JP6409803B2 - シミュレーション装置、シミュレーション方法、制御プログラム、および記録媒体 - Google Patents
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Description
〔制御システム100の概要〕
以下、本発明の実施形態1について、図1〜図9に基づいて説明する。まず、図1を参照して本実施形態に係る制御システム100について説明する。図1は、制御システム100の概要を示す図である。制御システム100は、サーボ機構を用いて負荷装置4の動作を制御するものであり、図1に示すように、設定装置(シミュレーション装置)1、サーボドライバ(モータ制御装置)2、モータ(駆動部)3、および負荷装置4を含む。また、モータ3と負荷装置4と含めて制御対象6と呼び、制御対象6とサーボドライバ2とを含めて機械系7と呼ぶ。
次に、図2、3を参照して設定装置1およびサーボドライバ2の構成について説明する。図2は、制御システム100に含まれる、設定装置1およびサーボドライバ2の要部構成を示すブロック図である。また、図3は、サーボドライバ2における制御の構造を示す図である。
周波数特性算出部22における処理の詳細について図5〜7を参照して説明する。図5は、計測用トルク指令により周波数応答関数を算出するときの制御ブロック図である。図6は、計測用速度指令により周波数応答関数を算出するときの制御ブロック図である。図7は、計測用位置指令により周波数応答関数を算出するときの制御ブロック図である。
まず、算出方法−1について、図5を参照して説明する。図5に示すように、算出方法−1では、まず、計測用トルク指令生成部51が多くの周波数成分を含む計測用トルク指令を生成し、電流制御器33、および周波数応答関数算出部53に通知する。次に、電流制御器33は、通知された計測用トルク指令に基づき、モータ3を駆動させて負荷装置4を動作させる。
Ωact[N]:応答速度をフーリエ変換した複素数配列
P[N]=Ωact[N]/Tref[N]
f[N]=0,1/(Δt・N),2/(Δt・N),3/(Δt・N),…,(N−1)/(Δt・N) f:周波数
以上により、電流制御器33および制御対象6を含む計測対象Pmeasureの周波数応答関数Pが求められる。
次に、算出方法−2について、図6を参照して説明する。図6に示すように、算出方法−2では、まず、計測用速度指令生成部52が多くの周波数成分を含む計測用速度指令を生成し、速度制御器32、および周波数応答関数算出部53に通知する。次に、速度制御器32は、上述したように、計測用速度指令と検出速度との偏差である速度偏差から指令トルクを出力する。電流制御器33は、通知された指令トルクに基づき負荷装置4を動作させる。
Ωact[N]:応答速度をフーリエ変換した複素数配列
Gv_closed[N]=(Ωact[N])/(Ωref[N])
f[N]=0,1/(Δt・N),2/(Δt・N),3/(Δt・N),…,(N−1)/(Δt・N) f:周波数
次に、以下の通り、速度閉ループの特性Gv_closedから、計測時のサーボドライバ2の速度制御器32の特性(Cv)を除すことにより、計測対象Gv_measureの周波数応答関数Pを求める。
P[N]=(Gv_open[N])/Cv[N]
以上により、計測対象Gv_measureの周波数応答関数Pが求められる。
次に、算出方法−3について、図7を参照して説明する。図7に示すように、算出方法−3では、まず、計測用位置指令生成部54が多くの周波数成分を含む計測用位置指令を生成し、位置制御器31、および周波数応答関数算出部53に通知する。次に、位置制御器31は計測用位置指令と検出位置との偏差である位置偏差から指令速度を出力する。速度制御器32は、指令速度と検出速度との偏差である速度偏差から指令トルクを出力する。電流制御器33は、通知された指令トルクに基づき負荷装置4を動作させる。
Θact[N]:応答位置をフーリエ変換した複素数配列
Gp_closed[N]=(Θact[N])/(Θref[N])
f[N]=0,1/(Δt・N),2/(Δt・N),3/(Δt・N),…,(N−1)/(Δt・N) f:周波数
次に、以下の通り、位置閉ループの特性Gp_closedから、位置開ループGp_openの特性を求める。
次に、計測時の制御パラメータの値から、計測時の位置制御器31の特性Cpを求める。
次に、以下の通り、速度閉ループの特性Gv_closedから、計測時のサーボドライバ2の速度制御器32の特性(Cv)を除すことにより、計測対象Gv_measureの周波数応答関数Pを求める。
P[N]=(Gv_open[N])/Cv[N]
以上により、計測対象Gpv_measureの周波数応答関数Pが求められる。
次に、図8を参照してシミュレーション部23における処理の詳細を説明する。図8は、本実施形態に係る設定装置1におけるシミュレーションの内容を説明するための図である。
まず、図8(a)を参照して、シミュレーション系の基本構造(制御ブロック構造)について説明する。図8(a)に示すように、シミュレーション系の基本構造は、機械系7に対応し、モデル位置制御器31’、モデル速度制御器32’、モデル電流制御器33’、および機械モデル部34’を含む。
シミュレーション−0では、図8(b)に示すように、図8(a)に示す基本構造の全体(モデル位置制御器31’、モデル速度制御器32’、モデル電流制御器33’および機械モデル部34’)を逆フーリエ変換の対象(第1周波数伝達関数)としてシミュレーションを行う。具体的には、以下の通りである。
Gv_closed=(Gv_open)/(1+Gv_open)
Gp_open=Cp・Gv_closed・1/s (sは伝達関数の変数)
Gp_closed=(Gp_open)/(1+Gp_open)
次に、位置閉ループの周波数伝達関数Gp_closedを逆フーリエ変換して、インパルス応答gimpを求める。これは位置のインパルス指令に対する位置の応答を意味する。
次に、位置指令(時系列配列pcmd)に対する位置の応答(時系列配列psim)を、以下の計算で求める。なお、これはインパルス応答gimpの畳み込みを行っていることになる。
FOR n=0からgimpの長さの分(N)だけ繰り返し DO
psim[m+n]=psim[m+n]+pcmd[m]・gimp[n]
END FOR
END FOR
以上により、図8(a)に示す基本構造全体を周波数伝達関数に置換してシミュレーションすることができる。
シミュレーション−1では、上述したシミュレーション−0よりも、以下の点が優れている。
Gv_closed[N]=(Gv_open[N])/(1+Gv_open[N])
次に、インパルス応答算出部41は、速度閉ループの周波数伝達関数Gv_closedを、以下のように逆フーリエ変換して、インパルス応答gimpを求める。これは速度のインパルス指令に対する速度の応答を意味する。
次に、シミュレーション部23は、位置指令(時系列配列pcmd)に対する位置の応答(時系列配列psim)および速度の応答(時系列配列vsim)を、以下の計算で求める。これはインパルス応答gimpの畳み込みを行っていることになる。なお、vcmdは、モデル位置制御器31’から出力される。
perr=pcmd[m]−psim[m−1] … 位置偏差perrを算出
vcmd=Kpp・perr
FOR n=0からgv_impの長さの分(N)だけ繰り返し DO
vsim[m+n]=vcmd・gimp[n] … 畳み込み
ENDFOR
psim[m] =psim[m−1]+vsim[m]・Δt … 速度を積分して位置を算出
ENDFOR
ここで、Kppは位置比例ゲイン(制御パラメータ)、 Δtは周波数応答計測時のサンプリング間隔である。
モデル速度制御器32’のパラメータを変更せずにシミュレーションを繰り返す場合、速度閉ループの特性(周波数伝達関数)Gv_closedが一定になる。そこで、前述した算出方法−2により、速度閉ループの特性(周波数伝達関数)Gv_closedを求め、求めた速度閉ループの特性(周波数伝達関数)Gv_closedを用いて、gimpを求めてシミュレーションを実行する。これは、例えば、位置制御器31のパラメータのみを変更する場合、位置指令のみを変更する場合に有用である。
次に、図4を参照して、設定装置1において制御パラメータを調整(設定)する処理の流れを説明する。図4は、設定装置1における処理の流れを示すフローチャートである。
〔実施形態2〕
〔シミュレーション−2〕
本発明の他の実施形態について、図8(d)に基づいて説明すれば、以下のとおりである。なお、説明の便宜上、前記実施形態にて説明した部材と同じ機能を有する部材については、同じ符号を付記し、その説明を省略する。
次に、シミュレーション部23は、位置指令(時系列配列pcmd)に対する位置の応答(時系列配列psim)および速度の応答(時系列配列sim)を、以下の計算で求める。これはインパルス応答gimpの畳み込みを行っていることになる。なお、vcmdは、モデル位置制御器31’から出力され、τcmdはモデル速度制御器32’から出力される。
perr=pcmd[m]−psim[m−1] … 位置偏差perrを算出
vcmd=Kpp・perr
verr=vcmd−vsim[m−1] … 速度偏差verrを算出
τcmd=Kvp・verr
FOR n=0からgv_impの長さの分(N)だけ繰り返し DO
vsim[m+n]=τcmd・gimp[n] … 畳み込み
ENDFOR
psim[m]=psim [m−1]+vsim[m]・Δt … 速度を積分して位置を算出
ENDFOR
ここで、実施形態1と同様に、Kppは位置比例ゲイン(制御パラメータ)、 Δtは周波数応答計測時のサンプリング間隔であり、Kvpは、速度比例ゲイン(制御パラメータ)である。
ここで、シミュレーション−2に対するシミュレーション−1の利点を図10、11を参照して説明する。図10および11は、シミュレーション−1の利点を説明するための図である。
シミュレーション−2:P=1/(Js+D) →時定数J/D
シミュレーション−1:Gv_closed=Cv・P/(1+Cv・P)=Kvp/(Js+D+Kvp) →時定数J/(D+Kvp)
となる。
したがって、インパルス応答が短時間で0(零)に収束した方、すなわちシミュレーション−1の方が、短い計測データでシミュレーションを実行することができる。なお、摩擦Dが小さい制御対象ほど、時定数の差は大きくなり、計測データの点数の差は顕著になる。
〔実施形態3〕
〔シミュレーション−3〕
本発明のさらなる他の実施形態について、図12に基づいて説明すれば、以下のとおりである。なお、説明の便宜上、前記実施形態にて説明した部材と同じ機能を有する部材については、同じ符号を付記し、その説明を省略する。図12は、本実施形態におけるシミュレーション−3の内容を説明するための図である。図12に示すように、本実施形態では、シミュレーション−2の構成にフィードフォワードを追加した構成である。
perr=pcmd[m]−psim[m−1] … 位置偏差perrを算出
pcmdからvffを求める
vcmd=Kpp・perr+vff
verr=vcmd−vsim[m−1] … 速度偏差verrを算出
pcmd、およびvcmdからτffを求める
τcmd=Kvp・verr+τff
FOR n=0からgv_impの長さの分(N)だけ繰り返し DO
vsim[m+n]=τcmd・gimp[n] … 畳み込み
ENDFOR
psim[m]=psim[m−1]+vsim[m]・Δt … 速度を積分して位置を算出
ENDFOR
これにより、フィードフォワードを用いて、シミュレーションを実行することができる。また、一般にゲインスケジュールと呼ばれる、モータ動作中にゲイン(位置ゲイン、速度ゲイン:制御パラメータ)を変更する場合もシミュレーションすることができる。
なお、前述したモデルフィードフォワード部110を設けずに、図13に示すように、フィードフォワード値を独立したブロック(フィードフォワード部110’)が生成する構成であってもよい。この場合の計算方法は以下の通りである。
perr=pcmd[m]−psim[m−1]
vcmd=Kpp・perr+vff 速度指令vcmdにフィードフォワードvffを加算
verr=vcmd−vsim[m−1]
τcmd=Kvp・verr+τff トルク指令τcmdにフィードフォワードτffを加算
FOR n=0からgimpの長さの分(N)だけ繰り返し DO
vsim[m+n]=vsim[m+n]+τcmd・gimp[n]
ENDFOR
psim[m]=psim[m−1]+vsim[m]・Δt
ENDFOR
〔実施形態4〕
次に、図14を参照して、速度制御シミュレーションについて説明する。図14は、シミュレーションの内容を説明するための図である。
まず、図13(c)を参照して、シミュレーション−4について説明する。シミュレーション−4では、シミュレーション系のモデル速度制御器32’、モデル電流制御器33’、および機械モデル部34’を1つのシミュレーション用周波数伝達関数(第2周波数伝達関数Gv_closed)に置換してシミュレーションを実行する。
そして、速度指令(時系列配列vcmd)に対する位置の応答(時系列配列psim)および速度の応答(時系列配列vsim)を、以下の計算で求める。
FOR n=0からgv_impの長さの分(N)だけ繰り返し DO
vsim[m+n]=vsim[m+n]+vcmd・gimp[n] … 畳み込み
ENDFOR
psim[m] =psim[m−1]+vsim[m]・Δt … 速度を積分して位置を算出
ENDFOR
〔シミュレーション−5〕
次に、図13(d)を参照して、シミュレーション−5について説明する。シミュレーション−5では、シミュレーション系のモデル電流制御器33’、および機械モデル部34’を1つのシミュレーション用周波数伝達関数(第3周波数伝達関数P)に置換してシミュレーションを実行する。
そして、速度指令(時系列配列vcmd)に対する位置の応答(時系列配列psim)および速度の応答(時系列配列vsim)を、以下の計算で求める。
verr=vcmd[m]−vsim[m−1] … 速度偏差verrを算出
τcmd=Kpp・verr
FOR n=0からgimpの長さの分(N)だけ繰り返し DO
vsim[m+n]=vsim[m+n]+vcmd・gimp[n] … 畳み込み
ENDFOR
psim[m] =psim[m−1]+vsim[m]・Δt … 速度を積分して位置を算出
ENDFOR
〔実施形態5〕
〔シミュレーション−6〕
次に、図15を参照して、トルク制御シミュレーションについて説明する。図15は、トルク制御シミュレーションの内容を説明するための図である。
そして、速度指令(時系列配列vcmd)に対する位置の応答(時系列配列psim)および速度の応答(時系列配列sim)を、以下の計算で求める。
FOR n=0からgv_impの長さの分(N)だけ繰り返し DO
vsim[m+n]=vsim[m+n]+τcmd・gimp[n] … 畳み込み
ENDFOR
psim[m]=psim [m−1]+vsim[m]・Δt … 速度を積分して位置を算出
ENDFOR
〔ソフトウェアによる実現例〕
設定装置1の制御ブロック(特に制御部10(パラメータ設定部21、周波数特性算出部22(計測用トルク指令生成部51、計測用速度指令生成部52、周波数応答関数算出部53、計測用位置指令生成部54))、シミュレーション部23(周波数伝達関数設定部40、インパルス応答算出部41、シミュレーション系42、第2指令値生成部43、時間応答出力部44、周波数応答出力部45)、動作指示部24、および取得部25)は、集積回路(ICチップ)等に形成された論理回路(ハードウェア)によって実現してもよいし、CPU(Central Processing Unit)を用いてソフトウェアによって実現してもよい。
2 サーボドライバ
3 モータ
4 負荷装置
5 ユーザ
6 制御対象
7 機械系
10 制御部
11 操作受付部
12 表示部
21 パラメータ設定部
22 周波数特性算出部
23 シミュレーション部
24 動作指示部
25 取得部
31 位置制御器
31’ モデル位置制御器
31a’ モデル位置フィードバック系
31b’ モデル位置フィードバックループ
32 速度制御器
32’ モデル速度制御器
32a’ モデル速度フィードバック系
32b’ モデル速度フィードバックループ
33 電流制御器
33’ モデル電流制御器
34’ 機械モデル部
35c’ 第3周波数伝達関数
37 フィードフォワード部
40 周波数伝達関数設定部
41 インパルス応答算出部
42 シミュレーション系
43 第2指令値生成部
44 時間応答出力部
45 周波数応答出力部
51 計測用トルク指令生成部
52 計測用速度指令生成部
53 周波数応答関数算出部
54 計測用位置指令生成部
100 制御システム
110 モデルフィードフォワード部
Claims (14)
- モータを含む制御対象と、前記モータを制御するモータ制御装置と、を有する機械系のシミュレーションを行うシミュレーション装置であって、
前記機械系を駆動させるための第1指令値と、前記第1指令値によって駆動された前記機械系の応答の計測値と、の関係に基づいて、前記制御対象の特性を含む周波数応答関数を算出する周波数応答関数算出部と、
前記機械系に対応した制御ブロック構造を有するシミュレーション系と、
前記シミュレーション系の特性を変更させる制御パラメータを設定するパラメータ設定部と、
前記周波数応答関数、または、前記周波数応答関数と前記制御パラメータとに基づいて算出される周波数伝達関数を、シミュレーション用周波数伝達関数として設定する周波数伝達関数設定部と、
前記シミュレーション用周波数伝達関数を逆フーリエ変換することにより、インパルス応答を算出するインパルス応答算出部と、
前記インパルス応答を用いたシミュレーションのための第2指令値を生成する第2指令値生成部と、
前記第2指令値と前記インパルス応答とに基づいて、前記第2指令値に対する前記機械系の時間応答シミュレーションを実行する時間応答出力部と、を備えることを特徴とするシミュレーション装置。 - 前記機械系は、制御ブロック構造として、少なくとも1つのフィードバック系を有するものであり、
前記シミュレーション系は、前記フィードバック系に対応した少なくとも1つのモデルフィードバック系を有するものであり、
前記周波数応答関数算出部は、前記制御対象の特性を含み、かつ、前記少なくとも1つのフィードバック系の特性を含まない前記周波数応答関数を算出し、
前記周波数伝達関数設定部は、前記制御対象の特性を含み、かつ、前記少なくとも1つのモデルフィードバック系の特性を含まないシミュレーション用周波数伝達関数を設定し、
前記時間応答出力部は、前記第2指令値を前記モデルフィードバック系に入力して得られた出力値と、前記シミュレーション用周波数伝達関数を逆フーリエ変換することにより算出されたインパルス応答と、に基づいて、前記第2指令値に対する前記機械系の時間応答シミュレーションを実行することを特徴とする請求項1に記載のシミュレーション装置。 - 前記シミュレーション系は、前記出力値に加算されるフィードフォワード値を出力するフィードフォワード系を含み、
前記時間応答出力部は、前記出力値に前記フィードフォワード値を加算した加算値と、前記シミュレーション用周波数伝達関数を逆フーリエ変換することにより算出されるインパルス応答と、に基づいて、前記機械系の時間応答シミュレーションを実行する、ことを特徴とする請求項2に記載のシミュレーション装置。 - 前記機械系は、制御ブロック構造として、速度制御器を含む速度フィードバック系を有し、
前記シミュレーション系は、前記速度フィードバック系に対応するモデル速度フィードバック系を有し、
前記周波数応答関数算出部は、前記制御対象の特性を含み、かつ、前記速度フィードバック系を含まない周波数応答関数を算出し、
前記周波数伝達関数設定部は、前記制御対象の特性を含み、かつ、前記モデル速度フィードバック系を含まない前記シミュレーション用周波数伝達関数を設定し、
前記時間応答出力部は、前記第2指令値を前記モデル速度フィードバック系に入力して得られた出力値と、前記シミュレーション用周波数伝達関数を逆フーリエ変換することにより算出されるインパルス応答と、に基づいて、前記機械系の時間応答シミュレーションを実行することを特徴とする請求項2または3に記載のシミュレーション装置。 - 前記機械系は、制御ブロック構造として、位置制御器を含む位置フィードバック系と、前記位置制御器の下流側に配置される速度制御器を含む速度フィードバック系と、を有し
前記シミュレーション系は、前記位置フィードバック系に対応するモデル位置フィードバック系と、前記速度フィードバック系に対応するモデル速度フィードバック系と、を有し、
前記周波数応答関数算出部は、前記制御対象の特性を含み、かつ、前記位置フィードバック系と、前記速度フィードバック系とを含まない周波数応答関数を算出し、
前記周波数伝達関数設定部は、前記制御対象の特性と前記モデル速度フィードバック系とを含み、かつ、前記モデル位置フィードバック系を含まない前記シミュレーション用周波数伝達関数を設定し、
前記時間応答出力部は、前記第2指令値を前記モデル位置フィードバック系に入力して得られた出力値と、前記シミュレーション用周波数伝達関数を逆フーリエ変換することにより算出されるインパルス応答と、に基づいて、前記機械系の時間応答シミュレーションを実行することを特徴とする請求項2に記載のシミュレーション装置。 - 前記機械系は、制御ブロック構造として、位置制御器を含む位置フィードバック系と、前記位置制御器の下流側に配置される速度制御器を含む速度フィードバック系と、を有し
前記シミュレーション系は、前記位置フィードバック系に対応するモデル位置フィードバック系と、前記速度フィードバック系に対応するモデル速度フィードバック系と、を有し、
前記周波数応答関数算出部は、前記制御対象の特性を含み、かつ、前記位置フィードバック系と、前記速度フィードバック系とを含まない周波数応答関数を算出し、
前記周波数伝達関数設定部は、前記制御対象の特性を含み、かつ、前記モデル速度フィードバック系と前記モデル位置フィードバック系とを含まない前記シミュレーション用周波数伝達関数を設定し、
前記時間応答出力部は、前記第2指令値を前記モデル位置フィードバック系に入力して得られた出力値および前記モデル速度フィードバック系の出力値と、前記シミュレーション用周波数伝達関数を逆フーリエ変換することにより算出されるインパルス応答と、に基づいて、前記機械系の時間応答シミュレーションを実行することを特徴とする請求項2または3に記載のシミュレーション装置。 - 前記第1指令値はトルクを示すトルク指令値であり、
前記周波数応答関数算出部は、前記トルク指令値と、前記トルク指令値によって駆動された前記機械系の応答である速度計測値と、の関係に基づいて、前記周波数応答関数を算出することを特徴とする請求項1〜6のいずれか1項に記載のシミュレーション装置。 - 前記第1指令値は速度を示す速度指令値であり、
前記周波数応答関数算出部は、前記速度指令値と、前記速度指令値によって駆動された前記機械系の応答である速度計測値と、の関係に基づいて、前記周波数応答関数を算出することを特徴とする請求項1〜6のいずれか1項に記載のシミュレーション装置。 - 前記第1指令値は位置を示す位置指令値であり、
前記周波数応答関数算出部は、前記位置指令値と、前記位置指令値によって駆動された前記機械系の応答である位置計測値と、の関係に基づいて、前記周波数応答関数を算出することを特徴とする請求項1〜6のいずれか1項に記載のシミュレーション装置。 - 前記時間応答出力部は、前記第2指令値に対する前記機械系の位置、速度、およびトルクの少なくとも何れかの時間応答シミュレーションを実行することを特徴とする請求項1〜9のいずれか1項に記載のシミュレーション装置。
- 前記パラメータ設定部は、前記シミュレーション系に含まれる、前記機械系における制御器それぞれに対応する系の少なくとも1つの系のパラメータを設定するように構成されていることを特徴とする請求項1〜10のいずれか1項に記載のシミュレーション装置。
- モータを含む制御対象と、前記モータを制御するモータ制御装置と、を有する機械系のシミュレーションを行うシミュレーション方法であって、
前記機械系を駆動させるための第1指令値と、前記第1指令値によって駆動された前記機械系の応答の計測値と、の関係に基づいて、前記制御対象の特性を含む周波数応答関数を算出する周波数応答関数算出ステップと、
前記機械系に対応した制御ブロック構造を有するシミュレーション系の特性を変更させる制御パラメータを設定するパラメータ設定ステップと、
前記周波数応答関数、または、前記周波数応答関数と前記制御パラメータとに基づいて算出される周波数伝達関数を、シミュレーション用周波数伝達関数として設定する周波数伝達関数設定ステップと、
前記シミュレーション用周波数伝達関数を逆フーリエ変換することにより、インパルス応答を算出するインパルス応答算出ステップと、
前記インパルス応答を用いたシミュレーションのための第2指令値を生成する第2指令値生成ステップと、
前記第2指令値と前記インパルス応答とに基づいて、前記第2指令値に対する前記機械系の時間応答シミュレーションを実行する時間応答出力ステップと、を含むことを特徴とするシミュレーション方法。 - 請求項1に記載のシミュレーション装置としてコンピュータを機能させるための制御プログラム。
- 請求項13に記載の制御プログラムを記録したコンピュータ読み取り可能な記録媒体。
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