JP2022113538A - fluid actuator - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は流体アクチュエータの制御技術に関する。 The present invention relates to control technology for fluid actuators.
空気を作動流体とするエアアクチュエータの制御装置は、入力される位置指令に基づいて空気の供給量を制御して駆動対象を所望の位置に駆動する。駆動対象を迅速かつ正確に所望の位置に駆動するため、フィードバック制御(以下、FB制御と略すこともある)やフィードフォワード制御(以下、FF制御と略すこともある)等の各種の制御技術が利用される。 A control device for an air actuator that uses air as a working fluid controls the amount of air supplied based on an input position command to drive an object to a desired position. Various control techniques such as feedback control (hereinafter also abbreviated as FB control) and feedforward control (hereinafter sometimes abbreviated as FF control) are used to quickly and accurately drive a driven object to a desired position. used.
エアアクチュエータでは、駆動部に空気を供給する配管において、空気の流通に伴う配管共振が発生しうる。配管共振は、制御装置の動作に悪影響を及ぼすため、ノッチフィルタ等で除去する必要がある。一般的に、ノッチフィルタの伝達関数は、ノッチ周波数を含む変数sの同次多項式を分子および分母に含む。ノッチフィルタの分子の多項式によって配管共振の分母の多項式を相殺できるが、ノッチフィルタの分母の多項式が残るためノッチ周波数の近傍で制御装置の動作を引き続き阻害しうる。 In the air actuator, piping resonance may occur due to the circulation of air in the piping that supplies air to the drive unit. Since piping resonance adversely affects the operation of the control device, it must be removed by a notch filter or the like. In general, the notch filter transfer function contains homogeneous polynomials in the numerator and denominator of the variable s containing the notch frequency. Although the notch filter numerator polynomial can cancel the pipe resonance denominator polynomial, the remaining notch filter denominator polynomial can still interfere with controller operation near the notch frequency.
本発明はこうした状況に鑑みてなされたものであり、その目的は、配管共振による制御装置への悪影響を低減できる流体アクチュエータを提供することにある。 SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made in view of such circumstances, and an object of the present invention is to provide a fluid actuator capable of reducing adverse effects of pipe resonance on a control device.
上記課題を解決するために、本発明のある態様の流体アクチュエータは、作動流体により駆動対象を駆動する駆動部と、入力される駆動指令に基づき作動流体の作動量を演算し、駆動対象を駆動制御する制御装置と、制御装置が演算した作動量に基づき作動流体を供給する作動流体供給部と、駆動部と作動流体供給部の間で作動流体が流通する配管とを備える。制御装置は、伝達関数の分子に位相進み補償要素を含み、伝達関数の分母に位相遅れ補償要素を含み、作動量の演算に用いられる位相進み遅れ補償要素を備える。 In order to solve the above problems, a fluid actuator according to one aspect of the present invention includes a drive unit that drives an object to be driven by a working fluid; A control device for control, a working fluid supply unit for supplying the working fluid based on the operation amount calculated by the control device, and a pipe through which the working fluid flows between the driving unit and the working fluid supply unit. The control device includes a phase lead compensating element in the numerator of the transfer function, a phase lag compensating element in the denominator of the transfer function, and a phase lead/lag compensating element used for calculating the actuation amount.
本態様の位相進み遅れ補償要素では、分子の位相進み補償要素および分母の位相遅れ補償要素の多項式を互いに独立に設計できる。したがって、分子の位相進み補償要素の多項式によって配管共振の分母の多項式を相殺すると同時に、分母の位相遅れ補償要素の多項式の固有角周波数を制御装置の動作への影響が少ない周波数に設定できる。 In the phase lead/lag compensating element of this embodiment, the polynomials of the numerator phase lead compensating element and the denominator phase lag compensating element can be designed independently of each other. Therefore, the polynomial of the denominator of the pipe resonance can be canceled by the polynomial of the phase lead compensating element of the numerator, and at the same time, the natural angular frequency of the polynomial of the phase lag compensating element of the denominator can be set to a frequency that has little effect on the operation of the control device.
本発明の別の態様も、流体アクチュエータである。この流体アクチュエータは、作動流体により駆動対象を駆動する駆動部と、入力される駆動指令に基づき作動流体の作動量を演算し、駆動対象を駆動制御する制御装置と、制御装置が演算した作動量に基づき作動流体を供給する作動流体供給部と、駆動部と作動流体供給部の間で作動流体が流通し、制御装置の帯域幅の近傍の周波数で配管共振が発生する配管とを備える。制御装置は、伝達関数の分子に位相進み補償要素を含み、伝達関数の分母に位相遅れ補償要素を含み、作動量の演算に用いられる位相進み遅れ補償要素を備える。位相遅れ補償要素の固有角周波数は、前記位相進み補償要素の固有角周波数よりも前記帯域幅から離れた高域側に配置される。 Another aspect of the invention is also a fluid actuator. This fluid actuator includes a drive unit that drives a driven object with a working fluid, a control device that calculates the amount of actuation of the working fluid based on an input drive command, and drives and controls the driven object, and an actuation amount calculated by the control device. and a pipe through which the working fluid flows between the driving portion and the working fluid supply and pipe resonance occurs at a frequency near the bandwidth of the control device. The control device includes a phase lead compensating element in the numerator of the transfer function, a phase lag compensating element in the denominator of the transfer function, and a phase lead/lag compensating element used for calculating the actuation amount. A natural angular frequency of the phase lag compensating element is arranged on a higher frequency side farther from the bandwidth than the natural angular frequency of the phase lead compensating element.
本態様の位相進み遅れ補償要素では、分母の位相遅れ補償要素の多項式の固有角周波数が位相進み補償要素の固有角周波数よりも制御装置の帯域幅から離れた高域側にあるため、制御装置の動作への悪影響を低減できる。 In the phase lead/lag compensating element of this aspect, since the natural angular frequency of the polynomial of the phase lag compensating element in the denominator is on the higher side farther from the bandwidth of the control device than the natural angular frequency of the phase lead compensating element, can reduce the adverse effects on the operation of
なお、以上の構成要素の任意の組合せ、本発明の表現を方法、装置、システム、記録媒体、コンピュータプログラムなどの間で変換したものもまた、本発明の態様として有効である。 Any combination of the above constituent elements, and any conversion of expressions of the present invention into methods, devices, systems, recording media, computer programs, etc. are also effective as embodiments of the present invention.
本発明によれば、配管共振による制御装置への悪影響を低減できる流体アクチュエータを提供できる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the fluid actuator which can reduce the bad influence to the control apparatus by piping resonance can be provided.
以下、図面を参照しながら、本発明を実施するための形態について詳細に説明する。説明および図面において同一または同等の構成要素、部材、処理には同一の符号を付し、重複する説明は適宜省略する。図示される各部の縮尺や形状は、説明を容易にするために便宜的に設定されており、特に言及がない限り限定的に解釈されるものではない。実施形態は例示であり、本発明の範囲を何ら限定するものではない。実施形態に記述されるすべての特徴やその組み合わせは、必ずしも発明の本質的なものであるとは限らない。 BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION Hereinafter, embodiments for carrying out the present invention will be described in detail with reference to the drawings. In the description and drawings, the same or equivalent components, members, and processes are denoted by the same reference numerals, and overlapping descriptions are omitted as appropriate. The scales and shapes of the illustrated parts are set for convenience in order to facilitate explanation, and should not be construed as limiting unless otherwise specified. The embodiments are illustrative and do not limit the scope of the invention in any way. Not all features or combinations thereof described in the embodiments are essential to the invention.
図1は、本実施形態の流体アクチュエータが適用されるエアステージの斜視図である。エアステージ100は、主として、定盤102、除振台104、除振装置106、ワークテーブル110、1本のX軸エアアクチュエータ120、2本のY軸エアアクチュエータ130A、130B(以下、Y軸エアアクチュエータ130と総称する)を備える。定盤102は除振台104によって支持される。エアステージ100は、エアアクチュエータが上軸にX軸、下軸にY1、Y2軸の2本が設けられたH型の構造である。除振装置106は、エアステージ100が配置されている場所の床からの振動を低減し、定盤102の振動を抑制する。
FIG. 1 is a perspective view of an air stage to which the fluid actuator of this embodiment is applied. The
X軸エアアクチュエータ120、Y軸エアアクチュエータ130は、それぞれ、空気を作動流体として駆動対象であるワークテーブル110をX軸、Y軸に沿って駆動する流体アクチュエータである。X軸エアアクチュエータ120は、ガイド(スクエアシャフト)122、スライダ124、サーボバルブ126(不図示)、配管128(不図示)を有する。同様にY軸エアアクチュエータ130は、ガイド132、スライダ134、サーボバルブ136、配管138を有する。ワークテーブル110は、スライダ124に設けられる。ガイド122はその両端において、Y軸エアアクチュエータ130A、130Bそれぞれのスライダ134によって支持される。
The
以上のエアアクチュエータ120、130の構成において、スライダ124、134は、駆動対象としてのワークテーブル110をX軸、Y軸に沿って駆動する駆動部を構成する。また、サーボバルブ126、136は、後述する制御装置が演算した空気の作動量である吸排気量に基づき空気をスライダ124、134に供給する作動流体供給部を構成する。配管128、138は、駆動部と作動流体供給部の間で空気を流通させる。
In the configuration of the
空気が配管128、138を流通する際、機械的共振の一種である配管共振が発生する。配管共振の共振周波数ω0は、ヘルムホルツ共振器に関する次の式で近似的に表される。
ω0=c(S/VL)1/2
ここで、cは空気中の音速、Sは配管128、138の断面積、Vはサーボバルブ126、136からスライダ124、134までの配管128、138の体積、Lは配管128、138が空気をスライダ124、134に供給する長さに対応する。この共振周波数ω0が制御装置の帯域幅(一般的にボード線図においてゲインが低周波域より3dB低下する周波数で表される)に近くなると、制御装置の動作に悪影響が及ぶ。配管長Lを短くすることで共振周波数ω0を帯域幅より十分に高くできれば問題はないが、装置レイアウト等の制約から難しい場合もある。なお、本発明者が検討したエアステージ100の一例では、各周波数は次の通りであった。制御装置の帯域幅:15Hz程度、配管共振の共振周波数ω0:50-80Hz程度、配管共振以外の機械共振の共振周波数:200Hz以上。後述するように、本発明の流体アクチュエータは、このような配管共振が無視できないシステムに特に好適である。
When air flows through the
ω 0 =c(S/VL) 1/2
Here, c is the speed of sound in air, S is the cross-sectional area of the
位置センサ140は、ワークテーブル110のX軸方向の位置を検出する。また位置センサ142は、ワークテーブル110のY軸方向の位置を検出する。
A
図2は、エアアクチュエータの断面図である。X軸エアアクチュエータ120は、ガイド122、スライダ124、サーボバルブ(スプールバルブ)126、配管128を備える。
FIG. 2 is a cross-sectional view of the air actuator. The
ガイド122とスライダ124の間には静圧軸受が形成され、ガイド122の外周面とスライダ124の内周面の間に常時供給される空気圧によって、スライダ124はガイド122から浮上して非接触でX軸方向に移動可能である。
A static pressure bearing is formed between the
スライダ124には、内部空間であるサーボチャンバ150が設けられ、ガイド122と一体的に形成された受圧プレート123によって、正側チャンバ室152と負側チャンバ室154に区画される。
The
スライダ124は、サーボバルブ126により駆動される。サーボバルブ126は、スプールの位置により、コントロールポートの吸排気量を制御する。各軸のエアアクチュエータ120、130は、それぞれの正側と負側にそれぞれ配置された1対のサーボバルブ126P、126Nを備える。正側のサーボバルブ126Pのコントロールポートは、正側配管128Pを介して正側チャンバ室152と連通する。負側のサーボバルブ126Nのコントロールポートは、負側配管128Nを介して、負側チャンバ室154と連通する。サーボバルブ126P、126Nのスプール位置に応じて正側チャンバ室152と負側チャンバ室154の間に生じる差圧によってスライダ124の位置が制御される。以上、X軸エアアクチュエータ120を例に説明したが、Y軸エアアクチュエータ130も同様に構成できる。
図3は、エアアクチュエータ120、130の制御装置300の構成を模式的に示すブロック図である。制御装置300は、フィードバック制御を行うFB制御部310とフィードフォワード制御を行うFF制御部360を備える。制御装置300の出力部302が出力する演算結果uはサーボバルブ126、136の吸排気量を定めるバルブ指令であり、それにより生じる差圧によってワークテーブル110の位置が制御される。位置センサ140、142によって検出されるワークテーブル110の位置Posfbは、FB制御部310におけるフィードバック制御に利用される。
FIG. 3 is a block diagram schematically showing the configuration of the
FF制御部360は、制御装置300の入力部301から出力部302に向かって、三対の微分器364、366、368と比例補償器370、372、374を備える。第1段の微分器364は入力部301が入力する駆動指令としての位置指令Posrefを微分して速度に変換し、第1段の比例補償器370は比例ゲインKffvを乗算し、FB制御部310が演算する位置補償量と合わせてワークテーブル110の速度指令を演算する。第2段の微分器366は微分器364からの速度を微分して加速度に変換し、第2段の比例補償器372は比例ゲインKffaを乗算し、FB制御部310が演算する速度補償量と合わせてワークテーブル110の加速度指令を演算する。第3段の微分器368は微分器366からの加速度を微分し、第3段の比例補償器374は比例ゲインKffjを乗算し、FB制御部310が演算する加速度補償量と合わせて暫定演算結果u′を演算する。
FB制御部310は、PDD2(Proportional-Differential-2nd Derivative)補償器に基づき構成される。具体的には、FB制御部310は、ワークテーブル110の位置をメジャーループ(アウターループ)で制御し、ワークテーブル110の速度および加速度をマイナーループ(インナーループ)で制御する。二つのマイナーループのうち、外側の速度ループをミッドループとも称し、内側の加速度ループを単にインナーループとも称する。ワークテーブル110の測定位置Posfbを微分器330で微分することでワークテーブル110の測定速度が得られ、それを微分器332で微分することでワークテーブル110の測定加速度が得られる。
The
FB制御部310は、入力部301から出力部302に向かって、直列に四つの減算器312、314、316、352を備える。減算器312は、制御装置300の入力部301が入力する位置指令Posrefとワークテーブル110の測定位置Posfbの差分である位置偏差を演算する位置偏差演算部である。減算器314は、後述の演算に基づき得られる速度指令と微分器330が出力するワークテーブル110の測定速度の差分である速度偏差を演算する速度偏差演算部である。減算器316は、後述の演算に基づき得られる加速度指令と微分器332が出力するワークテーブル110の測定加速度の差分である加速度偏差を演算する加速度偏差演算部である。減算器352は、後述の演算に基づき得られる暫定演算結果u′から外乱を除去する外乱除去部である。
位置偏差を演算する減算器312と速度偏差を演算する減算器314の間には、ワークテーブル110の位置を補償する位置補償要素として位置比例補償器320が設けられる。位置比例補償器320は位置偏差に比例ゲインKpを乗算し、FF制御部360の比例補償器370からの入力と合わせてワークテーブル110の速度指令を演算する速度指令演算部を構成する。
A position
速度偏差を演算する減算器314と加速度偏差を演算する減算器316の間には、ワークテーブル110の速度を補償する速度補償要素として、速度比例補償器322が設けられる。速度比例補償器322は速度偏差に比例ゲインKvを乗算し、FF制御部360の比例補償器372からの入力と合わせてワークテーブル110の加速度指令を演算する加速度指令演算部を構成する。
A velocity
加速度偏差を演算する減算器316と外乱を除去する減算器352の間には、ワークテーブル110の加速度を補償する加速度補償要素として、加速度比例補償器324が設けられる。加速度比例補償器324は加速度偏差に比例ゲインKaを乗算し、FF制御部360の比例補償器374からの入力と合わせて暫定演算結果u′を求める暫定演算部を構成する。
An acceleration
FB制御部310は、上記の構成に加えて、ノッチフィルタ340と、外乱オブザーバ350と、位相進み遅れ補償要素380を備える。
ノッチフィルタ340は、ノッチ周波数ωnoを中心とする狭い阻止帯域を有するバンドストップフィルタであり、減算器352の前後に設けられる二つのフィルタ要素340A、340Bにより構成される。本実施形態では、配管共振の除去を目的として、ノッチ周波数ωnoが配管共振の周波数ω0と近い値に設定される。詳細な周波数配置については後述する。
Notch filter 340 is a band-stop filter having a narrow stopband centered at notch frequency ω no , and is composed of two
外乱推定器としての外乱オブザーバ350(DOB: Disturbance Observer)は、暫定演算結果u′とワークテーブル110の測定速度および測定加速度に基づき、ワークテーブル110の位置に対する外乱を推定する状態観測器である。外乱オブザーバ350に供給する測定量は速度および加速度に限らず、位置も含むワークテーブル110の駆動量の任意の組合せでよい。
A disturbance observer 350 (DOB: Disturbance Observer) as a disturbance estimator is a state observer that estimates the disturbance to the position of the work table 110 based on the provisional calculation result u' and the measured velocity and acceleration of the work table 110. FIG. The measured quantities supplied to the
位相進み遅れ補償要素380は、伝達関数の分子に位相進み補償要素を含み、伝達関数の分母に位相遅れ補償要素を含む。位相進み遅れ補償要素380の伝達関数は次の式で表される。
(ωpd
2(s2+2ζplωpls+ωpl
2))/(ωpl
2(s2+2ζpdωpds+ωpd
2))
ここで、分子の位相進み補償要素および分母の位相遅れ補償要素ともに、ラプラス変換後の変数sの2次多項式で表される。位相進み補償要素の2次多項式は、固有角周波数ωplと減衰比ζplを含む。位相遅れ補償要素の2次多項式は、固有角周波数ωpdと減衰比ζpdを含む。これらのパラメータは互いに独立に設定できるため、分子の位相進み補償要素および分母の位相遅れ補償要素の2次多項式は互いに独立に設計できる。
Phase lead/
(ω pd 2 (s 2 +2ζ pl ω pl s+ω pl 2 ))/(ω pl 2 (s 2 +2ζ pd ω pd s+ω pd 2 ))
Here, both the phase lead compensating element of the numerator and the phase lag compensating element of the denominator are represented by a second-order polynomial of the variable s after Laplace transform. The second order polynomial of the phase lead compensating element includes the natural angular frequency ω pl and the damping ratio ζ pl . The second order polynomial of the phase lag compensating element includes the natural angular frequency ω pd and the damping ratio ζ pd . Since these parameters can be set independently of each other, the quadratic polynomials of the numerator phase lead compensating element and the denominator phase lag compensating element can be designed independently of each other.
図4は、制御装置300の動作に影響する各種の周波数の配置例を示す。本図は制御装置300の周波数特性を表すボード線図のうち、ゲインの周波数変化を表すゲイン線図を模式的に示す。
FIG. 4 shows an example arrangement of various frequencies that affect the operation of
帯域幅ωbは、制御装置300が動作可能な周波数帯域を定める。すなわち、制御装置300は帯域幅ωbより低い周波数の信号を処理することが求められる。帯域幅ωbは、ボード線図においてゲインが低周波域より3dB低下する周波数で表されるのが一般的であるが、制御装置300の仕様に応じて任意に設定できる。
Bandwidth ω b defines the frequency band in which
共振周波数ω0は、配管共振の周波数である。本実施形態のエアアクチュエータ120、130では、共振周波数ω0が帯域幅ωbに近い位置にあり、制御装置300の動作帯域の高域側の近傍で配管共振Rが発生する。このままでは制御装置300の動作に悪影響が及ぶため、次に述べるノッチフィルタ340によって配管共振Rを除去する。なお、配管共振Rの伝達関数は次の式で表される。
ω0
2/(s2+2ζ0ω0s+ω0
2)
ここで、分母はラプラス変換後の変数sの2次多項式で表され、固有角周波数としての共振周波数ω0と減衰比ζ0を含む。
The resonant frequency ω 0 is the frequency of pipe resonance. In the
ω 0 2 /(s 2 +2ζ 0 ω 0 s+ω 0 2 )
Here, the denominator is represented by a second-order polynomial of the variable s after Laplace transform, and includes the resonance frequency ω0 as the natural angular frequency and the damping ratio ζ0 .
ノッチフィルタ340のノッチ周波数ωnoは、共振周波数ω0から第2の所定値としてのΔω未満の狭帯域NB内に設定される。配管共振Rを効果的に除去する上では、ノッチ周波数ωnoを共振周波数ω0と同一に設定するのが理想的だが、狭帯域NBの幅2Δωが十分に小さければ実用的な除去性能が得られる。Δωは、共振周波数ω0と帯域幅ωbの差分ω0-ωbよりも小さくするのが好ましく、例えば、任意の自然数をNとしてΔω<(ω0-ωb)/Nとする。 The notch frequency ω no of the notch filter 340 is set within a narrow band NB from the resonance frequency ω 0 to less than Δω as a second predetermined value. In order to effectively remove the pipe resonance R, it is ideal to set the notch frequency ω no to be the same as the resonance frequency ω 0 . be done. Δω is preferably smaller than the difference ω 0 −ω b between the resonance frequency ω 0 and the bandwidth ω b , for example, Δω<(ω 0 −ω b )/N where N is an arbitrary natural number.
ノッチフィルタ340の伝達関数は次の式で表される。
(s2+2ζnoKdeωnos+ωno
2)/(s2+2ζnoωnos+ωno
2)
ここで、分子および分母ともに、ラプラス変換後の変数sの2次多項式で表され、固有角周波数としてのノッチ周波数ωnoと減衰比ζnoを含む。分子のみに含まれるKdeはノッチの深さを定めるパラメータである。
The transfer function of notch filter 340 is represented by the following equation.
(s 2 +2ζ no K de ω no s+ω no 2 )/(s 2 +2ζ no ω no s+ω no 2 )
Here, both the numerator and the denominator are represented by a second-order polynomial of the variable s after Laplace transform, and include the notch frequency ω no as the natural angular frequency and the damping ratio ζ no . K de contained only in the numerator is a parameter that determines the depth of the notch.
伝達関数(s2+2ζnoKdeωnos+ωno
2)/(s2+2ζnoωnos+ωno
2)で表されるノッチフィルタ340を、伝達関数ω0
2/(s2+2ζ0ω0s+ω0
2)で表される配管共振Rに適用すると、ノッチ周波数ωnoと共振周波数ω0が近似値であることから、前者の分子項s2+2ζnoKdeωnos+ωno
2と後者の分母項s2+2ζ0ω0s+ω0
2が実質的に相殺(極零相殺)される。この結果、ノッチフィルタ340適用後の伝達関数は、ω0
2/(s2+2ζnoωnos+ωno
2)となる。このように、ノッチフィルタ340の分子項によって配管共振Rの分母項を実質的に相殺できるが、代わりにノッチフィルタ340の分母の2次多項式s2+2ζnoωnos+ωno
2が残る。この固有角周波数であるノッチ周波数ωnoは、相殺前の伝達関数の分母の2次多項式にあった共振周波数ω0と同様に、制御装置300の動作帯域(帯域幅ωb)の近傍にあるため、制御装置300の動作を引き続き阻害しうる。この悪影響を低減するのが次に述べる位相進み遅れ補償要素380である。
The notch filter 340 represented by the transfer function (s 2 +2ζ no K de ω no s+ω no 2 )/(s 2 +2ζ no ω no s+ω no 2 ) is replaced by the transfer function ω 0 2 /(s 2 +2ζ 0 ω 0 s+ω 0 2 ), the notch frequency ω no and the resonance frequency ω 0 are approximate values . The term s 2 +2ζ 0 ω 0 s+ω 0 2 is substantially canceled (pole-zero canceled). As a result, the transfer function after application of the notch filter 340 is ω 0 2 /(s 2 +2ζ no ω no s+ω no 2 ). Thus, the numerator term of the notch filter 340 can substantially cancel the denominator term of the pipe resonance R, but instead leaves the second order polynomial s 2 +2ζ no ω no s+ω no 2 in the denominator of the notch filter 340 . The notch frequency ω no , which is the natural angular frequency, is in the vicinity of the operating band (bandwidth ω b ) of the
なお、以上の説明で「実質的に相殺される」と表現した二つの項は同一ではないため、実際には完全に相殺されることはなく、一定の項が残存する。しかし、これらの残存項が制御装置300の動作に与える影響は軽微であるため、以下の説明では残存項はないものとして扱う。
Since the two terms expressed as "substantially canceled out" in the above explanation are not the same, they are not actually canceled out completely, and a certain amount of the term remains. However, since these residual terms have only a slight effect on the operation of
位相進み遅れ補償要素380の分子項である位相進み補償要素の2次多項式に含まれる固有角周波数ωplは、共振周波数ω0から第1の所定値としてのΔω未満の狭帯域NB内に設定される。位相進み遅れ補償要素380の分母項である位相遅れ補償要素の2次多項式に含まれる固有角周波数ωpdは、共振周波数ω0より少なくともΔω以上高く設定される。図から明らかなように、位相遅れ補償要素の固有角周波数ωpdと帯域幅ωbの差異ωpd-ωbは、共振周波数ω0と帯域幅ωbの差異ω0-ωbより大きくなる。すなわち、固有角周波数ωpdは、共振周波数ω0よりも帯域幅ωbから離れた高域側に配置される。後述するように、最終的な制御装置300の伝達関数には、位相遅れ補償要素s2+2ζpdωpds+ωpd
2が分母に残存するが、その固有角周波数ωpdを帯域幅ωbより十分に高くすることで、制御装置300の動作への悪影響を低減できる。
The natural angular frequency ω pl included in the quadratic polynomial of the phase lead compensating element, which is the numerator term of the phase lead/
以上の位相進み遅れ補償要素380の伝達関数(ωpd
2(s2+2ζplωpls+ωpl
2))/(ωpl
2(s2+2ζpdωpds+ωpd
2))を、ノッチフィルタ340適用後の伝達関数ω0
2/(s2+2ζnoωnos+ωno
2)に適用すると、共に狭帯域NB内にある固有角周波数ωplとノッチ周波数ωnoが近似値であることから、前者の分子項s2+2ζplωpls+ωpl
2と後者の分母項s2+2ζnoωnos+ωno
2が実質的に相殺される。また、同じく狭帯域NB内にある固有角周波数ωplと共振周波数ω0が近似値であることから、前者の分母項ωpl
2と後者の分子項ω0
2が実質的に相殺される。この結果、位相進み遅れ補償要素380適用後の伝達関数は、ωpd
2/(s2+2ζpdωpds+ωpd
2)となり、分母項として位相遅れ補償要素が残存する。しかし、この固有角周波数ωpdは帯域幅ωbより十分に高いため、制御装置300の動作を阻害しない。
The transfer function (ω pd 2 (s 2 +2ζ pl ω pl s + ω pl 2 ))/(ω pl 2 (s 2 +2 ζ pd ω pd s + ω pd 2 )) of the phase lead/
以上の構成によれば、ノッチフィルタ340で配管共振Rを除去でき、ノッチフィルタ340の残存項(分母項)も位相進み補償要素で除去でき、最終的に制御装置300の動作を阻害しない位相遅れ補償要素のみを残すことができる。したがって、配管共振Rを除去しながら、制御装置300への悪影響も低減できる。
According to the above configuration, the pipe resonance R can be removed by the notch filter 340, the remaining term (denominator term) of the notch filter 340 can also be removed by the phase lead compensation element, and finally the phase delay that does not hinder the operation of the
図5は、位相進み遅れ補償要素380の効果を示す。
FIG. 5 illustrates the effect of phase lead/
図5(A)は、位相進み遅れ補償要素380による改善前後の制御装置300のゲイン特性を示す。41で示される曲線が、位相進み遅れ補償要素380適用前のゲイン特性であり、42で示される曲線が、位相進み遅れ補償要素380適用後のゲイン特性である。曲線41では周波数ω1からゲインが低下し始めるが、曲線42では周波数ω1よりも高い周波数ω2からゲインが低下し始める。このように、位相進み遅れ補償要素380は、制御装置300を広帯域化する効果を奏する。また、ゲインが低下する態様を比較すると、曲線41は傾きが安定せず、局所的にゲインが高くなる(上側に凸になる)箇所が存在するが、曲線42はほぼ一定の傾きでなだらかな下降線を描く。位相進み遅れ補償要素380によって、制御装置300の極点が位相遅れ補償要素に対応する高帯域に移動したため、低帯域の位相遅れが改善したことが理由と考えられる。
FIG. 5A shows gain characteristics of the
図5(B)において、43で示される曲線は、比例補償器370が演算する速度指令である。本図は、ワークテーブル110が加速して定速状態に至る過程を示す。44で示される曲線は、位相進み遅れ補償要素380を適用する前の位置偏差(減算器312の出力)であり、45で示される曲線は、位相進み遅れ補償要素380を適用した後の位置偏差である。いずれの位置偏差も、ワークテーブル110の加速に伴って振動するが、位相進み遅れ補償要素380適用後の曲線45は、位相進み遅れ補償要素380適用前の曲線44よりも振幅が小さく、位置偏差が早く収束する。このように、位相進み遅れ補償要素380は、制御装置300の応答性(振動制御性)を向上させる効果を奏する。
In FIG. 5(B), the curve indicated by 43 is the speed command calculated by
以上、本発明を実施形態に基づいて説明した。実施形態は例示であり、それらの各構成要素や各処理プロセスの組合せにいろいろな変形例が可能なこと、またそうした変形例も本発明の範囲にあることは当業者に理解されるところである。 The present invention has been described above based on the embodiments. It should be understood by those skilled in the art that the embodiments are examples, and that various modifications can be made to combinations of each component and each treatment process, and such modifications are also within the scope of the present invention.
実施形態では、配管共振Rを除去するノッチフィルタ340を設けたが、本発明ではノッチフィルタ340を設けなくてもよい。この場合、配管共振Rの伝達関数ω0
2/(s2+2ζ0ω0s+ω0
2)に、位相進み遅れ補償要素380の伝達関数(ωpd
2(s2+2ζplωpls+ωpl
2))/(ωpl
2(s2+2ζpdωpds+ωpd
2))が適用されるが、共振周波数ω0と固有角周波数ωplが近似値であることから、前者の分母項s2+2ζ0ω0s+ω0
2と後者の分子項s2+2ζplωpls+ωpl
2が実質的に相殺される。また、固有角周波数ωplと共振周波数ω0が近似値であることから、前者の分子項ω0
2が後者の分母項ωpl
2と実質的に相殺される。この結果、位相進み遅れ補償要素380適用後の最終的な伝達関数は、実施形態と同様に、ωpd
2/(s2+2ζpdωpds+ωpd
2)となる。したがって、実施形態と同様の効果が得られる。
Although the notch filter 340 for removing the pipe resonance R is provided in the embodiment, the notch filter 340 may not be provided in the present invention. In this case, the transfer function (ω pd 2 ( s 2 + 2ζ pl ω pl s + ω pl 2 ) )/(ω pl 2 (s 2 +2ζ pd ω pd s+ω pd 2 )) is applied, but since the resonance frequency ω 0 and the natural angular frequency ω pl are approximate values, the former denominator term s 2 +2ζ 0 ω 0 s+ω 0 2 and the latter numerator term s 2 +2ζ pl ω pl s+ω pl 2 substantially cancel. Also, since the natural angular frequency ω pl and the resonance frequency ω 0 are approximate values, the former numerator term ω 0 2 and the latter denominator term ω pl 2 are substantially canceled. As a result, the final transfer function after applying the phase lead/
実施形態では、説明を簡素化するために、伝達関数の分子および分母が2次多項式で表される場合について説明したが、本発明は伝達関数の分子または分母が3次以上の高次の多項式で表される場合にも同様に適用できる。 In the embodiments, in order to simplify the explanation, the case where the numerator and denominator of the transfer function are represented by a second-order polynomial has been described. It can be similarly applied to the case represented by
実施形態では、作動流体の作動量の例として、サーボバルブ126、136の吸排気量を決めるサーボ指令を挙げたが、これに限らず駆動対象を駆動しうる作動流体の任意の量でよい。例えば、吸排気量を含む流量、圧力、温度を作動量としてもよい。
In the embodiment, the servo command for determining the amount of intake and exhaust of the
実施形態では、空気を作動流体とするエアアクチュエータについて説明したが、本発明の流体アクチュエータは、これ以外の流体を作動流体とするものでもよい。例えば、油を作動流体とする油圧アクチュエータ、水を作動流体とする水圧アクチュエータ、空気以外の任意のガスを作動流体とするガスアクチュエータでもよい。これらの各種の流体アクチュエータは、ボイラー、建設機械など各種の産業機械、橋梁などの社会インフラ、環境プラントや水処理施設など各種の産業構造物、またはその他の産業設備に利用できる。 Although the air actuator using air as the working fluid has been described in the embodiments, the fluid actuator of the present invention may use other fluids as the working fluid. For example, a hydraulic actuator using oil as a working fluid, a hydraulic actuator using water as a working fluid, and a gas actuator using any gas other than air as a working fluid may be used. These various fluid actuators can be used for various industrial machines such as boilers and construction machines, social infrastructures such as bridges, various industrial structures such as environmental plants and water treatment facilities, and other industrial equipment.
実施形態では、ワークテーブル110の位置を主制御対象とする制御装置300を例示したが、制御装置300の主制御対象はその他の駆動量、例えば、ワークテーブル110の速度や加速度でもよい。この場合、主制御対象の駆動量の指令値を制御装置300への入力とし、それと駆動量の測定値の偏差に基づいてアウターループでFB制御すればよい。
In the embodiment, the
なお、実施形態で説明した各装置の機能構成はハードウェア資源またはソフトウェア資源により、あるいはハードウェア資源とソフトウェア資源の協働により実現できる。ハードウェア資源としてプロセッサ、ROM、RAM、その他のLSIを利用できる。ソフトウェア資源としてオペレーティングシステム、アプリケーション等のプログラムを利用できる。 Note that the functional configuration of each device described in the embodiments can be realized by hardware resources, software resources, or cooperation between hardware resources and software resources. Processors, ROMs, RAMs, and other LSIs can be used as hardware resources. Programs such as operating systems and applications can be used as software resources.
100 エアステージ、110 ワークテーブル、120 X軸エアアクチュエータ、122 ガイド、123 受圧プレート、124 スライダ、126 サーボバルブ、128 配管、130 Y軸エアアクチュエータ、132 ガイド、134 スライダ、136 サーボバルブ、138 配管、300 制御装置、310 FB制御部、340 ノッチフィルタ、350 外乱オブザーバ、360 FF制御部、380 位相進み遅れ補償要素。 100 air stage, 110 work table, 120 X-axis air actuator, 122 guide, 123 pressure receiving plate, 124 slider, 126 servo valve, 128 piping, 130 Y-axis air actuator, 132 guide, 134 slider, 136 servo valve, 138 piping, 300 controller, 310 FB controller, 340 notch filter, 350 disturbance observer, 360 FF controller, 380 phase lead/lag compensation element.
Claims (5)
入力される駆動指令に基づき前記作動流体の作動量を演算し、前記駆動対象を駆動制御する制御装置と、
前記制御装置が演算した前記作動量に基づき前記作動流体を供給する作動流体供給部と、
前記駆動部と前記作動流体供給部の間で前記作動流体が流通する配管と
を備え、
前記制御装置は、伝達関数の分子に位相進み補償要素を含み、伝達関数の分母に位相遅れ補償要素を含み、前記作動量の演算に用いられる位相進み遅れ補償要素を備える
流体アクチュエータ。 a driving unit that drives a driven object with a working fluid;
a control device that calculates an actuation amount of the working fluid based on an input drive command and controls the drive target;
a working fluid supply unit that supplies the working fluid based on the amount of operation calculated by the control device;
a pipe through which the working fluid flows between the drive unit and the working fluid supply unit,
The control device includes a phase lead compensating element in the numerator of the transfer function, a phase lag compensating element in the denominator of the transfer function, and a phase lead/lag compensating element used to calculate the actuation amount.
前記位相遅れ補償要素の固有角周波数は、前記配管共振の周波数よりも前記第1の所定値以上高い
請求項1に記載の流体アクチュエータ。 a difference between a natural angular frequency of the phase lead compensation element and a frequency of pipe resonance generated when the working fluid flows through the pipe is less than a first predetermined value;
2. The fluid actuator according to claim 1, wherein the natural angular frequency of said phase lag compensating element is higher than said pipe resonance frequency by at least said first predetermined value.
前記位相進み補償要素の固有角周波数と、前記ノッチ周波数の差異が前記第2の所定値未満であり、
前記位相遅れ補償要素の固有角周波数は、前記ノッチ周波数よりも前記第2の所定値以上高い
請求項1または2に記載の流体アクチュエータ。 The control device includes, in the numerator and denominator of the transfer function, a notch frequency whose difference from the frequency of pipe resonance generated when the working fluid flows through the pipe is less than a second predetermined value, and the operation amount is calculated. with a notch filter used for
a difference between the natural angular frequency of the phase lead compensating element and the notch frequency is less than the second predetermined value;
3. The fluid actuator according to claim 1, wherein the natural angular frequency of the phase lag compensating element is higher than the notch frequency by at least the second predetermined value.
入力される駆動指令に基づき前記作動流体の作動量を演算し、前記駆動対象を駆動制御する制御装置と、
前記制御装置が演算した前記作動量に基づき前記作動流体を供給する作動流体供給部と、
前記駆動部と前記作動流体供給部の間で前記作動流体が流通し、前記制御装置の帯域幅の近傍の周波数で配管共振が発生する配管と
を備え、
前記制御装置は、伝達関数の分子に位相進み補償要素を含み、伝達関数の分母に位相遅れ補償要素を含み、前記作動量の演算に用いられる位相進み遅れ補償要素を備え、
前記位相遅れ補償要素の固有角周波数は、前記位相進み補償要素の固有角周波数よりも前記帯域幅から離れた高域側に配置される
流体アクチュエータ。 a driving unit that drives a driven object with a working fluid;
a control device that calculates an actuation amount of the working fluid based on an input drive command and controls the drive target;
a working fluid supply unit that supplies the working fluid based on the amount of operation calculated by the control device;
a pipe in which the working fluid flows between the drive unit and the working fluid supply unit, and pipe resonance occurs at a frequency near the bandwidth of the control device;
The control device includes a phase lead compensating element in the numerator of the transfer function, a phase lag compensating element in the denominator of the transfer function, and a phase lead/lag compensating element used to calculate the actuation amount,
The fluid actuator, wherein the natural angular frequency of the phase lag compensating element is arranged on a higher frequency side away from the bandwidth than the natural angular frequency of the phase lead compensating element.
請求項4に記載の流体アクチュエータ。 5. The control device according to claim 4, wherein the notch filter includes a notch frequency closer to the bandwidth than the natural angular frequency of the phase lag compensating element in the numerator and denominator of the transfer function, and is used to calculate the actuation amount. fluid actuator.
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