[发明专利]控制装置以及控制方法

说明书

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。