JPWO2015132871A1 - フィードバック制御方法、フィードバック制御装置及びプログラム - Google Patents

Abstract

【課題】速度フィードバック制御機構を用いることなく、高精度な位置制御を実現する。【解決手段】目標位置信号と位置検出信号との偏差に基づいて演算を行って第１の演算結果を取得し、該第１の演算結果に応じた制御量で動力部を制御して制御対象を位置制御し、該位置制御で得られた前記制御対象の位置の検出信号を前記位置検出信号とするフィードバック制御方法において、前記偏差の絶対値が予め設定した閾値内にあるときに、前記偏差に基づいて積分演算を行って積分演算結果を取得し、該積分演算結果を前記第１の演算結果に加算して前記制御量とする。【選択図】図１

Description

本発明は、制御対象の位置合わせを行うフィードバック制御方法、フィードバック制御装置及びプログラムに関する。

図３に、Ａ方向に搬送されるウェブ１０のエッジ位置を揃えるエッジ位置制御装置を示し、図４にそのエッジ位置制御装置で使用されるフィードバック制御装置の機能ブロック図を示す。ウェブ１０は所定のテンションが与えられてローラ２０によってＡ方向に搬送され、その搬送途中のエッジ位置が位置検出器３０によって検出されて制御アンプ４０Ａに取り込まれる。この制御アンプ４０Ａには、あらかじめ目標とするエッジ位置が設定されており、その目標エッジの目標位置信号と実際のエッジの位置検出信号との偏差に応じた制御信号（速度指令信号）がその制御アンプ４０Ａで生成される。この制御信号によって動力部（ＤＣモータ）５０が駆動されることで、その動力部５０に直結されたガイドローラ６０のウェブ１０に対する角度が変化される。これによって、そのウェブ１０が搬送方向Ａと直交する方向に移動する。以上により、エッジの位置が目標位置となるように制御が行われる。

制御アンプ４０Ａは、エッジの目標位置信号と位置検出信号の偏差を所定のゲインで比例演算（Ｐ演算）する比例演算器を備え、あるいはその比例演算器に加えて過去からのサンプリング毎の偏差を積分する積分演算（Ｉ演算）を行う積分演算器を備え、あるいはその比例演算器と積分演算器に加えて偏差の増加傾向や減少傾向の大きさに比例した微分演算（Ｄ演算）を行う微分演算器を備える。一般的な制御装置でも、このようにな構成を採用することが多いが、エッジ位置検出では、Ｐ演算のみを利用することも多い。また、Ｐ演算やＰＩＤ演算以外の演算手法が採用される場合もある。

図５にこの制御アンプ４０Ａの１つの例の内部構成を示す。位置検出器３０で検出されたエッジの位置検出信号は、信号変換器４３で目標位置信号と同種の信号に変換されるが、ノイズが大きい場合は予めスイッチＳＷ１を破線側に切り替えておくことにより、ローパスフィルタ４１でノイズが除去されてから、その信号変換器４３に入力する。エッジの目標位置信号は、減算器４４において信号変換器４３から出力する位置検出信号が減算されて偏差信号となる。この偏差信号は、ゲインが設定された比例演算器４５で比例演算されて、速度指令信号として動力部５０に出力する。ただし偏差信号は、ノイズが大きい場合には、予めスイッチＳＷ２を破線側に切り替えておくことにより、ローパスフィルタ４２を経由して比例演算器４５に入力して演算される。なお、この制御アンプ４０Ａから出力する信号を目標位置信号にする場合は、その比例演算器４５に積分演算器が並列追加されることになる。

動力部５０には、前記したＤＣモータが使用されるが油圧装置が使用されることもある。ここでは、ＤＣモータが使用される例で説明する。この動力部５０は、制御アンプ４０Ａから出力する速度指令信号（実際にはＤＣモータを駆動する電圧又は電力である場合が多い）で駆動される。一般的なエッジ位置制御に使用される制御アンプは、ＤＣモータを駆動するパワーアンプを内蔵しており、動力部５０によって動かされるウェブ１０のエッジ位置を出力とする伝達関数は、積分（位置＝速度×時間）に近似される。つまり、動力部５０が積分特性をもつため、制御アンプ４０Ａが単純な比例演算器４５のみを持つ場合であっても、良好な制御特性を得ることができる。

位置検出器３０としては、ウェブ１０のエッジ位置を直接検出する光電センサやウェブ１０に印刷されたラインの位置を検出するラインセンサ等が使用される。

以上のような制御を行うフィードバック制御装置を装備させることで、理論的には安価且つ良好な制御特性を有するエッジ位置制御装置を構成することができる。

しかし、現実には、エッジ位置の制御量が微小な場合に、動力部５０のＤＣモータや油圧装置が、その製造上あるいは経年変化等による摩擦等により十分に動かない場合がある。つまり、微小偏差時の制御特性が劣化し、微小偏差が残った状態になることがある。特にＤＣモータを使用する場合にはこの傾向が強い。

そこで、図４に示した動力部５０を、図６に示すように、ＤＣモータ５１に加えてサーボコントローラ５２とそのＤＣモータ５１の回転を検出するエンコーダ５３を装備させた動力部５０Ａに置き代えて、その動力部５０Ａにおいて速度フィードバック制御を行わせる場合がある。このようにすれば、微小な偏差であっても確実に動作させるように、サーボコントローラ５２の速度パラメータを設定することで、非常に高精度な位置制御システムを構築することができる。

また、特許文献１に、モータ制御装置により位置決めを行う際の制御精度を向上するために、モデル追従制御法を採用することが記載されている。このモデル追従制御法は、実際のフィードバック制御系を模擬したモデル制御系を構築し、このモデル制御系に追従するようにフィードバック制御系を駆動するものである。

特開２０１０−５１１０４号公報

しかしながら、図６で説明した動力部５０Ａを使用する手法は、サーボコントローラ５２やエンコーダ５３が必要となり、価格が上昇する欠陥がある。また、特許文献１に記載の手法は、多重フィードバック制御機構を施した上にモデル制御を導入しているので、非常に高価なシステムとなり、またパラメータの調整には専門技術が要請される。

本発明の目的は、動力部に速度フィードバック制御機構を用いなくとも、高精度な位置制御を実現できるようにしたフィードバック制御方法、フィードバック制御装置、およびプログラムを提供することである。

上記目的を達成するために、請求項１にかかる発明のフィードバック制御方法は、目標位置信号と位置検出信号との偏差に基づいて演算を行って第１の演算結果を取得し、該第１の演算結果に応じた制御量で動力部を制御して制御対象を位置制御し、該位置制御で得られた前記制御対象の位置の検出信号を前記位置検出信号とするフィードバック制御方法において、前記偏差の絶対値が予め設定した閾値内にあるときに、前記偏差に基づいて積分演算を行って積分演算結果を取得し、該積分演算結果を前記第１の演算結果に加算して前記制御量とすることを特徴とする。

請求項２にかかる発明は、請求項１に記載のフィードバック制御方法において、前記偏差が零又は零とみなせる値のとき、それまでの前記積分演算結果を零にリセットすることを特徴とする。

請求項３にかかる発明は、請求項１又は２に記載のフィードバック制御方法において、前記偏差が前記閾値を超えたとき、前記積分演算を停止するとともにそれまでの積分演算結果を零にリセットすることを特徴とする。

請求項４にかかる発明のフィードバック制御装置は、目標位置信号から位置検出信号を減算して偏差を算出する減算器と、該減算器で得られた前記偏差に基づき演算を行う第１の演算器と、該第１の演算器で得られた第１の演算結果に応じた制御量で制御対象を位置制御する動力部と、該動力部で位置制御された前記制御対象の位置を検出する位置検出器とを備え、該位置検出器で検出された信号を前記位置検出信号とするフィードバック制御装置において、前記偏差の絶対値が予め設定した閾値内にあるとき前記偏差に基づいて積分演算を行う積分演算器を設け、該積分演算器による積分演算結果を前記第１の演算結果に加算して前記制御量とすることを特徴とする。

請求項５にかかる発明は、請求項４に記載のフィードバック制御装置において、前記積分演算器は、前記偏差が零又は零とみなせる値のとき、それまでの前記積分結果を零にリセットすることを特徴とする。

請求項６にかかる発明は、請求項４又は５に記載のフィードバック制御装置において、前記積分演算器は、前記偏差が前記閾値を超えたとき、前記積分演算を停止するとともにそれまでの積分結果を零にリセットすることを特徴とする。

請求項７にかかる発明のプログラムは、目標位置信号と位置検出信号との偏差に基づいて演算を行うことで第１の演算結果を取得し、該第１の演算結果に応じた制御量で動力部を制御して制御対象を位置制御し、該位置制御で得られた前記制御対象の位置の検出信号を前記位置検出信号とするフィードバック制御方法をコンピュータに実行させるプログラムにおいて、前記偏差の絶対値が予め設定した閾値内にあるか否かを判定する第１ステップと、前記第１のステップによって前記偏差の絶対値が前記閾値内にあると判定されたとき、前記偏差に基づいて積分演算を行い積分演算結果を前記第１の演算結果に加算して前記制御量とする第２ステップと、を備えることを特徴とする。

請求項８にかかる発明は、請求項７に記載のプログラムにおいて、前記第１のステップによって前記偏差の絶対値が前記閾値内にあると判定され、且つ前記偏差が零又は零とみなせる値のとき、それまでの前記積分演算結果を零にリセットする第３ステップを備えることを特徴とする。

請求項９にかかる発明は、請求項７又は８に記載のプログラムにおいて、前記第１のステップによって前記偏差の絶対値が前記閾値内にないと判定されたとき、前記積分演算を停止するとともにそれまでの積分演算結果を零にリセットする第４のステップを備えることを特徴とする。

請求項１、４、７にかかる発明によれば、偏差の絶対値が閾値内にあるときに偏差の積分演算を行ってその積分演算結果を第１の演算結果に加算して制御量を得るので、偏差が微小であってもそれを零にすることが可能となり、制御精度を向上させることができる。また、請求項２、５、８にかかる発明によれば、偏差が零又は零とみなせるときはそれまでの積分値を零リセットするので、オーバーシュートを防止できる。さらに、請求項３、６、９にかかる発明によれば、偏差の絶対値が閾値を超えたときは積分演算を停止してそれまでの積分値を零リセットするので、動力部が積分特性を有する場合に生じる不安定性を抑制することができる。

本発明の１つの実施例のフィードバック制御装置の制御アンプの構成を示すブロック図である。 図１の制御アンプの積分演算器の動作のフローチャートである。 ウェブのエッジ位置を制御するエッジ位置制御装置の構成を示す図である。 図３のエッジ位置制御装置で使用されるフィードバック制御装置の機能ブロック図である。 図４のフィードバック制御装置の制御アンプの構成を示すブロック図である。 図３のエッジ位置制御装置で使用される別の例のフィードバック制御装置の機能ブロック図である。

フィードバック制御において、定常的に残る微小偏差を零にするには、制御演算として積分演算を用いることが有効である。しかし、積分演算を導入すると、制御出力の位相が９０度遅れる問題がある。位置制御では、動力部が前記したようにもともと積分特性をもつため、制御演算に積分を用いることは制御系の安定性を著しく劣化させる。

そこで本発明では、予め決めた所定の閾値以内の微小偏差が残っているときのみ積分演算が行われるようにして、制御系の安定度を損なうことなく、偏差が零になるようにする。また、オーバーシュートを減少させるために、偏差が零又は零とみなせる値に達したときは積分値を零リセットさせる。また、動力部は通常で積分特性をもつことからこれを利用できるので、偏差が前記した閾値よりも大きくなれば、積分演算を停止するとともに、積分値を零リセットさせる。

図１に本発明の１つの実施例の制御アンプ４０を示す。この制御アンプ４０は、図３，図４で説明したエッジ位置制御装置に、制御アンプ４０Ａに置き代えて組み込まれるものである。図１において、本実施例の制御アンプ４０は、ローパスフィルタ４１，４２、エッジの位置検出信号を目標位置信号と同種の信号に変換する信号変換器４３、減算器４４、比例演算器４５、積分演算器４６、加算器４７、スイッチＳＷ１，ＳＷ２，ＳＷ３を備える。

位置検出器３０で検出されたエッジの位置検出信号は、スイッチＳＷ１を経由して信号変換器４３に入力するが、ノイズが大きいときは予めスイッチＳＷ１を破線側を切り替えておくことにより、ローパスフィルタ４１でそのノイズが抑制されてから信号変換器４３に入力する。この信号変換器４３に入力した位置検出信号は、目標位置信号と同種の信号に変換されて出力する。減算器４４では、入力する目標位置信号から位置検出信号が減算されることで偏差信号が生成される。その偏差信号はスイッチＳＷ２を経由して比例演算器４５に入力する。ノイズが大きいときは、偏差信号は予めスイッチＳＷ２を破線側に切り替えておくことにより、ローパスフィルタ４２でそのノイズが抑制されてから比例演算器４５に入力する。そして、スイッチＳＷ３がオンしているときは、積分演算器４６にも入力する。比例演算器４５と積分演算器４６におけるそれぞれの演算結果が加算器４７で加算されて、速度指令信号として出力する。

スイッチＳＷ３は、前記した偏差の絶対値があらかじめ決めた閾値以内のときにオンし、その閾値を超えるときはオフになる。このオフ時は、積分演算器４６は積分演算を停止するとともにそれまでの積分値を零リセットする。また、積分演算器４６は、偏差が零になる（零点をクロスする）、又は零とみなせるほど小さくなったとき、それまでの積分値を零リセットする。

閾値の決め方として２つある。１つは動力部５０に使用するＤＣモータの特性に合わせる方法であり、もう１つはおおざっぱに決めてしまう方法である。前者の場合、ＤＣモータにおける積分要素の積分時定数が大きな場合は閾値を小さくし、小さな場合を大きくする。後者の場合、制御精度＋α程度の大きさにするのが良いと考えられる。閾値を大きくした場合、制御系の安定性を劣化させる可能性があるため、必要最小限とする大きさに設定することが望ましい。適切な閾値を初期設定値としてプリセットしておけば、ほとんどの位置制御で細かなパラメータ調整を行なわなくても済む。

図２にスイッチＳＷ３と積分演算器４６の制御プログラムのフローチャートを示す。本実施例の制御アンプ４０の処理実現には、マイクロプロセッサあるいはＦＰＧＡ等のコンピュータを使用したデジタル演算装置が使用されるので、減算器４４で得られた偏差のサンプリング毎に図２の処理が行われる。

まず、サンプリングされた偏差の絶対値が閾値以内か否かが判定される（ステップＳ１）。偏差の絶対値が閾値以内のときは、その偏差が零か否かが判定される（ステップＳ２）。このとき、偏差が零又は零とみなすことができる場合であれば、積分演算器４６における前回までのサンプリングで得られた積分値が零リセットされる（ステップＳ３)。このときスイッチＳＷ３はオンでもオフでもよい。また、偏差が零又は零とみなすことができないときは、スイッチＳＷ３がオンされ、その偏差が積分演算される（ステップＳ４)。そして、このようにして積分演算器４６で積分が行われたときは、その積分演算結果が比例演算器４５による比例演算結果に対して加算器４７で加算される（ステップ５）。一方、ステップＳ１において偏差の絶対値が閾値の範囲外になっているときは、スイッチＳＷ３がオフされ、且つ積分演算器４６におけるそれまでの積分値が零リセットされる。次にサンプリングされた偏差を取り込んだときは、その偏差の絶対値に応じて上記と同様な処理が繰り返される。

このような制御を行うことにより、偏差が微小であっても、ＤＣモータを起動するために必要な電力を動力部５０に供給することが可能となる。偏差の絶対値が閾値の範囲外のときは積分演算が行われないので、このときの積分動作は動力部５０においてのみ行われ、制御の不安定性を回避することができる。また、偏差が零のときにはそれまでの積分値が零リセットされるので、過剰な修正動作が行われることはない。比例演算器４５や積分演算器４６におけるパラメータは、制御特性を見ながら決めることで、ユーザにおいて容易に設定可能である。

なお、ウェブ１０のエッジ位置を修正する手段は、ガイドローラ６０に限られるものではなく、ウェブ１０の巻戻しリールや巻取りリールを軸方向に移動させる機構を用いることもできる。

また、以上では、ウェブのエッジ位置の制御を行うフィードバック制御装置に適用した場合であって、動力部と制御対象が直結されていない場合について説明したが、これに限られるものではなく、動力部と制御対象が直結されている場合のその他のフィードバック制御に適用して位置制御を行う場合にも、同様に低価格で高い制御精度を実現することができる。また、以上説明した積分演算には、パルス伝達関数演算、線形差分方程式演算等のように、その他の積分に近似する演算も含まれる。また、フィードバック制御としては、モデル化誤差をも考慮したロバスト制御や制御対象の大きな変動に対応してパラメータを変化させる適応制御等を適用することができる。

１０：ウェブ
２０：ローラ
３０：位置検出器
４０，４０Ａ：制御アンプ、４１，４２：ローパスフィルタ、４３：信号変換器、４４：減算器、４５：比例演算器、４６：積分演算器、４７：加算器
５０，５０Ａ：動力部、５１：ＤＣモータ、５２：サーボコントローラ、５３：エンコーダ
６０：ガイドローラ

Claims (9)

1. 目標位置信号と位置検出信号との偏差に基づいて演算を行って第１の演算結果を取得し、該第１の演算結果に応じた制御量で動力部を制御して制御対象を位置制御し、該位置制御で得られた前記制御対象の位置の検出信号を前記位置検出信号とするフィードバック制御方法において、
   前記偏差の絶対値が予め設定した閾値内にあるときに、前記偏差に基づいて積分演算を行って積分演算結果を取得し、該積分演算結果を前記第１の演算結果に加算して前記制御量とすることを特徴とするフィードバック制御方法。
2. 請求項１に記載のフィードバック制御方法において、
   前記偏差が零又は零とみなせる値のとき、それまでの前記積分演算結果を零にリセットすることを特徴とするフィードバック制御方法。
3. 請求項１又は２に記載のフィードバック制御方法において、
   前記偏差が前記閾値を超えたとき、前記積分演算を停止するとともにそれまでの積分演算結果を零にリセットすることを特徴とするフィードバック制御方法。
4. 目標位置信号から位置検出信号を減算して偏差を算出する減算器と、該減算器で得られた前記偏差に基づき演算を行う第１の演算器と、該第１の演算器で得られた第１の演算結果に応じた制御量で制御対象を位置制御する動力部と、該動力部で位置制御された前記制御対象の位置を検出する位置検出器とを備え、該位置検出器で検出された信号を前記位置検出信号とするフィードバック制御装置において、
   前記偏差の絶対値が予め設定した閾値内にあるとき前記偏差に基づいて積分演算を行う積分演算器を設け、該積分演算器による積分演算結果を前記第１の演算結果に加算して前記制御量とすることを特徴とするフィードバック制御装置。
5. 請求項４に記載のフィードバック制御装置において、
   前記積分演算器は、前記偏差が零又は零とみなせる値のとき、それまでの前記積分結果を零にリセットすることを特徴とするフィードバック制御装置。
6. 請求項４又は５に記載のフィードバック制御装置において、
   前記積分演算器は、前記偏差が前記閾値を超えたとき、前記積分演算を停止するとともにそれまでの積分結果を零にリセットすることを特徴とするフィードバック制御装置。
7. 目標位置信号と位置検出信号との偏差に基づいて演算を行うことで第１の演算結果を取得し、該第１の演算結果に応じた制御量で動力部を制御して制御対象を位置制御し、該位置制御で得られた前記制御対象の位置の検出信号を前記位置検出信号とするフィードバック制御方法をコンピュータに実行させるプログラムにおいて、
   前記偏差の絶対値が予め設定した閾値内にあるか否かを判定する第１ステップと、
   前記第１のステップによって前記偏差の絶対値が前記閾値内にあると判定されたとき、前記偏差に基づいて積分演算を行い積分演算結果を前記第１の演算結果に加算して前記制御量とする第２ステップと、
   を備えることを特徴とするプログラム。
8. 請求項７に記載のプログラムにおいて、
   前記第１のステップによって前記偏差の絶対値が前記閾値内にあると判定され、且つ前記偏差が零又は零とみなせる値のとき、それまでの前記積分演算結果を零にリセットする第３ステップを備えることを特徴とするプログラム。
9. 請求項７又は８に記載のプログラムにおいて、
   前記第１のステップによって前記偏差の絶対値が前記閾値内にないと判定されたとき、前記積分演算を停止するとともにそれまでの積分演算結果を零にリセットする第４のステップを備えることを特徴とするプログラム。

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