CN100545464C

CN100545464C - 气缸的控制方法及装置

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Publication number: CN100545464C
Application number: CNB2005100826385A
Authority: CN
Inventors: 矢岛久志; 藤原伸广; 铃木喜之
Original assignee: SMC Corp
Current assignee: SMC Corp
Priority date: 2004-08-19
Filing date: 2005-07-06
Publication date: 2009-09-30
Anticipated expiration: 2025-07-06
Also published as: JP2006057724A; US20060037466A1; DE102005031732A1; US7210394B2; DE102005031732B4; FR2874410A1; KR100622939B1; JP4457299B2; KR20060050035A; CN1737381A; FR2874410B1

Abstract

本发明提供一种气缸的控制方法和装置，即使在气缸中的压力室的容积变化很大的场合，也能防止稳定偏差和外部干扰的发生并能提高响应性。在用空气伺服阀(20、30)进行气缸(10)的压力室(11、12)的供气排气，用压力传感器(23、33)检测该压力室(11、12)内的压力并将其压力检测信号反馈给控制器(40)，根据指令值和检测值的偏差由该控制器(40)的PID调节器调节上述空气伺服阀(20)、(30)的开度来控制上述气缸(10)的方法中，用位移传感器(25)检测上述气缸(10)中的杆的位移并将其位移检测信号反馈给上述控制器(40)，根据该位移检测信号经常变更上述PID调节器的增益。

Description

气缸的控制方法及装置

技术领域

本发明涉及使用空气伺服阀来控制气缸的方法及装置。

背景技术

在图4中，表示了使用空气伺服阀来控制气缸推力的装置的基本连接例。在该图中，1是气缸，2是与该气缸1的头侧压力室1a连接的3位型的空气伺服阀，3是经调整器4连接该空气伺服阀2和杆侧压力室1b的压力空气源，5是由PID调节器5a(参照图5)控制上述空气伺服阀2的控制器，6是检测上述头侧压力室1a内的空气压力并将其压力检测信号反馈给上述控制器5的压力传感器，7是检测上述气缸1的活塞1c位置的位置传感器。

在上述装置中，当空气伺服阀2由控制器5切换到图的左侧的第1位置上，压力空气供给气缸1的头侧压力室1a时，该气缸1的活塞1c及杆1d向图的右方前进。这时，头侧压力室1a内的压力用压力传感器6检测，同时活塞1c的位置用位置传感器7检测，各个检测信号被反馈给上述控制器5。然后，在该控制器5的PID调节器5a中，在压力指令值和压力检测值的偏差上施加上必要的增益(增幅)，控制空气伺服阀2，这样进行与活塞1c的位置相应的推力控制。这时，上述空气伺服阀2成为与施加上增益的控制信号相应的开度，由与其开度相应的空气流量控制上述气缸1的压力室1a内的压力。

图5表示在上述装置中通过控制上述压力室1a内的压力来控制气缸1的推力场合的方块图。图中，P_i是指令值，K_p是PID调节器5a的比例增益，G(S)是空气伺服阀2的传递函数，V是压力室的容积，1/VS是气缸1的传递函数，a是常数，T是时间常数，s是拉普斯算子，Q是操作量，p₀是控制量，K_c是反馈增益。对于该方块图的详细说明，因其与本发明的说明相关联，故在后面叙述。

可是，在这样由空气伺服阀控制气缸的场合，在原有的控制方式中，由于指令值和测量值之间的稳定偏差和外部干扰的影响而使响应性变差，难以进行高精度的控制。特别是，由于作为负荷的上述压力室的容积(箱容积)根据活塞的位置进行较大的变化，所以存在难以控制的问题，在压力室的容积小的场合，控制系统容易变得不稳定，相反，在压力室的容积大的场合，存在响应性变差的问题。

发明内容

因此，为了消除上述原有的控制方式中的缺点，本发明的目的在于提供一种新颖的控制技术，其能减少稳定偏差，同时难以受到外部干扰的影响，可以提高响应性和稳定性并可以高精度控制气缸。

为了达到上述目的，根据本发明，气缸的控制方法为，用空气伺服阀进行气缸的压力室的供气排气，用压力传感器检测该压力室内的压力并将其压力检测信号反馈给控制器，根据指令值和检测值的偏差由该控制器的PID调节器调节上述空气伺服阀的开度来控制上述气缸，其特征在于，用位移传感器检测上述气缸中的杆的位移，通过将检测值乘以上述PID调节器的增益值，根据上述位移传感器的位移检测信号只经常变更上述PID调节器的增益。

该场合，也可以与上述杆的位移成比例地变更比例增益。

在本发明中，也可以由2个空气伺服阀分别进行气缸的头侧及杆侧的2个压力室的供气和排气，由来自上述位移传感器的位移检测信号变更与各个空气伺服阀对应的PID调节器的增益。

另外，为了实施上述方法，根据本发明，提供一种气缸的控制装置，其具有：气缸，向该气缸的压力室进行供气和排气的空气伺服阀，检测上述压力室压力的压力传感器，检测上述气缸中的杆位移的位移传感器，根据从上述传感器反馈的压力检测值和指令值的偏差由PID调节器控制上述空气伺服阀，其特征在于，该控制装置通过将从位移传感器反馈给控制器的检测值乘以上述PID调节器的增益值，根据来自该位移传感器的位移检测信号经常变更上述PID调节器的增益。

该场合，也可以与上述杆的位移成比例地变更比例增益。

再有，在本发明中，气缸的控制装置也可以具有：分别与气缸的头侧压力室及杆侧压力室连接的2个空气伺服阀及2个压力传感器，与各个空气伺服阀对应的2个PID调节器，1个位移传感器。

根据本发明，因为用位移传感器检测气缸中的杆的位移，根据该位移检测信号只经常变更上述PID调节器的增益，所以，由于有与适应控制相同的控制性，即使在气缸中的压力室的容积进行较大变化的场合，或无论是压力室的容积小的场合还是大的场合，都可以减少稳定偏差，同时，难以受到外部干扰的影响，可以提高响应性和稳定性并能高精度地控制气缸。

附图说明

图1是表示本发明的气缸控制装置的一个实施例的整体连接图。

图2是用于对本发明的控制方法进行说明的时间图的一例。

图3是图1的控制装置中的头侧控制系统的方块结构图。

图4是原有的气缸控制装置的连接图。

图5是图4的控制装置的方块结构图。

具体实施方式

图1是表示本发明的气缸控制装置的一个实施例的图，该实施例表示把气缸10用作焊接用空气伺服枪的场合。

即，该控制装置具有：构成焊接枪的气缸10，与气缸10的头侧压力室11连接的头侧空气伺服阀20，与杆侧压力室12连接的杆侧空气伺服阀30，向这些空气伺服阀20、30输出控制信号的控制器40，从外部向上述控制器40发出指令的外部控制器50，该控制装置是由上述控制器40控制两空气伺服阀20、30并把气缸10控制成所希望的动作状态的装置。

另外，上述气缸10具有：气缸筒13，自由滑动地嵌插在其中的活塞14，以及与该活塞14连接的活塞杆15，该气缸10是由该活塞杆15进行制品的夹持的装置。气缸筒13是密闭的筒体，具有挟持活塞14的头侧压力室11和杆侧压力室12。活塞杆15密闭状地贯通气缸筒13并延伸到外部。在该活塞杆15的延伸到外部的端部上安装着未图示的焊接枪的一方的电极构件。

从头侧空气伺服阀20通过流路22向上述头侧压力室11供给/排出所需要压力的空气，在该压力室11上连接检测该空气压力的头侧压力传感器23。在该头侧压力室11内设置位移传感器25的探针26，该探针26从头罩侧插入活塞14内来检测该活塞14的驱动位置。与由上述头侧压力传感器23和位移传感器25检测的压力及位移有关的检测信号被反馈给上述控制器40。

另一方面，从杆侧空气伺服阀30通过流路32向杆侧压力室12供给/排出空气，在该压力室12上连接检测其压力的杆侧压力传感器33。来自该杆侧压力传感器33的压力检测信号被反馈给上述控制器40。

上述头侧空气伺服阀20及杆侧空气伺服阀30实际上是具有相同结构的3位3通阀，具有导入来自空气供给源41的空气的供气口、输出该空气的输出口和排出该空气的排出口，用与来自控制器40的输出信号相应的开度适当地连通各口，使被控制的压力空气流向各压力室。

如上所述，来自头侧压力传感器23及杆侧压力传感器33的压力检测信号和来自位移传感器25的位置检测信号被反馈给上述控制器40。另外，与活塞14的动作状态或其动作位置相应的两压力室11、12内的空气压力等指令值作为时间表被设定并被存储。然后，根据从外部计算机50输入的指令信号，用上述控制器40的头侧控制部40a及杆侧控制部40b中的PID调节器分别比较从对应的压力传感器23、33反馈的检测值和指令值，在它们的偏差上施加上必要的增益(增幅)，由该信号控制对应的头侧及杆侧的空气伺服阀20、30。这时，各空气伺服阀20、30成为与施加上了增益的控制信号相应的开度，由与其开度相应的空气流量控制上述气缸10的两压力室11、12内的压力Ph、Pr，它们之差作为推力被输出。

从而，由上述头侧空气伺服阀20和头侧压力传感器23及头侧控制部40a构成头侧控制系统60A，由上述杆侧空气伺服阀30和杆侧压力传感器33及杆侧控制部40b构成杆侧控制系统60B。

再有，图中24、34是在空气伺服阀20、30至压力室的流路22、32上设置的压力传感器。

在图2(A)～(C)上，做成时间图来表示上述气缸10的控制动作的一例。该图(A)表示施加到两空气伺服阀20、30上的输入信号Vh、Vr从气缸10的任意的停止位置开始的变化，该图(B)表示活塞行程X的变化，图图(C)表示气缸10中的头侧及杆侧的压力室11、12的压力Ph、Pr的变化。

在图2(A)中，在时刻t1，在头侧空气伺服阀20上施加上用曲线Vh表示的输入信号，该空气伺服阀20的供气侧全开或开放到与其接近的地方，另一方面，在杆侧空气伺服阀30上施加上用曲线Vr表示的输入信号，该空气伺服阀30的排气侧被全部开放。

因此，如同图(B)所示，处于某个任意的停止位置(Xa)的活塞14，被从其位置向作为目标位置Xt的制品的夹持位置(X₀)驱动。

在如上述那样驱动活塞14且为夹持而进行定位动作的场合，如图示那样压力控制头侧空气伺服阀20，对于杆侧空气伺服阀30，通过保持对应于与活塞的现在位置X和制品的夹持位置X₀的偏差(ΔX＝X-X₀)成比例的输入信号(a·ΔX：a为常数)的空气伺服阀开度，随着接近制品的夹持位置，可以平滑地减小气缸的活塞速度。

再有，头侧空气伺服阀20的开度也必须根据上述偏差ΔX降低。

通过充分减小活塞速度并且使活塞充分地接近制品的夹持位置，在到达设定位置(Xc)以后，通过把杆侧空气伺服阀30的空气伺服阀开度(ΔV)固定在微小的一定值上，可以使夹持用构件以恒定且低的速度与制品接触。

图3表示上述控制装置中的控制头侧压力室11的压力的头侧控制系统60A的方块图。在该头侧控制系统60A上，如上述那样进行头侧压力室11的压力控制，同时把用位移传感器25检测的杆的位移检测信号反馈给头侧控制部40a，根据其检测值K，经常变更PID调节器40a′的增益Kp，使之与气缸容积(头侧压力室的容积)V的变化相对应。

在此，由于头侧控制系统60A中的压力控制基本上与图4及图5的原有装置相同，所以就图5记载的原有装置的方块图说明其基本部分。

若表现该原有的装置的方块图的整体的传递函数，则成为式(1)那样。

〔算式1〕

\frac{P_{0} (S)}{P_{i} (S)} = \frac{G (S) \cdot K_{p}}{V \cdot s + K_{c} \cdot K_{p} \cdot G (S)} . . . . . . (1)

另外，在上述式(1)中，为了简单地形成阀的传递函数，所以当用一次滞后系统近似时，成为(S)＝a/(1+T·S)。从而，式(1)成为式(2)，成为式(3)那样。

〔算式2〕

\frac{a}{1 + T \cdot s} \cdot \frac{K_{p}}{V \cdot s + (K_{c} \cdot K_{p} \cdot a) / (1 + T \cdot s)}

= \frac{a \cdot K_{p}}{T \cdot V \cdot s^{2} + V \cdot s + a \cdot K_{c} \cdot K_{p}} . . . . . . (2)

〔算式3〕

\frac{a \cdot K_{p}}{T \cdot V} \cdot \frac{1}{s^{2} + (1 / T) s + (a \cdot K_{c} \cdot K_{p}) / (T \cdot V)} . . . . . . (3)

相对于输入PID调节器的压力指令值，气缸10输出的输出压的传递函数成为二次滞后系统，用下面的式(4)表示。

〔算式4〕

在此，ωn是非衰减固有角频率，ζ是衰减系数，分别用下面的式(5)、(6)表示。

〔算式5〕

〔算式6〕

ζ = \frac{1}{2} \cdot \sqrt{V / (K_{c} \cdot K_{p} \cdot a \cdot T)} . . . . . . (6)

从这些式子中可知，上述非衰减固有角ωn及衰减系数ζ在很大程度上依赖于气缸的容积。

这样一来，由于气缸中的压力室的容积因活塞的位置而进行大的变化，与此相伴，S非衰减固定角频率ωn及衰减系数ζ也进行变化，所以控制性也变化了，容易受到指令值和测定值之间的稳定偏差或外部干扰等影响且响应性变差，难以进行高精度的控制。

但是，如果着眼于上述式(5)、(6)就会知道，在各自的分母和分子上都存在气缸容积V和PID调节器的增益Kp。因此，如果对应于气缸容积V的变化调整增益Kp，使之成为“Kp/V＝恒定”，就可以使上述非衰减系数的变化消失并使控制性恒定。

从这样的观点出发，在本发明中，如图3所示，把由位移传感器25检测到的杆的位移检测信号反馈给头侧控制部40a，根据其检测值K经常变更PID调节器40a′的增益Kp。作为具体的方法，可以在增益的值上乘以上述位移检测值K。

由此，由于有与适应控制相同的优良的控制性，所以即使在气缸10中的压力室的容积进行较大变化的场合，也可以可靠地防止稳定偏差和外部干扰的发生，不管杆的位置如何都能得到良好的响应性。

再有，在上述实施例中，对头侧控制系统变更了PID调节器的增益，对杆侧控制系统也可以进行同样的控制。

另外，作为上述位移传感器，使用了速度传感器或加速度传感器，作为位移信号，检测杆的速度或加速度，也可以进行同样的控制。

再有，通过上述方法控制气缸10中的压力室的空气压力的技术不仅适用于气缸10的推力控制，不用说也适用于杆的定位控制。

Claims

1.一种气缸的控制方法，用空气伺服阀进行气缸的压力室的供气/排气，用压力传感器检测该压力室内的压力并将其压力检测信号反馈给控制器，根据指令值和检测值的偏差，由该控制器的PID调节器调节上述空气伺服阀的开度来控制上述气缸，其特征在于，用位移传感器检测上述气缸中的杆的位移，通过将检测值乘以上述PID调节器的增益值，根据上述位移传感器的位移检测信号只经常变更上述PID调节器的增益。

2.如权利要求1所述的气缸的控制方法，其特征在于，与上述杆的位移成比例地变更比例增益。

3.如权利要求1或2所述的气缸的控制方法，其特征在于，由2个空气伺服阀分别进行气缸的头侧及杆侧的2个压力室的供气和排气，根据来自上述位移传感器的位移检测信号变更与各个空气伺服阀对应的PID调节器的增益。

4.一种气缸的控制装置，其具有：气缸；向该气缸的压力室进行供气和排气的空气伺服阀；检测上述压力室的压力的压力传感器；检测上述气缸中的杆的位移的位移传感器；控制器，根据从上述压力传感器反馈的压力检测值和指令值的偏差，由PID调节器控制上述空气伺服阀，其特征在于，

该控制装置通过将从上述位移传感器反馈给上述控制器的检测值乘以上述PID调节器的增益值，根据来自该位移传感器的位移检测信号经常变更上述PID调节器的增益。

5.如权利要求4所述的气缸的控制装置，其特征在于，与上述杆的位移成比例地变更比例增益。

6.如权利要求4或5所述的气缸的控制装置，其特征在于，具有：分别与气缸的头侧压力室及杆侧压力室连接的2个空气伺服阀及2个压力传感器，与各个空气伺服阀对应的2个PID调节器，1个位移传感器。