JP2020153472A - 油圧制御システムにおける状態を検知する装置と方法、および油圧制御システム - Google Patents
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Abstract
Description
こうした油圧機構および制御装置を含む油圧制御システムは、例えば建造物等に荷重を加えた際の位置や速度等の応答に基づいて建造物等の健全性を評価する用途にも利用されている。
〔第1実施形態〕
(油圧制御システムの構成)
図1に示す油圧制御システム1は、油圧機構4を含み、油圧機構4を制御するフィードバック位置制御系をなしている。この油圧制御システム1は、例えば、油圧機構4により荷重が印加される図示しない建造物等の健全性の測定、評価が可能である。
油圧制御システム1は、制御部2と、サーボ弁3と、油圧機構4と、位置センサ5とを備えている。
なお、油圧制御システム1は、位置および速度のフィードバック制御系であってもよい。
制御部2は、位置センサ5により検出された制御対象42の位置と、目標値との偏差に応じた弁開度指令をサーボ弁3に与える。弁開度指令に応じて動作するサーボ弁3の開度に応じて作動油の流量や流れの向き等が調整されることで油圧機構4が動作する。
状態検知装置20は、油圧制御システム1を構成する要素の物理的状態を検知する。状態検知装置20は、後述するように、位相面の軌道の形状から、油圧制御システム1に発生した状態変化のケースを特定するとともに状態変化の度合を直接的に検知することを実現する。
状態検知装置20は、演算部および記憶部を備えて情報処理が可能なコンピュータ装置から構成することができる。状態検知装置20が、制御部2の一部に組み込まれていてもよい。
解析位相面データ取得部21、実測位相面データ取得部22、ケース特定部23、特徴点抽出部24、および物理パラメータ取得部25は、コンピュータ装置により実行可能なプログラムのモジュールとして構成することができる。
実測位相面データ取得部22は、油圧制御システム1を実際に動作させた際の応答データから実測位相面データDbを取得する。
特徴点抽出部24は、演算により実測位相面データDbから特徴点を抽出する。
物理パラメータ取得部25は、実測位相面データDbの特徴点から物理パラメータPpを取得する。
油圧制御システム1において、経年変化や異物の混入等により、油圧制御システム1を構成する要素であるサーボ弁3や油圧アクチュエータ41等に異常が発生しうる。
例えば、サーボ弁3では、異物の噛み込み等に起因するスプール弁の動作阻害、経年変化による摩耗や正負の方向における偏り等が発生しうる。
また、油圧アクチュエータ41のピストンおよびシリンダでは、摺動部の摩擦の増加や減少、摺動部の摩耗による2室間の油漏れ等が発生しうる。
ケース1:サーボ弁3の不感帯の変化
ケース2:サーボ弁3の基準位置に対するオフセットの発生
ケース3:油圧機構4の摺動部のクーロン摩擦の増加または減少
ケース4:サーボ弁3の流量特性の変化
なお、ケース4は、サーボ弁3を構成するスプール弁への異物の噛み込み等により発生しうる。
そこで、状態検知装置20は、油圧制御システム1の要素の物理的な状態が正常な状態を逸脱したとしても、状態の変化が僅かであるため使用上は許容される間に、将来異常を発生させる兆候、つまり、異常の予兆を検知する。そのために、状態検知装置20は、異常の予兆としての僅かな状態変化を与えた油圧制御システム1の解析(シミュレーション)を実施し、かつ、位相面表現により僅かな状態変化を位相面データの形状の相違として顕在化させる。
図3および図4を参照し、異常の予兆の検知に用いる位相面データを取得するための解析について説明する。
解析の事前準備として、油圧制御システム1について、例えば図4に示すような数式モデルM1を設定する(図3のステップS11)。
次いで、数式モデルM1を使用して解析を実施することにより、状態変化のケース毎に解析位相面データDaを取得する(解析位相面データ取得ステップS12)。
図4には、サーボ弁3の不感帯変化(ケース1(C1))、オフセット(ケース2(C2))、および流量特性変化(ケース4(C4))と、油圧機構4における非線形摩擦(ケース3(C3))とを想定して、解析に含める物理量を模式的に示している。
このとき、解析位相面データ取得部21は、解析の実施により得られた時系列の位置や速度等の応答データから2つの変数を選んで位相面データに変換する。これをケース毎に繰り返すことで、ケース毎の解析位相面データDa,Da0を取得する。
以下、図5〜図9を参照し、解析の実施により取得される位相面データの形状の特徴について説明する。
図5および図6に、解析位相面データDa(Da1〜Da4),Da0の一例を示す。ここでは、位相面をなす2つの変数は、サーボ弁3に与えられる弁開度指令と、油圧機構4の速度応答であるものとする。なお、弁開度指令の代わりに、サーボ弁3から検知される弁開度であってもよい。速度応答は、制御対象42から制御部2にフィードバックされる位置の微分値である。状態検知装置20には、制御部2から、少なくとも弁開度指令および速度が入力される。
正常な状態(ケース0)に対応する位相面データDa0は、弁開度指令が0Vのとき速度応答も0mm/sであり、位相面上に線形の軌道を描く。位相面データDa0は、弁開度指令および速度応答のそれぞれの正負両側に亘り対称である。なお、厳密には、正常な状態であっても、弁開度指令「0」の近傍に速度応答が0であるサーボ弁3の不感帯が存在する。
各ケース1〜4の位相面データDa1〜Da4の軌道は、Da0の軌道とは異なり、かつ互いに相違している。これらの位相面データDa1〜Da4は、軌道が互いに相違するだけでなく、軌道のそれぞれの形状に、解析の誤差やノイズに埋没しない明らかな特徴がある。このため、機械特性の変化を形状の変化として把握することができる。
図7(a)〜(c)および図8(a)〜(d)は、ケース1〜4のうち2以上が、下記の表1に記載されているように複合的に生じた場合の解析位相面データの一例を示している。
図7(a)に示す位相面データDa5には、ケース1に対応する上述した形状の特徴と、ケース2に対応する上述した形状の特徴とが表れている。つまり、位相面データDa5は、図6に示す解析位相面データDa1と同様に、弁開度指令「0」の正負両側の所定範囲に亘り速度応答がほぼ「0」で一定であり、かつ、位相面データDa2と同様に、軌道の全体が、位相面データDa0に対して弁開度指令の−側および速度応答の+側にシフトしている。
つまり、図8(d)に示す位相面データDa11は、弁開度指令「0」の正負両側の所定範囲に亘り速度応答がほぼ「0」で一定であり、かつ、一定である範囲よりも広い範囲に亘り、当該範囲の両側の傾きと比べて傾きが小さく、かつ、その広い範囲の両側における傾きが相違しており、かつ、軌道の全体が、位相面データDa0に対して弁開度指令の−側でかつ速度応答の+側にシフトしている。
ここで、X軸が弁開度指令であり、Y軸が速度応答であり、実測位相面データDbをy=T(x)と表す。
位相面データDbの正負に亘る所定区間において、弁開度指令の両端の値(最大値および最小値)をそれぞれAx,Fxとする。Axと、Axに対応する速度応答Ayとから、特徴点pAが定まる。また、Ayと、Ayに対応する速度応答Fyとから、特徴点pFが定まる。
以上により特徴点pA〜pFが抽出される。これらの特徴点pA〜pFを用いて、演算処理により、例えば、位相面軌道の全体が正常状態に対してシフトしている場合にはサーボ弁3のオフセットが発生しているとか、pAにおける傾きとpFにおける傾きとが異なる場合にはサーボ弁3の流量特性が変化しているとか、範囲R3の内側と外側との傾きが異なる場合には油圧機構4における摩擦特性が変化しているとか、正常状態の不感帯を超える幅の所定範囲R1に亘り速度応答が一定である場合には、不感帯が変化しているといったように、位相面データの形状の変化と物理的状態の変化とを関連付けることができる。
なお、ケース2にあたるサーボ弁3のオフセットについても、正常状態の位相面データDa0に対する位相面データDbの軌道全体のX成分シフト量を求めることで、状態変化の度合を算出することができる。
ケース1〜4の任意の2以上が複合的に生じたとしても、特徴点により位相面データDbから各ケースの状態変化に対応する区間を設定し、各区間の傾きや距離である物理パラメータPpと、正常状態の位相面データDa0とを用いて、正常状態からの状態変化の度合を算出することができる。
油圧制御システム1の異常の予兆を検知する際には、解析時と同様の例えば正弦波の位置指令を与えて実際に油圧制御システム1を動作させ、弁開度指令および速度応答からなる実測位相面データDbを取得する(図3の実測位相面データ取得ステップS21)。速度応答および弁開度指令は、油圧制御システム1を動作させて実測された物理的状態量に相当する。これらの時系列のデータを位相面に変換する。
状態検知装置20は、特定したケースに対応する要素の交換を促す警告を表示するように構成されていてもよい。その際に、物理パラメータPpに閾値を適用し、物理パラメータPpが閾値を超えた場合にのみ、対応する要素の交換を促す警告を表示することもできる。
異常に至る前の予兆段階で状態変化を検知することができ、しかも、状態変化のケースが特定されることで、状態変化の原因となっている要素が把握できるため、油圧制御システム1の使用を継続しながら、当該要素(サーボ弁3や油圧アクチュエータ41等)の交換品の入手、修理作業の予定を組む等の対応を油圧制御システム1の使用が継続可能な間に取ることができる。油圧制御システム1の使用を継続することができるため、構造物の健全性評価等のサービスも継続して行うことができる。
形状の変化と物理状態の変化とを関連付けたならば、次の異常検知の実施時には解析および解析位相面データ取得の手順を省き、実測位相面データの取得(図3のステップS21)から、異常検知の手順を開始することができる。
次に、図10〜図13を参照し、本発明の第2実施形態について説明する。
以下、第1実施形態と相違する事項を中心に説明する。第1実施形態と同様の構成要素には同じ符合を付している。
状態検知装置30には、制御部2から、位置、位置の微分値である速度、速度の微分値である加速度、および反力が入力される。
図12(a)は、速度と慣性力Fiとの位相面データを示している。図12(b)は、速度とクーロン摩擦力Fcとの位相面データを示している。図12(c)は、速度と粘性力Fvとの位相面データを示している。
図13は、図12(a)〜(c)の位相面データを合成した位相面データを示している。図13に示す合成位相面データには、図12(a)〜(c)に示す位相面データのそれぞれの形状の特徴が反映されている。図13の縦軸は、荷重・位置センサ7により検出される荷重の検出値(荷重応答)に相当する。
また、合成位相面データにおいて、速度が「0」の時の力と、交点pCにおける力との差が、クーロン摩擦力Fcに相当する。交点pCは、位相面軌道がY軸方向に立ち上がって一定の勾配に安定した時の図示しない接線と縦軸とが交わる点である。
2 制御部
3 サーボ弁
4 油圧機構
5 位置センサ
7 荷重・位置センサ
20,30 状態検知装置
21 解析位相面データ取得部
22 実測位相面データ取得部
23 ケース特定部
24 特徴点抽出部
25 物理パラメータ取得部
41 油圧アクチュエータ
42 制御対象
Da,Da0,Da1〜Da4 解析位相面データ
Db 実測位相面データ
M1 数式モデル
pA〜pF 特徴点
Pp 物理パラメータ
R1,R3 範囲
S11 数式モデル設定ステップ
S12 解析位相面データ取得ステップ
S21 実測位相面データ取得ステップ
S22 ケース特定ステップ
S23 特徴点抽出ステップ
S24 物理パラメータ取得ステップ
Claims (16)
- 油圧機構を制御する油圧制御システムにおける状態を検知する装置であって、
前記油圧制御システムの実測された物理的状態量の応答データが、2つの前記物理的状態量からなる位相面データに変換されることで、実測位相面データを取得する実測位相面データ取得部と、
前記実測位相面データを用いて物理パラメータを取得する物理パラメータ取得部と、を備える、
ことを特徴とする状態検知装置。 - 前記実測位相面データから、前記実測位相面データの形状の特徴に基づいて、前記油圧制御システムに想定される物理的状態量の変化のケースを特定するケース特定部を備える、
請求項1に記載の状態検知装置。 - 前記ケース特定部は、
前記油圧制御システムに発生しうる異常の予兆を与えた解析を経て前記ケース毎に得られた解析位相面データの形状の特徴と前記ケースとの対応関係と、前記実測位相面データの形状の特徴とに基づいて、前記ケースを特定する、
請求項2に記載の状態検知装置。 - 前記物理パラメータ取得部は、
前記実測位相面データから、前記実測位相面データの形状の変化に基づいて、前記油圧制御システムにおける物理的状態量の変化の度合を算出する、
請求項1から3のいずれか一項に記載の状態検知装置。 - 前記物理パラメータ取得部は、前記実測位相面データにおける特徴点から前記物理パラメータを取得する、
請求項1から4のいずれか一項に記載の状態検知装置。 - 前記位相面データに係る2つの前記物理的状態量は、
前記油圧制御システムを構成するサーボ弁の弁開度または前記サーボ弁に与えられる弁開度指令、および、
前記油圧機構の速度応答である、
請求項1から5のいずれか一項に記載の状態検知装置。 - 前記位相面データに係る2つの前記物理的状態量は、
前記油圧機構の速度、および、
前記油圧機構による荷重応答である、
請求項1から5のいずれか一項に記載の状態検知装置。 - 請求項1から7のいずれか一項に記載の状態検知装置と、
前記油圧機構と、を含む、
ことを特徴とする油圧制御システム。 - 油圧機構を制御する油圧制御システムにおける状態を検知する方法であって、
前記油圧制御システムの実測された物理的状態量の応答データから、2つの前記物理的状態量からなる位相面データに変換することで、実測位相面データを取得するステップと、
前記実測位相面データを用いて物理パラメータを取得する物理パラメータ取得ステップと、を備える、
ことを特徴とする状態検知方法。 - 前記実測位相面データから、前記実測位相面データの形状の特徴に基づいて、前記油圧制御システムに想定される物理的状態量の変化のケースを特定するケース特定ステップを備える、
請求項9に記載の状態検知方法。 - 前記油圧制御システムに発生しうる異常の予兆を与えた解析を経て前記ケース毎に解析位相面データを取得するステップを備え、
ケース特定ステップでは、
前記解析位相面データの形状の特徴と前記ケースとの対応関係と、前記実測位相面データの形状の特徴とに基づいて、前記ケースを特定する、
請求項10に記載の状態検知方法。 - 前記ケースには、
前記油圧制御システムを構成するサーボ弁の不感帯の変化、
前記サーボ弁の基準位置に対するオフセットの発生、
前記サーボ弁の流量特性の変化、および、
前記油圧機構の摺動部の摩擦の変化のうちの少なくとも1つが該当する、
請求項11に記載の状態検知方法。 - 前記物理パラメータ取得ステップでは、
前記実測位相面データの形状の変化に基づいて、前記油圧制御システムにおける物理的状態量の変化の度合を算出する、
請求項9から12のいずれか一項に記載の状態検知方法。 - 前記物理パラメータ取得ステップでは、
前記実測位相面データにおける特徴点から前記物理パラメータを取得する、
請求項9から13のいずれか一項に記載の状態検知方法。 - 前記油圧制御システムは、
位置および速度のうち少なくとも位置を制御する位置制御系を備え、
前記位相面データの位相面をなす2つの物理的状態量は、
前記油圧制御システムを構成するサーボ弁の弁開度または前記サーボ弁に与えられる弁開度指令、および、
前記油圧機構の速度応答である、
請求項9から14のいずれか一項に記載の状態検知方法。 - 前記油圧制御システムは、
荷重を制御する荷重制御系を備え、
前記位相面データの位相面をなす2つの物理的状態量は、
前記油圧機構の速度、および、
前記油圧機構による荷重応答である、
請求項9に記載の状態検知方法。
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