专利名称：控制装置以及控制方法
技术领域：
本发明涉及一种控制系统的新型设计方法以及其控制装置及控制方法，特别是涉及适合于进行运动控制的控制装置以及控制方法。另外，本发明涉及能够实现在轧制机等电机速度控制、压下位置控制方面有效的控制，并且与目标值跟踪控制相并行进行负载跟踪控制，消除由于负载剧烈变化引起的冲击损失，几乎不发生控制偏差的高精度控制的控制装置。
作为控制系统的设计方法，以往提出了各种方法，并且还确立了其理论体系。然而，在基于古典控制理论的设计中，由于把单输入、单输出的控制系统作为对象，同时控制多个状态，因此采用在每一种状态各设计一个关于最内部状态的控制装置，在其外侧构成对于下一个状态的控制系统的基于多路环的控制系统的结构。即，如图3所示，在控制对象由Gp1，Gp2构成的情况下，首先，设计对于Gp1的控制装置Gc1，其次，设计对于由Gp1和Gc1构成的环路系统与由Gp2构成的控制系统的控制装置Gc2，把其输出提供为Gc1的目标值。同样，在存在未图示的外侧环路时，设计对于其控制对象Gp3的控制装置Gc3，把其输出提供为Gc2的目标值，这样，采用从内部的系统开始进行设计，顺序地设计外部系统的多路环结构。
在这样的控制方法中，内部的控制系统如果不能够比外部的控制系统进行更高速的响应，则不能够实现稳定而适宜的控制，这是众所周知的。另外，外侧控制系统依赖于内侧控制环路的响应，外侧控制系统的响应滞后。
另外，在最新的控制理论下对于众多状态变量的控制装置的设计虽然通过矩阵运算同时设计n个控制装置，然而由于各控制装置与控制对象的状态量的物理现象关系不明确，因此处于不能简单调整控制系统的状况。
本发明的目的在于提供一种控制装置，其中通过对于控制对象，设计者预先给出对于多个控制系统的预定的响应函数，设计分别位于各个控制系统中的控制装置，从而能够排除对于各个控制系统的响应性能的制约，明确各个控制装置与控制对象的状态变量的物理现象关系，容易地进行调整。
本发明中，顺序地进行设计使得把每个单独子系统的控制装置作为对象的控制系统的频率响应成为预定的控制响应，通过把其控制装置的输出相加作为对控制对象的操作输入。即，从至第i-1个为止已经完成了设计的控制装置和控制对象设计第i个控制装置使得第i个控制系统的响应成为预定响应函数，把n个控制装置的输出相加后作为控制对象的输入操作量。
另外，各控制装置内的一部分进行对于扰动的抑制控制。
进而，由于在控制输入信号中包括检测器的噪声信号和加入到信号电缆上的电噪声，因此如果在控制运算中存在微分运算则有时受到各种噪声的影响控制系统会不稳定。为此，在本发明中，通过把成为微分运算对象的状态量和具有微分关系的状态量进行置换，变换为其它的运算环路，即仅用比例、积分以及一次延迟、二次延迟等n次延迟单元构成全部控制装置的控制运算，避免该问题。
本发明用第一控制装置进行使最终控制对象的状态跟踪目标值的控制，用第二控制装置对于加入到控制系统的负载扰动进行控制使得控制系统稳定。进而，即使在对象的控制系统中是扰动变量，但在其上一级的控制系统中存在希望控制为预定值的状态量的情况下，通过分离第二控制装置的功能，添加第三控制装置。
图1是成为本发明对象的基本控制系统，用框图示出控制对象与控制装置的关系。
图2是为了说明设计本发明的第二控制装置而把图1进行了变换的图。
图3示出与本发明相关的以往例。
图4是作为本发明代表性控制对象的电机的框图。
图5是本发明的电机控制中的实施例。
图6是图5的控制变形例(消除微分项的例子)。
图7是把本发明适用在轧制机的控制中的结构例。
图8是作为本发明的进一步扩展添加了第三控制装置的实施例。
图9是扩展了图8的实施例。
用于实施发明的最佳形态首先，使用图1说明本发明的基本控制装置的设计方法。
图1中，1的Gp是控制对象的传递函数，11的Gp1，12的Gp2是Gp的部分传递函数。即，具有Gp＝Gp1·Gp2 (公式1)的关系。r是本控制系统的目标值，c是控制量。设d为扰动。Gc是用于控制控制量c的第一控制装置，Gd是用于抑制扰动的第二控制装置。本发明中，设计第一控制装置Gc使得从目标值r开始到控制量c的控制系统的开环传递函数成为预定的响应函数。例如，在把图1的开环传递函数的预定响应函数设为Ga时，成为Gp·Gc/(1+Gp·Gc)＝Ga (公式2)根据上式，控制装置Gc的控制运算由下式给出。
Gc＝Ga/(Gp·(1-Ga)(公式3)其次，目的在于使第二控制装置Gd进行动作使得加入了扰动的控制对象的部分传递函数Gp1的输出跟踪扰动d。如果把图1的控制系统与从扰动d到Gp1的输出x的框图进行置换则成为图2。这里，求第二控制装置的传递函数Gd使得从扰动d到状态x的传递函数等于预定的响应传递函数Gb。即，(Gd·Gp1+Gp1·Gp2·Gc)/(1+Gp1·Gp2·Gc)＝Gb (公式4)这里，Gp1·Gp2＝Gp。如果根据上式求第二控制装置的控制运算传递函数Gd，则由下式给出。
Gd＝Gb/Gp1+(Gb-1)·Gb2·Gc(公式5)在图1的控制装置中分别设定公式3的Gc和公式5的Gd。
在以往的控制方式中，采用图3所示那样串联连接的控制装置，但是用上述本发明的设计原理难以设计G1，G2。
以适用于轧制机的电机控制的例子进一步详细地说明本发明。
图4是控制对象的电机的众所周知的框图。如果与图1、图2所示的控制对象的框图相对应，则存在由电机的反电动势产生的反馈环，控制对象的传递函数Gp成为下式。
Gp＝K/(Js·(Ts+1)+KH) (公式6)进行该电机的速度控制和负载转矩控制时，成为图5所示的框图，Gc是速度控制装置，Gd是负载转矩控制装置，电机端子电压成为操作量。
这里设计速度控制装置Gc使得从速度目标值ωp到电机角速度ωa的响应传递函数成为Ga＝1/(Tas+1)(公式7)时，代入到公式3中，进行设计。
Gc＝Ga/(Gp·(1-Ga))＝(Js(Ts+1)+KH)/(KTas)＝J/(KTa)+H/(Tas)+JTs/(KTa)(公式8)其次，在公式5中，置换为Gp1＝K/(Ts+1)，Gp2＝1/Js，代替Gc，置换为(H+Gc)，由此图5与图2变换为相同的框图。
从而，负载转矩控制的控制运算传递函数Gd如果把预定响应函数设为(Tbs+1)，则成为Gd＝Gb/Gp1+(Gb-1)·Gp2(H+Gc)＝(Ts+1)/(K·(Tbs+1))-Tb·(H+Gc)/((Tbs+1)·J)(公式9)其中，公式9中的Gc是由公式8给出的运算传递函数。
上述的控制运算是根据本发明的原理适用电机的驱动控制的情况，而如从公式8的第三项所知，存在着包含微分项的控制运算。在通常的电机控制中，称为“波动”的脉动包含在速度和电流中，如果存在微分项则受其影响控制不稳定，存在着不能够加大控制增益的问题。本发明中为了消除该问题，特征在于例如在用公式8的运算进行控制时，着眼于输入是电机速度的目标值与实测值的差分以及作为控制对象的图4电机的框图，把速度的微分(即公式8的第三项)变换为负载转矩与电机发生转矩(与电机电流成比例)。即，JTs/(KTa)≠(ωp-ωa)＝JTs/KTa≠ωp-T/KTa≠(-d+x)(公式10)上式中，使第二项中扰动d的项包含在公式9中，把作为电机发生转矩的x的项(实际上使用电机电流)作为图6所示的新的反馈项。即，把公式8的第一项和第二项作为速度控制装置Gc的控制运算，第三项根据公式10进行分解，在用公式10的第一项把速度指令值ωp微分了(由于是指令值因此不包括噪声)的信号上乘入了JT/KT的值在速度控制装置Gc系统的输出上进行加法运算，进而把公式10的第三项T/KTa≠x作为来自电机电流的反馈项加入到速度控制装置Gc的输出上。公式10的第二项在公式9中进行加法运算包含在Gd的运算中。通过这样的变换可以消除微分项。
在轧制机驱动系统中，众所周知负载转矩d是由轧制载荷产生的转矩与作用在轧制机前后的张力产生的转矩。即d＝A1·P+A2·(TB-TF) (公式11)其中，A1、A2是系数。这里第一项的轧制载荷P能够用负载单元等检测器测定，由P产生的转矩是可测定的扰动。张力TB、TF也是能够用张力计测定或者根据电机转矩与轧制载荷运算的、可测定的扰动，能够作为第二控制装置的输入提供。图7示出这样的控制系统例。
然而，在轧制机的控制中，通常张力是要被控制的状态量，以往，输入张力测定值，进行修正速度目标值的张力控制。在本发明中，把第二控制装置的输入分离为轧制载荷P的项即公式11的第一项和张力TB或TF的项即公式11第二项的某一个，把张力输入到第三控制装置，把其输出加入到向第二控制装置的输入上控制张力。例如，控制TF时如图8所示那样，把第三控制装置的输入取为TF的目标值与测定值的差分ΔTF，乘上控制运算传递函数Gt，把其输出Gt·ΔTF作为公式11的TF。另外，也可以是图9那样把Gt·ΔTF直接加入到第一，第二控制装置的输出上的形式。Gt的运算传递函数的设计在设计了第一，第二控制装置以后，用上述公式3的形式进行设计使得包括该系统在内，从张力目标值到实际张力的传递函数成为预定的响应传递函数。
以上以轧制机的电机控制为对象详细地说明了本发明，然而本发明如从原理所明确的那样，并不限定于电机控制，也可以广泛地适用在轧制机的压下定位控制，自动装置和XY记录仪等的伺服控制，化学工艺中的流量控制，电力中的电压、频率控制，汽车的引擎控制等中，是通用的技术。
另外，本发明即使用数字运算进行也不存在任何问题。
本发明提供能够使各控制变量与控制装置的对应明确化，进行对于主控制变量的目标值跟踪(或者预定)控制的同时，能够高速而且高精度地进行对于负载扰动的控制，特别是必须以单操作量控制多个状态的控制系统的控制中适宜的控制装置。另外，由于各控制装置的分担明确，因此在能够容易地调整系统的同时，能够与其它控制装置无关地消除作为控制功能不需要的控制装置，进而，由于能够提供预定的响应传递函数设计各控制装置，因此系统能够得到扩展和改善。
权利要求
1.一种控制装置，用于从控制对象的传递函数决定控制装置的控制运算函数，根据该决定了的控制运算函数调整控制对象的操作量，特征在于决定上述第一控制装置的控制运算函数，使得包括控制对象和第一控制装置的控制系统的开环传递函数与预先确定的第一传递函数一致，决定第二控制装置的控制运算函数，使得以由控制对象和第一控制装置构成的闭环控制系统为对象时，从加入到控制对象的扰动到该扰动加入到控制对象的位置的状态变量的传递函数与预先确定的第二传递函数一致，把第一以及第二控制装置的输出的和信号作为控制对象的操作量。
2.如权利要求1中记述的控制装置，特征在于在运算函数中包括微分操作项的情况下，把成为该微分操作项的输入的第一状态变量从控制对象的传递函数的关系变换为具有第一状态变量的微分关系的第二状态变量，把上述微分动作变换为比例或者积分动作。
3.如权利要求1中记述的控制装置，特征在于上述第二控制装置从控制对象的外部可检测状态检测或者推断控制对象的扰动状态，作为第二控制装置的输入。
4.如权利要求3中记述的控制装置，特征在于在扰动状态的检测或者推断中使用控制部分扰动变量的第三控制装置的输出值。
5.一种控制装置，特征在于具有进行控制使得控制对象的控制量与目标值一致的第一控制装置、和输入加入到控制对象的扰动变量的检测值或者推断值使得控制对象的内部变量跟踪扰动的第二控制装置，把上述第一控制装置的输出与第二控制装置的输出相加后加入到控制对象上作为操作量。
6.如权利要求5中记述的控制装置，特征在于上述第二控制装置检测或者推断扰动变量的一部分，另一部分变量作为第三控制装置的输出。
7.一种控制系统，用于把电机的端子电压作为操作量控制电机转速，特征在于包括，第一控制装置，用于使用从端子电压到转速的传递函数，把转速的目标值与转速的检测值的差分作为输入，把上述端子电压作为输出，以及第二控制装置，用于调整上述端子电压，使得把加入到电机的负载转矩作为输入，电机的电流跟踪该负载转矩。
8.一种控制系统，特征在于设计权利要求7中的第一控制装置的传递函数，使得从电机的传递函数和第一控制装置的传递函数求出的开环传递函数与预定的传递函数一致。
9.一种控制系统，特征在于根据由权利要求8中设计的第一控制装置和控制对象的传递函数构成的闭环传递函数设计权利要求7中的第二控制装置的传递函数，使得从负载转矩到电极电流的响应与预定的响应传递函数一致。
10.一种控制系统，特征在于在作为权利要求9的第二控制装置的输入的负载转矩中，该负载转矩为由多个外部变量构成的对象时，检测或者推断一部分外部变量作为第二控制装置的输入，另一部分变量作为把其变量的预先给定的基准值或者平均值与其检测值或者推断值的差分进行比例或者积分运算的第三控制装置的输出加入到第二控制装置的输入中。
11.一种控制系统，特征在于在权利要求10中，第二控制装置的输入采用初始的一部分外部变量的检测值或者推断值，把第三控制装置的输出加入到第二控制装置的输出上。
12.一种控制装置，在轧制机的驱动控制装置中，特征在于把第一控制装置作为把电机速度的指令值与实际速度的检测值或者推断值作为输入的速度控制装置，第二控制装置作为把依赖于轧制载荷的负载转矩作为输入把电机端子电压作为输出的转矩控制装置，第三控制装置作为输入张力的目标值与其检测值的差分，作为第二控制装置的输入指令的张力转矩指令或者作为第二输出的电机端子电压的张力控制装置。
13.一种压下位置控制装置，在轧制机的压下位置控制装置中，特征在于第一控制装置是作为把压下位置的指令值与其检测值的差分作为输入的压下位置控制装置，第二控制装置是作为把轧制载荷作为输入进行压下位置修正输出的压下修正控制装置。
14.一种位置伺服控制系统，在位置伺服控制系统中，特征在于第一控制装置进行位置控制，第二控制装置进行位置变化速度的速度控制，第三控制装置对加到伺服电机上的负载转矩进行转矩控制。
15.一种控制装置，特征在于根据响应函数和控制对象的传递函数设计第一控制装置，使得由控制装置和控制对象构成的控制系统的响应成为预定的响应函数，根据由第一控制装置和控制对象构成的控制系统的传递函数与第二控制装置的预定响应函数设计第二控制装置，根据由第一，第二控制装置和控制对象构成的控制系统的传递函数与第三响应函数设计第三控制装置，把第一，第二，第三控制装置的输出进行相加，作为控制对象的操作量。
16.如权利要求15中记述的控制装置，特征在于第三控制装置的输出加到第二控制装置的输入上。
17.一种控制装置，在具有n个状态变量的控制系统的控制装置中，特征在于把以最末级输出的控制量为对象的控制装置作为第一控制装置，从至第i-1已经结束了设计的控制装置和控制对象设计第i个控制装置使得第i个控制系统的响应成为预定响应函数，把n个控制装置的输出相加作为控制对象的输入操作量。
18.如权利要求1至17中记述的控制装置，特征在于在各控制装置的控制运算中，关于微分运算，从控制对象的传递函数的关系变换为具有该状态变量的微分关系的状态量，形成其它的运算环，不直接进行微分运算。
19.一种控制方法，在从控制对象的传递函数决定控制装置的控制运算函数，根据该决定了的控制运算函数调整控制对象的操作量的控制方法中，特征在于决定上述第一控制装置的控制运算函数，使得包括控制对象和第一控制装置的控制系统的开环传递函数与预先确定的第一传递函数一致，决定第二控制装置的控制运算函数，使得在把由控制装置和第一控制装置构成的闭环控制系统为对象时，从加入到控制对象的扰动到该扰动加入到控制对象的位置的状态变量的传递函数与预先确定的第二传递函数一致，把第一以及第二控制装置的输出的和信号作为控制对象的操作量。
全文摘要
在根据控制对象的传递函数决定控制装置的控制运算函数、根据所决定的控制运算函数调整控制对象的操作量的控制装置中,决定第一控制装置的控制运算函数,使得包括控制对象和第一控制装置的控制系统的开环传递函数与预先确定的开环传递函数一致;决定第二控制装置的控制运算函数,使得以由控制装置和第一控制装置构成的闭环控制系统为对象时,从加入到控制对象的扰动到扰动加入到控制对象的位置的状态变量的传递函数与预先确定的第二传递函数一致,把第一以及第二控制装置的输出的和信号作为控制对象的操作量。
文档编号B21B37/58GK1275216SQ9980120
公开日2000年11月29日 申请日期1999年4月19日 优先权日1998年4月24日
发明者诸冈泰男, 稻叶博美, 中原崇, 冈田隆, 岩路善尚, 飞世正博 申请人:株式会社日立制作所