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PID CONTROLLER AND METHOD FOR SETTING CONTROL ELEMENTS OF ITS PID CONTROL SYSTEM

Patent code P07P004415
File No. RJ008P68
Posted date Jul 30, 2007
Application number P2006-006309
Publication number P2007-188322A
Patent number P4759391
Date of filing Jan 13, 2006
Date of publication of application Jul 26, 2007
Date of registration Jun 10, 2011
Inventor
  • (In Japanese)長縄 明大
  • (In Japanese)平元 和彦
  • (In Japanese)森 英季
  • (In Japanese)渋谷 嗣
Applicant
  • (In Japanese)国立研究開発法人科学技術振興機構
  • (In Japanese)国立大学法人秋田大学
Title PID CONTROLLER AND METHOD FOR SETTING CONTROL ELEMENTS OF ITS PID CONTROL SYSTEM
Abstract PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a method for determining control elements for performing positioning at high speed with accuracy over a target servo band in a PID controller.
SOLUTION: In the method for setting control elements of the PID control system, a frequency response characteristic of an object to be controlled is measured and a transfer function of a secondary delay system of a feedback control system approximated to the frequency response characteristic is identified. The transfer function of a controller for controlling the object to be controlled is set to an incomplete differentiation type including comparison, integral, and differential gain factors, an open loop transfer function expressed by an integration between a transfer function of the controller and the transfer factor of the object to be controlled is defined, the comparison, integral, and differential gain factors of the controller are obtained so as to cancel resonance characteristics owned by the object to be controlled, and they are set to the controller.
Outline of related art and contending technology (In Japanese)


ハードディスクの開発が進み、その記録容量は、急速に増加して200Gbit/in2の記録密度が達成されようとしている。この高密度化の背景には、線記録密度の向上と共にトラック密度の向上が著しく、近い将来に1Tbit/in2の記録密度が達成された場合、トラックピッチは、50nm以下になるものと予想される。磁気ヘッドが記録トラック上で許容される追従誤差は、トラックピッチの10%程度とされ、磁気ヘッド並びにメディアの開発に用いられる磁気記録評価装置(スピンスタンド)では、トラックプロファイル或いはオフトラックマージン等を計測するために更に1/10以下、即ち、サブナノメートルの位置決め技術が要求されている。



このようにスピンスタンド上で高速高精度なトラッキングを実現する為に微動アクチュエータ(Nano-motion Actuator: NMA)及びその制御系の開発が要請されている。



このような背景から、発明者等は、既に特許文献1において高速高精度なトラッキングを実現する為の微動アクチュエータを提案しているが、更に、この微動アクチュエータを高速高精度に位置決め制御する為の制御系の改良が要請されている。制御系としてPID制御装置が適用されるが、PID制御装置は、比例要素(P)、微分要素(D)及び積分要素(I)の3つの要素を組み合わせて構成され、一般的には、これら3つの要素のゲインが仕様として与えられるサーボ帯域を実現するように試行錯誤して決定される。このように制御要素を決定するには、サーボ帯域を制限する機構の共振特性を打ち消すように、PID制御装置に反共振特性を与えて広帯域化を実現している。また、位置決めにおけるオーバーシュート量を抑制するようにゲインを決定している。サーボ帯域を制限する機構の共振特性を打ち消すように、PID制御装置に反共振特性を与える為にノッチフィルタを利用する制御系があるが、高速での応答実現の妨げになる場合がある。
【特許文献1】
特開2005-261167

Field of industrial application (In Japanese)


この発明は、目標サーボ帯域を実現するPID制御装置及びそのPID制御系の制御要素を設定する方法に係り、特に、圧電素子及び並行バネ機構からなるアクチュエータを高速高精度に位置決めするための制御装置及び制御系の制御要素を設定する方法に関する。

Scope of claims (In Japanese)
【請求項1】
 
フィードバック制御系における制御対象の周波数応答特性を測定してこの周波数応答特性に近似させた制御対象の2次遅れ系の伝達関数を特定し、
前記制御対象を制御する制御器の伝達関数を比例、積分及び微分ゲイン係数(KP,KI,KD)を含む不完全微分型に設定し、
前記制御対象が有する共振特性を打ち消すように前記制御器の伝達関数と前記制御対象の伝達関数との積で表される開ループ伝達関数を下記式L(s)に定め、この式L(s)の関係となるように前記制御器の比例、積分及び微分ゲイン係数(KP,KI,KD)を前記不完全微分器に含まれるパラメータα、前記2次遅れ系の伝達関数に含まれるゲイン定数K、減衰率ζ及び固有角周波数ωn並びにパラメータL1を含む関係式で定め、
【数1】
 


仕様として与えられるサーボ帯域を角周波数ωd実現するように、上記式L(s)における前記パラメータL1を下記式に定め、
【数2】
 


前記不完全微分器に含まれる前記パラメータαを当該フィードバック制御系に混入する高周波数域におけるノイズの影響及び目標応答特性におけるオーバーシュート量を考慮して決定し、
前記パラメータL1及びα並びにゲイン定数K、減衰率ζ及び固有角周波数ωnで特定される前記比例、積分及び微分ゲイン係数(KP,KI,KD)を制御要素として前記制御器に与えるPID制御系の制御要素を設定する方法。

【請求項2】
 
前記2次遅れ系の伝達関数は、下記制御対象の式P(s)
【数3】
 


(ここで、ζは、減衰率、ωnは、固有角周波数であり、Kは、ゲイン定数である。)で表されることを特徴とする請求項1のPID制御系の制御要素を設定する方法。

【請求項3】
 
前記制御器の伝達関数が下記式で表される伝達特性K1(s)を有し、比例、積分及び微分ゲイン係数(KP,KI,KD)を含む不完全微分型に設定することを特徴とする請求項1のPID制御系の制御要素を設定する方法。
【数4】
 



【請求項4】
 
前記パラメータL1は、L(s)の周波数応答の角周波数ωdにおけるゲインが1となるように定めることを特徴とする請求項1のPID制御系の制御要素を設定する方法。

【請求項5】
 
前記比例ゲインKpは、マイナスに定められるように減衰率、パラメータαが2ζα<ωnに関係に定められることを特徴とする請求項1のPID制御系の制御要素を設定する方法。

【請求項6】
 
フィードバック制御系におけるあるモデルの2次遅れ系の伝達関数で近似されている周波数応答特性を有する制御対象と、
比例、積分及び微分ゲイン係数(KP,KI,KD)を含む伝達関数が不完全微分型に設定されている前記制御対象を制御する制御器であって、前記制御対象が有する共振特性を打ち消すように前記制御器の伝達関数と前記制御対象の伝達関数との積で表される開ループ伝達関数が下記式L(s)に定められ、この式L(s)の関係となるように前記制御器の比例、積分及び微分ゲイン係数(KP,KI,KD)が前記不完全微分器に含まれるパラメータα、前記2次遅れ系の伝達関数に含まれるゲイン定数K、減衰率ζ及び固有角周波数ωn並びにパラメータL1を含む関係式で定められ、
【数5】
 


ここで、前記開ループ伝達関数L(s)のパラメータL1が仕様として与えられるサーボ帯域を角周波数ωd実現するように、下記式で定められ、
【数6】
 


また、前記不完全微分器に含まれる前記パラメータαが当該フィードバック制御系に混入する高周波数域におけるノイズの影響及び目標応答特性におけるオーバーシュート量を考慮して決定され、
前記パラメータL1及びα並びにゲイン定数K、減衰率ζ及び固有角周波数ωnで特定される前記比例、積分及び微分ゲイン係数(KP,KI,KD)を制御要素として与えられている制御器と、
から構成されることを特徴とするPID制御装置。

【請求項7】
 
前記2次遅れ系の伝達関数は、下記制御対象の式P(s)
【数7】
 


(ここで、ζは、減衰率、ωnは、固有角周波数であり、Kは、ゲイン定数である。)で表されることを特徴とする請求項6のPID制御装置。

【請求項8】
 
前記制御器の伝達関数が下記式で表される伝達特性K1(s)を有し、比例、積分及び微分ゲイン係数(KP,KI,KD)を含む不完全微分型に設定することを特徴とする請求項7のPID制御装置。
【数8】
 



【請求項9】
 
前記パラメータL1は、L(s)の周波数応答の角周波数ωdにおけるゲインが1となるように定めることを特徴とする請求項7のPID制御装置。

【請求項10】
 
前記比例ゲインKpは、マイナスに定められるように減衰率、パラメータαが2ζα<ωnに関係に定められることを特徴とする請求項7のPID制御装置。
IPC(International Patent Classification)
F-term
Drawing

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JP2006006309thum.jpg
State of application right Registered
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