JP2000027764A - 液体加圧装置 - Google Patents
液体加圧装置Info
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Abstract
収束させ、安定性を維持するとともに、装置の機械的負
担を軽減する。 【解決手段】 液体加圧装置において、プランジャポン
プ1と、圧力センサ23と、プランジャ5A,5Bを移
動して実吐出圧力値を予め定められた閾値に到達させ、
実吐出圧力値が閾値に到達した後に実吐出圧力値の制御
を行って最適送り速度を決定し、その後は当該最適送り
速度を一定に維持する圧力制御部25を備えた。
Description
等の往復動ポンプを利用した液体加圧装置に関するもの
であり、特にポンプから吐出される高圧液体の圧力制御
に関する。
往復動プランジャポンプから吐出される高圧液体の吐出
圧力の制御は、シリンダ内を往復動するプランジャの送
り速度を制御することにより行われるのが一般的であ
る。このような高圧液体の圧力制御の第一の方法は、プ
ランジャポンプに取り付けられた圧力センサにより検出
された実吐出圧力値をフィードバックして目標値として
の圧力設定値との偏差をとり、この偏差を速度信号に変
換して、偏差に基づいた比例積分制御(PID制御)に
よりサーボモータの回転速度、即ちプランジャの往復動
の送り速度を調整することにより、実吐出圧力値を目標
値に収束される方法が一般的に知られている。
び停止を繰り返しながら、プランジャの往復動の送り速
度を変えて実吐出圧力値をフィードバックし、圧力設定
値に収束させるというON−OFF制御により行われ
る。
うな従来の圧力制御方法には次のような問題がある。P
ID制御により圧力制御を行う場合には、PID制御の
性質により、外乱に敏感に反応するため、プランジャの
往復動の加減速が激しくなる。特にプランジャポンプ
は、プランジャのストローク長が短いため、加減速を頻
繁に行っても実吐出圧力値が安定状態に達するまで時間
を要するという問題がある。また、外乱の影響を受けや
すいため、実吐出圧力値が安定した後でも、変動しやす
く、一定の圧力値を維持することが困難であるという問
題がある。
法では、サーボモータの起動及び停止によるプランジャ
のストローク反転を煩雑に繰り返すため、圧力値が安定
した後でも圧力値を一定に保持できないという問題があ
る。また、煩雑なサーボモータの起動及び停止により、
ベルトやプーリー等の駆動系に対する機械的負担が大き
く、装置の寿命が短くなるという問題がある。
動ポンプにおいては、高圧液体の吐出圧力は、ノズルの
径が一定であれば、往復動するプランジャの送り速度に
よって一意的に決定されるものである。このため、プラ
ンジャの送り速度を一定に維持できれば、吐出圧力値も
安定した状態を保持できることになる。
れたものであり、吐出圧力値を安定した動作で、短時間
にかつ精度良く目標の圧力値に収束させることができる
液体加圧装置を提供することを主な目的とする。また、
本発明の別の目的は、吐出圧力を目標の圧力値に安定し
た状態で維持することができる液体加圧装置を提供する
ことである。本発明の更に別の目的は、装置に対する機
械的負担を減少させることができる液体加圧装置を提供
することである。
め、請求項1に係る発明は、吸入した液体をプランジャ
の往復動により加圧して吐出する往復動ポンプと、前記
高圧液体の実吐出圧力値を計測する圧力計測手段と、前
記プランジャの往復動の送り速度を調整することによ
り、前記圧力計測手段で計測された実吐出圧力値を目標
値としての圧力設定値に収束させるように制御する圧力
制御手段と、を備えた液体加圧装置において、前記圧力
制御手段は、プランジャを移動して前記実吐出圧力値を
予め定められた閾値に到達させ、前記実吐出圧力値が前
記閾値に到達した後に実吐出圧力値の制御を行って最適
送り速度を決定し、その後は当該最適送り速度を一定に
維持するものであることを特徴とする。
圧力制御手段によって、初めに実吐出圧力値をこの閾値
に到達させ、到達後に実吐出圧力値の制御を行ってい
る。
しての圧力設定値の近傍の値である。即ち、本発明で
は、目標値に近い閾値まで実吐出圧力値を一気に到達さ
せた後、目標値付近で実吐出圧力値のフィードバック制
御を行って目標値に収束させることができるため、従来
のPID制御やON−OFF制御によりプランジャの加
減速やストローク反転を繰り返す装置に比べて、短時間
に吐出圧力値を目標値に到達させることができる。
送り速度は、特に限定されるものではないが、圧力制御
の速応性を向上させ、より短時間に吐出圧力値を目標値
に収束させるため、プランジャの最高送り速度であるこ
とが好ましい。
よく、プランジャの送り速度、ストローク長等の条件に
よって任意に設定することが可能である。また、閾値と
して、下限値の他、上限値を定めておく。この場合に
は、徐々に減速されるプランジャが目標値としての圧力
設定値に達しても移動しようとするため、実吐出圧力値
が目標値としての圧力設定値に達した時点で、プランジ
ャの移動が停止してしまうことを防止できるという利点
がある。
て、実吐出圧力値が閾値に到達した後に実吐出圧力値の
制御を行って最適送り速度を決定し、その後は当該最適
送り速度を一定に維持する。
圧力設定値にほぼ対応したプランジャの送り速度であ
り、目標値に完全に一致させるため、後に補正すること
ができる。即ち、本発明では、往復動ポンプの高圧液体
の吐出圧力は、ノズルの径が一定であればプランジャの
送り速度により決定されることを利用して、閾値に達し
た後の圧力制御により実吐出圧力を目標値に収束させた
時点、若しくは目標値付近の圧力値となる送り速度を最
適送り速度として決定し、この最適送り速度を一定に維
持する。このため、実吐出圧力値は、目標値にほぼ収束
した状態で一定値を保持することになり、従来のPID
制御による圧力制御を行う装置と異なり、外乱の影響に
伴うプランジャの加減速は不要となり、また最適送り速
度の再決定を行う必要がない。従って、実吐出圧力値
を、精度良く円滑に目標値に到達させることが可能とな
る。また、実吐出圧力値を目標値に維持することが容易
となり、安定性を向上させることができる。
液体加圧装置において、前記圧力制御手段は、比例要素
を有し、前記実吐出圧力値が前記閾値に達した後、最初
にプランジャの前進端に到達するまでの間に、実吐出圧
力値を比例制御するものであることを特徴とする。
た後、最初にプランジャの前進端に到達するまでの間の
プランジャの圧力制御を、外乱への反応が少ない比例制
御で行うため、ストローク長の短いプランジャの場合で
もより短時間に圧力値を目標値付近に収束させることが
可能となる。
記載の液体加圧装置において、前記圧力制御手段は、前
記最適送り速度の決定後、前記プランジャの往復動の切
換時に、実吐出圧力値と圧力設定値との偏差に基づいて
送り速度を補正するものであることを特徴とする。
ンジャの送り速度を、往復動の切換時に、実吐出圧力値
と圧力設定値との偏差に基づいて補正するため、最適送
り速度が圧力設定値に完全に対応した送り速度でない場
合でも、次第に送り速度を収束させることができる。即
ち、目標値付近で送り速度の補正を繰り返すことによ
り、更に短時間に実吐出圧力値を目標値に収束させるこ
とが可能となる。また、補正前及び補正後の送り速度は
一定に維持されるため、安定した動作を行わせることが
でき、装置の機械的負担も減少する。更に、往復動の切
換により送り速度が変動して、高圧液体の実吐出圧力値
が変動した場合でも、補正により最適送り速度に戻すこ
とができ、実吐出圧力の定常特性を更に良好にすること
ができる。
補正は、往復動の切換時に行うものであればその構成は
特に限定されるものではない。例えば、圧力設定値と実
圧力設定値の偏差に基づき、予め定められた算出式によ
り算出された補正値を送り速度に加減乗除して補正する
他、偏差量に対して固定された補正値を送り速度に加減
するように構成しても良い。
換時で行う他、各ストローク端での切換時に別個に行っ
ても良い。この場合には、プランジャの左行、右行の機
械的ズレによる送り速度の誤差を解消して、良好な定常
特性を維持することが可能となる。
ずれか1項に記載の液体加圧装置において、前記圧力制
御手段は、前記最適送り速度の決定後、前記プランジャ
の往復動の切換時に、送り速度を一時的に前記最適送り
速度以上の速度に設定するものであることを特徴とす
る。
送り速度の決定後プランジャの往復動の切換時に、送り
速度を一時的に最適送り速度以上の速度に設定するの
で、往復動の切換時の脈動による実吐出圧力値の低下を
防止して、減衰性を良好にし安定性を維持することが可
能となる。このような設定速度としては、例えば、減衰
性をより良好にするため、最大送り速度とすることがで
きる。
て、以下、図示例とともに説明する。図1は、本実施形
態の液体加圧装置の概略構成図である。この実施形態に
係る液体加圧装置では、高圧液体噴射による材料切断等
のためのノズル装置を示しているが、高圧液体が供給さ
れる一定容積の食品加圧処理用圧力容器内の食品を加圧
処理するための装置としても良い。
置は、給液部8、往復動ポンプとしてのプランジャポン
プ1、圧力制御手段としての制御部25、および噴射部
17から構成されている。
供給するためのものであり、圧媒タンク11、給水ポン
プ9からなる。
プ1に送られ、加圧された後、噴射部17から外部へ噴
射されるものである。従って、液体の種類は、材料切断
に使用される場合や食品の加圧処理に使用される場合に
応じて適宜選択できる。
プランジャポンプ1に送るためのものであり、回転式ポ
ンプでも往復動ポンプでも連続して供給できるものであ
れば良い。尚、給水ポンプ9を設けないで、プランジャ
ポンプ1に圧媒タンク11内の液体を自己吸引させるこ
とも可能である。
及びサーボモータ7によって駆動されるプランジャ5
A,5Bを有する。両プランジャ5A,5Bは、互いに
等しいストローク長さで可逆的に連動して一体的に往復
運動し、これによってプランジャポンプ1の左右ポンプ
室3A,3Bでは、一方が吸入行程にあるときに他方は
吐出行程を行うように、いわゆるプッシュプル動作を行
う。つまり、プランジャ5Bは、図示の矢印A方向に移
動することによりポンプ室3Bに液体を吸入し(吸入行
程)、逆に矢印B方向に移動することにより前記吸入行
程で吸入した液体を加圧して吐出する(吐出行程)。
尚、プランジャ5Aでは、矢印A,B方向での各行程
が、プランジャ5Bの場合と逆になる。
プ1とサーボモータ7を採用しているので、制御が容易
になる。
出される高圧液体の実吐出圧力を計測するものであり、
計測結果は電気信号として制御部25に入力される。こ
の実施形態では、圧カセンサは圧力計測手段を構成して
いる。
体を吐出するものであるが、高圧液体の吐出圧力は、プ
ランジャ5A,5Bの吸入行程及び吐出行程における往
復動の送り速度によって決定される。そしてこの送り速
度は、サーボモータ7の回転速度を制御する制御部25
によって、圧カセンサから制御部25に入力される信号
に基づいたフィードバック制御により行われる。
御系の制御ブロック図を示す。制御部25は、目標値と
しての圧力設定値Psと圧力センサ23からフィードバ
ックされてきた実吐出圧力値Pとを入力する。そして、
圧力設定値Psと実吐出圧力値Pとの偏差に基づいて後
述する制御方法によってプランジャ5A,5Bの必要な
速度が算出され、サーボモータ7に速度指令が出力さ
れ、サーボモータ7は、速度指令に応じた回転速度によ
って回転する。このため、制御部25によって、実吐出
圧力値に基づいたプランジャ5A,5Bの送り速度が制
御され、この結果、高圧液体の吐出圧力の制御が行われ
るようになっている。
部8側(上流部)には、チェック弁13a,13bが設
けられており、さらに、噴射部17側(下流部)には、
チェック弁15a,15bが設けられている。チェック
弁13a,13bは、給液部8からプランジャポンプ1
への液体の流入のみを許容し、チェック弁15a,15
bは、プランジャポンプ1から噴射部17への液体の流
出のみを許容する。いずれも、下流側から上流側への逆
流れを阻止する向きに配置されている。
ェック弁15a,15bを通って噴射部17へ送られ
る。噴射部17は、アキュムレータ19、及びノズル2
1からなる。
されており、ノズル21からの高圧液体の吐出量や吐出
圧力の瞬時的変動を緩和する。
の制御部25による高圧液体の圧力制御について説明す
る。図5に、本実施形態における圧力制御のフローチャ
ート図を示す。
sと、閾値α及びβを決定し制御部25に入力する。こ
こで、閾値αは圧力値の上限値(Ps+α)として、閾
値βは圧力値の下限値(Ps−β)として用いられる。
尚、閾値として、下限値のみを設定するようにしてもよ
い。また、閾値α及びβは、目標値としての圧力設定値
Psの近傍の値であり、本実施形態では、αを5MP
a、βを20MPaとして設定している。尚、閾値α及
びβの値はこれに限定されるものではなく、プランジャ
5A,5Bのストローク長や、圧力設定値等の条件によ
って任意に決定することが可能である。
ジャ5A,5Bを往復動させる。プランジャ5A,5B
の送り速度Vは数1の式で決定される。
の最大送り速度である。
圧力センサ23で検出し、実吐出圧力値PがPs−βに
達しているか否かを調べる(ステップ501)。そし
て、実吐出圧力値PがPs−βに到達していなければ、
プランジャ5A,5Bの送り速度がVmaxとなる速度指
令信号をサーボモータ7に送出する(ステップ51
0)。
ランジャ5A,5Bがストローク端に位置しているか否
かを調べ(ステップ503)、ストローク端でなければ
プランジャ5A,5Bの送り速度を数1の式で算出され
る値となる速度指令信号を送出する(ステップ51
1)。そして、プランジャ5A,5Bが最初にストロー
ク端に到達する間に、制御部25で実吐出圧力値Pの比
例制御を行う(ステップ502)。即ち、実吐出圧力
は、圧力設定値Ps(目標値)付近で比例制御が行われ
るため、目標値に収束していく。図3は、制御部25に
よる圧力制御によって、実吐出圧力値及びプランジャ5
A,5Bの送り速度の変動状態を示した図であり、図3
(a)は、時間と実吐出圧力値の変動の状態図、図3
(b)は、プランジャ5A,5Bの送り速度の変動の状
態図である。
ローク端に移動したら、プランジャ5A,5Bの方向切
換時における送り速度を検出し、当該速度を最適送り速
度V 0として、送り速度VをV0に設定する(ステップ
504)。この時、最適送り速度V0は、目標値の圧力
設定値Psに対応した送り速度に非常に近い値となって
いる。
御を止め(ステップ505)、プランジャ5A,5Bの
送り速度VをV0で一定に維持する。但し、プランジャ
5A,5Bのストローク端における往復動の切換時に
は、プランジャ5A,5Bの送り速度を最大送り速度V
maxに一時的に設定する。これは、プランジャ5A,5
Bの方向切換時の脈動による実吐出圧力値Pの低下を防
止して、制御系の減衰性を良好にし安定性を向上させる
ためである。
の各ストローク端における方向切換時に、圧力センサ2
3からの実吐出圧力値Pと圧力設定値(目標値)Psと
を比較して偏差をとる(ステップ506、508)。そ
して、実吐出圧力値Pが、圧力設定値Psから圧力設定
値Ps−2MPaまでの範囲外にあるまでの間に、送り
速度Vが最大送り速度Vmaxになる速度指令信号をサー
ボモータに送出して送り速度を制御する。そして、実吐
出圧力値Pが、圧力設定値Psから圧力設定値Ps−2M
Paまでの範囲内に戻ったことを圧力センサ23で検出
した後は、送り速度を最適送り速度V0に戻すように制
御する。尚、最大送り速度に設定すべき実吐出圧力値の
範囲は、圧力設定値Psから圧力設定値Ps−2MPaま
での範囲外に限定されるものではなく、プランジャ5
A,5Bのストローク長や、圧力設定値等の条件によっ
て任意に決定することが可能である。
トローク端においては、最適送り速度V0の1/100
の値を送り速度に加算するようにサーボモータ7への速
度指令信号を送出しサーボモータ7の回転速度を変更し
て、プランジャ5A,5Bの送り速度を補正する(ステ
ップ507、509)。
右各ストローク端で、夫々別個に送り速度の補正を行っ
ているのは、方向切換時におけるプランジャ5A,5B
の機械的ズレによる送り速度の誤差を解消するためであ
る。
ク端における送り速度の変化の状態を示した図である。
図4から解るように、方向切換時から一定時間だけ送り
速度Vが最大速度Vmaxになっており、当該時間経過後
次の方向切換時までの間は、最適送り速度V0を補正し
た値A0,A1,B0,B1となっている。
保持するが、この場合でも何らかの原因によって実吐出
圧力値Pが、圧力設定値Ps+α以上となった場合に
は、プランジャ5A,5Bを停止させる。一方、圧力設
定値Ps−β以下、若しくは圧力設定値Ps−2β以下に
低下した場合には、再度比例制御を行い最適送り速度V
0を決定する。このため、実吐出圧力値Pが大幅に変動
した場合でも、直ちに定常状態に復帰させることができ
る。
定値(目標値)300MPaとして圧力制御を行った場
合のモータ回転数に換算したプランジャ送り速度V及び
実吐出圧力値Vの測定結果を示す。図6から解るよう
に、本実施形態に係る液体加圧装置によれば、実吐出圧
力値の定常特性、減衰性及び安定性がいずれも向上す
る。
御手段が、プランジャを移動して実吐出圧力値を予め定
められた閾値に到達させ、実吐出圧力値が閾値に到達し
た後に実吐出圧力値の制御を行って最適送り速度を決定
するので、吐出圧力値を安定した動作で、短時間にかつ
精度良く目標の圧力値に収束させることができるという
効果がある。
速度を決定した後は最適送り速度を一定に維持するた
め、外乱等の外部要因に影響されずに、吐出圧力を目標
の圧力値に安定した状態で維持することができるという
効果がある。
速度を決定した後は最適送り速度を一定に維持するた
め、プランジャの起動停止を繰り返す必要がなく、装置
に対する機械的負担を減少させ、装置の寿命を長くする
ことができるという効果がある。
ある。
図である。
び送り速度の変動の状態図である。図3(a)は、実吐
出圧力値の状態図であり、図3(b)はプランジャの送
り速度の状態図である。
端における送り速度の変動を示す状態図である。
ローチャート図である。
速度V及び実吐出圧力値Vの測定結果を示す状態図であ
る。
Claims (4)
- 【請求項1】 吸入した液体をプランジャの往復動によ
り加圧して吐出する往復動ポンプと、前記高圧液体の実
吐出圧力値を計測する圧力計測手段と、前記プランジャ
の往復動の送り速度を調整することにより、前記圧力計
測手段で計測された実吐出圧力値を目標値としての圧力
設定値に収束させるように制御する圧力制御手段と、を
備えた液体加圧装置において、 前記圧力制御手段は、プランジャを移動して前記実吐出
圧力値を予め定められた閾値に到達させ、前記実吐出圧
力値が前記閾値に到達した後に実吐出圧力値の制御を行
って最適送り速度を決定し、その後は当該最適送り速度
を一定に維持するものであることを特徴とする液体加圧
装置。 - 【請求項2】 前記圧力制御手段は、比例要素を有し、
前記実吐出圧力値が前記閾値に達した後、最初にプラン
ジャの前進端に到達するまでの間に、実吐出圧力値を比
例制御するものであることを特徴とする請求項1に記載
の液体加圧装置。 - 【請求項3】 前記圧力制御手段は、前記最適送り速度
の決定後、前記プランジャの往復動の切換時に、実吐出
圧力値と圧力設定値との偏差に基づいて送り速度を補正
するものであることを特徴とする請求項1又は2に記載
の液体加圧装置。 - 【請求項4】 前記圧力制御手段は、前記最適送り速度
の決定後、前記プランジャの往復動の切換時に、送り速
度を一時的に前記最適送り速度以上の速度に設定するも
のであることを特徴とする請求項1〜3のいずれか1項
に記載の液体加圧装置。
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