(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
油圧シリンダで駆動されるラムを備えた金属押出機において、ラム速度が目標値となるように、該油圧シリンダを駆動するための油圧ポンプの吐出量を調節することにより、製品の押出速度を制御するに際して、
前記油圧ポンプの吐出量と前記ラム速度との関係を表す数学モデル式を用い、該数学モデル式に基づいて、該油圧ポンプの吐出量を調節する制御系における制御ゲインを求めることを特徴とする押出機における速度制御方法。
【請求項２】
前記数学モデル式として、
（Ｉ）油圧シリンダへの流入油量とラム変位の関係を表す流量関係式と、
（ＩＩ）ラムの運動方程式と、
（ＩＩＩ）所要の押出圧力式と、
（ＩＶ）押出材の変形力式と、
（Ｖ）所要の押出圧力と押出材の変形力の関係式と、
（ＶＩ）油圧ポンプの駆動用アクチュエータの動特性式と
を、考慮して導かれた線形システムを表すモデル式を採用する請求項１に記載の押出機における速度制御方法。
【請求項３】
前記数学モデル式として、
（ｉ）製品の押出比と、
（ｉｉ）ビレット長と、
（ｉｉｉ）ラム速度に影響を及ぼす押出力と製品速度との比を表す係数と、
（ｉｖ）  押出機の設備定数と
によって、前記油圧ポンプの吐出量と前記ラムの駆動速度との関係を表すモデル式を採用する請求項１又は２に記載の押出機における速度制御方法。
【請求項４】
前記数学モデル式として、一次遅れの伝達関数で表される簡略式を採用する請求項１乃至３の何れかに記載の押出機における速度制御方法。
【請求項５】
前記一次遅れの伝達関数で表された簡略式において、そのゲイン定数と時定数に基づいて、前記制御ゲインを算出する請求項４に記載の押出機における速度制御方法。
【請求項６】
前記数学モデル式に基づいて求められた、前記油圧ポンプの吐出量を調節する制御系における制御ゲインを、
（ａ）製品の押出速度と、
（ｂ）制御対象の時定数と、
（ｃ）製品の押出比と、
（ｄ）ラム駆動用の油圧シリンダ内の圧力値と
に、応じて決定する請求項１乃至５の何れかに記載の押出機における速度制御方法。
【請求項７】
前記数学モデル式に基づいて求められる、前記油圧ポンプの吐出量を調節する制御系における制御ゲインの各種条件下における値を、予め求めてデータテーブル化しておき、
（ａ）製品の押出速度と、
（ｂ）制御対象の時定数と、
（ｃ）製品の押出比と、
（ｄ）ラム駆動用の油圧シリンダ内の圧力値と
に、応じて、かかるデータテーブルからデータを選択することによって、前記制御ゲインを決定する請求項１乃至６の何れかに記載の押出機における速度制御方法。
【請求項８】
前記油圧ポンプの吐出量と前記ラムの駆動速度との関係を表す数学モデル式に基づいて、前記油圧ポンプの吐出量を調節する制御系としてのフィードバック制御系における制御ゲインを決定する請求項１乃至７の何れかに記載の押出機における速度制御方法。
【請求項９】
前記フィードバック制御系における制御を、ＰＩ動作によって行う請求項８に記載の押出機における速度制御方法。
【請求項１０】
前記油圧ポンプの吐出量と前記ラムの駆動速度との関係を表す数学モデル式に基づいて、前記油圧ポンプの吐出量を調節する制御系としてのフィードフォワード制御系における制御ゲインを決定する請求項１乃至９の何れかに記載の押出機における速度制御方法。
【請求項１１】
油圧シリンダで駆動されるラムを備えた金属押出機において、ラム速度の検出値と目標値の偏差に基づいて、該油圧シリンダを駆動するための油圧ポンプの吐出量を調節する制御装置を備え、該ラム速度が目標値となるように、製品の押出速度を制御する速度制御装置において、
前記油圧ポンプの吐出量と前記ラムの駆動速度との関係を表す数学モデル式に基づいて、前記制御装置における制御ゲインを求める制御ゲイン設定器を設けたことを特徴とする押出機における速度制御装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【技術分野】
本発明は、アルミニウム等の金属の押出機における速度制御方法および速度制御装置に係り、特に、油圧シリンダで駆動されるラムを備えた金属押出機において、油圧シリンダを駆動するための油圧ポンプの吐出量を調節することにより、製品の押出速度を制御する方法および装置に関するものである。
【０００２】
【背景技術】
アルミニウム等の金属の押出成形に際しては、製品の押出速度が不安定になると、ループ発生等により操業の安定性が阻害されたり、製品材質の低下等の問題が発生する。そこで、製品の押出速度に関して、高精度で且つ安定した制御が要求されており、従来から、製品の押出速度の制御のためにフィードバック制御系が、採用されている。
【０００３】
ところが、従来の押出速度の制御では、一般に、実作業での経験等に基づいて特定のパラメータ等に基づいて固定的に決定された制御ゲインによって、ラム速度をフィードバック制御する制御系が採用されているために、押出材の材質や押出比等の押出条件の変化等に対応することが極めて困難で、十分な制御効果を安定して得ることが難しいという問題があった。
【０００４】
なお、このような問題に対処するために、特開平７−２３６９１３号公報には、押出速度の制御に際し、押出開始準備動作時におけるラムの挙動の検出値に基づいて製品毎の押出傾向を判断し、個々の製品に応じた制御ゲインを設定する方法が、開示されている。
【０００５】
しかしながら、かかる方法も、ビレットおよび製品の材質や形状、押出機の特性等といった押出作動に対する各種の影響因子に対して、各個別に具体的に対応して制御するものでなく、そのような各種の影響因子をまとめて、押出開始準備動作時におけるラム速度勾配等の実際の挙動によって概略的に判断し、それに応じて制御ゲインを切り換えるものであることから、各種の材質や形状等に対して、未だ、十分に高精度な対応をとることが難しかったのである。
【０００６】
【解決課題】
ここにおいて、本発明は、上述の如き事情を背景として為されたものであって、その解決課題とするところは、押出速度をより高精度に且つ安定して制御することの出来る、押出機における速度制御方法と速度制御装置を提供することにある。
【０００７】
【解決手段】
そして、かかる課題を解決するために、速度制御方法に関する本発明の特徴とするところは、油圧シリンダで駆動されるラムを備えた金属押出機において、ラム速度が目標値となるように、該油圧シリンダを駆動するための油圧ポンプの吐出量を調節することにより、製品の押出速度を制御するに際して、前記油圧ポンプの吐出量と前記ラム速度との関係を表す数学モデル式を用い、該数学モデル式に基づいて、該油圧ポンプの吐出量を調節する制御系における制御ゲインを求める押出機における速度制御方法にある。
【０００８】
このような本発明方法に従えば、油圧ポンプの吐出量と前記ラムの駆動速度との関係を表す数学モデル式において、押出速度に影響を与える材質や押出比等の各種の因子を考慮することが出来るのであり、それ故、かかる数学モデル式に基づいて制御ゲインを決定することによって、各種条件下での押出作動に対して、各個別に具体的に対応した制御が可能となり、材質や押出比等の押出条件の変更に際しても、押出加工の安定性や効率等が高度に維持されるのである。なお、本発明において、ラムは、インゴットやビレット等の押出材料に押出力を及ぼす押出工具であって、ポンチ等を含む概念である。
【０００９】
また、本発明方法においては、前記数学モデル式として、例えば、（Ｉ）油圧シリンダへの流入油量とラム変位の関係を表す流量関係式と、（ＩＩ）ラムの運動方程式と、（ＩＩＩ）所要の押出圧力式と、（ＩＶ）押出材の変形力式と、（Ｖ）所要の押出圧力と押出材の変形力の関係式と、（ＶＩ）油圧ポンプの駆動用アクチュエータの動特性式とを、考慮して導かれた線形システムを表すモデル式が、好適に採用される。これら（Ｉ）〜（ＶＩ）を考慮することによって、優れたモデル精度を効率的に確保することが出来るのであり、むだ時間等の実機の性能を良く表した制御対象のモデル式を有利に得ることが可能となるのである。
【００１０】
また、本発明方法においては、前記数学モデル式として、例えば、（ｉ）押出比と、（ｉｉ）  ビレット長と、（ｉｉｉ）ラムの速度に影響を及ぼす押出力と製品速度との比を表す係数と、（ｉｖ）押出機の設備定数とによって、前記油圧ポンプの吐出量と前記ラムの駆動速度との関係を表すモデル式が、好適に採用される。これら（ｉ）〜（ｉｖ）の条件を押出加工の影響因子として採用することによって、実機に高度に対応した数学モデル式を能率的に構築することが出来るのである。また、これら（ｉ）〜（ｉｖ）の条件を押出加工の影響因子として採用することにより、前記（Ｉ）〜（ＶＩ）を考慮した線形システムのモデル式が、有利に実現され得る。
【００１１】
更にまた、本発明方法においては、前記数学モデル式として、例えば、一次遅れの伝達関数で表される簡略式が、好適に採用され得る。このような一次遅れの伝達関数で表される簡略式を採用することによって、油圧ポンプの吐出量とラムの駆動速度との関係を表す数学モデル式を、十分なモデル精度をもって容易に構築することが出来るのである。そこにおいて、かかる簡略式におけるゲイン定数と時定数を、例えば、前記（ｉ）〜（ｖｉ）の如き押出加工の影響因子に基づいて決定せしめるようにすることによって、より高精度なモデル式を得ることが可能となる。
【００１２】
また、かくの如く、数学モデル式として、一次遅れの伝達関数で表される簡略式を採用した場合には、かかる簡略式におけるゲイン定数と時定数に基づいて、前記油圧ポンプの吐出量を調節する制御系における制御ゲインを算出することが望ましい。これにより、金属押出機のシステム特性に応じた制御ゲインが有利に設定され得る。
【００１３】
さらに、本発明方法において、前記数学モデル式に基づいて求められる、油圧ポンプの吐出量を調節する制御系における制御ゲインを、決定するに際しては、例えば、（ａ）製品の押出速度と、（ｂ）制御対象の時定数と、（ｃ）製品の押出比と、（ｄ）ラム駆動用の油圧シリンダ内の圧力値とを、それぞれ判断基準として採用し、これら（ａ）〜（ｄ）の値に応じて、制御ゲインを決定することが望ましく、それによって、かかる制御ゲインを、十分な精度をもって且つ効率的に決定することが出来る。
【００１４】
また、本発明方法においては、前記数学モデル式に基づいて求められる、油圧ポンプの吐出量を調節する制御系における制御ゲインを、影響因子（例えば、上記（ａ）〜（ｄ））に応じて一義的に算出して決定すること等も可能であるが、好適には、例えば、数学モデル式に基づいて求められる、油圧ポンプの吐出量を調節する制御系における制御ゲインの各種条件下における値を、予め求めてデータテーブル化しておき、（ａ）製品の押出速度と、（ｂ）制御対象の時定数と、（ｃ）製品の押出比と、（ｄ）ラム駆動用の油圧シリンダ内の圧力値とに応じて、かかるデータテーブルからデータを選択することによって、かかる制御ゲインを決定するマップ制御的な手法が、採用される。
【００１５】
更にまた、油圧ポンプの吐出量を調節することにより製品の押出速度を制御する制御系は、一般にフィードバック制御系を含んで構成され得るが、そこにおいて、本発明方法は、例えば、該油圧ポンプの吐出量を調節する制御系としてのフィードバック制御系における制御ゲインを、油圧ポンプの吐出量とラムの駆動速度との関係を表す数学モデル式に基づいて決定することによって、有利に実現され得る。
【００１６】
また、かくの如く、フィードバック制御系の制御ゲインを決定する場合には、かかるフィードバック制御系における制御を、例えばＰＩ動作（比例＋積分動作）によって行うことが出来る。なお、ＰＩ動作によるフィードバック制御系を採用する場合には、一般に、その調節要素の伝達関数における比例ゲインと積分時定数を、制御ゲインとして、それぞれ決定することによって、本発明方法が有利に実施される。
【００１７】
更にまた、油圧ポンプの吐出量を調節することにより製品の押出速度を制御する制御系を、フィードフォワードの制御系を含んで、例えば２自由度制御理論を用いて構成することも可能であり、そこにおいて、本発明方法は、例えば、該油圧ポンプの吐出量を調節する制御系としてのフィードフォワード制御系における制御ゲインを、油圧ポンプの吐出量とラムの駆動速度との関係を表す数学モデル式に基づいて、決定することによって、有利に実現され得る。なお、かかるフィードフォワード制御系は、例えば、その調節要素を一次遅れの伝達関数によって指定することが可能であり、その場合には、該調節要素の伝達関数におけるゲイン定数と時定数を、制御ゲインとして、それぞれ決定することによって、本発明方法が有利に実施される。
【００１８】
なお、本発明方法において、フィードバック制御系とフィードフォワード制御系による２自由度制御系の制御理論を採用する場合には、それらフィードバック制御系とフィードフォワード制御系の各制御ゲインを、何れも、油圧ポンプの吐出量とラムの駆動速度との関係を表す数学モデル式に基づいて決定することが望ましい。
【００１９】
また一方、前述の如き課題を解決するために、速度制御装置に関する本発明の特徴とするところは、油圧シリンダで駆動されるラムを備えた金属押出機において、ラム速度の検出値と目標値の偏差に基づいて、該油圧シリンダを駆動するための油圧ポンプの吐出量を調節する制御装置を備え、該ラム速度が目標値となるように、製品の押出速度を制御する速度制御装置において、前記油圧ポンプの吐出量と前記ラムの駆動速度との関係を表す数学モデル式に基づいて、前記制御装置における制御ゲインを求める制御ゲイン設定器を設けた押出機における速度制御装置にある。
【００２０】
このような本発明に従う構造とされた速度制御装置によれば、前述の如き、本発明方法が有利に実施可能となるのであり、それによって、各種条件下での押出作動に対して、各個別に具体的に対応した制御が可能となり、材質や押出比等の押出条件の変更に際しても、優れた安定性と効率性をもった押出加工が実現され得る。
【００２１】
なお、本発明装置にあっては、上述の如き、各本発明方法を実施するに際して、それぞれ適当な構成が内的または外的に付加され得ることとなり、そのような付加構成が、何れも、本発明装置として認識されることが理解されるべきである。具体的には、例えば、制御ゲイン設定器において、前記（ａ）〜（ｄ）の値に応じて制御ゲインを決定する構成や、更に、予め求めた制御ゲインをデータテーブル化しておいて、それら（ａ）〜（ｄ）の値に応じてデータを選択して制御ゲインを決定する構成等が、適宜に採用される。また、本発明装置における制御装置としては、例えばフィードバック制御系を有する１自由度系やフィードバック制御系とフィードフォワード制御系を有する２自由度系等が好適に採用され得、そこにおいて、例えば、フィードバック制御系及び／又はフィードフォワード制御系の各制御ゲインを、制御ゲイン設定器により決定する構成や、或いはフィードバック制御系やフィードフォワード制御系を、制御ゲイン設定器により選択的に機能させる構成等が、有利に採用される。更にまた、フィードバック制御系の制御装置としては、ＰＩ動作を行うものが好適に採用され得る。更に、本発明装置における数学モデル式としては、例えば、前記（Ｉ）〜（ＶＩ）を考慮して導かれた線形システムを表すモデル式が好適に採用され、特に前記（ｉ）〜（ｖｉ）の条件が、押出加工の影響因子として好適に採用される。そして、かかる数学モデル式としては、例えば一次遅れの伝達関数で表される簡略式が、好適に採用され得る。
【００２２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を更に具体的に明らかにするために、本発明の実施形態について、図面を参照しつつ、詳細に説明する。
【００２３】
先ず、図１には、本発明の一実施形態としての速度制御装置を備えた金属押出機のシステムの概略が示されている。本実施形態における金属押出機は、油圧シリンダ１０によって駆動されるラム１２を備えており、良く知られているように、このラム１２をコンテナ１４内に押し込むことにより、コンテナ１４内に収容された押出材料としてのビレット１６を、コンテナ１４に装着されたダイスを通じて目的とする形状に押出して、製品１８を得るようになっている。なお、押し出された製品１８は、例えばテンションロールを通じて、製品巻取装置に導かれ、コイラ等に巻き取られるようになっている。そして、かかる押出機において、ラム１２の駆動速度が目標値となるように、油圧シリンダ１０を駆動するための油圧ポンプ２０の吐出量を、制御装置２２で調節することにより、製品１８の押出速度を制御するようになっている。
【００２４】
より詳細には、本実施形態における制御装置２２は、ラム１２の速度が予め設定された目標値となるように、油圧ポンプ２０の吐出量（作動信号）をフィードバック制御する、ラム１２の速度制御器２４と、かかる速度制御器２４における制御ゲインを決定する制御ゲイン設定器２６を含んで構成されている。
【００２５】
また、かかる速度制御器２４は、ラム１２に装着された速度センサ２８によって実測されたラム速度検出値と、外部入力等によって設定されたラム速度設定値（目標値）との偏差：ｅに基づいて、かかる偏差：ｅが零となるように、油圧ポンプ２０によるポンプ吐出油量を調節することにより、ラム１２の速度が目標値となるように制御するフィードバック制御器３０を備えている。なお、速度センサ２８としては、例えばポテンショメータやエンコーダ等の変位センサを利用したもの等が採用され得る。また、油圧ポンプ２０としては、可変容量ポンプ等、吐出油量の制御性に優れたものが好適に採用される。
【００２６】
更にまた、本実施形態の速度制御器２４は、ラム速度設定値の大きさに応じて、油圧ポンプ２０によるポンプ吐出油量を調節することにより、ラム１２の速度の目標値への追従性を向上させるフィードフォワード制御器３２を備えている。要するに、本実施形態では、ラム１２の速度制御器２４が、フィードバック制御系とフィードフォワード制御系を併せ備えた２自由度系として構成されている。
【００２７】
そして、これらフィードバック制御器３０とフィードフォワード制御器３２における各制御ゲインが、制御ゲイン設定器２６によって決定されるようになっている。
【００２８】
かかる制御ゲイン設定器２６は、制御対象たる押出機のシステムを表す数学モデル式３４に基づいて、制御ゲインを求めるようになっている。特に本実施形態では、数学モデル式３４に基づいて、採用される押出条件を考慮して予め算出した各種の制御ゲインをテーブル化してデータテーブルとしての記憶データ３６を作成しておくと共に、制御系の動特性等に影響を与える特定の因子を判断基準として採用し、制御ゲイン切替判定器３８にて、かかる特定の影響因子の値に応じて、記憶データ３６から適当な制御ゲインを選択することによって、制御ゲインを決定するようになっている。
【００２９】
ここにおいて、数学モデル式３４は、例えば（Ｉ）油圧シリンダへの流入油量とラム変位の関係を表す流量関係式と、（ＩＩ）ラムの運動方程式と、（ＩＩＩ）所要の押出圧力式（Ｓｉｅｂｅｌの式）と、（ＩＶ）押出材の変形力式と、（Ｖ）所要の押出圧力と押出材の変形力の関係式と、（ＶＩ）油圧ポンプの駆動用アクチュエータの動特性式とを、考慮し、図２にブロック図として示されているように、線形化した押出システムのモデルを構築することによって、有利に得ることが出来る。なお、本実施形態では、可変容量式のピストンポンプを採用した。
【００３０】
すなわち、（Ｉ）油圧シリンダへの流入油量とラム変位の関係を表す流量関係式は、下記（式１）〜（式３）で表すことが出来る。また、（ＩＩ）ラムの運動方程式は、下記（式４）〜（式５）で表すことが出来る。更に、（ＩＩＩ）所要の押出圧力式は、下記（式６）〜（式７）で表すことが出来る。また、（ＩＶ）押出材の変形力式は、下記（式８）〜（式９）で表すことが出来る。更に、（Ｖ）所要の押出圧力と押出材の変形力の関係式は、下記（式１０）〜（式１１）で表すことが出来る。また、（ＶＩ）油圧ポンプの駆動用アクチュエータの動特性式は、下記（式１２）で表すことが出来る。但し、下記（式１０）及び（式１１）においては、コンテナ１４内のビレット１６の変形力が所要押出力（ダイス内の変形と摩擦力）に等しくなった時に、ダイスから材料が押し出されて出てくるものとした。
Ｑ  ＝ＡＳ  （ｄｘ／ｄｔ）＋（Ｕ／Ｋ）（ｄＰＰ  ／ｄｔ）・・・（式１）
ＱＰ  ＝Ｑ＋ＱＲ  ・・・（式２）
ＱＰ  ＝ηＫＰ  θ・・・（式３）
（ｍ／９．８）（ｄ２  ｘ／ｄｔ２  ）＝ＦＰ  −ＦＣ  ・・・（式４）
ＦＰ  ＝ＡＳ  ＰＰ  ・・・（式５）
ＰＬ  ＝βＹ・ｌｎＲ＋Ｙ（４μＬ／Ｄ）・・・（式６）
ＦＬ  ＝ＡＣ  ＰＬ  ・・・（式７）
ＦＣ  ＝Ｆ（ε）・・・（式８）
ε  ＝（１／Ｌ）∫（（−Ｖ／Ｒ）＋ｖＲ  ））ｄｔ・・・（式９）
ＦＣ  ＝ＦＬ      （但し、Ｖ＞０の場合）・・・（式１０）
ＦＣ  ＜ＦＬ      （但し、Ｖ＝０の場合）・・・（式１１）
θ  ＝（（ＫＴ  ωｎ  ２  ）／（ｓ２  ＋２ξωｎ  ｓ＋ωｎ  ２  ））θｒｅｆ  ・・・（式１２）
但し、上式中の各記号の意味は、以下の通りである。
ＦＰ  ：ラム押力，ＦＣ  ：ビレット変形力，ＡＳ  ：シリンダ断面積，ＡＣ  ：コンテナ断面積，ｍ：負荷質量，ｘ：ラム変位，Ｕ：シリンダ内油体積，Ｋ：油体積弾性係数，ＰＰ  ：シリンダ内油圧，Ｑ：シリンダ内流入油量，ＱＰ  ：ポンプ吐出油流量，ＱＲ  ：ドレン流量，η：ポンプ効率，ＫＰ  ：ポンプの傾角流量変換係数，θｒｅｆ  ：ピストンポンプの傾角指令，θ：ピストンポンプの傾角，ＦＬ  ：所要押出力，ＰＬ  ：所要押出圧力，β：形状係数，Ｙ：変形抵抗，Ｖ：製品の押出速度，Ｒ：押出比，μ：コンテナ内摩擦係数，Ｌ：ビレット長，Ｄ：コンテナ内径，ε：ビレット変形歪み，ｖＲ  ：ラム速度，ξ：減衰係数，ωｎ  ：トルクモータの動特性上の固有振動数，ＫＴ  ：トルクモータゲイン，ｓ：ラプラス演算子
【００３１】
かかる押出システムのモデルにおいては、図２に示されているように、先ず、可変容量式の油圧ポンプ（ピストンポンプ）２０の吐出油量の指令信号としてのピストンポンプ傾角指令：θｒｅｆ  が入力されると、上記（式１２），（式３），（式２）の関係式に従って、油圧シリンダ１０に対して、油量：Ｑだけ作動油が流入せしめられ、それに基づいて、（式１），（式５）の関係式に従って、ラム押力：ＦＰ  が生ぜしめられる。その際、（式４）に従うラム１２の運動を考慮し、更に該ラム１２の運動に伴うビレット１６の変形および製品１８の押出しを（式８），（式９）および（式１０），（式１１），（式６），（式７）に従って考慮することによって、制御対象である押出システムをモデル的に精度良く把握することが出来るのである。なお、図２中、ＦＳ  は、上記（式１０），（式１１）の成立条件の判定に用いられる、製品が出始める所要押出力である。また、∂ＦＬ  ／∂Ｖは、上記（式６），（式７）を考慮した、製品速度変化の押出力への影響係数（ラム速度に影響を及ぼす押出力と製品速度との比）である。更に、∂ＦＣ  ／∂εは、上記（式８），（式９）を考慮した、歪み変化の変形力への影響係数であり、現実的には、コンテナ１４の変形が支配的に影響することから、設備定数と考えることが出来る。
【００３２】
ここにおいて、上述の如き（式１）〜（式１５）で表される関係式によって、制御対象である押出システムの数学モデル式を直接に得ることも出来るが、特に、本実施形態では、制御装置２２における実装と調整の容易さを考慮し、定常状態を考えて制御対象：Ｐ（ｓ）を、下記（式１３）〜（式１５）の如く、簡略化して、一次遅れの伝達関数で表される簡略式で表す数学モデル式を採用した。かかる数学モデル式によって、押出成形に際しての油圧ポンプ２０の吐出量とラム１２の駆動速度との関係を表すことが出来るのである。
【００３３】
Ｐ（ｓ）＝Ｋｍ  ／（Ｔｍ  ｓ＋１）・・・（式１３）
Ｔｍ  ＝（（（Ｋ／Ｕ）ＡＳ  ２  ＋（∂ＦＣ  ／∂ε）／Ｌ）（∂ＦＬ  ／∂Ｖ）ＬＲ）／（（（Ｋ／Ｕ）ＡＳ  ２  ）（∂ＦＣ  ／∂ε））・・・（式１４）
Ｋｍ  ＝（ＫＰ  ／ＡＳ  ）ＫＴ  η・・・（式１５）
【００３４】
すなわち、本実施形態では、上記（式１３）〜（式１５）から明らかなように、押出成形に際しての各種影響因子を考慮して、かかるシステムにおける特定の押出成形を表す数学モデル式を得るために、（ｉ）押出比：Ｒと、（ｉｉ）  ビレット長：Ｌと、（ｉｉｉ）ラムの速度に影響を及ぼす押出力と製品速度との比を表す係数：∂ＦＬ  ／∂Ｖと、（ｉｖ）押出機の設備定数：（Ｋ／Ｕ）ＡＳ  ２  ，∂ＦＣ  ／∂ε，（ＫＰ  ／ＡＳ  ）ＫＴ  ηが、考慮されることとなる。翻れば、これら（ｉ）〜（ｉｖ）  を入力することによって、特定の押出成形を表す数学モデル式３４を得ることが出来るのである。なお、上記（ｉｉｉ）係数：∂ＦＬ  ／∂Ｖは、押出時の押出力と製品速度との関係から実測したり、押出材の材質情報を入力し、前記（式６），（式７）等に基づいて、計算することによって求めることが出来る。
【００３５】
そして、上述の如くして得られた数学モデル式３４に基づいて、フィードバック制御器３０とフィードフォワード制御器３２における各種制御ゲインを決定する。ここにおいて、本実施形態では、図３に示されているように、フィードバック制御器としてのＦＢコントローラ３０としては、下記（式１６）〜（式１８）に示す伝達関数で表されるＰＩ制御系を採用した。
Ｃ（ｓ）＝ＧＰ  （１＋（１／ＴＩ  ｓ））・・・（式１６）
ＴＩ  ＝α１  ・Ｔｍ  ・・・（式１７）
ＧＰ  ＝α２  （ＴＩ  ／Ｋｍ  ）・・・（式１８）
【００３６】
また、フィードフォワード制御器３２を、フィードバックゲインに係わらずラム速度の設定値：ｖＲ  ｒｅｆ  の大きさに応じた調節を行うＦＦコントローラＩ３２ａと、フィードバックゲインに応じた調節を行うＦＦコントローラＩＩ３２ｂからなる目標値フィードフォワード型によって構成した。そして、公知のモデルマッチングの手法（前田肇，杉江俊治  共著、１９９２年朝倉書店発行「アドバンスト制御のためのシステム制御理論」等参照）を用いて、ＦＦコントローラＩＩ３２ｂにおける調節要素：Ｆ（ｓ）およびＦＦコントローラＩ３２ａにおける調節要素：Ｐ−１（ｓ）・Ｆ（ｓ）を、下記（式１９），（式２０）の如き伝達関数をもって設定した。
Ｆ（ｓ）＝１／（ＴＦ  ｓ＋１）・・・（式１９）
Ｐ−１（ｓ）・Ｆ（ｓ）＝１／Ｋｍ  ＋（（Ｔｍ  −ＴＦ  ）／Ｋｍ  ・ＴＦ  ）／（（１−（１／（ＴＦ  ｓ＋１）））・・・（式２０）
【００３７】
上記（式１６）〜（式２０）から明らかなように、ＦＢコントローラ３０における制御ゲインとしての比例ゲインと積分時定数の値と、ＦＦコントローラＩ３２ａにおける制御ゲインとしてのゲイン定数と時定数の値が、何れも、制御対象の数学モデル式３４に基づいて求められる。しかも、上記（式１６）〜（式２０）における各種制御ゲインのパラメータ：ＴＦ  ，α１  ，α２  の値が、それぞれ、押出成形のシステムの応答性等に関連する値、特に本実施形態では、（ａ）製品の押出速度：Ｖと、（ｂ）制御対象の時定数：Ｔｍ  と、（ｃ）製品の押出比：Ｒと、（ｄ）ラム駆動用の油圧シリンダ内の圧力値：ＰＰ  を、判断基準として設定されるようになっており、それによって、制御ゲイン切替判定器３８において、これら（ａ）〜（ｄ）の値に応じて、各種制御ゲインが決定されるようになっている。
【００３８】
すなわち、例えば記憶データ３６のデータテーブル上で、制御ゲインのパラメータ：ＴＦ  ，α１  ，α２  の値を、（ａ）押出速度：Ｖや（ｂ）時定数：Ｔｍ  や（ｃ）押出比：Ｒ，（ｄ）油圧力値：ＰＰ  の値に応じて、それらＶ，Ｔｍ  ，Ｒ，ＰＰ  の設定範囲毎に適当な間隔で予め設定しておき、実際の押出成形に際して制御ゲイン切替判定器３８に入力されるＶ，Ｔｍ  ，Ｒ，ＰＰ  の値に応じて、該当するＴＦ  ，α１  ，α２  の値を選択することによって、かかる実際の押出成形に対応した各種制御ゲインの値が、一義的に決定され得るのである。
【００３９】
なお、そこにおいて、（ａ）押出速度：Ｖの値は、実測することも可能であるが、前記（数１）〜（数１５）で表される押出システムの数学モデル式に基づいて、例えば、下記（式２１）によって、容易に算出することが出来る。
Ｖ＝ｖＲ  ・Ｒ  ・・・（式２１）
【００４０】
また、（ｂ）時定数：Ｔｍ  の値も、前記（数１）〜（数１５）で表される押出システムの数学モデル式に基づいて、容易に算出することが出来る。更にまた、（ｄ）油圧力値：ＰＰ  も、計算で求めることが可能であるが、実測された油圧力値：ＰＰ  が好適に用いられる。
【００４１】
更に、本システムの構成においては、具体的には、（ｂ）時定数：Ｔｍ  ，（ｃ）押出比：Ｒは、それらの値が大きい程、制御ゲインの値が大きくなるように、設定することが望ましい。また、（ｄ）油圧力値：ＰＰ  に関しては、例えば、その値が小さい押出開始時には、フィードバック系の制御ゲインを下げると共に、フィードフォワード系の制御ゲインを上げることによって、フィードフォワードを主体とした制御を行う一方、かかるＰＰ  の値が大きくなってから定常時においては、反対に、フィードフォワード系の制御ゲインを下げると共に、フィードバック系の制御ゲインを上げることによって、フィードバックを主体とした、或いはフィードバックだけの制御を行うように、制御ゲインを決定することも可能である。これによって、押出初期における目標押出速度への速やかな立ち上がりと、定常時における安定した速度制御が、より有効に実現され得る。
【００４２】
上述の如き構造とされた制御装置２２を備えた押出機においては、実際の押出システムを表す数学モデル式３４に基づいて、制御装置２２における制御ゲインが求められることから、押出比や材質等に対応した制御ゲインを、より客観的に決定することが出来るのであり、特に、予め数学モデル式３４や制御ゲイン切替判定機３８における制御ゲインの選択則を設定しておくことによって、種々なる条件下において、高精度な押出速度の制御が安定して実現され得るのである。しかも、従来の経験等に基づく制御ゲインの設定に比して、客観性が向上されることから、作業者の負担が軽減されると共に、作業者の能力による影響を軽減乃至は回避することが可能となる。
【００４３】
また、例えば、押出比や材質等の押出条件が変化した場合にも、対応して制御ゲインを変更することによって、きめ細かく対応することが出来るのであり、それによって、安定した押出成形が有利に維持され得るのである。
【００４４】
なお、数学モデル式３４の設定に際しては、例えば材質情報や押出比等を、ある条件毎に分類して代表値を用いることにより、材質情報や押出比等が所定範囲内で異なる場合でも一つの数学モデル式３４を共用することも可能であるが、それら材質情報や押出比等の影響因子が異なる毎に、数学モデル式３４を変更することも可能であり、それによって、モデル精度の更なる向上、ひいては制御精度の更なる向上が実現され得る。
【００４５】
加えて、本実施形態では、速度制御器２４が、フィードバック制御器３０とフィードフォワード制御器３２からなる２自由度制御系で構成されており、且つそれら両制御器３０，３２における制御ゲインが、それぞれ独立的に調節可能とされていることから、押出開始に際してラム１２の前進駆動開始から製品１８がダイスから出始めるまでのむだ時間の短縮と、製品が出始めてから目標速度に整定して定常状態となるまでの目標整定時間の短縮とを、両立して図ることが出来るのである。
【００４６】
具体的には、フィードフォワード制御器３２における制御ゲインを調節することによって、押出開始に際してのむだ時間を短縮することが可能であり、また、それと独立して、フィードバック制御器３０における制御ゲインを調節することによって、目標整定時間を短縮することが出来るのである。
【００４７】
因みに、図４に示されているように、本発明に従う上述の如き２自由度制御系を採用する制御装置２２を備えた押出機において、或る制御ゲインを設定した場合の押出開始時における当初の制御特性（当初制御特性）を改善するために、フィードバック系の制御ゲインを大きくした場合の制御特性のシミュレーション結果を、図４中にケースａとして示す。また、フィードバック系の制御ゲインと共に、フィードフォワード系の制御ゲインも大きくした場合の制御特性のシミュレーション結果を、図４中にケースｂとして示す。これらの結果から、本実施形態における制御装置２２によれば、当初制御状態からケースａのように、立ち上がり時間を変えずに目標速度への応答のみ調節することが出来、更に、ケースａからケースｂのように、目標速度への応答を変化させずに立ち上がり時間のみを速く調節することも可能であることが認められる。そして、これにより、実際の押出機の挙動に対して、高精度に適合させることが出来るのである。
【００４８】
一方、比較例として、フィードバック制御系のみからなる１自由度制御系を用いた制御装置において、同様な押出機について、図４におけるケースｂの如く、立ち上がり時間の短縮と応答性の向上を目標として、当初制御特性を改善するために、フィードバック系の制御ゲインを大きくした場合の制御特性のシミュレーション結果を、図５中にケースｃとして示す。かかるケースｃにおいては、応答性を向上させたことによって、オーバーシュートが認められた。
【００４９】
また、７０００系アルミニウム合金からなるビレット長：３００ｍｍの押出材料を、最大押出力：２６６０ｔｆにて、押出比：５で押出成形する押出機において、上述の如き２自由度制御系の制御装置２２を実際に適用したところ、フィードバック制御系のみからなる１自由度制御系の制御装置を適用した場合に、制御開始から目標速度整定まで約１５０秒を要していたものを、約６０秒にまで短縮することが出来、４０％もの短縮が達成された。
【００５０】
以上、本発明の実施形態について詳述してきたが、これはあくまでも例示であって、本発明は、かかる実施形態における具体的な記載によって、何等、限定的に解釈されるものでない。
【００５１】
例えば、本発明は、従来から公知の各種の押出加工に際して適用可能である。具体的には、先方押出と後方押出や、熱間押出と温間押出と冷間押出、潤滑押出と無潤滑押出、中実製品押出や中空製品押出、直接押出と間接押出等の如何に係わらず、本発明が適用され得る。
【００５２】
さらに、本発明では、押出システムを表す数学モデルとして、押出システムの構成や要求される精度等に応じて、各種のモデル構成が採用され得ることとなり、前記実施形態における具体的記載によって、限定的に解釈されるものでないことは、言うまでもない。
【００５３】
また、本発明においては、押出工程中等において、外乱等を含む押出特性への影響因子の変化を監視し、それらの変化に応じて、数学モデル式によって表される制御対象の変化から、適宜に制御ゲインを自己調節させる適応制御理論を採用することも可能である。
【００５４】
更にまた、本発明においては、制御ゲインの決定に際して、Ｈ∞理論等を利用したロバスト制御を採用し、安定性の向上を図ることも可能である。
【００５５】
加えて、本発明は、アルミニウム合金や、鉄鋼等、各種金属の押出成形に際して、何れも、有利に適用され得る。
【００５６】
その他、一々列挙はしないが、本発明は当業者の知識に基づいて、種々なる変更，修正，改良等を加えた態様において実施され得るものであり、また、そのような実施態様が、本発明の趣旨を逸脱しない限り、何れも、本発明の範囲内に含まれるものであることは、言うまでもない。
【００５７】
【発明の効果】
上述の説明から明らかなように、本発明に従えば、実際の押出システムを考慮した数学モデル式に基づいて、押出速度の制御ゲインが、押出条件に応じて決定され得ることから、押出条件の変化に対して容易に対処することが出来るのであり、それによって、安定した押出機の速度制御が実現され得る。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態としての速度制御装置を備えた金属押出機のシステムを示す概略説明図である。
【図２】図１に示された押出機のシステムを示すを表す数学モデルを示すブロック図である。
【図３】図１に示された押出機における速度制御器の具体的な構成例を示すブロック図である。
【図４】図１に示された２自由度制御系からなる速度制御器による速度制御のシミュレーション結果を示すグラフである。
【図５】比較例としての１自由度制御系からなる速度制御器を用いて、図４に示された場合と同様な条件下でシミュレーションした速度制御結果を示すグラフである。
【符号の説明】
１０  油圧シリンダ
１２  ラム
１４  コンテナ
１６  ビレット
１８  製品
２０  油圧ポンプ
２２  制御装置
２４  速度制御器
２６  制御ゲイン設定器
３０  フィードバック制御器
３２  フィードフォワード制御器
３４  数学モデル式
３８  制御ゲイン切替判定器
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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