JPH04369002A - Predictive learning control system based upon approximate step response - Google Patents

Predictive learning control system based upon approximate step response

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JPH04369002A
JPH04369002A JP17309191A JP17309191A JPH04369002A JP H04369002 A JPH04369002 A JP H04369002A JP 17309191 A JP17309191 A JP 17309191A JP 17309191 A JP17309191 A JP 17309191A JP H04369002 A JPH04369002 A JP H04369002A
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JP
Japan
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time
control
step response
deviation
control system
Prior art date
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Application number
JP17309191A
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Japanese (ja)
Inventor
Kazuhiro Tsuruta
和寛 鶴田
Yuji Nakamura
裕司 中村
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Yaskawa Electric Corp
Original Assignee
Yaskawa Electric Corp
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Publication date
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Publication of JPH04369002A publication Critical patent/JPH04369002A/en
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Abstract

PURPOSE:To shorten a calculation time for a control input by sampling only first N step responses, and when a difference value is reduced at an attenuation ratio P, approximating succeeding step responses so as to reduce the number of step responses to be sampled as small as possible. CONSTITUTION:In a control system for applying an input to a target to be controlled so as to allow the output of the controlled target to be matched with an objective value repeating the same pattern at a fixed period, a control input u (i) at current sampling time (i) is expressed by u (i)=u (i')+sigma (i) and the shown equation I. In the equation I, u (i') is a control input at time i' preceding one period from the time (i), sigma (i) is a correction variable at the time (i), e (i) is a deviation at the time (i), N is the number of step response samples in the control system, M is the predictive number of steps for a control deviation, and gn (n=1 to N-1), Q and qm (m=1 to M) are constants determined by the sample value of a step response in the control system and weight applied to the predictive value of a control deviation.

Description

【発明の詳細な説明】[Detailed description of the invention]

【0001】0001

【産業上の利用分野】本発明は、繰り返し動作をする工
作機械、ロボット等の制御方式に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a control system for machine tools, robots, etc. that perform repetitive operations.

【0002】0002

【従来の技術】周期的目標値に対する学習制御方式とし
ては、特開平1−237701号公報の第1の発明にお
いて提案された方式がある。この方式は、同じ目標値に
対する動作を繰り返し、過去の偏差をもとに未来の偏差
を予測し、その値が最小となるように制御入力を補正し
ていくもので、最終的には目標値と出力が一致するため
、高精度な追従動作を実現するものである。具体的には
、現在の入力を
2. Description of the Related Art As a learning control method for periodic target values, there is a method proposed in the first invention of Japanese Patent Laid-Open No. 1-237701. This method repeats the operation for the same target value, predicts the future deviation based on the past deviation, and corrects the control input so that this value becomes the minimum. Since the output matches the output, highly accurate tracking operation is achieved. Specifically, the current input is

【0003】0003

【数2】[Math 2]

【0004】と表し、0004],

【0005】[0005]

【数3】[Math 3]

【0006】を利用してu(i) を決定するものであ
る。 ここで、Hj (j=1,2, ・・・,N) は制御
対象のステップ応答のサンプリング間隔Tでのサンプル
値であり、Nは応答が充分に整定するように、すなわち
HN ’ =HN (N’ >N)となるように選ぶも
のとする(図2参照)。 但し、a(i) :現在時刻iにおける増分補正量i0
 :増分補正量の初期値を設定した時刻e(i) :時
刻iにおける偏差 N  :制御系のステップ応答のサンプリング点数M 
 :制御偏差の未来予測ステップ数qk (k=1,2
,...,M) 、Q、gn (n=1,2,...,
N−1) :制御系のステップ応答のサンプル値と、制
御偏差の予測値にかける重みとで決まる定数
U(i) is determined using the following equation. Here, Hj (j=1, 2, ..., N) is the sample value of the step response of the controlled object at the sampling interval T, and N is set so that the response is sufficiently stable, that is, HN' = HN (N'>N) (see FIG. 2). However, a(i): Incremental correction amount i0 at current time i
: Time e(i) when the initial value of the incremental correction amount was set : Deviation N at time i : Number of sampling points M of the step response of the control system
: Future prediction step number of control deviation qk (k=1,2
、. .. .. ,M) ,Q,gn (n=1,2,...,
N-1): Constant determined by the sample value of the step response of the control system and the weight applied to the predicted value of control deviation

【0007】[0007]

【発明が解決しようとする課題】ところが、周期的目標
値に対する上述の設計法では、制御系のステップ応答の
サンプリング点数Nを、ステップ応答が整定するところ
までとらなければならないという問題点があった。そこ
で、本発明は、Nの数をできるだけ減らし、u(i) 
の算出時間を短くできる方式を提供することを目的とす
る。
[Problem to be Solved by the Invention] However, in the above-mentioned design method for periodic target values, there is a problem in that the number of sampling points N of the step response of the control system must be set until the step response becomes stable. . Therefore, the present invention reduces the number of N as much as possible so that u(i)
The purpose is to provide a method that can shorten the calculation time.

【0008】[0008]

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、本発明では、ステップ応答を最初のN個だけサンプ
リングして、その後は減衰比Pで差分値hk が減少す
ると近似する方法を用いることにより、一定周期で同じ
パタンを繰り返す目標値に制御対象の出力を一致させる
よう制御対象に入力を加える制御系において、現在のサ
ンプリング時刻iにおける制御入力u(i) を、u(
i) =u(i’)+σ(i)
[Means for Solving the Problems] In order to solve the above problems, the present invention uses a method of sampling only the first N steps of the step response, and thereafter approximating that the difference value hk decreases by the damping ratio P. By doing this, in a control system that applies input to a controlled object so that the output of the controlled object matches a target value that repeats the same pattern at a constant period, the control input u(i) at the current sampling time i is changed to u(
i) =u(i')+σ(i)

【0009】[0009]

【数4】[Math 4]

【0010】とすることを特徴とする。It is characterized by the following.

【0011】[0011]

【作用】上記手段により、ステップ応答の最初のN個だ
け使用し、その後は減衰比Pで差分値hk が減少する
と近似して制御式をたてるので、Nの数が大幅に減少し
、u(i) の算出時間が短くなる。
[Operation] By using the above means, only the first N pieces of the step response are used, and thereafter the control equation is established by approximating that the difference value hk decreases with the damping ratio P, so the number of N is greatly reduced, and u (i) The calculation time becomes shorter.

【0012】0012

【実施例】以下、本発明を実施例に基づいて具体的に説
明する。図1は、本発明の実施例の構成を示すブロック
図であり、同図において、1は指令発生器であり、現在
時刻iにおける目標値r(i) を発生する。2は減算
器であり、偏差e(i) を求める為に用いる。3は定
数q1 ,q2,・・・,qM ,Q,g1 ,g2 
,・・・,gN−1 のメモリ、4は現在時刻i及び過
去1周期分の偏差e(j) (j=i,i−1, ・・
・,i’+1,i’) のメモリである。但し、i’は
現在時刻より1周期前のサンプリング時刻である。また
、5は1サンプリング前の時刻よりN−1回前までの補
正量σ(j)(j=i−1,i−2,  ・・・,i−
N+1) のメモリであり、6は1サンプリング前の時
刻より1周期前までの制御入力u(j) (j=i−1
,i−2, ・・・,i’+1,i’) のメモリであ
る。また、7は演算器であり、
EXAMPLES The present invention will be specifically explained below based on examples. FIG. 1 is a block diagram showing the configuration of an embodiment of the present invention. In the figure, 1 is a command generator, which generates a target value r(i) at the current time i. 2 is a subtracter, which is used to obtain the deviation e(i). 3 are constants q1, q2,..., qM, Q, g1, g2
,..., gN-1 memory, 4 is the deviation e(j) between the current time i and one past cycle (j=i, i-1,...
, i'+1, i'). However, i' is a sampling time one cycle before the current time. In addition, 5 is the correction amount σ(j) (j=i-1, i-2, ..., i-
N+1) memory, and 6 is the control input u(j) (j=i-1) up to one cycle before the time before one sampling.
, i-2, ..., i'+1, i'). Also, 7 is a computing unit,

【0013】[0013]

【数5】[Math 5]

【0014】なる演算によって、今回の補正量σ(i)
 を算出する。8は加算器であり、1周期前の時刻にお
ける制御入力u(i’)と、今回の補正量σ(i) と
を加算して、今回の制御入力u(i) を出力する。9
、10はサンプリング周期Tで閉じるサンプラであり、
11はホ−ルド回路である。12は制御対象であり、入
力はu(t) で、出力である被制御量はx(t) で
ある。2〜11は制御系において、通常コントロ−ラと
呼ばれる部分であるが、汎用のディジタル回路あるいは
マイクロコンピュ−タによって簡単に実現できる。また
、制御対象12の中にすでに何らかの制御系(補償器等
)が含まれていても構わない。ここで、(1) 式の導
出を行う。制御対象12のステップ応答を最初のN個だ
けサンプリングして、その後は差分値hk が減衰比P
で減少すると近似すれば、パルス伝達関数は、
By the calculation, the current correction amount σ(i)
Calculate. 8 is an adder which adds the control input u(i') at the time one cycle before and the current correction amount σ(i), and outputs the current control input u(i). 9
, 10 is a sampler that closes at a sampling period T,
11 is a hold circuit. Reference numeral 12 denotes a controlled object, where the input is u(t) and the output, the controlled quantity, is x(t). In the control system, 2 to 11 are parts commonly called controllers, which can be easily realized using general-purpose digital circuits or microcomputers. Further, the controlled object 12 may already include some control system (such as a compensator). Here, equation (1) is derived. After sampling the first N step responses of the controlled object 12, the difference value hk becomes the damping ratio P.
If we approximate that the pulse transfer function decreases by

【0015】[0015]

【数6】[Math 6]

【0016】で表される。但し、hj (j=1,2,
 ・・・,N) は、第3図に示すように単位ステップ
応答のサンプル値Hj の差分値であり、hj =Hj
 −Hj−1 と表され、Ks は定常ゲインである。 (「ディジタル・システム制御」p224−p225 
昭晃堂.盛田誠之助著より)したがって、時刻iにおけ
る出力x(i) は、
It is expressed as follows. However, hj (j=1, 2,
..., N) is the difference value of the sample value Hj of the unit step response as shown in Fig. 3, and hj = Hj
-Hj-1, and Ks is a steady-state gain. (“Digital System Control” p224-p225
Shokodo. (From Seinosuke Morita) Therefore, the output x(i) at time i is

【0017】[0017]

【数7】[Math 7]

【0018】と書ける。同様に、時刻iより1周期前の
時刻i’ における出力x(i’)は、
It can be written as [0018]. Similarly, the output x(i') at time i' one cycle before time i is

【0019】[0019]

【数8】[Math. 8]

【0020】と書けるので、(2) 式から(3) 式
をひくと、
[0020] Therefore, subtracting equation (3) from equation (2), we get

【0021】[0021]

【数9】[Math. 9]

【0022】また、u(i) =u(i’)+σ(i)
 より、
[0022] Also, u(i) = u(i') + σ(i)
Than,

【0023】[0023]

【数10】[Math. 10]

【0024】となる。但し、δ(i) は時刻iにおけ
る補正量σ(i) に対する出力であり       δ(i) =x(i) −x(i’)  
                         
   ・・・・ (6)と定義する。ここで時刻iにお
いて、時刻i+1以降の補正量σ(j) (j=i+1
,i+2, ・・・)をすべてσ(i) と等しいと仮
定すると、時刻i+mにおける補正量σ(i+m) に
対する出力の予測値δ* (i+m) は、次式で与え
られる。
[0024] However, δ(i) is the output for the correction amount σ(i) at time i, and δ(i) = x(i) −x(i')

... Define (6). Here, at time i, the correction amount σ(j) after time i+1 (j=i+1
, i+2, .

【0026】[0026]

【数11】[Math. 11]

【0026】ここで、時刻i+m時点での出力の予測値
x* (i+m) は、(6) 式より、      
x* (i+m) =δ* (i+m) +x(i’+
m)                    ・・・
・(8) で与えられるので、偏差の予測値e* (i
+m) は、      e* (i+m) =r(i
+m) −x* (i+m)            
     =r(i+m) −x(i’+m)−δ* 
(i+m)           ・・・・(9) と
なる。さらに、 r(i’+m)=r(i+m) であるから、結局、       e* (i+m) =e(i’+m)−δ
* (i+m)                  
   ・・・・(10)となる。今、未来時刻i+Mま
での偏差の予測値の重み付き二乗和J
[0026] Here, the predicted output value x* (i+m) at time i+m is given by equation (6).
x* (i+m) =δ* (i+m) +x(i'+
m)...
・Since it is given by (8), the predicted deviation value e* (i
+m) is e* (i+m) = r(i
+m) -x* (i+m)
=r(i+m)-x(i'+m)-δ*
(i+m)...(9) Furthermore, since r(i'+m)=r(i+m), in the end, e* (i+m) = e(i'+m)-δ
* (i+m)
...(10). Weighted sum of squares J of predicted values of deviations from now to future time i+M

【0027】[0027]

【数12】[Math. 12]

【0028】を評価関数とし、このJが最小となるよう
に今回の補正量σ(i) を選ぶものとする。ここでW
m は未来時刻i+mにおける偏差の予測値e* (i
+m) にかける重みであり、その一例を図4、図5に
示す。Jを最小とするσ(i) は、       ∂J/∂σ(i) =0        
                      ・・・
・・・(12)で与えられ、(11)式,(10)式,
及び(7) 式より、
##EQU1## is an evaluation function, and the current correction amount σ(i) is selected so that this J is minimized. Here W
m is the predicted deviation value e* (i
+m), and examples thereof are shown in FIGS. 4 and 5. σ(i) that minimizes J is ∂J/∂σ(i) = 0
...
...Given by (12), equation (11), equation (10),
And from formula (7),

【0029】[0029]

【数13】[Math. 13]

【0030】であるので、(12)、(13)式より、
Therefore, from equations (12) and (13),

【0031】[0031]

【数14】[Math. 14]

【0032】となる。またδ(i) は(6) 式より
、        δ(i) =x(i) −x(i’
)              ={r(i’)− x
(i’)}−{r(i)−x(i) }       
       =e(i’)−e(i)       
                    ・・・・・
(15)と書き直せるので、(14)、(15)式より
、Jを最小とするσ(i) は次式で与えられる。
[0032] Also, from equation (6), δ(i) = x(i) −x(i'
) = {r(i')− x
(i')}-{r(i)-x(i)}
= e(i') - e(i)
・・・・・・
Since it can be rewritten as (15), from equations (14) and (15), σ(i) that minimizes J is given by the following equation.

【0033】[0033]

【数15】[Math. 15]

【0034】以上で、(1) 式で与えられる補正量σ
(i) が、(11)式で定義される評価関数を最小に
することが示された。また、qm ,Q及びgn は、
図3に示した制御対象のステップ応答を測定し、重みW
m を適当に与えることにより、あらかじめ算出される
ものである。次に、DCサーボモータの位置制御系に本
発明を用いた場合の動作例を図6に示す。図6において
、rはモータの目標位置指令、xは応答、eは偏差であ
る。この際のステップ応答を図7に示す。従来(例えば
特開平1−237701号公報)ではNは100程度必
要であったが、本発明ではNは6程度で収まっている。 なお、偏差が希望する値以内に収束したときは、過去1
周期分の制御入力の系列を用いてメモリ運転を行っても
良い。このときの構成を図8に示す。
[0034] From the above, the correction amount σ given by equation (1)
It was shown that (i) minimizes the evaluation function defined by equation (11). Also, qm, Q and gn are
The step response of the controlled object shown in FIG. 3 is measured, and the weight W
It is calculated in advance by giving m appropriately. Next, an example of operation when the present invention is used in a position control system of a DC servo motor is shown in FIG. In FIG. 6, r is the motor target position command, x is the response, and e is the deviation. The step response at this time is shown in FIG. Conventionally (for example, Japanese Unexamined Patent Publication No. 1-237701), N was required to be about 100, but in the present invention, N is about 6. In addition, when the deviation converges within the desired value, the past 1
Memory operation may be performed using a series of control inputs for periods. The configuration at this time is shown in FIG.

【0035】[0035]

【発明の効果】以上に説明したように、本発明によれば
、過去の偏差、現在の偏差、過去の補正量、過去の制御
入力、及びあらかじめ定められる定数を用いて、簡単な
四則演算により、一定周期をもつ目標値に最適に追従す
る制御入力の算出時間が短くなり、サンプリング周期を
従来のものより格段に短くできる。
[Effects of the Invention] As explained above, according to the present invention, by using the past deviation, current deviation, past correction amount, past control input, and predetermined constants, four simple arithmetic operations can be performed. The calculation time for the control input that optimally follows a target value having a constant period is shortened, and the sampling period can be much shorter than that of the conventional method.

【図面の簡単な説明】[Brief explanation of drawings]

【図1】本発明の実施例FIG. 1: Example of the present invention

【図2】従来例の説明図[Fig. 2] Explanatory diagram of conventional example

【図3】制御対象のステップ応答の例[Figure 3] Example of step response of controlled object

【図4】本発明の評価関数の一例[Figure 4] An example of the evaluation function of the present invention

【図5】本発明の評価関数の一例[Figure 5] An example of the evaluation function of the present invention

【図6】本発明の動作説明図[Fig. 6] Diagram explaining the operation of the present invention

【図7】本発明の動作説明図[Fig. 7] Diagram explaining the operation of the present invention

【図8】本発明の他の実施例FIG. 8 Another embodiment of the present invention

【符号説明】[Code explanation]

1  指令発生器 2  減算器 3  定数メモリ 4  現在時刻i及び過去1周期分の偏差eメモリ5 
 1サンプリング前の時刻よりN−1回前までの補正量
σのメモリ 6  1サンプリング前の時刻より1周期前までの制御
入力uのメモリ 7  演算器 8  加算器 9、10  サンプリング周期Tで閉じるサンプラ11
  ホ−ルド回路 12  制御対象
1 Command generator 2 Subtractor 3 Constant memory 4 Deviation e memory for current time i and past one cycle 5
Memory 6 for the correction amount σ up to N-1 times before the time before one sampling Memory 7 for the control input u up to one cycle before the time before one sampling Arithmetic unit 8 Adders 9, 10 Sampler that closes at sampling period T 11
Hold circuit 12 Control target

Claims (2)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】一定周期で同じパタンを繰り返す目標値に
制御対象の出力を一致させるよう制御対象に入力を加え
る制御系において、現在のサンプリング時刻iにおける
制御入力u(i) を、 u(i) =u(i’)+σ(i) 【数1】 (ただし、 σ(i) :時刻iにおける補正量 e(i) :時刻iにおける偏差 N  :制御系のステップ応答のサンプリング点数M 
 :制御偏差の未来予測ステップ数gn(n=1,2,
...,N−1)、Q、qm (m=1,2,...,
M) :制御系のステップ応答のサンプル値と制御偏差
の予測値にかける重みとで決まる定数 P  :ステップ応答のNサンプリング後の減衰比Ks
 :制御対象の定常ゲイン Hm (m=1,2,...,M) :制御対象の単位
ステップ応答のサンプリング間隔Tでのサンプル値 hk (k=1,2,...,N) :制御対象の単位
ステップ応答の差分値 とする)とすることを特徴とする学習制御方式。
Claim 1: In a control system that adds input to a controlled object so that the output of the controlled object matches a target value that repeats the same pattern at a constant period, the control input u(i) at the current sampling time i is expressed as u(i ) = u(i') + σ(i) [Equation 1] (However, σ(i): Correction amount e(i) at time i: Deviation N at time i: Number of sampling points M of step response of the control system
: Future prediction step number gn of control deviation (n=1, 2,
.. .. .. , N-1), Q, qm (m=1,2,...,
M): Constant P determined by the sample value of the step response of the control system and the weight applied to the predicted value of the control deviation: Damping ratio Ks after N sampling of the step response
: Steady-state gain Hm (m=1, 2,..., M) of the controlled object: Sample value hk (k=1, 2,..., N) at sampling interval T of unit step response of the controlled object: A learning control method characterized in that a difference value of a unit step response of a controlled object is used.
【請求項2】偏差が所定の値以内に収束したときは、過
去1周期分の制御入力の系列を用いてメモリ運転を行う
ことを特徴とする請求項1記載の学習制御方式。
2. The learning control method according to claim 1, wherein when the deviation converges within a predetermined value, memory operation is performed using a sequence of control inputs for one past cycle.
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2012045702A (en) * 2010-07-29 2012-03-08 Mitsubishi Heavy Ind Ltd Polishing apparatus

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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2012045702A (en) * 2010-07-29 2012-03-08 Mitsubishi Heavy Ind Ltd Polishing apparatus

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