JPH07210213A

JPH07210213A - 制御装置

Info

Publication number: JPH07210213A
Application number: JP1698094A
Authority: JP
Inventors: Koji Ito; 浩司伊藤
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 1994-01-17
Filing date: 1994-01-17
Publication date: 1995-08-11

Abstract

(57)【要約】【目的】制御装置において、ＣＰＵの負荷を若干増や
すだけで制御系の応答性、安定性を大幅に改善する。【構成】制御装置の構成として、所望の動作を指示す
る目標値信号２を生成する目標値発生手段１と、状態予
測信号１４より制御目的を達するための離散時間制御入
力信号４を生成する制御手段３と、離散時間制御入力信
号４から連続時間制御入力信号６を発生して出力する出
力手段５と、出力手段５の出力である連続時間制御入力
信号６を受取り所望の動作を行う制御対象７と、制御対
象の状態８を測定して出力信号を出力する検出手段９
と、検出手段９の出力信号１０を入力して離散時間入力
信号を出力する手段１１と、入力手段１１の出力信号で
ある離散時間入力信号１２と制御対象のモデルと離散時
間制御入力信号４より前記状態予測信号１４を生成する
予測手段１３を設ける。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、制御装置に関し、特
に、マイクロ・コンピュータ等のディジタル信号処理装
置を制御系の内部に持ち離散時間で制御信号を出力する
制御装置において、演算時間等の制御装置の制約から生
ずる制御入力の出力遅れに起因する制御性の劣化を緩和
し良好な制御性を得るための制御装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来例の制御装置の構成例を図８に示
す。図８において、符号１は、位置指令発生手段を示
し、３は制御手段を示し、２は位置指令発生手段１から
制御手段３へ入力される目標値信号を示し、５は出力手
段を示し、４は制御手段３から出力手段５へ入力される
離散時間制御入力の入力信号を示し、７は制御対象を示
し、６は出力手段５から制御対象７へ入力される連続時
間制御入力信号を示し、９は検出手段を示し、８は制御
対象７から検出手段へ入力される制御対象７の状態を示
す検出信号（計測値）を示し、１１は制御手段３への入
力手段を示し、１０は検出手段９から入力手段１１への
入力信号（検出手段の出力信号）を示し、１２は入力手
段１１から前述の制御手段３へ入力される離散時間入力
信号を示す。また、符号１３で示すブロックは、離散時
間系（ディジタル系）を示す。なお、図８で示す制御装
置は全体でフィードバック系を構成しており、制御装置
３は、目標値信号２と離散時間入力信号１２の偏差を単
位時間毎に求め、フィードバック系を通して偏差を零に
なるように制御して目標の位置に得るようにしている。

【０００３】このような制御系では、離散時間系の部分
はマイクロ・コンピュータを用いて実現することが多
い。このような従来例の制御装置では、演算遅れが十分
短いものと見なしＣＰＵの演算時間を無視して制御系を
構成するのが普通である。

【０００４】図９は、図８で示す制御装置における位置
制御をモータの駆動によって行うように具体化した制御
装置の構成を示すブロック図である。図９において、符
号１〜３は、図８と同様な手段を示し、２５は図８の出
力手段５として用いるＤＡ変換器（ディジタル／アナロ
グ変換器）を示す。２７は速度制御手段を示し、２８は
モータを示し、２９は速度検出器を示し、これらの部分
は、図８の制御対象７であり、フィードバック系を構成
している。３０は図８の検出手段９として用いられる位
置検出器を示し、３２は図８の入力手段１１として用い
られるカウンタを示し、３１は位置検出器３０からカウ
ンタ３２に入力される位置情報を示す。

【０００５】前述のように、図９のような位置制御系で
位置制御ループを離散時間系で構成する場合、位置制御
系の時定数が４ｍｓｅｃ必要なときには演算時間（Ｔ
ｙ）をほぼ０．４ｍｓｅｃ以下にできれば演算遅れの影
響は無視できる。ここでサンプリング周期（Ｔｓ）は２
ｍｓｅｃである。

【０００６】図１０のＣ２は図９の位置制御系で演算時
間を０．４ｍｓｅｃに設定したときのステップ状目標値
に対する応答波形であり、Ｃ１は演算時間が零のときの
応答であり、両者の応答がほぼ同じになることから、こ
のような場合には演算遅れの影響は無視しうることが分
かる。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】このように従来例の制
御装置では、演算遅れの影響が離散時間系に要求される
時定数より十分短く設定できる場合には問題ないが、演
算時間が長い場合離散時間系に要求される時定数が短く
設定できない。例えば図９の位置制御系で演算遅れがほ
ぼサンプリング周期と同じになったときのステップ状目
標値に対する応答波形を図１０のＣ３に示す。応答波形
がかなり振動的になっているのが分かる。このように、
従来例の制御装置では、演算時間が離散時間系に要求さ
れる時定数より十分短く設定できないときには制御系の
安定性が損なわれる。このような場合より高い応答性を
得るためにはＣＰＵの変更等の大きなシステム変更が必
要になる。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明では、測定可能な
今回以前状態量と前回以前の制御入力を用いて今回の制
御入力を出力する時点での状態量を予測し、今回の制御
入力を計算することにより演算時間遅れに起因する制御
性の劣化を緩和し良好な制御性を得る。

【０００９】

【実施例】次に、本発明の実施例を説明する。

【００１０】（実施例１）図１は、本発明の制御装置の
実施例の構成を示すブロック図である。図１において、
図１において、符号１は、位置指令発生手段を示し、３
は制御手段を示し、２は位置指令発生手段１から制御手
段３へ入力される目標値信号を示し、５は出力手段を示
し、４は制御手段３から出力手段５へ入力される離散時
間制御入力の入力信号を示し、７は制御対象を示し、６
は出力手段５から制御対象７へ入力される連続時間制御
入力信号を示し、９は検出手段を示し、８は制御対象７
から検出手段へ入力される制御対象７の状態を示す検出
信号（計測値）を示し、１１は制御手段３への入力手段
を示し、１０は検出手段９から入力手段１１への入力信
号（検出手段の出力信号）を示す。４０は本発明におい
て設けられた予測手段（この予測手段の機能については
後述する）を示す。１２は入力手段１１から予測手段４
０へ入力される離散時間入力信号を示す。また、１４は
予測手段４０で設定される状態予測信号を示し、１５で
示すブロックは、離散時間系（ディジタル系）を示す。

【００１１】図２は、図１で示す制御装置における位置
制御をモータの駆動によって行うように具体化した制御
装置の構成を示すブロック図である。図２において、符
号１〜３は、図１と同様な手段を示し、２５は図１の出
力手段５として用いるＤＡ変換器（ディジタル／アナロ
グ変換器）を示す。２７は速度制御手段を示し、２８は
モータを示し、２９は速度検出器を示し、これらの部分
は、図８の制御対象７であり、フィードバック系を構成
している。３０は図１の検出手段９として用いられる位
置検出器を示し、３２は図１の入力手段１１として用い
られるカウンタを示し、３１は位置検出器３０からカウ
ンタ３２に入力される位置情報を示す。また、予測手段
４０は、本発明に従って設けられたものであり、以下に
この予測手段の機能について説明する。

【００１２】図３は、予測手段で用いる制御対象のモデ
ルのブロック図である。予測手段４０は制御対象の低周
波域での特性を表す図３の低次のモデル（一次遅れ要素
×積分要素）を用い、今回の入力信号１２（位置情報）
と前回の制御入力信号４（速度指令値）から、以下の式
（３）を用いて今回の制御入力信号４を出力する時点で
の状態予測信号を求める。なお、図３中、符号４１は制
御入力信号を示し、４２は制御対象を示し、４３は位置
情報を示す。

【００１３】

【式３】

【００１４】そして、この予測手段の出力である位置情
報を用いて位置制御系を構成する。制御対象のモデルを
可能な限り実際の制御対象特性に近いものを用いる方が
より良好な制御を行えるが、精密なモデルを用いるほど
予測器の演算時間は長くなり制御に悪影響を与える。

【００１５】実施例１では式（１）を用いて次の演算に
より予測値を求めた。Ｘ_K+1＝２＊Ｘ_K−Ｘ_K-1＋Ａ＊（Ｕ_K＋Ｕ_K-1）ここでＸ．．位置、Ｕ．．制御入力、ｋ．．サンプル時点、
Ａ．．Ｋ＊Ｔ²／２、Ｔ．．サンプリング周期

【００１６】図１０のＣ３は従来例の制御装置のステッ
プ状目標値に対する応答波形であり、図４のＣ２は本発
明を用いたときの同じ目標値に対する応答波形である。
両者を比較すると、本発明を適用することにより応答波
形の振動性が減少しており、良好な制御が行われている
ことが明らかである。また、図４のＣ１は演算時間が零
のときの理想的な応答であり、図４のＣ２の本発明の特
性がほぼＣ１より演算時間分遅れた波形に等しく良好な
制御が行われていることが分かる。

【００１７】（実施例２）実施例１では位置制御系のみ
離散時間系としたときの構成を示した。実施例２では位
置制御系のみならず速度制御系も離散時間系としたとき
の構成を示す。このとき測定可能な状態量は実施例１と
同じで位置情報のみとするが、ここではこの位置情報か
ら速度情報も予測するものとする。

【００１８】図５は、実施例２の制御装置の構成を示す
ブロック図である。図５において、符号１〜３は、図１
と同様な手段を示し、２５は図１の出力手段５として用
いるＤＡ変換器（ディジタル／アナログ変換器）を示
す。３７はトルク制御装置を示し、２８はモータを示
し、３０は図１の検出手段９として用いられる位置検出
器を示し、３２は図１の入力手段１１として用いられる
カウンタを示し、３１は位置検出器３０からカウンタ３
２に入力される位置情報を示す。また、予測手段４０
は、本発明に従って設けられたものであり、以下にこの
予測手段の機能について説明する。

【００１９】実施例２では、予測手段は制御対象の低周
波域での特性を表す図６のモデル（積分要素×積分要
素）を用い、今回以前の離散時間入力信号１２（位置情
報）と前回以前の離散時間制御入力信号４（トルク指令
値）から、以下の式（４）を用いて今回の離散時間制御
入力信号４を出力する時点での状態予測信号を求める。
なお、図６において、符号５１は制御入力信号を示し、
５２は制御対象を示し、５３は位置情報を示す。

【００２０】

【式４】

【００２１】図７は、実施例２におけるステップ状目標
値に対する応答波形である。また、図７のＣ１は演算時
間が零のときの理想的な応答であり、Ｃ２は演算遅れが
ほぼサンプリング周期と同じになったときのステップ状
目標値に対する応答波形であり、Ｃ３は本発明により位
置情報、速度情報も予測した場合の応答波形である。Ｃ
２とＣ３を比較することにより本発明の有効性は明らか
である。

【００２２】実施例では示さなかったが、ＣＰＵの負荷
状況によって制御入力の出力時点が変動することが予め
分かっている場合には、その分の無駄時間を予測手段を
用いることにより良好な制御を行うことができる。また
測定可能な状態量が速度情報の場合、図６のモデルから
速度情報の予測値を得て、その予測値を用いて速度制御
形を構成することも可能である。

【００２３】

【発明の効果】本発明によれば、ＣＰＵの負荷を若干増
やすだけで制御系の応答性、安定性を大幅に改善でき
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】図１は、本発明の制御装置の実施例の構成を示
すブロック図である。

【図２】図２は、図１で示す制御装置における位置制御
をモータの駆動によって行うように具体化した制御装置
の構成を示すブロック図である。

【図３】図３は、予測手段で用いる制御対象のモデルを
示すブロック図である。

【図４】図４は、本発明の実施例１の目標値応答波形図
である。

【図５】図５は、実施例２の制御装置の構成を示すブロ
ック図である。

【図６】図６は、予想手段で用いる制御対象のモデルを
示すブロック図である。

【図７】図７は、本発明の実施例２の目標値応答波形図
である。

【図９】図９は従来例の制御装置の構成を示すブロック
図である。

【図１０】図１０は従来例の制御装置の目標値応答波形
図である。

【符号の説明】１位置指令値発生手段３制御手段５出力手段７制御対象９検出手段１１入力手段１５離散時間系４０予測手段２７速度制御装置２８モータ３０位置検出器３２カウンタ

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【手続補正書】

【提出日】平成６年６月２２日

【手続補正１】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】図面の簡単な説明

【補正方法】変更

【補正内容】

【図面の簡単な説明】

【図８】図８は、従来例の制御装置の構成を示すブロッ
ク図である。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】所望の動作を指示する目標値信号２を生
成する目標値発生手段１と、状態予測信号１４より制御
目的を達するための離散時間制御入力信号４を生成する
制御手段３と、前記離散時間制御入力信号４から連続時
間制御入力信号６を発生して出力する出力手段５と、前
記出力手段５の出力である連続時間制御入力信号６を受
取り所望の動作を行う制御対象７と、前記制御対象の状
態８を測定して出力信号を出力する検出手段９と、前記
検出手段９の出力信号１０を入力して離散時間入力信号
を出力する手段１１と、入力手段１１の出力信号である
離散時間入力信号１２と前記制御対象のモデルと前記離
散時間制御入力信号４より前記状態予測信号１４を生成
する予測手段１３を有することを特徴とする制御装置。
【請求項２】請求項１記載の制御装置において、前記
目標値発生手段１、前記制御手段３および前記予測手段
１３が離散時間系で構成され、連続時間制御入力信号６
が次の出力時点まで現在の値を保持し、かつ今回以前の
離散時間入力信号１２と前回以前の離散時間制御入力信
号４と制御対象のモデルを用いて今回の離散時間制御入
力信号４を出力する時点での状態予測信号１４を予測器
１３で生成することを特徴とする制御装置。
【請求項３】請求項２記載の制御装置において、前記
予測器１３が測定された状態量のみでなく他の状態量を
予測し、それらの予測された状態量を用いて制御手段３
を構成することを特徴とする制御装置。
【請求項４】請求項２または３のいずれか１つに記載
の制御装置において、制御入力信号４を出力する時点を
制御装置の状態に応じて変化させることを特徴とする制
御装置。
【請求項５】請求項２または３のいずれか１つに記載
の制御装置において、予測手段１３が用いるモデルが実
際の制御対象７の低周波域での特性を表す低次のモデル
であることを特徴とする制御装置。
【請求項６】請求項５記載の制御装置において、測定
可能な状態量Ｘが位置情報で、制御入力Ｕが速度相当量
の場合、以下の式（１）、またはその離散時間表現であ
る式を用いて位置情報の予測値を得ることを特徴とする
制御装置。【式１】
【請求項７】請求項５記載の制御装置において、測定
可能な状態量Ｘが位置情報で、制御入力ながトルク相当
量の場合、以下の式（２）またはその離散時間表現であ
る式を用いて位置情報の予測値を得ることを特徴とする
制御装置。【式２】
【請求項８】請求項５から７に記載のいずれか１つの
制御装置において、予測手段を用いて位置制御系を構成
することを特徴とする制御装置。