JP3804060B2 - フィードバック制御装置 - Google Patents

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Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、制御器あるいは制御対象に遅れ要素が存在するフィードバック制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
サーボやプロセス制御などほとんどの制御系において制御器あるいは制御対象にむだ時間やフィルタなどの遅れ要素が存在する。図３は普通のフィードバック制御系のブロック線図である。
図３において、２はメイン制御器（例えばPID制御器など）、３は制御器の遅れ要素、４は制御対象の遅れ要素、５は制御対象の遅れがない要素である。このような制御系では、遅れ要素の位相が遅れるため、制御器のゲインを上げられなく十分な応答特性が得られない。ここに、位相遅れに対する補償制御が必要になってくる。
従来、位相遅れを補償するため図４のように位相進み補償要素１２を直列に加えることがよく用いられている。Ｔa＞ＴbのようにＴa、Ｔbを適当に設定すれば、位相進み補償要素１２の位相が進みとなり、メイン制御器２のゲインを上げられ、制御性能をアップすることができる。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前記従来の位相補償制御法では、位相進み補償要素の高周波数域でのゲインが大きくなるので、高周波数の振動を起こしやすい。
この発明は、前記従来技術の有する問題点を解消するため、制御器あるいは制御対象に遅れ要素が存在する制御システムに対して、高周波数の振動を起こさないように遅れ要素の位相遅れを補償し、制御出力を目標入力に精度よく追従できる制御装置を提供することを目的とする。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
前記の目的を達成するために、本発明は、制御器あるいは制御対象に遅れ要素が存在する制御システムに対して、制御出力を目標入力に追従させるフィードバック制御を行う制御装置において、制御出力とオブザーバの出力の差を前記オブザーバの補償器１１に入力し、前記オブザーバの補償器１１の出力とメイン制御器２の出力を加算して制御対象の遅れがない要素のモデル７に入力し、前記制御対象の遅れがない要素のモデル７の出力を前記制御器の遅れ要素のモデル８および前記制御対象の遅れ要素のモデル９に通した信号を前記オブザーバの出力とするようにオブザーバを構成し、前記目標入力から前記制御対象の遅れがない要素のモデル７の出力を減じて前記メイン制御器２に入力し、前記メイン制御器２の出力を前記制御器の遅れ要素３に通した信号を制御入力とし、制御対象を制御することを特徴とする制御装置である。
【０００５】
【発明の実施の形態】
本発明の実施形態を図において説明する。図１は本発明制御系の構成原理を示すブロック線図である。図１において、２はメイン制御器、３は制御器の遅れ要素、４は制御対象の遅れ要素、５は制御対象の遅れがない要素、７は制御対象の遅れがない要素のモデル、８は制御器の遅れ要素のモデル、９は制御対象の遅れ要素のモデル、１１はオブザーバの補償器である。
一般的に、制御器を構成する際にノイズなど除去するためフィルタを入れておく必要がある。また、制御対象において制御入力あるは制御出力にむだ時間要素や一次遅れ要素などが存在している。これらの遅れ要素を分離しないと、安定性かつ制御性能を同時に満たすようにメイン制御器を構成することが困難である。そこで、制御器をメイン制御器２と制御器の遅れ要素３に分け、メイン制御器の出力ｕ1と制御出力ｙに基づいて制御器の遅れ要素を含むオブザーバを構成し、オブザーバの遅れがない出力をフィートバック信号ｙfとする。
具体的に、メイン制御器２の出力ｕ1とオブザーバの補償器１１の出力を加算し、制御対象の遅れがない要素のモデル７に入力する。制御対象の遅れがない要素のモデル７の出力は一方では制御系のフィードバック信号ｙfとし、目標入力ｒからフィードバック信号ｙfを減算器１で減算した信号をメイン制御器２に入力し、メイン制御器２の出力ｕ1を、制御器の遅れ要素３に通してから制御対象に入力して制御対象を制御し、他方では制御器の遅れ要素のモデル８および制御対象の遅れ要素のモデル９を通してから減算器１０に入力し、制御出力ｙから減算された信号をオブザーバの補償器１１に入力する。
図１より、制御系の開ループにおいて、メイン制御器２の出力ｕ1からフィードバック信号ｙfまでの伝達関数は
【０００６】
【数１】
Figure 0003804060
【０００７】
であるため、図１の制御系を等価的に図２のように書き直すことができる。図２により、フィードバック制御系の安定性は遅れがない系と同様になり、メイン制御器２のゲインを上げることができる。また、目標入力ｒから制御出力ｙまでの伝達関数は
【０００８】
【数２】
Figure 0003804060
【０００９】
となるので、メイン制御器２のゲインを上げることにより出力ｙを目標入力ｒに精度よく追従することができる。
なお、オブザーバのループには遅れ要素があるが、式２より、入出力特性はオブザーバの補償器１１と関係しないため、オブザーバの補償器１１のゲインを低く設定しても構わない。従って、安定なオブザーバを容易に構成できる。
【００１０】
【発明の効果】
以上のように本発明は、制御器の遅れ要素を含むオブザーバを構成し、オブザーバの遅れない出力をフィードバック信号とすることにより、制御系がフィードバック制御部分とオブザーバ部分に分離される。フィードバックループの安定性は遅れがない系と同様となり、制御ゲインを上げられるため、制御系の応答性能をアップすることができる。一方、オブザーバのループには遅れ要素があるが、オブザーバの補償器が入出力特性に影響しないため、オブザーバの補償器のゲインを低く設定しても構わないので、安定なオブザーバを容易に構成できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の制御系の構成原理を示すブロック線図
【図２】図１の等価ブロック線図
【図３】通常のフィードバック制御系のブロック線図
【図４】従来の位相進み補償制御系のブロック線図
【符号の説明】
１、１０ 減算器
２ メイン制御器
３ 制御器の遅れ要素
４ 制御対象の遅れ要素
５ 制御対象の遅れがない要素
６ 加算器
７ 制御対象の遅れがない要素のモデル
８ 制御器の遅れ要素のモデル
９ 制御対象の遅れ要素のモデル
１１ オブザーバの補償器
１２ 位相進み補償要素

Claims (1)

  1. 制御器あるいは制御対象に遅れ要素が存在する制御システムに対して、制御出力を目標入力に追従させるフィードバック制御を行う制御装置において、
    制御出力とオブザーバの出力の差を前記オブザーバの補償器１１に入力し、前記オブザーバの補償器１１の出力とメイン制御器２の出力を加算して制御対象の遅れがない要素のモデル７に入力し、前記制御対象の遅れがない要素のモデル７の出力を前記制御器の遅れ要素のモデル８および前記制御対象の遅れ要素のモデル９に通した信号を前記オブザーバの出力とするようにオブザーバを構成し、
    前記目標入力から前記制御対象の遅れがない要素のモデル７の出力を減じて前記メイン制御器２に入力し、前記メイン制御器２の出力を前記制御器の遅れ要素３に通した信号を制御入力とし、制御対象を制御することを特徴とするフィードバック制御装置。
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