JPH07121209A - Control unit using sliding mode control system - Google Patents

Control unit using sliding mode control system

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JPH07121209A
JPH07121209A JP26679193A JP26679193A JPH07121209A JP H07121209 A JPH07121209 A JP H07121209A JP 26679193 A JP26679193 A JP 26679193A JP 26679193 A JP26679193 A JP 26679193A JP H07121209 A JPH07121209 A JP H07121209A
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JP
Japan
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control
sliding mode
control system
mode control
switching
Prior art date
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Pending
Application number
JP26679193A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Yoshiharu Nishida
▲吉▼晴 西田
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.)
Kobe Steel Ltd
Original Assignee
Kobe Steel Ltd
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Publication date
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Publication of JPH07121209A publication Critical patent/JPH07121209A/en
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Abstract

PURPOSE:To provide the control unit which uses the sliding mode control system that can sufficiently suppress chattering of control when a controlled system is controlled by using the sliding mode control system. CONSTITUTION:This unit A1 is so constituted as to give dynamic characteristics N(s) compensating the delay of a switching time by parasitic element presents in the input and output of the controlled system 1 to a switching variable S specifying a control slide surface when the sliding mode control system which switches and outputs a control command value (u) to the controlled system 1 is used so as to converge the control state of the controlled system 1 on the control slide surface to approximates an error in controlled variable (x) to zero. The constitution can sufficiently suppress the chattering of the control.

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,例えばロボットの各軸
を駆動するモータのようにパラメータ変動が大きく非線
形要素を含む制御対象への出力に切り換え動作を導入す
ることによりロバストな制御を行うスライディングモー
ド制御系に係り,特に制御のチャタリングを抑制するこ
とのできるスライディングモード制御系を用いた制御方
法に関するものである。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a sliding system for performing robust control by introducing a switching operation into an output to a controlled object including a non-linear element having a large parameter variation such as a motor for driving each axis of a robot. The present invention relates to a mode control system, and more particularly to a control method using a sliding mode control system capable of suppressing control chattering.

【0002】[0002]

【従来の技術】例えば,ロボット等を駆動する場合,モ
ータに加わる負荷イナーシャや非線形項は大きく変動す
るため,PID制御によっては高精度な制御を行うこと
ができない。そこで,上記したようなスライディングモ
ード制御系が適用されている。上記したような一般的な
スライディングモード制御系を用いた従来の制御装置A
01,A02,A03を図7,図8,図9に示す。図7に示す
如く一般的なスライディングモード制御系を用いた制御
方法による装置A01では,通常二次システムを制御対象
としており,ここでは次式で表現されるモータシステム
11が制御対象として設定される。 Jθ″+C=τ+D …(1′) ここで,J:慣性(ロボット等の場合は姿勢によって変
化する) θ:モータの回転角度 τ:トルク C:摩擦・粘性・遠心・コリオリ・重力項等の非線形項 D:外乱項 なお,以下の説明において,各符号の右肩に付した′は
その記号に関する一次時間微分,″は2次時間微分,^
は推定値をそれぞれ表す。上記従来の制御装置A01
は,制御量としての回転角度θ,回転角速度θ′のそれ
ぞれの目標値θd ,θd ′に対する誤差e,e′を0に
近づけるように,上記スライディングモード制御系12
がモータシステム11への制御指令値であるトルクτを
演算するための演算値を切り換えて出力するようになっ
ている。なお,従来の制御装置A01は,非線形補償系1
0により演算された推定出力によって上記スライディン
グモード制御系12からの制御指令値を補償して制御精
度の向上を更に図るようになっている。
2. Description of the Related Art For example, when driving a robot, etc.
The load inertia applied to the motor and the nonlinear term vary greatly.
Therefore, depending on the PID control, perform highly accurate control.
I can't. Therefore, the sliding mode as described above
The mode control system is applied. General as above
Conventional controller A using a sliding mode control system
01, A02, A03Are shown in FIGS. 7, 8 and 9. Shown in FIG.
Control using a general sliding mode control system
Device A by method01Then, usually the secondary system is controlled
The motor system expressed by the following equation
11 is set as a control target. Jθ ″ + C = τ + D (1 ′) where J: inertia (in the case of a robot, it changes depending on the posture)
Θ: Rotation angle of motor τ: Torque C: Non-linear term such as friction / viscosity / centrifugal / Coriolis / gravity term D: Disturbance term In the following explanation, ′ attached to the right shoulder of each symbol is
First-order time derivative of the symbol, ″ is second-order time derivative, ^
Represents the estimated value. The above conventional control device A01so
Is that of the rotation angle θ and the rotation angular velocity θ ′ as the controlled variables.
Target value θd, ΘdThe error e, e ′ for ′ to 0
The sliding mode control system 12 described above
Is the torque τ which is the control command value to the motor system 11.
The calculation value for calculation is switched and output.
ing. The conventional control device A01Is the nonlinear compensation system 1
According to the estimated output calculated by 0, the above sliding
Control command value from the control mode 12
It is designed to further improve the degree.

【0003】上記スライディングモード制御系12は,
非線形項Cや外乱項Dが急激に変化しても,これらの変
動を抑制し,上記誤差e,e′を0にしておくことがで
きる制御系である。ここで,上記モータシステム11に
対する誤差システムは, Je″=τ−Jθd ″−C+D …(2′) と表現することができる。いま,トルクτをスライディ
ングモード制御系12からの制御入力νとその他の制御
系(例えば非線形補償系10)からの制御入力ξとに分
けて考えると, τ=ν+ξ …(3′) となる。これにより,上記(2′)式の誤差システム
は, Je″=ν+E …(4′) E=ξ−Jθd ″−C+D …(5′) と記述される。ここで,上記制御入力ξを(−Jθd
−C+D)に対する補償入力と考えれば,上記(5′)
式のEは上記制御入力ξによっては補償しきれなかった
補償誤差と考えることができる。また,次式のように,
上記補償誤差Eは誤差e,e′に関する項EP e,EV
e′とそれらと無関係の項EC とに分離することができ
る。 E=EC +EP e+EV e′ …(6′) この(6′)式を上記(4′)式に代入すれば, Je″=ν+EC +EP e+EV e′ …(7′) と表現することができる。この(7′)式の誤差システ
ムが漸近安定化するように,上記スライディングモード
制御系12の制御入力νが決定される。ここで,上記モ
ータシステム11への制御出力を切り換えるための切り
換え変数Sが次式のように, S=e′+λe …(8′) 定義される。ここで,λは誤差eの収束特性を決定する
正数である。そして,スライディングモード制御系12
からの制御入力νが次式のように求められる。 ν=−(KC +KP |e|+KV |e′|)・sgn(S)…(9′) 但し,sgn(S)はS≧0ならば1の値をかえし,S
≦0ならば−1の値をかえす符号関数である。
The sliding mode control system 12 is
Even if the nonlinear term C and the disturbance term D change suddenly, these fluctuations are suppressed and the above errors e and e'can be made zero. Here, the error system for the motor system 11 can be expressed as Je ″ = τ−Jθ d ″ −C + D (2 ′). Now, when the torque τ is divided into the control input ν from the sliding mode control system 12 and the control input ξ from the other control system (for example, the nonlinear compensation system 10), τ = ν + ξ (3 ') is obtained. Accordingly, the error system of the equation (2 ′) is described as Je ″ = ν + E (4 ′) E = ξ−Jθ d ″ −C + D (5 ′). Here, the control input ξ is (−Jθ d
Considering the compensation input for −C + D), the above (5 ′)
E in the equation can be considered as a compensation error that cannot be completely compensated by the control input ξ. Also, as in the following equation,
The compensation error E is the term E P e, E V relating to the errors e, e '.
It is possible to separate e'and the irrelevant term E C. E = E C + E P e + E V e ′ (6 ′) Substituting this formula (6 ′) into the above formula (4 ′) gives Je ″ = ν + E C + E P e + E V e ′ (7 ′). The control input ν of the sliding mode control system 12 is determined so that the error system of the equation (7 ′) is asymptotically stabilized. Here, the control output to the motor system 11 is The switching variable S for switching is defined as S = e '+ λe (8') as follows, where λ is a positive number that determines the convergence characteristic of the error e. And sliding mode control System 12
The control input ν from is calculated as follows. ν = − (K C + K P | e | + K V | e ′ |) · sgn (S) ... (9 ′) where sgn (S) returns a value of 1 if S ≧ 0, and S
It is a sign function that returns a value of -1 if ≤0.

【0004】また,KC ,KP ,KV は,補償誤差係数
C ,EP ,EV に対してそれぞれ設定される制御ゲイ
ンである。そこで,システムの安定性を決定する手法と
して知られているリアプノフの安定判別法に用いられる
リアプノフ関数の候補としてある関数Vが次式のよう
に, V=S2 /2 …(10′) 設定される。さらに,上記関数Vの時間微分V′は, V′=SS′ =S(e″+λe′) =S(Je″+λJe′)/J =S(−(KC +KP |e|+KV |e′|)・sgn(S) +EC +EP e+EV e′+λJe′)/J ≦|S|(−(KC +KP |e|+KV |e′|)+|Ec | +|EP |×|e|+|EV +λJ|×|e′|)/J =|S|((|EC |−KC )+(|EP |−KP )|e| +(|EV +λJ|−KV )|e′|)/J …(11′) となる。そこで,各制御ゲインKC ,KP ,KV を, KC ≧|EC | …(12a ′) KP ≧|EP | …(12b ′) KV ≧|EV +λ×(J+ΔJ)| …(12c ′) とし,これらの条件式が成立すれば,上記(11′)式
の関数Vの時間微分V′は, V′≦|S|((|EC |−KC )+(|EP |−KP )|e| +(|EV +λJ|−KV )|e′|)/J ≦ 0 …(13′) となる。従って,上記関数Vは適性なスライディングモ
ード制御を実行するためのリアプノフ関数であることが
分かる。上記リアプノフ関数Vは常に正で最小値が0で
あり,もしV′≦0であればリアプノフ関数Vは最小値
(=0)に収束する。また,これにより切り換え変数S
(制御すべり面)は常に収束し,制御の応答性がS=0
の一定の応答関数によって決定される。
Further, K C , K P and K V are control gains set for the compensation error coefficients E C , E P and E V , respectively. Therefore, as function V with a candidate Lyapunov function used for stability determination method of Lyapunov known as a technique for determining the stability of the system is of the formula, V = S 2/2 ... (10 ') set To be done. Further, the time derivative V'of the function V is: V '= SS' = S (e "+ λe ') = S (Je" + λJe') / J = S (-(K C + K P | e | + K V | e ′ |) · sgn (S) + E C + E P e + E V e ′ + λJe ′) / J ≦ | S | (− (K C + K P | e | + K V | e ′ |) + | E c | + | E P | × | e | + | E V + λJ | × | e ′ |) / J = | S | ((| E C | -K C ) + (| E P | -K P ) | e | + ( | E V + λJ | -K V ) | e | a ') / J ... (11' ). Therefore, the control gains K C , K P , and K V are expressed as K C ≧ | E C | ... (12 a ′) K P ≧ | E P │ ... (12 b ′) K V ≧ | E V + λ × ( J + ΔJ) | (12 c ′) and if these conditional expressions are satisfied, the time derivative V ′ of the function V of the above expression (11 ′) is V ′ ≦ | S | ((| E C | -K C) + (| E P | -K P) | e | + (| E V + λJ | -K V) | e '|) / J ≦ 0 ... (13' becomes). Therefore, it can be seen that the function V is a Lyapunov function for executing appropriate sliding mode control. The Lyapunov function V is always positive and has a minimum value of 0. If V'≤0, the Lyapunov function V converges to the minimum value (= 0). In addition, the switching variable S
(Control slip surface) always converges, and the control response is S = 0.
Is determined by the constant response function of.

【0005】即ち,リアプノフの定理より,上記切り換
え変数Sは漸近安定であり, S→0(t→∞) …(14′) が補償され,切り換え変数Sが0になれば,上記
(8′)式により e′=−λe …(15′) が成立する。これによって,上記誤差eも漸近安定とな
り,この誤差eも0に収束する。この場合,上記した条
件式((12a ′)〜(12c ′)式)が成立する制御
ゲインを選定することができるか否かが重要となる。そ
こで,上記誤差eの範囲を限定すれば,上記補償入力
ξ,回転角度θ,非線形項Cの上下限を見積もることは
可能であるため,上記補償誤差Eの上下限も決定するこ
とができ,更には各補償誤差係数EC ,EP ,EV の上
下限も見積もることができる。従って,上記各補償誤差
係数の上下限の見積り値よりも,十分に大きな値の制御
ゲインKC ,KP ,KV を設定すればよい。
That is, according to Lyapunov's theorem, the switching variable S is asymptotically stable, and if S → 0 (t → ∞) (14 ') is compensated and the switching variable S becomes 0, the above (8' From the equation, e ′ = − λe (15 ′) holds. As a result, the error e also becomes asymptotically stable, and the error e also converges to zero. In this case, it is important to be able to select the control gain that satisfies the above-mentioned conditional expressions (( 12a ') to ( 12c ')). Therefore, if the range of the error e is limited, it is possible to estimate the upper and lower limits of the compensation input ξ, the rotation angle θ, and the nonlinear term C, and thus the upper and lower limits of the compensation error E can also be determined. Furthermore, the upper and lower limits of each compensation error coefficient E C , E P , E V can also be estimated. Therefore, the control gains K C , K P , and K V that are sufficiently larger than the estimated values of the upper and lower limits of each compensation error coefficient may be set.

【0006】上記したように,スライディングモード制
御系12によれば,理論的には外乱項D,非線形項Cや
慣性Jの変動の影響を完全に打消すことができ,最適な
制御を行うことができる。しかしながら,実際の制御を
行うに際して,切り換え変数Sの符号によってコントロ
ーラ(不図示)を切り換える必要があり,アナログ式の
制御構成によっては実現することができない。従って,
コンピュータ(CPU)等を用いたディジタル式の制御
構成により実現されている。そのため,あるサンプリン
グ周期毎に制御が実行される。このように,上記スライ
ディングモード制御系12によれば,切り換え変数Sに
よって制御入力νを不連続に切り換えて変化させるた
め,サンプリング周期毎の制御においてチャタリングと
称する微小振動が発生する。上記したように理論的には
優れているスライディングモード制御が一般的に普及し
ていないのは,上記したようなチャタリング現象が原因
である。このため,本発明者らは次のようなスライディ
ングモード制御系を用いた制御方法を開発した(特開平
04−138579号公報)。ここでは,モデル13の
出力(J^θ″+C^)と制御指令値であるトルクτと
の差である外乱値δを直接算出し,算出された外乱値δ
に応じてスライディングモード制御系12の制御ゲイン
を変化させたり(図8参照),また外乱推定オブザーバ
であるフィルタ14と併用させ,フィルタ14による外
乱推定値δ^と外乱値δとの差を用いることによりスラ
イディングモード制御系12によって制御すべき外乱量
を軽減させ,更に制御ゲインを小さく押さえることによ
って,チャタリングを抑制している(図9参照)。
As described above, according to the sliding mode control system 12, theoretically, the influence of the fluctuation of the disturbance term D, the nonlinear term C, and the inertia J can be completely canceled out, and the optimum control can be performed. You can However, when performing actual control, it is necessary to switch the controller (not shown) according to the sign of the switching variable S, which cannot be realized by an analog control configuration. Therefore,
It is realized by a digital control configuration using a computer (CPU) or the like. Therefore, the control is executed every certain sampling cycle. As described above, according to the sliding mode control system 12, since the control input ν is discontinuously switched and changed by the switching variable S, a minute vibration called chattering is generated in the control for each sampling cycle. As described above, the reason why the sliding mode control, which is theoretically excellent, is not widely used is due to the chattering phenomenon as described above. Therefore, the present inventors have developed the following control method using a sliding mode control system (Japanese Patent Laid-Open No. 04-138579). Here, the disturbance value δ that is the difference between the output (J ^ θ ″ + C ^) of the model 13 and the torque τ that is the control command value is directly calculated, and the calculated disturbance value δ
The control gain of the sliding mode control system 12 is changed according to the above (see FIG. 8), or it is used together with the filter 14 which is the disturbance estimation observer, and the difference between the disturbance estimation value δ ^ and the disturbance value δ by the filter 14 is used. As a result, the amount of disturbance to be controlled by the sliding mode control system 12 is reduced, and the control gain is further suppressed to suppress chattering (see FIG. 9).

【0007】[0007]

【発明が解決しようとする課題】上記したような従来の
スライディングモード制御系を用いた制御方法では,セ
ンサ系,制御演算,制御周期やサンプルホールド等に起
因するむだ時間や軸の捩れ振動等の寄生要素の影響を全
く考慮していない。このため,寄生要素の位相遅れによ
る遅延時間Lが存在する場合,チャタリングの振幅A
は, A≒J-1λLKc …(16′) となり,遅延時間Lによってチャタリングが増大し,制
御精度の低下につながることがあった。ちなみに,従来
技術は上記(16′)式において,制御ゲインKc を小
さく抑えるようにしたものである。しかし,上述した如
く制御ゲインKc は十分に大きな値に設定しておかない
と,前記制御ゲインの条件式(12a ′)を満たすこと
ができない。従って,従来技術ではチャタリングを抑制
することが十分とはいえなかった。本発明は,上記事情
に鑑みてなされたものであり,スライディングモード制
御系を用いて制御対象を制御する際に,制御のチャタリ
ングを十分抑制することのできるスライディングモード
制御系を用いた制御装置を提供することを目的とするも
のである。
In the control method using the conventional sliding mode control system as described above, the dead time and the shaft torsional vibration caused by the sensor system, control calculation, control cycle, sample hold, etc. It does not consider the influence of parasitic elements at all. Therefore, when there is a delay time L due to the phase delay of the parasitic element, the chattering amplitude A
Becomes A≈J −1 λLK c (16 ′), the chattering increases due to the delay time L, and the control accuracy may decrease. By the way, in the prior art, the control gain Kc is suppressed to a small value in the above equation (16 '). However, as described above, unless the control gain K c is set to a sufficiently large value, the conditional expression (12 a ′) for the control gain cannot be satisfied. Therefore, it cannot be said that the conventional technique is sufficient to suppress chattering. The present invention has been made in view of the above circumstances, and provides a control device using a sliding mode control system capable of sufficiently suppressing control chattering when controlling a controlled object using the sliding mode control system. It is intended to be provided.

【0008】[0008]

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に,第1の発明は,制御量の誤差をゼロに近づけるため
の制御すべり面に制御対象の制御状態が収束するよう
に,上記制御対象への制御指令値を切り換えて出力する
スライディングモード制御系を用いた制御装置におい
て,上記制御すべり面を規定する切り換え変数に,上記
制御対象の入出力中に存在する寄生要素による切り換え
時間の遅れを補償するような動特性を与えたことを特徴
とするスライディングモード制御系を用いた制御装置と
して構成されている。また,第2の発明は,制御量の誤
差をゼロに近づけるための制御すべり面に制御対象の制
御状態が収束するように,上記制御対象への制御指令値
を切り換えて出力するスライディングモード制御系を用
いた制御装置において,上記制御すべり面を規定する切
り換え変数に,上記制御対象の入出力中に存在する寄生
要素による切り換え時間の遅れを補償するような動特性
を与えると共に,上記制御対象の入出力値に基づいて該
制御対象に加わる外乱量を直接演算し,該演算値に基づ
いて上記スライディングモード制御系の制御ゲインを変
化させる第1のゲイン変更部を設けたことを特徴とする
スライディングモード制御系を用いた制御装置として構
成されいてる。
In order to achieve the above object, a first aspect of the present invention provides the above control so that the control state of a control target converges on a control slip surface for making an error of a control amount close to zero. In a control device using a sliding mode control system that outputs a control command value to an object by switching, a switching variable that defines the control slip surface causes a delay in switching time due to a parasitic element existing during input / output of the control object. It is configured as a control device using a sliding mode control system characterized by giving a dynamic characteristic for compensating for A second aspect of the invention is a sliding mode control system that switches and outputs a control command value to the control target so that the control state of the control target converges on a control slip surface for making the error of the control amount close to zero. In a control device using the above-described control slip, a switching variable that defines the control slip surface is given a dynamic characteristic that compensates for a switching time delay due to a parasitic element existing in the input / output of the control target, and Sliding characterized in that a first gain changing unit for directly calculating a disturbance amount applied to the controlled object based on an input / output value and changing a control gain of the sliding mode control system based on the calculated value is provided. It is configured as a control device using a mode control system.

【0009】また,第3の発明は,制御量の誤差をゼロ
に近づけるための制御すべり面に制御対象の制御状態が
収束するように,上記制御対象への制御指令値を切り換
えて出力するスライディングモード制御系を用いた制御
装置において,上記制御すべり面を規定する切り換え変
数に,上記制御対象の入出力中に存在する寄生要素によ
る切り換え時間の遅れを補償するような動特性を与える
と共に,上記制御対象の入出力値に基づいて該制御対象
に加わる外乱量を推定する外乱推定部と,上記外乱推定
部による推定値に基づいて上記スライディングモード制
御系の制御ゲインを変化させる第2のゲイン変更部とを
設けたことを特徴とするスライディングモード制御系を
用いた制御装置として構成されている。更には,上記寄
生要素が高次モードであるスライディングモード制御系
を用いた制御装置である。更には,上記寄生要素がむだ
時間であるスライディングモード制御系を用いた制御装
置である。更には,上記寄生要素が下位制御ループの遅
れ要素であるスライディングモード制御系を用いた制御
装置である。
A third aspect of the present invention is a sliding device that switches and outputs the control command value to the control target so that the control state of the control target converges on the control slip surface for making the error of the control amount close to zero. In a control device using a mode control system, a switching variable that defines the control slip surface is given a dynamic characteristic that compensates for a switching time delay due to a parasitic element existing in the input / output of the controlled object, and A disturbance estimator that estimates the amount of disturbance applied to the controlled object based on the input / output value of the controlled object, and a second gain change that changes the control gain of the sliding mode control system based on the estimated value by the disturbance estimator Is provided as a control device using a sliding mode control system. Furthermore, it is a control device using a sliding mode control system in which the parasitic element is a higher-order mode. Further, it is a control device using a sliding mode control system in which the parasitic element has a dead time. Furthermore, the parasitic element is a control device using a sliding mode control system, which is a delay element of the lower control loop.

【0010】[0010]

【作用】第1の発明によれば,制御量の誤差をゼロに近
づけるための制御すべり面の制御対象の制御状態が収束
するように,上記制御対象への制御指令値を切り換えて
出力するスライディングモード制御系が用いられた場
合,上記制御すべり面を指定する切り換え変数に,上記
制御対象の入出力中に存在する寄生要素による切り換え
時間の遅れを補償するような動特性が与えられる。この
ように,切り換え変数に寄生要素に応じた動特性を持た
せることによって,遅延時間をゼロあるいは短縮し,チ
ャタリングを軽減できる。また,第2の発明によれば,
上記制御すべり面を指定する切り換え時間に,上記制御
対象の入出力中に存在する寄生要素による切り換え時間
の遅れを補償するような動特性が与えられると共に,上
記制御対象の入出力値に基づいて該制御対象に加わる外
乱量が直接演算され,該演算値に基づいて上記スライデ
ィングモード制御系の制御ゲインが第1のゲイン変更部
により変化させられる。このように,外乱量を直接演算
し,演算された外乱量に応じてゲインを変更することに
よって,制御ゲインを小さくすることができるため,更
にチャタリングを軽減できる。
According to the first aspect of the present invention, the sliding which switches and outputs the control command value to the control target so that the control state of the control target of the control slip surface for making the error of the control amount close to zero converges. When a mode control system is used, the switching variable that specifies the control slip surface is given a dynamic characteristic that compensates for the switching time delay due to parasitic elements existing in the input and output of the controlled object. Thus, by giving the switching variable dynamic characteristics according to the parasitic element, the delay time can be reduced to zero or shortened, and chattering can be reduced. According to the second invention,
Based on the input / output value of the control target, the switching time designating the control slip surface is given a dynamic characteristic that compensates for a delay in the switching time due to a parasitic element existing in the input / output of the control target. The amount of disturbance applied to the controlled object is directly calculated, and the control gain of the sliding mode control system is changed by the first gain changing unit based on the calculated value. In this way, the control gain can be reduced by directly calculating the disturbance amount and changing the gain according to the calculated disturbance amount, so that chattering can be further reduced.

【0011】また,第3の発明によれば,上記制御滑り
面を指定する切り換え変数に,上記制御対象の入出力中
に存在する寄生要素による切り換え時間の遅れを補償す
るような動特性が与えられると共に,上記制御対象の入
出力値に基づいて該制御対象に加わる外乱量が外乱推定
部により推定され,上記外乱推定部による推定値に基づ
いて上記スライディングモード制御系の制御ゲインが第
2のゲイン変更部により変化させられる。このように,
外乱推定部を併用することによって,未知外乱の量を抑
えて制御ゲインを小さくできるため,更に一層チャタリ
ングを軽減できる。更に,上記指定要素が高次モードで
あるとされる。更に,上記寄生要素がむだ時間であると
される。更に,上記寄生要素が下位制御ループの遅れで
あるとされる。このように,上記スライディングモード
制御を,捩れ振動等の高次モードあるいはセンサ系やコ
ントローラ部の無駄時間あるいは電流ループ等の下位制
御ループの遅れがある制御対象に適用でき,チャタリン
グを軽減できる。特に,状態推定部を用いる場合は,安
定に状態推定を行うことが可能となるため一層チャタリ
ングを軽減できる。その結果,スライディングモード制
御系を用いて制御対象を制御する際に,制御のチャタリ
ングを十分抑制することのできるスライディングモード
制御系を用いた制御装置を得ることができる。
According to the third aspect of the invention, the switching variable designating the control sliding surface is given a dynamic characteristic for compensating for a delay in switching time due to a parasitic element existing in the input / output of the controlled object. At the same time, the disturbance amount applied to the controlled object is estimated based on the input / output value of the controlled object by the disturbance estimation unit, and the control gain of the sliding mode control system is set to the second based on the estimated value by the disturbance estimation unit. It is changed by the gain changing unit. in this way,
By using the disturbance estimator together, the amount of unknown disturbance can be suppressed and the control gain can be reduced, which further reduces chattering. Furthermore, the designated element is said to be in the higher mode. Furthermore, it is said that the above parasitic element is a dead time. Furthermore, it is said that the parasitic element is a delay of the lower control loop. As described above, the sliding mode control can be applied to a control object having a higher-order mode such as torsional vibration, a dead time of the sensor system or the controller unit, or a delay of a lower control loop such as a current loop, thereby reducing chattering. In particular, when the state estimation unit is used, the state estimation can be performed stably, so that chattering can be further reduced. As a result, it is possible to obtain a control device using a sliding mode control system capable of sufficiently suppressing control chattering when controlling a controlled object using the sliding mode control system.

【0012】[0012]

【実施例】以下添付図面を参照して,本発明(第1〜3
の発明)を具体化した実施例につき説明し,本発明の理
解に供する。尚,以下の実施例は,本発明を具体化した
一例であって,本発明の技術的範囲を限定するものでは
ない。ここに,図1は第1の発明の一実施例に係るスラ
イディングモード制御系を用いた制御装置A1 の概略構
造を示すブロック図,図2は第2の発明の一実施例に係
るスライディングモード制御系を用いた制御装置A2
概略構成を示すブロック図,図3は第3の発明の一実施
例に係るスライディングモード制御系を用いた制御装置
3 の概略構成を示すブロック図,図4は制御対象のノ
ミナルな数学モデルに対し入出力に寄生要素が存在する
場合を示す部分ブロック図,図5は上記制御対象の等価
変換ブロック図,図6は上記制御対象としてモータ駆動
系を採用した場合の該駆動系の概略構成図である。図1
(a),(b)に示す如く,第1の発明の一実施例に係
る制御装置A1 は,制御量xの誤差をゼロに近づけるた
めの制御すべり面に制御対象1の制御状態が収束するよ
うに制御対象1への制御指令値uを切り換えて出力する
スライディングモード制御系2を用いた点で従来例と同
様である。しかし,本実施例では,上記制御すべり面を
指定する切り換え変数Sに,制御対象1の入出力中に存
在する寄生要素による切り換え時間の遅れを補償するよ
うな動特性N(s)を与えた点で従来例とは異なる。
DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS The present invention (first to third embodiments) will be described below with reference to the accompanying drawings.
The invention will be described to provide an understanding of the present invention. It should be noted that the following embodiments are merely examples embodying the present invention and do not limit the technical scope of the present invention. 1 is a block diagram showing a schematic structure of a control device A 1 using a sliding mode control system according to an embodiment of the first invention, and FIG. 2 is a sliding mode according to an embodiment of the second invention. FIG. 3 is a block diagram showing a schematic configuration of a control device A 2 using a control system, and FIG. 3 is a block diagram showing a schematic configuration of a control device A 3 using a sliding mode control system according to an embodiment of the third invention. 4 is a partial block diagram showing the case where a parasitic element exists in the input and output for the nominal mathematical model of the controlled object, FIG. 5 is an equivalent conversion block diagram of the controlled object, and FIG. 6 adopts a motor drive system as the controlled object. It is a schematic block diagram of the said drive system at the time of doing. Figure 1
As shown in (a) and (b), the control device A 1 according to the first embodiment of the present invention converges the control state of the controlled object 1 on the control slip surface for bringing the error of the control amount x close to zero. This is similar to the conventional example in that the sliding mode control system 2 that switches and outputs the control command value u to the controlled object 1 is used. However, in the present embodiment, a dynamic characteristic N (s) is provided to the switching variable S designating the controlled slip surface so as to compensate for the switching time delay due to the parasitic element existing in the input / output of the controlled object 1. The point is different from the conventional example.

【0013】ここで,この装置A1 の基本原理等につい
て略述する。図4に示されるように,制御対象1のノミ
ナルな数学モデル x(s)=J-1(u(s)+d(s))/s2 …(1) に対し,入出力中に存在する寄生要素PI (s), O
(s)が存在し,制御対象1の伝達関数が x(s)=Po (s)J-1(P(s)u(s)+d(s))/s2 …(2) で表されるものとする。ただし,Jは慣性,uは上記制
御指令値となる入力,xは上記制御量となる出力,dは
外乱,sはラプラス演算子とし,寄生要素PI (s),
o (s)は不安定零点を持たないものとする。ここ
で,外乱dの代わりに, d(s)=PI (s)δ(s) …(3) なる変数δを外乱として用いれば,上記(2)式で表さ
れた制御対象1の伝達関数は χ(s)=J-1(u(s)+δ(s))/s2 …(4) x(s)=Po (s)PI (s)χ(s) …(5) で表される。図5にこのときの等価変換ブロック図を示
す。ここで,実際に観測されるのは出力xと制御入力u
だけであり,χやδは観測されない。
Here, the basic principle and the like of the device A 1 will be briefly described. As shown in FIG. 4, for the nominal mathematical model x (s) = J −1 (u (s) + d (s)) / s 2 (1) of the controlled object 1, it exists in the input / output. Parasitic elements P I (s) , P O
(S) exists, and the transfer function of the controlled object 1 is represented by x (s) = P o (s) J −1 (P (s) u (s) + d (s)) / s 2 (2) Shall be done. Where J is the inertia, u is the input that is the control command value, x is the output that is the control amount, d is the disturbance, s is the Laplace operator, and the parasitic element P I (s),
It is assumed that P o (s) does not have an unstable zero point. Here, if a variable δ of d (s) = P I (s) δ (s) (3) is used as the disturbance instead of the disturbance d, the transmission of the controlled object 1 expressed by the above equation (2) is transmitted. The function is χ (s) = J −1 (u (s) + δ (s)) / s 2 (4) x (s) = P o (s) P I (s) χ (s) (5) It is represented by. FIG. 5 shows an equivalent conversion block diagram at this time. Here, what is actually observed is the output x and the control input u.
Χ and δ are not observed.

【0014】この制御対象1に対して,リアプノフ関数
の候補V V(t)=σ(t)2 …(6) σ(t)=χ(t)+λdχ(t)/dt …(7) を考える。ただし,λはχの収束特性を決定する正数
(時定数)である。従来のスライディングモード制御で
は,制御入力uを u(t)=−(KP |x(t)|+KV |dx(t)/dt|+Kc ) ×sgn(S(t)) …(8) S(t)=x(t)+λdx(t)/dt …(9) で与えていたが(前記(8′),(9′)式に相当),
本実施例では,制御入力uを次式で与える。ただし,K
P ,KV ,Kc は制御ゲインであり,Sは従来のスライ
ディングモード制御の切り換え変数,Rはこの実施例で
新たに与える切り換え変数である(図1(b)参照)。 u(t)=−(KP |x(t)|+KV |dx(t)/dt|+Kc ) ×sgn(R(t)) …(10) R(s)=N(s)S(s) …(11) S(t)=x(t)+λdx(t)/dt …(9) ここで、 sgn(σ(t))=sgn(R(t)) …(12) となるように上記(11)式の動特性N(s)を与え,
上記(10)式の各制御ゲインを KP ≧0,KV ≧Jλ-1,Kc ≧|δ(s)|+Jλ-1|dχ /dt−dx(t)/dt| …(13) とすれば,上記(9)〜(12)式においてリアプノフ
関数の候補Vの時間微分値は dV/dt =2σdσ/dt=2σ(dχ/dt+λd2 χ/dt2 ) =2σ(dχ/dt+λJ-1(u(s)+δ(s))) =2σλJ-1(Jλ-1dχ/dt+u(s)+δ(s)) =2σλJ-1(Jλ-1dχ/dt−(KP |x(t)|+KV |dx(t) /dt|+Kc )×sgn(R(t))+δ(s)) =2σλJ-1(Jλ-1dχ/dt−(KP |x(t)|+KV |dx(t) /dt|+Kc )×sgn(σ(t))+δ(s)) ≦2|σ|λJ-1(Jλ-1|dχ/dt|−KP |x(t)|−KV | dx(t)/dt|−Kc +|δ(s)|) ≦−2|σ|λJ-1 ×{KP |x(t)|+(KV −Jλ-1)|dx(t)/dt|+(Kc −| δ(s)|−Jλ-1|dχ/dt−dx(t)/dt|)} …(14) となり,候補Vはリアプノフ関数となる。従って,リア
プノフ関数Vは0に収束するため,上記(6)式からσ
は漸近安定であり0に収束する。即ち,上記(7)式か
ら,χも時定数λで0に収束し,上記(5)式から出力
xも0となる。このように,上記(9)〜(11)式に
示されるように切り換え変数Rに動特性N(s)を与え
ることによって,切り換え変数Rとσとの間の遅延時間
をなくし,上記(12)式を満たすことができる。これ
により,上記(14)式を満足させ,理論的にはチャタ
リングを完全になくすことができる。
For this controlled object 1, Lyapunov function candidates V V (t) = σ (t) 2 (6) σ (t) = χ (t) + λdχ (t) / dt (7) Think However, λ is a positive number (time constant) that determines the convergence property of χ. In the conventional sliding mode control, the control input u is expressed by u (t) =-(K P | x (t) | + K V | dx (t) / dt | + K c ) × sgn (S (t)) (8) ) S (t) = x (t) + λdx (t) / dt (9) is given (corresponding to the equations (8 ′) and (9 ′) above),
In this embodiment, the control input u is given by the following equation. However, K
P , K V , and K c are control gains, S is a switching variable for the conventional sliding mode control, and R is a switching variable newly given in this embodiment (see FIG. 1 (b)). u (t) =-(K P | x (t) | + K V | dx (t) / dt | + K c ) × sgn (R (t)) (10) R (s) = N (s) S (S) (11) S (t) = x (t) + λdx (t) / dt (9) Here, sgn (σ (t)) = sgn (R (t)) (12) Thus, given the dynamic characteristic N (s) of the above equation (11),
The respective control gains of the equation (10) are expressed as K P ≧ 0, K V ≧ Jλ −1 , K c ≧ │δ (s) │ + Jλ -1 │dχ / dt-dx (t) / dt│ (13) Then, in the above equations (9) to (12), the time differential value of the Lyapunov function candidate V is dV / dt = 2σdσ / dt = 2σ (dχ / dt + λd 2 χ / dt 2 ) = 2σ (dχ / dt + λJ − 1 (u (s) + δ (s)) = 2σλJ −1 (Jλ −1 dχ / dt + u (s) + δ (s)) = 2σλJ −1 (Jλ −1 dχ / dt− (K P | x (t ) | + K V | dx (t) / dt | + K c ) × sgn (R (t)) + δ (s)) = 2σλJ −1 (Jλ −1 dχ / dt− (K P | x (t) | + K V | dx (t) / dt | + K c ) × sgn (σ (t)) + δ (s)) ≦ 2 | σ | λ J −1 (Jλ −1 | dχ / dt | −K P | x (t) │-K V │ dx (t) / d t | −K c + | δ (s) |) ≦ −2 | σ | λJ −1 × {K P | x (t) | + (K V −Jλ −1 ) | dx (t) / dt | + a} ... (14), and the candidate V is Lyapunov function - (K c | δ (s ) | -Jλ -1 | | dχ / dt-dx (t) / dt). Therefore, since the Lyapunov function V converges to 0, from the above equation (6), σ
Is asymptotically stable and converges to zero. That is, from the equation (7), χ also converges to 0 with the time constant λ, and the output x also becomes 0 from the equation (5). Thus, by giving the dynamic characteristic N (s) to the switching variable R as shown in the above equations (9) to (11), the delay time between the switching variable R and σ is eliminated, and ) Can be satisfied. As a result, the above expression (14) can be satisfied, and theoretically chattering can be completely eliminated.

【0015】しかし,従来技術では,上記(8),
(9)式(又は前記(8′),(9′)式)に示される
ように切り換え変数Sに動特性を持たせていないため,
寄生要素が存在すれば切り換え変数Sとσとの間に遅延
時間が存在し,上記(14)式が満足されない。即ち,
従来技術ではσに対する切り換え変数の遅延時間の最大
値L L=ωmax (2π/ω×∠P(jω)) …(15) P(s)=Po (s)PI (s) …(16) に対して,チャタリング振幅Aは前述した如く, A≒J-1λLKc …(17) で与えられる。ただし,jは虚数単位である。この場
合,本実施例では,遅れ時間L=0であるため,チャタ
リング振幅Aは0となり,チャタリングは発生しない。
However, in the prior art, the above (8),
As shown in the equation (9) (or the equations (8 ') and (9')), the switching variable S does not have a dynamic characteristic.
If a parasitic element exists, a delay time exists between the switching variable S and σ, and the above equation (14) is not satisfied. That is,
In the prior art, the maximum value of the delay time of the switching variable with respect to σ is L L = ω max (2π / ω × ∠P (jω)) (15) P (s) = P o (s) P I (s) ( 16), the chattering amplitude A is given by A≈J −1 λLK c (17) as described above. However, j is an imaginary unit. In this case, in the present embodiment, since the delay time L = 0, the chattering amplitude A becomes 0 and chattering does not occur.

【0016】〔検討1〕ところで,上記実施例では,制
御対象1の寄生要素PI (s),Po (s)が不安定零
点を持たないものとしている。従って,不安定零点を持
つ場合について以下検討する。この時,上記(12)式
を満たす動特性N(s)は不安定となり,採用すること
ができない。従って,上記(14)式は一般的に成り立
たない。この場合には,切り換え変数Sとσとの間に遅
延時間が存在し,σに対する切り換え変数の遅延時間の
最大値は, L=ωmax (2π/ω×∠N(jω)P(jω)) …(18) で表され,チャタリングの振幅Aはやはり上記(17)
式で与えられる。そこで,上記(18)式の最大遅延時
間Lを小さくすることが考える。即ち,寄生要素P
(s)(=PI (s)Po (s))に不安定零点が存在
しても ∠M(jω)P(jω)=0 for ∀ω …(19) を満たすような安定な動特性M(s)は必ず存在するた
め,動特性M(s)をN(s)とすれば,上記(18)
式から,最大遅延時間Lは0となり,上記(17)式か
ら振幅Aも0となるためチャタリングを抑制できる。
[Study 1] In the above embodiment, the parasitic elements P I (s) and P o (s) of the controlled object 1 are assumed to have no unstable zero point. Therefore, the case of having an unstable zero is considered below. At this time, the dynamic characteristic N (s) satisfying the above equation (12) becomes unstable and cannot be adopted. Therefore, the above formula (14) generally does not hold. In this case, there is a delay time between the switching variable S and σ, and the maximum value of the switching variable delay time with respect to σ is L = ω max (2π / ω × ∠N (jω) P (jω) ) (18), the chattering amplitude A is the same as in (17) above.
Given by the formula. Therefore, it is considered to reduce the maximum delay time L in the equation (18). That is, the parasitic element P
Even if an unstable zero exists in (s) (= P I (s) P o (s)), a stable motion that satisfies ∠M (jω) P (jω) = 0 for ∀ω (19) Since the characteristic M (s) always exists, if the dynamic characteristic M (s) is N (s), then the above (18)
From the equation, the maximum delay time L becomes 0, and from the equation (17), the amplitude A also becomes 0, so that chattering can be suppressed.

【0017】〔検討2〕更に,寄生要素P(s)に不安
定零点が存在し,上記(19)式の動特性M(s)をN
(s)とすれば,制御入力uから切り換え変数Rへの伝
達関数が真にプロパーでないときがある。この場合は,
上記(19)式の動特性M(s)をそのままN(s)に
することは一般にできなくなる。そこで,カットオフ周
波数が十分高いローパスフィルタF(s)を動特性M
(s)に加え,この動特性M(s)の高域に遅れ要素を
持たせた新たな動特性F(s)M(s)をN(s)とす
ることによって,制御入力uから切り換え変数Rへの伝
達関数を真にプロパーとしながら,∠N(jω)P(j
ω)を小さくすることができる。即ち,上記(18)式
から最大遅延時間Lが抑えられ,上記(17)式からチ
ャタリング振幅Aが抑えられる。
[Study 2] Further, an unstable zero point exists in the parasitic element P (s), and the dynamic characteristic M (s) of the equation (19) is set to N.
If (s), the transfer function from the control input u to the switching variable R may not be truly proper. in this case,
It is generally impossible to directly change the dynamic characteristic M (s) of the equation (19) to N (s). Therefore, a low-pass filter F (s) having a sufficiently high cutoff frequency is used as a dynamic characteristic M
In addition to (s), a new dynamic characteristic F (s) M (s) in which a delay element is provided in the high range of this dynamic characteristic M (s) is set as N (s) to switch from the control input u. While making the transfer function to the variable R truly proper, ∠N (jω) P (j
ω) can be reduced. That is, the maximum delay time L is suppressed from the above equation (18), and the chattering amplitude A is suppressed from the above equation (17).

【0018】引き続いて,第2の発明について述べる。
図2に示す如く第2の発明の一実施例に係る制御装置A
2 は,上記第1の発明の実施例装置A1 に加えて,制御
対象1の入出力値に基づいて制御対象1に加える外乱量
を直接演算し,この演算値に基づいてスライディングモ
ード制御系2の制御ゲインを変化させるゲイン変更部3
a (第1のゲイン変更部に相当)を設けた点で従来例と
異なる。以下,この第2の発明の実施例装置A2 につい
てその基本原理等について略述する。上記第1の発明に
おける実施例において,制御ゲインKc を Kc (t)=|Δ(t)|+k …(20) Δ(s)=FG (s)P(s)δ(s)=FG (s)(Js2 x(s)−P( s)u(s)) …(21) k=|δ(t)−Δ(t)|+Lλ-1|dχ/dt−dx(t)/dt| …(22) で与え,変化させる。ただし,この場合の動特性F
G (s)は,任意に与える設計パラメータである。この
時, Kc (t)=|Δ(t)|+K≧|Δ(t)|+|δ(t)−Δ(t)| +Jλ-1|dχ/dt−dx(t)/dt| ≧|δ(t)|+Jλ-1|dχ/dt−dx(t)/dt| …(23) となり,上記(13)式は満足される。このため,上記
第1の発明の実施例中述べたことが同様に言える。本実
施例では更に,上記(20)式を用いたゲイン変更器3
a によって制御ゲインKc を変更し,この制御ゲインK
c を小さく抑えることができるため,上記(18)式か
らチャタリングの振幅Aをより小さく抑えることができ
る。従って,上記第1の発明の実施例に比べて更にチャ
タリングを軽減できる。
Next, the second invention will be described.
As shown in FIG. 2, a control device A according to an embodiment of the second invention.
In addition to the device A 1 of the first embodiment of the present invention, 2 directly calculates the disturbance amount applied to the controlled object 1 based on the input / output value of the controlled object 1, and the sliding mode control system based on the calculated value. Gain changing unit 3 for changing the control gain of 2
This is different from the conventional example in that a (corresponding to the first gain changing unit) is provided. The basic principle of the device A 2 of the second embodiment of the present invention will be briefly described below. In the embodiment of the first aspect of the present invention, the control gain K c is set to K c (t) = | Δ (t) | + k (20) Δ (s) = F G (s) P (s) δ (s) = F G (s) (Js 2 x (s) −P (s) u (s)) (21) k = | δ (t) −Δ (t) | + Lλ −1 | dχ / dt−dx ( t) / dt | ... (22), and change. However, the dynamic characteristics F in this case
G (s) is a design parameter given arbitrarily. At this time, K c (t) = | Δ (t) | + K ≧ | Δ (t) | + | δ (t) -Δ (t) | + Jλ −1 | dχ / dt-dx (t) / dt | ≧ | δ (t) | + Jλ −1 | dχ / dt−dx (t) / dt | (23), the above equation (13) is satisfied. Therefore, the same can be said for the first embodiment of the invention. In this embodiment, further, the gain changer 3 using the equation (20) is used.
The control gain K c is changed by a, and this control gain K
Since c can be suppressed to a small value, the chattering amplitude A can be suppressed to a smaller value from the equation (18). Therefore, chattering can be further reduced as compared with the first embodiment of the invention.

【0019】引き続いて,第3の発明について述べる。
図3に示す如く,第3の発明の一実施例に係る装置A3
は,上記第1の発明に加えて,制御対象1の入出力値に
基づいて制御対象1に加わる外乱量を推定する外乱推定
オブザーバ4(外乱推定部に相当)と,この外乱推定オ
ブザーバー4による外乱推定値に基づいてスライディン
グモード制御系2の制御ゲインを変化させるゲイン変更
部3b (第2のゲイン変更部に相当)とを設けている点
で従来例と異なる。以下,この第3の発明の実施例装置
3 の基本原理等について略述する。ここでは,外乱推
定値δO を次式で与える外乱推定オブザーバ4により推
定する。 δO (s)=FG (s)P(s)δ(s)=FG (s)(Js2 x(s)−P (s)u(s)) …(24) 即ち,制御入力uと制御ゲインKc とを u(t)=−(KP |x(t)|+KV |x(t)/dt|+KC ) ×sgn(S(t))−δO (t) …(25) KC (t)=|Δ(t)−δO (t)|+k …(26) で与えれば,上記(20)式よりもさらにゲイン変更器
b によって制御ゲインKC を小さく抑えられ,上記
(18)式からチャタリングの幅Aを一層小さく抑える
ことができる。このように,外乱推定オブザーバ4を併
用することによって,未知外乱の量を抑えて制御ゲイン
を小さくし,チャタリングを一層軽減できる。
Next, the third invention will be described.
As shown in FIG. 3, an apparatus A 3 according to an embodiment of the third invention is shown.
Is a disturbance estimation observer 4 (corresponding to a disturbance estimation unit) that estimates the amount of disturbance applied to the controlled object 1 based on the input / output value of the controlled object 1, and the disturbance estimation observer 4. This is different from the conventional example in that a gain changing unit 3 b (corresponding to a second gain changing unit) that changes the control gain of the sliding mode control system 2 based on the estimated disturbance value is provided. The basic principle of the device A 3 of the third embodiment of the present invention will be briefly described below. Here, the estimated disturbance value δ O is estimated by the disturbance estimation observer 4 given by the following equation. δ O (s) = F G (s) P (s) δ (s) = F G (s) (Js 2 x (s) -P (s) u (s)) ... (24) i.e., the control input u and the control gain K c are expressed as follows: u (t) = − (K P | x (t) | + K V | x (t) / dt | + K C ) × sgn (S (t)) − δ O (t) (25) K C (t) = | Δ (t) −δ O (t) | + k (26) If the control gain K C is further changed by the gain changer 3 b than the equation (20), The chattering width A can be further reduced to a smaller value according to the equation (18). Thus, by using the disturbance estimation observer 4 together, the amount of unknown disturbance can be suppressed, the control gain can be reduced, and chattering can be further reduced.

【0020】次に,寄生要素の具体例について述べる。
例えば,図6に示すように制御対象1には寄生要素とし
て軸の捩れ振動を有するモータ駆動系について考える。
今,モータの回転角度θm を出力x,負荷側イナーシャ
をJL ,モータイナーシャをJM ,軸のばね定数をK,
また次式のように捩れ振動を考慮していないモデルをノ
ミナルな数学モデルPN (s)とすれば, PN (s)=(JM +JL -1/s2 …(27) このとき,寄生要素PO (s)は, PO (s)=(s2 L +K)/(s2 L M /(JM +JL )+K) …(28) と表現できる。あるいは出力xとして負荷側の回転角度
θL を選んだ場合には,寄生要素PO(s)は, PO (s)=K/(s2 L M /(JM +JL )+K) …(29) と表現できる。更に,制御対象1の寄生要素としてセン
サ系やコントローラ部のむだ時間があるとした場合,入
力のむだ時間をLI ,出力のむだ時間をLO ,制御入力
uから入力観測値us へのむだ時間をLU とすれば,寄
生要素PI (s),PO (s),PU (s)は, PI (s)=e-Lis,PO (s)=e -Los ,PU (s)=e-Lus …(30 ) と表現できる。
Next, a specific example of the parasitic element will be described.
For example, consider a motor drive system having a torsional vibration of a shaft as a parasitic element in the controlled object 1 as shown in FIG.
Now, output the rotation angle θ m of the motor as x, load side inertia as J L , motor inertia as J M , shaft spring constant as K,
If a model that does not consider torsional vibration as in the following equation is a nominal mathematical model P N (s), then P N (s) = (J M + J L ) −1 / s 2 (27) Then, the parasitic element P O (s) can be expressed as P O (s) = (s 2 J L + K) / (s 2 J L J M / (J M + J L ) + K) (28). Alternatively, when the load-side rotation angle θ L is selected as the output x, the parasitic element P O (s) is P O (s) = K / (s 2 J L J M / (J M + J L ) + K )… (29) Furthermore, if there is a dead time in the sensor system or the controller as a parasitic element of the controlled object 1, the input dead time is L I , the output dead time is L O , and the control input u changes from the input observed value u s . If the dead time is L U , the parasitic elements P I (s), P O (s) and P U (s) are P I (s) = e −Lis , P O (s) = e −Los , It can be expressed as P U (s) = e −Lus (30)

【0021】更に制御対象1が,寄生要素として電流ル
ープの遅れが存在するモータ駆動系である場合について
考え,このとき,電流ループの時定数をTとすれば,寄
生要素PI (s),PU (s)は, PI (s)=1/(Ts+1),PU (s)=1/(Ts+1)…(31) と表現できる。上記は寄生要素として種々のものが単独
で存在する場合を考えているが,更に,上記の寄生要素
が複数種類にまたがって存在する場合を考える。この場
合,それぞれの寄生要素は上記実施例の寄生要素の積と
して表現される。例えば,むだ時間LU と電流ループの
遅れTとが同時に存在する場合,寄生要素PU (s)は PU (s)=e-Lus/(Ts+1) …(32) で表現される。このように,上記各実施例装置A1 〜A
3 におけるスライディングモード制御を捩れ振動等の高
次モードあるいはセンサ系やコントローラ部のむだ時間
あるいは電流ループ等の下位制御ループの遅れがある制
御対象1に適用した場合,いずれもチャタリングを軽減
することができる。特に,上記第3の発明の実施例装置
3 に適用した場合には,安定に状態推定を行うことが
可能となる。その結果,いずれの場合も,スライディン
グモード制御系を用いて制御対象を制御する際に,制御
のチャタリングを十分抑制することのできるスライディ
ングモード制御系を用いた制御系とすることができる。
尚,上記各実施例装置A1 〜A3 は,いずれも従来例と
同様,非線形補償系を備えてもよく,その場合は、上記
スライディングモード制御系2からの制御指令値uを補
償して制御精度の向上を更に図ることができる。
Further, let us consider a case where the controlled object 1 is a motor drive system in which a delay of the current loop exists as a parasitic element. At this time, if the time constant of the current loop is T, the parasitic element P I (s), P U (s) can be expressed as P I (s) = 1 / (Ts + 1), P U (s) = 1 / (Ts + 1) ... (31). The above considers the case where various types of parasitic elements exist independently, but further considers the case where the above parasitic elements exist across multiple types. In this case, each parasitic element is expressed as the product of the parasitic elements of the above-mentioned embodiment. For example, when the dead time L U and the delay T of the current loop exist at the same time, the parasitic element P U (s) is expressed by P U (s) = e −Lus / (Ts + 1) (32). As described above, the devices A 1 to A 1
When the sliding mode control in 3 is applied to the controlled object 1 which has a higher mode such as torsional vibration or a delay of a lower control loop such as a dead time of a sensor system or a controller or a current loop, chattering can be all reduced. it can. In particular, when applied to the device A 3 of the third embodiment of the present invention, the state can be estimated stably. As a result, in any case, when controlling the controlled object using the sliding mode control system, a control system using the sliding mode control system that can sufficiently suppress control chattering can be obtained.
Each of the above-mentioned embodiments A 1 to A 3 may have a non-linear compensation system as in the conventional example. In that case, the control command value u from the sliding mode control system 2 is compensated. It is possible to further improve the control accuracy.

【0022】[0022]

【発明の効果】第1の発明に係るスライディングモード
制御系を用いた制御装置は上記したように構成されてい
るため,切り換え変数に寄生要素に応じた動特性を持た
せることによって,遅延時間をゼロあるいは短縮し,チ
ャタリングを軽減できる。また,第2の発明によれば,
外乱量を直接演算し,演算された外乱量に応じてゲイン
を変更することによって,制御ゲインを小さくすること
ができるため,更にチャタリングを軽減できる。また,
第3の発明によれば,外乱推定部を併用することによっ
て,未知外乱の量を抑えて制御ゲインを小さくできるた
め,更に一層チャタリングを軽減できる。更に,上記ス
ライディングモード制御を,捩れ振動等の高次モードあ
るいはセンサ系やコントローラ部の無駄時間あるいは電
流ループ等の下位制御ループの遅れがある制御対象に適
用でき,チャタリングを軽減できる。特に,状態推定部
を用いる場合は,安定に状態推定を行うことが可能とな
るため一層チャタリングを軽減できる。その結果,スラ
イディングモード制御系を用いて制御対象を制御する際
に,制御のチャタリングを十分抑制することのできるス
ライディングモード制御系を用いた制御装置を得ること
ができる。
Since the control device using the sliding mode control system according to the first aspect of the invention is configured as described above, the delay time can be reduced by providing the switching variable with the dynamic characteristic according to the parasitic element. Zeroing or shortening can reduce chattering. According to the second invention,
Since the control gain can be reduced by directly calculating the disturbance amount and changing the gain according to the calculated disturbance amount, chattering can be further reduced. Also,
According to the third aspect of the present invention, the amount of unknown disturbance can be suppressed and the control gain can be reduced by using the disturbance estimation unit together, so that chattering can be further reduced. Further, the above sliding mode control can be applied to a control object having a higher order mode such as torsional vibration or a dead time of the sensor system or the controller section or a delay of a lower control loop such as a current loop, thereby reducing chattering. In particular, when the state estimation unit is used, the state estimation can be performed stably, so that chattering can be further reduced. As a result, it is possible to obtain a control device using a sliding mode control system capable of sufficiently suppressing control chattering when controlling a controlled object using the sliding mode control system.

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

【図1】 第1の発明の一実施例に係るスライディング
モード制御系を用いた制御装置A1 の概略構成を示すブ
ロック図。
FIG. 1 is a block diagram showing a schematic configuration of a control device A 1 using a sliding mode control system according to an embodiment of the first invention.

【図2】 第2の発明の一実施例に係るスライディング
モード制御系を用いた制御装置A2 の概略構成を示すブ
ロック図。
FIG. 2 is a block diagram showing a schematic configuration of a control device A 2 using a sliding mode control system according to an embodiment of the second invention.

【図3】 第3の発明の一実施例に係るスライディング
モード制御系を用いた制御装置A3 の概略構成を示すブ
ロック図。
FIG. 3 is a block diagram showing a schematic configuration of a control device A 3 using a sliding mode control system according to an embodiment of the third invention.

【図4】 制御対象のノミナルな数学モデルに対し入出
力要素が存在する場合を示す部分ブロック図。
FIG. 4 is a partial block diagram showing a case where an input / output element exists for a nominal mathematical model to be controlled.

【図5】 上記制御対象の等価変換ブロック図。FIG. 5 is an equivalent conversion block diagram of the controlled object.

【図6】 上記制御対象としてモータ駆動系を採用した
場合の該駆動系の概略構成図。
FIG. 6 is a schematic configuration diagram of a drive system when a motor drive system is adopted as the control target.

【図7】 従来のスライディングモード制御系を用いた
制御方法による装置の第1例A01における概略構成を示
すブロック図。
FIG. 7 is a block diagram showing a schematic configuration of a first example A 01 of an apparatus according to a control method using a conventional sliding mode control system.

【図8】 従来のスライディングモード制御系を用いた
制御方法による装置の第2例A02における概略構成を示
すブロック図。
FIG. 8 is a block diagram showing a schematic configuration of a second example A 02 of an apparatus according to a control method using a conventional sliding mode control system.

【図9】 従来のスライディングモード制御系を用いた
制御方法による装置の第3例A03における概略構成を示
すブロック図。
FIG. 9 is a block diagram showing a schematic configuration of a third example A 03 of an apparatus according to a control method using a conventional sliding mode control system.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1 ,A2 ,A3 …制御装置 1…制御対象 2…スライディングモード制御系 3a ,3b …ゲイン変更器(第1,第2のゲイン変更部
に相当) 4…外乱推定オブザーバ(外乱推定部に相当)
A 1, A 2, A 3 ... controller 1 ... controlled target 2 ... sliding mode control system 3 a, 3 b ... gain modifier (first, corresponds to a second gain changing unit) 4 ... disturbance estimation observer (disturbance Equivalent to the estimation section)

Claims (6)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 制御量の誤差をゼロに近づけるための制
御すべり面に制御対象の制御状態が収束するように,上
記制御対象への制御指令値を切り換えて出力するスライ
ディングモード制御系を用いた制御装置において,上記
制御すべり面を規定する切り換え変数に,上記制御対象
の入出力中に存在する寄生要素による切り換え時間の遅
れを補償するような動特性を与えたことを特徴とするス
ライディングモード制御系を用いた制御装置。
1. A sliding mode control system for switching and outputting a control command value to the control target so that the control state of the control target converges on a control slip surface for bringing the error of the control amount close to zero is used. In a control device, a sliding mode control characterized by providing a switching variable that defines the control slip surface with a dynamic characteristic that compensates for a switching time delay due to a parasitic element existing in the input / output of the controlled object. Control device using a system.
【請求項2】 制御量の誤差をゼロに近づけるための制
御すべり面に制御対象の制御状態が収束するように,上
記制御対象への制御指令値を切り換えて出力するスライ
ディングモード制御系を用いた制御装置において,上記
制御すべり面を規定する切り換え変数に,上記制御対象
の入出力中に存在する寄生要素による切り換え時間の遅
れを補償するような動特性を与えると共に,上記制御対
象の入出力値に基づいて該制御対象に加わる外乱量を直
接演算し,該演算値に基づいて上記スライディングモー
ド制御系の制御ゲインを変化させる第1のゲイン変更部
を設けたことを特徴とするスライディングモード制御系
を用いた制御装置。
2. A sliding mode control system for switching and outputting a control command value to the control target so that the control state of the control target converges on a control slip surface for bringing the error of the control amount close to zero is used. In the control device, a switching variable that defines the control slip surface is given a dynamic characteristic that compensates for a delay in switching time due to a parasitic element existing in the input / output of the control target, and the input / output value of the control target is set. The sliding mode control system is characterized in that a first gain changing unit for directly calculating the amount of disturbance applied to the controlled object based on the calculated value and changing the control gain of the sliding mode control system based on the calculated value is provided. Control device using.
【請求項3】 制御量の誤差をゼロに近づけるための制
御すべり面に制御対象の制御状態が収束するように,上
記制御対象への制御指令値を切り換えて出力するスライ
ディングモード制御系を用いた制御装置において,上記
制御すべり面を規定する切り換え変数に,上記制御対象
の入出力中に存在する寄生要素による切り換え時間の遅
れを補償するような動特性を与えると共に,上記制御対
象の入出力値に基づいて該制御対象に加わる外乱量を推
定する外乱推定部と,上記外乱推定部による推定値に基
づいて上記スライディングモード制御系の制御ゲインを
変化させる第2のゲイン変更部とを設けたことを特徴と
するスライディングモード制御系を用いた制御装置。
3. A sliding mode control system for switching and outputting a control command value to the control target so that the control state of the control target converges on a control slip surface for making the error of the control amount close to zero is used. In the control device, a switching variable that defines the control slip surface is given a dynamic characteristic that compensates for a delay in switching time due to a parasitic element existing in the input / output of the control target, and the input / output value of the control target is set. And a second gain changing unit for changing the control gain of the sliding mode control system based on the estimated value by the disturbance estimating unit. And a control device using a sliding mode control system.
【請求項4】 上記寄生要素が高次モードである請求項
1,2又は3記載のスライディングモード制御系を用い
た制御装置。
4. The control device using the sliding mode control system according to claim 1, wherein the parasitic element is a higher order mode.
【請求項5】 上記寄生要素がむだ時間である請求項
1,2又は3記載のスライディングモード制御系を用い
た制御装置。
5. The control device using the sliding mode control system according to claim 1, wherein the parasitic element is dead time.
【請求項6】 上記寄生要素が下位制御ループの遅れ要
素である請求項1,2又は3記載のスライディングモー
ド制御系を用いた制御装置。
6. A controller using a sliding mode control system according to claim 1, wherein the parasitic element is a delay element of a lower control loop.
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH0861122A (en) * 1994-08-19 1996-03-05 Meidensha Corp Method and device for controlling engine
US7340336B2 (en) 2003-06-13 2008-03-04 Honda Motor Co., Ltd. Plant control system

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