JPH02232702A - 制御装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （＝１）産業上の利用分野 この発明は、産業用ロボットや高速機械等に用いられ、
目標値カーブに制御対象を追従させる制御装置に関する
。

（ｂｌ従来の技術 産業用ロボソトや高速機械など可動部を有する機器の動
作を制御する制御装置においては、その可動部（制御対
象）を与えられた目標値に対して高精度に追従させるた
め種々の制御方式が提案されている。現在最も一般的に
行われている制御方式は１）　Ｉ　Ｄ制ｊ３ｌｊ方式で
ありこの制御方式では目標値と制御対象の現在値の差（
偏差）に比例する操作量、偏差の積分値に比例する操作
量およびセンザの微分に比例する操作量を所定の割合で
加算して実際に制御対象に印加される操作量を決定する
制御方式である。上記３個の制御要素を加算する割合は
比例ゲイン，速度ゲイン，積分ゲインによりその割合が
決定されるが、これらのゲインは従来はオペレータの手
で経験に基づいて設定されていた．すなわち、制御対象
の負荷イナーシャが大場合と小さい場合とでは最適なゲ
インの比率がことなるのである。しかしこの方式では一
旦入力されると、ゲインは一定であった． （Ｃｌ発明が解決しようとする課題 しかし、ロボットではハンドリングする物体の重ｌによ
ってイナーシャが大きく変動し、また、可動部の経年変
化などによって動作機能が劣化することがあり、このよ
うな場合これに合わせてゲインを修正するのは面倒であ
り、最適値を求めることが困難であった。

これらの問題に対して、従来よりセルフチューニングと
呼ばれるゲイン設定方式や学習機能を付加した制御系な
どが提案されている．セルフチューニングとは、センサ
や操作量から制御対象の状態を推定し、各ゲインをリア
ルタイムで変更していく方式であるが、この方式はゲイ
ンの推定演算に時間がかかる欠点があり高速で動作する
モータやロボットなどには用いることが困難であった。

また学習方式は、一回の試行毎にゲインを変えていく方
法であり、十分な試行回数があれば精度の良いゲイン設
定を行うことができるが、試行回数が少ない場合や、動
作毎に負荷イナーシャが変わる場合には十分な精度を出
すことができない欠点があった。

この発明は、上記のような課題に鑑みてなされたもので
、複数の制御要素のゲインのうち微分ゲインのみをリア
ルタイムで変更することにより、集束性や追従精度を向
上することのできる制御装置を提供することを目的とす
る。

さらにこの発明の目的は、微分ゲインを変更して集束性
や追従性度を向上した場合でも制御対象の振動を抑制し
、安定性を保つことができる制御装置を提供することを
目的とする。

（ｄ）課題を解決するための手段 この出願に係る第一の発明は、 制？１１量に関する値の微分値に比例定数を乗じた■を
含む操作量で、制御対象を制御する制御装置において、 制ＩＩｌｌに基づき前記比例定数をリアルタイムで変更
するゲイン変更手段を設けたことを特徴とする。

この出願に係る第二の発明は、 制？１１１に関する値の微分値に比例定数を乗じた量を
含む操作量で、制御対象を制御する制御装置において、 制１１１ｍに基づきリアルタイムで定数を求める定数算
出手段と、 定数算出手段によって求められた定数がそれまで使用さ
れていた比例定数よりも大きいとき、この定数を新たな
比例定数として設定する定数更新手段と、 動作開始から一定時間後は前記定数更新手段の動作を禁
止するマスク手段と、 を設けたことを特徴とする． （ｅ）作用 この出願に係る第１の発明は、センサの微分値に比例し
た操作量を含む操作量を制御対象に印加し、動作制御を
行うＰＩＤ制御装置等制御装置であり複数の制御要素の
うちセンサの微分値に比例する制御要素の比例定数（微
分ゲイン）のみを制御量に基づいてリアルタイムで変更
する．すなわち、制御量が飽和しているときには微分ゲ
インを大きくし、制ＩＩ量が飽和していないときには微
分ゲインを小さくする。これにより、イナーシャが大き
い場合の目標位置からの行き過ぎや振動を防止すること
ができ、イナーシャが小さい場合には収束を早めること
ができる。

さらに、この出願の第２の発明では、動作開始ののち微
分ゲインを大きな値にのみ更新するようにした。これに
より、負荷イナーシャ変化による微小な振動を未然に防
止した。さらに、一定時間後からは微分ゲインの更新を
禁止した。これ番こより、制御対象に最適な微分ゲイン
が求められたのちの制御を簡略化でき、不必要な振動を
防止することができる。

（ｆ）実施例 第１図はこの発明の実施例である動作制御装置の概略ブ
ロソク図である。この動作制御装置はモータ９　（制御
対象）を駆動して可動部を所定位置に移動させるもので
ある。モーク９の動作制御は主として線形制ＩＪ器６に
よってＰＩＤ制御で行われる。この線形制御器６はバス
２に接続され、このバスを介してＣ　Ｐ　Ｕ　１に接続
されている。バス２にはＣＰＵＩ．線形制御器６のほか
、メモリ３パラメータ読込器４，目標値生成器５，エン
コーダ読取器８が接続されている。パラメータ読込器４
はキース．インチなどを有しており、係員が積分ゲイン
，比例ゲイン，微分ゲイン等を人力する。目標値生成器
５にはインターフェイスが接続されており、このインタ
ーフェイスを介して動作目標データが入力される。目標
値生成器５はこの動作目標データを制御対象の目標値に
変換して出力する． エンコーダａ　取ｎ８にはロータリーエンコーダｌＯが
接続されている．ロータリーエンコーダ１０はモータ９
の回転に同期してパルス信号を発生ずる装置である。こ
のロータリーエンコーダ１０が出力するパルス数によっ
てモーク９の回転数（可動部の移動距１甜）を計測する
ことができる。ＣＰＵＮはエンコーダ読取器８から人力
された可動部の位置および目標値住成器５から入力され
た１」標位置との差（偏差）を算出して線形制御器６に
出力する。また、ＣＰＵＩは制ＩＩと偏差とに基づいて
速度ゲインＫｄを決定し、線形制御器６に出力する。こ
こで、目標値は１述のよ・）に位置データとして生成さ
れるため、偏差を微分して求められる微分ゲインは速度
ゲインＫｄとなる．第２図に線形制御器６のブロソク図
を示す。徐形制御器にはＣＰＵＩより偏差データ，制御
量データおよび速度ゲインＫｄが入力される。偏差デー
タは積分回路ｌ３およびＫｐ乗算回路１５に入力される
。積分回路１３は偏差を一定時間にわたって積分する回
路であり、このデータはＫｉ乗算回路１４に入力される
。ここでＫｐは比例ゲインＫ１は積分ゲインである．Ｋ
ｐ乗算回路１５は入力された偏差にＫｐを乗じて偏差に
比例した操作遣データを出力する。Ｋｔ乗算回路１４は
入力された偏差にＫＬを乗じて偏差の積分値に比例した
１桑作逍データを出力する。比例操作量は目標値追従の
ための主要な操作量となり、積分操作量は定常偏差（オ
フセット）をキャンセルするために用いろれる。

一方、ＣＰＵＩから入力される位置データは微分回路１
１に入力され、制御対象の変位速度データが求められる
。この変位速度データはＫｄ乗算回路Ｉ２に入力される
。Ｋｄ乗算回路１２はＣＰＬｌｌから入力されたＫｄゲ
インをこのデータに乗算して速度に比例した操作層デー
タを出力する。

このデータは操作対象の応答性を高めたり、急激な挙動
を抑制したりするために用いられる。

乗算回路１２，１４．１５から出力された操作遣データ
は加算器１６で加算され、アンプ７に出力される。アン
ブ７では入力された操作量データに基づきモータ９を駆
勤ずるための電流を生成する。この電流はモータ９に入
力され、モータ９は入力された電流によって駆動される
。

第３図は前記ＣＰＵ　ｌの動作を示すフローチャートで
ある。新たな目標値が目標値設定２３５に入力され、こ
の目標値に向けて、制御装置が動作を開始すると動作が
スター　トシ、繰り返し実行され先ずｎｌではルリ御諺
，目標値，操作量を読み込み、ｎ２で操作■入力対する
制御量出力が飽和じでいるか否かを判断ずる．飽和して
いる場合には目標値への急速な追従は不可能であるため
徐々に目標値へ収束するようにＫｄを一定値Δだけ増加
させる（ｎ４）。また、飽和していない場合には目標値
へ追従しやすいようにＫｄを一定値Δだけ小さくする（
ｎ３）。ｎ３およびｎ４によって更新されたＫｄをｎ５
，ｎ６においてＫｄの最大限度値（ＭＡＸ　Ｋｄ），最
小限度値（旧Ｎ　Ｋｄ）と比較する。

更新されたＫｄがＭＡＸ　Ｋｄよりも大きくなったとき
にはＫｄをそノＭＡＸ　Ｋｔｌ４．：再設定し（ｎ７）
、Ｋｄが旧Ｎ　Ｋｄよりも小さくなったときにはＫｄを
１％Ｋｄに再設定する（ｎ８）。ｎ３，ｎ．４で設定さ
れたＫ　ｄ　７′ｌ＜ＭＡＸ　Ｋｄと旧ＮＫｄの間の値
であればそのままりターンする。制御対象の動作が継続
している間この動作が繰り返し行われる。

以上の動作により、操作量が目標値追従に最適でない場
合でも制御対象の動作に対応して速度ゲインが変更され
るため大きな行き過ぎや振動を生じさせずに目標値に収
束させることができる。

以上の実施例では、常時！！続してＫｄの更新を行うよ
うにしたが、一連の動作中には負荷イナーシャが変動し
ない場合（例えば、産業用ロボットが物体をハンドリン
グしてある時点ま′ｃＲ送する場合等）にはある程度速
度ゲインの更新を継続すれば適当な値を発見することが
でき、それ以降更新を継続してもより良い値を得ること
が難しいことが考えられる。さらに、動作中に負荷イナ
ーシャが変動したり制御対象の動作状態が変動したとき
、速度ゲインＫｄが小さくなるように更新した場合には
その後の収束が遅くなったり微小な振動の原因となる場
合がある。そこで、動作開始から一定時刻Ｐ．Ｐ．（バ
イロソトポイント）以降は微分ゲインの変更を禁止する
とともに、微分ゲインの変更は大きくなる変更のみ許可
するようにして、このような問題を解決することが考え
られる．第４図にこのような実施例のフローチャートを
示す。

同図において、先ずｎｌＯで動作開始からの時間経過が
パイロフトポイントを過ぎているかどうかを判断する。

パイロットポイントを過ぎている場合にはそのままリタ
ーンする。パイロットポイントを過ぎていない場合には
第３図に示した動作を実行し（ｎｉｌ）Ｋｄを算出する
。

このＫｄをＫＭ（更新されたＫｄの最大値）と比較し（
ｎｌ２）、ＫｄＯ方が大きければＫＭをＫｄの値に書き
直して（ｎｌ２）リターンする。

線形制御器６はＫｄＯ値で動作する。また、ＫＭがＫｄ
以上であれば、ＫｄをＫＭに書き直して（ｎｌ３）　リ
ターンする． 以上のような制御を行うことにより、制御対象を第５図
（Ａ），　　（Ｂ）に示すように制御することができる
。この図は仮想等価モデルを用いたシミュレーションを
行った結果を示すグラフである．同図において目標値は
ステップ上に変更されており、実線で示す曲線が速度ゲ
インＫｔをリアルタイムに更新した場合の動作状態（本
願発明）を示し、破線で示す曲線がＫｄを固定したまま
の制御における動作状態（従来例）を示す．同図（Ａ）
はイナーシャが小さい場合の動作状態を示している．従
来の制御系では、動作が急速に立ち上がるが、目標値を
過ぎて振動を起こしている。これに対してこの発明の制
御系でば速度ゲイン（Ｋｄ）が大きくなるため急激な動
作が抑制され振動することなく目標値に収束している．
このグラフにおいてはこの発明の制御系による動作制御
はやや過制動であるが、Ｋｄの増減率（第３図のフロー
チャートにおけるΔ）を適当に選ぶことにより　（この
シュミレーシッンよりも小さく選ぶことにより）、臨界
制動に近づけることができる． また同図（Ｂ）はイナーシャが大きい場合を示している
．この場合にはアンプ７やモータ９の出力の限界により
操作量に対し制御遺が飽和しているためＫｄは小さな値
に抑えられる．これにより制御対象の行き過ぎは小さく
抑えられ従来の制御系のような振動は生じない。

《幻発明の効果 以上のようにこの発明によれば、いわゆる微分ゲインを
オンラインで更新するようにしたことにより、高速に動
作する産業用ロボット等の装置においてもリアルタイム
でゲイン変更が可能となり、制御対象の目標値への速や
かな集束が可能になる。また、動作開始から一定時間の
後．は比例定数の更新を禁止したことにより制御系の負
担を少なくすることができる。さらに、比例定数の更新
を大きいものにのみ許可したことにより、制御対象の振
動を防止することができる． 以上の動作により、操作量が目標値追従に最適でない場
合でも制御対象の動作に対応して微分ゲインが変更され
るため、制御の大きな行き過ぎや振動を生じさせずに目
標値に収束させることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の実施例である動作制御装置の概略ブ
ロノク図、第２図は同動作制御装置の線形制御器のブロ
ソク図、第３図は同動作制御装置の動作を示すフローチ
ャートである。 第４図は同動作制御装置の他の実施例の動作を示すフロ
ーチャートである。第５図（Ａ），（Ｂる ）は同動作制御装置によ勢動作制御の状態を示す図であ
る。 ６一締形制御器、９−モータ、 １０−ロータリーエンコーダ、 １１一微分回路、１　２　−　Ｋ　ｄ乗算回路。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）制御量に関する値の微分値に比例定数を乗じた量
   を含む操作量で、制御対象を制御する制御装置において
   、 制御量に基づき前記比例定数をリアルタイムで変更する
   ゲイン変更手段を設けたことを特徴とする制御装置。
2. （２）制御量に関する値の微分値に比例定数を乗じた量
   を含む操作量で、制御対象を制御する制御装置において
   、 制御量に基づきリアルタイムで定数を求める定数算出手
   段と、 定数算出手段によって求められた定数がそれまで使用さ
   れていた比例定数よりも大きいとき、この定数を新たな
   比例定数として設定する定数更新手段と、 動作開始から一定時間後は前記定数更新手段の動作を禁
   止するマスク手段と、 を設けたことを特徴とする制御装置。