JPH11305803A - 制御装置 - Google Patents

制御装置

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JPH11305803A
JPH11305803A JP10114591A JP11459198A JPH11305803A JP H11305803 A JPH11305803 A JP H11305803A JP 10114591 A JP10114591 A JP 10114591A JP 11459198 A JP11459198 A JP 11459198A JP H11305803 A JPH11305803 A JP H11305803A
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Yasuo Morooka
泰男 諸岡
Hiromi Inaba
博美 稲葉
Takashi Nakahara
中原　　崇
Takashi Okada
岡田　　隆
Masahiro Tobiyo
飛世　　正博
Yoshinao Iwaji
善尚 岩路
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Hitachi Ltd
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Abstract

(57)【要約】 【課題】多数の状態変数に対する制御装置の設計は行列
演算によりｎ個の制御装置が一度に設計されるが、それ
ぞれの制御装置と制御対象の状態量との物理現象的関係
が不明確となる。 【解決手段】制御対象の伝達関数から制御装置の制御演
算関数を決定し、決定された制御演算関数に従って制御
対象の操作量を調整する制御装置で、制御対象と第１の
制御装置を含む制御系の閉ループ一巡伝達関数あるいは
開ループ伝達関数を予め決められた第１の伝達関数に一
致するように第１の制御装置の制御演算関数を決定し、
制御装置と第１の制御装置とで構成される閉ループ制御
系を対象に、制御対象に加わる外乱から外乱が制御対象
に印加される点の状態変数までの伝達関数が、予め決め
られた第２の伝達関数に一致するように第２の制御装置
の制御演算関数を決定し、第１および第２の制御装置の
出力の和信号で制御対象の操作量とする。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、制御系の新規な設
計方法及び、その制御装置に関するもので、特にモーシ
ョンコントロールに好適な制御装置に関するものであ
る。また、本発明は圧延機などのモータ速度制御，圧下
位置制御に有効な制御であり、目標値追従制御に並行し
て負荷追従制御を行わせ、負荷急変によるインパクトド
ロップを解消し、制御偏差をほとんど発生させない高精
度な制御を実現することが可能な制御装置に関するもの
である。
【０００２】
【従来の技術】制御系の設計方法として従来から種々の
方法が提案され、その理論体系も確立されている。しか
し、古典制御理論に基づく設計においては、１入力，１
出力の制御系を対象とし、複数の状態を同時に制御する
ためには、１状態ずつ最内部の状態に関する制御装置を
設計し、その外側に次の状態に対する制御系を構成す
る、と言うように多重ループによる制御系の構成が採用
されてきた。即ち、図３に示すように、制御対象がＧｐ
１，Ｇｐ２から構成される場合、まず、Ｇｐ１に対する
制御装置Ｇｃ２を設計し、次にＧｐ１とＧｃ１で構成さ
れるループ系とＧp2で構成される制御系に対する制御装
置Ｇｃ２を設計してその出力をＧｃ１の目標値として与
える。同様に、図示していない外側のループが存在する
場合、その制御対象Ｇｐ３に対する制御装置Ｇｃ３を設
計してその出力をＧｃ２の目標値として与える、と言う
ように、内部の系から設計して、順次外部の系を設計
し、多重ループ構成が取られている。
【０００３】このような制御方法では内部の制御系が外
部の制御系よりも高応答でなければ、安定した好適な制
御が実現できないことは良く知られている。また、外側
の制御ループは内側の制御ループの応答に依存し、外側
の制御系の応答は遅くなる。また、最近の制御理論では
多数の状態変数に対する制御装置の設計は行列演算によ
りｎ個の制御装置が一度に設計されるが、それぞれの制
御装置と制御対象の状態量との物理現象的関係が不明確
となり、制御系の調整が簡単にはできない状況にある。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】本発明は、制御対象に
対し、あらかじめ設計者が複数の制御系に対して定めた
所定応答関数を与えて、それぞれ個別の制御系に置ける
制御装置を設計することにより、各制御系の応答性能に
対する制約を排除し、個別の制御装置と制御対象の状態
変数との物理現象的関係を明確にして調整を容易にする
ことができる制御装置を提供することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】本発明では個別のサブシ
ステム毎の制御装置をその対象となる制御系の周波数応
答が所定の制御応答となるように順次設計し、その制御
装置の出力を加算することにより制御対象への操作入力
とする。即ち、ｉ番目の制御装置はｉ−１番目までのす
でに設計が完了した制御装置と制御対象からｉ番目の制
御系の応答が所定応答関数となるように設計し、ｎ個の
制御装置の出力を加算して制御対象の入力操作量とす
る。
【０００６】また、各制御装置の内、一部は外乱に対す
る抑制制御を行わせる。
【０００７】さらに制御入力信号には検出器のノイズ信
号や信号ケーブルに加わる電気的ノイズなどが含まれる
ため、制御演算に微分演算があると各種ノイズの影響で
制御系が不安定になる場合がある。そのため、本発明に
おいては、微分演算の対象となる状態量と微分関係にあ
る状態量に置換し別の演算ループに変換することで、全
制御装置の制御演算を、比例，積分、および一次遅れ，
二次遅れなどのｎ次遅れ要素のみで構成し、この問題を
回避する。
【０００８】本発明は第１の制御装置で最終制御対象の
状態を目標値に追従させる制御を行い、第２の制御装置
で制御系に加わる負荷外乱に対する制御を行い制御系を
安定化させている。さらに、対象の制御系においては外
乱変数であっても、その上位の制御系では所定の値に制
御したい状態量があり、その場合は、第２の制御装置の
機能を分離することで、第３の制御装置を付加する。
【０００９】
【発明の実施の形態】まず、本発明における基本的な制
御装置の設計法について、図１を用いて説明する。
【００１０】図１で１のＧｐは制御対象の伝達関数で、
１１のＧｐ１，１２のＧｐ２はＧｐの部分伝達関数であ
る。即ち、
【００１１】
【数１】 Ｇｐ＝Ｇｐ１・Ｇｐ２ …（数１） の関係がある。ｒは本制御系の目標値で、ｃは制御量で
ある。ｄは外乱とする。Ｇｃは制御量ｃを制御するため
の第１の制御装置、Ｇｄは外乱抑制のための第２の制御
装置である。本発明においては、第１の制御装置Ｇｃ
を、目標値ｒから制御量ｃまでの制御系の一巡伝達関数
あるいは開ループ伝達関数が、所定の応答関数となるよ
うに設計する。例えば、図１の一巡伝達関数の所定応答
関数をＧａとする場合は、
【００１２】
【数２】 Ｇｐ・Ｇｃ／（１＋Ｇｐ・Ｇｃ）＝Ｇａ …（数２） となり、上式から制御装置Ｇｃの制御演算は
【００１３】
【数３】 Ｇｃ＝Ｇａ／（Ｇｐ・（１−Ｇａ)) …（数３） で与えられる。
【００１４】次に、第２の制御装置Ｇｄは、外乱が加わ
る制御対象の部分伝達関数Ｇｐ１の出力が外乱ｄに追従
するように動作させることが目的である。図１の制御系
を外乱ｄからＧｐ１の出力ｘまでのブロック線図に書き
換えると図２となる。ここで、外乱ｄから状態ｘまでの
伝達関数が所定の応答伝達関数Ｇｂに等しくなるように
第２の制御装置の伝達関数Ｇｄを求める。即ち、
【００１５】
【数４】 (Ｇｄ・Ｇｐ１＋Ｇｐ１・Ｇｐ２・Ｇｃ)／(１＋Ｇｐ１・Ｇｐ２・Ｇｃ)＝Ｇｂ …（数４） ここで、Ｇｐ１・Ｇｐ２＝Ｇｐである。上式から、第２
制御装置の制御演算伝達関数Ｇｄを求めると
【００１６】
【数５】 Ｇｄ＝Ｇｂ／Ｇｐ１＋（Ｇｂ−１）・Ｇｐ２・Ｇｃ …（数５） で与えられる。
【００１７】（数３）のＧｃと（数５）のＧｄを図１の
制御装置にそれぞれ設定する。
【００１８】従来の制御方式においては、図３に示すよ
うな縦列接続の制御装置が採用されているが、Ｇ１，Ｇ
２を上記本発明の設計原理で設計することは困難であ
る。
【００１９】本発明を圧延機のモータ制御に適用した例
でさらに詳細に説明する。
【００２０】図４は制御対象のモータの一般的に良く知
れているブロック線図である。図１，図２に示した制御
対象のブロック線図に対応させると、モータの逆起電力
によるフィードバックループが存在しており、制御対象
の伝達関数Ｇｐは下記式となる。
【００２１】
【数６】 Ｇｐ＝Ｋ／（Ｊｓ（Ｔｓ＋１）＋ＫＨ） …（数６） このモータの速度制御と負荷トルク制御を行う場合、図
５に示すブロック線図となり、Ｇｃが速度制御装置、Ｇ
ｄが負荷トルク制御装置，モータ端子電圧が操作量とな
る。
【００２２】ここで、速度目標値ωｐからモータ角速度
ωａまでの応答伝達関数を
【００２３】
【数７】 Ｇａ＝１／（Ｔａｓ＋１） …（数７） となるように速度制御装置Ｇｃを設計する場合、（数
３）に当てはめて
【００２４】
【数８】 Ｇｃ＝Ｇａ／（Ｇｐ・（１−Ｇａ)) ＝（Ｊｓ（Ｔｓ＋１）＋ＫＨ）／（ＫＴａｓ） ＝Ｊ／（ＫＴａ）＋Ｈ／（Ｔａｓ）＋ＪＴｓ／（ＫＴａ） …（数８） が設計される。
【００２５】次に（数５）においてＧｐ１＝Ｋ／（Ｔｓ
＋１），Ｇｐ２＝１／Ｊｓと置き、Ｇｃの変わりに（Ｈ
＋Ｇｃ）と置くことにより、図５と図２が同じブロック
図に変換される。
【００２６】従って、負荷トルク制御の制御演算伝達関
数Ｇｄは、所定応答伝達関数を１／（Ｔｂｓ＋１）とす
ると
【００２７】
【数９】 Ｇｄ＝Ｇｂ／Ｇｐ１＋（Ｇｂ−１）・Ｇｐ２・（Ｈ＋Ｇｃ） ＝（Ｔｓ＋１）／（Ｋ・（Ｔｂｓ＋１)) −Ｔｂ（Ｈ＋Ｇｃ）／（(Ｔｂｓ＋１）Ｊ） …（数９） 但し、（数９）におけるＧｃは（数８）で与えられる演
算伝達関数である。
【００２８】上記の制御演算は本発明の原理に添ってモ
ータのドライブ制御に適用した場合であるが、（数８）
の第３項から判るように微分項を含んだ制御演算が存在
する。通常モータ制御においては「リプル」と呼ばれる
脈動が速度や電流に含まれており、微分項があるとその
影響で制御が安定せず、制御ゲインを大きくできないと
言う問題があった。本発明ではこの点も解消するため、
例えば（数８）の演算で制御する場合、その入力がモー
タ速度の目標値と実測値の差分であることと、制御対象
である図４のモータのブロック線図に注目し、速度の微
分（すなわち、（数８）式の第３項）は負荷トルクとモ
ータ発生トルク（モータ電流に比例）に変換することに
特徴がある。すなわち
【００２９】
【数１０】 ＪＴｓ／（ＫＴａ）＊（ωｐ−ωａ） ＝ＪＴｓ／ＫＴａ＊ωｐ−Ｔ／ＫＴａ＊（−ｄ＋ｘ） …（数１０） 上式において第２項の外乱ｄの項は（数９）に含ませ、
モータの発生トルクであるｘの項（実際はモータ電流を
用いる）を図６に示すような新たなフィードバック項と
して作る。すなわち、（数８）式の第１項と第２項を速
度制御装置Ｇｃの制御演算とし、第３項は（数１０）に
より分解し、（数１０）の第１項を速度指令値ωｐを微
分した（指令値のためノイズは含まれない）信号にＪＴ
／ＫＴを乗じた値を速度制御装置Ｇｃの出力に加算し、
さらに（数１０）の第３項Ｔ／ＫＴａ＊ｘをモータ電流
からのフィードバック項として速度制御装置Ｇｃの出力
に加算する。（数１０）の第２項は（数９）に加算しＧ
ｄの演算に含める。このような変換により微分項を削除
できる。
【００３０】圧延機ドライブシステムにおいて、負荷ト
ルクｄは圧延荷重によるトルクと圧延機前後に作用する
張力によるトルクであることは良く知られている。即
ち、
【００３１】
【数１１】 ｄ＝Ａ１・Ｐ＋Ａ２・（ＴＢ−ＴＦ） …（数１１） 但し、Ａ１，Ａ２は係数である。ここで第１項の圧延荷
重Ｐはロードセルなどの検出器で測定でき、Ｐによるト
ルクは測定可能な外乱である。張力ＴＢ，ＴＦも張力計
での測定あるいはモータトルクと圧延荷重から演算可能
であり、測定可能な外乱で、第２の制御装置の入力とし
て与えることができる。このような制御系の例を図７に
示す。
【００３２】しかし、圧延機の制御において、通常、張
力は制御されるべき状態量であり、従来、張力測定値を
入力し、速度目標値を修正する張力制御が行われてい
た。本発明においては、第２の制御装置の入力を、圧延
荷重Ｐの項、即ち（数１１）の第１項、と張力ＴＢある
いはＴＦの項、即ち（１１）式の第２項の一方に分離
し、張力を第３の制御装置に入力し、その出力を第２の
制御装置への入力に加算して、張力を制御するようにし
ている。例えば、ＴＦを制御する場合は図８に示すよう
に、第３の制御装置の入力をＴＦの目標値と測定値の差
分ΔＴＦとし、制御演算伝達関数Ｇｔを乗じて、その出
力Ｇｔ・ΔＴＦを（１１）式のＴＦとする。なお、Ｇｔ
・ΔＴＦは図９の様に直接第１，第２の制御装置の出力
に加算する形式でも良い。Ｇｔの演算伝達関数の設計は
第１，第２の制御装置が設計された後、その系を含め
て、張力目標値から実張力までの伝達関数が所定の応答
伝達関数となるように、前述の（数３）の形式で設計す
る。
【００３３】以上圧延機のモータ制御を対象に本発明を
詳細に説明したが、本発明は原理からも明らかなよう
に、モータ制御に限定されるものではなく、圧延機の圧
下位置決め制御，ロボットやＸＹレコーダなどのサーボ
制御，化学プロセスにおける流量制御，電力における電
圧，周波数制御，自動車のエンジン制御など適用範囲は
広く、汎用の技術である。
【００３４】なお、本発明はディジタル演算で行っても
なんら問題ない。
【００３５】
【発明の効果】各制御変数と制御装置の対応を明確化で
き、主制御変数に対する目標値追従（または一定）制御
を行いつつ、負荷外乱に対する制御を高速に、しかも高
精度に制御することが可能となり、特に１操作量で複数
の状態を制御しなければならない制御系の制御に好適な
制御装置を提供するものである。また、各制御装置の分
担が明確であるため、システムの調整を容易にすると共
に、制御機能として不要な制御装置は他の制御装置に関
係なく削除することが可能で、さらに、各制御装置を所
定の応答伝達関数を与えて設計することができるため、
システムの拡張性，改善性に優れている。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の対象となる基本的制御系で、制御対象
と制御装置の関係をブロック線図で示したものである。
【図２】本発明の第２の制御装置を設計する説明のため
に図１を変換したものである。
【図３】本発明に関連する従来例である。
【図４】本発明の代表的制御対象としてのモータのブロ
ック線図である。
【図５】本発明のモータ制御における実施例である。
【図６】図５の制御の変形例（微分項削除の例）であ
る。
【図７】本発明を圧延機の制御に適用した構成例を示す
図である。
【図８】本発明のさらなる展開例として第３の制御装置
を付加した実施例である。
【図９】図８を展開した実施例である。
【符号の説明】
１…制御対象の伝達関数、２…制御量ｃを制御するため
の第１の制御装置、３…Ｇｄは外乱抑制のための第２の
制御装置、１１，１２…１の部分伝達関数。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 岡田 隆 茨城県日立市大みか町七丁目２番１号 株 式会社日立製作所電力・電機開発本部内 (72)発明者 飛世 正博 茨城県日立市大みか町五丁目２番１号 株 式会社日立製作所大みか工場内 (72)発明者 岩路 善尚 茨城県日立市大みか町七丁目２番１号 株 式会社日立製作所電力・電機開発本部内

Claims (18)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】制御対象の伝達関数から制御装置の制御演
    算関数を決定し、該決定された制御演算関数に従って制
    御対象の操作量を調整する制御装置において、 制御対象と第１の制御装置を含む制御系の閉ループ一巡
    伝達関数あるいは開ループ伝達関数をあらかじめ決めら
    れた第１の伝達関数に一致するように前記第１の制御装
    置の制御演算関数を決定し、制御装置と第１の制御装置
    とで構成される閉ループ制御系を対象に、制御対象に加
    わる外乱から、該外乱が制御対象に印加される点の状態
    変数までの伝達関数が、あらかじめ決められた第２の伝
    達関数に一致するように第２の制御装置の制御演算関数
    を決定し、第１および第２の制御装置の出力の和信号で
    制御対象の操作量とする制御装置。
  2. 【請求項２】請求項１記載の制御装置において、 演算関数に微分動作項が含まれる場合、該微分動作項の
    入力となる第１の状態変数を、制御対象の伝達関数の関
    係から第１の状態変数の微分関係にある第２の状態変数
    に変換し、上記微分動作を比例あるいは積分動作に変換
    する制御装置。
  3. 【請求項３】請求項１記載の制御装置において、 前記第２の制御装置は、制御対象の外乱の状態を制御対
    象の外部の検出可能な状態から検出あるいは推定して第
    ２の制御装置の入力する制御装置。
  4. 【請求項４】請求項３記載の制御装置において、外乱の
    状態の検出あるいは推定には一部の外乱変数は第３の制
    御装置の出力値を用いる制御装置。
  5. 【請求項５】制御対象の制御量を目標値に一致するよう
    に制御する第１の制御装置，制御対象に加わる外乱変数
    の検出値あるいは推定値を入力として制御対象の内部変
    数を外乱に追従させる第２の制御装置，前記第１の制御
    装置の出力と第２の制御装置の出力を加算して制御対象
    に加える操作量とする制御装置。
  6. 【請求項６】請求項５の制御装置において、 前記第２の制御装置は外乱変数の一部は検出あるいは推
    定し、他の一部の変数は第３の制御装置の出力とする制
    御装置。
  7. 【請求項７】モータの端子電圧を操作量としてモータ回
    転速度を制御する制御系において、 端子電圧から回転速度までの伝達関数を用いて、回転速
    度の目標値と回転速度の検出値の差分を入力とし、上記
    端子電圧を出力とする第１の制御装置と、モータに加わ
    る負荷トルクを入力としモータの電流が該負荷トルクに
    追従するように前記端子電圧を調整する第２の制御装置
    から構成される制御装置。
  8. 【請求項８】請求項７の第１の制御装置は、モータの伝
    達関数と第１の制御装置の伝達関数から求められる閉ル
    ープ伝達関数（一巡伝達関数）あるいは開ループ伝達関
    数が所定の伝達関数に一致するように第１の制御装置の
    伝達関数を設計する制御装置。
  9. 【請求項９】請求項７の第２の制御装置は、請求項８で
    設計された第１の制御装置と制御対象の伝達関数で構成
    される閉ループ伝達関数に基づき、負荷トルクからモー
    タ電流までの応答が所定の応答伝達関数に一致するよう
    に第２の制御装置の伝達関数を設計する制御装置。
  10. 【請求項１０】請求項９の第２の制御装置の入力である
    負荷トルクにおいて、 該負荷トルクが複数の外部変数から構成されている対象
    においては、一部の外部変数を検出あるいは推定して第
    ２の制御装置の入力とし、他の一部はその変数のあらか
    じめ与えられた基準値あるいは平均値とその検出値ある
    いは推定値との差分に比例あるいは積分演算をする第３
    の制御装置の出力を第２の制御装置の入力に加算する制
    御装置。
  11. 【請求項１１】請求項１０に置いて、第２の制御装置の
    入力は始めの一部の外部変数の検出値あるいは推定値と
    し、第３の制御装置の出力を第２の制御装置の出力に加
    算するようにしたことを特徴とする制御装置。
  12. 【請求項１２】圧延機のドライブ制御において、第１の
    制御装置をモータ速度の指令値と実速度の検出値あるい
    は推定値を入力とする速度制御装置とし、第２の制御装
    置は圧延荷重に依存した負荷トルクを入力としモータ端
    子電圧を出力するトルク制御装置、第３の制御装置は張
    力の目標値とその検出値の差分を入力し、第２の制御装
    置の入力指令としての張力トルク指令あるいは第２の出
    力であるモータ端子電圧とする張力制御装置から構成し
    たことを特徴とする制御装置。
  13. 【請求項１３】圧延機の圧下位置制御装置において、 第１の制御装置を圧下位置の指令値とその検出値の差分
    を入力とする圧下位置制御装置，第２の制御装置は圧延
    荷重を入力として圧下位置補正出力をおこなう圧下補正
    制御装置としたことを特徴とする制御装置。
  14. 【請求項１４】位置サーボ制御系において、第１の制御
    装置は位置制御、第２の制御装置は位置変化速度の速度
    制御装置、第３の制御装置はサーボモータに加わる負荷
    トルクを制御するトルク制御装置とすることを特徴とす
    る制御装置。
  15. 【請求項１５】第１の制御装置は制御装置と制御対象で
    構成される制御系の応答が所定の応答関数となるように
    その応答関数と制御対象の伝達関数から設計し、第２の
    制御装置は第１の制御装置と制御対象から構成される制
    御系の伝達関数と第２の制御装置の所定応答関数から設
    計し、第３の制御装置は第１，第２の制御装置と制御対
    象から構成される制御系の伝達関数と第３の応答関数か
    ら設計し、第１，第２，第３の制御装置の出力を加算
    し、制御対象の操作量とすることを特徴とする制御装
    置。
  16. 【請求項１６】請求項１５の制御装置において、 第３の制御装置の出力は第２の制御装置の入力に加算す
    ることを特徴とする制御装置。
  17. 【請求項１７】ｎ個の状態変数をもつ制御系における制
    御装置において、 最終段出力である制御量を対象とした制御装置を第１の
    制御装置とし、ｉ番目の制御装置はｉ−１番目までのす
    でに設計が完了した制御装置と制御対象からｉ番目の制
    御系の応答が所定応答関数となるように設計し、ｎ個の
    制御装置の出力を加算して制御対象の入力操作量とする
    ことを特徴とする制御装置。
  18. 【請求項１８】請求項１乃至１７の制御装置において、 各制御装置における制御演算で微分演算に関しては、制
    御対象の伝達関数の関係から、その該当する状態量の微
    分関係にある状態量に変換して別の演算ループを形成
    し、直接微分演算を行わせないようにしたことを特徴と
    する制御装置。
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