フィードバック制御装置とフィードバック制御方法
【課題】むだ時間を含む制御対象に対して、安定して制御を行うことができ、かつ、制御量の応答性が良好となるフィードバック制御装置と、フィードバック制御の制御方法とを提供する。
【解決手段】制御量を検出する検出手段と、むだ時間を除いた制御対象の伝達関数の逆モデルに、制御量を入力して、第一出力値を得る第一出力値計算手段と、操作量から、第一出力値を減算して、第二出力値を得る第二出力値計算手段と、むだ時間を除いた前記制御対象の伝達関数に、第二出力値を入力して、第三出力値を得る第三出力値計算手段と、目標値から、制御量を減算して、制御偏差を得る制御偏差計算手段と、制御偏差から、第三出力値を減算して、補正された制御偏差を得る制御偏差補正手段と、補正された制御偏差を入力して、操作量を得るＰＩＤ制御器と、を具備するものである。
【解決手段】制御量を検出する検出手段と、むだ時間を除いた制御対象の伝達関数の逆モデルに、制御量を入力して、第一出力値を得る第一出力値計算手段と、操作量から、第一出力値を減算して、第二出力値を得る第二出力値計算手段と、むだ時間を除いた前記制御対象の伝達関数に、第二出力値を入力して、第三出力値を得る第三出力値計算手段と、目標値から、制御量を減算して、制御偏差を得る制御偏差計算手段と、制御偏差から、第三出力値を減算して、補正された制御偏差を得る制御偏差補正手段と、補正された制御偏差を入力して、操作量を得るＰＩＤ制御器と、を具備するものである。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、むだ時間を含む制御対象のフィードバック制御性能を向上するための技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、図１５（ａ）に示すようなむだ時間を含む制御対象６１に対してＰＩＤ制御器６２を用いて制御量ｙのフィードバック制御を行う場合、ＰＩＤ制御器６２の制御ゲイン（フィードバックゲイン）を大きくすると、むだ時間の影響を受け、制御量ｙが目標値ｙ＊に対してオーバーシュートしたりハンチングが生じたりして、システムが不安定となるという問題があった（図１５（ｂ）参照）。その一方、ＰＩＤ制御器６２の制御ゲインを小さくすると、制御量ｙが目標値ｙ＊に到達するまでの時間が長くなり、高速な反応を求められる用途にはＰＩＤ制御を適用できないという問題もあった（図１５（ｃ）参照）。
【０００３】
また、図１６（ａ）に示すように、このような制御対象６１に含まれるむだ時間をｓｍｉｔｈのむだ時間補償器６３により補償する技術が公知となっている（例えば、特許文献１や非特許文献１参照）。ｓｍｉｔｈのむだ時間補償器６３を加えたブロック線図を変換すると、図１６（ｂ）に示すブロック線図となる。
【０００４】
この技術では、フィードバックループ６４の外にむだ時間の伝達関数ｅ―Ｌｓを追い出すことができて、むだ時間を除いた制御対象６１の実モデル６５のみがフィードバックループ６４内に含まれることとなる。そのため、むだ時間をフィードバックループ６４に含む場合と比較して、ＰＩＤ制御器６２の制御ゲイン（フィードバックゲイン）を大きく設定することが可能となり、システムを安定に保ちつつ、制御量ｙの応答性をよくすることができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００３−１６７６０５号公報
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】須田信英著，「ＰＩＤ制御 システム制御情報学会編」，初版，朝倉書店，１９９２年７月２０日，ｐ．６２−６３
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、前述のｓｍｉｔｈのむだ時間補償器６３によりむだ時間を補償した技術では、制御対象６１のむだ時間が、フィードバック制御装置６６の制御パラメータ（ｓｍｉｔｈのむだ時間補償器６３）に含まれるため、経年変化等で制御対象６１のむだ時間が変化した場合や、むだ時間のモデル化に誤差（定数Ｌに誤差）が生じた場合には、前記ｓｍｉｔｈのむだ時間補償器６３が十分に機能せず、制御量ｙが発散して制御が不安定となる問題があった（図１６（ｃ）参照）。
【０００８】
また、前記むだ時間を除いた制御対象６１の実モデル６５においても同様で、制御対象６１の実モデル６５が、フィードバック制御装置６６の制御パラメータ（ｓｍｉｔｈのむだ時間補償器６３）に含まれるため、経年変化等で制御対象６１の実モデル６５が変化した場合や、実モデル６５のモデル化に誤差が生じた場合には、前記ｓｍｉｔｈのむだ時間補償器６３が十分に機能せず、制御が不安定となる問題があった。
【０００９】
本発明は、上記の如き課題を鑑みてなされたものであり、むだ時間を含む制御対象に対して安定して制御を行うことができ、かつ、制御量の応答性が良好となるフィードバック制御装置とフィードバック制御方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の解決しようとする課題は以上の如くであり、次にこの課題を解決するための手段を説明する。
【００１１】
請求項１においては、むだ時間を含む制御対象のフィードバック制御装置であって、前記制御対象の制御量を検出する検出手段と、むだ時間を除いた前記制御対象の伝達関数の逆モデルに、前記制御量を入力して、第一出力値を得る第一出力値計算手段と、前記制御対象の操作量から、前記第一出力値を減算して、第二出力値を得る第二出力値計算手段と、むだ時間を除いた前記制御対象の伝達関数に、前記第二出力値を入力して、第三出力値を得る第三出力値計算手段と、前記制御量の目標値から、前記制御量を減算して、制御偏差を得る制御偏差計算手段と、前記制御偏差から、前記第三出力値を減算して、補正された制御偏差を得る制御偏差補正手段と、前記補正された制御偏差を入力して、前記制御対象の操作量を得る操作量計算手段と、を具備するものである。
【００１２】
請求項２においては、むだ時間を含む制御対象のフィードバック制御装置であって、前記制御対象の制御量を検出する検出手段と、むだ時間を除いた前記制御対象の伝達関数の逆モデルに、前記制御量を入力して、第一出力値を得る第一出力値計算手段と、前記制御対象の操作量から、前記第一出力値を減算して、第二出力値を得る第二出力値計算手段と、むだ時間を除いた前記制御対象の伝達関数に、前記第二出力値を入力して、第三出力値を得る第三出力値計算手段と、特定の周波数成分のみを通過させるフィルタに、前記第三出力値を入力して、第四出力値を得る第四出力値計算手段と、前記制御量の目標値から、前記制御量を減算して、制御偏差を得る制御偏差計算手段と、前記制御偏差から、前記第四出力値を減算して、補正された制御偏差を得る制御偏差補正手段と、前記補正された制御偏差を入力して、前記制御対象の操作量を得る操作量計算手段と、を具備するものである。
【００１３】
請求項３においては、前記制御偏差に所定の比例ゲインを乗算して、または、前記制御偏差を所定の時間積分して、第五出力値を得る第五出力値計算手段と、前記操作量に、前記第五出力値を加算して、補正された操作量を得る操作量補正手段と、を具備するものである。
【００１４】
請求項４においては、むだ時間を含む制御対象の制御量を、むだ時間を除いた前記制御対象の伝達関数の逆モデルに入力して第一出力値を演算し、前記第一出力値を、前記制御対象の操作量から減算して第二出力値を演算し、前記第二出力値を、むだ時間を除いた前記制御対象の伝達関数に入力して第三出力値を演算し、前記第三出力値を、制御偏差から減算して補正された制御偏差を演算し、前記補正された制御偏差に基づいてフィードバック制御を行うものである。
【００１５】
請求項５においては、むだ時間を含む制御対象の制御量を、むだ時間を除いた前記制御対象の伝達関数の逆モデルに入力して第一出力値を演算し、前記第一出力値を、前記制御対象の操作量から減算して第二出力値を演算し、前記第二出力値を、むだ時間を除いた前記制御対象の伝達関数に入力して第三出力値を演算し、前記第三出力値を、特定の周波数成分のみを通過させるフィルタに入力して第四出力値を演算し前記第四出力値を、制御偏差から減算して補正された制御偏差を演算し、前記補正された制御偏差に基づいてフィードバック制御を行うものである。
【発明の効果】
【００１６】
本発明の効果として、以下に示すような効果を奏する。
【００１７】
請求項１においては、むだ時間を含む制御対象のフィードバック制御において、制御対象のむだ時間を補償して、フィードバックループの外にむだ時間を追い出すことが可能となる。したがって、制御ゲインを大きくした場合であっても制御が不安定とならなくなる。そのため、制御ゲインを大きく設定して、制御量の応答性を良好にすることができる。また、制御対象のむだ時間がむだ時間補償器の制御パラメータに含まれないため、経年変化等でむだ時間が変化した場合や、むだ時間のモデル化に誤差が生じた場合であっても、むだ時間を補償することができ、安定して制御を行うことができる。
【００１８】
請求項２においては、むだ時間を含む制御対象のフィードバック制御において、制御対象のむだ時間を補償して、フィードバックループの外にむだ時間を追い出すことが可能となる。したがって、制御ゲインを大きくした場合であっても制御が不安定とならなくなる。そのため、制御ゲインを大きく設定して、制御量の応答性を良好にすることができる。また、制御対象のむだ時間がむだ時間補償器の制御パラメータに含まれないため、経年変化等でむだ時間が変化した場合や、むだ時間のモデル化に誤差が生じた場合であっても、むだ時間を補償することができ、安定して制御を行うことができる。また、経年変化等で制御対象の実モデルが変化した場合や、制御対象のモデル化に誤差が生じた場合であっても、目標値と制御量の定常偏差が発生しない。
【００１９】
請求項３においては、経年変化等で制御対象の実モデルが変化した場合や、制御対象のモデル化に誤差が生じた場合であっても、目標値と制御量の定常偏差が発生しない。
【００２０】
請求項４においては、むだ時間を含む制御対象のフィードバック制御において、制御対象のむだ時間を補償して、フィードバックループの外にむだ時間を追い出すことが可能となる。したがって、制御ゲインを大きくした場合であっても制御が不安定とならなくなる。そのため、制御ゲインを大きく設定して、制御量の応答性を良好にすることができる。また、制御対象のむだ時間がむだ時間補償器の制御パラメータに含まれないため、経年変化等でむだ時間が変化した場合や、むだ時間のモデル化に誤差が生じた場合であっても、むだ時間を補償することができ、安定して制御を行うことができる。
【００２１】
請求項５においては、むだ時間を含む制御対象のフィードバック制御において、制御対象のむだ時間を補償して、フィードバックループの外にむだ時間を追い出すことが可能となる。したがって、制御ゲインを大きくした場合であっても制御が不安定とならなくなる。そのため、制御ゲインを大きく設定して、制御量の応答性を良好にすることができる。また、制御対象のむだ時間がむだ時間補償器の制御パラメータに含まれないため、経年変化等でむだ時間が変化した場合や、むだ時間のモデル化に誤差が生じた場合であっても、むだ時間を補償することができ、安定して制御を行うことができる。また、経年変化等で制御対象の実モデルが変化した場合や、制御対象のモデル化に誤差が生じた場合であっても、目標値と制御量の定常偏差が発生しない。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本発明の一実施形態に係るフィードバック制御装置を示すブロック線図。
【図２】本発明の一実施形態に係るフィードバック制御方法を示すフローチャート。
【図３】（ａ）本発明の他の実施形態に係るフィードバック制御装置を示すブロック線図。（ｂ）本発明の他の実施形態に係るフィードバック制御装置１を示すブロック線図。
【図４】本発明の他の実施形態に係るフィードバック制御方法を示すフローチャート。
【図５】（ａ）むだ時間を含む制御対象に対してＰＩＤ制御を用いた時のブロック線図。（ｂ）（ａ）を等価変換したときのブロック線図。
【図６】（ａ）外乱を推定するブロック線図。（ｂ）フィードバックループからむだ時間を追い出したブロック線図。
【図７】（ａ）ｓｍｉｔｈのむだ時間補償で、Ｌが変化した時の応答を示すグラフ。（ｂ）外乱オブザーバによるむだ時間補償で、Ｌが変化した時の応答を示すグラフ。
【図８】（ａ）本発明の一実施形態に係るモデルの誤差を考慮した外乱オブザーバによるむだ時間補償器を示すブロック線図。（ｂ）本発明の他の実施形態に係るモデルの誤差を考慮した外乱オブザーバによるむだ時間補償器を示すブロック線図。
【図９】（ａ）モデルの誤差がない場合における定常偏差を示すグラフ。（ｂ）モデルの誤差が５０％の場合における定常偏差を示すグラフ。（ｃ）モデルの誤差が５０％であって、補償がある場合における定常偏差を示すグラフ。
【図１０】フィードバック制御装置を、ＨＳＴの斜板制御に適用した場合における全体のシステム図。
【図１１】フィードバック制御装置を示すブロック線図。
【図１２】フィードバック制御装置を示すブロック線図。
【図１３】外乱オブザーバによる斜板制御の性能を示すグラフ。
【図１４】（ａ）μ制限時の斜板制御結果を示すグラフであって、外乱オブザーバによるむだ時間補償器がない時のグラフ。（ｂ）μ制限時の斜板制御結果を示すグラフであって、外乱オブザーバによるむだ時間補償器がある時のグラフ。
【図１５】（ａ）従来のむだ時間を含む制御対象に対してＰＩＤ制御を用いた時のブロック線図。（ｂ）図１５（ａ）のＰＩＤ制御器の制御ゲインを大きく設定したときの目標値と制御量を示すグラフ。（ｃ）図１５（ａ）のＰＩＤ制御器の制御ゲインを小さく設定したときの目標値と制御量を示すグラフ。
【図１６】（ａ）従来のｓｍｉｔｈのむだ時間補償器を用いてむだ時間を補償したときのブロック線図。（ｂ）図１６（ａ）を等価変換したときのブロック線図。（ｃ）ｓｍｉｔｈのむだ時間補償器の制御パラメータに誤差が生じた場合における目標値と制御量を示すグラフ。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
次に、本発明の一実施形態に係るフィードバック制御装置１の構成について説明する。
【００２４】
図１に示すように、フィードバック制御装置１は、制御対象２と、ＰＩＤ制御器５と、制御量ｙの検出手段６と、制御偏差計算手段７と、制御量ｙの目標値ｙ＊の指示手段（不図示）と、むだ時間補償器１０と、補正手段２０とを具備する。
【００２５】
制御対象２は、アクチュエータ等で構成される。制御対象２の伝達関数は、むだ時間を含む、Ｇ（ｓ）ｅ―Ｌｓとして表される。ここで、伝達関数Ｇ（ｓ）を実モデル３として表し、伝達関数ｅ―Ｌｓをむだ時間４として表す。実モデル３は、一次遅れ系や、二次遅れ系等を含む。むだ時間４は、例えば、単位ステップを入力してからＬ秒後に応答するモデルである。ｓはラプラス演算子である。
【００２６】
ＰＩＤ制御器５は、制御対象２の操作量Ｕ（ｓ）を演算する操作量計算手段である。ＰＩＤ制御器５には、後述する補正された制御偏差１４ａが入力される。ＰＩＤ制御器５においては、補正された制御偏差１４ａに比例した値（Ｐ動作）と、補正された制御偏差１４ａを時間積分した値（Ｉ動作）と、補正された制御偏差１４ａを時間微分した値（Ｄ動作）とがそれぞれ加算され、その演算値となる操作量Ｕ（ｓ）が得られる。操作量Ｕ（ｓ）は、むだ時間補償器１０の第二出力値計算手段１２と、補正手段２０の操作量補正手段２２とに入力される。ＰＩＤ制御器５は伝達関数Ｃ（ｓ）で表される。ＰＩＤ制御器５の制御ゲイン（比例ゲイン）や積分ゲイン（積分時間）や微分ゲイン（微分時間）は、制御パラメータとして制御対象２の伝達関数Ｇ（ｓ）、すなわち実モデル３に応じて適宜調整される。
【００２７】
検出手段６では、前記制御対象２の出力値である制御量ｙが検出される。前記制御対象２の出力値である制御量ｙは、制御偏差計算手段７と、むだ時間補償器１０の第一出力値計算手段１１とに入力される。
【００２８】
制御偏差計算手段７においては、指示手段で指示された目標値ｙ＊から制御量ｙが減算されて、制御偏差７ａが得られる。制御偏差７ａは、むだ時間補償器１０の制御偏差補正手段１４と、補正手段２０の第五出力値計算手段２１とに入力される。
【００２９】
むだ時間補償器１０は、第一出力値計算手段１１と、第二出力値計算手段１２と、第三出力値計算手段１３と、制御偏差補正手段１４とから構成される。
【００３０】
第一出力値計算手段１１は、前記実モデル３の逆数（逆モデル）としており、伝達関数１／Ｇｎ（ｓ）として表し、詳細は後述する。第一出力値計算手段１１においては、むだ時間４を除いた制御対象２の伝達関数の逆モデル１／Ｇｎ（ｓ）に、制御量ｙが入力されて、第一出力値１１ａが得られる。第一出力値１１ａは、第二出力値計算手段１２に入力される。
【００３１】
第二出力値計算手段１２は、前記ＰＩＤ制御器５から出力された操作量Ｕ（ｓ）から、前記第一出力値計算手段１１の第一出力値１１ａが減算されて、第二出力値１２ａを得られる。第二出力値１２ａは、第三出力値計算手段１３に入力される。
【００３２】
第三出力値計算手段１３は、前記実モデル３としており、伝達関数Ｇｎ（ｓ）として表し、詳細は後述する。第三出力値計算手段１３においては、むだ時間４を除いた制御対象２の伝達関数Ｇｎ（ｓ）に、第二出力値１２ａが入力されて、第三出力値１３ａが得られる。第三出力値１３ａは、制御偏差補正手段１４に入力される。
【００３３】
制御偏差補正手段１４は、前記制御偏差７ａから、前記第三出力値１３ａが減算されて、補正された制御偏差１４ａが得られる。補正された制御偏差１４ａは、前記ＰＩＤ制御器５に入力される。
【００３４】
補正手段２０は、第五出力値計算手段２１と、操作量補正手段２２と、から構成される。
【００３５】
第五出力値計算手段２１は、入力値に比例した値を出力する比例要素で構成される。制御ゲイン（比例ゲイン）はＫｄｉｓｔとされる。第五出力値計算手段２１においては、前記制御偏差７ａにＫｄｉｓｔが乗算されて、第五出力値２１ａが得られる。第五出力値２１ａは、操作量補正手段２２に入力される。
【００３６】
操作量補正手段２２においては、前記ＰＩＤ制御器５から出力される操作量Ｕ（ｓ）に、前記第五出力値２１ａが加算されて、補正された操作量２２ａが得られる。補正された操作量２２ａは、制御対象２に入力される。
【００３７】
以上の構成により、フィードバック制御装置１は、次のフィードバック制御方法を用いてフィードバック制御を行う。すなわち、図２に示すように、フィードバック制御装置１は、むだ時間を含む制御対象２の制御量ｙをむだ時間４を除いた前記制御対象の伝達関数の逆モデル１／Ｇｎ（ｓ）に入力して、第一出力値１１ａを演算し（Ｓ１）、この第一出力値１１ａを前記制御対象２の操作量Ｕ（ｓ）から減算して、第二出力値１２ａを演算し（Ｓ２）、この第二出力値１２ａをむだ時間４を除いた前記制御対象２の伝達関数Ｇｎ（ｓ）に入力して、第三出力値１３ａを演算し（Ｓ３）、この第三出力値１３ａを制御偏差から減算して、補正された制御偏差１４ａを演算する（Ｓ４）。そして、フィードバック制御装置１は、補正された制御偏差１４ａに基づいてフィードバック制御を行うのである（Ｓ５）。
【００３８】
また、フィードバック制御装置１は、図３（ａ）に示す構成としてもよい。
すなわち、フィードバック制御装置１のむだ時間補償器１０は同じ構成として、補正手段２２の第五出力値計算手段２１は、積分制御器とされる。積分制御器の制御ゲイン（積分ゲイン）はＩｄｉｓｔとされる。前記制御偏差７ａがＩｄｉｓｔに対応した時間だけ積分されて第五出力値２１ａが得られる。第五出力値２１ａは、操作量補正手段２２に入力される。
【００３９】
また、フィードバック制御装置１は、図３（ｂ）に示す構成としてもよい。
すなわち、フィードバック制御装置１は、補正手段２０の代わりに、第四出力値計算手段１５を具備する。
【００４０】
第四出力値計算手段１５は、特定の周波数成分のみを通過させるフィルタ、詳細には、設定した周波数以上の周波数成分のみを通過させるハイパスフィルタとしており、伝達関数Ｆ（ｓ）として表す。第四出力値計算手段１５においては、伝達関数Ｆ（ｓ）に、第三出力値計算手段１３から出力される第三出力値１３ａが入力されて、第四出力値１５ａが得られる。第四出力値１５ａは、制御偏差補正手段１４に入力される。
【００４１】
制御偏差補正手段１４においては、前記制御偏差７ａから、前記第四出力値１５ａが減算されて、補正された制御偏差１４ａが得られる。補正された制御偏差１４ａは、ＰＩＤ制御器５に入力される。
【００４２】
ＰＩＤ制御器５においては、補正された制御偏差１４ａから操作量Ｕ（ｓ）が得られる。操作量Ｕ（ｓ）は、前記制御対象２と、むだ時間補償器１０の第二出力値計算手段１２とに入力される。
【００４３】
以上の構成により、フィードバック制御装置１は、次のフィードバック制御方法を用いてフィードバック制御を行う。すなわち、図４に示すように、フィードバック制御装置１は、むだ時間４を含む制御対象２の制御量ｙをむだ時間４を除いた前記制御対象２の伝達関数の逆モデル１／Ｇｎ（ｓ）に入力して、第一出力値１１ａを演算し（Ｓ１１）、この第一出力値１１ａを前記制御対象２の操作量Ｕ（ｓ）から減算して、第二出力値１２ａを演算し（Ｓ１２）、この第二出力値１２ａをむだ時間４を除いた前記制御対象２の伝達関数Ｇｎ（ｓ）に入力して、第三出力値１３ａを演算し（Ｓ１３）、この第三出力値１３ａを伝達関数Ｆ（ｓ）に入力して、第四出力値１５ａを演算し（Ｓ１４）、この第四出力値１５ａを制御偏差７ａから減算して、補正された制御偏差１４ａを演算する（Ｓ１５）。そして、フィードバック制御装置１は、補正された制御偏差１４ａに基づいてフィードバック制御を行うのである（Ｓ１６）。
【００４４】
次に、むだ時間補償器１０と、補正手段２０を前述の構成とした根拠を、図５から図９を用いて説明する。
【００４５】
ｓｍｉｔｈのむだ時間補償器６３（図１５）では、むだ時間を制御パラメータ（詳細には定数Ｌ）とするため、制御対象６１のむだ時間の定数Ｌと、制御対象６１のモデル化によるむだ時間推定値の定数Ｌｎとの間に誤差が生じると、制御が不安定となる。そこで、制御対象６１のむだ時間を外乱として扱い、外乱オブザーバで外乱を補償することにより、制御対象６１のむだ時間を補償する。
【００４６】
図５（ａ）において、むだ時間の伝達関数ｅ―Ｌｓを含む制御対象６１の実モデル６５を伝達関数Ｇ（ｓ）として、ＰＩＤ制御器６２によりフィードバック制御を行うものとする。ここで、制御対象６１のむだ時間の伝達関数ｅ―Ｌｓを外乱ｄとして、図５（ａ）を等価変換すると図５（ｂ）のように表すことができる。外乱ｄの信号は以下の数１で表される。
【００４７】
【数１】
【００４８】
次に、前記外乱ｄを補償するため、外乱オブザーバにより外乱ｄを推定する。
【００４９】
図６（ａ）に示すように、伝達関数ｅ―Ｌｓを含まない制御対象６１の実モデル６５の逆モデル（逆モデル推定値６７と呼ぶ）を形成して、この逆モデル推定値６７に制御量ｙを入力する。この時、逆モデル推定値６７は、伝達関数１／Ｇｎ（ｓ）で表される。そして、制御量ｙは、以下の数２で表される。
【００５０】
【数２】
【００５１】
ここで、ＰＩＤ制御器６２の出力である操作量Ｕ（ｓ）から、前記逆モデル推定値６７に制御量ｙを入力し、その出力（演算値）を減算した値は、以下の数３で表される。
【００５２】
【数３】
【００５３】
ここで、Ｇ（ｓ）とＧｎ（ｓ）が等しく、モデルに誤差がないとするならば、Ｇ（ｓ）＝Ｇｎ（ｓ）となり、数３は、以下の数４で表される。
【００５４】
【数４】
【００５５】
すなわち、数４は数１と等しくなるので、数４の計算値を求めることで、外乱ｄの推定値を求めることができる。
【００５６】
次に、図６（ｂ）に示すように、伝達関数ｅ―Ｌｓを含まない制御対象６１のモデル（実モデル推定値６８と呼ぶ）を形成して、この実モデル推定値６８に推定した外乱ｄを入力する。このとき、実モデル推定値６８は、伝達関数Ｇｎ（ｓ）で表される。そして、この実モデル推定値６８の出力に制御量ｙを足し合わせると、演算値は以下の数５で表される。
【００５７】
【数５】
【００５８】
ここで、Ｇ（ｓ）とＧｎ（ｓ）が等しく、モデルに誤差がないとするならば、Ｇ（ｓ）＝Ｇｎ（ｓ）となり、数５は、以下の数６で表される。
【００５９】
【数６】
【００６０】
数６の演算値（フィードバック値６９）は、むだ時間の伝達関数ｅ−Ｌｓを除いた制御対象６１の伝達関数Ｇ（ｓ）、即ち実モデル６５に操作量Ｕ（ｓ）を入力したときの出力であり、むだ時間の影響を取り除いた制御量ｙを意味する。言い換えれば、外乱オブザーバによって制御パラメータにむだ時間を用いることなく、フィードバックループ（フィードバック値６９）からむだ時間を追い出せたこととなる。従って、むだ時間に関係なくＰＩＤ制御器６２の制御ゲイン（フィードバックゲイン）を大きくできるため、制御の応答性を良くすることができる。
【００６１】
また、制御対象のむだ時間に変化が生じて、推定したむだ時間の誤差が増大（Ｌ１からＬ４になるにつれて誤差が増大）した場合には、ｓｍｉｔｈのむだ時間補償では、制御量ｙが発散してシステムが不安定となるが（図７（ａ）参照）、外乱オブザーバによるむだ時間補償では、むだ時間の影響を外乱として検出するので、あらゆるむだ時間に対応でき、制御量ｙが発散せず、システムが不安定とならない（図７（ｂ）参照）。
【００６２】
このように、フィードバック制御でのむだ時間補償は、むだ時間を取り除くのではなく、むだ時間をフィードバックループの外に追い出して、制御ゲインを増大させることで、制御性能を向上させることとしている。
【００６３】
次に、モデルの誤差による影響について検討する。前述のように、外乱オブザーバによるむだ時間補償は、制御対象６１のむだ時間の伝達関数ｅ−Ｌｓを含まない実モデル６５、即ちＧ（ｓ）を制御パラメータとして用いる。モデルに誤差があれば、つまりＧ（ｓ）≠Ｇｎ（ｓ）であれば、数６は、以下の数７で表される。
【００６４】
【数７】
【００６５】
すなわち、制御対象の実モデル６５に基づいたフィードフォワード制御を行うのと等価であり、制御量ｙにモデルの誤差分の定常偏差などが発生する。
【００６６】
このモデルの誤差の影響を補償する要素を図６（ｂ）に追加すると図８（ａ）のようになる。つまり、外乱オブザーバによる補償要素を、目標値ｙ＊と制御量ｙとの偏差を求めた後に減算して、モデルの誤差の影響を制御偏差として求められる形とする。そして、その制御偏差と比例制御器７０における制御ゲインＫｄｉｓｔの積をモデルの誤差の補償要素として、ＰＩＤ制御器６２の出力である操作量Ｕ（ｓ）に加算する（補正手段２０）。このように構成することで、モデルの誤差による制御量ｙの定常偏差を抑えることができる。
尚、前記比例制御器７０は、制御対象の特性により積分制御器としてもよく、ＰＩ制御器（比例積分制御器）としてもよい。
【００６７】
また、図８（ｂ）のように構成して、モデルの誤差の影響を補償する要素を追加してもよい。つまり、実モデル推定値６８の出力値を特定の周波数成分、本実施形態においては、設定した周波数以上の周波数成分のみを通過させるハイパスフィルタ７１に入力させてから、制御偏差を減算する構成とする。これにより、むだ時間の影響により不安定になる高い周波数域のみでむだ時間補償を有効にし、それ以下の周波数では補償要素が無効となるので、モデルの誤差による制御量ｙの定常偏差を抑えることができる。
【００６８】
図９は、モデルの誤差による影響を示すグラフである。図９（ａ）は、Ｇ（ｓ）＝Ｇｎ（ｓ）であり、モデルの誤差がない場合である。これによると目標値ｙ＊と制御量ｙの定常的な偏差である定常偏差は発生せず、制御量ｙは目標値ｙ＊に収束する。図９（ｂ）は、Ｇ（ｓ）≠Ｇｎ（ｓ）であり、モデルの誤差が５０％程度ある場合である。これによると定常偏差が発生する。図９（ｃ）は、Ｇ（ｓ）≠Ｇｎ（ｓ）であり、モデルの誤差が５０％程度ある場合に、モデルの誤差の影響を補償する要素を追加した場合である。これによると定常偏差が発生せず、制御量ｙは目標値ｙ＊に収束する。
【００６９】
次に前述の一実施形態と同様のフィードバック制御装置４０を作業車両１００におけるＨＳＴ（Ｈｙｄｒｏ Ｓｔａｔｉｃ Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ）の斜板角度制御に適用した場合を説明する。
【００７０】
はじめに、図１０を用いて、作業車両１００の全体構成を説明する。作業車両１００は、エンジン３０と、フライホイール３１と、エンジン制御装置３２と、ＨＳＴ３３と、差動装置３４と、タイヤ３６と、速度レバー３７と、変化率制限手段３８と、μ設定ダイヤル３９と、フィードバック制御装置４０とを備える。
【００７１】
エンジン３０は、作業車両１００が駆動するための回転動力を発生するものである。エンジン３０のクランク軸３０ａは、フライホイール３１と連動連結される。エンジン３０の回転動力は、クランク軸３０ａを介してフライホイール３１に伝達される。
【００７２】
フライホイール３１は、慣性力を蓄えることによりエンジン３０を滑らかに回転させるものである。フライホイール３１は、クランク軸３０ａにより伝達される回転動力により回転する。フライホイール３１の回転数は、磁気ピックアップ式のセンサや、ロータリエンコーダ等の回転数センサ３１ａにより検出される。
【００７３】
エンジン制御装置３２は、エンジン３０の回転数の制御を行うものである。エンジン制御装置３２は、回転数センサ３１ａに接続される。エンジン制御装置３２は、回転数センサ３１ａにより検出されるフライホイール３１の回転数に基づいて、エンジン３０の回転数の制御を行う。
【００７４】
ＨＳＴ３３は、可変容量型の油圧ポンプをエンジン３０により駆動させて、発生した油圧を固定容量型の油圧モータで回転力に変換する。ＨＳＴ３３は、油圧ポンプに備えられた可動斜板３３ａの角度に応じて当該油圧ポンプによる作動油の吐出量や吐出方向を変化させて、油圧モータの回転数及び回転方向を調整する。これにより、油圧ポンプの入力軸３３ｂから入力されたエンジン３０の回転動力が無段階に変速されて、油圧モータの出力軸３３ｃに出力される。油圧ポンプの入力軸３３ｂの一端は、フライホイール３１と連動連結され、エンジンの回転動力がＨＳＴ３３に伝達される。
【００７５】
差動装置３４は、回転動力を分配するものである。差動装置３４には、油圧モータの出力軸３３ｃの一端が連動連結されて、ＨＳＴ３３で変速されたエンジン３０の回転動力が伝達される。当該伝達される回転動力は、差動装置３４により左右に分配される。
差動装置３４の左右には、車軸３５の一端がそれぞれ連動連結される。車軸３５は、差動装置３４により分配された回転動力を伝達する。
【００７６】
タイヤ３６には、車軸３５の他端が連動連結され、車軸３５から伝達される回転動力により回転する。
【００７７】
速度レバー３７は、タイヤ速度（タイヤ３６の回転数）を設定するものである。作業者は速度レバー３７を操作して、タイヤ速度を調整する。
【００７８】
変化率制限手段３８は、可動斜板３３ａの目標値ｙ＊を所定の変化率に制限するものである。μ設定ダイヤル３９で設定されたμ（摩擦係数）の値に応じて変化率の制限値が決定される。μの値は、タイヤ３６の接地面の状況に応じて適宜変更される。
可動斜板３３ａの目標値ｙ＊の変化率と、前記μ設定ダイヤル３９で設定された変化率の制限値とを比較して、可動斜板の目標値ｙ＊が決定される。変化率制限手段３８から、目標値ｙ＊が出力される。
【００７９】
フィードバック制御装置４０は、後述するように、アクチュエータ４１と、ＰＩＤ制御器４２と、外乱オブザーバによるむだ時間補償器４５と、補正手段４６と、を具備する。アクチュエータ４１の回転軸には、ＨＳＴ３３の可動斜板３３ａが連動連結される。フィードバック制御装置４０には、アクチュエータ４１の回転軸の目標角度（目標値ｙ＊）が入力され、アクチュエータ４１の回転軸の角度（制御量ｙ）が出力される。
【００８０】
このような構成において、作業者は、速度レバー３７とμ設定ダイヤル３９を操作することにより、変化率制限手段３８からアクチュエータ４１の目標値ｙ＊がフィードバック制御装置４０に入力される。そして、フィードバック制御装置４０から出力されるアクチュエータ４１の制御量ｙに基づいて、ＨＳＴ３３の油圧ポンプにおける可動斜板３３ａの角度が変更されて、当該油圧ポンプによる作動油の吐出量や吐出方向が変更され、エンジン３０からフライホイール３１を介して伝達された回転動力が変速される。変速された回転動力は、差動装置３４、車軸３５を介して、タイヤ３６に伝達される。
【００８１】
尚、本実施形態においては、タイヤ速度の制御において、フィードバック制御装置４０以降はオープン制御となり、制御量ｙに応じた斜板の角度により、タイヤ速度が決定される構成となっているが、これに限定するものでなく、例えば、出力軸３３ｃに回転数センサを設け、タイヤ３６の回転数等をフィードバックして、タイヤ速度の制御を行う構成としてもよい。
【００８２】
次に、図１１を用いて、フィードバック制御装置４０の構成について説明する。
【００８３】
フィードバック制御装置４０は、制御対象となるアクチュエータ４１と、ＰＩＤ制御器４２と、制御量ｙの検出手段となる角度センサ４３と、制御偏差計算手段４４と、外乱オブザーバによるむだ時間補償器４５と、補正手段４６とを具備する。前述のように、フィードバック制御装置４０には、アクチュエータ４１の回転軸の目標角度（目標値ｙ＊）が入力され、アクチュエータ４１の回転軸の角度（制御量ｙ）が出力される。
【００８４】
アクチュエータ４１は、前記ＨＳＴ３３の可動斜板３３ａの傾斜角度を変更するものである。アクチュエータ４１は、サーボモータ等により構成される。アクチュエータ４１の伝達関数は、むだ時間を含む、Ｇ（ｓ）ｅ―Ｌｓとして表される。
【００８５】
ＰＩＤ制御器４２は、アクチュエータ４１の操作量Ｕ（ｓ）を演算する操作量計算手段である。ＰＩＤ制御器４２には、後述する補正された制御偏差５０ａが入力される。ＰＩＤ制御器４２においては、制御偏差５０ａに比例した値（Ｐ動作）と、制御偏差５０ａを時間積分した値（Ｉ動作）と、制御偏差５０ａを時間微分した値（Ｄ動作）とがそれぞれ加算され、その演算値となる操作量Ｕ（ｓ）が得られる。この操作量Ｕ（ｓ）は、むだ時間補償器４５の第二出力値計算手段４８と、補正手段４６の操作量補正手段５２と、に入力される。ＰＩＤ制御器４２は伝達関数Ｃ（ｓ）で表され、ＰＩＤ制御器４２の制御ゲイン（比例ゲイン）や積分ゲイン（積分時間）や微分ゲイン（微分時間）は、制御パラメータとしてアクチュエータ４１の伝達関数Ｇ（ｓ）に応じて適宜調整される。
【００８６】
角度センサ４３は、ロータリエンコーダや、ホールセンサ等で構成される。この角度センサ４３によりアクチュエータ４１の制御量ｙが検出される。制御量ｙは制御偏差計算手段４４と、外乱オブザーバによるむだ時間補償器４５の第一出力値計算手段４７とに入力される。
尚、該角度センサ４３は、前記アクチュエータ４１と一体的に構成されてもよい。
【００８７】
制御偏差計算手段４４においては、前記変化率制限手段３８から指示されたアクチュエータ４１の回転軸における角度の目標値ｙ＊から、前記角度センサ４３が検出した制御量ｙが減算され、制御偏差４４ａが得られる。制御偏差４４ａは、外乱オブザーバによるむだ時間補償器４５の制御偏差補正手段５０と、補正手段４６の第五出力値計算手段５１とに入力される。
【００８８】
外乱オブザーバによるむだ時間補償器４５は、第一出力値計算手段４７と、第二出力値計算手段４８と、第三出力値計算手段４９と、制御偏差補正手段５０とで構成される。
【００８９】
第一出力値計算手段４７は、むだ時間を除いたアクチュエータ４１の推定された伝達関数の逆数（逆モデル推定値）であり、伝達関数１／Ｇｎ（ｓ）として表される。第一出力値計算手段４７においては、むだ時間を除いたアクチュエータ４１の伝達関数の逆モデル１／Ｇｎ（ｓ）に、前記角度センサ４３で検出された制御量ｙが入力されて、第一出力値４７ａが得られる。第一出力値４７ａは、第二出力値計算手段４８に入力される。
【００９０】
第二出力値計算手段４８においては、前記ＰＩＤ制御器４２から出力された操作量Ｕ（ｓ）から、前記第一出力値計算手段４７の第一出力値４７ａが減算されて、第二出力値４８ａが得られる。第二出力値４８ａは、第三出力値計算手段４９に入力される。
【００９１】
第三出力値計算手段４９は、むだ時間を除いたアクチュエータ４１の推定された伝達関数Ｇｎ（ｓ）として表される。第三出力値計算手段４９においては、むだ時間を除いたアクチュエータ４１の伝達関数Ｇｎ（ｓ）に、第二出力値４８ａが入力されて、第三出力値４９ａが得られる。第三出力値４９ａは、制御偏差補正手段５０に入力される。
【００９２】
制御偏差補正手段５０においては、前記制御偏差４４ａから、前記第三出力値４９ａが減算されて、補正された制御偏差５０ａが得られる。補正された制御偏差５０ａは、前記ＰＩＤ制御器４２に入力される。
【００９３】
このように構成することにより、アクチュエータ４１に含まれるむだ時間を外乱として扱い、むだ時間をフィードバックループの外に追い出すことができる。したがって、ＰＩＤ制御器４２の制御ゲインを大きく設定することが可能となるので、安定して制御を行うとともに、制御量ｙの応答性を良くすることができる。また、アクチュエータ４１のむだ時間が、むだ時間補償器４５の制御パラメータに含まれないため、経年変化等でアクチュエータ４１のむだ時間が変化した場合や、むだ時間のモデル化に誤差が生じた場合であっても、アクチュエータ４１のむだ時間の補償が可能で、安定して制御を行うことができる。
【００９４】
補正手段４６は、第五出力値計算手段５１と、操作量補正手段５２とで構成される。
【００９５】
第五出力値計算手段５１は、ＰＩ制御器であり、入力値に比例した値を出力する比例要素と、入力値の累積値を出力する積分要素とで構成される。比例ゲインはＫｄｉｓｔとされ、積分ゲインはＩｄｉｓｔとされる。アクチュエータ４１の特性に応じて、Ｋｄｉｓｔ及びＩｄｉｓｔが適宜調整される。アクチュエータ４１の積分要素が小さい場合は、比例ゲインＫｄｉｓｔを０として、第五出力値計算手段５１をＩ制御器として動作させてもよく、アクチュエータ４１の積分要素が大きい場合は、積分ゲインＩｄｉｓｔを０として、第五出力値計算手段５１をＰ制御器として動作させてもよい。その演算値となる第五出力値５１ａは、操作量補正手段５２に入力される。
【００９６】
操作量補正手段５２においては、ＰＩＤ制御器４２から出力される操作量Ｕ（ｓ）に、第五出力値５１ａが加算されて、補正された操作量５２ａが得られる。補正された操作量５２ａは、指令電圧としてアクチュエータ４１に入力される。
【００９７】
このように構成することにより、経年変化等でアクチュエータ４１の実モデルとなる伝達関数Ｇ（ｓ）が変化した場合や、アクチュエータ４１の実モデルとなる伝達関数Ｇ（ｓ）のモデル化に誤差が生じた場合においても、目標値ｙ＊と制御量ｙの定常偏差が発生しない。
【００９８】
尚、前記ＰＩＤ制御器４２、制御偏差計算手段４４、外乱オブザーバによるむだ時間補償器４５及び補正手段４６は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、ＨＤＤ等で構成され、所定のプログラムを用いて補正された制御偏差５０ａや、補正された操作量５２ａが演算される構成としてもよい。
【００９９】
また、フィードバック制御装置４０は、次のように構成してもよい。すなわち、図１２に示すように、フィードバック制御装置４０は、第三出力値４９ａを設定した周波数以上の周波数成分のみを通過させるハイパスフィルタに入力させてから、第四出力値５３ａを得る。そして、第四出力値５３ａを制御偏差補正手段５０に入力する。制御偏差補正手段５０においては、制御偏差４４ａから、第四出力値５３ａが減算されて、補正された制御偏差５０ａが得られる。補正された制御偏差５０ａは、ＰＩＤ制御器４２に入力される。ＰＩＤ制御器４２においては、補正された制御偏差５０ａから操作量Ｕ（ｓ）が得られる。そして、操作量Ｕ（ｓ）がアクチュエータ４１に入力される。
【０１００】
これにより、むだ時間の影響で不安定になる高い周波数域のみでむだ時間補償を有効にし、それ以下の周波数では補償要素が無効となるので、モデルの誤差による制御量ｙの定常偏差を抑えることができる。
【０１０１】
次に、図１３から図１４を用いて、図１０のシステムの計測結果を示す。
【０１０２】
図１３に示すように、作業車両１００においては、速度レバー３７を操作して、タイヤ速度の制御を行う。このように、外乱オブザーバによるむだ時間補償器４５がある場合は、ＰＩＤ制御器４２の比例ゲインを４０倍に大きくしても不安定とならず、斜板制御の応答性を改善することができる。
【０１０３】
つづいて、μの任意の設定（μ１からμ５）に対する斜板制御（速度制御）の結果を図１４に示す。図１４（ａ）に示すようなＰＩＤ制御器４２のみ（すなわち外乱オブザーバを用いたむだ時間補償器４５なし）の場合と比較して、図１４（ｂ）に示すようなむだ時間補償器４５ありの場合の方が、速度レバー３７の操作直後の応答がよく、速度制御の制限値と同様の傾きで斜板制御ができていることがわかる。タイヤ速度は速度制御の制限値に対して時間方向にオフセットした応答、すなわち、むだ時間の遅れを補償した応答となっている。これは、むだ時間をフィードバックループから追い出して制御する本制御の特徴といえる。
【０１０４】
以上のように、本発明の一実施形態に係るフィードバック制御装置１は、むだ時間４を含む制御対象２のフィードバック制御装置１であって、前記制御対象２の制御量ｙを検出する検出手段６と、むだ時間４を除いた前記制御対象２の伝達関数の逆モデルに、前記制御量ｙを入力して、第一出力値１１ａを得る第一出力値計算手段１１と、前記制御対象２の操作量Ｕ（ｓ）から、前記第一出力値１１ａを減算して、第二出力値１２ａを得る第二出力値計算手段１２と、むだ時間４を除いた前記制御対象２の伝達関数に、前記第二出力値１２ａを入力して、第三出力値１３ａを得る第三出力値計算手段１３と、前記制御量ｙの目標値ｙ＊から、前記制御量ｙを減算して、制御偏差７ａを得る制御偏差計算手段７と、前記制御偏差７ａから、前記第三出力値１３ａを減算して、補正された制御偏差１４ａを得る制御偏差補正手段１４と、前記補正された制御偏差１４ａを入力して、前記制御対象２の操作量Ｕ（ｓ）を得る操作量計算手段となるＰＩＤ制御器５と、を具備するものである。
【０１０５】
これにより、むだ時間４を含む制御対象２のフィードバック制御において、制御対象２のむだ時間４を補償して、フィードバックループの外にむだ時間４を追い出すことが可能となる。したがって、制御ゲインを大きくした場合であっても制御が不安定とならなくなる。そのため、制御ゲインを大きく設定して、制御量ｙの応答性を良好にすることができる。また、制御対象２のむだ時間４がむだ時間補償器１０の制御パラメータに含まれないため、経年変化等でむだ時間４が変化した場合や、むだ時間４のモデル化に誤差が生じた場合であっても、むだ時間４を補償することができ、安定して制御を行うことができる。
【０１０６】
また、前記制御偏差７ａに所定の比例ゲインを乗算して、または、前記制御偏差７ａを所定の時間積分して、第五出力値２１ａを得る第五出力値計算手段２１と、前記操作量Ｕ（ｓ）に、前記第五出力値２１ａを加算して、補正された操作量２２ａを得る操作量補正手段２２と、を具備するものであるので、経年変化等で制御対象２の実モデルが変化した場合や、制御対象２のモデル化に誤差が生じた場合であっても、目標値と制御量の定常偏差が発生しない。
【０１０７】
また、本発明の一実施形態に係るフィードバック制御装置１は、むだ時間４を含む制御対象２のフィードバック制御装置１であって、前記制御対象２の制御量ｙを検出する検出手段６と、むだ時間４を除いた前記制御対象２の伝達関数の逆モデルに、前記制御量ｙを入力して、第一出力値１１ａを得る第一出力値計算手段１１と、前記制御対象２の操作量Ｕ（ｓ）から、前記第一出力値１１ａを減算して、第二出力値１２ａを得る第二出力値計算手段１２と、むだ時間４を除いた前記制御対象２の伝達関数に、前記第二出力値１２ａを入力して、第三出力値１３ａを得る第三出力値計算手段１３と、特定の周波数成分のみを通過させるフィルタに、前記第三出力値１３ａを入力して、第四出力値１５ａを得る第四出力値計算手段１５と、前記制御量ｙの目標値ｙ＊から、前記制御量ｙを減算して、制御偏差７ａを得る制御偏差計算手段７と、前記制御偏差７ａから、前記第四出力値１５ａを減算して、補正された制御偏差１４ａを得る制御偏差補正手段１４と、前記補正された制御偏差１４ａを入力して、前記制御対象２の操作量Ｕ（ｓ）を得る操作量計算手段となるＰＩＤ制御器５と、を具備するものである。
【０１０８】
これにより、むだ時間４を含む制御対象２のフィードバック制御において、制御対象２のむだ時間４を補償して、フィードバックループの外にむだ時間４を追い出すことが可能となる。したがって、制御ゲインを大きくした場合であっても制御が不安定とならなくなる。そのため、制御ゲインを大きく設定して、制御量ｙの応答性を良好にすることができる。また、制御対象２のむだ時間４がむだ時間補償器１０の制御パラメータに含まれないため、経年変化等でむだ時間４が変化した場合や、むだ時間４のモデル化に誤差が生じた場合であっても、むだ時間４を補償することができ、安定して制御を行うことができる。また、経年変化等で制御対象２の実モデルが変化した場合や、制御対象２のモデル化に誤差が生じた場合であっても、目標値ｙ＊と制御量ｙの定常偏差が発生しない。
【０１０９】
また、本発明の一実施形態に係るフィードバック制御装置１は、むだ時間４を含む制御対象２の制御量ｙを、むだ時間４を除いた前記制御対象２の伝達関数の逆モデルに入力して第一出力値１１ａを演算し、前記第一出力値１１ａを、前記制御対象２の操作量Ｕ（ｓ）から減算して第二出力値１２ａを演算し、前記第二出力値１２ａを、むだ時間４を除いた前記制御対象２の伝達関数に入力して第三出力値１３ａを演算し、前記第三出力値１３ａを、制御偏差７ａから減算して補正された制御偏差１４ａを演算し、前記補正された制御偏差１４ａに基づいてフィードバック制御を行うものである。
【０１１０】
これにより、むだ時間４を含む制御対象２のフィードバック制御において、制御対象２のむだ時間４を補償して、フィードバックループの外にむだ時間４を追い出すことが可能となる。したがって、制御ゲインを大きくした場合であっても制御が不安定とならなくなる。そのため、制御ゲインを大きく設定して、制御量ｙの応答性を良好にすることができる。また、制御対象２のむだ時間４がむだ時間補償器１０の制御パラメータに含まれないため、経年変化等でむだ時間４が変化した場合や、むだ時間４のモデル化に誤差が生じた場合であっても、むだ時間４を補償することができ、安定して制御を行うことができる。
【０１１１】
また、本発明の一実施形態に係るフィードバック制御装置１は、むだ時間４を含む制御対象２の制御量ｙを、むだ時間４を除いた前記制御対象２の伝達関数の逆モデルに入力して第一出力値１１ａを演算し、前記第一出力値１１ａを、前記制御対象２の操作量Ｕ（ｓ）から減算して第二出力値１２ａを演算し、前記第二出力値１２ａを、むだ時間４を除いた前記制御対象２の伝達関数に入力して第三出力値１３ａを演算し、前記第三出力値１３ａを、特定の周波数成分のみを通過させるフィルタに入力して第四出力値１５ａを演算し、前記第四出力値１５ａを、制御偏差７ａから減算して補正された制御偏差１４ａを演算し、前記補正された制御偏差１４ａに基づいてフィードバック制御を行うものである。
【０１１２】
これにより、むだ時間４を含む制御対象２のフィードバック制御において、制御対象２のむだ時間４を補償して、フィードバックループの外にむだ時間４を追い出すことが可能となる。したがって、制御ゲインを大きくした場合であっても制御が不安定とならなくなる。そのため、制御ゲインを大きく設定して、制御量ｙの応答性を良好にすることができる。また、制御対象２のむだ時間４がむだ時間補償器１０の制御パラメータに含まれないため、経年変化等でむだ時間４が変化した場合や、むだ時間４のモデル化に誤差が生じた場合であっても、むだ時間４を補償することができ、安定して制御を行うことができる。また、経年変化等で制御対象２の実モデルが変化した場合や、制御対象２のモデル化に誤差が生じた場合であっても、目標値ｙ＊と制御量ｙの定常偏差が発生しない。
【符号の説明】
【０１１３】
１ フィードバック制御装置
２ 制御対象
３ 実モデル
４ むだ時間
５ ＰＩＤ制御器
６ 検出手段
７ 制御偏差計算手段
７ａ 制御偏差
１０ むだ時間補償器
１１ 第一出力値計算手段
１１ａ 第一出力値
１２ 第二出力値計算手段
１２ａ 第二出力値
１３ 第三出力値計算手段
１３ａ 第三出力値
１４ 制御偏差補正手段
１４ａ 補正された制御偏差
１５ 第四出力値計算手段
１５ａ 第四出力値
２０ 補正手段
２１ 第五出力値計算手段
２１ａ 第五出力値
２２ 操作量補正手段
２２ａ 補正された操作量
【技術分野】
【０００１】
本発明は、むだ時間を含む制御対象のフィードバック制御性能を向上するための技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、図１５（ａ）に示すようなむだ時間を含む制御対象６１に対してＰＩＤ制御器６２を用いて制御量ｙのフィードバック制御を行う場合、ＰＩＤ制御器６２の制御ゲイン（フィードバックゲイン）を大きくすると、むだ時間の影響を受け、制御量ｙが目標値ｙ＊に対してオーバーシュートしたりハンチングが生じたりして、システムが不安定となるという問題があった（図１５（ｂ）参照）。その一方、ＰＩＤ制御器６２の制御ゲインを小さくすると、制御量ｙが目標値ｙ＊に到達するまでの時間が長くなり、高速な反応を求められる用途にはＰＩＤ制御を適用できないという問題もあった（図１５（ｃ）参照）。
【０００３】
また、図１６（ａ）に示すように、このような制御対象６１に含まれるむだ時間をｓｍｉｔｈのむだ時間補償器６３により補償する技術が公知となっている（例えば、特許文献１や非特許文献１参照）。ｓｍｉｔｈのむだ時間補償器６３を加えたブロック線図を変換すると、図１６（ｂ）に示すブロック線図となる。
【０００４】
この技術では、フィードバックループ６４の外にむだ時間の伝達関数ｅ―Ｌｓを追い出すことができて、むだ時間を除いた制御対象６１の実モデル６５のみがフィードバックループ６４内に含まれることとなる。そのため、むだ時間をフィードバックループ６４に含む場合と比較して、ＰＩＤ制御器６２の制御ゲイン（フィードバックゲイン）を大きく設定することが可能となり、システムを安定に保ちつつ、制御量ｙの応答性をよくすることができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００３−１６７６０５号公報
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】須田信英著，「ＰＩＤ制御 システム制御情報学会編」，初版，朝倉書店，１９９２年７月２０日，ｐ．６２−６３
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、前述のｓｍｉｔｈのむだ時間補償器６３によりむだ時間を補償した技術では、制御対象６１のむだ時間が、フィードバック制御装置６６の制御パラメータ（ｓｍｉｔｈのむだ時間補償器６３）に含まれるため、経年変化等で制御対象６１のむだ時間が変化した場合や、むだ時間のモデル化に誤差（定数Ｌに誤差）が生じた場合には、前記ｓｍｉｔｈのむだ時間補償器６３が十分に機能せず、制御量ｙが発散して制御が不安定となる問題があった（図１６（ｃ）参照）。
【０００８】
また、前記むだ時間を除いた制御対象６１の実モデル６５においても同様で、制御対象６１の実モデル６５が、フィードバック制御装置６６の制御パラメータ（ｓｍｉｔｈのむだ時間補償器６３）に含まれるため、経年変化等で制御対象６１の実モデル６５が変化した場合や、実モデル６５のモデル化に誤差が生じた場合には、前記ｓｍｉｔｈのむだ時間補償器６３が十分に機能せず、制御が不安定となる問題があった。
【０００９】
本発明は、上記の如き課題を鑑みてなされたものであり、むだ時間を含む制御対象に対して安定して制御を行うことができ、かつ、制御量の応答性が良好となるフィードバック制御装置とフィードバック制御方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の解決しようとする課題は以上の如くであり、次にこの課題を解決するための手段を説明する。
【００１１】
請求項１においては、むだ時間を含む制御対象のフィードバック制御装置であって、前記制御対象の制御量を検出する検出手段と、むだ時間を除いた前記制御対象の伝達関数の逆モデルに、前記制御量を入力して、第一出力値を得る第一出力値計算手段と、前記制御対象の操作量から、前記第一出力値を減算して、第二出力値を得る第二出力値計算手段と、むだ時間を除いた前記制御対象の伝達関数に、前記第二出力値を入力して、第三出力値を得る第三出力値計算手段と、前記制御量の目標値から、前記制御量を減算して、制御偏差を得る制御偏差計算手段と、前記制御偏差から、前記第三出力値を減算して、補正された制御偏差を得る制御偏差補正手段と、前記補正された制御偏差を入力して、前記制御対象の操作量を得る操作量計算手段と、を具備するものである。
【００１２】
請求項２においては、むだ時間を含む制御対象のフィードバック制御装置であって、前記制御対象の制御量を検出する検出手段と、むだ時間を除いた前記制御対象の伝達関数の逆モデルに、前記制御量を入力して、第一出力値を得る第一出力値計算手段と、前記制御対象の操作量から、前記第一出力値を減算して、第二出力値を得る第二出力値計算手段と、むだ時間を除いた前記制御対象の伝達関数に、前記第二出力値を入力して、第三出力値を得る第三出力値計算手段と、特定の周波数成分のみを通過させるフィルタに、前記第三出力値を入力して、第四出力値を得る第四出力値計算手段と、前記制御量の目標値から、前記制御量を減算して、制御偏差を得る制御偏差計算手段と、前記制御偏差から、前記第四出力値を減算して、補正された制御偏差を得る制御偏差補正手段と、前記補正された制御偏差を入力して、前記制御対象の操作量を得る操作量計算手段と、を具備するものである。
【００１３】
請求項３においては、前記制御偏差に所定の比例ゲインを乗算して、または、前記制御偏差を所定の時間積分して、第五出力値を得る第五出力値計算手段と、前記操作量に、前記第五出力値を加算して、補正された操作量を得る操作量補正手段と、を具備するものである。
【００１４】
請求項４においては、むだ時間を含む制御対象の制御量を、むだ時間を除いた前記制御対象の伝達関数の逆モデルに入力して第一出力値を演算し、前記第一出力値を、前記制御対象の操作量から減算して第二出力値を演算し、前記第二出力値を、むだ時間を除いた前記制御対象の伝達関数に入力して第三出力値を演算し、前記第三出力値を、制御偏差から減算して補正された制御偏差を演算し、前記補正された制御偏差に基づいてフィードバック制御を行うものである。
【００１５】
請求項５においては、むだ時間を含む制御対象の制御量を、むだ時間を除いた前記制御対象の伝達関数の逆モデルに入力して第一出力値を演算し、前記第一出力値を、前記制御対象の操作量から減算して第二出力値を演算し、前記第二出力値を、むだ時間を除いた前記制御対象の伝達関数に入力して第三出力値を演算し、前記第三出力値を、特定の周波数成分のみを通過させるフィルタに入力して第四出力値を演算し前記第四出力値を、制御偏差から減算して補正された制御偏差を演算し、前記補正された制御偏差に基づいてフィードバック制御を行うものである。
【発明の効果】
【００１６】
本発明の効果として、以下に示すような効果を奏する。
【００１７】
請求項１においては、むだ時間を含む制御対象のフィードバック制御において、制御対象のむだ時間を補償して、フィードバックループの外にむだ時間を追い出すことが可能となる。したがって、制御ゲインを大きくした場合であっても制御が不安定とならなくなる。そのため、制御ゲインを大きく設定して、制御量の応答性を良好にすることができる。また、制御対象のむだ時間がむだ時間補償器の制御パラメータに含まれないため、経年変化等でむだ時間が変化した場合や、むだ時間のモデル化に誤差が生じた場合であっても、むだ時間を補償することができ、安定して制御を行うことができる。
【００１８】
請求項２においては、むだ時間を含む制御対象のフィードバック制御において、制御対象のむだ時間を補償して、フィードバックループの外にむだ時間を追い出すことが可能となる。したがって、制御ゲインを大きくした場合であっても制御が不安定とならなくなる。そのため、制御ゲインを大きく設定して、制御量の応答性を良好にすることができる。また、制御対象のむだ時間がむだ時間補償器の制御パラメータに含まれないため、経年変化等でむだ時間が変化した場合や、むだ時間のモデル化に誤差が生じた場合であっても、むだ時間を補償することができ、安定して制御を行うことができる。また、経年変化等で制御対象の実モデルが変化した場合や、制御対象のモデル化に誤差が生じた場合であっても、目標値と制御量の定常偏差が発生しない。
【００１９】
請求項３においては、経年変化等で制御対象の実モデルが変化した場合や、制御対象のモデル化に誤差が生じた場合であっても、目標値と制御量の定常偏差が発生しない。
【００２０】
請求項４においては、むだ時間を含む制御対象のフィードバック制御において、制御対象のむだ時間を補償して、フィードバックループの外にむだ時間を追い出すことが可能となる。したがって、制御ゲインを大きくした場合であっても制御が不安定とならなくなる。そのため、制御ゲインを大きく設定して、制御量の応答性を良好にすることができる。また、制御対象のむだ時間がむだ時間補償器の制御パラメータに含まれないため、経年変化等でむだ時間が変化した場合や、むだ時間のモデル化に誤差が生じた場合であっても、むだ時間を補償することができ、安定して制御を行うことができる。
【００２１】
請求項５においては、むだ時間を含む制御対象のフィードバック制御において、制御対象のむだ時間を補償して、フィードバックループの外にむだ時間を追い出すことが可能となる。したがって、制御ゲインを大きくした場合であっても制御が不安定とならなくなる。そのため、制御ゲインを大きく設定して、制御量の応答性を良好にすることができる。また、制御対象のむだ時間がむだ時間補償器の制御パラメータに含まれないため、経年変化等でむだ時間が変化した場合や、むだ時間のモデル化に誤差が生じた場合であっても、むだ時間を補償することができ、安定して制御を行うことができる。また、経年変化等で制御対象の実モデルが変化した場合や、制御対象のモデル化に誤差が生じた場合であっても、目標値と制御量の定常偏差が発生しない。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本発明の一実施形態に係るフィードバック制御装置を示すブロック線図。
【図２】本発明の一実施形態に係るフィードバック制御方法を示すフローチャート。
【図３】（ａ）本発明の他の実施形態に係るフィードバック制御装置を示すブロック線図。（ｂ）本発明の他の実施形態に係るフィードバック制御装置１を示すブロック線図。
【図４】本発明の他の実施形態に係るフィードバック制御方法を示すフローチャート。
【図５】（ａ）むだ時間を含む制御対象に対してＰＩＤ制御を用いた時のブロック線図。（ｂ）（ａ）を等価変換したときのブロック線図。
【図６】（ａ）外乱を推定するブロック線図。（ｂ）フィードバックループからむだ時間を追い出したブロック線図。
【図７】（ａ）ｓｍｉｔｈのむだ時間補償で、Ｌが変化した時の応答を示すグラフ。（ｂ）外乱オブザーバによるむだ時間補償で、Ｌが変化した時の応答を示すグラフ。
【図８】（ａ）本発明の一実施形態に係るモデルの誤差を考慮した外乱オブザーバによるむだ時間補償器を示すブロック線図。（ｂ）本発明の他の実施形態に係るモデルの誤差を考慮した外乱オブザーバによるむだ時間補償器を示すブロック線図。
【図９】（ａ）モデルの誤差がない場合における定常偏差を示すグラフ。（ｂ）モデルの誤差が５０％の場合における定常偏差を示すグラフ。（ｃ）モデルの誤差が５０％であって、補償がある場合における定常偏差を示すグラフ。
【図１０】フィードバック制御装置を、ＨＳＴの斜板制御に適用した場合における全体のシステム図。
【図１１】フィードバック制御装置を示すブロック線図。
【図１２】フィードバック制御装置を示すブロック線図。
【図１３】外乱オブザーバによる斜板制御の性能を示すグラフ。
【図１４】（ａ）μ制限時の斜板制御結果を示すグラフであって、外乱オブザーバによるむだ時間補償器がない時のグラフ。（ｂ）μ制限時の斜板制御結果を示すグラフであって、外乱オブザーバによるむだ時間補償器がある時のグラフ。
【図１５】（ａ）従来のむだ時間を含む制御対象に対してＰＩＤ制御を用いた時のブロック線図。（ｂ）図１５（ａ）のＰＩＤ制御器の制御ゲインを大きく設定したときの目標値と制御量を示すグラフ。（ｃ）図１５（ａ）のＰＩＤ制御器の制御ゲインを小さく設定したときの目標値と制御量を示すグラフ。
【図１６】（ａ）従来のｓｍｉｔｈのむだ時間補償器を用いてむだ時間を補償したときのブロック線図。（ｂ）図１６（ａ）を等価変換したときのブロック線図。（ｃ）ｓｍｉｔｈのむだ時間補償器の制御パラメータに誤差が生じた場合における目標値と制御量を示すグラフ。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
次に、本発明の一実施形態に係るフィードバック制御装置１の構成について説明する。
【００２４】
図１に示すように、フィードバック制御装置１は、制御対象２と、ＰＩＤ制御器５と、制御量ｙの検出手段６と、制御偏差計算手段７と、制御量ｙの目標値ｙ＊の指示手段（不図示）と、むだ時間補償器１０と、補正手段２０とを具備する。
【００２５】
制御対象２は、アクチュエータ等で構成される。制御対象２の伝達関数は、むだ時間を含む、Ｇ（ｓ）ｅ―Ｌｓとして表される。ここで、伝達関数Ｇ（ｓ）を実モデル３として表し、伝達関数ｅ―Ｌｓをむだ時間４として表す。実モデル３は、一次遅れ系や、二次遅れ系等を含む。むだ時間４は、例えば、単位ステップを入力してからＬ秒後に応答するモデルである。ｓはラプラス演算子である。
【００２６】
ＰＩＤ制御器５は、制御対象２の操作量Ｕ（ｓ）を演算する操作量計算手段である。ＰＩＤ制御器５には、後述する補正された制御偏差１４ａが入力される。ＰＩＤ制御器５においては、補正された制御偏差１４ａに比例した値（Ｐ動作）と、補正された制御偏差１４ａを時間積分した値（Ｉ動作）と、補正された制御偏差１４ａを時間微分した値（Ｄ動作）とがそれぞれ加算され、その演算値となる操作量Ｕ（ｓ）が得られる。操作量Ｕ（ｓ）は、むだ時間補償器１０の第二出力値計算手段１２と、補正手段２０の操作量補正手段２２とに入力される。ＰＩＤ制御器５は伝達関数Ｃ（ｓ）で表される。ＰＩＤ制御器５の制御ゲイン（比例ゲイン）や積分ゲイン（積分時間）や微分ゲイン（微分時間）は、制御パラメータとして制御対象２の伝達関数Ｇ（ｓ）、すなわち実モデル３に応じて適宜調整される。
【００２７】
検出手段６では、前記制御対象２の出力値である制御量ｙが検出される。前記制御対象２の出力値である制御量ｙは、制御偏差計算手段７と、むだ時間補償器１０の第一出力値計算手段１１とに入力される。
【００２８】
制御偏差計算手段７においては、指示手段で指示された目標値ｙ＊から制御量ｙが減算されて、制御偏差７ａが得られる。制御偏差７ａは、むだ時間補償器１０の制御偏差補正手段１４と、補正手段２０の第五出力値計算手段２１とに入力される。
【００２９】
むだ時間補償器１０は、第一出力値計算手段１１と、第二出力値計算手段１２と、第三出力値計算手段１３と、制御偏差補正手段１４とから構成される。
【００３０】
第一出力値計算手段１１は、前記実モデル３の逆数（逆モデル）としており、伝達関数１／Ｇｎ（ｓ）として表し、詳細は後述する。第一出力値計算手段１１においては、むだ時間４を除いた制御対象２の伝達関数の逆モデル１／Ｇｎ（ｓ）に、制御量ｙが入力されて、第一出力値１１ａが得られる。第一出力値１１ａは、第二出力値計算手段１２に入力される。
【００３１】
第二出力値計算手段１２は、前記ＰＩＤ制御器５から出力された操作量Ｕ（ｓ）から、前記第一出力値計算手段１１の第一出力値１１ａが減算されて、第二出力値１２ａを得られる。第二出力値１２ａは、第三出力値計算手段１３に入力される。
【００３２】
第三出力値計算手段１３は、前記実モデル３としており、伝達関数Ｇｎ（ｓ）として表し、詳細は後述する。第三出力値計算手段１３においては、むだ時間４を除いた制御対象２の伝達関数Ｇｎ（ｓ）に、第二出力値１２ａが入力されて、第三出力値１３ａが得られる。第三出力値１３ａは、制御偏差補正手段１４に入力される。
【００３３】
制御偏差補正手段１４は、前記制御偏差７ａから、前記第三出力値１３ａが減算されて、補正された制御偏差１４ａが得られる。補正された制御偏差１４ａは、前記ＰＩＤ制御器５に入力される。
【００３４】
補正手段２０は、第五出力値計算手段２１と、操作量補正手段２２と、から構成される。
【００３５】
第五出力値計算手段２１は、入力値に比例した値を出力する比例要素で構成される。制御ゲイン（比例ゲイン）はＫｄｉｓｔとされる。第五出力値計算手段２１においては、前記制御偏差７ａにＫｄｉｓｔが乗算されて、第五出力値２１ａが得られる。第五出力値２１ａは、操作量補正手段２２に入力される。
【００３６】
操作量補正手段２２においては、前記ＰＩＤ制御器５から出力される操作量Ｕ（ｓ）に、前記第五出力値２１ａが加算されて、補正された操作量２２ａが得られる。補正された操作量２２ａは、制御対象２に入力される。
【００３７】
以上の構成により、フィードバック制御装置１は、次のフィードバック制御方法を用いてフィードバック制御を行う。すなわち、図２に示すように、フィードバック制御装置１は、むだ時間を含む制御対象２の制御量ｙをむだ時間４を除いた前記制御対象の伝達関数の逆モデル１／Ｇｎ（ｓ）に入力して、第一出力値１１ａを演算し（Ｓ１）、この第一出力値１１ａを前記制御対象２の操作量Ｕ（ｓ）から減算して、第二出力値１２ａを演算し（Ｓ２）、この第二出力値１２ａをむだ時間４を除いた前記制御対象２の伝達関数Ｇｎ（ｓ）に入力して、第三出力値１３ａを演算し（Ｓ３）、この第三出力値１３ａを制御偏差から減算して、補正された制御偏差１４ａを演算する（Ｓ４）。そして、フィードバック制御装置１は、補正された制御偏差１４ａに基づいてフィードバック制御を行うのである（Ｓ５）。
【００３８】
また、フィードバック制御装置１は、図３（ａ）に示す構成としてもよい。
すなわち、フィードバック制御装置１のむだ時間補償器１０は同じ構成として、補正手段２２の第五出力値計算手段２１は、積分制御器とされる。積分制御器の制御ゲイン（積分ゲイン）はＩｄｉｓｔとされる。前記制御偏差７ａがＩｄｉｓｔに対応した時間だけ積分されて第五出力値２１ａが得られる。第五出力値２１ａは、操作量補正手段２２に入力される。
【００３９】
また、フィードバック制御装置１は、図３（ｂ）に示す構成としてもよい。
すなわち、フィードバック制御装置１は、補正手段２０の代わりに、第四出力値計算手段１５を具備する。
【００４０】
第四出力値計算手段１５は、特定の周波数成分のみを通過させるフィルタ、詳細には、設定した周波数以上の周波数成分のみを通過させるハイパスフィルタとしており、伝達関数Ｆ（ｓ）として表す。第四出力値計算手段１５においては、伝達関数Ｆ（ｓ）に、第三出力値計算手段１３から出力される第三出力値１３ａが入力されて、第四出力値１５ａが得られる。第四出力値１５ａは、制御偏差補正手段１４に入力される。
【００４１】
制御偏差補正手段１４においては、前記制御偏差７ａから、前記第四出力値１５ａが減算されて、補正された制御偏差１４ａが得られる。補正された制御偏差１４ａは、ＰＩＤ制御器５に入力される。
【００４２】
ＰＩＤ制御器５においては、補正された制御偏差１４ａから操作量Ｕ（ｓ）が得られる。操作量Ｕ（ｓ）は、前記制御対象２と、むだ時間補償器１０の第二出力値計算手段１２とに入力される。
【００４３】
以上の構成により、フィードバック制御装置１は、次のフィードバック制御方法を用いてフィードバック制御を行う。すなわち、図４に示すように、フィードバック制御装置１は、むだ時間４を含む制御対象２の制御量ｙをむだ時間４を除いた前記制御対象２の伝達関数の逆モデル１／Ｇｎ（ｓ）に入力して、第一出力値１１ａを演算し（Ｓ１１）、この第一出力値１１ａを前記制御対象２の操作量Ｕ（ｓ）から減算して、第二出力値１２ａを演算し（Ｓ１２）、この第二出力値１２ａをむだ時間４を除いた前記制御対象２の伝達関数Ｇｎ（ｓ）に入力して、第三出力値１３ａを演算し（Ｓ１３）、この第三出力値１３ａを伝達関数Ｆ（ｓ）に入力して、第四出力値１５ａを演算し（Ｓ１４）、この第四出力値１５ａを制御偏差７ａから減算して、補正された制御偏差１４ａを演算する（Ｓ１５）。そして、フィードバック制御装置１は、補正された制御偏差１４ａに基づいてフィードバック制御を行うのである（Ｓ１６）。
【００４４】
次に、むだ時間補償器１０と、補正手段２０を前述の構成とした根拠を、図５から図９を用いて説明する。
【００４５】
ｓｍｉｔｈのむだ時間補償器６３（図１５）では、むだ時間を制御パラメータ（詳細には定数Ｌ）とするため、制御対象６１のむだ時間の定数Ｌと、制御対象６１のモデル化によるむだ時間推定値の定数Ｌｎとの間に誤差が生じると、制御が不安定となる。そこで、制御対象６１のむだ時間を外乱として扱い、外乱オブザーバで外乱を補償することにより、制御対象６１のむだ時間を補償する。
【００４６】
図５（ａ）において、むだ時間の伝達関数ｅ―Ｌｓを含む制御対象６１の実モデル６５を伝達関数Ｇ（ｓ）として、ＰＩＤ制御器６２によりフィードバック制御を行うものとする。ここで、制御対象６１のむだ時間の伝達関数ｅ―Ｌｓを外乱ｄとして、図５（ａ）を等価変換すると図５（ｂ）のように表すことができる。外乱ｄの信号は以下の数１で表される。
【００４７】
【数１】
【００４８】
次に、前記外乱ｄを補償するため、外乱オブザーバにより外乱ｄを推定する。
【００４９】
図６（ａ）に示すように、伝達関数ｅ―Ｌｓを含まない制御対象６１の実モデル６５の逆モデル（逆モデル推定値６７と呼ぶ）を形成して、この逆モデル推定値６７に制御量ｙを入力する。この時、逆モデル推定値６７は、伝達関数１／Ｇｎ（ｓ）で表される。そして、制御量ｙは、以下の数２で表される。
【００５０】
【数２】
【００５１】
ここで、ＰＩＤ制御器６２の出力である操作量Ｕ（ｓ）から、前記逆モデル推定値６７に制御量ｙを入力し、その出力（演算値）を減算した値は、以下の数３で表される。
【００５２】
【数３】
【００５３】
ここで、Ｇ（ｓ）とＧｎ（ｓ）が等しく、モデルに誤差がないとするならば、Ｇ（ｓ）＝Ｇｎ（ｓ）となり、数３は、以下の数４で表される。
【００５４】
【数４】
【００５５】
すなわち、数４は数１と等しくなるので、数４の計算値を求めることで、外乱ｄの推定値を求めることができる。
【００５６】
次に、図６（ｂ）に示すように、伝達関数ｅ―Ｌｓを含まない制御対象６１のモデル（実モデル推定値６８と呼ぶ）を形成して、この実モデル推定値６８に推定した外乱ｄを入力する。このとき、実モデル推定値６８は、伝達関数Ｇｎ（ｓ）で表される。そして、この実モデル推定値６８の出力に制御量ｙを足し合わせると、演算値は以下の数５で表される。
【００５７】
【数５】
【００５８】
ここで、Ｇ（ｓ）とＧｎ（ｓ）が等しく、モデルに誤差がないとするならば、Ｇ（ｓ）＝Ｇｎ（ｓ）となり、数５は、以下の数６で表される。
【００５９】
【数６】
【００６０】
数６の演算値（フィードバック値６９）は、むだ時間の伝達関数ｅ−Ｌｓを除いた制御対象６１の伝達関数Ｇ（ｓ）、即ち実モデル６５に操作量Ｕ（ｓ）を入力したときの出力であり、むだ時間の影響を取り除いた制御量ｙを意味する。言い換えれば、外乱オブザーバによって制御パラメータにむだ時間を用いることなく、フィードバックループ（フィードバック値６９）からむだ時間を追い出せたこととなる。従って、むだ時間に関係なくＰＩＤ制御器６２の制御ゲイン（フィードバックゲイン）を大きくできるため、制御の応答性を良くすることができる。
【００６１】
また、制御対象のむだ時間に変化が生じて、推定したむだ時間の誤差が増大（Ｌ１からＬ４になるにつれて誤差が増大）した場合には、ｓｍｉｔｈのむだ時間補償では、制御量ｙが発散してシステムが不安定となるが（図７（ａ）参照）、外乱オブザーバによるむだ時間補償では、むだ時間の影響を外乱として検出するので、あらゆるむだ時間に対応でき、制御量ｙが発散せず、システムが不安定とならない（図７（ｂ）参照）。
【００６２】
このように、フィードバック制御でのむだ時間補償は、むだ時間を取り除くのではなく、むだ時間をフィードバックループの外に追い出して、制御ゲインを増大させることで、制御性能を向上させることとしている。
【００６３】
次に、モデルの誤差による影響について検討する。前述のように、外乱オブザーバによるむだ時間補償は、制御対象６１のむだ時間の伝達関数ｅ−Ｌｓを含まない実モデル６５、即ちＧ（ｓ）を制御パラメータとして用いる。モデルに誤差があれば、つまりＧ（ｓ）≠Ｇｎ（ｓ）であれば、数６は、以下の数７で表される。
【００６４】
【数７】
【００６５】
すなわち、制御対象の実モデル６５に基づいたフィードフォワード制御を行うのと等価であり、制御量ｙにモデルの誤差分の定常偏差などが発生する。
【００６６】
このモデルの誤差の影響を補償する要素を図６（ｂ）に追加すると図８（ａ）のようになる。つまり、外乱オブザーバによる補償要素を、目標値ｙ＊と制御量ｙとの偏差を求めた後に減算して、モデルの誤差の影響を制御偏差として求められる形とする。そして、その制御偏差と比例制御器７０における制御ゲインＫｄｉｓｔの積をモデルの誤差の補償要素として、ＰＩＤ制御器６２の出力である操作量Ｕ（ｓ）に加算する（補正手段２０）。このように構成することで、モデルの誤差による制御量ｙの定常偏差を抑えることができる。
尚、前記比例制御器７０は、制御対象の特性により積分制御器としてもよく、ＰＩ制御器（比例積分制御器）としてもよい。
【００６７】
また、図８（ｂ）のように構成して、モデルの誤差の影響を補償する要素を追加してもよい。つまり、実モデル推定値６８の出力値を特定の周波数成分、本実施形態においては、設定した周波数以上の周波数成分のみを通過させるハイパスフィルタ７１に入力させてから、制御偏差を減算する構成とする。これにより、むだ時間の影響により不安定になる高い周波数域のみでむだ時間補償を有効にし、それ以下の周波数では補償要素が無効となるので、モデルの誤差による制御量ｙの定常偏差を抑えることができる。
【００６８】
図９は、モデルの誤差による影響を示すグラフである。図９（ａ）は、Ｇ（ｓ）＝Ｇｎ（ｓ）であり、モデルの誤差がない場合である。これによると目標値ｙ＊と制御量ｙの定常的な偏差である定常偏差は発生せず、制御量ｙは目標値ｙ＊に収束する。図９（ｂ）は、Ｇ（ｓ）≠Ｇｎ（ｓ）であり、モデルの誤差が５０％程度ある場合である。これによると定常偏差が発生する。図９（ｃ）は、Ｇ（ｓ）≠Ｇｎ（ｓ）であり、モデルの誤差が５０％程度ある場合に、モデルの誤差の影響を補償する要素を追加した場合である。これによると定常偏差が発生せず、制御量ｙは目標値ｙ＊に収束する。
【００６９】
次に前述の一実施形態と同様のフィードバック制御装置４０を作業車両１００におけるＨＳＴ（Ｈｙｄｒｏ Ｓｔａｔｉｃ Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ）の斜板角度制御に適用した場合を説明する。
【００７０】
はじめに、図１０を用いて、作業車両１００の全体構成を説明する。作業車両１００は、エンジン３０と、フライホイール３１と、エンジン制御装置３２と、ＨＳＴ３３と、差動装置３４と、タイヤ３６と、速度レバー３７と、変化率制限手段３８と、μ設定ダイヤル３９と、フィードバック制御装置４０とを備える。
【００７１】
エンジン３０は、作業車両１００が駆動するための回転動力を発生するものである。エンジン３０のクランク軸３０ａは、フライホイール３１と連動連結される。エンジン３０の回転動力は、クランク軸３０ａを介してフライホイール３１に伝達される。
【００７２】
フライホイール３１は、慣性力を蓄えることによりエンジン３０を滑らかに回転させるものである。フライホイール３１は、クランク軸３０ａにより伝達される回転動力により回転する。フライホイール３１の回転数は、磁気ピックアップ式のセンサや、ロータリエンコーダ等の回転数センサ３１ａにより検出される。
【００７３】
エンジン制御装置３２は、エンジン３０の回転数の制御を行うものである。エンジン制御装置３２は、回転数センサ３１ａに接続される。エンジン制御装置３２は、回転数センサ３１ａにより検出されるフライホイール３１の回転数に基づいて、エンジン３０の回転数の制御を行う。
【００７４】
ＨＳＴ３３は、可変容量型の油圧ポンプをエンジン３０により駆動させて、発生した油圧を固定容量型の油圧モータで回転力に変換する。ＨＳＴ３３は、油圧ポンプに備えられた可動斜板３３ａの角度に応じて当該油圧ポンプによる作動油の吐出量や吐出方向を変化させて、油圧モータの回転数及び回転方向を調整する。これにより、油圧ポンプの入力軸３３ｂから入力されたエンジン３０の回転動力が無段階に変速されて、油圧モータの出力軸３３ｃに出力される。油圧ポンプの入力軸３３ｂの一端は、フライホイール３１と連動連結され、エンジンの回転動力がＨＳＴ３３に伝達される。
【００７５】
差動装置３４は、回転動力を分配するものである。差動装置３４には、油圧モータの出力軸３３ｃの一端が連動連結されて、ＨＳＴ３３で変速されたエンジン３０の回転動力が伝達される。当該伝達される回転動力は、差動装置３４により左右に分配される。
差動装置３４の左右には、車軸３５の一端がそれぞれ連動連結される。車軸３５は、差動装置３４により分配された回転動力を伝達する。
【００７６】
タイヤ３６には、車軸３５の他端が連動連結され、車軸３５から伝達される回転動力により回転する。
【００７７】
速度レバー３７は、タイヤ速度（タイヤ３６の回転数）を設定するものである。作業者は速度レバー３７を操作して、タイヤ速度を調整する。
【００７８】
変化率制限手段３８は、可動斜板３３ａの目標値ｙ＊を所定の変化率に制限するものである。μ設定ダイヤル３９で設定されたμ（摩擦係数）の値に応じて変化率の制限値が決定される。μの値は、タイヤ３６の接地面の状況に応じて適宜変更される。
可動斜板３３ａの目標値ｙ＊の変化率と、前記μ設定ダイヤル３９で設定された変化率の制限値とを比較して、可動斜板の目標値ｙ＊が決定される。変化率制限手段３８から、目標値ｙ＊が出力される。
【００７９】
フィードバック制御装置４０は、後述するように、アクチュエータ４１と、ＰＩＤ制御器４２と、外乱オブザーバによるむだ時間補償器４５と、補正手段４６と、を具備する。アクチュエータ４１の回転軸には、ＨＳＴ３３の可動斜板３３ａが連動連結される。フィードバック制御装置４０には、アクチュエータ４１の回転軸の目標角度（目標値ｙ＊）が入力され、アクチュエータ４１の回転軸の角度（制御量ｙ）が出力される。
【００８０】
このような構成において、作業者は、速度レバー３７とμ設定ダイヤル３９を操作することにより、変化率制限手段３８からアクチュエータ４１の目標値ｙ＊がフィードバック制御装置４０に入力される。そして、フィードバック制御装置４０から出力されるアクチュエータ４１の制御量ｙに基づいて、ＨＳＴ３３の油圧ポンプにおける可動斜板３３ａの角度が変更されて、当該油圧ポンプによる作動油の吐出量や吐出方向が変更され、エンジン３０からフライホイール３１を介して伝達された回転動力が変速される。変速された回転動力は、差動装置３４、車軸３５を介して、タイヤ３６に伝達される。
【００８１】
尚、本実施形態においては、タイヤ速度の制御において、フィードバック制御装置４０以降はオープン制御となり、制御量ｙに応じた斜板の角度により、タイヤ速度が決定される構成となっているが、これに限定するものでなく、例えば、出力軸３３ｃに回転数センサを設け、タイヤ３６の回転数等をフィードバックして、タイヤ速度の制御を行う構成としてもよい。
【００８２】
次に、図１１を用いて、フィードバック制御装置４０の構成について説明する。
【００８３】
フィードバック制御装置４０は、制御対象となるアクチュエータ４１と、ＰＩＤ制御器４２と、制御量ｙの検出手段となる角度センサ４３と、制御偏差計算手段４４と、外乱オブザーバによるむだ時間補償器４５と、補正手段４６とを具備する。前述のように、フィードバック制御装置４０には、アクチュエータ４１の回転軸の目標角度（目標値ｙ＊）が入力され、アクチュエータ４１の回転軸の角度（制御量ｙ）が出力される。
【００８４】
アクチュエータ４１は、前記ＨＳＴ３３の可動斜板３３ａの傾斜角度を変更するものである。アクチュエータ４１は、サーボモータ等により構成される。アクチュエータ４１の伝達関数は、むだ時間を含む、Ｇ（ｓ）ｅ―Ｌｓとして表される。
【００８５】
ＰＩＤ制御器４２は、アクチュエータ４１の操作量Ｕ（ｓ）を演算する操作量計算手段である。ＰＩＤ制御器４２には、後述する補正された制御偏差５０ａが入力される。ＰＩＤ制御器４２においては、制御偏差５０ａに比例した値（Ｐ動作）と、制御偏差５０ａを時間積分した値（Ｉ動作）と、制御偏差５０ａを時間微分した値（Ｄ動作）とがそれぞれ加算され、その演算値となる操作量Ｕ（ｓ）が得られる。この操作量Ｕ（ｓ）は、むだ時間補償器４５の第二出力値計算手段４８と、補正手段４６の操作量補正手段５２と、に入力される。ＰＩＤ制御器４２は伝達関数Ｃ（ｓ）で表され、ＰＩＤ制御器４２の制御ゲイン（比例ゲイン）や積分ゲイン（積分時間）や微分ゲイン（微分時間）は、制御パラメータとしてアクチュエータ４１の伝達関数Ｇ（ｓ）に応じて適宜調整される。
【００８６】
角度センサ４３は、ロータリエンコーダや、ホールセンサ等で構成される。この角度センサ４３によりアクチュエータ４１の制御量ｙが検出される。制御量ｙは制御偏差計算手段４４と、外乱オブザーバによるむだ時間補償器４５の第一出力値計算手段４７とに入力される。
尚、該角度センサ４３は、前記アクチュエータ４１と一体的に構成されてもよい。
【００８７】
制御偏差計算手段４４においては、前記変化率制限手段３８から指示されたアクチュエータ４１の回転軸における角度の目標値ｙ＊から、前記角度センサ４３が検出した制御量ｙが減算され、制御偏差４４ａが得られる。制御偏差４４ａは、外乱オブザーバによるむだ時間補償器４５の制御偏差補正手段５０と、補正手段４６の第五出力値計算手段５１とに入力される。
【００８８】
外乱オブザーバによるむだ時間補償器４５は、第一出力値計算手段４７と、第二出力値計算手段４８と、第三出力値計算手段４９と、制御偏差補正手段５０とで構成される。
【００８９】
第一出力値計算手段４７は、むだ時間を除いたアクチュエータ４１の推定された伝達関数の逆数（逆モデル推定値）であり、伝達関数１／Ｇｎ（ｓ）として表される。第一出力値計算手段４７においては、むだ時間を除いたアクチュエータ４１の伝達関数の逆モデル１／Ｇｎ（ｓ）に、前記角度センサ４３で検出された制御量ｙが入力されて、第一出力値４７ａが得られる。第一出力値４７ａは、第二出力値計算手段４８に入力される。
【００９０】
第二出力値計算手段４８においては、前記ＰＩＤ制御器４２から出力された操作量Ｕ（ｓ）から、前記第一出力値計算手段４７の第一出力値４７ａが減算されて、第二出力値４８ａが得られる。第二出力値４８ａは、第三出力値計算手段４９に入力される。
【００９１】
第三出力値計算手段４９は、むだ時間を除いたアクチュエータ４１の推定された伝達関数Ｇｎ（ｓ）として表される。第三出力値計算手段４９においては、むだ時間を除いたアクチュエータ４１の伝達関数Ｇｎ（ｓ）に、第二出力値４８ａが入力されて、第三出力値４９ａが得られる。第三出力値４９ａは、制御偏差補正手段５０に入力される。
【００９２】
制御偏差補正手段５０においては、前記制御偏差４４ａから、前記第三出力値４９ａが減算されて、補正された制御偏差５０ａが得られる。補正された制御偏差５０ａは、前記ＰＩＤ制御器４２に入力される。
【００９３】
このように構成することにより、アクチュエータ４１に含まれるむだ時間を外乱として扱い、むだ時間をフィードバックループの外に追い出すことができる。したがって、ＰＩＤ制御器４２の制御ゲインを大きく設定することが可能となるので、安定して制御を行うとともに、制御量ｙの応答性を良くすることができる。また、アクチュエータ４１のむだ時間が、むだ時間補償器４５の制御パラメータに含まれないため、経年変化等でアクチュエータ４１のむだ時間が変化した場合や、むだ時間のモデル化に誤差が生じた場合であっても、アクチュエータ４１のむだ時間の補償が可能で、安定して制御を行うことができる。
【００９４】
補正手段４６は、第五出力値計算手段５１と、操作量補正手段５２とで構成される。
【００９５】
第五出力値計算手段５１は、ＰＩ制御器であり、入力値に比例した値を出力する比例要素と、入力値の累積値を出力する積分要素とで構成される。比例ゲインはＫｄｉｓｔとされ、積分ゲインはＩｄｉｓｔとされる。アクチュエータ４１の特性に応じて、Ｋｄｉｓｔ及びＩｄｉｓｔが適宜調整される。アクチュエータ４１の積分要素が小さい場合は、比例ゲインＫｄｉｓｔを０として、第五出力値計算手段５１をＩ制御器として動作させてもよく、アクチュエータ４１の積分要素が大きい場合は、積分ゲインＩｄｉｓｔを０として、第五出力値計算手段５１をＰ制御器として動作させてもよい。その演算値となる第五出力値５１ａは、操作量補正手段５２に入力される。
【００９６】
操作量補正手段５２においては、ＰＩＤ制御器４２から出力される操作量Ｕ（ｓ）に、第五出力値５１ａが加算されて、補正された操作量５２ａが得られる。補正された操作量５２ａは、指令電圧としてアクチュエータ４１に入力される。
【００９７】
このように構成することにより、経年変化等でアクチュエータ４１の実モデルとなる伝達関数Ｇ（ｓ）が変化した場合や、アクチュエータ４１の実モデルとなる伝達関数Ｇ（ｓ）のモデル化に誤差が生じた場合においても、目標値ｙ＊と制御量ｙの定常偏差が発生しない。
【００９８】
尚、前記ＰＩＤ制御器４２、制御偏差計算手段４４、外乱オブザーバによるむだ時間補償器４５及び補正手段４６は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、ＨＤＤ等で構成され、所定のプログラムを用いて補正された制御偏差５０ａや、補正された操作量５２ａが演算される構成としてもよい。
【００９９】
また、フィードバック制御装置４０は、次のように構成してもよい。すなわち、図１２に示すように、フィードバック制御装置４０は、第三出力値４９ａを設定した周波数以上の周波数成分のみを通過させるハイパスフィルタに入力させてから、第四出力値５３ａを得る。そして、第四出力値５３ａを制御偏差補正手段５０に入力する。制御偏差補正手段５０においては、制御偏差４４ａから、第四出力値５３ａが減算されて、補正された制御偏差５０ａが得られる。補正された制御偏差５０ａは、ＰＩＤ制御器４２に入力される。ＰＩＤ制御器４２においては、補正された制御偏差５０ａから操作量Ｕ（ｓ）が得られる。そして、操作量Ｕ（ｓ）がアクチュエータ４１に入力される。
【０１００】
これにより、むだ時間の影響で不安定になる高い周波数域のみでむだ時間補償を有効にし、それ以下の周波数では補償要素が無効となるので、モデルの誤差による制御量ｙの定常偏差を抑えることができる。
【０１０１】
次に、図１３から図１４を用いて、図１０のシステムの計測結果を示す。
【０１０２】
図１３に示すように、作業車両１００においては、速度レバー３７を操作して、タイヤ速度の制御を行う。このように、外乱オブザーバによるむだ時間補償器４５がある場合は、ＰＩＤ制御器４２の比例ゲインを４０倍に大きくしても不安定とならず、斜板制御の応答性を改善することができる。
【０１０３】
つづいて、μの任意の設定（μ１からμ５）に対する斜板制御（速度制御）の結果を図１４に示す。図１４（ａ）に示すようなＰＩＤ制御器４２のみ（すなわち外乱オブザーバを用いたむだ時間補償器４５なし）の場合と比較して、図１４（ｂ）に示すようなむだ時間補償器４５ありの場合の方が、速度レバー３７の操作直後の応答がよく、速度制御の制限値と同様の傾きで斜板制御ができていることがわかる。タイヤ速度は速度制御の制限値に対して時間方向にオフセットした応答、すなわち、むだ時間の遅れを補償した応答となっている。これは、むだ時間をフィードバックループから追い出して制御する本制御の特徴といえる。
【０１０４】
以上のように、本発明の一実施形態に係るフィードバック制御装置１は、むだ時間４を含む制御対象２のフィードバック制御装置１であって、前記制御対象２の制御量ｙを検出する検出手段６と、むだ時間４を除いた前記制御対象２の伝達関数の逆モデルに、前記制御量ｙを入力して、第一出力値１１ａを得る第一出力値計算手段１１と、前記制御対象２の操作量Ｕ（ｓ）から、前記第一出力値１１ａを減算して、第二出力値１２ａを得る第二出力値計算手段１２と、むだ時間４を除いた前記制御対象２の伝達関数に、前記第二出力値１２ａを入力して、第三出力値１３ａを得る第三出力値計算手段１３と、前記制御量ｙの目標値ｙ＊から、前記制御量ｙを減算して、制御偏差７ａを得る制御偏差計算手段７と、前記制御偏差７ａから、前記第三出力値１３ａを減算して、補正された制御偏差１４ａを得る制御偏差補正手段１４と、前記補正された制御偏差１４ａを入力して、前記制御対象２の操作量Ｕ（ｓ）を得る操作量計算手段となるＰＩＤ制御器５と、を具備するものである。
【０１０５】
これにより、むだ時間４を含む制御対象２のフィードバック制御において、制御対象２のむだ時間４を補償して、フィードバックループの外にむだ時間４を追い出すことが可能となる。したがって、制御ゲインを大きくした場合であっても制御が不安定とならなくなる。そのため、制御ゲインを大きく設定して、制御量ｙの応答性を良好にすることができる。また、制御対象２のむだ時間４がむだ時間補償器１０の制御パラメータに含まれないため、経年変化等でむだ時間４が変化した場合や、むだ時間４のモデル化に誤差が生じた場合であっても、むだ時間４を補償することができ、安定して制御を行うことができる。
【０１０６】
また、前記制御偏差７ａに所定の比例ゲインを乗算して、または、前記制御偏差７ａを所定の時間積分して、第五出力値２１ａを得る第五出力値計算手段２１と、前記操作量Ｕ（ｓ）に、前記第五出力値２１ａを加算して、補正された操作量２２ａを得る操作量補正手段２２と、を具備するものであるので、経年変化等で制御対象２の実モデルが変化した場合や、制御対象２のモデル化に誤差が生じた場合であっても、目標値と制御量の定常偏差が発生しない。
【０１０７】
また、本発明の一実施形態に係るフィードバック制御装置１は、むだ時間４を含む制御対象２のフィードバック制御装置１であって、前記制御対象２の制御量ｙを検出する検出手段６と、むだ時間４を除いた前記制御対象２の伝達関数の逆モデルに、前記制御量ｙを入力して、第一出力値１１ａを得る第一出力値計算手段１１と、前記制御対象２の操作量Ｕ（ｓ）から、前記第一出力値１１ａを減算して、第二出力値１２ａを得る第二出力値計算手段１２と、むだ時間４を除いた前記制御対象２の伝達関数に、前記第二出力値１２ａを入力して、第三出力値１３ａを得る第三出力値計算手段１３と、特定の周波数成分のみを通過させるフィルタに、前記第三出力値１３ａを入力して、第四出力値１５ａを得る第四出力値計算手段１５と、前記制御量ｙの目標値ｙ＊から、前記制御量ｙを減算して、制御偏差７ａを得る制御偏差計算手段７と、前記制御偏差７ａから、前記第四出力値１５ａを減算して、補正された制御偏差１４ａを得る制御偏差補正手段１４と、前記補正された制御偏差１４ａを入力して、前記制御対象２の操作量Ｕ（ｓ）を得る操作量計算手段となるＰＩＤ制御器５と、を具備するものである。
【０１０８】
これにより、むだ時間４を含む制御対象２のフィードバック制御において、制御対象２のむだ時間４を補償して、フィードバックループの外にむだ時間４を追い出すことが可能となる。したがって、制御ゲインを大きくした場合であっても制御が不安定とならなくなる。そのため、制御ゲインを大きく設定して、制御量ｙの応答性を良好にすることができる。また、制御対象２のむだ時間４がむだ時間補償器１０の制御パラメータに含まれないため、経年変化等でむだ時間４が変化した場合や、むだ時間４のモデル化に誤差が生じた場合であっても、むだ時間４を補償することができ、安定して制御を行うことができる。また、経年変化等で制御対象２の実モデルが変化した場合や、制御対象２のモデル化に誤差が生じた場合であっても、目標値ｙ＊と制御量ｙの定常偏差が発生しない。
【０１０９】
また、本発明の一実施形態に係るフィードバック制御装置１は、むだ時間４を含む制御対象２の制御量ｙを、むだ時間４を除いた前記制御対象２の伝達関数の逆モデルに入力して第一出力値１１ａを演算し、前記第一出力値１１ａを、前記制御対象２の操作量Ｕ（ｓ）から減算して第二出力値１２ａを演算し、前記第二出力値１２ａを、むだ時間４を除いた前記制御対象２の伝達関数に入力して第三出力値１３ａを演算し、前記第三出力値１３ａを、制御偏差７ａから減算して補正された制御偏差１４ａを演算し、前記補正された制御偏差１４ａに基づいてフィードバック制御を行うものである。
【０１１０】
これにより、むだ時間４を含む制御対象２のフィードバック制御において、制御対象２のむだ時間４を補償して、フィードバックループの外にむだ時間４を追い出すことが可能となる。したがって、制御ゲインを大きくした場合であっても制御が不安定とならなくなる。そのため、制御ゲインを大きく設定して、制御量ｙの応答性を良好にすることができる。また、制御対象２のむだ時間４がむだ時間補償器１０の制御パラメータに含まれないため、経年変化等でむだ時間４が変化した場合や、むだ時間４のモデル化に誤差が生じた場合であっても、むだ時間４を補償することができ、安定して制御を行うことができる。
【０１１１】
また、本発明の一実施形態に係るフィードバック制御装置１は、むだ時間４を含む制御対象２の制御量ｙを、むだ時間４を除いた前記制御対象２の伝達関数の逆モデルに入力して第一出力値１１ａを演算し、前記第一出力値１１ａを、前記制御対象２の操作量Ｕ（ｓ）から減算して第二出力値１２ａを演算し、前記第二出力値１２ａを、むだ時間４を除いた前記制御対象２の伝達関数に入力して第三出力値１３ａを演算し、前記第三出力値１３ａを、特定の周波数成分のみを通過させるフィルタに入力して第四出力値１５ａを演算し、前記第四出力値１５ａを、制御偏差７ａから減算して補正された制御偏差１４ａを演算し、前記補正された制御偏差１４ａに基づいてフィードバック制御を行うものである。
【０１１２】
これにより、むだ時間４を含む制御対象２のフィードバック制御において、制御対象２のむだ時間４を補償して、フィードバックループの外にむだ時間４を追い出すことが可能となる。したがって、制御ゲインを大きくした場合であっても制御が不安定とならなくなる。そのため、制御ゲインを大きく設定して、制御量ｙの応答性を良好にすることができる。また、制御対象２のむだ時間４がむだ時間補償器１０の制御パラメータに含まれないため、経年変化等でむだ時間４が変化した場合や、むだ時間４のモデル化に誤差が生じた場合であっても、むだ時間４を補償することができ、安定して制御を行うことができる。また、経年変化等で制御対象２の実モデルが変化した場合や、制御対象２のモデル化に誤差が生じた場合であっても、目標値ｙ＊と制御量ｙの定常偏差が発生しない。
【符号の説明】
【０１１３】
１ フィードバック制御装置
２ 制御対象
３ 実モデル
４ むだ時間
５ ＰＩＤ制御器
６ 検出手段
７ 制御偏差計算手段
７ａ 制御偏差
１０ むだ時間補償器
１１ 第一出力値計算手段
１１ａ 第一出力値
１２ 第二出力値計算手段
１２ａ 第二出力値
１３ 第三出力値計算手段
１３ａ 第三出力値
１４ 制御偏差補正手段
１４ａ 補正された制御偏差
１５ 第四出力値計算手段
１５ａ 第四出力値
２０ 補正手段
２１ 第五出力値計算手段
２１ａ 第五出力値
２２ 操作量補正手段
２２ａ 補正された操作量
【特許請求の範囲】
【請求項１】
むだ時間を含む制御対象のフィードバック制御装置であって、
前記制御対象の制御量を検出する検出手段と、
むだ時間を除いた前記制御対象の伝達関数の逆モデルに、前記制御量を入力して、第一出力値を得る第一出力値計算手段と、
前記制御対象の操作量から、前記第一出力値を減算して、第二出力値を得る第二出力値計算手段と、
むだ時間を除いた前記制御対象の伝達関数に、前記第二出力値を入力して、第三出力値を得る第三出力値計算手段と、
前記制御量の目標値から、前記制御量を減算して、制御偏差を得る制御偏差計算手段と、
前記制御偏差から、前記第三出力値を減算して、補正された制御偏差を得る制御偏差補正手段と、
前記補正された制御偏差を入力して、前記制御対象の操作量を得る操作量計算手段と、
を具備するフィードバック制御装置。
【請求項２】
むだ時間を含む制御対象のフィードバック制御装置であって、
前記制御対象の制御量を検出する検出手段と、
むだ時間を除いた前記制御対象の伝達関数の逆モデルに、前記制御量を入力して、第一出力値を得る第一出力値計算手段と、
前記制御対象の操作量から、前記第一出力値を減算して、第二出力値を得る第二出力値計算手段と、
むだ時間を除いた前記制御対象の伝達関数に、前記第二出力値を入力して、第三出力値を得る第三出力値計算手段と、
特定の周波数成分のみを通過させるフィルタに、前記第三出力値を入力して、第四出力値を得る第四出力値計算手段と、
前記制御量の目標値から、前記制御量を減算して、制御偏差を得る制御偏差計算手段と、
前記制御偏差から、前記第四出力値を減算して、補正された制御偏差を得る制御偏差補正手段と、
前記補正された制御偏差を入力して、前記制御対象の操作量を得る操作量計算手段と、
を具備するフィードバック制御装置。
【請求項３】
前記制御偏差に所定の比例ゲインを乗算して、または、前記制御偏差を所定の時間積分して、第五出力値を得る第五出力値計算手段と、
前記操作量に前記第五出力値を加算して、補正された操作量を得る操作量補正手段と、
を具備する請求項１に記載のフィードバック制御装置。
【請求項４】
むだ時間を含む制御対象の制御量を、むだ時間を除いた前記制御対象の伝達関数の逆モデルに入力して第一出力値を演算し、
前記第一出力値を、前記制御対象の操作量から減算して第二出力値を演算し、
前記第二出力値を、むだ時間を除いた前記制御対象の伝達関数に入力して第三出力値を演算し、
前記第三出力値を、制御偏差から減算して補正された制御偏差を演算し、
前記補正された制御偏差に基づいてフィードバック制御を行うフィードバック制御方法。
【請求項５】
むだ時間を含む制御対象の制御量を、むだ時間を除いた前記制御対象の伝達関数の逆モデルに入力して第一出力値を演算し、
前記第一出力値を、前記制御対象の操作量から減算して第二出力値を演算し、
前記第二出力値を、むだ時間を除いた前記制御対象の伝達関数に入力して第三出力値を演算し、
前記第三出力値を、特定の周波数成分のみを通過させるフィルタに入力して第四出力値を演算し、
前記第四出力値を、制御偏差から減算して補正された制御偏差を演算し、
前記補正された制御偏差に基づいてフィードバック制御を行うフィードバック制御方法。
【請求項１】
むだ時間を含む制御対象のフィードバック制御装置であって、
前記制御対象の制御量を検出する検出手段と、
むだ時間を除いた前記制御対象の伝達関数の逆モデルに、前記制御量を入力して、第一出力値を得る第一出力値計算手段と、
前記制御対象の操作量から、前記第一出力値を減算して、第二出力値を得る第二出力値計算手段と、
むだ時間を除いた前記制御対象の伝達関数に、前記第二出力値を入力して、第三出力値を得る第三出力値計算手段と、
前記制御量の目標値から、前記制御量を減算して、制御偏差を得る制御偏差計算手段と、
前記制御偏差から、前記第三出力値を減算して、補正された制御偏差を得る制御偏差補正手段と、
前記補正された制御偏差を入力して、前記制御対象の操作量を得る操作量計算手段と、
を具備するフィードバック制御装置。
【請求項２】
むだ時間を含む制御対象のフィードバック制御装置であって、
前記制御対象の制御量を検出する検出手段と、
むだ時間を除いた前記制御対象の伝達関数の逆モデルに、前記制御量を入力して、第一出力値を得る第一出力値計算手段と、
前記制御対象の操作量から、前記第一出力値を減算して、第二出力値を得る第二出力値計算手段と、
むだ時間を除いた前記制御対象の伝達関数に、前記第二出力値を入力して、第三出力値を得る第三出力値計算手段と、
特定の周波数成分のみを通過させるフィルタに、前記第三出力値を入力して、第四出力値を得る第四出力値計算手段と、
前記制御量の目標値から、前記制御量を減算して、制御偏差を得る制御偏差計算手段と、
前記制御偏差から、前記第四出力値を減算して、補正された制御偏差を得る制御偏差補正手段と、
前記補正された制御偏差を入力して、前記制御対象の操作量を得る操作量計算手段と、
を具備するフィードバック制御装置。
【請求項３】
前記制御偏差に所定の比例ゲインを乗算して、または、前記制御偏差を所定の時間積分して、第五出力値を得る第五出力値計算手段と、
前記操作量に前記第五出力値を加算して、補正された操作量を得る操作量補正手段と、
を具備する請求項１に記載のフィードバック制御装置。
【請求項４】
むだ時間を含む制御対象の制御量を、むだ時間を除いた前記制御対象の伝達関数の逆モデルに入力して第一出力値を演算し、
前記第一出力値を、前記制御対象の操作量から減算して第二出力値を演算し、
前記第二出力値を、むだ時間を除いた前記制御対象の伝達関数に入力して第三出力値を演算し、
前記第三出力値を、制御偏差から減算して補正された制御偏差を演算し、
前記補正された制御偏差に基づいてフィードバック制御を行うフィードバック制御方法。
【請求項５】
むだ時間を含む制御対象の制御量を、むだ時間を除いた前記制御対象の伝達関数の逆モデルに入力して第一出力値を演算し、
前記第一出力値を、前記制御対象の操作量から減算して第二出力値を演算し、
前記第二出力値を、むだ時間を除いた前記制御対象の伝達関数に入力して第三出力値を演算し、
前記第三出力値を、特定の周波数成分のみを通過させるフィルタに入力して第四出力値を演算し、
前記第四出力値を、制御偏差から減算して補正された制御偏差を演算し、
前記補正された制御偏差に基づいてフィードバック制御を行うフィードバック制御方法。
【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１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【公開番号】特開２０１１−５９８７０（Ｐ２０１１−５９８７０Ａ）
【公開日】平成２３年３月２４日（２０１１．３．２４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−２０７１６５（Ｐ２００９−２０７１６５）
【出願日】平成２１年９月８日（２００９．９．８）
【出願人】（０００００６７８１）ヤンマー株式会社 (3,810)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年３月２４日（２０１１．３．２４）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年９月８日（２００９．９．８）
【出願人】（０００００６７８１）ヤンマー株式会社 (3,810)
【Ｆターム（参考）】
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