JP2018009926A - 制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】急峻なピークを含む目標波形に対して制御対象の応答波形の追従性を向上できる制御装置の提供である。【解決手段】上記した目的を達成するため、本発明の制御装置１は、制御部３に入力される入力波形と入力波形に対して制御対象Ａが今回出力した応答波形との差分εと、制御対象Ａの出力目標である目標波形のピーク値と制御対象Ａが今回出力した応答波形のピーク値の差に基づいて、次回に制御部３に入力する入力波形を補正する。【選択図】図１

Description

本発明は、制御装置に関する。

目標とする波形の信号を繰り返し制御対象へ入力して、制御対象が目標波形通りに応答波形を出力するようにするシステムとしては、たとえば、配管やホース、機械、機械部品や構造物といった試験体の疲労耐久性をテストする衝撃圧力試験機や振動試験機がある。

圧力試験機や振動試験機には、流体圧を用いた試験機が用いられ、試験機を制御する制御装置は、試験体に対して目標波形に沿った圧力や振動を与えるために、目標波形を入力として試験機のサーボ弁を制御する。

具体的には、制御装置は、目標波形に対して試験機が出力する応答波形が目標波形に追従するように、一般的には、圧力試験機にあっては圧力をフィードバックする、振動試験機にあっては変位、速度或いは加速度をフィードバックするフィードバック制御を行う（たとえば、特許文献１参照）。

特開平１１−１０１７０８号公報

しかしながら、従来の制御装置では、目標波形に急峻なピークが含まれている場合、フィードバック制御を実行しても出力波形を目標波形に追従させるのが難しい。

というのは、フィードバック制御では応答遅れがあるために、急峻なピークに対して追従性を向上させるにはフィードバックゲインを高くしなければならないが、高ゲインとするとポジティブフィードバックとなってしまい発振してしまう。そのため、制御装置におけるフィードバックゲインを高くするにも限界があって、急峻なピークを含む目標波形に対して試験機の応答波形を十分に追従させられない。

そこで、本発明は上記不具合を改善するために創案されたものであって、その目的とするところは、急峻なピークを含む目標波形に対して制御対象の応答波形の追従性を向上できる制御装置の提供である。

上記した目的を達成するため、本発明の制御装置は、制御部に入力される入力波形と入力波形に対して制御対象が今回出力した応答波形との差分と、制御対象の出力目標である目標波形のピーク値と制御対象が今回出力した応答波形のピーク値の差に基づいて、次回に制御部に入力する入力波形を補正する。このように構成された制御装置は、入力波形を入力波形と応答波形の差分に基づいて補正するので、制御回数に伴って応答波形が目標波形に近づいていき目標波形に追従し、かつ、応答波形が目標波形に追従するまでの時間も短くて済む。

また、請求項２の制御装置は、制御部に入力される入力波形と入力波形に対して制御対象が今回出力した応答波形との差分にピーク値比を乗じて補正値を求め、目標波形に補正値を順次加算して入力波形を補正する。このように構成された制御装置では、入力波形を入力波形と応答波形の差分に基づいて補正するので、制御回数に伴って応答波形が目標波形に近づいていき目標波形に追従し、かつ、応答波形が目標波形に追従するまでの時間も短くて済む。また、このように構成された制御装置では、応答波形が目標波形に近づく際に目標波形を大きくオーバーシュートするのが防止されて、目標波形によく追従するようになり、応答波形が目標波形に一致するか充分に近づくと、補正値が非常に小さくなるので、入力波形の補正を自動的に中止する効果が得られる。

さらに、請求項３の制御装置は、制御部に入力される入力波形と入力波形に対して制御対象が今回出力した応答波形との差分に基づいて補正値を求め、目標波形に補正値を順次加算して入力波形とする補正を行うとともに、目標波形のピーク値と制御対象が今回出力した応答波形のピーク値の差が所定の閾値以下となると補正を行わない。このように構成された制御装置では、入力波形を入力波形と応答波形の差分に基づいて補正するので、制御回数に伴って応答波形が目標波形に近づいていき目標波形に追従し、かつ、応答波形が目標波形に追従するまでの時間も短くて済む。また、このように構成された制御装置では、応答波形と目標波形との差分がどうしても小さくならない区間があっても、補正値の加算を止められるので、制御上の発振を防止できる。

また、請求項４の制御装置は、目標波形に対して補正対象区間を設定し、補正対象区間外では、前記補正を行わないので、補正値を記憶する記憶部における記憶容量が小さくて済むので、制御装置のコストを低減できる。

さらに、請求項５の制御装置のように、制御装置は、圧力試験機や振動試験機への利用に最適である。

本発明の制御装置によれば、急峻なピークを含む目標波形に対して制御対象の応答波形の追従性を向上できる。

一実施の形態におけるシリンダ制御装置のシステム構成図である。 一実施の形態における制御装置の制御ブロック図である。 目標波形の一例を説明する図である。 初回制御時における入力波形、応答波形および差分を示した図である。 二回目の制御時における入力波形、応答波形を示した図である。

以下、図に示した実施の形態に基づき、本発明を説明する。図１に示すように、一実施の形態における制御装置１は、本例では、圧力試験機Ａを制御するため、圧力試験機Ａが出力する圧力Ｐを検知する圧力検知部２と、入力波形に従って圧力試験機Ａのサーボ弁Ｖを制御する制御部３と、制御部３へ入力する入力波形を補正する補正部４とを備えて構成されている。制御装置１は、繰り返して同一波形の圧力を出力させるよう圧力試験機Ａを制御するものである。

他方、圧力試験機Ａは、出力される流体圧力を制御するサーボ弁Ｖを備えており、制御装置１によるサーボ弁Ｖの制御によって、圧力試験機Ａが出力する圧力が調整される。なお、圧力試験機Ａは、図示はしないが、たとえば、ポンプと、ポンプから圧力流体の供給を受けるブースターシリンダを備えており、ブースターシリンダから出力される流体圧力をサーボ弁Ｖで調節して、ホース等の試験体Ｔの内部へ圧力を負荷するものである。サーボ弁Ｖは、ソレノイドで駆動する比例電磁弁とされており、制御装置１から供給される電流量に応じて試験体Ｔへ与える圧力を調整する。

圧力検知部２は、本例では、圧力試験機Ａが出力する圧力を試験体Ｔへ導く管路Ｈに設置されており、圧力試験機Ａが出力する圧力Ｐを検知して、制御部３と補正部４へ入力するようになっている。なお、圧力検知部２は、圧力試験機Ａが出力する圧力を検出可能な位置に設ければよい。

制御部３は、図２に示すように、本例では、入力される目標圧力Ｐ^＊を指示する入力波形と圧力検知部２が検知する圧力Ｐに基づいて、サーボ弁Ｖへ与えるべき電流量を指示する制御指令を生成し、サーボ弁Ｖへ電流を供給する。入力波形は、圧力試験機Ａが試験体Ｔへ負荷すべき圧力を時系列で指示する圧力指令であり、一回の入力波形の入力が終了すると再度入力され、繰り返し制御部３へ入力される。制御部３は、繰り返し入力波形に基づいてサーボ弁Ｖを制御し続けて、圧力試験機Ａが試験体Ｔへ与える圧力を繰り返し制御する。制御部３が一番最初にサーボ弁Ｖを制御する初回では、入力波形は、図３に示すように、試験体Ｔへ負荷すべき理想的な圧力波形を示す目標波形とされる。目標波形は、予め試験体Ｔへ負荷したい圧力を時系列に指示する一回分の圧力指令として設定される。目標波形は、一制御周期毎に一つの目標圧力Ｐ^＊を指示しており、本例では、５０００個の目標圧力のデータで構成されている。制御周期は、本例では、０．２ｍｓとしているので、目標波形は１ｓ分の目標圧力のデータセットである。また、入力波形もまた、目標波形と同様の５０００個の目標圧力のデータで構成される。なお、本例の目標波形は、一例であり、図示した波形以外の波形を目標波形としてもよいのは当然である。

具体的には、制御部３は、図２に示すように、入力波形が指示する目標圧力Ｐ^＊と圧力Ｐとの偏差ｅを求める加算部３１と、加算部３１が求めた偏差ｅをＰＩＤ補償して制御指令Ｉ^＊を求める補償部３２と、制御指令Ｉ^＊通りにサーボ弁Ｖへ電流を供給するドライバ３３とを備えて構成されている。

加算部３１は、入力波形が指示している目標圧力Ｐ^＊と圧力検知部２が検知した圧力Ｐとの偏差ｅを求めて補償部３２へ入力する。補償部３２は、本例では偏差ｅを比例積分微分補償してサーボ弁Ｖへ与える電流を指示する制御指令Ｉ^＊を求める。つまり、制御部３は、本例では、圧力フィードバックによってサーボ弁Ｖを制御する。なお、補償部３２は、本例では、ＰＩＤ補償器とされているが、比例積分補償するＰＩ補償器とされてもよい。

そして、求められた制御指令Ｉ^＊は、ドライバ３３に入力されて、ドライバ３３は、制御指令Ｉ^＊通りにサーボ弁Ｖに電流を供給する。ドライバ３３は、たとえば、スイッチング素子を備えて、スイッチング素子のオンオフによって電源からサーボ弁Ｖのソレノイドに供給する電流量を調節可能な回路とされる。

補正部４は、図２に示すように、制御部３へ入力される入力波形と圧力検知部２が検知した圧力試験機Ａが出力した圧力Ｐの波形である応答波形との差分を求める差分演算部４１と、前記差分に基づいて今回に制御部３に入力された入力波形に加算する補正値を求める補正値演算部４２と、求めた補正値を今回入力された入力波形に加算して次回に制御部３へ入力する入力波形を求める入力波形演算部４３と、求めた補正値を記憶する記憶部４４を備えている。

差分演算部４１は、入力波形演算部４３が出力する入力波形と圧力検知部２で検知する圧力試験機Ａが出力した圧力Ｐの波形である応答波形との差分を求める。図４に、初回制御時において入力波形を目標波形として、図中で実線で示す目標波形と、この目標波形の制御部３への入力に対して制御対象である圧力試験機Ａが出力した圧力Ｐの波形である応答波形（図中の波線）を示している。差分は、具体的には、入力波形が指示する一つのデータとしての目標圧力Ｐ^＊に対する圧力試験機Ａが出力した応答波形の圧力Ｐとの差を時系列にしたデータとなる。よって、目標波形に対して応答波形が図４に示すように推移すると、これらの差分は、図４中の下方に示すような波形のデータとなる。また、差分演算部４１は、本例では、図４に示すように、目標波形に設定される補正対象区間でのみ前記差分を演算する。目標波形は、本例では、途中で指示する目標圧力Ｐ^＊が一定となる区間を二つ有しており、この区間では、目標波形が指示する目標圧力Ｐ^＊を制御部３に入力して圧力フィードバックが行われれば、応答波形も目標波形によく追従するため、目標波形を補正する必要がない。よって、このような区間では、補正値を求めるための差分の演算も補正値の演算および記憶も不要となる。よって、補正対象区間は、本例では、目標波形のうち指示する目標圧力Ｐ^＊に変化がない区間以外の区間、つまり、目標圧力Ｐ^＊に変動がある区間を補正対象区間として設定されている。具体的には、図４に示すように、補正対象区間は、目標波形の一番先頭のデータから１０００個目までの範囲と３０００個目から３４００個目までの範囲に設定されている。このように、補正対象区間は、データ順の番号を指定して設定するほか、目標波形は時系列の目標圧力のデータであるから時間によって範囲を設定してもよい。

補正値演算部４２は、差分演算部４１が演算した差分と、ピーク値比と、補正係数とを乗じて補正値を求める。入力波形演算部４３は、補正値演算部４２が求めた補正値に記憶部４４に記憶している前回に補正値演算部４２が求めた補正値を加えて、入力される目標波形に加算して次回に制御部３へ入力する入力波形を求める。記憶部４４は、自身が記憶している補正値に、補正値演算部４２が新たに求めた補正値を加算して順次補正値を更新して記憶する。このように、制御装置１は、入力波形の制御部３への入力によって圧力試験機Ａを制御する度に補正値が求めるようになっており、一回の制御の度に演算される補正値が目標波形に順次加算されて、入力波形が求められる。換言すれば、入力波形は、補正値が積分されて目標波形に加算されて求められる。よって、入力波形と目標波形とに差分が生じていると、基本的には、入力波形は制御装置１が制御を実行する度に補正される。なお、制御の初回では、差分演算部４１は差分を演算しておらず、０を出力するので、補正値演算部４２も補正値を０として求め、入力波形演算部４３は、入力される目標波形に０を加算する。よって、初回制御時には、入力波形演算部４３は、目標波形をそのまま制御部３へ入力するので、補正部４は目標波形を補正しない。なお、記憶部４４は、補正値を記憶するのではなく、入力波形演算部４３が求めた入力波形を記憶する場合、入力波形演算部４３は、記憶部４４が前回記憶した入力波形に補正値演算部４２が求めた補正値を加算して新たな入力波形を求めるように構成されてもよい。このようにしても、目標波形に、順次補正値演算部４２が求めた補正値が加算されていくのに変わりはないので、入力波形に求めた補正値を加算して入力波形を更新するのと、目標波形に都度求められる補正値を順次加算して入力波形を求めるのは等価である。

ここで、補正値演算部４２の演算内容について詳しく説明する。前記したピーク値比は、目標波形のピーク値と圧力試験機Ａが制御の初回に出力した応答波形のピーク値の差である初回ピーク差で、目標波形のピーク値と圧力試験機Ａが今回の制御時に出力した応答波形のピーク値の差である今回ピーク差を割った値である。ピーク値は、波形の最大値とされており、図４に示したところでは、図４中実線で示す目標波形のピーク値ａと圧力試験機Ａが制御初回に出力した応答波形のピーク値ｂの差を初回ピーク差δ_ｉｎｉとする。なお、初回の制御時には、目標波形が補正されずにそのまま入力波形とされているので、差分は、図４の下方に示された波形の如くに求められて補正値が求められ、続く次回制御時には、目標波形に補正値が加算されて入力波形とされる。図５に示すように、二回目の制御時において、入力波形が図５中実線のように補正され、その入力波形に対して応答波形が図５中破線のように推移すると、図５中一点鎖線で示す目標波形のピーク値ａと圧力試験機Ａが今回出力した応答波形のピーク値ｃの差が今回ピーク差δ_ｎｏｗとなる。補正値演算部４２は、初回ピーク差δ_ｉｎｉと今回ピーク差δ_ｎｏｗとを求め、ピーク値比を演算する。二回目の制御時において、ピーク値比αは、α＝δ_ｎｏｗ／δ_ｉｎｉで演算される。三回目の制御時には、また、目標波形のピーク値ａと応答波形のピーク値との差として今回ピーク差δ_ｎｏｗが求められ、初回ピーク差δ_ｉｎｉは、制御の初回に求められると制御中は一定の値とされる。

補正値演算部４２は、差分演算部４１が演算した差分をεとし、ピーク値比をαとし、補正係数をＫとすると、補正値Ｈを、Ｈ＝Ｋ・ε・αを演算して求める。

このように制御装置１は構成されており、目標波形が繰り返し入力される。目標波形の入力に対して補正部４が入力波形を補正し、入力波形が指示する目標圧力Ｐ^＊と圧力検知部２が検知する圧力Ｐとに基づいて圧力フィードバック制御を行い圧力試験機Ａが出力する圧力を制御する。一回の目標波形の入力に対して制御装置１が圧力試験機Ａを制御するのを一回目（初回）の制御とし、前述した通り、初回では目標波形がそのまま入力波形として制御部３に入力される。

図４に示すように、一回目の制御時において入力波形である目標波形と制御部３による圧力フィードバック制御によって圧力試験機Ａが出力する圧力の応答波形には差分が生じる。二回目の制御時では、目標波形の制御装置１への入力に対して、初回の入力波形である目標波形と実際に検知された圧力波形である応答波形との差分が演算され、補正値演算部４２が前述の演算を行って補正値が求められる。

よって、二回目の制御では、補正部４によって目標波形に補正値が加算され入力波形が補正される。一回目の制御では、目標波形は入力波形とされているので、二回目の制御で入力される入力波形は、一回目の入力波形に補正値が加算されて補正される。二回目の制御によって得られる入力波形と応答波形は、前述の図５に示した通り、入力波形は、目標波形に対して補正値が加算されたために、補正退職区間では、振幅が上下に大きくなる波形となる。二回目の制御では、このように入力波形が補正されるため、応答波形も目標波形が制御部３に入力される一回目の制御の時の応答波形よりも、目標波形に近づく波形となる。以降、制御回数を重ねると順次入力波形が補正されて、応答波形が目標波形に近づいていく。

本例では、補正値は、入力波形と応答波形の差分εにピーク値比αを乗じて求められている。差分εにピーク値比αを乗じずに、差分εに補正係数Ｋのみを乗じて補正値を求めると、入力波形は、差分εが０にならなければ、制御回数が増えれば増えるほど、振幅が大きくなる。そのため、何回目かの制御において、応答波形が目標波形に一致するような入力波形が得られても、それ以降の制御で入力波形の振幅が大きくなるように補正されてしまい、応答波形が目標波形を大きくオーバーシュートしてしまう。これに対して、本例では、補正値の演算に、ピーク値比αを差分εに乗じている。ピーク値比αは、今回のピーク値差δ_ｎｏｗを初回のピーク差δ_ｉｎｉで割った値であるので、応答波形のピーク値が目標波形のピーク値に近づけば近づくほどピーク値比αの値は小さくなっていく。よって、このように補正値を求めると、応答波形が目標波形に近づくと前回の入力波形に対して次回の入力波形は振幅の増幅度合は小さくなる。これにより、応答波形が目標波形に近づく際に目標波形を大きくオーバーシュートするのが防止され、目標波形によく追従するようになる。また、補正値は、目標波形と応答波形の差分ではなく、目標波形より振幅が大きくなる入力波形と応答波形との差分εに基づいて求められるので、目標波形と応答波形の差分を利用するよりも、応答波形が目標波形に追従するまでの時間を短縮できる。補正値を求めるのに際して、差分εに補正係数Ｋを乗じているが、この補正係数Ｋは、一回の制御で応答波形が目標波形に近づく量を調整する調整要素であり、値は、任意に設定でき、不要であれば省略できる。

なお、補正値をピーク値比αを利用せず、差分εに補正係数Ｋを乗じるのみで求める場合、目標波形のピーク値と応答波形のピーク値の差に閾値βを設定しておき、目標波形のピーク値と応答波形のピーク値の差の絶対値が閾値β以下となると入力波形の補正を行わないようにするか、補正値を０とするようにしてもよい。閾値βは、応答波形が目標波形に充分追従すると認められる範囲を設定するものであり、任意に設定できる。本例では、ピーク値比αを利用して補正値を求めるので、応答波形が目標波形に一致するか充分に近づくと、補正値が非常に小さくなる。しかしながら、数百万回のオーダー（桁数）で繰り返し試験を行うような場合には、補正値が充分小さくなっても補正値が加算されて入力波形が発散し、制御上発振する可能性がある。よって、ピーク値比αを利用して補正値を求める場合にも、閾値βと目標波形のピーク値と応答波形のピーク値の差の比較判断を行うのが望ましい。

以上、本発明の制御装置１は、制御部３に入力される入力波形と入力波形に対して制御対象である圧力試験機Ａが今回出力した応答波形との差分εと、圧力試験機Ａの出力目標である目標波形のピーク値と圧力試験機Ａが今回出力した応答波形のピーク値の差に基づいて、次回に制御部３に入力する入力波形を補正する。このように構成された制御装置１は、入力波形を入力波形と応答波形の差分εに基づいて補正するので、制御回数に伴って応答波形が目標波形に近づいていき目標波形に追従し、かつ、応答波形が目標波形に追従するまでの時間も短くて済む。よって、本発明の制御装置１によれば、急峻なピークを含む目標波形に対して制御対象の応答波形の追従性を向上できる。

また、本発明の制御装置１は、制御部３に入力される入力波形と入力波形に対して制御対象である圧力試験機Ａが今回出力した応答波形との差分εにピーク値比αを乗じて補正値を求め、目標波形に補正値を順次加算して入力波形を補正する。このように構成された制御装置１では、応答波形が目標波形に近づく際に目標波形を大きくオーバーシュートするのが防止されて、目標波形によく追従するようになり、応答波形が目標波形に一致するか充分に近づくと、補正値が非常に小さくなるので、入力波形の補正を自動的に中止する効果が得られる。

さらに、制御装置１は、制御部３に入力される入力波形と入力波形に対して制御対象である圧力試験機Ａが今回出力した応答波形との差分εに基づいて補正値を求め、目標波形に補正値を順次加算して入力波形とする補正を行うとともに、目標波形のピーク値と圧力試験機Ａが今回出力した応答波形のピーク値の差が所定の閾値β以下となると補正を行わないようにしてもよい。このように構成された制御装置１では、応答波形と目標波形との差分がどうしても小さくならない区間があっても、補正値の加算を止められるので、制御上の発振を防止できる。

また、本例の制御装置１は、目標波形に対して補正対象区間を設定し、補正対象区間外では、前記補正を行わないので、補正値を記憶する記憶部における記憶容量が小さくて済むので、制御装置１のコストを低減できる。

また、制御装置１は、繰り返し同一波形の出力が要求される圧力試験機Ａや振動試験機に最適である。なお、制御装置１は、制御対象として圧力試験機Ａや振動試験機のみならず、他の制御対象にも利用可能である。

以上で、本発明の実施の形態についての説明を終えるが、本発明の範囲は図示されまたは説明された詳細そのものには限定されない。

１・・・制御装置、３・・・制御部、Ａ・・・圧力試験機（制御対象）

Claims (5)

1. 制御対象に同一波形の出力を繰り返し出力させる制御部を有する制御装置であって、
   前記制御部に入力される入力波形と前記入力波形に対して前記制御対象が今回出力した応答波形との差分と、前記制御対象の出力目標である目標波形のピーク値と前記制御対象が今回出力した応答波形のピーク値の差に基づいて、次回に前記入力波形を補正する
   ことを特徴とする制御装置。
2. 制御対象に同一波形の出力を繰り返し出力させる制御部を有する制御装置であって、
   前記制御対象の出力目標である目標波形のピーク値と前記制御対象が初回に出力した応答波形のピーク値の差である初回ピーク差で、前記目標波形のピーク値と前記制御対象が今回出力した応答波形のピーク値の差である今回ピーク差を割った値をピーク値比とし、
   前記制御部に入力される入力波形と前記入力波形に対して前記制御対象が今回出力した応答波形との差分に前記ピーク値比を乗じて補正値を求め、前記目標波形に前記補正値を順次加算して前記入力波形を補正する
   ことを特徴とする制御装置。
3. 制御対象に同一波形の出力を繰り返し出力させる制御部を有する制御装置であって、
   前記制御部に入力される入力波形と前記入力波形に対して前記制御対象が今回出力した応答波形との差分に基づいて補正値を求め、前記目標波形に前記補正値を順次加算して前記入力波形とする補正を行うとともに、
   前記目標波形のピーク値と前記制御対象が今回出力した応答波形のピーク値の差が所定の閾値以下となると前記補正を行わない
   ことを特徴とする制御装置。
4. 前記目標波形に対して補正対象区間を設定し、
   前記補正対象区間外では、前記補正を行わない
   ことを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の制御装置。
5. 前記制御対象を圧力試験機或いは振動試験機とした
   ことを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載の制御装置。

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