内部モデル制御装置および内部モデル制御方法
【課題】直列補償によるオープンループ制御を基本とし、モデル化誤差や外乱が発生した場合にのみフィードバック補償を行なうとともに、目標値に対しての行過ぎ量がほぼ皆無であって、しかも外乱に対するドロップ量が少く抑えられるようにした位置制御装置を提供する。
【解決手段】内部モデルフィルタ２４によるオープン制御を行なうようにした内部モデル制御装置において、第２のノミナルモデル２９と外乱オブザーバフィルタ３０とから成る外乱オブザーバ２８をさらに付加し、外乱が生じた場合には制御対象２０と第２のノミナルモデル２９との偏差をコンパレータ３１の出力として取出し、外乱オブザーバフィルタ３０によってフィードバックし、推定外乱として加算器３３によって制御対象２０の入力側に印加し、減算器３４を介して加えられる外乱と相殺する。
【解決手段】内部モデルフィルタ２４によるオープン制御を行なうようにした内部モデル制御装置において、第２のノミナルモデル２９と外乱オブザーバフィルタ３０とから成る外乱オブザーバ２８をさらに付加し、外乱が生じた場合には制御対象２０と第２のノミナルモデル２９との偏差をコンパレータ３１の出力として取出し、外乱オブザーバフィルタ３０によってフィードバックし、推定外乱として加算器３３によって制御対象２０の入力側に印加し、減算器３４を介して加えられる外乱と相殺する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は内部モデル制御装置および内部モデル制御方法に係り、とくに制御対象と並列にノミナル要素を接続するとともに、制御対象の出力とノミナル要素の出力の偏差を入力側にフィードバックするようにした内部モデル制御装置および内部モデル制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より提案されている内部モデル制御法（Ｉｎｔｅｒｎａｌ Ｍｏｄｅｌ Ｃｏｎｔｒｏｌ、以下ＩＭＣと略記）は例えば図１に示すようなシステム構成の制御系になる。この制御系は、制御対象１と並列にノミナル要素が設定される。上記制御対象１の出力とノミナル要素２の出力を比較するコンパレータ３がノミナル要素２の後段に接続される。そしてコンパレータ３の偏差がコンパレータ４に供給されるようになっている。またこのシステムは内部モデルフィルタ５を備え、この内部モデルフィルタ５の出力に概念的に外乱が印加されるように加算器６を接続するとともに、加算器６の出力が制御対象１に入力されるようになっている。また上記内部モデルフィルタ５の出力がノミナル要素２に入力される。ここで内部モデルフィルタ５のＦはＩＭＣフィルタで、Ｆ×Ｐｎ−１ がバイプロパー（分子と分母の次数が同じ状態）なる伝達関数を選択する。従って、ＩＭＣの設計パラメータは、内部モデルフィルタ５の帯域幅のみであって、設計が容易な利点を有している。
【０００３】
また図１に示す制御構成から明らかなように、ＩＭＣでは、モデル化誤差がなければ、Ｐ＝Ｐｎになり、このためにＦ・Ｐｎ−１ ・Ｐ＝Ｆ・Ｐｎ−１ ・Ｐｎ＝Ｆになる。すなわちＩＭＣモデルでは、モデル化誤差がなければ、目標値ｒから出力ｙまでの伝達特性はＦになる。この場合にはフィードバックループが作用せず、直列補償によるオープンループ制御になる。これに対して、モデル化誤差や外乱ｄが存在する場合にのみ、制御対象１の出力とノミナル要素２の出力の差分を利用してフィードバック補償が行なわれることになる。
【０００４】
図１に示すようなＩＭＣをモータの位置制御系に応用した結果を以下に示す。ノミナル要素から成るモータモデルＰｎは、一般的に次式によって表される。すなわち速度から位置への伝達特性である積分特性があることに注意しなければならない。
【０００５】
Ｐｎ（ｍｍ／Ｖ）＝ｋ１／（ｓ・（ｓ＋ｐ１））
ここで、例えばｋ１ ＝１３×１０５、ｐ１ ＝２１５とする。そしてＰ＝Ｐｎ、また、
Ｆ＝１／（τｉｓ＋１）２としてステップ応答シミュレーションを行なった結果を図２に示す。ここで、時定数τｉ ＝１／（２π×１５０）としている。図２で示すように、０ｓで０．０５ｍｍのステップ指令を印加し、０．１ｓでステップ外乱（力）を印加している。以下、目標値と外乱はステップ状を仮定する。また、比較のため同程度の制御帯域幅を持つＰＩＤ制御系の応答波形を重ねて示す。
【０００６】
ＩＭＣ制御系では、目標値特性においては所望の制御特性が得られているが、外乱特性においては定常偏差が残ってしまう。これに対してＰＩＤ制御系では、目標値応答においては１０％程度のオーバーシュートが見られるが、外乱に対してはドロップ量も小さく、定常偏差も補償できている。参考までに設計したＰＩＤ制御器並びにＩＭＣ制御器の周波数特性を図３に示す。ＩＭＣ制御器では、ＰＩＤ制御器が有する１型（積分器を１つ有する制御系）の特性が得られていないことが分かる。
【０００７】
このＩＭＣの外乱特性について考察する。結論から述べると、ＩＭＣ制御器は、制御対象が積分特性を有する場合に、低域の制御ゲインが無限大という１型の特性を持たない。すなわち、モデル化誤差がないモデルはない、外乱のないシステムはないという事実に鑑み、位置制御系にＩＭＣを適用した場合に、目標指令に対しても必ず定常偏差が生ずる。
【０００８】
以下にその理由を述べる。図１に示すブロック図を等価変換すると、図４のようなブロック図になる。等価変換ブロック図において、内部モデルフィルタ５の出力はｚ＝Ｆ（ｅ＋ｚ）であり、ｚ＝Ｆ・ｅ／（１−Ｆ）となる。ＩＭＣフィルタ５のＦの定常ゲインは常に１となるために、ｅからｚへの定常ゲインは無限大になる。すなわち１型（積分特性）を持つことになる。しかしながら、制御対象１が積分特性を有すると、インバース要素７のＰｎ−１が微分要素になる。すなわちＰが積分特性を有するとともに、Ｐ−１が微分特性になり、Ｆ／（１−Ｆ）の積分特性を相殺してしまう。その結果、目標値ｒに対しては、モデル化誤差がなければ誤差ゼロの追従が可能だが、外乱ｄに対しては定常誤差が存在することになる。なおＩＭＣは開ループ系の周波数特性がフィルタ帯域内で、常に−２０ｄＢ／ｄｅｃとなるように設計される。つまり、制御対象が１型のときには、制御器は１型にならないことが確認できる。
【特許文献１】特開２００６−３１６５４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本願発明の課題は、高速・高応答・高精度位置制御が可能な内部モデル制御装置および制御方法を提供することである。
【００１０】
本願発明の別の課題は、内部モデル制御に外乱オブザーバを用いて位置制御系に応用した内部モデル制御装置および制御方法を提供することである。
【００１１】
本願発明のさらに別の課題は、直列補償によるオープンループ駆動を基本とし、モデル化誤差や外乱が発生した場合のみフィードバック補償となるようにした内部モデル制御装置および制御方法を提供することである。
【００１２】
本願発明のさらに別の課題は、目標値に対しての行過ぎ量がほぼ皆無になるようにした内部モデル制御装置および制御方法を提供することである。
【００１３】
本願発明のさらに別の課題は、外乱が加わった場合における定常偏差やドロップ量を少く抑えるようにした内部モデル制御装置および制御方法を提供することである。
【００１４】
本願発明のさらに別の課題は、制御器の設計パラメータ数が、制御帯域幅１つで達成できるようにした内部モデル制御装置および制御方法を提供することである。
【００１５】
本願発明のさらに別の課題は、ノミナルモデルに適応機構の導入が容易な内部モデル制御装置および制御方法を提供することである。
【００１６】
本願発明のさらに別の課題は、オープンループ駆動を基本とし、ノミナルモデルさえ高精度に同定できれば、制御帯域幅を極めて広帯域化できるようにした内部モデル制御装置および制御方法を提供することである。
【００１７】
本願発明のさらに別の課題は、制御対象に積分特性を有する位置制御系の高性能な制御が可能な内部モデル制御装置および制御方法を提供することである。
【００１８】
本願発明の上記の課題および別の課題は、以下に述べる本願発明の技術的思想、およびその実施の形態によって明らかにされる。
【課題を解決するための手段】
【００１９】
本願の主要な発明は、制御対象と並列に第１のノミナル要素を接続するとともに、前記制御対象の出力と前記第１のノミナル要素の出力の偏差を入力側にフィードバックするようにした内部モデル制御装置において、
第２のノミナル要素と外乱オブザーバフィルタとを有する外乱オブザーバを設け、前記制御対象の出力と前記第２のノミナル要素の出力の偏差を前記外乱オブザーバフィルタを介して前記制御対象の入力側にフィードバックするようにしたことを特徴とする内部モデル制御装置に関するものである。
【００２０】
ここで、前記外乱オブザーバフィルタを介して入力側に外乱の推定値をフィードバックし、該外乱の推定値で前記制御対象に入力される外乱を相殺するとともに、前記制御対象と前記第２のノミナル要素との誤差を補償するようにしてよい。また前記制御対象の前段に内部モデルフィルタが接続され、前記制御対象の出力と前記第１のノミナル要素の出力の偏差がフィードバックされてコンパレータで目標値と比較されるとともに、該コンパレータの比較出力が前記内部モデルフィルタに入力され、しかも前記制御対象の出力と前記第１のノミナル要素の出力の偏差が０の場合には、前記内部モデルフィルタの特性によるオープンループ制御が行なわれてよい。また前記外乱オブザーバフィルタの制御帯域幅が、前記内部モデルフィルタの制御帯域幅と等しくなるように設定されてよい。
【００２１】
制御方法に関する主要な発明は、制御対象と並列に第１のノミナル要素を接続するとともに、前記制御対象の出力と前記第１のノミナル要素の出力の偏差を入力側にフィードバックするようにした内部モデル制御方法において、
第２のノミナル要素と外乱オブザーバフィルタとを有する外乱オブザーバを設け、前記制御対象の出力と前記第２のノミナル要素の出力の偏差を前記外乱オブザーバフィルタを介して制御対象の入力側に外乱の推定値として入力し、該推定値によって前記制御対象に加わる外乱を相殺することを特徴とする内部モデル制御方法に関するものである。
【００２２】
ここで、前記制御対象の出力が位置であって、内部モデルフィルタによって位置制御が行なわれてよい。また前記第１のノミナル要素、前記第２のノミナル要素、前記内部モデルフィルタ、前記外乱オブザーバフィルタがコンピュータ上にソフトウエアによって構築され、離散化プロセスによって実行されてよい。
【００２３】
近年、モーションコントロール分野、とくに半導体製造用の精密ステージ制御等では、超高速・高応答・高精度化の要求が強い。このように高い制御性能が要求される分野では、各種制御理論が応用されているが、設計法並びに調整が困難である場合が多く、またフィードバック補償を前提としていることから、ノイズ増幅の問題から制御帯域の広帯域化においては制限が存在する。本発明では、高い制御性能が要求される位置制御系において、制御対象の逆特性を利用したオープンループ駆動を基本とし、モデル化誤差と外乱に対してのみフィードバック補償を行なう制御系を提案する。これにより、目標値に対する行過ぎ量が皆無であり、広帯域化が容易で、ノイズ特性に優れた制御システムとなる。また本願発明の提案手法は、実装が容易で、オンサイト調整も簡便であり、さらには制御対象の特性変更に対する適応機構の導入も容易である。
【００２４】
本願発明の好ましい態様は、積分特性を有する位置制御系に対し、外乱オブザーバ付き内部モデル制御（ＩＭＣ）を適用している。この制御系の構成は、オープンループ駆動を基本とし、モデル化誤差と外乱が存在した場合のみフィードバック補償を行なう構成である。これによって、制御対象に積分特性を有する位置制御系の高性能な制御が可能になっている。
【００２５】
このような態様による外乱オブザーバに基づくＩＭＣ制御系は次のような特徴を有する。すなわち直列補償によるオープンループ駆動を基本とし、モデル化誤差や外乱が発生した場合にのみフィードバック補償となる。また目標値に対する行過ぎ量がほぼ皆無になる。また制御器の設計パラメータ数が制御帯域幅１つでよくなる。またＩＭＣと外乱オブザーバのどちらも、制御器構造が同一であって、離散化実現が容易である。また制御器にノミナルモデルを陽に含んでおり、適応機構の導入が容易になる。またオープンループ駆動が基本であるために、ノミナルモデルさえ高精度に同定できれば、制御帯域幅を極めて広帯域化できる。また制御対象が複雑でも、同じ手順で適用できる。
【発明の効果】
【００２６】
本願の主要な発明は、制御対象と並列に第１のノミナル要素を接続するとともに、制御対象の出力と第１のノミナル要素の出力の偏差を入力側にフィードバックするようにした内部モデル制御装置において、第２のノミナル要素と外乱オブザーバフィルタとを有する外乱オブザーバを設け、制御対象の出力と第２のノミナル要素の出力の偏差を外乱オブザーバフィルタを介して制御対象の入力側にフィードバックするようにしたものである。
【００２７】
従ってこのような内部モデル制御装置によると、制御対象の出力と第２のノミナル要素の出力との間に偏差が生じた場合には、この偏差が外乱オブザーバフィルタを介して制御対象の入力側に推定外乱値としてフィードバックされ、この推定外乱値が実際の外乱と相殺されるとともに、モデル化誤差の補償ができる。しかも内部モデル制御それ自体の特性によって、目標値に対する行過ぎ量がほぼ皆無になる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２８】
以下本願発明を図示の実施の形態によって説明する。図５は本実施の形態の制御系の構成を示すブロック図であって、ここでは制御対象２０と並列になるように第１のノミナル要素２１を接続し、さらに制御対象２０と第１のノミナル要素２１の後段にコンパレータ２２を接続している。そしてコンパレータ２２をコンパレータ２３に接続している。コンパレータ２３は目標値とコンパレータ２２の偏差との差を求めて、内部モデルフィルタ２４に供給するようにしている。
【００２９】
さらにこのシステムは、外乱オブザーバ２８を備える。外乱オブザーバ２８は第２のノミナルモデル２９と、外乱オブザーバフィルタ３０とを備えている。そして第２のノミナルモデル２９の出力側にコンパレータ３１が接続され、このコンパレータ３１の出力側偏差を外乱オブザーバフィルタ３０に供給するようにしている。外乱オブザーバフィルタ３０の出力は、加算器３３に印加される。またこの加算器３３の後段に減算器３４が接続される。
【００３０】
以上のような構成において、制御対象２０の出力と第１のノミナルモデル２１の出力の差が存在しない場合には、コンパレータ２２の出力が０になる。従ってこの場合にはコンパレータ２３に対するフィードバック信号が加えられることがない。従って内部モデルフィルタ２４の出力が制御対象２０に加えられるだけであって、両者の伝達関数の積Ｆ・Ｐｎ−１ ×Ｐとなる。そしてモデル化誤差がなければ、Ｐ＝Ｐｎであるから、Ｆ・Ｐｎ−１×Ｐｎ＝Ｆとなり、内部モデルフィルタ２４の伝達特性によるオープンループ制御が行なわれる。
【００３１】
また外乱オブザーバ２８の第２のノミナルモデル２９の出力が制御対象２０の出力と等しい場合には、コンパレータ３１の出力が０になる。従ってコンパレータ３１から外乱オブザーバフィルタ３０に信号が加えられることがなく、このために外乱オブザーバフィルタ３０を介してのフィードバック制御が行なわれない。これに対して外乱が存在する場合には、制御対象２０の出力と第２のノミナルモデル２９の出力の偏差がコンパレータ３１に生じ、この偏差が外乱オブザーバフィルタ３０に供給される。従って外乱オブザーバフィルタ３０は推定外乱値を生じ、この推定外乱値が加算器３３を介して制御対象２０の入力側にフィードバックされる。従って外乱ｄは、上記推定外乱値と減算器３４で相殺されることになる。なお上記外乱の相殺のみならず、制御対象２０と第２のノミナルモデル２９との間に差分が発生してエラーが生ずる場合にも、この差分が上記の外乱オブザーバフィルタ３０のフィードバックによる誤差相当分の補正によって補償される。
【００３２】
このような制御動作を、図５に示すブロック図の伝達特性を用いて説明する。外乱オブザーバ付きＩＭＣ制御系の目標値応答特性と外乱応答特性とを導出する。図５に示すパラメータを用いて伝達特性を求めると、
ｙ＝Ｐ（ｕ−ｄ）・・・（１）
ｕ＝ｕｆ＋ｕｄ・・・（２）
ｕｆ＝Ｆ・Ｐｎ−１（ｒ−ｅｙ）・・・（３）
ｅｙ＝ｙ−ｙｎ・・・（４）
ｕｄ＝Ｐｎ−１Ｆｄｅｄ・・・（５）
ｅｄ＝ｙｄ−ｙ・・・（６）
ｙｎ＝Ｐｎｕｆ・・・（７）
ｙｄ＝Ｐｎｕ・・・（８）
（３）式へ（４）式と（７）式を代入すると、
ｕｆ＝Ｐｎ−１（ｒ−ｙ）・Ｆ／（１−Ｆ）・・・（９）
また、（５）式へ（６）式と（８）式を代入し、
ｕｄ＝Ｆｄｕ−Ｐｎ−１・Ｆｄｙ・・・（１０）
（９）式、（１０）式を（２）式へ代入し、
ｕ＝Ｐｎ−１（ｒ−ｙ）・Ｆ／（１−Ｆ）＋（Ｆｄｕ−Ｐｎ−１・Ｆｄｙ）
ｕ＝（Ｆ・Ｐｎ−１ｒ−Ｐｎ−１（Ｆ＋Ｆｄ−Ｆ・Ｆｄ）ｙ）・Ｆ／（（１−Ｆ）（１−Ｆｄ））・・・（１１）
ここで、Ｆ＝Ｆｄとすると、（１１）式は、
ｕ＝（ｒ−（２−Ｆ）ｙ）・Ｆ・Ｐｎ−１／（１−Ｆ）２・・・（１２）
（１）式へ代入すると、
ｙ＝（Ｐｎ−１・Ｆｒ−（１−Ｆ）２ｄ）・Ｐ／（（１−Ｆ）２＋Ｐ・Ｐｎ−１（２−Ｆ）Ｆ）・・・（１３）
（１３）式が外乱オブザーバ付き内部モデル制御系の目標値と外乱に対する伝達特性である。ここで、Ｐ＝Ｐｎのとき、
ｙ＝Ｆ・ｒ−Ｐ（１−Ｆ）２・ｄ・・・（１４）
となり、目標値ｒから出力ｙへの伝達特性はフィルタＦで表され、ステップ状の目標値に対する定常偏差は０になる。また、外乱ｄから出力ｙへの伝達特性では、フィルタＦの定常ゲインが１であることから、１−Ｆは微分器を１つ持つ。すなわち（１−Ｆ）２は微分器を２つ持ち、制御対象Ｐの有する積分器（１つ）と相殺されても、Ｐ（１−Ｆ）２には微分器が１つ残る。従って、ステップ外乱に対する定常状態での出力ｙへの伝達ゲインを０にでき、外乱に対しても、定常偏差が残らない。また、Ｐ≠Ｐｎのときにも同様に、定常ではＦ＝１であり、
ｙ＝（Ｐ・Ｐｎ−１／Ｐ・Ｐｎ−１）ｒ−Ｐｎ（１−Ｆ）２・ｄ
となり、目標値に対する定常偏差は残らない。外乱に対しても先と同様に、微分器が１つ残り、定常での伝達ゲインは０になる。
【００３３】
このように本実施の形態の制御系は、ＩＭＣ制御系に外乱オブザーバ２８を導入している。外乱オブザーバ２８の制御構成も、ＩＭＣに極めて類似しており、ＩＭＣ制御系の設計の軽便さ、オープン駆動型という特徴を最大限に発揮している。ここで外乱オブザーバフィルタ３０はフィルタであって、ＩＭＣフィルタ２４と同一でよい。
【００３４】
図５に示すブロック図からも理解されるように、外乱オブザーバ２８の制御対象２０の出力と第２のノミナルモデル２９の出力の差が生じた場合のみ、外乱推定を行なってフィードバック制御を行なうようにしている。ＩＭＣにさらに外乱オブザーバ２８を導入しても、Ｆ（ｓ）＝Ｆｄ （ｓ）という条件下では、設計パラメータが増加せず、制御帯域幅を指定するだけでよい。また制御器の離散化実現においても、ＩＭＣフィルタ２４および外乱オブザーバ２８が同一のもの、例えばＦ×Ｐｎ−１とＰｎとを用いればよく、実現が容易になる。さらに、第２のノミナルモデル２９に適応同定機構を与えることによって、経年変化への対応が可能になる。また制御帯域の広帯域化という観点からも、同定モデルの高精度化が必須条件になる。
【００３５】
図５に示す構成は、ディスクリート形式で構成してもよいが、コンピュータ上に構成してもよい。この場合には、物理量を扱う制御対象２０を除く他の要素を、総てコンピュータ上でソフトウエアによって構築する。そしてこのようなコンピュータによる制御動作の場合には、図６に示すフローチャートに基づいて演算を行なう。このブロック図は、目標値および出力信号が与えられて、制御入力を算出するまでの一制御実行演算の行程を示している。なおこのブロック図において、左右の直列に接続されている演算項目は、順序が入替わっても構わない。
【００３６】
次に図５に示されるような外乱オブザーバ付きＩＭＣ制御系（ＤＩＭＣと略記）に対するステップ応答シミュレーションの結果を図６に示す。シミュレーション条件は、τｉ＝１／（２π×１５０）とした。また０ｓで０．０５ｍｍのステップ指令を印加し、０．１ｓでステップ外乱（力）を印加している。また目標値と外乱はステップ状を仮定する。また外乱オブザーバフィルタ３０の帯域幅は、内部モデルフィルタ２４の帯域幅と同じ２π×１５０（ｒａｄ／ｓ）とした。
【００３７】
ＰＩＤおよびＩＭＣの応答も同時に示すが、目標値応答は、ＤＩＭＣの場合に、ＩＭＣと同様にフィルタ特性通りのオーバーシュートのない応答が得られている。またＤＩＭＣは、ステップ外乱印加時にも定常偏差がなく（外乱に対して１型）、またＰＩＤよりもドロップ量も少く抑えられていることが確認される。
【実施例】
【００３８】
次に上記の外乱オブザーバ付きＩＭＣ制御系（ＤＩＭＣ）による制御を半導体製造用の精密ステージの制御に用いた実施例を説明する。図８に示すようにこの制御装置はステージ４２を備え、一対のリニアガイド４３によってそれらの長さ方向に移動自在に支持される。そしてステージ４２は非共振型超音波モータ４４によってリニアガイド４３に沿って送られて移動されるようになっている。非共振型超音波モータ４４は上述のＤＩＭＣ制御を行なうコンピュータを内蔵するコントローラ４５によって制御されるようになっている。
【００３９】
コントローラ４５にはリニアスケール４６の出力から位置情報を読込むリニアエンコーダ４７の出力と、リミットセンサ４８の出力とがそれぞれ入力される。さらにコントローラ４５は操作用パソコン４９と接続される。
【００４０】
上記非共振型超音波モータ４４は駆動脚５１、５２を備えている。これらの駆動脚５１、５２はそれぞれ図９に示すように、伸縮変形部５３と剪断変形部５４とを備えている。伸縮変形部５３はその伸縮方向、すなわち長さ方向に分極され、これに対して剪断変形部５４は横方向に分極されている。
【００４１】
ここで駆動脚５１の伸縮変形部５３に電圧が加えられると伸張し、この駆動脚５１の先端側の部分がステージ４２に接触する。そしてこの状態において剪断変形部５４を剪断変形させることによって、駆動脚５１の先端部が送り方向にステージ４２に駆動力を与える。なおこのときに反対側の駆動脚５２の伸縮変形部５３が収縮しているために、駆動脚５２はその先端部がステージ４２から離間している。そしてこのように先端部がステージ４２から離間している駆動脚５２の剪断変形部５４は、次の駆動に備えて反対方向に剪断変形を行なっている。
【００４２】
このような動作が２本の駆動脚５１、５２に交互にかつ順次繰返されることによって、図８のステージ４２が矢印で示すリニアガイド４３の長さ方向に移動される。そしてその位置がリニアスケール４６と対接するリニアエンコーダ４７によって読出され、コントローラ４５に入力される。
【００４３】
このような構成に係る精密ステージであって、１００ｍｍストロークで、計測分解能が１００ｎｍの精密ステージの位置決めに応用した試験結果を示す。印加指令は、図７に示したシミュレーションの場合と同様に０．０５ｍｍのステップ位置指令である。実験結果が図１０に示される。同図には、ＰＩＤおよびＩＭＣ制御系の応答結果も同時に示す。ＩＭＣでは、摩擦（ステップ外乱相当）の影響から、目標値にすら定常偏差を生じている。また、ＰＩＤでは、摩擦の影響からシミュレーションほどのオーバーシュートは見られない。しかしながら、過渡状態では大きな振動的な特性が見られ（図１１の制御入力参照）、帯域幅の拡大の限界であると思われる。さらに、整定（追従）には０．２ｓ以上の時間を有する（制御入力の減少が、最大静止摩擦を超えたら目標値へ向かって移動し始める）。これに対して、ＤＩＭＣでは、シミュレーションと比較し目標値に対して若干のオーバーシュートはあるものの、摩擦外乱の影響に対してもその補償ができ、素早く目標値に追従できていることが確認される。図１２は、制御開始後の２０サンプル分の位置応答を示す。１１サンプルで目標値まで到達していることが確認される。
【００４４】
以上本願発明を図示の実施の形態および実施例によって説明したが、本願発明は上記実施の形態および実施例によって限定されることなく、本願発明の技術的思想の範囲内において各種の変更が可能である。例えば本願発明は、必ずしも位置制御のみに限定されることなく、その他の制御に広く適用可能である。
【産業上の利用可能性】
【００４５】
本願発明は、高速・高応答・高性能が要求される位置制御系全般（制御対象が積分特性を有する）に適用することができる。例えば、精度が要求される半導体製造装置、電子線測長装置、電子線描画装置、ＤＶＤマスタリングに導入可能である。本技法の導入によって、生産性の向上や、素子の微細化が期待できる。他にも、ＮＣ工作機、産業用ロボット等の位置制御機構を有するほとんどの制御分野に適用できる。
【図面の簡単な説明】
【００４６】
【図１】従来の内部モデル制御装置のブロック図である。
【図２】従来の内部モデル制御装置のステップ応答波形を示すグラフである。
【図３】従来の内部モデル制御装置の周波数特性を示すグラフである。
【図４】図１に示す内部モデル制御系の等価変換されたブロック図である。
【図５】本発明の一実施の形態の制御系のブロック図である。
【図６】コンピュータ上のソフトウエアによる制御動作を示すフローチャートである。
【図７】図５に示すシステムのステップ応答波形を示すグラフである。
【図８】ステージの位置決め装置のブロック図である。
【図９】非共振型超音波モータの動作原理を示す要部正面図である。
【図１０】ステージ位置決め装置のステップ応答波形を示すグラフである。
【図１１】同制御入力波形を示すグラフである。
【図１２】制御開始後のサンプルの位置応答を示すグラフである。
【符号の説明】
【００４７】
１ 制御対象
２ ノミナル要素
３、４ コンパレータ
５ 内部モデルフィルタ
６ 加算器
７ インバース要素
２０ 制御対象
２１ 第１のノミナル要素
２２、２３ コンパレータ
２４ 内部モデルフィルタ
２８ 外乱オブザーバ
２９ 第２のノミナルモデル
３０ 外乱オブザーバフィルタ
３１ コンパレータ
３３ 加算器
３４ 減算器
４２ ステージ
４３ リニアガイド
４４ 非共振超音波モータ
４５ コントローラ
４６ リニアスケール
４７ リニアエンコーダ
４８ リミットセンサ
４９ 操作用パソコン
５１、５２ 駆動脚
５３ 伸縮変形部
５４ 剪断変形部
【技術分野】
【０００１】
本発明は内部モデル制御装置および内部モデル制御方法に係り、とくに制御対象と並列にノミナル要素を接続するとともに、制御対象の出力とノミナル要素の出力の偏差を入力側にフィードバックするようにした内部モデル制御装置および内部モデル制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より提案されている内部モデル制御法（Ｉｎｔｅｒｎａｌ Ｍｏｄｅｌ Ｃｏｎｔｒｏｌ、以下ＩＭＣと略記）は例えば図１に示すようなシステム構成の制御系になる。この制御系は、制御対象１と並列にノミナル要素が設定される。上記制御対象１の出力とノミナル要素２の出力を比較するコンパレータ３がノミナル要素２の後段に接続される。そしてコンパレータ３の偏差がコンパレータ４に供給されるようになっている。またこのシステムは内部モデルフィルタ５を備え、この内部モデルフィルタ５の出力に概念的に外乱が印加されるように加算器６を接続するとともに、加算器６の出力が制御対象１に入力されるようになっている。また上記内部モデルフィルタ５の出力がノミナル要素２に入力される。ここで内部モデルフィルタ５のＦはＩＭＣフィルタで、Ｆ×Ｐｎ−１ がバイプロパー（分子と分母の次数が同じ状態）なる伝達関数を選択する。従って、ＩＭＣの設計パラメータは、内部モデルフィルタ５の帯域幅のみであって、設計が容易な利点を有している。
【０００３】
また図１に示す制御構成から明らかなように、ＩＭＣでは、モデル化誤差がなければ、Ｐ＝Ｐｎになり、このためにＦ・Ｐｎ−１ ・Ｐ＝Ｆ・Ｐｎ−１ ・Ｐｎ＝Ｆになる。すなわちＩＭＣモデルでは、モデル化誤差がなければ、目標値ｒから出力ｙまでの伝達特性はＦになる。この場合にはフィードバックループが作用せず、直列補償によるオープンループ制御になる。これに対して、モデル化誤差や外乱ｄが存在する場合にのみ、制御対象１の出力とノミナル要素２の出力の差分を利用してフィードバック補償が行なわれることになる。
【０００４】
図１に示すようなＩＭＣをモータの位置制御系に応用した結果を以下に示す。ノミナル要素から成るモータモデルＰｎは、一般的に次式によって表される。すなわち速度から位置への伝達特性である積分特性があることに注意しなければならない。
【０００５】
Ｐｎ（ｍｍ／Ｖ）＝ｋ１／（ｓ・（ｓ＋ｐ１））
ここで、例えばｋ１ ＝１３×１０５、ｐ１ ＝２１５とする。そしてＰ＝Ｐｎ、また、
Ｆ＝１／（τｉｓ＋１）２としてステップ応答シミュレーションを行なった結果を図２に示す。ここで、時定数τｉ ＝１／（２π×１５０）としている。図２で示すように、０ｓで０．０５ｍｍのステップ指令を印加し、０．１ｓでステップ外乱（力）を印加している。以下、目標値と外乱はステップ状を仮定する。また、比較のため同程度の制御帯域幅を持つＰＩＤ制御系の応答波形を重ねて示す。
【０００６】
ＩＭＣ制御系では、目標値特性においては所望の制御特性が得られているが、外乱特性においては定常偏差が残ってしまう。これに対してＰＩＤ制御系では、目標値応答においては１０％程度のオーバーシュートが見られるが、外乱に対してはドロップ量も小さく、定常偏差も補償できている。参考までに設計したＰＩＤ制御器並びにＩＭＣ制御器の周波数特性を図３に示す。ＩＭＣ制御器では、ＰＩＤ制御器が有する１型（積分器を１つ有する制御系）の特性が得られていないことが分かる。
【０００７】
このＩＭＣの外乱特性について考察する。結論から述べると、ＩＭＣ制御器は、制御対象が積分特性を有する場合に、低域の制御ゲインが無限大という１型の特性を持たない。すなわち、モデル化誤差がないモデルはない、外乱のないシステムはないという事実に鑑み、位置制御系にＩＭＣを適用した場合に、目標指令に対しても必ず定常偏差が生ずる。
【０００８】
以下にその理由を述べる。図１に示すブロック図を等価変換すると、図４のようなブロック図になる。等価変換ブロック図において、内部モデルフィルタ５の出力はｚ＝Ｆ（ｅ＋ｚ）であり、ｚ＝Ｆ・ｅ／（１−Ｆ）となる。ＩＭＣフィルタ５のＦの定常ゲインは常に１となるために、ｅからｚへの定常ゲインは無限大になる。すなわち１型（積分特性）を持つことになる。しかしながら、制御対象１が積分特性を有すると、インバース要素７のＰｎ−１が微分要素になる。すなわちＰが積分特性を有するとともに、Ｐ−１が微分特性になり、Ｆ／（１−Ｆ）の積分特性を相殺してしまう。その結果、目標値ｒに対しては、モデル化誤差がなければ誤差ゼロの追従が可能だが、外乱ｄに対しては定常誤差が存在することになる。なおＩＭＣは開ループ系の周波数特性がフィルタ帯域内で、常に−２０ｄＢ／ｄｅｃとなるように設計される。つまり、制御対象が１型のときには、制御器は１型にならないことが確認できる。
【特許文献１】特開２００６−３１６５４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本願発明の課題は、高速・高応答・高精度位置制御が可能な内部モデル制御装置および制御方法を提供することである。
【００１０】
本願発明の別の課題は、内部モデル制御に外乱オブザーバを用いて位置制御系に応用した内部モデル制御装置および制御方法を提供することである。
【００１１】
本願発明のさらに別の課題は、直列補償によるオープンループ駆動を基本とし、モデル化誤差や外乱が発生した場合のみフィードバック補償となるようにした内部モデル制御装置および制御方法を提供することである。
【００１２】
本願発明のさらに別の課題は、目標値に対しての行過ぎ量がほぼ皆無になるようにした内部モデル制御装置および制御方法を提供することである。
【００１３】
本願発明のさらに別の課題は、外乱が加わった場合における定常偏差やドロップ量を少く抑えるようにした内部モデル制御装置および制御方法を提供することである。
【００１４】
本願発明のさらに別の課題は、制御器の設計パラメータ数が、制御帯域幅１つで達成できるようにした内部モデル制御装置および制御方法を提供することである。
【００１５】
本願発明のさらに別の課題は、ノミナルモデルに適応機構の導入が容易な内部モデル制御装置および制御方法を提供することである。
【００１６】
本願発明のさらに別の課題は、オープンループ駆動を基本とし、ノミナルモデルさえ高精度に同定できれば、制御帯域幅を極めて広帯域化できるようにした内部モデル制御装置および制御方法を提供することである。
【００１７】
本願発明のさらに別の課題は、制御対象に積分特性を有する位置制御系の高性能な制御が可能な内部モデル制御装置および制御方法を提供することである。
【００１８】
本願発明の上記の課題および別の課題は、以下に述べる本願発明の技術的思想、およびその実施の形態によって明らかにされる。
【課題を解決するための手段】
【００１９】
本願の主要な発明は、制御対象と並列に第１のノミナル要素を接続するとともに、前記制御対象の出力と前記第１のノミナル要素の出力の偏差を入力側にフィードバックするようにした内部モデル制御装置において、
第２のノミナル要素と外乱オブザーバフィルタとを有する外乱オブザーバを設け、前記制御対象の出力と前記第２のノミナル要素の出力の偏差を前記外乱オブザーバフィルタを介して前記制御対象の入力側にフィードバックするようにしたことを特徴とする内部モデル制御装置に関するものである。
【００２０】
ここで、前記外乱オブザーバフィルタを介して入力側に外乱の推定値をフィードバックし、該外乱の推定値で前記制御対象に入力される外乱を相殺するとともに、前記制御対象と前記第２のノミナル要素との誤差を補償するようにしてよい。また前記制御対象の前段に内部モデルフィルタが接続され、前記制御対象の出力と前記第１のノミナル要素の出力の偏差がフィードバックされてコンパレータで目標値と比較されるとともに、該コンパレータの比較出力が前記内部モデルフィルタに入力され、しかも前記制御対象の出力と前記第１のノミナル要素の出力の偏差が０の場合には、前記内部モデルフィルタの特性によるオープンループ制御が行なわれてよい。また前記外乱オブザーバフィルタの制御帯域幅が、前記内部モデルフィルタの制御帯域幅と等しくなるように設定されてよい。
【００２１】
制御方法に関する主要な発明は、制御対象と並列に第１のノミナル要素を接続するとともに、前記制御対象の出力と前記第１のノミナル要素の出力の偏差を入力側にフィードバックするようにした内部モデル制御方法において、
第２のノミナル要素と外乱オブザーバフィルタとを有する外乱オブザーバを設け、前記制御対象の出力と前記第２のノミナル要素の出力の偏差を前記外乱オブザーバフィルタを介して制御対象の入力側に外乱の推定値として入力し、該推定値によって前記制御対象に加わる外乱を相殺することを特徴とする内部モデル制御方法に関するものである。
【００２２】
ここで、前記制御対象の出力が位置であって、内部モデルフィルタによって位置制御が行なわれてよい。また前記第１のノミナル要素、前記第２のノミナル要素、前記内部モデルフィルタ、前記外乱オブザーバフィルタがコンピュータ上にソフトウエアによって構築され、離散化プロセスによって実行されてよい。
【００２３】
近年、モーションコントロール分野、とくに半導体製造用の精密ステージ制御等では、超高速・高応答・高精度化の要求が強い。このように高い制御性能が要求される分野では、各種制御理論が応用されているが、設計法並びに調整が困難である場合が多く、またフィードバック補償を前提としていることから、ノイズ増幅の問題から制御帯域の広帯域化においては制限が存在する。本発明では、高い制御性能が要求される位置制御系において、制御対象の逆特性を利用したオープンループ駆動を基本とし、モデル化誤差と外乱に対してのみフィードバック補償を行なう制御系を提案する。これにより、目標値に対する行過ぎ量が皆無であり、広帯域化が容易で、ノイズ特性に優れた制御システムとなる。また本願発明の提案手法は、実装が容易で、オンサイト調整も簡便であり、さらには制御対象の特性変更に対する適応機構の導入も容易である。
【００２４】
本願発明の好ましい態様は、積分特性を有する位置制御系に対し、外乱オブザーバ付き内部モデル制御（ＩＭＣ）を適用している。この制御系の構成は、オープンループ駆動を基本とし、モデル化誤差と外乱が存在した場合のみフィードバック補償を行なう構成である。これによって、制御対象に積分特性を有する位置制御系の高性能な制御が可能になっている。
【００２５】
このような態様による外乱オブザーバに基づくＩＭＣ制御系は次のような特徴を有する。すなわち直列補償によるオープンループ駆動を基本とし、モデル化誤差や外乱が発生した場合にのみフィードバック補償となる。また目標値に対する行過ぎ量がほぼ皆無になる。また制御器の設計パラメータ数が制御帯域幅１つでよくなる。またＩＭＣと外乱オブザーバのどちらも、制御器構造が同一であって、離散化実現が容易である。また制御器にノミナルモデルを陽に含んでおり、適応機構の導入が容易になる。またオープンループ駆動が基本であるために、ノミナルモデルさえ高精度に同定できれば、制御帯域幅を極めて広帯域化できる。また制御対象が複雑でも、同じ手順で適用できる。
【発明の効果】
【００２６】
本願の主要な発明は、制御対象と並列に第１のノミナル要素を接続するとともに、制御対象の出力と第１のノミナル要素の出力の偏差を入力側にフィードバックするようにした内部モデル制御装置において、第２のノミナル要素と外乱オブザーバフィルタとを有する外乱オブザーバを設け、制御対象の出力と第２のノミナル要素の出力の偏差を外乱オブザーバフィルタを介して制御対象の入力側にフィードバックするようにしたものである。
【００２７】
従ってこのような内部モデル制御装置によると、制御対象の出力と第２のノミナル要素の出力との間に偏差が生じた場合には、この偏差が外乱オブザーバフィルタを介して制御対象の入力側に推定外乱値としてフィードバックされ、この推定外乱値が実際の外乱と相殺されるとともに、モデル化誤差の補償ができる。しかも内部モデル制御それ自体の特性によって、目標値に対する行過ぎ量がほぼ皆無になる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２８】
以下本願発明を図示の実施の形態によって説明する。図５は本実施の形態の制御系の構成を示すブロック図であって、ここでは制御対象２０と並列になるように第１のノミナル要素２１を接続し、さらに制御対象２０と第１のノミナル要素２１の後段にコンパレータ２２を接続している。そしてコンパレータ２２をコンパレータ２３に接続している。コンパレータ２３は目標値とコンパレータ２２の偏差との差を求めて、内部モデルフィルタ２４に供給するようにしている。
【００２９】
さらにこのシステムは、外乱オブザーバ２８を備える。外乱オブザーバ２８は第２のノミナルモデル２９と、外乱オブザーバフィルタ３０とを備えている。そして第２のノミナルモデル２９の出力側にコンパレータ３１が接続され、このコンパレータ３１の出力側偏差を外乱オブザーバフィルタ３０に供給するようにしている。外乱オブザーバフィルタ３０の出力は、加算器３３に印加される。またこの加算器３３の後段に減算器３４が接続される。
【００３０】
以上のような構成において、制御対象２０の出力と第１のノミナルモデル２１の出力の差が存在しない場合には、コンパレータ２２の出力が０になる。従ってこの場合にはコンパレータ２３に対するフィードバック信号が加えられることがない。従って内部モデルフィルタ２４の出力が制御対象２０に加えられるだけであって、両者の伝達関数の積Ｆ・Ｐｎ−１ ×Ｐとなる。そしてモデル化誤差がなければ、Ｐ＝Ｐｎであるから、Ｆ・Ｐｎ−１×Ｐｎ＝Ｆとなり、内部モデルフィルタ２４の伝達特性によるオープンループ制御が行なわれる。
【００３１】
また外乱オブザーバ２８の第２のノミナルモデル２９の出力が制御対象２０の出力と等しい場合には、コンパレータ３１の出力が０になる。従ってコンパレータ３１から外乱オブザーバフィルタ３０に信号が加えられることがなく、このために外乱オブザーバフィルタ３０を介してのフィードバック制御が行なわれない。これに対して外乱が存在する場合には、制御対象２０の出力と第２のノミナルモデル２９の出力の偏差がコンパレータ３１に生じ、この偏差が外乱オブザーバフィルタ３０に供給される。従って外乱オブザーバフィルタ３０は推定外乱値を生じ、この推定外乱値が加算器３３を介して制御対象２０の入力側にフィードバックされる。従って外乱ｄは、上記推定外乱値と減算器３４で相殺されることになる。なお上記外乱の相殺のみならず、制御対象２０と第２のノミナルモデル２９との間に差分が発生してエラーが生ずる場合にも、この差分が上記の外乱オブザーバフィルタ３０のフィードバックによる誤差相当分の補正によって補償される。
【００３２】
このような制御動作を、図５に示すブロック図の伝達特性を用いて説明する。外乱オブザーバ付きＩＭＣ制御系の目標値応答特性と外乱応答特性とを導出する。図５に示すパラメータを用いて伝達特性を求めると、
ｙ＝Ｐ（ｕ−ｄ）・・・（１）
ｕ＝ｕｆ＋ｕｄ・・・（２）
ｕｆ＝Ｆ・Ｐｎ−１（ｒ−ｅｙ）・・・（３）
ｅｙ＝ｙ−ｙｎ・・・（４）
ｕｄ＝Ｐｎ−１Ｆｄｅｄ・・・（５）
ｅｄ＝ｙｄ−ｙ・・・（６）
ｙｎ＝Ｐｎｕｆ・・・（７）
ｙｄ＝Ｐｎｕ・・・（８）
（３）式へ（４）式と（７）式を代入すると、
ｕｆ＝Ｐｎ−１（ｒ−ｙ）・Ｆ／（１−Ｆ）・・・（９）
また、（５）式へ（６）式と（８）式を代入し、
ｕｄ＝Ｆｄｕ−Ｐｎ−１・Ｆｄｙ・・・（１０）
（９）式、（１０）式を（２）式へ代入し、
ｕ＝Ｐｎ−１（ｒ−ｙ）・Ｆ／（１−Ｆ）＋（Ｆｄｕ−Ｐｎ−１・Ｆｄｙ）
ｕ＝（Ｆ・Ｐｎ−１ｒ−Ｐｎ−１（Ｆ＋Ｆｄ−Ｆ・Ｆｄ）ｙ）・Ｆ／（（１−Ｆ）（１−Ｆｄ））・・・（１１）
ここで、Ｆ＝Ｆｄとすると、（１１）式は、
ｕ＝（ｒ−（２−Ｆ）ｙ）・Ｆ・Ｐｎ−１／（１−Ｆ）２・・・（１２）
（１）式へ代入すると、
ｙ＝（Ｐｎ−１・Ｆｒ−（１−Ｆ）２ｄ）・Ｐ／（（１−Ｆ）２＋Ｐ・Ｐｎ−１（２−Ｆ）Ｆ）・・・（１３）
（１３）式が外乱オブザーバ付き内部モデル制御系の目標値と外乱に対する伝達特性である。ここで、Ｐ＝Ｐｎのとき、
ｙ＝Ｆ・ｒ−Ｐ（１−Ｆ）２・ｄ・・・（１４）
となり、目標値ｒから出力ｙへの伝達特性はフィルタＦで表され、ステップ状の目標値に対する定常偏差は０になる。また、外乱ｄから出力ｙへの伝達特性では、フィルタＦの定常ゲインが１であることから、１−Ｆは微分器を１つ持つ。すなわち（１−Ｆ）２は微分器を２つ持ち、制御対象Ｐの有する積分器（１つ）と相殺されても、Ｐ（１−Ｆ）２には微分器が１つ残る。従って、ステップ外乱に対する定常状態での出力ｙへの伝達ゲインを０にでき、外乱に対しても、定常偏差が残らない。また、Ｐ≠Ｐｎのときにも同様に、定常ではＦ＝１であり、
ｙ＝（Ｐ・Ｐｎ−１／Ｐ・Ｐｎ−１）ｒ−Ｐｎ（１−Ｆ）２・ｄ
となり、目標値に対する定常偏差は残らない。外乱に対しても先と同様に、微分器が１つ残り、定常での伝達ゲインは０になる。
【００３３】
このように本実施の形態の制御系は、ＩＭＣ制御系に外乱オブザーバ２８を導入している。外乱オブザーバ２８の制御構成も、ＩＭＣに極めて類似しており、ＩＭＣ制御系の設計の軽便さ、オープン駆動型という特徴を最大限に発揮している。ここで外乱オブザーバフィルタ３０はフィルタであって、ＩＭＣフィルタ２４と同一でよい。
【００３４】
図５に示すブロック図からも理解されるように、外乱オブザーバ２８の制御対象２０の出力と第２のノミナルモデル２９の出力の差が生じた場合のみ、外乱推定を行なってフィードバック制御を行なうようにしている。ＩＭＣにさらに外乱オブザーバ２８を導入しても、Ｆ（ｓ）＝Ｆｄ （ｓ）という条件下では、設計パラメータが増加せず、制御帯域幅を指定するだけでよい。また制御器の離散化実現においても、ＩＭＣフィルタ２４および外乱オブザーバ２８が同一のもの、例えばＦ×Ｐｎ−１とＰｎとを用いればよく、実現が容易になる。さらに、第２のノミナルモデル２９に適応同定機構を与えることによって、経年変化への対応が可能になる。また制御帯域の広帯域化という観点からも、同定モデルの高精度化が必須条件になる。
【００３５】
図５に示す構成は、ディスクリート形式で構成してもよいが、コンピュータ上に構成してもよい。この場合には、物理量を扱う制御対象２０を除く他の要素を、総てコンピュータ上でソフトウエアによって構築する。そしてこのようなコンピュータによる制御動作の場合には、図６に示すフローチャートに基づいて演算を行なう。このブロック図は、目標値および出力信号が与えられて、制御入力を算出するまでの一制御実行演算の行程を示している。なおこのブロック図において、左右の直列に接続されている演算項目は、順序が入替わっても構わない。
【００３６】
次に図５に示されるような外乱オブザーバ付きＩＭＣ制御系（ＤＩＭＣと略記）に対するステップ応答シミュレーションの結果を図６に示す。シミュレーション条件は、τｉ＝１／（２π×１５０）とした。また０ｓで０．０５ｍｍのステップ指令を印加し、０．１ｓでステップ外乱（力）を印加している。また目標値と外乱はステップ状を仮定する。また外乱オブザーバフィルタ３０の帯域幅は、内部モデルフィルタ２４の帯域幅と同じ２π×１５０（ｒａｄ／ｓ）とした。
【００３７】
ＰＩＤおよびＩＭＣの応答も同時に示すが、目標値応答は、ＤＩＭＣの場合に、ＩＭＣと同様にフィルタ特性通りのオーバーシュートのない応答が得られている。またＤＩＭＣは、ステップ外乱印加時にも定常偏差がなく（外乱に対して１型）、またＰＩＤよりもドロップ量も少く抑えられていることが確認される。
【実施例】
【００３８】
次に上記の外乱オブザーバ付きＩＭＣ制御系（ＤＩＭＣ）による制御を半導体製造用の精密ステージの制御に用いた実施例を説明する。図８に示すようにこの制御装置はステージ４２を備え、一対のリニアガイド４３によってそれらの長さ方向に移動自在に支持される。そしてステージ４２は非共振型超音波モータ４４によってリニアガイド４３に沿って送られて移動されるようになっている。非共振型超音波モータ４４は上述のＤＩＭＣ制御を行なうコンピュータを内蔵するコントローラ４５によって制御されるようになっている。
【００３９】
コントローラ４５にはリニアスケール４６の出力から位置情報を読込むリニアエンコーダ４７の出力と、リミットセンサ４８の出力とがそれぞれ入力される。さらにコントローラ４５は操作用パソコン４９と接続される。
【００４０】
上記非共振型超音波モータ４４は駆動脚５１、５２を備えている。これらの駆動脚５１、５２はそれぞれ図９に示すように、伸縮変形部５３と剪断変形部５４とを備えている。伸縮変形部５３はその伸縮方向、すなわち長さ方向に分極され、これに対して剪断変形部５４は横方向に分極されている。
【００４１】
ここで駆動脚５１の伸縮変形部５３に電圧が加えられると伸張し、この駆動脚５１の先端側の部分がステージ４２に接触する。そしてこの状態において剪断変形部５４を剪断変形させることによって、駆動脚５１の先端部が送り方向にステージ４２に駆動力を与える。なおこのときに反対側の駆動脚５２の伸縮変形部５３が収縮しているために、駆動脚５２はその先端部がステージ４２から離間している。そしてこのように先端部がステージ４２から離間している駆動脚５２の剪断変形部５４は、次の駆動に備えて反対方向に剪断変形を行なっている。
【００４２】
このような動作が２本の駆動脚５１、５２に交互にかつ順次繰返されることによって、図８のステージ４２が矢印で示すリニアガイド４３の長さ方向に移動される。そしてその位置がリニアスケール４６と対接するリニアエンコーダ４７によって読出され、コントローラ４５に入力される。
【００４３】
このような構成に係る精密ステージであって、１００ｍｍストロークで、計測分解能が１００ｎｍの精密ステージの位置決めに応用した試験結果を示す。印加指令は、図７に示したシミュレーションの場合と同様に０．０５ｍｍのステップ位置指令である。実験結果が図１０に示される。同図には、ＰＩＤおよびＩＭＣ制御系の応答結果も同時に示す。ＩＭＣでは、摩擦（ステップ外乱相当）の影響から、目標値にすら定常偏差を生じている。また、ＰＩＤでは、摩擦の影響からシミュレーションほどのオーバーシュートは見られない。しかしながら、過渡状態では大きな振動的な特性が見られ（図１１の制御入力参照）、帯域幅の拡大の限界であると思われる。さらに、整定（追従）には０．２ｓ以上の時間を有する（制御入力の減少が、最大静止摩擦を超えたら目標値へ向かって移動し始める）。これに対して、ＤＩＭＣでは、シミュレーションと比較し目標値に対して若干のオーバーシュートはあるものの、摩擦外乱の影響に対してもその補償ができ、素早く目標値に追従できていることが確認される。図１２は、制御開始後の２０サンプル分の位置応答を示す。１１サンプルで目標値まで到達していることが確認される。
【００４４】
以上本願発明を図示の実施の形態および実施例によって説明したが、本願発明は上記実施の形態および実施例によって限定されることなく、本願発明の技術的思想の範囲内において各種の変更が可能である。例えば本願発明は、必ずしも位置制御のみに限定されることなく、その他の制御に広く適用可能である。
【産業上の利用可能性】
【００４５】
本願発明は、高速・高応答・高性能が要求される位置制御系全般（制御対象が積分特性を有する）に適用することができる。例えば、精度が要求される半導体製造装置、電子線測長装置、電子線描画装置、ＤＶＤマスタリングに導入可能である。本技法の導入によって、生産性の向上や、素子の微細化が期待できる。他にも、ＮＣ工作機、産業用ロボット等の位置制御機構を有するほとんどの制御分野に適用できる。
【図面の簡単な説明】
【００４６】
【図１】従来の内部モデル制御装置のブロック図である。
【図２】従来の内部モデル制御装置のステップ応答波形を示すグラフである。
【図３】従来の内部モデル制御装置の周波数特性を示すグラフである。
【図４】図１に示す内部モデル制御系の等価変換されたブロック図である。
【図５】本発明の一実施の形態の制御系のブロック図である。
【図６】コンピュータ上のソフトウエアによる制御動作を示すフローチャートである。
【図７】図５に示すシステムのステップ応答波形を示すグラフである。
【図８】ステージの位置決め装置のブロック図である。
【図９】非共振型超音波モータの動作原理を示す要部正面図である。
【図１０】ステージ位置決め装置のステップ応答波形を示すグラフである。
【図１１】同制御入力波形を示すグラフである。
【図１２】制御開始後のサンプルの位置応答を示すグラフである。
【符号の説明】
【００４７】
１ 制御対象
２ ノミナル要素
３、４ コンパレータ
５ 内部モデルフィルタ
６ 加算器
７ インバース要素
２０ 制御対象
２１ 第１のノミナル要素
２２、２３ コンパレータ
２４ 内部モデルフィルタ
２８ 外乱オブザーバ
２９ 第２のノミナルモデル
３０ 外乱オブザーバフィルタ
３１ コンパレータ
３３ 加算器
３４ 減算器
４２ ステージ
４３ リニアガイド
４４ 非共振超音波モータ
４５ コントローラ
４６ リニアスケール
４７ リニアエンコーダ
４８ リミットセンサ
４９ 操作用パソコン
５１、５２ 駆動脚
５３ 伸縮変形部
５４ 剪断変形部
【特許請求の範囲】
【請求項１】
制御対象と並列に第１のノミナル要素を接続するとともに、前記制御対象の出力と前記第１のノミナル要素の出力の偏差を入力側にフィードバックするようにした内部モデル制御装置において、
第２のノミナル要素と外乱オブザーバフィルタとを有する外乱オブザーバを設け、前記制御対象の出力と前記第２のノミナル要素の出力の偏差を前記外乱オブザーバフィルタを介して前記制御対象の入力側にフィードバックするようにしたことを特徴とする内部モデル制御装置。
【請求項２】
前記外乱オブザーバフィルタを介して入力側に外乱の推定値をフィードバックし、該外乱の推定値で前記制御対象に入力される外乱を相殺するとともに、前記制御対象と前記第２のノミナル要素との誤差を補償することを特徴とする請求項１に記載の内部モデル制御装置。
【請求項３】
前記制御対象の前段に内部モデルフィルタが接続され、前記制御対象の出力と前記第１のノミナル要素の出力の偏差がフィードバックされてコンパレータで目標値と比較されるとともに、該コンパレータの比較出力が前記内部モデルフィルタに入力され、しかも前記制御対象の出力と前記第１のノミナル要素の出力の偏差が０の場合には、前記内部モデルフィルタの特性によるオープンループ制御が行なわれることを特徴とする請求項１に記載の内部モデル制御装置。
【請求項４】
前記外乱オブザーバフィルタの制御帯域幅が、前記内部モデルフィルタの制御帯域幅と等しくなるように設定されることを特徴とする請求項１に記載の内部モデル制御装置。
【請求項５】
制御対象と並列に第１のノミナル要素を接続するとともに、前記制御対象の出力と前記第１のノミナル要素の出力の偏差を入力側にフィードバックするようにした内部モデル制御方法において、
第２のノミナル要素と外乱オブザーバフィルタとを有する外乱オブザーバを設け、前記制御対象の出力と前記第２のノミナル要素の出力の偏差を前記外乱オブザーバフィルタを介して制御対象の入力側に外乱の推定値として入力し、該推定値によって前記制御対象に加わる外乱を相殺することを特徴とする内部モデル制御方法。
【請求項６】
前記制御対象の出力が位置であって、内部モデルフィルタによって位置制御が行なわれることを特徴とする請求項５に記載の内部モデル制御方法。
【請求項７】
前記第１のノミナル要素、前記第２のノミナル要素、前記内部モデルフィルタ、前記外乱オブザーバフィルタがコンピュータ上にソフトウエアによって構築され、離散化プロセスによって実行されることを特徴とする請求項６に記載の内部モデル制御方法。
【請求項１】
制御対象と並列に第１のノミナル要素を接続するとともに、前記制御対象の出力と前記第１のノミナル要素の出力の偏差を入力側にフィードバックするようにした内部モデル制御装置において、
第２のノミナル要素と外乱オブザーバフィルタとを有する外乱オブザーバを設け、前記制御対象の出力と前記第２のノミナル要素の出力の偏差を前記外乱オブザーバフィルタを介して前記制御対象の入力側にフィードバックするようにしたことを特徴とする内部モデル制御装置。
【請求項２】
前記外乱オブザーバフィルタを介して入力側に外乱の推定値をフィードバックし、該外乱の推定値で前記制御対象に入力される外乱を相殺するとともに、前記制御対象と前記第２のノミナル要素との誤差を補償することを特徴とする請求項１に記載の内部モデル制御装置。
【請求項３】
前記制御対象の前段に内部モデルフィルタが接続され、前記制御対象の出力と前記第１のノミナル要素の出力の偏差がフィードバックされてコンパレータで目標値と比較されるとともに、該コンパレータの比較出力が前記内部モデルフィルタに入力され、しかも前記制御対象の出力と前記第１のノミナル要素の出力の偏差が０の場合には、前記内部モデルフィルタの特性によるオープンループ制御が行なわれることを特徴とする請求項１に記載の内部モデル制御装置。
【請求項４】
前記外乱オブザーバフィルタの制御帯域幅が、前記内部モデルフィルタの制御帯域幅と等しくなるように設定されることを特徴とする請求項１に記載の内部モデル制御装置。
【請求項５】
制御対象と並列に第１のノミナル要素を接続するとともに、前記制御対象の出力と前記第１のノミナル要素の出力の偏差を入力側にフィードバックするようにした内部モデル制御方法において、
第２のノミナル要素と外乱オブザーバフィルタとを有する外乱オブザーバを設け、前記制御対象の出力と前記第２のノミナル要素の出力の偏差を前記外乱オブザーバフィルタを介して制御対象の入力側に外乱の推定値として入力し、該推定値によって前記制御対象に加わる外乱を相殺することを特徴とする内部モデル制御方法。
【請求項６】
前記制御対象の出力が位置であって、内部モデルフィルタによって位置制御が行なわれることを特徴とする請求項５に記載の内部モデル制御方法。
【請求項７】
前記第１のノミナル要素、前記第２のノミナル要素、前記内部モデルフィルタ、前記外乱オブザーバフィルタがコンピュータ上にソフトウエアによって構築され、離散化プロセスによって実行されることを特徴とする請求項６に記載の内部モデル制御方法。
【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２００８−４６７８５（Ｐ２００８−４６７８５Ａ）
【公開日】平成２０年２月２８日（２００８．２．２８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００６−２２０６５７（Ｐ２００６−２２０６５７）
【出願日】平成１８年８月１１日（２００６．８．１１）
【出願人】（５０４１４５３６４）国立大学法人群馬大学 (352)
【出願人】（５０５２９０７２６）有限会社テック・コンシェルジェ熊本 (4)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２０年２月２８日（２００８．２．２８）
【国際特許分類】
【出願日】平成１８年８月１１日（２００６．８．１１）
【出願人】（５０４１４５３６４）国立大学法人群馬大学 (352)
【出願人】（５０５２９０７２６）有限会社テック・コンシェルジェ熊本 (4)
【Ｆターム（参考）】
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