制御装置
【課題】より簡単な構成で目標入力に対し確実に追従可能な制御装置を提供する。
【解決手段】目標値ｒｚと制御対象１１の出力とに基づく第１操作量を制御対象１１に与えるフィードバック制御器２１と、目標値ｒｚに基づく第２操作量を制御対象１１に与えるフィードフォワード制御器３１とを備え、ｊ型（ｊは１以上の正整数）の制御系を生成する場合に、フィードフォワード制御器３１が、目標値ｒｚから前記制御対象１１の出力と目標値ｒｚの偏差までの伝達関数の分子の（ｊ−１）次項以下の各項の係数をそれぞれゼロとするような制御要素を有している制御装置を提供する。
【解決手段】目標値ｒｚと制御対象１１の出力とに基づく第１操作量を制御対象１１に与えるフィードバック制御器２１と、目標値ｒｚに基づく第２操作量を制御対象１１に与えるフィードフォワード制御器３１とを備え、ｊ型（ｊは１以上の正整数）の制御系を生成する場合に、フィードフォワード制御器３１が、目標値ｒｚから前記制御対象１１の出力と目標値ｒｚの偏差までの伝達関数の分子の（ｊ−１）次項以下の各項の係数をそれぞれゼロとするような制御要素を有している制御装置を提供する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はフィードバック機構およびフィードフォワード機構を備えた制御装置に係り、特に、より簡単な構成で目標入力に確実に追従可能な制御装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
フィードバック機構は、制御要素や制御対象の特性変化や外乱に対しても常に目標値を満たすようにすることを目的として、プラント、機械装置などの様々な自動制御システムに適用されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
例えば、自律型水中航走体（ＡＵＶ：Autonomous Under water Vehicle）においても、深度を目標値に追従させる制御手法として、このフィードバック機構が適用されている。
図７に、従来の水中航走体における制御系の概略的なブロック図を示す。図７に示す制御系は、制御対象１０１に対し、メジャーループとして積分器１２３（Ｉ制御）および係数器１２４（Ｐ制御）を備え、マイナーループとして係数器１２５（Ｐ制御）および１２６（Ｄ制御）を備えた構成である。
【０００４】
また、図８には、従来の制御系における目標値応答、即ち目標値に対する出力の時間的推移を示す。この従来の制御系においては、出力は目標値の変化（ランプ入力）に対して遅れて追従しており、一定の定常偏差を持っている。ことからも、この従来の制御系は１型の制御系であることが分かる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００９−１５５７５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
このような従来の制御系において、目標値の変化（ランプ入力）に対して定常偏差ゼロで追従可能とするには、２型の制御系に再構成することが考えられる。１型の制御系を２型の制御系に再構成するには積分器を１個追加すれば良いが、積分器の追加は他の制御要素のパラメータ設定に影響し、パラメータの調整が難しいという問題があった。
【０００７】
本発明は、上記従来の事情に鑑みてなされたものであって、より簡易な構成で目標入力に対し確実に追従可能な制御装置を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記課題を解決するため、本発明は以下の手段を採用する。
本発明は、目標値と制御対象の出力とに基づく第１操作量を前記制御対象に与えるフィードバック制御手段と、前記目標値に基づく第２操作量を前記制御対象に与えるフィードフォワード制御手段とを備え、ｊ型（ｊは１以上の正整数）の制御系を生成する場合に、前記フィードフォワード制御手段が、前記目標値から前記制御対象の出力と前記目標値の偏差までの伝達関数の分子の（ｊ−１）次項以下の各項の係数をそれぞれゼロとするような制御要素を有している制御装置を提供する。
【０００９】
このような制御装置によれば、フィードバック手段と、目標値から制御対象の出力と目標値の偏差までの伝達関数の分子の（ｊ−１）次項以下の各項の係数をそれぞれゼロとするような制御要素を有するフィードフォワード手段とによって、ｊ型（ｊは１以上の正整数）の制御系を生成するので、Ｑ／ｓｋ（Ｑは任意の定数、ｋはｋ≦Ｊ＋１の整数）の目標値入力に対して定常偏差ゼロで追従可能とすることが可能となる。
また、このような構成によれば、フィードバック制御手段を備える既存の制御装置（例えば、図７に示した制御装置）に対してフィードフォワード制御手段の追加という形で所望の型の制御系を生成できる。この場合において、フィードフォワード制御手段における制御要素のパラメータ設定は、フィードバック制御手段における制御要素のパラメータ設定に何ら影響を及ぼさないので、例えば、図７に示した制御装置において積分器を追加して所望の型の制御系を実現する場合に比べて、容易にかつ簡素な構成により、所望の型の制御系を実現することができる。
【００１０】
例えば、上記制御装置において、フィードフォワード制御手段の制御要素のパラメータを前記目標値応答伝達関数の分子多項式のｓ０項の係数およびｓ１項の係数をそれぞれゼロとするように設定することにより、２型の制御系を実現することができる。これにより、Ｑ／ｓｋ（Ｑは任意の定数、ｋ≦２）の目標入力に対して定常偏差ゼロで追従可能とすることができ、より簡単な構成で目標入力に対し確実に追従可能な制御装置を実現できる。
【００１１】
上記制御装置において、フィードフォワード制御手段は、前記制御対象の状態変化に応じた第３操作量を生成する積分手段を有することとしてもよい。
【００１２】
フィードフォワード制御手段において、積分手段により制御対象の状態変化に応じた第３操作量を加える構成とすることにより、目標値応答における制御対象の状態変化に伴う定常偏差を抑制することができる。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、フィードフォワード制御手段の追加というより簡単な構成で、目標入力に対し確実に追従可能な制御装置を実現でき、しかも、より簡便な設計手法を実現できるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の第１実施形態に係る制御装置のブロック図である。
【図２】本発明における目標値に対する出力（制御量）の時間的推移を例示する説明図である。
【図３】本発明の第２実施形態に係る制御装置のブロック図である。
【図４】本発明の第３実施形態に係る制御装置のブロック図である。
【図５】本発明の第４実施形態に係る制御装置のブロック図である。
【図６】本発明の第５実施形態に係る制御装置のブロック図である。
【図７】従来の水中航走体における制御系の概略的なブロック図である。
【図８】従来の制御系における目標値に対する出力の時間的推移を例示する説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
〔第１実施形態〕
以下、本発明の第１実施形態に係る制御装置について、図面を参照して詳細に説明する。
図１は本発明の第１実施形態に係る制御装置のブロック図である。
同図において、本実施形態の制御装置は、制御対象１１に対して、目標入力ｒｚと制御対象１１の出力（制御量）ｚとの差である偏差ｅｚ、出力（制御量）ｚ、θに基づく第１操作量を生成するフィードバック制御器２１と、目標入力（目標深度）ｒｚに基づく第２操作量を生成するフィードフォワード制御器３１と、フィードバック制御器２１およびフィードフォワード制御器３１それぞれの出力（操作量）を加算して制御対象１１に与える加算器５５と、を備えて構成されている。
【００１６】
ここでは、制御対象１１として水中航走体を想定し、その制御モデルとして、Ｋθ／（ａθ２ｓ２＋ａθ１ｓ＋１）の２次系モデル１６と、Ｖ３／ｓの１次系モデル１７とを直列接続したものを考える。この場合、１次系モデル１７からは深度ｚが出力され、２次系モデル１６からはピッチ角θが出力される。
【００１７】
また、フィードバック制御器２１は、制御対象１１に対し、メジャーループとして、偏差ｅｚを入力とする積分器２３（ゲインＫｚｉのＩ制御）および係数器２４（ゲインＫｚｐ１のＰ制御）を備え、第１マイナーループとして深度ｚを入力とする係数器２５（ゲインＫｚｄ２のＰ制御）を備え、さらに、第２マイナーループとしてピッチ角θを入力とする係数器２６（ゲインＫｚｄのＰ制御）を備えて構成されている。なお、図中、参照符号５１，５３および５４は減算器であり、参照符号５２は加算器である。
【００１８】
本実施形態の制御装置は、従来の構成（図７参照）に対してフィードフォワード制御器３１を追加した点に特徴があり、また、フィードフォワード制御器３１における伝達関数の設定手法にも特徴がある。以下では、フィードフォワード制御器３１の設定手法について詳述する。
【００１９】
まず、本設定手法が前提とする事項について説明する。一般的に、一巡伝達関数Ｇ（ｓ）を持つフィードバック制御系において、一巡伝達関数Ｇ（ｓ）は次式で与えられる。
【００２０】
【数１】
【００２１】
目標入力ｒとして、Ｒ（ｓ）＝１／ｓｋ（ｋ＝１，２，３，…）の単位入力が与えられるときの定常偏差ｅ（∞）は、ｋ＜Ｊ＋１のときにｅ（∞）＝０に、ｋ＝Ｊ＋１のときにｅ（∞）＝ｂ０／ａ０に、ｋ＞Ｊ＋１のときにｅ（∞）＝∞に、それぞれなることが知られている。
【００２２】
ここでは、目標入力ｒから偏差ｅまでの伝達関数Ｇｅｒ（ｓ）（＝１／（１＋Ｇ（ｓ）））に注目して、伝達関数Ｇｅｒ（ｓ）が次式で与えられるとする。
【００２３】
【数２】
【００２４】
この場合にも、定常偏差ｅ（∞）は、ラプラス変換の最終値定理によって求まり、伝達関数Ｇｅｒ（ｓ）の性質で一義的に定まることとなる。すなわち、目標入力ｒとして、Ｒ（ｓ）＝１／ｓｋ（ｋ＝１，２，３，…）の単位入力が与えられるときの定常偏差ｅ（∞）は、ｋ＜Ｊ＋１のときにｅ（∞）＝０に、ｋ＝Ｊ＋１のときにｅ（∞）＝ｃ０／ａ０に、ｋ＞Ｊ＋１のときにｅ（∞）＝∞に、それぞれなる。つまり、目標入力ｒから偏差ｅまでの伝達関数Ｇｅｒ（ｓ）によっても、一巡伝達関数Ｇ（ｓ）と同様に、制御系における定常特性の性質を解析することができる。
【００２５】
したがって、制御系を例えば２型系とするには、目標入力ｒから偏差ｅまでの伝達関数Ｇｅｒ（ｓ）における分子の多項式において、ｓ０項の係数およびｓ１項の係数がそれぞれゼロとなるように調整すればＮ＝２とすることができ、２型の制御系を実現できることとなる。
【００２６】
そこで、図７の制御装置における目標深度ｒｚから偏差ｅｚまでの伝達関数Ｇｅｒ（ｓ）を求めると、次式となる。
【００２７】
【数３】
【００２８】
ここで、（３）式の目標深度ｒｚから偏差ｅｚまでの伝達関数Ｇｅｒ（ｓ）における分子の多項式において、ｓ０項の係数は既にゼロとなっているので、ｓ１項の係数がゼロとなるように調整すれば良い。その結果として、条件「Ｋｚｆ＝Ｋｚｐ２」が得られ、フィードフォワード制御器３１の伝達関数をｆｚｆ（ｓ）＝Ｋｚｆ＝Ｋｚｐ２とすれば良いこととなる。具体的には、フィードフォワード制御器３１はゲインＫｚｆ＝Ｋｚｐ２の係数器（Ｐ制御器）として具現される。
【００２９】
また、図２には、本実施形態の制御装置における目標値応答、即ち目標深度ｒｚに対する出力（深度ｚ）の時間的推移を示す。なお、同図の結果はシミュレーション実験結果として得られたものである。同図に示す通り、出力（深度ｚ）は、ランプ状の目標値変化に対して定常偏差ゼロで追従している。
【００３０】
以上説明したように、本実施形態の制御装置では、フィードフォワード制御器３１において、目標深度ｒｚから偏差ｅｚまでの伝達関数を示す目標値応答伝達関数Ｇｅｒ（ｓ）の分子多項式のｓ０項の係数およびｓ１項の係数がそれぞれゼロとなるように設定したので、２型の制御系を実現することができる。これにより、Ｑ／ｓｋ（Ｑは任意の定数、ｋ＝１，２）の目標入力（即ち、ステップ入力およびランプ入力）に対して定常偏差ゼロで追従可能とすることができ、フィードフォワード制御器３１の追加というより簡単な構成で、目標入力に対し確実に追従可能な制御装置を実現できる。
【００３１】
なお、本実施形態の制御装置は２型の制御系であるため、一定加速度入力（即ち、Ｒｚ（ｓ）＝Ｑ／ｓ３に対する応答としては、定常偏差ｅ（∞）＝ｃ０／ａ０＝Ｖ３ＫθＫｚｉ／（１＋ＫθＫｚｄ２）が残るが、従来の１型の制御系に比べて、目標値への追従性は改善される。
【００３２】
ここでさらに、本発明が基づく制御器の設計手法について考察する。従来の１型の制御系に積分器１個を追加して２型の制御系に再構成する手法では、積分器の追加により制御系全体の安定性（極の位置）が変化するため、フィードバック制御器２１のＰＩ制御器の各ゲインを含め、全体で制御系を再設計する必要があり、パラメータの調整が難しいという実情があった。
【００３３】
これに対して本発明が基づく制御器の設計手法では、フィードフォワード制御器３１を追加するだけという構成上の簡便さの他に、フィードフォワード制御器３１の追加（フィードフォワード制御器３１の設定）が制御系全体の安定性（極の位置）に影響せず、他の制御要素のパラメータへ影響しないので、フィードフォワード制御器３１のゲインを設定するだけで良く、より簡便な設計手法ともなっている。
【００３４】
〔第２実施形態〕
次に、図３は本発明の第２実施形態に係る制御装置のブロック図である。同図において、本実施形態の制御装置は、制御対象１２に対して、フィードバック制御器２１と、目標入力（目標深度）ｒｚに基づく操作量を生成するフィードフォワード制御器３２と、フィードバック制御器２１およびフィードフォワード制御器３２それぞれの出力（操作量）を加算して制御対象１２に与える加算器５５と、を備えて構成されている。なお、フィードバック制御器２１は、第１実施形態と同様の構成である。
【００３５】
本実施形態においても第１実施形態と同様に、制御対象１２として水中航走体を想定するが、その制御モデルとしては、Ｋθ／（ａθ２ｓ２＋ａθ１ｓ＋１）の２次系モデル１６と、Ｖ３／（ｓ＋Δ）の１次遅れ系モデル１８とを直列接続したものを考える。１次遅れ系モデル１８からは深度ｚが出力され、２次系モデル１６からはピッチ角θが出力される。
【００３６】
また、フィードフォワード制御器３２の伝達関数の設定は、第１実施形態と同様に行う。すなわち、制御装置における目標深度ｒｚから偏差ｅｚまでの目的値応答伝達関数Ｇｅｒ（ｓ）を求めると、分子多項式においてｓ０項の係数は既にゼロとなっているので、ｓ１項の係数がゼロとなるように調整する。ｓ１項の係数は「Δ（１＋ＫθＫｚｄ）＋Ｖ３ＫθＫｚｐ２−Ｖ３ＫθＫｚｆ）」となり、これをゼロとする条件式から、フィードフォワード制御器３２の伝達関数ｆｚｆ（ｓ）＝Ｋｚｆ＝Δ（１＋ＫθＫｚｄ）／Ｖ３Ｋθ＋Ｋｚｐ２が得られる。具体的には、フィードフォワード制御器３２はゲインＫｚｆの係数器として具現される。
【００３７】
以上説明したように、本実施形態の制御装置では、フィードフォワード制御器３２を、目標深度ｒｚから偏差ｅｚまでの伝達関数Ｇｅｒ（ｓ）における分子のｓのｎ次多項式において、ｓ０項の係数およびｓ１項の係数がそれぞれゼロとなるような制御要素（具体的には、ゲインＫｚｆの制御器）で設定することとしたので、第１実施形態と同等の効果を奏することができる。
【００３８】
〔第３実施形態〕
次に、図４は本発明の第３実施形態に係る制御装置のブロック図である。同図において、本実施形態の制御装置は、制御対象１３に対して、目標入力ｒｚと制御対象１３の出力ｚとの差である偏差ｅｚ及び制御対象１３の出力（制御量）ｚ、θに基づく第１操作量を生成するフィードバック制御器２２と、目標入力ｒｚに基づく第２操作量を生成するフィードフォワード制御器３３と、フィードバック制御器２２およびフィードフォワード制御器３３それぞれの出力である第１操作量及び第２操作量を加算して制御対象１１に与える加算器５５と、を備えて構成されている。
【００３９】
本実施形態においては、制御対象１３の制御モデルとして、Ｋθ／（ａθ２ｓ２＋ａθ１ｓ＋ａ０）の２次系モデルのみを考える。また、フィードバック制御器２２は、制御対象１３に対し、メジャーループとして、偏差ｅｚを入力とする積分器２３（ゲインＫｚｉのＩ制御）および係数器２４（ゲインＫｚｐ１のＰ制御）を備え、マイナーループとして出力ｚを入力とする係数器２７（ゲインＫｚのＰ制御）を備えた構成である。
【００４０】
また、フィードフォワード制御器３３の制御要素およびそのパラメータ設定は、第１実施形態と同様に行う。すなわち、制御装置における目標入力ｒｚから偏差ｅｚまでの伝達関数Ｇｅｒ（ｓ）を求めると、分子の多項式においてｓ０項の係数は既にゼロとなっているので、ｓ１項の係数がゼロとなるように調整する。ｓ１項の係数は「ａ０＋ＫＫｚ−ＫＫｚｆ）」となり、これをゼロとする条件式から、フィードフォワード制御器３３の伝達関数ｆｚｆ（ｓ）＝Ｋｚｆ＝（ａ０＋ＫＫｚ）／Ｋが得られる。具体的には、フィードフォワード制御器３３はゲインＫｚｆの係数器として具現される。
【００４１】
以上説明したように、本実施形態の制御装置では、フィードフォワード制御器３３を目標深度ｒｚから偏差ｅｚまでの伝達関数Ｇｅｒ（ｓ）における分子のｓのｎ次多項式において、ｓ０項の係数およびｓ１項の係数がそれぞれゼロとなるような制御要素を有するように設定するので、第１実施形態と同等の効果を奏することができる。
【００４２】
〔第４実施形態〕
次に、第４実施形態について説明する。第１実施形態から第３実施形態までは、制御対象１１，１２および１３の状態が変化しないことを前提として説明を行った。しかしながら、実システムにおいては制御対象の状態が変化することもあり、本実施形態および第５実施形態では、制御対象の状態が変化することを想定した制御装置について説明する。
【００４３】
図５は本発明の第４実施形態に係る制御装置のブロック図である。同図において、本実施形態の制御装置は、制御対象１４に対して、目標入力ｒｚと制御対象１４の出力ｚとの差である偏差ｅｚ及び制御対象１４の出力（制御量）ｚ、θに基づく第１操作量を生成するフィードバック制御器２１と、目標入力（目標深度）ｒｚおよび偏差ｅｚに基づく第２操作量を生成するフィードフォワード制御器３４と、フィードバック制御器２１およびフィードフォワード制御器３４それぞれの出力を加算して制御対象１４に与える加算器５５と、を備えて構成されている。なお、フィードバック制御器２１は、第１実施形態と同様の構成である。
【００４４】
本実施形態においても第１実施形態と同様に、制御対象１４として水中航走体を想定し、その制御モデルの初期状態として、Ｋθ／（ａθ２ｓ２＋ａθ１ｓ＋１）の２次系モデル１６と、Ｖ３／ｓの１次系モデル１９とを直列接続したものを考える。但し、Ｖ３／ｓの１次系モデル１９は、その後の状態変化に伴って１次遅れ系モデル（即ち、第２実施例におけるＶ３／（ｓ＋Δ）の１次遅れ系モデル１８）に変化することを想定する。このような状態変化の実例としては、水中航走体における深度制御の場合には、水中航走体への搭載荷物の重量変化で浮力がゼロでなくなるケース等が考えられる。
【００４５】
このように、制御対象１４の状態が変化する場合、第１実施形態および第２実施形態を対比すれば明らかなように、フィードフォワード制御器が備える比例制御器のゲインをＫｚｆ＝Ｋｚｐ２としたままでは、制御系が２型ではなくなってしまい、出力（深度ｚ）はランプ状の目標値変化に対して定常偏差ゼロで追従できなくなる。そこで、本実施形態では、フィードフォワード制御器３４に積分器３８を備えた構成とし、積分器３８により制御対象の状態変化に応じた第３操作量を加えるようにした。
【００４６】
すなわち、フィードフォワード制御器３４は、係数器３６、切替スイッチ３７、積分器３８および加算器５７を備えた構成である。ここで係数器３６は、第１実施形態のフィードフォワード制御器３１と同等であり、ゲインＫｚｆ＝Ｋｚｐ２の比例制御器を持つ。
【００４７】
また、積分器３８は切替スイッチ３７を介して偏差ｅｚを入力し、これを積分して得られる第３操作量を加算器５７に出力する。この構成により、フィードフォワード制御器３４が制御対象１４に与える操作量には、制御対象１４の状態変化に応じた第３操作量が加わることとなる。なお、制御対象１４がＶ３／ｓの１次系モデル１９で表される初期状態では、切替スイッチ３７はＢ端子側の「０」を選択しており、積分器３８出力は付加されない。また、切替スイッチ３７におけるＢ端子側からＡ端子側への切替は、切替信号ＣＮＴにより行われる。切替信号ＣＮＴの生成は、例えば、所定時間経過後の偏差ｅｚの値、或いは所定期間における偏差ｅｚの積分値などに応じて行えば良い。
【００４８】
以上説明したように、本実施形態の制御装置では、フィードフォワード制御器３４に、制御対象１４の状態変化に応じた第３操作量を加える積分器３８を備えた構成としたので、フィードフォワード制御器３４が制御対象１４に与える操作量に、制御対象１４の状態変化に応じた第３操作量を付加することができ、ランプ入力応答における制御対象１４の状態変化に伴う定常偏差を抑制することができる。
【００４９】
〔第５実施形態〕
次に、図６は本発明の第５実施形態に係る制御装置のブロック図である。同図において、本実施形態の制御装置は、制御対象１５に対して、目標入力ｒｚと制御対象１５の出力ｚとの差である偏差ｅｚ及び制御対象１５の出力（制御量）ｚ、θに基づく第１操作量を生成するフィードバック制御器２２と、目標入力ｒｚおよび偏差ｅｚに基づく操作量を生成するフィードフォワード制御器３５と、フィードバック制御器２２およびフィードフォワード制御器３５それぞれの出力を加算して制御対象１５に与える加算器５５と、を備えて構成されている。なお、フィードバック制御器２２は、第３実施形態と同様の構成である。
【００５０】
本実施形態においても第３実施形態と同様に、制御対象１５の制御モデルの初期状態として、Ｋθ／（ａθ２ｓ２＋ａθ１ｓ＋ａ０）の２次系モデルのみを考える。但し、この２次系モデルは、その後の制御対象１５の特性変化によって係数ａ０の値が変化することを想定する。
【００５１】
このように、制御対象１５の特性が変化する場合、フィードフォワード制御器が備える比例制御器のゲインを第３実施形態と同等の値としたままでは、制御系が２型ではなくなってしまい、出力ｚはランプ状の目標値変化に対して定常偏差ゼロで追従できなくなる。そこで、本実施形態では、実施例５と同様に、フィードフォワード制御器３５に積分器４０を備えた構成とし、積分器４０により制御対象の特性変化に応じた第３操作量を加えるようにした。
【００５２】
すなわち、フィードフォワード制御器３５は、係数器３９、切替スイッチ３７、積分器４０および加算器５７を備えた構成である。ここで係数器３９は、第３実施形態のフィードフォワード制御器３３と同等であり、ゲインＫｚｆ＝（ａ０＋ＫＫｚ）／Ｋを持つ。
【００５３】
また、積分器４０は切替スイッチ３７を介して偏差ｅｚを入力し、これを積分して得られる第３操作量を加算器５７に出力する。この構成により、フィードフォワード制御器３５が制御対象１５に与える操作量には、制御対象１５の特性変化に応じた第３操作量が加わることとなる。なお、制御対象１５が初期状態のままであるときには、切替スイッチ３７はＢ端子側の「０」を選択しており、積分器４０出力は付加されない。また、切替スイッチ３７におけるＢ端子側からＡ端子側への切替は、切替信号ＣＮＴにより行われる。切替信号ＣＮＴの生成は、例えば、所定時間経過後の偏差ｅｚの値、或いは所定期間における偏差ｅｚの積分値などに応じて行えば良い。
【００５４】
以上説明したように、本実施形態の制御装置では、フィードフォワード制御器３５に、制御対象１５の特性変化に応じた第３操作量を加える積分器４０を備えた構成としたので、フィードフォワード制御器３５が制御対象１５に与える操作量に、制御対象１５の特性変化に応じた第３操作量を付加することができ、ランプ入力応答における制御対象１５の特性変化に伴う定常偏差を抑制することができる。
【００５５】
〔変形例〕
以上説明した第１実施形態から第５実施形態では、制御対象を水中航走体として、水中航走体における深度制御について説明したが、これに限定されることなく、他の制御、例えば、高度制御、方位制御、速度制御、或いはピッチ制御等に適用することができる。
【００５６】
また、水中航走体に限定されることなく、他のプラント、機械装置などの様々な自動制御システムに適用可能である。例えば、発電プラントにおける付加追従制御、開度制御、タービン回転数追従制御、または温度追従制御等である。また、ＶＧターボであれば開度制御や圧力制御等、さらに、特殊車両であれば斜板角制御、速度比制御、または車両高さ制御等が挙げられる。
【符号の説明】
【００５７】
１１，１２，１３，１４，１５ 制御対象
１６ ２次系モデル
１７ １次系モデル
１８ １次遅れ系モデル
２１，２２ フィードバック制御器
２３，３８ 積分器
２４，２５，２６，２７，３６，３９ 係数器
３１，３２，３３，３４，３５ フィードフォワード制御器
３７ 切替スイッチ
５１，５３，５４ 減算器
５２，５５ 加算器
【技術分野】
【０００１】
本発明はフィードバック機構およびフィードフォワード機構を備えた制御装置に係り、特に、より簡単な構成で目標入力に確実に追従可能な制御装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
フィードバック機構は、制御要素や制御対象の特性変化や外乱に対しても常に目標値を満たすようにすることを目的として、プラント、機械装置などの様々な自動制御システムに適用されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
例えば、自律型水中航走体（ＡＵＶ：Autonomous Under water Vehicle）においても、深度を目標値に追従させる制御手法として、このフィードバック機構が適用されている。
図７に、従来の水中航走体における制御系の概略的なブロック図を示す。図７に示す制御系は、制御対象１０１に対し、メジャーループとして積分器１２３（Ｉ制御）および係数器１２４（Ｐ制御）を備え、マイナーループとして係数器１２５（Ｐ制御）および１２６（Ｄ制御）を備えた構成である。
【０００４】
また、図８には、従来の制御系における目標値応答、即ち目標値に対する出力の時間的推移を示す。この従来の制御系においては、出力は目標値の変化（ランプ入力）に対して遅れて追従しており、一定の定常偏差を持っている。ことからも、この従来の制御系は１型の制御系であることが分かる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００９−１５５７５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
このような従来の制御系において、目標値の変化（ランプ入力）に対して定常偏差ゼロで追従可能とするには、２型の制御系に再構成することが考えられる。１型の制御系を２型の制御系に再構成するには積分器を１個追加すれば良いが、積分器の追加は他の制御要素のパラメータ設定に影響し、パラメータの調整が難しいという問題があった。
【０００７】
本発明は、上記従来の事情に鑑みてなされたものであって、より簡易な構成で目標入力に対し確実に追従可能な制御装置を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記課題を解決するため、本発明は以下の手段を採用する。
本発明は、目標値と制御対象の出力とに基づく第１操作量を前記制御対象に与えるフィードバック制御手段と、前記目標値に基づく第２操作量を前記制御対象に与えるフィードフォワード制御手段とを備え、ｊ型（ｊは１以上の正整数）の制御系を生成する場合に、前記フィードフォワード制御手段が、前記目標値から前記制御対象の出力と前記目標値の偏差までの伝達関数の分子の（ｊ−１）次項以下の各項の係数をそれぞれゼロとするような制御要素を有している制御装置を提供する。
【０００９】
このような制御装置によれば、フィードバック手段と、目標値から制御対象の出力と目標値の偏差までの伝達関数の分子の（ｊ−１）次項以下の各項の係数をそれぞれゼロとするような制御要素を有するフィードフォワード手段とによって、ｊ型（ｊは１以上の正整数）の制御系を生成するので、Ｑ／ｓｋ（Ｑは任意の定数、ｋはｋ≦Ｊ＋１の整数）の目標値入力に対して定常偏差ゼロで追従可能とすることが可能となる。
また、このような構成によれば、フィードバック制御手段を備える既存の制御装置（例えば、図７に示した制御装置）に対してフィードフォワード制御手段の追加という形で所望の型の制御系を生成できる。この場合において、フィードフォワード制御手段における制御要素のパラメータ設定は、フィードバック制御手段における制御要素のパラメータ設定に何ら影響を及ぼさないので、例えば、図７に示した制御装置において積分器を追加して所望の型の制御系を実現する場合に比べて、容易にかつ簡素な構成により、所望の型の制御系を実現することができる。
【００１０】
例えば、上記制御装置において、フィードフォワード制御手段の制御要素のパラメータを前記目標値応答伝達関数の分子多項式のｓ０項の係数およびｓ１項の係数をそれぞれゼロとするように設定することにより、２型の制御系を実現することができる。これにより、Ｑ／ｓｋ（Ｑは任意の定数、ｋ≦２）の目標入力に対して定常偏差ゼロで追従可能とすることができ、より簡単な構成で目標入力に対し確実に追従可能な制御装置を実現できる。
【００１１】
上記制御装置において、フィードフォワード制御手段は、前記制御対象の状態変化に応じた第３操作量を生成する積分手段を有することとしてもよい。
【００１２】
フィードフォワード制御手段において、積分手段により制御対象の状態変化に応じた第３操作量を加える構成とすることにより、目標値応答における制御対象の状態変化に伴う定常偏差を抑制することができる。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、フィードフォワード制御手段の追加というより簡単な構成で、目標入力に対し確実に追従可能な制御装置を実現でき、しかも、より簡便な設計手法を実現できるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の第１実施形態に係る制御装置のブロック図である。
【図２】本発明における目標値に対する出力（制御量）の時間的推移を例示する説明図である。
【図３】本発明の第２実施形態に係る制御装置のブロック図である。
【図４】本発明の第３実施形態に係る制御装置のブロック図である。
【図５】本発明の第４実施形態に係る制御装置のブロック図である。
【図６】本発明の第５実施形態に係る制御装置のブロック図である。
【図７】従来の水中航走体における制御系の概略的なブロック図である。
【図８】従来の制御系における目標値に対する出力の時間的推移を例示する説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
〔第１実施形態〕
以下、本発明の第１実施形態に係る制御装置について、図面を参照して詳細に説明する。
図１は本発明の第１実施形態に係る制御装置のブロック図である。
同図において、本実施形態の制御装置は、制御対象１１に対して、目標入力ｒｚと制御対象１１の出力（制御量）ｚとの差である偏差ｅｚ、出力（制御量）ｚ、θに基づく第１操作量を生成するフィードバック制御器２１と、目標入力（目標深度）ｒｚに基づく第２操作量を生成するフィードフォワード制御器３１と、フィードバック制御器２１およびフィードフォワード制御器３１それぞれの出力（操作量）を加算して制御対象１１に与える加算器５５と、を備えて構成されている。
【００１６】
ここでは、制御対象１１として水中航走体を想定し、その制御モデルとして、Ｋθ／（ａθ２ｓ２＋ａθ１ｓ＋１）の２次系モデル１６と、Ｖ３／ｓの１次系モデル１７とを直列接続したものを考える。この場合、１次系モデル１７からは深度ｚが出力され、２次系モデル１６からはピッチ角θが出力される。
【００１７】
また、フィードバック制御器２１は、制御対象１１に対し、メジャーループとして、偏差ｅｚを入力とする積分器２３（ゲインＫｚｉのＩ制御）および係数器２４（ゲインＫｚｐ１のＰ制御）を備え、第１マイナーループとして深度ｚを入力とする係数器２５（ゲインＫｚｄ２のＰ制御）を備え、さらに、第２マイナーループとしてピッチ角θを入力とする係数器２６（ゲインＫｚｄのＰ制御）を備えて構成されている。なお、図中、参照符号５１，５３および５４は減算器であり、参照符号５２は加算器である。
【００１８】
本実施形態の制御装置は、従来の構成（図７参照）に対してフィードフォワード制御器３１を追加した点に特徴があり、また、フィードフォワード制御器３１における伝達関数の設定手法にも特徴がある。以下では、フィードフォワード制御器３１の設定手法について詳述する。
【００１９】
まず、本設定手法が前提とする事項について説明する。一般的に、一巡伝達関数Ｇ（ｓ）を持つフィードバック制御系において、一巡伝達関数Ｇ（ｓ）は次式で与えられる。
【００２０】
【数１】
【００２１】
目標入力ｒとして、Ｒ（ｓ）＝１／ｓｋ（ｋ＝１，２，３，…）の単位入力が与えられるときの定常偏差ｅ（∞）は、ｋ＜Ｊ＋１のときにｅ（∞）＝０に、ｋ＝Ｊ＋１のときにｅ（∞）＝ｂ０／ａ０に、ｋ＞Ｊ＋１のときにｅ（∞）＝∞に、それぞれなることが知られている。
【００２２】
ここでは、目標入力ｒから偏差ｅまでの伝達関数Ｇｅｒ（ｓ）（＝１／（１＋Ｇ（ｓ）））に注目して、伝達関数Ｇｅｒ（ｓ）が次式で与えられるとする。
【００２３】
【数２】
【００２４】
この場合にも、定常偏差ｅ（∞）は、ラプラス変換の最終値定理によって求まり、伝達関数Ｇｅｒ（ｓ）の性質で一義的に定まることとなる。すなわち、目標入力ｒとして、Ｒ（ｓ）＝１／ｓｋ（ｋ＝１，２，３，…）の単位入力が与えられるときの定常偏差ｅ（∞）は、ｋ＜Ｊ＋１のときにｅ（∞）＝０に、ｋ＝Ｊ＋１のときにｅ（∞）＝ｃ０／ａ０に、ｋ＞Ｊ＋１のときにｅ（∞）＝∞に、それぞれなる。つまり、目標入力ｒから偏差ｅまでの伝達関数Ｇｅｒ（ｓ）によっても、一巡伝達関数Ｇ（ｓ）と同様に、制御系における定常特性の性質を解析することができる。
【００２５】
したがって、制御系を例えば２型系とするには、目標入力ｒから偏差ｅまでの伝達関数Ｇｅｒ（ｓ）における分子の多項式において、ｓ０項の係数およびｓ１項の係数がそれぞれゼロとなるように調整すればＮ＝２とすることができ、２型の制御系を実現できることとなる。
【００２６】
そこで、図７の制御装置における目標深度ｒｚから偏差ｅｚまでの伝達関数Ｇｅｒ（ｓ）を求めると、次式となる。
【００２７】
【数３】
【００２８】
ここで、（３）式の目標深度ｒｚから偏差ｅｚまでの伝達関数Ｇｅｒ（ｓ）における分子の多項式において、ｓ０項の係数は既にゼロとなっているので、ｓ１項の係数がゼロとなるように調整すれば良い。その結果として、条件「Ｋｚｆ＝Ｋｚｐ２」が得られ、フィードフォワード制御器３１の伝達関数をｆｚｆ（ｓ）＝Ｋｚｆ＝Ｋｚｐ２とすれば良いこととなる。具体的には、フィードフォワード制御器３１はゲインＫｚｆ＝Ｋｚｐ２の係数器（Ｐ制御器）として具現される。
【００２９】
また、図２には、本実施形態の制御装置における目標値応答、即ち目標深度ｒｚに対する出力（深度ｚ）の時間的推移を示す。なお、同図の結果はシミュレーション実験結果として得られたものである。同図に示す通り、出力（深度ｚ）は、ランプ状の目標値変化に対して定常偏差ゼロで追従している。
【００３０】
以上説明したように、本実施形態の制御装置では、フィードフォワード制御器３１において、目標深度ｒｚから偏差ｅｚまでの伝達関数を示す目標値応答伝達関数Ｇｅｒ（ｓ）の分子多項式のｓ０項の係数およびｓ１項の係数がそれぞれゼロとなるように設定したので、２型の制御系を実現することができる。これにより、Ｑ／ｓｋ（Ｑは任意の定数、ｋ＝１，２）の目標入力（即ち、ステップ入力およびランプ入力）に対して定常偏差ゼロで追従可能とすることができ、フィードフォワード制御器３１の追加というより簡単な構成で、目標入力に対し確実に追従可能な制御装置を実現できる。
【００３１】
なお、本実施形態の制御装置は２型の制御系であるため、一定加速度入力（即ち、Ｒｚ（ｓ）＝Ｑ／ｓ３に対する応答としては、定常偏差ｅ（∞）＝ｃ０／ａ０＝Ｖ３ＫθＫｚｉ／（１＋ＫθＫｚｄ２）が残るが、従来の１型の制御系に比べて、目標値への追従性は改善される。
【００３２】
ここでさらに、本発明が基づく制御器の設計手法について考察する。従来の１型の制御系に積分器１個を追加して２型の制御系に再構成する手法では、積分器の追加により制御系全体の安定性（極の位置）が変化するため、フィードバック制御器２１のＰＩ制御器の各ゲインを含め、全体で制御系を再設計する必要があり、パラメータの調整が難しいという実情があった。
【００３３】
これに対して本発明が基づく制御器の設計手法では、フィードフォワード制御器３１を追加するだけという構成上の簡便さの他に、フィードフォワード制御器３１の追加（フィードフォワード制御器３１の設定）が制御系全体の安定性（極の位置）に影響せず、他の制御要素のパラメータへ影響しないので、フィードフォワード制御器３１のゲインを設定するだけで良く、より簡便な設計手法ともなっている。
【００３４】
〔第２実施形態〕
次に、図３は本発明の第２実施形態に係る制御装置のブロック図である。同図において、本実施形態の制御装置は、制御対象１２に対して、フィードバック制御器２１と、目標入力（目標深度）ｒｚに基づく操作量を生成するフィードフォワード制御器３２と、フィードバック制御器２１およびフィードフォワード制御器３２それぞれの出力（操作量）を加算して制御対象１２に与える加算器５５と、を備えて構成されている。なお、フィードバック制御器２１は、第１実施形態と同様の構成である。
【００３５】
本実施形態においても第１実施形態と同様に、制御対象１２として水中航走体を想定するが、その制御モデルとしては、Ｋθ／（ａθ２ｓ２＋ａθ１ｓ＋１）の２次系モデル１６と、Ｖ３／（ｓ＋Δ）の１次遅れ系モデル１８とを直列接続したものを考える。１次遅れ系モデル１８からは深度ｚが出力され、２次系モデル１６からはピッチ角θが出力される。
【００３６】
また、フィードフォワード制御器３２の伝達関数の設定は、第１実施形態と同様に行う。すなわち、制御装置における目標深度ｒｚから偏差ｅｚまでの目的値応答伝達関数Ｇｅｒ（ｓ）を求めると、分子多項式においてｓ０項の係数は既にゼロとなっているので、ｓ１項の係数がゼロとなるように調整する。ｓ１項の係数は「Δ（１＋ＫθＫｚｄ）＋Ｖ３ＫθＫｚｐ２−Ｖ３ＫθＫｚｆ）」となり、これをゼロとする条件式から、フィードフォワード制御器３２の伝達関数ｆｚｆ（ｓ）＝Ｋｚｆ＝Δ（１＋ＫθＫｚｄ）／Ｖ３Ｋθ＋Ｋｚｐ２が得られる。具体的には、フィードフォワード制御器３２はゲインＫｚｆの係数器として具現される。
【００３７】
以上説明したように、本実施形態の制御装置では、フィードフォワード制御器３２を、目標深度ｒｚから偏差ｅｚまでの伝達関数Ｇｅｒ（ｓ）における分子のｓのｎ次多項式において、ｓ０項の係数およびｓ１項の係数がそれぞれゼロとなるような制御要素（具体的には、ゲインＫｚｆの制御器）で設定することとしたので、第１実施形態と同等の効果を奏することができる。
【００３８】
〔第３実施形態〕
次に、図４は本発明の第３実施形態に係る制御装置のブロック図である。同図において、本実施形態の制御装置は、制御対象１３に対して、目標入力ｒｚと制御対象１３の出力ｚとの差である偏差ｅｚ及び制御対象１３の出力（制御量）ｚ、θに基づく第１操作量を生成するフィードバック制御器２２と、目標入力ｒｚに基づく第２操作量を生成するフィードフォワード制御器３３と、フィードバック制御器２２およびフィードフォワード制御器３３それぞれの出力である第１操作量及び第２操作量を加算して制御対象１１に与える加算器５５と、を備えて構成されている。
【００３９】
本実施形態においては、制御対象１３の制御モデルとして、Ｋθ／（ａθ２ｓ２＋ａθ１ｓ＋ａ０）の２次系モデルのみを考える。また、フィードバック制御器２２は、制御対象１３に対し、メジャーループとして、偏差ｅｚを入力とする積分器２３（ゲインＫｚｉのＩ制御）および係数器２４（ゲインＫｚｐ１のＰ制御）を備え、マイナーループとして出力ｚを入力とする係数器２７（ゲインＫｚのＰ制御）を備えた構成である。
【００４０】
また、フィードフォワード制御器３３の制御要素およびそのパラメータ設定は、第１実施形態と同様に行う。すなわち、制御装置における目標入力ｒｚから偏差ｅｚまでの伝達関数Ｇｅｒ（ｓ）を求めると、分子の多項式においてｓ０項の係数は既にゼロとなっているので、ｓ１項の係数がゼロとなるように調整する。ｓ１項の係数は「ａ０＋ＫＫｚ−ＫＫｚｆ）」となり、これをゼロとする条件式から、フィードフォワード制御器３３の伝達関数ｆｚｆ（ｓ）＝Ｋｚｆ＝（ａ０＋ＫＫｚ）／Ｋが得られる。具体的には、フィードフォワード制御器３３はゲインＫｚｆの係数器として具現される。
【００４１】
以上説明したように、本実施形態の制御装置では、フィードフォワード制御器３３を目標深度ｒｚから偏差ｅｚまでの伝達関数Ｇｅｒ（ｓ）における分子のｓのｎ次多項式において、ｓ０項の係数およびｓ１項の係数がそれぞれゼロとなるような制御要素を有するように設定するので、第１実施形態と同等の効果を奏することができる。
【００４２】
〔第４実施形態〕
次に、第４実施形態について説明する。第１実施形態から第３実施形態までは、制御対象１１，１２および１３の状態が変化しないことを前提として説明を行った。しかしながら、実システムにおいては制御対象の状態が変化することもあり、本実施形態および第５実施形態では、制御対象の状態が変化することを想定した制御装置について説明する。
【００４３】
図５は本発明の第４実施形態に係る制御装置のブロック図である。同図において、本実施形態の制御装置は、制御対象１４に対して、目標入力ｒｚと制御対象１４の出力ｚとの差である偏差ｅｚ及び制御対象１４の出力（制御量）ｚ、θに基づく第１操作量を生成するフィードバック制御器２１と、目標入力（目標深度）ｒｚおよび偏差ｅｚに基づく第２操作量を生成するフィードフォワード制御器３４と、フィードバック制御器２１およびフィードフォワード制御器３４それぞれの出力を加算して制御対象１４に与える加算器５５と、を備えて構成されている。なお、フィードバック制御器２１は、第１実施形態と同様の構成である。
【００４４】
本実施形態においても第１実施形態と同様に、制御対象１４として水中航走体を想定し、その制御モデルの初期状態として、Ｋθ／（ａθ２ｓ２＋ａθ１ｓ＋１）の２次系モデル１６と、Ｖ３／ｓの１次系モデル１９とを直列接続したものを考える。但し、Ｖ３／ｓの１次系モデル１９は、その後の状態変化に伴って１次遅れ系モデル（即ち、第２実施例におけるＶ３／（ｓ＋Δ）の１次遅れ系モデル１８）に変化することを想定する。このような状態変化の実例としては、水中航走体における深度制御の場合には、水中航走体への搭載荷物の重量変化で浮力がゼロでなくなるケース等が考えられる。
【００４５】
このように、制御対象１４の状態が変化する場合、第１実施形態および第２実施形態を対比すれば明らかなように、フィードフォワード制御器が備える比例制御器のゲインをＫｚｆ＝Ｋｚｐ２としたままでは、制御系が２型ではなくなってしまい、出力（深度ｚ）はランプ状の目標値変化に対して定常偏差ゼロで追従できなくなる。そこで、本実施形態では、フィードフォワード制御器３４に積分器３８を備えた構成とし、積分器３８により制御対象の状態変化に応じた第３操作量を加えるようにした。
【００４６】
すなわち、フィードフォワード制御器３４は、係数器３６、切替スイッチ３７、積分器３８および加算器５７を備えた構成である。ここで係数器３６は、第１実施形態のフィードフォワード制御器３１と同等であり、ゲインＫｚｆ＝Ｋｚｐ２の比例制御器を持つ。
【００４７】
また、積分器３８は切替スイッチ３７を介して偏差ｅｚを入力し、これを積分して得られる第３操作量を加算器５７に出力する。この構成により、フィードフォワード制御器３４が制御対象１４に与える操作量には、制御対象１４の状態変化に応じた第３操作量が加わることとなる。なお、制御対象１４がＶ３／ｓの１次系モデル１９で表される初期状態では、切替スイッチ３７はＢ端子側の「０」を選択しており、積分器３８出力は付加されない。また、切替スイッチ３７におけるＢ端子側からＡ端子側への切替は、切替信号ＣＮＴにより行われる。切替信号ＣＮＴの生成は、例えば、所定時間経過後の偏差ｅｚの値、或いは所定期間における偏差ｅｚの積分値などに応じて行えば良い。
【００４８】
以上説明したように、本実施形態の制御装置では、フィードフォワード制御器３４に、制御対象１４の状態変化に応じた第３操作量を加える積分器３８を備えた構成としたので、フィードフォワード制御器３４が制御対象１４に与える操作量に、制御対象１４の状態変化に応じた第３操作量を付加することができ、ランプ入力応答における制御対象１４の状態変化に伴う定常偏差を抑制することができる。
【００４９】
〔第５実施形態〕
次に、図６は本発明の第５実施形態に係る制御装置のブロック図である。同図において、本実施形態の制御装置は、制御対象１５に対して、目標入力ｒｚと制御対象１５の出力ｚとの差である偏差ｅｚ及び制御対象１５の出力（制御量）ｚ、θに基づく第１操作量を生成するフィードバック制御器２２と、目標入力ｒｚおよび偏差ｅｚに基づく操作量を生成するフィードフォワード制御器３５と、フィードバック制御器２２およびフィードフォワード制御器３５それぞれの出力を加算して制御対象１５に与える加算器５５と、を備えて構成されている。なお、フィードバック制御器２２は、第３実施形態と同様の構成である。
【００５０】
本実施形態においても第３実施形態と同様に、制御対象１５の制御モデルの初期状態として、Ｋθ／（ａθ２ｓ２＋ａθ１ｓ＋ａ０）の２次系モデルのみを考える。但し、この２次系モデルは、その後の制御対象１５の特性変化によって係数ａ０の値が変化することを想定する。
【００５１】
このように、制御対象１５の特性が変化する場合、フィードフォワード制御器が備える比例制御器のゲインを第３実施形態と同等の値としたままでは、制御系が２型ではなくなってしまい、出力ｚはランプ状の目標値変化に対して定常偏差ゼロで追従できなくなる。そこで、本実施形態では、実施例５と同様に、フィードフォワード制御器３５に積分器４０を備えた構成とし、積分器４０により制御対象の特性変化に応じた第３操作量を加えるようにした。
【００５２】
すなわち、フィードフォワード制御器３５は、係数器３９、切替スイッチ３７、積分器４０および加算器５７を備えた構成である。ここで係数器３９は、第３実施形態のフィードフォワード制御器３３と同等であり、ゲインＫｚｆ＝（ａ０＋ＫＫｚ）／Ｋを持つ。
【００５３】
また、積分器４０は切替スイッチ３７を介して偏差ｅｚを入力し、これを積分して得られる第３操作量を加算器５７に出力する。この構成により、フィードフォワード制御器３５が制御対象１５に与える操作量には、制御対象１５の特性変化に応じた第３操作量が加わることとなる。なお、制御対象１５が初期状態のままであるときには、切替スイッチ３７はＢ端子側の「０」を選択しており、積分器４０出力は付加されない。また、切替スイッチ３７におけるＢ端子側からＡ端子側への切替は、切替信号ＣＮＴにより行われる。切替信号ＣＮＴの生成は、例えば、所定時間経過後の偏差ｅｚの値、或いは所定期間における偏差ｅｚの積分値などに応じて行えば良い。
【００５４】
以上説明したように、本実施形態の制御装置では、フィードフォワード制御器３５に、制御対象１５の特性変化に応じた第３操作量を加える積分器４０を備えた構成としたので、フィードフォワード制御器３５が制御対象１５に与える操作量に、制御対象１５の特性変化に応じた第３操作量を付加することができ、ランプ入力応答における制御対象１５の特性変化に伴う定常偏差を抑制することができる。
【００５５】
〔変形例〕
以上説明した第１実施形態から第５実施形態では、制御対象を水中航走体として、水中航走体における深度制御について説明したが、これに限定されることなく、他の制御、例えば、高度制御、方位制御、速度制御、或いはピッチ制御等に適用することができる。
【００５６】
また、水中航走体に限定されることなく、他のプラント、機械装置などの様々な自動制御システムに適用可能である。例えば、発電プラントにおける付加追従制御、開度制御、タービン回転数追従制御、または温度追従制御等である。また、ＶＧターボであれば開度制御や圧力制御等、さらに、特殊車両であれば斜板角制御、速度比制御、または車両高さ制御等が挙げられる。
【符号の説明】
【００５７】
１１，１２，１３，１４，１５ 制御対象
１６ ２次系モデル
１７ １次系モデル
１８ １次遅れ系モデル
２１，２２ フィードバック制御器
２３，３８ 積分器
２４，２５，２６，２７，３６，３９ 係数器
３１，３２，３３，３４，３５ フィードフォワード制御器
３７ 切替スイッチ
５１，５３，５４ 減算器
５２，５５ 加算器
【特許請求の範囲】
【請求項１】
目標値と制御対象の出力とに基づく第１操作量を前記制御対象に与えるフィードバック制御手段と、
前記目標値に基づく第２操作量を前記制御対象に与えるフィードフォワード制御手段とを備え、
ｊ型（ｊは１以上の正整数）の制御系を生成する場合に、前記フィードフォワード制御手段が、前記目標値から前記制御対象の出力と前記目標値の偏差までの伝達関数の分子の（ｊ−１）次項以下の各項の係数をそれぞれゼロとするような制御要素を有している制御装置。
【請求項２】
前記フィードフォワード制御手段は、前記制御対象の状態変化に応じた第３操作量を前記制御対象に与える積分手段を有する請求項１に記載の制御装置。
【請求項１】
目標値と制御対象の出力とに基づく第１操作量を前記制御対象に与えるフィードバック制御手段と、
前記目標値に基づく第２操作量を前記制御対象に与えるフィードフォワード制御手段とを備え、
ｊ型（ｊは１以上の正整数）の制御系を生成する場合に、前記フィードフォワード制御手段が、前記目標値から前記制御対象の出力と前記目標値の偏差までの伝達関数の分子の（ｊ−１）次項以下の各項の係数をそれぞれゼロとするような制御要素を有している制御装置。
【請求項２】
前記フィードフォワード制御手段は、前記制御対象の状態変化に応じた第３操作量を前記制御対象に与える積分手段を有する請求項１に記載の制御装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【公開番号】特開２０１１−１７０４４２（Ｐ２０１１−１７０４４２Ａ）
【公開日】平成２３年９月１日（２０１１．９．１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−３１５０９（Ｐ２０１０−３１５０９）
【出願日】平成２２年２月１６日（２０１０．２．１６）
【出願人】（０００００６２０８）三菱重工業株式会社 (10,378)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年９月１日（２０１１．９．１）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年２月１６日（２０１０．２．１６）
【出願人】（０００００６２０８）三菱重工業株式会社 (10,378)
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]