JPS62245301A - 自動制御装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、産業用ロボットの位置制御装置や圧延機の速
度制御装置などに係り、特に、制御系のパラメータが実
時間に変動する制御対象の出力を。

指令値に従って応答よく制御するのに好適な自動制御装
置に関する。

〔従来の技術〕

従来、産業用ロボットの位置制御装置に見られるように
、ロボットの動作に伴い駆動系の特性が非線形に変化す
る制御対象を、指令値に従って応答よく制御する方法と
して、米国機械学会論文誌。

ジャーナル　オブ　ダイナミックシステムズ、メジャメ
ント　アンド　コントロール、第１０１巻（１９７９）
第１９３頁から第２００頁（Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｏ
ｆ　　ｔｈｅ　　ＡＳＭＥ、　　Ｊｏｕｒｎａｌ　　ｏ
ｆ　　Ｄｙｎａｍｉｃ　　Ｓｙｓｔｅｍｓ。

Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ、　　ａｎｄ　　Ｃｏｎｔｒｏ
ｌ、　　ｖｏｌ、１　０　１　　（１９７９）ｐｐ１９
３−２００）において論じられているように１位置制御
装置への位置指令値に対し、希望の応答特性を示す規範
モデルを設け、その規範モデルの速度と位置の応答と、
実際の位置制御装置の速度と位置との誤差が零になるよ
う適応制御演算を実行して、その結果により位置制御装
置の位置）制御ゲインおよび速度制御ゲインを補正する
こと′により、実際の制御系の特性が変動しても位置指
令値に対して応答よく制御する方法が知られている。

〔発明が解決しようとする問題点〕

上記従来技術では、フィードバック制御系として位置制
御系のマイナーループに速度制御系を設けた構成となっ
ている。このような、マイナーループ方式の制御系の特
性を調整するためには、まず、マイナーループ制御系で
ある速度制御係を調整したのち、そのメジャーループ制
御系である位置制御系を調整して制御系全体の調整を行
なう。

これに対し、規範モデルの応答と実際の制御系の応答と
を一致させるための適応制御は、規範モデルの位置と速
度の応答と実際の制御系の位置と速度の応答とを同時に
用いて実行され、その結果として１位置および速度制御
系のフィードバック制御ゲインを補正する。このため１
通常のフィードバック制御部の調整は、マイナーループ
制御系からメジャーループ制御系へと、制御ループ毎に
分離して順次実行できるのに対して、適応制御部の調整
は、各制御ループ毎に分離して実行することができず、
このため、制御系全体の調整が難しいという問題があっ
た。

本発明の目的は、制御系のパラメータ変動の影響を受け
にくい自動制御装置の制御系の調整を、各制御ループ毎
に分離して行なうことのできる自動制御装置を提供する
ことにある。

〔問題点を解決するための手段〕

上記目的は、制御系に含まれる制御ループ毎にその制御
ループの希望の応答特性を示す規範モデルを設け、その
規範モデルの応答と実際の応答との誤差を零にするため
の補償信号を演算し、これに基づいて対象とする制御ル
ープの制御特性を改善することにより達成される。

〔作用〕

本発明による方式では、各制御ループ毎に設けられた規
範モデルの応答と実際の制御ループの応答とが一致する
ように制御ループの制御特性を補２正する。このとき、
メジャーループ制御系に対する規範モデルは、そのマイ
ナーループ制御系がそれに対して設定した規範モデルの
応答特性を一致した動作を行なうとして設定できる。こ
のように、制御系を構成する各制御ループを、マイナー
ループからメジャーループへと順次ｍｌ！！することに
より、制御系全体として、指令値に対し希望の応答特性
を達成する自動制御装置を構成できる。

〔実施例〕

以下、本発明の一実施例を第１図に示す位置制御装置に
応用した場合について示す。第１図において、制御対象
であるアクチュエータ１００の駆動特性は以下のように
記述される。まず、電流指令値ｉｒに対して時定数Ｔｃ
の一次おくれ系１０１で実際の駆動電流が制御され、そ
れに比例した関係１０２で駆動トルクが発生する（トル
ク定数ＫＴ　）　＊この駆動トルクから負荷トルクで息
を引いたトルクでアクチュエータ１００が加速（減速）
され、そのときの速度０が決定される。加速（減速）ト
ルクに対する速度θの特性１０３は慣性モーメントＪ、
と摩擦係数Ｂ、により表わされる。

最後にアクチュエータの位置θは、速度θの積分１０４
として記述した。

このような、制御対象に対する自動制御装置２００の制
御系は以下のように構成される。まず、制御装置への位
置指令値ｆｌｒと７クチユエータの位置検出値θとから
位置制御処理（Ａ　Ｐ　Ｒ）２０１を行ない、そのマイ
ナーループ制御系である速度制御系に対する速度指令値
θ、１を演算する。一方、速度制御系では、速度指令値
θｒｔとアクチュエータ１００の速度検出値θとから速
度制御処理（ＡＳＲ）２０２を行ない、アクチュエータ
に対する加速度指令値°θｒｆｆｉを決定する。この加
速度指令値θｒ１に比例した関係２０３としてアクチュ
エータに対する駆動電流指令値ｉ、を求める（定数Ｋｎ
）ことにより、制御対象であるアクチュエータ１００に
対するフィードバック制御系が構成される。次に、この
ようにして構成されたフィードバック制御系のマイナー
ループ制御系から順に規範モデルを設定し、各制御ルー
プ毎に補償信号を演算する。まず１本実施例におけるマ
イナーループ制御系である速度制御系に対して、速度制
御系の希望の応答特性を示す規範モデル２０４を設定す
る０通常、このようなアクチュエータ１００の制御系で
は電流制御系１０１の時定数Ｔａを、速度制御系の応答
に比べて十分小さく設定できるので、規範モデル２０４
として一次遅れ特性がよく用いられる。このようにして
設定した規範モデル２０４の応答θにと、実際のアクチ
ュエータ１００の速度応答θとの誤差が零になるような
補償信号Ｏｒ＆を適応演算２０５で演算し、速度制御処
理（ＡＳＲ）２０２の結果、−θ−ｒｇに加え合せるこ
とにより、アクチュエータの速度を規範モデル２０４の
応答と一致して制御するための加速度指令値法としては
１例えば、　Ｉ、Ｄ、Ｌａｎｄａｕらにより提案されて
いる超安定論に基づいたモデル規範適応制御系の設計手
法が知られている。（参考文献：’、’Ｊ、Ｄ、Ｌａｎ
ｄａｕ　；　Ａｄａｐｔｉｖｅ　Ｃｏｎｔｒｏｌ、　Ｔ
ｈｅ　Ｍｏｄｅｌ−、Ａｅｆｅｒｅｎｃｅ　Ａｐｐｒｏ
ａｃｈ、　Ｍａｒｃｅｌ　Ｄｅｋｋｅｒ　（１９７９）
　ｐｐ。

２０３−２６５）、これによれば、速度制御系の特性を
一次おくれ系となるように制御するときの補償信号Ｏｒ
＆の演算は次式で与えられる。

・・・　（１） ここで、ｖｇは規範モデル２０４の応答ＯＭと実際の応
答θとの誤差に定数をかけた量で。

ｖｓ＝ｄｓ（θＩ　−〇）　　　　　　　　　　・（２
）ここで（１）、（２）式のｋａｌ、　ｋａ１’　ｅ　
ｋｓｚ＊ｋ　ｓｘ’およびｄａは定数であり、補償信号
θｒ＆による速度制御特性の改善が安定に行なわれるよ
うに設定される。このようにして演算される補償信号θ
、＆により、アクチュエータ１００の慣性モーメントＪ
、などが実時間に変動しても規範モデル２０４の応答特
性との誤差の少ない速度制御特性が得られる。

次に、このようにして設計した速度制御系のメジャール
ープ制御系である位置制御系を設計する。

まず、規範モデル２０６は、速度制御系がそれに対する
規範モデル２０４の特性で制御されたとして１位置制御
特性が希望の応答となるように設定する。通常、規範モ
デルとしては位置指令値０゜に対し二次系で応答するよ
うに設定されるが、速度制御系の応答が位置制御系の応
答に比べて十分速く設定されている場合には１位置指令
値に対し一次遅れで応答する規範モデルを用いることが
できる。このとき、適応演算２０７による補償信号ｏｒ
＆の演算式は、マイナーループ制御系である速度制御系
の制御特性が規範モデル２０４と一致しているとして導
出でき、このとき、規範モデルを二次系においた場合も
、−次系においた場合も同様に 際の応答θとの誤差に定数をかけた量で次式のように計
算される。

ｖｐ＝ｄｐ　Ｃ０Ｎ−〇）　　　　　　　　・（４）こ
こで、（３）、（４）式のｋｐｔ、　ｋｐｔ’　ｅ　ｋ
ｐｚ＋ｋｐｚ’　、ｄｐは定数であり、補償信号θ「ａ
による位置制御特性の改善が安定に行なわれるように設
定される。

このように、制御系を構成する二つの制御ループそれぞ
れに規範モデルを設け、その応答と実際の制御ループの
応答との誤差が零になるように補償信号を演算すること
により、制御系の設計・調整をマイナーループ制御系か
ら順次行なうことができるので、従来の方法ではかなり
の経験が必要であった適応演算部の設計および調整をか
なり簡単化することができる。

また、本実施例のように、規範モデルおよび適応演算を
各制御ループ毎に分離することにより、各制御ループに
おける適応演算式で扱う変数の数を減らせるので１個々
の適応演算式を簡略化できる。

更に、本実施例のように適応演算を速度制御系と位置制
御系とに分離することにより、非較的速い処理の要求さ
れる速度制御系の補償は速度の情報のみを用いて、また
、これに対して非較的ゆっくりした処理でよい位置制御
系の補償は位置の情報のみを用いてそれぞれ演算するの
で、このような制御演算をマイクロプロセッサ等による
サンプリング処理で実行する場合に都合がよい。

電動機の速度制御装置に応用した場合の一実施例の構成
を第２図に示す。電動機３０１はパワー変換器３０２に
よって駆動され、これにより負荷３０３を駆動する。電
動機の電流ｉおよび回転速度Ｏはそれぞれ電流検出値３
０４および速度検出器３０５によって検出され、このフ
ィードバック信号を用いて、電動機３０１の速度制御を
行なう。

このとき制御系の構成は１位置制御系の実施例の場合と
同様に、速度制御系のマイナーループ制御系として電流
制御系を構成している。このとき、パワー変換器３０２
の特性は電動機３０１の駆動状態に応じて変動し、また
、負荷３０３を含めた駆動系の慣性モーメントも負荷の
変化によって変動する場合がある。このような場合には
、速度制御処理（ＡＳＲ）４０１および電流制御処理（
ＡＣＲ）４０２のような通常のフィードバック制御だけ
では、制御特性の変動の影響を受けにくい制御系を構成
することができない。そこで、第一の実施例と同様に各
制御ループ（電流制御系および速度制御系）に対しそれ
ぞれ規範モデル４０３および４０５を設け、各制御ルー
プの応答が規範モデルの応答に一致するよう適応演算４
０４゜４０６を行なって各制御ループに対する補償信号
ｉｒ＆および０、を決定する。このとき、二つの制御ル
ープの適応演算式は、第一の実施例の場合と同じ演算式
として導出される。この実施例では、各制御ループに分
離して適応演算を行うことにより電流制御系では電流検
出タイミングに同期して適応演算４０４を含めた電流制
御処理を行ない。

速度制御系は速度検出のタイミングで適応演算４０６を
含めた制御処理を行なえるという利点もある。

第三の実施例として、制御系の内部にリミッタを持った
位置制御装置の構成を第３図に示す。第３図において制
御対象５００は、位置制御装置により決定される電流指
令値ｉ、に従って駆動される。このとき、制御対象の加
速度や速度の大きさの最大値、あるいは、駆動電流の大
きさの最大値を制限するため１通常１位置制御処理（Ａ
　Ｐ　Ｒ）６０１のあとに速度リミッタ６０８が、速度
制御処理（ＡＳＲ）６０２のあとに電流リミッタ６０９
が、それぞれ設けられる。いま、制御系の速度指令値Ｏ
２あるいは電流指令値１ｒが、このようなリミタの制限
領域に入ったときには、制御系は飽和動作を起こすため
、希望の応答特性を示す規範モデルの応答と一致させる
ための適応動作ができなくなる。このため１通常、この
ような飽和領域に入ったときには、まず、規範モデルの
応答と一致させるための補償信号の演算を中止し、さら
に飽和領域から回復したとき規範モデルの応答を実際の
制御系の応答と一致するようなリセット処理が行なわれ
る。

このとき、本発明の方法によれば、各制御ループ毎に規
範モデルを設け、各制御ループ毎に適応演算を行なって
補償信号を決定するので、制御系の動作が飽和領域に入
ったときには、それよりメジャーループの適応演算を中
止すればよく、また。

飽和領域から回復した場合も、対応する制御ループの規
範モデルの応答を、制御ループの応答に一致するようリ
セットすればよい。すなわち、いま、速度指令値θ、が
速度リミタ６０８の制限に入ったときには、適応演算６
０７の動作を中止し、制限領域から解放された時点で、
規範モデル６０Ｂの位置と速度応答を、制御対象の位置
と速度の値にリセットする。一方、電流指令値ｉｒが電
流リミタ６０９の制限領域に入ったときには、適応演算
６０５および６０７の動作を中止し、規範モデル６０６
の′位置と速度を、規範モデル６０４の速度を制御系の
値にリセットすればよい。

このように、本発明の方法によれば、制御系の飽和領域
での適応動作の中止および飽和領域からの回復時の規範
モデルのリセットを、対象とする制御ループに対して個
別に実行できるという利点もある。

〔発明の効果〕

本発明によれば、各制御ループ毎に分離して適応演算を
含めた制御系の設計および調整ができるので、マイナー
ループ制御系から順次設計、あるいは、調整を進めてい
くことにより、制御系全体の設計、あるいは、調整が容
易となり、それに要する期間も短縮できる。

【図面の簡単な説明】

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、制御装置に対する指令値を取込む手段と、前記指令
   値と制御対象からのフィードバック信号とから前記制御
   対象に対する操作量を演算する手段とを備えた自動制御
   装置で、前記制御対象の出力のフィードバック制御系の
   マイナーループに前記制御対象の状態量のフィードバッ
   ク制御ループを持つものにおいて、 前記マイナーループ制御系に対し、その制御ループの希
   望の応答特性を示す規範モデルを設定し、前記規範モデ
   ルの応答とそれに対応した前記制御ループの応答との誤
   差を零にするような補償信号を演算し、前記補償信号に
   より、対応した前記制御ループのフィードバック制御演
   算の結果を補正し、それに対するメジャーループ制御系
   でも同様に、前記マイナーループ制御系を含んだ前記制
   御ループの希望の応答特性を示す前記規範モデルを設け
   、前記規範モデルの応答と実際の前記制御ループの応答
   との誤差を零にするような補償信号により、前記フィー
   ドバック制御演算の結果を補正して、この結果を前記マ
   イナーループ制御系に対する指令値とすることを特徴と
   する自動制御装置。