TWI471708B - 伺服控制裝置 - Google Patents

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TWI471708B
TWI471708B TW100114411A TW100114411A TWI471708B TW I471708 B TWI471708 B TW I471708B TW 100114411 A TW100114411 A TW 100114411A TW 100114411 A TW100114411 A TW 100114411A TW I471708 B TWI471708 B TW I471708B
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Yuji Igarashi
Hidetoshi Ikeda
Kiyoshi Maekawa
Takashi Iwasaki
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Mitsubishi Electric Corp
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Description

伺服控制裝置
本發明係有關一種可以使控制對象以高速高精確度追隨(目標值)之伺服控制裝置。
伺服控制裝置，一般是希望以高速高精確度追隨指令，為著要實現此種要求，乃使用組合有前饋控制(feed forward control)和回饋控制之2自由度控制。但是，對馬達等致動器所能產生之轉矩等之控制輸入會有限制。另外，控制輸入之變化率與在伺服控制裝置內產生之電壓具有密切之關係。當控制輸入之變化率變大時，電壓會變高，且產生電壓飽和。另外，當控制輸入之變化率變大時，對機械系統施加之衝擊亦會變大。故，對控制輸入之變化率亦有限制。因此，希望能滿足控制輸入之飽和與變化率之限制，同時可以高速高精確度追隨目標值。
另一方面，在使對目標值之追隨特性設為一定之情況時，由於目標值之變化之大小、急劇性之不同，控制輸入之飽和與其變化率之限制成為問題之程度會有相同。特別是在具有機械共振之振動性控制對象之情況時，若進行使追隨指令時所激起之振動積極地抵銷的控制，會有控制輸入與其變化率變成過大，而容易成為飽和的問題。
專利文獻1所記載之先前技術之伺服控制裝置係採用2自由度控制系之構成，而具有：在前饋控制部使控制對象近似之數學模型、FF位置控制手段、FF速度-穩定化控制手段。在此處，FF位置控制手段係使用固定增益之位置比例控制或利用指令之先讀取之預測控制器。另外，FF速度-穩定化控制手段則由速度PI控制和數式模型之狀態回饋構成，該等之增益係為固定者。
專利文獻2所記載之先前技術之伺服控制裝置具有切換開關，在切換開關為ON之情況時，係使用以預測控制器作為回饋控制器之回饋控制、或2自由度控制，在切換開關為OFF之情況時，則只切換位置比例控制之回饋控制，以提升性能。在該先前技術例中，當控制對象要求高精確度之追隨性時，係將切換開關設為ON，在目標指令增分值正進行變化時，切換開關設為OFF。另外，為了要使切換前後之控制輸入連續進行時，乃利用過濾函數器將切換前後之控制輸入進行線性內插。
(先前技術文獻) 專利文獻
專利文獻1：日本特開2003-259674號公報
專利文獻2：日本特開2005-285030號公報
在上述之專利文獻1中，雖揭示了具有：前饋控制部使控制對象近似之數學模型、FF位置控制手段、FF速度-穩定化控制手段之2自由度控制之伺服控制裝置，但是在FF位置控制手段和FF速度-穩定化控制手段所使用之增益為固定之情況時，對於各種指令之變化，在控制輸入之大小與其變化率之限制之範圍上，要實現儘可能高速高精確度之控制會困難為其問題。另外，即使在專利文獻1所記載之先前技術之伺服控制裝置中，即使使用預測控制之情況時，因為控制器之特性為固定，所以雖可獲得高速追隨之效果，但要因應各種指令之變化而一邊考慮控制輸入之大小或變化率，一邊實現高速高精確度之控制其為困難。
在專利文獻2中雖揭示有切換控制器來實現高性能之伺服控制裝置，但僅在控制對象要求高精確度時使切換開關設為ON，在目標指令增分值有變化時使切換開關設為OFF，則對於各種指令之變化，不能考慮轉矩之飽和與變化率限制以進行控制器之切換，要高速高精確度化會有困難為其問題。另外，切換時控制輸入變成不連續，會產生衝擊為其問題。另外，雖亦揭示有以過濾器函數器用來內插切換前後之控制輸入之技術，但是因為在內插時未考慮到控制對象之特性，所以高精確度化會有困難為其問題。
本發明係用來解決上述之課題而研創者，其目的在獲得一種對任意之目標值均不會發生控制輸入之飽和或變化率之飽和，而可以高速高精確度使控制對象追隨之伺服控制裝置。
本發明之伺服控制裝置，係具備有：規範模型部，對其輸入目標值，以產生模型(model)輸出和模型輸入：回饋控制部，以控制對象輸出之控制輸出追隨上述模型輸出之方式，產生回饋輸入；及加法器，使上述模型輸入和上述回饋輸入進行相加，以產生上述控制對象之控制輸入；其中，上述規範模型部包含有：數式模型，模擬上述控制對象之特性，並從上述模型輸入產生上述模型輸出和狀態變數；模型輸入記憶體，對其輸入上述模型輸入，並輸出所記憶之上述模型輸入之過去之信號作為過去模型輸入；模型控制器，對其輸入上述目標值、上述狀態變數和上述過去模型輸入，以產生上述模型輸入；以及模型控制器決定部，根據上述目標值、上述狀態變數及上述過去模型輸入來決定上述模型控制器。
依照本發明之伺服控制裝置時，對於各種形狀之指令均可考慮到控制輸入之大小與變化率，同時自動地變化控制器之特性，而得以高速高精確度使控制對象追隨。
以下使用附圖來說明本發明之伺服控制裝置之較佳實施例。
(實施例1)
參照第1圖至第3圖說明本發明之實施例1之伺服控制裝置。第1圖是用來顯示本發明實施例1之伺服控制裝置之構成的方塊圖。另外，在以下之各圖中，相同之元件符號係表示相同或相當之部分。
在第1圖中，本發明實施例1之伺服控制裝置設有：規範模型部1、回饋控制部2、加法器3、和用來檢測控制對象4之控制輸出之檢測器5。
控制對象4係由機械負載和驅動用之馬達等致動器所構成。另外，檢測器5為編碼器或線性標度尺(linear scale)等。
規範模型部1設有：模型增益決定部11，用來決定後述之模型控制器之模型增益；模型控制器12，用來使模型輸出追隨目標值；模型輸入記憶體13，用來記憶模型輸入；及數式模型14，模擬有控制對象4之特性。另外，在本實施例中，係經由變更屬於模型控制器之數值向量之模型增益，以切換模型控制器之特性。為著明示切換模型增益之結構，在本實施例中，係將模型控制器決定部記載為模型增益決定部。
另外，回饋控制部2設有減法器21、和回饋控制器22。
另外，模型控制器12設有模型副控制器121、和加法器122。
其次，參照圖面說明實施例1之伺服控制裝置之動作。
該實施例1之伺服控制裝置係被輸入與用以表示所驅動之機械位置或速度之控制輸出對應之目標值r、和用以表示由檢測器5所檢測到之馬達位置或速度之控制對象4之控制輸出y，並以控制輸出y追隨目標值r之方式，對控制對象4輸出用來使馬達產生所希望之轉矩之電流等控制輸入u。
規範模型部1係被輸入目標值r，並對回饋控制部2輸出用以表示控制對象4之理想動作之數式模型14之模型輸出yM ，且將模型輸入uM 輸出到加法器3。另外，回饋控制部2係被輸入從規範模型部1輸出之模型輸出yM 、和從檢測器5輸出之控制對象4之控制輸出y，並將回饋輸入uFB 輸出到加法器3。加法器3則將從規範模型部1輸出之模型輸入uM 和從回饋控制部2輸出之回饋輸入uFB 進行相加，並以其和作為控制輸入u輸出到控制對象4。然後，控制對象4利用從加法器3輸出之控制輸入u進行驅動，且利用檢測器5檢測控制對象4之控制輸出y。
其次，說明規範模型部1置各個構成之概略。
首先，模型增益決定部11被輸入目標值r、數式模型14之狀態變數xM 、和後述之過去模型輸入uM ’，並從該等值，以模型輸入uM 和模型輸入變化率ΔuM 之絕對值不大於預定值之方式，來決定模型控制器12之模型增益、或模型增益與模型偏差(model offset)，並將其輸出到模型控制器12。亦即，該模型增益決定部11，在模型輸入uM 之絕對值變成好像大於預定值時，即以在模型副控制器121產生使模型輸入uM 之絕對值變小之模型輸入變化率ΔuM 之方式來變更模型增益、模型偏差。另外，以模型輸入變化率ΔuM 之絕對值亦不會大於預定值之方式，決定模型增益、模型偏差。利用此種方式，可以防止模型輸入、模型輸入變化率成為某一定值以上，同時亦可以防止控制輸入、控制輸入之變化率成為某一定值以上。
模型控制器12係以目標值r、從模型輸入記憶體13輸出之過去模型輸入uM ’、和數式模型14之狀態變數xM 作為輸入，並使用該等輸入值、從模型增益決定部11輸出之模型增益、或模型增益和模型偏差用來進行狀態回饋。亦即，根據該等輸入值和模型增益之相乘、或使該等輸入值和模型增益之相乘、與模型偏差之相加，以使數式模型14之模型輸出yM 與目標值r一致之方式，來計算和輸出模型輸入uM 。
模型輸入記憶體13被輸入從模型控制器12輸出之模型輸入uM ，並記憶預定之時間。然後，以所記憶之模型輸入uM 作為過去模型輸入uM ’，將其輸出到模型增益決定部11和模型控制器12。
數式模型14係模擬控制對象4之特性，並輸入由模型控制器12所計算得之模型輸入uM ，將狀態變數xM 輸出到模型增益決定部11和模型控制器12，且將模型輸出yM 輸出到回饋控制部2。在此處，狀態變數xM 表示數式模型14之內部狀態，並設為n次(n為1以上)之數值向量。模型輸出yM 是馬達之位置或速度、或該等之雙方等，是與實際可以從控制對象4計測之物理量相對應之數式模型14之狀態變數之一部分。另外，其次元定義為m。
其次，說明回饋控制部2。
回饋控制部2被輸入從規範模型部1輸出之模型輸出yM 、和利用檢測器5檢測到之控制對象4之控制輸出y，以控制輸出y追隨模型輸出yM 之方式，來計算回饋控制輸入uFB 。然後，將計算所得之回饋控制輸入uFB 輸出到加法器3。
以下說明回饋控制部2之各個構成。
減法器21係輸入模型輸出yM 和利用檢測器5檢測到之控制對象4之控制輸出y，從該等值計算輸出偏差e，並將其輸出到回饋控制器22。在模型輸出yM 和控制對象4之控制輸出y為屬於位置和速度之雙方的數值向量之情況時，輸出偏差e亦成為數值向量。另外，其次元成為m。
回饋控制器22將從減法器21輸出之輸出偏差e作為輸入，且輸出偏差e成為0。亦即，以控制輸出y追隨模型輸出yM 之方式，計算回饋輸入uFB 。然後，將計算所得之回饋輸入uFB 輸出到加法器3。作為回饋控制器22者，可以使用位置P速度PI控制、PID控制、H∞控制、μ設計、適應控制、滑動模式(sliding mode)控制等之控制法，在此處並沒有特別限定。
加法器3係將利用回饋控制器22計算所得之回饋輸入uFB 和利用模型控制器12計算所得之模型輸入uM 進行相加，以計算控制輸入u。然後，利用控制輸入u來驅動控制對象4，使動控制對象4之控制輸出y和目標值r一致。利用此種方式，動控制對象4會追隨目標值，而進行所希望之動作。
其次，詳細說明規範模型部1之各個構成之動作。另外，為著使說明簡化，以下說明使用1個步驟前之模型輸入作為過去模型輸入uM ’之情況。另外，過去模型輸入和1個步驟前之模型輸入係使用相同之符號。但是，此並不限定於使用1個步驟前之模型輸入作為過去模型輸入。
數式模型14係根據所輸入之模型輸入uM ，利用下列之式(1)之離散時間狀態方程式，來計算狀態變數xM 和模型輸出yM 。
在此處，
係分別為表示第k步驟之數式模型之狀態變數、模型輸入、模型輸出之行列，n為狀態數，m為輸出數，
係為表示數式模型14之特性之行列。另外，A、B、C、D係以表示控制對象4之特性之方式來決定。但是，數式模型14不必一定要表示控制對象4之所有特性，亦可以表示特性之一部分。
以下說明數式模型14之一例。第2圖表示本發明實施例1之伺服控制裝置之數式模型之一例的2慣性系模型。
例如，在控制對象4為具有複數之共振、反共振之特性的情況時，係以第2圖所示之馬達透過彈簧驅動機械負載之2慣性系模型作為數式模型14，並思考只考慮存在於最低區域之共振、反共振之特性的情況。經由使振動性機械系模型化，可以使數式模型14成為高度振動抑制之控制系。在此處係假定使用檢測器5可以計測馬達之位置、馬達之速度。第2圖之2慣性系模型之連續系之狀態方程式得以式(2)、式(3)表示。
在此處，pM為馬達之位置，ωM為馬達之速度，pL為機械負載之位置，ωL為機械負載之速度，JM 為馬達之慣性力矩，JL 為機械負載之慣性力矩，TM為馬達轉矩，km為彈簧常數，cm為黏性係數，另外，d/dt表示關於時間之微分。
實際上，數式模型14為線性離散時間系統，所以使式(2)、式(3)離散化，求得離散時間狀態方程式，作為數式模型14。在此種情況時，第2圖中之狀態變數xM ，如式(4)所示，係成為各個取樣點之馬達之位置pM(k)、馬達之速度ωM(k)、機械位置pL(k)、機械速度ωL(k)，而模型輸入uM 成為馬達轉矩TM(k)。另外，在本例中，因為係假定可以計測馬達位置pM和馬達速度ωM，所以模型輸出yM 成為式(4)中之馬達位置pM(k)、馬達之速度ωM(k)。在此處，k表示步驟數。
另外，在此處所說明者是數式模型14之一例，數式模型14並不限定於式(2)、式(3)、狀態變數xM 、模型輸入uM ，而模型輸出yM 不限定於式(4)。
其次，說明已概要敘述之規範模型部1之詳細內容。首先，詳細說明規範模型部1之模型控制器12之動作。動作說明所使用之模型控制器12之構成例係以第3圖顯示。
模型控制器12係以目標值r、1個步驟前之模型輸入uM ’、數式模型14之狀態變數xM 作為輸入，並取得從模型增益決定部11選擇之模型增益、和後述之模型偏差。
模型副控制器121係根據目標值r、1個步驟前之模型輸入uM ’、數式模型14之狀態變數xM 與模型增益之相乘、與模型偏差之相加的計算結果作為模型輸入變化率ΔuM 予以輸出。經由將模型偏差予以相加，可以提升控制性能。模型副控制器121之演算可以式(5)表示。
在此處，Ki為模型增益，Gi為使目標值r、1個步驟前之模型輸入uM ’、狀態變數xM 和模型增益Ki之相乘結果再進行相加之模型偏差。雖亦有不需要之情況，但在後述中要利用到；故予以事先導入。模型增益Ki和模型偏差Gi係利用模型增益決定部11輸入到模型控制器12。在式(5)中，雖將與目標值r有關之項分離來標示，但是，實際上，亦可以從目標值r和追隨之狀態變數xM 之偏差來產生模型輸入變化率ΔuM 。另外，目標值r之增益Kr係從模型增益Ki自動地決定者。
其次，加法器122係使模型副控制器121所輸出之模型輸入變化率ΔuM 和1個步驟前之模型輸入uM ’進行相加，並輸出模型輸入uM 。亦即，經由對模型輸入變化率ΔuM 進行累積計算而輸出模型輸入uM 。
uM(k)=uM(k-1)+ΔuM(k)　(6)
模型控制器12係經由進行上述方式之演算，而在模型副控制器121暫時演算模型輸入變化率ΔuM ，利用加法器122之動作，將模型輸入變化率ΔuM 進行累積計算，並輸出模型輸入uM 。利用此種方式，即使切換模型副控制器121之演算特性之情況時，只要模型輸入變化率ΔuM 在不會極端變大之範圍內，模型操作量uM 即不會成為不連續，而可以演算模型操作量uM 。
在此處，可將上述之模型輸入變化率ΔuM 視為新輸入，且將在數式模型14組合了加法器122、模型輸入記憶體13之數式模型之擴大系，以下列之式(7)之離散時間狀態方程式表示。其中，I為表示單位行列，0為表示零行列，其行和列數得適當地決定。
因此，可以上述之擴大系統成為穩定且依希望回應之方式，設計模型副控制器121之模型增益Ki。另外，因為模型控制器12之輸出本身為模型輸入變化率ΔuM ，所以，如後述地，可以依將模型輸入變化率ΔuM 限制在預定之範圍之方式，使模型控制器12之演算之切換操作亦變為容易。
另外，模型控制器12之具體演算方法並不限定於第3圖之構成者，而是可以以各種之構成進行與上述等效之演算。亦即，模型控制器12可以根據目標值r、數式模型14之狀態變數xM 、和屬於模型輸入記憶體13之輸出的1個步驟前之模型輸入uM ’進行演算，利用與上述等效之演算，可以進行直接考慮輸入變化率ΔuM 之演算。
其次，詳細說明利用模型增益決定部11進行模型增益、模型偏差之決定方式。
模型增益決定部11係根據目標值r、狀態變數xM 、和1個步驟前之模型輸入uM ’來變更模型增益Ki、或模型增益Ki和模型偏差Gi。在此處，係使用定義目標值r、狀態變數xM 、1個步驟前之模型輸入uM ’、模型增益Ki、模型偏差Gi之對應關係之增益圖(gain mep)和偏差圖(offset mep)，來說明決定模型增益Ki和模型偏差Gi之方法。
作為增益圖者可以考慮下面所述者。首先，準備高回應和低回應之增益作為模型輸入變化率ΔuM (k)之增益候補，通常是使用高回應之增益。但是，假如模型輸入變化率ΔuM (k)或模型輸入uM (k)之絕對值超過預定之大小時，將增益切換成為低回應之增益。在此處，高回應和低回應之增益之決定方法，對於式(7)之擴大系，可以使用極配置法、回路整形等作為參考例來設計，但是並沒有特別之限定。另外，增益數亦並不限定於高回應之增益和低回應之增益之2種，亦可以為3種以上。
在依照上述之參考例之設計中，需要對切換之模型增益之數或各個模型增益之設計進行某種程度之錯誤嘗試，另外，切換條件之詳細也需要另外設計。與此相對地，依照下述之方式進行模型預測控制之應用，可以有體系地決定複數之模型增益或切換條件。
在模型預測控制中，利用離線之最佳化計算來切換增益和偏差之控制器設計已眾所週知(F. Borrelli：Constrained Optimal Control of Linear and Hybrid Systems,Springer Verlag,LNCIS 290(2003))。
在上述之參考資料中，其所提案之方式是利用模型預測控制作為不限於伺服控制裝置之控制方法，來設計區分性仿射(affine)狀態回饋控制系統，以滿足限制，且使某評估函數成為最小化。在此處，所謂「仿射」是指控制器根據狀態和增益之相乘，再和偏差進行相加之意，所謂「區分性」是指增益和偏差依照控制對象之狀態進行切換之意。但是，在上述之參考資料中，因為設計了區分性仿射之狀態回饋控制系，所以控制對象之狀態必需全部進行計測或推估。因此，需要多數之感測器，或需要構建觀測器(observer)，並不實用。
但是，經由將此種手法使用在模型控制器12之設計，可以解決上述之問題。另外，所設計的控制器，其模型輸入uM 係根據增益和控制對象之狀態之相乘，再和偏差進行相加來決定，且增益和偏差可依照控制對象之狀態來切換。以下說明利用模型預測控制之增益圖和偏差圖之產生。
在利用模型預測控制設計控制器時，需要決定模型、控制限制、評估函數。其次，對該等內容進行說明。
首先，說明控制器設計時所使用之模型。在本實施例1中，因為亦考慮到模型輸入變化率ΔuM ，所以成為將式(7)所示之擴大形作為使用在控制器設計時之模型。
其次，說明控制限制。在本實施例1中，在各個步驟，以模型輸入uM (k)和模型輸入變化率ΔuM (k)不超過預定值作為控制限制。亦即，施加
|uM(k)|uMmax 、|ΔuM(k)|ΔuMmax 、k=0,1,2…　(8)
之控制限制。在此處，uMmax 表示模型輸入uM (k)之絕對值之最大值，ΔuMmax 表示模型輸入變化率ΔuM (k)之絕對值之最大值。
最後，說明評估函數。在本實施例1中，係使評估函數作為
，來考量計算使式(9)之評估函數最小化之模型輸入變化率ΔuM (k)的問題(式(10))。
在此處，d為範數(norm)之次數，取d=1、2、∞之任一值。另外，N被稱為水平區(horizon)，係為用來決定要預測何種程度之未來之參數，係一個設計之參數。Q、R、PN 為權重，係為設計參數。
使上述之評估函數最小化之問題，已知在d=1，∞之情況時，經由適當之切換和補助變數之導入，使用某行列G、W、E與某向量c，可能回歸為式(11)之線性計劃問題。
在此處，xM (k)為第k步驟之狀態變數，uM (k-1)為1個步驟前之模型輸入，v係由輸入列[ΔuM (k)、…、ΔuM (k+N-1)]和補助變數所構成。
當解開式(11)之最佳問題時，可求得依照數式模型14之狀態變數xM (k)、1個步驟前之模型輸入uM (k-1)而切換之模型增益Ki和模型偏差Gi。另外，亦可與其同時地求得模型增益Ki和模型偏差Gi之切換條件Pi。Pi係相當於圖(增益圖和偏差圖)。使用所求得之模型增益Ki、模型偏差Gi、切換條件Pi，經由計算式(12)、式(13)、式(14)，可以計算出模型輸入變化率ΔuM (k)。
uM(k)=uM(k-1)+ΔuM(k)　(14)
亦即，使模型增益Ki，模型偏差Gi之值，和與數式模型14之狀態變數xM (k)、1個步驟前之模型輸入uM (k-1)和模型增益Ki，模型偏差Gi建立對應關係之圖Pi可自動地設計出來。
因此，模型增益決定部11具有可獲得解開式(11)之最佳問題之結果之圖(map)，而在各個步驟中取得數式模型14之狀態變數xM (k)和1個步驟前之模型輸入uM ’、目標值r。然後，藉由將狀態變數xM 之值和1個步驟前之模型輸入uM ’參照該圖，即可選擇模型增益Ki，模型偏差Gi。然後，將所選擇之模型增益Ki與模型偏差Gi輸出到模型控制器12。
另外，如上所述，模型控制器12係如式(12)、式(13)、式(14)之方式，根據使數式模型14之狀態變數xM (k)、1個步驟前之模型輸入uM ’=uM (k-1)與模型增益Ki之相乘、與模型偏差Gi之相加，來計算模型輸入uM (k)。上述雖亦有說明，但是，實際上，可以使用目標值r和狀態變數xM 之偏差來進行與追隨目標值r之式(12)、式(13)、式(14)等效之控制。這時，目標值r之增益可以從Ki自動地計算。
式(12)、式(13)、式(14)之模型輸入uM (k)和模型輸入變化率ΔuM (k)係由式(10)、式(11)之最佳化計算之結果所導出，故得以導出滿足最佳化計算之限制(8)之模型輸入uM (k)和模型輸入變化率ΔuM (k)。亦即，在模型輸入uM (k)和模型輸入變化率ΔuM (k)之絕對值成為一定值以上之情況時，切換模型增益Ki、模型偏差Gi會進行切換。另外，定義模型增益Ki、模型偏差Gi之切換條件之圖亦會自動地計算。模型輸入uM 不成為某一定值以上即為可以防止輸入飽和之意思，模型輸入變化率ΔuM 不成為某一定值以上意味著即使根據上述之圖變更模型增益Ki、模型偏差Gi，模型輸入uM 亦不會急劇變化。
再者，因為解開最佳化問題(10)、(11)之結果，產生模型偏差Gi，故與只有模型增益Ki之情況相比較，追加模型偏差Gi之方式，在縮小式(9)之評估函數之意義上，可獲得高速高精確度之控制系。
其次，說明上述之本實施例1之效果。
依照之本實施例1之伺服控制裝置時，藉由使用過去模型輸入來決定模型增益，可以考慮到模型輸入變化率或控制輸入變化率以決定模型增益。亦即，因為使用過去模型輸入uM ’來產生模型輸入uM ，所以可以使模型輸入變化率ΔuM 成為新的輸入。結果，經由適當地進行模型增益之變更，不只是模型輸入uM ，連ΔuM (亦即模型輸入變化率)不大於某預定值之控制系亦可容易實現。亦即，可以防止轉矩飽和、或轉矩變化率飽和、以及與轉矩變化率具有密切關係之電壓飽和，又可以獲得高性能之伺服控制裝置。而且，即使為著提升控制性能而切換模型增益，亦可以防止模型輸入uM 之急劇變化。
再者，藉由將過去模型輸入uM ’回饋到模型控制器12，可以模型輸入變化率ΔuM 作為新的輸入，可以等效地切換成為將狀態變數xM 和過去模型輸入uM ’進行回饋之式(7)之擴大系。利用此種方式，在最佳化計算中可以考慮到模型輸入變化率ΔuM 。另外，藉由模型增益決定部11使用過去模型輸入uM ’、數式模型14之狀態變數xM 、目標值r，來切換模型增益Ki和模型偏差Gi，可滿足模型輸入限制∣uM ∣≦uMmax 、模型輸入變化率限制∣ΔuM ∣≦ΔuMmax ，且可以實現能夠獲得高速高精確度回應之伺服控制裝置。
在此處，模型增益Ki和模型偏差Gi之變更所需之增益圖和偏差圖已預先利用離線計算求得，線上的計算僅為：經由參照該圖之模型增益Ki、模型偏差Gi之決定；過去模型輸入uM ’、數式模型14之狀態變數xM 、目標值r；及參照該圖所獲得之模型增益Ki之相乘值和模型偏差Gi之相加。經由預先規定增益圖和偏差圖，可以相當程度地減少線上計算量，可以使取樣時間更快。另外，如式(5)所示，在亦使用目標值r來計算模型輸入之情況時，除了上述者外，可追加模型增益Kr之計算、和模型增益Kr與目標值r之相乘。亦即，因為在各個步驟不進行數值最佳化，所以與在各個步驟進行最佳化計算之模型預測控制相比較時，計算時間可以縮短。因此，取樣時間可以變短。從而，取樣時間與控制週期較短，在線上來不及進行數值最佳化計算之控制系，亦可以構建具有與模型預測控制相同性能，而且考慮到限制之控制系。另外，因為可以使取樣時間變短，所以可以提升控制系之性能。
在本實施例1中，是在規範模型部1內構建有切換型之控制系。因此，與切換回饋控制器22之增益等之情況不同，可以不必介意穩定性而切換模型增益。
另外，在本實施例1中，是說明有關上述中d=1、∞之情況，但是在d=2之情況中，只是多參數型線性計劃問題換為多參數型二次計劃問題，其結果，可以產生模型增益Ki、模型偏差Gi會切換的模型輸入變化率ΔuM 。
另外，在上述之說明中，是模型增益決定部11使用增益圖切換模型增益之情況，或使用增益圖和偏差圖來切換模型增益和模型偏差之情況，但是亦可以使用以數式模型14之狀態變數xM 、目標值r、過去模型輸入uM ’作為變數之函數，來計算模型增益、模型偏差。
另外，在上述之說明中，是使用模型輸入飽和∣uM ∣≦uMmax 、模型輸入變化率飽和∣ΔuM ∣≦ΔuMmax 作為控制限制，但是控制限制並不限於使用該等資訊。具體而言，與數式模型14之狀態變數xM 、模型輸入uM 、模型輸入變化率ΔuM 有關之控制限制，只要是凸限制即可。例如，亦可對數式模型14之狀態變數xM 施加控制限制。
另外，在決定模型增益，或模型增益和模型偏差時，數式模型14之狀態變數xM 和目標值r、過去模型輸入uM ’不需要全部使用，亦可以只使用該等資訊之一部分。
另外，回饋控制器22係以模型輸出yM 和控制對象4之控制輸出y之輸出偏差e=yM -y作為輸入，但是亦可以計測全部之控制對象4之狀態量x，並以數式模型14之狀態變數xM 和控制對象4之狀態量x之狀態偏差ex=xM -x作為回饋控制器22之輸入。以狀態偏差ex=xM -x作為回饋控制器22之輸入，而將回饋控制器22構建成為固定增益之狀態回饋控制系、或使用多參數型計劃法之區分性仿射或控制系，亦可以具有同樣之效果。
另外，在以上之說明中，是使用1個步驟前之模型輸入作為過去模型輸入，但是並不只限於1個步驟前，例如，利用複數個步驟前之模型輸入，使之具有同樣之效果之作法，亦甚容易。使用1個步驟前之模型輸入以外之過去之模型輸入，作為過去模型輸入，亦可以獲得與本實施例1同樣之效果。
本實施例1因為係以上述方式構成，所以所獲得之伺服控制裝置，對各種變化之動作指令，以較少之演算量即可以自動地變化控制器之特性，對所謂馬達轉矩之控制對象4之輸入不會有不連續之情形，而可以一邊對控制對象4之輸入之絕對值或變化率加以限制，同時使控制對象以高速高精確度追隨。
(實施例2)
以下參照第4圖至第6圖說明本發明實施例2之伺服控制裝置。第4圖是用來顯示本發明實施例2之伺服控制裝置之構成方塊圖。另外，在本實施例2中所說明之情況是使用1個步驟前之模型輸入作為過去模型輸入之情形，元件符號係使用相同者。另外，在本實施例中，係經由變更模型控制器之模型增益來切換模型控制器之特性，所以在本實施例中乃將模型控制器決定部記載成為模型增益決定部。
如第4圖所示，該實施例2之伺服控制裝置係將相對於表示所驅動之機械之位置或速度之控制輸出y之目標值r、和表示利用檢測器5檢測到之馬達位置或速度之控制對象4之控制輸出y輸入進來，以控制輸出y追隨目標值r之方式，對控制對象4輸出控制輸入u。
本實施例2之伺服控制裝置係由規範模型部1A、回饋控制部2、和加法器3所構成，並連接到由機械負載和驅動用馬達等致動器所構成之控制對象4以及編碼器等之檢測器5。
規範模型部1A被輸入目標值r，並將表示控制對象4之理想動作之數式模型14之模型輸出yM 予以輸出到回饋控制部2，且將模型輸入uM 輸出到加法器3。另外，回饋控制部2、加法器3、控制對象4和檢測器5係與上述實施例1之構成相同，所以將其說明省略。因此，本實施例2與上述之實施例1之不同處只在規範模型部1A，所以只說明規範模型部1A之動作。
規範模型部1A具有：模型增益決定部11A，用來決定後述之模型控制器之模型增益；模型控制器12A，用來使模型輸出yM 追隨目標值r；模型輸入記憶體13，用來記憶模型輸入uM ；和數式模型14，用來模擬控制對象4之特性。在此處，模型輸入記憶體13和數式模型14之動作，因為與上述實施例1相同，所以將其說明省略。
其次，說明模型控制器12A之動作。模型控制器12A係由模型副控制器121A和加法器122構成。模型副控制器121A係以目標值r、從模型輸入記憶體13輸出之1個步驟前之模型輸入uM ’、和數式模型14之狀態變數xM 作為輸入，並根據該等之值和從模型增益決定部11A輸出之模型增益之相乘，以使數式模型14之模型輸出yM 與目標值r一致之方式，計算模型輸入變化率ΔuM ，且將其輸出到加法器122。在此處，模型增益係為由n+1個之數值所構成之向量，且設為利用極配置或回路整形等之手法預先設計者。模型副控制器121A所使用之模型增益係由後述之模型增益決定部11A在線上選擇者。因此，模型控制器12A成為切換型之控制器。
其次，說明模型增益決定部11A之動作。模型增益決定部11A，係以模型輸入uM 或模型輸入變化率ΔuM 之絕對值不會超過預定大小之方式，從預先設計之複數個模型增益中選擇一個。經由預先決定複數個模型增益，可以減少線上之計算量，亦可以使取樣時間變快。
其次，說明模型增益之選擇法。在模型增益之選擇時‧係使用最大輸出容許集合O∞ 。所謂最大輸出容許集合O∞ 是控制系(閉回路系)不破壞限制條件之條件，而最大輸出容許集合O∞ 之計算方法係記載在『平田、藤田，「對具有外部輸入之線性離散時間系統之限制條件之解析」，電氣學會C，118-3，384/390，1998』。在本實施例2中，限制條件係為以式(8)所定義之模型輸入限制和模型輸入變化率限制。首先，說明該最大輸出容許集合O∞ 。
在本實施例2中，亦將1個步驟前之模型輸入uM ’回饋到模型副控制器121A，利用加法器122將模型輸入變化率ΔuM 和1個步驟前之模型輸入uM ’進行相加，以產生模型輸入uM ，所以配合模型輸入記憶體13、數式模型14、加法器122來考量以式(7)之擴大系表示之離散時間狀態方程式。
另外，以Fi表示預先設計之模型增益之1個。茲使用該模型增益Fi，模型副控制器121A使用式(15)，來考量從數式模型14之狀態變數xM 和1個步驟前之模型輸入uM ’來計算模型輸入變化率ΔuM 之情形。
將式(15)代入式(7)，來獲得式(16)。
該式(16)表示規範模型部1A之閉回路系。假如k步驟時之數式模型14之狀態變數xM (k)決定的話，則藉由式(16)之重複計算，可以計算k步驟以後之數式模型14之狀態變數xM 和模型輸入uM 。因為可以計算在各個步驟中之數式模型14之狀態變數xM 和模型輸入uM ，所以使用式(15)亦可以計算各個步驟之模型輸入變化率ΔuM 。因此，假如模型增益Fi、k步驟時之數式模型14之狀態變數xM (k)、k-1步驟時之模型輸入uM (k-1)決定的話，即可以事前計算是否滿足式(8)之模型輸入限制、模型輸入變化率限制。
因此，相反地，可以計算式(8)之限制條件、不破壞具有模型增益Fi時之限制條件之數式模型14之狀態變數xM 、模型輸入uM 之條件。如上述之說明，不破壞該限制條件之條件稱為最大輸出容許集合。
第5圖表示本發明之實施例2之伺服控制裝置之最大輸出容許集合之例子。
在第5圖中，橫軸表示數式模型14之狀態變數xM 之第一要素，縱軸表示狀態變數xM 之第二要素。另外，多角形之內部表示最大輸出容許集合O∞ 。另外，點A表示數式模型14之k步驟時之狀態變數xM 位於最大輸出容許集合O∞ 之內部的狀態，點B表示k步驟時之狀態變數xM 位於最大輸出容許集合O∞ 之外的情況。從各點延伸出來之線係表示k步驟以後之狀態變數xM 之軌跡。如點A所示，在k步驟時之狀態變數xM 位於最大輸出容許集合O∞ 之內部之情況時，k步驟時以後亦不破壞模型輸入限制∣uM ∣≦uMmax 、模型輸入變化率限制∣ΔuM ∣≦ΔuMmax 。但是，如點B所示，在k步驟時之狀態變數xM 位於最大輸出容許集合O∞ 之外部之情況時，即使可以滿足k步驟時之模型輸入限制∣uM ∣≦uMmax 、模型輸入變化率限制∣ΔuM ∣≦ΔuMmax ，在k步驟時以後之任一時點，也一定會破壞模型輸入∣uM ∣≦uMmax 、模型輸入變化率限制∣ΔuM ∣≦ΔuMmax 。另外，在上述之例子中，只使用數式模型14之狀態變數xM 進行最大輸出容許集合之內部判定，但是當然亦可以使用模型輸入uM 、目標值r。
其次，說明使用最大輸出容許集合之模型增益選擇法。在此處，係使用第6圖說明模型增益為3個之情況。第6圖表示本發明實施例2之伺服控制裝置之動作例。本實施例2並不限於模型增益為3個之情況。另外，數式模型14之狀態變數xM 並不限於由2個數值構成之數值向量之情況。
第6圖係表示預先設計有模型增益F1、F2、F3，且在使用有各個模型增益F1、F2、F3之情形中計算最大輸出容許集合O∞1 、O∞2 、O∞3 之狀況。在第6圖中，橫軸表示數式模型14之狀態變數xM 之第一要素，縱軸表示狀態變數xM 之第二要素。另外，各個多角形表示最大輸出容許集合O∞1 、O∞2 、O∞3 之境界線。在本實施例2中，最高回應模型增益為F1，低回應模型增益設為F3。另外，模型增益F2設為具有模型增益F1和F3之中間性能。由於最大輸出容許集合O∞ 係依存於模型增益Fi，所以使用各個模型增益F1、F2、F3之情況時之最大輸出容許集合O∞1 、O∞2 、O∞3 並不相同。
例如，設數式模型14之狀態變數xM 位於點A。因為點A係在最大輸出容許集合O∞3 之內部、最大輸出容許集合O∞1 和O∞2 之外部，所以在使用模型增益F3之情況時，式(8)之限制不會破壞，但是在使用模型增益F1和F2之情況時，式(8)之限制均會破壞。因此，模型增益決定部11A會選擇式(8)之限制不會破壞之模型增益F3。然後，將所選擇之模型增益F3輸出到模型控制器12A。
其次，設數式模型14之狀態變數xM 已移到點B。因為點B係位在最大輸出容許集合O∞2 和O∞3 之內部，且位在最大輸出容許集合O∞1 之外部，所以在使用模型增益F2和F3之情況時，式(8)之限制不會破壞，而在使用模型增益F1之情況時，式(8)之限制均會破壞。依照此種方式，在式(8)之限制不會破壞之模型增益存在有複數個之情況時，模型增益決定部11A會選擇最高回應之模型增益。亦即，在此種情況時，因為模型增益F2之回應比模型增益F3高，所以模型增益決定部11A選擇模型增益F2，並輸出到模型控制器12A。
然後，設數式模型14之狀態變數xM 已移到點C。點C係位在最大輸出容許集合O∞1 、O∞2 、O∞3 之內部，所以即使使用模型增益F1、F2和F3之任一個，式(8)之限制均不會破壞。因此，模型增益決定部11A選擇最高回應之模型增益F1，並輸出到模型控制器12A。
歸納上述之動作時，模型增益決定部11A會進行下列之三個動作。
1.　對於預先設計之各個模型增益Fn(n=1，…，R)，預先計算最大輸出容許集合O∞n (n=1，…，R)。在此處，R為設計之模型增益Fn之數。
2.　取得目標值r、數式模型14之狀態變數xM 、1個步驟前之模型輸入uM ’，並判定現在之值是在使用各個模型增益Fn所作成之最大輸出容許集合O∞n 之內部或外部。亦即，判定在使用各個模型增益Fn之情況時，是否不破壞限制。
3.　然後，選擇不破壞限制之模型增益Fn，並輸出到模型控制器12A。假如不破壞限制之模型增益Fn有複數個時，選擇其中最高回應之模型增益Fn。
然後，模型副控制器121A使用從模型增益決定部11A輸出之模型增益Fn和式(15)，計算模型輸入變化率ΔuM ，並輸出到加法器122。加法器122則使用式(16)將1個步驟前之模型輸入uM ’和模型輸入變化率ΔuM 進行相加，將模型輸入uM 輸出到模型輸入記憶體13和數式模型14。數式模型14藉由將狀態變數xM 和模型輸入uM 使用於式(1)，而產生下一個步驟之狀態變數xM 和模型輸出yM 。另外，模型輸入記憶體13會在1個步驟期間將模型輸入uM 記憶妥當。
經由重複進行上述之動作，規範模型部1A會持續產生模型輸出yM 和模型輸入uM 。
其次，說明上述本實施例2之效果。
依照本實施例2之伺服控制裝置時，與上述之實施例1同樣地，因為使用1個步驟前之模型輸入uM ’來產生模型輸入uM ，所以可以使模型輸入變化率ΔuM 成為新的輸入。結果，不只是模型輸入uM ，連ΔuM (亦即，模型輸入變化率ΔuM )不大於某預定值之控制系亦可以容易地實現。亦即，可以一邊防止轉矩飽和或轉矩變化率飽和，以及與之轉矩變化率具有密切關係之電壓飽和，同時可以獲得高性能之伺服控制裝置。另外，即使切換模型增益，亦可以防止模型輸入uM 急劇地變化。
另外，在本實施例2中，模型輸入之計算僅是模型增益之選擇、及數式模型14之狀態變數和模型增益之相乘。因此，由於計算時間可以變短，所以取樣時間亦可以變短。
另外，與上述之實施例1同樣地，可以使用目標值r和狀態變數xM 之偏差，進行與追隨目標值r之式(15)等效之控制。這時，目標值r之增益可以從Fi自動地計算。而且，最大輸出容許集合O∞ 亦可以自動地計算。
另外，在本實施例2中，與上述之實施例1同樣地，使用1個步驟前之模型輸入作為過去模型輸入，但是並不只限於1個步驟前，例如，利用複數步驟前之模型輸入亦可以很容易具有同樣之效果，即使使用1個步驟前之模型輸入以外之過去模型輸入來作為過去模型輸入，亦可以獲得與本實施例2同樣之效果。
(實施例3)
參照第7圖至第10圖說明本發明實施例3之伺服控制裝置。第7圖是顯示本發明實施例3之伺服控制裝置之構成之方塊圖。另外，在本實施例3是說明使用1個步驟前之模型輸入來作為過去模型輸入之情況，元件符號係使用相同者。本實施例3係與實施例2同樣地使用最大輸出容許集合O∞ 用來進行控制器之切換，本實施例3與實施例2之不同處在於實施例2只切換模型增益Fn，與此相對地，在本實施例3中則切換模型控制器之構造本身。
如第7圖所示，本實施例3之伺服控制裝置係將相對於表示所驅動之機械之位置或速度之控制輸出y的目標值r、和表示利用檢測器5檢測到之馬達之位置或速度的控制對象4之控制輸出y予以輸入，並以控制輸出y追隨目標值r之方式對控制對象4輸出控制輸入u。
本實施例3之伺服控制裝置係由規範模型部1B、回饋控制部2、加法器3所構成，並連接到由機械負載和驅動用馬達等致動器所構成之控制對象4、和編碼器等之檢測器5。
規範模型部1B係被輸入目標值r，並將表示控制對象4之理想動作之數式模型14之模型輸出yM 輸出到回饋控制部2，並將模型輸入uM 輸出到加法器3。另外，回饋控制部2、加法器3、控制對象4和檢測器5係與上述實施例1和實施例2之構造相同，所以將其說明省略。因為該實施例3與實施例1和實施例2之不同處只在於規範模型部1B，所以只說明規範模型部1B之動作。
規範模型部1B具有：模型控制器決定部11B，用來選擇後述之模型控制器內之控制器A至Z；模型控制器12B，用來使模型輸出yM 追隨目標值r；模型輸入記憶體13，用來記憶模型輸入uM ；和數式模型14，用來模擬控制對象4之特性。在此處，因為模型輸入記憶體13和數式模型14之動作係與上述之實施例1和實施例2相同，所以將其說明省略。
其次，說明模型控制器12B之動作。模型控制器12B係由模型副控制器121B和加法器122所構成。模型副控制器121B係以目標值r、從模型輸入記憶體13輸出之1個步驟前之模型輸入uM ’、和數式模型14之狀態變數xM 作為輸入，並將該等之值、和模型輸入變化率ΔuM 輸出到加法器122，而該模型輸入變化率ΔuM 係使用由模型控制器決定部11B以滿足限制之方式所選擇的控制器A至Z，以使數式模型14之模型輸出yM 和目標值r一致之方式來計算所得者。在此處，各個控制器A至Z係設為利用PID控制、H∞控制等預先設計者。模型副控制器121B所使用之控制器A至Z係利用後述之模型控制器決定部11B在線上選擇者。
為著使說明簡化，以下，在本實施例3中所說明之情況是在數式模型14配合有加法器122和模型輸入記憶體13之數式模型之擴大系，係以式(7)之離散時間狀態方程式表示，且預先設計有從第8圖到第10圖所表示之3個模型副控制器121C、121D、121E。但是，本實施例3並不限於使用模型副控制器121C、121D、121E。
第8圖之模型副控制器121C被輸入目標值r、狀態變數xM 、和1個步驟前之模型輸入uM ’，並將模型輸入變化率ΔuM 輸出到加法器122。另外，模型副控制器121C之構成包含有：減法器1213C，被輸入目標值r和狀態變數xM ，並計算屬於該等之差的模型偏差eM ，且將其輸出；模型偏差增益相乘部1211C，用以計算從減法器1213C輸出之模型偏差eM 和預定之模型偏差增益Lpr之積，並將其輸出到加法器1214C；1個步驟前模型輸入增益相乘部1212C，用以計算1個步驟前模型輸入uM ’和1個步驟前模型輸入增益Lpu之積，並將計算結果輸出到加法器1214C；和加法器1214C，用以使模型偏差增益相乘部1211C之輸出和1個步驟前模型輸入相乘部1212C之輸出進行相加，並計算模型輸入變化率ΔuM 。
第9圖之模型副控制器121D亦被輸入目標值r、狀態變數xM 和1個步驟前之模型輸入uM ’，並將模型輸入變化率ΔuM 輸出到加法器122。其與第8圖之模型副控制器121C之差異點是藉由使用累積值記憶體1212D來記憶累積值xc ，並藉由使所記憶之累積值相加在模型偏差eM ，以追加積分動作。在模型副控制器121D亦使用有模型副控制器121C所使用之模型偏差增益相乘部1211C、1個步驟前模型輸入增益相乘部1212C，和減法器1213C，該等之說明容予省略。除了該等要素外，模型副控制器121D之構成包含有：加法器1213D，用來使模型偏差eM 和1個步驟前累積值xc ’進行相加，並以其和作為累積值xc 而輸出到模型偏差積分增益相乘部1211D；模型偏差積分增益相乘部1211D，對累積值xc 進行模型偏差積分增益L1 和1個取樣時間Ts 之相乘，並將該等之積輸出到加法器1214D；累積值記憶體1212D，被輸入累積值xc ，並記憶1個取樣時間，且以1個取樣時間後記憶之值作為1個步驟前累積值xc ’而輸出到加法器1213D；和加法器1214D，將從模型偏差增益相乘部1211C、1個步驟前模型輸入增益相乘部1212C和模型偏差積分增益相乘部1211D輸出之值全部進行相加，並將其和作為模型輸入變化率ΔuM 地輸出到加法器122。
第10圖之模型副控制器121E亦被輸入目標值r、狀態變數xM 和1個步驟前之模型輸入uM ’，並將模型輸入變化率ΔuM 輸出到加法器122。與第8圖之模型副控制器121C、第9圖之模型副控制器121D之差異點在於藉由使用狀態變數記憶體1212E來對模型副控制器121E追加微分動作。在模型副控制器121E，其構成包含有：亦使用在模型副控制器121C中之模型偏差增益相乘部1211C、1個步驟前模型輸入增益相乘部1212C和減法器1213C。另外，其構成復包含有：亦使用在模型副控制器121D之模型偏差積分增益相乘部1211D、累積值記憶體1212D和加法器1213D。該等要素之相關說明容予省略。除了該等要素，模型副控制器121E之構成復包含有：狀態變數記憶體1212E，在1個取樣時間用以記憶狀態變數xM ，並以1個取樣時間後記憶之值作為1個步驟前累積值xM ’，而輸出到減法器1213E；減法器1213E，從狀態變數xM 減去從狀態變數記憶體1212E輸出之1個步驟前狀態變數xM ’，將其差輸出到狀態變數微分增益相乘部1211E；狀態變數微分增益相乘部1211E，將從減法器1213E輸出之差除以1個取樣時間Ts ，並乘以狀態變數微分增益LD ，將其計算結果輸出到加法器1214E；和加法器1214E，使模型偏差增益相乘部1211C、1個步驟前模型輸入增益相乘部1212C、模型偏差積分增益相乘部1211D、和狀態變數微分增益相乘部1211E之輸出全部進行相加，並將其和作為模型輸入變化率ΔuM 輸出到加法器122。
在本實施例3中，與實施例2不同，係經由使用累積值記憶體1212D，在模型副控制器121D追加積分動作，經由使用狀態變數記憶體1212E，在模型副控制器121E追加微分動作，而構成為不只是增益得以切換，控制器之動作亦得以切換。另外，在本實施例3中，為著使標示簡化，在模型副控制器121C、121D、121E中，模型偏差增益Lpr 和1個步驟前模型輸入增益Lpu 係以相同之元件符號表示，但是該等之數值在模型副控制器121C、121D、121E中亦可以不相同。另外，在模型副控制器121C、121D、121E中，雖以相同之元件符號表示模型偏差積分增益L1 ，但是該等之數值在模型副控制器121C、121D、121E亦可以不相同。
其次，說明模型控制器決定部11B之動作。模型控制器決定部11B係以模型輸入uM 或模型輸入變化率ΔuM 之絕對值不超過預定之大小之方式，從預先設計之複數個控制器A至Z中選擇一個。經由預先決定複數個控制器A至Z，可以減少線上之計算量，取樣時間亦可變快。
在本實施例3中，與實施例2同樣地，模型控制器決定部11B係使用最大輸出容許集合O∞ 來進行控制器A至Z之切換。要計算最大輸出容許集合O∞ 時，需要以實施例2之式(16)之方式計算規範模型部1B之閉回路系。
首先，就使用第8圖之模型控制器12C之情況之閉回路系進行計算。使用第8圖之模型副控制器121C之情況之模型輸入變化率ΔuM 可以下列之式(17)來計算。
因此，經由將式(17)代入式(7)，使用模型控制器12C之情況時之閉回路系可以下列之式(18)來表示。
同樣地，就使用第9圖和第10圖之模型控制器12D、12E之情況之閉回路系進行計算。在使用第9圖之模型控制器12D之情況時，從模型副控制器121D輸出之模型輸入變化率ΔuM 可以下列之式(19)、(20)來計算。
xc(k+1)=xc(k)+r(k)-xM(k)　(20)
因此，經由將式(19)、(20)代入式(7)，使用模型控制器12D之情況時之閉回路系可以下列之式(21)來表示。
另外，在使用第10圖之模型控制器12E之情況時，從模型副控制器121E輸出之模型輸入變化率ΔuM 可以下列之式(20)來計算。
因此，經由將式(20)、(22)代入式(7)，使用模型控制器12E之情況時之閉回路系係成為下列之式(23)。
將屬於使用模型控制器12C之情況時之閉回路系之式(18)、和屬於使用模型控制器12D之情況時之閉回路系之式(21)，與屬於使用模型控制器12E之情況時之閉回路系之式(23)同樣地，使用狀態變數xM (k)、1個步驟前模型輸入uM (k-1)、累積值xc (k)、1個步驟前之狀態變數xM (k-1)來表示閉回路系時，可以分別表示成下列之式(24)、(25)。
以下，為著使說明簡化，而與以下之式(26)、(27)、(28)、(29)進行置換來說明。
其次，經由將式(23)、(24)、(25)進行切換，而導出與式(16)同樣之式。首先，以下列之式(30)、(31)、(32)來定義穩態值x’close1 、x’close2 、x’close3 。
使用以式(30)、(31)、(32)所定義之穩態值，利用以下之式(33)、(34)、(35)定義模型狀態偏差eclose1 、e’close2 、e’close3 。
藉由使用以式(33)、(34)、(35)所定義之模型狀態偏差eclose1 、eclose2 、eclose3 ，式(23)、(24)、(25)可以分別切換成為以下之式(36)、(37)、(38)。
eclose1 (k+1)=Ac1‧eclose1 (k)　(36)
eclose2 (k+1)=Ac2‧eclose2 (k)　(37)
eclose3 (k+1)=Ac3‧eclose3 (k)　(38)
式(36)、(37)、(38)係分別為與式(16)相同形式之式子，所以利用與實施例2同樣之方法，可以計算最大輸出容許集合O∞ 。使用設最大輸出容許集合O∞ ，模型控制器決定部11B不會破壞模型輸入限制∣uM ∣≦uMmax 、模型輸入變化率限制∣ΔuM ∣≦ΔuMmax ，而且若選擇回應最快之控制器A至Z時，可以獲得上述限制不會破壞而且回應快之控制系。透過模型控制器決定部11B使用最大輸出容許集合O∞ 切換控制器之方法，因為與實施例2相同，所以將其說明省略。
依照本實施例3之伺服控制裝置，與上述之實施例1和實施例2同樣地，因為使用1個步驟前之模型輸入uM ’來產生模型輸入uM ，所以可以使模型輸入變化率ΔuM 成為新的輸入。結果，不只是模型輸入uM ，連ΔuM (亦即模型輸入變化率ΔuM )不大於預定值之控制系亦可以容易地實現。亦即，可以防止轉矩飽和或轉矩變化率飽和、以及防止與轉矩變化率具有密切關係之電壓飽和，而可以獲得高性能之伺服控制裝置。另外，即使切換模型增益，亦可以防止模型輸入uM 急劇地變化。
另外，在本實施例3中，模型輸入之計算只是控制器A至Z之選擇、與數式模型14之狀態變數和控制器A至Z之演算。因此，計算時間可以縮短，所以取樣時間亦可以縮短。
另外，在本實施例3中，雖與上述實施例1和實施例2同樣地，係使用1個步驟前之模型輸入作為過去模型輸入，但是並不一定限於1個步驟前，利用例如複數個步驟前之模型輸入亦可以很容易具有同樣之效果，即使用1個步驟前之模型輸入以外的過去之模型輸入來作為過去模型輸入，亦可以獲得與實施例2同樣之效果。
1．．．規範模型部
1A．．．規範模型部
2．．．回饋控制部
3．．．加法器
4．．．控制對象
5．．．檢測器
11．．．模型增益決定部
11A．．．模型增益決定部
11B．．．模型控制器決定部
12．．．模型控制器
12A．．．模型控制器
12B．．．模型控制器
12C．．．模型控制器
12D．．．模型控制器
12E．．．模型控制器
13．．．模型輸入記憶體
14．．．數式模型
21．．．減法器
22．．．回饋控制器
121．．．模型副控制器
121A．．．模型副控制器
121B．．．模型副控制器
121C．．．模型副控制器
121D．．．模型副控制器
121E．．．模型副控制器
122．．．加法器
1211C．．．模型偏差增益相乘部
1212C．．．1個步驟前模型輸入增益相乘部
1213C．．．減法器
1214C．．．加法器
1211D．．．模型偏差積分增益相乘部
1212D．．．累積值記憶體
1213D．．．加法器
1214D．．．加法器
1211E．．．狀態變數微分增益相乘部
1212E．．．狀態變數記憶體
1213E．．．減法器
1214E．．．加法器
第1圖是顯示本發明實施例1之伺服控制裝置之構成的方塊圖。
第2圖是顯示本發明實施例1之伺服控制裝置之數式模型之一例之2慣性系模型之圖示。
第3圖是顯示本發明實施例1之伺服控制裝置之模型控制器之構成的方塊圖。
第4圖是顯示本發明實施例2之伺服控制裝置之構成的方塊圖。
第5圖是顯示本發明實施例2之伺服控制裝置之最大輸出容許集合例的方塊圖。
第6圖是顯示本發明實施例2之伺服控制裝置之動作例之圖示。
第7圖是顯示本發明實施例3之伺服控制裝置之構成的方塊圖。
第8圖是顯示本發明實施例3之伺服控制裝置之一模型控制器例的方塊圖。
第9圖是顯示本發明實施例3之伺服控制裝置之一模型控制器例的方塊圖。
第10圖是顯示本發明實施例3之伺服控制裝置之一模型控制器例的方塊圖。
1．．．規範模型部
2．．．回饋控制部
3．．．加法器
4．．．控制對象
5．．．檢測器
11．．．模型增益決定部
12．．．模型控制器
13．．．模型輸入記憶體
14．．．數式模型
21．．．減法器
22．．．回饋控制器

Claims (12)

  1. 一種伺服控制裝置，具備有：規範模型部，對其輸入目標值，以產生模型輸出和模型輸入；回饋控制部，對其輸入從控制對象輸出之控制輸出和上述模型輸出，並以上述控制輸出追隨上述模型輸出之方式產生回饋輸入；及加法器，使上述模型輸入和上述回饋輸入進行相加，以產生對上述控制對象輸入之控制輸入；其中，上述規範模型部包含有：數式模型，模擬上述控制對象之特性，從上述模型輸入產生上述模型輸出和狀態變數；模型輸入記憶體，對其輸入上述模型輸入，並輸出所記憶之過去之上述模型輸入之信號作為過去模型輸入；模型控制器，對其輸入上述目標值、上述狀態變數和上述過去模型輸入，以產生上述模型輸入；和模型控制器決定部，根據上述目標值、上述狀態變數和上述過去模型輸入決定上述模型控制器。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之伺服控制裝置，其中，上述模型控制器決定部係根據上述目標值、上述狀態變數和上述過去模型輸入，來決定屬於數值向量之模型增益；上述模型控制器係根據使上述目標值、上述狀態變 數和上述過去模型輸入乘以上述模型增益所得之值產生上述模型輸入。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之伺服控制裝置，其中，上述模型控制器決定部係從預定之複數個模型控制器之候補之中選擇一個來進行切換。
  4. 如申請專利範圍第2項所述之伺服控制裝置，其中，上述模型控制器決定部係從預定之複數個模型增益之候補之中選擇一個來進行切換。
  5. 如申請專利範圍第2或4項所述之伺服控制裝置，其中，上述模型控制器係包含有模型副控制器，其係將在上述目標值、上述狀態變數和上述過去模型輸入乘以上述模型增益所得之值和模型偏差之和作為模型輸入之變化率進行計算並予以輸出；將上述模型副控制器之輸出和上述過去模型輸入之和作為上述模型輸入予以輸出；上述模型控制器決定部係進行上述模型增益和上述模型偏差之變更。
  6. 如申請專利範圍第1或3項所述之伺服控制裝置，其中，上述模型控制器決定部係以上述模型輸入和上述模型輸入之變化率之任一方或雙方均小於預定值之方式進行上述模型控制器之決定。
  7. 如申請專利範圍第2或4項所述之伺服控制裝置，其中，上述模型控制器決定部係以上述模型輸入和從上述模型輸入與上述過去模型輸入計算之上述模型輸入 之變化率之任一方或雙方均小於預定值之方式，進行上述模型增益之決定。
  8. 如申請專利範圍第5項所述之伺服控制裝置，其中，上述模型控制器決定部係以上述模型輸入和上述模型輸入之變化率之任一方或雙方均小於預定值之方式，進行上述模型增益和上述模型偏差之決定。
  9. 如申請專利範圍第4項所述之伺服控制裝置，其中，上述模型控制器決定部係根據上述目標值、上述狀態變數和上述過去模型輸入，使用預先規定之增益圖，進行上述模型增益之決定。
  10. 如申請專利範圍第5項所述之伺服控制裝置，其中，上述模型控制器決定部係根據上述目標值、上述狀態變數和上述模型輸入記憶體之輸出，使用預先規定之增益圖和偏差圖，進行上述模型增益和上述模型偏差之決定。
  11. 如申請專利範圍第10項所述之伺服控制裝置，其中，上述模型控制器決定部係在xM (k)為k步驟時之上述數式模型之狀態變數，uM (k)為k步驟時之上述模型輸入，△uM (k)為k步驟時之上述模型輸入之變化率，X為狀態限制集合，U為模型輸入限制集合，△U為模型輸入之變化率限制集合，Xf 為終端限制集合，Uf 為終端模型輸入限制集合，Q為狀態權重，R為輸入權重，PN 為終端權重，N為水平區時，以使 subject to xM(k+i)X、uM(k+i)U、△uM(k+i-1)△U、i[0,N-1]xM(k+N)Xf 、uM(k+N-1)Uf 之評估函數成為最小之方式，預先規定上述增益圖和偏差圖。
  12. 如申請專利範圍第1至4項中任一項所述之伺服控制裝置，其中，上述數式模型係使振動性機械系模型化者。
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