KR20010022920A - 제어장치 및 제어방법 - Google Patents
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Abstract
제어대상의 전달함수로부터 제어장치의 제어 연산함수를 결정하고, 결정된 제어 연산함수에 따라 제어대상의 조작량을 조정하는 제어장치에서, 제어대상과 제 1 제어장치를 포함하는 제어계의 폐 루프 일순 전달함수 또는 개 루프 전달함수를 사전에 결정된 제 1 전달함수에 일치하도록 제 1 제어장치의 제어 연산함수를 결정하고, 제어장치와 제 1 제어장치로 구성되는 폐 루프 제어계를 대상으로, 제어대상에 더해진 외란으로부터 외란이 제어대상에 인가되는 점의 상태변수까지의 전달함수가, 사전에 결정된 제 2 전달함수에 일치하도록 제 2 제어장치의 제어 연산함수를 결정하며, 제 1 및 제 2 제어장치의 출력의 합신호로 제어대상의 조작량으로 한다.
Description
본 발명은, 제어계의 신규한 설계방법 및, 그 제어장치 및 제어방법에 관한 것으로, 특히, 모션 콘트롤(motion control)에 적합한 제어장치 및 제어방법에 관한 것이다. 또한, 본 발명은, 압연기 등의 모터 속도제어, 가압 위치제어에 효과적인 제어로서, 목표값 추종제어에 병행하여 부하 추종제어를 행하게 하며, 부하 급변에 따른 임팩트 드롭(impact drop)을 해소하여, 제어편차를 거의 발생시키지 않는 고정밀도의 제어를 실현하는 것이 가능한 제어장치에 관한 것이다.
제어계의 설계방법으로서 종래부터 다양한 방법이 제안되고, 그것의 이론 체계도 확립되어 있다. 그러나, 고전적 제어론에 근거한 설계에 있어서는, 1 입력, 1 출력의 제어계를 대상으로 하여, 복수의 상태를 동시에 제어하기 위해서는, 1 상태씩 최내부의 상태에 관한 제어장치를 설계하고, 그것의 외측에 다음 상태에 대한 제어계를 구성한다고 하는 다중 루프에 의한 제어계의 구성이 채용되어 왔다. 즉, 도 3에 나타낸 것과 같이, 제어대상이 Gp1, Gp2로 구성된 경우, 우선 Gp1에 대한 제어장치 Gc2를 설계하고, 다음에 Gp1과 Gc1으로 구성되는 루프계와 Gp2로 구성되는 제어계에 대한 제어장치 Gc2를 설계하고 그것의 출력을 Gc1의 목표값으로서 제공한다. 마찬가지로, 도시되지 않은 외측의 루프가 존재하는 경우, 그것의 제어대상 Gp3에 대한 제어장치 Gc3를 설계하고 그것의 출력을 Gc2의 목표값을 제공한다고 하는, 내부의 계로부터 설계하고, 순차적으로 외부의 계를 설계하여, 다중 루프 구성이 취해지고 있다.
이와 같은 제어방법에서는, 내부의 제어계가 외부의 제어계보다도 고응답이 아니면, 안정된 적합한 제어가 실현될 수 없는 것을 잘 알려져 있다. 또한, 외측의 제어 루프는 내측의 제어 루프의 응답에 의존하여, 외측의 제어계의 응답은 늦어진다.
또한, 최근의 제어이론에서는 다수의 상태변수에 대한 제어장치의 설계는 행렬연산에 의해 n개의 제어장치가 한번에 설계되지만, 각각의 제어장치와 제어대상의 상태량과의 물리현상적 관계가 불명확하게 되어, 제어계의 조정이 간단하게는 될 수 없는 상황에 있다.
(발명의 개시)
본 발명의 목적은, 제어대상에 대해, 사전에 설계자가 복수의 제어계에 대해 정해진 소정 응답함수를 제공하고, 각각 별개의 제어계에 설치될 수 있는 제어장치를 설계하는 것에 의해, 각 제어계의 응답성능에 대한 제약을 배제하고, 개별적인 제어장치와 제어대상의 상태변수와의 물리현상적 관계를 명확하게 하여 조정을 용이하게 할 수 있는 제어장치를 제공함에 있다.
본 발명에서는 개별적인 서브시스템마다의 제어장치를 그것의 대상이 되는 제어계의 주파수 응답이 소정의 제어응답이 되도록 순차 설계하고, 그 제어장치의 출력을 가산하는 것에 의해 제어대상에의 조작입력으로 한다. 즉, I번째의 제어장치는 i-1번째까지 이미 설계가 완료된 제어장치와 대어대상으로부터 I번째의 제어계의 응답이 소정 응답함수가 되도록 설계하고, n개의 제어장치의 출력을 가산하여 제어대상의 입력 조작량으로 한다.
또한, 각 제어장치 중에서, 일부는 외란에 대한 억제제어를 행하게 한다.
더구나, 제어 입력신호에는 검출기의 노이즈 신호나 신호 케이블에 가해지는 전기적 노이즈 등이 포함되기 때문에, 제어연산에 미분연산이 있으면 각종 노이즈의 영향으로 제어계가 불안정하게 되는 경우가 있다. 그 때문에, 본 발명에 있어서는, 미분연산의 대상이 되는 상태량과 미분관계에 있는 상태량으로 치환하여 별개의 연산 루프로 변환하는 것으로, 전체 재어장치의 제어연산을, 비례, 적분, 및 1차 지연, 2차 지연 등의 n차 지연 요소만으로 구성하여, 이 문제를 회피한다.
본 발명은, 제 1 제어장치에서 최종 제어대상의 상태를 목표값으로 추종하도록 하는 제어를 행하고, 제 2 제어장치에서 제어계에 가해진 부하 외란에 대한 제어를 행하여 제어계를 안정화시키고 있다. 더구나, 대상의 제어계에 있어서는 외란 변수이었어도, 그것의 상부의의 제어계에서는 소정의 값으로 제어하고 싶은 상태량이 있으며, 그 경우에는, 제 2 제어장치의 기능을 분리하는 것으로, 제 3 제어장치를 부가한다.
도 1은 본 발명의 대상이 되는 기본적 제어계로, 제어대상과 제어장치의 관계를 블록선도로 나타낸 것이다.
도 2는 본 발명의 제 2 제어장치를 설계하는 설명을 위해 도 1을 변환한 것이다.
도 3은 본 발명에 관련된 종래예이다.
도 4는 본 발명의 대표적 제어대상으로서의 모터의 블록선도이다.
도 5는 본 발명의 모터 제어에 있어서의 실시예이다.
도 6은 도 5의 제어의 변형예(미분항 삭제의 예)이다.
도 7은 본 발명을 압연기의 제어에 적용한 구성예를 나타낸 도면이다.
도 8은 또 다른 전개예로서 제 3 제어장치를 부가한 실시예이다.
도 9는 도 8을 전개한 실시예이다.
우선, 본 발명에 있어서 기본적인 제어장치의 설계법에 대해, 도 1을 사용하여 설명한다.
도 1에서 1의 Gp는 제어대상의 전달함수이고, 11의 Gp1, 12의 Gp2는 Gp 의 부분 전달함수이다. 즉,
의 관계가 존재한다. r은 본 제어계의 목표값이고, c는 제어량이다. d은 외란이 된다. Gc는 제어량 c를 제어하기 위한 제 1 제어장치, Gd는 외란 제어를 위한 제 2 제어장치이다. 본 발명에 있어서는, 제 1 제어장치 Gc를, 목표값 r로부터 제어량 c까지의 제어계의 일순(一巡)전달함수가, 소정의 응답함수가 되도록 설계한다. 예를 들면, 도 1의 일순 전달함수의 소정 응답함수를 Ga로 하는 경우에는,
가 되고, 상기 식으로부터 제어장치 Gc의 제어연산은
로 주어진다.
다음에, 제 2 제어장치 Gd는, 외란이 가해진 제어대상의 부분 전달함수 Gp1의 출력이 외란 d에 추종하도록 동작시키는 것이 목적이다. 도 1의 제어계와 외란 d에서 Gp1의 출력 x까지의 블록선도로 다시 그리면 도 2가 된다. 여기에서, 외란 d에서 상태 x까지의 전달함수가 소정의 응답 전달함수 Gb와 같아지도록 제 2 제어장치의 전달함수 Gd를 구한다. 즉,
여기에서, Gp1·Gp2 = Gp이다. 상기 식으로부터, 제 2 제어장치의 제어연산 전달함수 Gd를 구하면
로 주어진다.
상기 수학식 3의 Gc와 수학식 5의 Gd를 도 1의 제어장치로 각각 설정한다.
종래의 제어방식에 있어서는, 도 3에 나타낸 것과 같은 종렬접속의 제어장치가 채용되고 있지만, G1, G2를 상기 본 발명의 설계원리로 설계하는 것은 곤란하다.
본 발명을 압연기의 모터 제어에 적용한 예로 더욱 상세히 설명한다.
도 4는 제어대상인 모터의 일반적으로 잘 알려져 있는 블록선도이다. 도 1, 도 2에 나타낸 제어대상의 블록선도에 대응시키면, 모터의 역기전력에 의한 피드백 루프가 존재하고 있어, 제어대상의 전달함수 Gp는 하기 식으로 된다.
이 모터의 속도제어와 부하 토오크 제어를 행하는 경우, 도 5에 나타낸 블록선도가 되며, Gc가 속도 제어장치, Gd가 부하 토오크 제어장치, 모터 단자전압이 조작량이 된다.
여기에서, 속도 목표값 ωp로부터 모터 각속도 ωa까지의 응답 전달함수를
이 되도록 속도 제어장치 Gc를 설계하는 경우에, 수학식 3에 맞추어
가 설계된다.
다음에, 수학식 5에 있어서 Gp1 = K / (Ts + 1), Gp2 = 1 / Js로 놓고, Gc 대신에 (H + Gc)로 놓는 것에 의해, 도 5와 도 2가 동일한 블록도로 변환된다.
따라서, 부하 토오크 제어의 제어연산 전달함수 Gd는, 소정 응답 전달함수를 1 / (Tbs + 1)로 하면,
단, 수학식 9에 있어서 Gc는 수학식 8로 주어지는 연산 전달함수이다.
상기한 제어연산은 본 발명의 원리에 따라 모터의 드라이브 제어에 적용한 경우이지만, 수학식 8의 제 3항으로부터 알 수 있는 것과 같이 미분항을 포함한 제어연산이 존재한다. 통상적으로 모터의 제어에 있어서는 「리플(ripple)」이라고 불리는 맥동이 속도와 전류에 포함되어 있어, 미분항이 있으면 그것의 영향으로 제어가 안정되지 않아, 제어 게인을 크게 할 수 없다고 하는 문제가 있었다. 본 발명에서는, 이와 같은 점도 해소하기 위해, 예를 들면 수학식 8의 연산으로 제어하는 경우, 그것의 입력이 모터 속도의 목표값과 실측값의 차이인 것과, 제어대상인 도 4의 모터의 블록선도에 주목하여, 속도의 미분(즉, 수학식 8의 제 3항)은 부하 토오크와 모터 발생 토오크(모터 전류에 비례)로 변환하는 것에 특징이 있다. 즉,
상기 식에 있어서 제 2항의 외란 d의 항은 수학식 9에 포함시켜, 모터의 발생 토오크인 x의 항(실제로는 모터 전류를 사용한다)을 도 6에 나타낸 것과 같은 새로운 피드백 항으로서 만든다. 제 3항은 수학식 10에 의해 분해되어, 수학식 10의 제 1항을 속도 지령값 ωp를 적분한 (지령값의 위한 노이즈는 포함되지 않는다) 신호에 JT/KT를 곱한 값을 속도 제어장치 Gc의 출력에 가산하고, 더구나 수학식 10의 제 3항 T/KTa*x를 모터 전류로부터의 피드백 항으로서 속도 제어장치 Gc의 출력에 가산한다. 수학식 10의 제 2항은 수학식 9에 가산하여 Gd의 연산에 포함시킨다. 이와 같은 변환에 의해 미분항을 삭제할 수 있다.
압연기 드라이브 시스템에 있어서, 부하 토오크 d는 압연하중에 의한 토오크와 압연기 전후에 장력에 의한 토오크인 것은 잘 알려져 있다. 즉,
단, A1, A2는 계수이다. 여기에서, 제 1 항의 압연하중 P는 로드셀 등의 검출기로 측정할 수 있으며, P에 의한 토오크는 측정가능한 외란이다. 장력 TB, TF도 장력계에서의 측정 또는 모터 토오크와 압연하중으로부터 연산가능하며, 측정가능한 외란으로, 제 2 제어장치의 입력으로서 주어질 수 있다. 이와 같은 제어계의 예를 도 7에 나타내었다.
그러나, 압연기의 제어에 있어서, 통상적으로, 장력은 제어되어야할 상태량으로, 종래에, 장력측정값을 입력하여, 속도 목표값을 수정하는 장력제어가 행하여져 왔다. 본 발명에 있어서는, 제 2 제어장치의 입력을, 압연하중 P의 항, 즉 수학식 11의 제 1항과, 장력 TB 또는 TF의 항, 즉 수학식 11의 제 2항의 한쪽으로 분리하여, 장력을 제 2 제어장치에 입력하고, 그것의 출력을 제 2 제어장치에의 입력에 가산하여, 장력을 제어하도록 하고 있다. 예를 들면, TF를 제어하는 경우에는 도 8에 나타낸 것과 같이, 제 3 제어장치의 입력을 TF의 목표값과 측정값의 차이 ΔTF로 하고, 제어연산 전달함수 Gt를 곱하여, 그것의 출력 Gt·ΔTF를 수학식 11의 TF로 한다. 이때, Gt·ΔTF는 도 9와 같이 직접 제 1, 제 2 제어장치의 출력에 가산하는 형식이라도 좋다. Gt의 연산 전달함수의 설계는 제 1, 제 2 제어장치가 설계된 후, 그것의 계를 포함하여, 장력 목표값으로부터 실제장력까지의 전달함수가 소정의 응답 전달함수로 되도록, 전술한 수학식 3의 형식으로 설계한다.
이상 압연기의 모터 제어를 대상으로 본 발명을 상세히 설명하였지만, 본 발명은 원리에서 알 수 있는 것 같이, 모터 제어에 한정되는 것은 아니고, 압연기의 가압위치 결정제어, 로봇과 XY 레코더 등의 서보제어, 화학 프로세스에 있어서 유량제어, 전력에 있어서 전압, 주파수 제어, 자동차의 엔진제어 등 적용범위는 넓으며, 범용의 기술이다.
이때, 본 발명은 디지탈 연산으로 행하여도 어떤 문제도 없다.
각 제어변수와 제어장치의 대응을 명확화할 수 있으며, 주 제어변수에 대한 목표값 추종(또는 일정) 제어를 행하면서, 부하 외란에 대한 제어를 고속으로, 더구나 고정밀도로 제어하는 것이 가능하게 되어, 특히 제 1 조작량으로 복수의 상태를 제어하지 않으면 안되는 제어계의 제어에 적합한 제어장치를 제공하는 것이다. 또한, 각 제어장치의 분담이 명확하기 때문에, 시스템의 조정을 용이하게 하는 동시에, 제어기능으로서 불필요한 제어장치는 다른 제어장치에 관계없이 삭제하는 것이 가능하며, 더구나, 각 제어장치를 소정의 응답 전달함수를 제공하여 설계하는 것이 가능하기 때문에, 시스템의 확장성, 개선성이 우수하게 된다.
Claims (19)
- 제어대상의 전달함수로부터 제어장치의 제어 연산함수를 결정하고, 이 결정된 제어 연산함수에 따라 제어대상의 조작량을 조정하는 제어장치에 있어서,제어대상과 제 1 제어장치를 포함하는 제어계의 일순 전달함수를 사전에 결정된 제 1 전달함수에 일치하도록 상기 제 1 제어장치의 제어 연산함수를 결정하고, 제어장치와 제 1 제어장치로 구성되는 폐 루프 제어계를 대상으로, 제어대상에 더해진 외란으로부터, 이 외란이 제어대상에 인가되는 점의 상태변수까지의 전달함수가, 사전에 결정된 제 2 전달함수에 일치하도록 제 2 제어장치의 제어 연산함수를 결정하며, 제 1 및 제 2 제어장치의 출력의 합신호를 제어대상의 조작량으로 하는 것을 특징으로 하는 제어장치.
- 제 1항에 있어서,연산함수에 미분 동작항이 포함된 경우, 이 미분 동작함의 입력이 되는 제 1 상태변수를, 제어대상의 전달함수의 관계로부터 제 1 상태변수의 미분관계에 있는 제 2 상태변수로 변환하고, 상기 미분동작을 비례 또는 적분 동작으로 변환하는 것을 특징으로 하는 제어장치.
- 제 1항에 있어서,상기 제 2 제어장치는, 제어대상의 외란의 상태를 제어대상의 외부의 검출가능한 상태로부터 검출 또는 추정하여 제 2 제어장치의 입력으로 하는 것을 특징으로 하는 제어장치.
- 제 3항에 있어서,외란의 상태의 검출 또는 추정에는 일부의 외란변수를 제어하는 제 3 제어장치의 출력값을 사용하는 것을 특징으로 하는 제어장치.
- 제어대상의 제어량을 목표값에 일치하도록 제어하는 제1 제어장치와, 제어대상에 더해지는 외란변수의 검출값 또는 추정값을 입력으로 하여 제어대상의 내부변수를 외란에 추종하도록 하는 제 2 제어장치를 갖고, 상기 제 1 제어장치의 출력과 제 2 제어장치의 출력을 가산하여 제어대상에 더해 조작량으로 하는 것을 특징으로 하는 제어장치.
- 제 5항에 있어서,상기 제 2 제어장치는 외란변수의 일부는 검출 또는 추정하고, 다른 일부의 변수는 제 3 제어장치의 출력으로 하는 것을 특징으로 하는 제어장치.
- 모터의 단자전압을 조작량으로 하여 모터 회전속도를 제어하는 제어계에 있어서,단자전압으로부터 회전속도까지의 전달함수를 사용하여, 회전속도의 목표값과 회전속도의 검출값의 차이를 입력으로 하고, 상기 단자전압을 출력으로 하는 제 1 제어장치와, 모터에 더해지는 부하 토오크를 입력으로 하고 모터의 전류가 이 부하 토오크에 추종하도록 상기 단자전압을 조정하는 제 2 제어장치로 구성된 것을 특징으로 하는 제어계.
- 제 7항에 있어서,제 1 제어장치는, 모터의 전달함수와 제 1 제어장치의 전달함수로부터 구해지는 폐 루프 전달함수(일순 전달함수)가 소정의 전달함수에 일치하도록 제 1 제어장치의 전달함수를 설계하는 것을 특징으로 하는 제어계.
- 제 7항에 있어서,제 2 제어장치는, 청구항 8에서 설계된 제 1 제어장치와 제어대상의 전달함수로 구성되는 폐 루프 전달함수에 근거하여, 부하 토오크로부터 모터 전류까지의 응답이 소정의 응답 전달함수에 일치하도록 제 2 제어장치의 전달함수를 설계하는 것을 특징으로 하는 제어계.
- 제 9항에 있어서,제 2 제어장치의 입력인 부하 토오크에 있어서, 이 부하 토오크가 복수의 외부변수로 구성되는 대상에 대해서는, 일부의 외부변수를 검출 또는 추정하여 제 2 제어장치의 입력으로 하고, 다른 일부는 그것의 변수 또는 사전에 주어진 기준값 또는 평균값과 그것의 검출값 또는 추정값의 차이에 비례 또는 적분 연산을 하는 제 3 제어장치의 출력을 제 2 제어장치의 입력에 가산하는 것을 특징으로 하는 제어계.
- 제 10항에 있어서,제 2 제어장치의 입력은 처음의 일부의 외부변수의 검출값 또는 추정값으로 하고, 제 3 제어장치의 출력을 제 2 제어장치의 출력에 가산하도록 한 것을 특징으로 하는 제어계.
- 압연기의 드라이브 제어장치에 있어서,제 1 제어장치를 모터 속도의 지령값과 실제속도의 검출값 또는 추정값을 입력으로 하는 속도 제어장치로 하고, 제 2 제어장치는 압연하중에 의존한 부하 토오크를 입력으로 하고 모터 단자전압을 출력으로 하는 토오크 제어장치, 제 3 제어장치는 장력의 목표값과 그것의 검출값의 차이를 입력으로 하고, 제 2 제어장치의 입력지령으로서의 장력 토오크 지령 또는 제 2 출력인 모터 단자전압으로 하는 장력 제어장치로 구성된 것을 특징으로 하는 제어장치.
- 압연기의 가압위치 제어장치에 있어서,제 1 제어장치를 가압위치의 지령값과 그것의 검출값의 차이를 입력으로 하는 가압위치 제어장치, 제 2 제어장치는 압연하중을 입력으로 하고 가압위치 보정출력을 행하는 가압보정 제어장치로 한 것을 특징으로 하는 가압위치 제어장치.
- 위치 서보 제어계에 있어서,제 1 제어장치는 위치제어, 제 2 제어장치는 위치 변화속도의 속도 제어장치, 제 3 제어장치는 서보 모터에 더해지는 부하 토오크를 제어하는 토오크 제어로 하는 것을 특징으로 하는 위치 서보 제어계.
- 제 1 제어장치는 제어장치와 제어대상으로 구성되는 제어계의 응답이 소정의 응답함수가 되도록 그것의 응답함수와 제어대상의 전달함수로부터 설계하고, 제 2 제어장치는 제 1 제어장치와 제어대상으로 구성되는 제어계의 전달함수와 제 2 제어장치의 소정 응답함수로부터 설계하며, 제 3 제어장치는 제 1, 제 2 제어장치와 제어대상으로 구성되는 제어계의 전달함수와 제 3 응답함수로부터 설계하고, 제 1, 제 2, 제 3 제어장치의 출력을 가산하여, 제어대상의 조작량으로 하는 것을 특징으로 하는 제어장치.
- 제 15항에 있어서,제 3 제어장치의 출력은 제 2 제어장치의 입력에 가산하는 것을 특징으로 하는 제어장치.
- n개의 상태변수를 갖는 제어계에 있어서의 제어장치에 있어서,최종단 출력인 제어량을 대상으로 한 제어장치를 제 1 제어장치로 하고, i번째의 제어장치는 i-1번째까지의 이미 설계가 완료된 제어장치와 제어대상으로부터 I번째의 제어계의 응답이 소정 응달함수가 되도록 설계하며, n개의 제어장치의 출력을 가산하여 제어대상의 입력 조작량으로 하는 것을 특징으로 하는 제어장치.
- 제 1항 내지 제 17항에 있어서,각 제어장치에 있어서 제어연산에서 미분연산에 관해서는, 제어대상의 전달함수의 관계로부터, 그것의 해당하는 상태량의 미분관계에 있는 상태량으로 변환하여 별개의 연산 루프를 형성하고, 직접 미분연산을 행하도록 하지 않도록 한 것을 특징으로 하는 제어장치.
- 제어대상의 전달함수로부터 제어장치의 제어 연산함수를 결정하고, 이 결정된 제어 연산함수에 따라 제어대상의 조작량을 조정하는 제어방법에 있어서,제어대상과 제 1 제어장치를 포함하는 제어계의 일순 전달함수를 사전에 결정된 제 1 전달함수에 일치하도록 상기 제 1 제어장치의 제어 연산함수를 결정하고, 제어장치와 제 1 제어장치로 구성되는 폐 루프 제어계를 대상으로, 제어대상에 더해진 외란으로부터, 이 외란이 제어대상에 인가되는 점의 상태변수까지의 전달함수가, 사전에 결정된 제 2 전달함수에 일치하도록 제 2 제어장치의 제어 연산함수를 결정하며, 제 1 및 제 2 제어장치의 출력의 합신호를 제어대상의 조작량으로 하는 것을 특징으로 하는 제어방법.
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