JP4359736B2 - Position control device - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、制御対象の位置決めを行う位置制御装置に関し、特にモータの位置決めを行う位置制御装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
図12は、従来の位置制御装置の構成を示す制御ブロック線図である。図12に示すように、従来の位置制御装置は、位置制御器1と、速度制御器2と、モータ4と、微分器5とから構成されている。この従来の位置制御装置は、イナーシャがJ[N・m・s2]であるモータ4の位置θ[rad]を制御するものである。また、通常は、作成されたトルク指令を入力しトルクを発生させてモータ4を駆動するためのトルク制御器が設けられるが、トルク制御器の応答は無視することができるほど充分速いものとして図中からは省略している。
【0003】
また、説明を簡単にするために、ここでは、制御対象が剛体で制御対象とモータ4の合計イナーシャをJとすることができるものとする。
【0004】
モータ4にはエンコーダ(不図示)が備え付けれており、エンコーダによってモータ4の位置θが検出できるようになっている。上位装置(不図示)から発せられる位置指令θrとモータ4の位置θとの位置偏差は、位置制御器1および微分器5に入力される。位置制御器1は、比例ゲインKp[1/s]によって、その偏差をKp倍した値を出力する比例制御器である。微分器5は、位置指令θrとモータ4の位置θとの位置偏差を微分した値を出力する。速度制御器2は、微分器5により求められた値を微分ゲインKd[1/s]によってKd倍した値を出力する比例制御器である。この従来の位置制御装置は、位置指令θrにモータ4の位置θを追従させるためのものであり、モータ4の位置θは、位置指令θrに対する位置応答である。
【0005】
そして、この従来の位置制御装置においてモータ4を制御するためのトルクは、位置制御器1と速度制御器2とからそれぞれ出力された値どうしを加算した値をトルク指令として、図示されていないトルク制御器により生成される。
【0006】
また、図12に示した従来の位置制御装置に対して、積分器6、積分制御器3を新たに備えるようにした従来の他の位置制御装置を図13に示す。
【0007】
積分器6は、位置指令θrとモータ4の位置との位置偏差を積分してその値を出力する。積分制御器3は、積分器3により求められた値を積分ゲインKiによって増幅して出力する。
【0008】
そして、この従来の位置制御装置においてモータ4を制御するためのトルクは、位置制御器1、速度制御器2、積分制御器3とからそれぞれ出力された値どうしを加算した値をトルク指令として、図示されていないトルク制御器により生成される。
【0009】
図12、図13に示したような従来の位置制御装置では、位置指令θrに対するθの応答、外乱Tdに対するθの応答等に所望の性能を発揮させるためには、ゲインKp、Kd、Kiの値を調整して最適な値とする必要がある。この調整は、制御対象(アクチュエータとアクチュエータに接続された機械の合計)が理想的な剛体の場合には、制御理論から容易に求めることができるが、現実の制御対象は摩擦やばね要素が存在するため、調整は試行錯誤で行われているのが一般的である。そのため、パラメータの調整は、手間のかかる作業となっていた。
【0010】
このような問題を解決するための従来の位置制御装置を図14および図15に示す。図14は、図12に示した従来の位置制御装置に対して、増幅器7、8を追加したものであり、図15は、図13に示した従来の位置制御装置に対して、増幅器7、8、9を追加したものである。
【0011】
増幅器7は、位置制御器1から出力された値を調整ゲインKgを2乗した値Kg 2によって増幅して出力する。増幅器8は、速度制御器8から出力された値を調整ゲインKgによって増幅して出力する。増幅器9は、積分制御器3から出力された値を調整ゲインKgを3乗した値Kg 3によって増幅して出力する。
【0012】
このような従来の位置制御装置では、比例要素、微分要素、積分要素を同時に変化させるためのパラメータKgを導入し、一旦、比例ゲインKp、微分ゲインKd、積分ゲインKiを決定すれば、1つのパラメータである調整ゲインKgを変化させるだけでバランスを保ったままゲイン調整することができるため、要求された応答特性を容易に実現することができた。
【0013】
しかし、この図14および図15に示した従来の位置制御装置では、外乱応答を考慮した場合には問題がある。例えば、図15に示した従来の位置制御装置では、位置指令θrに対する位置偏差θ1の応答である指令応答と、外乱Tdに対する位置偏差θ2の応答である外乱応答を計算してみると、図16に示すようになる。このような制御系では、外乱Tdの影響による位置偏差θ2を小さくしようとして、Kp、Kd、Ki、Kgを調整したとしても、位置指令θrから位置偏差θ1までの伝達関数も同じパラメータのみに依存するので、指令応答における位置偏差θ1も外乱応答における位置偏差θ2とともに変化してしまう。つまり、このような構成では、いわゆる1自由度制御系であるため、フィードバック側の調整ゲインKgだけでは調整がうまくいかない。
【0014】
【発明が解決しようとする課題】
上述した従来の位置制御装置では、フィードバック制御系のゲインを1つのパラメータにより調整するために調整ゲインを用いても、外乱応答を調整する場合には要求された応答特性を実現することが困難であるという問題点があった。
【0015】
本発明の目的は、外乱応答を調整する場合でも要求された応答特性を容易に実現することができる位置制御装置を提供することである。
【0016】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明の位置制御装置は、上位装置から発せられる位置指令と制御対象の位置との位置偏差を比例ゲインによって増幅して出力する位置制御手段と、
前記位置制御手段から出力された値を調整ゲインを2乗した値によって増幅して出力する第1の増幅手段と、
前記位置指令と制御対象との位置偏差を微分する微分手段と、
前記微分手段により求められた値を微分ゲインによって増幅して出力する速度制御手段と、
該速度制御手段から出力された値を前記調整ゲインによって増幅して出力する第2の増幅手段と、
前記位置指令を2回微分した値を第1のフィードフォワードゲインにより増幅した値と、前記位置指令を微分した値を第2のフィードフォワードゲインおよび前記調整ゲインにより増幅した値とを加算することにより得られた値を出力するフィードフォワード制御手段と、
前記第1および第2の増幅手段と、前記フィードフォワード手段とからそれぞれ出力された値どうしを加算した値をトルク指令とし、該トルク指令に基づいて前記制御対象を駆動するトルク制御器とを備えている。
【0017】
本発明によれば、フィードフォワード制御手段を備えるようにして制御系を2自由度系とし、フィードフォワード制御手段のゲインとフィードバック系のゲインを1つのパラメータである調整ゲインにより調整することができるようにしているので、要求された応答特性を決定するためのゲイン調整を簡単化することができる。
【0018】
また、本発明では、上記の構成に加えて、位置指令と制御対象との位置偏差を積分する積分手段と、積分手段により求められた値を積分ゲインによって増幅して出力する積分制御手段と、積分制御手段から出力された値を前記調整ゲインを3乗した値によって増幅して出力する第3の増幅手段とをさらに備えるようにしてもよい。
【0019】
さらに、本発明では、上記の構成にさらに加えて、位置指令と制御対象との位置偏差を2回微分する2回微分手段と、2回微分手段により求められた値を加速度ゲインによって増幅して出力する加速度制御手段とを備えるようにしてもよい。
【0020】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。
【0021】
(第1の実施形態)
図1は本発明の第1の実施形態の位置制御装置の構成を示すブロック図である。図1において、図14中の構成要素と同一の構成要素には同一の符号を付し、説明を省略するものとする。
【0022】
本実施形態の位置制御装置は、図14に示した従来の位置制御装置に対して、フィードフォワード制御器10を新たに備えるようにして、制御系を2自由度系とし、かつ、そのゲインをフィードバック系の共通パラメータである調整ゲインKgと関連するようにしたものである。
【0023】
フィードフォワード制御器10は、位置指令θrを2回微分した値をフィードフォワードゲインKff1により増幅した値と、位置指令θrを1回微分した値をフィードフォワードゲインKff2および調整ゲインKgにより増幅した値とを加算することにより得られた値を出力する。
【0024】
そして、本実施形態においてモータ4を制御するためのトルクは、増幅器7,8と、フィードフォワード器10とからそれぞれ出力された値どうしを加算した値をトルク指令として、図示されていないトルク制御器により生成される。
【0025】
図1に示した本実施形態の位置制御装置における伝達関数は図2に示すようになるが、このとき外乱応答を決定するのは、外乱Tdからθ2までの伝達関数の分母のみである。これをGdとすると以下のような式(1)により表現することができる。ただし、説明を簡単にするためにJ=1とする。
【0026】
Gd=S2+Kg・Kd・S+Kg 2・Kp ・・・・・・(1)
ここで、制御系の安定性は、特性方程式Gd=0の根、つまり制御系の極ρ+、ρ-により決定される。
【0027】
式(1)より、
ρ+=−Kg{Kd−(Kd 2−4Kp)0.5}/2 ・・・・・・(2)
ρ-=−Kg{Kd+(Kd 2−4Kp)0.5}/2 ・・・・・・(3)
もし、ここで、KdとKpを一旦決定すると、Kgを変化させると極配置における時間に関するスケールのみ変化し、オーバシュートに関する量は変化しない。
【0028】
これを通常よく用いられる形で説明するため、
Gd=(S2+2ζωS+ω2) ・・・・・・(4)
とおくと、
ω=Kg(Kp)0.5 ・・・・・・(5)
ζ=Kd/(2Kp 0.5) ・・・・・・(6)
となり、ωだけKgに関係することが分かる。
【0029】
このときの極配置は図3のようになり、一旦、Kp、Kdを決定すれば、Kgにより、オーバシュート量は変化しないため応答波形のバランスは変化せず、時間方向(つまりω)だけ変化することがわかる。
【0030】
一方、指令応答は、位置指令θrから位置偏差θ1までの伝達関数により決定される。この場合の伝達関数をG=G1/G2とおく。制御ゲインにより、分母に加えて分子も変化するため、制御系の応答性は、特性方程式G2=0の根、つまり制御系の極ρ+、ρ-と、特性方程式G1=0の根、つまり制御系の零点により決定される。
【0031】
極に関しては、G2=Gdであるため、式(1)から(6)がそのまま同様に当てはまるため、ここでは零点について述べる。ただし、説明を簡単にするためにJ=1とする。
【0032】
G1=Kff1・S2+Kg(Kd+Kff2)S+Kg 2・Kp=0 ・・・・・(7)
とおくと、この式(7)を解くことにより、零点z+、z-が決定される。
【0033】
式(7)より、下記の式(8)、(9)が得られる。
z+=−Kg{(Kd+Kff2 )−((Kd+Kff2)2−4Kff1・Kp)0.5}/(2Kff1)・・・・・(8)
z−=−Kg{(Kd+Kff2 )+((Kd+Kff2)2−4Kff1・Kp)0.5}/(2Kff1)・・・・・(9)
もし、ここで、極を決定するKd 、Kpを一旦決定しても、Kff1、Kff2によって応答を変化させることができる。つまり、外乱応答と独立に制御系を決定することができる。一方、一旦、Kd、Kp、Kff1、Kff2を決定してしまえば、Kgにより、時間に関するスケールのみ変化し、オーバシュートに関する量は変化しない。
【0034】
これを通常よく用いられる形で説明するため、
G1=Kff1(S2+2ζ1ω1S+ω1 2) ・・・・・・(10)
とおくと、
ω1=Kg(Kp/Kff1)0.5 ・・・・・・(11)
ζ1=(Kd+Kff2)/{2(Kff1・Kp)0.5} ・・・・・・(12)
となり、ω1だけKgに関係することが分かる。
【0035】
このときの極配置は図4のようになり、一旦、Kd、Kp、Kff1、Kff2を決定してしまえば、Kgにより、バランスは変化せず、時間方向(つまりω1)だけ変化することがわかる。
【0036】
本実施形態における応答波形を図5に示す。図5は、Kg=0.5からKg=1.5まで変化させた場合の応答波形を示したものであるが、全体の波形には変化は無く、応答速度だけ速くなっている。ただし、Kd=40、Kp=800、Kff1=0、Kff2=−16、J=1、位置指令θrは最大速度=200(rad/s)、加速時間、減速時間=0.05(sec)、指令払い出し時間0.1(sec)である。
【0037】
このように、一旦Kd、Kpを決定した後では、指令応答は、1つのパラメータKgにより応答特性が決定される。
【0038】
本実施形態の位置制御装置により得られる効果を、従来例と比較するために、本実施形態におけるフィードフォワードゲインKff1=Kff2=0として、Kg=0.5〜1.5まで変化させた場合の応答波形を図6に示す。Kff1=Kff2=0とすることにより、図6の応答波形は図14に示した従来の位置制御装置の応答波形となる。
【0039】
フィードフォワード制御器10が設けられていない従来の位置制御装置の応答波形である図6の応答波形を、図5に示した応答波形と比較すると、従来の位置制御装置による応答波形のほうがオーバーシュート量が大きくなっていることがわかる。
【0040】
本実施形態による位置制御装置では、フィードフォワード制御器10のゲインをフィードバック系の共通パラメータである調整ゲインKgと関連するようにしたことにより、調整ゲインKgいう1つのパラメータにより応答特性の調整可能としたものである。つまり、従来の位置制御装置に対してフィードフォワード制御器をただ設けて、そのフィードフォワード制御器のゲインに調整ゲインKgが含まれていない場合には応答特性の調整は困難となり本実施形態のような効果を得ることはできない。このことを説明するために、図1のフィードフォワード制御器10中のKgを1とし、Kg=0.5〜1.5まで変化させた場合の応答波形を図7に示す。図7を参照すると、指令応答は、調整ゲインKgに応じて波形が大きく変化するため調整が困難なものとなっていることがわかる。本実施形態の位置制御装置では、フィードバック制御系とは独立してフィードフォワードゲインKff1、Kff2を設定することができ、さらにフィードバック制御系とフィードフォワード制御系ともに位置の項にはKg 2、速度項(1回微分項)にはKgが乗算されるようにしているので、一旦応答波形が決定されると調整ゲインKgのみを調整することにより、その応答波形を保ったまま動作時間だけを変更することが可能となる。
【0041】
つまり、本実施形態の位置制御装置では、フィードフォワード制御器10を備えるようにして制御系を2自由度系とし、フィードフォワード制御器10のゲインとフィードバック系のゲインを1つのパラメータである調整ゲインKgにより調整することができるようにしているので、要求された応答特性を決定するためのゲイン調整を簡単化することができる。
【0042】
(第2の実施形態)
次に、本発明の第2の実施形態の位置制御装置について説明する。図8は、本発明の第2の実施形態の位置制御装置の構成を示すブロック図である。
【0043】
本実施形態の位置制御装置は、図15に示した従来の位置制御装置に対して、フィードフォワード制御器11を新たに備えるようにしたものである。
【0044】
フィードフォワード制御器11は、位置指令θrを2回微分した値をフィードフォワードゲインKff1により増幅した値と、位置指令θrを微分した値をフィードフォワードゲインKff2および調整ゲインKgにより増幅した値と、位置指令θrをフィードフォワードゲインKff3および調整ゲインKgを2乗した値Kg 2により増幅した値とを加算することにより得られた値を出力する。
【0045】
そして、本実施形態においてモータ4を制御するためのトルクは、増幅器7,8、9と、フィードフォワード器11とからそれぞれ出力された値どうしを加算した値をトルク指令として、図示されていないトルク制御器により生成される。
【0046】
本実施形態の位置制御装置では、フィードフォワード制御器11を備えるようにして制御系を2自由度系とし、フィードフォワード制御器11のゲインとフィードバック系のゲインを1つのパラメータである調整ゲインKgにより調整することができるようにしているので、上記第1の実施形態の位置制御装置と同様に、要求された応答特性を決定するためのゲイン調整を簡単化することができる。
【0047】
(第3の実施形態)
次に、本発明の第3の実施形態の位置制御装置について説明する。図10は、本発明の第3の実施形態の位置制御装置の構成を示すブロック図である。
【0048】
本実施形態の位置制御装置は、図8に示した第3の実施形態の位置制御装置に対して、2回微分器12および加速度制御器13を新たに備えるようにしたものである。
【0049】
2回微分器12は、位置指令θrと制御対象との位置偏差を2回微分する。加速度制御器13は、2回微分器12により求められた値を加速度ゲインKiによって増幅して出力する。
【0050】
そして、本実施形態においてモータ4を制御するためのトルクは、増幅器7,8、9と、加速度制御器13と、フィードフォワード器11とからそれぞれ出力された値どうしを加算した値をトルク指令として、図示されていないトルク制御器により生成される。
【0051】
本実施形態の位置制御装置では、フィードフォワード制御器11を備えるようにして制御系を2自由度系とし、フィードフォワード制御器11のゲインとフィードバック系のゲインを1つのパラメータである調整ゲインKgにより調整することができるようにしているので、上記第1の実施形態の位置制御装置と同様に、要求された応答特性を決定するためのゲイン調整を簡単化することができる。
【0052】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、1つのパラメータを調整するのみでフィードバック制御系とフィードフォワード制御系のゲインの両方のゲインを調整して応答波形の調整を行うことができるため、外乱応答を調整する場合でも要求された応答特性を容易に実現することができるという効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1の実施形態の位置制御装置の構成を示すブロック図である。
【図2】図1の位置制御装置の応答を説明するための図である。
【図3】図1の位置制御装置における外乱応答の動作を説明するための極配置図である。
【図4】図1の位置制御装置における指令応答の動作を説明するための極配置図である。
【図5】図1の位置制御装置において、調整ゲインKgの値を変化させた場合の応答波形の変化を示す図である。
【図6】フィードフォワードゲインKff1、Kff2を0とした場合の応答波形の変化を示す図である。
【図7】フィードフォワード制御器10中の調整ゲインKgを1とした場合の応答波形の変化を示す図である。
【図8】本発明の第2の実施形態の位置制御装置の構成を示すブロック図である。
【図9】図8の位置制御装置の応答を説明するための図である。
【図10】本発明の第3の実施形態の位置制御装置の構成を示すブロック図である。
【図11】図10の位置制御装置の応答を説明するための図である。
【図12】従来の位置制御装置の構成を示すブロック図である。
【図13】従来の他の位置制御装置の構成を示すブロック図である。
【図14】図12の従来の位置制御装置に対して調整ゲインKgによりゲイン調整することができるようにした位置制御装置の構成を示すブロック図である。
【図15】図13の従来の位置制御装置に対して調整ゲインKgによりゲイン調整することができるようにした位置制御装置の構成を示すブロック図である。
【図16】図15の位置制御装置の応答を説明するための図である。
【符号の説明】
1 位置制御器
2 速度制御器
3 積分制御器
4 モータ
5 微分器
6 積分器
7、8、9 増幅器
10、11 フィードフォワード制御器
12 2回微分器
13 加速度制御器[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a position control device that positions a control object, and more particularly to a position control device that positions a motor.
[0002]
[Prior art]
FIG. 12 is a control block diagram showing a configuration of a conventional position control device. As shown in FIG. 12, the conventional position control device includes a
[0003]
For the sake of simplicity, it is assumed here that the controlled object is a rigid body and that the total inertia of the controlled object and the
[0004]
The
[0005]
The torque for controlling the
[0006]
FIG. 13 shows another conventional position control device in which an
[0007]
The
[0008]
The torque for controlling the
[0009]
In the conventional position control apparatus as shown in FIGS. 12 and 13, in order to exhibit desired performance in the response of θ to the position command θ r , the response of θ to the disturbance T d, etc., gains K p , K d, it is necessary to an optimum value by adjusting the value of K i. This adjustment can be easily obtained from the control theory when the controlled object (the total of the actuator and the machine connected to the actuator) is an ideal rigid body, but the actual controlled object has friction and spring elements. Therefore, the adjustment is generally performed by trial and error. Therefore, parameter adjustment has been a laborious work.
[0010]
FIG. 14 and FIG. 15 show a conventional position control device for solving such a problem. FIG. 14 is obtained by adding
[0011]
The
[0012]
In such a conventional position control system, a proportional element, differential element, introducing the parameters K g for changing the integral element at the same time, once, the proportional gain K p, derivative gain K d, by determining the integral gain K i if, it is possible to simply gain adjustment while keeping the balance changing the adjustment gain K g is the one parameter, it could be easily realized the required response characteristic.
[0013]
However, the conventional position control device shown in FIGS. 14 and 15 has a problem when a disturbance response is taken into consideration. For example, in the conventional position control device shown in FIG. 15, a command response that is a response of the position deviation θ 1 to the position command θ r and a disturbance response that is a response of the position deviation θ 2 to the disturbance T d are calculated. As shown in FIG. In such a control system, even if K p , K d , K i , and K g are adjusted in an attempt to reduce the position deviation θ 2 due to the influence of the disturbance T d , the position command θ r to the position deviation θ 1 Since the transfer function depends only on the same parameter, the position deviation θ 1 in the command response also changes with the position deviation θ 2 in the disturbance response. That is, in such a configuration, since it is a so-called one-degree-of-freedom control system, adjustment cannot be performed with only the adjustment gain K g on the feedback side.
[0014]
[Problems to be solved by the invention]
In the conventional position control device described above, even if the adjustment gain is used to adjust the gain of the feedback control system with one parameter, it is difficult to realize the required response characteristics when adjusting the disturbance response. There was a problem that there was.
[0015]
An object of the present invention is to provide a position control device that can easily realize a required response characteristic even when adjusting a disturbance response.
[0016]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, a position control device of the present invention includes a position control means for amplifying a position deviation between a position command issued from a host device and a position to be controlled by a proportional gain,
First amplifying means for amplifying and outputting the value output from the position control means by a value obtained by squaring the adjustment gain;
Differentiating means for differentiating the position deviation between the position command and the controlled object;
Speed control means for amplifying and outputting the value obtained by the differentiating means with a differential gain;
Second amplifying means for amplifying and outputting the value outputted from the speed control means by the adjustment gain;
By adding a value obtained by amplifying the position command twice with a first feedforward gain and a value obtained by amplifying the position command with a second feedforward gain and the adjustment gain. Feedforward control means for outputting the obtained value;
A torque controller configured to set a value obtained by adding the values output from the first and second amplifying means and the feedforward means as a torque command, and to drive the control object based on the torque command; ing.
[0017]
According to the present invention, the feed-forward control means is provided so that the control system is a two-degree-of-freedom system, and the gain of the feed-forward control means and the gain of the feedback system can be adjusted by an adjustment gain that is one parameter. Therefore, the gain adjustment for determining the required response characteristic can be simplified.
[0018]
Further, in the present invention, in addition to the above configuration, an integration unit that integrates the position deviation between the position command and the control target, an integration control unit that amplifies and outputs a value obtained by the integration unit by an integral gain, You may make it further provide the 3rd amplification means which amplifies and outputs the value output from the integral control means by the value which raised the said adjustment gain to the cube.
[0019]
Further, according to the present invention, in addition to the above-described configuration, the second differential means for differentiating the position deviation between the position command and the controlled object twice, and the value obtained by the second differential means is amplified by the acceleration gain. You may make it provide the acceleration control means to output.
[0020]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Next, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
[0021]
(First embodiment)
FIG. 1 is a block diagram showing the configuration of the position control apparatus according to the first embodiment of the present invention. In FIG. 1, the same components as those in FIG. 14 are denoted by the same reference numerals, and the description thereof will be omitted.
[0022]
The position control apparatus of this embodiment is provided with a
[0023]
The feed-
[0024]
In the present embodiment, the torque for controlling the
[0025]
The transfer function in the position control apparatus of the present embodiment shown in FIG. 1 is as shown in FIG. 2, and at this time, the disturbance response is determined only by the denominator of the transfer function from the disturbance T d to θ 2. . If this is Gd , it can be expressed by the following equation (1). However, for simplicity of explanation, J = 1.
[0026]
G d = S 2 + K g · K d · S + K g 2 · K p (1)
Here, the stability of the control system is determined by the root of the characteristic equation G d = 0, that is, the poles ρ + and ρ − of the control system.
[0027]
From equation (1),
ρ + = −K g {K d − (K d 2 −4K p ) 0.5 } / 2 (2)
ρ − = −K g {K d + (K d 2 −4K p ) 0.5 } / 2 (3)
If K d and K p are once determined here, changing K g will change only the time scale in the pole placement and not the overshoot quantity.
[0028]
To explain this in a commonly used form,
G d = (S 2 + 2ζωS + ω 2 ) (4)
After all,
ω = K g (K p ) 0.5 (5)
ζ = K d / (2K p 0.5 ) (6)
It can be seen that only ω is related to K g .
[0029]
The pole arrangement at this time is as shown in FIG. 3, and once K p and K d are determined, the overshoot amount does not change due to K g , so the balance of the response waveform does not change, and the time direction (that is, ω ) Only change.
[0030]
On the other hand, the command response is determined by a transfer function from the position command θ r to the position deviation θ 1 . The transfer function in this case is set as G = G 1 / G 2 . Since the numerator in addition to the denominator changes depending on the control gain, the response of the control system is the root of the characteristic equation G 2 = 0, that is, the poles ρ + and ρ − of the control system and the root of the characteristic equation G 1 = 0. That is, it is determined by the zero point of the control system.
[0031]
With respect to the pole, since G 2 = G d , Equations (1) to (6) are similarly applied as they are, so the zero point will be described here. However, for simplicity of explanation, J = 1.
[0032]
G 1 = K ff1 · S 2 + K g (K d + K ff2 ) S + K g 2 · K p = 0 (7)
In other words, the zeros z + and z − are determined by solving the equation (7).
[0033]
From the formula (7), the following formulas (8) and (9) are obtained.
z + = -K g {(K d + K ff2) - ((K d + K ff2) 2 -4K ff1 · K p) 0.5} / (2K ff1) ····· (8)
z - = -K g {(K d + K ff2) + ((K d + K ff2) 2 -4K ff1 · K p) 0.5} / (2K ff1) ····· (9)
Here, even if K d and K p that determine the pole are once determined, the response can be changed by K ff1 and K ff2 . That is, the control system can be determined independently of the disturbance response. On the other hand, once K d , K p , K ff1 , and K ff2 are determined, only the scale related to time changes with K g , and the amount related to overshoot does not change.
[0034]
To explain this in a commonly used form,
G 1 = K ff1 (S 2 + 2ζ 1 ω 1 S + ω 1 2 ) (10)
After all,
ω 1 = K g (K p / K ff1 ) 0.5 (11)
ζ 1 = (K d + K ff2 ) / {2 (K ff1 · K p ) 0.5 } (12)
It can be seen that only ω 1 is related to K g .
[0035]
The pole arrangement at this time is as shown in FIG. 4. Once K d , K p , K ff1 , and K ff2 are determined, the balance does not change according to K g , and the time direction (that is, ω 1 ) You can see that it only changes.
[0036]
The response waveform in this embodiment is shown in FIG. FIG. 5 shows the response waveform when K g = 0.5 to K g = 1.5, but the overall waveform is not changed and is increased only by the response speed. However, K d = 40, K p = 800, K ff1 = 0, K ff2 = -16, J = 1, the position command theta r is the maximum speed = 200 (rad / s), acceleration time, deceleration time = 0. 05 (sec), command payout time is 0.1 (sec).
[0037]
In this way, once K d and K p are determined, the response characteristics of the command response are determined by one parameter K g .
[0038]
In order to compare the effect obtained by the position control device of the present embodiment with that of the conventional example, the feedforward gain K ff1 = K ff2 = 0 in the present embodiment is changed to K g = 0.5 to 1.5. FIG. 6 shows the response waveform in the case of the above. By setting K ff1 = K ff2 = 0, the response waveform of FIG. 6 becomes the response waveform of the conventional position control device shown in FIG.
[0039]
When the response waveform of FIG. 6 which is a response waveform of a conventional position control device not provided with the
[0040]
In the position control device according to the present embodiment, by which is adapted to connection with a common parameter adjustment gain K g of the feedback system the gain of the
[0041]
That is, in the position control device of the present embodiment, the
[0042]
(Second Embodiment)
Next, a position control device according to a second embodiment of the present invention will be described. FIG. 8 is a block diagram showing the configuration of the position control apparatus according to the second embodiment of the present invention.
[0043]
The position control apparatus of this embodiment is provided with a
[0044]
[0045]
In the present embodiment, the torque for controlling the
[0046]
In the position control device of the present embodiment, the
[0047]
(Third embodiment)
Next, a position control device according to a third embodiment of the present invention will be described. FIG. 10 is a block diagram showing the configuration of the position control apparatus according to the third embodiment of the present invention.
[0048]
The position control device of this embodiment is such that a second-
[0049]
The
[0050]
In this embodiment, the torque for controlling the
[0051]
In the position control device of the present embodiment, the
[0052]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, it is possible to adjust the response waveform by adjusting both the gains of the feedback control system and the feedforward control system by adjusting only one parameter. Even when the response is adjusted, the required response characteristic can be easily realized.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a block diagram showing a configuration of a position control device according to a first embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a diagram for explaining a response of the position control device of FIG. 1;
3 is a pole layout diagram for explaining the operation of disturbance response in the position control device of FIG. 1; FIG.
4 is a pole layout diagram for explaining the operation of command response in the position control device of FIG. 1; FIG.
In the position control device of FIG. 5 FIG. 1 is a graph showing changes in response waveform when changing the value of the adjustment gain K g.
FIG. 6 is a diagram showing a change in response waveform when feed forward gains K ff1 and K ff2 are set to zero.
7 is a graph showing changes in response waveform when a 1 to adjust the gain K g in the feed-
FIG. 8 is a block diagram showing a configuration of a position control device according to a second embodiment of the present invention.
9 is a diagram for explaining a response of the position control device of FIG. 8;
FIG. 10 is a block diagram showing a configuration of a position control apparatus according to a third embodiment of the present invention.
11 is a diagram for explaining a response of the position control device of FIG. 10;
FIG. 12 is a block diagram showing a configuration of a conventional position control device.
FIG. 13 is a block diagram showing a configuration of another conventional position control device.
14 is a block diagram showing a configuration of a position control device that can adjust the gain with an adjustment gain K g with respect to the conventional position control device of FIG. 12;
15 is a block diagram showing a configuration of a position control device that can adjust the gain with an adjustment gain K g with respect to the conventional position control device of FIG. 13;
16 is a diagram for explaining a response of the position control device of FIG. 15;
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF
Claims (3)
前記位置制御手段から出力された値を調整ゲインを2乗した値によって増幅して出力する第1の増幅手段と、
前記位置指令と制御対象との位置偏差を微分する微分手段と、
前記微分手段により求められた値を微分ゲインによって増幅して出力する速度制御手段と、
該速度制御手段から出力された値を前記調整ゲインによって増幅して出力する第2の増幅手段と、
前記位置指令を2回微分した値を第1のフィードフォワードゲインにより増幅した値と、前記位置指令を微分した値を第2のフィードフォワードゲインおよび前記調整ゲインにより増幅した値とを加算することにより得られた値を出力するフィードフォワード制御手段と、
前記第1および第2の増幅手段と、前記フィードフォワード手段とからそれぞれ出力された値どうしを加算した値をトルク指令とし、該トルク指令に基づいて前記制御対象を駆動するトルク制御器とを備えた位置制御装置。Position control means for amplifying the position deviation between the position command issued from the host device and the position of the controlled object by a proportional gain,
First amplifying means for amplifying and outputting the value output from the position control means by a value obtained by squaring the adjustment gain;
Differentiating means for differentiating the position deviation between the position command and the controlled object;
Speed control means for amplifying and outputting the value obtained by the differentiating means with a differential gain;
Second amplifying means for amplifying and outputting the value outputted from the speed control means by the adjustment gain;
By adding a value obtained by amplifying the position command twice with a first feedforward gain and a value obtained by amplifying the position command with a second feedforward gain and the adjustment gain. Feedforward control means for outputting the obtained value;
A torque controller configured to set a value obtained by adding the values output from the first and second amplifying means and the feedforward means as a torque command, and to drive the control object based on the torque command; Position control device.
前記位置制御手段から出力された値を調整ゲインを2乗した値によって増幅して出力する第1の増幅手段と、
前記位置指令と制御対象との位置偏差を微分する微分手段と、
前記微分手段により求められた値を微分ゲインによって増幅して出力する速度制御手段と、
該速度制御手段から出力された値を前記調整ゲインによって増幅して出力する第2の増幅手段と、
前記位置指令と制御対象との位置偏差を積分する積分手段と、
前記積分手段により求められた値を積分ゲインによって増幅して出力する積分制御手段と、
該積分制御手段から出力された値を前記調整ゲインを3乗した値によって増幅して出力する第3の増幅手段と、
前記位置指令を2回微分した値を第1のフィードフォワードゲインにより増幅した値と、前記位置指令を微分した値を第2のフィードフォワードゲインおよび前記調整ゲインにより増幅した値と、前記位置指令を第3のフィードフォワードゲインおよび前記調整ゲインを2乗した値により増幅した値とを加算することにより得られた値を出力するフィードフォワード制御手段と、
前記第1、第2および第3の増幅手段と、前記フィードフォワード手段とからそれぞれ出力された値どうしを加算した値をトルク指令とし、該トルク指令に基づいて前記制御対象を駆動するトルク制御器とを備えた位置制御装置。Position control means for amplifying the position deviation between the position command issued from the host device and the position of the controlled object by a proportional gain,
First amplifying means for amplifying and outputting the value output from the position control means by a value obtained by squaring the adjustment gain;
Differentiating means for differentiating the position deviation between the position command and the controlled object;
Speed control means for amplifying and outputting the value obtained by the differentiating means with a differential gain;
Second amplifying means for amplifying and outputting the value outputted from the speed control means by the adjustment gain;
Integrating means for integrating a position deviation between the position command and the controlled object;
Integration control means for amplifying and outputting the value obtained by the integration means by an integral gain;
A third amplifying means for amplifying and outputting the value output from the integral control means by a value obtained by cubeing the adjustment gain;
A value obtained by amplifying a value obtained by differentiating the position command twice by a first feedforward gain, a value obtained by amplifying a value obtained by differentiating the position command by a second feedforward gain and the adjustment gain, and the position command Feedforward control means for outputting a value obtained by adding a third feedforward gain and a value amplified by squaring the adjustment gain;
A torque controller that uses a value obtained by adding the values output from the first, second and third amplifying means and the feedforward means as a torque command, and drives the control object based on the torque command. And a position control device.
前記位置制御手段から出力された値を調整ゲインを2乗した値によって増幅して出力する第1の増幅手段と、
前記位置指令と制御対象との位置偏差を微分する微分手段と、
前記微分手段により求められた値を微分ゲインによって増幅して出力する速度制御手段と、
該速度制御手段から出力された値を前記調整ゲインによって増幅して出力する第2の増幅手段と、
前記位置指令と制御対象との位置偏差を積分する積分手段と、
前記積分手段により求められた値を積分ゲインによって増幅して出力する積分制御手段と、
該積分制御手段から出力された値を前記調整ゲインを3乗した値によって増幅して出力する第3の増幅手段と、
前記位置指令と制御対象との位置偏差を2回微分する2回微分手段と、
前記2回微分手段により求められた値を加速度ゲインによって増幅して出力する加速度制御手段と、
前記位置指令を2回微分した値を第1のフィードフォワードゲインにより増幅した値と、前記位置指令を微分した値を第2のフィードフォワードゲインおよび前記調整ゲインにより増幅した値と、前記位置指令を第3のフィードフォワードゲインおよび前記調整ゲインを2乗した値により増幅した値とを加算することにより得られた値を出力するフィードフォワード制御手段と、
前記第1、第2および第3の増幅手段と、前記加速度制御手段と、前記フィードフォワード手段とからそれぞれ出力された値どうしを加算した値をトルク指令とし、該トルク指令に基づいて前記制御対象を駆動するトルク制御器とを備えた位置制御装置。Position control means for amplifying the position deviation between the position command issued from the host device and the position of the controlled object by a proportional gain,
First amplifying means for amplifying and outputting the value output from the position control means by a value obtained by squaring the adjustment gain;
Differentiating means for differentiating the position deviation between the position command and the controlled object;
Speed control means for amplifying and outputting the value obtained by the differentiating means with a differential gain;
Second amplifying means for amplifying and outputting the value outputted from the speed control means by the adjustment gain;
Integrating means for integrating a position deviation between the position command and the controlled object;
Integration control means for amplifying and outputting the value obtained by the integration means by an integral gain;
A third amplifying means for amplifying and outputting the value output from the integral control means by a value obtained by cubeing the adjustment gain;
A twice differentiating means for differentiating a position deviation between the position command and the controlled object twice;
Acceleration control means for amplifying and outputting the value obtained by the second differentiation means by an acceleration gain;
A value obtained by amplifying a value obtained by differentiating the position command twice by a first feedforward gain, a value obtained by amplifying a value obtained by differentiating the position command by a second feedforward gain and the adjustment gain, and the position command Feedforward control means for outputting a value obtained by adding a third feedforward gain and a value amplified by squaring the adjustment gain;
A value obtained by adding the values output from the first, second and third amplifying means, the acceleration control means, and the feedforward means is used as a torque command, and the control object is based on the torque command. And a torque controller for driving the position controller.
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