JPH0325505A - 多機能形制御装置 - 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】 〔産業上の利用分野〕 本発明は安定化フィードバック制御装置に係り、特にロ
バストでなおかつ高速応答を達成できる多機能形制御装
置に関するものである。

〔従来の技術〕

一般的な電動機速度制御系の例により第７図で説明する
。

第７図は安定化フィードバ，ク制御装置の従来例を示す
もので１はＰＩ制御装置、２は制御対象である。ここに
、Ｒ，Ｙは各々設定入カ，状態量であり、したがって速
度制御系例では、Ｒが速度指令，Ｙが速度検出出力であ
る。ＫＴはトルク発生係数である。

すなわち、設定人力Ｒ，状態ｆｉＹの偏差ｅをＰＩ補償
要素を通して制御対象に印加することにより、速度制御
系を安定化している。その一般的な安定化調整としては
、慣性Ｊが大きいほど比例ゲインＫＰを大きくし、それ
に応じて積分ゲインＫ，も大きくすることにより達或さ
れる。

かように、図示の如く通常はＰＩ補償狭素を直列に挿入
し、制御対象に応じた比例ゲインＫＰおよび積分ゲイン
Ｋ．を調整することにより安定化を図っている。

〔発明が解決しようとする問題点〕

しかしながら、比例ゲインＫＰを大きくすると定常状態
ではノイズや検出リップル等の影響で不安定になり易く
、また積分ゲインＫＩを大きくすると、設定入力のステ
ップ変化に際し速度のオーバーシ．−トが発生して好ま
しくない。

比例ゲインＫＰ　＋積分ゲインＫｌを電動機等の運転状
態に応じて変化する必侠があるが、一般に比例ゲィンＫ
Ｐ，積分ゲインＫｘは可変抵抗器等で手動の調整を行う
ものとなるため、瞬時の例えば電動機状態に応じた調整
は不町能である。

さらに、積分ゲインＫｘを偏差ｅの変化に応じて自動的
に変化する方法もあり、これは積分ゲインＫ■が固定の
場合よりは高機能なものとなるものの、慣性Ｊや粘性係
数Ｄの変動に十分対応できない。

また、より高速応答をさせようとすれば、微分補償要素
を別に追加する必要があるが、これはノイズ等の影響を
受け易く、安定化に苦労するのが常であった。

かくの如く、現在、比例ゲインＫ，や積分ゲインＫ！を
運転状態に応じて最適に調整する装置がなく、したがっ
て、試運転調整員が現地に行ってその都度苦労して調整
しているのが現状である。

〔課題の解決手段と作用〕

本発明は上述したような点に鑑みなされたものであり、
ＰＩ制御を基本とする安定化フィードバ，ク制御装置に
、高速応答させるための指令入力部，フィードフォワー
ド補償部および制御対象の運転特性に影響を与える負荷
変動やパラメータ変動等の変動要素を補償する等価外乱
補償部を少なくとも備え、各装置部が他装置部の欠点を
補うことにより各装置部が本来有している長所を充分に
発揮させるようにしてなる格別な多機能形制御装置を実
現したものである。

以下、本発明を図面に基づいて詳細説明する。

第１図は本発明の技術思想の理解を容易にするため第７
図に類して示したものであり、３は指令入力部、４はフ
ィードフォワード補償部、５は等価外乱補償部、Ｉｌｌ
Ｌは負荷外乱である。図中、第７図と同符号のものは同
じ機能を有する部分を示す。

すなわち、かくの如き構或により、各部機能の特長と欠
点を最適な組合せをもって、各機能の特長を損うことな
く効用し得ること、つぎの如くである０ （１）指令入力部３ 実用上の制御系においては、サイリスタレオナード．イ
ンバータ等で構成されるパワーアクチュエータが有限な
ために、過大な設定人力Ｒが入ると飽和現象があり、図
示の如きＰＩ制御装置１のように高精度な運転をするた
め設けた積分器が存在すると、飽和している間は偏差Ｃ
を積分していくために偏差が会正される過程でオーバシ
ュートが発生して制御上好ましくない。

この解決方策として種々発表されているが、通常よく採
用されている簡便な方法は、飽和に入っている間は積分
機能を停止さすことである。しかし、この方法でも飽和
が解除される過程で多少の振動やオーバシ一一トが発生
し、これを防止させる調整をすると、高速応答ができな
いなどの欠点がある。

また、あまり急激な入力が入ると、次ブロックのフィー
ドフォワード補償部４の高速追従の機能が充分発揮でき
なくなる。

指令入力部３はかような欠点を補うため設けられてなる
。かかる手法は高機能を狙ったものもあるが、ここで実
用上のコストパフォーマンスヲ考えると、第２図に示し
た如く、ステップ状の設定人力Ｒに対し加減速時間のＴ
Ｕ．ＴＤを調整して最終指令の指令出力ｒとするのが一
般である。

しかし、かくの如き簡便かつ高実用性の方法も負荷外乱
や制御対象のパラメータ変動等があると最適な制御応答
に調整するのは困難であり、結局、遅い加減速時間に調
整しているのが常である。

（２）　　フィードフォワード補償部４基本制御ブロッ
クを第３図を参照して説明する。

図中、第工図と同符号のものは同じ機能を有する部分を
示す。

指令出力ｒと出力の状態ｉＹ間の伝達函数は次式で示さ
れる。

ここで、もし にすると、式（１）は（（Ｙ／ｒ）＝１）　　となる。

したがって、このとき偏差は（ｅ＝ｏ）になる。

すなわち、出力は常に入力に追従して動作し、その間の
偏差は常に零に保たれる。

しかし、このためにはフィードフォワードＭｆｉｔｆｌ
Ｆ２は制御対象Ｏの逆函数の形（　１／ＧＫｔ　）でな
ければならないが、例えば制御対象の慣性Ｊや粘性係数
Ｄが変動すると、式（２）が保てなくなって制御上不安
定になることがある。

（３）等価外乱補償部５ この等価外乱補償部５は第１図に示した如く指令Ｔ＊（
速度制御の場合はトルク指令）とＹ（同じく回転出力ま
たは回転数）の清報を活用して等価外乱を算出し、これ
を指令Ｔ＊に加算することにより構成される。さらに、
等価外乱補償部５の機能をブロック図を用いて説明する
。図中、第１図と同符号のものは同じ機能を有する部分
を示す。

まず、第４図において等価外乱補償部５か付加されない
場合はつぎの如くに示される。

＊ Ｔ　　（８）Ｋ−ｒ−Ｔｔ，（８）　　（ＪＳ＋Ｄ）ω
（Ｓ）　・・・・”（３）ここに、ＴＬ（．Ｓ）：負荷
外乱 伽（Ｓ）二回転速度 一方、パラメータ変動を考慮してつぎのようにおく。

ただし、、印はノミナル値．Δは変動分を示す．，ここ
で、式（４）を式（３）に代入すると、等価外乱ＴＥ（
Ｓ）はへ となる。

この式（５）の物理的内容は、等価外乱ＴＥ（Ｓ）は負
荷外乱Ｔ　Ｌ　（８）や各定数のノミナル値からの変動
分等を全て含めており、それらを一括して等価外乱と考
えることにより、式（５）の右辺の如く、各定数のノミ
ナル値のみで記述できることを示している。

このＴＥ（８）をノイズ除去のためのローバスフィルタ
を通してＴ＊（Ｓ）に加算することにより、等価外乱補
償がなされる。

そして、ローパスフィルタの時定数は一般には制御対象
の時定数に比し充分小さくできるので、第４図は第５図
の如く書き替えることができる。

よって、かような第５図に示される如く負荷外乱や各定
数変動に無関係なノミナル値のみで記述できることにな
り、トルク指令に対する回転出力応答は、負荷外乱や定
数変動に影響されないため、ロバストな安定な運転が確
保できる。

なお、第４図に示した等価外乱補償部５のブロックは、
本図を基本として種々の制御プロ，ク上の等価変換が可
能であり、実用面ではより最適な形にして使用されてい
ることは当然である。

さらに、本発明は、 ■　等価外乱補償を施すことによって第５図のプロ，ク
図例の如くになり、第１図および第３図の制御対象２は
、ノミナル値のみの関係式になるので、前述の指令入力
部の調整は制御対象が変動しない形になるため、一度調
整しておけばよいものになる。

また、前述のフィードフォワード補償部も式（２）にお
ける制御対象の（Ｇ−ＫＴ）が（Ｇ−Ｋｒ）になるので
、式（２）の関係が常に保つことができ、フィードフォ
ワード補償が常に有効に働くことになる。

■　上記３つの装置の指令入力部，フィードフォワード
補償部，等価外乱補償部の組合せにより、各装置の機能
の欠点が除去され、その特長が発揮されるものであり、
主制御部のＰＩ制御等の安定化補償装置の機能に対して
は特に制約はない。

しかし、ＰＩ制御の比例ゲインＫＰ，積分ゲインＫ，を
スライディングモードの位相面上の位置に応じて変化さ
すようにした、いわゆる可変構造ＰＩ制御装置を組み合
わせることにより、より一層の効果が発揮できる。

かかる町変構造ＰＩ制御装置は、本出願人による平戒工
年３月が日の特許出願「ｑ変構造ＰＩ制御装置」によっ
て詳述しているところであって，ここでは説明を省略す
るが、その目的としては負荷外乱や定数変動に対するロ
バスト性をもつことにある。

しかし、かような可変構造ＰＩ制御装置だけでは、指令
入力や負荷外乱等が急激に変化した場合はスライディン
グモード位相面上の原点から大きく外れてしまうことに
なり、原点への修正に時間がかかってしまう。

この改善のために、指令入力部やフィードフォワード補
償部を設けることによって、指令入力の急激な変動に追
従さすことができ、また等価外乱補償部を設けることに
より、急激な負荷外乱や制御対象の定数変動に高速に追
従さすことができるものである。

このようにして、ロバスト性を狙った可変構造ＰＩ制御
の唯一の欠点である低速応答性の改善に大きく寄与でき
効用し得る。

■　フィードフォワード補償部のゲイン定数をスライデ
ィングモードの位相面上の位置に応じて変化さすことは
、より一層のロバスト性を推進しつつ、その反面である
低速応答性の改善が指令入力部．等価外乱補償部等の組
合せにより達成できるものである。

■　３つの装置の指令入力部，フィードフォワード補償
部および等価外乱補償部は、同時組合せから前述の効果
を奏するほか、実用上必要に応じて組合せを変えて使用
しても、それなりの効果が期得できることは勿論である
。

〔実　施　例〕

第１図に示した主要プロ，クに対する主要ハード構成を
第６図に示す。

すなわち、指令設定器操作などより指令入力であるＲを
変化させ、指令入力部３を通して指令出力ｒとする。

最終指令入力のｒと状態量の一部である出力Ｙの偏差ｅ
をＰＩ制御装置１等からなる安定化補償を施してその出
力がＴ＊（８）となる。Ｔ＊（８１はパワーアクチュエ
ータを通すことにより、ゲインのＫＴをかけて、制御対
象２に加えられる。

フィードフォワード補償においては、最終指令のｒを入
力し、その出力を安定化補償出力に加算される＠一方、
等価外乱補償において、Ｔ＊（８）とＹを入力として演
算結果を同じく安定化補償の出力に加算されるものとす
る。

ここで、ｃｐｔｙは汎用ＣＰＵでも実現できるが、より
高速応答を要する場合は、ディジタルシグナルプロセ，
サ（ＤＳＰ）を用いれば５０（μＳ）程度のサンプリン
グで実現できる。

〔発明の効果〕

以上説明したように、本発明は過大入力が入って積分演
算飽和による、いわゆるワインドア，プ現象を格別に解
消するための指令入力部、最終指令入力と出力との偏差
を応答よく零にするためのフィードフォワード補償部、
負荷外乱や制御対象の定数変動にロバストにするための
等価外乱補償部の３つの主要機能を組合せることにより
、各機能の特長を保有したまま、欠点を除去できるもの
であり、高速応答でなおかつロバストな制御が実現でき
る実用性の高い装置を提供できる。

特に、安定化補償に町変構造ＰＩ制御装置を用いると、
スライディングモードの位相面の原点近くで常に運転す
ることが応答性を要求される場合には必要であり、かか
る所望を満足することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の技術思想の理解を容易にするため示し
た主要構或ブロック図、第２図は指令入力部の動作説明
のため示した図、第３図はフィ−ドフォワード補償部の
説明のため示したブロック図、第４図は等価外乱補償部
の説明のため示したブロック図、第５図は等価外乱補償
後の制御対象部分を示したブロック図、第６図は本発明
の実施例の説明のため示した主要ハード構或図、第７図
は従来例のＰＩ制御系の説明のため示したブロック図で
ある。 ２・・・・・・制御対象、３・・・・・・指令入力部、
４・・・・・・フィードフォワード補償部、５・・・・
・・等価外乱補償部。 峙許出願人 東洋電機製造株式会社 代表者　上　村　　　哲 為２図 為３図 第４の 為５図 手 続 補 正 書（自発） １． 事件の表示 平底１年特許願第１５９８６３号 ２． 発明の名称 多機能形制御装置 ３． 補正をする者 事件との関係

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １　制御対象の指令入力と該制御対象の状態量との偏差
   量をＰ（比例）およびＩ（積分）等からなる安定化補償
   装置を通して制御対象に印加するようにした安定化フィ
   ードバック制御装置において、前記指令入力は制御対象
   の動特性と関係のある状態量に応じて与えられるように
   構成した指令入力部と、該指令入力を制御対象の数式モ
   デルの逆函数の形に構成した補償装置を通して該補償 装置の出力に印加するフィードフォワード補償部と、制
   御対象の入力量と状態量から該制御対象の運転特性に影
   響を与える変動要素を含めた等価外乱を算出し該等価外
   乱を制御対象の入力側に加算する等価外乱補償部とを備
   えてなることを特徴とした多機能形制御装置。 ２　前記安定化補償装置の比例ゲイン（Ｋ＿Ｐ）および
   積分ゲイン（Ｋ＿Ｉ）を前記偏差量とその時間当たりの
   変化との関係からなる位相面、該位相面における該偏差
   量の時間当たりの変化とスライディングモードの切替線
   との差に応じて変化さすことを特徴とする請求項第１項
   記載の多機能形制御装置。 ３　前記フィードフォワード補償部のゲイン（Ｋ＿Ｆ）
   を該偏差量の時間当たりの変化とスライディングモード
   の切替線との差に応じて変化さすことを特徴とする請求
   項第２項記載の多機能制御装置。