JP5457894B2 - Full closed position controller - Google Patents
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Description
本発明は、フルクローズド位置制御装置、特に、数値制御機械の軸制御において、負荷端の位置を直接的に検出して、位置指令値通りに制御することを目的としたフルクローズド位置制御装置に関するものである。 The present invention relates to a full-closed position control device, and more particularly to a full-closed position control device for directly detecting the position of a load end and controlling it according to a position command value in axis control of a numerically controlled machine. Is.
一般的に、数値制御機械の軸制御に適用されるフルクローズド位置制御装置は、駆動モータの制御入力uを適宜制御することで、上位装置から指令された位置指令値Xc通りに、制御対象である対象プラントの負荷位置xLを制御するものである。フルクローズド位置制御装置には、システムの安定性(振動抑制性を含む)と、高い指令追従性能及び負荷外乱抑制性能が求められる。一方で、対象プラントは、伝達特性として、伝達極ωpや伝達零点ωzを有しているため、通常、基本特性を2慣性モデルとした、式(1)の状態方程式で示されるプラントモデルPで表現される。尚、・(ドット)は時間微分を意味し、説明の便宜上、回転系換算表現を用いている。
図7は、式(1)の状態方程式表現をブロック図で表現したものであり、更に、積分器(1/s:sはラプラス変換の演算子)を付加して、モータ位置xm(=vm/s)と負荷位置xL(=vL/s)を付記している。この図は、プラントモデルPの基本特性を示すブロック図と捉えることができる。また、図示はしないが、駆動モータには位置検出器が、負荷側にはリニアスケールが設置されており、モータ速度vm,モータ位置xm,負荷速度vL,負荷位置xLは直接検出できるものとする。尚、図中の引出し線w11,p1,w12,p2は、後述する本発明におけるプラント変動を表現するためのもので、ここでは説明を加えない。 FIG. 7 is a block diagram of the state equation expression of Equation (1). Further, an integrator (1 / s: s is an operator of Laplace transform) is added to the motor position x m (= v m / s) and load position x L (= v L / s) are appended. This figure can be regarded as a block diagram showing the basic characteristics of the plant model P. Although not shown, a position detector is installed in the drive motor, and a linear scale is installed on the load side. The motor speed v m , motor position x m , load speed v L , and load position x L are detected directly. It shall be possible. The lead lines w 11 , p 1 , w 12 , and p 2 in the figure are for expressing plant fluctuations in the present invention to be described later, and are not described here.
図6は、特許文献1「特許第3351990号公報」に記載された、従来のフルクローズド位置制御装置におけるサーボシステム構成の一例を示したブロック図である。この従来システムでは、位置制御装置100のフィードバック構成は次の様になっている。すなわち、加減算器50は、上位装置(図示しない)から指令された位置指令値Xcと、フィードフォワードブロック300(BFF)から入力される撓み補償値Xdfとを加算し、その加算結果から位置帰還xfを減算する。その出力である位置偏差は、位置偏差増幅器51で位置ループゲインKp倍に増幅され、速度補償値Vcmpと加算し、モータ速度vmを減算する加減算器52の入力になる。その出力である速度偏差は、速度偏差増幅器53で、通常、比例積分増幅される。式(2)は、この速度ループゲインGvを示している。(尚、比例ゲインGp,積分ゲインGiである。)
Gv=Gp+(Gi/s) ・・・・・(2)
速度偏差増幅器53の出力と制御入力補償値ufは、加算器54で加算され、対象プラント200(P)への制御入力uになる。
Figure 6 is described in
Gv = Gp + (Gi / s) (2)
The output of the
位置帰還xfとxm,xL,Xdfの関係は、図6に示した減算器58、及び加算器60,64により、
xf=xm+H(xL−xm+Xdf ) ・・・・・(3)
で表される。ここで、補償器59の伝達関数Hは、0≦|H|≦1で、低周波入力に対して大きく(→1)、高周波入力に対して小さく(→0)なる低域通過型の特性を持つ。よって、定常的には、xf=xL+Xdf となって、フィードバック制御により、Xc=xLが達成できる。つまり、位置指令値Xc通りに負荷位置xLを制御できる。
Position feedback x f and x m, x L, the relationship of X df is the
x f = x m + H ( x L -x m + X df) ····· (3)
It is represented by Here, the transfer function H of the
次に、位置制御装置100のフィードフォワード構成について説明する。フィードフォワード構成は応答の高速化を図るため導入されるもので、図8はフィードフォワードブロック300(BFF)の構成を示したブロック図である。撓み演算部61は、位置指令値Xcに対して発生する伝達系の撓みを求め、式(4)で、撓み補償値Xdfを演算する。
Xdf=Cd・Xc=(K/IL)s2・Xc ・・・・・(4)
速度補償値Vcmpは、位置指令値Xcを微分器55で時間微分した速度指令値Vcと、撓み補償値Xdfを微分器62で時間微分した撓み速度補償値Vdfを加算器63で加算して演算され、モータ速度vmの理想応答に相当する速度フィードフォワード量になっている。速度指令値Vcは、微分器56で時間微分され、制御入力換算部57で、式(5)により、制御入力補償値ufに換算される。
uf=Ct・s・Vc=(Im+IL)s・Vc ・・・・・(5)
ufは、制御入力に対するフィードフォワード量になっている。
Next, the feedforward configuration of the
X df = Cd · X c = (K / I L ) s 2 · X c (4)
The speed compensation value V cmp is obtained by adding a speed command value V c obtained by time differentiation of the position command value X c by the differentiator 55 and a deflection speed compensation value V df obtained by time differentiation of the deflection compensation value X df by the
u f = Ct · s · V c = (I m + I L ) s · V c (5)
uf is a feedforward amount with respect to the control input.
ここで、図6に示した従来のフルクローズド位置制御装置の制御性能について検討する。これに先立って、式(2)の速度ループゲインGvは、制御性能を直接的に意味しないから、プラントモデルPを剛性K→∞で剛体近似した速度制御系が持つ、2次遅れ特性の固有振動周波数を速度制御帯域ωvとして、比例ゲインGpと積分ゲインGiは、ωvから、式(6)で決定するものとする。
Gp=2(Im+IL)ωv ,Gi=(Im+IL)ωv 2 ・・・・・(6)
Here, the control performance of the conventional full-closed position control device shown in FIG. 6 will be examined. Prior to this, since the speed loop gain Gv of the equation (2) does not directly mean the control performance, the speed control system in which the plant model P is rigidly approximated with the rigidity K → ∞ has an inherent second-order lag characteristic. the vibration frequency as a speed control band omega v, integral gain Gi and proportional gain Gp from omega v, shall be determined by the expression (6).
Gp = 2 (I m + I L ) ω v , Gi = (I m + I L ) ω v 2 (6)
最初に、図6において、補償器59の伝達関数HをH=1に固定して、完全フルクローズド位置制御系の安定限界を求めると、式(7)の安定条件が得られる。ここで、Rは、負荷慣性モーメント比R(=IL/Im)である。尚、以降の従来例で、安定限界を考える際は、積分ゲインGiは、直接的に関与しないため、Gv=Gp(Gi=0)とおいて検討している。
次に、振動発生を抑制するため、補償器59の伝達関数Hを一次遅れ特性(H=Hb/(s+Hb))に選んだ時の位置制御特性の実例を示す。ここでは、プラント条件として、Im=0.7[kg・m2],IL=0.3[kg・m2],K=5000[Nm/rad]を、制御パラメータとして、Kp=20,ωv=60,Hb=40を選択している。図9は、フルクローズド位置制御系周波数特性(指令応答:Xc→xL,外乱抑制応答:d→xL)である。制御帯域が伝達零点ωzで制約(本プラント条件では、ωz=129[rad/sec]になる。)を受けている事がわかる。
Next, an example of the position control characteristic when the transfer function H of the
図10の左側は、ステップ状の負荷外乱d=1[Nm]を与えた時のxLとxmの実時間応答を示している。伝達関数Hを一次遅れ特性に選んだ事で負荷側振動は抑制できているが、外乱による位置変動が大きい応答になる。また、図10の右側は、2次関数型加速で速度指令値Vcを与えた時の位置誤差xe(=Xc−xL)を示している。伝達系に発生する撓みをフィードフォワードで補償しているため、撓み量が一定になる、等加速中の位置誤差xeは小さく抑えられているが、加速度変化部では抑制効果が小さくなっていることがわかる。 The left side of FIG. 10 shows real-time responses of x L and x m when a stepwise load disturbance d = 1 [Nm] is given. Although the load-side vibration can be suppressed by selecting the transfer function H as the first-order lag characteristic, the response has a large position fluctuation due to disturbance. Further, the right side of FIG. 10 shows a position error x e (= X c −x L ) when a speed command value V c is given by quadratic function type acceleration. Because it compensates the deflection occurring in the transmission system in a feed-forward, the amount of deflection is constant, but the position error x e in equal acceleration are suppressed, suppressing effect on acceleration change portion is smaller I understand that.
図11は、従来のフルクローズド位置制御装置の他の例を示したブロック図である。以下、先例で説明した従来装置と異なる部分について説明する。本従来例は、減算器70で撓み速度(vm−vL)を演算し、これにαを制御パラメータとしたα・Gp倍を乗じて、減算器71で制御入力にフィードバックすることにより、対象プラントの特性操作を狙った技術である。この技術は特許文献2「特開平3−110607号公報」に記載されている。
FIG. 11 is a block diagram showing another example of a conventional full-closed position control device. Hereinafter, a different part from the conventional apparatus demonstrated by the prior example is demonstrated. In this conventional example, the
前述と同様に、本従来例におけるフルクローズド位置制御系の安定限界を求めると、式(7)に対応させた表現で、式(8)が得られる。
R≫1なる条件だと、α→1に選定でき、式(8)の安定限界は、近似的に式(9)となって、制御性能が向上できることがわかる。
Under the condition of R >> 1, it is possible to select α → 1, and the stability limit of the equation (8) is approximately the equation (9), which shows that the control performance can be improved.
図12は、特許文献3「特許第3870028号公報」に記載された、従来のフルクローズド位置制御装置の更に他の例を示したブロック図である。本従来例は、フルクローズド位置制御の高性能化を指向して、負荷速度vLを速度帰還とした速度制御系を構成する。安定問題を回避するため、負荷伝達トルクτrを推定するオブザーバ(図示しない)と状態フィードバックにより、対象プラントの特性を安定化させる。具体的には、増幅器80の入力である状態ベクトル[vm,vL,τr]Tに掛かる、状態フィードバックゲインベクトルF=[f1,f2,f3]を式(10)で設定する。
増幅器80の出力は、減算器81で制御入力にフィードバックされる。これにより、対象プラントの特性多項式は、原形のs(s2+ωp 2)から、安定なs(s+ωs)2に変換される。帯域補償部82は、状態フィードバックによって、低域におけるu→vLの伝達ゲインを見かけ上、変化させないために導入するもので、速度偏差増幅器53の出力に帯域補償ゲインQ=(ωs/ωp)2を乗じて、減算器81に加える。
The output of the amplifier 80 is fed back to the control input by the
次に、本従来例における安定限界を求めると、まず、速度制御系では、ωs>ωvであり、フルクローズド位置制御系では、式(11)で表現できる。
本従来例の制御効果は、前述の図11の従来例の様に、プラント条件に左右される事は無いが、オブザーバ+状態フィードバックで対象プラントの特性操作を実現しているため、実際のプラント特性と、モデルとしたプラント特性Pとの間の特性差が増大すると、振動が発生して安定性が損なわれるため、状態フィードバック帯域ωsを高くとれなくなる問題が存在した。 The control effect of this conventional example is not affected by the plant conditions as in the conventional example of FIG. 11 described above, but because the characteristic operation of the target plant is realized by the observer + state feedback, the actual plant When the characteristic difference between the characteristic and the modeled plant characteristic P increases, vibration is generated and stability is lost. Therefore, there is a problem that the state feedback band ω s cannot be increased.
以上説明した様に、従来のフルクローズド位置制御装置では、システムの安定性や振動抑制性を重視すると、指令追従性能や負荷外乱抑制性能が制約されてしまう。また、高性能化を指向した従来技術では、対象プラントの条件や、プラントモデルと対象プラント間のプラント誤差によって、制御効果が制限されていた。本発明が解決しようとする課題は、対象プラントの条件に関わらず、プラントのモデル化誤差を含むプラント特性の変動に応じて、システムの安定性(振動抑制性を含む)と、高い指令追従性能及び負荷外乱抑制性能が両立するフルクローズド位置制御装置を提供することである。 As described above, in the conventional full-closed position control device, if importance is attached to the stability and vibration suppression of the system, the command tracking performance and the load disturbance suppression performance are limited. Further, in the conventional technology aimed at high performance, the control effect is limited by the conditions of the target plant and the plant error between the plant model and the target plant. The problem to be solved by the present invention is that the system stability (including vibration suppression) and high command follow-up performance according to changes in plant characteristics including plant modeling errors regardless of the conditions of the target plant It is another object of the present invention to provide a fully closed position control device that achieves both load disturbance suppression performance.
本発明は、プラントの特性変動を考慮した上で、システムの安定性と高い指令追従性能及び負荷外乱抑制性能を両立させる特性を有し、負荷速度vLを用いて演算した速度偏差と、モータ速度vmを入力とした、2入力1出力の速度制御器で速度制御系を構成することにより、前記課題を解決するものである。 The present invention has characteristics that achieve both system stability, high command tracking performance, and load disturbance suppression performance in consideration of plant characteristic fluctuations, a speed deviation calculated using the load speed v L , a motor and an input speed v m, by constituting the speed control system in two inputs and one output of the speed controller, is intended to solve the above problems.
本発明によるフルクローズド位置制御装置は、速度帰還に負荷速度vLを用いることで、負荷側に対して、高い指令追従性能及び負荷外乱抑制性能を持つ速度制御系を構成する。更に、速度制御器は、速度偏差に加えて、モータ速度vmも入力とする2入力構造をとることにより、プラント変動の存在を含めた上で、ロバスト安定性とロバスト性能を確保した特性を有する。このため、対象プラントの条件に関わらず、プラント変動の大きさに応じた性能向上が期待できる。具体的には、伝達零点ωzでの制約を受けない事で、指令追従性能の制御帯域が拡大し、中低域での負荷外乱抑制性能も大幅に向上させることができる。 The fully closed position control device according to the present invention uses the load speed v L for speed feedback, thereby configuring a speed control system having high command following performance and load disturbance suppressing performance on the load side. Furthermore, the speed controller, in addition to the speed deviation by taking the two-input structure motor speed v m also as input, after including the presence of a plant variation, the characteristics ensuring robust stability and robust performance Have. For this reason, the performance improvement according to the magnitude | size of a plant fluctuation can be anticipated irrespective of the conditions of an object plant. Specifically, by not restricted in transmission zeros omega z, and enlargement control band of command follow-up performance, load disturbance suppression performance at a low-frequency can also be considerably improved in.
以下、本発明を実施するための形態の例(以下実施例という)を用いて説明する。最初に、プラント変動が存在してもシステムの安定性が損なわれない様にするため、ロバスト安定問題を定量化しておく。そこで、特性変動の代表例として、実際のプラント特性とプラントモデル特性間のプラント誤差を定める。本実施例では、前述のプラント条件:Im=0.7[kg・m2],IL=0.3[kg・m2],K=5000[Nm/rad]に対して、プラント誤差:δL=0.045[kg・m2](±15%),δK=500[Nm/rad](±15%)にとっている。(尚、δLはIL変動を、δKはK変動を示している。) The present invention will be described below with reference to examples of modes for carrying out the present invention (hereinafter referred to as examples). First, the robust stability problem is quantified so that the stability of the system is not compromised in the presence of plant fluctuations. Therefore, as a typical example of characteristic variation, a plant error between actual plant characteristics and plant model characteristics is determined. In the present embodiment, the plant error with respect to the aforementioned plant conditions: I m = 0.7 [kg · m 2 ], I L = 0.3 [kg · m 2 ], K = 5000 [Nm / rad]. : Δ L = 0.045 [kg · m 2 ] (± 15%), δ K = 500 [Nm / rad] (± 15%). (Note, [delta] L is a I L variation, [delta] K represents the K variations.)
次に、プラント変動の存在を前提としたロバスト性能要求を定式化する。本実施例では、性能要求として、「1.負荷の指令追従帯域が広いこと。2.中低域での負荷外乱抑制性能が高いこと。3.前述のプラント誤差には盛り込んでいない、高域でのプラント変動への対応を含めて、制御器の高域ゲインを抑制すること。」を挙げておく。 Next, a robust performance requirement based on the existence of plant fluctuations is formulated. In this embodiment, the performance requirement is “1. The command follow-up band of the load is wide. 2. The load disturbance suppression performance in the middle and low range is high. 3. The high range that is not included in the plant error described above. "Inhibit the high-frequency gain of the controller, including the response to plant fluctuations in the plant."
前述のロバスト安定問題とロバスト性能問題を定式化し、一般化プラントGに盛り込んで構成したブロック図が図2である。図中のPは、前述の従来技術の説明で用いたプラントモデルである。ロバスト安定問題に関して、入力w1=[w11,w12]T,評価出力z1=[z11,z12]Tとし、ロバスト性能問題に関して、入力w2=[w21,w22]T,評価出力z2=[z21,z22]Tとおく。Krは速度指令値Vcと負荷速度vLとの速度偏差e(=Vc−vL)を抑制するための入力と、速度制御系を容易に安定化させるためのモータ速度vmについての入力と、を入力に持つ2入力の構造を持つと共に、対象プラントPの制御入力uを出力する1出力の速度制御器であり、Wu,Wd,Wr,Wsは安定最小位相系の性能重み関数である。 FIG. 2 is a block diagram in which the aforementioned robust stability problem and robust performance problem are formulated and incorporated in the generalized plant G. P in the figure is the plant model used in the above description of the prior art. For the robust stability problem, the input w 1 = [w 11 , w 12 ] T and the evaluation output z 1 = [z 11 , z 12 ] T, and for the robust performance problem, the input w 2 = [w 21 , w 22 ] T , Evaluation output z 2 = [z 21 , z 22 ] T. Kr is an input for suppressing a speed deviation e (= V c −v L ) between the speed command value V c and the load speed v L, and a motor speed v m for easily stabilizing the speed control system. 1 is a one-output speed controller that outputs a control input u of the target plant P, and W u , W d , W r , and W s are stable minimum phase systems. Is a performance weighting function.
図2において、ロバスト安定問題とロバスト性能問題を1個のロバスト制御問題に纏めるために、評価出力と入力の関係を、伝達行列Mの部分ブロック表現を用いて、式(12)で表現する。すると、ロバスト安定問題はM11の、ロバスト性能問題はM22のH∞ノルムを抑制する問題となるため、伝達行列MのH∞ノルムを抑制できれば、ロバスト安定問題とロバスト性能問題を同時に解く事ができる。
ここで、ロバスト制御問題を解くにあたり、式(12)の非対角要素は、要求を定式化したものでないから、このブロック要素によって、速度制御器1(Kr)の設計が制約を受けるのは好ましくない。よって、本実施例ではロバスト制御問題をμ設計により解く事で、非対角要素にスケーリングを掛け、受ける制約を小さくする。図2中のδL,δKは、前述のプラント誤差で、ロバスト安定問題を定式化する際の重み関数である。Ws,Wu,Wd,Wrは、ロバスト性能問題を定式化する際の性能重み関数になる。 Here, in solving the robust control problem, the non-diagonal element of the equation (12) is not a formulation of the requirement, and the design of the speed controller 1 (Kr) is restricted by this block element. It is not preferable. Therefore, in this embodiment, the robust control problem is solved by μ design, thereby scaling the non-diagonal elements and reducing the restrictions imposed. Δ L and δ K in FIG. 2 are weight functions for formulating the robust stability problem with the aforementioned plant error. W s , W u , W d , and W r are performance weight functions when formulating the robust performance problem.
性能重み関数Wsは、速度指令値Vcと負荷速度vLとの速度偏差eに乗じられて評価出力z21となる。Wsは、負荷の指令追従特性の広帯域化(ロバスト性能要求1.)と、中低域での負荷外乱抑制性能(ロバスト性能要求2.)をつくり込むために、1次/2次混合の低域通過型重み関数を選ぶ。式(13)は、本実施例で用いるWsの一例ある。
性能重み関数Wuは、制御入力uに乗ざれて評価出力z22となる。Wuは、高域での制御器ゲイン抑制(ロバスト性能要求3.)をつくり込むために、2次の高域通過型重み関数を選ぶ。式(14)は、本実施例で用いたWuの例ある。
性能重み関数WdとWrは、評価出力である速度偏差eと制御入力uに対して、入力である負荷外乱dと速度指令値Vcの相互影響を調整するための定数で、本実施例では式(15)を選ぶ。
Wd=0.01, Wr=1・10−6 ・・・・・(15)
図3は、プラントモデルPの伝達特性(u→vm,u→vL)と、前述の性能重み関数Ws,Wu,Wd,Wrの周波数特性を示している。
Performance weighting function W d and W r, with respect to the speed deviation e and a control input u is an evaluation output, a constant for adjusting the mutual influence of the load disturbance d and the speed command value V c is input, this embodiment In the example, formula (15) is selected.
W d = 0.01, W r = 1 · 10 −6 (15)
FIG. 3 shows the transfer characteristics (u → v m , u → v L ) of the plant model P and the frequency characteristics of the performance weight functions W s , W u , W d , and W r described above.
図1は、前述の条件下で設計した速度制御器Krを用いて構成した、本実施例のフルクローズド位置制御装置の一例を示すブロック図である。図1では、図6に示した従来装置の構成要素と同様の構成要素には、同一の符号を付している。図1に示したフィードフォワードブロック300(BFF)の内部構成は、図8に例示したものと同様のものである。以下、これまでに説明した従来例と異なる部分について説明する。 FIG. 1 is a block diagram showing an example of a full-closed position control apparatus according to the present embodiment, which is configured using a speed controller Kr designed under the above-described conditions. In FIG. 1, the same components as those of the conventional apparatus shown in FIG. The internal configuration of the feedforward block 300 (B FF ) shown in FIG. 1 is the same as that illustrated in FIG. Hereinafter, a different part from the conventional example demonstrated so far is demonstrated.
本実施例では加減算器3で減算される速度帰還は負荷速度vLになる。このため、加減算器3に加算されるフィードフォワードブロック300(BFF)の出力としては、図8における速度指令値Vcを用いる。加減算器3の出力である速度偏差は、本実施例の速度制御器Krで増幅される。なお、Krの入力は、図1におけるe入力側が加減算器3の出力側に、vm入力側が減算器2の出力側になる。速度制御器Krの出力は、加算器54で制御入力補償値ufと加算されて、対象プラント(例えばボールねじ駆動系)の制御入力uになる。
In this embodiment the speed feedback, which is subtracted in subtracter 3 becomes the load velocity v L. Therefore, the speed command value V c in FIG. 8 is used as the output of the feedforward block 300 (B FF ) added to the adder / subtracter 3. The speed deviation which is the output of the adder / subtracter 3 is amplified by the speed controller Kr of this embodiment. The input of Kr is, e input side in FIG. 1 to the output side of the adder-subtractor 3, v m input side is the output side of the
一方で、減算器2で、モータ速度vmから速度補償値Vcmpを減算し、その結果が速度制御器Krに入力される構成をとっている。これは、モータ速度vmが、システムの安定性を得るためのフィードバックであるから、速度補償値Vcmp通りの理想的な応答を示す場合には、フィードバック量が発生しない様にして、制御的な平衡点をドリフトさせないためである。すなわち、速度制御器Krは、上述のように2入力1出力の構造(Kr(s)=[Kr1(s),Kr2(s)])をとり、u=[Kr1(s),Kr2(s)][e,vm]T=Kr1・e+Kr2・vmで出力uを演算する増幅器となる。ここで、Kr1(s)が速度偏差e(=Vc−vL)を小さくするための増幅器となり、Kr2(s)がvmを受けて速度制御系の安定性を保証する成分を発生させる増幅器となる。負荷速度vLをそのまま速度フィードバックすると、特許文献3に関して上で説明したように、不安定なシステムになる。これに対し、この例では、速度偏差e(=Vc−vL)を速度制御器Krに入力することで、負荷側での指令追従性能や外乱抑制性能が向上すると共に、モータ速度vmから速度補償値Vcmpを減算した結果をKrに入力することでシステムの安定化を図りやすくすることができる。なお、ここで用いられる速度補償値Vcmpは、前述の通り、位置指令値Xcを微分器55で時間微分した速度指令値Vcと、撓み補償値Xdfを微分器62で時間微分した撓み速度補償値Vdfを加算器63で加算して演算されるものであり(図8参照)、モータ速度vmの理想応答に相当する速度フィードフォワード量を表す。
On the other hand, the
図4は、本実施例によるフルクローズド位置制御系周波数特性(指令応答:Xc→xL,外乱抑制応答:d→xL)である。内部の速度制御系が負荷速度vLによる速度フィードバックで構成可能となった事により、制御性が伝達零点ωzで制約を受けず、位置ループゲインKp=80が設定できている。このため、位置制御帯域は従来例に対して3〜4倍拡大している。更に、負荷外乱抑制能力を速度制御系が直接有するため、中低域での負荷外乱抑制性能は大幅(10倍以上)に向上している。 FIG. 4 shows frequency characteristics (command response: X c → x L , disturbance suppression response: d → x L ) according to the present embodiment. By internal speed control system becomes configurable speed feedback according to the load rate v L, controllability is not restricted in transmission zeros omega z, and can set the position loop gain Kp = 80. For this reason, the position control band is expanded 3 to 4 times compared to the conventional example. Furthermore, since the speed control system directly has the load disturbance suppression capability, the load disturbance suppression performance in the middle and low range is greatly improved (10 times or more).
図5の左側の2つのグラフは、ステップ状の負荷外乱d=1[Nm]を与えた時のxLとxmの実時間応答を示している。外乱によるxLの位置変動量及び収束時間は、従来例に対して1/10以下に制御できている。また、図5の右側の2つのグラフは、2次関数型加速で速度指令値Vcを与えた時の位置誤差xe(=Xc−xL)を示している。指令追従性能が向上した事で、従来例に対して、加速度変化部においても位置誤差xeの発生を十分に抑制できている。 The two graphs on the left side of FIG. 5 show real-time responses of x L and x m when a stepwise load disturbance d = 1 [Nm] is given. Positional variation and convergence time of x L due to a disturbance is possible to control to 1/10 or less with respect to the prior art. Also, the two graphs on the right side of FIG. 5 show the position error x e (= X c −x L ) when the speed command value V c is given by quadratic function type acceleration. By command follow-up performance is improved relative to the prior art, and can sufficiently suppress the occurrence of the position error x e also in the acceleration change section.
以上説明した様に、実施例によるフルクローズド位置制御装置では、上位装置から指令された位置指令値の時間微分である速度指令値Vcは、本来、負荷速度vLに対する速度指令値であるから、対象プラントの特性変動を考慮した上で、VcとvLを一致させる事を目的としたロバスト安定な速度制御系を位置制御装置内部に構成している。このため、負荷位置に関する指令追従性能と負荷外乱抑制性能を大幅に向上させることができる。 As described above, in the full-closed position control apparatus according to the embodiment, the speed command value V c is the time derivative of the commanded position command value from the host device, originally, since the speed command value for the load speed v L In consideration of the characteristic variation of the target plant, a robust stable speed control system for making V c and v L coincide with each other is configured in the position control device. For this reason, the command follow-up performance and load disturbance suppression performance related to the load position can be greatly improved.
1 速度制御器、2 減算器、3 加減算器、10 位置制御装置、50 加減算器、51 位置偏差増幅器、52 加減算器、53 速度偏差増幅器、54 加算器、55 微分器、56 微分器、57 制御入力換算部、58 減算器、59 補償器、60 加算器、61 撓み補償部、62 微分器、63 加算器、64 加算器、70 減算器、71 減算器、80 増幅器、81 減算器、82 帯域補償部、100 位置制御装置(特許文献1)、101 位置制御装置(特許文献2)、102 位置制御装置(特許文献3)、200 対象プラント、300 フィードフォワードブロック。 1 speed controller, 2 subtractor, 3 adder / subtractor, 10 position controller, 50 adder / subtractor, 51 position deviation amplifier, 52 adder / subtractor, 53 speed deviation amplifier, 54 adder, 55 differentiator, 56 differentiator, 57 control Input conversion unit, 58 subtractor, 59 compensator, 60 adder, 61 deflection compensation unit, 62 differentiator, 63 adder, 64 adder, 70 subtractor, 71 subtractor, 80 amplifier, 81 subtractor, 82 bands Compensator, 100 Position control device (Patent Document 1), 101 Position control device (Patent Document 2), 102 Position control device (Patent Document 3), 200 Target plant, 300 Feed forward block.
Claims (1)
前記位置指令値の時間微分である速度指令値と、前記位置指令値と前記対象プラントの前記負荷位置との位置偏差を増幅する位置偏差増幅器の出力と、を加算した結果から、前記対象プラントの負荷速度を減算して速度偏差を算出する加減算器と、
前記速度指令値と撓み速度補償値との加算値である速度補償値をモータ速度から減算する減算器と、
前記速度偏差と前記減算器の出力とを入力として受け取り、それら入力から出力を求める速度制御器であって、前記速度制御器の前記出力は、前記対象プラントへの制御入力のフィードフォワード量である制御入力補償値と加算されることで前記対象プラントへの前記制御入力となるものである、速度制御器と、
を備えた速度制御系を有することを特徴とする数値制御機械のフルクローズド位置制御装置。 The object plant driven by motors, the full-closed position control device of the numerical control machine for controlling the load position of the object plant according commanded position command value from the host device,
From the result of adding the speed command value, which is the time derivative of the position command value, and the output of the position deviation amplifier that amplifies the position deviation between the position command value and the load position of the target plant, An adder / subtractor that subtracts the load speed to calculate the speed deviation;
A subtractor for subtracting a speed compensation value, which is an addition value of the speed command value and the deflection speed compensation value, from the motor speed;
A speed controller that receives the speed deviation and the output of the subtractor as inputs, and obtains an output from the inputs, wherein the output of the speed controller is a feedforward amount of a control input to the target plant A speed controller that is added to the control input compensation value to become the control input to the target plant ;
A fully-closed position control device for a numerically controlled machine, characterized in that it has a speed control system comprising:
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