JP3541857B2 - Overshootless auto tuning method - Google Patents

Description

を出力する微分要素９とによって、ＰＩ制御のための制御ループが構成されている。さらに、オートチューニングを行うために、切換えゲイン（可変ゲイン）がＫ_Sであってスライディングモードを発生させるための操作量Ｕ_Sを発生するスライディングモードコントローラ３と、スライディングモードでのゲイン切換えの判定を行いスライディングモードコントローラ３でのゲイン切換えを行うゲイン切換え判定機構１０と、ゲインの切換え回数ｍを計数する回数計算部４が設けられている。
位置指令ｘ_refと制御対象８の実際の位置ｘとの偏差（位置偏差）ｘ_ref−ｘは、速度指令発生部１に入力するとともに、スライディングモードコントローラ３とゲイン切換え判定機構１０にも入力している。速度指令発生部１は、Ｋ_P（ｘ_ref−ｘ）で表わされる速度指令値を発生する。そして、速度指令値と実際の速度との偏差（速度偏差）
【０００９】
【外２】

がＰＩ制御部２とともにゲイン切換え判定機構１０に入力する。ＰＩ制御部２は、
【００１０】
【数１】

で表わされるように、比例制御操作量Ｕ_PIDを出力する。補正部５は、入力する操作量Ｕ_refに対し、トルク定数設定値Ｋ_Tn（トルク定数のモデル値）と慣性モーメント設定値（慣性モーメントのモデル値）Ｊ_nとの比Ｊ_n／Ｋ_Tnに応じた補正を行い、サーボモータに対する出力電流ｉ_refを出力するように構成されている。この比Ｊ_n／Ｋ_Tnは、サーボモータや負荷系（制御対象８）の特性を表すパラメータである。ここで操作量Ｕ_refは、比例制御操作量Ｕ_PIDとスライディングモードを発生させるための操作量Ｕ_Sとの差Ｕ_PID−Ｕ_Sである。また、比Ｊ_n／Ｋ_Tnが回数計算部４の出力によって変化するようになっている。
次に、制御系における制御動作について、図２を用いて説明する。
まず、オートチューニング動作であるかどうかの判定が行われる（ステップ１０１）。オートチューニング動作でない場合には、周知の手順に従って通常の制御（ＰＩ制御）を実行し（ステップ１０９）、出力電流ｉ_refを出力してサーボモータを駆動し（ステップ１０８）、ステップ１０１に戻る。オートチューニング動作の場合には、速度指令値ｘ_refや位置ｘ、速度
【００１１】
【外３】

を入力し（ステップ１０２）、速度指令値Ｋ_P（ｘ_ref−ｘ）を算出した後にゲイン切換え判定機構１０においてゲイン切換えの判断を行い（ステップ１０３）、ＰＩ制御部２において比例制御操作量Ｕ_PIDを算出し（ステップ１０４）、スライディングモードコントローラ３においてスライディングモード発生のための操作量Ｕ_Sを算出する。そして、回数計算部４においてゲインの切換え回数ｍを計算し（ステップ１０６）、切換え回数ｍに応じて補正部５の比Ｊ_n／Ｋ_Tnを調整する（ステップ１０７）。そして、設定値要素５が調整後の比Ｊ_n／Ｋ_Tnに基づいて出力電流ｉ_refを出力し（ステップ１０８）、ステップ１０１に戻る。
次に、制御構造をスライディングモード制御として行われるオートチューニング動作について、さらに詳しく説明する。
【００１２】
ゲイン切換え判定機構１０は、速度偏差
【００１３】
【外４】

と位置偏差ｘ_ref−ｘとの積の符号により、状態を判断し、スライディングモードコントローラ３の切換えゲインＫ_Sを切換え、スライディングモードを実施する。具体的には、
【００１４】
【数２】

とする。ここで、文献[1]:電気学会論文誌Ｄ分冊第107巻第11号1403〜1410頁(1987年)や文献[2]:平成５年電気学会全国大会講演論文集No.871(1993年)にあるように、
【００１５】
【数３】

とすると、(2)式では、
【００１６】
【数４】

となり、(3)式では、
【００１７】
【数５】

となる。モデルが正しく、図１において
【００１８】
【数６】

となっていれば、すなわちトルク定数と慣性モーメントについて、モデル値相互の比と実際値相互の比が等しくなっている場合には、
【００１９】
【数７】

となり、ゲインの切換えを発生せずに位置決めが完了する。
上述したように、回数計算部４は、ゲイン切換え回数ｍを入力とし、補正部５の比Ｊ_n／Ｋ_Tnをチューニングする。本実施例では、状態２から状態３への切換え回数をｍ₁、状態２から状態１への切換え回数をｍ₂として、ゲイン切換え回数ｍを
ｍ ＝ ｍ₁ − ｍ₂ …(5)
で定義した。また、δを正の数として、
【００２０】
【数８】

で表わされるように、比Ｊ_n／Ｋ_Tnのチューニングを行った。
(6)式のチューニングにより、Ｊ_n／Ｋ_Tnが実際値（実際のＪ／Ｋ_T）より小さいときには、比Ｊ_n／Ｋ_Tnがδ・ｍだけ増加し、実際値より大きいときは、δ・ｍだけ減少する。そして、最終的に、
【００２１】
【数９】

となるまでチューニングが行われる。
次に、本実施例のチューニング方法について、シミュレーションを行った結果を説明する。ここでは、初期状態において、
【００２２】
【数１０】

となっている位置決め系に対して本実施例のチューニング方法を適用した。
図３は、初期状態において通常の制御（ＰＩ制御）を行った場合におけるステップ応答波形を時間と変位との関係によって示したものである。この図に示されるように、通常の制御によってオートチューニングを行った場合には、オートチューニング初期にかなりのオーバーシュートが発生することになる。図４は、本実施例にしたがって制御構造をスライディングモード制御とした場合の、初期状態（オートチューニング開始前）におけるステップ応答波形を示したものである。図４(a)は位置応答波形であり、図４(b)は位相面軌跡波形である。図４(a)に示されるように、スライディングモード制御とすることによって、初期状態においてもオーバーシュートが発生していない。なお、図４(b)において、のこぎり波状の軌跡となっている部分があるが、これはそこでゲインの切換えがあったことを示している。本実施例では、ステップ波形が入力する都度、ゲイン切換え回数ｍに応じて比Ｊ_n／Ｋ_Tnが変化し、これによってチューニングが進行する。
【００２３】
上述のようにしてオートチューニングが進行すると、ステップ波形を入力した際のゲインの切換え回数ｍが次第に減少する。図５は、チューニング終了直前のゲイン切換え回数ｍが２のときのステップ応答波形を示したものである。図５(a)と(b)は、図４の場合と同様に、それぞれ、位置応答波形と位相面軌跡波形を示している。ゲインの切換え回数ｍが２なので、図５(b)に示す位相面軌跡波形には、のこぎり波状の部分はほとんど見られない。そして、図６は、オートチューニングが終了した後、通常の制御に戻した時のステップ応答波形を時間と変位との関係によって示したものである。なお、図４及び図５における単位ｐ.ｕ.は、系において定められた位置の単位である。
以上のシミュレーション結果から明らかなように、本発明のオートチューニング方法によれば、チューニング初期から終了まで、一貫してオーバーシュートを発生させることなく位置決め系のチューニングを行うことが可能となる。
【００２４】
【発明の効果】
以上説明したように本発明のオーバーシュートレスオートチューニング方法は、オートチューニング中にオーバーシュートを発生させることがないので、周辺装置への衝突等の事故を発生させることなく迅速なチューニングを行うことが可能になり、実プロセスへの適用が容易であるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例のオーバーシュートレスオートチューニング方法が適用される制御系を示す制御ブロック図である。
【図２】本発明の一実施例のオーバーシュートレスオートチューニング方法の処理手順を示すフローチャートである。
【図３】初期状態での通常制御系のステップ応答波形を示すグラフである。
【図４】スライディングモード適用時の初期状態でのステップ応答波形を示す図であって、(a)は位置応答波形を示すグラフ、(b)は位相面軌跡波形を示すグラフである。
【図５】スライディングモード適用時のオートチューニング終了直前のステップ応答波形を示す図であって、(a)は位置応答波形を示すグラフ、(b)は位相面軌跡波形を示すグラフである。
【図６】オートチューニング終了後のステップ応答波形を示すグラフである。
【図７】ステップ応答波形の一例を示す図である。
【符号の説明】
１ 速度指令発生部
２ ＰＩ制御部
３ スライディングモードコントローラ
４ 回数計算部
５ 補正部
６ サーボモータトルク発生機構
７ イナーシャ要素
８ 制御対象
９ 微分要素
１０ ゲイン切換え判定機構
１１ サーボモータ＋慣性負荷
１０１〜１０９ ステップ
ｉ_ref 出力電流
Ｊ 慣性モーメント
Ｊ_n 慣性モーメント設定値
Ｋ_i 積分ゲイン
Ｋ_P 位置ループゲイン
Ｋ_S 切換えゲイン
Ｋ_T トルク定数
Ｋ_Tn トルク定数設定値
Ｋ_V 速度ループゲイン
ｍ 切換え回数
ｘ 位置
ｘ_ref 位置指令値[0001]
[Industrial applications]
The present invention relates to an automatic tuning method for a servo system, and more particularly, to an automatic tuning method for a positioning servo system in which occurrence of overshoot is suppressed.
[0002]
[Prior art]
As an auto-tuning method for the servo system, the amount of overshoot of the response waveform when a step waveform or the like is input to the system is used as a feature amount, and gain adjustment and moment of inertia are performed using various methods based on the extracted feature amount. There have been methods for identification (eg, Literature: Proceedings of the National Meeting of the Institute of Electrical Engineers of Japan Vol.1991, No.6, 9.10.1, pp.5-18), and this method is easy to implement. Commonly used. FIG. 7 shows an example of a step response waveform. By calculating values e ₁ , a, b, and T from the response waveform to the command value e _0, an overshoot amount E, an amplitude attenuation ratio D, a settling time ratio R, and the like are obtained. Are determined, and tuning is performed based on these characteristic amounts.
[0003]
Further, Japanese Patent Application Laid-Open No. Hei 5-324081 discloses a positioning method using sliding mode control to suppress occurrence of overshoot.
[0004]
[Problems to be solved by the invention]
However, in the above-described conventional auto-tuning method, since the feature amount is extracted from the step response, the amount of overshoot is large in the initial stage of the auto-tuning in which the gain is not sufficiently tuned. However, there is a problem that a large damage such as a collision with a peripheral device may be caused. In addition, the technique disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 5-324081 uses two types of sliding curves, which complicates the control. Further, since the control in the sliding mode is always performed, the amount of calculation is enormous. There is a problem.
An object of the present invention is to provide an automatic tuning method in which occurrence of overshoot is suppressed.
[0005]
[Means for Solving the Problems]
Overshoot less automatic tuning method of the present invention, in the automatic tuning method performed based on the feature amount extracted autotuning of the servo system from the response waveform, during the auto-tuning, the servo system, the operation of the sliding mode And a sliding mode control structure having a gain switching determination mechanism for performing variable gain switching in the sliding mode, and further provided with a number calculation section for counting the number of times of switching of the variable gain. The correction gain of the control system is corrected using the numerical value as a feature value .
In the present invention, the servo system can use both the proportional-integral control structure and the sliding mode control structure during the execution of the auto-tuning, and the servo system can be switched to the proportional-integral control structure except during the execution of the auto-tuning.
[0006]
[Action]
As a control structure during the auto-tuning operation, a sliding mode control having a large robustness with respect to the response of the load system is employed, so that no overshoot occurs even at the beginning of the auto-tuning. Therefore, when performing auto-tuning of the positioning servo system in the actual process, there is no problem such as collision of peripheral devices. In the sliding mode control, gain switching occurs. However, as will be apparent from the embodiment described later, in the present invention, the number of gain switching is used as a feature amount for auto tuning, and various characteristics of the system, for example, servo control are used. Estimates the characteristics of motors and load systems. Further, in the present invention, auto-tuning of the servo system can be performed offline or during online operation.
[0007]
【Example】
Next, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is a control block diagram showing a control system to which an auto-tuning method according to an embodiment of the present invention is applied, and FIG. 2 is a flowchart showing a processing procedure of the auto-tuning method. First, the control system will be described.
This control system is a servo system that positions the position x of the control target 8 by the torque generated by the servo motor torque generating mechanism 6. FIG. 11 shows a servo motor and an inertial load, a servo motor torque generating mechanism 6 for generating a torque with a torque constant K _T according to the output current i _ref , a servo motor driven by this torque and an inertia moment of the load. And the inertia element 7 of J. The control object 8 has a function of converting the angular acceleration u of the servomotor and the inertial load into the position x, and its transfer function is represented by 1 / S ² (two-time integral element). This control system is configured to perform control by PI (proportional-integral) control during normal operation, and to shift to a sliding mode control structure during auto-tuning. In other words, the speed command generator 1 generates a speed command value corresponding to the position deviation when the position loop gain is K _P , the speed loop gain is K _V , the integral gain is _Ki , and the speed is proportional to the speed deviation. The PI control unit 2 that generates the control operation amount U _PID , the correction unit 5 that outputs the output current i _ref according to the operation amount U _ref , the servo motor + inertial load 11 and the control target 8, and the position x Input and control target speed
[Outside 1]

, A control loop for PI control is constituted. Further, in order to perform auto-tuning, the switching gain (variable gain) is K _S , and a sliding mode controller 3 that generates an operation amount U _S for generating a sliding mode, and a determination of gain switching in the sliding mode is performed. A gain switching determination mechanism 10 for performing gain switching in the sliding mode controller 3 and a number calculation unit 4 for counting the number m of gain switching are provided.
The deviation (position deviation) _xref- x between the position command _xref and the actual position x of the controlled object 8 is input to the speed command generator 1 and also to the sliding mode controller 3 and the gain switching determination mechanism 10. ing. The speed command generator 1 generates a speed command value represented by K _P (x _ref −x). And the deviation between the speed command value and the actual speed (speed deviation)
[0009]
[Outside 2]

Is input to the gain switching determination mechanism 10 together with the PI control unit 2. The PI control unit 2
[0010]
(Equation 1)

The proportional control manipulated _{variable UPID} is output as represented by. The correction unit 5 calculates a ratio J _n / K _Tn of a torque constant set value K _Tn (model value of torque constant) and an inertia moment set value (model value of inertia moment) J _n with respect to the input operation amount U _ref. It is configured to perform an appropriate correction and output an output current i _ref to the servomotor. The ratio J _n / K _Tn is a parameter representing the characteristics of the servomotor and the load system (control target 8). Here operating amount U _ref is the difference U _PID -U _S between the operation amount U _S for generating a proportional control amount U _PID and sliding mode. Further, the ratio J _n / K _Tn changes according to the output of the number calculation section 4.
Next, a control operation in the control system will be described with reference to FIG.
First, it is determined whether or not the operation is an auto-tuning operation (step 101). If it is not an auto-tuning operation, normal control (PI control) is executed according to a well-known procedure (step 109), an output current _iref is output to drive the servomotor (step 108), and the process returns to step 101. In the case of the auto-tuning operation, the speed command value _xref , the position x, and the speed
[Outside 3]

Is input (step 102), and after the speed command value K _P (x _ref −x) is calculated, the gain switching determination mechanism 10 determines the gain switching (step 103), and the PI control unit 2 performs the proportional control operation amount U. _{The PID} is calculated (step 104), and the sliding mode controller 3 calculates an operation amount U _S for generating a sliding mode. Then, the number-of-times calculating section 4 calculates the number of times m of gain switching (step 106), and adjusts the ratio J _n / K _Tn of the correcting section 5 according to the number of times m of switching (step 107). Then, the set value element 5 outputs the output current i _ref based on the adjusted ratio J _n / K _Tn (step 108), and returns to step 101.
Next, the auto-tuning operation in which the control structure is performed as the sliding mode control will be described in more detail.
[0012]
The gain switching determination mechanism 10 calculates the speed deviation.
[Outside 4]

The sign of the product of the positional deviation x _ref -x and, to determine the status, switching the switching gain K _S of the sliding mode controller 3 performs the sliding mode. In particular,
[0014]
(Equation 2)

And Here, reference [1]: IEEJ Transactions on Volume D, Vol. 107, No. 11, pages 1403 to 1410 (1987) and reference [2]: 1993 IEEJ National Convention Proceedings No. 871 (1993 ),
[0015]
[Equation 3]

Then, in equation (2),
[0016]
(Equation 4)

In equation (3),
[0017]
(Equation 5)

It becomes. The model is correct and in FIG.
(Equation 6)

If the ratio between the model value and the actual value is equal for the torque constant and the moment of inertia,
[0019]
(Equation 7)

And positioning is completed without any gain switching.
As described above, the frequency calculation unit 4 receives the gain switching frequency m as input and tunes the ratio J _n / K _Tn of the correction unit 5. In this embodiment, the number of times of switching from state 2 to state 3 is m ₁ , and the number of times of switching from state 2 to state 1 is m ₂ , and the number of times of gain switching m is m = m ₁ −m ₂ (5)
Defined. Also, when δ is a positive number,
[0020]
(Equation 8)

The tuning of the ratio J _n / K _Tn was performed as represented by
According to the tuning of the equation (6), when J _n / K _Tn is smaller than the actual value (actual J / K _T ), the ratio J _n / K _Tn increases by δ · m. Decrease by m And finally,
[0021]
(Equation 9)

Tuning is performed until.
Next, a result of a simulation performed on the tuning method of the present embodiment will be described. Here, in the initial state,
[0022]
(Equation 10)

The tuning method of the present embodiment was applied to the positioning system described as follows.
FIG. 3 shows a step response waveform in a case where normal control (PI control) is performed in an initial state by a relationship between time and displacement. As shown in this figure, when auto-tuning is performed by normal control, a considerable overshoot occurs at the beginning of auto-tuning. FIG. 4 shows a step response waveform in an initial state (before the start of auto-tuning) when the control structure is a sliding mode control according to the present embodiment. FIG. 4A shows a position response waveform, and FIG. 4B shows a phase plane locus waveform. As shown in FIG. 4 (a), by performing the sliding mode control, no overshoot occurs even in the initial state. In FIG. 4B, there is a portion having a sawtooth-shaped locus, which indicates that the gain has been switched there. In the present embodiment, each time a step waveform is input, the ratio J _n / K _Tn changes according to the gain switching frequency m, whereby tuning proceeds.
[0023]
As the auto-tuning proceeds as described above, the number m of gain changes when a step waveform is input gradually decreases. FIG. 5 shows a step response waveform when the number m of gain changes immediately before the end of tuning is two. FIGS. 5A and 5B show a position response waveform and a phase plane locus waveform, respectively, as in the case of FIG. Since the number of times m of gain switching is 2, almost no saw-toothed portion is seen in the phase plane locus waveform shown in FIG. FIG. 6 shows a step response waveform when the control is returned to the normal control after the end of the auto-tuning, by a relationship between time and displacement. The unit pu in FIGS. 4 and 5 is a unit of a position determined in the system.
As is clear from the simulation results described above, according to the auto-tuning method of the present invention, it is possible to tune the positioning system consistently from the beginning to the end of tuning without causing overshoot.
[0024]
【The invention's effect】
As described above, the overshoot-less auto-tuning method of the present invention does not cause overshoot during auto-tuning, so that quick tuning can be performed without causing an accident such as a collision with a peripheral device. This makes it possible to apply the method to an actual process easily.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a control block diagram showing a control system to which an overshoot-less auto-tuning method according to an embodiment of the present invention is applied.
FIG. 2 is a flowchart showing a processing procedure of an overshoot-less auto-tuning method according to one embodiment of the present invention.
FIG. 3 is a graph showing a step response waveform of a normal control system in an initial state.
4A and 4B are diagrams showing a step response waveform in an initial state when the sliding mode is applied, wherein FIG. 4A is a graph showing a position response waveform, and FIG. 4B is a graph showing a phase plane locus waveform.
5A and 5B are diagrams showing a step response waveform immediately before the end of auto tuning when the sliding mode is applied, wherein FIG. 5A is a graph showing a position response waveform, and FIG. 5B is a graph showing a phase plane locus waveform.
FIG. 6 is a graph showing a step response waveform after completion of auto tuning.
FIG. 7 is a diagram illustrating an example of a step response waveform.
[Explanation of symbols]
1 Speed command generator 2 PI controller 3 Sliding mode controller 4 Number calculator 5 Corrector 6 Servo motor torque generator 7 Inertia element 8 Control target 9 Differential element 10 Gain switching determination mechanism 11 Servo motor + inertia load 101 to 109 Step i _ref output current J inertia moment J _n inertia moment set value K _i integral gain K _P position loop gain K _S switching gain K _T torque constant K _Tn torque constant set value K _V speed loop gain m number of switching times x position x _ref position command value

Claims (3)

In an auto-tuning method for performing auto-tuning of a servo system based on a feature amount extracted from a response waveform,
During the execution of auto-tuning, the servo system has a sliding mode control structure having a sliding mode controller for calculating an operation amount in the sliding mode and a gain switching determination mechanism for performing a variable gain switching in the sliding mode, and further includes a variable gain switching. An overshoot-less auto-tuning method , comprising: providing a number-of-times calculation unit for counting the number of times; and correcting a correction gain of a control system using the count value of the number-of-times calculation unit as a feature amount . 2. The servo system according to claim 1, wherein the servo system is used in combination with the proportional-integral control structure and the sliding mode control structure during the execution of the auto-tuning, and the servo system is switched to the proportional-integral control structure except during the execution of the auto-tuning. Overshootless auto tuning method. 3. The method according to claim 1, wherein the servo system is a positioning servo system.

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