JP4415424B2 - 機械システムの同定装置 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば、工作機械におけるテーブルやロボットのアームのような負荷機械を駆動する電動機(直流電動機、誘導電動機、同期電動機、リニアモータなど)の制御調整装置に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
従来例の構成を、図9を参照しながら説明する。図9は、例えば、特開平9-131087で公開された従来の電動機の制御装置を示すブロック図である。図9において、40はサーボシステム、41はコントローラ、42は近似モデル、43はモデル同定部、44は制御ゲイン調整部、45は切り換え手段、46は規範モデル、47は評価値演算部である。
次に、上述した従来例の動作について説明する。
図9に示すように、従来例の近似モデル42を作成するためのモデル同定部43と遺伝アルゴリズムの手法を用いて制御ゲインの自動調整を行う制御調整装置44を有する。モデル同定部43に関しては、調整を行うに妥当なモデルを近似モデル42に予め設定しており、未知の定数のみを最小二乗法等により同定する。制御ゲイン調整装置44については、遺伝アルゴリズム(Genetic Algorithm以下、GAと略す)を利用して、制御ゲインの最適化を行う。また、調整後は制御対象側へ切り換え、通常運転に入る。前記の調整装置および調整方法により、局所解に陥ることなく、しかも高速にサーボ系の制御ゲインを最適に調整できる。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の制御装置では、制御ゲインの最適化を行う時にもかかわらず、実コントローラ41を利用するので、応用上には不便が生じる場合がある。また、同定用指令は実指令と同一であるので、指令の変更などが困難であり、よって調整時間が長くかかるなどの問題があった。なお、従来の遺伝的アルゴリズム(以下、GAと略す)を用いて最適化するとき、乱数指針の変化により評価関数値の収束状況が大きく左右されている。すなわち、最適化判断条件に達する調整時間にばらつきが激しいという問題があった。
本発明が解決すべき課題は、制御ゲインを自動的にかつより高速にかつ最適に調整することにある。
【0004】
【課題を解決するための手段】
上記問題を解決するため、本発明の請求項1における機械システムの同定装置は、以下に述べるような手段を備えるものである。
1)負荷機械、伝達機構、電動機、動力変換装置により構成される機械システムの状態量の少なくとも一部を観測し、実応答信号を提供する実観測器。
2)実指令信号を提供する指令発生器。
3)実指令信号と実応答信号とに基づいて前記電動機に実トルク信号を提供する実制御器。
4)実トルク信号に基づいて、実応答保存器にトルク信号を提供する第1前処理器。
5)実応答信号に基づいて、実応答保存器に位置応答信号及び速度応答信号を提供する第2前処理器。
6)実応答保存器。
7)少なくとも1回の積分演算より構成され、実応答保存器からトルク信号を読み込み、模擬パラメータに基づいて、模擬位置応答信号と模擬速度応答信号とを提供する模擬回路。
8)実応答保存器から読み込まれた位置応答信号及び速度応答信号と模擬位置応答信号と模擬速度応答信号とに基づいて、評価値を提供する評価関数器。
9)遺伝アルゴリズムに基づいて、前記評価値を最適化するように、前記模擬回路の模擬パラメータを調整し、最適模擬パラメータを提供するトータル調整装置。
本発明の請求項2における機械システムの同定装置は、更に、以下に述べるような手段を備えるものである。
1)少なくとも2回の積分演算より構成され、トルク信号と模擬ねじりトルク信号とに基づいて第1模擬位置信号と第1模擬速度信号とを提供する第1慣性系模擬回路。
2)第1模擬位置信号と第2模擬位置信号とに基づいて模擬ねじりトルク信号を提供する第1ばね系模擬回路。
3)模擬ねじりトルク信号に基づいて第2模擬位置信号と第2模擬速度信号とを提供する第2慣性系模擬回路。
4)第1慣性系模擬回路と第2慣性系模擬回路との状態量の一部を観測し、模擬位置応答信号と模擬速度応答信号を提供する模擬観測器。
本発明の請求項3における機械システムの同定装置は、更に、以下に述べるような手段を備えるものである。
1)第1前処理器が、第1カット周波数を持つ第1フィルタから構成される。
2)第2前処理器が、第1カット周波数を持ち、位置応答信号を提供する第2フィルタと、第1カット周波数を持ち、速度応答信号を提供する第2擬似微分器。
【0005】
【発明の実施の形態】
[実施例1]
以下、本発明の実施例を図に基づいて詳細に説明する。
まず、本発明の第1実施例を、図1、図2に基づいて説明する。
図1は、第1実施例の全体構成を示すブロック図である。図1において、負荷機械1と伝達機構2と電動機3と動力変換装置4とから構成された機械システム5と、
実観測器6と、指令発生器7と、実制御器8と、第1前処理器9と、第2前処理器10と、実応答保存器11と、模擬回路12と、評価関数器13と、トータル調整装置14とから構成されている。システム5と実観測器6と指令発生器7と実制御器8とは従来装置のものと同一である。
第1前処理器9は、連続または離散信号τM(t)を一定のサンプル間隔T毎に離散信号τM(k)に変換し、τM(k)をデータ行列として実応答保存器11に保存するものである。
第2前処理器10は、まず、連続または離散的な応答信号θM(t)をサンプル間隔T毎に離散信号θM(k)に変換する。次に、(1)式を計算し、
【0006】
【数1】
【0007】
その値をωM(k)とする。最後に、θM(k)とωM(k)とを2つのデータ行列として実応答保存器11に保存するものである。
実応答保存器11は、P組の、τm(k)、θm(k)、ωm(k)データを保存できる保存器(例えば、メモリ)である。
図2は、模擬回路12の構成を示すブロック図である。図2に示すように、模擬回路12は、係数器21と、積分器22,23とから構成されている。模擬回路12において、与えられたJmiを用いて、実応答保存器11に保存されたτM(k)のデータに対して、1つずつ、図に示す所定の計算を行い、θM^(k)、ωM^(k)を計算し、評価関数器13に提供する。
評価関数器13は、模擬回路12からθM^(k)、ωM^(k)を、実応答保存器11からθM (k)、ωM (k)を読み込み、式(2)所定の計算を行う。計算された評価関数値Jiをトータル調整装置14に提供する。
【0008】
【数2】
【0009】
トータル調整装置14は、評価関数値Jiに対して、特開平9-131087で公開されたGA調整方法で、Jiを最小化するものである。そのGA調整方法の最適化判定条件が満足されたときJmiは、同定された最適模擬パラメータである。最適化判定条件は、世代数が2000に達することである。
[実施例2]
次に、本発明の第2実施例を、図1、図3に基づいて説明する。
図3は、第2の実施例の全体構成を示すブロック図である。図3において、本発明の実施例は、
負荷機械1と伝達機構2と電動機3と動力変換装置4とから構成されたシステム5と、
実観測器6と、指令発生器7と、実制御器8と、第1前処理器9と、第2前処理器10と、実応答保存器11と、模擬回路12と、評価関数器13と、トータル調整装置14とから構成されている。システム5と観測器6と指令発生器7と実制御器8と第1前処理器9と第2前処理器10と実応答保存器11と評価関数器13とは実施例1の装置のものと同一である。第1の実施例と異なるのは、模擬回路30の構成である。
図4は、模擬回路30の構成を示すブロック図である。図4に示すように、模擬回路30は、係数器30b、30f、30gと、積分器30c,30d,30h,30iと、比較器30a,30eと、模擬観測器30jから構成されている。模擬回路30において、与えられたパラメータPiを用いて、係数器30b、30f、30gの係数Jmi、JLi、Kciを更新し、実応答保存器11に保存されたτM(k)のデータに対して、1つずつ、図4に示す所定の計算を行い、θM^(k)、ωM^(k)を計算し、評価関数器13に提供する。
トータル調整装置31は、評価関数値Jiに対して、特開平9-131087で公開されたGA調整方法で、Jiを最小化するものである。そのGA調整方法の最適化判定条件が満足されたときPi(Jmi、JLi、Kciを含む)は、同定された最適模擬パラメータ行列である。最適化判定条件は、世代数が2000に達することである。
[実施例3]
次に、本発明の請求項3に関する実施例を、図5、6を参照しながら説明する。
本発明の実施例の全体は、図1または図2のように構成される。ただし、第1前処理器9と、第2前処理器10とは、それぞれ、図5、6のように構成されるものである。
図5は、第1前処理器9を示すブロック図である。図5において、第1前処理器9は、第1カット周波数fを持つ一次フィルタ9a通じて、トルク信号τM(t)をデータ行列τM(k)に変換し、実応答保存器11に提供する。
図6は、第2前処理器10を示すブロック図である。図6において、第2前処理器10は、第1カット周波数fを持つ一次フィルタ10a、擬似微分器10b通じて、応答信号θM(t)をデータ行列θM(k)、ωM(k)に変換し、実応答保存器11に提供する。
[実施例4]
次に、本発明の請求項4に関する実施例を、図7を参照しながら説明する。
本発明の実施例の全体は、図1または図2のように構成される。ただし、トータル調整装置14は、図7のように構成されるものである。
図7は、トータル調整装置14のフローチャートを示す。トータル調整装置14は、第0工程〜第10工程で構成されている。第0、2〜6、9、10工程は従来の従来装置のものと同一である。また、最適化判定条件は、前記第1工程〜第9工程の繰り返す回数が2000に達することである。
第1工程は、まず、親集団から、第i親個を選択し、それが代表する模擬回路の模擬パラメータ行列を、模擬回路12、または、30に提供する。次に、評価関数器13から評価値を読み込み、第i個の評価値Jiとする。その作業を繰り返し、親集団のすべての親の評価値を生成する。更に、次計算式で、各親の適応度を計算する。
【0010】
【数3】
【0011】
ただし、は十分小さいな定数を表す。
第7工程は、親集団から、(3)式で計算された適応度が最も高い親を選択し、それをエリートとする。エリートを子集団の第1子にコピーする。
第8工程は、まず、エリートを子集団の第2子にコピーする。子集団の第2子の各bitに対して、第4工程で使われている第1突然変異確率と異なる第2突然変異確率で、逆転させる。
[実施例5]
上述第8工程は、GAを利用した他の同定装置及び方法にも容易に利用できるものである。
[実施例6]
次に、本発明の請求項6に関する実施例を、図8を参照しながら説明する。
本発明の実施例の全体は、図1または図2のように構成される。ただし、トータル調整装置14は、図8のように構成されるものである。
第11工程は、上述第0工程の操作を行うと共に、移住確率をNに、村数をMに設定する。
第12工程は、上述第11工程で設定されたS個の親を有する親集団SSを(4)式のように、M個の村MS1、MS2、…、MSMに分ける。ただし、Pijは、各親を表すデータ行列である。
【0012】
【数4】
【0013】
第13工程は、指定されたiに基づいて、村MSiに対して、上述第1工程〜第9工程の操作を行う。
第14工程は、iを1からMまで、指定し、前記第13工程を繰り返す。その後、次工程に入る。
第15工程は、M個の村MS1、MS2、…、MSMから、MSi、MSjを乱数的に選択し、村ペアにする。
第16工程は、村ペアMSi、MSjから、それぞれの適応度が最も高い親Pik、Pjnを選択し、親ペアにする。次に、親ペアPik、Pjnに対して、第14工程を行い、移民子ペアK1、K2を生成する。
第17工程は、移住確率Nで、移民子K1を村MSiの第3親に、移民子K2を村MSjの第3親にコピーする。
第18工程は、最適化判断条件が満足されるまで、前記第13工程〜第17工程を繰り返す。最適化判断条件が満足されたとき、前記各村のエリートの適応度を比較し、最適な適応度を持つエリートを最適親として選択し、最適親が表すパラメータを最適模擬パラメータとして提供する。最適化判定条件は、前記第13工程〜第17工程の繰り返す回数が2000に達することである。
なお、上述第11、12、13〜18工程は、GAを利用した他の同定や最適化装置及び方法にも容易に利用できるものである。
なお、上述実制御器と第1前処理器と第2前処理器と実応答保存器と模擬回路と評価関数器とトータル調整装置とを複数のマイクロプロセッサで構成することが容易に実現できる。
【0014】
【発明の効果】
本発明請求項1では、システムの一定時間区間の入出力信号を、複数回ではなく、1回だけ計測すれば、システムを模擬回路のパラメータとして同定することができる。すなわち、同定システムは、より利用しやすくなり、同一な同定精度に到達までの同定時間を減らすことも可能になる。本発明請求項2では、システムを2慣性系として近似し、2慣性系模擬回路のパラメータを同定することができる。本発明請求項3では、実トルク信号と実応答信号にのせられたノイズによる同定精度の劣化を避けることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1実施例を示すブロック図である。
【図2】本発明の第1実施例の模擬回路12を示すブロック図である。
【図3】本発明の第2実施例を示すブロック図である。
【図4】本発明の第2実施例の模擬回路30を示すブロック図である。
【図5】本発明の第3実施例の第1前処理器9を示すブロック図である。
【図6】本発明の第3実施例の第2前処理器10を示すブロック図である。
【図7】本発明の第4実施例のトータル調整装置14を示すフローチャートである。
【図8】本発明の第6実施例のトータル調整装置14を示すフローチャートである。
【図9】従来技術を示すブロック図である。
【符号の説明】
1 負荷機械
2 伝達機構
3 電動機
4 動力変換回路
5 機械システム
6 実観測器
7 指令発生器
8 実制御器
9 第1前処理器
9a フィルタ
10 第2前処理器
10a フィルタ
10b 擬似微分器
11 実応答保存器
12 模擬回路
13 評価関数器
14 トータル調整装置
21 係数器
22 積分器
23 積分器
30 模擬回路
30a 減算器
30b 係数器
30c 積分器
30d 積分器
30e 減算器
30f 係数器
30g 係数器
30h 積分器
30i 積分器
30j 模擬観測器
31 トータル調整装置
40 サーボシステム
41 コントローラ
42 近似モデル
43 モデル同定部
44 制御ゲイン調整装置
45 スイッチ
46 規範応答モデル
47 評価値演算部
Claims (3)
- 負荷機械と、動力を伝達する伝達機構と、前記伝達機構を介して前記負荷機械を駆動する電動機と、実トルク信号に基づいて前記電動機に電気信号を提供する動力変換装置と、前記負荷機械、伝達機構、電動機、動力変換装置により構成される機械システムの状態量の少なくとも一部を観測し実応答信号を提供する実観測器と、実指令信号を提供する指令発生器と、前記実指令信号と前記実応答信号とに基づいて前記動力変換装置に実トルク信号を提供する実制御器とからなる機械システムの同定装置において、
前記実トルク信号に基づいて実応答保存器にトルク信号を一定のサンプル間隔毎に離散化して提供する第1前処理器と、
前記実応答信号に基づいて実応答保存器に位置応答信号と速度応答信号とを一定のサンプル間隔毎に離散化して提供する第2前処理器と、
一定のサンプル間隔毎に離散化された前記トルク信号と前記位置応答信号と速度応答信号をデータ行列として保存する実応答保存器と、
少なくとも1回の積分演算より構成され、前記実応答保存器からトルク信号を読み込み、模擬パラメータに基づいて、模擬位置応答信号と模擬速度応答信号とを提供する模擬回路と、
前記実応答保存器から読み込まれた位置応答信号及び速度応答信号と前記模擬位置応答信号と模擬速度応答信号とに基づいて評価値を提供する評価関数器と、
遺伝アルゴリズムに基づいて前記評価値を最適化するように前記模擬回路の模擬パラメータを調整し最適模擬パラメータを提供するトータル調整装置とを備えたことを特徴とする機械システムの同定装置。 - 前記模擬回路が少なくとも2回の積分演算より構成され、前記トルク信号と模擬ねじりトルク信号とに基づいて第1模擬位置信号と第1模擬速度信号とを提供する第1慣性系模擬回路と、
第1模擬位置信号と第2模擬位置信号とに基づいて模擬ねじりトルク信号を提供する第1ばね系模擬回路と、
前記模擬ねじりトルク信号に基づいて第2模擬位置信号と第2模擬速度信号とを提供する第2慣性系模擬回路と、
前記第1慣性系模擬回路と第2慣性系模擬回路との状態量の一部を観測し、模擬位置応答信号と模擬速度応答信号を前記評価関数器へ提供する模擬観測器とから構成された2慣性系模擬回路とを備えたことを特徴とする請求項1記載の機械システムの同定装置。 - 前記第1前処理器が、第1カット周波数を持つ第1フィルタから構成され、
前記第2前処理器が、第1カット周波数を持ち位置応答信号を提供する第2フィルタと、第1カット周波数を持ち、速度応答信号を提供する第2擬似微分器とを備えたことを特徴とする請求項1または2記載の機械システムの同定装置。
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