JPH0628005A - Control method using sliding mode control system - Google Patents
Control method using sliding mode control systemInfo
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Abstract
Description
【0001】[0001]
【産業上の利用分野】本発明は,例えばロボットの各軸
を駆動するモータのようにパラメータ変動が大きく非線
形要素を含む制御対象への出力に切換え動作を導入する
ことによりロバストな制御を行うスライディングモード
制御系に係り,特に制御のチャタリングに起因して生じ
る定常誤差を抑制することのできるスライディングモー
ド制御系を用いた制御方法に関するものである。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a sliding system for performing robust control by introducing a switching operation into an output to a controlled object including a nonlinear element such as a motor for driving each axis of a robot which has a large parameter variation. The present invention relates to a mode control system, and more particularly to a control method using a sliding mode control system capable of suppressing a steady-state error caused by control chattering.
【0002】[0002]
【従来の技術】例えば,ロボット等を駆動する場合,モ
ータに加わる負荷イナーシャや非線形項は大きく変動す
るため,PID制御によっては高精度な制御を行うこと
ができない。そこで,上記したようなスライディングモ
ード制御系が適用されている。上記したような一般的な
スライディングモード制御系23を用いたサーボ制御系
21,21a ,21b を図10,図11,図12に示
す。一般的なスライディングモード制御系は,通常2次
システムを制御対象としており,ここでは次式で表現さ
れるモータシステム2が制御対象として設定される。 Jθ″+C=τ+D …(1) ここで,J:慣性(ロボット等の場合は姿勢によって変
化する) θ:モータの回転角度 τ:トルク C:摩擦・粘性・遠心・コリオリ・重力項等の非線形項 D:外乱項 なお,以下の説明において,各符号の右肩に付した′は
その記号に関する一次時間微分,″は2次時間微分,^
は推定値をそれぞれ表す。上記各サーボ制御系21〜2
1b では,制御量としての回転角度θ,回転角速度θ′
のそれぞれの目標値θd ,θd ′に対する誤差e,e′
を0に近づけるように,上記スライディングモード制御
系23がモータシステム2への制御指令値であるトルク
τを演算するための演算値を切換えて出力するようにな
っている。サーボ制御系21は,非線形補償系6により
演算された推定出力によって上記スライディングモード
制御系23からの制御指令値を補償して制御精度の向上
化を更に図るようになっている。また,サーボ制御系2
1a には上記モータシステム2を,例えば伝達関数等に
より表現したモデル4を用いて制御状態を推定し,この
モデル4からの推定出力J^θ″+C^とモータシステ
ム2へのトルクτとの差が減算器7により演算されて外
乱値δとして演算される。この外乱値δは外乱推定オブ
ザーバとしてのフィルタ5によって補償されて外乱推定
値δ^が演算され,この外乱推定値δ^によって上記ス
ライディングモード制御系23からモータシステム2へ
の制御指令値が補償される。2. Description of the Related Art For example, when a robot or the like is driven, the load inertia applied to the motor and the nonlinear term vary greatly, so that highly accurate control cannot be performed by PID control. Therefore, the sliding mode control system as described above is applied. Servo control systems 21, 21 a and 21 b using the general sliding mode control system 23 as described above are shown in FIGS. 10, 11 and 12. A general sliding mode control system usually controls a secondary system, and here the motor system 2 represented by the following equation is set as a control target. J θ ″ + C = τ + D (1) where J: inertia (varies depending on the posture in the case of a robot etc.) θ: rotation angle of the motor τ: torque C: non-linearity of friction, viscosity, centrifugal force, Coriolis, gravity term, etc. Term D: Disturbance term In the following description, ′ attached to the right shoulder of each symbol is the first-order time derivative of the symbol, ″ is the second-order time derivative, and ^
Represents the estimated value. Each of the above servo control systems 21 to 2
In 1 b , the rotation angle θ and the rotation angular velocity θ ′ as the controlled variables
Error e, e ′ for each target value θ d , θ d ′ of
The sliding mode control system 23 switches and outputs a calculation value for calculating the torque τ, which is a control command value to the motor system 2, so that the value becomes closer to zero. The servo control system 21 compensates the control command value from the sliding mode control system 23 by the estimated output calculated by the non-linear compensation system 6 to further improve the control accuracy. In addition, the servo control system 2
The motor system 2 to 1 a, for example, to estimate the control state using the model 4 was expressed by the transfer function or the like, the torque τ of the estimated output J ^ θ "+ C ^ and motor system 2 from the model 4 Is calculated as a disturbance value δ by a subtractor 7. The disturbance value δ is compensated by a filter 5 as a disturbance estimation observer to calculate a disturbance estimated value δ ^, and the disturbance estimated value δ ^ is calculated. The control command value from the sliding mode control system 23 to the motor system 2 is compensated.
【0003】そして,上記サーボ制御系21b では,上
記した各サーボ制御系21,21aにおける非線形補償
系6,モデル4,減算器7,フィルタ5を組合わせるこ
とにより,上記モータシステム2に対する制御のより一
層の高精度化が図られている。上記スライディングモー
ド制御系23は,非線形項Cや外乱項Dが急激に変化し
ても,これらの変動を抑制し,上記誤差e,e′を0に
しておくことができる制御系である。ここで,上記モー
タシステム2に対する誤差システムは, Je″=τ−Jθd ″−C+D …(2) と表現することができる。いま,トルクτをスライディ
ングモード制御系23からの制御入力νとその他の制御
系(例えば非線系補償系6やフィルタ5)からの制御入
力ξとに分けて考えると, τ=ν+ξ …(3) となる。これにより,(2)式の誤差システムは, Je″=ν+E …(4) E=ξ−Jθd ″−C+D …(5) と記述される。ここで,上記制御入力ξを(−Jθd ″
−C+D)に対する補償入力と考えれば,(5)式のE
は上記制御入力ξによっては補償しきれなかった補償誤
差と考えることができる。また,次式のように,上記補
償誤差Eは誤差e,e′に関する項ED e,EV e′と
それらと無関係の項EC とに分離することができる。 E=EC +ED e+EV e′ …(6) ここで,EC ,ED ,EV はそれぞれ上記各項に対応し
た補償誤差係数である。この(6)式を(4)式に代入
すれば, Je″=ν+EC +ED e+EV e′ …(7) と表現することができる。この(7)式の誤差システム
が漸近安定化するように,上記スライディングモード制
御系23の制御入力νが決定される。ここで,上記モー
タシステム2への制御入力を切換えるための切換変数S
が次式のように, S=e′+λe …(8) ここで,λ:誤差eの収束特性を決定するための決定定
数(正数) と定義される。そして,スライディングモード制御系2
3からの制御入力νが次式のように求められる。 ν=−(KC +KD |e|+Kv |e′|)・sgn(S)…(9) 但し,sgn(x)はx≧0ならば1の値をかえし,x
<0ならば−1の値をかえす符号関数である。The servo control system 21 b controls the motor system 2 by combining the nonlinear compensation system 6, model 4, subtractor 7, and filter 5 in each of the servo control systems 21 and 21 a described above. The accuracy is further improved. The sliding mode control system 23 is a control system that can suppress the fluctuations of the nonlinear term C and the disturbance term D even if the nonlinear term C and the disturbance term D change suddenly and keep the errors e and e ′ at zero. Here, the error system for the motor system 2 can be expressed as Je ″ = τ−Jθ d ″ −C + D (2). Now, when the torque τ is divided into the control input ν from the sliding mode control system 23 and the control input ξ from other control systems (for example, the non-linear system compensation system 6 and the filter 5), τ = ν + ξ (3 ). Thereby, the error system of the equation (2) is described as Je ″ = ν + E (4) E = ξ−Jθ d ″ −C + D (5). Here, the control input ξ is (−Jθ d ″
Considering the compensation input for −C + D), E in Eq. (5)
Can be considered as a compensation error that could not be compensated by the control input ξ. Further, the compensation error E can be separated into terms E D e, E V e ′ relating to the errors e and e ′ and a term E C irrelevant to them, as in the following equation. E = E C + E D e + E V e ′ (6) Here, E C , E D , and E V are compensation error coefficients corresponding to the above-mentioned respective terms. By substituting equation (6) to (4), can be expressed as Je "= ν + E C + E D e + E V e '... (7). The equation (7) the error system is stabilized asymptotically Thus, the control input ν of the sliding mode control system 23 is determined, where the switching variable S for switching the control input to the motor system 2 is selected.
Is expressed by the following equation: S = e ′ + λe (8) where λ is defined as a decision constant (positive number) for determining the convergence characteristic of the error e. And the sliding mode control system 2
The control input ν from 3 is obtained by the following equation. ν = − (K C + K D | e | + K v | e ′ |) · sgn (S) (9) where sgn (x) returns a value of 1 if x ≧ 0, and x
If <0, it is a sign function that returns a value of -1.
【0004】また,KC ,KD ,KV は,補償誤差係数
EC ,ED ,EV に対応してそれぞれ設定される制御ゲ
インである。そこで,リアプノフ関数の候補としてある
関数Vが次式のように, V=S2 /2 …(10) と設定される。さらに,上記関数Vの1次時間微分値
V′は, V′=SS′ =S(e″+λe′) =S(Je″+λJe′)/J =S(ν+EC +ED e+EV e′+λJe′)/J =S(−(KC +KD |e|+KV | e′|)・sgn(S) +EC +ED e+EV e′+λJe′)/J ≦|S|(−(KC +KD |e|+KV |e′|)+|EC | +|ED |×|e|+|EV +λJ|×|e′|)/J =|S|((|EC |−KC )+(|ED |−KD )|e| +(|EV +λJ|−KV )|e′|)/J …(11) となる。そこで,各制御ゲインKC ,KD ,KV を, KC ≧|EC | …(12a ) KD ≧|ED | …(12b ) KV ≧|EV +λ×(J^+△J)| …(12c ) とし,これらの条件式が成立すれば,(11)式の関数
Vの1次時間微分値V′は, V′≦|S|((|EC |−KC )+(|ED |−KD )|e| +(|EV +λJ|−KV )|e′|)/J ≦ 0 …(13) となる。従って,上記関数Vは,適性なスライディング
モード制御を実行するための周知のリアプノフ関数であ
ることが分かる。Further, K C , K D and K V are control gains which are set corresponding to the compensation error coefficients E C , E D and E V , respectively. Therefore, the function V with a candidate Lyapunov function is set by the following equation, V = S 2/2 ... (10). Furthermore, 1 time derivative value V of the function V 'is, V' = SS '= S (e "+ λe') = S (Je" + λJe ') / J = S (ν + E C + E D e + E V e' + λJe ′) / J = S (− (K C + K D | e | + K V | e ′ |) · sgn (S) + E C + E D e + E V e ′ + λJe ′) / J ≦ | S | (-(K C + K D | e | + K V | e ′ |) + | E C | + | E D | × | e | + | E V + λJ | × | e ′ |) / J = | S | ((| E C | -K C) + (| E D | -K D) | e | + (| E V + λJ | -K V) | e '|) / J ... a (11). Therefore, the control gains K C , K D , and K V are expressed as K C ≧ | E C | ... (12 a ) K D ≧ | E D | (12 b ) K V ≧ | E V + λ × (J ^ + ΔJ) | (12 c ), and if these conditional expressions are satisfied, the first-order time differential value V ′ of the function V of the expression (11) is V ′ ≦ | S | ((| E C | −K C ) + (| E D | −K D ) | e | + (| E V + λJ | −K V ) e ′ |) / J ≦ 0 (13) Therefore, it can be seen that the function V is a well-known Lyapunov function for executing appropriate sliding mode control.
【0005】上記リアプノフ関数Vは常に正で最小値が
0であり,もしV′≦0であればリアプノフ関数Vは最
小値(=0)に収束する。また,これにより切換変数S
(制御すべり面)は常に収束し,制御の応答性がS=0
の一定の応答関数によって決定される。即ち,リアプノ
フの定理より,上記切換変数Sは漸近安定であり, S→0(t→∞) …(14) が補償され,切換変数Sが0になれば, e′=−λe …(15) が(8)式から成立する。これによって,上記誤差eも
漸近安定となり,この誤差eも0に収束する。この場
合,上記した条件式((12a )〜(12c )式)が成
立する制御ゲインを選定することができるか否かが重要
となる。そこで,上記誤差eの範囲を限定すれば,上記
補償入力ξ,回転角度θ,非線形項Cの上下限を見積も
ることは可能であるため,上記補償誤差Eの上下限も決
定することができ,更には各補償誤差係数EC ,ED ,
EV の上下限も見積もることができる。従って,上記各
補償誤差係数の上下限の見積り値よりも,十分に大きな
値の制御ゲインKC ,KD,KV を設定すればよい。The Lyapunov function V is always positive and has a minimum value of 0. If V'≤0, the Lyapunov function V converges to the minimum value (= 0). In addition, the switching variable S
(Control slip surface) always converges, and the control response is S = 0.
Is determined by the constant response function of. That is, according to Lyapunov's theorem, the switching variable S is asymptotically stable, and if S → 0 (t → ∞) (14) is compensated and the switching variable S becomes 0, then e ′ = − λe (15) ) Holds from equation (8). As a result, the error e also becomes asymptotically stable, and the error e also converges to zero. In this case, it is important whether or not the control gain that satisfies the conditional expression (( 12a ) to ( 12c )) can be selected. Therefore, if the range of the error e is limited, it is possible to estimate the upper and lower limits of the compensation input ξ, the rotation angle θ, and the nonlinear term C. Therefore, the upper and lower limits of the compensation error E can also be determined. Furthermore, each compensation error coefficient E C , E D ,
The upper and lower limits of E V can also be estimated. Therefore, it suffices to set the control gains K C , K D and K V that are sufficiently larger than the estimated values of the upper and lower limits of each compensation error coefficient.
【0006】[0006]
【発明が解決しようとする課題】上記したように,スラ
イディングモード制御系23によれば,理論的には外乱
項D,非線形項Cや慣性Jの変動の影響を完全に打消す
ことができ,最適な制御を行うことができる。しかしな
がら,実際の制御を行うに際して,切換変数Sの符号に
よってコントローラ(不図示)を切換える必要があり,
アナログ式の制御構成によっては実現することができな
い。従って,コンピュータ(CPU)等を用いたディジ
タル式の制御構成により実現されている。そのため,あ
るサンプリグ周期(切換え出力周期)△T毎に制御が実
行される。このように,上記スライディングモード制御
系23によれば,切換変数Sによって制御入力νを不連
続に切換えて変化させるため,サンプリング周期△T毎
の制御においてチャタリングと称する微小振動が発生
し,これに起因して定常誤差を生じる。上記したように
理論的には優れているスライディングモード制御が一般
的に普及していないのは,上記したようなチャタリング
現象や上記定常誤差が原因である。以下に示す例では、
上記定常誤差について述べる。上記定常誤差は上記制御
入力νの不連続に変化した変化量やサンプリング周期△
Tに依存している。いま,上記誤差eやe′が微小であ
れば,(9)式の制御則より制御指令値であるトルクτ
の不連続な変化分は,(9)式及び(3)式から上記ゲ
インKC となる。従って,定常誤差ef は次式で示す関
係 |ef |≦△T×|KC −EC |/λ/J …(16) となる。従って,上記スライディングモード制御系にお
ける定常誤差ef を小さくするためには,上記サンプリ
ング周期△Tを短くするか,或いは上記制御ゲインの項
KC −EC を小さくするか,又は上記決定定数λを大き
くすることにより実現することができる。しかしなが
ら,サンプリング周期△Tは上記CPUの演算速度等に
起因して短くするためには限界がある。また,上記制御
ゲインKC は条件式((12a )式)によって規制され
ており,通常この条件式を満たすために,上記制御ゲイ
ンK C が補償誤差係数EC に対してかなり大きな値に設
定されている。これは,上記条件式((12a )〜(1
2c )式)中の各補償誤差係数Ec ,ED ,EV の値が
不確かなものであって大まかな値しか得ることができな
いため,これらの上下限値も大まかな値として設定され
る。そのため,これらに対応した各制御ゲインを各補償
誤差係数よりもかなり大きな値に設定しておかないと,
上記条件式を満たすことができないことがあるからであ
る。このような理由で,上記制御ゲインの項KC −EC
の値を極めて小さくすることにも限界がある。SUMMARY OF THE INVENTION As described above, the slurry
According to the idling mode control system 23, theoretically the disturbance
Completely cancel the effects of fluctuations in term D, nonlinear term C, and inertia J
Therefore, optimum control can be performed. But
However, when performing actual control, the sign of the switching variable S
Therefore, it is necessary to switch the controller (not shown),
Can not be realized by analog control structure
Yes. Therefore, it is necessary to use a computer (CPU)
It is realized by the Tal control structure. Therefore,
Sampling cycle (switching output cycle)
Done. Thus, the above sliding mode control
According to the system 23, the control variable ν is disconnected by the switching variable S.
Every sampling cycle ΔT in order to change and change
Micro vibration called chattering occurs in the control of
However, this causes a steady error. As mentioned above
Sliding mode control, which is theoretically superior, is common
Chattering as described above is not widely used.
This is due to the phenomenon and the above steady-state error. In the example below,
The steady error will be described. The above steady error is the above control
The amount of change in the input ν that changed discontinuously and the sampling period Δ
It depends on T. Now, the above errors e and e'are minute.
Then, according to the control law of equation (9), the torque τ which is the control command value
The discontinuous change in the above can be calculated from Eqs. (9) and (3) above.
In KCBecomes Therefore, the steady-state error efIs the function
Staff | ef│ ≦ △ T × | KC-EC| / Λ / J (16) Therefore, the above sliding mode control system
Steady error efIn order to reduce the
Shortening cycle ΔT, or the term of the above control gain
KC-ECOr decrease the above decision constant λ.
It can be realized by But Naga
, The sampling period ΔT depends on the calculation speed of the CPU, etc.
Due to this, there is a limit to shortening. In addition, the above control
Gain KCIs a conditional expression ((12a) Expression)
In order to satisfy this conditional expression, the control gay
N K CIs the compensation error coefficient ECSet to a fairly large value
It is fixed. This is the conditional expression ((12a) ~ (1
Twoc) Each compensation error coefficient E in Eq.c, ED, EVThe value of
I am uncertain and I can only get a rough value.
Therefore, these upper and lower limits are also set as rough values.
It Therefore, each control gain corresponding to these is compensated
Unless it is set to a value much larger than the error coefficient,
Because it may not be possible to satisfy the above conditional expression.
It For this reason, the control gain term KC-EC
There is also a limit to the extremely small value of.
【0007】一方,上記決定定数λの値如何によってス
ライディングモード制御系23による誤差eの収束特性
が決まる。しかしながら,従来技術において上記決定定
数λは一度設定されるとは固定値のままであって,一般
的に制御中に設定変更されることがなかった。そして,
上記誤差eの収束特性は,上記設定された決定定数λに
よって一意的に決まる。しかしながら,上記誤差eの収
束特性としては,スライディングモード制御の観点から
他に好ましい収束特性が存在することもある。ところ
が,従来技術においては誤差eの収束特性が一定である
ため,上記したように好ましい収束特性により誤差eが
収束されるとは限らなかった。他方,上記スライディン
グモード制御系23では,(14)式に示すように,先
ず切換変数Sが0に収束するように演算され,上記切換
変数Sが0に収束したとき(15)式が成立して誤差e
の収束特性が明らかになる。しかしながら,制御が初期
状態のときや目標角度θd が急激に大きく設定変更され
たときの如く,現在の制御量と目標量との誤差eが極め
て大きな場合がある。このような場合,上記モータシス
テム2の制御状態は,制御すべり面から大きく離れた状
態,即ち切換変数Sが0から大きくはなれた状態にあ
る。このような状態においては,誤差eがどのような収
束特性により挙動するかが明らかでない。また切換変数
Sが0に収束するまでの比較的長時間に亘って誤差eの
収束特性が不明になるという問題もあった。従って,本
発明の目的は,スライディングモード制御系を用いて制
御対象を制御する際に,制御対象の制御状態に適した誤
差の収束特性により上記制御対象を制御することのでき
るスライディングモード制御系を用いた制御方法を提供
することである。On the other hand, the convergence characteristic of the error e by the sliding mode control system 23 is determined depending on the value of the determination constant λ. However, in the prior art, the above-mentioned determination constant λ, once set, remains a fixed value and is generally not changed during control. And
The convergence characteristic of the error e is uniquely determined by the set decision constant λ. However, as the convergence characteristic of the error e, there may be another preferable convergence characteristic from the viewpoint of sliding mode control. However, in the prior art, since the convergence characteristic of the error e is constant, the error e is not always converged by the preferable convergence characteristic as described above. On the other hand, in the sliding mode control system 23, as shown in the equation (14), first, the switching variable S is calculated so as to converge to 0, and when the switching variable S converges to 0, the equation (15) is established. Error e
The convergence property of becomes clear. However, the error e between the current control amount and the target amount may be extremely large, such as when the control is in the initial state or when the target angle θ d is suddenly and largely changed. In such a case, the control state of the motor system 2 is in a state where it is far from the control slip surface, that is, the switching variable S is far from 0. In such a state, it is not clear what convergence characteristic the error e behaves. There is also a problem that the convergence characteristic of the error e becomes unclear for a relatively long time until the switching variable S converges to zero. Therefore, an object of the present invention is to provide a sliding mode control system capable of controlling the controlled object by controlling the controlled object using the sliding mode control system by the convergence property of the error suitable for the control state of the controlled object. It is to provide the control method used.
【0008】[0008]
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に,本発明が採用する主たる手段は,その要旨とすると
ころが,制御量の誤差を0に近づけるための制御すべり
面に制御対象の制御状態が,予め設定された上記誤差の
収束特性を決定するための決定定数に応じて収束するよ
うに,上記制御対象への制御指令値を切換えて出力する
スライディングモード制御系を用いた制御方法におい
て,上記決定定数を,少なくとも上記誤差と該誤差の1
次時間微分値とに基づいて変更可能に設定することを特
徴とするスライディングモード制御系を用いた制御方法
として構成されている。なお上記決定定数として,上記
誤差の減少に伴って上記決定定数を大きく設定変更する
構成をとることもできる。また,上記決定定数が上記制
御指令値の切換出力周期△Tとの関係を示す以下の条件
式 λ<0.5/△T(ここで,λ:上記決定定数) を満足する範囲内で大きくするように設定変更される構
成であってもよい。そして,上記決定定数が,上記制御
対象の最大加速度が予め設定されている場合に,上記最
大加速度を用いて上記決定定数の1次時間微分値を求め
る条件式を用いて演算された上記決定定数の1次時間微
分値に基づいて設定変更される構成とすることも可能で
ある。そして,上記決定定数が,上記誤差が極めて大き
な場合に,上記誤差と該誤差の1次時間微分値とより強
制的に設定される構成をとることもできる。In order to achieve the above-mentioned object, the main means adopted by the present invention is the gist of the present invention. However, in order to bring the error of the control amount close to 0 In a control method using a sliding mode control system for switching and outputting a control command value to the controlled object so that the state converges in accordance with a preset constant for determining the convergence characteristic of the error , The above-mentioned decision constant is at least the above error and one of the errors
It is configured as a control method using a sliding mode control system, which is set so as to be changeable based on the next time differential value. As the above-mentioned decision constant, it is also possible to adopt a configuration in which the above-mentioned decision constant is largely changed as the above-mentioned error decreases. Further, within the range in which the above-mentioned determination constant satisfies the following conditional expression λ <0.5 / ΔT (where λ: the above-mentioned determination constant), which shows the relationship between the control command value and the switching output cycle ΔT, The configuration may be changed so that Then, when the maximum acceleration of the controlled object is set in advance, the decision constant is calculated using a conditional expression for obtaining a first-order time differential value of the decision constant using the maximum acceleration. It is also possible to adopt a configuration in which the setting is changed based on the primary time differential value of. Further, it is also possible to adopt a configuration in which the above-mentioned error and the first-order time differential value of this error are forcibly set when the above-mentioned error is extremely large.
【0009】[0009]
【作用】本発明に係るスライディングモード制御系を用
いた制御方法においては,スライディングモード制御系
における上記誤差の収束特性を決定するための決定定数
が,当該制御中に一定の値であるのではなく,少なくと
も上記誤差と該誤差の1次時間微分値とに基づいて変更
可能に設定される。従って,上記の如く変更可能に設定
された決定定数によって,任意の収束特性で上記制御状
態を収束させることができる。従って,例えばそのとき
の制御状態にとって好ましい上記誤差の収束特性となる
ように上記決定定数を設定変更することが可能になる。
なお,上記決定定数が上記誤差の減少に伴って大きくな
るように設定変更されると,上記制御すべり面に収束さ
せるべき制御状態のチャタリングを防止することが可能
で,これに起因して生じる定常誤差を極めて小さくする
ことができる。また,上記決定定数が制御指令値の切換
出力周期△Tとの関係を示す条件式を満足する範囲内で
大きくされる場合には,上記決定定数が必要以上に大き
く設定変更されることなく制御上の効率を高めることが
できる。そして,上記決定定数が,上記制御対象の最大
加速度が予め設定されている場合に,上記決定定数の1
次時間微分値に基づいて設定変更される場合には,最短
時間で上記誤差の収束を行うための決定定数を設定する
ことができる。一方,例えば制御の初期状態時等のよう
に上記誤差が極めて大きな場合に,上記誤差と該誤差の
1次時間微分値とから,制御すべり面に制御状態が収束
するように演算される,例えば切換変数を強制的に0に
設定することにより,上記決定定数が上記誤差と該誤差
の1次時間微分値とより強制的に設定される。従って,
上記切換変数が比較的長期間収束せず,その期間中上記
決定定数を設定変更することができず,上記誤差がどの
ような収束特性で収束するかを予測することができない
といった不都合が解消される。In the control method using the sliding mode control system according to the present invention, the decision constant for determining the convergence characteristic of the error in the sliding mode control system is not a constant value during the control. , Is set to be changeable based on at least the error and the first-order time differential value of the error. Therefore, the control state can be converged with an arbitrary convergence characteristic by the decision constant set to be changeable as described above. Therefore, for example, it is possible to change the setting of the determination constant so that the convergence characteristic of the error is preferable for the control state at that time.
It should be noted that if the above-mentioned decision constant is changed so that it becomes larger as the above-mentioned error decreases, it is possible to prevent chattering of the control state that should be converged on the above-mentioned control slip surface, and the steady state caused by this The error can be made extremely small. Further, when the above-mentioned decision constant is increased within a range satisfying the conditional expression showing the relation between the control command value and the switching output cycle ΔT, the decision constant is controlled without being changed more than necessary. The efficiency above can be increased. When the maximum acceleration of the controlled object is preset, the decision constant is 1 of the decision constant.
When the setting is changed based on the next time differential value, the decision constant for converging the error in the shortest time can be set. On the other hand, when the error is extremely large, for example, in the initial state of control, the error and the first-order time differential value of the error are calculated so that the control state converges on the control slip surface. By forcibly setting the switching variable to 0, the decision constant is forcibly set by the error and the first-order time differential value of the error. Therefore,
The inconvenience that the switching variable does not converge for a relatively long period of time, the setting of the decision constant cannot be changed during that period, and the convergence characteristics of the error cannot be predicted can be solved. It
【0010】[0010]
【実施例】以下添付図面を参照して,本発明を具体化し
た実施例につき説明し,本発明の理解に供する。尚,以
下の実施例は,本発明を具体化した一例であって,本発
明の技術的範囲を限定する性格のものではない。ここ
に,図1は本発明の一実施例に係るスライディングモー
ド制御系を備えたサーボ制御系を示すブロック図,図2
は外乱推定オブザーバを備えたサーボ制御系を示すブロ
ック図,図3は図2のサーボ制御系に非線形補償系を加
えたサーボ制御系の構成を示すブロック図,図4は図1
のサーボ制御系における誤差収束特性を伝達関数を用い
て表現したスライディングモード制御系を用いて2次シ
ステムのシミュレーションを行った場合の回転角度θに
関するステップ応答結果を示すグラフ図,図5は図4に
示した回転角度θのステップ応答結果に対応した決定定
数λの経時変化を表すグラフ図,図6はモータシステム
に設定された一定の角加速度(最大加速度)における誤
差収束時間が最短の時間応答をシミュレーションした場
合のステップ応答結果を示すグラフ図,図7は図6のス
テップ応答結果に対応した決定定数λの経時変化を表す
グラフ図,図8は図4に示した条件と異なる条件下にお
いて2次システムのシミュレーションにより得た回転角
度θのステップ応答結果を示すグラフ図,図9は図8の
ステップ応答結果に対応した決定定数λの経時変化を表
すグラフ図である。但し,図10乃至図12に示した上
記従来のサーボ制御系21,21a ,21 b と共通する
要素には,同一の符号を使用すると共に,その詳細な説
明は省略する。本実施例に係るサーボ制御系1は,図1
に示すように,モータシステム2(制御対象からの回転
角度θ,回転角速度θ′(それぞれ制御量)とこれらに
対応する目標値θd ,θd ′との誤差e,e′に基づい
てスライディングモード制御系3により演算され制御入
力ν((3)式)を演算し出力する。そして,上記サー
ボ制御系1の非線形補償系6は,現時点の回転角度θ′
及び回転角速度θ″等とこれらに対応する目標値
θd ′,θd ″等とに基づいてモータシステム2に関す
る推定出力J^θd ″+C^を演算する。この推定出力
により,上記スライディングモード制御系からの制御入
力νを補償したトルクτ(制御指令値)が求められモー
タシステム2に出力される。Embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.
Examples will be described to provide an understanding of the present invention. In addition,
The following example is an example embodying the present invention.
It does not limit the technical scope of Ming. here
FIG. 1 shows a sliding mode according to an embodiment of the present invention.
Block diagram showing a servo control system equipped with a drive control system, Fig. 2
Indicates a servo control system with a disturbance estimation observer.
Fig. 3 shows a nonlinear compensation system added to the servo control system of Fig. 2.
FIG. 4 is a block diagram showing the configuration of the obtained servo control system.
Error Convergence Characteristic of Servo Control System Using Transfer Function
The sliding mode control system expressed as
Rotation angle θ when simulating the stem
Fig. 4 is a graph showing the step response results for
Decision decision corresponding to the step response result of the indicated rotation angle θ
Fig. 6 is a graph showing the change of several λ over time.
At constant angular acceleration (maximum acceleration) set in
If the time response with the shortest difference convergence time is simulated,
Fig. 7 is a graph showing the result of step response in the case of
Represents the change over time of the decision constant λ corresponding to the step response result
The graph and Fig. 8 are under different conditions from those shown in Fig. 4.
Rotation angle obtained by simulation of secondary system
FIG. 9 is a graph showing the step response result of the degree θ, and FIG.
The change over time of the decision constant λ corresponding to the step response result is displayed.
It is a graph figure. However, as shown in FIGS.
Conventional servo control system 21, 21a, 21 bIn common with
The same symbols are used for the elements, and detailed explanations are given.
The description is omitted. The servo control system 1 according to this embodiment is shown in FIG.
As shown in, the motor system 2 (rotation from the controlled object
Angle θ, rotation angular velocity θ ′ (control amount)
Corresponding target value θd, ΘdBased on the error e, e '
Sliding mode control system 3 calculates
The force ν (equation (3)) is calculated and output. And the above service
The non-linear compensation system 6 of the control system 1 uses the current rotation angle θ ′.
And rotational angular velocity θ ″, etc. and target values corresponding to these
θd′, Θd″ Etc.
Estimated output J ^ θd”+ C ^ is calculated. This estimated output
The control input from the sliding mode control system
The torque τ (control command value) that compensates for the force ν is calculated.
Output to the data system 2.
【0011】ところで,本実施例のサーボ制御系1は,
図10に示した従来のサーボ制御系21と基本的構成を
ほぼ同様とし,上記従来のサーボ制御系21との相違点
は,少なくともモータシステム2の状態量としての回転
角度θ,回転角速度θ′とこれらに対応した目標値
θd ,θd ′を入力し,それぞれに対応する誤差e,
e′を演算し,この誤差eと該誤差eの1次時間微分値
e′とに基づいて,スライディングモード制御系3に用
いられる決定定数λを変更可能に設定することのできる
λ調節器8が設けられたことである。なお,上記λ調節
器8によって上記したように決定定数λを変化させた場
合,上記した(11)式〜(13)式をそのまま用いる
ことができなくなる。そこで,上記決定定数λを変化さ
せるにあたり,(11)式は,次式のように変形され
る。 V′=SS′ =S(e″+λe′+λ′e) =S(Je″+λJe′+λ′Je)/J =S(ν+EC +ED e+EV e′+λJe′+λ′Je)/J =S(−(KC +KD |e|+KV |e′|)・sgn(S)+EC +ED e+EV e′+λJe′+λ′Je)/J ≦|S|(−(KC +KD |e|+KV |e′|)+|EC | +|ED +λ′J|×|e|+|EV +λJ′|×|e′|)/J =|S|((|EC |−KC )+(|ED +λ′J|−KD )|e| +(|EV +λJ|−KV )|e′|)/J …(17) 一方,(12a )式〜(12c )式に対応した制御ゲイ
ンKC ,KD ,KV はそれぞれ以下の各式のように変形
される。 KC ≧|EC | …(18a ) KD ≧|ED +λ′+(J^+△J)| …(18b ) KV ≧|EV +λ×(J^+△J)| …(18c ) 上記制御ゲインが(18a )式〜(18c )式のように
変形されれば,(17)式で示す関数Vの1次時間微分
値V′は,(13)式と同様に,負の値となり,上記関
数Vはリアプノフ関数といえる。ところで,(18b )
式における右辺第2項に補償誤差係数ED を満たすべき
条件として,上記決定定数λの1次時間微分値の項が存
在している。上記決定定数の1次時間微分値λ′を考慮
して,各制御ゲインの条件式(18a )〜(18 c )式
を満たすように決定された制御ゲインの範囲内で,上記
決定定数λを変化させることができる。By the way, the servo control system 1 of the present embodiment is
The basic configuration of the conventional servo control system 21 shown in FIG.
Almost the same, but different from the above conventional servo control system 21
Is at least the rotation as a state quantity of the motor system 2.
Angle θ, rotational angular velocity θ ′ and target values corresponding to these
θd, Θd’, And the corresponding error e,
e ′ is calculated, and this error e and the first-order time differential value of the error e
For sliding mode control system 3 based on
The decision constant λ can be set to be changeable
That is, the λ adjuster 8 is provided. The above λ adjustment
If the decision constant λ is changed by the instrument 8 as described above,
In this case, the above equations (11) to (13) are used as they are.
Can't do it. Therefore, change the above decision constant λ.
(11) is transformed into the following equation.
It V ′ = SS ′ = S (e ″ + λe ′ + λ′e) = S (Je ″ + λJe ′ + λ′Je) / J = S (ν + EC+ EDe + EVe ′ + λJe ′ + λ′Je) / J = S (-(KC+ KD│e│ + KV│e'│) ・ sgn (S) + EC + EDe + EVe ′ + λJe ′ + λ′Je) / J ≦ | S | (-(KC+ KD│e│ + KV| E '|) + | EC| + | ED+ Λ'J | × | e | + | EV+ ΛJ ′ | × | e ′ |) / J = | S | ((| EC| -KC) + (| ED+ Λ'J | -KD) | E | + (| EV+ ΛJ | -KV) | E '|) / J (17) On the other hand, (12a) Expression ~ (12c) Control gay corresponding to the expression
N KC, KD, KVAre transformed as
To be done. KC≧ | EC|… (18a) KD≧ | ED+ Λ '+ (J ^ + ΔJ) | ... (18b) KV≧ | EV+ Λ × (J ^ + ΔJ) |… (18c) The control gain is (18a) Expression ~ (18c) Like the formula
If transformed, the first-order time derivative of the function V shown in equation (17)
The value V ′ is a negative value, similar to the equation (13), and
It can be said that the number V is a Lyapunov function. By the way, (18b)
In the second term on the right side of the equation, the compensation error coefficient EDShould meet
As a condition, there is a term of the first-order time differential value of the above decision constant λ.
Existence Consider the first-order time derivative λ'of the above decision constant
Then, the conditional expression (18a) ~ (18 c)formula
Within the range of the control gain determined to satisfy
The decision constant λ can be varied.
【0012】少なくとも上記誤差eと該誤差の1次時間
微分値e′とに基づいて上記決定定数λを設定変更する
態様につき,それぞれの態様毎に以下に説明する。 スライディングモード制御系3における定常誤差ef
を小さくするための変更態様 上記定常誤差ef は,(16)式からも明らかなよう
に,上記サンプリング周期△Tや制御ゲインKC の他
に,上記決定定数λに依存していることが分かる。そこ
で,上記定常誤差ef を小さくするためには,(1
8a )式〜(18c )式を満足する範囲内で,上記決定
定数λをできるだけ大きく設定すればよい。 制御すべり面に対する制御状態のオーバシュートを防
止しつつ決定定数λを設定変更するための変更態様 ところで,誤差eが比較的大きなときに上記決定定数λ
を極めて大きくすれば,上記切換変数Sが0に収束する
速度よりも上記誤差eの変化速度の方が大きくなり,モ
ータシステム2の制御状態が上記制御すべり面に対しオ
ーバシュートする原因となる。そのため,上記決定定数
をむやみに大きくすることはできない。詳しくは,上記
決定定数λを大きくすれば,誤差eが敏感に反応するた
め,切換変数Sが0に収束する前に,誤差eの方が素早
く0に近づいてしまう。しかしながら,誤差の1次微分
値e′が大きすぎるため,誤差eの制御状態は制御すべ
り面から大きくオーバシュートしてしまう。即ち,切換
変数Sが除々に0に収束するまで,誤差eはオーバシュ
ートを繰返して0近傍にて大きく振動する振幅の大きな
チャタリング現象を生じることになる。そして,切換変
数Sが0に収束するに従って,誤差eの振幅も小さくな
っていく。Modes for changing the setting of the determination constant λ based on at least the error e and the first-order time differential value e ′ of the error will be described below for each mode. Steady state error e f in sliding mode control system 3
Modification for reducing the above-mentioned steady-state error e f depends on the above-mentioned determination constant λ in addition to the sampling period ΔT and control gain K C , as is apparent from the equation (16). I understand. Therefore, in order to reduce the steady-state error e f , (1
Within a range satisfying the 8 a) formula ~ (18 c) type, it may be as large as possible setting the decision constant lambda. Changing mode for setting and changing the decision constant λ while preventing overshoot of the control state on the control slip surface By the way, when the error e is relatively large, the decision constant λ
If the value is made extremely large, the change speed of the error e becomes larger than the speed at which the switching variable S converges to 0, which causes the control state of the motor system 2 to overshoot the control slip surface. Therefore, the above decision constant cannot be unnecessarily increased. More specifically, if the decision constant λ is increased, the error e reacts sensitively, so that the error e quickly approaches zero before the switching variable S converges to zero. However, since the first differential value e'of the error is too large, the control state of the error e largely overshoots from the control slip surface. That is, until the switching variable S gradually converges to 0, the error e repeats overshooting and causes a large amplitude chattering phenomenon that vibrates largely in the vicinity of 0. Then, as the switching variable S converges to 0, the amplitude of the error e also decreases.
【0013】従って,で示したように定常誤差ef を
小さくするためだけに,むやみに決定定数λを大きくす
ることはできず,上記誤差eの減少に伴って,即ち誤差
eが十分小さくなるに伴って,決定定数λを大きくする
ことにより,定常誤差ef を小さくすることと上記誤差
eのオーバシュートを防止することのいずれの効果をも
奏することができる。例えば,上記決定定数λや誤差e
に関連したある定数Λ,emin ,emax に対して,決定
定数λを次の各式のように定義することができる。 e≧emin のとき λ=Λ/emin …(19a ) emin >e≧emax のとき λ=Λ/e …(19b ) emax >eのとき λ=Λ/emax …(19c ) ここで,Λ/emin は決定定数λの下限値として設定さ
れており,決定定数λをあまり小さく設定しないように
するためのものである。また,Λ/emax は決定定数λ
の上限値として設けられている。従って,上記決定定数
λは上記した上限値と下限値との間で任意に設定される
ことにより,制御対象の制御状態に適した好ましい誤差
の収束特性により上記モータシステム2を制御すること
ができる。Therefore, as shown in, the decision constant λ cannot be unnecessarily increased only to reduce the steady-state error e f , and as the error e decreases, that is, the error e becomes sufficiently small. with the, by the decision constant λ is increased, it is possible to achieve any of the effect of preventing the overshoot of the possible and the error e to reduce the steady-state error e f. For example, the determination constant λ and the error e
For some constants Λ, e min , and e max related to, the decision constant λ can be defined as: When e ≧ e min λ = Λ / e min ( 19a ) When e min > e ≧ e max λ = Λ / e ( 19b ) When e max > e λ = Λ / e max (( 19a ) 19 c ) Here, Λ / e min is set as the lower limit value of the decision constant λ, and is for preventing the decision constant λ from being set too small. Also, Λ / e max is the decision constant λ
Is set as the upper limit value of. Therefore, by arbitrarily setting the determination constant λ between the upper limit value and the lower limit value, it is possible to control the motor system 2 with a preferable error convergence characteristic suitable for the control state of the control target. .
【0014】サーボ制御系1の制御機能に起因した決
定定数λの変更態様 上記の項において述べたように,決定定数λを極力大
きくしないための上限値が設定される理由につき以下説
明する。あるサンプリング周期△T毎にスライディング
モード制御系3のコントローラ切換制御が行われている
場合,制御対象としてのモータシステム2の応答速度を
も表す決定定数λと上記サンプリング周期△Tとの間に
は,ディジタル制御手法の基本として次式に示す関係が
成立する。 λ<0.5/△T …(20) 従って,上記決定定数λは0.5/△Tより大きく設定
されても制御の応答に関して無駄であり,かえって悪い
応答結果を招くことがあり,これを避けるためである。 スライディングモード制御系3による誤差収束特性を
伝達関数を用いて与えた場合の上記決定定数λの変更態
様 例えば,上記誤差収束特性を伝達関数Gで与える場合,
伝達関数Gとして次式が設定される。 G=ω2 /(s2 +2ζωs+ω2 ) …(21) そして,この(21)式と,切換変数S=0のときの
(15)式(e′=−λe)とから,次式が成立する。 e″=−2ζωe′−ω2 e =−λe′−λ′e …(22) そして,このときの決定定数λの1次時間微分値λ′
を, λ′={(2ζω−λ)e′+ω2 e}/e =−(2ζω−λ)λ+ω2 =λ2 −2ζωλ+ω2 …(23) と与えればよい。但し,上記非線形補償系6からの制御
入力ζが1以下の場合,上記決定定数λが無限大になる
ことがあり,上記決定定数λは1の値よりも十分に大き
く設定される必要がある。そして,λ≫1ならば,上記
決定定数λの逆数σ(=1/λ)を用いて,次式を解
く。 σ′=−1+2ζωλ−ω2 λ2 …(24) この(24)式を解いてσを求めることにより,決定定
数λを決定すればよい。Changing Mode of Decision Constant λ Due to Control Function of Servo Control System 1 As described in the above section, the reason why the upper limit value for setting the decision constant λ as small as possible is set will be described below. When the controller switching control of the sliding mode control system 3 is performed every certain sampling period ΔT, between the sampling period ΔT and the determination constant λ that also represents the response speed of the motor system 2 as a control target. , The following equation holds as the basis of the digital control method. λ <0.5 / ΔT (20) Therefore, even if the above-mentioned determination constant λ is set to be larger than 0.5 / ΔT, it is useless for the control response and may result in a bad response result. This is to avoid Modification of the above-mentioned determination constant λ when the error convergence characteristic by the sliding mode control system 3 is given by using a transfer function. For example, when the error convergence characteristic is given by the transfer function G,
The following equation is set as the transfer function G. G = ω 2 / (s 2 + 2ζωs + ω 2 ) (21) Then, from this equation (21) and the equation (15) (e ′ = − λe) when the switching variable S = 0, the following equation is established. To do. e "= - 2ζωe'-ω 2 e = -λe'-λ'e ... (22) and first-order time differential value of the decision constant λ of this time λ '
Can be given as λ ′ = {(2ζω−λ) e ′ + ω 2 e} / e = − (2ζω−λ) λ + ω 2 = λ 2 −2ζωλ + ω 2 (23) However, when the control input ζ from the nonlinear compensation system 6 is 1 or less, the decision constant λ may become infinite, and the decision constant λ needs to be set sufficiently larger than the value of 1. . Then, if λ >> 1, the following equation is solved using the reciprocal σ (= 1 / λ) of the above-mentioned determination constant λ. [sigma] '=-1 + 2 [ zeta] [omega] [lambda]-[omega] 2 [ lambda] 2 (24) The determination constant [lambda] may be determined by solving this equation (24) to obtain [sigma].
【0015】上記したような伝達関数Gを用いてサーボ
制御系1の応答を2次システムの応答として模擬するよ
うに決定定数λを変化させたときの回転角度θに関する
ステップ応答の結果を図4に示す。また,図4における
応答曲線C1に対応した決定定数λの変化を図5に示
す。即ち,図5のようにモータシステム2の制御中に決
定定数λを変化させることにより,曲線C1で示したよ
うな応答特性を得ることができる。従って,上記決定定
数λを任意に変化させることが可能で,モータシステム
2の制御状態に応じた好適な誤差収束特性を得ることが
できる。 モータシステム2に最大角加速度aが与えられている
場合であって,誤差の収束時間を最短にするための決定
定数λの変更態様 この場合,決定定数λの1次時間微分値λ′を次式より
求める。 λ′=(a・e・sgn(e−e′2 /2a)−e′2 )/e2 …(25) 上記決定定数の1次時間微分値λ′は上記最大角加速度
a,誤差e,誤差の1次時間微分値e′に基づいて演算
され,上記演算された決定定数の1次時間微分値λ′に
応じて,上記決定定数λを変化させればよい。但し,
(25)式によっては誤差eが0になった場合,決定定
数の1次時間微分値λ′も0になるので,これを避ける
ため,(25)式に誤差eの微少量△eを考慮して(2
5)式を次式のように変形すればよい。 λ′=(a・e・sgn(e−e′2 /2a)−e′2 ) /(e2 +△e) …(26) 上記(25)式または(26)式により決定された決定
定数λを用いれば,モータシステム2に対し最大角加速
度aが与えられ,これにより角加速度θ′が制限されて
いる場合の最短の収束時間での誤差収束特性を得ること
ができる。上記したように最大角加速度a(=2000
rad/sec2 )が設けられた場合の最短の収束時間
となるように決定定数λを変化させた場合の回転角度θ
に関するステップ応答のシミュレーション結果を図6の
曲線C2で示す。また,このとき設定変更された決定定
数λの変更結果を図7に示す。従って,で示した変更
態様によれば,モータシステム2の制御について制御上
の規制条件が与えられている場合であっても,その規制
条件を満たす範囲内で決定定数λを任意に変更すること
ができ,更には上記制御状態が最良となるように決定定
数λの設定変更を行うことができる。 現在の制御状態が目標とする状態から離れた,例えば
誤差eが極めて大きな場合における決定定数λの変更態
様 今,サーボ制御系1の制御状態が初期状態にある場合
や,例えば回転角度の目標値θd が急激に設定変更され
た場合のように,上記切換変数Sが0でない状態にある
とする。上記,における変更態様の場合は,いずれ
も上記初期状態として,e=1,e′=0の場合につい
て考え,決定定数λの初期値が0として設定されていた
ため,切換変数Sは0となり,図4及び図6に示したよ
うな良好な応答を得ることができた。他方,における
初期状態において,e=1,e′≠0,λ=0であれ
ば,S≠0となり,図4及び図6に示したような良好な
応答を得ることはできない。FIG. 4 shows the result of the step response regarding the rotation angle θ when the decision constant λ is changed so as to simulate the response of the servo control system 1 as the response of the secondary system by using the transfer function G as described above. Shown in. Further, FIG. 5 shows changes in the decision constant λ corresponding to the response curve C1 in FIG. That is, by changing the determination constant λ during the control of the motor system 2 as shown in FIG. 5, it is possible to obtain the response characteristic as shown by the curve C1. Therefore, it is possible to arbitrarily change the determination constant λ, and it is possible to obtain a suitable error convergence characteristic according to the control state of the motor system 2. When the maximum angular acceleration a is given to the motor system 2 and the decision constant λ is changed to minimize the convergence time of the error In this case, the first-order time differential value λ ′ of the decision constant λ is Calculate from the formula. λ ′ = (a · e · sgn (e−e ′ 2 / 2a) −e ′ 2 ) / e 2 (25) The first-order time differential value λ ′ of the above decision constant is the maximum angular acceleration a and the error e. , The first-order time differential value e ′ of the error is calculated, and the determination constant λ may be changed according to the first-order time differential value λ ′ of the calculated determination constant. However,
According to the equation (25), when the error e becomes 0, the first-order differential value λ ′ of the decision constant also becomes 0. Therefore, in order to avoid this, a small amount Δe of the error e is considered in the equation (25). Then (2
Equation (5) may be transformed into the following equation. λ ′ = (a · e · sgn (e−e ′ 2 / 2a) −e ′ 2 ) / (e 2 + Δe) (26) The determination determined by the above formula (25) or formula (26) If the constant λ is used, the maximum angular acceleration a is given to the motor system 2, whereby the error convergence characteristic in the shortest convergence time can be obtained when the angular acceleration θ ′ is limited. As described above, the maximum angular acceleration a (= 2000
rotation angle θ when the determination constant λ is changed so that the convergence time is the shortest when rad / sec 2 ) is provided.
The simulation result of the step response with respect to is shown by the curve C2 in FIG. Further, FIG. 7 shows the result of changing the decision constant λ whose setting has been changed at this time. Therefore, according to the modification shown by, even if the control regulation condition for the control of the motor system 2 is given, the determination constant λ can be arbitrarily changed within the range satisfying the regulation condition. Further, the setting of the decision constant λ can be changed so that the above-mentioned control state becomes the best. Change mode of the decision constant λ when the current control state is away from the target state, for example, when the error e is extremely large. Now, when the control state of the servo control system 1 is in the initial state, for example, the target value of the rotation angle It is assumed that the switching variable S is not 0 as in the case where the setting of θ d is suddenly changed. In the case of the change modes in the above, the case where e = 1, e ′ = 0 is considered as the initial state, and since the initial value of the decision constant λ is set to 0, the switching variable S becomes 0, Good responses as shown in FIGS. 4 and 6 could be obtained. On the other hand, in the initial state of, if e = 1, e ′ ≠ 0, λ = 0, S ≠ 0, and a good response as shown in FIGS. 4 and 6 cannot be obtained.
【0016】そこで,本実施例では,上記初期状態のと
きや目標値θd が急激に設定変更されたときのようにS
≠0の場合,即ち切換変数Sのある微小な値Smin に対
して,次式が成り立つ場合には, |S|≧Smin …(27) そのときの誤差eと誤差の1次時間微分値e′とより次
式から決定定数λを強制的に設定すれば, λ=−e′/e …(28) 上記切換変数Sを強制的に0にすることができる。そこ
で,,に示した変更態様の手法を用いて決定定数λ
を任意に変化させることにより,所望とする誤差収束特
性を与えることができる。例えば,の変更態様におい
て,制御状態の初期状態としてe=1,e′=100の
とき,(28)式より決定定数λの初期値が例えば−1
00であれば,切換変数Sは0となる。そして,その後
は上記決定定数λを(23)式に基づいて変化させれば
よい。この実施例によれば,誤差がどのように収束する
かを予測することができない制御状態(S≠0)の場合
を強制的に排除することができ,これによって上記誤差
eを任意の収束特性で且つ短時間に収束させることがで
きる。この実施例により上記決定定数λを強制的に設定
し,更には切換変数Sを強制的に0にすることにより,
(23)式を用いて得た2次システムを模擬するように
上記決定定数λを変化させた場合の回転角度θのステッ
プ応答のシミュレーション結果を図8の曲線C3に示
す。また,このときの決定定数λの変更結果を図9に示
す。上記した各実施例においては,図1のサーボ制御系
1に関して説明したが,上記実施例を実現するためのλ
調節器8は,従来のサーボ制御系21a (図11)やサ
ーボ制御系21b (図12)についても,適用すること
が可能で,これらに対応する構成が,図2に示すサーボ
制御系1a であり,或いは図3に示すサーボ制御系1b
である。これらのサーボ制御系1a ,1b についても,
上記決定定数λの設定変更に関して,サーボ制御系1に
おいて示した〜の変更態様に係る作用効果と同等の
作用効果を奏することが可能である。Therefore, in the present embodiment, as in the initial state or when the target value θ d is suddenly changed, the S
When ≠ 0, that is, when the following equation holds for a small value S min of the switching variable S, | S | ≧ S min (27) The error e at that time and the first-order time derivative of the error By forcibly setting the decision constant λ from the following equation based on the value e ′, λ = −e ′ / e (28) The switching variable S can be forcibly set to zero. Therefore, the determination constant λ
A desired error converging characteristic can be given by arbitrarily changing. For example, in the modified mode, when e = 1, e ′ = 100 as the initial state of the control state, the initial value of the decision constant λ is, for example, −1 from the equation (28).
If 00, the switching variable S becomes 0. Then, after that, the determination constant λ may be changed based on the equation (23). According to this embodiment, it is possible to forcibly eliminate the case of the control state (S ≠ 0) in which it is impossible to predict how the error will converge, whereby the error e can be converged to an arbitrary convergence characteristic. And, it can be converged in a short time. According to this embodiment, the decision constant λ is forcibly set, and further the switching variable S is forcibly set to 0,
The curve C3 of FIG. 8 shows the simulation result of the step response of the rotation angle θ when the above-mentioned determination constant λ is changed so as to simulate the secondary system obtained by using the equation (23). Further, FIG. 9 shows the result of changing the decision constant λ at this time. In each of the above-described embodiments, the servo control system 1 of FIG. 1 has been described.
The controller 8 can be applied to the conventional servo control system 21 a (FIG. 11) and the servo control system 21 b (FIG. 12), and the configuration corresponding to these can be applied to the servo control system shown in FIG. a 1 a, or a servo control system shown in FIG. 3 1 b
Is. For these servo control systems 1 a and 1 b ,
With respect to the setting change of the determination constant λ, it is possible to obtain the same operation effects as the operation effects according to the changing modes 1 to 3 shown in the servo control system 1.
【0017】[0017]
【発明の効果】本発明は,上記したように構成されてい
る。それにより,制御対象の制御状態に適した誤差の収
束特性を得ることのできる値に,決定定数を任意に設定
変更することができる。従って,上記制御対象は好適な
誤差の収束特性によってスライディングモード制御系に
より高精度に制御される。例えば,上記決定定数が,ス
ライディングモード制御系におけるチャタリングを抑制
するように適正に設定変更されることにより,これに伴
って,定常誤差を小さくすることができ,更には所望と
する任意の誤差収束特性により制御対象を制御すること
が可能になる。また,制御対象の制御状態を制御すべり
面に強制的に収束させることにより,上記誤差の収束が
予測不能になることを防止することができる。The present invention is constructed as described above. As a result, the decision constant can be arbitrarily set and changed to a value that can obtain the error convergence characteristic suitable for the control state of the controlled object. Therefore, the above-mentioned controlled object is controlled with high accuracy by the sliding mode control system according to a suitable error convergence characteristic. For example, the above-mentioned decision constant is appropriately set and changed so as to suppress chattering in the sliding mode control system, so that the steady-state error can be reduced, and further, any desired error convergence can be achieved. The characteristic makes it possible to control the controlled object. Further, by forcing the control state of the controlled object to converge on the control slip surface, it is possible to prevent the convergence of the error from becoming unpredictable.
【図1】 本発明の一実施例に係るスライディングモー
ド制御系を備えたサーボ制御系を示すブロック図。FIG. 1 is a block diagram showing a servo control system including a sliding mode control system according to an embodiment of the present invention.
【図2】 外乱推定オブザーバを備えたサーボ制御系を
示すブロック図。FIG. 2 is a block diagram showing a servo control system including a disturbance estimation observer.
【図3】 図3は図2のサーボ制御系に非線形補償系を
加えたサーボ制御系の構成を示すブロック図。FIG. 3 is a block diagram showing a configuration of a servo control system in which a nonlinear compensation system is added to the servo control system of FIG.
【図4】 図4は図1のサーボ制御系における誤差収束
特性を伝達関数を用いて表現したスライディングモード
制御系を用いて2次システムのシミュレーションを行っ
た場合の回転角度θに関するステップ応答結果を示すグ
ラフ図。4 is a step response result regarding a rotation angle θ when a secondary system is simulated by using a sliding mode control system in which an error convergence characteristic in the servo control system of FIG. 1 is expressed by using a transfer function. The graph figure which shows.
【図5】 図5は図4に示した回転角度θのステップ応
答結果に対応した決定定数λの経時変化を表すグラフ
図。5 is a graph showing the change over time of the decision constant λ corresponding to the step response result of the rotation angle θ shown in FIG.
【図6】 図6はモータシステムに設定された一定の角
加速度(最大加速度)における誤差収束時間が最短の時
間応答をシミュレーションした場合のステップ応答結果
を示すグラフ図。FIG. 6 is a graph showing a step response result when a time response having a shortest error convergence time at a constant angular acceleration (maximum acceleration) set in the motor system is simulated.
【図7】 図7は図6のステップ応答結果に対応した決
定定数λの経時変化を表すグラフ図。FIG. 7 is a graph showing a change with time of a decision constant λ corresponding to the step response result of FIG.
【図8】 図8は図4に示した条件と異なる条件下にお
いて2次システムのシミュレーションにより得た回転角
度θのステップ応答結果を示すグラフ図。FIG. 8 is a graph showing a step response result of a rotation angle θ obtained by a simulation of a secondary system under a condition different from the condition shown in FIG.
【図9】 図9は図8のステップ応答結果に対応した決
定定数λの経時変化を表すグラフ図。9 is a graph showing a change with time of a decision constant λ corresponding to the step response result of FIG.
【図10】 図10は本発明の背景の一例となる従来の
サーボ制御系を示し図1に対応するブロック図。FIG. 10 is a block diagram corresponding to FIG. 1 showing a conventional servo control system as an example of the background of the present invention.
【図11】 図11は上記従来の別例となるサーボ制御
系を示し図2のサーボ制御系と対応するブロック図。FIG. 11 is a block diagram showing a servo control system which is another example of the conventional art and corresponds to the servo control system of FIG. 2.
【図12】 図12は上記従来の更に別例となるサーボ
制御系を示し図3のサーボ制御系に対応したブロック
図。12 is a block diagram corresponding to the servo control system of FIG. 3 showing a servo control system as still another example of the conventional art.
1,1a ,1b ,21,21a ,21b …サーボ制御系 2…モータシステム(制御対象) 3,23…スライディングモード制御系 4…モデル 5…フィルタ 6…非線形補償系 8…λ調節器 τ…トルク(制御指令値) λ…決定定数 a…最大角加速度 e…誤差 e′…誤差の1次時間微分値 △T…サンプリング周期(切換出力周期)1, 1 a , 1 b , 21, 21 a , 21 b ... Servo control system 2 ... Motor system (control target) 3, 23 ... Sliding mode control system 4 ... Model 5 ... Filter 6 ... Non-linear compensation system 8 ... λ adjustment Τ ... Torque (control command value) λ ... Determination constant a ... Maximum angular acceleration e ... Error e '... First time differential value of error ΔT ... Sampling cycle (switching output cycle)
Claims (5)
すべり面に制御対象の制御状態が,予め設定された上記
誤差の収束特性を決定するための決定定数に応じて収束
するように,上記制御対象への制御指令値を切換えて出
力するスライディングモード制御系を用いた制御方法に
おいて,上記決定定数を,少なくとも上記誤差と該誤差
の1次時間微分値とに基づいて変更可能に設定すること
を特徴とするスライディングモード制御系を用いた制御
方法。1. A control state of a control target on a control slip surface for bringing an error of a control amount close to 0 converges in accordance with a preset decision constant for determining a convergence characteristic of the error. In a control method using a sliding mode control system for switching and outputting a control command value to the controlled object, the determination constant is set to be changeable based on at least the error and a first-order time differential value of the error. A control method using a sliding mode control system characterized by the above.
て大きくするように設定変更する請求項1に記載のスラ
イディングモード制御系を用いた制御方法。2. The control method using a sliding mode control system according to claim 1, wherein the decision constant is changed so as to be increased as the error decreases.
え出力周期△Tとの関係を示す以下の条件式 λ<0.5/△T (ここで,λ:上記決定定数) を満足する範囲内で大きくするように設定変更する請求
項1に記載のスライディングモード制御系を用いた制御
方法。3. The following conditional expression λ <0.5 / ΔT (where λ: the above-mentioned decision constant), which shows the relationship between the above-mentioned decision constant and the switching output cycle ΔT of the above-mentioned control command value, is satisfied. The control method using the sliding mode control system according to claim 1, wherein the setting is changed so as to be large within the range.
速度が予め設定されている場合に,以下の条件式 λ′=(a・e・sgn(e−(e′)2 /2a)−
(e′)2 )/e2 ここで,λ′:上記決定定数の1次時間微分値 e :上記誤差 e′:上記誤差の1次時間微分値 a :上記最大加速度 sgn(x):x≧0のとき,値が1であって, x<0のとき,値が0である符号関数により演算される
上記決定定数の1次時間微分値に基づいて設定変更する
請求項1に記載のスライディングモード制御系を用いた
制御方法。4. When the maximum acceleration of the controlled object is preset, the following constant expression λ ′ = (a · e · sgn (e− (e ′) 2 / 2a) −
(E ′) 2 ) / e 2 where λ ′: first-order differential value of the above-mentioned determination constant e: the above-mentioned error e ′: first-order time differential value of the above-mentioned a: maximum acceleration sgn (x): x The value is 1 when ≧ 0, and the value is 0 when x <0. The setting is changed based on the first-order time differential value of the decision constant calculated by the sign function. A control method using a sliding mode control system.
な場合に,上記誤差と該誤差の1次時間微分値とより強
制的に設定する請求項1に記載のスライディングモード
制御系を用いた制御方法。5. The control using the sliding mode control system according to claim 1, wherein the decision constant is forcibly set by the error and the first-order time derivative of the error when the error is extremely large. Method.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP18064992A JPH0628005A (en) | 1992-07-08 | 1992-07-08 | Control method using sliding mode control system |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP18064992A JPH0628005A (en) | 1992-07-08 | 1992-07-08 | Control method using sliding mode control system |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH0628005A true JPH0628005A (en) | 1994-02-04 |
Family
ID=16086891
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP18064992A Pending JPH0628005A (en) | 1992-07-08 | 1992-07-08 | Control method using sliding mode control system |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH0628005A (en) |
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH0861122A (en) * | 1994-08-19 | 1996-03-05 | Meidensha Corp | Method and device for controlling engine |
| JP2014128835A (en) * | 2012-12-27 | 2014-07-10 | Honda Motor Co Ltd | Controller for power transmission device |
| CN114488804A (en) * | 2022-01-20 | 2022-05-13 | 华中科技大学 | Robot variable-gain supercoiled sliding mode control method and system based on event triggering |
| CN117245656A (en) * | 2023-09-26 | 2023-12-19 | 杭州电子科技大学 | A predefined time sliding mode control method for robotic arm trajectory tracking system |
-
1992
- 1992-07-08 JP JP18064992A patent/JPH0628005A/en active Pending
Cited By (5)
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| CN114488804B (en) * | 2022-01-20 | 2024-04-05 | 华中科技大学 | Method and system for controlling variable-gain supercoiled sliding mode of robot based on event triggering |
| CN117245656A (en) * | 2023-09-26 | 2023-12-19 | 杭州电子科技大学 | A predefined time sliding mode control method for robotic arm trajectory tracking system |
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