KR20160128471A - 피드백 제어 방법, 피드백 제어 장치 및 프로그램 - Google Patents

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KR20160128471A
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타케시 쿠로다
타케오 하기와라
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가부시기가이샤니레꼬
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Abstract

[과제]
제어 대상이 목표치에 수속할 때까지의 시간을 단축하고, 제어 대상을 목표치로부터 벗어나기 어렵게 할 수 있고, 게다가 제어계의 안정성을 열화시키지 않도록 한다.
[해결 수단]
목표 신호와 제어 대상의 검출 신호와의 편차에 의거하여 저속 적분 연산 결과를 포함하는 제1의 연산 결과를 취득하고, 그 제1의 연산 결과에 의해 동력부를 구동하고, 당해 동력부에 의해 상기 제어 대상을 제어하고, 상기 제어 대상의 제어 결과를 상기 검출 신호로 하는 피드백 제어 방법에 있어서, 상기 편차의 절대치가 미리 설정한 제1의 임계치 내에 있을 때에 상기 편차의 고속 적분 연산을 행하여 그 적분치를 상기 제1의 연산 결과에 가산하여 제2의 연산 결과로 하고, 또는 상기 제1의 연산 결과에 대해 상기 고속 적분 연산을 행하여 그 적분치를 상기 제1의 연산 결과를 가산하여 제2의 연산 결과로 하고, 그 제2의 연산 결과에 의해 상기 동력부를 구동한다.

Description

피드백 제어 방법, 피드백 제어 장치 및 프로그램{FEEDBACK CONTROL METHOD, FEEDBACK CONTROL APPARATUS AND PROGRAM}
본 발명은, 웨브의 텐션이나 그 밖의 제어 대상을 소정의 상태에 제어하는 피드백 제어 방법, 피드백 제어 장치 및 프로그램에 관한 것이다.
도 5에 웨브용의 텐션 제어 장치의 한 예를 도시한다. 이것은, 롤 상태로부터 되감기는 인쇄용 종이 등의 웨브(10)에 느슨해짐이나 주름 등이 생기는 것을 방지하기 위해, 그 웨브(10)에 대해 반송 도중에 소정의 텐션을 주는 장치이다. 도 6에 그 텐션 제어 장치에서 사용된 피드백 제어 장치의 기능 블록도를 도시한다.
웨브(10)는, 2개의 롤러(20)와 중간 롤러(30)를 개재하여, 롤 상태로부터 화살표(A) 방향으로 되감긴다. 웨브(10)에는, 하류측의 말아올림 동력과 상류측 되감기 브레이크력에 의해 텐션이 주어진다. 중간 롤러(30)에 걸리는 웨브(10)에 의한 힘은, 이 텐션에 대응한 힘이고, 중간 롤러(30)의 양단을 유지하도록 배치된 2개의 텐션 검출기(40)에 의해 검출되고, 컨트롤러(50B)에 취입된다. 이 컨트롤러(50B)에는, 미리 목표 텐션의 값이 설정되어 있고, 그 목표 텐션 신호와, 텐션 검출기(40)에서 검출된 텐션 검출 신호(역신호(力信號))를 실제의 텐션으로 변환한 텐션 검출 신호와의 편차에 응한 제어 신호가, 그 컨트롤러(50B)에서 생성된다. 이 제어 신호에 의해, 동력부로서의 전자 브레이크(60)가 구동됨으로써, 그 웨브(10)의 롤의 되감기의 브레이크력이 제어되고, 그 웨브(10)에 가하여지는 텐션이 상기 목표 텐션이 되도록 제어된다. 동력부로서는, 전자 브레이크(60) 이외에, 클러치나 모터를 사용하는 것도 행하여지고, 근래에는 모터 제어로 하는 사례도 많지만, 비용적으로는 전자 브레이크를 사용하는 편이 염가로 되는 경향이 있다.
도 7에 이 컨트롤러(50B)의 내부 구성을 도시한다. 텐션 검출기(40)에서 검출된 텐션 검출 신호(역신호)의 실체(實體)는 중간 롤러(30)에 걸려 있는 힘이고, 이 신호가 신호 변환기(53)에서, 사전에 주어진 교정치를 기초로 본래의 텐션 신호로 변환된다. 노이즈가 큰 경우는 미리 스위치(SW1)를 파선측으로 전환하여 둠에 의해 로우패스 필터(51)로 노이즈가 제거되고 나서 그 신호 변환기(53)에 입력한다. 목표 텐션 신호는, 감산기(54)에서 신호 변환기(53)로부터 출력하는 텐션 검출 신호와 감산되어 편차(偏差) 신호가 된다. 이 편차 신호는, PID 연산기(55)에 취입됨으로써 비례·적분·미분의 연산이 행하여진다.
텐션 검출기(40)는, 웨브(10)의 텐션을 스프링의 변위로서 취입함으로써 중간 롤러에 걸리는 압력을 검출하는 것이 기본 원리이기 때문에, 중간 롤러(30)의 질량과 텐션 검출기(40)의 스프링 정수(定數)의 관계로, 수십Hz 내지 백수십Hz의 공진점(共振点)을 갖는 일이 있다. 이 때문에, 이 공진점의 신호 성분은 확실하게 컷트하는 것이 바람직하기 때문에, 상기 로우패스 필터(51)로서, 10밀리초 내지 수백밀리초의 시정수를 갖는 1차 지연의 로우패스 필터가 삽입된다. 근래에는, 텐션 검출기(40)로서 비틀림 게이지를 이용한 것이 등장하고 있다. 이런 종류의 텐션 검출기는, 스프링 정수가 매우 크게 취하여져서, 텐션 검출기(40)의 공진 주파수가 높아지기 때문에, 로우패스 필터(51)의 시정수를 작게 하는 것이 가능해진다.
PID 연산부(55)에서, 비례 연산을 행하는 비례 연산기(551)는, 편차를 비례적으로 증폭하여 편차를 신속하게 수정하는 역할을 갖는다. 비례 계산만으로는, 편차가 작아지면 제어 연산 결과가 제로에 가까워지기 때문에, 정상 편차가 남게 되어, 충분한 제어 연산은 실현할 수가 없다. 그래서, 적분 연산기(552)로 현재까지의 편차의 적분 연산을 행하면 그 결점은 개선된다. 적분 연산에서는 편차가 미소라 하여도 그것을 적분하기 때문에, 제어 대상의 정상(定常) 편차를 없애는 만큼의 출력을 내는 것이 가능하다. 일반적으로 적분의 게인은 적분 시간이라고 불리고, 적분 시간이 짧을수록 그 게인이 높아진다. 비례와 적분의 연산만으로 충분한 제어 특성을 얻어지는 경우도 많이 있고, 이 비례와 적분의 연산만에 의한 제어는 PI 제어라고 불린다. 미분 연산기(553)에서 행하는 미분 연산은, 급격한 편차의 변동에 대해 유효하게 작용한다. 각 연산기(551, 552, 553)의 연산 결과가 가산기(554)에서 가산되어 제어 출력 신호가 된다. 또한, 편차 신호는, 노이즈가 큰 경우에는, 미리 스위치(SW2)를 파선측으로 전환하여 둠에 의해, 로우패스 필터(52)를 경유하여 나서 PID 연산기(55)에 입력한다. 컨트롤러(50B)에서의 연산은, PID의 각 파라미터를 조정함으로써 행한다.
제어 대상을 목표치에 추종시키는 피드백 제어에서는, 컨트롤러(50B)에 최저 하나의 적분 연산기를 넣는 것이 일반적이다. 설계 이론에서는, 컨트롤러(50B)에서 도출되는 연산 결과에 적분 결과를 포함하지 않는 것이 있지만, 이 경우는, 제어 대상에 적분 동작이 포함되는 것이라고 가정하고, 실제장치에서 컨트롤러(50B)에 적분 연산을 옮기는 것이 일반적이다. 이것은, 컨트롤러(50B)에 하나 이상의 적분 연산기를 넣음으로써 정상 편차가 없어지는 것이 이론적으로 알려져 있(내부 모델 원리)기 때문이다.
그런데, 일반적으로 컨트롤러(50B)의 제어 연산의 게인을 올리면, 제어계(制御系)의 응답이 빨라져서 정상 편차가 감소하는 등의 이점이 많지만, 이것은 제어계의 안정도를 내리게 된다. 따라서, 어느 일정치 이상으로 게인을 올릴 수가 없다.
예를 들면 윤전(輪轉)인쇄기에서는, 권출(卷出) 롤의 질량은 계속 변화한다. 이 윤전인쇄기의 텐션 제어에서는, 롤 질량이 시간과 함께 변화하면, 최적의 제어 파라미터도 시간과 함께 변화한다. 이 경우, 생각되는 모든 조건에서 안정된 제어 파라미터로 조정할 필요가 있지만, 일반적으로는, 컨트롤러(50B)의 게인을 약간 낮게 설정함으로써, 안정성을 확보하는 것이 행하여진다. 이 때문에, 고정밀한 제어계의 구축은 어렵다.
이 문제에 관해서는 몇 가지의 제안이 이루어져 실시되고 있다. 컨트롤러(50B)의 제어 출력은 롤 질량에 비례하는 경향이 있기 때문에, 롤 질량이 작은(브레이크 제어 출력 신호가 작은) 때의 출력은 보다 작고, 롤 질량이 큰(브레이크 제어 출력 신호가 큰) 때의 출력은 보다 크게 하는 지수(指數) 보정의 예가 있다. 이 수법은, 다이오드의 비선형 특성을 이용함으로써, 아날로그 회로만으로 실장할 수 있다. 현재는, 마이크로 프로세서나 FPGA 등을 염가로 입수할 수 있기 때문에, 텐션 제어에 이것을 채용하는 예가 많다. 이 때문에 많은 경우, 이 기능을 추가 비용 없이 실장 가능한 경우가 많다.
그러나, 이 수법은 롤 중량 변화를 완전하게 캔슬할 수 있는 것은 아니고, 컨트롤러(50B)의 제어 연산의 게인을 최적치까지 올릴 수 있는지는 보증할 수가 없다. 따라서, 이 지수 보정을 이용하여도 컨트롤러(50B)의 제어 연산의 게인을 충분히 높게 한다고는 할 수 없고, 외란(外亂) 억제나 제어 정밀도를 충분히 높일 수가 없을 가능성이 있다.
또한 고도(高度)의 수단으로서, 도 8의 컨트롤러(50C)로 도시하는 바와 같이, PID 연산기(55)의 연산 결과에, 스위치(SW4)에 의해 지름 보정부(59)에 의한 연산을 추가할 수 있도록 하여 두고, 이 지름 보정부(50)에서 제어 신호에 지수의 보정 계수를 거는 것이 행하여진다. 이것은, 되감기 롤의 권경(卷徑)을 연산 또는 계측하여 취득하고, 이것을 지름 보정부(59)의 제어 파라미터에 반영시키는 것이다. 되감기 롤 지름은, 접촉 또는 비접촉의 위치 검출기에 의해 권출 롤의 표면 위치를 구함으로써 용이하게 얻을 수 있다. 또한, 라인 속도를 구하는 인코더와 되감기 롤의 회전을 측정하는 인코더(또는 근접 센서)를 이용하는 것으로도 용이하게 되감기 롤 지름을 연산할 수 있다.
그러나, 지름 보정부(59)를 이용하는 수법에는 2개의 결점이 있는 것을 용이하게 상상할 수 있다. 하나는 시스템의 가격이 상승하는 것이다. 또 하나는 롤 지름의 제곱과 롤의 관성 모멘트는 비례 관계에 있지만, 롤 지름을 알면 롤의 관성 모멘트를 안다는 것은 아니다. 예를 들면, 종이폭이나 종이의 중량 밀도가 변하면, 같은 롤 지름이라도 질량은 다르다. 또한, 롤의 권취 텐션이 다르면, 같은 롤 지름이라도 질량 및 관성 모멘트는 변할 가능성이 있다. 즉, 단순하게 롤 지름의 연산 결과를 적용하여 지름 보정부(59)의 파라미터를 설정하고, 가변 게인의 컨트롤러(50C)를 실현하여도, 그것이 최적의 제어 파라미터인 보증은 없고, 어느 정도 안정성에 여유를 갖게 하지 않으면 안 된다.
당연히, 롤의 관성 모멘트를 리얼타임으로 추정하고, 각 상태에 응하여 지름 보정부(59)의 제어 파라미터를 가변하는 시스템을 실현하면 문제는 해결된다고 추측할 수 있다. 그러나, 이러한 정보를 윤전인쇄기의 인쇄할 때마다 입력하는 데는, 막대한 데이터베이스 시스템을 구축할 필요가 있어서, 운용으로서 바람직하지가 않다. 또한, 장치를 공급한 기계 메이커측에서도, 이와 같은 시스템을 만드는 데는 막대한 수고가 든다.
다른 생각되는 수단으로서 로버스트 제어 이론을 사용하는 것이 있다(예를 들면 특허 문헌 1). 이것은, 제어 대상의 수학 모델을 구하고, 제어 대상의 변동 범위를 정하여, 최적의 제어 연산을 구하는 수법이다.
일본 특개2010-51104호 공보
그러나, 이 수법에서는, 제어 파라미터의 조정을 행하기 위해서는, 고도의 제어 이론이 필요하게 된다. 이 때문에, 통상의 공장 근무자가 제어 파라미터를 조정하는 것을 상정한 컨트롤러에 이것을 채용하는 것은 현실적이라고는 말할 수가 없다. 또한, 전용의 컨트롤러로서 로버스트 제어를 채용하는 것도 문제가 있다. 로버스트 제어의 설계·조정에는 고도의 제어 이론의 지식이 필요한데다, 고가의 설계 소프트를 사용할 필요가 있기 때문이다. 이 때문에, 로버스트 제어 이론을 채용할 수 있는 제어 대상은, 제어 자체에 수고와 비용이 걸리는 것으로 한정된다고 사료된다.
범용의 컨트롤러를 제품화하는데는, 통상의 공장 근무자가 잘 다루는 것을 상정하여야 한다. 그들은 고도의 제어 이론을 취득하고 있는다고는 한할 수 없다. 가령 고도의 제어 이론을 구사할 수 있는 능력이 있다고 하더라도, 고가의 설계 소프트를 도입·운용하는 것이 경비적으로 허용된다고는 한할 수 없다.
또한 목표치가 램프상(狀)으로 변화한 경우, 적분기가 하나만인 시스템에서는 목표치에 종식(終熄)될 수 없는 것이 이론적으로 알려져 있다(내부 모델 원리). 적분기를 복수 이용하면, 이 문제는 해소할 수 있지만, 적분기는 위상 지연을 유발하기 때문에 컨트롤러의 게인을 높게 할 수가 없다.
일반적으로는, 컨트롤러의 적분기를 하나로 하는 대신에, 그 적분 게인을 높임으로써 정상 편차의 값을 작게 하는, 또는 항상 오버 슈트하도록 적분 게인을 높게 설정하는, 등의 것이 행하여지지만, 제어 대상에 의해서는, 상기한 바와 같이, 컨트롤러의 제어 연산의 게인을 충분히 올릴 수가 없는 경우가 있다. 이 경우는 요구 성능을 충족시킬 수 없을 가능성이 있다.
본 발명의 목적은, 제어 대상이 목표치에 수속할 때까지의 시간을 단축하고, 제어 대상을 목표치로부터 벗어나기 어렵게 할 수 있고, 게다가 제어계의 안정성을 열화시키지 않도록 한 피드백 제어 방법, 피드백 제어 장치 및 프로그램을 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위해, 청구항 제1항에 관한 발명의 피드백 제어 방법은, 목표 신호와 제어 대상의 검출 신호와의 편차에 의거하여 저속 적분 연산 결과를 포함하는 제1의 연산 결과를 취득하고, 그 제1의 연산 결과에 의해 동력부를 구동하고, 당해 동력부에 의해 상기 제어 대상을 제어하고, 상기 제어 대상의 제어 결과를 상기 검출 신호로 하는 피드백 제어 방법에 있어서, 상기 편차의 절대치가 미리 설정한 제1의 임계치 내에 있을 때에 상기 편차의 고속 적분 연산을 행하여 그 적분치를 상기 제1의 연산 결과에 가산하여 제2의 연산 결과로 하고, 또는 상기 제1의 연산 결과에 대해 상기 고속 적분 연산을 행하여 그 적분치를 제2의 연산 결과로 하고, 그 제2의 연산 결과에 의해 상기 동력부를 구동하는 것을 특징으로 한다.
청구항 제2항에 관한 발명은, 청구항 제1항에 기재된 피드백 제어방법에 있어서, 상기 편차의 절대치가 상기 제1의 임계치를 초과한 때, 상기 고속 적분 연산의 적분치를 상기 저속 적분 연산의 적분치에 가산하고 또는 가산하지 않고, 또한 상기 고속 적분 연산의 적분치를 제로 리셋하고, 또한 상기 고속 적분 연산을 정지하는 것을 특징으로 한다.
청구항 제3항에 관한 발명은, 청구항 제1항 또는 제2항에 기재된 피드백 제어 방법에 있어서, 상기 편차가 제로 또는 제로로 간주될 때, 상기 고속 적분 연산의 적분치를 상기 저속 적분 연산의 적분치에 가산하고, 또한 상기 고속 적분 연산의 적분치를 제로 리셋하고 나서, 상기 고속 적분 연산을 계속하는 것을 특징으로 한다.
청구항 제4항에 관한 발명은, 청구항 제1항 또는 제2항에 기재된 피드백 제어 방법에 있어서, 상기 제1의 임계치보다도 작은 제2 임계치를 마련하고, 상기 편차의 절대치가 상기 제2 임계치 이내일 때, 상기 고속 적분 연산의 적분치를 상기 저속 적분 연산의 적분치에 가산하고 또는 가산하지 않고, 또한 상기 고속 적분 연산의 적분치를 제로 리셋하고 나서, 상기 고속 적분 연산을 정지하는 것을 특징으로 한다.
청구항 제5항에 관한 발명은, 청구항 제1항, 제2항, 제3항 또는 제4항에 기재한 피드백 제어 방법에 있어서, 상기 고속 적분 연산의 최대 적분치를 상기 저속 적분 연산의 최대 적분치보다도 작게 설정한 것을 특징으로 한다.
청구항 제6항에 관한 발명의 피드백 제어 장치는, 목표 신호와 제어 대상의 검출 신호와의 편차에 의거하여 저속 적분을 행하는 저속 적분 연산기를 포함하는 제1의 연산부와, 그 제1의 연산부에서 얻어진 제1의 연산 결과에 의해 구동되어 상기 제어 대상을 제어하는 동력부와, 상기 제어 대상의 제어 결과를 검출하는 검출기를 구비하고, 그 검출기에서 검출된 신호를 상기 검출 신호로 하는 피드백 제어 장치에 있어서, 상기 편차의 절대치가 미리 설정한 제1의 임계치 내에 있을 때에 상기 편차의 고속 적분 연산을 행하여 그 적분치를 상기 제1의 연산 결과에 가산하여 제2의 연산 결과로 하고, 또는 상기 제1의 연산 결과에 대해 고속 적분 연산을 행하여 그 적분치를 새로운 제2의 연산 결과로 하는 고속 적분 연산기를 마련하고, 상기 제2의 연산 결과에 의해 상기 동력부를 구동하도록 한 것을 특징으로 한다.
청구항 제7항에 관한 발명은, 청구항 제6항에 기재한 피드백 제어 장치에 있어서, 상기 편차의 절대치가 상기 제1의 임계치를 초과한 때, 상기 고속 적분 연산기의 적분치를 상기 저속 적분 연산기의 적분치에 가산하고 또는 가산하지 않고, 또한 상기 고속 적분 연산기의 적분치를 제로 리셋하고, 또한 상기 고속 적분 연산기를 동작 정지시키는 것을 특징으로 한다.
청구항 제8항에 관한 발명은, 청구항 제6항 또는 제7항에 기재한 피드백 제어 장치에 있어서, 상기 편차가 제로 또는 제로로 간주될 때, 상기 고속 적분 연산기의 적분치를 상기 저속 적분 연산기의 적분치에 가산하고, 또한 상기 고속 적분 연산기의 적분치를 제로 리셋하고 나서, 상기 고속 적분 연산기를 계속 동작시키는 것을 특징으로 한다.
청구항 제9항에 관한 발명은, 청구항 제6항 또는 제7항에 기재한 피드백 제어 장치에 있어서, 상기 제1의 임계치보다도 작은 제2 임계치를 마련하고, 상기 편차의 절대치가 상기 제2 임계치 이내일 때, 상기 고속 적분 연산기의 적분치를 상기 저속 적분 연산기의 적분치에 가산하고, 또한 상기 고속 적분 연산기의 적분치를 제로 리셋하고 나서, 상기 고속 적분 연산기를 동작 정지시키는 것을 특징으로 한다.
청구항 제10항에 관한 발명은, 청구항 제6항, 제7항, 제8항 또는 제9항에 기재한 피드백 제어 장치에 있어서, 상기 고속 적분 연산기의 최대 적분치를, 상기 저속 적분 연산기의 최대 적분치보다도 작게 설정한 것을 특징으로 한다.
청구항 제11항에 관한 발명의 프로그램은, 목표 신호와 제어 대상의 검출 신호와의 편차에 의거하여 저속 적분 연산 결과를 포함하는 제1의 연산 결과를 취득하고, 그 제1의 연산 결과에 의해 동력부를 구동하고, 그 동력부에 의해 상기 제어 대상을 제어하고, 상기 제어 대상의 제어 결과를 상기 검출 신호로 하는 피드백 제어 방법에서의 적분 연산을 컴퓨터에 실행시키는 프로그램에 있어서, 상기 편차의 절대치가 미리 설정한 제1의 임계치 내에 있는지의 여부를 판정하는 제1의 스텝과, 그 제1의 스텝에 의해 상기 편차의 절대치가 미리 설정한 제1의 임계치 내에 있다고 판정된 때, 상기 편차의 고속 적분 연산을 행하여 그 적분치를 상기 제1의 연산 결과에 가산하여 제2의 연산 결과로 하고, 또는 상기 제1의 연산 결과에 대해 상기 고속 적분 연산을 행하여 그 적분치를 상기 제2의 연산 결과로 하는 제2의 스텝을 구비하고, 상기 제2의 연산 결과에 의해 상기 동력부가 구동되도록 한 것을 특징으로 한다.
청구항 제12항에 관한 발명은, 청구항 제11항에 기재한 프로그램에 있어서, 상기 편차의 절대치가 상기 제1의 임계치를 초과한 때, 상기 고속 적분 연산의 적분치를 상기 저속 적분 연산의 적분치에 가산하고 또는 가산하지 않고, 또한 상기 고속 적분 연산의 적분치를 제로 리셋하고, 또한 상기 고속 적분 연산을 정지하는 제3의 스텝을 구비하는 것을 특징으로 한다.
청구항 제13항에 관한 발명은, 청구항 제11항 또는 제12항에 기재한 프로그램에 있어서, 상기 편차가 제로 또는 제로로 간주될 때, 상기 고속 적분 연산의 적분치를 상기 저속 적분 연산의 적분치에 가산하고, 또한 상기 고속 적분 연산의 적분치를 제로 리셋하고 나서, 상기 고속 적분 연산을 계속하는 제4의 스텝을 구비하는 것을 특징으로 한다.
청구항 제14항에 관한 발명은, 청구항 제11항 또는 제12항에 기재한 프로그램에 있어서, 상기 제1의 임계치보다도 작은 제2 임계치를 마련하고, 상기 편차의 절대치가 상기 제2 임계치 이내일 때, 상기 고속 적분 연산의 적분치를 상기 저속 적분 연산의 적분치에 가산하고, 또한 상기 고속 적분 연산의 적분치를 제로 리셋하고 나서, 상기 고속 적분 연산을 정지하는 제5의 스텝을 구비하는 것을 특징으로 한다.
청구항 제15항에 관한 발명은, 청구항 제11항, 제12한, 제13항 또는 제14항에 기재한 프로그램에 있어서, 상기 고속 적분 연산의 최대 적분치를 상기 저속 적분 연산의 최대 적분치보다도 작게 설정한 것을 특징으로 한다.
청구항 제1항, 제6항, 제11한에서는, 편차의 절대치가 임계치 내일 때로 한하여 고속 적분 연산이 행하여지기 때문에, 제어계의 안정성을 유지하면서, 제어 대상이 목표치에 수속할 때까지의 시간을 단축하고, 제어 대상을 목표치로부터 벗어나기 어렵게 할 수 있다.
청구항 제2항, 제7항, 제12항에서는, 편차의 절대치가 임계치를 초과한 때에 고속 적분치가 제로 리셋됨과 함께 고속 적분 연산을 정지하기 때문에, 다음의 고속 적분이 제로로부터 스타트하게 된다. 이때, 그때까지의 고속 적분치가 저속 적분치에 가산되면, 조작량의 급변이 방지된다.
청구항 제3항, 제8항, 제13한에서는, 편차가 제로가 되었을 때에 고속 적분치가 제로 리셋되기 때문에, 고속 적분의 효과가 줄어져서, 오버 슈트가 발생하기 어렵게 된다. 이때, 그때까지의 고속 적분치가 저속 적분치에 가산되면, 조작량의 급변이 방지된다. 이에 의해, 저속 적분을 일시적으로 고속화한 것과 같은 효과를 얻을 수 있다.
청구항 제4항, 제8항, 제14항에서는, 청구항 제3항과 본질적으로 같다. 이것은 제어계에 있어서 불감대(不感帶)가 설정된 것이 된다.
청구항 제5항, 제10항, 제15항에서는, 고속 적분의 최대 적분치가 저속 적분의 최대치보다도 작게 설정되기 때문에, 고속 적분에 의한 조작량이 작게 억제되고, 제어의 안정성이 확보된다.
도 1은 본 발명의 제1의 실시례의 피드백 제어 장치의 컨트롤러의 구성을 도시하는 기능 블록도.
도 2는 제1의 실시례의 컨트롤러의 고속 적분 연산의 플로 차트.
도 3은 본 발명의 제2의 실시례의 피드백 제어 장치의 컨트롤러의 구성을 도시하는 기능 블록도.
도 4는 본 발명의 제3의 실시례의 컨트롤러의 고속 적분 연산의 플로 차트.
도 5는 웨브의 텐션을 제어하는 텐션 제어 장치의 구성을 도시하는 도면.
도 6은 도 5의 텐션 제어 장치에서 사용되는 피드백 제어 장치의 기능 블록도.
도 7은 도 6의 피드백 제어 장치의 컨트롤러의 구성을 도시하는 기능 블록도.
도 8은 도 5의 텐션 제어 장치에서 사용되는 다른 예의 컨트롤러의 기능 블록도.
피드백 제어에서의 제어성의 문제는, PID 연산의 연장으로서 통상의 공장 근무자가 이해할 수 있는 제어 연산을 이용하는 것을 해결할 것이 바람직하다. 웨브의 텐션 제어와 같이, 편차가 제로에 수속한 때에 동력부의 출력이 일정치를 유지하는 제어계의 경우, 컨트롤러의 출력과 적분치가 일치한다고 생각된다. 이 경우, 적분기의 응답을 빨리 함으로써 수속할 때까지의 시간을 단축할 수 있지만, 응답을 빨리 하기 위해 적분 시간을 작게 한 경우, 제어계의 안정성이 열화된다.
그래서, 본 발명에서는, 웨브의 텐션 제어 장치에 적용되는 피드백 제어에 있어서, 종래의 PID 연산부에 포함되는 적분 연산기를 응답성이 느린(적분 시간이 큰) 저속 적분 연산기로서 취급하고, 보조로서, 응답성이 빠른 고속 적분 연산기를 새롭게 도입한다. 이 고속 적분 연산기에 관해서는, 그 연산의 타이밍을 제한함에 의해, 제어계의 안정성을 열화시키지 않도록 한다.
<제1의 실시례>
도 1에 본 발명의 제1의 실시례의 피드백 제어의 컨트롤러(50)를 도시한다. 이 컨트롤러(50)는, 도 5, 도 6에서 설명한 피드백 제어 장치에, 컨트롤러(50B, 50C)에 대신하여 조립된 것이다.
본 실시례의 컨트롤러(50)는, 로우패스 필터(51, 52), 힘을 나타내는 텐션 검출 신호를 실제의 텐션 신호로 변환하는 신호 변환기(53), 감산기(54), PID 연산부(55), 적분 시간이 짧은 고속 적분 연산기(56), 가산기(57), 스위치(SW1, SW2, SW3)를 구비한다. PID 연산부(55)는, 비례 연산기(551), 적분 연산기(552), 미분 연산기(553), 그들의 각 연산기(551 내지 553)의 연산 결과를 가산하는 가산기(554)를 구비한다. 여기서, PID 연산부(55)에서의 적분 연산기(552)로서는, 적분 시간이 긴 저속 적분 연산기를 사용한다.
텐션 검출기(40)에서 검출된 텐션 검출 신호는, 스위치(SW1)를 경유하여 신호 변환기(53)에 입력하지만, 노이즈가 큰 때는 미리 스위치(SW1)를 파선측으로 전환하여 둠에 의해, 로우패스 필터(51)에서 그 잡음이 억제되고 나서 신호 변환기(53)에 입력한다. 이 신호 변환기(53)에 입력한 텐션 검출 신호(역신호)는, 역신호로부터 텐션 신호로 변환되어 출력한다. 감산기(54)에서는, 입력하는 목표 텐션 신호로부터 텐션 검출 신호가 감산됨으로써 극성을 갖는 편차 신호가 생성된다. 그 편차 신호는 스위치(SW2)를 경유하여 PID 연산부(55)에 입력한다. 노이즈가 큰 때는, 편차 신호는 미리 스위치(SW2)를 파선측으로 전환하여 둠에 의해, 로우패스 필터(52)에서 그 잡음이 억제되고 나서 PID 연산기(55)에 입력한다. 그리고, 스위치(SW3)가 온 하고 있을 때는, 고속 적분 연산기(56)에도 입력한다. PID 연산기(55)와 고속 적분 연산기(56)에서의 각각의 연산 결과가 가산기(57)에서 가산되어, 제어 출력 신호로서 출력한다.
스위치(SW3)는, 감산기(54)에서 얻어지는 편차 신호의 절대치가 미리 정한 제1의 임계치 이내일 때에 온 하고, 그 제1의 임계치를 초과한 때는 오프가 된다. 이 오프 시(時)는, 고속 적분 연산기(56)는 적분 연산을 정지함과 함께 그때까지의 적분치(이하, 「고속 적분치」라고 부른다)를 제로 리셋한다. 또한, 고속 적분 연산기(56)는, 편차 신호가 제로가 되는(영점을 크로스하는), 또는 제로로 간주될 정도로 작아진 때, 그때까지의 고속 적분치를 제로 리셋한다. 고속 적분치를 제로 리셋할 때는, 그 제로 리셋 전에 고속 적분치를 저속 적분 연산기(552)의 적분치(이하, 「저속 적분치」라고 부른다)에 가산하여도 좋고, 가산하지 않아도 좋다.
도 2에 고속 적분 연산기(56)의 제어 프로그램의 플로 차트를 도시한다. 본 실시례의 컨트롤러(50)의 처리 실현에는, 마이크로 프로세서 또는 FPGA 등의 컴퓨터를 사용한 디지털 연산 장치가 사용되고, 감산기(54)에서 얻어진 편차의 샘플링마다 처리가 행하여진다. 고속 적분 연산기(552)에 의한 고속 적분이 행하여지질 때는, 스위치(SW3)가 온 된다.
우선, 샘플링된 편차의 절대치가 제1의 임계치 이내인지의 여부가 판정된다(스텝 S1). 편차의 절대치가 제1의 임계치 이내일 때는, 그 편차가 제로 또는 제로로 간주되는지의 여부가 판정된다(스텝 S2). 이때, 편차가 제로 또는 제로로 간주할 수 있는 경우라면, 전회까지의 샘플링에서 얻어진 편차의 고속 적분치를 저속 적분치에 가산한 후에, 고속 적분치를 제로 리셋하고 나서, 금회의 편차(제로 또는 제로로 간주되는 편차)를 고속 적분하고(스텝 S3), 그 고속 적분치를 PID 연산 결과에 가산한다(스텝 S4). 또한, 편차가 제로 또는 제로로 간주할 수가 없는 때는, 그 편차를 고속 적분하고(스텝 S5), 얻어진 고속 적분치를 PID 연산 결과에 가산한다(스텝 S4). 한편, 스텝 S1에서 편차의 절대치가 제1의 임계치의 범위 외로 되어 있을 때는, 전회까지의 샘플링에서 얻어진 편차의 고속 적분치를 저속 적분치에 가산한 후에, 고속 적분치를 제로 리셋하고 나서, 고속 적분 동작을 정지한다. 이때 스텝 S4에서 PID 연산 결과에 가산된 고속 적분치는 제로이다. 다음에 샘플링된 편차를 취입한 때는, 그 편차의 절대치에 응하고 상기와 마찬가지의 처리가 반복된다. 또한, 상기한 바와 같이, 고속 적분치를 제로 리셋할 때는, 고속 적분치를 반드시 저속 적분치에 가산하지 않아도 좋다.
이와 같은 제어를 행함에 의해, 편차의 절대치가 제1의 임계치 이내의 편차시에만 고속 적분이 행하여지게 되기 때문에, 제어계가 폭주하는 것을 방지하면서, 제어 대상이 목표치에 수속할 때까지의 시간이 단축되고, 제어 대상이 목표치로부터 벗어나기 어렵게 된다. 편차가 제로 또는 제로로 간주되는 값으로 되었을 때는, 고속 적분치가 제로 리셋되기 때문에, 고속 적분의 효과가 줄어져서, 오버 슈트가 발생하기 어렵게 된다. 또한, 고속 적분치를 제로 리셋할 때는, 그 직전에 고속 적분치를 저속 적분치에 가산함으로써 조작량의 급변이 방지된다. 이것은, 저속 적분 연산기를 일시적으로 고속화한 것과 마찬가지이다. 또한, 고속 적분 연산기의 최대 적분치를 저속 적분 연산기에 의한 최대 적분치보다도 작게 설정함에 의해, 고속 적분 연산기에 의한 조작량이 작아진다.
<제2의 실시례>
도 3에 제2의 실시례의 피드백 제어 장치의 컨트롤러(50A)의 기능 블록도를 도시한다. 도 1에서 설명한 컨트롤러(50)와 다른 점은, 고속 적분 연산기(56)를 PID 연산기(55)의 출력측에 스위치(SW3)를 경유하여 마련하고, 그 고속 적분 연산기(56)의 연산 결과를 가산기(58)에서 PID 연산기(55)에 의한 연산 결과와 가산하도록 구성한 점이다.
본 실시례에서도, 도 1에서 설명한 컨트롤러(50)와 완전히 마찬가지로, 도 2에서 설명한 제어 프로그램에 의해 제어함으로써, 편차의 절대치가 제1의 임계치의 범위 내일 때만 고속 적분이 행하여지고, PID 연산 결과에 가산되게 된다. 이 때문에, 제어계가 폭주하는 것을 방지하면서, 제어 대상이 목표치에 수속할 때까지의 시간을 단축할 수 있는 등의 제1의 실시례의 피드백 제어와 같은 작용 효과가 있다.
<제3의 실시례>
도 4에 제3의 실시례의 피드백 제어 장치의 고속 적분 연산기(56)의 제어 프로그램의 플로 차트를 도시한다. 본 실시례는 도 1의 컨트롤러(50) 및 도 3의 컨트롤러(50A)에 적용할 수 있는 것이다. 본 실시례에서는, 제1의 임계치 및 그 제1의 임계치보다 작은 제2의 임계치를 설정하고, 편차의 절대치가 제1과 제2의 임계치의 사이에 있는 경우에만 고속 적분 연산기(56)의 적분 동작을 행하게 하도록 하였다. 고속 적분이 행하여질 때는, 스위치(SW3)가 온 된다.
우선, 샘플링된 편차의 절대치가 제1의 임계치 이내인지의 여부가 판정된다(스텝 S11). 편차의 절대치가 제1의 임계치 이내일 때는, 다음에, 편차의 절대치가 제2의 임계치 이내인지의 여부가 판정된다(스텝 S12). 편차의 절대치가 제2의 임계치 이내라면, 전회까지의 샘플링에서 얻어진 편차의 고속 적분치를 저속 적분치에 가산한 후에, 그 고속 적분치를 제로 리셋하고 나서, 고속 적분을 정지하다(스텝 S13). 이때 스텝 S14에서 PID 연산 결과에 가산된 고속 적분치는 제로이다. 또한, 편차의 절대치가 제2의 임계치 이내가 아닌 때는, 그 편차를 고속 적분하고(스텝 S15), 얻어진 고속 적분치를 PID 연산 결과에 가산한다(스텝 S14). 한편, 스텝 S11에서 편차의 절대치가 제1의 임계치의 범위 외로 되어 있을 때는, 전회까지의 샘플링에서 얻어진 고속 적분치를 저속 적분치에 가산한 후에, 그 고속 적분치를 제로 리셋하고 나서, 고속 적분이 정지한다. 이 때 스텝 S14에서 PID 연산 결과에 가산된 고속 적분치는 제로이다. 다음에 샘플링된 편차를 취입한 때는, 그 편차의 절대치에 응하여 상기와 마찬가지의 처리가 반복된다. 또한, 상기한 바와 같이, 고속 적분치를 제로 리셋할 때는, 고속 적분치를 반드시 저속 적분치에 가산하지 않아도 좋다.
이처럼, 본 실시례에서는, 편차의 절대치가 제1과 제2의 임계치의 사이에 들어가 있을 때에 고속 적분을 행하지만, 제2의 임계치 이내일 때는 고속 적분을 정지하도록 한 것이고, 도 2에서 설명한 제어 프로그램에 불감대(不感帶)(제2의 임계치 범위 내)를 설정한 것이다.
<그 밖의 실시례>
웨브의 권출부는, 운전을 계속 행하면 롤 지름이 변하여 관성 모멘트가 변화한다. 이에 수반하여 제어계의 최적 게인이 변화한다. 이에 대해서는 배경 기술의 난에서 설명한, 지수 보정 또는 지름 보정을 실시하는 것이 바람직하다. 시스템의 가격으로부터 생각하면 지수 보정의 쪽이 염가이다. 지름 보정의 경우는, 지름과 제어 파라미터의 관계를 궁리할 필요가 생긴다. 성능면으로는 지름 보정의 쪽이 우수하지만, 파라미터 조정의 하기 쉬움은 지수 보정의 쪽이 용이하다.
컨트롤러(50, 50A)의 각 파라미터 조정은, 시운전시에 행하는 것이 바람직하다. 우선, 본 발명의 고속 적분 연산기(56)를 이용하지 않는(스위치(SW3)가 오프) 피드백 제어 장치를 사용하여 시운전을 행하고, 안정하게 제어할 수 있도록 컨트롤러(50, 50A)의 파라미터를 조정한다. 뒤이어 본 발명을 이용한 시운전을 행하여, 고속 적분 연산기 관계의 각 파라미터를 조정하는 것이 바람직하다. 고속 적분 연산기 관련의 파라미터는, 컨트롤러(50, 50A)의 공장 출하시에, 일반적인 조건으로 그대로 이용할 수 있는 파라미터에 세트되어 있는 것이 바람직하다. 고치고 적용하는 기계마다 특성이 다르기 때문에, 시운전으로 파라미터를 확인할 것이 추천된다. 본 발명과 종래의 제어 수법을 병용함으로써, 안정성과 제어 정밀도를 양립한 제어계의 확립이 가능해진다.
또한, 이상 설명한 본 실시례의 피드백 제어 장치의 PID 연산부(55)는, 문자 그대로 비례·적분·미분의 연산을 포함하는 것이지만, 이 연산부로서는 적어도 저속 적분 연산기가 포함되는 연산부라면, 연산부의 종류를 불문하고 본 발명을 적용할 수 있다. 또한, 이상 설명한 적분 연산에는, 펄스 전달 함수 연산, 선형 차분 방정식 연산 등과 같이, 그 밖의 적분에 근사하는 연산도 포함된다. 또한, 피드백 제어로서는, 모델화 오차도 고려한 로버스트 제어나 제어 대상의 큰 변동에 대응하여 파라미터를 변화시키는 적응 제어 등을 적용할 수 있다.
10 : 웨브
20 : 롤러
30 : 중간 롤러
40 : 텐션 검출기
50, 50A, 50B, 50C : 컨트롤러
51, 52 : 로우패스 필터
53 : 신호 변환기
54 : 감산기
55 : PID 연산부
551 : 비례 연산기
552 : 적분 연산기
553 : 미분 연산기
554 : 가산기,
56 : 고속 적분 연산기
57, 58 : 가산기
59 : 지름 보정부
60 : 전자 브레이크

Claims (15)

  1. 목표 신호와 제어 대상의 검출 신호와의 편차에 의거하여 저속 적분 연산 결과를 포함하는 제1의 연산 결과를 취득하고, 그 제1의 연산 결과에 의해 동력부를 구동하고, 당해 동력부에 의해 상기 제어 대상을 제어하고, 상기 제어 대상의 제어 결과를 상기 검출 신호로 하는 피드백 제어 방법에 있어서,
    상기 편차의 절대치가 미리 설정한 제1의 임계치 내에 있을 때에 상기 편차의 고속 적분 연산을 행하여 그 적분치를 상기 제1의 연산 결과에 가산하여 제2의 연산 결과로 하고, 또는 상기 제1의 연산 결과에 대해 상기 고속 적분 연산을 행하여 그 적분치를 상기 제1의 연산 결과와 가산하여 제2의 연산 결과로 하고, 그 제2의 연산 결과에 의해 상기 동력부를 구동하는 것을 특징으로 하는 피드백 제어 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 편차의 절대치가 상기 제1의 임계치를 초과한 때, 상기 고속 적분 연산의 적분치를 상기 저속 적분 연산의 적분치에 가산하고 또는 가산하지 않고, 또한 상기 고속 적분 연산의 적분치를 제로 리셋하고, 또한 상기 고속 적분 연산을 정지하는 것을 특징으로 하는 피드백 제어 방법.
  3. 제1항에 또는 제2항에 있어서,
    상기 편차가 제로 또는 제로로 간주될 때, 상기 고속 적분 연산의 적분치를 상기 저속 적분 연산의 적분치에 가산하고, 또한 상기 고속 적분 연산의 적분치를 제로 리셋하고 나서, 상기 고속 적분 연산을 계속하는 것을 특징으로 하는 피드백 제어 방법.
  4. 제1항에 또는 제2항에 있어서,
    상기 제1의 임계치보다도 작은 제2 임계치를 마련하고, 상기 편차의 절대치가 상기 제2 임계치 이내일 때, 상기 고속 적분 연산의 적분치를 상기 저속 적분 연산의 적분치에 가산하고 또는 가산하지 않고, 또한 상기 고속 적분 연산의 적분치를 제로 리셋하고 나서, 상기 고속 적분 연산을 정지하는 것을 특징으로 하는 피드백 제어 방법.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 고속 적분 연산의 최대 적분치를 상기 저속 적분 연산의 최대 적분치보다도 작게 설정한 것을 특징으로 하는 피드백 제어 방법.
  6. 목표 신호와 제어 대상의 검출 신호와의 편차에 의거하여 저속 적분을 행하는 저속 적분 연산기를 포함하는 제1의 연산부와, 그 제1의 연산부에서 얻어진 제1의 연산 결과에 의해 구동되어 상기 제어 대상을 제어하는 동력부와, 상기 제어 대상의 제어 결과를 검출하는 검출기를 구비하고, 그 검출기에서 검출된 신호를 상기 검출 신호로 하는 피드백 제어 장치에 있어서,
    상기 편차의 절대치가 미리 설정한 제1의 임계치 내에 있을 때에 상기 편차의 고속 적분 연산을 행하여 그 적분치를 상기 제1의 연산 결과에 가산하여 제2의 연산 결과로 하고, 또는 상기 제1의 연산 결과에 대해 고속 적분 연산을 행하여 그 적분치를 상기 제1의 연산 결과와 가산하여 새로운 제2의 연산 결과로 하는 고속 적분 연산기를 마련하고, 상기 제2의 연산 결과에 의해 상기 동력부를 구동하도록 한 것을 특징으로 하는 피드백 제어 장치.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 편차의 절대치가 상기 제1의 임계치를 초과한 때, 상기 고속 적분 연산기의 적분치를 상기 저속 적분 연산기의 적분치에 가산하고 또는 가산하지 않고, 또한 상기 고속 적분 연산기의 적분치를 제로 리셋하고, 또한 상기 고속 적분 연산기를 동작 정지시키는 것을 특징으로 하는 피드백 제어 장치.
  8. 제6항 또는 제7항에 있어서,
    상기 편차가 제로 또는 제로로 간주될 때, 상기 고속 적분 연산기의 적분치를 상기 저속 적분 연산기의 적분치에 가산하고, 또한 상기 고속 적분 연산기의 적분치를 제로 리셋하고 나서, 상기 고속 적분 연산기를 계속 동작시키는 것을 특징으로 하는 피드백 제어 장치.
  9. 제6항 또는 제7항에 있어서,
    상기 제1의 임계치보다도 작은 제2 임계치를 마련하고, 상기 편차의 절대치가 상기 제2 임계치 이내일 때, 상기 고속 적분 연산기의 적분치를 상기 저속 적분 연산기의 적분치에 가산하고, 또한 상기 고속 적분 연산기의 적분치를 제로 리셋하고 나서, 상기 고속 적분 연산기를 동작 정지시키는 것을 특징으로 하는 피드백 제어 장치.
  10. 제6항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 고속 적분 연산기의 최대 적분치를, 상기 저속 적분 연산기의 최대 적분치보다도 작게 설정한 것을 특징으로 하는 피드백 제어 장치.
  11. 목표 신호와 제어 대상의 검출 신호와의 편차에 의거하여 저속 적분 연산 결과를 포함하는 제1의 연산 결과를 취득하고, 그 제1의 연산 결과에 의해 동력부를 구동하고, 당해 동력부에 의해 상기 제어 대상을 제어하고, 상기 제어 대상의 제어 결과를 상기 검출 신호로 하는 피드백 제어 방법에서의 적분 연산을 컴퓨터에 실행시키는 프로그램에 있어서,
    상기 편차의 절대치가 미리 설정한 제1의 임계치 내에 있는지의 여부를 판정하는 제1의 스텝과,
    그 제1의 스텝에 의해 상기 편차의 절대치가 미리 설정한 제1의 임계치 내에 있다고 판정된 때, 상기 편차의 고속 적분 연산을 행하여 그 적분치를 상기 제1의 연산 결과에 가산하여 제2의 연산 결과로 하고, 또는 상기 제1의 연산 결과에 대해 상기 고속 적분 연산을 행하여 그 적분치를 상기 제1의 연산 결과와 가산하여 상기 제2의 연산 결과로 하는 제2의 스텝을 구비하고,
    상기 제2의 연산 결과에 의해 상기 동력부가 구동되도록 한 것을 특징으로 하는 프로그램.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 편차의 절대치가 상기 제1의 임계치를 초과한 때, 상기 고속 적분 연산의 적분치를 상기 저속 적분 연산의 적분치에 가산하고 또는 가산하지 않고, 또한 상기 고속 적분 연산의 적분치를 제로 리셋하고, 또한 상기 고속 적분 연산을 정지하는 제3의 스텝을 구비하는 것을 특징으로 하는 프로그램.
  13. 제11항 또는 제12항에 있어서,
    상기 편차가 제로 또는 제로로 간주될 때, 상기 고속 적분 연산의 적분치를 상기 저속 적분 연산의 적분치에 가산하고, 또한 상기 고속 적분 연산의 적분치를 제로 리셋하고 나서, 상기 고속 적분 연산을 계속하는 제4의 스텝을 구비하는 것을 특징으로 하는 프로그램.
  14. 제11항 또는 제12항에 있어서,
    상기 제1의 임계치보다도 작은 제2 임계치를 마련하고, 상기 편차의 절대치가 상기 제2 임계치 이내일 때, 상기 고속 적분 연산의 적분치를 상기 저속 적분 연산의 적분치에 가산하고, 또한 상기 고속 적분 연산의 적분치를 제로 리셋하고 나서, 상기 고속 적분 연산을 정지하는 제5의 스텝을 구비하는 것을 특징으로 하는 프로그램.
  15. 제11항 내지 제14항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 고속 적분 연산의 최대 적분치를 상기 저속 적분 연산의 최대 적분치보다도 작게 설정한 것을 특징으로 하는 프로그램.
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