JP2023151895A - 制御システム、制御装置、制御方法及び制御プログラム - Google Patents

制御システム、制御装置、制御方法及び制御プログラム Download PDF

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Abstract

【課題】困難な調整を要することなく、指令値に対する追従性を向上させることができる制御システムを提供する。【解決手段】制御システムは、制御信号に基づいて制御される対象装置２０と、対象装置２０の物理量を測定するセンサ３０と、物理量及び指令値に基づいて対象装置２０に制御信号を出力し、フィードバック制御を行う制御装置１０と、を備え、制御装置１０は、対象装置２０に対する指令値を生成する指令値生成部１１と、制御信号と物理量との関係を示す動特性モデル、指令値及び物理量を用いたモデル予測制御により、指令速度を演算する指令速度演算部１２と、対象装置のモデル、むだ時間、指令速度及び物理量を用いたむだ時間補償付き速度制御により、制御信号を生成して対象装置に出力する制御信号生成部１３と、を有する。【選択図】図２

Description

本発明は、制御システム、制御装置、制御方法及び制御プログラムに関する。
ファクトリーオートメーションの技術分野において、サーボモータ等の対象装置を、センサによって測定された値に基づいてフィードバック制御することが行われている。ここで、対象装置に対して入力を与えてから、その入力に応じた出力が現れるまでに時間差がある場合、フィードバック制御ループはむだ時間（dead time）を有することになる。例えば、装置間が比較的低速の有線通信又は無線通信で接続される場合や、ベルトコンベア等の搬送装置の先でセンサによる測定が行われる場合にむだ時間が生じることがある。
むだ時間は、制御系の安定性や制御性を低下させる要因になる。したがって、むだ時間を含む制御系に対し、スミス補償を適用してむだ時間を補償することで、安定性や制御性を高めることが行われている。
例えば、特許文献１では、長いむだ時間を含む系に対し、スミス補償を適用して高ゲイン化を可能にした上で、スミス補償の弱点である外乱に起因するオフセットを、ハイパスフィルタを設けることで除去している。さらに、ハイパスフィルタに起因する指令値に対するオーバーシュートを改善するために、ローパスフィルタを設け、そのローパスフィルタに入力された指令値から高周波成分をカットしている。
特開２０１４－８１８２１号公報
しかしながら、特許文献１に記載の構成では、ハイパスフィルタとローパスフィルタを組み合わせて調整する必要があるため、指令値に対する追従性を求めつつ、ハイパスフィルタとローパスフィルタを調整するには困難を要することが想定され、改善の余地がある。
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、困難な調整を要することなく、指令値に対する追従性を向上させることができる制御システム、制御装置、制御方法及び制御プログラムを提供することを目的の１つとする。
本発明の一態様に係る制御システムは、制御信号に基づいて制御される対象装置と、対象装置の物理量を測定するセンサと、物理量及び指令値に基づいて対象装置に制御信号を出力し、フィードバック制御を行う制御装置と、を備え、制御装置は、対象装置に対する指令値を生成する指令値生成部と、制御信号と物理量との関係を示す動特性モデル、指令値及び物理量を用いたモデル予測制御により、指令速度を演算する指令速度演算部と、対象装置のモデル、むだ時間、指令速度及び物理量を用いたむだ時間補償付き速度制御により、制御信号を生成して対象装置に出力する制御信号生成部と、を有する。
この態様によれば、対象装置に対する指令値を生成し、制御信号と物理量との関係を示す動特性モデル、指令値及び物理量を用いたモデル予測制御により、指令速度を演算し、対象装置のモデル、むだ時間、指令速度及び物理量を用いたむだ時間補償付き速度制御により、制御信号を生成して対象装置に出力することができる。これにより、むだ時間による時間遅れを補償しつつ、モデル予測制御により指令値と物理量のずれが小さくなるように制御することが可能となる。
上記態様において、むだ時間補償付き速度制御は、ＰＩ制御を含むこととしてもよいし、モデル追従型の２自由度制御を含むこととしてもよい。
本発明の他の態様に係る制御システムは、制御信号に基づいて制御される対象装置と、対象装置の物理量を測定するセンサと、物理量及び指令値に基づいて対象装置に制御信号を出力し、フィードバック制御を行う制御装置と、を備え、制御装置は、第１制御装置と、対象装置及びセンサと同じ領域に設けられる第２制御装置とを備え、第１制御装置が、対象装置に対する指令値を生成する指令値生成部と、制御信号と物理量との関係を示す動特性モデル、指令値及び物理量を用いたモデル予測制御により、指令速度を演算して第２制御装置に出力する指令速度演算部と、を有し、第２制御装置が、対象装置のモデル、指令速度及び物理量を用いた速度制御ループにより、制御信号を生成して対象装置に出力する制御信号生成部、を有する。
この態様によれば、対象装置に対する指令値を生成し、制御信号と物理量との関係を示す動特性モデル、指令値及び物理量を用いたモデル予測制御により、指令速度を演算し、対象装置のモデル、むだ時間、指令速度及び物理量を用いたむだ時間補償付き速度制御により、制御信号を生成して対象装置に出力することができる。これにより、むだ時間による時間遅れを補償しつつ、モデル予測制御により指令値と物理量のずれが小さくなるように制御することが可能となる。
上記態様において、速度制御ループは、モデル追従型の２自由度制御を含むこととしてもよい。
本発明の他の態様に係る制御装置は、センサにより測定される対象装置の物理量及び指令値に基づいて対象装置に制御信号を出力し、フィードバック制御を行う制御装置であって、制御信号に基づいて制御される対象装置に対する指令値を生成する指令値生成部と、制御信号と物理量との関係を示す動特性モデル、指令値及び物理量を用いたモデル予測制御により、指令速度を演算する指令速度演算部と、対象装置のモデル、むだ時間、指令速度及び物理量を用いたむだ時間補償付き速度制御により、制御信号を生成して対象装置に出力する制御信号生成部と、を備える。
この態様によれば、対象装置に対する指令値を生成し、制御信号と物理量との関係を示す動特性モデル、指令値及び物理量を用いたモデル予測制御により、指令速度を演算し、対象装置のモデル、むだ時間、指令速度及び物理量を用いたむだ時間補償付き速度制御により、制御信号を生成して対象装置に出力することができる。これにより、むだ時間による時間遅れを補償しつつ、モデル予測制御により指令値と物理量のずれが小さくなるように制御することが可能となる。
本発明の他の態様に係る制御方法は、センサにより測定される対象装置の物理量及び指令値に基づいて対象装置に制御信号を出力し、フィードバック制御を行う制御装置で実行される制御方法であって、制御信号に基づいて制御される対象装置に対する指令値を生成することと、制御信号と物理量との関係を示す動特性モデル、指令値及び物理量を用いたモデル予測制御により、指令速度を演算することと、対象装置のモデル、むだ時間、指令速度及び物理量を用いたむだ時間補償付き速度制御により、制御信号を生成して対象装置に出力することと、を含む。
この態様によれば、対象装置に対する指令値を生成し、制御信号と物理量との関係を示す動特性モデル、指令値及び物理量を用いたモデル予測制御により、指令速度を演算し、対象装置のモデル、むだ時間、指令速度及び物理量を用いたむだ時間補償付き速度制御により、制御信号を生成して対象装置に出力することができる。これにより、むだ時間による時間遅れを補償しつつ、モデル予測制御により指令値と物理量のずれが小さくなるように制御することが可能となる。
本発明の他の態様に係る制御プログラムは、センサにより測定される対象装置の物理量及び指令値に基づいて対象装置に制御信号を出力し、フィードバック制御を行う制御装置を、制御信号に基づいて制御される対象装置に対する指令値を生成する指令値生成部、制御信号と物理量との関係を示す動特性モデル、指令値及び物理量を用いたモデル予測制御により、指令速度を演算する指令速度演算部、対象装置のモデル、むだ時間、指令速度及び物理量を用いたむだ時間補償付き速度制御により、制御信号を生成して対象装置に出力する制御信号生成部、として機能させる。
この態様によれば、対象装置に対する指令値を生成し、制御信号と物理量との関係を示す動特性モデル、指令値及び物理量を用いたモデル予測制御により、指令速度を演算し、対象装置のモデル、むだ時間、指令速度及び物理量を用いたむだ時間補償付き速度制御により、制御信号を生成して対象装置に出力することができる。これにより、むだ時間による時間遅れを補償しつつ、モデル予測制御により指令値と物理量のずれが小さくなるように制御することが可能となる。
本発明によれば、困難な調整を要することなく、指令値に対する追従性を向上させることができる制御システム、制御装置、制御方法及び制御プログラムを提供することができる。
実施形態に係る制御システムのネットワーク構成を示す図である。 実施形態に係る制御装置の機能ブロックを示す図である。 実施形態に係る制御システムの制御ブロックを示す図である。 実施形態に係る制御システムの制御ブロックを示す図である。 実施形態に係る制御装置の物理的な構成を示す図である。 実施形態に係る制御装置１０により実行される制御処理の一例を説明するフローチャートである。 変形例に係る制御システムの制御ブロックを示す図である。 変形例に係る制御システムの制御ブロックを示す図である。 シミュレーション時の指令値である指令位置の推移を表す図である。 第１シミュレーションにおいて実施形態に係る制御装置により制御された対象装置の位置を示す図である。 第１シミュレーションにおいて実施形態に係る制御装置により制御された位置と指令値との誤差を示す図である。 第１シミュレーションにおいて実施形態に係る制御装置により制御された推力を示す図である。 第１シミュレーションにおいて比較例１に係る制御装置により制御された対象装置の位置を示す図である。 第１シミュレーションにおいて比較例１に係る制御装置により制御された位置と指令値との誤差を示す図である。 第１シミュレーションにおいて比較例１に係る制御装置により制御された推力を示す図である。 第１シミュレーションにおいて比較例２に係る制御装置により制御された対象装置の位置を示す図である。 第１シミュレーションにおいて比較例２に係る制御装置により制御された位置と指令値との誤差を示す図である。 第１シミュレーションにおいて比較例２に係る制御装置により制御された推力を示す図である。 第２シミュレーション時に加えられる外乱を表す図である。 第２シミュレーションにおいて実施形態に係る制御装置により制御された対象装置の位置を示す図である。 第２シミュレーションにおいて実施形態に係る制御装置により制御された位置と指令値との誤差を示す図である。 第２シミュレーションにおいて実施形態に係る制御装置により制御された推力を示す図である。 第２シミュレーションにおいて比較例３に係る制御装置により制御された対象装置の位置を示す図である。 第２シミュレーションにおいて比較例３に係る制御装置により制御された位置と指令値との誤差を示す図である。 第２シミュレーションにおいて比較例３に係る制御装置により制御された推力を示す図である。 第２シミュレーションにおいて比較例４に係る制御装置により制御された対象装置の位置を示す図である。 第２シミュレーションにおいて比較例４に係る制御装置により制御された位置と指令値との誤差を示す図である。 第２シミュレーションにおいて比較例４に係る制御装置により制御された推力を示す図である。 第３シミュレーションにおいて変形例に係る制御装置により制御された対象装置の位置を示す図である。 第３シミュレーションにおいて変形例に係る制御装置により制御された位置と指令値との誤差を示す図である。 第３シミュレーションにおいて変形例に係る制御装置により制御された推力を示す図である。 第３シミュレーションにおいて参考例に係る制御装置により制御された対象装置の位置を示す図である。 第３シミュレーションにおいて参考例に係る制御装置により制御された位置と指令値との誤差を示す図である。 第３シミュレーションにおいて参考例に係る制御装置により制御された推力を示す図である。 比較例２に係る制御システムの制御ブロックを示す図である。
添付図面を参照して、本発明の好適な実施形態について説明する。なお、各図において、同一の符号を付したものは、同一又は同様の構成を有する。
図１は、本発明の実施形態に係る制御システム１００のネットワーク構成を示す図である。制御システム１００は、制御信号に基づいて制御される対象装置２０と、対象装置２０の物理量を測定するセンサ３０と、センサ３０により測定された物理量及び指令値に基づいて対象装置２０に制御信号を送信してフィードバック制御を行う制御装置１０と、を含んで構成される。
対象装置２０は、制御信号に基づいて制御される装置であればどのようなものであってもよい。以下では、説明を具体的にするため、対象装置２０として、可動部の位置をサーボモータによって制御する装置を仮定する。この場合、指令値は可動部の位置に関する目標値であり、制御信号はサーボモータの推力（トルク）を制御する信号である。
センサ３０は、対象装置２０に関する任意の物理量を測定するものであってよい。例えば、対象装置２０が可動部の位置を制御する装置である場合、センサ３０は、当該可動部の位置を測定するものであればよく、物理量は、対象装置２０の可動部の位置となる。
制御装置１０、対象装置２０及びセンサ３０は、通信ネットワークＮによって互いに通信可能に接続される。通信ネットワークＮは、有線通信又は無線通信のネットワークであってよく、例えばEtherNet/IPやEtherCAT（登録商標）等の規格に従う通信ネットワークであってもよいし、ローカル５Ｇを用いる通信ネットワークであってもよい。
図２は、本実施形態に係る制御装置１０の機能ブロックを示す図である。制御装置１０は、機能的な構成として、例えば、指令値生成部１１、指令速度演算部１２、制御信号生成部１３及び取得部１４を有する。
指令値生成部１１、指令速度演算部１２及び制御信号生成部１３は、目標値に対する物理量のずれが小さくなるように指令値を生成して制御する制御部として機能する。
指令値生成部１１は、例えば目標位置、移動時間、許容する最大速度及び許容する最大加速度等の設定値に従って指令値を生成する。制御装置１０の制御対象が対象装置２０の可動部の位置である場合、指令値の最終値は位置に関する目標値となる。指令値生成部１１は、制御装置１０の構成の一部であってよいが、別体の構成であってもよい。例えば、指令値生成部１１は、いわゆるコントローラの機能部として実現されてもよい。その場合、制御装置１０は、いわゆるコントローラと、いわゆるドライバ（例えばサーボドライバ）とを別体として含む構成であってもよい。
指令速度演算部１２は、対象装置２０の動特性を示す動特性モデルと指令値と物理量とを用いたモデル予測制御（以下、「ＭＰＣ」（Model Predictive Control）ともいう。）により、指令速度を演算する。
動特性モデルは、対象装置２０を制御するための制御信号とセンサ３０により測定される対象装置２０の物理量との関係を示す伝達関数によって規定することができる。
制御信号生成部１３は、対象装置２０のモデル、むだ時間、指令速度及び物理量を用いたむだ時間補償付き速度制御により、対象装置２０を制御するための制御信号を生成し、対象装置２０に出力する。むだ時間補償は、スミス補償器を用いて行うのがよい。むだ時間補償付き速度制御は、ＰＩ制御を用いて行ってもよいし、モデル追従型の２自由度制御を用いて行ってもよい。
取得部１４は、センサ３０により測定された対象装置２０の物理量を取得する。取得された物理量は、指令速度演算部１２及び制御信号生成部１３にフィードバックされる。
図３及び図４は、本実施形態に係る制御システム１００の制御ブロックを示す図である。以下において、図３及び図４の制御ブロックについて順に説明する。例示的に、以下では、制御装置１０によって対象装置２０の可動部の位置を制御する場合について説明する。
図３の制御ブロックについて説明する。図３は、むだ時間補償付き速度制御を、ＰＩ制御及びスミス補償を用いて行う場合の制御ブロック図である。
最初に、制御装置１０は、指令値ｒを生成する（Ｓ４０）。本例の場合、指令値ｒは位置に関する値である。
続いて、制御装置１０は、指令値ｒをＭＰＣに入力し、予測した位置が指令値ｒに一致するように計算した指令速度を出力させる（Ｓ４１）。制御装置１０は、指令速度をＰＩ制御に入力し、推力を表す制御信号ｕを出力させる（Ｓ４２）。
続いて、制御装置１０は、むだ時間Ｌｍに関する要素（１－ｅ－Ｌｍｓ）を制御信号ｕに乗じて（Ｓ４３）、モデルＶｍ（ｓ）に入力し（Ｓ４４）、むだ時間がある場合の速度とむだ時間がないと仮定した場合の速度との差を推定する。これを後述するＳ４７の出力である速度の測定値に加算することで、むだ時間がないと仮定した場合の速度を推定し、ＰＩ制御にフィードバックする（Ｓ４２）。ここで、Ｓ４３及びＳ４４は、スミス補償器により処理される。
モデルＶｍ（ｓ）は、対象装置２０の可動部が従う運動方程式のモデルであり、例えば、可動部に加えられる推力と、慣性力及び摩擦力との間に成り立つ運動方程式に基づいて導かれたモデルであってもよい。モデルＶｍ（ｓ）として、例示的に、｛１／（Ｊｍ×ｓ＋Ｃｍ）｝を用いることができる。Ｊｍは慣性係数のモデル値を表し、Ｃｍは粘性摩擦係数のモデル値を表し、ｓはラプラス演算子を表す。
続いて、制御装置１０が、ＰＩ制御から出力された制御信号ｕを対象装置２０に向けて送信すると、むだ時間だけ時間遅れｅ－Ｌｓが生じた（Ｓ４５）後に、制御対象に受信される（Ｓ４６）。制御対象のサーボモータは、制御信号ｕである推力によって制御される。ここで、制御対象は、対象装置２０の一部（例えば可動部）又は全部であってよい。
制御対象Ｐ（ｓ）は、対象装置２０の可動部が従う運動方程式のモデルであり、例えば、可動部に加えられる推力と、慣性力及び摩擦力との間に成り立つ運動方程式に基づいて導かれたモデルであってよい。制御対象Ｐ（ｓ）として、例示的に、｛１／（Ｊ×ｓ＋Ｃ）ｓ｝を用いることができる。Ｊは慣性係数の値を表し、Ｃは粘性摩擦係数の値を表し、ｓはラプラス演算子を表す。
続いて、センサ３０により読み取られた制御対象の物理量である位置ｙが、制御装置１０に送信され、制御装置１０が、物理量である位置ｙをＭＰＣにフィードバックする（Ｓ４１）とともに、位置ｙを微分して速度に変換し（Ｓ４７）、スミス補償（Ｓ４３及びＳ４４）の出力値に加算してＰＩ制御にフィードバックする（Ｓ４２）。
制御装置１０は、このような制御を制御周期毎に繰り返すことで、物理量である位置ｙが指令値ｒに追従するように制御する。
図４の制御ブロックについて説明する。図４は、むだ時間補償付き速度制御を、モデル追従型の２自由度制御及びスミス補償を用いて行う場合の制御ブロック図である。
図４の制御ブロックのうち、図３の制御ブロックと異なる要素は、図３に示すＰＩ制御（Ｓ４２）を、図４に示すモデル追従型の２自由度制御（Ｓ４２ａ乃至Ｓ４２ｅ）に置き換えた点である。その他の要素は、図３の制御ブロックと同じである。したがって、ここでは、主に図３の制御ブロックと異なる要素について説明する。
図４のモデル追従型の２自由度制御（Ｓ４２ａ乃至Ｓ４２ｅ）は、制御対象の物理量である位置ｙに対応する速度が、ＭＰＣから出力される指令速度に追従するように制御する点に関して、図３のＰＩ制御（Ｓ４２）と共通する。
図４に示すように、モデル追従型の２自由度制御を行うための制御ブロックには、例えば、モデル速度制御比例ゲインＫｍｖｐで指令速度を加速度に変換する要素（Ｓ４２ａ）と、加速度を積分（１／ｓ）する要素（Ｓ４２ｂ）と、速度制御積分ゲインＫｖｉ及び積分（１／ｓ）で速度を調整する要素（Ｓ４２ｃ）と、速度制御比例ゲインＫｖｐで速度を加速度に変換する要素（Ｓ４２ｄ）と、慣性係数のモデル値Ｊｍを加速度に乗ずる要素（Ｓ４２ｅ）と、を含むことができる。
ここで、モデル部にあるモデル速度制御比例ゲインＫｍｖｐは、フィードバック制御部にある速度制御比例ゲインＫｖｐに対して適切な比率を乗じて設定することが好ましい。例えば、Ｋｍｖｐ＝２×Ｋｖｐと設定することができる。
また、ＭＰＣ（Ｓ４１）から見た制御対象特性ＧＰＬ（ｓ）は、以下の（１）式で表すことができる。（１）式のＬｍはむだ時間を表し、ｓはラプラス演算子を表す。
ＧＰＬ（ｓ）＝［１／｛１＋（１／Ｋｍｖｐ）ｓ｝ｓ］ｅ－Ｌｍｓ … （１）
図５は、本実施形態に係る制御装置１０の物理的な構成を示す図である。制御装置１０は、演算部に相当するＣＰＵ（Central Processing Unit）１０ａと、記憶部に相当するＲＡＭ（Random Access Memory）１０ｂと、記憶部に相当するＲＯＭ（Read Only Memory）１０ｃと、通信部１０ｄと、入力部１０ｅと、表示部１０ｆと、を有する。これらの各構成は、バスを介して相互にデータ送受信可能に接続される。なお、本例では制御装置１０が一台のコンピュータで構成される場合について説明するが、制御装置１０は、複数のコンピュータが組み合わされて実現されてもよい。また、図５に示す構成は一例であり、制御装置１０はこれら以外の構成を有してもよいし、これらの構成のうち一部を有さなくてもよい。
ＣＰＵ１０ａは、ＲＡＭ１０ｂ又はＲＯＭ１０ｃに記憶されたプログラムを実行し、各種の制御やデータの演算及び加工を行う制御部として機能する。例えば、ＣＰＵ１０ａは、対象装置２０を制御するためのプログラム（制御プログラム）を実行する。また、ＣＰＵ１０ａは、入力部１０ｅや通信部１０ｄから種々のデータを受け取り、データの演算結果を表示部１０ｆに表示したり、ＲＡＭ１０ｂに格納したりする。
ＲＡＭ１０ｂは、記憶部のうちデータの書き換えが可能なものであり、例えば半導体記憶素子で構成されてよい。ＲＡＭ１０ｂは、例えばＣＰＵ１０ａが実行するプログラム、そのプログラムで用いるデータを記憶してよい。なお、これらは例示であって、ＲＡＭ１０ｂには、これら以外のデータが記憶されてもよいし、これらの一部が記憶されなくてもよい。
ＲＯＭ１０ｃは、記憶部のうちデータの読み出しが可能なものであり、例えば半導体記憶素子で構成されてよい。ＲＯＭ１０ｃは、例えば制御プログラムや、書き換えが行われないデータを記憶してよい。
通信部１０ｄは、制御装置１０を他の機器に接続するインターフェースである。通信部１０ｄは、ＬＡＮ等の通信ネットワークに接続されてよい。
入力部１０ｅは、ユーザからデータの入力を受け付けるものであり、例えば、キーボード及びタッチパネルを含んでよい。
表示部１０ｆは、ＣＰＵ１０ａによる演算結果を視覚的に表示するものであり、例えば、ＬＣＤ（Liquid Crystal Display）により構成されてよい。表示部１０ｆは、例えば、制御信号や物理量を時系列で表示してよい。
制御プログラムは、ＲＡＭ１０ｂやＲＯＭ１０ｃ等のコンピュータによって読み取り可能な記憶媒体に記憶されて提供されてもよいし、通信部１０ｄにより接続される通信ネットワークを介して提供されてもよい。制御装置１０では、ＣＰＵ１０ａが制御プログラムを実行することにより、上記で説明した様々な機能が実現される。なお、これらの物理的な構成は例示であって、必ずしも独立した構成でなくてもよい。例えば、制御装置１０は、ＣＰＵ１０ａとＲＡＭ１０ｂやＲＯＭ１０ｃが一体化したＬＳＩ（Large-Scale Integration）を備えてもよい。
次に、図６を参照して、本実施形態に係る制御装置１０により実行される制御処理の一例について説明する。
最初に、制御装置１０は、初期処理を実行する（ステップＳ１０１）。初期処理には、例えば、ＭＰＣ内部モデルの離散化処理、速度補償量計算モデルの離散化処理、制御変数の初期化処理等が含まれる。離散化処理には、例えば、連続した情報を制御周期ごとに分割する処理が含まれる。制御変数の初期化処理には、例えば、ＭＰＣで用いられるパラメータを０に初期化する処理等が含まれる。
続いて、制御装置１０は、制御ループ処理を開始する。制御ループ処理は、制御周期毎に繰り返し実行される処理である（後述するステップＳ１０２からステップＳ１０５までの処理）。
制御ループ処理において、最初に、制御装置１０は、ＭＰＣによる位置制御を実行する（ステップＳ１０２）。
続いて、制御装置１０は、むだ時間補償による速度補償量の計算を実行する（ステップＳ１０３）。
続いて、制御装置１０は、ＰＩ制御による速度制御を実行する（ステップＳ１０４）。
続いて、制御装置１０は、制御ループ処理を終了するか否か判定する（ステップＳ１０５）。この判定がＮＯである場合（ステップＳ１０５；ＮＯ）に、上記ステップＳ１０２に処理を移行する一方、この判定がＹＥＳである場合（ステップＳ１０５；ＹＥＳ）に、制御ループ処理を抜けて本処理を終了する。
［変形例］
以上説明した実施形態は、あらゆる点において本発明の例示に過ぎない。本発明の範囲を逸脱することなく種々の改良や変形を行うことができることは言うまでもない。つまり、本発明の実施にあたって、実施形態に応じた具体的構成が適宜採用されてもよい。また、上述した実施形態は、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。実施形態が備える各要素並びにその配置、材料、条件、形状及びサイズ等は、例示したものに限定されるわけではなく適宜変更することができる。
例えば、上述した実施形態では、図２に示す制御装置１０の制御信号生成部１３で生成した制御信号を対象装置２０に出力しているが、対象装置２０を制御する構成は、これに限定されない。一例として、対象装置２０及びセンサ３０が工場の現場等のローカルな場所（領域）に配置される場合に、そのローカル側にＰＩ制御器を設け、そのＰＩ制御器から対象装置２０に制御信号を出力することとしてもよい。
この場合、図２に示す制御装置１０の機能構成のうち、制御信号生成部１３を、ローカル側のＰＩ制御器に設けるのがよい。そして、制御装置１０の指令速度演算部１２で演算した指令速度をＰＩ制御器に出力し、ＰＩ制御器の制御信号生成部１３で生成した制御信号を対象装置２０に出力するのがよい。
ここで、上述した実施形態に係る制御システム１００において、制御装置１０と対象装置２０との間で発生するむだ時間による時間遅れｅ－Ｌｓは、本変形例に係る制御システムでは、制御装置１０とＰＩ制御器との間で発生することになる。
図７に、本変形例に係る制御システムの制御ブロック図を示す。図７の破線で囲まれる範囲がローカルＬ側となる。そして、ローカルＬ側に、ＰＩ制御器、対象装置２０及びセンサ３０が配置される。
図７の制御ブロックは、図４の実施形態に係る制御システムの制御ブロックのうち、制御装置１０と対象装置２０との間で生ずるむだ時間による時間遅れｅ－Ｌｓ（Ｓ４５）が、制御装置１０とＰＩ制御器との間に移動する点と、スミス補償器によるむだ時間補償（Ｓ４３及びＳ４４）が省略されている点で、図４の制御ブロックと異なる。むだ時間補償（Ｓ４３及びＳ４４）が省略されるのは、ローカルＬ側に配置されるＰＩ制御器と対象装置２０との間にむだ時間が存在しないことによる。
図７の符号のうち、図４の符号と同一の符号を付したブロックは、同様の機能を有するため、ここではそれらの説明を省略する。
図８に、本変形例の参考例として、図７の本変形例に係る制御システムの制御ブロックのうち、ＭＰＣ（Ｓ４１）を、Ｐ制御ループ（Ｓ４１Ｐ）に置き換えた制御ブロックを示す。
図８のＰ制御ループ（Ｓ４１Ｐ）は、指令値と制御対象の物理量である位置ｙとに基づいて指令速度を演算してローカルＬ側に出力する。
図８に示すように、Ｐ制御ループ（Ｓ４１Ｐ）には、例えば、位置を微分（ｓ）して速度に変換する要素（Ｓ４１ａ）と、速度フィードフォワードゲインＫｖｆｆで速度を調整する要素（Ｓ４１ｂ）と、位置制御比例ゲインＫｐｐで位置を調整する要素（Ｓ４１ｃ）と、スミス補償器によるむだ時間補償を行う要素（Ｓ４１ｄ及びＳ４１ｅ）と、を含むことができる。
Ｐ制御ループ（Ｓ４１Ｐ）から見た、むだ時間を含まない制御対象特性ＧＰ（ｓ）は、以下の（２）式で表すことができる。（２）式のｓはラプラス演算子を表す。
ＧＰ（ｓ）＝１／｛１＋（１／Ｋｍｖｐ）ｓ｝ｓ … （２）
［シミュレーション結果］
実施形態に係る制御システム１００の効果を検証するために行ったシミュレーションの結果について以下に説明する。
［第１シミュレーション］
第１シミュレーション時の条件は、次のとおりである。慣性質量は１０［ｋｇ］、粘性摩擦係数は０［Ｎｓ／ｍ］、制御周期は０．２５[ｍｓ]、スミス補償器のむだ時間周期数は２０である。指令値ｒである指令位置は、図９に示すように、時刻１０［ｍｓ］から２５０［ｍｓ］までの間に原点から１００［ｍｍ］まで単調増加し、移動の際の最大加速度は１００００［ｍｍ／ｓ２］である。同図のグラフは、横軸が経過時間［ｍｓ］を示し、縦軸が指令位置［ｍｍ］を示す。また、第１シミュレーションでは、モデル誤差及び外乱は生じていないものとする。
図１０ａ乃至図１０ｃに、本実施形態に係る制御装置１０に対する第１シミュレーションの結果を表示し、図１１ａ乃至図１１ｃに、比較例１に係る制御装置に対する第１シミュレーションの結果を表示し、図１２ａ乃至図１２ｃに、比較例２に係る制御装置に対する第１シミュレーションの結果を表示する。
比較例２に係る制御装置の制御ブロックを図１９に示す。同図に示すように、比較例２に係る制御装置は、図３に示す本実施形態に係る制御装置１０の制御ブロックのうち、ＭＰＣ（Ｓ４１）及び微分要素（Ｓ４７）を取り除き、ＰＩ制御（Ｓ４２）をＰＩＤ制御（Ｓ４２ＰＩ）に置き換え、速度に対するモデルＶｍ（ｓ）（Ｓ４４）を位置に対するモデルＰｍ（ｓ）（Ｓ４４Ｐ）に置き換えた点で、本実施形態に係る制御装置１０と異なる。比較例１に係る制御装置は、比較例２の構成でむだ時間がない場合を想定したものである。したがって、比較例１に係る制御装置は、図１９に示す比較例２に係る制御装置の制御ブロックから、むだ時間（Ｓ４５）及びスミス補償器によるむだ時間補償（Ｓ４３及びＳ４４Ｐ）を取り除いたものとなる。
図１０ａは、本実施形態に係る制御装置１０により制御された対象装置２０の位置ｙ１を示す図である。同図では、対象装置２０の位置ｙ１を実線で示し、指令位置となる指令値ｒを破線で示している。図１０ｂは、本実施形態に係る制御装置１０により制御された位置ｙ１と指令値ｒとの誤差（偏差）を示す図である。図１０ｃは、本実施形態に係る制御装置１０により制御された推力を示す図である。推力は、制御装置１０から対象装置２０に送信される制御信号である。
図１１ａは、比較例１に係る制御装置により制御された対象装置の位置ｙ１ａを示す図である。同図では、対象装置の位置ｙ１ａを実線で示し、指令位置となる指令値ｒを破線で示している。図１１ｂは、比較例１に係る制御装置により制御された位置ｙ１ａと指令値ｒとの誤差（偏差）を示す図である。図１１ｃは、比較例１に係る制御装置により制御された推力を示す図である。
図１２ａは、比較例２に係る制御装置により制御された対象装置の位置ｙ１ｂを示す図である。同図では、対象装置の位置ｙ１ｂを実線で示し、指令位置となる指令値ｒを破線で示している。図１２ｂは、比較例２に係る制御装置により制御された位置ｙ１ｂと指令値ｒとの誤差（偏差）を示す図である。図１２ｃは、比較例２に係る制御装置により制御された推力を示す図である。
本実施形態と比較例１、２とを比較すると、図１１ｂ及び図１２ｂに示す比較例１、２の位置誤差に比べ、図１０ｂに示す本実施形態の位置誤差が大幅に抑えられている。つまり、本実施形態は、比較例１、２に比べて高い指令追従性が得られることを示している（図１０ｂ、図１１ｂ、図１２ｂ参照）。
なお、本実施形態が、むだ時間がない比較例１よりも高い指令追従性を示すのは、ＭＰＣ が未来の指令値を使用してむだ時間及びその他の要因による応答の遅れを打ち消すように制御するためである。スミス補償では、むだ時間がフィードバック制御ループの外側に出ることになり、むだ時間分遅れることが予め分かるため、そのむだ時間分指令値を先行して与えることによって、比較例２が比較例１と同等の追従性を得ることが可能になる。
［第２シミュレーション］
第２シミュレーションは、第１シミュレーションと同一の条件下において、外乱が発生した場合のシミュレーションとなる。外乱は、図１３に示すように、時刻１００［ｍｓ］から５０［ｍｓ］間、パルス状に＋５０［Ｎ］加えられる。同図のグラフは、横軸が経過時間［ｍｓ］を示し、縦軸が外乱の大きさ［Ｎ］を示す。
図１４ａ乃至図１４ｃに、本実施形態に係る制御装置１０に対する第２シミュレーションの結果を表示し、図１５ａ乃至図１５ｃに、比較例３に係る制御装置に対する第２シミュレーションの結果を表示し、図１６ａ乃至図１６ｃに、比較例４に係る制御装置に対する第２シミュレーションの結果を表示する。
比較例３に係る制御装置は、比較例２に係る制御装置と同じである。比較例４に係る制御装置は、図３に示す本実施形態に係る制御装置１０の制御ブロックのうち、ＭＰＣ（Ｓ４１）を、Ｐ制御に置き換えた点で、本実施形態に係る制御装置１０と異なる。加えて、比較例４に係る制御装置は、特許文献１の図７と同様に、スミス補償器によるむだ時間補償（Ｓ４３及びＳ４４）のループにハイパスフィルタを設け、Ｐ制御の前段にローパスフィルタを設けた点でも、本実施形態に係る制御装置１０と異なる。比較例４において、ハイパスフィルタの設定値を例示的に｛０．０１ｓ／（０．０１ｓ＋１）｝とし、ローパスフィルタの設定値を例示的に｛１／（０．０１ｓ＋１）｝とした。
図１４ａは、本実施形態に係る制御装置１０により制御された対象装置２０の位置ｙ２を示す図である。同図では、対象装置２０の位置ｙ２を実線で示し、指令位置となる指令値ｒを破線で示している。図１４ｂは、本実施形態に係る制御装置１０により制御された位置ｙ２と指令値ｒとの誤差（偏差）を示す図である。図１４ｃは、本実施形態に係る制御装置１０により制御された推力を示す図である。推力は、制御装置１０から対象装置２０に送信される制御信号である。
図１５ａは、比較例３に係る制御装置により制御された対象装置の位置ｙ２ａを示す図である。同図では、対象装置の位置ｙ２ａを実線で示し、指令位置となる指令値ｒを破線で示している。図１５ｂは、比較例３に係る制御装置により制御された位置ｙ２ａと指令値ｒとの誤差（偏差）を示す図である。図１５ｃは、比較例３に係る制御装置により制御された推力を示す図である。
図１６ａは、比較例４に係る制御装置により制御された対象装置の位置ｙ２ｂを示す図である。同図では、対象装置の位置ｙ２ｂを実線で示し、指令位置となる指令値ｒを破線で示している。図１６ｂは、比較例４に係る制御装置により制御された位置ｙ２ｂと指令値ｒとの誤差（偏差）を示す図である。図１６ｃは、比較例４に係る制御装置により制御された推力を示す図である。
本実施形態と比較例３、４とを比較すると、図１５ｂ及び図１６ｂに示す比較例３、４の位置誤差に比べ、図１４ｂに示す本実施形態の位置誤差が大幅に抑えられている。つまり、本実施形態は、比較例３、４に比べて高い指令追従性が得られることを示している（図１４ｂ、図１５ｂ、図１６ｂ参照）。
なお、図１５ｂに示すように、比較例３では、外乱に対してオフセットが発生していることがわかる。
［第３シミュレーション］
第１シミュレーションと同一の条件下において、変形例に係る制御装置及び参考例に係る制御装置をシミュレーションした。
図１７ａ乃至図１７ｃに、変形例に係る制御装置に対する第３シミュレーションの結果を表示し、図１８ａ乃至図１８ｃに、参考例に係る制御装置に対する第３シミュレーションの結果を表示する。
図１７ａは、変形例に係る制御装置により制御された対象装置の位置ｙ３を示す図である。同図では、対象装置の位置ｙ３を実線で示し、指令位置である指令値ｒを破線で示している。図１７ｂは、変形例に係る制御装置により制御された位置ｙ３と指令値ｒとの誤差（偏差）を示す図である。図１７ｃは、変形例に係る制御装置により制御された推力を示す図である。推力は、制御装置から対象装置に送信される制御信号である。
図１８ａは、参考例に係る制御装置により制御された対象装置の位置ｙ３ａを示す図である。同図では、対象装置の位置ｙ３ａを実線で示し、指令位置である指令値ｒを破線で示している。図１８ｂは、参考例に係る制御装置により制御された位置ｙ３ａと指令値ｒとの誤差（偏差）を示す図である。図１８ｃは、参考例に係る制御装置により制御された推力を示す図である。
変形例と参考例とを比較すると、図１８ｂに示す参考例の位置誤差に比べ、図１７ｂに示す変形例の位置誤差が大幅に抑えられている。つまり、変形例は、参考例に比べて高い指令追従性が得られることを示している（図１７ｂ、図１８ｂ参照）。
上述したように、実施形態に係る制御システム１００によれば、対象装置２０に対する指令値ｒを生成し、制御信号ｕと対象装置２０の物理量である位置ｙとの関係を示す動特性モデル、指令値ｒ及び物理量である位置ｙを用いたＭＰＣにより、指令速度を演算し、対象装置２０のモデル、むだ時間、指令速度及び物理量である位置ｙを用いたむだ時間補償付き速度制御により、制御信号ｕを生成して対象装置２０に出力することができる。
これにより、むだ時間による時間遅れｅ－Ｌｓを補償しつつ、ＭＰＣにより指令値と物理量である位置ｙとのずれが小さくなるように制御することが可能となる。
それゆえ、実施形態に係る制御システム１００によれば、ハイパスフィルタとローパスフィルタに対する困難な調整を要することなく、指令値ｒに対する追従性を向上させることができる。
［付記］
本実施形態における態様は、以下のような開示を含む。
（付記１）
制御信号に基づいて制御される対象装置（２０）と、
前記対象装置（２０）の物理量を測定するセンサ（３０）と、
前記物理量及び指令値に基づいて前記対象装置（２０）に前記制御信号を出力し、フィードバック制御を行う制御装置（１０）と、を備え、
前記制御装置（１０）は、
前記対象装置（２０）に対する前記指令値を生成する指令値生成部（１１）と、
前記制御信号と前記物理量との関係を示す動特性モデル、前記指令値及び前記物理量を用いたモデル予測制御により、指令速度を演算する指令速度演算部（１２）と、
前記対象装置（２０）のモデル、むだ時間、前記指令速度及び前記物理量を用いたむだ時間補償付き速度制御により、前記制御信号を生成して前記対象装置（２０）に出力する制御信号生成部（１３）と、
を有する、
制御システム（１００）。
（付記２）
制御信号に基づいて制御される対象装置（２０）と、
前記対象装置（２０）の物理量を測定するセンサ（３０）と、
前記物理量及び指令値に基づいて前記対象装置（２０）に前記制御信号を出力し、フィードバック制御を行う制御装置（１０）と、を備え、
前記制御装置（１０）は、第１制御装置と、前記対象装置（２０）及び前記センサ（３０）と同じ領域に設けられる第２制御装置とを備え、
前記第１制御装置が、
前記対象装置（２０）に対する前記指令値を生成する指令値生成部（１１）と、
前記制御信号と前記物理量との関係を示す動特性モデル、前記指令値及び前記物理量を用いたモデル予測制御により、指令速度を演算して前記第２制御装置に出力する指令速度演算部（１２）と、を有し、
前記第２制御装置が、
前記対象装置（２０）のモデル、前記指令速度及び前記物理量を用いた速度制御ループにより、前記制御信号を生成して前記対象装置（２０）に出力する制御信号生成部（１３）、を有する、
制御システム（１００）
（付記３）
センサにより測定される対象装置（２０）の物理量及び指令値に基づいて前記対象装置（２０）に制御信号を出力し、フィードバック制御を行う制御装置（１０）であって、
前記制御信号に基づいて制御される前記対象装置（２０）に対する前記指令値を生成する指令値生成部（１１）と、
前記制御信号と前記物理量との関係を示す動特性モデル、前記指令値及び前記物理量を用いたモデル予測制御により、指令速度を演算する指令速度演算部（１２）と、
前記対象装置（２０）のモデル、むだ時間、前記指令速度及び前記物理量を用いたむだ時間補償付き速度制御により、前記制御信号を生成して前記対象装置（２０）に出力する制御信号生成部（１３）と、
を備える制御装置（１０）。
（付記４）
センサ（３０）により測定される対象装置（２０）の物理量及び指令値に基づいて前記対象装置（２０）に制御信号を出力し、フィードバック制御を行う制御装置（１０）で実行される制御方法であって、
前記制御信号に基づいて制御される前記対象装置（２０）に対する前記指令値を生成することと、
前記制御信号と前記物理量との関係を示す動特性モデル、前記指令値及び前記物理量を用いたモデル予測制御により、指令速度を演算することと、
前記対象装置（２０）のモデル、むだ時間、前記指令速度及び前記物理量を用いたむだ時間補償付き速度制御により、前記制御信号を生成して前記対象装置（２０）に出力することと、
を含む制御方法。
（付記５）
センサにより測定される対象装置（２０）の物理量及び指令値に基づいて前記対象装置（２０）に制御信号を出力し、フィードバック制御を行う制御装置（１０）を、
前記制御信号に基づいて制御される前記対象装置（２０）に対する前記指令値を生成する指令値生成部（１１）、
前記制御信号と前記物理量との関係を示す動特性モデル、前記指令値及び前記物理量を用いたモデル予測制御により、指令速度を演算する指令速度演算部（１２）、
前記対象装置（２０）のモデル、むだ時間、前記指令速度及び前記物理量を用いたむだ時間補償付き速度制御により、前記制御信号を生成して前記対象装置（２０）に出力する制御信号生成部（１３）、
として機能させる制御プログラム。
１０…制御装置、１０ａ…ＣＰＵ、１０ｂ…ＲＡＭ、１０ｃ…ＲＯＭ、１０ｄ…通信部、１０ｅ…入力部、１０ｆ…表示部、１１…指令値生成部、１２…指令速度演算部、１３…制御信号生成部、１４…取得部、２０…対象装置、３０…センサ、１００…制御システム

Claims (8)

  1. 制御信号に基づいて制御される対象装置と、
    前記対象装置の物理量を測定するセンサと、
    前記物理量及び指令値に基づいて前記対象装置に前記制御信号を出力し、フィードバック制御を行う制御装置と、を備え、
    前記制御装置は、
    前記対象装置に対する前記指令値を生成する指令値生成部と、
    前記制御信号と前記物理量との関係を示す動特性モデル、前記指令値及び前記物理量を用いたモデル予測制御により、指令速度を演算する指令速度演算部と、
    前記対象装置のモデル、むだ時間、前記指令速度及び前記物理量を用いたむだ時間補償付き速度制御により、前記制御信号を生成して前記対象装置に出力する制御信号生成部と、
    を有する、
    制御システム。
  2. 前記むだ時間補償付き速度制御は、ＰＩ制御を含む、
    請求項１記載の制御システム。
  3. 前記むだ時間補償付き速度制御は、モデル追従型の２自由度制御を含む、
    請求項１記載の制御システム。
  4. 制御信号に基づいて制御される対象装置と、
    前記対象装置の物理量を測定するセンサと、
    前記物理量及び指令値に基づいて前記対象装置に前記制御信号を出力し、フィードバック制御を行う制御装置と、を備え、
    前記制御装置は、第１制御装置と、前記対象装置及び前記センサと同じ領域に設けられる第２制御装置とを備え、
    前記第１制御装置が、
    前記対象装置に対する前記指令値を生成する指令値生成部と、
    前記制御信号と前記物理量との関係を示す動特性モデル、前記指令値及び前記物理量を用いたモデル予測制御により、指令速度を演算して前記第２制御装置に出力する指令速度演算部と、を有し、
    前記第２制御装置が、
    前記対象装置のモデル、前記指令速度及び前記物理量を用いた速度制御ループにより、前記制御信号を生成して前記対象装置に出力する制御信号生成部、を有する、
    制御システム。
  5. 前記速度制御ループは、モデル追従型の２自由度制御を含む、
    請求項４記載の制御システム。
  6. センサにより測定される対象装置の物理量及び指令値に基づいて前記対象装置に制御信号を出力し、フィードバック制御を行う制御装置であって、
    前記制御信号に基づいて制御される前記対象装置に対する前記指令値を生成する指令値生成部と、
    前記制御信号と前記物理量との関係を示す動特性モデル、前記指令値及び前記物理量を用いたモデル予測制御により、指令速度を演算する指令速度演算部と、
    前記対象装置のモデル、むだ時間、前記指令速度及び前記物理量を用いたむだ時間補償付き速度制御により、前記制御信号を生成して前記対象装置に出力する制御信号生成部と、
    を備える制御装置。
  7. センサにより測定される対象装置の物理量及び指令値に基づいて前記対象装置に制御信号を出力し、フィードバック制御を行う制御装置で実行される制御方法であって、
    前記制御信号に基づいて制御される前記対象装置に対する前記指令値を生成することと、
    前記制御信号と前記物理量との関係を示す動特性モデル、前記指令値及び前記物理量を用いたモデル予測制御により、指令速度を演算することと、
    前記対象装置のモデル、むだ時間、前記指令速度及び前記物理量を用いたむだ時間補償付き速度制御により、前記制御信号を生成して前記対象装置に出力することと、
    を含む制御方法。
  8. センサにより測定される対象装置の物理量及び指令値に基づいて前記対象装置に制御信号を出力し、フィードバック制御を行う制御装置を、
    前記制御信号に基づいて制御される前記対象装置に対する前記指令値を生成する指令値生成部、
    前記制御信号と前記物理量との関係を示す動特性モデル、前記指令値及び前記物理量を用いたモデル予測制御により、指令速度を演算する指令速度演算部、
    前記対象装置のモデル、むだ時間、前記指令速度及び前記物理量を用いたむだ時間補償付き速度制御により、前記制御信号を生成して前記対象装置に出力する制御信号生成部、
    として機能させる制御プログラム。
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