JPH04186401A - デイジタル制御装置のチユーニング方法及び装置 - 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〕 本発明はディジタル制御装置のチューニング方法及び装
置に関わり、特に制御ゲインのオートチューニングによ
り、所望の制御特性に設定する方法及びその装置に関す
る。

〔従来の技術〕

従来、ディジタル制御装置における制御特性の設定は検
査員が制御量の応答を観測しながら手動で行っていた。

このため、設定作業に長時間を費やすとともに、チュー
ニング結果に個人差が現われるなどの問題があった。

これを解決するには制御特性を所望の特性に自動的に設
定するオートチューニングを用いればよい。このような
オートチューニングの手段には特開昭６４−４６１０１
号に述べられているＰＩＤコントローラを対象としたも
のがある。これは、指令値変化時の制御量応答波形から
、オーバシュート量。

減衰係数及び周期の前回値と今回値との比である周期比
を制御量応答波形認識手段により制御応答の評価指標と
して求め、これらの評価指標と調整ルールとに基づきフ
ァジィ推論により制御ゲインを修正する制御ゲイン修正
手段を設け、この制御ゲイン修正手段を上記オーバシュ
ート量または減衰係数が許容範囲を超えた時に、すなわ
ち、所望の制御特性でない場合に上記制御ゲイン修正手
段を機能させる制御性能判定手段を設けている。この方
法はファジィ推論を適用し、熟練検査員と同様な方法で
制御ゲインをチューニングするため、チューニング時に
制御対象に外乱を与えることがない、非線形性の強い制
御対象でもチューニングが可能であるなどの優れた特性
を備えている。

〔発明が解決しようとする課題〕

上記従来技術はＰＩＤコントローラを対象としたもので
あるため、モータのディジタル速度制御装置に上記従来
技術を適用するには次の問題があった。モータ速度の制
御応答は数〜数土肥でありＰＩＤコントローラの制御対
象の制御応答に比べ数百〜数万倍も早い高速応答を行う
。そのため、ディジタル制御装置に組み込まれているマ
イクロプロセッサはＰＩＤコントローラのマイクプロセ
ッサに比較して、そのサンプリング周期は数百から数万
分の−の短い周期で制御演算を行っている。

したがって、マイクロプロセッサに処理時間の余裕がな
く、サンプリング周期毎に制御応答を評価してオーバシ
ュート量などの評価指標を求めることは難しいため、オ
ートチューニングの処理を行うことはできない。あるい
は速度制御演算周期を長くして処理時間に余裕を作りオ
ートチューニングの処理を行うと必要とする高速な速度
制御応答が得られなくなるという問題点がある。さらに
、モータ、負荷などの定数は運転状態ではあまり大きく
変化しないため制御特性のチューニングは最初に一度行
うだけで十分であるので、従来はディジタル制御装置の
設置時に行っている。このため、オートチューニング手
段をディジタル制御装置に内蔵した場合には、運転時は
使用されない機能を備えることになり、複雑、高価にな
ることからコストパフォーマンスが悪くなるという問題
点がある。更に、従来の制御量応答波形認識手段を使用
すると制御応答が高速であることから所望の働きが追い
つけずオートチューニングができくなる問題もある。

本発明の目的は上記問題点を解決したオートチューニン
グ機能を備えたディジタル速度制御装置のチューニング
方法及び装置を提供することにある。

〔課題を解決するための手段〕

上記課題を解決するために、ディジタル制御装置にサン
プリング毎の指令値と制御量の検呂値を制御応答データ
として蓄積する制御応答蓄積手段、前記制御応答蓄積手
段に蓄積された制御応答とフィードバック制御の制御ゲ
インの書き換えを可能とするデータ入出力手段を設け、
さらに、前記制御応答蓄積手段に蓄積された制御応答デ
ータを入力する制御応答読みだし手段、望む制御特性を
設定する制御特性設定手段、制御応答データと前記制御
特性設定手段に設定された設定制御特性とから評価指標
を求める制御応答評価手段、前記評価指標を基に制御ゲ
インを修正する制御ゲイン修正手段からなる制御ゲイン
チューニング装置を設けたものである。

〔作用〕

制御応答蓄積手段のサンプリング毎の指令値と制御量の
検出値を蓄積する、データ入出力手段は前記制御応答蓄
積手段に蓄積された制御応答データとフィードバック制
御の制御ゲインの書き換えを行う、制御ゲインチューニ
ング装置は制御応答読みだし手段によりデータ入出力手
段を介し、前記制御応答蓄積手段に蓄積された制御応答
データを入力し、制御特性設定手段に設定された設定制
御特性と制御応答データとから制御応答評価手段により
評価指標を求め、制御ゲイン修正手段により前記評価指
標を基に制御ゲインを修正し、データ入出力手段により
制御ゲインを修正し、制御特性を所望の特性にチューニ
ングする。

〔実施例〕

以下、本発明の実施例について図にしたがって説明する
。第１図は本発明に係わる一実施例を示す図である。１
はディジタル制御装置、２はパワー変換器、３はモータ
、４はモータ３の速度を検圧する速度検出器、５はチュ
ーニング装置である。

ディジタル制御装置１は速度検出器４で検出されるモー
タ３の速度検出値と速度指令を入力し、その偏差にＰＩ
Ｄ補償演算を行いパワー変換器２を動作させて速度を制
御する速度制御１０１とサンプリング周期毎の速度指令
と速度検出値とを蓄積する速度応答蓄積１０２、速度応
答蓄積１０２の蓄積データの読比し、速度制御１０１の
制御ゲインの書き換えを行うデータ入出力１０３とから
構成する。チューニング装置５はディジタル制御装置１
の速度応答蓄積１０２に蓄積された速度指令ｒｎ＋速度
検出値ｎｎ　を入力する速度応答読出し５１．補間処理
５２１と制御応答評価５２２とからなる制御特性評価５
２．所望する制御特性を設定する制御特性設定５３、速
度制御１０１の制御ゲインを変更する制御ゲイン変更５
４１．制御ゲイン修正量を決める制御ゲイン修正量決定
５４２、制御ゲイン修正量決定５４２の制御ゲイン修正
方法を規定するチューニングルール５４３からなる制御
ゲイン修正５４から構成する。

速度制御１０１及び速度応答蓄積１０２の機能はディジ
タル制御装！１内のマイクロプロセッサのプログラムに
よって処理され機能する。第２図に示すフローチャート
によりその処理プログラムを説明する。処理は所定のサ
ンプリング周期毎に発生する制御割り込みによって開始
され、速度制御１０１の処理１０００と速度応答蓄積１
０２の処理１００１が行われる。処理１０００はさらに
ステップ１０００ａ〜１０００ｄから構成する。

ステップ１０００ａでは速度指令ｒと速度検出値ｎの入
力を行う。ステップ１０００ｂで偏差ｅをステップ１０
００ａで入力した速度指令ｒと速度検出値ｎから計算す
る。ステップ１０００ｃでＰＩＤ補償演算を行い、偏差
ｅに比例ゲインを乗じた値と今までの偏差ｅの積分値に
積分ゲインを乗じた値と偏差の微分値に微分ゲインを乗
じた値とを加え合わせて制御量の電流指令を決定する。

ステップ１０００ｃｌで電流指令をパワー変換器２に出
力してモータ３を動作させる。

速度応答蓄積１０２にあたる処理１００１はステップ１
００１ａ〜１００１ｃから構成する。ステップ１００１
ａで速度指令ｒをディジタル制御装置１のマイクロプロ
セッサに備えたメモリである速度指令メモリＲＥＦのｉ
番地に格納、速度検出値ｎを同じく速度検出値メモリＳ
ＰＤのｉ番地１こ格納し、ｉを１増加する動作を行う。

ステップ１００１ｂではｉが速度指令メモリＲＥＦ、速
度検出値メモリＳＰＤのそれぞれの最終番地であるＩＮ
Ｍ番地までデータを蓄積したかどうかを判定し、最終番
地ＩＮＨに達している場合にはステップ１００１ｃを行
うようにする。ステップ１００１　ｃはｉを速度指令メ
モリＲＥＦ、速度検出値メモリＳＰＤのそれぞれの先頭
値Ｏに設定する。この処理１００１により各制御サンプ
リング毎の指令値ｒｎと速度検出値ｎｎが速度指令メモ
リＲＥＦ、速度検出値メモリＳＰ’Ｄに格納される。

データ入出力１０３は速度応答蓄積１０２の蓄積データ
をチューニング装置５から読出し可能とする、及びチュ
ーニング装置５の制御ゲイン変更５４１により速度制御
１０１の制御ゲインを変更する働きを行い、その動作も
同じくディジタル制御装置１のマイクロプロセッサによ
って処理され機能する。第３図によりデータ入出力１０
３の動作を説明する。

蓄積データを速度応答読出し５１により入力するデータ
読出し時には第３図（ａ）に示すデータ形式で、チュー
ニング装置５の速度応答読出し５１とデータ入出力１０
３との間でデータの授受が行われる。読出しを示すコマ
ンドとして′ｒ′。

続いて、区切りを示す空白Ｉ　Ｓｐ　ｌ、次に読み出す
蓄積データメモリのアドレス、区切りを示す空白＃　ｓ
Ｐｊ、読み出すデータ数を示すデータカウント、最後に
くぎりを示す空白ＪＳｐｌ　が速度応答読出し５１から
データ入出力１０３に与えられる。これをディジタル制
御装置１のマイコンが入力すると、蓄積データをアドレ
ス位置からデータを順次データカウント数個読出し、チ
ューニング装置５に出力する。チューニング装置５の速
度応答読出し５１はこのデータを順次量は取り、メモリ
に格納することにより、速度応答データの読出しを行う
。

速度制御１０１の制御ゲインを制御ゲイン変更５４１が
書き換える場合には、第３図（ｂ）に示すデータ形式で
、データ入出力１０３との間でデータの授受を行う。書
込みを示すコマンドとしてｇ　ｋｌ　が送られ、区切り
を示す空白ｉ　ｓＰｌ、次に書き込む制御ゲインを記憶
しているメモリの先頭アドレス、区切りを示す空白１ｓ
ｐｊ、書き込むデータ数を示すデータカウント、区切り
を示す空白ｌ　ｓ　ｐＪ、の後に書き込むデータをデー
タカウントの数だけ送る。こ九をディジタル制御装置１
のマイコンが入力すると、データカウント数個のデータ
をアドレスで指定される位置のメモリから順次書き込む
動作を行いデータ入出力１０３の機能が果たされる。

次にチューニング装置Ｓの動作を説明する。チューニン
グ装置５の全体的な動作は次のようになる。速度応答読
出し５１によりディジタル制御装置１のメモリに蓄積さ
れた速度応答データが読み出され、制御特性評価５２で
制御応答の特徴量が抽出される。その際、メモリに蓄積
されたデータは、サンプリング時点のデータであるので
、補間処理５２１によりサンプリング間のデータを補な
い正確な制御特性特徴量抽出を行う６特微量は制御特性
５３に設定された所望の制御特性と比較され、制御特性
評価指標が決定される。制御特性評価指標は制御ゲイン
修正量決定５４２に入力され、調整ルール５４３を基に
ファジィ推論が行われて、制御ゲイン変更５４１により
データ入出力１０３を介して速度制御１０１の制御ゲイ
ンを書き換え制御特性のチューニングを行う。

制御特性評価５２で行う制御特性評価指標の決定処理に
ついて第４図及び第５図を基に説明する。

制御特性評価５２で評価する制御特性評価指標は時定数
、オーバシュート量、減衰係数である。第４図はその処
理のフローチャート、第５図は速度応答読出し５１によ
り読み出された蓄積データと制御応答の関係を示してい
る。ステップ２００゜では速度指令のステップ変化幅ｒ
、とその開始時刻Ｔ０を求める。その処理は速度指令値
ｒ、を読出し、ｉを順次増加し、次式を満たすｉを求め
、（２）、　（３）式によりステップ変化＠ｒｗ、ステ
ップ開始時刻Ｔ０を算出する。

ｒ亀≠ｒ１＋、　　　　　　　　　　　　　　・・・（
１）ｒ、≠ｒｉ＋１−ｒ、　　　　　　　　　　　・・
・（２）Ｔ　ｏ　＝Ｔ　ｓ本ｉ　　　　　　　　　　　
　　　　・（３）ただし、Ｔｓはサンプリング周期 ステップ２００１はステップ変化幅ｒ、の６３％の値ｎ
ｔ　を次式により算出する ｎｔ　＝０．６３＋ｋ　ｒｗ　　　　　　　　　　・・
・（４）ステップ２００２では時定数を求めるために次
式に示す６３％値を挟むｎＰｐｎＭを速度検出値の蓄積
データから探索する。

ｎＰ≦ｎｔ≦ｎｑ　　　　　　　　　　　・−（５）ス
テップ２００３では時定数ｔｒを求める。このステップ
は補間処理５２１の処理にあたり、次式によりモータ速
度がｎｔに正確に一致する時点を補間により求め、時定
数Ｔｒを算出する。

Ｔｒ＝（ｐ　＋（ｎｔ−ｎｐ）／（ｎｑ−ｎｐ））・Ｔ
ｓ　　Ｔ。

・・・（６） ステップ２００４では極値ｎ□ｐｎｍ２Ｈ・・・を求め
る。速度検出値ｎｎを順次読み出し、増加から減少に転
する点ｎａ’、ｎｂを求める。

極値ｎ＝１はｎａ、ｎ６の２点間にあるのでその値を補
間処理５２１により求める。補間は次の２次式により行
う。ただし、時間ｔの原点はｎａの時点とする。

ｎ＝αｔ２＋βｔ＋γ　　　　　　　　　・・・（７）
（７）式は２次式であるのでｎａ、ｎｂｔ　ｎｃの３点
を用いてα、β、γを決定すると次式となる。

ｒｓ γ”ｎａ　　　　　　　　　　　　　　　・・・（１ｏ
）（７）式が極値をとる時間ｔ、を求めると次式となり
、極値ｎ□は（１２）式により求まる。

ｎａ−３ｎｂ＋ｎｃ １１　ｎａ’＋９ｎｂ”＋ｎｃ”−２０ｎａｎｂ　　６
ｎｂｎｃ＋８ｎｃｎａ・・・（１２） 他の極値ｎ１２．・・・も同様にして求める。なお、制
御特性の応答が振動的でない場合に極値は生じないが、
その場合には求めることのできない極値ｎｍｚＨｎ＋ｍ
２ｙ・・・の値はＯとする。

ステップ２００５では時定数評価指標ＴＲを計算する。

ステップ２００３で求めた時定数、制御特性設定５３に
設定された時定数の目標制御特性ｔｒｓから次式により
求める。

Ｔ　Ｒ＝　ｔｒ／　ｒ　ｒｓ　　　　　　　　　　　　
　・・・（１３）ステップ２００６ではオーバシュート
量評価指標Ｅを計算する。ステップ２００４で求めた最
初の極値ｎ＋ａｉ、ステップ２０００で求めたステップ
変化幅ｒｗ、ステップ指令値から次式で求める。

Ｅ　−（ｎ　ｗａ、−ｒ　ｔ＋、）／　ｒ　Ｗ　　　　
　　　−（１４）なお、極値ｎ１□の値がＯの場合には
、オーバシュート量評価指標Ｅは１とする。

ステップ２００７では減衰係数評価指標りを計算する。

ステップ２００４で求まる極値ｎ１□。

ｎ■２．ｎ、、から次式により求める。

ｎ＝（ｎｍ、ｎｍｚ）／（ｎｍｚ　　ｎｍ２）　　　・
・・（１ｓ）なお、極値ｎ１□Ｈｎ　ｗａ２　ｐ　ｎ　
１１３のいずれかの値がＯの場合に、減衰係数評価指標
りは０とする。

次にファジィ推論を用いた制御ゲイン修正−５４につい
て説明する。制御ゲイン修正量決定５４２は時定数ＴＲ
、オーバシュート量Ｅ及び減衰係数Ｄ、それぞれの制御
特性評価指標の大きさを定性的に評価するために、それ
ぞれの制御特性評価指標に対してそれぞれ第６図（ａ）
乃至第６図（ｃ）に示すようなメンバーシップ関数を定
義する。図中のＴＲ１〜ＴＲ４，Ｅ１〜Ｅ、、　Ｄよ、
Ｄ２はメンバーシップ関数を規定する定数であり、ＮＢ
、ＺＥ。

ＰＭ、ＰＢは大きさを定性的に評価するためにメンバー
シップ関数に与えた名称であり、それぞれ下記の意味を
持つ。

Ｎ　Ｂ　：　Ｎｅｇａｔｉｖｅ　ＢｉｇＺ　Ｅ　：　Ｚ
ｅｒ。

Ｐ　Ｍ　：　Ｐｏ５ｉｔｉｖｅ　ＭｅｄｉｕｍＰ　Ｂ　
　：　Ｐｏ５ｉｔｉｖｅ　　Ｂｉｇまた、図の縦軸は確
信度であり０〜１の値をとる。

チューニングルール５４３のルールの一例を第７図に示
す。種々の制御応答形状に対して、制御特性評価指標を
前記メンバーシップ関数で評価し、定性的に評価した結
果により各制御ゲインをどのように修正すればよいかが
定性的に指定されている。例えば、ルール１の場合は、 １ｆ（ＴＲｉｓ　　Ｐａ　　ａｎｄ　　Ｅ　　ｉｓ　　
ＺＥ　　ａｎｄ　　Ｄ　　ｉｓ　　ＺＥ）ｔｈｅｎ（Ｋ
ｐ　ｉｓ　ＰＢ　ａｎｄ　Ｔｌ１ｓ　ＺＥ　ａｎｄ　Ｔ
ｏ　ｉｓ　ＺＥ）という意味である。ここに、ＴＲは時
定数、Ｅはオーバーシュート量、Ｄは減衰係数のそれぞ
れの制御特性評価指標であり、Ｋｐ、Ｔｒ、Ｔｏは比例
ゲイン、積分ゲイン、微分ゲインのおのおのの修正係数
を示す、第８図は定性的に決定される制御ゲインの修正
係数Ｋｐ、ＴＩ、Ｔｏを定量的な量に変換するメンバー
シップ関数であり、制御ゲイン修正量決定５４２に備え
られている。図中の０１〜Ｃ４はメンバーシップ関数の
形を規定する定数である。ＮＢ、ＺＥ、ＰＢは制御ゲイ
ンの修正係数の大きさを定性的に表わすためにメンバー
シップ関数に与えた名称であり、第６図で使用している
名称と同一の意味を持つ。また、図の縦軸は確信度であ
る。

制御ゲイン修正量決定５４２は制御特性評価５２からの
制御特性指標を入力し、それぞれの制御特性評価指標を
第６図に示すメンバーシップ関数により定性的に判定し
、チューニングルール５４３に基づきファジィ推論を行
い、制御ゲイン修正係数を定性的に決定し、さらに、第
８図に示すメンバーシップ関数により制御ゲインの修正
係数を定量的な値とする。与えられたオーバシュート量
Ｅ、減衰係数り９時定数ＴＲに対する定性的な制御ゲイ
ン修正係数が第７図に示したように複数のチューニング
ルールで規定された場合、各メンバーシップ値に応じた
加重平均をとり定量的な値に変換する。

制御ゲイン変更５４１は制御ゲイン修正量決定５４２で
得られＰＩＤ制御ゲインの修正係数とＰＩＤ制御ゲイン
の前回値とを乗じて今回の制御ゲインを決定し、データ
入出力１０３を介し速度制御１０１の制御ゲインを変更
する。

本実施例によれば、オートチューニングのためにディジ
タル制御装置１での処理は、サンプリング周期毎に指令
値と速度検出値をメモリに格納するだけの簡単な処理で
済むので、制御応答速度を低下させることなくディジタ
ル制御装置１のマイコンで処理でき、オートチューニン
グを行うことができる。さらに、ディジタル制御装置１
にファジィ推論を行い制御ゲインを修正する複雑な部分
を内蔵する必要は無く、構成が複雑になることはない。

また、ディジタル制御装置１とチューニング装置５とが
分離されているので、１つのチューニング装置５を多数
のディジタル制御装置１に順次使用することもでき、低
価格でオートチューニング機能を実現できる効果がある
。さらに、補間処理により制御特性を正しく評価してい
るので、設定した制御特性に正確にオートチューニング
が行える効果もある。

補間処理５２１は時定数ｔｒの補間には１次式を、極値
ｎｍ１ｙ　ｎｍ２ｙ・・・の補間には２次式を用いた例
を説明したが時定数ｔｒ、極値の補間ｎ、１゜ｎ、２．
・・・ともに同一次数、あるいはより高次または低次の
補間を行っても良い。また、制御ゲイン修正量決定５４
２においてメンバーシップ関数を三角形としたが、必ず
しもこの形にこだわる必要はなく２次曲線や指数関数な
どを用いても良い。

さらに、メンバーシップ関数の形だけでなく、その数も
任意に設定してもよく、また制御応答評価指標として他
のものを用いても良い。

〔発明の効果〕

本発明によれば、オートチューニングのためのディジタ
ル制御装置での処理は、サンプリング周期毎に指令値と
速度検出値をメモリに格納するだけの簡単な処理で済む
ので、制御応答速度を低下させることなくディジタル制
御装置のマイコンで処理でき、オートチューニングを行
うことができる。さらに、ディジタル制御装置にファジ
ィ推論を行い制御ゲインを修正する複雑な部分を内蔵す
る必要が無いため、ディジタル制御装置の構成が複雑に
なることはない。また、ディジタル制御装置とチューニ
ング装置とが分離されるので、１つのチューニング装置
を多数のディジタル制御装置に順次使用することもでき
、低価格でオートチューニング機能を実現できる効果が
ある。さらに、補間処理により制御特性を正しく評価し
ているので、設定した制御特性にオートチューニングが
行える効果もある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明によるディジタル制御装置におけるオー
トチューニングの構成を示す図、第２図はディジタル制
御装置の動作を説明するフローチャート、第３図は蓄積
データの読出し、制御ゲインの書き換えで用いるデータ
フォーマットを説明する図、第４図は制御特性評価指標
を求める処理のフローチャート、第５図は制御特性評価
指標を求める処理を説明するための制御応答の図、第６
図（ａ）乃至第６図（ｃ）は制御応答評価用のメンバー
シップ関数を示す図、第７図はチューニングル−ルの一
例を示す図、第８図は制御ゲイン修正係数用メンバーシ
ップ関数を示す図でアル。 １・・・ディジタル制御装置、２・・・パワー変換器、
３・・・モータ、４・・・速度検出器、５・・・チュー
ニング装置。 第１図 第２図 第３図 ８）データ読み出し 第４図 第６図　　　第６図　　　第６図 鎗）　　　　　　　　　（Ｊ）　　　　　　　　ＣＣ／
）第７図 第８図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、定められたサンプリング周期毎に指令値と制御量の
   検出値を入力してフィードバック制御を行うディジタル
   制御装置において、サンプリング毎に前記指令値と前記
   制御量の検出値とを制御応答データとして蓄積する制御
   応答蓄積手段、前記制御応答蓄積手段に蓄積された制御
   応答データの読出しと前記フィードバック制御の制御ゲ
   インの書き換えを行うデータ入出力手段を設けたディジ
   タル制御装置、前記ディジタル制御装置の制御応答蓄積
   手段に蓄積された制御応答データを前記ディジタル制御
   装置のデータ入出力手段を介して入力する制御応答読み
   だし手段、望む制御特性を設定する制御特性設定手段、
   前記制御応答読みだし手段により入力した制御応答デー
   タと前記制御特性設定手段に設定された制御特性とから
   評価指標を求める制御応答評価手段、前記評価指標を基
   に制御ゲインを修正する制御ゲイン修正手段からなる制
   御ゲインチューニング装置を接続して制御特性をチュー
   ニングすることを特徴とするディジタル制御装置のチュ
   ーニング装置。 ２、請求項第１項記載のチューニング装置において、評
   価指標算出に必要とする値をサンプリング間の制御応答
   データから補間演算を行い推定して得ることにより評価
   指標を求めることを特徴とするディジタル制御装置のチ
   ューニング方法。 ３、請求項第１項記載のディジタル制御装置のチューニ
   ング装置において、ディジタル制御装置の調整時にのみ
   ディジタル制御装置にチューニング装置を接続し、ディ
   ジタル制御装置の運転時にはチューニング装置を接続し
   ないことを特徴とするディジタル制御装置のチューニン
   グ方法。