JP2013125380A - アクチュエータ、アクチュエータの制御方法及びプログラム - Google Patents

Abstract

【課題】流体圧力によりアクチュエータの制御を行う際に、簡単な制御で応答性のよい動作制御を実現する。
【解決手段】ピストン１３の目標位置と現在位置との差分を得、その差分に比例した、比例制御による圧力と、差分を微分した値に基づいた可変オフセット圧力と、一定の基本オフセット圧力とを取得する。そして、シリンダ１０内のピストン１３で仕切られる２つのチャンバ１１，１２の内の推進側となるチャンバに対して、基本オフセット圧力から可変オフセット圧力を減算または加算して得られるオフセット圧力に、比例制御による圧力を加算した流体圧力を設定する。また、抵抗側となるチャンバに対して、基本オフセット圧力から可変オフセット圧力を加算または減算して得られるオフセット圧力を設定する。
【選択図】図１

Description

本発明は、エアシリンダなどの流体シリンダを用いたアクチュエータ、及びアクチュエータの制御方法、並びにプログラムに関する。

従来、ロボットの関節を動かすためのアクチュエータは、特許文献１に示されるように、サーボモータ等の電動モータが一般的である。これは電動モータが比較的手軽に入手できると共に、電源を用意すれば簡単に駆動ができるためである。しかしながら電動モータは重量があるためにロボットの取付け箇所の機械的強度を強くする必要があり、ロボットを大型化してしまう。これに対して、エアシリンダ等の流体シリンダは、電動モータよりも小形軽量であり、また構造が単純でメンテナンスも容易である等の利点があるため、ロボット用のアクチュエータとして有用である。

流体シリンダによるアクチュエータを目標状態に制御する従来手法としては、例えばＰＤ制御やＰＩＤ制御が知られている。ＰＤ制御やＰＩＤ制御は、フィールドバック制御の一種であり、シリンダの操作量を、現在値と目標値との差で制御するものである。
ＰＤ制御の内のＰは、偏差に比例した比例制御（Proportional制御）であり、Ｄは微分制御（Differential制御）である。つまり、ＰＤ制御は、現在値と目標値との偏差に比例した量と、現在値と目標値との偏差の変化量に比例した量の２つの要素で制御する手法である。
ＰＩＤ制御の場合には、比例制御と微分制御にさらに積分制御（Integral制御）を制御要素に加えたものである。つまり、ＰＩＤ制御は、操作量を、現在値と目標値との偏差に比例した量、現在値と目標値との偏差の時間積分に比例した量、及び、現在値と目標値との偏差の変化量に比例した量の３つの要素で制御する手法である。
この従来から知られたＰＤ制御やＰＩＤ制御よりも優れた制御手法として、本願の発明者は、先に特許文献２に記載した、流体シリンダを使用したアクチュエータが提案されている。

図１１は、特許文献２に記載した流体シリンダを使用したアクチュエータの制御構成を示す図である。エアシリンダ１０は、内部にスライド可能にピストン１３を配置した復動型エアシリンダである。そのスライド可能なピストン１３により、エアシリンダ１０の内部が、第１チャンバ１１と第２チャンバ１２とに区切られる。
ピストン１３にはピストン棒１４が取り付けられ、ピストン棒１４の先端を回動機構部１５と連結する。回動機構部１５は、ピストン棒１４の突出長により回動位置θを設定する。

回動機構部１５の回動位置θは、角度検出部２１で検出される。角度検出部２１が検出した回動位置θの値が、現在値設定部２２にセットされる。一方、回動機構部１５の回動位置θの目標値が、目標値設定部２３にセットされる。

そして、エアシリンダ１０を制御するパラメータを決める制御器として、ＰＩＤ制御器２６と、Ｐ制御器２９と、Ｄ制御器３０とを備える。さらに、これらの制御器２６，２９，３０の他に、基本圧力発生器３１を備える。
そして、現在値設定部２２にセットされた現在値を、符号反転部２４により符号を反転した後、加算器２５に供給する。この加算器２５で、目標値設定部２３にセットされた目標値と現在値設定部２２にセットされた現在値との差分を得る。
加算器２５で得た目標値と現在値との差分は、ＰＩＤ制御器２６とＰ制御器２９とに供給される。また、現在値設定部２２にセットされた現在値が、Ｄ制御器３０に供給される。

ＰＩＤ制御器２６は、比例制御と微分制御と積分制御の３つを制御要素として、目標値と現在値との差分から制御値を得る。ＰＩＤ制御器２６で得られた制御値は、エアシリンダ１０の第１チャンバ１１と第２チャンバ１２との内の、推進側となるチャンバの制御バルブに供給される。すなわち、ＰＩＤ制御器２６で得られた制御値は、スイッチ２７を介して第１チャンバ１１側の圧力値を得る加算器３２に送られると共に、スイッチ２８を介して第２チャンバ１２側の圧力値を得る加算器３３に供給される。このとき、２つのスイッチ２７，２８は、推進側となるチャンバの制御バルブに接続されたスイッチがオンとなり、抵抗側となるチャンバの制御バルブに接続されたスイッチがオフとなって、推進側となるチャンバの制御バルブにだけ制御値が供給される。

Ｐ制御器２９は、比例制御を制御要素として、目標値と現在値との差分から制御値を得る。Ｄ制御器３０は、微分制御を制御要素として、現在値から制御値を得る。基本圧力発生器３１は、一定の基本圧力値を発生する。
そして、Ｐ制御器２９が出力する制御値と、Ｄ制御器３０が出力する制御値と、基本圧力発生器３１が出力する一定の基本圧力値が、加算器３２，３３に供給される。加算器３２，３３に供給される、推進側および抵抗側となる両チャンバへ共通に供給される圧力はバイアス圧力と呼ばれる。

加算器３２は、それぞれの制御値と基本圧力値を加算した値を、第１チャンバ用圧力制御バルブ３４に供給する。第１チャンバ用圧力制御バルブ３４は、第１チャンバ１１内のエア圧力が、指示された圧力値となるように制御する。
第１チャンバ用圧力制御バルブ３４が取り付けられたエア圧力供給路には、第１チャンバ用圧力制御バルブ３４と並列に、排気バルブ３６を配置する。この排気バルブ３６では定量の排気を行い、第１チャンバ用圧力制御バルブ３４から第１チャンバ１１に供給されるエア圧力の制御で、第１チャンバ１１内のエア圧力が決まる。
加算器３３は、それぞれの制御値と基本圧力値を加算した値を、第２チャンバ用圧力制御バルブ３５に供給する。第２チャンバ用圧力制御バルブ３５は、第２チャンバ１２内のエア圧力が、指示された圧力値となるように制御する。
第２チャンバ用圧力制御バルブ３５が取り付けられたエア圧力供給路には、第２チャンバ用圧力制御バルブ３５と並列に、排気バルブ３７を配置する。この排気バルブ３７では定量の排気を行い、第２チャンバ用圧力制御バルブ３５から第２チャンバ１２に供給されるエア圧力の制御で、第２チャンバ１２内のエア圧力が決まる。
第１チャンバ用圧力制御バルブ３４と第２チャンバ用圧力制御バルブ３５には、エア圧力源１６からの高圧のエアが供給され、第１チャンバ１１と第２チャンバ１２内の圧力が、それぞれの圧力制御バルブ３４，３５で指示された圧力値に設定される。

この図１１に示す構成でシリンダ１０を制御した場合の概要を示したのが図１２である。図１２では、第１チャンバ１１が推進側となり、第２チャンバ１２が抵抗側となって、ピストン１３が第１チャンバ１１側から第２チャンバ１２側に押し出されている状態である。このとき、基本圧力発生器３１からの一定の基本圧力に、Ｐ制御器２９が出力する制御値と、Ｄ制御器３０が出力する制御値とが、第１チャンバ１１と第２チャンバ１２の双方に加わった状態で、ＰＩＤ制御器２６からの制御値による圧力が推進側（第１シリンダ１１）に加わる。したがって、第１チャンバ１１と第２チャンバの双方に加わったＰ制御器２９が出力する制御値と、Ｄ制御器３０が出力する制御値とがピストン１３の動きに対する抑止力となった上で、ピストン１３の駆動が行われる。このような制御が行われることで、ピストン駆動時には、ピストン１３が目標位置を過ぎた後に目標位置に戻るオーバーシュートの発生を抑制して、ピストン１３が目標位置に高速で動く早い応答性が得られ、良好なシリンダの制御が可能になる。反対に、起動初期には、第１チャンバ１１と第２チャンバの双方に加わったＰ制御器２９が出力する制御値と、Ｄ制御器３０が出力する制御値とが、ピストン１３を動きやすくして、立ち上がり時間を短縮できるようになる。

図１３は、推進側のチャンバ１１と抵抗側のチャンバ１２のエア圧力を示した例である。双方のチャンバ１１，１２には、基本圧力発生器３１が出力する一定の基本圧力値ｘ［atm］に、Ｐ制御器２９が出力する制御値とＤ制御器３０が出力する制御値により決まる圧力値α［atm］が加算される。その上で、さらに推進側のチャンバ１１にＰＩＤ制御器２６が出力する制御値が加わり、ピストン１３が駆動される。

特開２００３−３１１６６７号公報 ＷＯ２００９−１３３９５６号公報

図１１に示した制御構成とした場合、オーバーシュートの発生を抑制した良好なシリンダの制御が可能であるが、制御構成要素として、比例制御と微分制御と積分制御の３つを制御要素としたＰＩＤ制御器２６と、比例制御を制御要素としたＰ制御器２９と、微分制御を制御要素としたＤ制御器３０とが必要である。したがって、制御要素として５つのパラメータが必要であり、各チャンバ内の圧力を算出する構成が複雑である。
また、シリンダ内のピストンの位置を目標位置に動かす制御状態として、１つのステップごとに目標位置を指示する、いわゆるステップ制御を行う場合には、上述したオーバーシュートの発生を抑制することが重要である。これに対して、例えば決められた時間をかけて、ピストンを低速でスムーズに目標位置まで徐々に移動させるような、いわゆるランプ制御を行う場合には、今まで提案された応答性やオーバーシュートの抑制だけに着目した制御では不十分な場合がある。

本発明は、シリンダの制御を行う際に、簡単な制御で応答性のよい動作を実現できるアクチュエータ、及びそのアクチュエータの制御方法、並びにプログラムを提供することを目的とする。

本発明のアクチュエータは、シリンダ内にスライド自在に配置されて、シリンダを第１のチャンバと第２のチャンバとに仕切るピストンを備え、第１及び第２のチャンバ内の気体又は液体の流体の圧力を制御して、ピストンのスライド位置を制御するアクチュエータに適用される。
本発明のアクチュエータは、それぞれのチャンバごとに用意され、第１及び第２のチャンバ内の流体の圧力を設定する制御バルブと、ピストンのスライド位置又はそのスライド位置に対応した値を検出する検出部とを備える。さらに、ピストンの目標位置と検出部が検出した現在位置との差分に比例した圧力を設定する比例制御部と、ピストンの目標位置と検出部が検出した現在位置との差分を微分した値に基づいて可変オフセット圧力を設定する微分制御部と、一定の基本オフセット圧力を設定する基本オフセット圧力設定部とを備える。
そして、第１及び第２のチャンバの内の推進側となるチャンバの制御バルブで、基本オフセット圧力設定部が設定した基本オフセット圧力から、微分制御部が設定した流体圧力による可変オフセット圧力を減算または加算して得られたオフセット圧力に、比例制御部が設定した圧力を加算した流体圧力が設定される。
また、第１及び第２のチャンバの内の抵抗側となるチャンバの制御バルブで、オフセット圧力設定部が設定した基本オフセット圧力に、微分制御部が設定した可変オフセット圧力を加算または減算したオフセット圧力が設定される。

また、本発明のアクチュエータの制御方法は、シリンダ内を第１のチャンバと第２のチャンバとに仕切るピストンのスライド位置を、第１及び第２のチャンバ内の気体又は液体の流体の圧力により制御するアクチュエータの制御方法である。
そして、ピストンの目標位置と現在位置との差分に比例した、比例制御による圧力と、ピストンの目標位置と現在位置との差分を微分した値に基づいた可変オフセット圧力と、一定の基本オフセット圧力が取得される。
そして、第１及び第２のチャンバの内の推進側となるチャンバに対して、基本オフセット圧力から前記可変オフセット圧力を減算または加算して得られるオフセット圧力に、比例制御による圧力を加算した流体圧力が設定される。
また、第１及び第２のチャンバの内の抵抗側となるチャンバに対して、基本オフセット圧力から可変オフセット圧力を加算または減算して得られるオフセット圧力が設定される。

また、本発明のプログラムは、シリンダ内を第１のチャンバと第２のチャンバとに仕切るピストンのスライド位置を、第１及び第２のチャンバ内の気体又は液体の流体の圧力により設定するアクチュエータを制御するコンピュータに実現させるためのプログラムである。
このプログラムは、以下(a)〜(d)の機能をコンピュータで実現する。すなわち、(a)ピストンの目標位置と現在位置との差分に比例した、比例制御による圧力を得る機能と、ピストンの目標位置と現在位置との差分を微分した値に基づいた可変オフセット圧力を得る機能、(b)一定の基本オフセット圧力を得る機能、(c)第１及び第２のチャンバの内の推進側となるチャンバに対して、基本オフセット圧力から可変オフセット圧力を減算または加算して得られるオフセット圧力に、比例制御による圧力を加算した流体圧力を設定する機能、(d)第１及び第２のチャンバの内の抵抗側となるチャンバに対して、基本オフセット圧力から可変オフセット圧力を加算または減算して得られるオフセット圧力を設定する機能である。

本発明によると、少ないパラメータによる簡単な制御で、オーバーシュートの発生を抑制した効率のよいアクチュエータ制御が可能になる。また、圧力総力を従来よりも少なくすることができる。さらに、ピストンのスライド位置を比較的低速で徐々に移動させるランプ制御を行う場合にも、目標に追随したスムーズなランプ制御が可能になる。

本発明の一実施の形態によるシリンダの圧力制御例を示す構成図である。 本発明の一実施の形態によるシリンダの圧力制御状態を示す原理図である。 本発明の一実施の形態によるシリンダの圧力の例を示す説明図である。 本発明の一実施の形態による制御ゲインの決定処理例を示すフローチャートである。 本発明の一実施の形態による制御ゲインの設定によるオーバーシュートの発生状態を示す特性図である。 本発明の一実施の形態によるランプ入力時（例１）の特性（ｃ）を、従来手法の特性（ａ），（ｂ）と比較した特性図である。 本発明の一実施の形態によるランプ入力時（例２）の特性（ｃ）を、従来手法の特性（ａ），（ｂ）と比較した特性図である。 図６の立ち上がり時の変化を拡大して示す特性図である。 本発明の一実施の形態によるランプ入力時のオフセット圧力の変化例を示す特性図である。 図９のオフセット圧力の変化を拡大して示す特性図である。 従来のシリンダの圧力制御例を示す構成図である。 図１１の例によるシリンダの圧力制御状態を示す原理図である。 図１１の例によるシリンダの圧力の例を示す説明図である。

以下、本発明の一実施の形態の例（以下、「本例」と称する）を、図１〜図１０を参照して説明する。
［１．シリンダの制御構成例］
図１は、本例の流体シリンダを使用したアクチュエータの制御構成を示す図である。エアシリンダ１０は、内部にスライド可能なピストン１３を配置した復動型エアシリンダである。そのスライド可能なピストン１３により、エアシリンダ１０の内部が、第１チャンバ１１と第２チャンバ１２とに区切られる。
ピストン１３にはピストン棒１４が取り付けられており、このピストン棒１４の先端で、回動機構部１５が駆動される。回動機構部１５は、例えばロボットの関節部を駆動する回動機構部であり、回動機構部１５の回動位置θがピストン棒１４の突出長により設定される。なお、エアシリンダ１０内のピストン１３の駆動時に、ピストン１３を押し出す側のチャンバが推進側となり、ピストン１３が押し込まれる側のチャンバが抵抗側となる。

回動機構部１５の回動位置θは、角度検出部４１で検出される。角度検出部４１が検出した回動位置θの値が、現在値設定部４２にセットされる。一方、回動機構部１５の回動位置θの目標値が、目標値設定部４３にセットされる。この目標値設定部４３にセットされる目標値は、例えばアクチュエータの動作を指示する制御装置によりセットされる。

そして、現在値設定部４２にセットされた現在値が、符号反転部４４で符号を反転された後、加算器４５に供給される。この加算器４５で、目標値設定部４３にセットされた目標値と現在値設定部４２にセットされた現在値との差分が得られる。

そして、エアシリンダ１０を制御するパラメータを決める制御器として、Ｐ制御器４６と、Ｄ制御器４７とを備える。これらのＰ制御器４６とＤ制御器４７には、加算器２５で得た目標値と現在値との差分が供給される。さらに、これらの制御器４６，４７の他に、基本オフセット圧力発生器４８を備える。

Ｐ制御器４６は、比例制御を制御要素として、目標値と現在値との差分から制御値を得る比例制御部である。Ｐ制御器４６で得られた制御値は、エアシリンダ１０の第１チャンバ１１と第２チャンバ１２との内の、推進側となるチャンバの制御バルブに供給する。すなわち、Ｐ制御器４６で得られた制御値は、スイッチ４９を介して第１チャンバ１１側の圧力値を得る加算器５３に送られると共に、スイッチ５０を介して第２チャンバ１２側の圧力値を得る加算器５５に供給される。このとき、２つのスイッチ４９，５０は、推進側となるチャンバに接続されたスイッチがオンとなり、抵抗側となるチャンバに接続されたスイッチがオフとなって、推進側となるチャンバだけにＰ制御器４６からの制御値が供給される。

Ｄ制御器４７は、微分制御を制御要素として、目標値と現在値との差分から可変オフセット圧力値を得る微分制御部である。Ｄ制御器４７で得た可変オフセット圧力値は、符号設定部５１を介して第１チャンバ１１側の圧力値を得る加算器５３に送られると共に、符号設定部５２を介して第２チャンバ１２側の圧力値を得る加算器５５に供給される。符号設定部５１，５２は、相互に異なる符号を設定する。すなわち、推進側となるチャンバの制御バルブに制御値を供給する際、制御値にマイナスの符号を設定し、抵抗側となるチャンバの制御バルブに制御値を供給する際、圧力制御値にプラスの符号を設定する。

基本オフセット圧力発生器４８は、一定の基本オフセット圧力値を発生し、その発生した一定の基本オフセット圧力値を、加算器５３，５５に供給する。

加算器５３，５５は、基本オフセット圧力発生器４８からの基本オフセット圧力値に、Ｄ制御器４７が出力した可変オフセット圧力値を加算又は減算した上で、さらにＰ制御器４６が出力した制御値を選択的に加算する。例えば、第１チャンバ１１が推進側であるとき、加算器５３は、基本オフセット圧力発生器４８からの基本オフセット圧力値に、Ｄ制御器４７が出力した可変オフセット圧力値を減算し、さらにＰ制御器４６が出力した制御値を加算する。また、例えば第１チャンバ１１が抵抗側であるとき、加算器５３は、基本オフセット圧力発生器４８からの基本オフセット圧力値に、Ｄ制御器４７が出力した可変オフセット圧力値を加算する。第２チャンバ１２側の加算器５５も同じ加算動作を行う。
但し、推進側である第１チャンバ１１で、加算器５３で可変オフセット圧力値の減算を行い、抵抗側である第２チャンバ１２で、加算器５５で可変オフセット圧力値の加算を行うのは、ピストン１３のスライド位置が目標位置を過ぎるオーバーシュートを抑制する場合である。つまり、目標位置に対して現在位置が行き過ぎそうになる時には推進側で「オフセット圧力の減算＋比例制御からの出力」を行い、抵抗側で「オフセット圧力の加算」を行う。一方、目標位置に対して現在位置が不足や行き過ぎの時には推進側で「オフセット圧力の加算＋比例制御からの出力」を行い、抵抗側で「オフセット圧力の減算」を行う。

加算器５３は、加算した圧力値を第１チャンバ用圧力制御バルブ５４に供給する。第１チャンバ用圧力制御バルブ５４は、第１チャンバ１１内のエア圧力が、指示された圧力値となるように制御する。
加算器５５は、加算した値を第２チャンバ用圧力制御バルブ５６に供給する。第２チャンバ用圧力制御バルブ５６は、第２チャンバ１２内のエア圧力が、指示された圧力値となるように制御する。
第１チャンバ用圧力制御バルブ５４と第２チャンバ用圧力制御バルブ５６には、エア圧力源１６からの高圧のエアが供給され、第１チャンバ１１と第２チャンバ１２内の圧力が、それぞれの圧力制御バルブ５４，５６で指示された圧力値に設定される。圧力制御バルブ５４，５６は、例えば入力電圧に比例した圧力を設定する。
第１チャンバ用圧力制御バルブ５４が取り付けられたエア圧力供給路には、第１チャンバ用圧力制御バルブ５４と並列に、排気バルブ５７を配置する。この排気バルブ５７では定量の排気を行い、第１チャンバ用圧力制御バルブ５４から第１チャンバ１１に供給されるエア圧力の制御で、第１チャンバ１１内のエア圧力が決まる。
第２チャンバ用圧力制御バルブ５６が取り付けられたエア圧力供給路には、第２チャンバ用圧力制御バルブ５６と並列に、排気バルブ５８を配置する。この排気バルブ５８では定量の排気を行い、第２チャンバ用圧力制御バルブ５６から第２チャンバ１２に供給されるエア圧力の制御で、第２チャンバ１２内のエア圧力が決まる。

［２．シリンダの制御則］
次に、本例の流体シリンダの制御則を、数式を用いて説明する。
第１チャンバ１１のエア圧力を制御する第１チャンバ用圧力制御バルブ５４に供給する電圧をｕ_１（ｔ）とし、第２チャンバ１２のエア圧力を制御する第２チャンバ用圧力制御バルブ５６に供給する電圧をｕ_２（ｔ）としたとき、電圧ｕ_１（ｔ），ｕ_２（ｔ）は、次の（１）式、（２）式で示される。
ｕ_１（ｔ）＝γ｛α・ｕ_Ｐ（ｔ）＋ｕ_ｏｆｆ１（ｔ）｝ ・・・（１）
ｕ_２（ｔ）＝γ｛β・ｕ_Ｐ（ｔ）＋ｕ_ｏｆｆ２（ｔ）｝ ・・・（２）

この（１）式及び（２）式において、γは圧力値から圧力制御バルブ５４，５６の制御電圧に変換するための係数を示し、ｕ_Ｐ（ｔ）はＰ制御器４６による圧力制御値である。αとβは、Ｐ制御器４６による制御の切り替え用係数で、ｕ_Ｐ（ｔ）≧０の場合、α＝１，β＝０となり、ｕ_Ｐ（ｔ）＜０の場合、α＝０，β＝−１となる。α＝１のとき、スイッチ４９がオンとなり、α＝０のとき、スイッチ４９がオフとなる。また、β＝−１のとき、スイッチ５０がオンとなり、β＝０のとき、スイッチ５０がオフとなる。ｕ_ｏｆｆ１（ｔ）は、第１チャンバ１１のオフセット圧力値を示し、ｕ_ｏｆｆ２（ｔ）は、第２チャンバ１２のオフセット圧力値を示す。

比例制御を制御要素とするＰ制御器４６の制御値ｕ_Ｐ（ｔ）は、次の（３）式で示される。
ｕ_Ｐ（ｔ）＝ｋ_ｐ・ｅ（ｔ） ・・・（３）
この（３）式において、ｅ（ｔ）はピストン１３の目標値と現在値との差分（偏差）を示し、ｋ_ｐは比例ゲインを示す。すなわち、差分ｅ（ｔ）に比例ゲインｋ_ｐを乗算することで、制御値ｕ_Ｐ（ｔ）が得られる。

第１チャンバ１１のオフセット圧力値ｕ_ｏｆｆ１（ｔ）と、第２チャンバ１２のオフセット圧力値ｕ_ｏｆｆ２（ｔ）は、次の（４）式、（５）式で示される。
ｕ_ｏｆｆ１（ｔ）＝ｏｆｆ_０＋Ｋ_Ｄ｛ｄｅ（ｔ）／ｄｔ｝ ・・・（４）
ｕ_ｏｆｆ２（ｔ）＝ｏｆｆ_０−Ｋ_Ｄ｛ｄｅ（ｔ）／ｄｔ｝ ・・・（５）
この（４）式、（５）式において、ｏｆｆ_０は、基本オフセット圧力発生器４８が発生する基本オフセットの圧力値で、予め決められた一定値である。ここでは、基本オフセット圧力ｏｆｆ_０として、２［atm］とする。
また、Ｋ_Ｄ｛ｄｅ（ｔ）／ｄｔ｝は、Ｄ制御器４７により設定される可変オフセット圧力値である。この可変オフセット圧力値Ｋ_Ｄ｛ｄｅ（ｔ）／ｄｔ｝は、ピストン１３の目標値と現在値との差分の微分値｛ｄｅ（ｔ）／ｄｔ｝に、制御ゲインＫ_Ｄを乗算した値である。
この制御ゲインＫ_Ｄは、オーバーシュートが目的とする値になるように調整した値である。

［３．可変オフセット圧力の制御ゲインの決定処理］
次に、図４のフローチャートを参照して、この制御ゲインＫ_Ｄを設定する際の処理例について説明する。この制御ゲインＫ_Ｄを設定する作業は、作業者がピストン１３を実際に駆動させて、その駆動結果を見て設定する作業である。
まず、基本オフセット圧力ｏｆｆ_０を一定に決め、オーバーシュート量が２０〜３０［％］となるピストン１３の駆動結果が得られるように、Ｐ制御器４６による圧力制御値ｕ_Ｐ（ｔ）を得る際のゲインｋ_ｐを調整する（ステップＳ１）。この調整作業で、ゲインｋ_ｐを決める。

次に、可変オフセット圧力値を決める制御ゲインＫ_Ｄを０．０１に設定し、制御ゲインＫ_Ｄ＝０．０１でピストン１３を駆動し、制御結果を得る（ステップＳ２）。そして、作業者は、このときの制御結果のオーバーシュートが目的とする値になったか否かを判断する（ステップＳ３）。ステップＳ３でオーバーシュートが適正でないと判断した場合には、制御ゲインＫ_Ｄの値を０．０１加算し、その加算した制御ゲインでピストン１３を駆動し、制御結果を得る（ステップＳ４）。その後、ステップＳ３に戻り、オーバーシュートが目的とする値になったか否かを判断する。
ステップＳ３でオーバーシュートが適正になったと判断した場合には、そのときの制御ゲインＫ_Ｄを、ピストン１３を駆動する制御ゲインＫ_Ｄとして確定する（ステップＳ５）。なお、ステップＳ３でのオーバーシュートが目的とする値になったか否かの判断は、例えば、目標位置になるまでの立ち上がり時間が短い状態で、かつオーバーシュートが最も少ない状態である。

図５は、可変オフセット圧力値Ｋ_Ｄ｛ｄｅ（ｔ）／ｄｔ｝の制御ゲインＫ_Ｄを可変させた例を示す。図５は、縦軸を回動機構部１５の回動位置θで示し、目標位置を５０［deg］として、横軸を駆動開始からの経過時間（秒）で示す。
図５（ａ）〜（ｄ）に示した４つの例は、（ａ），（ｂ），（ｃ），（ｄ）の順で、制御ゲインＫ_Ｄの値を高くした例である。
ここでは、図５（ｃ）に示した特性θ１３が、適正な制御ゲインＫ_Ｄの例を示す。図５（ｃ）に示したＫ_Ｄ＝１００［％］は、制御ゲインＫ_Ｄが適正値であることを示す。
この図５（ｃ）の特性θ１３は、目標位置（５０［deg］）になるまでの立ち上がり時間が短時間で、かつオーバーシュートがほとんどない状態を示している。

これに対して、図５（ａ）の特性θ１１は、制御ゲインＫ_Ｄ＝０［％］のときの例であり、立ち上がり時に目標位置５０［deg］を大きく過ぎるオーバーシュートが発生する。
また、図５（ｂ）の特性θ１２は、制御ゲインＫ_Ｄ＝５０［％］のときの例であり、この状態でも、立ち上がり時に目標位置５０［deg］を過ぎるオーバーシュートが発生する。

さらに、図５（ｄ）に示した特性θ１４は、制御ゲインＫ_Ｄを適正値よりも大きくして、制御ゲインＫ_Ｄ＝１５０［％］のときの例である。この状態では、オーバーシュートの発生はないが、目標位置を５０［deg］となるまでの立ち上がり時間が適正状態よりも長くかかっている。

この図５に示すように制御ゲインＫ_Ｄを可変して、目標位置になるまでの立ち上がり時間とオーバーシュートの発生状態を見ることで、適正な制御ゲインＫ_Ｄを決めることができる。本例の場合、図５（ｃ）から判るように、オーバーシュートがほとんどない状態で短時間に目標位置に駆動できる、良好な制御ができることがわかる。

［４．ランプ入力時の特性例］
次に、本例のアクチュエータ制御を行った場合に、ピストン１３を低速でスムーズに目標位置まで徐々に移動させる、いわゆるランプ制御を行った場合の例を、従来から知られた他の制御例と比較して示す。
図６は、目標位置４０［deg］に移動させた後、その位置からランプ制御で徐々に目標位置を＋方向に低速で移動させた例である。図６の各例では、縦軸を回動機構部１５の回動位置θで示し、横軸を駆動開始からの経過時間（秒）で示す。
図６（ａ）は、偏差に比例した比例制御（Ｐ制御）と、偏差に比例した微分制御（Ｄ制御）とを制御要素として制御する、いわゆるＰＤ制御の場合の例である。
図６（ｂ）は、偏差に比例した比例制御（Ｐ制御）と、積分制御（Ｉ制御）と、微分制御（Ｄ制御）とを制御要素として制御する、いわゆるＰＩＤ制御の場合の例である。
そして、図６（ｃ）は、本例による基本オフセットと可変オフセットを加えた上で、比例制御（Ｐ制御）を行う場合の例である。

図６の各例は、タイミングＴ１１から、＋２．０［deg/s］で目標位置を可変させたランプ入力を示し、破線で示した位置が理想的な目標位置である。
図６（ａ）のＰＤ制御の場合の特性θ２１は、ランプ制御時に目標位置から若干離れた位置となってしまう。図６（ｂ）のＰＩＤ制御の場合の特性θ２２は、ＰＤ制御の場合に比べて、ランプ制御時に目標位置に近い位置が得られる。
そして、図６（ｃ）に示す本例による特性θ２３は、ランプ制御時に、ＰＩＤ制御よりもさらに目標位置に近づき、ほぼ目標位置に追随した、非常にスムーズな特性となっている。また、図６（ｃ）に示す本例による特性θ２３は、最初の立ち上がり時にも、ＰＩＤ制御やＰＤ制御よりも短時間で目標位置になっている。

図７は、目標位置４０［deg］に移動させた後、タイミングＴ１２で、その４０［deg］の位置から−２．０［deg/s］によるランプ制御で徐々に目標位置を−方向に低速で移動させた例である。この図７の各例でも、縦軸を回動機構部１５の回動位置θで示し、横軸を駆動開始からの経過時間（秒）で示し、図７（ａ）はＰＤ制御の場合、図７（ｂ）はＰＩＤ制御の場合、図７（ｃ）は、本例の場合である。

図７に示した減少時のランプ制御の場合にも、図６に示した増加時のランプ制御と同様の特性になる。すなわち、図７（ａ）のＰＤ制御の場合の特性θ３１は、ランプ制御時に目標位置から若干離れた位置となってしまう。図７（ｂ）のＰＩＤ制御の場合の特性θ３２は、ＰＤ制御の場合に比べて、ランプ制御時に目標位置に近い位置が得られる。
そして、図７（ｃ）に示す本例による特性θ３３は、ランプ制御時に、ＰＩＤ制御よりもさらに目標位置に近づき、ほぼ目標位置に追随した、非常にスムーズな特性となっている。

図８（ａ），（ｂ），（ｃ）は、図６（ａ），（ｂ），（ｃ）の各図の立ち上がり時を拡大して示した図である。図８（ａ）のＰＤ制御の場合の特性θ２１と、図８（ｂ）のＰＩＤ制御の場合の特性θ２２と、図８（ｃ）に示す本例による特性θ３３とを比較すると判るように、本例による特性θ２３が最も短い時間で目標位置４０［deg］に移動できていることが判る。

図９は、図７（ｃ）に示す本例の制御でランプ制御を行った場合の、第１チャンバ１１のオフセット圧力（図９（ａ））と、第２チャンバ１２のオフセット圧力（図９（ｂ））を示す。
この例では、基本オフセット圧力を２［atm］としてあり、立ち上がり期間Ｔａを経過した後、第１チャンバ１１が抵抗側となり、第２チャンバ１２が推進側となる。なお、立ち上がり期間Ｔａ中は、オーバーシュートが発生したときには、抵抗側と推進側とが一時的に切り替わる。
そして、ランプ入力が開始されるタイミングＴ１２以降は、第１チャンバ１１が抵抗側となり、第２チャンバ１２が推進側となる。

図９のオフセット圧力の変化の平均を、図１０に示す。
図１０（ａ）に示すように、第１チャンバ１１のｕ_ｏｆｆ１（ｔ）の平均値は、ランプ入力が開始するタイミングＴ１２で、僅かに高くなっている。
一方、図１０（ｂ）に示すように、第２チャンバ１２のｕ_ｏｆｆ２（ｔ）の平均値は、ランプ入力が開始するタイミングＴ１２で、僅かに低くなっている。
この図１０に示すオフセット圧力の変化があることで、低速でピストン１３を移動させるランプ入力時にも、目標に追随したスムーズな動きが実現できる。

［５．本発明の実施の形態による効果］
以上説明したように、本発明の実施の形態による制御は、従来の他の制御に比べて、オーバーシュートがほとんどない状態で目標位置になるまでの立ち上がり時間を短縮できると共に、低速でほぼ一定速度で駆動するランプ入力時にも、従来よりも目標位置に近い制御が可能になる。
そして、本発明の実施の形態による制御では、制御構成要素として、比例制御を行う比例制御を制御要素としたＤ制御器４７と、微分制御を制御要素としたＰ制御器４６とでよく、制御要素として２つのパラメータだけでよく、各チャンバ内の圧力を算出する構成が簡単になる。例えば図１１に示した従来例の場合、５つのパラメータが必要であったのに比べ、本発明では制御演算構成が非常に簡単になる。

また、本発明の実施の形態では、オフセット圧力の総量を、図１１に示した従来のバイアス圧力を２つのチャンバに加える方式の場合のバイアス圧力総量よりも減らすことができ、少ない圧力で良好な制御ができる。
すなわち、本発明の実施の形態で説明した図３と、従来例で説明した図１３とを比較すると判るように、本発明の場合には、推進側が（基本オフセットｘ）−（可変オフセットβ）＋（Ｐ制御圧力）で、抵抗側が（基本オフセットｘ）＋（可変オフセットβ）で、合計した圧力総量は、２・（基本オフセットｘ）＋（Ｐ制御値）となる。
一方、図１３の従来例では、推進側が（基本ｘ＋バイアスα）＋（ＰＩＤ制御値）で、抵抗側が（基本ｘ＋バイアスα）で、合計した圧力総量は、２・（基本ｘ＋バイアスα）＋（ＰＩＤ制御圧力）となる。ここで、図１３の従来例でオーバーシュートを抑圧するために必要なバイアス圧力αは、比較的高い圧力が必要であり、合計した圧力総量は、図３に示した本発明の実施の形態よりも高い圧力総量となる。
したがって、本発明によると、使用する圧力総量を従来よりも削減でき、少ない圧力で良好な制御が可能なる。

［６．変形例］
上述した本発明の実施の形態の例では、シリンダ内のチャンバに供給するエア（空気）の圧力で制御する例とした。これに対して、空気以外の気体、あるいは液体をシリンダ内のチャンバに供給するアクチュエータとする場合に、同様の圧力制御を行う構成としてもよい。
また、上述した本発明の実施の形態の例では、可変オフセット圧力値を決める制御ゲインＫ_Ｄは、時間的に変化しない固定ゲインとして説明した。これに対して、制御ゲインＫ_Ｄを、時間的に変化する可変ゲインとしてもよい。また、比例制御を制御要素とするＰ制御器での比例ゲインについても、時間的に変化しない固定ゲインとして説明したが、時間的に変化する可変ゲインとしてもよい。
また、図１に示した構成では、Ｄ制御器やＰ制御器を備える構成を示したが、これらのＤ制御器やＰ制御器などの図１の各部に相当する機能は、プログラム（ソフトウェア）で実現してもよい。すなわち、図１に示した各構成に相当する機能を実現するプログラムを作成し、そのプログラムを、シリンダの圧力制御値を求めるコンピュータ装置に実装させることで、同様の制御を行うことができる。
さらに、図１に示した例では、回動機構部１５の回動角度を制御するアクチュエータに適用したが、その他の動作を行うアクチュエータに適用してもよい。

１０…エアシリンダ、１１…第１チャンバ、１２…第２チャンバ、１３…ピストン、１４…ピストン棒、１５…回動機構部、１６…エア圧力源、２１…角度検出部、２２…現在値設定部、２３…目標値設定部、２４…符号反転部、２５…加算器、２６…ＰＩＤ制御器、２７，２８…スイッチ、２９…Ｐ制御器、３０…Ｄ制御器、３１…基本圧力発生器、３２，３３…加算器、３４…第１チャンバ用圧力制御バルブ、３５…第２チャンバ用圧力制御バルブ、３６，３７…排気バルブ、４１…角度検出部、４２…現在値設定部、４３…目標値設定部、４４…符号反転部、４５…加算器、４６…Ｐ制御器、４７…Ｄ制御器、４８…基本オフセット圧力発生器、４９，５０…スイッチ、５１，５２…符号設定部、５３，５５…加算器、５４…第１チャンバ用圧力制御バルブ、５６…第２チャンバ用圧力制御バルブ、５７，５８…排気バルブ

Claims (12)

1. シリンダ内にスライド自在に配置されて、前記シリンダを第１のチャンバと第２のチャンバとに仕切るピストンを備え、前記第１及び第２のチャンバ内の気体又は液体の流体の圧力を制御して、前記ピストンのスライド位置を制御するアクチュエータにおいて、
   前記それぞれのチャンバごとに用意され、前記第１及び第２のチャンバ内の流体の圧力を設定する制御バルブと、
   前記ピストンのスライド位置又はそのスライド位置に対応した値を検出する検出部と、
   前記ピストンの目標位置と、前記検出部が検出した現在位置との差分に比例した圧力を設定する比例制御部と、
   前記ピストンの目標位置と、前記検出部が検出した現在位置との差分を微分した値に基づいて可変オフセット圧力を設定する微分制御部と、
   一定の基本オフセット圧力を設定する基本オフセット圧力設定部とを備え、
   前記第１及び第２のチャンバの内の推進側となるチャンバの制御バルブで、前記基本オフセット圧力設定部が設定した基本オフセット圧力から、前記微分制御部が設定した流体圧力による可変オフセット圧力を減算または加算して得られたオフセット圧力に、前記比例制御部が設定した圧力を加算した流体圧力を設定し、
   前記第１及び第２のチャンバの内の抵抗側となるチャンバの制御バルブで、前記オフセット圧力設定部が設定した基本オフセット圧力に、前記微分制御部が設定した可変オフセット圧力を加算または減算したオフセット圧力を設定するアクチュエータ。
2. 前記ピストンのスライド位置が目標位置を過ぎるオーバーシュートを抑制する場合に、
   前記第１及び第２のチャンバの内の推進側となるチャンバの制御バルブで、前記基本オフセット圧力から、前記可変オフセット圧力を減算して得られたオフセット圧力に、前記比例制御部が設定した圧力を加算した流体圧力を設定し、
   前記第１及び第２のチャンバの内の抵抗側となるチャンバの制御バルブで、前記基本オフセット圧力に、前記可変オフセット圧力を加算したオフセット圧力を設定する
   請求項１記載のアクチュエータ。
3. 前記ピストンのスライド位置が目標位置に対して不足または行き過ぎの場合に、
   前記第１及び第２のチャンバの内の推進側となるチャンバの制御バルブで、前記基本オフセット圧力から、前記可変オフセット圧力を加算して得られたオフセット圧力に、前記比例制御部が設定した圧力を加算した流体圧力を設定し、
   前記第１及び第２のチャンバの内の抵抗側となるチャンバの制御バルブで、前記基本オフセット圧力に、前記可変オフセット圧力を減算したオフセット圧力を設定する
   請求項１記載のアクチュエータ。
4. 前記微分制御部は、前記検出部が検出した目標位置と現在位置との差分を微分した値に制御ゲインを乗算して可変オフセット圧力を得る処理を行い、
   前記ピストンのスライド位置を目標位置に移動させる際に、目標位置を過ぎるオーバーシュート量が所望の範囲内になるように、前記制御ゲインを設定する
   請求項１記載のアクチュエータ。
5. 前記ピストンの目標位置は、一定の単位時間ごとに所定距離ずつ増加又は減少する目標位置とし、前記ピストンのスライド位置を徐々に移動させるランプ制御を行う
   請求項１記載のアクチュエータ。
6. 前記比例制御部または前記微分制御部で乗算されるゲインとして、時間的に変化するゲインを使用した
   請求項１記載のアクチュエータ。
7. シリンダ内を第１のチャンバと第２のチャンバとに仕切るピストンのスライド位置を、前記第１及び第２のチャンバ内の気体又は液体の流体の圧力により制御するアクチュエータの制御方法において、
   前記ピストンの目標位置と現在位置との差分に比例した、比例制御による圧力と、
   前記ピストンの目標位置と現在位置との差分を微分した値に基づいた可変オフセット圧力と、
   一定の基本オフセット圧力とを取得し、
   前記第１及び第２のチャンバの内の推進側となるチャンバに対して、前記基本オフセット圧力から前記可変オフセット圧力を減算または加算して得られるオフセット圧力に、前記比例制御による圧力を加算した流体圧力を設定し、
   前記第１及び第２のチャンバの内の抵抗側となるチャンバに対して、前記基本オフセット圧力から前記可変オフセット圧力を加算または減算して得られるオフセット圧力を設定するアクチュエータの制御方法。
8. 前記ピストンのスライド位置が目標位置を過ぎるオーバーシュートを抑制する場合に、
   前記第１及び第２のチャンバの内の推進側となるチャンバに対して、前記基本オフセット圧力から、前記可変オフセット圧力を減算して得られたオフセット圧力に、前記比例制御による圧力を加算した流体圧力を設定し、
   前記第１及び第２のチャンバの内の抵抗側となるチャンバの制御バルブで、前記基本オフセット圧力に、前記可変オフセット圧力を加算したオフセット圧力を設定する
   請求項７記載のアクチュエータの制御方法。
9. 前記ピストンのスライド位置が目標位置に対して不足または行き過ぎの場合に、
   前記第１及び第２のチャンバの内の推進側となるチャンバの制御バルブで、前記基本オフセット圧力から、前記可変オフセット圧力を加算して得られたオフセット圧力に、前記比例制御で設定した圧力を加算した流体圧力を設定し、
   前記第１及び第２のチャンバの内の抵抗側となるチャンバの制御バルブで、前記基本オフセット圧力に、前記可変オフセット圧力を減算したオフセット圧力を設定する
   請求項７記載のアクチュエータの制御方法。
10. シリンダ内を第１のチャンバと第２のチャンバとに仕切るピストンのスライド位置を、前記第１及び第２のチャンバ内の気体又は液体の流体の圧力により設定するアクチュエータを制御するコンピュータに実現させるためのプログラムにおいて、
    前記ピストンの目標位置と現在位置との差分に比例した、比例制御による圧力を得る機能と、
    前記ピストンの目標位置と現在位置との差分を微分した値に基づいた可変オフセット圧力を得る機能と、
    一定の基本オフセット圧力を得る機能と、
    前記第１及び第２のチャンバの内の推進側となるチャンバに対して、前記基本オフセット圧力から前記可変オフセット圧力を減算または加算して得られるオフセット圧力に、前記比例制御による圧力を加算した流体圧力を設定する機能と、
    前記第１及び第２のチャンバの内の抵抗側となるチャンバに対して、前記基本オフセット圧力から前記可変オフセット圧力を加算または減算して得られるオフセット圧力を設定する機能を、コンピュータに実現させるためのプログラム。
11. 前記ピストンのスライド位置が目標位置を過ぎるオーバーシュートを抑制する場合に、
    前記第１及び第２のチャンバの内の推進側となるチャンバに対して、前記基本オフセット圧力から、前記可変オフセット圧力を減算して得られたオフセット圧力に、前記比例制御による圧力を加算した流体圧力を設定する機能と、
    前記第１及び第２のチャンバの内の抵抗側となるチャンバの制御バルブで、前記基本オフセット圧力に、前記可変オフセット圧力を加算したオフセット圧力を設定する機能を、コンピュータに実現させるための、
    請求項１０記載のプログラム。
12. 前記ピストンのスライド位置が目標位置に対して不足または行き過ぎの場合に、
    前記第１及び第２のチャンバの内の推進側となるチャンバの制御バルブで、前記基本オフセット圧力から、前記可変オフセット圧力を加算して得られたオフセット圧力に、前記比例制御で設定した圧力を加算した流体圧力を設定する機能と、
    前記第１及び第２のチャンバの内の抵抗側となるチャンバの制御バルブで、前記基本オフセット圧力に、前記可変オフセット圧力を減算したオフセット圧力を設定する機能を、コンピュータに実現させるための、
    請求項１０記載のプログラム。