WO2014061682A1 - むだ時間を有する無定位系の制御装置 - Google Patents

むだ時間を有する無定位系の制御装置 Download PDF

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    • G01M17/007—Wheeled or endless-tracked vehicles
    • G01M17/02—Tyres

Definitions

  • the present invention relates to a technique for controlling a stereotaxic system having a dead time.
  • a belt stretched between a pair of drums may meander or slip from an appropriate position during a tire test. Therefore, in this running test apparatus, the belt position is controlled by making the amount of rocking of the drum variable after actually measuring the belt position.
  • a control system typified by this traveling test apparatus has a dead time and an integral characteristic in its dynamic characteristics, and can be considered as a “non-localized system having a dead time”.
  • Patent Document 2 discloses a dead time compensation control device that feeds back an output of a control target having a dead time and performs PI control or PID control based on a deviation from a target value to compensate for the dead time of the control device. It is disclosed.
  • the dead time compensation control device compensates for the dead time in the controlled object by a Smith compensator using the dead time Smith compensation method, and also includes a control device dead time compensator having a control device model means and a control device dead time model means. The dead time inside the control device is compensated.
  • FIG. 1 shows an example of a stereotaxic system having dead time and integral characteristics and a control system for controlling the stereotactic system.
  • Cascade control in which controllers are connected in cascade like control 1 and control 2 is generally used for a control object having an integral characteristic.
  • FIG. 1 shows a control block diagram as shown in FIG. 1
  • the control 1 (first controller) and the control 2 (second controller) in FIG. 1 are provided in the control unit in FIG. FIG. 2 shows a control result at the time of step input in the control system shown in FIG.
  • P control is performed as the first controller
  • PI control is performed as the second controller (cascade control of P-PI control).
  • FIG. 2 in the case of the control system of FIG. 1, the control gain cannot be increased due to the influence of the dead time, and the response is slow. If the control gain is increased more than necessary, hunting will occur, so simple cascade control cannot achieve higher response.
  • FIG. 3 shows an example in which a Smith compensation system (Smith compensation loop) is added to the control system of FIG. 1 to compensate for the dead time.
  • FIG. 4 shows the result of control in the control system of FIG.
  • the step compensation is enhanced by the Smith compensation without being affected by the dead time.
  • the disturbance d is applied at the time of 30 seconds and an integration error occurs, in the absence of Smith compensation, the target value 1 is slowly approached.
  • the error does not converge due to the integration error between the integration value of the Smith compensation system and the integration value in the actual machine, and an offset error D off occurs.
  • FIG. 5 shows the result of control in the control system of FIG. The control conditions are the same as in FIG.
  • the offset error due to the integration error is improved by adding the high-pass characteristic to the Smith compensation output.
  • step response response (response initial stage) (A portion in FIG. 6)
  • target value response is greatly deteriorated.
  • an object of the present invention is to provide a control device capable of achieving a high response by increasing gain while suppressing an offset error due to an integration error with respect to a non-localized system having a dead time.
  • the control device for a stereotaxic system having a dead time is a control device for controlling a control object consisting of a ⁇ a stereotactic system having a dead time '' in which the dynamic characteristics include a dead time and an integral characteristic, Based on the dynamic characteristics of the controlled object, it has a ⁇ dead time compensation system '' that compensates for the dead time in the controlled object, and an ⁇ integrated error compensation system '' that compensates for the integral error caused by the dead time compensation system.
  • the integral error compensation system is input with an ideal responder that models the dynamic characteristics of the controlled object in a state in which no disturbance is input, and a comparison value between the output of the ideal responder and the output of the controlled object, And a corrector that corrects the input comparison value and then inputs the correction value to the control target.
  • the object to be controlled is a tire running test apparatus configured to have an endless belt spanned between a pair of drums and a test tire to roll on the belt.
  • the drum swing parameter may be an input to be controlled, and the position of the belt may be an output to be controlled.
  • control device of the present invention it is possible to increase the response by increasing the gain while suppressing the offset error due to the integration error with respect to the non-localized system having a dead time.
  • FIG. 2 is a block diagram of a control system that performs Smith compensation for a non-localized system having dead time and integration characteristics. It is the figure which showed the result of having controlled by the control system of FIG. FIG. 2 is a block diagram of a control system in which Smith compensation is performed and a high-pass characteristic is added to a non-localized system having a dead time and an integral characteristic. It is the figure which showed the result of having controlled by the control system of FIG.
  • the block diagram of the control system of 1st Embodiment is shown.
  • FIG. 10 shows a running test apparatus 50 for the tire T.
  • the travel test apparatus 50 is provided with a drive drum 52 connected to a drive motor 51 and capable of rotating in the forward and reverse directions so that the axes are parallel to each other at a distance from the drive drum 52.
  • a driven drum 53 and an endless belt 54 spanned between the driving drum 52 and the driven drum 53 are provided.
  • a test tire T is in contact with the road surface (test road surface) formed on the flat surface of the belt 54.
  • the traveling test apparatus 50 is configured to evaluate the traveling characteristics of the tire T by causing the tire T to contact and roll on a test road surface on the belt 54.
  • the running test device 50 is provided with a belt meandering prevention device 55.
  • the belt meandering prevention device 55 swings the driven drum 53 with respect to the driving drum 52 out of the driving drum 52 and the driven drum 53 provided in the running test device 50, thereby causing the belt 54 to meander and be displaced. It has been corrected.
  • the belt meandering prevention device 55 includes a drum swinging unit 56 that swings the driven drum 53 about the swinging axis along the vertical direction with respect to the drive drum 52, and a control unit 57 that controls the drum swinging unit 56. It is equipped with.
  • the drum rocking means 56 makes the position of the belt 54 variable according to the rocking parameters such as the rocking amount ⁇ , the rocking speed ⁇ ′, and the rocking force.
  • the belt meandering prevention device 55 controls the belt position using the integral value of the drum swing amount after actually measuring the belt position with the sensor 58 or the like.
  • the system typified by the running test apparatus 50 has a dead time and an integral characteristic, and can be considered as “a stereotactic system 2 having a dead time”.
  • FIG. 7 shows the first embodiment of the present invention, which controls the control system expressing the characteristics of the traveling test apparatus 50, that is, the non-localization system 2 having a dead time, and the non-localization system 2.
  • the control apparatus 1 is shown with the block diagram.
  • a stereotaxic system 2 having a dead time (hereinafter also simply referred to as a stereotactic system 2) is P (s) resulting from the dynamic characteristics of the running test apparatus 50, e ⁇ Ls representing the dead time, integral It is composed of a device 1 / s.
  • a disturbance d is input to the input side of the integrator 1 / s.
  • a first controller 3 (indicated as control 1 in the figure)
  • a second controller 4 indicated as control 2 in the figure) for controlling the non-localization system 2.
  • Is provided.
  • P control or I control can be employed.
  • the target input value is input to the non-localization system 2 via the first controller 3 and the second controller 4, whereby the non-localization system 2 is controlled.
  • the control device 1 of the present embodiment is provided with a Smith compensation system 5 (dead time compensation system) with respect to the localization system 2.
  • a Smith compensation system 5 (dead time compensation system) with respect to the localization system 2.
  • the configuration of the Smith compensation system 5 various configurations shown in FIG. 11 can be adopted.
  • the configuration of FIG. 7 in other words, the configuration of FIG. That is, the input value (output of the second controller 4) to the non-localization system 2 is branched and input to P (s) constituting the Smith compensation system 5.
  • the output of P (s) in the Smith compensation system 5 branches into two, and one is input to the integrator as it is. The other is that, after the dead time e ⁇ Ls is inputted, a negative value of the output of e ⁇ Ls is inputted to the integrator.
  • the output of the integrator of the Smith compensation system 5 is added to the output of the non-localization system 2 and then negatively fed back to the input of the first controller 3. At the same time, the addition value of the integrator output of the Smith compensation system 5 and the output of the non-localization system 2 is differentiated and negatively fed back to the input of the second controller 4.
  • the above-described control is cascade control, and the feedback value to the first controller 3 is the output of the stereotaxic system 2 itself, so that it corresponds to the position control loop (control loop of the swing amount ⁇ ) in the traveling test apparatus 50. It is done. Since the feedback value to the second controller 4 is a differential value of the output of the non-localization system 2, it is considered that it corresponds to the speed control loop (control loop of the swing speed ⁇ ′) in the traveling test apparatus 50.
  • an integration error compensation system 6 (integration error compensation loop) that suppresses an integration error that occurs when a disturbance d is input to the astatic system 2.
  • the integral error compensation system 6 has an ideal responder 7 (ideal control response characteristic) having a control response characteristic from input to output in an ideal state with no disturbance or integral error when Smith compensation is performed. ing.
  • the input value to the first controller 3 is branched and input to the ideal responder 7.
  • the output from the non-localization system 2 is fed back to the integral error compensation system 6 and a difference (comparison value) with the output of the ideal responder 7 is calculated.
  • This comparison value is input to the corrector 8 provided in the integral error compensation system 6, and the output of the corrector 8 is added to the input of the second controller 4.
  • P (s) indicates the dynamic characteristic excluding the integral characteristic and dead time to be controlled
  • C1 (s) is the dynamic characteristic of the first controller 3
  • C2 (s) is the second controller 4. Dynamic characteristics are shown.
  • FIG. 8 shows a control result using the control device (example) of the present embodiment in which the output of the corrector 8 is added to the input of the second controller 4.
  • the control conditions are the same as in FIG.
  • the control device of the present embodiment compared to the control method of the Smith compensation system 5 (with a high-pass filter), it is understood that there is no overshoot in the initial response. As a result, a step response with high response can be realized.
  • the influence of the integration error when the disturbance d which is a problem, is applied, that is, the offset error D off as shown in FIG. It turns out that it becomes almost zero in time.
  • FIG. 9 shows a second embodiment of the present invention.
  • the control device 1 ′ of the second embodiment shown in FIG. 9 and the control device 1 of the first embodiment are the same in that the control target is “a stereotactic system with dead time”.
  • the Smith compensation system 5 is also provided for the stereotaxic system 2.
  • an integration error compensation system 6 is provided which suppresses an integration error that occurs when a disturbance d is input to the localization system 2.
  • the integration error compensation system 6 includes the ideal responder 7 and the corrector 8 as well.
  • control device 1 ′ of the second embodiment shown in FIG. 9 is greatly different from the control device 1 of the first embodiment in that it has only one controller. That is, in the control device 1 ′ of the second embodiment, the input to the non-localization system 2 is input via the controller 9. The output of the non-localization system 2 is added to the output of the Smith compensation system 5 and then negatively fed back to the input of the controller 9. That is, the control system of the second embodiment is a non-cascade control system, and the feedback value to the controller 9 is the output of the non-localization system 2, and therefore, for example, a control system for controlling a motor is applicable. It has become.
  • the input value to the controller 9 is branched and input to the ideal responder 7.
  • the output from the non-localization system 2 is fed back to the integral error compensation system 6 and a difference (comparison value) with the output of the ideal responder 7 is calculated.
  • P (s) indicates the dynamic characteristics excluding the integrator to be controlled and the dead time
  • C (s) indicates the dynamic characteristics of the controller 9.
  • FIG. 11 shows various configurations of the Smith compensation system 5 (Smith compensation loop).
  • the configuration of FIG. 11A is employed as the Smith compensation system 5, but the configurations of FIGS. 11B to 11E may be employed.
  • FIG. 11B is a diagram in which the order of the dynamic characteristic P (s), the dead time e ⁇ Ls and the integrator 1 / s is changed with respect to FIG. The signal is transmitted in the order of the device 1 / s, the dynamic characteristic P (s), and the dead time e- Ls .
  • FIG. 11 (c) and 11 (e) show the parallel type of FIG. 11 (a). That is, in FIG. 11C, there are two signal transmission paths, and one series is provided with dynamic characteristics P (s), dead time e ⁇ Ls , and integrator 1 / s. The signal is added (ie, subtracted) after being made negative on the output side. In another series, a dynamic characteristic P (s) and an integrator 1 / s are provided, and the transmitted signal is added to the output side as a positive value. In addition, FIG.11 (e) differs from FIG.11 (c) only in the order of addition / subtraction to an output side.
  • FIG. 11D shows a case where the dynamic characteristic P (s) is a parallel type with respect to FIG. That is, in FIG. 11 (d), the input signal is branched, the dynamic characteristic P (s) and the dead time e ⁇ Ls are provided in one series, and the dynamic characteristic P (s) is provided in the other series. And an integrator 1 / s are provided. The output of the dead time e ⁇ Ls in one series is made negative (ie, subtracted) at the input side of the integrator 1 / s of the other series, and the output of the integrator 1 / s is Smith. This is the output of the compensation system 5.
  • embodiment disclosed this time is an illustration and restrictive at no points.
  • matters that are not explicitly disclosed, for example, operating conditions and operating conditions, various parameters, dimensions, weights, volumes, and the like of a component deviate from a range that a person skilled in the art normally performs. Instead, values that can be easily assumed by those skilled in the art are employed.
  • control technique of the present invention is not limited to the tire T running test apparatus 50, and can be applied to any system as long as it is a system represented by the non-localized system 2 having a dead time.

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Abstract

　むだ時間を有する無定位系（２）からなる制御対象を制御する制御装置（１）は、制御対象の動特性に基づいて当該制御対象でのむだ時間を補償するむだ時間補償系（５）と、むだ時間補償系（５）に起因する積分誤差を補償する積分誤差補償系（６）と、を有する。積分誤差補償系（６）は、外乱が入力されない状態での制御対象の動特性をモデル化した理想応答器（７）と、理想応答器（７）の出力と制御対象の出力との比較値を補正した後、制御対象へ入力するように構成された補正器（８）と、を有する。

Description

むだ時間を有する無定位系の制御装置
　本発明は、むだ時間（ｄｅａｄ　ｔｉｍｅ）を有する無定位系を制御する技術に関する。
　例えば、特許文献１に開示されたようなタイヤの走行試験装置では、一対のドラム間に架け渡されたベルトが、タイヤ試験中に蛇行したり、適切な位置からずれたりすることがある。そのため、この走行試験装置では、ベルト位置を実測した上でドラムの揺動量を可変とすることにより、ベルト位置の制御を行っている。
　この走行試験装置に代表される制御系は、その動特性にむだ時間、積分特性を備えていて「むだ時間を有する無定位系」と考えることができる。
　このような「むだ時間を有する無定位系」に対して補償を行う制御手法として、スミス補償が有名である。
　例えば、特許文献２には、むだ時間を有する制御対象の出力をフィードバックし、目標値との偏差に基づいてＰＩ制御またはＰＩＤ制御を行う、制御装置のむだ時間を補償するむだ時間補償制御装置が開示されている。このむだ時間補償制御装置は、上記制御対象におけるむだ時間をむだ時間スミス補償法によるスミス補償器で補償すると共に、制御装置モデル手段と制御装置むだ時間モデル手段とを有する制御装置むだ時間補償器により、上記制御装置の内部のむだ時間を補償する。
日本国特開２０１０－１２２００６号公報 日本国特開２０１０－２０５１４１号公報
　特許文献２に示したように、スミス補償は多くの制御系の補償に用いられている。しかしながら、一方で、スミス補償は、積分が含まれる無定位系に対して、むだ時間の補償系に含まれる積分特性が影響し（言い換えれば、モデルと実機との積分値の差が影響し）、オフセット誤差が発生するため、制御性能が悪化することが知見されている。
　図１は、むだ時間と積分特性を有する無定位系、及びこの無定位系を制御する制御系の一例を示す。積分特性を有する制御対象に対しては、制御１、制御２のようにカスケード状に制御器を接続するカスケード制御が一般的とされている。
　特許文献１に示すタイヤの走行試験装置（図１０参照）をモデル化した場合も、図１に示すような制御ブロック図となる。図１の制御１（第１制御器）、制御２（第２制御器）は、図１０の制御部内に設けられている。
　図２には、図１に示した制御系でのステップ入力時の制御結果が示されている。この制御では、第１制御器としてＰ制御を、第２制御器としてＰＩ制御が行なわれる（Ｐ－ＰＩ制御のカスケード制御）。図２から明らかなように、図１の制御系の場合、むだ時間の影響により制御ゲインを上げられず、応答が遅い。制御ゲインを必要以上に上げるとハンチングが発生するため、単純なカスケード制御ではこれ以上の高応答化を図ることができない。
　一方、図３には、図１の制御系にスミス補償系（スミス補償ループ）を追加し、むだ時間を補償した例が示されている。
　図４には、図３の制御系での制御の結果が示されている。図４から明らかなように、スミス補償により、むだ時間の影響を受けることなくステップ応答の高応答化が図られている。３０秒の時点で外乱ｄが印加され積分誤差が発生すると、スミス補償がない場合には、ゆっくりではあるが目標値１に近づいて行く。しかしながら、スミス補償がある場合には、スミス補償系の積分値と実機での積分値との積分誤差により、誤差が収束せずオフセット誤差Ｄｏｆｆが発生してしまう。
　図５に示すように、オフセット誤差Ｄｏｆｆの発生を防止するため、スミス補償の出力にハイパス特性（ハイパスフィルタ）を追加し、低周波に発生する積分誤差を遮断することで積分誤差の影響を抑制する手法も知見されている。
　図６には、図５の制御系での制御の結果が示されている。制御条件は図４の場合と同じである。図６からわかるように、スミス補償の出力にハイパス特性を追加したことにより、積分誤差によるオフセット誤差は改善されている。しかしながら、この場合には逆に、ステップ応答時（応答初期）に大きなオーバーシュートが発生し（図６のＡ部分）、目標値応答が大きく悪化してしまう。
　以上まとめれば、
（１）むだ時間と積分特性を含む無定位系の制御では、スミス補償などのむだ時間補償なしにはゲインアップが不可能である。
（２）しかしながら、無定位系にスミス補償を適用すると、積分誤差の影響でオフセット誤差が発生し、問題となる場合がある。
（３）このオフセット誤差を抑制するため、低周波領域で発生するスミス補償の積分誤差成分をハイパス特性（低周波遮断特性）にて遮断する方法が知られている。しかしながら、低周波に存在する積分誤差以外の有用な情報も遮断されるため、ステップ入力時などの目標値応答が大きくオーバーシュートするなど、問題が発生することが知見されている。
　上記問題点を鑑み、本発明は、むだ時間を有する無定位系に対し、積分誤差に起因するオフセット誤差を抑制しつつゲインアップによる高応答化を図ることができる制御装置を提供することを目的とする。
　上述の目的を達成するため、本発明においては以下の技術的手段を講じた。
　本発明に係るむだ時間を有する無定位系の制御装置は、動特性にむだ時間と積分特性が含まれる「むだ時間を有する無定位系」からなる制御対象を制御する制御装置であって、前記制御対象の動特性に基づいて、当該制御対象でのむだ時間を補償する「むだ時間補償系」と、前記むだ時間補償系に起因する積分誤差を補償する「積分誤差補償系」と、を有し、前記積分誤差補償系は、外乱が入力されない状態での前記制御対象の動特性をモデル化した理想応答器と、前記理想応答器の出力と制御対象の出力との比較値が入力され、入力された比較値を補正した後で前記制御対象へ入力する補正器と、を有することを特徴とする。
　好ましくは、前記制御対象が、一対のドラム間に架け渡された無端のベルトを有すると共に、当該ベルト上を試験用のタイヤが転動するように構成されたタイヤの走行試験装置であり、前記ドラムの揺動パラメータが制御対象の入力であり、前記ベルトの位置が制御対象の出力であってもよい。
　本発明の制御装置によれば、むだ時間を有する無定位系に対し、積分誤差に起因するオフセット誤差を抑制しつつゲインアップによる高応答化を図ることができる。
むだ時間と積分特性を有する無定位系に対し、カスケード制御を行う制御系のブロック図を示したものである。 図１の制御系で制御を行った結果を示した図である。 むだ時間と積分特性を有する無定位系に対し、スミス補償を行う制御系のブロック図を示したものである。 図３の制御系で制御を行った結果を示した図である。 むだ時間と積分特性を有する無定位系に対し、スミス補償を行うと共にハイパス特性を追加した制御系のブロック図を示したものである。 図５の制御系で制御を行った結果を示した図である。 第１実施形態の制御系のブロック図を示したものである。 第１実施形態の制御系で制御を行った結果を示した図である。 第２実施形態の制御系のブロック図を示したものである。 タイヤ走行試験装置の概略を示した図である。 （ａ）～（ｅ）はスミス補償制御の様々な形態を示した図である。
　以下、本発明に係る、むだ時間を有する無定位系の制御装置の実施の形態を、図をもとに説明する。
　まず、各実施形態の制御装置１を説明する前に、むだ時間を有する無定位系２について説明を行う。
　むだ時間を有する無定位系２の代表的な例としては、特許文献１（日本国特開２０１０－１２２００６号公報）に開示されたタイヤＴの走行試験装置が挙げられる。図１０は、タイヤＴの走行試験装置５０を示す。
　この走行試験装置５０は、駆動モータ５１に連結されて正逆に回転自在とされた駆動ドラム５２と、駆動ドラム５２に対して距離をあけて軸心同士が互いに平行となるように設けられた従動ドラム５３と、駆動ドラム５２と従動ドラム５３との間に架け渡された無端のベルト５４と、を有している。ベルト５４の平坦面に形成された路面（試験路面）に、試験用のタイヤＴが接地している。走行試験装置５０は、ベルト５４上の試験路面にタイヤＴを接地・転動させてタイヤＴの走行特性を評価できるように構成されている。
　さらに、この走行試験装置５０には、ベルト蛇行防止装置５５が備えられている。ベルト蛇行防止装置５５は、走行試験装置５０に設けられた駆動ドラム５２と従動ドラム５３とのうち、従動ドラム５３を駆動ドラム５２に対して揺動させることで、ベルト５４の蛇行、位置ずれを修正している。
　ベルト蛇行防止装置５５は、駆動ドラム５２に対して従動ドラム５３を上下方向に沿った揺動軸回りに揺動させるドラム揺動手段５６と、このドラム揺動手段５６を制御する制御部５７と、を備えている。ドラム揺動手段５６は、その揺動量θ、揺動速度θ’、揺動力などの揺動パラメータに応じて、ベルト５４の位置を可変とする。ベルト蛇行防止装置５５は、ベルト位置をセンサ５８などで実測した上で、ドラムの揺動量の積分値を用いてベルト位置の制御を行っている。
　この走行試験装置５０に代表される系は、むだ時間、積分特性を備えていて「むだ時間を有する無定位系２」と考えることができる。
［第１実施形態］
　図７は、本発明の第１実施形態を示したものであって、走行試験装置５０の特性を表現した制御系、すなわちむだ時間を有する無定位系２、及びこの無定位系２を制御する制御装置１をブロック図で示したものである。
　むだ時間を有する無定位系２（以下、単に無定位系２と表記することもある）は、走行試験装置５０の動特性に起因するＰ（ｓ）、むだ時間を表現するｅ－Ｌｓ、積分器１／ｓから構成されている。積分器１／ｓの入力側には外乱ｄが入力されるものとなっている。
　このような無定位系２の入力部分には、無定位系２を制御するための第１制御器３（図では制御１と表記）、第２制御器４（図では制御２と表記）が設けられている。第１制御器３、第２制御器４としては、Ｐ制御やＩ制御を採用することができる。目標入力値は、第１制御器３、第２制御器４を介した上で無定位系２へ入力され、これにより無定位系２が制御されることとなる。
　また、本実施形態の制御装置１は、この無定位系２に対して、スミス補償系５（むだ時間補償系）を備えている。
　スミス補償系５の構成としては、図１１に示す様々なものが採用可能であるが、本実施形態では、図７の構成、言い換えれば、図１１（ａ）の構成が採用されている。すなわち、無定位系２への入力値（第２制御器４の出力）が、分岐され、スミス補償系５を構成するＰ（ｓ）へ入力される。スミス補償系５でのＰ（ｓ）の出力は、２つに分岐し、１つはそのまま積分器へ入力される。もう一つは、むだ時間ｅ－Ｌｓへ入力された後、ｅ－Ｌｓの出力のマイナス値が積分器へと入力される。スミス補償系５の積分器の出力は、無定位系２の出力に加算された上で、第１制御器３の入力へネガティブフィードバックされる。併せて、スミス補償系５の積分器の出力と無定位系２の出力との加算値は、微分された上で、第２制御器４の入力へネガティブフィードバックされる。
　上記した制御はカスケード制御であり、第１制御器３へのフィードバック値は無定位系２の出力そのものであるので、走行試験装置５０における位置制御ループ（揺動量θの制御ループ）に対応すると考えられる。第２制御器４へのフィードバック値は無定位系２の出力の微分値であるので、走行試験装置５０における速度制御ループ（揺動速度θ’の制御ループ）に対応すると考えられる。
　さらに、図７に示すように、本実施形態の場合、無定位系２に対する外乱ｄの入力時などに発生する積分誤差を抑制する積分誤差補償系６（積分誤差補償ループ）が設けられている。
　この積分誤差補償系６は、スミス補償実施時であって、外乱や積分誤差がない理想状態での入力から出力までの制御応答特性を有する理想応答器７（理想の制御応答特性）を有している。積分誤差補償系６においては、第１制御器３への入力値が、分岐され、理想応答器７へと入力される。その一方で、無定位系２からの出力は、積分誤差補償系６へフィードバックされ、理想応答器７の出力との差（比較値）が算出される。この比較値は、積分誤差補償系６に備えられた補正器８へ入力され、補正器８の出力は、第２制御器４の入力へ加算されるようになる。補正器８は、入力値に所定のゲイン（ゲイン＝１でもよい）を乗算し出力する。なお、補正器８の出力を第１制御器３の入力値に戻す構成を採用することも可能であり、補正器８の出力を第２制御器４の出力値に戻す構成を採用することも可能である。
　ここで、理想応答器７の特性は、式（１）で与えられる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000001
　ここで、Ｐ（ｓ）は、制御対象の積分特性とむだ時間を除いた動特性を示し、Ｃ１（ｓ）は第１制御器３の動特性、Ｃ２（ｓ）は第２制御器４の動特性を示している。
　図８には、補正器８の出力を第２制御器４の入力へ加算する、本実施形態の制御装置（実施例）を用いた制御結果が示されている。なお、制御条件は、図６の場合と同じである。
　図８から明らかなように、本実施形態の制御装置によれば、スミス補償系５（ハイパスフィルタあり）の制御手法に比して、応答初期におけるオーバーシュートがなくなっていることがわかる。これにより、高応答なステップ応答を実現することが可能となる。加えて、本実施形態の制御装置によれば、問題であった外乱ｄが印加されたときの積分誤差の影響、つまり図４に示されているようなオフセット誤差Ｄｏｆｆも早期になくなり、短時間でほぼゼロとなることがわかる。
　以上述べたように、第１実施形態の制御装置１によれば、スミス補償によるむだ時間の補償系５を設けることで、ゲインアップによる高応答化を実現することができる。その際、スミス補償系５で発生する積分誤差によるオフセット誤差は、別途、積分誤差補償系６を設けることで抑制されるので、外乱などの影響も可及的速やかに抑制することができるようになる。なお、積分誤差補償系６は、スミス補償時の理想的な制御応答特性での出力と実際の出力との差に応じて制御を行う。これにより、スミス補償の後段にハイパスフィルタなどを設ける必要なく、外乱によるオフセット誤差の発生を抑制することが可能となった。
［第２実施形態］
　図９は、本発明の第２実施形態を示したものである。
　図９に示す第２実施形態の制御装置１’と、第１実施形態の制御装置１とは、その制御対象が「むだ時間を有する無定位系」である点が同じである。また、この無定位系２に対して、スミス補償系５が設けられている点も同じである。加えて、無定位系２に対する外乱ｄの入力時などに発生する積分誤差を抑制する積分誤差補償系６が設けられている点も同じである。この積分誤差補償系６が、理想応答器７、補正器８を有している点も同じである。
　しかしながら、図９に示す第２実施形態の制御装置１’は、制御器を一つしか有さない点で、第１実施形態の制御装置１と大きく異なっている。
　すなわち、第２実施形態の制御装置１’において、無定位系２への入力は制御器９を介して入力される。無定位系２の出力は、スミス補償系５の出力と加算された上で、制御器９の入力へネガティブフィードバックされる。つまり、第２実施形態の制御系は、非カスケード制御系であり、制御器９へのフィードバック値は無定位系２の出力であるので、例えば、モータを制御する制御系などが該当するものとなっている。
　第２実施形態の積分誤差補償系６においては、制御器９への入力値が分岐され、理想応答器７へと入力される。その一方で、無定位系２からの出力は、積分誤差補償系６へフィードバックされ、理想応答器７の出力との差（比較値）が算出される。この比較値は、積分誤差補償系６に備えられた補正器８（ゲイン＝１でもよい）へ入力され、補正器８の出力は、制御器９の出力へ加算されるようになる。
　ここで、理想応答器７の特性は、式（２）で与えられる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000002
　ここで、Ｐ（ｓ）は、制御対象の積分器とむだ時間を除いた動特性を示し、Ｃ（ｓ）は制御器９の動特性を示している。
　第２実施形態の制御装置１’であっても、むだ時間を有する無定位系２に対し、積分誤差に起因するオフセット誤差を抑制しつつゲインアップによる高応答化を図ることができるようになる。
［変形例］
　ところで、第１実施形態及び第２実施形態で述べたスミス補償系５の具体的な構成は一つに限定されない。
　図１１には、スミス補償系５（スミス補償ループ）の様々な構成が示されている。上記した第１実施形態及び第２実施形態では、スミス補償系５として図１１（ａ）の構成を採用したが、図１１（ｂ）～図１１（ｅ）の構成を採用してもよい。
　例えば、図１１（ｂ）は、図１１（ａ）に対して、動特性Ｐ（ｓ）とむだ時間ｅ－Ｌｓと積分器１／ｓの順番を入れ替えたものであり、入力側から、積分器１／ｓ、動特性Ｐ（ｓ）、むだ時間ｅ－Ｌｓの順に信号が伝達される。
　図１１（ｃ）、図１１（ｅ）は、図１１（ａ）を並列型としたものである。つまり、図１１（ｃ）においては、信号の伝達経路が２系列あり、一つの系列には、動特性Ｐ（ｓ）、むだ時間ｅ－Ｌｓ、積分器１／ｓが配備され、伝達されてきた信号は出力側にマイナス値とされた上で加算される（すなわち減算される）。また、もう一つの系列には、動特性Ｐ（ｓ）、積分器１／ｓが配備され、伝達されてきた信号は出力側にプラス値で加算される。なお、図１１（ｅ）は、出力側への加減算の順番においてのみ、図１１（ｃ）と異なる。
　図１１（ｄ）は、図１１（ａ）に対し、動特性Ｐ（ｓ）を並列型としたものである。つまり、図１１（ｄ）では、入力信号を分岐させ、一つの系列には、動特性Ｐ（ｓ）、むだ時間ｅ－Ｌｓが配備され、もう一つの系列には、動特性Ｐ（ｓ）と積分器１／ｓが配備されるものとなっている。上記した一つの系列におけるむだ時間ｅ－Ｌｓの出力は、もう一つの系列の積分器１／ｓの入力側でマイナス値とされ合流し（すなわち減算され）、積分器１／ｓの出力はスミス補償系５の出力となる。
　以上述べた図１１（ａ）～図１１（ｅ）のいずれのスミス補償系５を用いたとしても、本発明の奏する作用効果を発現させることができる。
　なお、今回開示された実施形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。特に、今回開示された実施形態において、明示的に開示されていない事項、例えば、運転条件や操業条件、各種パラメータ、構成物の寸法、重量、体積などは、当業者が通常実施する範囲を逸脱するものではなく、通常の当業者であれば、容易に想定することが可能な値を採用している。
　例えば、本発明の制御技術は、タイヤＴの走行試験装置５０向けに限定されるものではなく、むだ時間を有する無定位系２で表されるシステムであれば、いずれにも適用可能である。
　本出願は２０１２年１０月１７日出願の日本特許出願（特願２０１２－２２９９２４）に基づくものであり、その内容はここに参照として取り込まれる。
１，１’　制御装置
２　無定位系
３　第１制御器
４　第２制御器
５　スミス補償系（むだ時間補償系）
６　積分誤差補償系
７　理想応答器
８　補正器
９　制御器
５０　走行試験装置
５１　駆動モータ
５２　駆動ドラム
５３　従動ドラム
５４　ベルト
５５　ベルト蛇行防止装置
５６　ドラム揺動手段
５７　制御部
５８　センサ
Ｔ　タイヤ

Claims (2)

  1. 　動特性にむだ時間と積分特性が含まれる、むだ時間を有する無定位系からなる制御対象を制御する制御装置であって、
    　前記制御対象の動特性に基づいて、当該制御対象でのむだ時間を補償する、むだ時間補償系と、
    　前記むだ時間補償系に起因する積分誤差を補償する、積分誤差補償系と、を有し、
    　前記積分誤差補償系は、
    　外乱が入力されない状態での前記制御対象の動特性をモデル化した理想応答器と、
    　前記理想応答器の出力と前記制御対象の出力との比較値が入力され、入力された比較値を補正した後で前記制御対象へ入力する補正器と、
    　を有することを特徴とするむだ時間を有する無定位系の制御装置。
  2. 　前記制御対象が、一対のドラム間に架け渡された無端のベルトを有すると共に、当該ベルト上を試験用のタイヤが転動するように構成されたタイヤの走行試験装置であり、
    　前記ドラムの揺動量又は揺動力が前記制御対象の入力であり、前記ベルトの位置が前記制御対象の出力であることを特徴とする請求項１に記載のむだ時間を有する無定位系の制御装置。
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