JP3554899B2 - ２段流体弁の制御方法及び装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は２段流体弁の制御方法及び装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
図５は従来の２段流体弁１０を示し、この２段流体弁１０はパイロット段１２と主段１４とを有する。制御流体Ｑはパイロット段１２からパイロットサービス口Ａ，Ｂの一方とこれに関連する主段１４内の流路Ａ’，Ｂ’の一方を介して供給される。従来においては、ソレノイド７によってパイロット段１２内のスプール位置が制御され、直線可変差動変圧器８，９によってパイロット段１２と主段１４内のスプール位置を示す信号ｘ，ｙが夫々形成される。
【０００３】
従来技術によって２段流体弁を制御する場合、主段スプールのダイナミックレスポンスはパイロット段スプールに加えられる圧力に依存する。この好ましくない傾向は、バイロット段の流れゲインがパイロット圧に略比例するために生ずる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
従来はこの問題を解決するため、パイロット段弁と主段弁間に圧力調節器を介挿し、流体装置の圧力に無関係にパイロット段供給圧を一定に維持する必要があった。
【０００５】
本発明の目的は、従来のように専用の圧力調節器を用いることなくダイナミックレスポンスをパイロット段に加えられる圧力とは無関係ならしめるよう制御できる２段流体弁のための制御装置を得るにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明の２段流体弁の制御方法は、スプール弁の形式によるパイロット段と、スプール弁の形式による主段を有する２段流体弁（ 10 ）の制御方法であって、前記スプール弁のパイロット段の流れゲインを設定する工程と、前記パイロット段の供給圧により変化するスプール位置に対応して設定される流れゲインを、予め決められた流れゲイン及び可変非直線ゲイン素子の制御パラメータから形成される参照データと比較する工程と、前記可変非直線ゲイン素子のゲイン特性を上記比較結果に応じて調節して閉ループゲインを略一定に維持する工程とを連続的に行うことを特徴とする。
【０００７】
上記パイロット段の流れゲインを設定する工程は、主段及びパイロット段のスプール位置測定を含む。
【０００８】
上記設定流れゲインを得るため入力信号として上記測定されたスプール位置を用いた反復最小２乗アルゴリズムを用いる。オフセットエラーと高周波ノイズを除去するため上記入力信号は前濾過するのが好ましい。
【０００９】
本発明の２段流体弁の制御装置は、可変非直線ゲイン素子と、パイロット段の流れゲインを設定するための機構と、前記パイロット段の供給圧により変化するスプール位置に対応して設定される流れゲインを、予め決められた流れゲイン及び前記可変非直線ゲイン素子の制御パラメータから形成される参照データと比較するための比較機構と、パイロット段の流れゲインに対するパイロット段の供給圧変動の影響を消すため上記比較機構に応答して前記可変非直線ゲイン素子のゲイン特性を調節する調節機構とより成ることを特徴とする。
【００１０】
上記比較機構と調節機構は、後述するように弁のためのマイクロプロセッサ制御器の一部を構成する参照機構内に組み込む。
【００１１】
上記パイロット段の流れゲインを設定するための機構は、主段及びパイロット段のスプール位置に応答する。
【００１２】
上記パイロット段の流れゲインを設定するための機構は、設定器、好ましくは反復最小２乗設定器である。上記可変ゲイン素子は非直線のものであることが好ましい。
【００１３】
本発明の説明における“設定”なる表現は、設定される値に等しく設定することのみならず、設定される値に単に“関連する”値、または“依存する”値に定めることを含む。
【００１４】
【実施例】
以下図面によって本発明の実施例を説明する。
【００１５】
図１に示すように、２段流体弁１０のダイナミックレスポンスを制御するための本発明における閉ループデジタル制御装置５０は、測定された所望のパイロット段スプールの位置信号ｘ，ｘｄに夫々応答する内側ループ１５と、測定された所望の主段スプールの位置信号ｙ，ｙｄに夫々応答する外側ループ１８とより成る２つの枝分かれしたフィードバックループを有する。上記内側ループ１５は、測定された所望のパイロット段スプールの位置信号ｘ，ｘｄに応答し、ｘｄ−ｘに等しいパイロット段エラー信号εｐを作る差動装置４０と、このパイロット段エラー信号εｐに応答し、パイロット段スプールの位置を制御する制御器４１と、差動装置４０にパイロット段スプールの位置信号ｘを帰還せしめるためのフィードバック路４２とを有する。
【００１６】
上記外側ループ１８は、所望の主段スプール位置信号ｙ，ｙｄに夫々応答し、ｙｄ−ｙに等しい主段エラー信号εｍを作る差動装置４５と、この主段エラー信号εｍに応答し、内側ループ１５に対する信号ｘｄを作る可変非直線ゲイン素子５４とを有する。上記外側ループ１８は、更に内側ループ１５と、２段流体弁１０と、主段スプールの位置信号ｙを帰還するフィードバック路５２とを有する。
【００１７】
上記外側ループ１８は、更に主段パイロットスプールの位置信号ｘ，ｙに応答し、流れゲインＫf の設定値
【００１８】
【外１】
【００１９】
を作る設定器６０と、好ましくは、スプール位置信号ｘf ，ｙf を夫々作るためスプール位置信号ｘ，ｙを前濾過する前濾過器５８とを有する。この前濾過器５８は、オフセットエラーを除去し、信号ｘとｙ内の高周波ノズルを減ずるように機能する。前濾過器５８内のデジタル ローパス フィルターは、無限インパルス応答型のフィルターであり、下記一般式で表される。
【００２０】
【数１】
【００２１】
【数２】
【００２２】
係数ａ0 −ａ2 とｂ0 −ｂ2 は、好ましいカットオフ周波数を作るため既知のデザイン技術に応じた２つの例から選択される。このカットオフ周波数の選択は、好ましくないノイズを減ずるという目的と、信号ｘとｙ内の高周波変動に対応せしめるためフィルターのために十分な帯域幅を作るという目的の間の技術的妥協によってなされる。
【００２３】
ｚは正常な前方シフトオペレータ、ｚ-1は後方シフトオペレータである。従って、上記のように与えられたフィルター移動関数の分子における項（１−ｚ-1）は、フィルターに対する入力である“後方差”によってオフセットエラーを除去するという効果を示すものである。
【００２４】
上記設定器６０は、反復最小２乗型のものであり、下記のような一般式で表される。
【００２５】
【数３】
【００２６】
【数４】
【００２７】
ここで、（ｋ）と（ｋ−１）は夫々ｋ回目のサンプルと（ｋ−１）回目のサンプルを示す。変数Ｓは“共分散ゲイン”であり、パラメータβは、パイロット圧の変化に設定器をいかに速く対応せしめるかを定めるための“フォゲット ファクター”である。上記パラメータβは、本発明を適用する用途に応じた実験を基礎として通常選択される。上記設定器は、かくしてパイロット段スプールの速度を主段スプールの加速度と比較することになる。
【００２８】
本発明の他の実施例においては例えば
【００２９】
【数５】
【００３０】
によって表されるより簡単な設定器を用いる。
【００３１】
ここで、
【００３２】
【外１】
【００３３】
は設定した流れゲインを示し、ｘとｙは夫々パイロット段のスプール位置及び主段のスプール位置を示す。この型の設定器の２つの主な問題は下記の通りである。
【００３４】
（ａ）パイロット段のスプール位置におけるオフセットエラーが設定ゲインを零とする。
【００３５】
（ｂ）パイロット段のスプール位置が零のとき、流れゲインは無限大と設定される。
【００３６】
図２は、パイロット段の所望スプール位置と主段エラー信号εｍとの関係を示す可変非直線ゲイン素子５４のゲイン関数特性を示す。２段流体弁１０のためのマイクロプロセッサ制御器の一部をなす参照機構６２はパロット段流れゲインの設定値に応答し、可変非直線ゲイン素子５４を適切なゲイン特性となるように調節する。本発明のこの好ましい実施例においては、ゲイン関数特性は４個の選択自在なパラメータである制限値Ｘmax ，インターセプトｋ0，高ゲインｋ1及び低ゲインｋ2 によって定められ、可変非直線ゲイン素子５４の全体特性が適当に調節され、パイロット段供給圧Ｐｓにおけるパイロット段の流れゲインＫfとスプール位置ｘの依存性が補償される。
【００３７】
与えられたシステムを設定する場合、設定流れゲインとパイロット段供給圧間の関係は、パイロット段供給圧Ｐs の種々な値において可変非直線ゲイン素子５４を手動で調整し、得られた流れゲインと参照機構６２におけるゲイン素子制御パラメータを記憶することによって経験的に求められる。この得られた流れゲインと可変非直線ゲイン素子の制御パラメータは参照データを形成する。このようにして得られた例を図３のグラフで示す。作動において、主段エラー信号εｍは可変非直線ゲイン素子５４によって増減され、全体の閉ループゲインが一定とされる。パイロット段供給圧が変化したとき、可変非直線ゲイン素子５４のゲイン特性が参照機構６２によって調節される。即ち、この参照機構６２は、パイロット段ゲインの設定値
【００３８】
【外１】
【００３９】
に応答し、先に導かれた参照データを使用するよう操作され、可変非直線ゲイン素子５４のゲイン特性を調節して上記パイロット段供給圧変化の影響を除去し、この結果改良されたダイナミックレスポンスが得られるようになる。従って、この参照機構６２は、参照流れゲインの源となるばかりでなく、設定流れゲインを参照流れゲインと比較する比較器としても機能し、また、可変ゲイン素子５４がこの比較結果によって調節される。
【００４０】
本発明によって制御した２段流体弁の改良されたステップレスポンスの例を図４に示す。Ａはステップ指令信号を示し、Ｂは２００，１４０，１００，７０及び３０バールの種々の圧力における本発明装置の対応レスポンスを示す。Ｃは圧力調節器を用いる従来装置の４０バールにおける対応レスポンスを示す。図４から明らかなように、圧力調節器を用いる従来装置に比べ本発明装置のステップレスポンスは急激な上昇及び下降を阻止し、この結果十分に高い周波数において操作できるようになる。
【００４１】
【発明の効果】
上記のように本発明によれば、従来装置に比べ広い範囲の供給圧において主段スプールのダイナミックレスポンスが十分に改良されるようになる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明制御装置のブロック線図である。
【図２】図１の可変非直線ゲイン素子のゲイン特性を示す線図である。
【図３】設定ゲインに対して定めた非直線ゲイン素子制御パラメータの変化例を示すグラフである。
【図４】本発明装置と従来装置のステップレスポンスの比較結果を示すグラフである。
【図５】従来の２段流体弁の一部の説明図である。
【符号の説明】
７ ソレノイド
８ 差動変圧器
９ 差動変圧器
１０ ２段流体弁
１２ パイロット段
１４ 主段
１５ 内側ループ
１８ 外側ループ
４０ 差動装置
４１ 制御器
４２ フィードバック路
４５ 差動装置
５０ デジタル制御装置
５２ フィードバック路
５４ ゲイン素子
５８ 前濾過器
６０ 設定器
６２ 参照機構
ｘ スプール位置信号
ｙ スプール位置信号
εｐ パイロット段エラー信号
εｍ 主段エラー信号
【産業上の利用分野】
本発明は２段流体弁の制御方法及び装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
図５は従来の２段流体弁１０を示し、この２段流体弁１０はパイロット段１２と主段１４とを有する。制御流体Ｑはパイロット段１２からパイロットサービス口Ａ，Ｂの一方とこれに関連する主段１４内の流路Ａ’，Ｂ’の一方を介して供給される。従来においては、ソレノイド７によってパイロット段１２内のスプール位置が制御され、直線可変差動変圧器８，９によってパイロット段１２と主段１４内のスプール位置を示す信号ｘ，ｙが夫々形成される。
【０００３】
従来技術によって２段流体弁を制御する場合、主段スプールのダイナミックレスポンスはパイロット段スプールに加えられる圧力に依存する。この好ましくない傾向は、バイロット段の流れゲインがパイロット圧に略比例するために生ずる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
従来はこの問題を解決するため、パイロット段弁と主段弁間に圧力調節器を介挿し、流体装置の圧力に無関係にパイロット段供給圧を一定に維持する必要があった。
【０００５】
本発明の目的は、従来のように専用の圧力調節器を用いることなくダイナミックレスポンスをパイロット段に加えられる圧力とは無関係ならしめるよう制御できる２段流体弁のための制御装置を得るにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明の２段流体弁の制御方法は、スプール弁の形式によるパイロット段と、スプール弁の形式による主段を有する２段流体弁（ 10 ）の制御方法であって、前記スプール弁のパイロット段の流れゲインを設定する工程と、前記パイロット段の供給圧により変化するスプール位置に対応して設定される流れゲインを、予め決められた流れゲイン及び可変非直線ゲイン素子の制御パラメータから形成される参照データと比較する工程と、前記可変非直線ゲイン素子のゲイン特性を上記比較結果に応じて調節して閉ループゲインを略一定に維持する工程とを連続的に行うことを特徴とする。
【０００７】
上記パイロット段の流れゲインを設定する工程は、主段及びパイロット段のスプール位置測定を含む。
【０００８】
上記設定流れゲインを得るため入力信号として上記測定されたスプール位置を用いた反復最小２乗アルゴリズムを用いる。オフセットエラーと高周波ノイズを除去するため上記入力信号は前濾過するのが好ましい。
【０００９】
本発明の２段流体弁の制御装置は、可変非直線ゲイン素子と、パイロット段の流れゲインを設定するための機構と、前記パイロット段の供給圧により変化するスプール位置に対応して設定される流れゲインを、予め決められた流れゲイン及び前記可変非直線ゲイン素子の制御パラメータから形成される参照データと比較するための比較機構と、パイロット段の流れゲインに対するパイロット段の供給圧変動の影響を消すため上記比較機構に応答して前記可変非直線ゲイン素子のゲイン特性を調節する調節機構とより成ることを特徴とする。
【００１０】
上記比較機構と調節機構は、後述するように弁のためのマイクロプロセッサ制御器の一部を構成する参照機構内に組み込む。
【００１１】
上記パイロット段の流れゲインを設定するための機構は、主段及びパイロット段のスプール位置に応答する。
【００１２】
上記パイロット段の流れゲインを設定するための機構は、設定器、好ましくは反復最小２乗設定器である。上記可変ゲイン素子は非直線のものであることが好ましい。
【００１３】
本発明の説明における“設定”なる表現は、設定される値に等しく設定することのみならず、設定される値に単に“関連する”値、または“依存する”値に定めることを含む。
【００１４】
【実施例】
以下図面によって本発明の実施例を説明する。
【００１５】
図１に示すように、２段流体弁１０のダイナミックレスポンスを制御するための本発明における閉ループデジタル制御装置５０は、測定された所望のパイロット段スプールの位置信号ｘ，ｘｄに夫々応答する内側ループ１５と、測定された所望の主段スプールの位置信号ｙ，ｙｄに夫々応答する外側ループ１８とより成る２つの枝分かれしたフィードバックループを有する。上記内側ループ１５は、測定された所望のパイロット段スプールの位置信号ｘ，ｘｄに応答し、ｘｄ−ｘに等しいパイロット段エラー信号εｐを作る差動装置４０と、このパイロット段エラー信号εｐに応答し、パイロット段スプールの位置を制御する制御器４１と、差動装置４０にパイロット段スプールの位置信号ｘを帰還せしめるためのフィードバック路４２とを有する。
【００１６】
上記外側ループ１８は、所望の主段スプール位置信号ｙ，ｙｄに夫々応答し、ｙｄ−ｙに等しい主段エラー信号εｍを作る差動装置４５と、この主段エラー信号εｍに応答し、内側ループ１５に対する信号ｘｄを作る可変非直線ゲイン素子５４とを有する。上記外側ループ１８は、更に内側ループ１５と、２段流体弁１０と、主段スプールの位置信号ｙを帰還するフィードバック路５２とを有する。
【００１７】
上記外側ループ１８は、更に主段パイロットスプールの位置信号ｘ，ｙに応答し、流れゲインＫf の設定値
【００１８】
【外１】
を作る設定器６０と、好ましくは、スプール位置信号ｘf ，ｙf を夫々作るためスプール位置信号ｘ，ｙを前濾過する前濾過器５８とを有する。この前濾過器５８は、オフセットエラーを除去し、信号ｘとｙ内の高周波ノズルを減ずるように機能する。前濾過器５８内のデジタル ローパス フィルターは、無限インパルス応答型のフィルターであり、下記一般式で表される。
【００２０】
【数１】
【数２】
係数ａ0 −ａ2 とｂ0 −ｂ2 は、好ましいカットオフ周波数を作るため既知のデザイン技術に応じた２つの例から選択される。このカットオフ周波数の選択は、好ましくないノイズを減ずるという目的と、信号ｘとｙ内の高周波変動に対応せしめるためフィルターのために十分な帯域幅を作るという目的の間の技術的妥協によってなされる。
【００２３】
ｚは正常な前方シフトオペレータ、ｚ-1は後方シフトオペレータである。従って、上記のように与えられたフィルター移動関数の分子における項（１−ｚ-1）は、フィルターに対する入力である“後方差”によってオフセットエラーを除去するという効果を示すものである。
【００２４】
上記設定器６０は、反復最小２乗型のものであり、下記のような一般式で表される。
【００２５】
【数３】
【数４】
ここで、（ｋ）と（ｋ−１）は夫々ｋ回目のサンプルと（ｋ−１）回目のサンプルを示す。変数Ｓは“共分散ゲイン”であり、パラメータβは、パイロット圧の変化に設定器をいかに速く対応せしめるかを定めるための“フォゲット ファクター”である。上記パラメータβは、本発明を適用する用途に応じた実験を基礎として通常選択される。上記設定器は、かくしてパイロット段スプールの速度を主段スプールの加速度と比較することになる。
【００２８】
本発明の他の実施例においては例えば
【００２９】
【数５】
によって表されるより簡単な設定器を用いる。
【００３１】
ここで、
【００３２】
【外１】
【００３３】
は設定した流れゲインを示し、ｘとｙは夫々パイロット段のスプール位置及び主段のスプール位置を示す。この型の設定器の２つの主な問題は下記の通りである。
【００３４】
（ａ）パイロット段のスプール位置におけるオフセットエラーが設定ゲインを零とする。
【００３５】
（ｂ）パイロット段のスプール位置が零のとき、流れゲインは無限大と設定される。
【００３６】
図２は、パイロット段の所望スプール位置と主段エラー信号εｍとの関係を示す可変非直線ゲイン素子５４のゲイン関数特性を示す。２段流体弁１０のためのマイクロプロセッサ制御器の一部をなす参照機構６２はパロット段流れゲインの設定値に応答し、可変非直線ゲイン素子５４を適切なゲイン特性となるように調節する。本発明のこの好ましい実施例においては、ゲイン関数特性は４個の選択自在なパラメータである制限値Ｘmax ，インターセプトｋ0，高ゲインｋ1及び低ゲインｋ2 によって定められ、可変非直線ゲイン素子５４の全体特性が適当に調節され、パイロット段供給圧Ｐｓにおけるパイロット段の流れゲインＫfとスプール位置ｘの依存性が補償される。
【００３７】
与えられたシステムを設定する場合、設定流れゲインとパイロット段供給圧間の関係は、パイロット段供給圧Ｐs の種々な値において可変非直線ゲイン素子５４を手動で調整し、得られた流れゲインと参照機構６２におけるゲイン素子制御パラメータを記憶することによって経験的に求められる。この得られた流れゲインと可変非直線ゲイン素子の制御パラメータは参照データを形成する。このようにして得られた例を図３のグラフで示す。作動において、主段エラー信号εｍは可変非直線ゲイン素子５４によって増減され、全体の閉ループゲインが一定とされる。パイロット段供給圧が変化したとき、可変非直線ゲイン素子５４のゲイン特性が参照機構６２によって調節される。即ち、この参照機構６２は、パイロット段ゲインの設定値
【００３８】
【外１】
【００３９】
に応答し、先に導かれた参照データを使用するよう操作され、可変非直線ゲイン素子５４のゲイン特性を調節して上記パイロット段供給圧変化の影響を除去し、この結果改良されたダイナミックレスポンスが得られるようになる。従って、この参照機構６２は、参照流れゲインの源となるばかりでなく、設定流れゲインを参照流れゲインと比較する比較器としても機能し、また、可変ゲイン素子５４がこの比較結果によって調節される。
【００４０】
本発明によって制御した２段流体弁の改良されたステップレスポンスの例を図４に示す。Ａはステップ指令信号を示し、Ｂは２００，１４０，１００，７０及び３０バールの種々の圧力における本発明装置の対応レスポンスを示す。Ｃは圧力調節器を用いる従来装置の４０バールにおける対応レスポンスを示す。図４から明らかなように、圧力調節器を用いる従来装置に比べ本発明装置のステップレスポンスは急激な上昇及び下降を阻止し、この結果十分に高い周波数において操作できるようになる。
【００４１】
【発明の効果】
上記のように本発明によれば、従来装置に比べ広い範囲の供給圧において主段スプールのダイナミックレスポンスが十分に改良されるようになる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明制御装置のブロック線図である。
【図２】図１の可変非直線ゲイン素子のゲイン特性を示す線図である。
【図３】設定ゲインに対して定めた非直線ゲイン素子制御パラメータの変化例を示すグラフである。
【図４】本発明装置と従来装置のステップレスポンスの比較結果を示すグラフである。
【図５】従来の２段流体弁の一部の説明図である。
【符号の説明】
７ ソレノイド
８ 差動変圧器
９ 差動変圧器
１０ ２段流体弁
１２ パイロット段
１４ 主段
１５ 内側ループ
１８ 外側ループ
４０ 差動装置
４１ 制御器
４２ フィードバック路
４５ 差動装置
５０ デジタル制御装置
５２ フィードバック路
５４ ゲイン素子
５８ 前濾過器
６０ 設定器
６２ 参照機構
ｘ スプール位置信号
ｙ スプール位置信号
εｐ パイロット段エラー信号
εｍ 主段エラー信号
Claims (9)
- スプール弁の形式によるパイロット段と、スプール弁の形式による主段を有する２段流体弁（ 10 ）の制御方法であって、
前記スプール弁のパイロット段の流れゲインを設定する工程と、前記パイロット段の供給圧により変化するスプール位置に対応して設定される流れゲインを、予め決められた流れゲイン及び可変非直線ゲイン素子の制御パラメータから形成される参照データと比較する工程と、前記可変非直線ゲイン素子のゲイン特性を上記比較結果に応じて調節して閉ループゲインを略一定に維持する工程とを連続的に行うことを特徴とする、閉ループ制御装置を有する２段流体弁の制御方法。 - 上記パイロット段の流れゲインを設定する工程が、主段及びパイロット段のスプール位置測定を含む請求項１記載の２段流体弁の制御方法。
- 上記設定流れゲインを得るため入力信号として上記測定されたスプール位置を用いる反復最小２乗設定手段を使用する請求項２記載の２段流体弁の制御方法。
- オフセットエラーと高周波ノイズを除去するため、上記入力信号が前濾過される請求項３記載の２段流体弁の制御方法。
- スプール弁の形式によるパイロット段と、スプール弁の形式による主段を有する２段流体弁（ 10 ）の制御装置であって、
可変非直線ゲイン素子と、パイロット段の流れゲインを設定するための機構と、前記パイロット段の供給圧により変化するスプール位置に対応して設定される流れゲインを、予め決められた流れゲイン及び前記可変非直線ゲイン素子の制御パラメータから形成される参照データと比較するための比較機構と、パイロット段の流れゲインに対するパイロット段の供給圧変動の影響を消すため上記比較機構に応答して前記可変非直線ゲイン素子のゲイン特性を調節する調節機構とより成ることを特徴とする、パイロット段と主段とを有する２段流体弁の制御装置。 - 上記パイロット段の流れゲインを設定するための機構が、主段及びパイロット段のスプール位置に応答する請求項５記載の２段流体弁の制御装置。
- 上記パイロット段の流れゲインを設定するための機構が、反復最小２乗設定器である請求項５記載の２段流体弁の制御装置。
- 上記設定機構に対する入力信号を濾過するための濾過機構を有する請求項５記載の２段流体弁の制御装置。
- 測定された所望のパイロット段スプール位置に応答する内側ループと、測定された所望の主段スプール位置に応答する外側ループとより成る２つの枝分かれしたフィードバックループを有する請求項５記載の２段流体弁の制御装置。
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