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JPH0424701A - オブザーバ制御方式 - Google Patents

オブザーバ制御方式

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Publication number
JPH0424701A
JPH0424701A JP12457290A JP12457290A JPH0424701A JP H0424701 A JPH0424701 A JP H0424701A JP 12457290 A JP12457290 A JP 12457290A JP 12457290 A JP12457290 A JP 12457290A JP H0424701 A JPH0424701 A JP H0424701A
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JP
Japan
Prior art keywords
observer
nonlinear
state variable
estimated
mechanical system
Prior art date
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Pending
Application number
JP12457290A
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English (en)
Inventor
Nobutoshi Torii
信利 鳥居
Akira Nihei
亮 二瓶
Tetsuro Kato
哲朗 加藤
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Fanuc Corp
Original Assignee
Fanuc Corp
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Publication date
Application filed by Fanuc Corp filed Critical Fanuc Corp
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Priority to PCT/JP1991/000583 priority patent/WO1991018332A1/ja
Priority to EP19910908646 priority patent/EP0483367A4/en
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Pending legal-status Critical Current

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    • B25HAND TOOLS; PORTABLE POWER-DRIVEN TOOLS; MANIPULATORS
    • B25JMANIPULATORS; CHAMBERS PROVIDED WITH MANIPULATION DEVICES
    • B25J9/00Programme-controlled manipulators
    • B25J9/16Programme controls
    • B25J9/1628Programme controls characterised by the control loop
    • B25J9/163Programme controls characterised by the control loop learning, adaptive, model based, rule based expert control
    • GPHYSICS
    • G05CONTROLLING; REGULATING
    • G05BCONTROL OR REGULATING SYSTEMS IN GENERAL; FUNCTIONAL ELEMENTS OF SUCH SYSTEMS; MONITORING OR TESTING ARRANGEMENTS FOR SUCH SYSTEMS OR ELEMENTS
    • G05B13/00Adaptive control systems, i.e. systems automatically adjusting themselves to have a performance which is optimum according to some preassigned criterion
    • G05B13/02Adaptive control systems, i.e. systems automatically adjusting themselves to have a performance which is optimum according to some preassigned criterion electric
    • G05B13/0205Adaptive control systems, i.e. systems automatically adjusting themselves to have a performance which is optimum according to some preassigned criterion electric not using a model or a simulator of the controlled system
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Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野コ 本発明は機械系を制御するオブザーバ制御方式に関し、
特にロボットの機構部を制御するオブザーバ制御方式に
関する。
〔従来の技術〕
ロボットの機構部のような剛性の低い機械系では通常の
フィードバック制御あるいはフィードフォワード制御で
は高速な制御は困難である。機構部の先端にフィードバ
ック用のセンサを取りつけることができれば制御は相当
改善されるが、機構的にアームの先端等にセンサを設け
るのは困難である。このた給にオブザーバを使用して、
機構部の各種の位置、速度、加速度等を推定して、すな
わち推定状態変数を求め、これで系を制御することによ
り、より高速で安定した制御を可能にしている。
〔発明が解決しようとする課題〕
しかし、ロボットの機構部等の制御では、オブザーバの
入力に、重力の影響による重力項等の非線型項が推定状
態変数の上に現れ、オフセットが生じ、オブザーバの特
性が著しく低下し、状態フィードバック制御を行うとき
に、状態フィードバックゲインを大きく取れないという
問題が生じている。
本発明はこのような点に鑑みてなされたものであり、メ
インオブザーバへの入力非線型項を削除する外乱推定オ
ブザーバを有するオブザーバ制御方式を提供することを
目的とする。
〔課題を解決するための手段〕
本発明では上記課題を解決するために、機械系を監視し
て、状態変数を推定して前記機械系を制御するオブザー
バ制御方式において、前記機械系の線形要素に関する状
態変数を推定するメインオブザーバと、前記機械形の非
線形要素に関する状態変数を推定する外乱推定オブザー
バと、前記メインオブザーバの入力から前記非線形要素
を取り除く加算器と、を有することを特徴とするオブザ
ーバ制御方式が、提供される。
〔作用〕
外乱推定オブザーバにより、非線形の状態変数を推定し
、この非線形の状態変数を、すなわち非線形項をメイン
オブザーバから削除する。メインオブザーバは線形項の
みで、推定状態変数を推定できるので、非線形項の影響
のない推定状態変数を推定できる。この推定状態変数に
よって、機械系を制御すれば、機械系の状態フィードバ
ックゲインを上げることができる。
〔実施例〕
以下、本発明の一実施例を図面に基づいて説明する。
第1図は本発明のオブザーバ制御方式の一実施例のブロ
ック図である。指令人力Uは加算器1に入力され、フィ
ードバック量Yを引き、加算器1の出力は補償回路2に
送られる。ここで、指令人力はトルク指令入力とする。
補償回路2はPI制御回路等が使用され、その出力は加
算器3に入力され、メインオブザーバ7からの状態推定
変数であるフィードバック量を減算して、機械系A(4
a)に送られる。機械系A(4a>は線形な機械系B(
4b)と、重力項等の外乱りからなっているものとする
。外乱りは仮想した加算器5を通じて加算器3の出力に
加算されるものとする。
一方、加算器3の出力は加算器6で、外乱推定オブザー
バ8で求められた非線型項Dsを減算して、メインオブ
ザーバ7に人力される。この非線形項Dsは機械系A(
4a)に含まれる外乱りとほぼ等しい。この結果、オブ
ザーバ7には線形項のみが人力されることになる。オブ
ザーバ7はこの人力と、機械系B(4b)のフィードバ
ック信号Yから推定状態変数x1、x2、x3を推定す
る。推定状態変数xl等の詳細は後述する。
メインオブザーバ7への非線形項Dsは含まれていない
ので、非線形項の影響が推定状態変数X1、X2、x3
等の上に現れず、メインオブザーバ7の特性が向上し、
状態フィードバックゲインを高めることができる。なお
、推定状態変数X1、x2、x3は制御ループのフィー
ドバック信号として加算器3で補償回路2の出力から減
算される。
第2図は本発明を実施するためのロボットシステムのハ
ードウェアの構成図である。ホストプロセッサ9はロボ
ット全体を制御するプロセッサである。ホストプロセッ
サ9からはロボットの位置指令が共有RAMl0に書き
込まれる。なお、ホストプロセッサ9に結合されるRO
M、RAM等は省略しである。
ロボットに内蔵されたサーボモータ22を制御するDS
P (ディジタル・シグナル・プロセッサ)11はRO
M12のシステムプログラムに従って、共有RAM10
の位置指令を一定時間ごとに読み取り、ディジタル・サ
ーボ・LSI(DSL)14に電圧指令を出力する。な
お、必要な計算等はRAM13を使用して行う。
DSPIIは、内部に位置指令とサーボモータ22に内
蔵されたパルスコーダ23からの位置フィードバックと
の差分によるエラー量から速度指令を計算する。さらに
、位置フィードバックを微分して、速度フィードバック
を計算する。この速度フィードバックと速度指令との差
分からトルク指令を計算する。
サーボアンプ21は電圧指令を受けて、サーボモータ2
2を駆動する。サーボモータ22は減速機を介して、ア
ーム26を駆動する。図では、減速機等の機械系のバネ
成分24 (バネ定数に’c)、ダンピング成分25 
(ダンピング定数Bk)を模式的に表している。
また、DSPIIは第1図に示す補償回路2、メインオ
ブザーバ7、外乱推定オブザーバ8の機能をそれぞれ実
行する。
次にロボットのモデルとして第2図を例に説明する。こ
こで、 負荷側の条件を以下の通りとする。
Jt:負荷イナーシャ(モータ側換算値)θt:負荷側
角度(モータ側換算値) 減速器の定数を以下の通りとする。
Bk:粘性項 Kc:バネ定数 また、モータの定数を以下の通りとする。
Jm:ロータイナーシャ θm:モータ角度 まず、状態遷移行列を作成する。モータ側に注目して運
動方程式を立てると、以下の式が得られる。
T = J m *θm”  +Bk*  (θm”’
−θt ”’ )+Kc*  (θm−θt)また、負
荷側に注目して運動方程式を立てると、以下の式が得ら
れる。
0=Jt*θt ” 十Bk* (θt(1)θm(1
))+Kc*  (θt−θm)θm−θt=εt  
          °−(3a )θm ”’  −
θINI  =εt(1)      (3b)θm”
’  −θt ”  −e t ”       (3
c )ここで、(1)式をJmで除し、(2)式をJt
で除し、それぞれ両辺を引くと、 (T/Jm)=t t ” + [(Bk/Jm)+ 
(Bk/J t):] εt(1〕+ C(Kc/Jm
) + (Kc/J t)] εt εt ” =−[(Bk/Jm)+ (Bk/J t)
E t ”’ + [(K c/Jm)+ (Kc/J
 t) 〕εt + (T / J m )       (4)また、
(1)式をθm(2〕 について(3a)、(3b)、
(3C)式を代入すると、 θm ” = −(B k / J m)  E t”
’(K c / J m)  εt + (T / J m ) −−−−−(5)ここで、 εt(目 −xl ε t=X2 0m口)=x3 とすると、(4)、(5)式から、第3図に示す(6)
式が求まる。ここで、観測可能な状態変数はx3であり
、 Y−[001:]  [XI  X2  X3]”この
状態方程式から一般的な技法である同一次元オブザーバ
、すなわちメインオブザーバ7を作成して、Xl、x2
、X3を推定スル。
次に外乱推定オブザーバについて述べる。第4図は外乱
推定オブザーバのブロック図である。入力Ul  (入
力電流)はトルク定数Ktをかけることにより入力トル
クになり、加算器32に入力される。加算器32で外乱
トルク(X5)を加算して、ブロック33に入力する。
ここで、Jは機械系のイナーシャである。ブロック33
の出力はX4(11であり、ブロック34で積分されて
出力X4となる。ここで、Sはラプラス演算子である。
第5図は第4図のブロック図の状態方程式を表す図であ
る。(8a)式は第4図のブロック図の状態方程式であ
り、(8b)、(8c)式はそれぞれ、(8a)式の係
数を示す式である。ここで観測可能な状態変数は、 V=C10〕 [X4  X5]” で表される。これらの状態方程式からオブザーバを組む
一般的手法により、X4、X5を推定する同−次元オブ
ザーバ、すなわち外乱推定オブザーバ8を組むことがで
きる。
この外乱推定オブザーバ8を見ると、推定外乱x5はそ
の微分X5(’=0であり、殆ど一定の定常外乱(変化
の少ない、重力項、摩擦項)のみを推定することが判る
。また、オブザーバゲインを決定する際、振動の成分が
X5に影響しないように共振周波数よりもかなり低い立
ち上がり周波数になるように設定する。このx5をメイ
ンオブザーバ7の入力から削除する、すなわち第1図の
加算器6で減算する。これによって、外乱、すなわち非
線形成分の悪影響を取り除くことが可能になる。従って
、非線形項の影響を取り除いたため、状態フィードバッ
クゲインを高く設定できるようになり、それにより全体
の系を安定にすることができる。具体的には防振効果を
上げることが可能になる。
上記の説明ではロボットの機構部を例に説明したが、そ
れ以外の剛性の低い機械系の制御にも同様に適用できる
ことはいうまでもない。
〔発明の効果〕
以上説明したように本発明では、非線形成分を推定する
外乱推定オブザーバを設けて、外乱を推定し、メインオ
ブザーバの人力から削除するように構成したので、メイ
ンオブザーバの推定状態変数の上に非線形項の影響が現
れず、状態フィードバックゲインを上げることができ、
全体の系を安定にすることができる。さらに、振動も減
少する。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明のオブザーバ制御方式の一実施例のブロ
ック図、 第2図は本発明を実施するためのロボットシステムのハ
ードウェアの構成図、 第3図はメインオブザーバのブロック図、第4図は外乱
推定オブザーバのブロック図、第5図は第4図のブロッ
ク図の状態方程式を表す図である。 補償回路 機械系A 機械系B メインオブザーバ 外乱推定オブザーバ ホストプロセッサ 共有RAM DSP (ディジタル・ ロセッサ) サーボアンプ サーボモータ シグナル・プ ×5 い乱トルク) 第4図 第3図 第5図 手続補正書 (自発) 平成 3年 5月24日 件の表示 平成2年特許願第124572号 明の名称 オブザーバ制御方式 正をする者 事件との関係

Claims (4)

    【特許請求の範囲】
  1. (1)機械系を監視して、状態変数を推定して前記機械
    系を制御するオブザーバ制御方式において、前記機械系
    の線形要素に関する状態変数を推定するメインオブザー
    バと、 前記機械形の非線形要素に関する状態変数を推定する外
    乱推定オブザーバと、 前記メインオブザーバの入力から前記非線形要素を取り
    除く加算器と、 を有することを特徴とするオブザーバ制御方式。
  2. (2)前記機械系はロボットの機構部であることを特徴
    とする請求項1記載のオブザーバ制御方式。
  3. (3)前記非線形項は少なくとも重力による非線型項を
    含むことを特徴とする請求項1記載のオブザーバ制御方
    式。
  4. (4)前記外乱推定オブザーバの立ち上がり周波数とし
    て、前記メインオブザーバで必要とする推定状態変数の
    周波数に影響を与えない周波数を設定したことを特徴と
    する請求項1記載のオブザーバ制御方式。
JP12457290A 1990-05-15 1990-05-15 オブザーバ制御方式 Pending JPH0424701A (ja)

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JP12457290A JPH0424701A (ja) 1990-05-15 1990-05-15 オブザーバ制御方式
PCT/JP1991/000583 WO1991018332A1 (en) 1990-05-15 1991-04-26 Observer control system
EP19910908646 EP0483367A4 (en) 1990-05-15 1991-04-26 Observer control system

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