階躍跟隨時的過衝抑制用前饋項的自動調諧方法及裝置的製作方法

2023-05-29 11:55:21 1

專利名稱：階躍跟隨時的過衝抑制用前饋項的自動調諧方法及裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及階躍跟隨(^ ^ '7 7°追従、step following)時的過衝(overshoot)抑制用前饋項的自動調諧方法及裝置，用於對具備在對階躍目標值的階躍跟隨時產生過衝後、收斂於階躍目標值的特性的系統，使用前饋控制來抑制來自階躍目標值的過衝時，自動調諧前饋項。
背景技術：
通常，控制系統大致分為反饋控制和前饋控制。其中，對於多用作反饋控制的PID(比例、積分、微分)控制，已知各種自動調諧方法(例如參照專利文獻I)。另一方面，就前饋控制而言，以前提案有在二自由度控制系統中特定控制對象，使用控制對象的詳細模型(詳細々^ 來自動調諧前饋項的方法(例如參照專利文獻2)。 此外，通常知道在反饋控制系統或具備以流體圧動作的部件這樣的振動部件的控制對象中，若輸入(提供)某個階躍目標值作為控制目標，則當對階躍目標值進行階躍跟隨時，一時發生過衝，之後，示出收斂於與階躍目標值相應的固定值的階躍跟隨特性。專利文獻I :日本特開平11-161301號公報；
專利文獻2 :日本特許第3545006號公報。

發明內容
但是，根據專利文獻I所示的方法，可不使用控制對象的詳細模型而進行自動調諧。但其對象限於作為反饋控制的PID控制。另一方面，專利文獻2所示的是與前饋控制關聯的自動調諧方法。但是，該方法中，因為必需控制對象的詳細模型，所以為了製作該控制對象的詳細模型，必需在設計階段特定控制對象的物理特性，因而實際上費力費時。因此，本發明人等對在具備在上述對構成控制目標的某個階躍目標值的輸入的階躍跟隨時，一時發生過衝後，示出收斂於對應於階躍目標值的固定值的特性的階躍跟隨特性的系統中，每當執行用於使得能夠抑制過衝的前饋控制，無需詳細模型就能夠實施所用前饋項的自動調諧進行鑽研、研究，其結果，著眼於很多機械設備或機械系統等的控制系統中近似成立的線性與時間不變性這2個基本性質，做出本發明。因此，本發明的目的在於提供階躍跟隨時的過衝抑制用前饋項的自動調諧方法及裝置，用於在具備在對構成控制目標的階躍目標值的輸入的階躍跟隨時產生過衝後、收斂於階躍目標值的階躍跟隨特性的系統中，使用前饋控制，抑制來自階躍目標值的過衝的情況下，僅使用上述系統的響應與線性及時間不變性這2個基本性質，就能夠自動調諧前饋項。本發明為了解決上述課題，對應於權利要求1，提供階躍跟隨時的過衝抑制用前饋項的自動調諧方法，在具備在對階躍目標值的輸入的階躍跟隨時產生過衝後、收斂於階躍目標值的階躍跟隨特性的系統的上遊側，具備前饋控制塊的構成中，其特徵在於，在使前饋控制塊無效的狀態下，求出對上述系統的階躍目標值的階躍響應，
接著，將上述階躍響應值最大的點設定為過衝頂點，根據頂點值與階躍目標值的大小，決定過衝率α，並且，對於階躍響應，以近似響應來近似，所述近似響應為將提供階躍目標值之後、至到達過衝頂點的經過時間設為階躍響應的無用時間與上升時間T1，且用與上升時間T1相等的收斂時間從過衝頂點直線地收斂於階躍目標值，
之後，自動調諧前饋控制塊，以輸出對作為控制目標而輸入前饋控制塊的階躍目標值施以係數設為log ( α / (1+ a )) /T1的一時延遲後的信號。另外，向對上述系統的階躍目標值的階躍響應施以二階微分濾波，將其值為最大的點作為響應上升的點，將向上述系統提供階躍目標值至響應上升的點的時間設為階躍響應的無用時間，將響應上升的點至階躍響應的過衝頂點的時間設定為階躍響應的上升時間。
而且，將上述系統設為反饋控制系統或控制對象自身。或者，對應於權利要求4，提供階躍跟隨時的過衝抑制用前饋項的自動調諧裝置，在具備在對階躍目標值的輸入的階躍跟隨時產生過衝後、收斂於階躍目標值的階躍跟隨特性的系統的上遊側，具備前饋控制塊的構成中，其特徵在於，具備如下功能，
在使前饋控制塊無效的狀態下，求出對上述系統的階躍目標值的階躍響應；
將階躍響應值最大的點設定為過衝頂點，根據頂點值與階躍目標值的大小，決定過衝率α，並且，對於階躍響應，以近似響應來近似，所述近似響應為將提供階躍目標值之後、至到達過衝頂點的經過時間設為階躍響應的無用時間與上升時間T1，且用與上升時間T1相等的收斂時間從過衝頂點直線地收斂於階躍目標值；和
向前饋控制塊提供指令，以輸出對作為控制目標而輸入前饋控制塊的階躍目標值施以係數設為Iog(CiAha)VT1的一時延遲後的信號，自動調諧前饋控制塊。發明效果
根據本發明，發揮如下好的效果。(I)因為作為階躍跟隨時的過衝抑制用前饋項的自動調諧方法及裝置，在具備在對階躍目標值的輸入的階躍跟隨時產生過衝後、收斂於階躍目標值的階躍跟隨特性的系統的上遊側，具備前饋控制塊的構成中，
在使前饋控制塊無效的狀態下，求出對上述系統的階躍目標值的階躍響應，
接著，將階躍響應值最大的點設定為過衝頂點，根據頂點值與階躍目標值的大小，決定過衝率α，並且，對於階躍響應，以近似響應來近似，所述近似響應為將提供階躍目標值之後、至到達過衝頂點的經過時間設為階躍響應的無用時間與上升時間T1，且用與上升時間T1相等的收斂時間從過衝頂點直線地收斂於階躍目標值，
之後，自動調諧前饋控制塊，以輸出對作為控制目標而輸入前饋控制塊的階躍目標值施以係數設為log ( α / (1+ a )) /T1的一階延遲後的信號，
所以在具備在對階躍目標值的輸入的階躍跟隨時產生過衝後、收斂於階躍目標值的階躍跟隨特性的系統的上遊側的前饋控制塊中，無需上述系統的詳細模型就能夠僅使用該響應與線性及時間不變性這2個基本性質來自動調諧作為其控制內容的前饋項。(2)並且，能夠利用從自動調諧的前饋控制塊輸出的、包含既定係數的一階延遲的信號，進行前饋控制，以在抑制過衝的狀態下，使上述系統的響應快速跟隨階躍目標值。


圖1是表示基於本發明的自動調諧方法及裝置的第I實施方式的框圖。圖2是表示在使基於圖1的自動調諧裝置的FF控制塊無效的狀態下從反饋控制系統得到階躍響應的狀態的框圖。圖3是表示圖2的階躍響應的時間變化的圖。圖4是表示近似設定圖3的階躍響應的近似響應的圖。圖5是表示為了消除對階躍目標值的過衝、由FF控制塊輸入對階躍目標值施以一時延遲後的信號的反饋控制系統的控制對象響應的圖。圖6是表示基於本發明的自動調諧方法及裝置的第2實施方式的框圖。符號說明
I自動調諧裝置；2反饋控制系統(系統)；3反饋控制塊(FB控制塊)；4、4A控制對象；5前饋控制塊(FF控制塊)；α 過衝率；A過衝頂點；B響應上升點；X階躍目標值；Ya階躍響應；Yb近似響應；S信號；1；階躍響應的無用時間；Ti階躍響應的上升時間；Τ2收斂時間。
具體實施例方式下面，參照附圖來說明用於實施本發明的方式。圖1至圖5是表示基於本發明的自動調諧方法及裝置的第I實施方式的圖。在本實施方式中，示出將具備在對階躍目標值的輸入的階躍跟隨時產生過衝後、收斂於階躍目標值的階躍跟隨特性的系統設為反饋控制系統，對反饋控制系統使用前饋控制，抑制來自階躍目標值的過衝時的適用例的概要。本實施方式如下所示。即，應用本發明的階躍跟隨時的過衝抑制用前饋項的自動調諧方法及裝置的控制系統如圖1所示，構成為在串聯連接反饋控制塊(以下記作FB控制塊)3與控制對象4而構成的反饋控制系統2的上遊側，具備設為基於本發明的階躍跟隨時的過衝抑制用前饋項自動調諧裝置1 (以下簡稱為本發明的自動調諧裝置1)的自動調諧對象的前饋控制塊(以下記作FF控制塊)5。適用於作為上述構成的控制系統的本發明的自動調諧裝置1構成為能夠輸入從由反饋控制系統2反饋控制的控制對象4輸出的響應(輸出值)Y。而且，本發明的自動調諧裝置I在具備控制FB控制塊3及FF控制塊5的功能的同時，具備如下功能，即若從被反饋控制的控制對象4輸入響應Y，則根據響應Y，將由後述的處理求出的指令提供給FF控制塊5。FF控制塊5如後述的圖5中線C所示，具有輸出對構成控制目標的階躍目標值X的輸入施以一時延遲後的信號S的功能。FB控制塊3隻要是一般反饋控制中使用的PID控制、最佳調節器控制、H無限大控制等線性控制方法，則也可採用任何形式的控制方法。這裡，所謂H無限大控制是以「H無限大範數(V 」這一指標來評價控制系統的性能，將反饋控制的參數設定為最佳(H無限大範數最小)的控制方法。該控制方法適用於穩健(口卜)控制(用於處理不確定的控制對象的控制)。以下，按照本發明的自動調諧裝置I中的處理順序來說明本發明的自動調諧裝置I的功能。本發明的自動調諧裝置I首先在使FF控制塊5無效的狀態下，即如圖2所示，向FB控制塊3與控制對象4構成的反饋控制系統2直接輸入構成控制目標的階躍目標值X的狀態下，執行FB控制塊3的調諧。此時，作為FB控制塊3的調諧方法，既可以試行錯誤執行，另外，也可在FB控制塊3的控制方法為PID控制的情況下，使用現有的自動調諧方法。如上所述，若FB控制塊3的調諧終止，則本發明的自動調諧裝置I接著仍在使FF控制塊5無效的狀態下，對具備調諧終止後的FB控制塊3的反饋控制系統2提供階躍目標值X，取得僅基於反饋控制系統2的階躍響應Ya0此時，反饋控制系統2具備在對階躍目標 值X的輸入的階躍跟隨時發生過衝後、收斂於階躍目標值的階躍跟隨特性，所以階躍響應Ya例如圖3中實線所示。圖3中的虛線是構成控制目標的階躍目標值X (後述的圖4及圖5中也一樣)。接著，在本發明的自動調諧裝置I中，對得到的階躍響應Ya進行近似，求出如圖4所示的近似響應(近似的階躍響應)Yb。該近似具體地如圖4所示,將階躍響應Ya中值最大的點設定為過衝頂點A,根據過衝頂點A的值與所提供的階躍目標值X的高度(大小)x，決定過衝率α，使過衝頂點A的值變為 χ(1+α )。而且，將把階躍目標值X提供給反饋控制系統2後至階躍響應Ya到達過衝頂點A的經過時間T分為階躍響應的無用時間Ttl與階躍響應的上升時間T1，將近似響應Yb設定為在向反饋控制系統2提供階躍目標值X之後，經過階躍響應的無用時間Ttl後，以階躍響應的上升時間T1直線上升至過衝頂點Α，之後，以與階躍響應的上升時間T1相等的收斂時間！^ (T2=T1)直線收斂於階躍目標值X。階躍響應的無用時間Ttl與階躍響應的上升時間T1優選對階躍響應Ya施以二階微分濾波[I，-2，I]，將其值最大的點決定為響應上升的點B，將向反饋控制系統2提供階躍目標值X至響應上升的點B的時間設為階躍響應的無用時間Ttl，將響應上升的點B至階躍響應Ya中過衝頂點A的時間設定為階躍響應的上升時間！\。這裡，所謂二階微分濾波[1，-2，I]執行數位訊號的時間系列數據與[1，_2，I]的卷積運算，是近似求出信號的二階微分係數的濾波處理。據此，在能夠自動以運算求出階躍響應的無用時間Ttl與上升時間T1的同時，能得到更好地反映階躍響應Ya的變化的近似響應Yb。若如上所述設定近似響應Yb，則本發明的自動調諧裝置I根據反饋控制系統2具有的線性及時間不變性，將近似響應Yb中的階躍響應的上升時間T1及過衝率α作為參數，為了使如圖4所示的近似響應Yb不過衝地跟隨階躍目標值X，求出向反饋控制系統2的輸入必需的信號S，為了能從輸入階躍目標值X的FF控制塊5輸出該信號S，對FF控制塊5提供指令，輸出對作為控制目標而輸入的階躍目標值X施以係數(時間常數的倒數)設為log( α /(1+ α ))/ \的一時延遲後的信號S。因此，作為以上構成的具備本發明的自動調諧裝置I的如圖I所示的控制系統中，若將構成控制目標的某個階躍 目標值X輸入FF控制塊5，則根據來自本發明的自動調諧裝置I的指令，執行FF控制塊5的自動調諧，以從FF控制塊5對反饋控制系統2輸出如圖5中線C所示、對階躍目標值X施以如上所述設定的既定係數(時間常數的倒數)的一時延遲後的信號S。由此，在輸入從FF控制塊5輸出的對階躍目標值X施以既定係數(時間常數的倒數)的一時延遲的信號S的反饋控制系統2中，控制對象4的響應Y如圖5所示，控制成平滑且不產生過衝地跟隨階躍目標值。這樣，根據本發明的階躍跟隨時的過衝抑制用前饋項的自動調諧方法及本發明的自動調諧裝置1，能夠在作為原來的階躍跟隨特性、具備在對構成控制目標的階躍目標值X的輸入的階躍跟隨時產生過衝後收斂於階躍目標值X的階躍跟隨特性的反饋控制系統2的上遊側設置的FF控制塊5中，無需反饋控制系統2的詳細模型，僅使用反饋控制系統2的響應與線性及時間不變性這2個基本性質，自動調諧作為其控制內容的前饋項，在抑制過衝的狀態下，使反饋控制系統2中的控制對象4的響應Y快速跟隨階躍目標值X。接著，圖6是表示基於本發明的自動調諧方法及裝置的第2實施方式的框圖。在本實施方式中，表示在控制對象4A自身原本具備在對階躍目標值的輸入的階躍跟隨時產生過衝後收斂於階躍目標值的階躍跟隨特性的情況下，對控制對象4A使用前饋控制來抑制來自階躍目標值的過衝時的適用例的概要。本實施方式如下所示。S卩，此時在與圖I所示一樣的構成中，構成為代替反饋控制系統2，在控制對象4A自身的上遊側具備構成基於本發明自動調諧裝置I的自動調諧的對象的FF控制塊5，本發明的自動調諧裝置I構成為能輸入從控制對象4A輸出的響應(輸出值)Y。另外，設控制對象4A就控制而言具備線性及時間不變性。在該狀態下，本發明的自動調諧裝置I以與圖2至圖5所示一樣的步驟，首先在使FF控制塊5無效的狀態下，對控制對象4A求出提供階躍目標值X時的階躍響應Ya (參照圖3)，求出決定該階躍響應Ya中的過衝頂點A、過衝率α、階躍響應的無用時間Ttl、上升時間T1、與上升時間T1相等的收斂時間T2 (T2=T1)的近似響應Yb (參照圖4)。接著，本發明的自動調諧裝置I將過衝率α與階躍響應的上升時間T1作為參數，對FF控制塊5提供輸出對作為控制目標而輸入的階躍目標值X施以係數(時間常數的倒數)設為Iog(CiAha)VT1的一時延遲後的信號S的指令。由此，在輸入從FF控制塊5輸出的、包含一時延遲的信號S的控制對象4Α中，控制對象4Α的響應Y與圖5所示的反饋控制系統2的響應Y—樣，在抑制過衝發生的狀態下輸出。因此，根據本實施形態，能夠在作為原來的階躍跟隨特性、具備在對構成控制目標的階躍目標值X的輸入的階躍跟隨時產生過衝後收斂於階躍目標值X的階躍跟隨特性的控制對象4Α的上遊側設置的FF控制塊5中，無需控制對象4Α的詳細模型，僅使用控制對象4Α的響應與線性及時間不變性這2個基本性質，自動調諧作為其控制內容的前饋項，在抑制過衝的狀態下，使控制對象4Α的響應Y快速跟隨階躍目標值X。另外，本發明不僅限於上述實施形態，也可對自動調諧一次後的FF控制塊5再次實施自動調諧。此時，也可在有效利用FF控制塊5的狀態下，取得向FF控制塊5輸入階躍目標值X時產生的控制對象4、4A的響應Y，根據該響應Y，與上述通常的自動調諧時一樣設定一時延遲的係數(時間常數的倒數)，把將其與上次係數相加後的值設為新的係數。只要具備在對構成控制目標的階躍目標值的輸入的階躍跟隨時產生過衝之後、收斂於階躍目標值的階躍跟隨特性，則反饋控制系統2及控制對象4A也可是任意。根據在使FF控制塊5無效的狀態下得到的階躍響應Ya，若能夠設定圖4所示的近似響應Yb使得至過衝頂點A的階躍響應的上升時間T1與收斂時間T2相等，則與對階躍響應Ya施以二階微分濾波[1，_2，I]，將其值最大的點決定為響應上升的點B，將提供階躍目標值X至響應上升的點B的時間設為階躍響應的無用時間Ttl的情況相比，也可増減階躍響應的無用時間Ttl的長度。在圖I至圖5的實施方式中，也可從本發明的自動調諧裝置I中省略FB控制塊3
的自動調諧功能。此時，也可在開始基於本發明的自動調諧裝置I的FF控制塊5的自動調諧之前，由其他裝置事先執行FB控制塊3的自動調諧。當然，在不脫離本發明要旨的範圍內可施加各種變更。
權利要求
1.一種階躍跟隨時的過衝抑制用前饋項的自動調諧方法，在具備在對階躍目標值的輸入的階躍跟隨時產生過衝後、收斂於階躍目標值的階躍跟隨特性的系統的上遊側，具備前饋控制塊，其特徵在於， 在使前饋控制塊無效的狀態下，求出對上述系統的階躍目標值的階躍響應， 接著，將階躍響應值最大的點設定為過衝頂點，根據頂點值與階躍目標值的大小，決定過衝率α，並且，對於階躍響應，以近似響應來近似，所述近似響應為將提供階躍目標值之後、至到達過衝頂點的經過時間設為階躍響應的無用時間與上升時間T1，且用與上升時間T1相等的收斂時間從過衝頂點直線地收斂於階躍目標值， 之後，自動調諧前饋控制塊，以輸出對作為控制目標而輸入前饋控制塊的階躍目標值施以係數設為log ( α / (1+ a )) /T1的一時延遲後的信號。
2.根據權利要求I所述的階躍跟隨時的過衝抑制用前饋項的自動調諧方法，其中， 向對上述系統的階躍目標值的階躍響應施以二階微分濾波，將其值為最大的點作為響應上升的點，將向上述系統提供階躍目標值至響應上升的點的時間設為階躍響應的無用時間，將響應上升的點至階躍響應的過衝頂點的時間設定為階躍響應的上升時間。
3.根據權利要求I或2所述的階躍跟隨時的過衝抑制用前饋項的自動調諧方法，其中， 將上述系統設為反饋控制系統或控制對象自身。
4.一種階躍跟隨時的過衝抑制用前饋項的自動調諧裝置，在具備在對階躍目標值的輸入的階躍跟隨時產生過衝後、收斂於階躍目標值的階躍跟隨特性的系統的上遊側，具備前饋控制塊，其特徵在於，具備如下功能 在使前饋控制塊無效的狀態下，求出對上述系統的階躍目標值的階躍響應； 將上述階躍響應值最大的點設定為過衝頂點，根據頂點值與階躍目標值的大小，決定過衝率α，並且，對於階躍響應，以近似響應來近似，所述近似響應為將提供階躍目標值之後、至到達過衝頂點的經過時間設為階躍響應的無用時間與上升時間T1，且用與上升時間T1相等的收斂時間從過衝頂點直線地收斂於階躍目標值；和 向前饋控制塊提供指令，以輸出對作為控制目標而輸入前饋控制塊的階躍目標值施以係數設為Iog(CiAha)VT1的一階延遲後的信號，自動調諧前饋控制塊。
全文摘要
具備自動調諧裝置(1)，能輸入在上遊側具備FF控制塊(5)的反饋控制系統(2)的控制對象(4)的響應。在使FF控制塊(5)無效的狀態下，求出對階躍目標值X的階躍響應，根據值最大的過衝頂點與所提供的階躍目標值的大小，求出過衝率α。另外，根據提供階躍目標值之後、至到達過衝頂點的時間，求出階躍響應的上升時間T1。向FF控制塊(5)提供指令，輸出將輸入的階躍目標值X施以係數(時間常數的倒數)設為log(α/(1+α))/T1的一階延遲後的信號S。
文檔編號G05B13/02GK102893226SQ201180025749
公開日2013年1月23日 申請日期2011年5月23日 優先權日2010年5月25日
發明者小林陽, 藤田穣, 鈴木俊太郎, 高橋毅 申請人:株式會社 Ihi