JP2017016419A - 制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】オーバーシュートを低減するとともに、応答性を向上する。
【解決手段】制御装置１は、制御対象装置２の計測値ＰＶ１及び目標値ＳＶ１に応じて、制御対象装置２に操作量ＭＶを出力することによって制御対象装置２を制御する装置であって、目標値ＳＶ１と計測値ＰＶ１との偏差である制御偏差Ｅ１を演算する制御偏差演算部１１と、制御偏差Ｅ１に基づいて制御値ＭＶｐを演算するＰ制御部１２と、制御偏差Ｅ１の積分値である偏差積分値ＡＣを演算し、偏差積分値ＡＣに基づいて制御値ＭＶｉを演算するＩ制御部１３と、制御偏差Ｅ１及び偏差積分値ＡＣが所定の条件を満たした場合に偏差積分値ＡＣをリセットするリセット部１４と、制御値ＭＶｐ及び制御値ＭＶｉに基づいて、制御対象装置２の操作量ＭＶを演算する操作量演算部１５と、を備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、制御装置に関する。

ＰＩ（Proportional-Integral）制御及びＰＩＤ（Proportional-Integral-Derivative）制御等のように、制御対象の現在値と目標値とのずれ（制御偏差）の積分値をフィードバックする制御方法が知られている。この制御方法では、現在値が目標値に到達するまでの間に制御偏差の積分値（以下、「偏差積分値」と呼ぶ。）が過大となり、現在値が目標値に到達した後も操作量が最大値に張り付いてオーバーシュートするといったワインドアップと呼ばれる現象が生じることがある。

このワインドアップを回避する方法は、アンチワインドアップ及びアンチリセットワインドアップなどと呼ばれており、様々なアンチワインドアップの手法が提案されている。例えば、特許文献１には、制御入力が入力制限値以上になった場合、制御対象の出力と目標値との偏差よりも小さい制御偏差を入力するアンチワインドアップ手法が開示されている。

特開２０１２−１１３５８８号公報

特許文献１に記載されたアンチワインドアップの手法を用いてＰＩ制御及びＰＩＤ制御を行った場合、オーバーシュートは低減できるものの、偏差積分値は増加し続けるので、例えば目標値が反対の極性を持つ値に急に変更された場合などにおいて、応答が遅くなることがある。

本発明は、オーバーシュートを低減するとともに、応答性を向上可能な制御装置を提供する。

本発明の一側面に係る制御装置は、制御対象装置の第１計測値及び第１計測値の目標値である第１目標値に応じて、制御対象装置に操作量を出力することによって制御対象装置を制御する装置である。この制御装置は、第１目標値と第１計測値との偏差である第１制御偏差を演算する第１制御偏差演算部と、第１制御偏差に基づいて第１制御値を演算する第１制御部と、第１制御偏差の積分値である偏差積分値を演算し、偏差積分値に基づいて第２制御値を演算する第２制御部と、第１制御偏差及び偏差積分値が所定の条件を満たした場合に偏差積分値をリセットするリセット部と、第１制御値及び第２制御値に基づいて、操作量を演算する操作量演算部と、を備える。

この制御装置によれば、第１制御偏差に基づいて演算される第１制御値と、第１制御偏差の積分値である偏差積分値に基づいて演算される第２制御値と、に基づいて制御対象装置の操作量が演算される。例えば、何らかの要因により、第１計測値が第１目標値に到達するまでに長い時間を要した場合には、偏差積分値が大きくなる。このとき、第１計測値が第１目標値に到達した場合に、大きい値の偏差積分値が用いられると、操作量を即座に減らすことができないので、第１計測値のオーバーシュートが生じ得る。また、第１目標値が現在の値から反対の極性（符号）を持つ値に変更された場合、大きい値の偏差積分値が用いられると、操作量を即座に減らすことができないので、第１計測値が第１目標値に到達するまでの時間が長くなり、応答性が低下し得る。このため、第１制御偏差及び偏差積分値が所定の条件を満たした場合に偏差積分値がリセットされることにより、大きい値の偏差積分値が用いられる可能性を低減することができる。その結果、第１計測値のオーバーシュートを低減することができるとともに、第１目標値の変更に対して、応答性の向上が可能となる。

リセット部は、第１制御偏差の極性と偏差積分値の極性とが異なり、かつ、偏差積分値の大きさが第１閾値より大きい場合に、偏差積分値をリセットしてもよい。偏差積分値は第１制御偏差の積分値であるので、第１計測値が第１目標値に到達するまでは、第１制御偏差及び偏差積分値は同じ極性を有しているが、第１計測値が第１目標値を超えると、第１制御偏差の極性と偏差積分値の極性とは反対になる。ここで、何らかの要因により、第１計測値が第１目標値に到達するまでに、長い時間を要した場合には、偏差積分値が第１閾値よりも大きくなり、偏差積分値がリセットされる。これにより、第１計測値が第１目標値に到達した場合に、第１計測値のオーバーシュートを低減することができる。また、例えば、第１目標値が現在の値から反対の極性を持つ値に変更された場合、第１制御偏差の極性と偏差積分値の極性とは反対になる。このとき、偏差積分値が第１閾値よりも大きい場合には、偏差積分値がリセットされる。これにより、第１目標値の変更に対して、応答性の向上が可能となる。

本発明の別の側面に係る制御装置は、制御対象装置の第２計測値と第２計測値の目標値である第２目標値との偏差である第２制御偏差を演算する第２制御偏差演算部と、第２制御偏差に基づいて第１目標値を演算する第３制御部と、をさらに備えてもよい。この場合、いわゆるカスケードループにおいても、オーバーシュートを低減するとともに、応答性の向上が可能となる。

リセット部は、第２制御偏差の極性と偏差積分値の極性とが異なり、かつ、第２制御偏差の大きさが第２閾値より大きい場合に、偏差積分値をリセットしてもよい。例えば、第２目標値が現在の値から反対の極性を持つ値に変更された場合、第２制御偏差の極性と偏差積分値の極性とは反対になる。ここで、第２目標値の変化量が大きい場合、第２制御偏差が第２閾値よりも大きくなり、偏差積分値がリセットされる。これにより、第２目標値の変更に対して、応答性の向上が可能となる。

本発明によれば、オーバーシュートを低減するとともに、応答性を向上できる。

第１実施形態に係る制御装置の構成を模式的に示す図である。 図１の制御装置の変形例を示す図である。 図１の制御装置の応答特性と比較例の制御装置の応答特性とを比較するための図である。 第２実施形態に係る制御装置の構成を模式的に示す図である。

以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながら説明する。なお、図面の説明において同一要素には同一符号を付し、重複する説明は省略する。

（第１実施形態）
図１は、第１実施形態に係る制御装置の構成を模式的に示す図である。図１に示される制御装置１は、制御対象装置２の計測値ＰＶ１（第１計測値）及び計測値ＰＶ１の目標値である目標値ＳＶ１（第１目標値）に応じて、制御対象装置２に操作量ＭＶを出力することによって制御対象装置２を制御する装置である。制御装置１は、いわゆる単ループを成しており、単ループ制御を行う。制御対象装置２は、制御対象の装置である。制御対象装置２は、操作量ＭＶに応じて動作し、計測値ＰＶ１を出力する。計測値ＰＶ１は、制御対象装置２に設けられているセンサ等によって計測される。制御対象装置２としては、例えば、モータ駆動装置等の静止摩擦の大きい機械が挙げられる。

制御装置１は、制御偏差演算部１１（第１制御偏差演算部）と、Ｐ制御部１２（第１制御部）と、Ｉ制御部１３（第２制御部）と、リセット部１４と、操作量演算部１５と、を備えている。制御偏差演算部１１、Ｐ制御部１２、Ｉ制御部１３、リセット部１４、及び操作量演算部１５は、例えば、クロック信号に基づいて単位時間ごとに動作する。なお、時間変化する変数のある時刻ｎにおける値を表す場合に、当該変数を表す符号に（ｎ）を付して説明を行う場合があるが、特定の時刻に限られず、任意の時刻において成り立つ。また、制御装置１の単位時間を「１」としており、括弧内の値が大きいほど時間が経過していることを示している。

制御偏差演算部１１は、目標値ＳＶ１と計測値ＰＶ１との偏差である制御偏差Ｅ１（第１制御偏差）を演算する。制御偏差演算部１１は、外部から目標値ＳＶ１を受信し、制御対象装置２から計測値ＰＶ１を受信する。制御偏差演算部１１は、例えば、減算器であり、目標値ＳＶ１から計測値ＰＶ１を減算し、減算結果を制御偏差Ｅ１とする。制御偏差演算部１１は、制御偏差Ｅ１をＰ制御部１２、Ｉ制御部１３及びリセット部１４に出力する。

Ｐ制御部１２は、比例制御を行う部分であり、制御偏差Ｅ１に基づいて制御値ＭＶｐ（第１制御値）を演算する。Ｐ制御部１２は、制御値ＭＶｐを操作量演算部１５に出力する。具体的には、Ｐ制御部１２は、増幅器１２１を備えている。増幅器１２１は、制御偏差演算部１１から制御偏差Ｅ１を受信し、Ｐ制御のゲインを用いて制御偏差Ｅ１を増幅する。増幅器１２１は、増幅した制御偏差Ｅ１を制御値ＭＶｐとして出力する。

Ｉ制御部１３は、積分制御を行う部分であり、制御偏差Ｅ１の積分値である偏差積分値ＡＣを演算し、偏差積分値ＡＣに基づいて制御値ＭＶｉ（第２制御値）を演算する。Ｉ制御部１３は、偏差積分値ＡＣをリセット部１４に出力し、制御値ＭＶｉを操作量演算部１５に出力する。Ｉ制御部１３は、リセット部１４からリセット信号ＲＳを受信したことに応じて、偏差積分値ＡＣをゼロにリセットする。

具体的には、Ｉ制御部１３は、積分器１３１と、増幅器１３２と、を備えている。積分器１３１は、制御偏差演算部１１から制御偏差Ｅ１を受信し、制御偏差Ｅ１を累積加算する。積分器１３１は、累積加算した演算結果を偏差積分値ＡＣとしてリセット部１４及び増幅器１３２に出力する。積分器１３１は、リセット部１４からリセット信号ＲＳを受信したことに応じて、偏差積分値ＡＣをゼロにリセットする。増幅器１３２は、積分器１３１から偏差積分値ＡＣを受信し、Ｉ制御のゲインを用いて偏差積分値ＡＣを増幅する。増幅器１３２は、増幅した偏差積分値ＡＣを制御値ＭＶｉとして出力する。

リセット部１４は、制御偏差Ｅ１及び偏差積分値ＡＣが所定の第１リセット条件を満たした場合に偏差積分値ＡＣをリセットする。第１リセット条件は、計測値ＰＶ１が目標値ＳＶ１に到達するのに長い時間を要したか否かを判定するための条件である。具体的には、第１リセット条件は、式（１）及び式（２）によって表される。

つまり、リセット部１４は、制御偏差Ｅ１の極性と偏差積分値ＡＣの極性とが異なり（式（１））、かつ、偏差積分値ＡＣの大きさが第１閾値ＴＨ１より大きい（式（２））場合に、偏差積分値ＡＣをリセットする。第１閾値ＴＨ１は、計測値ＰＶ１が目標値ＳＶ１に到達するのに長い時間を要したことを判定するための値である。第１閾値ＴＨ１は、例えば、予め計測した目標値ＳＶ１での定常偏差補償の２倍に設定される。第１閾値ＴＨ１は、実際の応答特性に合わせて調整されてもよい。リセット部１４は、リセット信号ＲＳをＩ制御部１３に出力することによって、偏差積分値ＡＣをゼロにリセットする。
（E1の極性）≠（ACの極性） … (1)
|AC|>TH1 … (2)

操作量演算部１５は、制御値ＭＶｐ及び制御値ＭＶｉに基づいて、制御対象装置２の操作量ＭＶを演算する。操作量演算部１５は、例えば、加算器であり、制御値ＭＶｐ及び制御値ＭＶｉを加算し、加算結果を操作量ＭＶとする。操作量演算部１５は、操作量ＭＶを制御対象装置２に出力する。

次に、制御装置１の動作を比較例の制御装置（不図示）の動作と比較しながら説明する。比較例の制御装置は、制御装置１と比較してリセット部１４を備えていない点で相違する。制御対象装置２によっては、操作量ＭＶが最大値となっても計測値ＰＶ１が目標値ＳＶ１に到達しないことがある。この場合、Ｉ制御部１３において、制御偏差Ｅ１が加算され続けるので、偏差積分値ＡＣが非常に大きな値となる。このような状況において、制御対象装置２の外部状況が急に変化して、計測値ＰＶ１が目標値ＳＶ１に到達することがある。

このとき、比較例の制御装置では、計測値ＰＶ１が目標値ＳＶ１に到達しても、偏差積分値ＡＣが正の値であるので、さらに操作量ＭＶが計測値ＰＶ１を増加させる値を取り続ける。そして、計測値ＰＶ１が目標値ＳＶ１を超えて、制御偏差Ｅ１が負の値となり、偏差積分値ＡＣが減少する。しかし、計測値ＰＶ１が目標値ＳＶ１に到達するまでに累積された偏差積分値ＡＣが非常に大きい値であるので、操作量ＭＶを負の値に変化させるのに時間が掛かり、計測値ＰＶ１が目標値ＳＶ１を大きくオーバーシュートしてしまう。

例えば、制御対象装置２がモータ駆動装置であり、モータ駆動装置が停止状態から動作を開始する場合を例として説明する。このとき、目標値ＳＶ１は目標速度であり、操作量ＭＶはトルク指令値であり、計測値ＰＶ１は現在速度である。

想定以上に静止摩擦が大きい場合等において、制御対象装置２（モータ駆動装置）が動作するまでの間にＩ制御によって正方向の偏差積分値ＡＣが増加し、正方向の操作量ＭＶ（トルク指令値）が大きくなる。制御対象装置２が動作し始めると、静止摩擦から動摩擦に変わるので、操作量ＭＶを維持すると計測値ＰＶ１（現在速度）が目標値ＳＶ１（目標速度）よりも大きくなる。このため、操作量ＭＶを小さくする必要があるが、比較例の制御装置では、制御対象装置２が動作し始めた後でも、Ｉ制御の偏差積分値ＡＣが大きいので、制御偏差Ｅ１が負の値となっても操作量ＭＶを減らすのに時間が掛かり、計測値ＰＶ１のオーバーシュートが大きくなる現象が起こり得る。

これに対し、制御装置１では、制御対象装置２が動作し始め、計測値ＰＶ１（現在速度）が目標値ＳＶ１（目標速度）を超えたときに制御偏差Ｅ１が負の値となるので、制御偏差Ｅ１の極性と偏差積分値ＡＣの極性とは反対になり、式（１）の条件が満たされる。このとき、制御対象装置２が動作を開始するまでに長い時間を要した場合には偏差積分値ＡＣが十分に大きいので、偏差積分値ＡＣの大きさが第１閾値ＴＨ１よりも大きくなり、式（２）の条件が満たされる。このため、リセット部１４はＩ制御部１３にリセット信号ＲＳを出力し、Ｉ制御部１３は偏差積分値ＡＣをゼロにリセットする。これにより、目標値ＳＶ１を始点としてＰＩ制御を開始する状態となるので、計測値ＰＶ１のオーバーシュートを低減でき、目標値ＳＶ１近傍の制御対象装置２の制御を安定化することが可能となる。

また、比較例の制御装置では、目標値ＳＶ１が急に変更された場合に、偏差積分値ＡＣが減少する速度で操作量ＭＶが変化するので、計測値ＰＶ１が目標値ＳＶ１に到達するのに時間が掛かる。例えば、制御対象装置２が応答の遅いモータ駆動装置である場合を例として説明する。制御対象装置２を動作させるとき、本来の目標値よりも一旦大きく目標値ＳＶ１が設定されることがあるが、本来の目標値に到達するまでに時間が掛かる。このため、偏差積分値ＡＣが大きくなる。ここで、比較例の制御装置では、計測値ＰＶ１が本来の目標値を超えてから、目標値ＳＶ１が本来の目標値に設定されると、制御偏差Ｅ１が負の値になるが、偏差積分値ＡＣが大きいので操作量ＭＶを減らすのに時間が掛かり、計測値ＰＶ１（現在速度）のオーバーシュートが大きくなる現象が起こり得る。

これに対し、制御装置１では、計測値ＰＶ１が本来の目標値に到達するのに時間が掛かることから、計測値ＰＶ１が本来の目標値に到達する時点では偏差積分値ＡＣは十分に大きく、偏差積分値ＡＣの大きさが第１閾値ＴＨ１よりも大きくなり、式（２）の条件が満たされる。そして、計測値ＰＶ１が本来の目標値を超えてから目標値ＳＶ１が本来の目標値に設定されると、その時点で制御偏差Ｅ１の極性が負となるので、制御偏差Ｅ１の極性と偏差積分値ＡＣの極性とは反対になり、式（１）の条件が満たされる。このため、リセット部１４はＩ制御部１３にリセット信号ＲＳを出力し、Ｉ制御部１３は偏差積分値ＡＣをゼロにリセットする。これにより、計測値ＰＶ１のオーバーシュートを低減でき、目標値ＳＶ１近傍の制御対象装置２の制御を安定化することが可能となる。

また、計測値ＰＶ１が本来の目標値に到達する前に目標値ＳＶ１が本来の目標値に設定されたとしても、計測値ＰＶ１が目標値ＳＶ１を超えた時点で、制御偏差Ｅ１が負の値となるので、制御偏差Ｅ１の極性と偏差積分値ＡＣの極性とは反対になる。また、計測値ＰＶ１が本来の目標値に到達するのに時間が掛かることから、偏差積分値ＡＣは十分に大きく、偏差積分値ＡＣの大きさが第１閾値ＴＨ１よりも大きくなる。このため、リセット部１４はＩ制御部１３にリセット信号ＲＳを出力し、Ｉ制御部１３は偏差積分値ＡＣをゼロにリセットする。なお、計測値ＰＶ１が本来の目標値に到達するのに要する時間が短い場合は、偏差積分値ＡＣの大きさが第１閾値ＴＨ１以下となるので、偏差積分値ＡＣはゼロにリセットされない。

以上のように、制御装置１によれば、制御偏差Ｅ１に基づいて演算される制御値ＭＶｐと、制御偏差Ｅ１の積分値である偏差積分値ＡＣに基づいて演算される制御値ＭＶｉと、に基づいて制御対象装置２の操作量ＭＶが演算される。例えば、何らかの要因により、計測値ＰＶ１が目標値ＳＶ１に到達するまでに長い時間を要した場合には、偏差積分値ＡＣが大きくなる。このとき、計測値ＰＶ１が目標値ＳＶ１に到達した場合に、大きい値の偏差積分値ＡＣが用いられると、操作量ＭＶを即座に減らすことができないので、計測値ＰＶ１のオーバーシュートが生じ得る。また、目標値ＳＶ１が現在の値から反対の極性を持つ値に変更された場合等において、大きい値の偏差積分値ＡＣが用いられると、操作量ＭＶを即座に減らすことができないので、計測値ＰＶ１が目標値ＳＶ１に到達するまでの時間が長くなり、応答性が低下し得る。このため、制御装置１では、制御偏差Ｅ１及び偏差積分値ＡＣが所定の条件を満たした場合に偏差積分値ＡＣがリセットされることにより、大きい値の偏差積分値ＡＣが用いられる可能性を低減することができる。その結果、計測値ＰＶ１のオーバーシュートを低減することができるとともに、目標値ＳＶ１の変更に対して、応答性の向上が可能となる。

具体的には、偏差積分値ＡＣは制御偏差Ｅ１の積分値であるので、計測値ＰＶ１が目標値ＳＶ１に到達するまでは、制御偏差Ｅ１及び偏差積分値ＡＣは同じ極性を有しているが、計測値ＰＶ１が目標値ＳＶ１を超えると、制御偏差Ｅ１の極性と偏差積分値ＡＣの極性とは反対になる。ここで、何らかの要因により、計測値ＰＶ１が目標値ＳＶ１に到達するまでに長い時間を要した場合には、偏差積分値ＡＣが第１閾値ＴＨ１よりも大きくなり、偏差積分値ＡＣがリセットされる。これにより、計測値ＰＶ１が目標値ＳＶ１に到達した場合に、計測値ＰＶ１のオーバーシュートを低減することができる。また、例えば、目標値ＳＶ１が現在の値から反対の極性を持つ値に変更された場合等において、制御偏差Ｅ１の極性と偏差積分値ＡＣの極性とは反対になる。このとき、偏差積分値ＡＣが第１閾値ＴＨ１よりも大きい場合には、偏差積分値ＡＣがリセットされる。これにより、目標値ＳＶ１の変更に対して、応答性の向上が可能となる。

また、図２に示されるように、制御装置１は、フィードフォワード制御部１６及びＤ制御部１７をさらに備えてもよい。フィードフォワード制御部１６は、定常偏差補償のための制御値ＭＶｆを算出する。フィードフォワード制御部１６は、例えば、目標値ＳＶ１と制御値ＭＶｆとが対応付けられたテーブルを有しており、そのテーブルを用いて、目標値ＳＶ１に対応する制御値ＭＶｆを算出する。フィードフォワード制御部１６は、制御値ＭＶｆを操作量演算部１５に出力する。

Ｄ制御部１７は、微分制御を行う部分であり、制御偏差Ｅ１に基づいて制御値ＭＶｄを演算する。Ｄ制御部１７は、制御値ＭＶｄを操作量演算部１５に出力する。具体的には、Ｄ制御部１７は、微分器１７１と、増幅器１７２と、を備えている。微分器１７１は、制御偏差演算部１１から制御偏差Ｅ１を受信し、制御偏差Ｅ１を微分して微分値を演算する。微分器１７１は、例えば、今回の制御偏差Ｅ１（ｎ）と前回の制御偏差Ｅ１（ｎ−１）との差を演算し、演算結果を微分値とする。微分器１７１は、微分値を増幅器１７２に出力する。増幅器１７２は、微分器１７１から微分値を受信し、Ｄ制御のゲインを用いて微分値を増幅する。増幅器１７２は、増幅した微分値を制御値ＭＶｄとして出力する。

なお、この場合、操作量演算部１５は、制御値ＭＶｐ、制御値ＭＶｉ、制御値ＭＶｄ及び制御値ＭＶｆに基づいて、制御対象装置２の操作量ＭＶを演算する。操作量演算部１５は、例えば、制御値ＭＶｐ、制御値ＭＶｉ、制御値ＭＶｄ及び制御値ＭＶｆを加算し、加算結果を操作量ＭＶとする。

変形例の制御装置１においても、制御装置１と同様の効果が奏される。また、制御装置１がフィードフォワード制御部１６をさらに備えることにより、定常偏差補償分の制御値を予め操作量ＭＶに含めることができるので、計測値ＰＶ１が目標値ＳＶ１に到達するのに要する時間を短縮することが可能となる。制御装置１がＤ制御部１７をさらに備えることにより、制御装置１の制御開始時等において制御偏差Ｅ１が大きく変化したときに一時的に操作量ＭＶを大きく変化させることが可能となる。

次に、制御装置１の応答特性について説明する。図３は、制御装置１の応答特性と比較例の制御装置の応答特性とを比較するための図である。図３の（ａ）は比較例の制御装置の応答特性を示し、図３の（ｂ）は制御装置１の応答特性を示す。

図３の（ａ）に示されるように、比較例の制御装置では、制御対象装置２が動作を開始するまでは、時間の経過とともに制御値ＭＶｉが増加し、制御値ＭＶｐは一定である。制御対象装置２が動作を開始すると、時間の経過とともに計測値ＰＶ１が目標値ＳＶ１に近づくので制御偏差Ｅ１が小さくなり、制御値ＭＶｐが減少していく。そして、計測値ＰＶ１が目標値ＳＶ１に到達した時点で、制御値ＭＶｐはゼロとなる。一方、制御値ＭＶｉは、制御対象装置２が動作を開始した後、増加率はなだらかになるものの、計測値ＰＶ１が目標値ＳＶ１に到達するまで時間の経過とともに増加し続ける。

計測値ＰＶ１が目標値ＳＶ１を超えると、制御偏差Ｅ１が負の値になるので制御値ＭＶｐは負の値となるが、制御値ＭＶｉは制御偏差Ｅ１と時間との積によって徐々に減少する。このため、操作量ＭＶがゼロになるまでに時間が掛かり、操作量ＭＶがゼロになるまでの間、計測値ＰＶ１は増加し続ける。さらに、操作量ＭＶが負の値となってから計測値ＰＶ１が減少し始めるが、計測値ＰＶ１が目標値ＳＶ１に再び到達するまで時間が掛かる。この計測値ＰＶ１が目標値ＳＶ１を超えてから計測値ＰＶ１が目標値ＳＶ１に到達するまでの間、計測値ＰＶ１はオーバーシュートすることになる。また、制御ゲインの設計によっては、計測値ＰＶ１が再び目標値ＳＶ１を下回って振動的な応答となることもある。また、Ｄ制御（微分制御）を追加することにより、制御装置の制御開始時の操作量ＭＶを増大させることも可能であるが、静止摩擦力が想定より大きかった場合等には対処できない。

図３の（ｂ）に示されるように、制御装置１では、計測値ＰＶ１が目標値ＳＶ１に到達するまでは比較例の制御装置と同じ動作が行われる。そして、計測値ＰＶ１が目標値ＳＶ１を超えると、制御偏差Ｅ１が負の値となる。このとき、制御偏差Ｅ１の極性と偏差積分値ＡＣの極性とが反対になり、偏差積分値ＡＣが第１閾値ＴＨ１よりも大きいので、偏差積分値ＡＣがゼロにリセットされ、制御値ＭＶｉがゼロになる。その結果、制御値ＭＶｐもゼロであるので、定常偏差が無ければ、計測値ＰＶ１は目標値ＳＶ１で安定する。実際には、動摩擦等による損失が生じるので、計測値ＰＶ１が目標値ＳＶ１から一旦減少し、その分を制御値ＭＶｉが補って目標値ＳＶ１に安定する。

一方、静止摩擦の影響が小さい場合等では、偏差積分値ＡＣが第１閾値ＴＨ１よりも大きくならないので、計測値ＰＶ１が目標値ＳＶ１を超えて、制御偏差Ｅ１の極性と偏差積分値ＡＣの極性とが反対になっても、偏差積分値ＡＣが第１閾値ＴＨ１以下であるので、偏差積分値ＡＣがリセットされない。

このように、制御装置１によれば、計測値ＰＶ１が目標値ＳＶ１に到達するのに長時間を要した場合において、計測値ＰＶ１のオーバーシュートが低減される。

（第２実施形態）
図４は、第２実施形態に係る制御装置の構成を模式的に示す図である。図４に示される制御装置１Ａは、制御対象装置２Ａの計測値ＰＶ１及び計測値ＰＶ２（第２計測値）、並びに、計測値ＰＶ２の目標値である目標値ＳＶ２（第２目標値）に応じて、制御対象装置２Ａに操作量ＭＶを出力することによって制御対象装置２Ａを制御する装置である。制御装置１Ａは、いわゆるカスケードループを成しており、カスケード制御を行う。制御装置１Ａは、制御装置１と比較して、制御対象が制御対象装置２Ａである点、制御偏差演算部２１（第２制御偏差演算部）及びＰ制御部２２（第３制御部）をさらに備える点、並びに、リセット部１４に代えてリセット部１４Ａを備える点において主に相違する。

制御対象装置２Ａは、操作量ＭＶに応じて動作し、計測値ＰＶ１及び計測値ＰＶ２を出力する。計測値ＰＶ１及び計測値ＰＶ２はそれぞれ、制御対象装置２Ａに設けられているセンサ等によって計測される。制御対象装置２Ａとしては、例えば、水中航走体が挙げられる。

制御偏差演算部２１は、目標値ＳＶ２と計測値ＰＶ２との偏差である制御偏差Ｅ２（第２制御偏差）を演算する。制御偏差演算部２１は、外部から目標値ＳＶ２を受信し、制御対象装置２Ａから計測値ＰＶ２を受信する。制御偏差演算部２１は、例えば、減算器であり、目標値ＳＶ２から計測値ＰＶ２を減算し、減算結果を制御偏差Ｅ２とする。制御偏差演算部２１は、制御偏差Ｅ２をＰ制御部２２及びリセット部１４Ａに出力する。

Ｐ制御部２２は、比例制御を行う部分であり、制御偏差Ｅ２に基づいて目標値ＳＶ１を演算する。Ｐ制御部２２は、目標値ＳＶ１を制御偏差演算部１１に出力する。具体的には、Ｐ制御部２２は、増幅器２２１を備えている。増幅器２２１は、制御偏差演算部２１から制御偏差Ｅ２を受信し、Ｐ制御のゲインを用いて制御偏差Ｅ２を増幅する。増幅器２２１は、増幅した制御偏差Ｅ２を目標値ＳＶ１として出力する。

リセット部１４Ａは、リセット部１４と比較して、リセット条件において相違する。具体的には、リセット部１４Ａは、第１リセット条件及び第２リセット条件のいずれかが満たされた場合に、偏差積分値ＡＣをリセットする。第２リセット条件は、前回の目標値ＳＶ２（ｎ−１）と比較して、今回の目標値ＳＶ２（ｎ）の大幅な変更が行われたか否かを判定するための条件である。具体的には、第２リセット条件は、式（３）及び式（４）によって表される。

つまり、リセット部１４Ａは、制御偏差Ｅ１の極性と偏差積分値ＡＣの極性とが異なり（式（１））、かつ、偏差積分値ＡＣの大きさが第１閾値ＴＨ１より大きい（式（２））場合に、偏差積分値ＡＣをリセットし、制御偏差Ｅ２の極性と偏差積分値ＡＣの極性とが異なり（式（３））、かつ、制御偏差Ｅ２の大きさが第２閾値ＴＨ２より大きい（式（４））場合に、偏差積分値ＡＣをリセットする。第２閾値ＴＨ２は、目標値ＳＶ２の変化量が大きいことを判定するための値である。第２閾値ＴＨ２は、例えば、制御偏差Ｅ２の最大値の１／２倍に設定される。第２閾値ＴＨ２は、実際の運用目的に合わせて調整されてもよい。リセット部１４Ａは、リセット信号ＲＳをＩ制御部１３に出力することによって、偏差積分値ＡＣをゼロにリセットする。
（E2の極性）≠（ACの極性） … (3)
|E2|>TH2 … (4)

次に、制御装置１Ａの動作を比較例の制御装置の動作と比較しながら説明する。比較例の制御装置は、制御装置１Ａと比較してリセット部１４Ａを備えていない点で相違する。

例えば、制御対象装置２Ａが水中航走体であり、水中航走体が水面から水中に潜ろうとする場合を例として説明する。このとき、目標値ＳＶ１はピッチ速度指令値であり、目標値ＳＶ２は目標ピッチであり、操作量ＭＶは舵角度指令値であり、計測値ＰＶ１は現在ピッチ速度であり、計測値ＰＶ２は現在ピッチである。ここでは、下向きを正方向とする。

制御対象装置２Ａが下向きにピッチをかけて水面から潜ろうとする場合に、海面の状態によってはしばらく下を向けない（潜れない）場合がある。この場合、制御対象装置２Ａが潜り始めるまでの間にＩ制御によって正方向の偏差積分値ＡＣが増加し、正方向の操作量ＭＶ（舵角度指令値）が大きくなる。海面状況が変化するなどして制御対象装置２Ａが潜り始めた場合に、操作量ＭＶを維持すると計測値ＰＶ２（現在ピッチ速度）が目標値ＳＶ２（ピッチ速度指令値）よりも大きくなり、計測値ＰＶ１（現在ピッチ）が目標値ＳＶ１（目標ピッチ）よりも大きくなる。このため、操作量ＭＶを小さくする必要があるが、比較例の制御装置では、制御対象装置２Ａが潜り始めた後でも、Ｉ制御の偏差積分値ＡＣが大きいので、制御偏差Ｅ１が負の値となっても操作量ＭＶを減らすのに時間が掛かり、計測値ＰＶ２（現在ピッチ）のオーバーシュートが大きくなる、つまり、制御対象装置２Ａが下に向きすぎる現象が起こり得る。

これに対し、制御装置１Ａでは、制御対象装置２Ａが潜り始め、計測値ＰＶ２（現在ピッチ）が目標値ＳＶ２（目標ピッチ）に近づいたときに、制御偏差Ｅ２が小さくなり、目標値ＳＶ１（ピッチ速度指令値）が計測値ＰＶ１（現在ピッチ速度）よりも小さくなるので、制御偏差Ｅ１が負の値となる。これにより、制御偏差Ｅ１の極性と偏差積分値ＡＣの極性とは反対になり、式（１）の条件が満たされる。このとき、制御対象装置２Ａが潜り始めるまでに長い時間を要した場合には偏差積分値ＡＣが十分に大きいので、偏差積分値ＡＣの大きさが第１閾値ＴＨ１よりも大きくなり、式（２）の条件が満たされる。このため、リセット部１４ＡはＩ制御部１３にリセット信号ＲＳを出力し、Ｉ制御部１３は偏差積分値ＡＣをゼロにリセットする。これにより、目標値ＳＶ２を始点としてＰＩ制御を開始する状態となるので、速やかに制御対象装置２Ａを上向きのピッチとすることができ、計測値ＰＶ２（現在ピッチ）のオーバーシュートを小さくすることが可能となる。

また、制御対象装置２Ａが水中航走体であり、制御対象装置２Ａを右旋回から左旋回に切り替える場合を例として説明する。このとき、目標値ＳＶ１は旋回速度指令値であり、目標値ＳＶ２は目標方位であり、操作量ＭＶは舵角度指令値であり、計測値ＰＶ１は現在旋回速度であり、計測値ＰＶ２は現在方位である。ここでは、右向きを正方向とする。

水中航走体では、左右旋回の応答が遅いので、右旋回したい場合に右に大きく舵を切る操作が行われる場合がある。この場合、目標値ＳＶ２（目標方位）は正の値に設定され、目標値ＳＶ１（旋回速度指令値）も正の値となる。制御対象装置２Ａが右旋回するのに時間を要するので、Ｉ制御によって正方向の偏差積分値ＡＣが増加し、正方向の操作量ＭＶ（舵角度指令値）が大きくなる。右旋回を行っている途中で左旋回する必要が生じた場合、目標値ＳＶ２が正の値から負の値に変更される。このとき、比較例の制御装置では、制御偏差Ｅ２が負の値となり、目標値ＳＶ１も負の値となるので、制御偏差Ｅ１も負の値になるが、偏差積分値ＡＣが大きいので操作量ＭＶを減らすのに時間が掛かり、計測値ＰＶ２（現在方位）のオーバーシュートが大きくなる現象が起こり得る。つまり、舵が右向きからなかなか左向きとならないので、切り返し旋回が遅れる現象が起こり得る。

これに対し、制御装置１Ａでは、右旋回を行っている途中で左旋回する必要が生じた場合、目標値ＳＶ２が正の値から負の値に変更され、制御偏差Ｅ２が負の値となるので、制御偏差Ｅ２の極性と偏差積分値ＡＣの極性とが反対となり、式（３）の条件が満たされる。このとき、目標値ＳＶ２の大きさ（左旋回の目標方位）が十分に大きい場合には、制御偏差Ｅ２の大きさが十分に大きくなるので、制御偏差Ｅ２の大きさが第２閾値ＴＨ２よりも大きくなり、式（４）の条件が満たされる。このため、リセット部１４ＡはＩ制御部１３にリセット信号ＲＳを出力し、Ｉ制御部１３は偏差積分値ＡＣをゼロにリセットする。これにより、目標値ＳＶ２を始点としてＰＩ制御を開始する状態となるので、速やかに水中航走体に左旋回を開始させることができ、目標値ＳＶ２の大幅な変更に対して応答性を向上することが可能となる。

一方、旋回目標をゆっくり左右に変化させた場合は、制御偏差Ｅ２の大きさが小さいので、式（３）の条件が満たされたとしても、式（４）の条件が満たされないので、偏差積分値ＡＣがリセットされない。また、右旋回を行っている場合に、目標値ＳＶ２に計測値ＰＶ２が到達する直前では、目標値ＳＶ１（旋回速度指令値）が計測値ＰＶ１（現在旋回速度）を下回るので、制御偏差Ｅ１が負の値となる。このため、式（１）の条件が満たされるが、この場合には偏差積分値ＡＣが大きくならないので、式（２）の条件が満たされない。したがって、偏差積分値ＡＣはリセットされない。

以上のように、制御装置１Ａにおいても、制御装置１と同様の効果が奏される。また、制御装置１Ａでは、例えば、目標値ＳＶ２が現在の値から反対の極性を持つ値に変更された場合、制御偏差Ｅ２の極性と偏差積分値ＡＣの極性とは反対になる。ここで、目標値ＳＶ２の変化量が大きい場合、制御偏差Ｅ２が第２閾値ＴＨ２よりも大きくなり、偏差積分値ＡＣがリセットされる。これにより、目標値ＳＶ２の変更に対して、応答性の向上が可能となる。このように、制御装置１Ａでは、いわゆるカスケードループにおいて、計測値ＰＶ２のオーバーシュートを低減するとともに、目標値ＳＶ２の変更に対して応答性の向上が可能となる。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されない。例えば、制御装置１Ａにおいても、制御装置１と同様にフィードフォワード制御部１６及びＤ制御部１７をさらに備えてもよい。また、制御装置１，１Ａは、フィードフォワード制御部１６及びＤ制御部１７のいずれか一方を備えてもよい。

また、上記実施形態では、第１リセット条件が成立した場合、Ｉ制御部１３は偏差積分値ＡＣをゼロにリセットしているが、目標値ＳＶ１，ＳＶ２において予め計測された定常偏差を補償するための補償値に偏差積分値ＡＣをプリセットしてもよい。

また、目標値ＳＶ２が本来の目標値よりも一旦大きな値に設定され、ある程度時間が経過してから目標値ＳＶ２が本来の目標値に設定される場合において、操作感覚を優先し、計測値ＰＶ２が本来の目標値に達する前に、目標値ＳＶ２が本来の目標値に設定されることがある。この場合において、リセット部１４Ａは、第１リセット条件及び第３リセット条件のいずれかが満たされた場合に、偏差積分値ＡＣをリセットしてもよい。具体的には、第３リセット条件は、式（５）、式（６）及び式（２）によって表される。

つまり、リセット部１４Ａは、制御偏差Ｅ１の極性と偏差積分値ＡＣの極性とが異なり（式（１））、かつ、偏差積分値ＡＣの大きさが第１閾値ＴＨ１より大きい（式（２））場合に、偏差積分値ＡＣをリセットし、現在の目標値ＳＶ２と前回の目標値ＳＶ２との差分が第２閾値ＴＨ２よりも大きく（式（５））、かつ、現在の目標値ＳＶ２から前回の目標値ＳＶ２を減算した値の極性と偏差積分値ＡＣの極性とが異なり（式（６））、かつ、偏差積分値ＡＣの大きさが第１閾値ＴＨ１より大きい（式（２））場合に、偏差積分値ＡＣをリセットする。このようにすることで、目標値ＳＶ２が本来の目標値に設定されると同時に、偏差積分値ＡＣをリセットすることができる。
|SV2(n)-SV2(n-1)|>TH2 … (5)
（SV2(n)-SV2(n-1)の極性）≠（ACの極性） … (6)

１、１Ａ 制御装置
２、２Ａ 制御対象装置
１１ 制御偏差演算部（第１制御偏差演算部）
１２ Ｐ制御部（第１制御部）
１３ Ｉ制御部（第２制御部）
１４、１４Ａ リセット部
１５ 操作量演算部
２１ 制御偏差演算部（第２制御偏差演算部）
２２ Ｐ制御部（第３制御部）
ＡＣ 偏差積分値
Ｅ１ 制御偏差（第１制御偏差）
Ｅ２ 制御偏差（第２制御偏差）
ＭＶ 操作量
ＭＶｉ 制御値（第１制御値）
ＭＶｐ 制御値（第２制御値）
ＰＶ１ 計測値（第１計測値）
ＰＶ２ 計測値（第２計測値）
ＳＶ１ 目標値（第１目標値）
ＳＶ２ 目標値（第２目標値）

Claims (4)

1. 制御対象装置の第１計測値及び前記第１計測値の目標値である第１目標値に応じて、前記制御対象装置に操作量を出力することによって前記制御対象装置を制御する制御装置であって、
   前記第１目標値と前記第１計測値との偏差である第１制御偏差を演算する第１制御偏差演算部と、
   前記第１制御偏差に基づいて第１制御値を演算する第１制御部と、
   前記第１制御偏差の積分値である偏差積分値を演算し、前記偏差積分値に基づいて第２制御値を演算する第２制御部と、
   前記第１制御偏差及び前記偏差積分値が所定の条件を満たした場合に前記偏差積分値をリセットするリセット部と、
   前記第１制御値及び前記第２制御値に基づいて、前記操作量を演算する操作量演算部と、
   を備える制御装置。
2. 前記リセット部は、前記第１制御偏差の極性と前記偏差積分値の極性とが異なり、かつ、前記偏差積分値の大きさが第１閾値より大きい場合に、前記偏差積分値をリセットする、請求項１に記載の制御装置。
3. 前記制御対象装置の第２計測値と前記第２計測値の目標値である第２目標値との偏差である第２制御偏差を演算する第２制御偏差演算部と、
   前記第２制御偏差に基づいて前記第１目標値を演算する第３制御部と、
   をさらに備える、請求項１または請求項２に記載の制御装置。
4. 前記リセット部は、前記第２制御偏差の極性と前記偏差積分値の極性とが異なり、かつ、前記第２制御偏差の大きさが第２閾値より大きい場合に、前記偏差積分値をリセットする、請求項３に記載の制御装置。

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