アクチュエータの制御方法及びアクチュエータの制御装置
【課題】最短時間制御にフィードバック制御の要素を取り入れたアクチュエータの制御方法及びアクチュエータの制御装置を提供する。
【解決手段】最短時間制御を用いると共に、予め、計測されたアクチュエータの制御力の最大出力時の最大加速度αｐと最大減速度αｍを用いて、制御のための計算を行う計算時刻ｔ０からの経過時間表示で、加速出力から減速出力へ切り替える切替時刻ｔ１と、減速出力の終了時刻ｔ２を算出する算出ステップと、計算時刻ｔ０から切替時刻ｔ１までは、アクチュエータの制御力を最大加速出力とし、切替時刻ｔ１から終了時刻ｔ２まではアクチュエータの制御力を最大減速出力とし、終了時刻ｔ２では制御力の出力を終了する制御出力ステップを備えると共に、前記算出ステップを予め設定した時間毎に繰り返して、切替時刻ｔ１と終了時刻ｔ２を算出して更新する更新ステップを備える。
【解決手段】最短時間制御を用いると共に、予め、計測されたアクチュエータの制御力の最大出力時の最大加速度αｐと最大減速度αｍを用いて、制御のための計算を行う計算時刻ｔ０からの経過時間表示で、加速出力から減速出力へ切り替える切替時刻ｔ１と、減速出力の終了時刻ｔ２を算出する算出ステップと、計算時刻ｔ０から切替時刻ｔ１までは、アクチュエータの制御力を最大加速出力とし、切替時刻ｔ１から終了時刻ｔ２まではアクチュエータの制御力を最大減速出力とし、終了時刻ｔ２では制御力の出力を終了する制御出力ステップを備えると共に、前記算出ステップを予め設定した時間毎に繰り返して、切替時刻ｔ１と終了時刻ｔ２を算出して更新する更新ステップを備える。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、アクチュエータの制御方法及びアクチュエータの制御装置に関し、より詳細には、最短時間制御において、予め設定した時間毎に出力パターンを修正する制御則を用いることでフィードバックの要素を取り入れることができるアクチュエータの制御方法及びアクチュエータの制御装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の制御ではＰＩＤ制御のフィードバック制御が一般的に用いられてきている。このＰＩＤ制御では、現象に対して必ず遅れて制御出力が決定されるため、制御速度を上げようとして、ＰＩＤの各制御ゲインを大きくすると制御が現象に対し間に合わなくなり、制御が不安定となる。特に制御対象の機械的減衰力が著しく低下すると制御が不安定になり易く、制御が発散する場合もある。この制御の不安定を避けるためのＰＩＤ制御の各制御ゲインを決定する方法として、制御の安定性を保証できるＨ∞等の制御理論を適用している。しかし、ＰＩＤ制御という制約のもとでは、負荷変動によりオーバーシュートや制御遅れが生じる。
【０００３】
ＰＩＤ制御においても、スライディングモード制御を使用すると、制御ゲインを制御状態によって切り替えることで、負荷変動の影響を理論的には排除できる。しかし、制御周期が遅くなると、この制御は振動したまま収束しなくなる。そのため、負荷変動の影響を完全に排除するためには、無限に速く制御ゲインを切り替える必要があり、現象に対し無限に速いと言える程度まで、高速なコントロールが必要になる。更に、ＰＩＤ等の各制御ゲインの調整が必要であり、この制御ゲインの調整の善し悪しが制御の善し悪しを決定してしまうため、この制御ゲインの調整が非常に重要な要素となってしまっている。
【０００４】
また、これらの制御理論は、ＰＩＤ制御の欠点を補うもので、「最短の時間で目標位置に制御対象を静止させる」ことを制御の目的とするために構築された手法ではない。そのため、この単純な目的に対してはＰＩＤ制御よりもむしろ、最短時間制御がより目的に合致した制御方法であるといえる。
【０００５】
最も単純な最短時間制御は、目標位置までの行程の半分で制御対象を最大推力で加速し、残り半分の行程を最大減速度で減速して目標位置に制御対象を静止させる制御である。この出力パターンは制御開始前に決定されるので、この最短時間制御は、フィードフォワード制御と言える。
【０００６】
言い換えれば、最短時間制御とはアクチュエータの最大駆動力で動かし、最大制動力で停止させる制御方法で、理論的には最短時間で制御対象を目標に静止させることが可能な制御である。つまり、最短時間制御は「最短の時間で目標位置に制御対象を静止させる」という制御の目的に完全に合致する制御方法である。
【０００７】
例えば、この最短時間制御を用いた制御装置として、サーボモータを制御するための制御手段と、無負荷時の値を基準とした制御量と負荷重量の関係を記憶しておく対応関係記憶手段と、負荷推定計算手段と、負荷推定計算手段で計算されたワーク情報を基に加減速定数を決定する加減速定数決定手段と、決定された加減速定数を使用してサーボ制御手段に払い出す指令を作成する指令作成手段を備えて、ワークを把持した時は、加速時間が長くなり、ワークを把持していない時は、加速時間を短くするロボットの最短時間制御装置が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。
【０００８】
しかしながら、最短時間制御は、理論的に最短の時間で制御可能な理想的な制御である一方、出力パターンが初速や最大加速度、最大減速度を考慮して決定されるオープン制御であり、フィードバック要素が無いため、目標と制御量が合致しないときに、修正の方法がなく、正確に目標と制御量を一致させることが困難であるという問題があるため、実際の制御に採用されることは稀であった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開２０００−９４３７１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
本発明は、上記の状況を鑑みてなされたものであり、その目的は、最短時間制御にフィードバック制御の要素を取り入れたアクチュエータの制御方法及びアクチュエータの制御装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記のような目的を達成するための本発明のアクチュエータの制御方法は、最短時間制御を用いると共に、予め、計測されたアクチュエータの制御力の最大出力時の最大加速度αｐと最大減速度αｍを用いて、制御のための計算を行う計算時刻ｔ０からの経過時間表示で、加速出力から減速出力へ切り替える切替時刻ｔ１と、減速出力の終了時刻ｔ２を算出する算出ステップと、前記計算時刻ｔ０から前記切替時刻ｔ１までは前記アクチュエータの制御力を最大加速出力とし、前記切替時刻ｔ１から前記終了時刻ｔ２までは前記アクチュエータの制御力を最大減速出力とし、前記終了時刻ｔ２で制御力の出力を終了する制御出力ステップを備えると共に、前記算出ステップを予め設定した時間毎に繰り返し、前記切替時刻ｔ１と前記終了時刻ｔ２を算出して更新することを特徴とする方法である。
【００１２】
つまり、計算時刻ｔ０の制御対象物の位置から目標位置までの制御の目標軌跡を予め設定した時間毎である一定周期毎又は不定期毎に偏差、速度を考慮して再計算して、切替時刻ｔ１と終了時刻ｔ２を更新する。この切替時刻ｔ１と終了時刻ｔ２は再計算した計算時刻ｔ０からの経過時間となる。
【００１３】
なお、この最大加速度αｐ、又は、最大減速度αｍは、制御値の２階の時間微分値若しくは制御値の２階の差分値であり、制御値が運動を伴わない温度のようなものでも適用できる。
【００１４】
この方法によれば、最短時間制御であるために、制御速度が高速となり、最大加速度αｐと最大減速度αｍは計測によって設定でき、これ以外に調整項が無いため、制御ゲインを調整する必要が無い。また、ＯＮ／ＯＦＦ制御であるため、中間的な出力を出す必要がなく、コントローラ、ドライバーを簡略化できる。
【００１５】
その上、予め設定した時間毎に、制御の各時刻における目標量と制御量の偏差Ｘを入れて計算し直して再計算の計算時刻ｔ０からの経過時間表示である切替時刻ｔ１と終了時刻ｔ２を更新するというフィードバックの要素を取り入れているため、外力が変化しても、また、制御の時間間隔を高速にしなくても、常に安定した制御結果を得ることができる。その結果、従来の制御則では相反する大きな課題であった「制御の速度」と「安定性」を両立させることができる。
【００１６】
また、上記のアクチュエータの制御方法において、前記算出ステップにおいて、前記計算時刻ｔ０での位置から前記終了時刻ｔ２の目標位置までの軌道を相接する２つの２次曲線の組み合わせで表して、初速をＶ０、目標位置と制御量の偏差をＸとした場合に、前記切替時刻ｔ１と、前記終了時刻ｔ２を、
【数１】
【数２】
の（１）式と（２）式で算出すると、容易に、切替時刻ｔ１と記終了時刻ｔ２を算出できる。なお、α１は計算時刻ｔ０〜切替時刻ｔ１の最大加速度αｐ又は最大減速度αｍであり、α２は切替時刻ｔ１〜終了時刻ｔ２の最大減速度αｍ又は最大加速度αｐである。
【００１７】
そして、上記のような目的を達成するための本発明のアクチュエータの制御装置は、最短時間制御を用いると共に、予め、計測されたアクチュエータの制御力の最大出力時の最大加速度αｐと最大減速度αｍを用いて、制御のための計算を行う計算時刻ｔ０からの経過時間表示で、加速出力から減速出力へ切り替える切替時刻ｔ１と、減速出力の終了時刻ｔ２を算出する算出手段と、前記計算時刻ｔ０から前記切替時刻ｔ１までは前記アクチュエータの制御力を最大加速出力とし、前記切替時刻ｔ１から前記終了時刻ｔ２までは前記アクチュエータの制御力を最大減速出力とし、前記終了時刻ｔ２で制御力の出力を終了する制御出力手段を備えると共に、予め設定した時間毎に前記算出手段により前記切替時刻ｔ１と前記終了時刻ｔ２を繰り返して算出し、更新する更新手段を備えて構成される。
【００１８】
また、上記のアクチュエータの制御装置において、前記算出手段が、前記計算時刻ｔ０での位置から前記終了時刻ｔ２の目標位置までの軌道を相接する２つの２次曲線の組み合わせで表して、初速をＶ０、目標位置と制御量の偏差をＸとした場合に、前記切替時刻ｔ１と、前記終了時刻ｔ２を、
【数１】
【数２】
の（１）式と（２）式で算出するように構成する。なお、α１は計算時刻ｔ０〜切替時刻ｔ１の最大加速度αｐ又は最大減速度αｍであり、α２は切替時刻ｔ１〜終了時刻ｔ２の最大減速度αｍ又は最大加速度αｐである。
【００１９】
また、上記のアクチュエータの制御装置において、計算時刻ｔ０から切替時刻ｔ１の間の加速度αｐと切替時刻ｔ１から終了時刻ｔ２の間の加速度αｍを表１によって決定する。
【００２０】
【表１】
【００２１】
これらの構成のアクチュエータの制御装置によれば、上記のアクチュエータの制御方法を実施でき、同様の効果を奏することができる。
【発明の効果】
【００２２】
本発明に係るアクチュエータの制御方法及びアクチュエータの制御装置によれば、最短時間制御であるために、制御速度が高速となり、最大加速度と最大減速度は計測によって設定でき、これ以外に調整項はないため、制御ゲインを調整する必要が無い。また、ＯＮ／ＯＦＦ制御であるため、中間的な出力を出す必要がなく、コントローラ、ドライバーを簡略化できる。
【００２３】
その上、予め設定した時間毎に、制御の各時刻における目標量と制御量の偏差を入れて切替時刻と終了時刻を更新するというフィードバックの要素を取り入れているため、外力が変化しても、また、制御の時間間隔を高速にしなくても、常に安定した制御結果を得ることができる。その結果、従来の制御則では相反する大きな課題であった「制御の速度」と「安定性」を両立させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】本発明の実施の形態のアクチュエータの制御方法で用いられる最短時間制御を説明するための最短時間制御モデルを示す図である。
【図２】制御軌跡の計算条件を説明するための図である。
【図３】再計算における制御軌跡の変化を説明するための図である。
【図４】ｆ（ｔ）、ｇ（ｔ）の取り得る目標軌跡を示す図である。
【図５】本発明の実施の形態のアクチュエータの制御方法の制御フローの一例を示す図である。
【図６】本発明の実施の形態のアクチュエータの制御方法のフィードバック最短時間制御の機械系の減衰力が無い場合の制御結果を示す図である。
【図７】本発明の実施の形態のアクチュエータの制御方法のフィードバック最短時間制御の機械系の減衰力が有る場合の制御結果を示す図である。
【図８】実施例のシミュレーション結果を示す図である。
【図９】比較例のシミュレーション結果を示す図である。
【図１０】従来技術の最短時間制御の機械系の減衰力が無い場合の制御結果を示す図である。
【図１１】従来技術の最短時間制御の機械系の減衰力が有る場合の制御結果を示す図である。
【図１２】ＰＩＤ制御を説明するためのＰＩＤ制御モデルを示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
以下、本発明に係る実施の形態のアクチュエータの制御方法及びアクチュエータの制御装置について、図面を参照しながら説明する。なお、ここでは、本発明の最短時間制御を明確にするために、ＰＩＤ制御との比較を行いながら説明する。
【００２６】
本発明に係る実施の形態のアクチュエータの制御装置は、最短時間制御を用いると共に、算出手段と、制御力出力手段と、更新手段を備えて構成される。
【００２７】
この算出手段は、予め計測されたアクチュエータの制御力の最大出力時の最大加速度αｐと最大減速度αｍを用いて、制御のための計算を行う計算時刻ｔ０からの経過時間表示で、加速出力から減速出力へ切り替える切替時刻ｔ１と、減速出力の終了時刻ｔ２を算出する。
【００２８】
また、制御出力手段は、計算時刻ｔ０から切替時刻ｔ１までは、アクチュエータの制御力を最大加速出力とし、切替時刻ｔ１から終了時刻ｔ２まではアクチュエータの制御力を最大減速出力とし、終了時刻ｔ２で制御力の出力を終了する。
【００２９】
更に、更新手段は、一定周期又は不定期な予め設定した時間毎に算出手段で切替時刻ｔ１と終了時刻ｔ２を繰り返し算出し、更新するように構成される。この算出手段は、再計算される計算時刻ｔ０の位置から目標位置までの軌道を相接する２つの２次曲線の組み合わせで表すことにして、初速をＶ０、目標量と制御量の偏差をＸとした場合に、切替時刻ｔ１と、終了時刻ｔ２を、
【数１】
【数２】
の（１）式と（２）式で算出する。ここで、α１は計算時刻ｔ０〜切替時刻ｔ１の最大加速度αｐ又は最大減速度αｍであり、α２は切替時刻ｔ１〜終了時刻ｔ２の最大減速度αｍ又は最大加速度αｐである。
【００３０】
また、本発明の実施の形態のアクチュエータの制御方法で用いる最短時間制御は、図１に示す錘ｍが斜面を下って上がるような機械モデルと等価となる。図１のように、斜面に対し錘を持ち上げてから放すと、重力のために一定の加速度で錘は斜面を下り、続いて反対側の斜面を一定の減速度で上がる。摩擦等のエネルギー損失がなければ、錘ｍは始めと同じ高さまで登った所で速度ゼロとなり、一瞬停止する。この時に重力が無くなれば錘ｍはその位置に静止し続ける。
【００３１】
これをアクチュエータで制御対象を移動させる制御システムに置き換えると、アクチュエータの最大推力で錘を押し、続いてアクチュエータの最大推力で錘を引き戻すと、推す時に入力した仕事量と、引き戻す時に入力した仕事量が釣り合った時に制御対象が静止する。この様にして制御対象が静止した位置が目標位置となっていれば制御終了となる。
【００３２】
つまり、最短時間制御ではアクチュエータの最大推力で制御対象を加減速させ、目標位置に制御するため、理論的に最短の時間で制御できる。また、この時の制御出力パターンは、制御開始前に決定されるため、最短時間制御はフィードフォワード制御である。
【００３３】
これに対し、従来技術のＰＩＤ制御は、図１２に示すような基本的な質量ｍ、ばね、ダンパ系の減衰振動モデルを基本としたものとなり、ばねがＰ項、ダッシュポッドがＤ項の役割を果たす。なお、ゼロ点の補正項がＩ項となるが、ここではＩ項には物理的な意味はあまりない。
【００３４】
この制御をエネルギー変換で考えると、図１２の中段に示すように、目標位置を入力することで、目標変位としてばねを撓ませて、ばねの歪エネルギーを制御系に入力すると、ばね力に引かれて錘（質量ｍ）が動き始める。この時、歪エネルギーから運動エネルギーへの変換が行われる。錘ｍが運動を始めるとダッシュポッドにより運動エネルギーが熱エネルギーに変換され、系の外へエネルギーが放出される。初めに入力されたばねの歪エネルギーが全て熱エネルギーに変換されると、図１２の下段に示すように、制御対象である錘ｍは目標位置で静止することになる。なお、ＰＩＤ制御では制御対象の運動状態から制御出力が決定されるため、フィードバック制御である。
【００３５】
このように最短時間制御とＰＩＤ制御は根本的に異なる制御であると言えるが、一方で、ＰＩＤ制御のＰゲイン、Ｄゲインを非常に大きくし、アクチュエータの最大出力で出力の上限をカットすると、ＰＩＤ制御の制御出力波形は最短時間制御の制御出力波形に近づいていくため、最短時間制御はＰＩＤ制御のＰＤゲインを極限まで大きくした制御であると見ることもできる。しかし、ＰＩＤ制御では、通常は計算や制御の遅れにより、ＰＤゲインをあまり大きくすると制御が発散してしまうことになる。これはＰＩＤ制御がフィードバック制御であり常に現象に遅れて制御出力が決定されるため、この遅れが大きくなりすぎると制御が発散するからである。
【００３６】
これに対し、最短時間制御はフィードフォワード制御であり、動かし始めてから止めるまでを考慮した制御出力が常に現象よりも先に決定されるため、制御が安定であり、最短時間制御で、ＰＤゲインを極限まで大きくしたＰＩＤ制御と同等の制御出力を出しても制御は発散しない。
【００３７】
この最短時間制御の最も単純な例を図１０及び図１１に示す。図１０は、機械系の減衰力が無い場合を、図１１は機械系の減衰力がある場合を示す。図１０及び図１１では、計算時刻ｔ０から最大推力で目標に向かってアクチュエータを作動させ、切替時刻ｔ１で今度は最大減速度でアクチュエータを作動させ、続いて終了時刻ｔ２でアクチュエータ推力をゼロにしている。このように最短時間制御では切替時刻ｔ１と終了時刻ｔ２を決定すれば制御が可能である。切替時刻ｔ１と終了時刻ｔ２は以下の計算条件を元に決定することができる。
【００３８】
この計算条件では、制御対象が相接する２つの２次曲線上を通って目標に到達すると仮定する。そして、アクチュエータが発生可能な最大加速度αｐと、アクチュエータが発生可能な最大減速度αｍと、計算時刻ｔ０での目標量Ｔｘと制御量ｘの偏差Ｘ（＝目標量−制御量：目標位置と制御時の位置の差）と、計算時刻ｔ０での制御対象の速度Ｖ０を既知の値とし、切替時刻ｔ１で２つの２次曲線が接することと、終了時刻ｔ２で制御対象の速度をゼロとすること（Ｖ＝０）、終了時刻ｔ２で偏差Ｘをゼロとすること（Ｘ＝０）を拘束条件として、切替時刻ｔ１と終了時刻ｔ２を求める。
【００３９】
制御軌跡は、図２に示すように、２つの２次曲線ｆ（ｔ）、ｇ（ｔ）で構成されるものと仮定し、以下の条件を元に、制御出力を切り替える切替時刻ｔ１と制御出力を終了する終了時刻ｔ２を求める。また加速度α１、α２を表１より決定する。また、Ｖ０は制御中に得られた制御量の１階の微分値（または差分値）である。
【００４０】
計算条件は、次の（１）から（７）である。
（１）アクチュエータの最大出力時に発生可能な最大加速度αｐ、最大減速度αｍは既知、すなわち、予め測定した加速度より得られる。
（２）計算時刻ｔ０における速度Ｖ０は既知、すなわち、測定値の１階の微分（または差分）により得られる。
（３）計算時刻ｔ０で第１の２次曲線ｆ（ｔ０）の値がゼロである。
（４）計算時刻ｔ０で第１の２次曲線ｆ（ｔ０）の１階の微分値が時刻ｔ０での速度（初速）である。
（５）切替時刻ｔ１で第２の２次曲線ｇ（ｔ）が、１つ目の２次曲線ｆ（ｔ）に接する。（６）終了時刻ｔ２で第２の２次曲線ｇ（ｔ２）の値が目標値である。
（７）終了時刻ｔ２で第２の２次曲線ｇ（ｔ）の１階の微分値がゼロである。
【００４１】
以上の条件から、下記の（３）式〜（１３）式が得られる。これらを連立させて、出力の切替時刻ｔ１と終了時刻ｔ２を求め、加速度α１、α２を求める。ここでα１は計算時刻ｔ０から切替時刻ｔ１の加速度であり、α２は切替時刻ｔ１から終了時刻ｔ２の加速度で、α１＝αｐのとき、α２＝αｍ、α１＝αｍのときα２＝αｐである。
【数３】
（３）式と（５）式より、
【数４】
（３）式と（６）式と（１３）式より、
【数５】
（３）式と（７）式より、
【数６】
（４）式と（１２）式より、
【数７】
（４）式と（１１）式と（１６）式より、
【数８】
（４）式と（１０）式と（１６）式と（１７）式より、
【数９】
（１８）式を変形して、
【数１０】
（３）式と（５）式と（９）式と（１５）式と（１６）式と（１７）式と（１９）式より、
【数１１】
（３）式と（５）式と（８）式と（１５）式と（１６）式と（１７）式と（１９）式と（２０）式より、
【数１３】
（２１）式を変形して、
【数１３】
（２２）に２次方程式の解の公式を適用して、
【数１４】
（２３）式を（２０）式に代入してｔ２を得る。
【００４２】
ここで、ｆ（ｔ）、ｇ（ｔ）の取り得る軌跡は図４に示すＡ１〜Ａ６の６通りとなる。この６通りを場合分けする。
【００４３】
Ａ１は、Ｘ＞０，Ｖ０＞０のとき、アクチュエータ発生最大減速度αｍで減速しても目標をオーバーする状態である。最大減速度αｍで減速した時に速度がゼロになるまでの時間をｔ３とすると、ｔ３＝Ｖ０／αｍとなり、時刻ｔ３においてオーバーシュートする条件は、Ｖ０×ｔ３／２＝Ｖ０2／２αｍ＞Ｘである。
【００４４】
Ａ２は、Ｘ＞０，Ｖ０＞０のとき、アクチュエータ発生最大減速度αｍで減速すれば、目標をオーバーしない状態である。Ａ１と同様に計算すると、時刻ｔ３においてオーバーシュートしない条件は、Ｖ０2／２αｍ＜Ｘである。
【００４５】
Ａ３は、Ｘ＞０，Ｖ０＜０の条件であり、Ａ４は、Ｘ＜０，Ｖ０＞０の条件である。 また、Ａ５は、Ｘ＜０，Ｖ０＜０のとき、アクチュエータ発生最大減速度αｐで減速すれば目標をオーバーしない状態である。Ａ１と同様に計算すると、時刻ｔ３においてオーバーシュートしない条件は、Ｖ０2／２αｐ＞Ｘである。
【００４６】
Ａ６は、Ｘ＜０，Ｖ０＜０のとき、アクチュエータ発生最大減速度αｐで減速しても目標をオーバーする状態である。Ａ１と同様に計算すると、時刻ｔ３においてオーバーシュートする条件は、Ｖ０2／２αｐ＜Ｘである。
【００４７】
Ａ１、Ａ２、Ａ３が上凸から下凸への変化であり、α１＝αｍ＜０、α２＝αｐ＞０であり、Ａ４、Ａ５、Ａ６が下凸から上凸への変化であり、α１＝αｐ＞０、α２＝αｍ＜０である。これにより、α１とα２を決定する。
【００４８】
この場合分けを表１に示す。
【００４９】
【表１】
【００５０】
この様にして求めたα１、α２に仮想質量ｍを乗じ、アクチュエータ推力を求める。つまり、計算時刻ｔ０〜切替時刻ｔ１の間はアクチュエータ推力１（＝α１×仮想質量）で、切替時刻ｔ１〜終了時刻ｔ２の間はアクチュエータ推力２（＝α２×仮想質量）となる。
【００５１】
この本発明の実施の形態のアクチュエータの制御方法で用いる最短時間制御は、図５に示すような制御フローによって行うことができる。この制御フローがスタートすると、ステップＳ１１で、最大加速度αｐと最大減速度αｍのデータを読み込む。次のステップＳ１２で、目標量（目標値）Ｔｘと制御量（制御値）ｘのデータを読み込む。それとともに、経過時間ｔと再計算用経過時間ｔｃのカウントを始める。
【００５２】
ステップＳ１３で，軌道再計算の周期になっているか否か、即ち、軌道計算してからの再計算用経過時間ｔｃが軌道再計算の周期ｔｃｒ以上になったか否かを判定する。ステップＳ１３で，軌道再計算の周期ｔｃｒになった場合には（ＹＥＳ）、ステップＳ１４で、軌道計算し直してから、ステップＳ１５に行き、ステップＳ１３で，起動再計算の周期になっていない場合には（ＮＯ）、ステップＳ１４の軌道計算を迂回してステップＳ１５に行く。なお、軌道再計算の周期ｔｃｒは、制御周期の１／１０程度の周期とするのが好ましいが、軌道再計算の周期ｔｃｒを制御周期と同じにしても問題は生じない。
【００５３】
ステップＳ１４の軌道計算では、初速Ｖ０を「Ｖ０＝（ｘ−ｘ-1）／ｔｃｒ」（ｘ-1は、計算周期前の制御量）で、運動エネルギーＥを「Ｅ＝Ｖ０2／２」で算出し、表１からα１とα２を決定し、（２３）式と（２０）式より、切替時刻ｔ１と終了時刻ｔ２を計算する。また、再計算用経過時間ｔｃをリセットしてゼロにする（Ｔｃ＝０）。
【００５４】
ステップＳ１５では、経過時間ｔが切替時刻ｔ１より小さいか否かを判定し、小さい場合には（ＹＥＳ）、ステップＳ１６に行き、出力加速度をα１にしてから、ステップＳ２０に行く。ステップＳ１５で、経過時間ｔが切替時刻ｔ１より小さくない場合には（ＮＯ）、ステップＳ１７に行き、経過時間ｔが終了時刻ｔ２より小さいか否かを判定し、小さい場合には（ＹＥＳ）、ステップＳ１８に行き、出力加速度をα２にしてから、ステップＳ２０に行く。また、ステップＳ１７で、経過時間ｔが終了時刻ｔ２より小さくない場合には（ＮＯ）、ステップＳ１９に行き、出力加速度を「ゼロ」にしてから、ステップＳ２０に行く。
【００５５】
ステップＳ２０では、出力加速度に相当するアクチュエータ推力を予め設定された時間（各種の判定のインターバルに関係する時間）の間発生し、制御対象を制御する。また、経過時間ｔと再計算用経過時間ｔｃをカウントする。その後、ステップＳ１２に戻り、ステップＳ１２〜ステップＳ２０を繰り返す。これにより、再計算用経過時間ｔｃが軌道再計算の周期ｔｃｒ毎にステップＳ１４の軌道計算を計算し直しながら、アクチュエータの推力を制御することができる。
【００５６】
なお、経過時間ｔが予め設定してある時間を超えたり、制御を終了するスイッチ信号が入力されたりする等の、この図５の制御を終了すべき事情が発生すると、この制御フローのどのステップを実施していても、割り込みが発生し、リターンに行き、上位の制御フローに戻り、上位の制御フローの終了と共に、図５の制御フローも終了する。
【００５７】
上記の様にして求めた切替時刻ｔ１と終了時刻ｔ２でアクチュエータの動作を切り替えることで、図１０に示すような理想的な制御結果が得られる。しかし、この結果は、摩擦や減衰、誤差などが無い理想的な状況下での結果である。制御対象に機械的な減衰力が存在すると制御結果は図１１に示すように目標と一致しなくなってしまう。
【００５８】
この問題を解決するために、本発明のアクチュエータの制御方法では、一定周期又は不定期な予め設定した時間毎に目標軌跡を修正する。この一定周期等の修正用のリセットの期間は、許容誤差内の変動周期Ｔに対して、リセット信号周期はＴ／２以下とする必要がある。この再計算による制御軌跡の変化の様子を図３に示す。この図３では、最初の計算の制御軌道（点線）ではＸ１になる予定が実際にはＸ２であった場合に、再計算により、新たな制御軌道（実線）が計算されて、切替時刻ｔ１と終了時刻ｔ２も新たな値となり、この新たな切替時刻ｔ１と終了時刻ｔ２に基づいて制御力が制御されることになる。
【００５９】
図６及び図７に一定周期毎に切替時刻ｔ１と終了時刻ｔ２を計算し直したときの制御結果を示す。信号パルスの立ち上がりのタイミングで再計算を実施している。この最短時間制御方法を、従来技術の最短時間制御方法と区別するために、ここでは、フィードバック（ＦＢ）最短時間制御方法ということにする。図６に機械系の減衰力が無い場合を、図７に機械系の減衰力がある場合を示すが、結果として図７に示すような制御対象に機械的な減衰力がある場合でもほぼ理想的な軌跡で制御対象を目標位置に合致させることができることが分かる。
【００６０】
図８にフィードバック最短時間制御の実施例のシミュレーション結果を示し、図９にＰＩＤ制御の比較例のシミュレーション結果を示す。この結果を比較すると、図９に示すＰＩＤ制御の比較例では制御系の負荷変動に対し、制御結果が大きく変化してしまうのに対し、図８に示すフィードバック最短時間制御の実施例では、制御結果に乱れがなく常に安定した制御結果が得られている。つまり、図９の比較例では、制御系の負荷変動に対し、制御結果が大きく変化してしまうのに対し、図８の実施例では制御結果に乱れが無く、常に安定した制御結果が得られている。
【００６１】
従って、上記のアクチュエータの制御方法及びアクチュエータの制御装置によれば、最短時間制御であるために、制御速度が高速となり、最大加速度と最大減速度は計測によって設定でき、これ以外に調整項はないため、制御ゲインを調整する必要が無い。また、ＯＮ／ＯＦＦ制御であるため、中間的な出力を出す必要がなく、コントローラ、ドライバーを簡略化できる。
【００６２】
その上、予め設定した時間毎に、制御の各時刻における目標量と制御量の偏差Ｘを入れて切替時刻ｔ１と終了時刻ｔ２を更新するというフィードバックの要素を取り入れているため、外力が変化しても、また、制御周期を高速にしなくても、常に安定した制御結果を得ることができる。その結果、従来の制御則では相反する大きな課題であった「制御の速度」と「安定性」を両立させることができる。
【産業上の利用可能性】
【００６３】
本発明のアクチュエータの制御方法及びアクチュエータの制御装置によれば、制御速度が高速となり、しかも、制御ゲインを調整する必要が無く、ＯＮ／ＯＦＦ制御であるため、中間的な出力を出す必要がなく、コントローラ、ドライバーを簡略化でき、その上、予め設定した時間毎に、制御の各時刻における目標量と制御量の偏差Ｘを入れて切替時刻ｔ１と終了時刻ｔ２を更新するというフィードバックの要素を取り入れているため、外力が変化しても、また、制御周期を高速にしなくても、常に安定した制御結果を得ることができるので、自動車等に搭載した機器など、例えば、電動、油圧、空圧を用いた位置制御や、その他ＰＩＤ制御が適用されている制御対象などの数多くのアクチュエータの制御方法及びアクチュエータの制御装置として利用できる。
【００６４】
また、２自由度の場合には、Ｘ方向、Ｙ方向のそれぞれに対して独立して本発明の制御を適用することで２自由度の制御が可能になるので、１自由度の制御のみならず、多自由度の制御に適用できる。
【符号の説明】
【００６５】
ｔ０ 計算時刻
ｔ１ 切替時刻
ｔ２ 終了時刻
Ｖ０ 初速
Ｘ 目標量と制御量の偏差
αｐ最大加速度
αｍ最大減速度
【技術分野】
【０００１】
本発明は、アクチュエータの制御方法及びアクチュエータの制御装置に関し、より詳細には、最短時間制御において、予め設定した時間毎に出力パターンを修正する制御則を用いることでフィードバックの要素を取り入れることができるアクチュエータの制御方法及びアクチュエータの制御装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の制御ではＰＩＤ制御のフィードバック制御が一般的に用いられてきている。このＰＩＤ制御では、現象に対して必ず遅れて制御出力が決定されるため、制御速度を上げようとして、ＰＩＤの各制御ゲインを大きくすると制御が現象に対し間に合わなくなり、制御が不安定となる。特に制御対象の機械的減衰力が著しく低下すると制御が不安定になり易く、制御が発散する場合もある。この制御の不安定を避けるためのＰＩＤ制御の各制御ゲインを決定する方法として、制御の安定性を保証できるＨ∞等の制御理論を適用している。しかし、ＰＩＤ制御という制約のもとでは、負荷変動によりオーバーシュートや制御遅れが生じる。
【０００３】
ＰＩＤ制御においても、スライディングモード制御を使用すると、制御ゲインを制御状態によって切り替えることで、負荷変動の影響を理論的には排除できる。しかし、制御周期が遅くなると、この制御は振動したまま収束しなくなる。そのため、負荷変動の影響を完全に排除するためには、無限に速く制御ゲインを切り替える必要があり、現象に対し無限に速いと言える程度まで、高速なコントロールが必要になる。更に、ＰＩＤ等の各制御ゲインの調整が必要であり、この制御ゲインの調整の善し悪しが制御の善し悪しを決定してしまうため、この制御ゲインの調整が非常に重要な要素となってしまっている。
【０００４】
また、これらの制御理論は、ＰＩＤ制御の欠点を補うもので、「最短の時間で目標位置に制御対象を静止させる」ことを制御の目的とするために構築された手法ではない。そのため、この単純な目的に対してはＰＩＤ制御よりもむしろ、最短時間制御がより目的に合致した制御方法であるといえる。
【０００５】
最も単純な最短時間制御は、目標位置までの行程の半分で制御対象を最大推力で加速し、残り半分の行程を最大減速度で減速して目標位置に制御対象を静止させる制御である。この出力パターンは制御開始前に決定されるので、この最短時間制御は、フィードフォワード制御と言える。
【０００６】
言い換えれば、最短時間制御とはアクチュエータの最大駆動力で動かし、最大制動力で停止させる制御方法で、理論的には最短時間で制御対象を目標に静止させることが可能な制御である。つまり、最短時間制御は「最短の時間で目標位置に制御対象を静止させる」という制御の目的に完全に合致する制御方法である。
【０００７】
例えば、この最短時間制御を用いた制御装置として、サーボモータを制御するための制御手段と、無負荷時の値を基準とした制御量と負荷重量の関係を記憶しておく対応関係記憶手段と、負荷推定計算手段と、負荷推定計算手段で計算されたワーク情報を基に加減速定数を決定する加減速定数決定手段と、決定された加減速定数を使用してサーボ制御手段に払い出す指令を作成する指令作成手段を備えて、ワークを把持した時は、加速時間が長くなり、ワークを把持していない時は、加速時間を短くするロボットの最短時間制御装置が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。
【０００８】
しかしながら、最短時間制御は、理論的に最短の時間で制御可能な理想的な制御である一方、出力パターンが初速や最大加速度、最大減速度を考慮して決定されるオープン制御であり、フィードバック要素が無いため、目標と制御量が合致しないときに、修正の方法がなく、正確に目標と制御量を一致させることが困難であるという問題があるため、実際の制御に採用されることは稀であった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開２０００−９４３７１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
本発明は、上記の状況を鑑みてなされたものであり、その目的は、最短時間制御にフィードバック制御の要素を取り入れたアクチュエータの制御方法及びアクチュエータの制御装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記のような目的を達成するための本発明のアクチュエータの制御方法は、最短時間制御を用いると共に、予め、計測されたアクチュエータの制御力の最大出力時の最大加速度αｐと最大減速度αｍを用いて、制御のための計算を行う計算時刻ｔ０からの経過時間表示で、加速出力から減速出力へ切り替える切替時刻ｔ１と、減速出力の終了時刻ｔ２を算出する算出ステップと、前記計算時刻ｔ０から前記切替時刻ｔ１までは前記アクチュエータの制御力を最大加速出力とし、前記切替時刻ｔ１から前記終了時刻ｔ２までは前記アクチュエータの制御力を最大減速出力とし、前記終了時刻ｔ２で制御力の出力を終了する制御出力ステップを備えると共に、前記算出ステップを予め設定した時間毎に繰り返し、前記切替時刻ｔ１と前記終了時刻ｔ２を算出して更新することを特徴とする方法である。
【００１２】
つまり、計算時刻ｔ０の制御対象物の位置から目標位置までの制御の目標軌跡を予め設定した時間毎である一定周期毎又は不定期毎に偏差、速度を考慮して再計算して、切替時刻ｔ１と終了時刻ｔ２を更新する。この切替時刻ｔ１と終了時刻ｔ２は再計算した計算時刻ｔ０からの経過時間となる。
【００１３】
なお、この最大加速度αｐ、又は、最大減速度αｍは、制御値の２階の時間微分値若しくは制御値の２階の差分値であり、制御値が運動を伴わない温度のようなものでも適用できる。
【００１４】
この方法によれば、最短時間制御であるために、制御速度が高速となり、最大加速度αｐと最大減速度αｍは計測によって設定でき、これ以外に調整項が無いため、制御ゲインを調整する必要が無い。また、ＯＮ／ＯＦＦ制御であるため、中間的な出力を出す必要がなく、コントローラ、ドライバーを簡略化できる。
【００１５】
その上、予め設定した時間毎に、制御の各時刻における目標量と制御量の偏差Ｘを入れて計算し直して再計算の計算時刻ｔ０からの経過時間表示である切替時刻ｔ１と終了時刻ｔ２を更新するというフィードバックの要素を取り入れているため、外力が変化しても、また、制御の時間間隔を高速にしなくても、常に安定した制御結果を得ることができる。その結果、従来の制御則では相反する大きな課題であった「制御の速度」と「安定性」を両立させることができる。
【００１６】
また、上記のアクチュエータの制御方法において、前記算出ステップにおいて、前記計算時刻ｔ０での位置から前記終了時刻ｔ２の目標位置までの軌道を相接する２つの２次曲線の組み合わせで表して、初速をＶ０、目標位置と制御量の偏差をＸとした場合に、前記切替時刻ｔ１と、前記終了時刻ｔ２を、
【数１】
【数２】
の（１）式と（２）式で算出すると、容易に、切替時刻ｔ１と記終了時刻ｔ２を算出できる。なお、α１は計算時刻ｔ０〜切替時刻ｔ１の最大加速度αｐ又は最大減速度αｍであり、α２は切替時刻ｔ１〜終了時刻ｔ２の最大減速度αｍ又は最大加速度αｐである。
【００１７】
そして、上記のような目的を達成するための本発明のアクチュエータの制御装置は、最短時間制御を用いると共に、予め、計測されたアクチュエータの制御力の最大出力時の最大加速度αｐと最大減速度αｍを用いて、制御のための計算を行う計算時刻ｔ０からの経過時間表示で、加速出力から減速出力へ切り替える切替時刻ｔ１と、減速出力の終了時刻ｔ２を算出する算出手段と、前記計算時刻ｔ０から前記切替時刻ｔ１までは前記アクチュエータの制御力を最大加速出力とし、前記切替時刻ｔ１から前記終了時刻ｔ２までは前記アクチュエータの制御力を最大減速出力とし、前記終了時刻ｔ２で制御力の出力を終了する制御出力手段を備えると共に、予め設定した時間毎に前記算出手段により前記切替時刻ｔ１と前記終了時刻ｔ２を繰り返して算出し、更新する更新手段を備えて構成される。
【００１８】
また、上記のアクチュエータの制御装置において、前記算出手段が、前記計算時刻ｔ０での位置から前記終了時刻ｔ２の目標位置までの軌道を相接する２つの２次曲線の組み合わせで表して、初速をＶ０、目標位置と制御量の偏差をＸとした場合に、前記切替時刻ｔ１と、前記終了時刻ｔ２を、
【数１】
【数２】
の（１）式と（２）式で算出するように構成する。なお、α１は計算時刻ｔ０〜切替時刻ｔ１の最大加速度αｐ又は最大減速度αｍであり、α２は切替時刻ｔ１〜終了時刻ｔ２の最大減速度αｍ又は最大加速度αｐである。
【００１９】
また、上記のアクチュエータの制御装置において、計算時刻ｔ０から切替時刻ｔ１の間の加速度αｐと切替時刻ｔ１から終了時刻ｔ２の間の加速度αｍを表１によって決定する。
【００２０】
【表１】
【００２１】
これらの構成のアクチュエータの制御装置によれば、上記のアクチュエータの制御方法を実施でき、同様の効果を奏することができる。
【発明の効果】
【００２２】
本発明に係るアクチュエータの制御方法及びアクチュエータの制御装置によれば、最短時間制御であるために、制御速度が高速となり、最大加速度と最大減速度は計測によって設定でき、これ以外に調整項はないため、制御ゲインを調整する必要が無い。また、ＯＮ／ＯＦＦ制御であるため、中間的な出力を出す必要がなく、コントローラ、ドライバーを簡略化できる。
【００２３】
その上、予め設定した時間毎に、制御の各時刻における目標量と制御量の偏差を入れて切替時刻と終了時刻を更新するというフィードバックの要素を取り入れているため、外力が変化しても、また、制御の時間間隔を高速にしなくても、常に安定した制御結果を得ることができる。その結果、従来の制御則では相反する大きな課題であった「制御の速度」と「安定性」を両立させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】本発明の実施の形態のアクチュエータの制御方法で用いられる最短時間制御を説明するための最短時間制御モデルを示す図である。
【図２】制御軌跡の計算条件を説明するための図である。
【図３】再計算における制御軌跡の変化を説明するための図である。
【図４】ｆ（ｔ）、ｇ（ｔ）の取り得る目標軌跡を示す図である。
【図５】本発明の実施の形態のアクチュエータの制御方法の制御フローの一例を示す図である。
【図６】本発明の実施の形態のアクチュエータの制御方法のフィードバック最短時間制御の機械系の減衰力が無い場合の制御結果を示す図である。
【図７】本発明の実施の形態のアクチュエータの制御方法のフィードバック最短時間制御の機械系の減衰力が有る場合の制御結果を示す図である。
【図８】実施例のシミュレーション結果を示す図である。
【図９】比較例のシミュレーション結果を示す図である。
【図１０】従来技術の最短時間制御の機械系の減衰力が無い場合の制御結果を示す図である。
【図１１】従来技術の最短時間制御の機械系の減衰力が有る場合の制御結果を示す図である。
【図１２】ＰＩＤ制御を説明するためのＰＩＤ制御モデルを示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
以下、本発明に係る実施の形態のアクチュエータの制御方法及びアクチュエータの制御装置について、図面を参照しながら説明する。なお、ここでは、本発明の最短時間制御を明確にするために、ＰＩＤ制御との比較を行いながら説明する。
【００２６】
本発明に係る実施の形態のアクチュエータの制御装置は、最短時間制御を用いると共に、算出手段と、制御力出力手段と、更新手段を備えて構成される。
【００２７】
この算出手段は、予め計測されたアクチュエータの制御力の最大出力時の最大加速度αｐと最大減速度αｍを用いて、制御のための計算を行う計算時刻ｔ０からの経過時間表示で、加速出力から減速出力へ切り替える切替時刻ｔ１と、減速出力の終了時刻ｔ２を算出する。
【００２８】
また、制御出力手段は、計算時刻ｔ０から切替時刻ｔ１までは、アクチュエータの制御力を最大加速出力とし、切替時刻ｔ１から終了時刻ｔ２まではアクチュエータの制御力を最大減速出力とし、終了時刻ｔ２で制御力の出力を終了する。
【００２９】
更に、更新手段は、一定周期又は不定期な予め設定した時間毎に算出手段で切替時刻ｔ１と終了時刻ｔ２を繰り返し算出し、更新するように構成される。この算出手段は、再計算される計算時刻ｔ０の位置から目標位置までの軌道を相接する２つの２次曲線の組み合わせで表すことにして、初速をＶ０、目標量と制御量の偏差をＸとした場合に、切替時刻ｔ１と、終了時刻ｔ２を、
【数１】
【数２】
の（１）式と（２）式で算出する。ここで、α１は計算時刻ｔ０〜切替時刻ｔ１の最大加速度αｐ又は最大減速度αｍであり、α２は切替時刻ｔ１〜終了時刻ｔ２の最大減速度αｍ又は最大加速度αｐである。
【００３０】
また、本発明の実施の形態のアクチュエータの制御方法で用いる最短時間制御は、図１に示す錘ｍが斜面を下って上がるような機械モデルと等価となる。図１のように、斜面に対し錘を持ち上げてから放すと、重力のために一定の加速度で錘は斜面を下り、続いて反対側の斜面を一定の減速度で上がる。摩擦等のエネルギー損失がなければ、錘ｍは始めと同じ高さまで登った所で速度ゼロとなり、一瞬停止する。この時に重力が無くなれば錘ｍはその位置に静止し続ける。
【００３１】
これをアクチュエータで制御対象を移動させる制御システムに置き換えると、アクチュエータの最大推力で錘を押し、続いてアクチュエータの最大推力で錘を引き戻すと、推す時に入力した仕事量と、引き戻す時に入力した仕事量が釣り合った時に制御対象が静止する。この様にして制御対象が静止した位置が目標位置となっていれば制御終了となる。
【００３２】
つまり、最短時間制御ではアクチュエータの最大推力で制御対象を加減速させ、目標位置に制御するため、理論的に最短の時間で制御できる。また、この時の制御出力パターンは、制御開始前に決定されるため、最短時間制御はフィードフォワード制御である。
【００３３】
これに対し、従来技術のＰＩＤ制御は、図１２に示すような基本的な質量ｍ、ばね、ダンパ系の減衰振動モデルを基本としたものとなり、ばねがＰ項、ダッシュポッドがＤ項の役割を果たす。なお、ゼロ点の補正項がＩ項となるが、ここではＩ項には物理的な意味はあまりない。
【００３４】
この制御をエネルギー変換で考えると、図１２の中段に示すように、目標位置を入力することで、目標変位としてばねを撓ませて、ばねの歪エネルギーを制御系に入力すると、ばね力に引かれて錘（質量ｍ）が動き始める。この時、歪エネルギーから運動エネルギーへの変換が行われる。錘ｍが運動を始めるとダッシュポッドにより運動エネルギーが熱エネルギーに変換され、系の外へエネルギーが放出される。初めに入力されたばねの歪エネルギーが全て熱エネルギーに変換されると、図１２の下段に示すように、制御対象である錘ｍは目標位置で静止することになる。なお、ＰＩＤ制御では制御対象の運動状態から制御出力が決定されるため、フィードバック制御である。
【００３５】
このように最短時間制御とＰＩＤ制御は根本的に異なる制御であると言えるが、一方で、ＰＩＤ制御のＰゲイン、Ｄゲインを非常に大きくし、アクチュエータの最大出力で出力の上限をカットすると、ＰＩＤ制御の制御出力波形は最短時間制御の制御出力波形に近づいていくため、最短時間制御はＰＩＤ制御のＰＤゲインを極限まで大きくした制御であると見ることもできる。しかし、ＰＩＤ制御では、通常は計算や制御の遅れにより、ＰＤゲインをあまり大きくすると制御が発散してしまうことになる。これはＰＩＤ制御がフィードバック制御であり常に現象に遅れて制御出力が決定されるため、この遅れが大きくなりすぎると制御が発散するからである。
【００３６】
これに対し、最短時間制御はフィードフォワード制御であり、動かし始めてから止めるまでを考慮した制御出力が常に現象よりも先に決定されるため、制御が安定であり、最短時間制御で、ＰＤゲインを極限まで大きくしたＰＩＤ制御と同等の制御出力を出しても制御は発散しない。
【００３７】
この最短時間制御の最も単純な例を図１０及び図１１に示す。図１０は、機械系の減衰力が無い場合を、図１１は機械系の減衰力がある場合を示す。図１０及び図１１では、計算時刻ｔ０から最大推力で目標に向かってアクチュエータを作動させ、切替時刻ｔ１で今度は最大減速度でアクチュエータを作動させ、続いて終了時刻ｔ２でアクチュエータ推力をゼロにしている。このように最短時間制御では切替時刻ｔ１と終了時刻ｔ２を決定すれば制御が可能である。切替時刻ｔ１と終了時刻ｔ２は以下の計算条件を元に決定することができる。
【００３８】
この計算条件では、制御対象が相接する２つの２次曲線上を通って目標に到達すると仮定する。そして、アクチュエータが発生可能な最大加速度αｐと、アクチュエータが発生可能な最大減速度αｍと、計算時刻ｔ０での目標量Ｔｘと制御量ｘの偏差Ｘ（＝目標量−制御量：目標位置と制御時の位置の差）と、計算時刻ｔ０での制御対象の速度Ｖ０を既知の値とし、切替時刻ｔ１で２つの２次曲線が接することと、終了時刻ｔ２で制御対象の速度をゼロとすること（Ｖ＝０）、終了時刻ｔ２で偏差Ｘをゼロとすること（Ｘ＝０）を拘束条件として、切替時刻ｔ１と終了時刻ｔ２を求める。
【００３９】
制御軌跡は、図２に示すように、２つの２次曲線ｆ（ｔ）、ｇ（ｔ）で構成されるものと仮定し、以下の条件を元に、制御出力を切り替える切替時刻ｔ１と制御出力を終了する終了時刻ｔ２を求める。また加速度α１、α２を表１より決定する。また、Ｖ０は制御中に得られた制御量の１階の微分値（または差分値）である。
【００４０】
計算条件は、次の（１）から（７）である。
（１）アクチュエータの最大出力時に発生可能な最大加速度αｐ、最大減速度αｍは既知、すなわち、予め測定した加速度より得られる。
（２）計算時刻ｔ０における速度Ｖ０は既知、すなわち、測定値の１階の微分（または差分）により得られる。
（３）計算時刻ｔ０で第１の２次曲線ｆ（ｔ０）の値がゼロである。
（４）計算時刻ｔ０で第１の２次曲線ｆ（ｔ０）の１階の微分値が時刻ｔ０での速度（初速）である。
（５）切替時刻ｔ１で第２の２次曲線ｇ（ｔ）が、１つ目の２次曲線ｆ（ｔ）に接する。（６）終了時刻ｔ２で第２の２次曲線ｇ（ｔ２）の値が目標値である。
（７）終了時刻ｔ２で第２の２次曲線ｇ（ｔ）の１階の微分値がゼロである。
【００４１】
以上の条件から、下記の（３）式〜（１３）式が得られる。これらを連立させて、出力の切替時刻ｔ１と終了時刻ｔ２を求め、加速度α１、α２を求める。ここでα１は計算時刻ｔ０から切替時刻ｔ１の加速度であり、α２は切替時刻ｔ１から終了時刻ｔ２の加速度で、α１＝αｐのとき、α２＝αｍ、α１＝αｍのときα２＝αｐである。
【数３】
（３）式と（５）式より、
【数４】
（３）式と（６）式と（１３）式より、
【数５】
（３）式と（７）式より、
【数６】
（４）式と（１２）式より、
【数７】
（４）式と（１１）式と（１６）式より、
【数８】
（４）式と（１０）式と（１６）式と（１７）式より、
【数９】
（１８）式を変形して、
【数１０】
（３）式と（５）式と（９）式と（１５）式と（１６）式と（１７）式と（１９）式より、
【数１１】
（３）式と（５）式と（８）式と（１５）式と（１６）式と（１７）式と（１９）式と（２０）式より、
【数１３】
（２１）式を変形して、
【数１３】
（２２）に２次方程式の解の公式を適用して、
【数１４】
（２３）式を（２０）式に代入してｔ２を得る。
【００４２】
ここで、ｆ（ｔ）、ｇ（ｔ）の取り得る軌跡は図４に示すＡ１〜Ａ６の６通りとなる。この６通りを場合分けする。
【００４３】
Ａ１は、Ｘ＞０，Ｖ０＞０のとき、アクチュエータ発生最大減速度αｍで減速しても目標をオーバーする状態である。最大減速度αｍで減速した時に速度がゼロになるまでの時間をｔ３とすると、ｔ３＝Ｖ０／αｍとなり、時刻ｔ３においてオーバーシュートする条件は、Ｖ０×ｔ３／２＝Ｖ０2／２αｍ＞Ｘである。
【００４４】
Ａ２は、Ｘ＞０，Ｖ０＞０のとき、アクチュエータ発生最大減速度αｍで減速すれば、目標をオーバーしない状態である。Ａ１と同様に計算すると、時刻ｔ３においてオーバーシュートしない条件は、Ｖ０2／２αｍ＜Ｘである。
【００４５】
Ａ３は、Ｘ＞０，Ｖ０＜０の条件であり、Ａ４は、Ｘ＜０，Ｖ０＞０の条件である。 また、Ａ５は、Ｘ＜０，Ｖ０＜０のとき、アクチュエータ発生最大減速度αｐで減速すれば目標をオーバーしない状態である。Ａ１と同様に計算すると、時刻ｔ３においてオーバーシュートしない条件は、Ｖ０2／２αｐ＞Ｘである。
【００４６】
Ａ６は、Ｘ＜０，Ｖ０＜０のとき、アクチュエータ発生最大減速度αｐで減速しても目標をオーバーする状態である。Ａ１と同様に計算すると、時刻ｔ３においてオーバーシュートする条件は、Ｖ０2／２αｐ＜Ｘである。
【００４７】
Ａ１、Ａ２、Ａ３が上凸から下凸への変化であり、α１＝αｍ＜０、α２＝αｐ＞０であり、Ａ４、Ａ５、Ａ６が下凸から上凸への変化であり、α１＝αｐ＞０、α２＝αｍ＜０である。これにより、α１とα２を決定する。
【００４８】
この場合分けを表１に示す。
【００４９】
【表１】
【００５０】
この様にして求めたα１、α２に仮想質量ｍを乗じ、アクチュエータ推力を求める。つまり、計算時刻ｔ０〜切替時刻ｔ１の間はアクチュエータ推力１（＝α１×仮想質量）で、切替時刻ｔ１〜終了時刻ｔ２の間はアクチュエータ推力２（＝α２×仮想質量）となる。
【００５１】
この本発明の実施の形態のアクチュエータの制御方法で用いる最短時間制御は、図５に示すような制御フローによって行うことができる。この制御フローがスタートすると、ステップＳ１１で、最大加速度αｐと最大減速度αｍのデータを読み込む。次のステップＳ１２で、目標量（目標値）Ｔｘと制御量（制御値）ｘのデータを読み込む。それとともに、経過時間ｔと再計算用経過時間ｔｃのカウントを始める。
【００５２】
ステップＳ１３で，軌道再計算の周期になっているか否か、即ち、軌道計算してからの再計算用経過時間ｔｃが軌道再計算の周期ｔｃｒ以上になったか否かを判定する。ステップＳ１３で，軌道再計算の周期ｔｃｒになった場合には（ＹＥＳ）、ステップＳ１４で、軌道計算し直してから、ステップＳ１５に行き、ステップＳ１３で，起動再計算の周期になっていない場合には（ＮＯ）、ステップＳ１４の軌道計算を迂回してステップＳ１５に行く。なお、軌道再計算の周期ｔｃｒは、制御周期の１／１０程度の周期とするのが好ましいが、軌道再計算の周期ｔｃｒを制御周期と同じにしても問題は生じない。
【００５３】
ステップＳ１４の軌道計算では、初速Ｖ０を「Ｖ０＝（ｘ−ｘ-1）／ｔｃｒ」（ｘ-1は、計算周期前の制御量）で、運動エネルギーＥを「Ｅ＝Ｖ０2／２」で算出し、表１からα１とα２を決定し、（２３）式と（２０）式より、切替時刻ｔ１と終了時刻ｔ２を計算する。また、再計算用経過時間ｔｃをリセットしてゼロにする（Ｔｃ＝０）。
【００５４】
ステップＳ１５では、経過時間ｔが切替時刻ｔ１より小さいか否かを判定し、小さい場合には（ＹＥＳ）、ステップＳ１６に行き、出力加速度をα１にしてから、ステップＳ２０に行く。ステップＳ１５で、経過時間ｔが切替時刻ｔ１より小さくない場合には（ＮＯ）、ステップＳ１７に行き、経過時間ｔが終了時刻ｔ２より小さいか否かを判定し、小さい場合には（ＹＥＳ）、ステップＳ１８に行き、出力加速度をα２にしてから、ステップＳ２０に行く。また、ステップＳ１７で、経過時間ｔが終了時刻ｔ２より小さくない場合には（ＮＯ）、ステップＳ１９に行き、出力加速度を「ゼロ」にしてから、ステップＳ２０に行く。
【００５５】
ステップＳ２０では、出力加速度に相当するアクチュエータ推力を予め設定された時間（各種の判定のインターバルに関係する時間）の間発生し、制御対象を制御する。また、経過時間ｔと再計算用経過時間ｔｃをカウントする。その後、ステップＳ１２に戻り、ステップＳ１２〜ステップＳ２０を繰り返す。これにより、再計算用経過時間ｔｃが軌道再計算の周期ｔｃｒ毎にステップＳ１４の軌道計算を計算し直しながら、アクチュエータの推力を制御することができる。
【００５６】
なお、経過時間ｔが予め設定してある時間を超えたり、制御を終了するスイッチ信号が入力されたりする等の、この図５の制御を終了すべき事情が発生すると、この制御フローのどのステップを実施していても、割り込みが発生し、リターンに行き、上位の制御フローに戻り、上位の制御フローの終了と共に、図５の制御フローも終了する。
【００５７】
上記の様にして求めた切替時刻ｔ１と終了時刻ｔ２でアクチュエータの動作を切り替えることで、図１０に示すような理想的な制御結果が得られる。しかし、この結果は、摩擦や減衰、誤差などが無い理想的な状況下での結果である。制御対象に機械的な減衰力が存在すると制御結果は図１１に示すように目標と一致しなくなってしまう。
【００５８】
この問題を解決するために、本発明のアクチュエータの制御方法では、一定周期又は不定期な予め設定した時間毎に目標軌跡を修正する。この一定周期等の修正用のリセットの期間は、許容誤差内の変動周期Ｔに対して、リセット信号周期はＴ／２以下とする必要がある。この再計算による制御軌跡の変化の様子を図３に示す。この図３では、最初の計算の制御軌道（点線）ではＸ１になる予定が実際にはＸ２であった場合に、再計算により、新たな制御軌道（実線）が計算されて、切替時刻ｔ１と終了時刻ｔ２も新たな値となり、この新たな切替時刻ｔ１と終了時刻ｔ２に基づいて制御力が制御されることになる。
【００５９】
図６及び図７に一定周期毎に切替時刻ｔ１と終了時刻ｔ２を計算し直したときの制御結果を示す。信号パルスの立ち上がりのタイミングで再計算を実施している。この最短時間制御方法を、従来技術の最短時間制御方法と区別するために、ここでは、フィードバック（ＦＢ）最短時間制御方法ということにする。図６に機械系の減衰力が無い場合を、図７に機械系の減衰力がある場合を示すが、結果として図７に示すような制御対象に機械的な減衰力がある場合でもほぼ理想的な軌跡で制御対象を目標位置に合致させることができることが分かる。
【００６０】
図８にフィードバック最短時間制御の実施例のシミュレーション結果を示し、図９にＰＩＤ制御の比較例のシミュレーション結果を示す。この結果を比較すると、図９に示すＰＩＤ制御の比較例では制御系の負荷変動に対し、制御結果が大きく変化してしまうのに対し、図８に示すフィードバック最短時間制御の実施例では、制御結果に乱れがなく常に安定した制御結果が得られている。つまり、図９の比較例では、制御系の負荷変動に対し、制御結果が大きく変化してしまうのに対し、図８の実施例では制御結果に乱れが無く、常に安定した制御結果が得られている。
【００６１】
従って、上記のアクチュエータの制御方法及びアクチュエータの制御装置によれば、最短時間制御であるために、制御速度が高速となり、最大加速度と最大減速度は計測によって設定でき、これ以外に調整項はないため、制御ゲインを調整する必要が無い。また、ＯＮ／ＯＦＦ制御であるため、中間的な出力を出す必要がなく、コントローラ、ドライバーを簡略化できる。
【００６２】
その上、予め設定した時間毎に、制御の各時刻における目標量と制御量の偏差Ｘを入れて切替時刻ｔ１と終了時刻ｔ２を更新するというフィードバックの要素を取り入れているため、外力が変化しても、また、制御周期を高速にしなくても、常に安定した制御結果を得ることができる。その結果、従来の制御則では相反する大きな課題であった「制御の速度」と「安定性」を両立させることができる。
【産業上の利用可能性】
【００６３】
本発明のアクチュエータの制御方法及びアクチュエータの制御装置によれば、制御速度が高速となり、しかも、制御ゲインを調整する必要が無く、ＯＮ／ＯＦＦ制御であるため、中間的な出力を出す必要がなく、コントローラ、ドライバーを簡略化でき、その上、予め設定した時間毎に、制御の各時刻における目標量と制御量の偏差Ｘを入れて切替時刻ｔ１と終了時刻ｔ２を更新するというフィードバックの要素を取り入れているため、外力が変化しても、また、制御周期を高速にしなくても、常に安定した制御結果を得ることができるので、自動車等に搭載した機器など、例えば、電動、油圧、空圧を用いた位置制御や、その他ＰＩＤ制御が適用されている制御対象などの数多くのアクチュエータの制御方法及びアクチュエータの制御装置として利用できる。
【００６４】
また、２自由度の場合には、Ｘ方向、Ｙ方向のそれぞれに対して独立して本発明の制御を適用することで２自由度の制御が可能になるので、１自由度の制御のみならず、多自由度の制御に適用できる。
【符号の説明】
【００６５】
ｔ０ 計算時刻
ｔ１ 切替時刻
ｔ２ 終了時刻
Ｖ０ 初速
Ｘ 目標量と制御量の偏差
αｐ最大加速度
αｍ最大減速度
【特許請求の範囲】
【請求項１】
最短時間制御を用いると共に、
予め、計測されたアクチュエータの制御力の最大出力時の最大加速度αｐと最大減速度αｍを用いて、制御のための計算を行う計算時刻ｔ０からの経過時間表示で、加速出力から減速出力へ切り替える切替時刻ｔ１と、減速出力の終了時刻ｔ２を算出する算出ステップと、
前記計算時刻ｔ０から前記切替時刻ｔ１までは前記アクチュエータの制御力を最大加速出力とし、前記切替時刻ｔ１から前記終了時刻ｔ２までは前記アクチュエータの制御力を最大減速出力とし、前記終了時刻ｔ２で制御力の出力を終了する制御出力ステップを備えると共に、
前記算出ステップを予め設定した時間毎に繰り返し、前記切替時刻ｔ１と前記終了時刻ｔ２を算出して更新することを特徴とするアクチュエータの制御方法。
【請求項２】
前記算出ステップにおいて、前記計算時刻ｔ０での位置から前記終了時刻ｔ２の目標位置までの軌道を相接する２つの２次曲線の組み合わせで表して、初速をＶ０、目標位置と制御量の偏差をＸとした場合に、前記切替時刻ｔ１と、前記終了時刻ｔ２を、
【数１】
【数２】
ここで、α１は計算時刻ｔ０〜切替時刻ｔ１の最大加速度αｐ又は最大減速度αｍであり、α２は切替時刻ｔ１〜終了時刻ｔ２の最大減速度αｍ又は最大加速度αｐであり、この（１）式と（２）式で算出することを特徴とする請求項１記載のアクチュエータの制御方法。
【請求項３】
最短時間制御を用いると共に、
予め、計測されたアクチュエータの制御力の最大出力時の最大加速度αｐと最大減速度αｍを用いて、制御のための計算を行う計算時刻ｔ０からの経過時間表示で、加速出力から減速出力へ切り替える切替時刻ｔ１と、減速出力の終了時刻ｔ２を算出する算出手段と、
前記計算時刻ｔ０から前記切替時刻ｔ１までは前記アクチュエータの制御力を最大加速出力とし、前記切替時刻ｔ１から前記終了時刻ｔ２までは前記アクチュエータの制御力を最大減速出力とし、前記終了時刻ｔ２で制御力の出力を終了する制御出力手段を備えると共に、
予め設定した時間毎に前記算出手段により前記切替時刻ｔ１と前記終了時刻ｔ２を繰り返して算出し、更新する更新手段を備えたことを特徴とするアクチュエータの制御装置。
【請求項４】
前記算出手段が、前記計算時刻ｔ０での位置から前記終了時刻ｔ２の目標位置までの軌道を相接する２つの２次曲線の組み合わせで表して、初速をＶ０、目標位置と制御量の偏差をＸとした場合に、前記切替時刻ｔ１と、前記終了時刻ｔ２を、
【数１】
【数２】
ここで、α１は計算時刻ｔ０〜切替時刻ｔ１の最大加速度αｐ又は最大減速度αｍであり、α２は切替時刻ｔ１〜終了時刻ｔ２の最大減速度αｍ又は最大加速度αｐであり、この（１）式と（２）式で算出することを特徴とする請求項１記載のアクチュエータの制御装置。
【請求項５】
計算時刻ｔ０から切替時刻ｔ１の間の加速度αｐと切替時刻ｔ１から終了時刻ｔ２の間の加速度αｍを表１によって決定する
【表１】
ことを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載のアクチュエータの制御装置。
【請求項１】
最短時間制御を用いると共に、
予め、計測されたアクチュエータの制御力の最大出力時の最大加速度αｐと最大減速度αｍを用いて、制御のための計算を行う計算時刻ｔ０からの経過時間表示で、加速出力から減速出力へ切り替える切替時刻ｔ１と、減速出力の終了時刻ｔ２を算出する算出ステップと、
前記計算時刻ｔ０から前記切替時刻ｔ１までは前記アクチュエータの制御力を最大加速出力とし、前記切替時刻ｔ１から前記終了時刻ｔ２までは前記アクチュエータの制御力を最大減速出力とし、前記終了時刻ｔ２で制御力の出力を終了する制御出力ステップを備えると共に、
前記算出ステップを予め設定した時間毎に繰り返し、前記切替時刻ｔ１と前記終了時刻ｔ２を算出して更新することを特徴とするアクチュエータの制御方法。
【請求項２】
前記算出ステップにおいて、前記計算時刻ｔ０での位置から前記終了時刻ｔ２の目標位置までの軌道を相接する２つの２次曲線の組み合わせで表して、初速をＶ０、目標位置と制御量の偏差をＸとした場合に、前記切替時刻ｔ１と、前記終了時刻ｔ２を、
【数１】
【数２】
ここで、α１は計算時刻ｔ０〜切替時刻ｔ１の最大加速度αｐ又は最大減速度αｍであり、α２は切替時刻ｔ１〜終了時刻ｔ２の最大減速度αｍ又は最大加速度αｐであり、この（１）式と（２）式で算出することを特徴とする請求項１記載のアクチュエータの制御方法。
【請求項３】
最短時間制御を用いると共に、
予め、計測されたアクチュエータの制御力の最大出力時の最大加速度αｐと最大減速度αｍを用いて、制御のための計算を行う計算時刻ｔ０からの経過時間表示で、加速出力から減速出力へ切り替える切替時刻ｔ１と、減速出力の終了時刻ｔ２を算出する算出手段と、
前記計算時刻ｔ０から前記切替時刻ｔ１までは前記アクチュエータの制御力を最大加速出力とし、前記切替時刻ｔ１から前記終了時刻ｔ２までは前記アクチュエータの制御力を最大減速出力とし、前記終了時刻ｔ２で制御力の出力を終了する制御出力手段を備えると共に、
予め設定した時間毎に前記算出手段により前記切替時刻ｔ１と前記終了時刻ｔ２を繰り返して算出し、更新する更新手段を備えたことを特徴とするアクチュエータの制御装置。
【請求項４】
前記算出手段が、前記計算時刻ｔ０での位置から前記終了時刻ｔ２の目標位置までの軌道を相接する２つの２次曲線の組み合わせで表して、初速をＶ０、目標位置と制御量の偏差をＸとした場合に、前記切替時刻ｔ１と、前記終了時刻ｔ２を、
【数１】
【数２】
ここで、α１は計算時刻ｔ０〜切替時刻ｔ１の最大加速度αｐ又は最大減速度αｍであり、α２は切替時刻ｔ１〜終了時刻ｔ２の最大減速度αｍ又は最大加速度αｐであり、この（１）式と（２）式で算出することを特徴とする請求項１記載のアクチュエータの制御装置。
【請求項５】
計算時刻ｔ０から切替時刻ｔ１の間の加速度αｐと切替時刻ｔ１から終了時刻ｔ２の間の加速度αｍを表１によって決定する
【表１】
ことを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載のアクチュエータの制御装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【公開番号】特開２０１３−２０４６４（Ｐ２０１３−２０４６４Ａ）
【公開日】平成２５年１月３１日（２０１３．１．３１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１５３４９８（Ｐ２０１１−１５３４９８）
【出願日】平成２３年７月１２日（２０１１．７．１２）
【出願人】（００００００１７０）いすゞ自動車株式会社 (1,721)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年１月３１日（２０１３．１．３１）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年７月１２日（２０１１．７．１２）
【出願人】（００００００１７０）いすゞ自動車株式会社 (1,721)
【Ｆターム（参考）】
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