、制御系の開ループ特性は、　
　　　　　　　　　　　Ｇｏｐｅｎ（ｓ）　＝Ｋ／ｓ２
×（ｆｄｓ２　＋ｆｐｓ　＋ｆｉ）　／ｓ２　　　　　
　　　　　…　（３）となる。この式を、 　　　　　　　　　　　　Ｇｏｐｅｎ（ｓ）　＝Ｋｆｄ
／ｓ　×（ｓ２　＋２ζω１ｓ＋ω１２）　／ｓ２　　
　　…　（４）とすること考える。そのために、（３）
　式が定められたサーボ帯域をｆ０、位相余有をθ０　
に一致するための条件を求めると、 ω０　＝　２πｆ０　　　　　　　　　　　　　　　　
　　…　　（５）として、｜Ｇｏｐｅｎ（ｊω０）｜　
　＝　　１　　　…　　（６）ａｒｇ（Ｇｏｐｅｎ（ｊ
ω０））　＝　　θ０　−π　　　　…　　（７）より
、 　　　　　ｆｐ　＝　　ω０２／（Ｋ（１＋ｔａｎ２θ
０　）１／２　）　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　…　（８）　　　　　ｆｉ　＝　　ｆｄω０２−
　（ω０３ｔａｎ　θ０　）　／Ｋ（１＋ｔａｎ２θ０
　）１／２　　　　…　（９）　　　　　ｆｄ　＞　　
　（ω０ｔａｎθ０　）　／Ｋ（１＋ｔａｎ２θ０　）
１／２　　　　　　　　　　　　　　…　（１０）　と
求まる。（８）　〜（１０）式を（４）　式に代入して
、　　　　　ｆｐ　＝　　ω０２／（Ｋ（１＋ｔａｎ２
θ０　）１／２　）　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　…　　■　　　　　ｆｉ　＝　１／２Ｋ　×（
（（１＋ζ２ｔａｎ２　θ０　）１／２／ζ　ｔａｎθ
）　−１）　　　　　　　　　　　　　　　　×（　ω
０３ｔａｎ　θ０　）　／（１＋ｔａｎ２θ０　）１／
２　　　　　　　　…　　■　　　　　ｆｄ　＝　１／
２Ｋ　×（（（１＋ζ２ｔａｎ２　θ０　）１／２／ζ
　ｔａｎθ）　＋１）　　　　　　　　　　　　　　　
　×（　ω０ｔａｎθ０　）　／（１＋ｔａｎ２θ０　
）１／２　　　　　　　　　　…　　■と求めることが
できる。

【００１５】（４）　式中のζは図３に示す周波数−ゲ
イン特性中のクビレの形状を表す係数であり、ＰＩＤレ
ギュレータ２０のゲインは、ζ・サーボ帯域ｆ０，　位
相余有θ０，制御対象のゲインの４つの値を用いて表現
することができる。この式は、あくまでも制御対象が二
重積分の形式の伝達関数を持つものを対象としている。 しかるに、制御対象が二重積分で近似できるような場合
にも、理想的な二重積分の特性からのゲインと位相のズ
レを補正するように、初期に与えたサーボ帯域ｆ０と位
相余有θ０　を修正すれば、設計値通りのサーボ帯域と
位相余有を持つ制御系を得ることができる。

【００１６】この計算を行うための計算手順を図４に構
造化フローチャートにて示す。この計算手順を簡単に説
明すると、ステップ４０１　では制御系の特性の設定が
行われ、ステップ４０２　では■〜■式によりゲインの
計算が行われる。また、ステップ４０３にて制御系の特
性の測定、またはシミュレーションが行われ、ステップ
４０４　にてサーボ帯域と位相余有の誤差Δｆ，Δθが
計算される。そして、ステップ４０５　にてサーボ帯域
と位相余有の誤差Δｆ，Δθの絶対値がそれぞれα、β
よりも小さいか否かが判定され、小さいときにはステッ
プ４０６　に進んでゲインｆｐ，　ｆｉ，　ｆｄが得ら
れる。一方、ステップ４０５　においてサーボ帯域と位
相余有の誤差Δｆ，Δθの絶対値がそれぞれα、β以上
の時は、ステップ４０５１からステップ４０５３のルー
プが実行される。ステップ４０５１では誤差を修正して
ゲインの再計算が行われ、ステップ４０５２では制御系
の特性の測定、またはシミュレーションが行われ、ステ
ップ４０５３にてサーボ帯域と位相余有の誤差Δｆ，Δ
θが計算される。

【００１７】図５は本発明の制御装置の別の実施例の構
成を示すものであり、図２と同じ構成部分には同じ符号
を付してあり、積分要素２１はこの実施例ではＴ／（Ｚ
−１）で示されている。この実施例の制御装置は、オブ
ザーバ５０を利用した制御系の構成例であり、この実施
例では、制御系の特性を測定またはシミュレーションに
より求めてサーボ帯域・位相余有を計算し、設計目標と
するサーボ帯域は一定としておき、位相余有とＰＩＤレ
ギュレータゲインその物の修正を行なっている。ここで
は、シミュレーションにより制御系の設計値と実測値と
の誤差を調べてみる。ここでは、制御対象１０′は、１
／Ｓ２　として、サーボ帯域を一定にして位相余有と先
に挙げた制御系の開ループ特性形状を決定するζを変化
させた時の誤差を調べる。ここでは設計例として、微分
値を生成させる方法としてオブザーバ５０を使用してい
る。また、制御用の補償器２０′はデジタル系で設計す
るものとする。

【００１８】まず、オブザーバ５０により、デジタル系
のサンプリング周波数をＴ（ｓ）としたときには、ｋＴ
時間の値を用いて、（ｋ＋１）Ｔ時間での観測値ｘおよ
びその微分値ｖは次のようになる。

【００１９】

【数１】

【００２０】なおｕは制御対象に出力する制御信号であ
り、ｙは制御対象から観測された観測信号である。ここ
でオブザーバ５０の詳細に関しては公知であり、その内
容は古田著「ディジタルコントロール」（コロナ社）等
の本に記述されているので、ここでは説明しない。図６
はこのオブザーバ５０を使用した時のＰＩＤレギュレー
タゲインの自動調整の計算手順の実施例を示す構造化フ
ローチャートであり、オブザーバ５０を使用した時に位
相余有とゲインに修正を加えている。ステップ６１では
初期値の設定を行い、ステップ６２ではステップ６２１
と６２２のループ処理を行う。このループ処理は、この
ステップ６２に従属するステップを所定回数Ｎ回行なっ
てから次のステップ６３に進むものである。従って、こ
のステップ６２では、ステップ６２１と６２２をＮ回行
なってからステップ６３に進む。ステップ６３ではＰＩ
Ｄレギュレータゲインの確定を行う。

【００２１】ステップ６２で行われるステップ６２１と
６２２もループ処理を行うので、ステップ６２１からス
テップ６２２に進む前には、ステップ６２１１からステ
ップ６２１４の処理をＮ回実行し、ステップ６２２では
、ステップ６２２１からステップ６２２５の処理をＮ回
実行する。ステップ６２１１ではＰＩＤレギュレータゲ
インの計算を行い、ステップ６２１２ではサーボ系の特
性を計算し、ステップ６２１３では位相余有の誤差を計
算し、ステップ６２１４では位相余有の補正を行う。 また、ステップ６２２１ではサーボ帯域でのゲインの計
算を行い、ステップ６２２２ではＰＩＤレギュレータゲ
インの補正を行い、ステップ６２２３ではサーボ系の特
性の計算を行い、ステップ６２２４では位相余有の誤差
を計算し、ステップ６２２５では位相余有の補正を行う
。

【００２２】このように、オブザーバ５０を使用した時
にゲインに修正を加えて■〜■式により計算される設計
誤差を示すと図７のようになる。一方、オブザーバ５０
を使用した時にゲインに変更を加えないで■〜■式によ
り計算される値をそのまま用いて得られた設計誤差は図
８に示すようになる。これらの図から分かることは、式
■〜■を使用しただけでは、オブザーバ５０や各種フィ
ルタの付加により、制御系は理想的な特性にはならない
ために、図８のように特性が設計値と大幅にずれること
になる。しかし、図６の手順によりゲインの調整を行っ
た時には、修正前と比較して、設計値により近い特性が
実現できることである。

【００２３】図９は、制御系の特性を測定またはシミュ
レーションにより求めてサーボ帯域と位相余有を計算し
、設計値との誤差を修正して再度計算する手順を示す構
造化フローチャートである。ステップ９１では初期値の
設定を行い、ステップ９２ではステップ９２１と９２２
のループ処理を行う。ここでもループ処理は、ステップ
９２に従属するステップを所定回数Ｎ回行なってから次
のステップ９３に進むものである。従って、このステッ
プ９２では、ステップ９２１と９２２をＮ回行なってか
らステップ９３に進む。ステップ９３ではＰＩＤレギュ
レータゲインの確定を行う。

【００２４】ステップ９２で行われるステップ９２１と
９２２もループ処理を行う。ここで、ステップ６２１に
おいて行われるループ処理は、図６のステップ６２１で
行われるループ処理（ステップ６２１１〜６２１４）と
同じであるので、同じステップ番号を付してその説明を
省略する。ステップ９２２では、ステップ９２２１から
ステップ９２２６の処理をＮ回実行する。ステップ９２
２１ではＰＩＤレギュレータゲインの計算を行い、ステ
ップ９２２２ではサーボ帯域でのゲインの計算を行い、
ステップ９２２３ではＰＩＤレギュレータゲインの補正
を行い、ステップ６２２４ではサーボ系の特性の計算を
行い、ステップ９２２５ではサーボ帯域の誤差を計算す
る。ステップ９２２６ではサーボ帯域の補正を行う。

【００２５】このような計算を実行するための装置は、
この計算アルゴリズムをプログラムとして計算機上で計
算することにより行うことができる。また、この計算機
を実際の装置内に装備して、制御対象をシミュレーショ
ンではなく、実際に測定しながらＰＩＤレギュレータゲ
インの最適値を決定することもできる。図１０は、計算
機の外部記憶装置として用いられている、磁気ディスク
装置の構成例であり、この装置に本発明の制御装置を使
用する場合について説明する。この装置では、サブミク
ロンの精度で磁気ヘッドＨを磁気ディスクＤ上の特定の
トラックに追従するように動作させる必要がある。磁気
ヘッドＨから観測された目標トラックとの位置誤差の信
号は、デモジュレータ１０１、増幅器１０２、アナログ
／デジタル変換器（Ａ／Ｄコンバータ）１０３により、
デジタル信号に変換され、データバス１０４を通じて位
置決め制御の計算を行うＭＰＵ１０５に取り込まれる。 ＭＰＵ１０５では取り込まれた位置誤差信号と現在の磁
気ヘッドＨを移動させるための制御信号とを主に使用し
て、新たな制御信号が生成され、デジタル／アナログ変
換器（Ｄ／Ａコンバータ）１０６に送られる。アナログ
信号に変換された制御信号は、パワーアンプ１０７によ
り増幅されて、制御対象である磁気ヘッドＨを移動させ
るためのボイス・コイル・モータ（ＶＣＭ）１０８に与
えられる。１０９はＲＯＭ、１１０はＲＡＭ、１１１は
ハードディスクコントローラ、１１２はインタフェース
に接続するインタフェースＩＣである。

【００２６】このＶＣＭ１０８に制御信号を与えてから
磁気ヘッドＨから位置誤差信号を得るまでの伝達関数は
、簡単には二重積分形式に近似することができる。その
ために、本発明の装置がそのまま適用できる。本発明に
おけるＰＩＤレギュレータは、この磁気ディスク装置の
例では、観測位置から制御信号を生成する際、すなわち
、Ａ／Ｄコンバータ１０３から得られた信号を加工して
Ｄ／Ａコンバータ１０６により出力するまでの信号を加
工する際に用いられる。

【００２７】本発明の装置をこのような装置に適用する
ためには大きく分けて２通りの方法がある。１つはＰＩ
Ｄレギュレータゲインの計算を装置外部の計算機により
予め計算しておき、装置内には固定されたゲインのみを
持たせる方法である。もう一つの方法は、装置自身に設
計目標となるサーボ帯域・位相余有の情報を持たせてお
き、制御対象の特性を測定しながらＰＩＤレギュレータ
ゲインを前述の計算手順に基づいて自動修正する方法で
ある。

【００２８】さらに、前述の装置への２つの適用方法の
内で後者の、装置自身が設計目標を持ち、ゲインを自動
修正する方法には、２通りの方法がある。１つは制御対
象に実際に制御信号を与えて動作させながらゲインを決
定する方法である。もう１つの方法は、制御対象の伝達
関数を予め別の方法で求めておき、制御対象に制御信号
を与えることなく、シミュレーションによりゲインを決
定する方法である。

【００２９】まず、外部でゲインを計算しておく方法を
簡単に説明する。図１０の装置の例では、外部により制
御対象の特性および設計者の希望する特性に応じて決定
されたＰＩＤレギュレータゲインの値は、図中のＲＯＭ
１０９に記憶しておく。ＭＰＵ１０５は観測した位置誤
差信号から積分値と微分値を生成して、ＲＯＭ１０９上
のゲインを位置誤差信号・積分値・微分値の３つに掛け
て制御信号を出力すればよい。この方法は一般的に行わ
れているが、使用するゲインの値が前述の計算手順によ
り計算された値であることが従来と異なる。

【００３０】次に、装置側でゲイン計算を行う方法の内
で、制御対象を動作させながらゲイン決定を行う手順を
説明する。図１１がその手順を示す概略の構造化フロー
チャートである。ステップ１１では制御系の特性を決定
し、ステップ１２において■〜■式を用いてゲインの計
算を行う。ステップ１３はループ処理を行うものであり
、ここでは、サーボ帯域の誤差Δｆの絶対値が所定値ε
ｆ　以上の場合、または位相余有の誤差Δθの絶対値が
所定値εθ以上の場合にステップ１３１〜１３３を実行
する。ステップ１３１は周波数ｆ０　の制限波を発生し
、制御対象に与え、ステップ１３２では制御対象の動作
を観測してサーボ帯域の誤差Δｆと位相余有の誤差Δθ
を求め、ステップ１３３でゲインの修正を行う。このル
ープ処理で、サーボ帯域の誤差Δｆの絶対値が所定値ε
ｆ　より小さい場合、または位相余有の誤差Δθの絶対
値が所定値εθより小さい場合にステップ１３からステ
ップ１４に進んでステップ１３３で修正したゲインを出
力として得る。

【００３１】以上の手順では目標となるサーボ帯域での
ゲインが０ｄＢに、また位相余有が与えられた値になる
ことが求められている。この為にまず、制御対象である
磁気ヘッドＨを目標トラック上に静止させておき、その
時点でサーボ帯域の周波数ｆ０　の正弦波を発生させて
制御信号に加算する。この時の位置誤差信号を観測して
、与えた正弦波との大きさ及び位相差、つまりサーボ帯
域でのゲインと位相余有を計算する。この結果を用いて
、図６や図９で示されるアルゴリズムを用いてレギュレ
ータゲインの値が修正される。

【００３２】この手順では制御対象を実際に動作させな
ければならない。ところが、制御対象を動作させる時に
、制御対象によっては制御不能に陥ることが予想される
。これは、制御対象に機械系の共振点を持つような場合
である。制御対象がこのような共振点を持つと、その共
振点の周波数付近での制御系のゲインが０ｄＢを越える
時には制御不能となるのである。この為に、図１２で示
す別の手順が考えられる。図１２の手順では図１１に示
した手順と同じものについては同じステップ番号を付し
てある。この手順では予め決められた周波数以上の制御
系のゲインを減少させるために、高域阻止フィルタを挿
入しておき、ステップ２２において初期の高域阻止フィ
ルタの周波数ｆｃを設定し、ステップ１３では、ステッ
プ１３１の後に制御可能か否かの判定ステップ１３４を
置き、制御可能の時は図１１と同様にステップ１３１と
１３３を実行し、制御可能でない時はステップ１３５に
おいてフィルタの周波数を変更するようにしている。

【００３３】この結果、ＰＩＤレギュレータゲインがゲ
イン調整中に制御不能になったらフィルタの阻止域を決
められた量だけ低くしてフイルタ定数を設定し直して、
再度ＰＩＤレギレータゲインを調整する。そして、高域
阻止フィルタの阻止域がサーボ帯域付近に近づいてもな
お、ゲイン調整中に制御不能になるならば、初期の設計
値であるサーボ帯域が不適切であると見なして、より低
い値に変更する。その後に再度ゲイン調整を試みるので
ある。

【００３４】さて、装置側でゲインの計算を行う手順の
内で、制御対象の伝達関数を予め求めておくものを説明
する。この手順では前もって、制御対象の伝達特性を求
めておく必要がある。伝達特性を求める方法には２つあ
り、１つは外部の計測装置で測定する方法、２つ目は装
置自身が測定する方法である。この伝達特性を求めるに
は、外部・内部の何れの測定方法を取るにしても、図１
２で示すように、ある周波数帯域でのゲインと位相を測
定することになる。このゲインと位相から、制御対象の
伝達特性は計算できる。磁気ディスク装置等の装置はこ
の伝達特性を式として内部に保持しておき、この特性式
を用いてシミュレーションにより図６や図９に示される
手順でＰＩＤレギュレータゲインの調整を行うのである
。

【００３５】ところで、この様な制御系のサーボ帯域や
位相余有等の特性の値は、装置のＲＯＭ１０９上に記憶
されている方がよい。このＲＯＭ１０９上の値はゲイン
調整が必要となる時にだけ読みだされて使用される。ま
た、外部の装置からこの設計特性値を修正することもで
きる。例えば、インターフェースを介してサーボ帯域と
位相余有等の値が制御用のＭＰＵ１０５に与えられて、
ゲイン調整を行うものである。ゲイン調整を内部で行う
にしても、調整されたゲインは再度ＲＯＭ１０９上に保
存しておくほうがよい。これは、装置の電源が切断され
たときにＲＡＭ１０９上の値が消滅することを防ぐため
である。例えば、電気的に書込み消去が可能なＥＥＰＲ
ＯＭや、バッテリによりバックアップされたＳＲＡＭ等
がこのような用途に適する。

【００３６】装置内部でゲイン調整を行う際には、その
調整用のアルゴリズムを実現するプログラムのサイズが
大きくなる。ＭＰＵ１０５のプログラム領域に余裕が無
い時には、外部装置からそのゲイン調整用プログラムを
制御用ＭＰＵ１０５に転送すればよい。また、磁気ディ
スク装置や光磁気ディスク装置等の記憶装置の場合には
、ゲイン調整用のプログラムを予め磁気ディスク等の装
置自身が持つ記録媒体上に記録しておき、必要になった
ときにそのプログラムを読み出すことにより、制御用の
ＭＰＵ１０５の抱えるプログラム領域のサイズを最小限
に抑えることができる。

【００３７】ところで、本発明のゲイン調整手順を備え
た、ＰＩＤレギュレータは、ＩＣとして作成することも
できる。このＩＣ７０の構成例を図１３に示す。このＩ
Ｃ７０の動作は、まず外部からＩＣ７０に与えられたサ
ーボ帯域・位相余有等の制御情報を内部に保持しておく
。ＩＣ７０がゲイン調整用のコマンドを受け取ると、図
６または図９の様な演算手順に基づいてゲイン調整を行
う。ゲイン調整前に正常に制御対象が動作する様に、Ｉ
Ｃ７０にはゲインの初期値を与えることも出来る。それ
以外の時には、予め定められたクロックに基づいて観測
信号をサンプリングして取込み、内部で設定されたＰＩ
Ｄレギュレータのゲインを用いて演算を行い制御信号を
出力する。

【００３８】なお、ＰＩＤレギュレータゲインを計算す
る前に、制御対象の伝達関数を測定により求めておき、
制御対象に対してＰＩＤレギュレータゲイン計算用の信
号を与えることなく、計算機上のシミュレーションによ
りゲインの決定を行うようにしても良い。また、予め測
定されている制御対象の伝達関数から制御対象の共振点
を探して、その共振点の周波数付近の開ループゲインを
減少させるようにフィルタを挿入した後に、制御対象の
伝達関数およびフィルタの伝達関数を掛け合わせた伝達
関数に対して、ＰＩＤレギュレータゲインを計算するよ
うにしても良い。

【００３９】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
ＰＩＤレギュレータのゲイン設計を設計者の経験に頼る
ことなく、自動的に行うことができるので、自動化およ
び装置の制御性能の向上に寄与するところが大きいとい
う効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の制御装置の構成を示す原理構成図であ
る。

【図２】本発明の制御装置の一実施例の構成を示すブロ
ック図である。

【図３】図２における周波数−ゲイン特性図である。

【図４】図２の装置におけるゲインの計算手順を示す構
造化フローチャートである。

【図５】オブザーバを用いた制御装置の構成を示すブロ
ック図である。

【図６】図５の装置のＰＩＤレギュレータゲインの自動
調整手順を示す構造化フローチャートである。

【図７】図６の手順によるゲイン修正ありの場合の設計
誤差を示す特性図である。

【図８】計算式■〜■のみを適用したゲイン修正なしの
場合の設計誤差を示す特性図である。

【図９】図５の装置のＰＩＤレギュレータゲインの別の
自動調整手順を示す構造化フローチャートである。

【図１０】本発明を適用する磁気ディスク装置の構成例
を示すブロック図である。

【図１１】図１０の装置の制御手順を示す構造化フロー
チャートである。

【図１２】図１０の装置の別の制御手順を示す構造化フ
ローチャートである。

【図１３】本発明のＰＩＤレギュレータをＩＣ化した場
合の構成を示す構成図である。

【図１４】従来のＰＩＤレギュレータによる制御系の構
成を示すブロック図である。

【符号の説明】

１…ＰＩＤレギュレータ ２…ゲイン演算手段 ３…データ格納手段 １０…制御対象 ２０…ＰＩＤレギュレータ ３０…ゲイン演算器 ４０…メモリ ５０…オブザーバ ７０…ＩＣ Ｄ…ディスク Ｈ…ヘッド

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　与えられた入力に対して出力が定数Ｋ
   、ラプラス演算子ｓを用いてＫ／ｓ２　なる伝達関数で
   近似できるような伝達関数を持つ制御対象を制御する制
   御装置であって、出力信号に対する比例、積分、微分信
   号に予め定められたゲインを乗算した後に加算して前記
   制御対象への信号を生成する働きをする補償器（１）　
   と、この補償器の比例、微分、積分値に各々掛けるゲイ
   ン（ｆｐ　、ｆｉ、ｆｄ）　を計算するゲイン演算手段
   （２）と、予め、開ループ特性のゲインが０ｄＢとなる
   周波数（ｆ０）と、この周波数（ｆ０）での位相角に１
   ８０度を加算した値である位相余有　（θ０）と、開ル
   ープ特性の形状を決定するための係数　（ζ）　とを格
   納するデータ格納手段（３）　とを備え、前記ゲイン演
   算手段（２）　がω０　＝２πｆ０として、次の式：　
   　　　　ｆｐ　＝　　ω０２／（Ｋ（１＋ｔａｎ２θ０
   　）１／２　）　　　　　　　　　　　　　　　　　　
   …■　　　　　ｆｉ　＝　１／２Ｋ　×（（（１＋ζ２
   ｔａｎ２　θ０　）１／２／ζ　ｔａｎθ）　−１）　
   　　　　　　　　　　　　　　　　　　　×（　ω０３
   ｔａｎ　θ０　）　／（１＋ｔａｎ２θ０　）１／２　
   　　　　　…■　　　　　ｆｄ　＝　１／２Ｋ　×（（
   （１＋ζ２ｔａｎ２　θ０　）１／２／ζ　ｔａｎθ）
   　＋１）　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　×
   （　ω０ｔａｎθ０　）　／（１＋ｔａｎ２θ０　）１
   ／２　　　　　　　　…■を基にして、前記補償器の３
   つのゲインを計算することを特徴とする制御装置。
2. 【請求項２】　　前記ゲイン演算手段（２）　が、前記
   式■〜■に基づいて実際の制御系の特性を計算した時に
   、設計時に要求しているサーボ帯域（ｆ０）および位相
   余有　（θ０）との誤差　（Δｆ、Δθ）を計算して、
   予め定めた重み係数　（ｗ）　を用いて、サーボ帯域（
   ｆ０）または位相余有　（θ０）の少なくとも一方を、 のようにして修正することにより、設計初期の特性に近
   づけることを特徴とする請求項１に記載の制御装置。
3. 【請求項３】　　制御対象の伝達関数が未知である時に
   制御対象を制御する制御装置であって、開ループ特性を
   測定するための手段を更に備え、サーボ帯域と位相余有
   の誤差を測定と同時に逐次修正しながら設計値に近づけ
   ていくことを特徴とする請求項１に記載の制御装置。
4. 【請求項４】　　前記制御対象が制御不能な状態に陥っ
   たか否かを検出する手段と、前記制御対象が制御不能な
   状態に陥った場合に、前記データ格納手段（３）に格納
   されたサーボ帯域（ｆ０）を予め定められた値だけ小さ
   くして設計特性を変更するデータ変更手段とを更に備え
   たことを特徴とする請求項３に記載の制御装置。
5. 【請求項５】　　制御系に挿入された高域阻止フィルタ
   を更に備え、ＰＩＤレギュレータのゲインを調整する際
   に、制御対象が制御不能な状態に陥った場合に、高域阻
   止フィルタの阻止域を低域側に広げて、再度ＰＩＤレギ
   ュレータゲインの決定を行うことを特徴とする請求項４
   に記載の制御装置。
6. 【請求項６】　　外部から与えられる、サーボ帯域と位
   相余有と開ループ特性形状を表す係数ζとを記憶する手
   段を更に備え、開ループ特性を与えられた特性になるよ
   うに内部でゲインを修正することを特徴とする請求項１
   から５の何れか１項に記載の制御装置。