JP3558388B2 - 片ロッドシリンダの制御装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、高精度の油圧駆動を行う片ロッドシリンダの制御装置の改良に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来から高精度の制御を行う油圧サーボ系においては、図７に示すように、伸長方向、収縮方向共にピストン６０Ａの受圧面積の等しい両ロッドシリンダを採用し、伸長、収縮方向共に等しい制御特性によって、高精度の駆動制御を行っていた。
【０００３】
この両ロッドシリンダでは、図７において、シリンダ６０の両端面からロッド７０、７１がそれぞれ突出するため、例えば、ロッド７０の端部を負荷に連結する一方、ロッド７１を負荷に連結しない場合にはこの端部は突出するだけとなり、負荷に連結されないロッド７１の突出量にストローク量を加味した配設空間が必要となり、装置が大型化するという問題がある。
【０００４】
これに対して、シリンダの一端のみからロッドが突出する片ロッドシリンダでは、必要なストロークを確保しながら装置の小型化を推進することができるが、図６に示すように、ピストン６Ａの受圧面積はロッド７が貫通する油室６１に面した側を面積Ａ_１とし、ピストン６Ａのみが変位する油室６２側、すなわち、ピストン６Ａのヘッド側の受圧面積をＡ_２とすると、Ａ_２＞Ａ_１の関係となりロッド７の伸縮方向に応じて受圧面積が異なるため制御特性も異なり、高精度の油圧サーボ系を構築しにくいという問題があったが、本願出願人は、このような問題を解決して片ロッドシリンダで高精度の油圧サーボ系を構築するために、特開平１−１７６８０５号公報として、片ロッドシリンダを伸縮方向に応じて異なる受圧面積を備えた両ロッドシリンダと仮定して制御を行うものを提案した。
【０００５】
これは、図６において、片ロッドシリンダ６を受圧面積Ａ_１の両ロッドシリンダと、受圧面積Ａ_２の両ロッドシリンダの線形近似モデルをそれぞれ用意し、ロッド７の伸縮方向に応じて線形近似モデルを切り換えるもので、すなわち、両ロッドシリンダ用に導き出されているフィードバックベクトル（制御則）を伸縮方向に応じて切り換えて、片ロッドシリンダ６の駆動制御を行うものである。
【０００６】
この他、より簡便な方法としては、片ロッドシリンダ６を受圧面積Ａ_１、Ａ_２の平均値で構成された両ロッドシリンダと仮定して、この平均面積の両ロッドシリンダ用のフィードバックベクトルに基づいて片ロッドシリンダ６を駆動するものも知られている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記前者の従来例においては、片ロッドシリンダ６を両ロッドシリンダとみなし、かつ伸縮方向に応じて受圧面積を切り換えるが、片ロッドシリンダ６の伸縮方向によって制御特性が相異する非線形特性は充分に補償されず、この制御による片ロッドシリンダ６を構造物の振動を抑制する制振装置に適用した場合、図８に示すように、中立位置（ストロークの中心）から付加マスを伸縮駆動する片ロッドシリンダ６は、時間の経過と共に伸長時と収縮時の特性差が大きいために、両ロッドシリンダ用の制御では徐々に中立位置が伸長方向（図中付加マスの変位は負となる）へ移動するため、片ロッドシリンダのストロークを有効に利用できず、さらに円滑な制御特性（この場合、構造物への加振入力に対する応答特性）が得られないという問題点があり、同様に、上記後者の従来例を制振装置に適用した場合も、図９に示すように、両ロッドシリンダの制御では徐々に中立位置が伸長方向へ移動して、片ロッドシリンダのストロークを有効に利用できないという問題点があった。
【０００８】
そこで本発明は、このような問題を解決すべくなされたもので、片ロッドシリンダのストロークを有効に利用するとともに高精度の駆動制御が可能な片ロッドシリンダの制御装置を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明は、図１で示すように、ピストンヘッド側でロッドの伸長方向の油圧を受ける一方、ロッド側の面でロッドの収縮方向の油圧を受けるピストンを備えてロッドに連結された負荷を駆動する片ロッドシリンダ５０と、この片ロッドシリンダ５０への供給油圧を制御する制御弁５１と、前記負荷及び片ロッドシリンダ５０の状態量を検出する手段５２と、前記ロッドの伸長方向、収縮方向についてそれぞれ片ロッドシリンダに基づく線形近似モデルから得られる状態フィードバックベクトルを演算するフィードバックベクトル演算手段５３と、これら状態フィードバックベクトルをそれぞれ記憶する手段５４と、前記ロッドの伸縮方向を判定する手段５５と、この判定結果に基づいて前記記憶手段５４から伸縮方向に応じた状態フィードバックベクトルを選択する手段５６と、前記選択したフィードバックベクトルと検出した状態量に基づいて制御入力を演算する御入力演算手段５７と、この制御入力に応じて前記制御弁５１を駆動する手段５８とを備える。
【００１０】
【作用】
したがって、片ロッドシリンダの伸縮方向に応じて記憶手段に格納された状態フィードバックベクトルを選択し、負荷及び片ロッドシリンダの状態量と選択した状態フィードバックベクトルとから制御弁の制御入力を演算することで片ロッドシリンダは駆動され、伸長、収縮方向で受圧面積の異なる片ロッドシリンダの制御特性に応じた状態フィードバックベクトルによって駆動するため、例えば、中立点を保持しながら高い応答性で伸縮駆動を行うことができる。
【００１１】
【実施例】
図２〜図４に本発明を制振装置に適用した場合の一実施例を示す。
【００１２】
図２、図３において、構造物１の上部（例えば、最上階）には制振装置が設置され、底部に車輪１０を有するほぼ直方体の付加マス２が構造物１の最上部の床上に移動可能に配設される。
【００１３】
付加マス２の周面には図中上下左右へ向けて図６と同様に構成された片ロッドシリンダ６の基端側が連結され、この片ロッドシリンダ６から突出するロッド７が付加マス２を囲むように構造物１に立設された壁８に連結されるとともに、図示しない油圧ユニットから供給された圧油に応じて片ロッドシリンダ６が付加マス２を駆動する。
【００１４】
図４は図２、３で示した制御装置を制御対象とする制御モデルである。ただし、簡略化のために付加マス２は１本の片ロッドシリンダ６で移動するようになっている。実際の装置では、構造物１、付加マス２が図２において例えば水平方向に揺れれば、図４のモデルでは上下方向に振動することになる。
【００１５】
構造物１と付加マス２には状態量を検出する手段としての変位センサ１１、１２及び速度センサ２１、２２がそれぞれ設けられ、状態量として構造物１の絶対変位ｘ_１、絶対速度ｖ_１及び付加マス２の絶対変位ｘ_２、絶対速度ｖ_２がそれぞれ検出される。
【００１６】
絶対変位ｘ_１、ｘ_２は構造物１、付加マス２がそれぞれ中心位置にある場合を０として正負の値をとるようにし、また、絶対速度ｖ_１、ｖ_２も同様に正負の値をとる。
【００１７】
これら変位センサ１１、１２及び速度センサ２１、２２からの信号は、状態変数としてコントローラ３０に入力され、コントローラ３０の内部では上記検出値に基づいて構造物１と付加マス２の相対変位ｘ_２′（＝ｘ_２−ｘ_１）及び相対速度ｖ_２′（＝Ｖ_２−Ｖ_１）がそれぞれ演算される。
【００１８】
コントローラ３０には図示しない記憶手段が設けられ、図６において、片ロッドシリンダ６の線形モデルに基づいて演算された収縮側の状態フィードバックベクトルｆ_Ａ１と、伸長側の状態フィードバックベクトルｆ_Ａ２が、それぞれ記憶手段に格納される。
【００１９】
これら状態フィードバックベクトルｆ_Ａ１、ｆ_Ａ２は、受圧面積Ａ_１、Ａ_２の片ロッドシリンダ６のレギュレータシステムとして伸縮方向それぞれに対して状態フィードバックベクトルｆ_Ａ１、ｆ_Ａ２を求めて記憶手段に格納しておき、片ロッドシリンダ６の伸縮方向に応じてこれら状態フィードバックベクトルを選択する。
【００２０】
なお、状態フィードバックベクトルは、例えば、最適レギュレータ理論に基づいて、その評価関数が最小となるように演算されたものであり、この最適レギュレータ理論に基づく状態フィードバックベクトル及び評価関数の算出方法については次のような書籍において周知のものである。この他、極配置レギュレータなどのフィードバック制御システムとしてもよい。
【００２１】
１．「システム制御理論入門」 第１５７頁〜１６０頁（１９７９年１２月１５日実教出版株式会社刊、小郷 寛、美多 勉著）
ここで、上記演算された状態変数（絶対変位ｘ_１、絶対速度ｖ_１、相対変位ｘ_２’、相対速度ｖ_２’）はコントローラ３０内部の図示しない演算部へ入力されて、選択された状態フィードバックベクトルｆ＝［ｆ_１ ｆ_２ ｆ_３ ｆ_４］を乗じ、これら乗算値をそれぞれ加算した制御入力ｕを次式により算出する。ただし、状態フィードバックベクトルｆは選択されたｆ_Ａ１、ｆ_Ａ２のどちらか一方である。
【００２２】
ｕ ＝ ｆ_１ｘ_１＋ｆ_２ｘ_２ ’＋ｆ_３ｖ_１＋ｆ_４ｖ_２’ …（１）
この制御入力ｕは、所定時間のサンプリング間隔ごとに検出した状態量に基づいて演算され、この制御入力ｕの符号に基づいて次回のサンプリング時における状態フィードバックベクトルｆ_Ａ１、ｆ_Ａ２が選択される。
【００２３】
こうして演算された状態フィードバックベクトルに基づいてコントローラ３０から出力される制御入力ｕは、サーボ弁１３のスプール１４を駆動するソレノイド１５に通電される。
【００２４】
サーボ弁１３の図中上方に位置する３つのポートのうち、中央のポート１６がポンプＰ（図示せず）に、左右のポート１７、１８がタンクＴ（図示せず）にそれぞれ連通する。また、図中下方に位置する２つのポート１９、２０がそれぞれ片ロッドシリンダ６の上下の油室６１、６２と連通する。
【００２５】
図４において、構造物１が地震や風などの外力を受けて図中上方向（図２における右方向）へ揺れ始めると、変位センサ１１、１２及び速度センサ２１、２２で検知した信号をコントローラ３０に入力して制御入力ｕを演算する。
【００２６】
制御入力ｕはソレノイド１５に通電され、サーボ弁１３のスプール１４が制御入力ｕの値に対応した位置まで駆動される（図４では右方向の位置）。この状態では片ロッドシリンダ６の下方の油室にポート１３、２０を介して作動油が供給される一方、油室６１の作動油がポート１９、１８を介してタンクＴに戻されるので、片ロッドシリンダ６内のピストンが押し上げられる。
【００２７】
つまり、この片ロッドシリンダ６のロッド７が付加マス２を構造物１の動きに遅れて同じ側である上方へと移動させる。一方、これとは逆に構造物１が下方に揺れると、制御入力ｕの符号が反対になるので、スプール１４が図中左側へ摺動して、上記とは逆方向に片ロッドシリンダ６が駆動されて付加マス２は下方へと駆動される。
【００２８】
ここに、付加マス２を動かすことによって発生する反力が、構造物１に加えられた外力に対抗して反対方向となるので構造物１の振動が抑制され、振動の制御を行うものである。
【００２９】
ここで、片ロッドシリンダ６への圧油の供給方向に応じて、コントローラ３０が選択する状態フィードバックベクトルが切り換えられ、同一の状態量であっても片ロッドシリンダ６の伸縮方向によって制御入力ｕは異なり、片ロッドシリンダ６の伸縮方向によって異なる受圧面積に応じて適切な駆動制御を行うことができるのである。
【００３０】
ここで、状態フィードバックベクトルｆ_Ａ１、ｆ_Ａ２は、片ロッドシリンダ６の伸長方向、収縮方向それぞれの低次線形近似モデルによる状態方程式を導いて、この状態方程式からそれぞれの状態フィードバックベクトルを導く。
【００３１】
いま、構造物１に加わる外力をＦ、構造物１と付加マス２に作用する力をＵ、構造物１の質量をＭ_１、構造物１の減衰定数をＣ_１、構造物１のバネ定数をＫ_１とすると、運動方程式は
Ｍ_１ａ_１＋Ｃ_１ｖ_１＋ｋ_１ｘ_１ ＝ Ｆ−Ｕ …（２）
となる。ただし、ａ_１は速度ｖ_１を微分して得られる加速度である。
【００３２】
付加マス２の質量をＭ_２とすると、付加マス２の運動方程式は、
Ｍ_２ａ_２ ＝ Ｕ …（２）
となる。
【００３３】
一方、片ロッドシリンダ６の油室６１に加わる油圧をＰ_１、油室６２に加わる油圧をＰ_２、付加マス２の減衰定数をＣ_２、付加マス２のバネ定数をＫ_２とし、片ロッドシリンダ６の摩擦力を０と仮定した場合に、付加マス２が構造物１に作用する制御力は、
Ｕ ＝ Ａ_１Ｐ_１−Ａ_２Ｐ_２−Ｃ_２（ｖ_２−ｖ_１）−ｋ_２（ｘ_２−ｘ_１） …（３）
ここで、片ロッドシリンダ６における連続の式より、
Ｑ_１−Ａ_１（ｖ_２−ｖ_１）−Ｑ_３−Ｑ_５＝０ …（４）
Ｑ_２−Ａ_２（ｖ_２−ｖ_１）−Ｑ_４−Ｑ_５＝０ …（５）
ただし、Ｑ_１は図４において、サーボ弁１３から片ロッドシリンダ６の油室６２への流量、同様に、Ｑ_２は油室６１からサーボ弁１３への流量、Ｑ_３、Ｑ_４は油室６１、６２から外部への漏れ流量、Ｑ_５は油室６１、６２間の漏れ流量をそれぞれ示し、片ロッドシリンダ６から漏れる作動油の絞り係数をＲ_１、Ｒ_２とすると、
Ｑ_３＝Ｒ_１Ｐ_１
Ｑ_４＝Ｒ_１Ｐ_２
Ｑ_５＝Ｒ_２（Ｐ_１−Ｐ_２）
となる。
【００３４】
次に、サーボ弁１３への電流をｉ、サーボ弁１３への供給圧をＰ_Ｓ，定格流量をＱ_Ｒ、定格電流をＩ_Ｒとすると、サーボ弁１３の特性より、電流ｉ≧０の場合では、
【００３５】
【数１】

【００３６】
一方、電流ｉ＜０の場合では、
【００３７】
【数２】

【００３８】
となる。ただし、Ｋ_Ｖは次式より算出される。
【００３９】
【数３】

【００４０】
ここで、上記式（６）〜（９）を微小変動法により線形化し、システム全体の線形近似モデルを作成する。
【００４１】
平衡点として、Ｐ_１Ａ_１＝Ｐ_２Ａ_２、Ｐ_１＋Ｐ_２＝Ｐ_Ｓを満たすように、
Ｐ_１０＝Ａ_２Ｐ_Ｓ／（Ａ_１＋Ａ_２）
Ｐ_２０＝Ａ_１Ｐ_Ｓ／（Ａ_１＋Ａ_２）
ｉ＝ｉ_０（ただし、ｉ≧０）
ｉ＝−ｉ_０（ただし、ｉ＜０）
とすると、上記（６）、（７）式は、次のように表現される。
【００４２】
Ｑ_１＝α_１ｉ−β_１Ｐ_１ …（１０）
Ｑ_２＝α_１ｉ＋β_１Ｐ_２ …（１１）
同様に上記（８）、（９）式も、次のように表現される。
【００４３】
Ｑ_１＝α_２ｉ−β_２Ｐ_１ …（１２）
Ｑ_２＝α_２ｉ＋β_２Ｐ_２ …（１３）
ここで、ｉ≧０の場合の係数α_１、β_１は次式による。
【００４４】
【数４】

【００４５】
同じくｉ＜０の場合の係数α_２、β２は次式による。
【００４６】
【数５】

【００４７】
すなわち、サーボ弁１３の電流ｉの符号に応じてシステムの方程式が切り換えられることになる。
【００４８】
そこで、係数α_１、β_１に対して、電流ｉ≧０のときには上記α_１、β_１を、電流ｉ＜０のときにはα_２、β_２を用い、片ロッドシリンダ６の内部漏れ、外部漏れをそれぞれ無視できるもとし（Ｒ_１＝Ｒ_２＝０）、このシステムを状態変数ベクトルｘ、出力変数ベクトルｙ（＝片ロッドシリンダ６のストローク）、制御入力ｕを用いて、状態方程式及び出力方程式を次式のように表現する。
【００４９】
【数６】

【００５０】
ここで、状態変数ベクトルｘ、出力変数ベクトルｙ、制御入力ｕ並びに行列式Ａ、ｂ、Ｃは次のように表される。
【００５１】
【数７】

【００５２】
ただし、ｍ＝（Ｍ_１＋Ｍ_２）／（Ｍ_１Ｍ_２）とする。
【００５３】
そして、ｑ_１、ｑ_２、ｑ_３、ｒをそれぞれ、構造物１の変位ｘ_１、片ロッドシリンダ６のストロークｙ、構造物１の変位速度ｖ_１、制御入力の重み係数として評価関数Ｊを次式で定義し、この評価関数Ｊを最小にする最適制御系を構成する。
【００５４】
【数８】

【００５５】
このシステムの制御入力であるサーボ弁１３への電流ｉは状態フィードバックベクトルｆ＝（ｆ_１ ｆ_２ ｆ_３ ｆ_４）を用いて次式で与えられる。
【００５６】
【数９】

【００５７】
こうして、片ロッドシリンダ６の伸縮方向に応じてそれぞれ得られた状態フィードバックベクトルｆ_Ａ１、ｆ_Ａ２を予めコントローラ３０の図示しない記憶手段に格納し、上記したように所定のサンプリング間隔毎に状態量を演算するとともに、算出された制御入力ｕの符号に応じて、すなわち、サーボ弁１３への電流ｉの正負に応じて次のサンプリング時での状態フィードバックベクトルを選択することにより、片ロッドシリンダ６を用いて高精度の制御を行うことが可能となり、上記制振装置において構造物１へ所定の加振入力を加えると、図５に示すように、片ロッドシリンダ６は中立点からずれることなく負荷マス２を伸縮して、ロッド７のストロークを有効に利用しながら構造物１の振動を減衰することができ、前記従来例のように中立点が移動して有効ストロークを減少させることを防止するとともに、伸長方向、収縮方向のそれぞれについて片ロッドシリンダの制御モデルに基づく状態フィードバックベクトルで制御を行うため、伸縮方向で異なる制御特性を補償しながら高い応答性で片ロッドシリンダ６の駆動が可能となるのである。
【００５８】
なお、状態フィードバックベクトルｆ_Ａ１、ｆ_Ａ２は、制振効果の異なる複数の状態フィードバックベクトルと、すべての要素が０である場合の状態フィードバックベクトルを記憶手段にマップとして格納し、片ロッドシリンダ６の伸縮方向および付加マス２の相対変位、相対速度に応じてこれらマップとして格納された状態フィードバックベクトルを選択してもよい。
【００５９】
【発明の効果】
以上のように本発明によれば、ピストンヘッド側でロッドの伸長方向の油圧を受ける一方、ロッド側の面でロッドの収縮方向の油圧を受けるピストンを備えてロッドに連結された負荷を駆動する片ロッドシリンダと、この片ロッドシリンダへの供給油圧を制御する制御弁と、前記負荷及び片ロッドシリンダの状態量を検出する手段と、前記ロッドの伸長方向、収縮方向についてそれぞれ状態フィードバックベクトルを演算するフィードバックベクトル演算手段と、これら状態フィードバックベクトルをそれぞれ記憶する手段と、前記ロッドの伸縮方向を判定する手段と、この判定結果に基づいて前記記憶手段から伸縮方向に応じた状態フィードバックベクトルを選択する手段と、前記選択したフィードバックベクトルと検出した状態量に基づいて制御入力を演算する制御入力演算手段と、この制御入力に応じて前記制御弁を駆動する手段とを備え、伸長、収縮方向で受圧面積の異なる片ロッドシリンダの制御特性に応じた状態フィードバックベクトルによって駆動するため、例えば、中立点を保持しながら高い応答性かつ高精度の伸縮駆動を行うことが可能となり、従来両ロッドシリンダを採用していた高精度の油圧サーボ系に片ロッドシリンダを採用することが可能となって、生産コストの低減及び装置の小型化を推進することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の対応するクレーム対応図である。
【図２】本発明の実施例を示す制振装置の側面図である。
【図３】同じく制振装置の平面図である。
【図４】同じく制御モデルのブロック図である。
【図５】構造物の減衰特性を示すグラフであり、構造物の絶対変位、片ロッドシリンダのストローク量及びサーボ弁への電流値と時間の関係をそれぞれ示す。
【図６】片ロッドシリンダを示す概略断面図である。
【図７】両ロッドシリンダを示す概略断面図である。
【図８】従来例を示し、片ロッドシリンダを伸縮方向に応じて受圧面積が切り替わる両ロッドシリンダとして駆動した場合の構造物の減衰特性を示すグラフで、構造物の絶対変位、片ロッドシリンダのストローク量及びサーボ弁への電流値と時間の関係をそれぞれ示す。
【図９】他の従来例を示し、片ロッドシリンダを伸縮方向で異なる受圧面積で構成された両ロッドシリンダとして駆動した場合の構造物の減衰特性を示すグラフで、構造物の絶対変位、片ロッドシリンダのストローク量及びサーボ弁への電流値と時間の関係をそれぞれ示す。
【符号の説明】
１ 構造物
２ 付加マス
６ シリンダ
１１、１２ 変位センサ
２１、２２ 速度センサ
３０ コントローラ
５１ 指令値演算手段
５２ 制御弁
５３ 片ロッドシリンダ
５４ シリンダ動作方向判定手段
５５ フィードバックベクトル演算手段
５６ 記憶手段
５７ フィードバックベクトル選択手段
５８ 駆動手段

Claims (1)

1. ピストンヘッド側でロッドの伸長方向の油圧を受ける一方、
   ロッド側の面でロッドの収縮方向の油圧を受けるピストンを備えてロッドに連結された負荷を駆動する片ロッドシリンダと、
   この片ロッドシリンダへの供給油圧を制御する制御弁と、
   前記負荷及び片ロッドシリンダの状態量を検出する手段と、
   前記ロッドの伸長方向、収縮方向についてそれぞれ片ロッドシリンダに基づく線形近似モデルから得られる状態フィードバックベクトルを演算するフィードバックベクトル演算手段と、
   これら状態フィードバックベクトルをそれぞれ記憶する手段と、
   前記ロッドの伸縮方向を判定する手段と、
   この判定結果に基づいて前記記憶手段から伸縮方向に応じた状態フィードバックベクトルを選択する手段と、
   前記選択したフィードバックベクトルと検出した状態量に基づいて制御入力を演算する制御入力演算手段と、
   この制御入力に応じて前記制御弁を駆動する手段とを備えた片ロッドシリンダの制御装置。

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