JPH06324711A - Design system device for mechanism control system - Google Patents

Design system device for mechanism control system

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JPH06324711A
JPH06324711A JP5110223A JP11022393A JPH06324711A JP H06324711 A JPH06324711 A JP H06324711A JP 5110223 A JP5110223 A JP 5110223A JP 11022393 A JP11022393 A JP 11022393A JP H06324711 A JPH06324711 A JP H06324711A
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JP
Japan
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design
control system
equation
control
function
Prior art date
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Application number
JP5110223A
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Japanese (ja)
Inventor
Atsushi Arakawa
淳 荒川
Hiroichi Miyata
弘市 宮田
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Hitachi Ltd
Original Assignee
Hitachi Ltd
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Publication date
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Publication of JPH06324711A publication Critical patent/JPH06324711A/en
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Abstract

PURPOSE:To realize the mechanism control system satisfying a design specification efficiently in a shorter time than that for a conventional device by grasping equations of motion of a mechanism and its control characteristic altogether and selecting an overall characteristic as a design parameter satisfying an object function and a control condition. CONSTITUTION:When an objective design specification is given, the specification is expressed in equations and a function generating section 50 gives data to a general-purpose optimization arithmetic operation section 51 as an objective function and restriction condition. On the other hand, A mechanism system numeral model 53 and a control system numerical model 54 are used to set an entire system model 52 and the data are given to the general-purpose optimization arithmetic operation section 51. The general-purpose optimization arithmetic operation section 51 obtains an optimum parameter and a response arithmetic operation section 58 calculates a behavior by using the parameter. A numeral model revision section 55 corrects the data when a specification satisfaction discrimination section 56 does not satisfy the result, and the processing is repeated till the result is satisfied. When a solution satisfying the condition is in existence, a control system decreasing an evaluation function among solutions obtained by a nonlinear programming 7 is selected.

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、機構制御系設計システ
ム装置及び方法に係り、特に、半導体製造装置やロボッ
トマニピュレータ等の高精度位置決めを要求される機構
装置の設計において、計算機を用いて機構系及び制御系
設計パラメータを最適に選定する設計システム装置に関
する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a mechanism control system design system apparatus and method, and more particularly to a mechanism control system using a computer in designing a mechanism apparatus such as a semiconductor manufacturing apparatus or a robot manipulator which requires high precision positioning. The present invention relates to a design system device for optimally selecting system and control system design parameters.

【0002】[0002]

【従来の技術】従来、機構系の設計では機構を構成して
いるリンク部材は剛体と考え、その挙動を解析してい
た。しかし、機構系の軽量化を図ろうとするとリンク部
材の剛性が十分でなくなり、剛体と考えられなくなる場
合が出て来る。また、高速・高精度位置決めを行うとす
ると、これまで無視してきた微小振動を考慮しなければ
ならなくなる。このようなことからリンクの柔軟性を考
慮した解析が必要となる。これらの問題を解決する試み
として、機械システムをシミュレートするために、DA
DS(Dynamic Analysis and Design System)やADA
MS(AutomaticDynamic Analysis of Mechanical Syst
em)プログラムが市販されている。しかし、これらのプ
ログラムは動挙動を予測するものであり、機構や制御の
設計値が予め与えられた場合であり、目的関数や制約条
件を満足する最適な設計パラメータは求められない。ま
た、近年の機構系における軽量・コンパクト化、あるい
は高速・高精度化により生じる機構系と制御系の干渉に
より、制御性能の劣化が起こるため、機構系と制御系を
同時に設計したいという要求が高まってきている。機構
・制御系の同時最適設計については、計測自動制御学会
論文集、Vol.26,No.10,第1140頁から第114
7頁に記載されており、感度解析を用いて設計パラメー
タの変更を決めている。制御則は最適制御理論に基づい
ている。日本機械学会論文集、Vol.55 ,No.519,
第2777頁から第2783頁でも基本的に感度解析,
線形制御則に基づいた設計法である。その他機構系と制
御系の同時最適化に関する論文はいくつか出されている
が、そこで扱われているのは主に最小重量と最適レギュ
レータを組み合わせたものである。また機構系と制御系
の同時最適設計に関する汎用ソフトはまだ見られない。
2. Description of the Related Art Conventionally, in designing a mechanical system, the link members constituting the mechanism have been considered as rigid bodies and their behaviors have been analyzed. However, when attempting to reduce the weight of the mechanical system, the rigidity of the link member becomes insufficient, and it may not be considered as a rigid body. In addition, if high-speed and high-accuracy positioning is performed, it is necessary to consider minute vibrations that have been ignored so far. Therefore, it is necessary to analyze the link flexibility. In an attempt to solve these problems, DAs have been used to simulate mechanical systems.
DS (Dynamic Analysis and Design System) and ADA
MS (Automatic Dynamic Analysis of Mechanical Syst
em) The program is commercially available. However, these programs are for predicting the dynamic behavior, and the design values of the mechanism and the control are given in advance, and the optimum design parameters that satisfy the objective function and the constraint conditions cannot be obtained. In addition, control performance deteriorates due to interference between the mechanical system and the control system caused by the recent trend toward lighter and more compact mechanical systems, or higher speed and higher accuracy.Therefore, there is an increasing demand for simultaneous design of the mechanical system and the control system. Is coming. For the simultaneous optimal design of mechanism and control system, Proceedings of the Society of Instrument and Control Engineers, Vol. 26, No. 10, 1140 to 114.
It is described on page 7, and the sensitivity analysis is used to decide the change of design parameters. The control law is based on optimal control theory. Proceedings of the Japan Society of Mechanical Engineers, Vol.55, No.519,
From page 2777 to page 2783, basically sensitivity analysis,
This is a design method based on the linear control law. Other papers on simultaneous optimization of mechanical system and control system have been published, but the ones dealt there are mainly the combination of minimum weight and optimum regulator. Moreover, general-purpose software for simultaneous optimal design of mechanical system and control system has not been found yet.

【0003】[0003]

【発明が解決しようとする課題】上記従来技術では機構
の形状等の設計パラメータや制御ゲインが与えられた場
合には数値モデル化を行い、動挙動をシミュレートする
ことができるが、これらパラメータが目標仕様を満足
し、かつ最適な値であるかわからない。また、上述した
感度解析を用いる方法では、目的関数や制約条件が微分
できない場合に使用することが困難であり、また設計仕
様が厳しくなってくれば、線形制御則だけでは対応でき
なくなる可能性が出ている。また、構造系においても部
材パラメータの変更のみが行われていて、構造そのもの
の変更は行われていないため、満足できる設計仕様が限
られていた。
In the above prior art, when design parameters such as the shape of the mechanism and control gains are given, numerical modeling can be performed to simulate the dynamic behavior. I don't know if it is the optimum value that satisfies the target specifications. In addition, the method using the sensitivity analysis described above is difficult to use when the objective function and constraint conditions cannot be differentiated, and if the design specifications become strict, it may not be possible to deal with the linear control law alone. Out. Further, in the structural system, only the member parameters are changed, and the structure itself is not changed, so that the satisfactory design specifications are limited.

【0004】本発明の目的は、最適な機構や制御方式の
開発のためのツールとして用いるために機構の運動方程
式及び制御特性を一括して把握し、その総合的な特性を
目的関数や制約条件を満足する設計パラメータとして選
定し、これらの値を用いてシミュレートできるような機
構設計と制御設計の同時最適化を行うための機構制御系
設計システム装置及び方法を提供することにある。
An object of the present invention is to collectively grasp the motion equations and control characteristics of a mechanism so as to use it as a tool for developing an optimum mechanism and control system, and to evaluate the comprehensive characteristics by objective function and constraint conditions. It is an object of the present invention to provide a mechanism control system design system device and method for simultaneously optimizing a mechanism design and a control design that can be selected as a design parameter that satisfies the above and can be simulated using these values.

【0005】[0005]

【課題を解決するための手段】この発明は、上記問題点
を解決するために、次のような構成とする。
In order to solve the above problems, the present invention has the following constitution.

【0006】(1)機構系計算モデル及び制御系計算モ
デルをシステム内に構築し、機構制御系計算モデルを用
いて全体系の応答を計算する機構制御系設計システム装
置において、前記機構制御系の目標設計仕様を評価関数
と拘束条件として関数を発生する関数発生部と、前記制
御系計算モデルの制御パラメータを自動的に変更する演
算処理部と、前記評価関数と拘束条件と機構系計算モデ
ルから最適な制御パラメータを演算する汎用最適化演算
部と、目標設計仕様を満足するかどうかを処理する判断
部を備え、目標設計仕様を満足するように前記制御パラ
メータを自動的に求める。
(1) In a mechanism control system design system device for constructing a mechanism system calculation model and a control system calculation model in a system and calculating the response of the entire system using the mechanism control system calculation model, From the function generation unit that generates a function with the target design specification as an evaluation function and a constraint condition, the arithmetic processing unit that automatically changes the control parameters of the control system calculation model, the evaluation function, the constraint condition, and the mechanism system calculation model. A general-purpose optimizing calculation unit that calculates optimum control parameters and a determination unit that processes whether or not the target design specifications are satisfied are provided, and the control parameters are automatically obtained so as to satisfy the target design specifications.

【0007】(2)線形制御系の形態発生器と、非線形
制御系の形態発生器を具備し、目標設計仕様の満足を処
理する前記判断部の結果により制御系の形態発生器を選
択する機能を備えている。
(2) A function of selecting a morphology generator of the control system according to the result of the judgment unit which has a morphology generator of the linear control system and a morphology generator of the non-linear control system and processes the satisfaction of the target design specifications. Is equipped with.

【0008】(3)上記設計装置における線形制御系構
成ルーチンで解が存在しない場合、目的関数や制約条件
の変更,モデルの変更,非線形制御方式による設計の選
択肢を有し、設計仕様を満たすように値を変更する手段
を備える。
(3) When a solution does not exist in the linear control system configuration routine in the above design apparatus, the objective function and the constraint conditions are changed, the model is changed, and the design choices by the non-linear control method are provided so that the design specifications are satisfied. Is provided with a means for changing the value.

【0009】(4)応答解析演算部を有し、得られた結
果より設計仕様を満足するかどうかを判別し、仕様を満
足しない場合、知識ベースをもとに構造系の変更を行
い、また上記計算を繰返し、設計仕様を満たすように値
を変更する手段を備える。
(4) A response analysis operation unit is provided, and it is determined from the obtained results whether or not the design specifications are satisfied. If the specifications are not satisfied, the structural system is changed based on the knowledge base. A means for changing the value so as to satisfy the design specifications by repeating the above calculation is provided.

【0010】[0010]

【作用】上記機構制御系設計システム装置及び方法で
は、設計仕様より、まず機構系の目的関数や制約条件を
決める。この機構系からノミナル モデルを導出し、こ
のモデルをもとにして線形の制御系を構成し、閉ループ
系伝達関数を導出する。閉ループ系伝達関数を制御設計
パラメータ関数を用いて変形し、この伝達関数と目的関
数と制約条件とともに非線形計画法により設計パラメー
タを求め制御則を決定する。もし解が存在しなければ、
目的関数や制約条件を変更するか、機構系パラメータの
変更を行い、解が存在するようになるまで繰り返す。解
が存在する場合、応答解析を行い、設計仕様を満足する
かどうかを調べ、満足しない場合は機構系パラメータの
変更を行い、はじめから計算を繰り返す。仕様を満足す
る場合は、これまでの目的関数の値と比較し、小さくな
っていれば機構系パラメータを更新し、小さくなってい
なければ目的関数を最小にするパラメータを保存し、終
了する。この手段を講じることにより、よりすぐれた応
答が得られる機構制御系をより効率よく設計することが
できる。
In the mechanism control system design system device and method, the objective function and constraint conditions of the mechanism system are first determined from the design specifications. A nominal model is derived from this mechanical system, a linear control system is constructed based on this model, and a closed-loop transfer function is derived. The transfer function of the closed loop system is transformed by using the control design parameter function, and the control parameter is determined by obtaining the design parameter by the nonlinear programming together with the transfer function, the objective function and the constraint condition. If no solution exists,
The objective function and constraints are changed, or the mechanical system parameters are changed, and the process is repeated until a solution exists. If a solution exists, a response analysis is performed to check whether the design specifications are satisfied. If not, the mechanical system parameters are changed and the calculation is repeated from the beginning. If the specifications are satisfied, the values of the objective function are compared with the values obtained so far, and if the values are smaller, the mechanical system parameters are updated, and if the values are not smaller, the parameters that minimize the objective function are saved, and the processing ends. By taking this measure, it is possible to more efficiently design the mechanism control system that can obtain a better response.

【0011】[0011]

【実施例】本発明の一実施例を図を参照にして以下に説
明する。
An embodiment of the present invention will be described below with reference to the drawings.

【0012】図1は本発明による機構制御系設計システ
ム装置の一実施例を示すブロック図である。図1におい
て本装置は、目的関数と制約条件の関数発生部50,汎
用最適化演算部51,全体系数値モデル部52,機構系
数値モデル部53,制御系数値モデル部54,数値モデ
ル変更部55,仕様満足判断部56,結果出力表示部5
7,応答演算部58で構成されている。目標設計仕様が
与えられるとこの仕様を数式表現して目的関数・制約条
件として関数発生部50より汎用最適化演算部51にデ
ータが渡される。一方、機構系数値モデル53,制御系
数値モデル54を用いて全体系数値モデル52が組み立
てられ、汎用最適化演算部51にデータが渡される。汎
用最適化演算部51では最適な設計パラメータ値が求め
られ、これら値を用いて応答演算部58で挙動を計算す
る。仕様満足判断部56で満足されない場合は数値モデ
ル変更部55でデータが修正され満足するまで繰り返さ
れる。満足した場合は、結果を出力表示する。図2は機
構・制御系同時設計装置のアルゴリズムの例を示す流れ
である。図において設計仕様1が与えられると、これを
数式表現して目的関数・制約条件2として表す。また設
計仕様1より、これを可能とする機構系3を生成してそ
の運動方程式を導出し、この運動方程式をもとに線形化
したノミナル モデル4を求める。このノミナル モデ
ルに対して、公知LQ制御,H∞制御則などによりノミ
ナルな線形制御系5を計算する。ノミナル モデルと制
御系設計パラメータを加えた制御系により閉ループ系を
形成し、この閉ループ系伝達関数と目的関数や制約条件
2により非線形計画法7で最適設計パラメータの値を計
算し、条件を満足する解が存在するかどうかを調べる。
解が存在すれば、非線形計画法7で求めた解のうちで評
価関数を小さくする制御系を選び、もとの機構系3と組
み合わせて全体系数値モデルを用いて応答解析を行う。
この応答解析の結果、設計仕様を満足していなければ、
知識ベースに基づき機構系の変更14を行って機構系3
へ戻り同様の計算を繰り返す。応答解析で設計仕様を満
足していれば、目的関数比較部15へ行き、目的関数の
値が前回の値より大きくなれば終了する。ただし、ルー
プ回数が少なくて終了となった場合、目的関数が十分小
さくなっていない場合もあるので、ある指定した回数以
上の繰返し計算をすることにする。非線形計画法におい
て解が存在しなかった場合には、目的関数・制約条件を
変更する場合10、非線形制御系を用いて設計する場合
11の選択肢のなかから一つを選び、満足の行く結果が
得られるまで計算を繰り返す。ある設定された繰返し回
数に達しても設計仕様を満足する解が得られないとき
は、計算を中止し、与えられた設計仕様を満足する機構
制御系が求まらないことを表示する。
FIG. 1 is a block diagram showing an embodiment of a mechanism control system design system device according to the present invention. In FIG. 1, the present apparatus includes a function generation unit 50 for an objective function and a constraint condition, a general-purpose optimization calculation unit 51, an overall system numerical model unit 52, a mechanical system numerical model unit 53, a control system numerical model unit 54, and a numerical model changing unit. 55, specification satisfaction determination unit 56, result output display unit 5
7 and a response calculation unit 58. When the target design specification is given, this specification is expressed by a mathematical expression and data is passed from the function generating section 50 to the general-purpose optimizing calculation section 51 as an objective function / constraint condition. On the other hand, the whole system numerical model 52 is assembled using the mechanical system numerical model 53 and the control system numerical model 54, and the data is passed to the general-purpose optimizing calculation unit 51. The general-purpose optimization calculation unit 51 obtains optimum design parameter values, and the response calculation unit 58 uses these values to calculate the behavior. If the specification satisfaction determination unit 56 does not satisfy the specification, the numerical model modification unit 55 corrects the data and repeats until it is satisfied. If satisfied, output the results. FIG. 2 is a flow showing an example of an algorithm of the mechanical / control system simultaneous design apparatus. When the design specification 1 is given in the figure, this is mathematically expressed and expressed as an objective function / constraint condition 2. Further, from the design specification 1, a mechanical system 3 that enables this is generated, its equation of motion is derived, and a linearized nominal model 4 is obtained based on this equation of motion. With respect to this nominal model, a nominal linear control system 5 is calculated by known LQ control, H∞ control law, and the like. A closed loop system is formed by the control system that adds the nominal model and the control system design parameter, and the value of the optimum design parameter is calculated by the nonlinear programming method 7 by the closed loop system transfer function, the objective function and the constraint condition 2, and the condition is satisfied. Check if a solution exists.
If there is a solution, a control system that reduces the evaluation function is selected from the solutions obtained by the nonlinear programming method 7, and the response analysis is performed using the whole system numerical model in combination with the original mechanical system 3.
As a result of this response analysis, if the design specifications are not satisfied,
Change the mechanical system based on the knowledge base 14
Return to and repeat the same calculation. If the response analysis satisfies the design specifications, the process goes to the objective function comparison unit 15, and if the value of the objective function becomes larger than the previous value, the process ends. However, when the number of loops is small and the processing is terminated, the objective function may not be sufficiently small, and thus iterative calculation is performed a certain number of times or more. If there is no solution in the nonlinear programming method, one is selected from the options of 10 when changing the objective function / constraints and 11 when designing using the nonlinear control system, and a satisfactory result is obtained. Repeat the calculation until you get it. If the solution that satisfies the design specifications is not obtained even after reaching the set number of iterations, the calculation is stopped and it is displayed that the mechanism control system that satisfies the given design specifications cannot be obtained.

【0013】ここで上記したアルゴリズムは、例えば、
つぎの手法で行うことが出来る。はじめに、機構設計で
ある。機構系の運動方程式が次式のように記述できるも
のとする。
The algorithm described above is, for example,
The following method can be used. First, the mechanical design. The equation of motion of the mechanical system can be described by the following equation.

【0014】[0014]

【数1】 [Equation 1]

【0015】ここでM,D,Kはそれぞれ質量マトリク
ス,減衰マトリクス,剛性マトリクスで、qは変位ベク
トル、Qは系に作用する外力ベクトルである。ここで外
力ベクトルQは、数2のように制御入力uと外乱ベクト
ルfにより以下のように書けるとする。
Here, M, D, and K are a mass matrix, a damping matrix, and a stiffness matrix, respectively, q is a displacement vector, and Q is an external force vector acting on the system. Here, it is assumed that the external force vector Q can be written as follows by the control input u and the disturbance vector f as shown in Equation 2.

【0016】[0016]

【数2】 Q=Uu+Ff …(数2) ここで、U,Fは各ベクトルの係数マトリクスである。[Equation 2] Q = Uu + Ff (Equation 2) Here, U and F are coefficient matrices of each vector.

【0017】与えられた設計条件を満足する構造の中
で、ある目的に最も適した、つまり最適な構造を得るた
めに、機構系のパラメータの値を決定するような問題
は、一般に「最適設計問題」と呼ばれている。
Among the structures satisfying a given design condition, in order to obtain the structure most suitable for a certain purpose, that is, the optimum structure, the problem of determining the parameter values of the mechanical system is generally called "optimal design". It is called "problem".

【0018】いま値を決定すべきn個の設計パラメータ
The n design parameters whose values are to be determined are

【0019】[0019]

【数3】 b={b1,b2,……bN} …(数3) とすると、最適設計問題は一般に次のような形で定式化
される。
Equation 3] b = {b 1, b 2 , ...... b N} ... When equation (3), the optimal design problem is generally formulated in the following form.

【0020】k個の制約条件式K constraint expressions

【0021】[0021]

【数4】 g(b)≧0 (j=1,2……,k) …(数4) を満足する設計変数の中で、目的関数f(b)を最小化
(最大化)する設計変数
## EQU00004 ## A design that minimizes (maximizes) the objective function f (b) among the design variables that satisfy g (b) .gtoreq.0 (j = 1, 2, ..., K) (Equation 4). variable

【0022】[0022]

【数5】 b={b1,b2,……,bN} …(数5) を見つける問題であり、これをもう少し具体的に書くと
次のようになる。『設計変数(構造形状,板厚,材質
等)を変えて、制約条件(応力,変位,固有振動数等)
をある値以下、(以上、同じ)にして目的関数(重量,
応力,変位等)を最小化(最大化)する。』問題にな
る。主に用いられる設計変数は部材寸法(板厚,長さ,
幅),形状,幾何学的配置である。制約条件は応力,変
位,加速度,固有振動数,座屈荷重,重量,エネルギで
ある。目的関数は応力,変位,加速度,固有振動数,座
屈荷重,重量,エネルギである。数1のM,D,K,Q
は設計変数bの関数になる。制約条件である数3の下
に、目的関数f(b)を最小(最大)にするパラメータ数
5は多くの場合、コンピュータを活用して数理計画法の
中の手法が用いられている。
## EQU5 ## The problem is to find b = {b 1 , b 2 , ..., B N } ... (Equation 5). "Variable design variables (structural shape, plate thickness, material, etc.) and constraint conditions (stress, displacement, natural frequency, etc.)
Is less than or equal to a certain value (or more, same)
Stress, displacement, etc.) is minimized (maximized). "It becomes a problem. The design variables mainly used are the member dimensions (plate thickness, length,
Width), shape, and geometrical arrangement. The constraints are stress, displacement, acceleration, natural frequency, buckling load, weight, and energy. The objective functions are stress, displacement, acceleration, natural frequency, buckling load, weight and energy. Number 1, M, D, K, Q
Is a function of the design variable b. In many cases, the number of parameters that minimizes (maximizes) the objective function f (b) under the constraint of the mathematical expression 3 is 5 and the method in the mathematical programming is used by utilizing a computer.

【0023】次に、最適制御問題について述べる。機構
系の振動や運動の制御のために制御系を付加して所望の
結果を得るのが制御系設計であり、制御則設計問題を次
のように表現することができる。『制御対象が与えら
れ、センサ,アクチュエータの種類及び配置が与えら
れ、設計仕様が与えられたときに、これら設計仕様を満
足する制御則を見つけること、あるいは、そのような制
御則は存在しないことを見つけること』である。このよ
うな制御則を求めるのに伝達関数表現をもとに設計する
方法と状態空間表現をもとに設計する方法がある。状態
空間表現に基づく方法としてLQ制御があり、制御系の
最適化の際によく用いられる方法である。ここではいろ
いろな設計仕様を取り扱える伝達関数表現に基づいた最
適化手法について述べる。まず、この手法で必要となる
一般化プラントについて説明する。制御対象P0 に入る
信号を二つに分ける。コントローラによって生成される
アクチュエータ信号uと、それ以外の外部入力信号をw
とする。また、制御対象P0 から出る信号も同様に二つ
の信号に分ける。センサにより観測される信号をy、制
御量をzとする。これにより、
Next, the optimum control problem will be described. Control system design is to obtain a desired result by adding a control system for controlling vibration and motion of a mechanical system. The control law design problem can be expressed as follows. “When a control target is given, types and arrangements of sensors and actuators are given, and design specifications are given, finding control rules that satisfy these design specifications, or that such control rules do not exist. To find. There are a method of designing based on a transfer function expression and a method of designing based on a state space expression to obtain such a control law. There is LQ control as a method based on the state space expression, which is often used when optimizing the control system. Here, we describe an optimization method based on the transfer function expression that can handle various design specifications. First, a generalized plant required in this method will be described. The signal entering the controlled object P 0 is divided into two. The actuator signal u generated by the controller and other external input signals are w
And Similarly, the signal output from the controlled object P 0 is also divided into two signals. The signal observed by the sensor is y, and the controlled variable is z. This allows

【0024】[0024]

【数6】 [Equation 6]

【0025】と表されるPを一般化プラントといい、図
3のように表すことができる。いま図4に示す1自由度
の制御システムを考える。これは従来型のフィードバッ
ク系の表現方法である。これを一般化プラント表現にす
る方法を示す。ここでrは目標値信号、npはアクチュ
エータに加わるノイズ、nsはセンサノイズ、ypは制
御対象からの出力である。外部入力ベクトルwを
P represented by is called a generalized plant and can be represented as shown in FIG. Now consider the control system with one degree of freedom shown in FIG. This is a conventional feedback system expression method. We will show how to make this a generalized plant representation. Here, r is a target value signal, n p is noise added to the actuator, n s is sensor noise, and yp is an output from the control target. External input vector w

【0026】[0026]

【数7】 [Equation 7]

【0027】とし、制御量zをAnd the controlled variable z is

【0028】[0028]

【数8】 [Equation 8]

【0029】とすると、一般化プラントPは次のように
なる。
Then, the generalized plant P is as follows.

【0030】[0030]

【数9】 [Equation 9]

【0031】この1自由度制御系を一般化プラント表現
すると図5のようになる。この閉ループ伝達関数は次の
ようになる。
A generalized plant representation of this one-degree-of-freedom control system is as shown in FIG. The closed loop transfer function is as follows.

【0032】[0032]

【数10】 [Equation 10]

【0033】この一般化プラントの伝達マトリックス
は、設計仕様を数式表現する際に必要となる。
The transfer matrix of this generalized plant is necessary when the design specifications are expressed by mathematical expressions.

【0034】次に、制御系の設計仕様として以下にいく
つか例を出し、その数式表現を示す。但し、そこで用い
るベクトル,マトリクスは次のように定義する。
Next, some examples will be given below as design specifications of the control system, and their mathematical expressions will be shown. However, the vector and matrix used there are defined as follows.

【0035】[0035]

【数11】 [Equation 11]

【0036】[0036]

【数12】 [Equation 12]

【0037】[0037]

【数13】 [Equation 13]

【0038】ステップ応答仕様の漸近追従性として、As the asymptotic followability of the step response specification,

【0039】[0039]

【数14】 Iim s(t)=Hcc(0)=1 …(数14) t→∞ (s(t)はHccのステップ応答) オーバーシュート,アンダーシュートとして、Iim s (t) = Hcc (0) = 1 (Equation 14) t → ∞ (s (t) is the step response of Hcc) As overshoot and undershoot,

【0040】[0040]

【数15】 φos(Hcc)=sup s(t)−1 …(数15) t≧0## EQU15 ## φos (Hcc) = sup s (t) -1 (Equation 15) t ≧ 0

【0041】[0041]

【数16】 φus(Hcc)=sup−s(t) …(数16) t≧0 立上り時間,整定時間として、[Equation 16] φus (Hcc) = sup-s (t) (Equation 16) t ≧ 0 As rise time and settling time,

【0042】[0042]

【数17】 φrise(Hcc)=inf{T|s(t)>0.8 for t≧T} …(数17)Φrise (Hcc) = inf {T | s (t)> 0.8 for t ≧ T} (Equation 17)

【0043】[0043]

【数18】 φsettle(Hcc)=inf{T||s(t)−1|<0.05 for t≧T} …(数18) 追従誤差仕様として、Φsettle (Hcc) = inf {T || s (t) -1 | <0.05 for t ≧ T} (Equation 18) As the tracking error specification,

【0044】[0044]

【数19】追従誤差:etrk=zc−wc Htrk:command wcからetrkへの伝達関数 ||Htrk||≦α …(数19) レギュレーション仕様として、[Equation 19] Tracking error: etrk = zc−wc Htrk: transfer function from command wc to etrk || Htrk || ≦ α (Equation 19) As a regulation specification,

【0045】[0045]

【数20】wdのzcへの影響を考え、Hcdを小さくす
る。
[Equation 20] Considering the influence of wd on zc, Hcd is reduced.

【0046】 ||Hcd||≦α …(数20) ロバスト安定性として制御対象の変動△が次のように与
えられたとする。
|| Hcd || ≦ α (Equation 20) It is assumed that the variation Δ of the controlled object is given as the robust stability as follows.

【0047】[0047]

【数21】 [Equation 21]

【0048】このとき、系がロバスト安定であるために
は、閉ループ伝達マトリックスが数22の条件を満たせ
ばよい。
At this time, in order for the system to be robustly stable, the closed-loop transfer matrix should satisfy the condition of Eq.

【0049】[0049]

【数22】 [Equation 22]

【0050】以上、設計仕様を数式表現する際に閉ルー
プ伝達マトリックスが重要な役割をすることを示した
が、数10を非線形計画法に適した形に変形する方法を
示す。数6において
Although it has been shown that the closed-loop transfer matrix plays an important role in expressing the design specifications by mathematical expressions, a method of transforming the equation 10 into a form suitable for the nonlinear programming will be shown. In number 6

【0051】[0051]

【数23】 [Equation 23]

【0052】とおいて、wからzへの閉ループ系伝達関
数を求めると、
When a closed loop system transfer function from w to z is obtained,

【0053】[0053]

【数24】 Hzw=Pzw−PzuK(1+PyuK)~1Pyw …(数24) となる。[Number 24] Hzw = Pzw-PzuK (1 + PyuK) ~ 1 Pyw ... is (number 24).

【0054】Pyuの既約分解表現を用いて安定化補償器
Kを表すと、次のようになる。
The stabilizing compensator K can be expressed by using the irreducible expression of Pyu.

【0055】[0055]

【数25】 [Equation 25]

【0056】となり、これを数24に代入し整理する
と、数26となる。
By substituting this into Eq. 24 and rearranging, Eq. 26 is obtained.

【0057】[0057]

【数26】 [Equation 26]

【0058】制御対象の伝達関数P0は数1より、状態
方程式
From equation 1, the transfer function P 0 of the controlled object is

【0059】[0059]

【数27】 [Equation 27]

【0060】を求め、観測方程式をAnd obtain the observation equation

【0061】[0061]

【数28】 y=Cx …(数28) と置くことにより、By setting y = Cx (Equation 28),

【0062】[0062]

【数29】 P0=C(sl−A)~1B …(数29) となる。[Equation 29] P 0 = C (sl−A) to 1 B (Equation 29)

【0063】以上をもとに、制御系の最適化問題は次の
ように記述することができる。
Based on the above, the optimization problem of the control system can be described as follows.

【0064】[0064]

【数30】 [Equation 30]

【0065】Φは凸な評価関数であり、Kは拘束条件を
満たす凸集合である。Qはこのままでは無限に存在する
ため、
Φ is a convex evaluation function, and K is a convex set satisfying the constraint condition. Since Q is infinite as it is,

【0066】[0066]

【数31】 [Equation 31]

【0067】と近似して、非線形計画法により最適なパ
ラメータhiを計算する。ここで、hiは実数、Qiは
固定された安定な伝達関数である。これにより設計仕様
を満足する線形の制御系が存在するかどうかがわかる。
The optimum parameter hi is calculated by a non-linear programming method by approximating Here, hi is a real number and Qi is a fixed and stable transfer function. This makes it possible to know whether or not there is a linear control system that satisfies the design specifications.

【0068】本発明の機構・制御系同時最適化アルゴリ
ズムを用いた例題を示す。対象プラントの伝達関数をP
0 とし、コントローラをKとすると、ブロック線図は図
4のようになる。np,nsはノイズを表しており、rは
目標値である。制御量z、及び外生信号wを次のように
決める。
An example using the mechanism / control system simultaneous optimization algorithm of the present invention will be shown. The transfer function of the target plant is P
If 0 and the controller are K, the block diagram is as shown in FIG. n p and n s represent noise, and r is a target value. The control amount z and the exogenous signal w are determined as follows.

【0069】[0069]

【数32】 [Equation 32]

【0070】閉ループ系伝達関数Hzwを次のように表
す。
The closed loop system transfer function Hzw is expressed as follows.

【0071】[0071]

【数33】 [Expression 33]

【0072】評価関数Jは次のように一般的なものを採
用する。
As the evaluation function J, a general one is adopted as follows.

【0073】[0073]

【数34】 J=||H11||2 2+r1||H12||2 2+r2||H23||2 2 …(数34) 制御対象は、図6に示すようなばね−マス−ダンパ系を
考える。この系の運動方程式は次のようになる。
[Equation 34] J = || H 11 || 2 2 + r 1 || H 12 || 2 2 + r 2 || H 23 || 2 2 (Equation 34) The control target is a spring as shown in FIG. -Consider a mass-damper system. The equation of motion of this system is as follows.

【0074】[0074]

【数35】 [Equation 35]

【0075】この系の伝達関数をP0 とし、1自由度系
のコントローラKで制御することを考える。図5のy,
pは次のような関係式が成り立つ。
Let us assume that the transfer function of this system is P 0 and control is performed by the controller K of the one-degree-of-freedom system. Y in FIG.
The following relational expression holds for y p .

【0076】[0076]

【数36】 [Equation 36]

【0077】制御量z,外生信号wを数32のように定
める。すると、この系の状態方程式は次のようになる。
The control amount z and the exogenous signal w are determined as shown in equation 32. Then, the equation of state of this system becomes as follows.

【0078】[0078]

【数37】 [Equation 37]

【0079】[0079]

【数38】 [Equation 38]

【0080】閉ループ系伝達関数Hzwは数26より、From the equation 26, the closed loop transfer function Hzw is

【0081】[0081]

【数39】 Hzw=T1+T2QT3 …(数39) と書けるが、このT1,T2,T3は次のように計算でき
る。
It can be written that Hzw = T 1 + T 2 QT 3 (Equation 39), and T 1 , T 2 , and T 3 can be calculated as follows.

【0082】[0082]

【数40】 [Formula 40]

【0083】制御系設計仕様における制約条件として以
下のものを採用する。
The following constraint conditions are adopted in the control system design specifications.

【0084】ステップ応答をs(t)とする。The step response is s (t).

【0085】[0085]

【数41】 [Formula 41]

【0086】また、パラメータQは、The parameter Q is

【0087】[0087]

【数42】 [Equation 42]

【0088】とした。また、機構系の制約条件として、It was set as Also, as a constraint condition of the mechanical system,

【0089】[0089]

【数43】 0.5≦m≦1.5 …(数43) と設定した。43 is set as 0.5 ≦ m ≦ 1.5 (Equation 43).

【0090】以下にこれらをもとに計算させた結果を図
7に示す。m=0.5 のとき目的関数Jは最小となり、
制約条件を満足する解が得られた。図7から分かるよう
に制約条件は満足されている。
FIG. 7 shows the result of calculation based on the above. When m = 0.5, the objective function J becomes minimum,
A solution satisfying the constraint conditions was obtained. As can be seen from FIG. 7, the constraint condition is satisfied.

【0091】[0091]

【発明の効果】本発明によれば、機構系と制御系の両動
特性を考慮しつつ、各設計パラメータを決定していくこ
とができるため、従来よりも短時間にしかも効率よく設
計仕様を満足する機構制御システムを構成することがで
きる。
According to the present invention, it is possible to determine each design parameter while considering both dynamic characteristics of the mechanical system and the control system. A satisfactory mechanism control system can be constructed.

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

【図1】本発明の一実施例を示すフローチャート。FIG. 1 is a flowchart showing an embodiment of the present invention.

【図2】本発明の一実施例におけるアルゴリズムのフロ
ーチャート。
FIG. 2 is a flowchart of an algorithm according to an embodiment of the present invention.

【図3】一般化プラントのブロック図。FIG. 3 is a block diagram of a generalized plant.

【図4】従来型フィードバック表現のブロック図。FIG. 4 is a block diagram of a conventional feedback representation.

【図5】一自由度系一般化プラントのブロック図。FIG. 5 is a block diagram of a one-degree-of-freedom system generalized plant.

【図6】制御対象の説明図。FIG. 6 is an explanatory diagram of a control target.

【図7】本発明のアルゴリズムによって求まった計算結
果の説明図。
FIG. 7 is an explanatory diagram of a calculation result obtained by the algorithm of the present invention.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

50…関数発生器、51…汎用最適化演算部、52…全
体系の数値モデル、53…機構系数値モデル、54…制
御系数値モデル、55…数値モデル変更部、56…満足
度判定部、57…出力表示部、58…応答解析部。
50 ... Function generator, 51 ... General-purpose optimization calculation section, 52 ... Numerical model of entire system, 53 ... Numerical model of mechanical system, 54 ... Numerical model of control system, 55 ... Numerical model change section, 56 ... Satisfaction determination section, 57 ... Output display section, 58 ... Response analysis section.

Claims (1)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】機構系計算モデル及び制御系計算モデルを
システム内に構築し、機構制御系計算モデルを用いて全
体系の応答を計算する機構制御系設計システム装置にお
いて、前記機構制御系の目標設計仕様を目的関数と制約
条件として関数を発生する関数発生部と、前記制御系計
算モデルの制御パラメータを自動的に変更する演算処理
部と、前記目的関数と制約条件と機構系計算モデルから
最適な制御パラメータを演算する汎用最適化演算部と、
目標設計仕様を満足するかどうかを処理する判断部を備
え、目標設計仕様を満足するように前記制御パラメータ
を自動的に求めることを特徴とする機構制御系設計シス
テム装置。
1. A mechanism control system design system apparatus for constructing a mechanism system calculation model and a control system calculation model in a system, and calculating the response of the entire system using the mechanism control system calculation model A function generator that generates a function with the design specifications as an objective function and constraint conditions, an arithmetic processing unit that automatically changes the control parameters of the control system calculation model, and an optimum from the objective function, constraint conditions, and mechanism system calculation model General-purpose optimization calculation unit that calculates various control parameters,
A mechanism control system design system device, comprising: a determination unit for processing whether or not a target design specification is satisfied, and automatically determining the control parameter so as to satisfy the target design specification.
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2002252997A (en) * 2001-02-23 2002-09-06 Aisin Seiki Co Ltd Controlling apparatus of electric motor

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2002252997A (en) * 2001-02-23 2002-09-06 Aisin Seiki Co Ltd Controlling apparatus of electric motor
JP4660941B2 (en) * 2001-02-23 2011-03-30 アイシン精機株式会社 Electric motor control device

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