JP7058868B2

JP7058868B2 - 旋回台の制御装置およびその設定方法

Info

Publication number: JP7058868B2
Application number: JP2018082448A
Authority: JP
Inventors: 信之介内海
Original assignee: Tamagawa Seiki Co Ltd
Current assignee: Tamagawa Seiki Co Ltd
Priority date: 2018-04-23
Filing date: 2018-04-23
Publication date: 2022-04-25
Anticipated expiration: 2038-04-23
Also published as: JP2019191822A

Description

この発明は、旋回台の制御装置およびその設定方法に関し、とくに、旋回台の旋回駆動を、負帰還ループを介して制御するものに関する。

載置物を旋回させるための旋回台は、たとえば監視カメラを撮影対象に合わせて旋回させるために用いられる。旋回台は用いられる環境が多様であり、たとえば－２０℃～＋４５℃という広い温度範囲に対応する必要がある。

図５は、従来の旋回台の制御に係るブロック線図の例である。制御装置はたとえばＰ制御装置であり、ゲインＫ_ｐをもって旋回台の旋回駆動を比例制御する。ここで、旋回台の旋回機構部に用いられるベアリングがグリスを含む場合等には、温度範囲の広さが問題となる。グリスは温度によって粘度が変化するので、旋回台は高温では動きやすくなり、低温では動きにくくなる。このため、高温環境に合わせて制御ゲインを小さくすると、低温環境で旋回速度が過度に遅くなるおそれがあり、低温環境に合わせて制御ゲインを大きくすると、オーバーシュートにより旋回台の振動が発生するおそれがある。

広い温度範囲に対応するための制御の例は、特許文献１に記載される。

特開２００９－５２３３９号公報

しかしながら、従来の技術では、温度に合わせた柔軟な制御が困難であるという問題があった。

たとえば特許文献１では、高温時の制御と低温時の制御という２段階の制御しか行うことができず、柔軟性に限界がある。

この発明はこのような問題点を解消するためになされたものであり、旋回台の旋回駆動を負帰還ループを介して制御する制御装置およびその設定方法において、温度に合わせたより柔軟な制御を可能にするものを提供することを目的とする。

この発明に係る制御装置は、旋回台の旋回駆動を、負帰還ループを介して制御する制御装置であって、
前記制御装置に係る第１の伝達関数および前記旋回台に係る第２の伝達関数を結合した伝達関数に対し、前記第１の伝達関数は、前記結合した伝達関数における温度による変化を抑制するよう設定される。
特定の態様によれば、
前記第１の伝達関数は、ゲインを有する微分要素を含み、
前記第１の伝達関数は、温度に応じて前記ゲインが変化するよう設定される。
特定の態様によれば、
前記第２の伝達関数は、時定数を有する１次遅れ要素を含み、
前記第１の伝達関数は、前記結合した伝達関数が比例要素のみとなるように設定される。
特定の態様によれば、前記第１の伝達関数は、前記結合した伝達関数における温度による変化を、－２０℃～＋４５℃の範囲内において抑制するよう設定される。
特定の態様によれば、前記旋回台は複数の旋回軸について旋回可能であり、前記制御装置は旋回軸ごとに異なる前記第１の伝達関数を有し、前記旋回台は旋回軸ごとに異なる前記第２の伝達関数を有する。
また、この発明に係るプログラムは、コンピュータを、上述の制御装置として機能させる。
また、この発明に係る制御装置の設定方法は、旋回台の旋回駆動を、負帰還ループを介して制御する制御装置の設定方法であって、
前記制御装置に係る第１の伝達関数は可変であり、前記旋回台に係る第２の伝達関数は測定可能であり、
前記設定方法は、
複数の温度における前記第２の伝達関数を決定するステップと、
前記第１の伝達関数および前記第２の伝達関数を結合した伝達関数に対し、前記第１の伝達関数が、前記結合した伝達関数における温度による変化を抑制するよう設定するステップと、
を備える。
特定の態様によれば、
前記第１の伝達関数は、ゲインを有する微分要素を含み、
前記第２の伝達関数は、時定数を有する１次遅れ要素を含み、
前記第１の伝達関数は、温度に応じて前記ゲインが変化し、これによって、前記結合した伝達関数が温度に関わらず比例要素のみとなるように設定される。

この発明に係る制御装置およびその設定方法は、伝達関数における温度変化を抑制するので、温度に合わせたより柔軟な制御が実現される。

この発明の実施の形態１に係る旋回台の構成の例を示す図である。図１の旋回台の制御に係るブロック線図の例である。様々な温度における、図１の旋回台の動作の測定結果の例である。温度に対する、図１の旋回台の時定数のプロット例である。従来の旋回台の制御に係るブロック線図の例である。

以下、この発明の実施の形態を添付図面に基づいて説明する。
実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１に係る旋回台１０の構成の例を示す概略図である。旋回台１０は、少なくとも１つの旋回軸を持ち、旋回軸の周りに回転可能または旋回可能に設けられる。図１の例では、旋回台１０は旋回軸として方位軸Ａおよび仰角軸Ｅを持ち、２軸の周りに駆動されて旋回可能である。旋回台１０を旋回駆動するための具体的な構成はとくに示さないが、サーボモータその他の構成要素を用いて適宜実現可能である。

図２は、旋回台１０の制御に係るブロック線図の例である。旋回台１０に関連して、旋回台１０の旋回駆動を制御する制御装置２０が設けられる。制御装置２０は、旋回台１０の内部に備えられてもよいし、旋回台１０の外部に設けられて旋回台１０と通信可能に接続されてもよい。

制御装置２０は公知のコンピュータとしての構成を有し、演算等の処理を行う演算手段と、情報を格納する記憶手段とを備える。制御装置２０はたとえば公知のＰＤ制御装置またはＰＩＤ制御装置として構成することができる。制御装置２０の記憶手段は、図示しないプログラムを格納してもよい。このプログラムが、コンピュータを制御装置２０として機能させてもよい。

図２に示すように、旋回台１０の制御には負帰還ループ（フィードバックループ）が用いられる。このループは、指令角度を入力とし、旋回台１０の実際の旋回角度（回転位置または角度位置ともいう）を出力とする。旋回台１０の実際の旋回角度は、公知の角度センサ３０等を用いて検出可能である。

このように、制御装置２０は、旋回台１０の旋回駆動を、負帰還ループを介して制御する。なお、図２は単一の旋回軸に関するものであるが、同様のループを旋回軸ごとに設けることができる。たとえば、制御装置２０は、旋回台１０に対する指令方位角と、旋回台１０の実際の方位角とに基づいて旋回台１０の方位角を制御するとともに、旋回台１０に対する指令仰角と、旋回台１０の実際の仰角とに基づいて旋回台１０の仰角を制御する。

制御装置２０に係る伝達関数Ｇ１（第１の伝達関数）は、可変に設定可能である。本実施形態では、Ｇ１は次のように構成され、これによって制御装置２０が設定される。
Ｇ１＝Ｋ_ｐ＋Ｋ_Ｄ（ｔ）ｓ
式中、１次の複素角周波数ｓの係数がＫ_Ｄ（ｔ）となっている。すなわち、Ｇ１は、ゲインＫ_Ｄ（ｔ）を有する微分要素を含む。Ｋ_Ｄ（ｔ）は温度の関数であり、制御装置２０による制御に係る温度特性を表す。また、とくに本実施形態では、Ｇ１は比例要素Ｋ_ｐおよび微分要素Ｋ_Ｄ（ｔ）ｓを加算したもののみからなる。

本実施形態では、旋回台１０に係る伝達関数Ｇ２（第２の伝達関数）として、次のものを仮定する。
Ｇ２＝Ｋ_Ｍ／（Ｔ_Ｍ（ｔ）ｓ＋１）
式中、Ｔ_Ｍ（ｔ）は温度の関数であり、旋回台１０の旋回に係る温度特性を表す。Ｇ２の式中、分母に含まれる１次の複素角周波数ｓの係数がＴ_Ｍ（ｔ）となっている。すなわち、Ｇ２は、時定数Ｔ_Ｍ（ｔ）を有する１次遅れ要素を含む。また、とくに本実施形態では、Ｇ２はゲインＫ_Ｍおよび時定数Ｔ_Ｍ（ｔ）を有する１次遅れ要素のみからなる。

Ｇ２は旋回台１０の構成等に応じて異なるが、当業者は、公知技術に基づき、予めＧ２を具体的に特定しておくことができる。たとえば、Ｇ２が測定可能である場合の一例を以下に示す。

まず、制御装置２０の伝達関数Ｇ１を比例要素Ｋ_ｐのみとし（すなわちＫ_Ｄ（ｔ）＝０とし）、複数の温度における旋回台１０の動作を測定する。たとえば、まず旋回台１０の温度を低温（たとえば－２０℃）に維持し、指令角度をステップ関数として与えた場合の応答を測定する。これを他の温度（たとえば０℃、＋２０℃、＋４５℃、等）について繰り返す。

図３は、このような測定の結果の例である。－２０℃では立ち上がりが遅く、温度が上昇するにつれて立ち上がりが速くなる。＋４５℃の場合のように、オーバーシュートが発生するケースや、振動するケース等があってもよい。

次に、各温度の測定結果について、測定結果に適合する伝達関数を決定する。たとえば、伝達関数をＫ／（Ｔｓ＋１）という１次遅れ要素で表した場合に、測定結果によく適合するゲインＫおよび時定数Ｔの値の組を決定する。そして、各温度に対するゲインＫおよび時定数Ｔの値を決定した後に、これらを温度の関数として表すＧ２を決定する。このような伝達関数の決定を行うための装置およびアルゴリズム等は、公知技術に基づき、当業者が適宜設計することができる。たとえば公知のシステム同定用ソフトウェア（たとえばＭａｔｌａｂ等）を利用してもよい。

Ｇ２が１次遅れ要素を含むと仮定した場合に、各温度に対するゲインＫおよび時定数Ｔの値に基づいて具体的なＧ２を決定する方法は、当業者が公知技術に基づき任意の方法で実行することができるが、一例を以下に示す。この例は、Ｇ２が１次遅れ要素のみで表されると仮定した場合のものである。

図４は、温度に対する時定数Ｔのプロット例である。この例では、すべての温度についてゲインＫは同じ値Ｋ_Ｍであるものとする。各温度における時定数の値に最もよく近似する関数を選択する。たとえば最小二乗法等を用い、各点の近傍を通る直線としてＴ_Ｍ（ｔ）を求めてもよい。このようにすると、Ｔ_Ｍ（ｔ）＝Ｔ_０－Ｃｔと表せる。ただしＴ_０は所定の基準温度（たとえば０℃）における時定数であり、Ｃは時定数の温度による変化率を表す傾き（ただしＣ＞０）である。

このようにして、Ｇ２の具体的な形を決定することが可能である。なお、上記はＧ２が１次遅れ要素のみで表される場合の例であるが、Ｇ２が他の形式の関数となる場合（たとえばむだ時間要素や２次遅れ要素を含む場合等）でも、当業者は適宜Ｇ２を特定することができる。

このような制御系において、仮に制御装置２０が、温度に関わらず固定されたＧ１を用いると、低温ではＴ_Ｍ（ｔ）が大きいので旋回台１０の旋回が遅くなるおそれがあり、高温ではＴ_Ｍ（ｔ）が小さいので旋回台１０の旋回に振動が起きるおそれがある。従来の構成では、このような問題が発生し得る。

本発明の作用を説明するために、Ｇ１およびＧ２を結合した伝達関数を、伝達関数ＧＣとおく。すなわち次のように表せる。
ＧＣ＝Ｇ１・Ｇ２＝（Ｋ_ｐ＋Ｋ_Ｄ（ｔ）ｓ）・Ｋ_Ｍ／（Ｔ_Ｍ（ｔ）ｓ＋１）

本実施形態では、Ｇ１は、ＧＣ（すなわちＧ１およびＧ２を含む全体）における温度による変化を抑制するように設定される。ここで、上述のようにＧ２の具体的な内容は、その温度依存特性を含め特定されているので、当業者は適切なＧ１を容易に特定し、これに基づいて制御装置２０を設定することができる。

たとえば図２の例では、微分要素のゲインＫ_Ｄ（ｔ）が、温度に応じて変化するようにＧ１を構成することができる。具体例として、
Ｋ_Ｄ（ｔ）＝Ｋ_ｐＴ_Ｍ（ｔ）
としてもよい。このようにすると、
ＧＣ＝Ｇ１・Ｇ２
＝（Ｋ_ｐ＋Ｋ_Ｄ（ｔ）ｓ）・Ｋ_Ｍ／（Ｔ_Ｍ（ｔ）ｓ＋１）
＝（Ｋ_ｐ＋Ｋ_ｐＴ_Ｍ（ｔ）ｓ）・Ｋ_Ｍ／（Ｔ_Ｍ（ｔ）ｓ＋１）
＝Ｋ_ｐ・Ｋ_Ｍ
となり、Ｔ_Ｍ（ｔ）が消去される。Ｋ_ｐおよびＫ_Ｍは温度に依存しない定数であるので、ＧＣは温度に依存しない形となる。とくに、この場合には複素角周波数ｓが消去されており、Ｇ１は、温度に関わらずＧＣが比例要素のみとなるように構成されているということができる。

このように、本発明の実施の形態１に係る制御装置２０およびその設定方法は、結合した伝達関数ＧＣにおける温度変化を抑制するので、温度に合わせたより柔軟な制御が実現される。たとえば、低温環境でも比較的迅速な旋回が可能であり、高温環境でもオーバーシュートや振動が抑制される。

実施の形態１において、以下のような変形を施すことが可能である。
ＧＣからＴ_Ｍ（ｔ）を完全に消去する必要はなく、Ｔ_Ｍ（ｔ）がＧＣの中に残る場合であっても、ＧＣにおけるＴ_Ｍ（ｔ）の温度に応じた変化による影響を抑制するようにＧ１が設定されていればよい。そのようなＧ１を構成することは、当業者には容易である。

また、Ｔ_Ｍ（ｔ）の温度に応じた変化は、すべての温度範囲について考慮する必要はなく、特定の温度範囲に限って考慮されてもよい。たとえば、Ｇ１は、ＧＣにおける温度による変化を、－２０℃～＋４５℃の範囲内において抑制するように設定されてもよい。このような温度範囲における効果は、通常の旋回台において有用である。

また、ＧＣにおける「温度による変化」は、たとえば所定の基準温度に基づいて評価されてもよい。たとえば、基準温度においてＫ_Ｄ（ｔ）を０とした場合の応答（旋回台１０の実際の旋回角度）を基準応答とし、他の温度における応答が、基準応答により近くなるように、Ｋ_Ｄ（ｔ）が構成されてもよい。

角度センサ３０の伝達関数についてはとくに考慮しないが、適宜考慮してもよい。理想的なセンサ（伝達関数が１に等しいもの）を想定してもよいし、より現実的な伝達関数を持つものを想定してもよい。

図２の制御系は、旋回軸ごとに構成することが可能である。なお、その場合において、伝達関数Ｇ１およびＧ２の内容は、すべての旋回軸について同一であってもよいし、旋回軸ごとに異なってもよい。

１０旋回台、２０制御装置（コンピュータ）、Ａ方位軸（旋回軸）、Ｅ仰角軸（旋回軸）、Ｇ１第１の伝達関数、Ｇ２第１の伝達関数、ＧＣ結合した伝達関数。

Claims

旋回台の旋回駆動を、負帰還ループを介して制御する制御装置であって、
前記制御装置に係る第１の伝達関数および前記旋回台に係る第２の伝達関数を結合した伝達関数に対し、前記第１の伝達関数は、前記結合した伝達関数における温度による変化を抑制するよう設定され、
前記第１の伝達関数は、ゲインを有する微分要素を含み、
前記第２の伝達関数は、時定数を有する１次遅れ要素を含み、
前記第１の伝達関数は、温度に応じて前記ゲインが変化し、これによって、前記結合した伝達関数が比例要素のみとなるように設定される、
制御装置。
前記第１の伝達関数は、前記結合した伝達関数における温度による変化を、－２０℃～＋４５℃の範囲内において抑制するよう設定される、請求項１に記載の制御装置。
前記旋回台は複数の旋回軸について旋回可能であり、前記制御装置は旋回軸ごとに異なる前記第１の伝達関数を有し、前記旋回台は旋回軸ごとに異なる前記第２の伝達関数を有する、請求項１または２に記載の制御装置。
コンピュータを、請求項１～３のいずれか一項に記載の制御装置として機能させるプログラム。
旋回台の旋回駆動を、負帰還ループを介して制御する制御装置の設定方法であって、
前記制御装置に係る第１の伝達関数は可変であり、前記旋回台に係る第２の伝達関数は測定可能であり、
前記設定方法は、
複数の温度における前記第２の伝達関数を決定するステップと、
前記第１の伝達関数および前記第２の伝達関数を結合した伝達関数に対し、前記第１の伝達関数が、前記結合した伝達関数における温度による変化を抑制するよう設定するステップと、
を備え、
前記第１の伝達関数は、ゲインを有する微分要素を含み、
前記第２の伝達関数は、時定数を有する１次遅れ要素を含み、
前記第１の伝達関数は、温度に応じて前記ゲインが変化し、これによって、前記結合した伝達関数が温度に関わらず比例要素のみとなるように設定される、
設定方法。