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JP7314710B2 - CONTROLLER, DESIGN METHOD OF CONTROLLER - Google Patents
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Description

本発明は、制御装置、及び制御装置の設計方法に関する。 The present invention relates to a control device and a design method for the control device.

制御対象を制御するシステムとしては、例えば、フィードバック制御を用いる閉ループの制御システムがある(例えば、特許文献1参照)。 As a system for controlling a controlled object, for example, there is a closed-loop control system using feedback control (see, for example, Patent Document 1).

特開2010-84733号公報JP 2010-84733 A

ところで、一般的な閉ループの制御システムにおいては、制御システムへの設定値入力と、出力との間の入出力安定性が保証されるよう、補償器は設計される。しかしながら、実際の制御システムにおいては、様々な外乱が入力されるため、設定値入出力安定性のみを考慮して補償器を設計しても、制御システムの安定性を保てないことがある。 By the way, in a typical closed-loop control system, the compensator is designed so as to guarantee the input/output stability between the setpoint input to the control system and the output. However, since various disturbances are input to an actual control system, it may not be possible to maintain the stability of the control system even if the compensator is designed with only the set value input/output stability taken into consideration.

本発明は、上記のような従来の問題に鑑みてなされたものであって、様々な外乱がある場合であっても制御システムの安定性を保つことができる制御装置を提供することを目的とする。 SUMMARY OF THE INVENTION It is an object of the present invention to provide a control device capable of maintaining the stability of a control system even in the presence of various disturbances.

前述した課題を解決する主たる本発明は、制御対象からの出力信号と、目標信号と、の差に応じた第1誤差信号が入力され、第1制御信号を出力する第1補償器と、前記第1制御信号が入力され、第1信号を出力する第2補償器と、前記出力信号と、前記第1信号と、の差に応じた第2誤差信号が入力され、第2信号を出力する第3補償器と、前記第1制御信号と、前記第2信号とを加算して、前記制御対象を制御するための第2制御信号として出力する加算器と、を備え、以下の式(1)~(4)の条件に基づいて、前記第1~第3補償器を含む制御系が安定となるよう、前記第1~第3補償器は構成されていること、を特徴とする制御装置。 A main aspect of the present invention that solves the above-mentioned problems is to provide a first compensator that receives a first error signal corresponding to the difference between an output signal from a controlled object and a target signal and outputs a first control signal, a second compensator that receives the first control signal and outputs a first signal, a third compensator that receives a second error signal based on the difference between the output signal and the first signal, and outputs a second signal, the first control signal, and the second signal. and an adder that adds and outputs as a second control signal for controlling the controlled object, and the first to third compensators are configured so that a control system including the first to third compensators is stable based on the conditions of the following equations (1) to (4).

e1 = (I - G(F - A))-1((I - GF ) r - Gv - d) ・・・(1)
e2 = (I + HK)(I - G(F - A))-1(GAr + Gv + d) - HKr・・・(2)
u2 = (I - (F - A)G)-1(Ar + v + (F-A)d) ・・・(3)
A = (I - FH)K・・・(4)
ここで、eは、前記第1誤差信号であり、eは、前記第2誤差信号であり、uは、第2制御信号であり、Iは、単位行列であり、Gは、前記制御対象であり、Kは、前記第1補償器であり、Hは、前記第2補償器であり、Fは、前記第3補償器であり、rは、前記目標信号であり、dは、前記出力信号に印加される第1外乱であり、vは、前記第2制御信号に印加される2外乱である。
e1 = (I-G(F-A)) -1 ((I-GF)r-Gv-d) (1)
e2 = (I + HK)(I - G(F - A)) -1 (GAr + Gv + d) - HKr (2)
u2 = (I - (F - A)G) -1 (Ar + v + (FA)d) (3)
A = (I - FH) K (4)
where e1 is the first error signal, e2 is the second error signal, u2 is the second control signal, I is the identity matrix, G is the controlled object, K is the first compensator, H is the second compensator, F is the third compensator, r is the target signal, d is the first disturbance applied to the output signal, and v is the second 2 disturbances applied to the control signal;

本発明によれば、外乱がある場合であっても安定に制御対象を制御することができる技術を提供することができる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the technique which can control a controlled object stably even when there exists a disturbance can be provided.

制御システム10のブロック線図である。1 is a block diagram of control system 10. FIG. 制御システム11のブロック線図である。2 is a block diagram of control system 11. FIG. 制御システム12のブロック線図である。2 is a block diagram of control system 12. FIG. 制御システムのシミュレーション結果の一例を示す図である。It is a figure which shows an example of the simulation result of a control system. 制御システムのシミュレーション結果の一例を示す図である。It is a figure which shows an example of the simulation result of a control system. 制御システムのシミュレーション結果の一例を示す図である。It is a figure which shows an example of the simulation result of a control system. クレーン50の構成の一例を示す図である。2 is a diagram showing an example of a configuration of a crane 50; FIG. 制御装置62の設計方法の一例を説明するフローチャートである。6 is a flowchart illustrating an example of a design method for the control device 62;

本明細書及び添付図面の記載により、少なくとも以下の事項が明らかとなる。 At least the following matters will become apparent from the descriptions of this specification and the accompanying drawings.

===制御システムの安定性について===
<<<制御システム10>>>
図1は、フィードバックループが形成された、一般的な閉ループの制御システム10のブロック線図であり、制御システム10には、プラント20、加算器21、及び補償器22が含まれる。
=== Stability of control system ===
<<<control system 10>>>
FIG. 1 is a block diagram of a typical closed-loop control system 10 with a feedback loop formed therein, the control system 10 including a plant 20 , a summer 21 and a compensator 22 .

プラント20は、制御対象となる対象物であり、例えば、位置が制御されるトロリークレーンやサーボ、温度が制御される冷蔵庫、電圧が制御されるインバータである。 The plant 20 is an object to be controlled, such as a position-controlled trolley crane or servo, a temperature-controlled refrigerator, or a voltage-controlled inverter.

加算器21は、プラント20からの出力信号yと、出力信号yの目標値を示す目標信号rとの差に応じた誤差信号e(第1誤差信号)を出力する。このため、加算器21は、目標信号rから、出力信号yを減算する減算器として動作する。 The adder 21 outputs an error signal e 1 (first error signal) corresponding to the difference between the output signal y from the plant 20 and the target signal r indicating the target value of the output signal y. Therefore, the adder 21 operates as a subtractor that subtracts the output signal y from the target signal r.

補償器22は、誤差信号eに基づいて、出力信号yが、目標値となるよう、プラント20を制御するための制御信号uを出力する。この結果、制御システム10において、プラント20の出力を目標値とすることができる。 Based on the error signal e1 , the compensator 22 outputs a control signal u1 for controlling the plant 20 so that the output signal y becomes the target value. As a result, in the control system 10, the output of the plant 20 can be made the target value.

<<<制御システム11>>>
制御システム10においては、例えば、プラント20の出力に加算される外乱や、プラント20への入力信号に加算される外乱が考慮されていない。
<<<control system 11>>>
In the control system 10, for example, disturbance added to the output of the plant 20 and disturbance added to the input signal to the plant 20 are not considered.

図2の制御システム11は、一般的なフィードバック制御が適用された、制御システム10に対し、外乱d,vを考慮したシステムである。具体的には、制御システム11には、制御システム10に対し、外乱d,vのそれぞれが加算される加算器23,24が設けられている。なお、図1と、図2で同じ符号の付されたブロック、信号は同じである。 The control system 11 of FIG. 2 is a system that considers disturbances d and v with respect to the control system 10 to which general feedback control is applied. Specifically, the control system 11 is provided with adders 23 and 24 to which the disturbances d and v are respectively added to the control system 10 . 1 and FIG. 2 have the same blocks and signals with the same reference numerals.

加算器24には、制御信号uに対し、外乱vが加えられ、プラント20へ制御信号u2として出力される。 The adder 24 adds the disturbance v to the control signal u1 and outputs it to the plant 20 as the control signal u2.

一般的に補償器22は、目標信号rと、外乱d,vの影響がない出力信号yと、の誤差を入力として、制御信号uを出力するよう設計されている。このため、外乱d,vの影響により、システムの制御性能が劣化する、又は安定性が保てない場合がある。 Generally, the compensator 22 is designed to receive the error between the target signal r and the output signal y free from the influence of the disturbances d and v and output the control signal u1 . Therefore, the control performance of the system may deteriorate or the stability may not be maintained due to the influence of the disturbances d and v.

<<<制御システム12>>>
図3は、外乱抑制を考慮したフィードバックループを追加した制御システム12のブロック線図である。
<<<control system 12>>>
FIG. 3 is a block diagram of control system 12 with the addition of a feedback loop that considers disturbance suppression.

制御システム12は、プラント20、加算器21,23,24,26、補償器22,25,27が含まれる。したがって、制御システム12は、制御システム11の構成に対し、加算器26、補償器25,27が追加された構成である。なお、図2と、図3とでは、同じ符号が付されたブロック、信号は同じであるため、制御システム11との相違点を中心に説明する。また、補償器22は、「第1補償器」に相当し、補償器25は、「第2補償器」に相当し、補償器27は、「第3補償器」に相当する。 Control system 12 includes plant 20 , adders 21 , 23 , 24 , 26 and compensators 22 , 25 , 27 . Therefore, the control system 12 has a configuration in which an adder 26 and compensators 25 and 27 are added to the configuration of the control system 11 . Note that FIG. 2 and FIG. 3 have the same blocks denoted by the same reference numerals and the same signals, so differences from the control system 11 will be mainly described. Also, the compensator 22 corresponds to the "first compensator", the compensator 25 corresponds to the "second compensator", and the compensator 27 corresponds to the "third compensator".

加算器24は、補償器22からの制御信号uと、信号a(後述)とを加算する。 The adder 24 adds the control signal u 1 from the compensator 22 and the signal a 2 (described later).

補償器25は、制御信号u(第1制御信号)を入力として、信号a(第1信号)を加算器26に出力する。 The compensator 25 receives the control signal u 1 (first control signal) and outputs the signal a 1 (first signal) to the adder 26 .

補償器25は、“ノミナルプラント”と見なして設計しても良い。ここで、“ノミナルプラント”(または、“ノミナルモデル”)とは、制御対象であるプラント20を模擬したモデルである。 Compensator 25 may be designed as a "nominal plant". Here, the “nominal plant” (or “nominal model”) is a model simulating the plant 20 to be controlled.

加算器26は、外乱dが加えられた出力信号yと、補償器25からの信号aと、の差を示す誤差信号eを出力する。 The adder 26 outputs an error signal e 2 indicating the difference between the output signal y to which the disturbance d is added and the signal a 1 from the compensator 25 .

補償器27は、誤差信号e(第2誤差信号)に基づいて、プラント20の出力を目標値とするための信号a(第2信号)を出力する。 The compensator 27 outputs a signal a 2 (second signal) for setting the output of the plant 20 to a target value based on the error signal e 2 (second error signal).

特に、補償器25をノミナルプラントと見なし、外乱と制御対象の変動に対する制御性能と安定性を保証するために補償器27を設計する場合、この補償器27は“ロバスト外乱フィードバック制御器”と呼ばれている。 In particular, when the compensator 25 is regarded as a nominal plant and the compensator 27 is designed to guarantee control performance and stability against disturbances and fluctuations of the controlled object, this compensator 27 is called a "robust disturbance feedback controller".

そして、上述した加算器24は、制御信号u、信号a、外乱vを加算し、制御信号u(第2制御信号)を出力する。 The adder 24 described above adds the control signal u 1 , the signal a 2 and the disturbance v, and outputs the control signal u 2 (second control signal).

<<<制御システム12の内部安定性の解析>>>
ここで、制御システム12には、目標信号r以外に、外乱d,vが入力されている。このため、制御システム12が安定であるためには、目標信号r、外乱d,vと、制御システム12の内部の誤差信号e,e、制御信号uと、の間で定まる内部安定性が保証される必要がある。
<<<analysis of internal stability of control system 12>>>
Here, the control system 12 receives disturbances d and v in addition to the target signal r. Therefore, in order for the control system 12 to be stable, it is necessary to ensure internal stability defined between the target signal r, the disturbances d and v, the error signals e 1 and e 2 inside the control system 12, and the control signal u 2 .

具体的には、制御システム12の内部安定性の条件である以下の式(1)~(4)に基づいて、制御システム12が安定となるよう、補償器22,25,27を設計する必要がある。
e1 = (I - G(F - A))-1((I - GF ) r - Gv - d) ・・・(1)
e2 = (I + HK)(I - G(F - A))-1(GAr + Gv + d) - HKr・・・(2)
u2 = (I - (F - A)G)-1(Ar + v + (F-A)d) ・・・(3)
A = (I - FH)K・・・(4)
ここで、“I”は、単位行列であり、“G”は、制御対象であり、“K”は、補償器22であり、“H”は、補償器25であり、“F”は、補償器27である。
Specifically, it is necessary to design the compensators 22, 25, 27 so that the control system 12 is stable based on the following equations (1) to (4), which are conditions for internal stability of the control system 12.
e1 = (I-G(F-A)) -1 ((I-GF)r-Gv-d) (1)
e2 = (I + HK)(I - G(F - A)) -1 (GAr + Gv + d) - HKr (2)
u2 = (I - (F - A)G) -1 (Ar + v + (FA)d) (3)
A = (I - FH) K (4)
Here, "I" is the identity matrix, "G" is the controlled object, "K" is the compensator 22, "H" is the compensator 25, and "F" is the compensator 27.

また、本実施形態の制御対象や補償器は、例えば、伝達関数や状態方程式で表される。 Also, the controlled object and compensator of this embodiment are represented by, for example, transfer functions and state equations.

<<<外乱d,vの影響>>>
ここで、プラント20、補償器22,25,27を、状態方程式で表現した際に、外乱d,vの影響を検証する。
<<<Influence of disturbances d and v>>>
Here, when the plant 20 and the compensators 22, 25 and 27 are represented by state equations, the effects of disturbances d and v will be verified.

<<プラント20が安定で、補償器25をノミナルプラントとして設計した例>>
まず、プラント20は、安定な1次遅れ系と設定する。
<<Example in which the plant 20 is stable and the compensator 25 is designed as a nominal plant>>
First, the plant 20 is set as a stable first-order lag system.

プラント20は、式(5)~(7)によって表現される。 Plant 20 is represented by equations (5)-(7).

dx1(t) / dt = -0.7x1(t) + 0.1u1(t) ・・・(5)
x1(0) = 0.2・・・(6)
y(t) = x1(t) + d(t)・・・(7)
ここで、x1(t)は、プラント20の状態変数である。
dx1 (t) / dt = -0.7x1 (t) + 0.1u1 (t) (5)
x1 (0) = 0.2 (6)
y(t) = x1 (t) + d(t) (7)
where x1(t) is a state variable of the plant 20;

次に、補償器22は比例制御器として、K=10に設計する。このため、補償器22の入出力関係は、式(8)で示される。
u1(t) = 10(r(t) - y(t)) ・・・(8)
補償器25は、“ノミナルプラント”として設計するため、プラント20と同じ一次遅れ系として定義する。このため、補償器25は、式(9)~(11)によって表現される。
dx2(t) / dt = -0.7x2(t) + 0.1u1(t) ・・・(9)
x2(0) = 0・・・(10)
a1(t) = x2(t) ・・・(11)
次に、補償器27は比例制御器として、F=-5に設計する。このため、補償器27の入出力関係は、式(12)で示される。
a2(t) = -5(y(t) - a1(t)) ・・・(12)
制御システム12を表現する式(5)~(12)を用いて、内部安定性の条件(式(1)~(4))を満たすか否かを解析する事で、制御システム12の内部安定性を判別することができる。
Next, the compensator 22 is designed as a proportional controller with K=10. Therefore, the input/output relationship of the compensator 22 is expressed by Equation (8).
u1 (t) = 10(r(t) - y(t)) (8)
Since compensator 25 is designed as a "nominal plant", it is defined as the same first-order lag system as plant 20 . Therefore, the compensator 25 is expressed by equations (9)-(11).
dx2 (t)/dt = -0.7x2 (t) + 0.1u1 (t) (9)
x2 (0) = 0 (10)
a1 (t) = x2 (t) (11)
Next, the compensator 27 is designed as a proportional controller with F=-5. Therefore, the input/output relationship of the compensator 27 is shown by equation (12).
a2 (t) = -5(y(t) - a1 (t)) (12)
By analyzing whether the internal stability conditions (formulas (1) to (4)) are satisfied using the formulas (5) to (12) expressing the control system 12, the internal stability of the control system 12 can be determined.

図4は、式(5)~(12)によって表現された制御システム12のシミュレーション結果(一点鎖線)の一例である。なお、図4には、比較対象として、図2に示す制御システム11のシミュレーション結果(実線)も合わせて図示されている。 FIG. 4 is an example of simulation results (chain lines) of the control system 12 expressed by equations (5) to (12). 4 also shows the simulation result (solid line) of the control system 11 shown in FIG. 2 for comparison.

また、図4の上段は、制御システム11,12のそれぞれの出力信号yの波形であり、図4の下段は、制御システム11,12のそれぞれの制御信号uの波形である。 4 shows the waveforms of the output signals y of the control systems 11 and 12, respectively, and the lower part of FIG. 4 shows the waveforms of the control signals u2 of the control systems 11 and 12, respectively.

また、シミュレーション条件として、時刻t=0にステップ状の目標信号r=1を印加、時刻t=5にステップ状の外乱d=1を印加、時刻t=15にステップ状の外乱v=1を印加することで、内部安定性を評価する。 Further, as simulation conditions, a step-like target signal r=1 is applied at time t=0, a step-like disturbance d=1 is applied at time t=5, and a step-like disturbance v=1 is applied at time t=15, thereby evaluating internal stability.

図4の上段に示した出力信号y(一点鎖線、実線)は3つ全ての信号(r、v、d)が入力された場合でも、不安定な状態にならない事が確認できる。これにより、制御システム11及び制御システム12は内部安定性が満たされている事が確認できた。 It can be confirmed that the output signal y (chain line, solid line) shown in the upper part of FIG. 4 does not become unstable even when all three signals (r, v, d) are input. This confirms that the control system 11 and the control system 12 satisfy internal stability.

<<プラント20が不安定で、補償器25をノミナルプラントとして設計した例>>
ところで、補償器25を、“ノミナルプラント”として設計する場合、プラント20と同じモデル定数を用いて設計される。ここで、式(2)を参照すると、式(2)には、“HKr”の項が含まれる。
e2 = (I + HK)(I - G(F - A))-1(GAr + Gv + d) - HKr・・・(2)
プラント20が不安定な場合に、補償器25を“ノミナルプラント”として設計すると、結果的に、式(2)の“HKr”の開ループ系が不安定になる。
<<Example in which the plant 20 is unstable and the compensator 25 is designed as a nominal plant>>
By the way, when the compensator 25 is designed as a “nominal plant”, it is designed using the same model constants as the plant 20 . Now referring to equation (2), equation (2) includes the term “HKr”.
e2 = (I + HK)(I - G(F - A)) -1 (GAr + Gv + d) - HKr (2)
Designing the compensator 25 as a "nominal plant" when the plant 20 is unstable results in an unstable open loop system of "HKr" in equation (2).

ここで、プラント20が不安定な場合の制御設計例を以下に示す。実施例として、プラント20は不安定な1次遅れ系と設定する。プラント20は、式(13)~(15)によって表現される。 Here, an example of control design when the plant 20 is unstable is shown below. As an example, the plant 20 is set as an unstable first-order lag system. Plant 20 is represented by equations (13)-(15).

dx1(t) / dt = 0.7x1(t) + 0.1u1(t) ・・・(13)
x1(0) = 0.2・・・(14)
y(t) = x1(t) + d(t) ・・・(15)
ここで、x1(t)は、プラント20の状態変数である。
dx1 (t) / dt = 0.7x1 (t) + 0.1u1 (t) (13)
x1 (0) = 0.2 (14)
y(t) = x1 (t) + d(t) (15)
where x1(t) is a state variable of the plant 20;

補償器22は比例制御器として、K=10に設計する。このため、補償器22の入出力関係は、式(8)と同一の式で示される。
u1(t) = 10(r(t) - y(t)) ・・・(8)
補償器25は、“ノミナルプラント”として設計されているため、プラント20と同じ、不安定な一次遅れ系である。補償器25は、式(16)~(18)によって表現される。
dx2(t) / dt = -0.7x2(t) + 0.1u1(t) ・・・(16)
x2(0) = 0・・・(17)
a1(t) = x2(t) ・・・(18)
ここで、x2(t)は、プラント20の状態変数である。
The compensator 22 is designed as a proportional controller with K=10. Therefore, the input/output relationship of the compensator 22 is expressed by the same equation as equation (8).
u1 (t) = 10(r(t) - y(t)) (8)
The compensator 25 is designed as a "nominal plant" and thus, like the plant 20, is an unstable first order lag system. Compensator 25 is expressed by equations (16)-(18).
dx2 (t)/dt = -0.7x2 (t) + 0.1u1 (t) (16)
x2 (0) = 0 (17)
a1 (t) = x2 (t) (18)
where x2(t) is the state variable of the plant 20;

補償器27は、比例制御器として、F=-5に設計する。このため、補償器27の入出力関係は、式(12)と同一の式で示される。
a2(t) = -5(y(t) - a1(t)) ・・・(12)
制御システム12を表現する式(8)、(12)~(18)を用いて、内部安定性の条件(式(1)~(4))を満たすか否かを解析する事で、制御システム12の内部安定性を判別することができる。
The compensator 27 is designed as a proportional controller with F=-5. Therefore, the input/output relationship of compensator 27 is expressed by the same equation as equation (12).
a2 (t) = -5(y(t) - a1 (t)) (12)
The internal stability of the control system 12 can be determined by analyzing whether or not the internal stability conditions (formulas (1) to (4)) are satisfied using the formulas (8) and (12) to (18) expressing the control system 12.

図5は、式(8),(12)~(18)によって表現された制御システム12のシミュレーション結果(一点鎖線)の一例である。なお、図5には、比較対象として、図3に示す制御システム11のシミュレーション結果(実線)も合わせて図示されている。 FIG. 5 is an example of simulation results (chain lines) of the control system 12 expressed by equations (8), (12) to (18). 5 also shows the simulation result (solid line) of the control system 11 shown in FIG. 3 for comparison.

また、図5の上段は、制御システム11,12のそれぞれの出力信号yの波形であり、図5の下段は、制御システム11,12のそれぞれの制御信号uの波形である。 The upper part of FIG. 5 shows the waveforms of output signals y of the control systems 11 and 12, and the lower part of FIG. 5 shows the waveforms of the control signals u2 of the control systems 11 and 12, respectively.

まず、時刻t=0に、ステップ状の目標信号rが入力されると、図5の上段に示した出力信号y(一点鎖線,実線)は、上昇する。さらに、時刻t=5に外乱dが入力されると、制御システム12の出力信号y(一点鎖線)は、低下した後に大きく上昇する。この結果、制御システム12は、外乱dが入力された結果、発振してしまい、内部安定性を満たせていない。 First, when a stepped target signal r is input at time t=0, the output signal y (chain line, solid line) shown in the upper part of FIG. 5 rises. Furthermore, when the disturbance d is input at time t=5, the output signal y (chain line) of the control system 12 drops and then rises significantly. As a result, the control system 12 oscillates as a result of the input of the disturbance d, and fails to satisfy internal stability.

この現象は、例えば、上述した式(2)における“-HKr”の項に含まれる“H”、つまり、補償器25を不安定なノミナルプラントとして設計した事に起因する。 This phenomenon is caused by, for example, "H" included in the term "-HKr" in the above equation (2), that is, the compensator 25 is designed as an unstable nominal plant.

e2 = (I + HK)(I - G(F - A))-1(GAr + Gv + d) - HKr・・・(2)
一方、一般的な制御システム11は、補償器25を含まない。この解析結果より、不安定システムにおいては補償器25をノミナルプラントで設計すると、内部安定性を満たせない事を確認した。
e2 = (I + HK)(I - G(F - A)) -1 (GAr + Gv + d) - HKr (2)
On the other hand, a typical control system 11 does not include compensator 25 . From this analysis result, it was confirmed that internal stability cannot be satisfied if the compensator 25 is designed with a nominal plant in an unstable system.

<<プラント20が不安定で、補償器25をコントローラとして設計した例>>
上述したように、プラント20が不安定である場合に“ノミナルプラント”を用いると、制御システム12の内部安定性が保証されず、制御システム12が不安定となってしまう。
<<Example in which the plant 20 is unstable and the compensator 25 is designed as a controller>>
As described above, using a "nominal plant" when the plant 20 is unstable does not guarantee the internal stability of the control system 12 and makes the control system 12 unstable.

しかしながら、補償器25は、補償器27と同様に、外乱d,vによる制御システムの制御性能の劣化や、不安定化を抑制する様に設計しても良い。 However, like the compensator 27, the compensator 25 may be designed so as to suppress the control performance deterioration and instability of the control system due to the disturbances d and v.

以下、プラント20が不安定である場合、補償器25を、式(1)~(4)に基づく制御システム12の内部安定性を保証するための補償器として用いた場合について説明する。 A case will be described below where the compensator 25 is used as a compensator for ensuring internal stability of the control system 12 based on equations (1) to (4) when the plant 20 is unstable.

プラント20は、不安定な1次遅れ系に設定するため、プラント20は、上述した式(13)~(15)によって表現される。
dx1(t) / dt = 0.7x1(t) + 0.1u1(t) ・・・(13)
x1(0) = 0.2・・・(14)
y(t) = x1(t) + d(t) ・・・(15)
補償器22は、比例制御器として、K=10に設計する。このため、補償器22の入出力関係は、式(8)と同一の式で示される。
u1(t) = 10(r(t) - y(t)) ・・・(8)
補償器25は、プラント20が不安定であるため、制御システム12の内部安定性を保証させるべく、例えば、式(9)~(11)で示した安定な一次遅れ系として設計する。
dx2(t) / dt = -0.7x2(t) + 0.1u1(t) ・・・(9)
x2(0) = 0・・・(10)
a1(t) = x2(t) ・・・(11) 補償器27は、比例制御器として、F=-5に設計する。このため、補償器27の入出力関係は、式(12)と同一の式で示される。
Since the plant 20 is set to an unstable first-order lag system, the plant 20 is expressed by the above equations (13) to (15).
dx1 (t) / dt = 0.7x1 (t) + 0.1u1 (t) (13)
x1 (0) = 0.2 (14)
y(t) = x1 (t) + d(t) (15)
The compensator 22 is designed with K=10 as a proportional controller. Therefore, the input/output relationship of the compensator 22 is expressed by the same equation as equation (8).
u1 (t) = 10(r(t) - y(t)) (8)
Since the plant 20 is unstable, the compensator 25 is designed, for example, as a stable first-order lag system represented by equations (9) to (11) in order to ensure internal stability of the control system 12 .
dx2 (t)/dt = -0.7x2 (t) + 0.1u1 (t) (9)
x2 (0) = 0 (10)
a 1 (t) = x 2 (t) (11) The compensator 27 is designed as a proportional controller so that F=-5. Therefore, the input/output relationship of compensator 27 is expressed by the same equation as equation (12).

a2(t) = -5(y(t) - a1(t)) ・・・(12)
制御システム12を表現する式(8)~(15)を用いて、内部安定性の条件(式(1)~(4))を満たすか否かを解析する事で、制御システム12の内部安定性を判別することができる。
a2 (t) = -5(y(t) - a1 (t)) (12)
By analyzing whether the internal stability conditions (formulas (1) to (4)) are satisfied using the formulas (8) to (15) expressing the control system 12, the internal stability of the control system 12 can be determined.

図6は、式(8)~(15)によって表現された制御システム12のシミュレーション結果(一点鎖線)の一例である。なお、図6には、比較対象として、図2に示す制御システム11のシミュレーション結果(実線)も合わせて図示されている。 FIG. 6 is an example of simulation results (chain lines) of the control system 12 expressed by equations (8) to (15). 6 also shows the simulation result (solid line) of the control system 11 shown in FIG. 2 for comparison.

また、図6の上段は、制御システム11,12のそれぞれの出力信号yの波形であり、図6の下段は、制御システム11,12のそれぞれの制御信号uの波形である。 6 shows the waveforms of the output signals y of the control systems 11 and 12, respectively, and the lower part of FIG. 6 shows the waveforms of the control signals u2 of the control systems 11 and 12, respectively.

また、これまでのシミュレーション条件と同様に、時刻t=0にステップ状の目標信号r=1を印加、時刻t=5にステップ状の外乱d=1を印加、時刻t=15にステップ状の外乱v=1を印加することで、内部安定性を評価する。 In addition, similar to the previous simulation conditions, a step-like target signal r=1 is applied at time t=0, a step-like disturbance d=1 is applied at time t=5, and a step-like disturbance v=1 is applied at time t=15 to evaluate internal stability.

図6の上段に示した出力信号y(一点鎖線、実線)は3つ全ての信号(r、v、d)が入力された場合でも、不安定な状態にならない事が確認できる。これにより、制御システム11及び制御システム12は内部安定性が満たされている事が確認できた。 このように、プラント20が不安定である場合、補償器25を“ノミナルプラント”とせず、安定化させる“コントローラ”として設計することで、制御システム12を安定化させることができる。 It can be confirmed that the output signal y (chain line, solid line) shown in the upper part of FIG. 6 does not become unstable even when all three signals (r, v, d) are input. This confirms that the control system 11 and the control system 12 satisfy internal stability. Thus, when the plant 20 is unstable, the control system 12 can be stabilized by designing the compensator 25 not as a "nominal plant" but as a stabilizing "controller".

=====クレーン50の概要=====
図7は、本発明の一実施形態であるクレーン50の概要を示す図である。クレーン50は、駆動装置60、センサ61、及び制御装置62を含んで構成される。
=====Overview of Crane 50=====
FIG. 7 is a diagram showing an outline of a crane 50 that is one embodiment of the present invention. The crane 50 includes a driving device 60 , a sensor 61 and a control device 62 .

駆動装置60は、クレーン50をレール(不図示)の上を移動させるモータ等であり、センサ61は、クレーン50をレールの上の位置に応じた信号を出力する位置センサである。 The driving device 60 is a motor or the like that moves the crane 50 on a rail (not shown), and the sensor 61 is a position sensor that outputs a signal corresponding to the position of the crane 50 on the rail.

制御装置62は、クレーン50のレール上の位置を制御する装置であり、レール上の目標位置を示す目標信号rと、センサ61からの出力信号yと、に基づいて、クレーン50を移動させるための制御信号uを出力する。制御装置62は、加算器21,24,26、補償器22,25,27を含む。 The control device 62 is a device for controlling the position of the crane 50 on the rail, and outputs a control signal u 2 for moving the crane 50 based on the target signal r indicating the target position on the rail and the output signal y from the sensor 61. The controller 62 includes adders 21 , 24 , 26 and compensators 22 , 25 , 27 .

図7の制御装置62と、図3の制御システム12とでは、同じブロックや信号には同じ符号が付されている。ここで、クレーン50は、制御対象である“プラント20”に相当し、センサ61からの出力信号yに印加されるノイズ等が、“外乱d”に相当する。 The same reference numerals are assigned to the same blocks and signals in the control device 62 of FIG. 7 and the control system 12 of FIG. Here, the crane 50 corresponds to the "plant 20" to be controlled, and the noise or the like applied to the output signal y from the sensor 61 corresponds to the "disturbance d".

また、駆動装置60のアクチュエータ(不図示)を動作せる制御信号uに印加されるノイズ等が、“外乱v”に相当する。なお、図3の加算器23は、外乱dを考慮すべく、制御システム12に便宜上設けられたブロックであるため、実際の制御装置62には設けられてはいない。 Further, noise or the like applied to the control signal u2 for operating the actuator (not shown) of the driving device 60 corresponds to the "disturbance v". Note that the adder 23 in FIG. 3 is a block provided for convenience in the control system 12 in order to take the disturbance d into consideration, and is not provided in the actual control device 62 .

したがって、クレーン50には、制御システム12が構成されることになる。そして、このような制御システム12では、上述した式(1)~(4)に基づいて、内部安定性が保証される必要がある。 Therefore, the crane 50 is configured with the control system 12 . In such a control system 12, it is necessary to ensure internal stability based on the above equations (1) to (4).

=====補償器の設計方法=====
図8は、クレーン50の補償器22,25,27の設計方法の一例を示すフローチャートである。
===== Compensator design method =====
FIG. 8 is a flow chart showing an example of a method of designing the compensators 22, 25, 27 of the crane 50. As shown in FIG.

まず、設計者は、一般的なフィードバック制御の制御システム10で用いられる、補償器22を、クレーン50の仕様等に基づいて設計する(S10)。なお、この際、設計者は、3つの補償器22,25,27のうち、まずは、補償器22のみを考慮して、各要素を決定しても良い。 First, the designer designs the compensator 22, which is used in the general feedback control system 10, based on the specifications of the crane 50 (S10). In this case, the designer may first consider only the compensator 22 among the three compensators 22, 25, and 27 and determine each element.

そして、設計者は、クレーン50が安定であるか否かを、例えば、クレーン50を模擬した、伝達関数のモデルの極配置に基づいて判定する(S11)。 Then, the designer determines whether or not the crane 50 is stable, for example, based on the pole arrangement of the transfer function model simulating the crane 50 (S11).

クレーン50が安定である場合(S11:Yes)、設計者は、補償器25が、クレーン50の“ノミナルプラント”となるよう、各要素を設計する(S12)。 If the crane 50 is stable (S11: Yes), the designer designs each element so that the compensator 25 becomes the "nominal plant" of the crane 50 (S12).

そして、補償器25が設計されると(S12)、設計者は、式(1)~(4)を満たすように、補償器27を設計する(S13)
一方、クレーン50が安定でない場合(S11:No)、“ノミナルプラント”を用いると、上述した式(2)における“-HKr”の項に含まれる“H”が不安定となる。この結果、クレーン50を含む制御システム12も不安定となる。
Then, when compensator 25 is designed (S12), the designer designs compensator 27 so as to satisfy equations (1) to (4) (S13).
On the other hand, if the crane 50 is not stable (S11: No), using the "nominal plant" makes "H" included in the term "-HKr" in the above equation (2) unstable. As a result, control system 12, including crane 50, is also unstable.

そこで、設計者は、補償器25を“ノミナルプラント”とせず、式(1)~(4)を満たすように、安定な補償器25,27を設計する(S14)。 Therefore, the designer does not make the compensator 25 a "nominal plant" and designs stable compensators 25 and 27 so as to satisfy equations (1) to (4) (S14).

そして、設計者は、3つの補償器22,25,27が設計されると、3つの補償器22,25,27を含む制御システム12の安定性を、各種の安定性解析法(例えば、固有値解析法、時間領域における外乱応答シミュレーション等)により評価、確認する(S15)。 Then, when the three compensators 22, 25, 27 are designed, the designer evaluates and confirms the stability of the control system 12 including the three compensators 22, 25, 27 by various stability analysis methods (e.g., eigenvalue analysis method, disturbance response simulation in the time domain, etc.) (S15).

制御システム12が安定なシステムを実現できていない場合(S15:No)、設計者は、例えば、再度、ステップS10の設計を実行する。一方、制御システム12の安定性が確認された場合(S15:Yes)、設計者は設計を終了する。この結果、3つの補償器22,25,27を含む制御システム12の内部安定性は保証されることになる。 If the control system 12 has not achieved a stable system (S15: No), the designer, for example, performs the design in step S10 again. On the other hand, if the stability of the control system 12 is confirmed (S15: Yes), the designer ends the design. As a result, the internal stability of the control system 12 including the three compensators 22, 25, 27 is guaranteed.

=====まとめ=====
以上、本発明の一実施形態である制御システム12について説明した。制御システム12が適用された制御装置62の補償器22,25,27は、式(1)~(4)に基づいて、内部安定性が保証されるよう、構成されている。このため、制御装置62は、外乱d,vがある場合であっても、クレーン50を安定に制御することができる。
=====Summary=====
The control system 12, which is one embodiment of the present invention, has been described above. The compensators 22, 25, 27 of the controller 62 to which the control system 12 is applied are configured to ensure internal stability according to equations (1)-(4). Therefore, the control device 62 can stably control the crane 50 even when there are disturbances d and v.

また、例えば、プラント20に相当するクレーン50が安定な場合、補償器25を“ノミナルプラント”とすることができる。これにより、より外乱d,vの影響を抑制できる。 Also, for example, if the crane 50 corresponding to the plant 20 is stable, the compensator 25 can be the "nominal plant". Thereby, the influence of disturbances d and v can be further suppressed.

また、例えば、クレーン50を制御する制御装置62の補償器22,25,27は、図8に示す設計方法に基づいて設計されている。このため、外乱d,vがある場合であっても、クレーン50を安定に制御することができる。 Also, for example, the compensators 22, 25, 27 of the control device 62 that controls the crane 50 are designed based on the design method shown in FIG. Therefore, even when there are disturbances d and v, the crane 50 can be stably controlled.

また、図8では、例えば、プラント20に相当するクレーン50が安定である場合にのみ(例えば、S11:Yes)、補償器25を“ノミナルプラント”としている。 Further, in FIG. 8, for example, the compensator 25 is set to the "nominal plant" only when the crane 50 corresponding to the plant 20 is stable (for example, S11: Yes).

また、例えば、プラント20のクレーン50が不安定である場合に(例えば、S11:No)、補償器25を“ノミナルプラント”とせず、“コントローラ”として設計して、制御システムを安定化させている。 Also, for example, when the crane 50 of the plant 20 is unstable (for example, S11: No), the compensator 25 is designed not as a "nominal plant" but as a "controller" to stabilize the control system.

なお、ここでは、制御システム12をクレーン50に適用した実施形態を説明したが、これに限られない。制御システム12は、サーボシステム、冷凍システム、インバータ等の各種装置、機器の制御に用いても良い。 Although the embodiment in which the control system 12 is applied to the crane 50 has been described here, the present invention is not limited to this. The control system 12 may be used to control various devices and equipment such as servo systems, refrigeration systems, and inverters.

なお、本実施形態において、補償器22,25,27との用語を用いているが、これらは、制御システムを安定化させるためのものであり、例えば、“制御器”と称しても良い。また、制御システム12等は、「制御系」に相当する。 In this embodiment, the terms compensators 22, 25, and 27 are used, but these are for stabilizing the control system and may be called "controllers", for example. Also, the control system 12 and the like correspond to the "control system".

上記の実施形態は、本発明の理解を容易にするためのものであり、本発明を限定して解釈するためのものではない。また、本発明は、その趣旨を逸脱することなく、変更や改良され得るとともに、本発明にはその等価物が含まれるのはいうまでもない。 The above-described embodiments are intended to facilitate understanding of the present invention, and are not intended to limit and interpret the present invention. Further, the present invention can be modified and improved without departing from its spirit, and it goes without saying that the present invention includes equivalents thereof.

10~12 制御システム
20 プラント
21,23,24,26 加算器
22,25,27 補償器
50 クレーン
60 駆動装置
61 センサ
62 制御装置
10-12 Control system 20 Plant 21, 23, 24, 26 Adder 22, 25, 27 Compensator 50 Crane 60 Drive device 61 Sensor 62 Control device

Claims (7)

制御対象からの出力信号と、目標信号と、の差に応じた第1誤差信号が入力され、第1制御信号を出力する第1補償器と、
前記第1制御信号が入力され、第1信号を出力する第2補償器と、
前記出力信号と、前記第1信号と、の差に応じた第2誤差信号が入力され、第2信号を出力する第3補償器と、
前記第1制御信号と、前記第2信号とを加算して、前記制御対象を制御するための第2制御信号として出力する加算器と、
を備え、
以下の式(1)~(4)の条件に基づいて、前記第1~第3補償器を含む制御系が安定となるよう、前記第1~第3補償器は構成されていること、を特徴とする制御装置。

e1 = (I - G(F - A))-1((I - GF ) r - Gv - d) ・・・(1)
e2 = (I + HK)(I - G(F - A))-1(GAr + Gv + d) - HKr・・・(2)
u2 = (I - (F - A)G)-1(Ar + v + (F-A)d) ・・・(3)
A = (I - FH)K・・・(4)

ここで、eは、前記第1誤差信号であり、eは、前記第2誤差信号であり、uは、第2制御信号であり、Iは、単位行列であり、Gは、前記制御対象であり、Kは、前記第1補償器であり、Hは、前記第2補償器であり、Fは、前記第3補償器であり、rは、前記目標信号であり、dは、前記出力信号に印加される第1外乱であり、vは、前記第2制御信号に印加される第2外乱である。
a first compensator that receives a first error signal corresponding to a difference between an output signal from a controlled object and a target signal and outputs a first control signal;
a second compensator that receives the first control signal and outputs a first signal;
a third compensator that receives a second error signal corresponding to the difference between the output signal and the first signal and outputs a second signal;
an adder that adds the first control signal and the second signal and outputs a second control signal for controlling the controlled object;
with
Based on the conditions of the following equations (1) to (4), the first to third compensators are configured so that the control system including the first to third compensators is stable. A control device characterized by the above.

e1 = (I-G(F-A)) -1 ((I-GF)r-Gv-d) (1)
e2 = (I + HK)(I - G(F - A)) -1 (GAr + Gv + d) - HKr (2)
u2 = (I - (F - A)G) -1 (Ar + v + (FA)d) (3)
A = (I - FH) K (4)

where e1 is the first error signal, e2 is the second error signal, u2 is the second control signal, I is the identity matrix, G is the controlled object, K is the first compensator, H is the second compensator, F is the third compensator, r is the target signal, d is the first disturbance applied to the output signal, and v is the second A second disturbance applied to the control signal.
請求項1に記載の制御装置であって、
前記制御対象が安定である場合、前記第2補償器は、前記制御対象を模擬するよう構成されること、
を特徴とする制御装置。
The control device according to claim 1,
if the controlled plant is stable, the second compensator is configured to simulate the controlled plant;
A control device characterized by:
制御対象からの出力信号と、目標信号と、の差に応じた第1誤差信号が入力され、第1制御信号を出力する第1補償器と、
前記第1制御信号が入力され、第1信号を出力する第2補償器と、
前記出力信号と、前記第1信号と、の差に応じた第2誤差信号が入力され、第2信号を出力する第3補償器と、
前記第1制御信号と、前記第2信号とを加算して、前記制御対象を制御するための第2制御信号として出力する加算器と、
を備える制御装置の設計方法であって、
以下の式(1)~(4)の条件に基づいて、前記第1~第3補償器を含む制御系が安定となるよう、前記第1~第3補償器を設計すること、
を特徴とする制御装置の設計方法。

e1 = (I - G(F - A))-1((I - GF ) r - Gv - d) ・・・(1)
e2 = (I + HK)(I - G(F - A))-1(GAr + Gv + d) - HKr・・・(2)
u2 = (I - (F - A)G)-1(Ar + v + (F-A)d) ・・・(3)
A = (I - FH)K・・・(4)

ここで、eは、前記第1誤差信号であり、eは、前記第2誤差信号であり、uは、第2制御信号であり、Iは、単位行列であり、Gは、前記制御対象であり、Kは、前記第1補償器であり、Hは、前記第2補償器であり、Fは、前記第3補償器であり、rは、前記目標信号であり、dは、前記出力信号に印加される第1外乱であり、vは、前記第2制御信号に印加される第2外乱である。
a first compensator that receives a first error signal corresponding to a difference between an output signal from a controlled object and a target signal and outputs a first control signal;
a second compensator that receives the first control signal and outputs a first signal;
a third compensator that receives a second error signal corresponding to the difference between the output signal and the first signal and outputs a second signal;
an adder that adds the first control signal and the second signal and outputs a second control signal for controlling the controlled object;
A design method for a control device comprising:
designing the first to third compensators such that the control system including the first to third compensators is stable based on the conditions of the following equations (1) to (4);
A control device design method characterized by:

e1 = (I-G(F-A)) -1 ((I-GF)r-Gv-d) (1)
e2 = (I + HK)(I - G(F - A)) -1 (GAr + Gv + d) - HKr (2)
u2 = (I - (F - A)G) -1 (Ar + v + (FA)d) (3)
A = (I - FH) K (4)

where e1 is the first error signal, e2 is the second error signal, u2 is the second control signal, I is the identity matrix, G is the controlled object, K is the first compensator, H is the second compensator, F is the third compensator, r is the target signal, d is the first disturbance applied to the output signal, and v is the second A second disturbance applied to the control signal.
請求項3に記載の制御装置の設計方法であって、
前記制御対象が安定であるか否かを判定し、
前記制御対象が安定であると判定された場合に、前記第2補償器が前記制御対象を模擬するよう、前記第2補償器を設計し、
前記式(1)~(4)の条件に基づいて、前記制御系が安定となるよう前記第3補償器を設計すること、
を特徴とする制御装置の設計方法。
A design method for a control device according to claim 3,
Determining whether the controlled object is stable,
designing the second compensator such that the second compensator simulates the controlled object when the controlled object is determined to be stable;
Designing the third compensator so that the control system is stable based on the conditions of the formulas (1) to (4);
A control device design method characterized by:
請求項3に記載の制御装置の設計方法であって、
前記制御対象が安定であるか否かを判定し、
前記制御対象が不安定であると判定された場合に、前記式(1)~(4)の条件に基づいて、前記制御系が安定となるよう、前記第2補償器と、前記第3補償器と、を設計すること、
を特徴とする制御装置の設計方法。
A design method for a control device according to claim 3,
Determining whether the controlled object is stable,
Designing the second compensator and the third compensator so that the control system is stable based on the conditions of the formulas (1) to (4) when the controlled object is determined to be unstable;
A control device design method characterized by:
請求項4または請求項5に記載の制御装置の設計方法であって、
前記第2及び第3補償器を設計する前に、前記第1補償器を設計すること、
を特徴とする制御装置の設計方法。
The method for designing a control device according to claim 4 or 5,
designing the first compensator before designing the second and third compensators;
A control device design method characterized by:
請求項6に記載の制御装置の設計方法であって、
前記第1~第3補償器を含む制御システムの安定性を、安定性解析法により評価し、
前記制御システムが安定でない場合、再度、前記第1補償器を設計した後、前記第2及び第3補償器を設計すること
を特徴とする制御装置の設計方法。




A design method for a control device according to claim 6,
Evaluating the stability of the control system including the first to third compensators by a stability analysis method,
A method of designing a control device, comprising: when the control system is not stable, designing the first compensator again and then designing the second and third compensators.




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