JP3558472B2

JP3558472B2 - 流体圧力制御装置

Info

Publication number: JP3558472B2
Application number: JP31208196A
Authority: JP
Inventors: 弘毅加藤; 一英前畑
Original assignee: KYB Corp
Current assignee: KYB Corp
Priority date: 1996-11-22
Filing date: 1996-11-22
Publication date: 2004-08-25
Anticipated expiration: 2016-11-22
Also published as: JPH10154016A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、流体ラインに介装した圧力制御弁により流体ラインのの圧力を制御する流体圧力制御装置の改良に関する。
【０００２】
【従来の技術】
油圧ライン等の流体ラインに比例制御弁を介装し、操作信号に応じてこの比例制御弁の開度を制御することにより、流体圧力を目標の圧力に設定する流体圧力制御装置としては、例えば図７に示すようなものが知られている。
【０００３】
図示されるように、比例電磁式制御弁９は、油圧アクチュエータ３とタンク５との間に介装され、油圧アクチュエータ３の油圧室３ａからの作動油をタンク５側に逃がすリリーフ弁として働き、油圧アクチュエータ３側のポート６の圧力Ｐ_ｂを圧力指令（目標圧力）Ｐ_ｂｒと一致するように制御する（リリーフ制御）。
【０００４】
このポート６の圧力Ｐ_ｂは圧力センサ１５により検出され、この圧力Ｐ_ｂと圧力指令Ｐ_ｂｒとの偏差が加算器１０により演算されて、弁開度演算手段である制御演算回路１１に入力される。このようにして偏差が入力された制御演算回路１１は、弁開度指令ｘ_ｒを演算し、弁開度制御回路１３に入力する。
【０００５】
すなわち、制御演算回路１１は、ポート圧力Ｐ_ｂが圧力指令Ｐ_ｂｒより小さければ制御弁９の開度ｘを減じ、ポート圧力Ｐ_ｂが圧力指令Ｐ_ｂｒより大きければ制御弁９の開度ｘを増すように、基準弁開度指令ｘ_ｒを算出し、これを弁開度制御回路１３へと入力する。
【０００６】
また、この弁開度制御回路１３には開度センサ１６により検出された弁開度ｘが入力され、弁開度制御回路１３はこの実際の弁開度ｘが基準弁開度指令ｘ_ｒと一致するように弁（絞り部）１４を制御する。
【０００７】
図８には、このような比例電磁式圧力制御弁９によるポート６の圧力Ｐ_ｂの制御結果の一例を示す。ここで、圧力指令Ｐ_ｂｒは図中破線で示した矩形波で与えられ、そのときの圧力Ｐ_ｂの波形が実線で示される。図から見てとれるように、圧力Ｐ_ｂは、圧力指令Ｐ_ｂｒに略追随して変化していることが分かる。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、図７の回路において図８のような適切な圧力応答が得られるのは、指令圧力Ｐ_ｂｒおよび弁１４の通過流量が略最適調整条件（この例では圧力指令Ｐ_ｂｒ＝２００〜２５０ｋｇｆ／ｃｍ^２、弁通過流量Ｑ＝３００Ｌ／ｍｉｎ）にある場合であり、例えば図９に示すように、指令圧力Ｐ_ｂｒが２０〜６０ｋｇｆ／ｃｍ^２と小さなときには圧力応答特性が悪化してしまう。また、例えば図１０に示すように、弁通過流量Ｑが５０Ｌ／ｍｉｎと少ないときにも、同様に応答特性が悪化してしまう。
【０００９】
すなわち、一般に、図７に示すような比例電磁式圧力制御弁９の制御演算回路１１で採用されている制御方式（例えばＰＩ制御法）は線形制御理論に基づいたものであり、制御対象の特性が一定であること（制御対象が定常線形システムであること）が良い制御性能を得るための必要条件である。
【００１０】
したがって、制御対象が非定常線形システムであり、ポート６の圧力Ｐ_ｂ、ポート７の圧力Ｐ_ａや弁通過流量Ｑが最適調整状態から離れることにより、制御対象の特性が変化してしまうと、例えば、図９、図１０に示した場合のように、制御性能は悪化してしまう。
【００１１】
なお、図７の回路において、制御対象とは、弁開度制御回路１３、弁１４、油圧アクチュエータ３の油圧室３ａからなる系である。また、制御対象への入力は弁開度指令ｘ_ｒであり、出力は油圧室３ａの圧力（すなわちポート６の圧力）Ｐ_ｂである。
【００１２】
また、制御対象の特性がポート６の圧力Ｐ_ｂおよび弁通過流量Ｑに依存することは以下のように示すことができる。
【００１３】
まず、制御対象の伝達関数は、
Ｐ_ｂ／ｘ_ｒ＝Ｋ／（Ｔｓ＋１） …（１）
で表すことができる。ただし、Ｋは直流ゲイン、Ｔは時定数であり、ともに制御対象の特性を表す係数である。
【００１４】
ここで、直流ゲインＫは、
Ｋ＝α（ΔＰ^３／２／Ｑ） …（２）
で与えられる。ただし、ΔＰはポート６とポート７（弁１４のタンク側のポート）との圧力差Ｐ_ａ−Ｐ_ｂであり、αは定数である。
【００１５】
この式（２）から分かるように、直流ゲインＫは圧力差ΔＰと流量Ｑとに依存し、したがって制御対象の特性は、Ｐ_ａ、Ｐ_ｂ、およびＱに依存することが分かる。
【００１６】
さて、このような制御対象の特性変化（弁通過流量の変化）に対応し得る流体圧力制御装置の発明としては、例えば特開平５−０８０８５９号公報に提案がなされてはいる。
【００１７】
これでは、流体の制御に際して、比例制御弁の動作範囲の複数点における操作信号と流体圧力との対応関係を、あらかじめ指定された流体ラインの通過流量（制御弁の通過流量）について、あらかじめ計測した結果を記憶手段に記憶させておく。
【００１８】
流体を制御するときには、通過流量が流量センサにより計測され、流体圧力が圧力センサで計測される。そして、操作信号作成手段により、この計測された流体圧力と目標圧力（圧力指令）との偏差とから、仮の操作信号が作成され、さらに、この操作信号が記憶手段に記憶されている、あらかじめ指定された通過流量ごとの操作信号と流体圧力との対応関係、および流量センサで計測された通過流量に基づいて補正され、比例制御弁に出力される。比例制御弁は、この補正された操作信号に応じて駆動して、流体を目標圧力に制御する。
【００１９】
このようにして、操作信号と流体圧力との関係が、非線形で、かつ通過流量の変化に伴って変化するような場合でも、通過流量ごとにあらかじめ測定されている操作信号と流体圧力との対応関係に基づいて、正確な操作量が求められ、制御弁は良好な応答特性を保ち得る。
【００２０】
しかしながら、この特開平５−０８０８５９号公報の流体圧力制御装置では、比例制御弁の動作範囲の複数点において制御対象の状態を記憶しておく記憶手段、および流体の通過流量を検出するための流体センサとが必要となり、また、記憶手段に記憶させるデータはいちいち計測によって求めねばならない。したがって、制御装置の応答特性は良くなるものの、構成は複雑化し、制御装置の低コスト化を図ることもできない。
【００２１】
本発明はこのような問題点に着目してなされたもので、流体ラインの流体圧力（目標圧力）および制御弁の弁通過流量の変動にかかわらず、良好な制御性能を保ち得る流体圧力制御装置を、低コストで提供することを目的とする。
【００２２】
【課題を解決するための手段】
第１の発明は、油圧アクチュエータに接続した流体ラインと、この流体ラインに介装さ
れた制御弁と、前記流体ラインの流体圧力を検出する流体圧力検出手段と、この流体圧力
の検出値と目標圧力との偏差に基づいて前記制御弁の弁開度指令を決定する弁開度指令演
算手段と、前記制御弁の弁開度を検出する弁開度検出手段と、この弁開度検出手段により
検出された弁開度が前記弁開度指令と一致するように前記制御弁の弁開度を制御する弁開
度制御手段とを備えた流体圧力制御装置において、前記制御弁を通過する通過流量を前記
制御弁の弁開度と上流および下流の圧力から推定する通過流量推定手段と、制御対象の直
流ゲインをこの推定通過流量と前記制御弁の上流および下流の流体圧力とから次の式を用
いて算出する演算する直流ゲイン演算手段と、
Ｋ＝α（ΔＰ ^３／２／Ｑ）、ただし、Ｋ＝直流ゲイン、ΔＰ＝前記制御弁の上流および下
流の流体圧力差、Ｑ＝前記推定通過流量、α＝定数、この直流ゲイン演算手段により演算
された直流ゲインに、前記制御弁の最適調整した状態で基準直流ゲインを除することで得
られる前記弁開度指令に対する補正係数を演算する補正係数演算手段と、この補正係数に
基づいて前記弁開度指令演算手段からの弁開度指令を補正する補正手段とを備え、前記弁
開度制御手段はこの補正後の弁開度指令に基づいて前記制御弁の弁開度を調整する。
【００２３】
第２の発明は、前記弁通過流量推定手段は、前記制御弁の上流および下流の流体圧力を検出する流体圧力検出手段と、前記制御弁の弁開度を検出する弁開度検出手段とを含む。
【００２４】
【作用】
第１の発明では、制御対象に弁開度指令を入力して制御弁の弁開度を調節することにより、流体ラインの圧力を制御するが、この弁開度指令は、基準となる流体ラインの流体圧力（目標圧力）および制御弁の通過流量に最適なものとして弁開度演算手段から出力された弁開度指令を、流体ラインの流体圧力および制御弁の通過流量にしたがった制御対象の直流ゲインの変化に基づいて演算された補正係数で、補正手段により補正されたものであるので、制御弁の弁開度は常に適切に調整され、流体圧力制御装置は、流体ラインの流体圧力および制御弁の通過流量の変化にかかわらず、常に良好な制御特性を確保し得る。また、このような流体ラインの流体圧力および制御弁の通過流量の変化に応じた制御（弁開度指令の補正）は、数学モデルを用いて行うものであるので、制御弁の動作範囲の複数点でのデータを計測しておき、この計測データにしたがって弁開度指令を補正する必要はなく、このような計測データを記憶する記憶手段も必要とされないので、流体圧力制御装置の構成は複雑化することなく、装置の低コスト化を図ることができる。
【００２５】
第２の発明では、弁通過流量推定手段は、制御弁の上流および下流の流体圧力を検出する流体圧力検出手段と、制御弁の弁開度を検出する弁開度検出手段とを含むものであるので、制御対象の直流ゲインを同定するために流量センサが必要とされることはなく、装置の低コスト化を図ることができる。
【００２６】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面に基づいて、本発明の実施の形態について説明する。
【００２７】
図１には、本発明の流体圧力制御装置の構成を示す。
【００２８】
図示されるように、比例電磁式圧力制御弁１は、従来の図７の比例電磁式圧力制御弁９と同様に、油圧アクチュエータ３とタンク５との間に介装され、油圧アクチュエータ３の油圧室３ａからの作動油をタンク５側に逃がすリリーフ弁として働き、油圧アクチュエータ３側のポート６の圧力Ｐ_ｂが目標圧力Ｐ_ｂｒと一致するようにリリーフ制御を行うもので、加算器１０、制御演算回路１１、弁開度制御回路１３、弁１４、圧力センサ１５、開度センサ１６、油圧アクチュエータ３側のポート６、タンク５側のポート７とを、それぞれ備えている。
【００２９】
さらに本発明では、図７と異なる構成として、制御演算回路１１と弁開度制御回路１３との間に、補正回路１２が介装されるとともに、ポート７の圧力Ｐ_ａを検出する圧力センサ１７が備えられる。
【００３０】
補正回路１２は、ポート６の圧力Ｐ_ｂおよび弁通過流量Ｑの変化による制御対象（弁開度制御回路１３、弁１４、油圧アクチュエータ３の油圧室３ａからなる系）の直流ゲインＫ（式（１）、式（２）参照）の変化を打ち消すものであり、制御演算回路１１から基準弁開度指令ｘ_ｒが、また圧力センサ１５、開度センサ１６、圧力センサ１７からの検出値として、それぞれポート６の圧力Ｐ_ｂ、弁１４の開度ｘ、ポート７の圧力Ｐ_ａが入力され、基準弁開度指令ｘ_ｒを補正した補正弁開度指令ｘ_ｒｃを弁開度制御回路１３へと出力する。
【００３１】
図２には、この補正回路１２の内部構成を示す。図示されるように、補正回路１２は、流量推定回路２１と、直流ゲイン演算回路２２と、補正係数演算回路２３と、乗算器２４とを備え、各センサにより検出された検出値（圧力Ｐ_ｂ、開度ｘ、圧力Ｐ_ａ）は、まず流量推定回路２１に入力される。
【００３２】
流量推定回路２１は、これらの検出値を用いて、弁通過流量Ｑを、
Ｑ＝γＡ（ΔＰ）^１／２ …（３）
として演算する。ただし、Ａは弁開度ｘから算出される弁１４の開口面積、ΔＰはポート６とポート７の圧力差（すなわち弁１４の上流と下流の圧力差）、γは定数である。なお、この流量推定回路２１は、流量センサにより代用することも可能である。
【００３３】
直流ゲイン演算回路２２には、流量推定回路２１において演算された弁通路流量Ｑと、圧力Ｐ_ｂ、圧力Ｐ_ａが入力され、制御対象（弁開度制御回路１３、弁１４、および油圧アクチュエータ３の油圧室３ａからなる系）の直流ゲインＫを、前述の式（２）を用いて算出する。
【００３４】
補正係数演算回路２３は、直流ゲイン演算回路２２で算出された直流ゲインＫと直流ゲイン基準値Ｋ_０から、補正係数Ｃを、
Ｃ＝Ｋ_０／Ｋ …（４）
として算出する。ただし、Ｋ_０は制御演算回路１１を最適調整した状態における直流ゲインであり、この最適調整状態でのポート６の圧力Ｐ_ｂ、ポート７の圧力Ｐ_ａ、弁通路流量Ｑから求められる。
【００３５】
乗算器２４は、このようにして算出された補正係数Ｃを基準弁開度指令ｘ_ｒに乗じて補正弁開度指令ｘ_ｒｃを求める補正手段であり、この補正弁開度指令ｘ_ｒｃを弁開度制御回路１３へと出力する。
【００３６】
つぎに作用を説明する。
【００３７】
油圧アクチュエータ３の油圧室３ａ内の作動油は、リリーフ弁である比例電磁式圧力制御弁１を介してタンク５側に逃がされるが、この場合、制御弁１で油圧アクチュエータ３側のポート６の圧力Ｐ_ｂをリリーフ制御することにより、油圧アクチュエータ３は所望の動作を行う。
【００３８】
この場合、ポート圧力Ｐ_ｂは圧力指令Ｐ_ｂｒに一致するようにフィードバック制御されるのであるが、圧力指令Ｐ_ｂｒ（ポート圧力Ｐ_ｂ）および弁通過流量Ｑが制御演算回路１１に対して最適調整状態にあるときには、図３に示すように、ポート圧力Ｐ_ｂ（実線）は、矩形波で与えられる圧力指令Ｐ_ｂｒ（破線）に対して、良好な応答で追随する。
【００３９】
さらに本発明では、補正回路１２の働きにより、圧力指令Ｐ_ｂｒおよび弁通過流量Ｑが制御演算回路１１に対する最適調整状態から変動し、制御対象（弁開度制御回路１３、弁１４、および油圧アクチュエータ３の油圧室３ａからなる系）の特性が変化してしまったときでも、制御演算回路１１からの基準弁開度指令ｘ_ｒは、補正弁開度指令ｘ_ｒｃに補正されて弁開度制御回路１３に入力され、弁１４はこの補正弁開度指令ｘ_ｒｃに基づいて制御されるので、流体圧力制御装置の制御性能は悪化することはない。
【００４０】
すなわち、補正回路１２は、弁開度指令を制御対象の直流ゲインＫの直流ゲイン基準値Ｋ_０（最適調整状態における直流ゲイン）と比の割合で調節することにより、直流ゲインの変化分の効果を相殺することができる。この結果、図４に示すように圧力指令Ｐ_ｂｒが小さなときでもポート圧力Ｐ_ｂは速やかに目標値に達するように制御され、また、図５に示すように弁通過流量Ｑが少ないときでもポート圧力Ｐ_ｂの圧力指令Ｐ_ｂｒに対する行き過ぎ量は抑制され、ハンチングを最小限とすることができる。
【００４１】
なお、本発明の流体圧力制御装置では、このような制御対象の特性の変化に対応した弁１４の開度制御の補正を数学モデルを用いてなすものであるので、制御対象の特性の変化に対応するために、制御弁の動作範囲の複数点でのデータを計測する必要はなく、また計測されたデータを記憶する記憶手段も必要とされない。したがって、流体圧力制御装置の構成は複雑化することなく、装置の低コスト化を図ることができる。
【００４２】
図６には本発明の他の実施の形態の構成を示す。
【００４３】
これでは、比例電磁式圧力制御弁１は、油圧ポンプ２から油圧アクチュエータ１へと供給される作動油の通路に減圧弁として介装され、弁１４通過後のポート６における作動油の圧力Ｐ_ｂを減圧制御する。なお、ポート６と油圧アクチュエータ３との間には、作動油の一部をバルブ１８を介してタンク５側に逃がすブリード回路１９が設けられる。
【００４４】
この図６の制御回路も、図１のリリーフ制御の場合と同様に、フィードバックされたポート６の圧力Ｐ_ｂが圧力指令Ｐ_ｂｒと一致するように、制御演算回路１１、補正回路１２、弁開度制御回路１３を介して弁１４の開度を制御するものであり、ポート６の圧力Ｐ_ｂが圧力指令Ｐ_ｂｒよりも小さければ弁１４の開度ｘを増し、逆に大きければ弁１４の開度ｘを減じるように、弁１４が駆動される（すなわち、弁の開閉がリリーフ制御と逆になる）点でのみ、図１と異なる作用をするものである。
【００４５】
したがって、補正回路１２を備えた効果は、図１の場合と同様であり、圧力指令Ｐ_ｂｒおよび弁通過流量Ｑが制御演算回路１１に対する最適調整状態から変動し、制御対象（弁開度制御回路１３、弁１４、および油圧アクチュエータ３の油圧室３ａからなる系）の特性が変化してしまったときでも、制御演算回路１１からの基準弁開度指令ｘ_ｒは、補正弁開度指令ｘ_ｒｃに適切に補正されて弁開度制御回路１３に入力されるので、流体圧力制御装置の制御性能は悪化することはない。
【００４６】
【発明の効果】
第１の発明によれば、制御対象に弁開度指令を入力して制御弁の弁開度を調節することにより、流体ラインの圧力を制御するが、この弁開度指令は、基準となる流体ラインの流体圧力（目標圧力）および制御弁の通過流量に最適なものとして弁開度演算手段から出力された弁開度指令を、流体ラインの流体圧力および制御弁の通過流量にしたがった制御対象の直流ゲインの変化に基づいて演算された補正係数で、補正手段により補正されたものであるので、制御弁の弁開度は常に適切に調整され、流体圧力制御装置は、流体ラインの流体圧力および制御弁の通過流量の変化にかかわらず、常に良好な制御特性を確保し得る。また、このような流体ラインの流体圧力および制御弁の通過流量の変化に応じた制御（弁開度指令の補正）は、数学モデルを用いて行うものであるので、制御弁の動作範囲の複数点でのデータを計測しておき、この計測データにしたがって弁開度指令を補正する必要はなく、このような計測データを記憶する記憶手段も必要とされないので、流体圧力制御装置の構成は複雑化することなく、装置の低コスト化を図ることができる。
【００４７】
第２の発明によれば、弁通過流量推定手段は、制御弁の上流および下流の流体圧力を検出する流体圧力検出手段と、制御弁の弁開度を検出する弁開度検出手段とを含むものであるので、制御対象の直流ゲインを同定するために流量センサが必要とされることはなく、装置の低コスト化を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態を示す構成図である。
【図２】同じく補正回路を示す構成図である。
【図３】同じくポート圧力の時間変化を示す特性図である。
【図４】同じく特性図である。
【図５】同じく特性図である。
【図６】本発明の他の実施の形態を示す構成図である。
【図７】従来の制御弁を示す構成図である。
【図８】同じくポート圧力の時間変化を示す特性図である。
【図９】同じく特性図である。
【図１０】同じく特性図である。
【符号の説明】
１比例電磁式圧力制御弁
２油圧ポンプ
３油圧アクチュエータ
５タンク
６ポート
７ポート
９比例電磁式圧力制御弁
１０加算器
１１制御演算回路
１２補正回路
１３弁開度制御回路
１４弁
１５圧力センサ
１６開度センサ
１７圧力センサ
１８バルブ
１９ブリード回路
２１流量推定回路
２２直流ゲイン演算回路
２３補正係数演算回路
２４乗算器

Claims

油圧アクチュエータに接続した流体ラインと、この流体ラインに介装された制御弁と、
前記流体ラインの流体圧力を検出する流体圧力検出手段と、この流体圧力の検出値と目標
圧力との偏差に基づいて前記制御弁の弁開度指令を決定する弁開度指令演算手段と、前記
制御弁の弁開度を検出する弁開度検出手段と、この弁開度検出手段により検出された弁開
度が前記弁開度指令と一致するように前記制御弁の弁開度を制御する弁開度制御手段と、
を備えた流体圧力制御装置において、
前記制御弁を通過する通過流量を前記制御弁の弁開度と上流および下流の圧力から推定
する通過流量推定手段と、
制御対象の直流ゲインをこの推定通過流量と前記制御弁の上流および下流の流体圧力と
から次の式を用いて算出する演算する直流ゲイン演算手段と、
Ｋ＝α（ΔＰ ^３／２／Ｑ）
ただし、Ｋ＝直流ゲイン、ΔＰ＝前記制御弁の上流および下流の流体圧力差、Ｑ＝前記
推定通過流量、α＝定数、
この直流ゲイン演算手段により演算された直流ゲインに、前記制御弁の最適調整した状
態で基準直流ゲインを除することで得られる前記弁開度指令に対する補正係数を演算する
補正係数演算手段と、
この補正係数に基づいて前記弁開度指令演算手段からの弁開度指令を補正する補正手段
と、を備え、
前記弁開度制御手段はこの補正後の弁開度指令に基づいて前記制御弁の弁開度を調整す
ることを特徴とする流体圧力制御装置。
前記弁通過流量推定手段は、前記制御弁の上流および下流の流体圧力を検出する流体圧
力検出手段と、前記制御弁の弁開度を検出する弁開度検出手段とを含むことを特徴とする
請求項１に記載の流体圧力制御装置。