(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
流体圧アクチュエータの出力を変換手段により電気信号に変換し、この出力信号ｙをフィードバックして制御弁に入力し、制御弁の出力を流体圧アクチュエータに入力することにより、流体圧アクチュエータを目標値に追従させるようにした制御装置において、
上記制御弁への入力信号ｇを一次ないし多次遅れ要素とゲインｋc とをカスケード結合した補償手段によって演算し、その演算信号ｚを流体圧アクチュエータの出力信号ｙに加算し、これをフィードバック信号ｒとすることを特徴とする流体圧アクチュエータの制御装置。
【請求項２】
請求項１に記載の制御装置において、
上記遅れ要素の時定数の逆数ωc を、制御弁，流体圧アクチュエータおよび変換手段からなる制御対象の固有振動数ωn の１／４倍以上とし、かつ上記ゲインｋc を下記範囲とすることを特徴とする制御装置。
【数１】
0003640414.tif 000007
但し、ｋs は制御対象の比例定数、ζは制御対象の減衰率である。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の制御装置において、
目標信号ｘとフィードバック信号ｒとの偏差ｅに応じて０又は１を出力するウインドコンパレータと、制御弁への入力信号ｇとウインドコンパレータの出力ｆとを乗算する乗算手段とを設け、この乗算信号を上記補償手段の入力信号とすることを特徴とする制御装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は油圧シリンダや空圧シリンダ等の流体圧アクチュエータの制御装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
流体圧シリンダあるいはアクチュエータは、その形状に比較して出力の大きなものが得られる利点があり、サーボモータやステッピングモータなどの電動アクチュエータにはない長所を持っている。特に、線型アクチュエータである流体圧シリンダは、適切に制御すると電動アクチュエータでは得られないような速応性と動力を得ることができる。
しかしながら、上述した適切な制御を行うには、ある程度の制御理論および経験が必要であり、流体圧システムでないと達成できないような応用に限られる傾向があり、一般作業への応用が予想されたようには普及していない。
【０００３】
図１は流体圧アクチュエータの従前のフィードバック系を示したものである。
図において、１はシリンダであり、負荷（図示せず）を直線方向に駆動する。このシリンダ１はサーボ弁や比例弁などからなる制御弁２で制御される。制御弁２は増幅器５の命令信号をソレノイドなどの電気−流体圧変換部３で受け、シリンダ１に接続されるＡポートとＢポートに対するＰポートとＴポートの接続を比例的に制御する。Ｐポートは流体圧源６ａに接続された入力ポートであり、Ｔポートはタンク６ｂに接続されたドレーンポートである。
なお、制御弁２としては、リニアソレノイド弁のような比例弁の他、トルクモータやパルスモータを用いた制御弁、電磁パイロット弁と主切換弁とを組み合わせたもの等であってもよく、入力信号に比例した流体圧を出力できるものであれば、いかなる弁でもよい。
【０００４】
例えばＡポートとＰポートとが接続されるよう増幅器５の命令信号が印加されると、シリンダ１のピストン１ａは右方向へ移動し、その移動速度が命令信号の大きさにほぼ比例する。
ピストン１ａの変位Ｙは変位センサ４で検出され、その検出された変位信号ｙは増幅器５の負入力側へフィードバックされる。このフィードバック信号ｒとシリンダ１の目標となる位置命令信号ｘとが比較され、もし図１のフィードバック制御系が安定であれば、ｙ＝ｘとなって目的の制御が完成する。
【０００５】
図２は図１の動的なシステムをラプラス演算子Ｓを用いてブロック線図化したものである。
但し、Ｋ  ：増幅器５の増幅率
ｋs ：制御対象を構成するソレノイド３〜制御弁２〜シリンダ１〜センサ４の信号伝達系の比例定数
ζ  ：制御対象の減衰率
ωn ：制御対象の固有振動数
である。図２から明らかなように、制御対象は積分要素１／Ｓと２次の振動系からなる。なお、積分要素１／Ｓはシリンダ１の数学モデルで疑問の余地はないが、制御弁２、シリンダ１の粘性抵抗、流体の圧縮性および負荷の特性によって、２次ではなく３次、あるいは簡単に１次の振動系など様々な数学モデルを考慮しなければならないが、ここでは最も代表的な２次系とした。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
さて、冒頭に述べた制御理論と経験の習熟が必要である点について述べる。
図２のブロック図において、
ｋs ＝１
ωn ＝２００rad/sec
ζ＝０．７
とし、増幅器５の増幅率Ｋを３０〜２００に変化させたとき、ｘに対するｙの応答性を実験的に示したのが図３と図４である。但し、ｘは大きさ１のステップ入力とした。以下、特定なき場合はｘをステップ状に変化させて実験を行った。
【０００７】
図にみるように、Ｋ＝７５で最終目標値ｙ＝１に対してオーバーシュートがあり、Ｋ＝１００で振動的な応答になる。さらに、Ｋ＝２００とすると持続振動が現れ、Ｋをこれ以上大きくすると、システムが不安定になることを示している。
このように、Ｋの値によってシステムの応答が異なり、Ｋの最適調整に苦慮することになる。そして、図４のように不必要にＫを大きくした場合には、元来が駆動力あるいはパワーの大きなことを特徴とする流体圧システムであるから、システムの構成機器を破壊する恐れがある。
正にこの点が、流体圧アクチュエータの一般産業への普及を妨げた点であると考えられる。
【０００８】
そこで、本発明の目的は、複雑な制御理論や経験を必要とせず、増幅器の増幅率を実質的に任意に選択しても、システムが不安定にならず、流体圧アクチュエータを適切に制御できる制御装置を提供しようとするものである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明は、流体圧アクチュエータの出力を変換手段により電気信号に変換し、この出力信号ｙをフィードバックして制御弁に入力し、制御弁の出力を流体圧アクチュエータに入力することにより、流体圧アクチュエータを目標値に追従させるようにした制御装置において、上記制御弁への入力信号ｇを一次ないし多次遅れ要素とゲインｋc とをカスケード結合した補償手段によって演算し、その演算信号ｚを流体圧アクチュエータの出力信号ｙに加算し、これをフィードバック信号ｒとするものである。
なお、上記遅れ要素の時定数の逆数ωc を、制御弁，流体圧アクチュエータおよび変換手段からなる制御対象の固有振動数ωn の１／４倍以上とし、かつ上記ゲインｋc を下記範囲とすれば、一層効果的である。
【数２】
0003640414.tif 000002
但し、ｋs は制御対象の比例定数、ζは制御対象の減衰率である。
また、目標信号ｘとフィードバック信号ｒとの偏差ｅに応じて０又は１を出力するウインドコンパレータと、制御弁への入力信号ｇとウインドコンパレータの出力ｆとを乗算する乗算手段とを設け、この乗算信号を上記補償手段に入力するようにすれば、システムの安定性を保持しながら、速応性をも改善できる。
【００１０】
【作用】
制御弁への入力信号は、制御弁だけでなく一次ないし多次遅れ要素とゲインｋc とをカスケード結合した補償手段にも入力される。補償手段の演算信号は流体圧アクチュエータの出力信号ｙに加算され、フィードバック信号ｒとされる。上記補償手段により、増幅器の増幅率を任意に選択しても、安定な流体圧システムを得ることができる。
【００１１】
【実施例】
図５は本発明にかかる流体圧システムの一例を示し、図６はラプラス演算子を用いたシステムのブロック線図である。なお、図１，図２と同一部品には同一符号を付して詳しい説明を省略する。
増幅器５から出力される命令信号は、従前のシステム（図１参照）と異なり、制御弁２の電気−流体圧変換部３に印加されるだけでなく、補償手段の一例である補償回路７にも印加され、後述する演算を実施した後の信号Ｚがシリンダ１の変位信号ｙ（実際には変換手段の一例である変位センサ４の出力信号）に加算される。この加算後の信号ｒが増幅器５の負入力側へフィードバックされる。
上記補償回路７は、図６に示すごとく、一次遅れ要素７ａと比例ゲイン７ｂのカスケード結合からなる。一次遅れ要素７ａの時定数の逆数をωc とし、ゲイン７ｂのゲインをｋc とすると、これらパラメータは以下のように選定される。
【００１２】
−ωc の選定−
ωc を変化させた時の変位信号ｙの応答の実験結果を図７に示す。この実験に当たって、各パラメータを次のように設定した。
ｋs ＝１
ωn ＝２００rad/sec
ζ＝１．０
Ｋ＝１００
ωc ＝１０，５０，１００，２００および５００rad/sec
図７から明らかなように、ωc の値をほぼ（１／４）ωn 以上とすれば、安定した応答が得られることが分かる。即ち、
ωc ≧（１／４）ωn 
図７はζ＝１．０の時の実験結果であるが、ζが他の数値（例えば０．７および０．３５）の時でも同様の結果を得た。
【００１３】
−ｋc の選定−
ｋc を変化させた時の変位信号ｙの応答の実験結果を図８に示す。この実験に当たって、各パラメータを次のように設定した。
ｋs ＝１
ωn ＝２００rad/sec
ζ＝１．０
Ｋ＝１００
ωc ＝１００
図８はζ＝１．０の時であるが、図に見るようにｋc ＝０．００９の時にオーバーシュートが殆どなく、速応性がよいことが分かる。同様の規範でζに対する最適なｋc を求めると、次の表のようになった。
【００１４】
【表１】
0003640414.tif 000003
【００１５】
表１のζとｋc との関係を片対数グラフにプロットすると、図９のようになる。即ち、ζとｋc との間には、
【数３】
0003640414.tif 000004
の関係があることが分かる。したがって、図９の斜線の部分では、システムは絶対安定であるといっても良い。
【００１６】
さて、上式のように厳密なζとｋc の関係式を得ることができたのであるが、図８のｋc ＝０．００６以下の場合にように、適当なオーバーシュートを許容できるのであれば、
【数４】
0003640414.tif 000005
としても、十分に実用性があると考えられる。
【００１７】
以上のべた本発明の効果を顕著に表す実験結果を図１０に示す。実験に使用した各パラメータは、
ｋs ＝１
ωn ＝２００rad/sec
ζ＝０．７
ωc ＝１００rad/sec
Ｋ＝１０００
ｋc ＝０．０１，０．０２，０．０３および０．０５
とした。
【００１８】
従来技術では、図４のようにＫ＝２００で既にシステムの応答が振動的になり、危険な状態を示している。これに対し、本発明では、図１０から明らかなようにＫ＝１０００であっても不安定にならず、実際的にはＫを殆ど任意に選択しても、構成機器を破壊するといった事態を招来することがない。
【００１９】
さて、以上述べた実験は、制御対象の比例定数ｋs ＝１とした場合であり、それ以外の場合は、ｋs の値を最適なｋc に乗算したものを最終的なｋc とすればよい。また、これまでの説明および実験では、制御対象の固有振動数ωn ＝２００rad/sec と一定にした。当然のことながら、実際のシステムでは種々の固有振動数を有するので、例えばωn ＝４００rad/sec の場合は、
２００／４００＝１／２
となり、（１／２）×ｋc を最終的な望ましいｋc として採用すればよい。
【００２０】
以上を整理すると、
ωn ：制御対象の固有振動数（rad/sec ）
ｋs ：制御対象の比例定数
ζ：制御対象の減衰率
とすれば、
【数５】
0003640414.tif 000006
とすればよい。
【００２１】
図１１，図１２は、以上述べた本発明によって得られる効果に加えて、さらに速応性をも改善する方法の一実施例である。
図５における増幅器５が加減算器５ａとゲインＫとに分離され、加減算器５ａの出力である命令信号ｘとフィードバック信号ｒの偏差ｅがゲインＫとウインドコンパレータ８とに入力される。ウインドコンパレータ８は、上記入力ｅの大きさに応じて０か１を出力する非線型回路である。ウインドコンパレータ８の出力ｆは、制御弁２に対する命令信号ｇとともに乗算器９に入力される。乗算器９の出力は補償回路７に入力される。
即ち、偏差ｅが特定の範囲内（図１１，図１２では−ｅc ＜ｅ＜ｅc ）であれば、図５で説明した補償回路７が機能し、ｅが上記範囲外であれば、補償回路７が存在しないのと同様の作用をする。
【００２２】
上記ウインドコンパレータ８と乗算器９の効果を実験的に示したのが図１３である。本図のＡで示す応答は図５で示したシステムの応答波形である。
但し、ｋs ＝１
ωn ＝２００rad/sec
ζ＝０．７
ωc ＝１００rad/sec
Ｋ＝１００
ｋc ＝０．０１５
とした。他の３つの応答波形は、ｅc ＝０．８，０．９及び０．９５の場合を示す。
このように補償回路７に加えて、ウインドコンパレータ８と乗算器９を設けることによって、システムの安定性を保持しながら速応性をも改善できることが明らかである。
【００２３】
以上述べたことは、本発明の最も基本的な部分を述べたに過ぎず、本発明の効果を更に高めるために、例えば増幅器の増幅率Ｋを適応的に変化させてもよいし、２自由度系を考慮し、フィードフォワード補償を追加することも可能である。また、上記説明では、流体圧アクチュエータの変位信号をフィードバックしてサーボ系を構成することに限定したが、変位信号だけでなく、流体圧アクチュエータの速度あるいは推力、トルクなどをフィードバックしてシステムを構成することが可能であることは勿論である。
また、本発明の流体圧アクチュエータとしては、直動型のシリンダに限るものではなく、ロータリーアクチュエータでもよい。
さらに、補償手段を構成する遅れ要素として一次遅れ要素を用いたが、二次遅れ要素、あるいはそれ以上の多次遅れ要素を用いても、ほぼ同様の結果を得ることができる。
【００２４】
【発明の効果】
以上の説明で明らかなように、本発明によれば、制御弁への入力信号ｇを一次ないし多次遅れ要素とゲインｋc とをカスケード結合した補償手段によって演算し、その演算信号ｚを流体圧アクチュエータの出力信号ｙに加算し、これをフィードバック信号ｒとしたので、複雑な制御理論や経験を必要とせず、増幅器の増幅率を実質的に任意に選択しても、システムが不安定にならず、流体圧アクチュエータを適切に制御できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来の流体圧システムの構成図である。
【図２】図１のシステムをラプラス演算子を用いて表したブロック線図である。
【図３】増幅器の増幅率を３０〜１００に変化させた時の変位ｙの従来の応答波形図である。
【図４】増幅器の増幅率を２００とした時の変位ｙの従来の応答波形図である。
【図５】本発明にかかる流体圧システムの一例の構成図である。
【図６】図５のシステムをラプラス演算子を用いて表したブロック線図である。
【図７】ωc を変化させた時の変位ｙの応答波形図である。
【図８】ｋc を変化させた時の変位ｙの応答波形図である。
【図９】ζとｋc との関係をプロットした片対数グラフである。
【図１０】増幅器の増幅率を１０００とし、ｋc を変化させた時の変位ｙの応答波形図である。
【図１１】本発明にかかる流体圧システムの他の例の構成図である。
【図１２】図１１のシステムをラプラス演算子を用いて表したブロック線図である。
【図１３】図１１のシステムにおける変位ｙの応答波形図である。
【符号の説明】
１          流体圧アクチュエータ
２          制御弁
３          電気−流体圧変換部
４          変位センサ（変換手段）
５          増幅器
７          補償回路（補償手段）
７ａ        一次遅れ要素
７ｂ        ゲイン
８          ウインドコンパレータ
９          乗算器
【図１】
0003640414.tif 000008
【図２】
0003640414.tif 000009
【図３】
0003640414.tif 000010
【図４】
0003640414.tif 000011
【図５】
0003640414.tif 000012
【図６】
0003640414.tif 000013
【図７】
0003640414.tif 000014
【図８】
0003640414.tif 000015
【図９】
0003640414.tif 000016
【図１０】
0003640414.tif 000017
【図１１】
0003640414.tif 000018
【図１２】
0003640414.tif 000019
【図１３】
0003640414.tif 000020