ＰＩＤ制御装置及びＰＩＤ制御方法
【課題】高速応答が求められる制御システムにおいて、ＰＩＤパラメータを自動設定する。
【解決手段】ＰＩＤ制御部１１をＰ制御状態とし、目標値入力を一定とした状態で、オートチューニング部１２はＰＩＤ制御部１１の比例ゲインＫpを徐々に増大させる。Ｋpの増大に伴い、偏差に振動が発生する。ＦＦＴ解析部１３は偏差を周波数解析して振動の周波数を検出する。フィルタ１４は偏差から振動周波数の成分を抽出しＲＭＳ処理部１５に出力する。ＲＭＳ処理部１５は偏差の振動の１周期ごとに実効値を算出し、複数周期連続して増加していることを検出したときに、オートチューニング部１２にトリガー信号を送出し、ＰＩＤ制御部１１のＫpの値を下げる。オートチューニング部１２はトリガー信号を受信すると、そのときの比例ゲインＫpc及び固有振動の周期ＴcからＰＩＤパラメータを決定する。
【解決手段】ＰＩＤ制御部１１をＰ制御状態とし、目標値入力を一定とした状態で、オートチューニング部１２はＰＩＤ制御部１１の比例ゲインＫpを徐々に増大させる。Ｋpの増大に伴い、偏差に振動が発生する。ＦＦＴ解析部１３は偏差を周波数解析して振動の周波数を検出する。フィルタ１４は偏差から振動周波数の成分を抽出しＲＭＳ処理部１５に出力する。ＲＭＳ処理部１５は偏差の振動の１周期ごとに実効値を算出し、複数周期連続して増加していることを検出したときに、オートチューニング部１２にトリガー信号を送出し、ＰＩＤ制御部１１のＫpの値を下げる。オートチューニング部１２はトリガー信号を受信すると、そのときの比例ゲインＫpc及び固有振動の周期ＴcからＰＩＤパラメータを決定する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、油圧サーボ装置・油圧サーボ試験機などの高速応答と高精度が求められる制御システムにおけるＰＩＤ制御装置及びＰＩＤ制御方法に関するものであり、特に、そのＰＩＤパラメータの自動設定に関する。
【背景技術】
【０００２】
図１１は、ＰＩＤ制御システムの構成を示すブロック図である。
図中８１は目標値と制御量との差を演算して偏差を出力する加算器、８２は偏差に基づいて操作量を算出し制御対象８３に出力するＰＩＤ制御部、８３はＰＩＤ制御部８２から出力される操作量に応じて動作が制御される制御対象である。ＰＩＤ制御部８２は、偏差をＰＩ（Ｐ：比例、Ｉ：積分）制御演算、又は、ＰＩＤ（Ｐ：比例、Ｉ：積分、Ｄ：微分）制御演算することによって、制御量を目標値に一致させるような操作量を算出し、前記制御対象８３を制御する。
【０００３】
このようなＰＩＤ制御システムにおいて最適な制御性能を得るためには、前記ＰＩＤ制御部におけるＰＩＤパラメータ、すなわち、比例ゲインＫp、積分時間ＴI、微分時間ＴDの各パラメータを最適な値に設定することが必要である。
ＰＩＤパラメータの設定方法として、（１）ステップ応答法、（２）限界感度法、（３）周波数応答法、及び、（４）リミットサイクル法などが知られている。また、ＰＩＤパラメータの設定に関する多くの提案がなされている（特許文献１〜特許文献７）。
【０００４】
油圧サーボ装置などのように高速応答と高精度が必要なシステムにおいては、制御対象のスピードが速いので、一般に、オペレータによる限界感度法によりＰＩＤパラメータを設定することが行われている。
図１２は限界感度法について説明するための図であり、図１２の（ａ）は入力される方形波信号、図１２の（ｂ）〜（ｄ）は、比例ゲインＫpを増大させていったときの制御量の信号波形を示す図である。
【０００５】
前記図１１に示したＰＩＤ制御システムにおいて、比例動作だけの制御状態（Ｐ制御状態）に設定する。その状態で、図１２の（ａ）に示す方形波信号を目標値として入力し、ＰＩＤ制御部８２の比例ゲインＫpを増大させていく。比例ゲインＫpが増大するにしたがって、制御量の信号波形には、図１２の（ｂ）に示すようにオーバーシュートが発生し始める。さらに、比例ゲインＫpを増大させると、図１２の（ｃ）に示すように、そのオーバーシュートが振動的になってリンギングが発生し、さらに比例ゲインＫpを増大させるとリンギングの減衰時間が大きくなる。さらに、比例ゲインＫpを増大させると、図１２の（ｄ）に示すように、そのリンギングが減衰しなくなり振動状態が持続する。そして、さらに、比例ゲインＫpを増大させると発散を始める。その発散前の限界状態、すなわち、振動状態が持続する持続振動状態であるときの比例ゲインＫpとリンギング周期を元にＰＩＤパラメータを算出する。
このように、限界感度法では、ＰＩＤ制御システムに目標値として方形波信号を入力し、その方形波のエネルギーによりオーバーシュートを発生させ、その減衰を目視することにより持続振動状態を検出し、そのときの比例ゲインとリンギング周期に基づいてＰＩＤパラメータを算出する。
【０００６】
次に、方形波信号を入力せず目標値入力をゼロとした状態で比例ゲインＫpを増大させていく場合における制御量の波形の変化について、図１３を参照して説明する。
図１３の（ａ）〜（ｄ）は、ＰＩＤ制御部８２の比例ゲインＫpが増大されていくときの制御量の信号波形の変化を示す図である。なお、この場合には、目標値入力がゼロであるので、制御量と偏差の波形は同一となる。
前記図１１に示したＰＩＤ制御システムにおいて、比例動作だけを行う制御状態（Ｐ制御状態）に設定し、目標値として方形波信号を入力せず入力をゼロにした状態で比例ゲインＫpを増大させていく。
【０００７】
始めの状態においては、図１３の（ａ）に示すように、ＰＩＤ制御部８２内の抵抗器に発生する熱雑音などにより、制御量の波形にはホワイトノイズが現れている。この状態から比例ゲインＫpを増大させていくと、図１３の（ｂ）に示すように、次第に系に固有の周波数を有する振動が現れてくる。図１３の（ｂ）に示す状態においては、この振動は持続しており持続振動状態となっているが、振幅が非常に小さいため、ノイズとの分離が困難である。この状態からさらに比例ゲインＫpを増大させていくと、図１３の（ｃ）に示すように、持続振動の振幅が増大してくる。さらに比例ゲインＫpを増大させていくと、図１３（ｄ）に示すように、振幅が急速に増大し、発散を始める。
油圧サーボ系では、固有振動周波数が数１０Hz以上になるので、比例ゲインＫpを増大させながら、持続振動から発散への変化点を目視で検出し、比例ゲインＫpの増大を停止させようとしても、操作が遅れ、異常発振を引き起こしてしまうこととなる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開平１１−２０１８８８号公報
【特許文献２】特開２００２−２０２８０１号公報
【特許文献３】特開２００３−１５０２０３号公報
【特許文献４】特公平０６−１０７６１号公報
【特許文献５】特公平０７−６６２８１号公報
【特許文献６】特許第２８６５１０９号公報
【特許文献７】特開平０９−３４５０３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
上述のように、限界感度法では方形波を入力してオーバーシュート量が持続振動になるのを目視により観察していく。そのため、不必要なテスト信号を与えなければいけないことと、波形観察が方形波プラス振動波となるため解析が難しいという問題点があった。
また、油圧サーボ装置や油圧サーボ試験機などの高速応答性が必要な制御システムにおいては、固有振動周波数が高いため、手動による限界感度法では、前述のように異常発振を起こしてしまうこととなる。そこで、このような制御システムでは、オープンループ状態でＰＩＤパラメータの設定を行う手法が採用されていた。
【００１０】
さらに、オペレータによるパラメータ設定は専門技術を要し、適正な設定とするためには、カット＆トライにかかる時間を要していた。また、オペレータによっては、設定の精度にもバラツキが発生する。さらには、予期せぬ外乱によっても、負荷に過大な入力を与えてしまい、負荷や装置を故障させてしまうという危険があった。
なお、特許文献７において、限界感度法によるオートチューニング法が提案されており、この方法では、制御量の第１のピークと第２のピークとを比較することにより、持続振動を検出するようになされている。しかしながら、ノイズの影響が大きいため、制御量のピークを高精度に検出することは困難である。
【００１１】
そこで本発明は、油圧サーボ装置や油圧サーボ試験機などの高速応答性及び高精度が必要とされる制御システムにおいて、従来自動解析が困難であった出力波形を短時間で自動解析し、ＰＩＤパラメータ設定を自動で行うことができるＰＩＤ制御装置とＰＩＤ制御方法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】
【００１２】
上記目的を達成するために、本発明のＰＩＤ制御装置は、目標値と制御対象からの検出値との偏差に基づいてＰＩＤ演算又はＰＩ演算により制御対象に対する操作量を算出するＰＩＤ制御部と、前記ＰＩＤ制御部を比例動作だけを行うＰ制御状態とし、前記目標値を一定とした状態で、前記ＰＩＤ制御部の比例ゲインを徐々に増大させるオートチューニング部と、前記比例ゲインの増大に応じて前記偏差に発生する振動の１周期ごとにその実効値を算出し、該算出した実効値が複数周期にわたって単調増加していることを検出したときに、前記オートチューニング部による前記比例ゲインの増大を停止させるとともに、前記ＰＩＤ制御部の比例ゲインを低下させる機能と、前記振動の周波数を検出する機能とを有するＲＭＳ処理部とを有し、前記オートチューニング部は、前記偏差の振動周期と、前記ＲＭＳ処理部により前記偏差の実効値の単調増加が検出された時点における前記ＰＩＤ制御部の比例ゲインとに基づいて、ＰＩＤパラメータを決定し、該決定したパラメータを前記ＰＩＤ制御部に設定するものである。
さらに、前記偏差の周波数解析を行い、前記比例ゲインの増大に応じて前記偏差に発生する振動の周波数を検出するＦＦＴ解析部と、前記偏差が入力され、前記ＦＦＴ解析部により検出された振動周波数成分を前記ＲＭＳ処理部に通過させるフィルタとを有するものである。
【００１３】
さらにまた、本発明のＰＩＤ制御方法は、目標値と制御対象からの検出値との偏差に基づいてＰＩＤ演算又はＰＩ演算により制御対象に対する操作量を算出するＰＩＤ制御部におけるＰＩＤパラメータを自動設定するＰＩＤ制御方法であって、前記ＰＩＤ制御部を比例動作だけを行うＰ制御状態とする工程と、前記目標値を一定とした状態で、前記ＰＩＤ制御部の比例ゲインを徐々に増大させる工程と、前記偏差の周波数解析を行い、前記比例ゲインの増大に応じて前記偏差に発生する振動の周波数を検出する工程と、前記偏差の振動の１周期ごとにその実効値を算出し、該算出した実効値が複数周期にわたって単調増加していることを検出したときに、前記ＰＩＤ制御部の比例ゲインの増大を停止する工程と、前記ＰＩＤ制御部の比例ゲインの増大を停止したときの該比例ゲインの値を記録するとともに、前記ＰＩＤ制御部の比例ゲインを低下させる工程と、前記偏差の振動周期と前記記録した比例ゲインの値とに基づいてＰＩＤパラメータを決定し、該決定したＰＩＤパラメータを前記ＰＩＤ制御部に設定する工程とを含むものである。
【発明の効果】
【００１４】
このような本発明のＰＩＤ制御装置及びＰＩＤ制御方法によれば、従来具体化されず解決されていなかった油圧サーボ装置・油圧サーボ試験機などの高速応答性が必要な制御システムにおいて油圧アクチュエータ等の制御対象をコントロールするＰＩＤ制御装置のＰＩＤパラメータを自動設定することができるようになったことに加え、以下の効果を奏することができる。
（１）整定時間を大幅に削減することができる。
（２）出力機器や試験体にダメージを与える危険が無くなる。
（３）入力装置に特別な信号発生装置を用いることがないため、ＰＩＤ制御装置の小型化を達成することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明のＰＩＤ制御装置の一実施の形態を用いた油圧サーボ試験機のブロック図である。
【図２】オートチューニング部の動作を説明するためのフローチャートである。
【図３】ＦＦＴ解析部の動作を説明するためのフローチャートである。
【図４】ＲＭＳ処理部の動作を説明するためのフローチャートである。
【図５】従来方式で比例ゲインが小さいときの出力波形を示す図である。
【図６】従来方式で比例ゲインが発振限界の手前のときの出力波形を示す図である。
【図７】本発明の方式において比例ゲインが小さいときの出力波形を示す図である。
【図８】本発明の方式において比例ゲインが発振限界の手前のときの出力波形を示す図である。
【図９】本発明のＰＩＤ制御装置の他の実施の形態を用いた油圧サーボ試験機のブロック図である。
【図１０】図９に示した実施の形態におけるＲＭＳ処理部の動作を説明するためのフローチャートである。
【図１１】従来のＰＩＤ制御システムの構成を示す図である。
【図１２】限界感度法における出力波形の例を示す図である。
【図１３】入力信号無しの場合における出力波形の例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
本発明のＰＩＤ制御方法を用いたＰＩＤ制御装置の一実施の形態について、油圧サーボ試験機に適用した場合を例にとって説明する。
図１は、本発明のＰＩＤ制御装置の一実施の形態を用いた油圧サーボ試験機の構成を示すブロック図である。
この図において、１は目標値と検出値との差を検出して偏差を出力する加算器、２は本発明のＰＩＤ制御装置、３はＰＩＤ制御装置２からの操作量により駆動される油圧アクチュエータ、４は油圧アクチュエータ３により載荷される試験体である。変位、荷重あるいは加速度などを制御対象とすることができるが、この実施の形態では、前記油圧アクチュエータ３に接続された振動計を制御対象とし、その出力を検出値として前記加算器１に入力している。
【００１７】
ＰＩＤ制御装置２は、図示するように、前記加算器１からの偏差をＰＩＤ制御演算することによって操作量を算出するＰＩＤ制御部１１、ＰＩＤパラメータの自動設定処理を制御するオートチューニング部１２、前記加算器１からの偏差の周波数解析を行って偏差に含まれている振動の周波数のうちピークとなる周波数（固有振動周波数ｆc）を検出するＦＦＴ（Fast Fourier Transform：高速フーリエ変換）解析部１３、前記偏差に含まれている雑音成分を除去するディジタルフィルタで構成されたローパスフィルタ１４、前記ローパスフィルタ１４を通過した偏差の実効値（Root Mean Square：二乗平均平方根）を算出し、持続振動から発散への変化点（「発振限界」とよぶ。）を検出して比例ゲインＫpの増大を停止するトリガー信号を出力するＲＭＳ処理部１５を備えている。
前記オートチューニング部１２は、前記ＰＩＤ制御部１１における比例ゲインＫpを徐々に増大させるとともに、前記ＲＭＳ処理部１５から発振限界を検出したときに出力される前記トリガー信号に応じて比例ゲインＫpの増大を停止させるとともに、前記ＦＦＴ解析部１３により検出された振動の周期Ｔc（＝１／ｆc）及び発振限界における比例ゲインの値Ｋpcに基づいてＰＩＤパラメータ（比例ゲインＫp、積分時間ＴI、微分時間ＴD）を決定する処理を行う。
【００１８】
図２は、前記オートチューニング部１２により実行される処理の流れを示すフローチャートである。
オートチューニング処理が開始される前に、ＰＩＤ制御部１１は比例動作だけを行うＰ制御状態に設定されているものとする。これは、オートチューニング処理の開始時に自動的に設定するようにしてもよいし、オペレータが設定するようにしてもよい。
【００１９】
処理が開始されると、オートチューニング部１２は、まず、前記ＲＭＳ処理部１５から発振限界の検出に応じて出力される比例ゲインＫpの増大を停止するトリガー信号が発生されているか否かを判定する（ステップＳ１）。
前記トリガー信号が発生されていないときは、ステップＳ２に進み、前記ＰＩＤ制御部１１における比例ゲインＫpを所定値だけ増加させる。そして、増加させた比例ゲインＫpの値が予め定められた最大値に達していないときは、前記ステップＳ１に戻る。一方、最大値に達したときには、処理を終了する。このように、前記トリガー信号が発生されていないときは、比例ゲインＫpを漸増させていく。
一方、前記ステップＳ１において、前記ＲＭＳ処理部１５から発振限界の検出時に出力されるトリガー信号が発生されていると判定された場合は、ステップＳ４に進み、その時点（発振限界）における比例ゲインの値Ｋpcを記録するとともに、前記ＦＦＴ解析部１３により検出された固有振動周波数ｆcに対応する振動周期Ｔc（＝１／ｆc）を記録する。
そして、ステップＳ５に進み、前記比例ゲインＫpcと振動周期Ｔcにより、ＰＩＤパラメータを決定する。例えば、限界感度法に適用するジーグラ・ニコルスの公式に基づいて、比例ゲインＫp＝0.6Ｋpc、積分時間ＴI＝0.5Ｔc、微分時間ＴD＝0.125Ｔcと決定する。そして、この決定したＰＩＤパラメータを前記ＰＩＤ制御部１１に設定する。
【００２０】
図３は前記ＦＦＴ解析部１３の処理の流れを示すフローチャートである。
ＦＦＴ解析部１３は、ステップＳ１１において、偏差をフーリエ変換し、その周波数成分を検出する。そして、ステップＳ１２において、検出した周波数成分からピークとなる周波数成分を検出することができるか否かを判定する。例えば、周波数解析結果の全周波数成分の平均に対し、数デシベル以上大きいピークが検出されたときに、ピークとなる周波数成分が検出されたと判定する。
そして、ピークとなる周波数成分が検出されないときは、前記ステップＳ１１に戻り、ＦＦＴ処理を繰り返す。
【００２１】
前記オートチューニング部１２の処理により比例ゲインＫpが徐々に大きくなり、偏差に振動が現れ始め、検出した周波数成分からピークとなる周波数成分が検出されると、ステップＳ１２の判定結果が「ピーク検出あり」となってステップＳ１３に進み、そのピークとなる周波数を、このＰＩＤ制御系の固有振動周波数ｆcであると決定し、前記オートチューニング部１２に通知する。
そして、ステップＳ１４に進み、決定した固有振動周波数ｆcに所定の値を加算した周波数をローパスフィルタ１４のカットオフ周波数とするフィルタ定数を決定し、ローパスフィルタ１４に設定する。
【００２２】
図４は前記ＲＭＳ処理部及び前記ローパスフィルタ１４の処理の流れを示すフローチャートである。この処理は、前記ＦＦＴ解析部１３により、系の固有振動周波数ｆcが決定された後に、動作が開始される。
前記ローパスフィルタ１４は、前記偏差を入力して、前記ＦＦＴ解析部１３により設定されたカットオフ周波数よりも低い周波数の信号を通過させ、前記ＲＭＳ処理部１５に出力する（ステップＳ２１）。これにより、偏差からノイズ成分が除去される。
【００２３】
前記ＲＭＳ処理部１５は、ローパスフィルタ１４から入力される偏差の１周期を確定しながら１周期ごとに実効値を算出して振幅を検出する（ステップＳ２２）。
１周期内のサンプル数をＭ、該１周期内の偏差の振幅のサンプル値をｘk（ｋ＝1,2,...,M）としたとき、偏差の振幅の実効値ｘrmsは次の式（１）で表される。
【数１】
例えば、ＲＭＳ処理部１５は、偏差の振幅のサンプル値ｘkが入力されるごとに、その２乗を計算し、先行するサンプル値の２乗の値に加算する処理を行うとともに、サンプル値のゼロクロス点を検出することなどによって偏差の１周期を確定し、該確定した１周期内の偏差の振幅のサンプル値から前記式（１）の実効値ｘrmsを算出する。
【００２４】
そして、ステップＳ２３に進み、ステップＳ２２で計算した１周期ごとの振幅の実効値ｘrmsが予め設定した複数Ｎ個の周期にわたって単調増加しているか否かを判定する。すなわち、前記ステップＳ２２において算出した１周期ごとの振幅の実効値ｘrmsを予め設定した過去Ｎ周期分記憶しておき、その値が連続して増加しているか否かを判定する。その判定結果が「いいえ」であるときは、前記ステップＳ２１に戻り、次の１周期の振幅の実効値ｘrmsを計算する。ここで、連続して単調増加しているか否かを判定する周期の数Ｎ、すなわち、発振限界を検出するための周期の数Ｎは、少ない場合には検出間違いが発生することがあり、あまり多いと検出が遅れて振幅が大きくなりすぎるという問題があり、数周期（３〜７周期）、例えば、５周期（Ｎ＝５）程度とするのが好適である。
【００２５】
ステップＳ２３で、偏差の振幅の実効値ｘrmsが予め設定した複数周期にわたって連続して増加していることを検出したときには、ステップＳ２４に進む。
ステップＳ２４では、オートチューニング部１２に対して比例ゲインＫpの増大を停止するトリガー信号を送出する。そして、ステップＳ２５に進み、前記ＰＩＤ制御部１１に対して、比例ゲインＫpを低下させる制御信号を送出する。例えば、比例ゲインの値をその１／２程度の値とする制御信号を送信し、これにより、限界振動がすみやかに停止される。
【００２６】
このように、偏差に含まれる振動の１周期ごとに振幅の実効値を算出し、該実効値を用いて偏差の振幅の増大を検出することにより、ノイズによる影響を受けることなく、発振限界を検出することができる。
なお、上記においては、ローパスフィルタ１４を設けてノイズを除去するようにしたが、ＲＭＳ計算の中に平均を計算する処理が含まれており、ノイズを除去する性質を有しているため、ローパスフィルタ１４を省略することも出来る。また、ローパスフィルタではなく、バンドパスフィルタなどを用いることもできる。
【００２７】
以上説明したように、この実施の形態の油圧サーボ試験機において、ＰＩＤ制御部１１におけるＰＩＤパラメータは、次のようにして自動設定される。
始めに、前記ＰＩＤ制御部１１を比例動作のみを行う制御状態（Ｐ制御状態）に設定し、目標値入力は一定値（例えば、ゼロ入力）とする。
この状態で、前記オートチューニング部１２は、前記ＰＩＤ制御部１１における比例ゲインＫpを徐々に増大させていく。これにより、前記加算器１から出力される偏差には、前記図１３の（ｂ）に示したように、ノイズの状態から徐々に固有振動周波数ｆcによる振動が含まれるようになる。前記図１３の（ｃ）〜（ｄ）に示したように、比例ゲインＫpが大きくなるに従い、この振動は次第に振幅を増していき、最後は発散する。
【００２８】
前記ＦＦＴ解析部１３は偏差の周波数解析を行い、ピーク周波数から偏差に含まれている固有振動周波数ｆcを検出する。そして、前記ローパスフィルタ１４のカットオフ周波数を、検出した固有振動周波数ｆcよりも高い周波数成分の信号が通過しないように設定する。本発明においては、目標値入力が一定値であるため、方形波信号を入力する従来方式の場合と比べて、周波数解析結果が単一ピークとなり容易にピーク周波数を検出することができる。
【００２９】
前記ローパスフィルタ１４により、固有振動周波数ｆcよりも高い周波数のノイズ成分が除去された偏差はＲＭＳ処理部１５に入力される。
ＲＭＳ処理部１５は、前記ローパスフィルタ１４から出力される偏差の振幅の変動を検出するために、振動の１周期ごとに実効値を算出し、偏差の振幅がＮ周期にわたって連続して増加していることを検出すると、限界発振であると認識し、比例ゲインＫpの増大を停止するトリガー信号を前記オートチューニング部１２に送出する。そして、これと同時に、前記ＰＩＤ制御部１１に対して比例ゲインＫpの値を減少させる。これにより、偏差の振動が停止される。複数Ｎ周期の期間という非常に短い期間（例えば、２０msec程度）で、偏差の振幅の増大を検出することができ、検出後にすみやかに振動を停止させているために、試験体に負荷が印加される時間は非常に短時間であり、試験体にダメージが与えられることがない。
【００３０】
前記オートチューニング部１２は、前記トリガー信号を受信すると、前記ＰＩＤ制御部１１の比例ゲインＫpの増大を停止し、前記トリガー信号を受信したときの比例ゲインの値Ｋpcを取得し、この比例ゲインの値Ｋpcと前記ＦＦＴ解析部１３により得られた固有振動周波数ｆcに基づいて、ＰＩＤパラメータを決定し、これを前記ＰＩＤ制御部１１に設定する。ＰＩＤパラメータが設定された後は、オペレータはシステムの所望の運転モードを選択して運転を開始することができる。
【００３１】
図５〜図８を参照して、本願発明のＰＩＤパラメータ設定方法と、前述した従来の方形波信号を入力する限界感度法とを比較しつつ、さらに説明する。
図５は前述した従来の限界感度法の場合において比例ゲインＫpが小さいときの（ａ）操作量、（ｂ）制御量（＝偏差）及び（ｃ）制御量の周波数成分を示す図、図６は前述した従来の限界感度法の場合において比例ゲインＫpが発振限界の手前の大きさであるときの上記（ａ）〜（ｃ）を示す図、図７は本発明の方法の場合において比例ゲインＫpが小さいときの上記（ａ）〜（ｃ）を示す図、図８は本発明の方法の場合において比例ゲインＫpが発振限界の手前の大きさであるときの上記（ａ）〜（ｃ）を示す図である。図５〜図８において、（ａ）及び（ｂ）の図の縦軸は振幅、横軸は時間を示している。また、（ｃ）の図の縦軸は信号強度（dB）、横軸は周波数を示している。
【００３２】
図５に示す従来方式で比例ゲインＫpが小さいときには、目標値入力として方形波信号を入力しているため、（ｂ）の制御量（＝偏差）は方形波形状となっており、（ａ）の操作量に目標値入力に対応する力が試験体に加わっている。また、（ｃ）の制御量の周波数領域のグラフにおいてピークは発生していない。
【００３３】
この状態で比例ゲインＫpを徐々に増大させていくと、図６に示す比例ゲインＫpが発振限界の手前の状態となる。このときは、図６の（ｂ）に示すように、持続振動が発生している。そして、（ａ）に示すように、目標値入力に持続振動の振幅が加わり、大きな力が試験体に加わっている。図５（ａ）の縦軸の目盛りと、図６（ａ）の縦軸の目盛りの差に注目されたい。また、（ｃ）に示す制御量の周波数領域のグラフには、ピークが出現しているのが分かる。
【００３４】
図７は、本発明の方式において比例ゲインＫpが小さいときの様子を示す図である。この図に示すように、比例ゲインＫpが小さいときには振動は発生しておらず、（ｂ）の制御量はほぼゼロ、（ａ）の操作量は小さな値でほぼ一定となっており、試験体には何の力も加わっていない。また、（ｃ）の制御量の周波数領域のグラフもほぼフラットとなっておりピークは発生していない。
【００３５】
この状態で比例ゲインＫpを徐々に増大させていくと、図８に示す比例ゲインＫpが発振限界手前の状態となる。このときは、（ｂ）の制御量には振動が発生しており、（ｃ）には単一のピークが出現しており、振動現象をはっきりとみてとることができる。また、（ａ）の操作量も振動状態となっている。しかしながら、目標値入力がゼロのために、試験体に加わる振動の力は大きくない。そして、前述のように、制御量の振動のＮ周期の期間で限界振動が検出され、比例ゲインＫpが低下されて、例えば、前記図７の状態に移行せられるので、試験体に大きな振動が加わる期間はＮ周期の間にすぎない。
このように、本発明の方法によれば、試験体に大きな力を加えることなくＰＩＤパラメータを決定することができる。
【００３６】
次に、本発明の他の実施の形態について説明する。この実施の形態は、上述した実施の形態の構成をより簡素化したものである。
図９は、本発明のＰＩＤ制御装置のこの実施の形態を用いた油圧サーボ試験機の構成を示すブロック図である。
図９と前述した図１とを比較すると明らかなように、この実施の形態のＰＩＤ制御装置２には、前記ＦＦＴ解析部１３及びローパスフィルタ１４が設けられておらず、前記加算器１から出力される偏差は、ＲＭＳ処理部１５に直接に入力されるようになされている。なお、その他の構成は前記図１に示した構成と同じであるので説明は省略する。
【００３７】
このように構成されたＰＩＤ制御装置２において、オートチューニング部１２は、前記図１に示した実施の形態と同様に、前記図２に示したフローチャートに従って動作する。ただし、前記図１に示した実施の形態においては、前記ＦＦＴ解析部１３により検出された固有振動周波数ｆcに基づいて算出した振動周期Ｔcを用いてＰＩＤパラメータを決定していたが、この実施の形態においては、ＲＭＳ処理部１５において振動周期Ｔcを決定することができるようになされており、該ＲＭＳ処理部１５において決定された振動周期Ｔcを用いてＰＩＤパラメータを決定するようにしている。
すなわち、オートチューニング部１２は、ＰＩＤ制御部１１が比例動作のみを行うＰ制御状態に設定されている状態で、前記ＲＭＳ処理部１５からの比例ゲインＫpの増大を停止するトリガー信号の発生が検出されるまで、ＰＩＤ制御部１１における比例ゲインＫpを増大させていき、ＲＭＳ処理部１５からのトリガー信号を検出したときに、その時点における比例ゲインＫpcの値を記録するとともに、ＲＭＳ処理部１５により決定された振動周期Ｔcを記録し、該比例ゲインＫpと振動周期Ｔcを用いて前述と同様にＰＩＤパラメータを決定する。
【００３８】
図１０は、前記ＲＭＳ処理部１５により実行される処理の流れを示すフローチャートである。
前記ＲＭＳ処理部１５は、前記加算器１からの偏差を入力し、前記式（１）に示した実効値ｘrmsを算出する。すなわち、ステップＳ３１で入力される偏差の振幅のサンプル値ｘkの２乗を計算して先行するサンプル値の２乗に加算する処理を行い、ステップＳ３２でゼロクロスが検出されたか否か、すなわち、偏差の振動の１周期を検出したか否かを判定して、ゼロクロスを検出するまで、ステップＳ３１を繰り返す。例えば、偏差の振幅のサンプル値が正から負に変化するゼロクロス、又は、負から正へ変化するゼロクロスのいずれか一方の種類のゼロクロスを検出することにより、１周期を検出することができる。
そして、ゼロクロスを検出すると、ステップＳ３３に進み、その１周期に対応するサンプルの数Ｍを確定し、その１周期分の偏差の振幅のサンプル値の２乗の和、すなわち実効値ｘrmsを確定する。
【００３９】
そして、ステップＳ３４に進み、前記図４のステップＳ２３と同様に、ステップＳ３３で算出した１周期ごとの偏差の振幅の実効値ｘrmsが予め設定した複数Ｎ個の周期にわたって単調増加しているか否かを判定する。
その判定結果が「いいえ」であるときは、前記ステップＳ３１に戻って上述の処理を繰り返す。
一方、「はい」のときは、ステップＳ３６に進み、オートチューニング部１２に対して比例ゲインＫpの増大を停止するトリガー信号を送出する。次に、ステップＳ３６に進み、前記ＰＩＤ制御部１１に対して、比例ゲインＫpを低下させる制御信号を送出し、限界振動をすみやかに停止させる。
【００４０】
そして、ステップＳ３７に進み、偏差の振動の周期Ｔcを確定し、前記オートチューニング部１２に通知する。
この振動の周期Ｔcは、例えば、次の式（２）により決定することができる
【数２】
ここで、Ｍkはｋ番目の周期に含まれるサンプル数である。
【００４１】
偏差に含まれるノイズが大きいときには各周期に含まれるサンプル数Ｍkの値にバラツキが発生するため、式（２）に示すように、偏差の振幅が単調増加していることを検出したときのデータ、例えば、Ｎ＝５周期分のサンプル値を平均化して用いるようにしている。
なお、前記ステップＳ３３で求める振幅の実効値ｘrmsについては、各周期においてサンプル数Ｍkの値が異なっていても、前記式（１）に示すように、サンプル数Ｍで除算をしているため、それほどの影響を受けることはなく、また、振幅の増加が認められればよいので、正確なサンプル数Ｍkの値を用いる必要はない。
【００４２】
前記オートチューニング部１２は、このようにしてＲＭＳ処理部１５で決定された周期Ｔcと、前記ステップＳ３５においてＲＭＳ処理部１５により発生されたトリガー信号を検出したときの比例ゲインＫpcの値を用いて、前記図１に示した実施の形態の場合と同様に、ＰＩＤパラメータを決定し、ＰＩＤ制御部１１に設定する。
このように、この実施の形態においては、ＦＦＴ解析部１３及びローパスフィルタ１４を設けること無く、前記図１に示した実施の形態と同様にＰＩＤパラメータを自動設定することができる。
【００４３】
なお、上記においては、ＰＩＤ制御部１１を有するＰＩＤ制御装置について説明したが、ＰＩ制御部を有するＰＩ制御装置であっても同様に構成することができる。
また、上述の実施の形態においては、目標値入力をゼロとして処理を行うようにしたが、目標値入力をゼロ以外の一定値として上述の処理を行うようにしてもよい。
さらにまた、上述の実施の形態では、本発明を油圧サーボ試験機に適用した場合を例にとって説明したがこれに限られることはなく、油圧サーボ装置、電気サーボ装置、電気サーボ試験機などの高速応答と高精度が要求されるシステムにも全く同様に適用することができる。
【符号の説明】
【００４４】
１：加算器、２：ＰＩＤ制御装置、３：油圧アクチュエータ、４：試験体、１１：ＰＩＤ制御部、１２：オートチューニング部、１３：ＦＦＴ解析部、１４：ローパスフィルタ、１５：ＲＭＳ処理部
【技術分野】
【０００１】
本発明は、油圧サーボ装置・油圧サーボ試験機などの高速応答と高精度が求められる制御システムにおけるＰＩＤ制御装置及びＰＩＤ制御方法に関するものであり、特に、そのＰＩＤパラメータの自動設定に関する。
【背景技術】
【０００２】
図１１は、ＰＩＤ制御システムの構成を示すブロック図である。
図中８１は目標値と制御量との差を演算して偏差を出力する加算器、８２は偏差に基づいて操作量を算出し制御対象８３に出力するＰＩＤ制御部、８３はＰＩＤ制御部８２から出力される操作量に応じて動作が制御される制御対象である。ＰＩＤ制御部８２は、偏差をＰＩ（Ｐ：比例、Ｉ：積分）制御演算、又は、ＰＩＤ（Ｐ：比例、Ｉ：積分、Ｄ：微分）制御演算することによって、制御量を目標値に一致させるような操作量を算出し、前記制御対象８３を制御する。
【０００３】
このようなＰＩＤ制御システムにおいて最適な制御性能を得るためには、前記ＰＩＤ制御部におけるＰＩＤパラメータ、すなわち、比例ゲインＫp、積分時間ＴI、微分時間ＴDの各パラメータを最適な値に設定することが必要である。
ＰＩＤパラメータの設定方法として、（１）ステップ応答法、（２）限界感度法、（３）周波数応答法、及び、（４）リミットサイクル法などが知られている。また、ＰＩＤパラメータの設定に関する多くの提案がなされている（特許文献１〜特許文献７）。
【０００４】
油圧サーボ装置などのように高速応答と高精度が必要なシステムにおいては、制御対象のスピードが速いので、一般に、オペレータによる限界感度法によりＰＩＤパラメータを設定することが行われている。
図１２は限界感度法について説明するための図であり、図１２の（ａ）は入力される方形波信号、図１２の（ｂ）〜（ｄ）は、比例ゲインＫpを増大させていったときの制御量の信号波形を示す図である。
【０００５】
前記図１１に示したＰＩＤ制御システムにおいて、比例動作だけの制御状態（Ｐ制御状態）に設定する。その状態で、図１２の（ａ）に示す方形波信号を目標値として入力し、ＰＩＤ制御部８２の比例ゲインＫpを増大させていく。比例ゲインＫpが増大するにしたがって、制御量の信号波形には、図１２の（ｂ）に示すようにオーバーシュートが発生し始める。さらに、比例ゲインＫpを増大させると、図１２の（ｃ）に示すように、そのオーバーシュートが振動的になってリンギングが発生し、さらに比例ゲインＫpを増大させるとリンギングの減衰時間が大きくなる。さらに、比例ゲインＫpを増大させると、図１２の（ｄ）に示すように、そのリンギングが減衰しなくなり振動状態が持続する。そして、さらに、比例ゲインＫpを増大させると発散を始める。その発散前の限界状態、すなわち、振動状態が持続する持続振動状態であるときの比例ゲインＫpとリンギング周期を元にＰＩＤパラメータを算出する。
このように、限界感度法では、ＰＩＤ制御システムに目標値として方形波信号を入力し、その方形波のエネルギーによりオーバーシュートを発生させ、その減衰を目視することにより持続振動状態を検出し、そのときの比例ゲインとリンギング周期に基づいてＰＩＤパラメータを算出する。
【０００６】
次に、方形波信号を入力せず目標値入力をゼロとした状態で比例ゲインＫpを増大させていく場合における制御量の波形の変化について、図１３を参照して説明する。
図１３の（ａ）〜（ｄ）は、ＰＩＤ制御部８２の比例ゲインＫpが増大されていくときの制御量の信号波形の変化を示す図である。なお、この場合には、目標値入力がゼロであるので、制御量と偏差の波形は同一となる。
前記図１１に示したＰＩＤ制御システムにおいて、比例動作だけを行う制御状態（Ｐ制御状態）に設定し、目標値として方形波信号を入力せず入力をゼロにした状態で比例ゲインＫpを増大させていく。
【０００７】
始めの状態においては、図１３の（ａ）に示すように、ＰＩＤ制御部８２内の抵抗器に発生する熱雑音などにより、制御量の波形にはホワイトノイズが現れている。この状態から比例ゲインＫpを増大させていくと、図１３の（ｂ）に示すように、次第に系に固有の周波数を有する振動が現れてくる。図１３の（ｂ）に示す状態においては、この振動は持続しており持続振動状態となっているが、振幅が非常に小さいため、ノイズとの分離が困難である。この状態からさらに比例ゲインＫpを増大させていくと、図１３の（ｃ）に示すように、持続振動の振幅が増大してくる。さらに比例ゲインＫpを増大させていくと、図１３（ｄ）に示すように、振幅が急速に増大し、発散を始める。
油圧サーボ系では、固有振動周波数が数１０Hz以上になるので、比例ゲインＫpを増大させながら、持続振動から発散への変化点を目視で検出し、比例ゲインＫpの増大を停止させようとしても、操作が遅れ、異常発振を引き起こしてしまうこととなる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開平１１−２０１８８８号公報
【特許文献２】特開２００２−２０２８０１号公報
【特許文献３】特開２００３−１５０２０３号公報
【特許文献４】特公平０６−１０７６１号公報
【特許文献５】特公平０７−６６２８１号公報
【特許文献６】特許第２８６５１０９号公報
【特許文献７】特開平０９−３４５０３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
上述のように、限界感度法では方形波を入力してオーバーシュート量が持続振動になるのを目視により観察していく。そのため、不必要なテスト信号を与えなければいけないことと、波形観察が方形波プラス振動波となるため解析が難しいという問題点があった。
また、油圧サーボ装置や油圧サーボ試験機などの高速応答性が必要な制御システムにおいては、固有振動周波数が高いため、手動による限界感度法では、前述のように異常発振を起こしてしまうこととなる。そこで、このような制御システムでは、オープンループ状態でＰＩＤパラメータの設定を行う手法が採用されていた。
【００１０】
さらに、オペレータによるパラメータ設定は専門技術を要し、適正な設定とするためには、カット＆トライにかかる時間を要していた。また、オペレータによっては、設定の精度にもバラツキが発生する。さらには、予期せぬ外乱によっても、負荷に過大な入力を与えてしまい、負荷や装置を故障させてしまうという危険があった。
なお、特許文献７において、限界感度法によるオートチューニング法が提案されており、この方法では、制御量の第１のピークと第２のピークとを比較することにより、持続振動を検出するようになされている。しかしながら、ノイズの影響が大きいため、制御量のピークを高精度に検出することは困難である。
【００１１】
そこで本発明は、油圧サーボ装置や油圧サーボ試験機などの高速応答性及び高精度が必要とされる制御システムにおいて、従来自動解析が困難であった出力波形を短時間で自動解析し、ＰＩＤパラメータ設定を自動で行うことができるＰＩＤ制御装置とＰＩＤ制御方法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】
【００１２】
上記目的を達成するために、本発明のＰＩＤ制御装置は、目標値と制御対象からの検出値との偏差に基づいてＰＩＤ演算又はＰＩ演算により制御対象に対する操作量を算出するＰＩＤ制御部と、前記ＰＩＤ制御部を比例動作だけを行うＰ制御状態とし、前記目標値を一定とした状態で、前記ＰＩＤ制御部の比例ゲインを徐々に増大させるオートチューニング部と、前記比例ゲインの増大に応じて前記偏差に発生する振動の１周期ごとにその実効値を算出し、該算出した実効値が複数周期にわたって単調増加していることを検出したときに、前記オートチューニング部による前記比例ゲインの増大を停止させるとともに、前記ＰＩＤ制御部の比例ゲインを低下させる機能と、前記振動の周波数を検出する機能とを有するＲＭＳ処理部とを有し、前記オートチューニング部は、前記偏差の振動周期と、前記ＲＭＳ処理部により前記偏差の実効値の単調増加が検出された時点における前記ＰＩＤ制御部の比例ゲインとに基づいて、ＰＩＤパラメータを決定し、該決定したパラメータを前記ＰＩＤ制御部に設定するものである。
さらに、前記偏差の周波数解析を行い、前記比例ゲインの増大に応じて前記偏差に発生する振動の周波数を検出するＦＦＴ解析部と、前記偏差が入力され、前記ＦＦＴ解析部により検出された振動周波数成分を前記ＲＭＳ処理部に通過させるフィルタとを有するものである。
【００１３】
さらにまた、本発明のＰＩＤ制御方法は、目標値と制御対象からの検出値との偏差に基づいてＰＩＤ演算又はＰＩ演算により制御対象に対する操作量を算出するＰＩＤ制御部におけるＰＩＤパラメータを自動設定するＰＩＤ制御方法であって、前記ＰＩＤ制御部を比例動作だけを行うＰ制御状態とする工程と、前記目標値を一定とした状態で、前記ＰＩＤ制御部の比例ゲインを徐々に増大させる工程と、前記偏差の周波数解析を行い、前記比例ゲインの増大に応じて前記偏差に発生する振動の周波数を検出する工程と、前記偏差の振動の１周期ごとにその実効値を算出し、該算出した実効値が複数周期にわたって単調増加していることを検出したときに、前記ＰＩＤ制御部の比例ゲインの増大を停止する工程と、前記ＰＩＤ制御部の比例ゲインの増大を停止したときの該比例ゲインの値を記録するとともに、前記ＰＩＤ制御部の比例ゲインを低下させる工程と、前記偏差の振動周期と前記記録した比例ゲインの値とに基づいてＰＩＤパラメータを決定し、該決定したＰＩＤパラメータを前記ＰＩＤ制御部に設定する工程とを含むものである。
【発明の効果】
【００１４】
このような本発明のＰＩＤ制御装置及びＰＩＤ制御方法によれば、従来具体化されず解決されていなかった油圧サーボ装置・油圧サーボ試験機などの高速応答性が必要な制御システムにおいて油圧アクチュエータ等の制御対象をコントロールするＰＩＤ制御装置のＰＩＤパラメータを自動設定することができるようになったことに加え、以下の効果を奏することができる。
（１）整定時間を大幅に削減することができる。
（２）出力機器や試験体にダメージを与える危険が無くなる。
（３）入力装置に特別な信号発生装置を用いることがないため、ＰＩＤ制御装置の小型化を達成することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明のＰＩＤ制御装置の一実施の形態を用いた油圧サーボ試験機のブロック図である。
【図２】オートチューニング部の動作を説明するためのフローチャートである。
【図３】ＦＦＴ解析部の動作を説明するためのフローチャートである。
【図４】ＲＭＳ処理部の動作を説明するためのフローチャートである。
【図５】従来方式で比例ゲインが小さいときの出力波形を示す図である。
【図６】従来方式で比例ゲインが発振限界の手前のときの出力波形を示す図である。
【図７】本発明の方式において比例ゲインが小さいときの出力波形を示す図である。
【図８】本発明の方式において比例ゲインが発振限界の手前のときの出力波形を示す図である。
【図９】本発明のＰＩＤ制御装置の他の実施の形態を用いた油圧サーボ試験機のブロック図である。
【図１０】図９に示した実施の形態におけるＲＭＳ処理部の動作を説明するためのフローチャートである。
【図１１】従来のＰＩＤ制御システムの構成を示す図である。
【図１２】限界感度法における出力波形の例を示す図である。
【図１３】入力信号無しの場合における出力波形の例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
本発明のＰＩＤ制御方法を用いたＰＩＤ制御装置の一実施の形態について、油圧サーボ試験機に適用した場合を例にとって説明する。
図１は、本発明のＰＩＤ制御装置の一実施の形態を用いた油圧サーボ試験機の構成を示すブロック図である。
この図において、１は目標値と検出値との差を検出して偏差を出力する加算器、２は本発明のＰＩＤ制御装置、３はＰＩＤ制御装置２からの操作量により駆動される油圧アクチュエータ、４は油圧アクチュエータ３により載荷される試験体である。変位、荷重あるいは加速度などを制御対象とすることができるが、この実施の形態では、前記油圧アクチュエータ３に接続された振動計を制御対象とし、その出力を検出値として前記加算器１に入力している。
【００１７】
ＰＩＤ制御装置２は、図示するように、前記加算器１からの偏差をＰＩＤ制御演算することによって操作量を算出するＰＩＤ制御部１１、ＰＩＤパラメータの自動設定処理を制御するオートチューニング部１２、前記加算器１からの偏差の周波数解析を行って偏差に含まれている振動の周波数のうちピークとなる周波数（固有振動周波数ｆc）を検出するＦＦＴ（Fast Fourier Transform：高速フーリエ変換）解析部１３、前記偏差に含まれている雑音成分を除去するディジタルフィルタで構成されたローパスフィルタ１４、前記ローパスフィルタ１４を通過した偏差の実効値（Root Mean Square：二乗平均平方根）を算出し、持続振動から発散への変化点（「発振限界」とよぶ。）を検出して比例ゲインＫpの増大を停止するトリガー信号を出力するＲＭＳ処理部１５を備えている。
前記オートチューニング部１２は、前記ＰＩＤ制御部１１における比例ゲインＫpを徐々に増大させるとともに、前記ＲＭＳ処理部１５から発振限界を検出したときに出力される前記トリガー信号に応じて比例ゲインＫpの増大を停止させるとともに、前記ＦＦＴ解析部１３により検出された振動の周期Ｔc（＝１／ｆc）及び発振限界における比例ゲインの値Ｋpcに基づいてＰＩＤパラメータ（比例ゲインＫp、積分時間ＴI、微分時間ＴD）を決定する処理を行う。
【００１８】
図２は、前記オートチューニング部１２により実行される処理の流れを示すフローチャートである。
オートチューニング処理が開始される前に、ＰＩＤ制御部１１は比例動作だけを行うＰ制御状態に設定されているものとする。これは、オートチューニング処理の開始時に自動的に設定するようにしてもよいし、オペレータが設定するようにしてもよい。
【００１９】
処理が開始されると、オートチューニング部１２は、まず、前記ＲＭＳ処理部１５から発振限界の検出に応じて出力される比例ゲインＫpの増大を停止するトリガー信号が発生されているか否かを判定する（ステップＳ１）。
前記トリガー信号が発生されていないときは、ステップＳ２に進み、前記ＰＩＤ制御部１１における比例ゲインＫpを所定値だけ増加させる。そして、増加させた比例ゲインＫpの値が予め定められた最大値に達していないときは、前記ステップＳ１に戻る。一方、最大値に達したときには、処理を終了する。このように、前記トリガー信号が発生されていないときは、比例ゲインＫpを漸増させていく。
一方、前記ステップＳ１において、前記ＲＭＳ処理部１５から発振限界の検出時に出力されるトリガー信号が発生されていると判定された場合は、ステップＳ４に進み、その時点（発振限界）における比例ゲインの値Ｋpcを記録するとともに、前記ＦＦＴ解析部１３により検出された固有振動周波数ｆcに対応する振動周期Ｔc（＝１／ｆc）を記録する。
そして、ステップＳ５に進み、前記比例ゲインＫpcと振動周期Ｔcにより、ＰＩＤパラメータを決定する。例えば、限界感度法に適用するジーグラ・ニコルスの公式に基づいて、比例ゲインＫp＝0.6Ｋpc、積分時間ＴI＝0.5Ｔc、微分時間ＴD＝0.125Ｔcと決定する。そして、この決定したＰＩＤパラメータを前記ＰＩＤ制御部１１に設定する。
【００２０】
図３は前記ＦＦＴ解析部１３の処理の流れを示すフローチャートである。
ＦＦＴ解析部１３は、ステップＳ１１において、偏差をフーリエ変換し、その周波数成分を検出する。そして、ステップＳ１２において、検出した周波数成分からピークとなる周波数成分を検出することができるか否かを判定する。例えば、周波数解析結果の全周波数成分の平均に対し、数デシベル以上大きいピークが検出されたときに、ピークとなる周波数成分が検出されたと判定する。
そして、ピークとなる周波数成分が検出されないときは、前記ステップＳ１１に戻り、ＦＦＴ処理を繰り返す。
【００２１】
前記オートチューニング部１２の処理により比例ゲインＫpが徐々に大きくなり、偏差に振動が現れ始め、検出した周波数成分からピークとなる周波数成分が検出されると、ステップＳ１２の判定結果が「ピーク検出あり」となってステップＳ１３に進み、そのピークとなる周波数を、このＰＩＤ制御系の固有振動周波数ｆcであると決定し、前記オートチューニング部１２に通知する。
そして、ステップＳ１４に進み、決定した固有振動周波数ｆcに所定の値を加算した周波数をローパスフィルタ１４のカットオフ周波数とするフィルタ定数を決定し、ローパスフィルタ１４に設定する。
【００２２】
図４は前記ＲＭＳ処理部及び前記ローパスフィルタ１４の処理の流れを示すフローチャートである。この処理は、前記ＦＦＴ解析部１３により、系の固有振動周波数ｆcが決定された後に、動作が開始される。
前記ローパスフィルタ１４は、前記偏差を入力して、前記ＦＦＴ解析部１３により設定されたカットオフ周波数よりも低い周波数の信号を通過させ、前記ＲＭＳ処理部１５に出力する（ステップＳ２１）。これにより、偏差からノイズ成分が除去される。
【００２３】
前記ＲＭＳ処理部１５は、ローパスフィルタ１４から入力される偏差の１周期を確定しながら１周期ごとに実効値を算出して振幅を検出する（ステップＳ２２）。
１周期内のサンプル数をＭ、該１周期内の偏差の振幅のサンプル値をｘk（ｋ＝1,2,...,M）としたとき、偏差の振幅の実効値ｘrmsは次の式（１）で表される。
【数１】
例えば、ＲＭＳ処理部１５は、偏差の振幅のサンプル値ｘkが入力されるごとに、その２乗を計算し、先行するサンプル値の２乗の値に加算する処理を行うとともに、サンプル値のゼロクロス点を検出することなどによって偏差の１周期を確定し、該確定した１周期内の偏差の振幅のサンプル値から前記式（１）の実効値ｘrmsを算出する。
【００２４】
そして、ステップＳ２３に進み、ステップＳ２２で計算した１周期ごとの振幅の実効値ｘrmsが予め設定した複数Ｎ個の周期にわたって単調増加しているか否かを判定する。すなわち、前記ステップＳ２２において算出した１周期ごとの振幅の実効値ｘrmsを予め設定した過去Ｎ周期分記憶しておき、その値が連続して増加しているか否かを判定する。その判定結果が「いいえ」であるときは、前記ステップＳ２１に戻り、次の１周期の振幅の実効値ｘrmsを計算する。ここで、連続して単調増加しているか否かを判定する周期の数Ｎ、すなわち、発振限界を検出するための周期の数Ｎは、少ない場合には検出間違いが発生することがあり、あまり多いと検出が遅れて振幅が大きくなりすぎるという問題があり、数周期（３〜７周期）、例えば、５周期（Ｎ＝５）程度とするのが好適である。
【００２５】
ステップＳ２３で、偏差の振幅の実効値ｘrmsが予め設定した複数周期にわたって連続して増加していることを検出したときには、ステップＳ２４に進む。
ステップＳ２４では、オートチューニング部１２に対して比例ゲインＫpの増大を停止するトリガー信号を送出する。そして、ステップＳ２５に進み、前記ＰＩＤ制御部１１に対して、比例ゲインＫpを低下させる制御信号を送出する。例えば、比例ゲインの値をその１／２程度の値とする制御信号を送信し、これにより、限界振動がすみやかに停止される。
【００２６】
このように、偏差に含まれる振動の１周期ごとに振幅の実効値を算出し、該実効値を用いて偏差の振幅の増大を検出することにより、ノイズによる影響を受けることなく、発振限界を検出することができる。
なお、上記においては、ローパスフィルタ１４を設けてノイズを除去するようにしたが、ＲＭＳ計算の中に平均を計算する処理が含まれており、ノイズを除去する性質を有しているため、ローパスフィルタ１４を省略することも出来る。また、ローパスフィルタではなく、バンドパスフィルタなどを用いることもできる。
【００２７】
以上説明したように、この実施の形態の油圧サーボ試験機において、ＰＩＤ制御部１１におけるＰＩＤパラメータは、次のようにして自動設定される。
始めに、前記ＰＩＤ制御部１１を比例動作のみを行う制御状態（Ｐ制御状態）に設定し、目標値入力は一定値（例えば、ゼロ入力）とする。
この状態で、前記オートチューニング部１２は、前記ＰＩＤ制御部１１における比例ゲインＫpを徐々に増大させていく。これにより、前記加算器１から出力される偏差には、前記図１３の（ｂ）に示したように、ノイズの状態から徐々に固有振動周波数ｆcによる振動が含まれるようになる。前記図１３の（ｃ）〜（ｄ）に示したように、比例ゲインＫpが大きくなるに従い、この振動は次第に振幅を増していき、最後は発散する。
【００２８】
前記ＦＦＴ解析部１３は偏差の周波数解析を行い、ピーク周波数から偏差に含まれている固有振動周波数ｆcを検出する。そして、前記ローパスフィルタ１４のカットオフ周波数を、検出した固有振動周波数ｆcよりも高い周波数成分の信号が通過しないように設定する。本発明においては、目標値入力が一定値であるため、方形波信号を入力する従来方式の場合と比べて、周波数解析結果が単一ピークとなり容易にピーク周波数を検出することができる。
【００２９】
前記ローパスフィルタ１４により、固有振動周波数ｆcよりも高い周波数のノイズ成分が除去された偏差はＲＭＳ処理部１５に入力される。
ＲＭＳ処理部１５は、前記ローパスフィルタ１４から出力される偏差の振幅の変動を検出するために、振動の１周期ごとに実効値を算出し、偏差の振幅がＮ周期にわたって連続して増加していることを検出すると、限界発振であると認識し、比例ゲインＫpの増大を停止するトリガー信号を前記オートチューニング部１２に送出する。そして、これと同時に、前記ＰＩＤ制御部１１に対して比例ゲインＫpの値を減少させる。これにより、偏差の振動が停止される。複数Ｎ周期の期間という非常に短い期間（例えば、２０msec程度）で、偏差の振幅の増大を検出することができ、検出後にすみやかに振動を停止させているために、試験体に負荷が印加される時間は非常に短時間であり、試験体にダメージが与えられることがない。
【００３０】
前記オートチューニング部１２は、前記トリガー信号を受信すると、前記ＰＩＤ制御部１１の比例ゲインＫpの増大を停止し、前記トリガー信号を受信したときの比例ゲインの値Ｋpcを取得し、この比例ゲインの値Ｋpcと前記ＦＦＴ解析部１３により得られた固有振動周波数ｆcに基づいて、ＰＩＤパラメータを決定し、これを前記ＰＩＤ制御部１１に設定する。ＰＩＤパラメータが設定された後は、オペレータはシステムの所望の運転モードを選択して運転を開始することができる。
【００３１】
図５〜図８を参照して、本願発明のＰＩＤパラメータ設定方法と、前述した従来の方形波信号を入力する限界感度法とを比較しつつ、さらに説明する。
図５は前述した従来の限界感度法の場合において比例ゲインＫpが小さいときの（ａ）操作量、（ｂ）制御量（＝偏差）及び（ｃ）制御量の周波数成分を示す図、図６は前述した従来の限界感度法の場合において比例ゲインＫpが発振限界の手前の大きさであるときの上記（ａ）〜（ｃ）を示す図、図７は本発明の方法の場合において比例ゲインＫpが小さいときの上記（ａ）〜（ｃ）を示す図、図８は本発明の方法の場合において比例ゲインＫpが発振限界の手前の大きさであるときの上記（ａ）〜（ｃ）を示す図である。図５〜図８において、（ａ）及び（ｂ）の図の縦軸は振幅、横軸は時間を示している。また、（ｃ）の図の縦軸は信号強度（dB）、横軸は周波数を示している。
【００３２】
図５に示す従来方式で比例ゲインＫpが小さいときには、目標値入力として方形波信号を入力しているため、（ｂ）の制御量（＝偏差）は方形波形状となっており、（ａ）の操作量に目標値入力に対応する力が試験体に加わっている。また、（ｃ）の制御量の周波数領域のグラフにおいてピークは発生していない。
【００３３】
この状態で比例ゲインＫpを徐々に増大させていくと、図６に示す比例ゲインＫpが発振限界の手前の状態となる。このときは、図６の（ｂ）に示すように、持続振動が発生している。そして、（ａ）に示すように、目標値入力に持続振動の振幅が加わり、大きな力が試験体に加わっている。図５（ａ）の縦軸の目盛りと、図６（ａ）の縦軸の目盛りの差に注目されたい。また、（ｃ）に示す制御量の周波数領域のグラフには、ピークが出現しているのが分かる。
【００３４】
図７は、本発明の方式において比例ゲインＫpが小さいときの様子を示す図である。この図に示すように、比例ゲインＫpが小さいときには振動は発生しておらず、（ｂ）の制御量はほぼゼロ、（ａ）の操作量は小さな値でほぼ一定となっており、試験体には何の力も加わっていない。また、（ｃ）の制御量の周波数領域のグラフもほぼフラットとなっておりピークは発生していない。
【００３５】
この状態で比例ゲインＫpを徐々に増大させていくと、図８に示す比例ゲインＫpが発振限界手前の状態となる。このときは、（ｂ）の制御量には振動が発生しており、（ｃ）には単一のピークが出現しており、振動現象をはっきりとみてとることができる。また、（ａ）の操作量も振動状態となっている。しかしながら、目標値入力がゼロのために、試験体に加わる振動の力は大きくない。そして、前述のように、制御量の振動のＮ周期の期間で限界振動が検出され、比例ゲインＫpが低下されて、例えば、前記図７の状態に移行せられるので、試験体に大きな振動が加わる期間はＮ周期の間にすぎない。
このように、本発明の方法によれば、試験体に大きな力を加えることなくＰＩＤパラメータを決定することができる。
【００３６】
次に、本発明の他の実施の形態について説明する。この実施の形態は、上述した実施の形態の構成をより簡素化したものである。
図９は、本発明のＰＩＤ制御装置のこの実施の形態を用いた油圧サーボ試験機の構成を示すブロック図である。
図９と前述した図１とを比較すると明らかなように、この実施の形態のＰＩＤ制御装置２には、前記ＦＦＴ解析部１３及びローパスフィルタ１４が設けられておらず、前記加算器１から出力される偏差は、ＲＭＳ処理部１５に直接に入力されるようになされている。なお、その他の構成は前記図１に示した構成と同じであるので説明は省略する。
【００３７】
このように構成されたＰＩＤ制御装置２において、オートチューニング部１２は、前記図１に示した実施の形態と同様に、前記図２に示したフローチャートに従って動作する。ただし、前記図１に示した実施の形態においては、前記ＦＦＴ解析部１３により検出された固有振動周波数ｆcに基づいて算出した振動周期Ｔcを用いてＰＩＤパラメータを決定していたが、この実施の形態においては、ＲＭＳ処理部１５において振動周期Ｔcを決定することができるようになされており、該ＲＭＳ処理部１５において決定された振動周期Ｔcを用いてＰＩＤパラメータを決定するようにしている。
すなわち、オートチューニング部１２は、ＰＩＤ制御部１１が比例動作のみを行うＰ制御状態に設定されている状態で、前記ＲＭＳ処理部１５からの比例ゲインＫpの増大を停止するトリガー信号の発生が検出されるまで、ＰＩＤ制御部１１における比例ゲインＫpを増大させていき、ＲＭＳ処理部１５からのトリガー信号を検出したときに、その時点における比例ゲインＫpcの値を記録するとともに、ＲＭＳ処理部１５により決定された振動周期Ｔcを記録し、該比例ゲインＫpと振動周期Ｔcを用いて前述と同様にＰＩＤパラメータを決定する。
【００３８】
図１０は、前記ＲＭＳ処理部１５により実行される処理の流れを示すフローチャートである。
前記ＲＭＳ処理部１５は、前記加算器１からの偏差を入力し、前記式（１）に示した実効値ｘrmsを算出する。すなわち、ステップＳ３１で入力される偏差の振幅のサンプル値ｘkの２乗を計算して先行するサンプル値の２乗に加算する処理を行い、ステップＳ３２でゼロクロスが検出されたか否か、すなわち、偏差の振動の１周期を検出したか否かを判定して、ゼロクロスを検出するまで、ステップＳ３１を繰り返す。例えば、偏差の振幅のサンプル値が正から負に変化するゼロクロス、又は、負から正へ変化するゼロクロスのいずれか一方の種類のゼロクロスを検出することにより、１周期を検出することができる。
そして、ゼロクロスを検出すると、ステップＳ３３に進み、その１周期に対応するサンプルの数Ｍを確定し、その１周期分の偏差の振幅のサンプル値の２乗の和、すなわち実効値ｘrmsを確定する。
【００３９】
そして、ステップＳ３４に進み、前記図４のステップＳ２３と同様に、ステップＳ３３で算出した１周期ごとの偏差の振幅の実効値ｘrmsが予め設定した複数Ｎ個の周期にわたって単調増加しているか否かを判定する。
その判定結果が「いいえ」であるときは、前記ステップＳ３１に戻って上述の処理を繰り返す。
一方、「はい」のときは、ステップＳ３６に進み、オートチューニング部１２に対して比例ゲインＫpの増大を停止するトリガー信号を送出する。次に、ステップＳ３６に進み、前記ＰＩＤ制御部１１に対して、比例ゲインＫpを低下させる制御信号を送出し、限界振動をすみやかに停止させる。
【００４０】
そして、ステップＳ３７に進み、偏差の振動の周期Ｔcを確定し、前記オートチューニング部１２に通知する。
この振動の周期Ｔcは、例えば、次の式（２）により決定することができる
【数２】
ここで、Ｍkはｋ番目の周期に含まれるサンプル数である。
【００４１】
偏差に含まれるノイズが大きいときには各周期に含まれるサンプル数Ｍkの値にバラツキが発生するため、式（２）に示すように、偏差の振幅が単調増加していることを検出したときのデータ、例えば、Ｎ＝５周期分のサンプル値を平均化して用いるようにしている。
なお、前記ステップＳ３３で求める振幅の実効値ｘrmsについては、各周期においてサンプル数Ｍkの値が異なっていても、前記式（１）に示すように、サンプル数Ｍで除算をしているため、それほどの影響を受けることはなく、また、振幅の増加が認められればよいので、正確なサンプル数Ｍkの値を用いる必要はない。
【００４２】
前記オートチューニング部１２は、このようにしてＲＭＳ処理部１５で決定された周期Ｔcと、前記ステップＳ３５においてＲＭＳ処理部１５により発生されたトリガー信号を検出したときの比例ゲインＫpcの値を用いて、前記図１に示した実施の形態の場合と同様に、ＰＩＤパラメータを決定し、ＰＩＤ制御部１１に設定する。
このように、この実施の形態においては、ＦＦＴ解析部１３及びローパスフィルタ１４を設けること無く、前記図１に示した実施の形態と同様にＰＩＤパラメータを自動設定することができる。
【００４３】
なお、上記においては、ＰＩＤ制御部１１を有するＰＩＤ制御装置について説明したが、ＰＩ制御部を有するＰＩ制御装置であっても同様に構成することができる。
また、上述の実施の形態においては、目標値入力をゼロとして処理を行うようにしたが、目標値入力をゼロ以外の一定値として上述の処理を行うようにしてもよい。
さらにまた、上述の実施の形態では、本発明を油圧サーボ試験機に適用した場合を例にとって説明したがこれに限られることはなく、油圧サーボ装置、電気サーボ装置、電気サーボ試験機などの高速応答と高精度が要求されるシステムにも全く同様に適用することができる。
【符号の説明】
【００４４】
１：加算器、２：ＰＩＤ制御装置、３：油圧アクチュエータ、４：試験体、１１：ＰＩＤ制御部、１２：オートチューニング部、１３：ＦＦＴ解析部、１４：ローパスフィルタ、１５：ＲＭＳ処理部
【特許請求の範囲】
【請求項１】
目標値と制御対象からの検出値との偏差に基づいてＰＩＤ演算又はＰＩ演算により制御対象に対する操作量を算出するＰＩＤ制御部と、
前記ＰＩＤ制御部を比例動作だけを行うＰ制御状態とし、前記目標値を一定とした状態で、前記ＰＩＤ制御部の比例ゲインを徐々に増大させるオートチューニング部と、
前記比例ゲインの増大に応じて前記偏差に発生する振動の１周期ごとにその実効値を算出し、該算出した実効値が複数周期にわたって単調増加していることを検出したときに、前記オートチューニング部による前記比例ゲインの増大を停止させるとともに、前記ＰＩＤ制御部の比例ゲインを低下させる機能と、前記振動の周波数を検出する機能とを有するＲＭＳ処理部とを有し、
前記オートチューニング部は、前記偏差の振動周期と、前記ＲＭＳ処理部により前記偏差の実効値の単調増加が検出された時点における前記ＰＩＤ制御部の比例ゲインとに基づいて、ＰＩＤパラメータを決定し、該決定したパラメータを前記ＰＩＤ制御部に設定することを特徴とするＰＩＤ制御装置。
【請求項２】
前記偏差の周波数解析を行い、前記比例ゲインの増大に応じて前記偏差に発生する振動の周波数を検出するＦＦＴ解析部と、
前記偏差が入力され、前記ＦＦＴ解析部により検出された振動周波数成分を前記ＲＭＳ処理部に通過させるフィルタとを有することを特徴とする請求項１記載のＰＩＤ制御装置。
【請求項３】
目標値と制御対象からの検出値との偏差に基づいてＰＩＤ演算又はＰＩ演算により制御対象に対する操作量を算出するＰＩＤ制御部におけるＰＩＤパラメータを自動設定するＰＩＤ制御方法であって、
前記ＰＩＤ制御部を比例動作だけを行うＰ制御状態とする工程と、
前記目標値を一定とした状態で、前記ＰＩＤ制御部の比例ゲインを徐々に増大させる工程と、
前記偏差の周波数解析を行い、前記比例ゲインの増大に応じて前記偏差に発生する振動の周波数を検出する工程と、
前記偏差の振動の１周期ごとにその実効値を算出し、該算出した実効値が複数周期にわたって単調増加していることを検出したときに、前記ＰＩＤ制御部の比例ゲインの増大を停止する工程と、
前記ＰＩＤ制御部の比例ゲインの増大を停止したときの該比例ゲインの値を記録するとともに、前記ＰＩＤ制御部の比例ゲインを低下させる工程と、
前記偏差の振動周期と前記記録した比例ゲインの値とに基づいてＰＩＤパラメータを決定し、該決定したＰＩＤパラメータを前記ＰＩＤ制御部に設定する工程と
を含むことを特徴とするＰＩＤ制御方法。
【請求項１】
目標値と制御対象からの検出値との偏差に基づいてＰＩＤ演算又はＰＩ演算により制御対象に対する操作量を算出するＰＩＤ制御部と、
前記ＰＩＤ制御部を比例動作だけを行うＰ制御状態とし、前記目標値を一定とした状態で、前記ＰＩＤ制御部の比例ゲインを徐々に増大させるオートチューニング部と、
前記比例ゲインの増大に応じて前記偏差に発生する振動の１周期ごとにその実効値を算出し、該算出した実効値が複数周期にわたって単調増加していることを検出したときに、前記オートチューニング部による前記比例ゲインの増大を停止させるとともに、前記ＰＩＤ制御部の比例ゲインを低下させる機能と、前記振動の周波数を検出する機能とを有するＲＭＳ処理部とを有し、
前記オートチューニング部は、前記偏差の振動周期と、前記ＲＭＳ処理部により前記偏差の実効値の単調増加が検出された時点における前記ＰＩＤ制御部の比例ゲインとに基づいて、ＰＩＤパラメータを決定し、該決定したパラメータを前記ＰＩＤ制御部に設定することを特徴とするＰＩＤ制御装置。
【請求項２】
前記偏差の周波数解析を行い、前記比例ゲインの増大に応じて前記偏差に発生する振動の周波数を検出するＦＦＴ解析部と、
前記偏差が入力され、前記ＦＦＴ解析部により検出された振動周波数成分を前記ＲＭＳ処理部に通過させるフィルタとを有することを特徴とする請求項１記載のＰＩＤ制御装置。
【請求項３】
目標値と制御対象からの検出値との偏差に基づいてＰＩＤ演算又はＰＩ演算により制御対象に対する操作量を算出するＰＩＤ制御部におけるＰＩＤパラメータを自動設定するＰＩＤ制御方法であって、
前記ＰＩＤ制御部を比例動作だけを行うＰ制御状態とする工程と、
前記目標値を一定とした状態で、前記ＰＩＤ制御部の比例ゲインを徐々に増大させる工程と、
前記偏差の周波数解析を行い、前記比例ゲインの増大に応じて前記偏差に発生する振動の周波数を検出する工程と、
前記偏差の振動の１周期ごとにその実効値を算出し、該算出した実効値が複数周期にわたって単調増加していることを検出したときに、前記ＰＩＤ制御部の比例ゲインの増大を停止する工程と、
前記ＰＩＤ制御部の比例ゲインの増大を停止したときの該比例ゲインの値を記録するとともに、前記ＰＩＤ制御部の比例ゲインを低下させる工程と、
前記偏差の振動周期と前記記録した比例ゲインの値とに基づいてＰＩＤパラメータを決定し、該決定したＰＩＤパラメータを前記ＰＩＤ制御部に設定する工程と
を含むことを特徴とするＰＩＤ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２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【公開番号】特開２０１１−１１３１１１（Ｐ２０１１−１１３１１１Ａ）
【公開日】平成２３年６月９日（２０１１．６．９）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−２６６０７４（Ｐ２００９−２６６０７４）
【出願日】平成２１年１１月２４日（２００９．１１．２４）
【出願人】（０００１４３９４９）株式会社鷺宮製作所 (253)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年６月９日（２０１１．６．９）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年１１月２４日（２００９．１１．２４）
【出願人】（０００１４３９４９）株式会社鷺宮製作所 (253)
【Ｆターム（参考）】
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