JP2921056B2 - 速度指令の補正による学習制御装置 - Google Patents

速度指令の補正による学習制御装置

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Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、繰り返し動作をする工作機械、ロボット等
の制御装置に関する。
〔従来の技術〕
繰り返し目標値に対する学習制御系の設計法として
は、本出願人が特開平1−237701号公報において提案し
た方式がある。
この方式は、同じ目標値に対する動作を繰り返し、過
去の偏差をもとに未来の偏差を予測し、その値が最小と
なるように制御入力を補正していくというもので、最終
的には目標値と出力が一致するため、高精度な追従動作
が実現される。
〔発明が解決しようとする課題〕
ところが、上述の方式をモータの位置追従制御に適用
した場合、位置指令を補正することになるため、補正演
算は位置ループを制御するコントローラあるいはその前
段で行わなければならず、目標位置指令を取得する必要
があった。
そこで本発明は、位置指令を利用せずに、その位置指
令にモータの位置を追従させる学習制御則を実現できる
方式を提供することを目的とする。
〔課題を解決するための手段〕
上記問題点を解決するため、本発明は、同じパターン
を繰り返す目標位置指令にモータの位置を追従させるよ
う、モータへ入力を与える制御系において、 検出したモータの位置と目標位置指令との差を速度指
令として入力し、この入力信号から未来の速度指令を予
測し、その値が最小となるように現在の速度指令に対す
る補正速度指令を出力する学習コントローラと、 前記補正速度指令を入力し、前記モータを駆動する速
度コントローラを備えたとを特徴とするものである。
〔作用〕
上記手段により、モータの位置検出器により検出した
モータの位置と目標位置指令との差を速度指令として、
その速度指令は速度コントローラへではなく学習コント
ローラへ入力され、この学習コントローラ内では、未来
の速度指令を予測し、その値が最小となるように現在の
速度指令の補正を行い、その補正速度指令を該速度コン
トローラへ入力するように動作する。
つまり、位置指令自体は用いず、目標位置とモータの
位置との差によって与えられる速度指令を補正すること
により、最終的には速度指令、すなわち、位置偏差はゼ
ロとなる。
〔実施例〕
以下、本発明の具体的実施例を第1図、第2図に示し
て説明する。第1図は、本発明の学習コントローラをモ
ータの位置制御に適用した場合の構成図である。
図中6は減算器で、位置指令rと位置xとの偏差eを
出力する。2は乗算器であり、減算器6で得られた偏差
eにKpを乗じた値を速度指令zとして出力する。1は学
習コントローラで、速度指令zを受け取り、補正速度指
令uを出力する。3は速度コントローラでモータ4の速
度制御を行う。5はモータ4の速度vと位置xとを関係
づける積分器である。ここで、学習コントローラ1を取
り除いて速度指令zをそのまま速度コントローラ3へ入
力すると、通常の位置制御の構成となり、これらは従来
のシステムをそのまま利用できる。
学習コントローラ1の内部構成図を第2図に示す。図
中11は演算器であり、 なる演算によって、k回目試行時の時刻iにおける補正
速度指令の補正値σ(i)を算出する。ここで、zk−1
(i+m)はk−1回目試行時の時刻i+mにおける速
度指令、zk(i)とzk−1(i)はk回目とk−1回目
試行時の時刻iにおける速度指令、σ(i−n)はk回
目試行時の時刻i−nにおける補正値である。係数qm,
Q,gnは未来時刻i+1からi+Mまでの速度指令予測値
の重み付二乗和を最小とするように決定される定数であ
る。
また、12は、定数q1,q2,…,qM,Q,g1,g2,…,gN-1を記
憶するメモリ、13は、前回の試行の時刻iから現在時刻
iまでの速度指令値(zk-1(i)〜zk(i))を記憶す
るメモリ、14は、現在時刻iに至るまでの補正値(σ
(j),j=i−1,i−2,‥,i−N+1)を記憶するメモ
リ、15は、前回の試行の時刻iから現在時刻iまでの補
正速度指令値(uk-1(i)〜uk(i))を記憶するメモ
リである。
さらに、16は現在時刻iにおける補正値σ(i)と、
前回の試行の時刻iの補正速度指令値uk-1(i)とを加
算して、今回の補正速度指令値uk(i)を出力する加算
器である。
17はA/D変換器、18はD/A変換器であり、19、20はサン
プリング周期Tで閉じるサンプラであり、サンプラ19と
A/D変換器17とで連続時間アナログ信号を離散時間ディ
ジタル信号に変換し、サンプラ20とD/A変換器18とで離
散時間ディジタル信号を連続時間アナログ信号に変換す
る。
(1)式の導出を行う。
いま時刻iにおける補正速度指令u(i)を uo(i)=z(i) (2a) uk(i)=uk-1(i)+σ(i) (k=1,2,…)
(2b) と与えるものとする。ただし、kは試行の回数を表す。
ここで、学習コントローラ内部の信号zk(i)、σ
(i)のところでループを切り、補正速度指令uk(i)
を入力とし、速度指令zk(i)を出力とする制御対象を
考える(第3図)。この制御対象は、D/A変換器18、速
度コントローラ3、モータ4、積分器5、減算器6、乗
算器2、A/D変換器17、および、サンプラ18、19を含ん
でいる。なお、位置指令rはゼロとする。
また、前回の試行の時刻iでは、第4図の関係が成り
立つため、第3図、第4図より第5図の関係が得られ
る。ただし、δ(i)は δ(i)=zk(i)−zk-1(i) (3) と定義される。
インパルス応答モデルによりδ(i)は次式で表すこ
とができる。
ただし、dk(i)は推定誤差であり、Hj(j=1,2,
…)は第3図で定義した制御対象の重み系列(インパル
ス応答)あるいは単位ステップ応答サンプル値のサンプ
リング周期間の増分値である。ここでの制御対象は第1
図の積分器5による積分特性を持つためHjは第6図のよ
うな形となる。NはHj≒HN(j>N)となるように選ぶ
ものとする。
さらに、時刻i+mのδ(i+m)は次式で表され
る。
いま時刻iにおいて、推定誤差がdk(i)=dk(i+
m)であり、さらに、未来の補正値σ(i+m)(m=
1,2,…,M)をゼロと仮定すると、未来のδ(i+m)
(m=1,2,…,M)は上の2式により次式で予測される。
ここで、未来時刻i+mでの速度指令zk(i+m)
は、(3)式より で予測される。
第1図より速度指令zは、位置偏差にKpを乗じたもの
であるから、未来時刻i+Mまでの位置偏差を小さくす
るための指標として、次の評価関数J を考え、この評価関数Jが最小となるように補正値σ
(i)を選ぶものとする。ここでWmは、未来時刻i+m
における速度指令値の予測値zk(i+m)に掛ける重み
係数であり、その一例を第7図に示す。
いま式∂J/∂σ(i)=0は、未知数σ(i)に関す
る1次の代数方程式となるため、Jを最小にするσ
(i)は簡単に求められ、結局、時刻iにおける補正値
σ(i)は、次式で与えられる。
ただし、 であり、これらの定数は、制御対象の重み系列を測定
し、重み係数Wmを適当に与えてやることにより、あらか
じめ算出される。
以上で、(1)式で与えられる補正値σ(i)が、
(6)式の評価関数Jを最小にすることが示された。
サンプラ19、20の閉じるタイミングは、学習演算を行
うCPUの内部クロックにより決定しても良いし、他の軸
と同期運転を行う場合には、他の軸のモータに付いてい
る位置検出器からの信号により決定しても良い。
1回の試行を開始するタイミングは、位置ループを制
御する、すなわち、位置指令からモータの位置を減算す
るCPUからの信号により決定しても良いし、他の軸のモ
ータに付いている位置検出器からの信号により決定して
も良い。
十分な試行を経て、速度指令値zがあらかじめ設定さ
れた値以内に収束した時、すなわち、位置偏差eがある
値以下になった時は、記憶されている1試行分の補正速
度指令を用いて、メモリ運転を行っても良い。この時の
構成を第8図に示す。
また、学習を行わない通常動作時には、学習コントロ
ーラは、入力した速度指令zの値をそのまま補正速度指
令uとして出力してやれば良い。
〔発明の効果〕
以上述べたように、本発明によれば、同じパターンを
繰り返す位置指令に対して、位置指令とモータの位置と
の差を速度指令とし、その速度指令を学習コントローラ
へ入力し、この学習コントローラ内では、未来の速度指
令を予測し、その値が最小となるように現在の速度指令
の補正を行い、その補正速度指令を該速度コントローラ
へ入力するため、位置偏差の計算は従来のコントローラ
をそのまま流用でき、学習コントローラは位置指令を必
要とせず、最終的には、位置指令に対して、追従精度が
格段に良い制御系が実現されるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明の基本概念図、第2図は学習コントロー
ラの内部構成を示す図、第3図は入力をuk(i)とした
制御対象を示す図、第4図は入力をuk-1(i)とした制
御対象を示す図、第5図は入力をσ(i)とした制御対
象を示す図、第6図、第7図は本発明の動作を説明する
図、第8図は本発明のメモリ運転を示す図である。 1……学習コントローラ 2……乗算器 3……速度コントローラ 4……モータ 5……積分器 6……減算器
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.6 識別記号 FI H02P 5/00 H02P 5/00 Q (58)調査した分野(Int.Cl.6,DB名) G05B 19/404 G05B 13/02 G05D 3/12 H02P 5/00

Claims (3)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】同じパターンを繰り返す目標位置指令にモ
    ータの位置を追従させるよう、モータへ入力を与える制
    御系において、 検出したモータの位置と目標指令との差を速度指令とし
    て入力し、現在の速度指令に対する補正速度指令を出力
    する学習コントローラであって、補正速度指令を入力と
    し速度指令を出力とする積分特性を持った制御対象の動
    特性に関する情報と現在時刻の速度指令と前回試行時の
    速度指令と現在時刻に至るまでの過去の補正速度指令と
    による未来の速度指令を予測し、その速度指令予測値の
    重み付き二乗和を最小とするように現在時刻の補正速度
    指令を決定する学習コントローラと、 前記補正速度指令を入力し、前記モータを駆動する速度
    コントローラを備えたことを特徴とする速度指令の補正
    による学習制御装置。
  2. 【請求項2】前記学習コントローラは、アナログ電圧で
    受け取った速度指令をA/D変換器によりサンプリング
    し、学習演算によって決定された補正速度指令をD/A変
    換器によってアナログ電圧として出力し、 初回の試行においては、時刻iにおける補正速度指令uo
    (i)を、 uo(i)=z(i) とし、それ以降のk回目の試行においては、 uk(i)を、 uk(i)=uk-1(i)+σ(i)(k=1,2,・・・・
    ・) (ただし、u、σ、zは、それぞれ補正速度指令、補正
    値、速度指令であり、添字k,k−1は試行の回数を表
    し、qm、Q、gnは、制御対象の動特性に関する情報と、
    予測される未来の速度指令に掛ける重みによって決定さ
    れる定数である) とすることにより速度指令を決定するものである請求項
    1記載の速度指令の補正による学習制御装置。
  3. 【請求項3】十分な試行を経て、速度指令値zがあらか
    じめ設定された値以内に収束した後は、メモリに記憶さ
    れている1試行分の補正速度指令を用いて、メモリ運転
    を行うことを特徴とする請求項1記載の速度指令の補正
    による学習制御装置。
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