JP3722964B2

JP3722964B2 - 油圧試験機の制御装置

Info

Publication number: JP3722964B2
Application number: JP28855097A
Authority: JP
Inventors: 友夫窪田; 文英上妻; 範規久保川; 文一杉本
Original assignee: KYB Corp
Current assignee: KYB Corp
Priority date: 1997-10-21
Filing date: 1997-10-21
Publication date: 2005-11-30
Anticipated expiration: 2017-10-21
Also published as: JPH11125575A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は油圧振動台などで代表される油圧試験機の制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来から、図６に示すような油圧試験機が知られている。これは油圧源１からの油圧をサーボ弁２により制御しつつ油圧シリンダ３に供給し、これに連動する振動台４を所定の周波数で加振するもので、この制御方式としては、例えば特開平８−２４９０６７号公報にも開示されているように、一般的には次の２つの制御方式がある。
【０００３】
図７に示す制御方式は２自由度制御系を構成しており、目標値追従性と外乱抑制性を独立に設定することができる。
【０００４】
入力指令ｒをもとに規範モデル１１から出力ｙｎが出力され、この出力ｙｎと制御対象１３の出力ｙとの偏差が、フィードバック制御器１２に入力される。また規範モデル１１と制御対象１３の逆伝達関数からなるフィードフォワード制御器１４にも入力指令ｒが入力する。そして、これらフィードバック指令とフィードフォワード指令とが制御対象１３に入力される。
【０００５】
このようにして、規範モデル１１から出力される出力ｙｎに対して、制御対象１３の出力ｙがずれると、フィードバック制御器１３による補正が行われ、制御対象１３を目標値に対して追従させ、制御外乱を抑制する。
【０００６】
しかし、この構成では制御対象の大きなパラメータ変動まで十分に制御することは難しい。
【０００７】
そこで、図８に示すような、スライディングモード制御器１５を追加すると、出力ｙを規範モデル１１の出力ｙｎに応答よく追従させることができる。
【０００８】
ここで、スライディングモード制御器は、一般的には、図９のように構成され、偏差ｅと、その偏差ｅの微分値ｅｄの情報をもとに切換変数Ｓを計算し、このＳの正負によってＫまたは−Ｋを出力する。
【０００９】
図１０はスライディングモードの位相平面での評価を行ったもので、出力ｙが規範モデル出力ｙｎに収束していく様子を示しており、この場合、Ｓ＝０の切換線が、図９の制御入力（Ｋまたは−Ｋ）の切換ポイントとなっている。
【００１０】
フィードフォワード指令と、フィードバック指令にスライディングモードの制御入力を加算することにより、図１１にも示すように、出力ｙを規範モデル出力ｙｎに追従させられる。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
このように一般的には制御対象の出力ｙは、さまざまな理由により応答性が悪化することがある。このため例えば、図８の制御系において、スライディングモードのゲインＫをゼロにして、油圧振動台４の正弦波加振を行うと、図１２の（ａ）に示すように、規範モデル出力ｙｎに対して、その出力ｙはゲイン（振幅）が低下し、さらに位相も遅れる。
【００１２】
いま、スライディングモード制御（ＳＭＣ）の位相平面での動きを見ると、図１２の（ｂ）のようになる。偏差ｅとその微分値ｅｄの状態が切換線Ｓ＝０の上にあるか下にあるかで制御入力（Ｋまたは−Ｋ）が決定され、Ｋの絶対値を大きくすることにより、ｅとｅｄは速やかにゼロに近き、ｙはｙｎに近づくことになる。しかし、後述するように、Ｋの絶対値を大きくすると、それだけスライディングモード制御特有のチャタリングの問題が大きくなる。
【００１３】
油圧試験機で正弦波加振を行う場合、図のようにゲインが低下するのは問題だが、位相遅れについては、加振は所定の周波数で繰り返されるため、実質的にほとんど問題とはならない。したがって、ゲイン、位相ともにｙｎに追従させるために、Ｋの絶対値を大きくとることは、必ずしも賢明な方策ではない。
【００１４】
油圧試験機での正弦波加振試験でとくに問題となるのは、油の圧縮性がバネ要素となり、加振波形が図１３の（ａ）で示すように、振動的に変化する、いわゆる波形歪を生じることである。
【００１５】
実際には変位波形、速度波形、加速度波形の順で振動的になり、この図１３（ａ）のｙｎとｙの偏差ｅと、その微分値ｅｄを位相平面上の動きとして示したのが、（ｂ）であり、図１２の（ｂ）のときと同じように、楕円の動きとなる。
【００１６】
しかし、この場合には、楕円を一周する時間は、図１３（ａ）の振動成分の１周期に等しいため、図１２（ｂ）よりもその時間は短い。振動成分が１周期毎に切換線Ｓ＝０をよぎっているため、スライディングモード制御により、効率よく振動成分を低減することが可能である。
【００１７】
ところが、実際の加振試験での出力ｙは、規範モデル出力ｙｎに対して、図１４の（ａ）で示すように、上記したゲイン、位相のずれ分が加わる。したがって、これらの偏差ｅと、その微分値ｅｄとの位相平面の動きを求めると、図１２と図１３の（ｂ）を重ね合わせたものとなり、この場合には、振動成分が１周期毎に切換線をよぎっているわけではないので、効率よく振動成分を低減することはできない。
【００１８】
このため、振動成分を低減するには、スライディングモード制御入力のゲインであるＫの絶対値を大きく設定しなければならないが、こうすると、前記のように制御入力の切換による振動であるチャタリングが大きくなったり、ノイズ成分が増幅されたりして、必ずしも問題解決にはつながらない。
【００１９】
上記したとおり、この正弦波加振試験のように、加振波形が繰り返し的に連続する場合には、ゲインの低下は問題だが、位相遅れの実害はない。また、ゲインが低下するのは、例えば図８において、入力指令（目標値）ｒの振幅を予め大きくすることで簡単に解決する。
【００２０】
本発明はこのような点に着目してなされたもので、加振波形の位相遅れ分を含めてスライディングモード制御により出力ｙを規範モデル出力ｙｎに追従させるのではなく、ゲインと位相ずれについては、予め規範モデルの出力ｙｎをｙと一致するように調整しておき、振動成分のみをスライディングモード制御により低減させることで、スライディングモード制御の特徴を活かして効率のよい収束性を実現することを目的とする。
【００２１】
【課題を解決するための手段】
本発明は、入力指令に応じて出力する規範モデルと、規範モデルの出力と制御対象の出力の偏差が入力されるスライディングモード制御器とを備え、少なくとも規範モデルの出力と制御対象の出力との偏差に基づいて制御対象に対する入力が制御され、スライディングモード制御器の出力が前記制御対象に対する１つの入力となり、所定の周波数の正弦波加振を行う油圧試験機の制御装置において、規範モデルの出力の位相、ゲインのうち少なくとも一方について制御対象出力とのずれ分を少なくなるよう調整する位相・ゲイン調整手段を備える。
【００２８】
【発明の作用・効果】
本発明では、規範モデルの出力ｙｎが実際の出力ｙに等しくなるように、予め位相・ゲイン調整器により調整しておき、主として加振波形の振動成分（波形歪み）の除去についてのみ、例えばスライディングモード制御を適用することにより、効率よく振動成分を低減することが可能となる。
【００２９】
【実施の形態】
以下、図面に基づいて本発明の最良の実施の形態を説明する。
【００３０】
本実施形態は、図６に示すような油圧試験機（加振機）に適用した例を示すものであって、図１において、１１は出力ｙｎを出力する規範モデル、１２は出力ｙｎと制御対象１３の出力ｙとの偏差ｅが入力されるフィードバック制御器、１４は規範モデル１１と制御対象１３の逆伝達関数からなるフィードフォワード制御器、１５はスライディングモード制御器であって、フィードバック制御器１２の出力と、フィードフォワード制御器１４の出力と、スライディングモード制御器１５の出力を加算して制御対象１３を制御する。
【００３１】
そして本発明では、入力指令ｒに対する制御対象１３の出力ｙの位相とゲイン（振幅）のずれ分を予め調整するための位相・ゲイン調整器１０が設けられ、この位相・ゲイン調整された出力が規範モデル１１に入力するように構成されている。制御対象出力ｙとのずれ分については、実験等により求め、位相遅れ分だけ位相を遅らせ、またゲインの低下分はそれだけ振幅を大きくする。
【００３２】
このような構成において、例えば所定の周波数で加振するための入力指令ｒは位相・ゲイン調整器１０を介して調整されるため、図１３（ａ）にもあるとおり、規範モデル１１の出力ｙｎは、制御対象１３の出力ｙとの位相、ゲインについてずれの少ないものとなる。
【００３３】
したがって規範モデル１１と制御対象１３の出力の偏差ｅは、主として油圧加振機の油の圧縮性に起因する加振波形の振動成分（歪み分）となり、スライディングモード制御器１５では、この振動成分のみを除去するだけのため、制御入力のゲインであるＫの値を小さくすることができる。この結果、スライディングモード制御特有のチャタリングなどの問題を起こすことなく、効率よく入力指令に対して制御対象出力を収束させることができる。
【００３４】
次に図２により別の実施の形態を説明する。これは、図１に比較して、位相・ゲイン調整器１０を規範モデル１１の出力側に挿入したことでのみ異なり、規範モデル１１の出力の位相、ゲイン調整を行うことにより、制御対象１３の出力ｙは入力指令（目標値）対してずれの無いものとなる。
【００３５】
したがってこの場合でも、スライディングモード制御器１５においては、主として加振波形の振動成分のみを低減することになり、効率のよい制御が行える。
【００３６】
さらに図３に示す実施の形態は、規範モデル１１が位相、ゲインの調整機能を備えた構成にしたもので、位相とゲインを自由に調整することができる。
【００３７】
したがってこの場合には、位相・ゲイン調整器が不要となり、規範モデル１１の出力ｙｎは予め位相、ゲインのずれ分が調整されたものとなる。
【００３８】
以上の各実施の形態は変位の制御しか行っていないが、一般的には状態量のすべてを制御することが多い。この場合にはスライディングモード制御器１５の構成は、図４のような構成となる。
【００３９】
スライディングモード制御器１５には、各状態量の偏差Ｘｅ（Ｘｅ１，Ｘｅ２，Ｘｅ３…）が入力し、これらに基づいて切換変数Ｓが計算され、この切換変数Ｓによって制御入力であるＫが決まる。この場合、状態量が２つのときは、Ｓ＝０が切換線、状態量が３つのときはＳ＝０が切換面、状態量が４つのときはＳ＝０が切換超平面となる。
【００４０】
状態量のすべてを制御する場合には、図１に対応した構成としては、図５のようになる。
【００４１】
規範モデル１１の状態量はＸｎ（Ｘｎ１，Ｘｎ２，Ｘｎ３…）となり、制御対象１３の実際の状態量はＸ（Ｘ１，Ｘ２，Ｘ３…）で、これらの偏差Ｘｅ（Ｘｅ１，Ｘｅ２，Ｘｅ３…）となる。
【００４２】
スライディングモード制御器１５にはこれら偏差Ｘｅが入力し、これに基づいて制御入力Ｋが決定される。
【００４３】
なお、図２、図３に対応する実施の形態についても、同じよう構成されることは容易に理解できるので、その説明は省くことにする。
【００４４】
このようにして本発明では、規範モデルの出力については、予め制御対象の出力との位相、ゲインのずれ分がないように調整しておくことにより、スライディングモード制御でチャタリングなどの問題を起こすことなく、応答波形の歪み分を大幅に低減することが可能となった。
【００４５】
なお、上記説明では２自由度制御系に本発明を適用した例を示したが、これに限定されるわけではなく、他の制御系についても応用することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態を示す基本構成ブロック図である。
【図２】他の実施形態の基本構成ブロック図である。
【図３】さらに他の実施形態の基本構成ブロック図である。
【図４】スライディングモード制御器の詳細を示すブロック図である。
【図５】さらに他の実施形態を示す基本構成ブロック図である。
【図６】油圧試験機の構成図である。
【図７】従来の２自由度制御系の基本構成ブロック図である。
【図８】スライディングモード制御を併用した構成のブロック図である。
【図９】スライディングモード制御器の詳細とその出力を示すブロック図である。
【図１０】スライディングモードの位相平面での評価を示す説明図である。
【図１１】指令入力と規範モデルと制御対象の出力の関係を示す説明図である。
【図１２】規範モデルと制御対象の出力の関係（ａ）と、スライディングモードの位相平面での動き（ｂ）を示す説明図である（出力応答性が悪化した場合を示す）。
【図１３】規範モデルと制御対象の出力の関係（ａ）と、スライディングモードの位相平面での動き（ｂ）を示す説明図である（振動成分が重畳した場合を示す）。
【図１４】規範モデルと制御対象の出力の関係（ａ）と、スライディングモードの位相平面での動き（ｂ）を示す説明図である（応答性の悪化と振動成分の重畳がある場合を示す）。
【符号の説明】
１０位相・ゲイン調整器
１１規範モデル
１２フィードバック制御器
１３制御対象
１４フィードフォワード制御器
１５スライディングモード制御器

Claims

入力指令に応じて出力する規範モデルと、該規範モデルの出力と制御対象の出力の偏差が入力されるスライディングモード制御器とを備え、少なくとも前記規範モデルの出力と制御対象の出力との偏差に基づいて制御対象に対する入力が制御され、前記スライディングモード制御器の出力が前記制御対象に対する１つの入力となり、所定の周波数の正弦波加振を行う油圧試験機の制御装置において、規範モデルの出力の位相、ゲインのうち少なくとも一方について制御対象出力とのずれ分を少なくなるよう調整する位相・ゲイン調整手段を備えることを特徴とする油圧試験機の制御装置。