JP2000192906A

JP2000192906A - 高速比例制御空気式アクチュエ―タ

Info

Publication number: JP2000192906A
Application number: JP10374741A
Authority: JP
Inventors: Mitsuru Uchida; 充内田; Hitoshi Hiroshige; 仁廣重
Original assignee: Klif Co Ltd
Current assignee: Klif Co Ltd
Priority date: 1998-12-28
Filing date: 1998-12-28
Publication date: 2000-07-11

Abstract

(57)【要約】【課題】本発明は、応答時間の短縮化と、動作の安定
化を図れる高速比例制御空気式アクチュエータを提供す
る。【解決手段】空気源からソレノイドバルブ６を介して
供給される空気圧により動作して制御対象を駆動するエ
アシリンダ５を備えた高速比例制御空気式アクチュエー
タにおいて、制御対象の現在値を検知する位置検知装置
１４と、この位置検知装置１４により検知した制御対象
の現在値と、前記制御対象に対して設定される設定値と
の偏差を絶対偏差として検知する絶対偏差検知装置１６
と、この絶対偏差検知装置１６により検知した絶対偏差
と予め設定した大小比較値との大小を比較する絶対偏差
比較装置１７と、この絶対偏差比較装置の比較結果を基
に、絶対偏差の大小の比較結果を基にエアシリンダの動
作速度を制御するエアシリンダスピードコントロール手
段を設けたものである。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、電気的制御信号入
力と、電力及び空気圧で動作する高速比例制御空気式ア
クチュエータに関するものである。

【０００２】

【従来の技術】図１１、図１２に従来の空気式アクチュ
エータ付の風量調整ダンパの構成を示す。

【０００３】従来の空気式アクチュエータ（アクチュエ
ータ部）は、空気源からの空気をフィルタレギュレータ
１０を介してエアシリンダバルブ制御装置９により制御
されるソレノイドバルブ６に供給し、さらにソレノイド
バルブ６からエアシリンダ５に空気を送って、エアシリ
ンダ５によりダンパ部のリンケージ３を駆動してシャフ
ト２に取り付けたダンパ羽根１を開閉するようにしてい
る。

【０００４】ダンパ羽根１の開閉位置は、シャフト２に
連結したカップリング４に取り付けた位置検知装置１４
により現在値として検知し、検知した現在値と、設定器
１３より予め設定した設定値とを現在値／設定値比較装
置１５により比較して現在値と設定値との偏差を求め、
エアシリンダバルブ制御装置９に帰還するようになって
いる。

【０００５】また、ソレノイドバルブ６によるエアシリ
ンダ５の開方向、閉方向制御は、開方向スピードコント
ローラ７、閉方向スピードコントローラ８により行うよ
うになっている。尚、図１１中、１１は圧力計、１２は
電源装置、２７は制御装置である。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述し
た従来の空気式アクチュエータの場合、図１３に示す特
性図から明らかなように、操作量１００％でその応答時
間は特性Ｅで示すように通常９乃至１０秒、早くても特
性Ｄで示すように５乃至６秒かかっていた。

【０００７】電動モータ式アクチュエータに比較すれ
ば、上述した応答時間は決して遅いとはいえないが、従
来の制御方法では空気式アクチュエータに用いるエアシ
リンダ５の特徴である高速応答性を十分に活かし切って
いないという問題がある。

【０００８】また、大きな駆動力を必要とする例えば大
型風量調整ダンパでは、空気式アクチュエータが最適で
あるが、大風量を一気に制御したいと言う要求には５乃
至６秒の応答時間では遅すぎるという問題があった。

【０００９】さらに、従来の空気式アクチュエータの制
御方法では、応答時間を早くしようとすると、ハンティ
ングが生じる等、動作の安定性が著しく損なわれ、ま
た、動作の安定性を重視すると図１３の特性Ｆで示すよ
うに、応答時間が著しく遅く（１５秒程度）なり、高速
応答性と、動作の安定性とを両立させることが極めて困
難である。

【００１０】また、風量調整ダンパに空気式アクチュエ
ータを使用すると、制御入力に対する制御量を考慮する
と、ダンパ開度としては制御入力に比例するが、風量と
しては比例しないという問題がある。

【００１１】さらに、制御入力に対して制御量として単
体固有の制御出力特性しか有さず、特殊制御量に補正可
能な応用機能を有していないという問題もある。

【００１２】本発明は、上記事情に鑑みてなされたもの
であり、応答時間の短縮化と、動作の安定化を図り、か
つ、制御入力に対して所望する制御出力特性を得ること
ができ、より高度で精密な自動制御システムに対応可能
な高速比例制御空気式アクチュエータを提供することを
目的とするものである。

【００１３】

【課題を解決するための手段】請求項１記載の発明は、
空気源からソレノイドバルブを介して供給される空気圧
により動作して制御対象を駆動するエアシリンダを備え
た高速比例制御空気式アクチュエータにおいて、制御対
象の現在値を検知する位置検知装置と、この位置検知装
置により検知した制御対象の現在値と、前記制御対象に
対して設定される設定値との偏差を絶対偏差として検知
する絶対偏差検知装置と、この絶対偏差検知装置により
検知した絶対偏差と予め設定した大小比較値との大小を
比較する絶対偏差比較装置と、この絶対偏差比較装置の
比較結果を基に、絶対偏差が大小比較値より大の場合
は、エアシリンダの排気経路を全開にしてエアシリンダ
を全速で動作させ、絶対偏差が大小比較値より小さい場
合はエアシリンダの排気経路を絞って減速させ、現在値
と設定値が一致すると、ソレノイドバルブを閉じてエア
シリンダを停止させるエアシリンダスピードコントロー
ル手段を設けたことを特徴とするものである。

【００１４】請求項１記載の発明によれば、現在値と、
設定値との絶対偏差を利用し、応答時間の短縮化と、動
作の安定化を図り高速動作が可能な高速比例制御空気式
アクチュエータを提供できる。

【００１５】請求項２記載の発明は、請求項１記載の高
速比例制御空気式アクチュエータにおいて、前記制御対
象に対して設定される設定値を、前記制御対象の動作特
性に応じて補正可能なリニアライザを有することを特徴
とするものである。

【００１６】請求項２の構成によれば、請求項１記載の
比例制御空気式アクチュエータの作用に加えて、制御入
力に対して単なる比例制御出力だけでなく、種々の非直
線性の制御出力を得て制御多対象を制御でき、用途の拡
大を図ることができる。

【００１７】

【発明の実施の形態】以下に、本発明の実施の形態を図
１乃至図９を参照して詳細に説明する。

【００１８】図１は、本発明の実施の形態の比例制御空
気式アクチュエータ付の制御対象として風量調整ダンパ
の要部構成を示すブロック図、図２は風量調整ダンパの
機械系及び空気系の主要部の構成を示すブロック図であ
る。

【００１９】尚、図１、図２に示す比例制御空気式アク
チュエータ付の風量調整ダンパにおいて、図１１、図１
２に示す空気式アクチュエータと同一の機能を有する要
素には同一の符号を付して示す。

【００２０】本実施の形態の比例制御空気式アクチュエ
ータ付の風量調整ダンパは、図１、図２に示すように、
ダンパ羽根１を開閉させるシャフト２、リンケージ３、
エアシリンダ５を使用している。

【００２１】この風量調整ダンパを作動するために必要
な圧力空気を、外部に設けた空気源からフィルタレギュ
レータ１０に送って清浄にし、また、一定圧力空気に調
整してソレノイドバルブ６に供給する。また、圧力計１
１により空気圧を確認するようになっている。

【００２２】さらに、電源装置１２により風量調整ダン
パの作動に必要な電力を供給するようになっている。

【００２３】また、外部に配置された設定器１３により
例えば前記ダンパ羽根１のダンパ開度の設定を行うと、
リニアライザ２１を経て設定値が現在値／設定値比較装
置１５に送られるようになっている。

【００２４】一方、カップリング４及び位置検知装置１
４により、ダンパ開度の現在値が検知され、現在値／設
定値比較装置１５に送られるようになっている。

【００２５】尚、ダンパ開度の現在値を検知する位置検
知装置１４としては、例えばポテンショメータ、アブソ
リュートエンコーダ等を使用することができる。

【００２６】現在値／設定値比較装置１５による比較結
果において、現在値が設定値より小さい場合には、エア
シリンダバルブ制御装置９によりソレノドバルブ６を作
動させてエアシリンダ５を開方向に動作させ、現在値と
設定値が等しくなるとその位置で停止させる。

【００２７】また、現在値が設定値より大きい場合に
は、エアシリンダバルブ制御装置９によりソレノドバル
ブ６を作動させてエアシリンダ５を閉方向に動作させ、
現在値と設定値が等しくなるとその位置で停止させる。

【００２８】本実施の形態においては、従来例の構成に
加えて、絶対偏差検知装置１６、絶対偏差比較装置１
７、スピードコントローラバルブ制御装置１８、開方向
ソレノドバルブ１９、閉方向ソレノドバルブ２０からな
るエアシリンダスピードコントロール手段を設置して高
速作動と動作の安定化を図るものである。

【００２９】即ち、現在値と設定値の偏差が大きい場合
には、エアシンンダ５の排気を絞らず全速で作動させ、
偏差が小さくなった時点で開方向スピードコントローラ
７、閉方向スピードコントローラ８によりエアシンンダ
５の排気を絞り、ブレーキをかけながら現在値と設定値
の一致点で停止させるものである。

【００３０】しかし、現在値と設定値との偏差を検知す
る場合、現在値が設定値よりも大きかったり逆に設定値
が現在値よりも大きかったりするので、単純に減算器を
用いると偏差がプラスになったりマイナスになったりし
て比較するうえで不都合を生じる。

【００３１】そこで、図４に示す絶対偏差検知装置１６
により現在値と設定値との絶対偏差を検知するようにし
た。

【００３２】絶対偏差検知装置１６は、オペアンプ、抵
抗、ダイオード、コンデンサ等を使用して構成した差動
増幅減算器２２及び全波整流器２３により構成され、設
定値入力Ｖ₂と現在値入力Ｖ₁との差（Ｖ₂−Ｖ₁）
を、図５に示す出力Ｖ₃として得るようになっている。

【００３３】また、全波整流器２３を使用し、出力Ｖ₃
を入力とした場合の図６に示す出力Ｖｏｕｔを得るよう
になっている。

【００３４】この全波整流器２３の出力Ｖｏｕｔの信号
を、絶対偏差比較装置１７に入力し、予め設定した大小
比較値で比較を行い、比較大の場合は、スピートコント
ローラバルブ制御装置９により開方向ソレノイドバルブ
１９、閉方向ソレノイドバルブ２０の双方とも作動させ
ず、エアシリンダ５の排気経路を全開にしてエアシリン
ダ５を全速で動作させる。

【００３５】比較小になると、開方向の場合は開方向ソ
レノイドバルブ１９、開方向スピートコントローラ７が
動作し、閉方向の場合は閉方向ソレノイドバルブ２０、
閉方向スピートコントローラ８が動作し、エアシリンダ
５の排気経路を絞り、エアシリンダ５の作動にブレーキ
をかける。

【００３６】現在値と設定値が一致すると、ソレノイド
バルブ６が閉じてエアシリンダ５の両方向の空気を封じ
て停止させる。

【００３７】この場合、機械的慣性のために、必ずしも
現在値と設定値が一致したところでエアシリンダ５が停
止するとは限らず、オーバランすることがある。

【００３８】しかし、本実施の形態では偏差を絶対値と
してとらえているので、オーバランした場合も比較小の
範囲では確実にブレーキがかかり、減衰特性を示しハン
ティングを生じさせないで短時間で収斂する。

【００３９】本実施の形態の応答特性の１例を図３に示
す。

【００４０】例えば、幅１５００ｍｍ、高さ５００ｍｍ
からなる風量調整ダンパでの応答実測平均値は１．０７
秒となり、幅１５００ｍｍ、高さ１３００ｍｍからなる
風量調整ダンパでの応答実測平均値は１．７３秒となっ
た。

【００４１】これにより、本実施の形態の場合には、図
１３に示す従来例の場合よりもはるかに早い時間で収斂
することが明らかである。

【００４２】比較大、比較小の設定、即ち、開方向スピ
ートコントローラ７、閉方向スピートコントローラ８が
作動する範囲は、電気的に調整可能としてあり、さら
に、開方向スピートコントローラ７、閉方向スピートコ
ントローラ８も機械的に絞り調整が可能であるため、制
御系の機械的慣性モーメントの程度に応じて両方を適度
に調整することで高安定、高速作動が可能となる。

【００４３】一方、従来の方法では、常に開方向スピー
ドコントローラ７又は閉方向スピードコントローラ８が
動作して、エアシリンダ５の排気を絞り動作の安定化を
図っているため、図１３に示すように応答を早める、即
ち、開方向スピードコントローラ７又は閉方向スピード
コントローラ８の絞りを緩めてエアシリンダの排気を多
くすると、応答性はよくなるが特性Ｄに示すように安定
性が悪くなってしまう。例えば、開方向スピードコン
トローラ７又は閉方向スピードコントローラ８の絞り量
を適度に調整しても、幅１６００ｍｍ、高さ６００ｍｍ
からなる風量調整ダンパでの応答実測平均値は図１３の
特性Ｅに示すように１０秒もかかってしまう。

【００４４】本実施の形態では、風量調整ダンパに高速
比例制御空気式アクチュエータを付けたものについてそ
の構成、作用を説明したが、この高速比例制御空気式ア
クチュエータは、風量調整ダンパに限らずあらゆる制御
装置に適用可能である。

【００４５】次に、本実施の形態における前記リニアラ
イザ２１に付いて図７乃至図１０を参照して説明する。

【００４６】このリニアライザ２１は、図７に示すよう
に、Ａ−Ｄ変換器２４、ＥＰ−ＲＯＭ（メモリ）２５、
Ｄ−Ａ変換器２６によるディジタル式リニアライザであ
る。例えば風量調整ダンパにおいては、図８の特性Ａで
示すように、ダンパ開度の設定値に対する制御量（風
量）は比例しない。

【００４７】ダンパ開度が５０％であれば、風量も５０
％と推定しがちであるが、ダンパ羽根１の形状、ダンパ
の種類（丸形、角形、羽根の数の多少等）によって特性
Ａは変化する。

【００４８】そこで、リニアライザ２１により特性Ｂの
ような補正を行うと、特性Ｃで示すように設定値と制御
量（風量）が比例するようになり、風量制御システムと
して好都合である。

【００４９】また、図９に示すように、設定値に対して
制御量、即ち例えばダンパ開度の上限設定、下限設定等
も可能である。

【００５０】本実施の形態では、図７に示すように、設
定値入力（アナログ信号）ＶｉｎをＡ−Ｄ変換器２４に
より、８ビットのディジタル信号に変換する。８ビット
では、０乃至２５５区分の分解能となり、ＥＰ−ＲＯＭ
２５では、入力ディジタル信号Ａ₀乃至Ａ₇に対して補
正変更をしたり意味付けを持たせた出力ディジタル信号
Ｄ₀乃至Ｄ₇に置き換えることができる。

【００５１】即ち、図１０に示すように、１０進数で
「１３」という信号が入ったときに、１０進数で「１
５」という信号を出力するように変更記憶することがで
きる。

【００５２】また、ディジタル信号Ａ₈乃至Ａ₁₁（Ｓ
Ｌ）により１５通りのリニアパターンを選択し記憶する
ことができ、最適なパターン選んで使用することができ
る。

【００５３】このディジタル信号をＤ−Ａ変換器２６で
アナログ信号に変換し、最終的にはリニアライザ出力Ｖ
ｏを得る。

【００５４】尚、リニアライザ２１の例として、ディジ
タル式リニアライザについて説明したが、この他にアナ
ログ式のダイオード折線近似回路方式やべき級数展開近
似回路方式を使用することも可能である。

【００５５】このように、リニアライザ２１を使用する
ことにより、複雑な制御システムを簡略化してより洗練
された制御を実行できるようになり、また、アクチュエ
ータとしての用途の拡大を図れる。

【００５６】さらに、現場では、使用条件に合わせた整
合補正が可能であるため、本実施の形態のリニアライザ
２１の利用価値は高い。

【００５７】尚、リニアライザ２１は高速比例制御空気
式アクチュエータに限らず、電力使用の一般的なアクチ
ュエータにも適用可能である。

【００５８】本実施の形態の高速比例制御空気式アクチ
ュエータによれば、従来例と比較してはるかに速い応答
性と、高い安定性を得ることが可能となる。

【００５９】

【発明の効果】請求項１記載の発明によれば、速い応答
性と、高い安定性を得ることが可能となる高速比例制御
空気式アクチュエータを提供できる。

【００６０】請求項２記載の発明によれば、請求項１記
載の発明の効果を奏するとともに、より複雑化精密化す
る制御システムにおいて、簡略な構成で速い応答性と、
高い安定性を得ることができ広範な用途に対応し得る高
速比例制御空気式アクチュエータを提供できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の形態の比例制御空気式アクチュ
エータ付の風量調整ダンパの要部構成を示すブロック図
である。

【図２】本実施の形態の比例制御空気式アクチュエータ
付の風量調整ダンパの機械系及び空気系の主要部の構成
を示すブロック図である。

【図３】本実施の形態の比例制御空気式アクチュエータ
付の風量調整ダンパの応答性能を例示的に示す特性図で
ある。

【図４】本実施の形態の比例制御空気式アクチュエータ
の絶対偏差検知装置を例示的に示すブロック図である。

【図５】本実施の形態の比例制御空気式アクチュエータ
の差動増幅減算器の入出力特性を示す図である。

【図６】本実施の形態の比例制御空気式アクチュエータ
の全波整流器の入出力特性を示す図である。

【図７】本実施の形態の比例制御空気式アクチュエータ
のリニアライザの構成を例示的に示すブロック図であ
る。

【図８】本実施の形態の比例制御空気式アクチュエータ
のリニアライザを用いた場合の設定値と制御量との関係
を示す特性図である。

【図９】本実施の形態の比例制御空気式アクチュエータ
のリニアライザを用いた場合の制御量の上限設定、下限
設定を示す特性図である。

【図１０】本実施の形態の比例制御空気式アクチュエー
タのリニアライザの８ビット信号の入力、出力の例を示
す図である。

【図１１】従来の実施の形態の比例制御空気式アクチュ
エータ付の風量調整ダンパの要部構成を示すブロック図
である。

【図１２】従来の実施の形態の風量調整ダンパの機械系
及び空気系の主要部の構成を示すブロック図である。

【図１３】従来の実施の形態の風量調整ダンパの応答性
能を例示的に示す特性図である。

【符号の説明】

１ダンパ羽根２シャフト３リンケージ４カップリング５エアシリンダ６ソレノドバルブ７開方向スピードコントローラ８閉方向スピードコントローラ９エアシリンダバルブ制御装置１０フィルタレギュレータ１１電源装置１２圧力計１３設定器１４位置検知装置１５現在値／設定値比較装置１６絶対偏差検知装置１７絶対偏差比較装置１８スピードコントローラバルブ制御装置１９開方向ソレノドバルブ２０閉方向ソレノドバルブ２１リニアライザ２２差動増幅減算器２３全波整流器２４Ａ−Ｄ変換器２５ＥＰ−ＲＯＭ２６Ｄ−Ａ変換器２７制御装置

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号ＦＩテーマコート゛(参考）Ｇ０５Ｄ 3/12 ３０６Ｇ０５Ｄ 3/12 ３０６Ｇ // Ｇ０５Ｄ 7/06 7/06 ＺＦターム(参考） 3H089 CC01 DB13 DB45 DB47 DB48 DB49 EE31 EE36 FF03 FF07 GG03 3H106 EE04 FB43 KK04 5H004 GA03 HA07 HB03 HB07 JA11 JB19 KA03 KA42 KA53 KA54 LA17 LA19 LB05 MA05 MA34 5H303 BB06 BB11 CC05 DD08 DD26 FF04 GG04 HH05 KK01 KK08 KK35 MM02 5H307 AA18 BB02 CC03 DD04 EE04 EE07 ES02 GG06

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】空気源からソレノイドバルブを介して供
給される空気圧により動作して制御対象を駆動するエア
シリンダを備えた高速比例制御空気式アクチュエータに
おいて、制御対象の現在値を検知する位置検知装置と、この位置検知装置により検知した制御対象の現在値と、
前記制御対象に対して設定される設定値との偏差を絶対
偏差として検知する絶対偏差検知装置と、この絶対偏差検知装置により検知した絶対偏差と予め設
定した大小比較値との大小を比較する絶対偏差比較装置
と、この絶対偏差比較装置の比較結果を基に、絶対偏差が大
小比較値より大の場合は、エアシリンダの排気経路を全
開にしてエアシリンダを全速で動作させ、絶対偏差が大
小比較値より小さい場合はエアシリンダの排気経路を絞
って減速させ、現在値と設定値が一致すると、ソレノイ
ドバルブを閉じてエアシリンダを停止させるエアシリン
ダスピードコントロール手段を設けたこと、を特徴とす
る高速比例制御空気式アクチュエータ。
【請求項２】前記制御対象に対して設定される設定値
を、前記制御対象の動作特性に応じて補正可能なリニア
ライザを有することを特徴とする請求項１記載の高速比
例制御空気式アクチュエータ。