JP3725259B2 - 油圧加振機の制御装置 - Google Patents

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は油圧加振機のサーボ制御装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
従来の油圧加振機のサーボ機構の制御装置として、特開昭60−136602号公報に示されるものがある。
【0003】
これは加振装置に作用する外乱の影響を解消し、入力波形を正確に再現することを目的とするもので、図14に示すように構成される。
【0004】
1はサーボ増幅器で、このサーボ増幅器1によりサーボ弁3を制御し、油圧源2からの作動油のリンダ4に対する給排を制御する。シリンダ4のピストンロッド5には振動テーブル6が継手7を介して連結され、サーボ増幅器1への入力信号に応じてシリンダ4を伸縮作動させ、振動テーブル6を加振する。
【0005】
振動テーブル6に作用する外乱により入力波形の再現性が乱れるのを防止するため、サーボ増幅器1の入力側に多重積分補償回路Gs(s)26を設け、多重積分補償回路26には目標信号と振動テーブル6の変位信号との偏差を入力する共に、多重積分補償回路26とサーボ増幅器1との間の経路にピストンロッド5及び振動テーブル6の変位量、速度量、加速度量のうち一つあるいは二つあるいは全部をフィードバックするように構成し、この場合、ピストンロッド5及び振動テーブル6の速度、加速度信号にそれぞれ適当な特性の進み補償を与えるフィードバック補償回路Ga(s)27、Gt(s)28を設けている。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
ところがこのサーボ機構にあっては、油圧加振機の応答波形の歪を低減するために、目標信号と変位信号の差を多重積分補償回路に入力すると共に、フィードバック補償回路Ga(s)27、Gt(s)28を設けているが、これらが進み補償回路の場合、多重積分補償回路26の出力部から振動テーブル6の変位xtまでの閉ループの伝達特性を考えると、低周波数域で位相が90度遅れ、これに対して多重積分補償回路26に積分器を挿入すると、低周波数域で一巡伝達関数の位相遅れが180度になり、制御系が不安定となるため、積分器を用いることはできない。そこで安定余裕を大きくするために積分器を1次遅れ系で近似させると、制御周波数範囲内に1次遅れ系に起因する減衰の小さい共振点が現れることになり、入力波形に対する応答波形の歪みが低減できなくなる。
【0007】
また、目標信号と変位信号の偏差を多重積分補償回路26に入力する制御系を構成しているため、上記のフィードバック補償回路を用いた場合、積分器(1次遅れ系)の設定によっては安定余裕が少なくなり、制御系が不安定となることもあった。
【0008】
本発明の目的は、入力波形に対する応答波形の歪みを低減すると共に制御系の安定性を高めることにある。
【0009】
【課題を解決するための手段】
第1の発明は、サーボ増幅器から与えられる指令信号に応じて作動するサーボ弁と、サーボ弁により油圧源からの作動油の給排が制御されるシリンダと、このシリンダに連動する振動テーブルとを備えた油圧加振機において、目標信号とシリンダまたは振動テーブルの変位信号との差を進み補償特性をもつ伝達関数に通した信号と、シリンダまたは振動テーブルの速度信号及びその加速度信号をそれぞれ進み補償特性をもつ伝達関数に通した信号との差を、サーボ増幅器に指令信号として与えるように構成した。
【0010】
第2の発明は、第1の発明において、前記伝達関数が進み補償特性をもつ所定の伝達関数に所定のゲインを乗じて構成される。
【0012】
第3の発明は、第1または第2の発明において、前記シリンダまたは振動テーブルの速度信号として、シリンダまたは振動テーブルの変位信号の微分信号を用いる。
【0013】
第4の発明は、第1または第2の発明において、前記シリンダまたは振動テーブルの速度、加速度信号として、シリンダまたは振動テーブルの変位信号のそれぞれ1回微分、2回微分信号を用いる。
【0014】
【発明の作用・効果】
第1、第2の発明において、目標信号と変位信号との差を所定の進み補償特性をもつ伝達関数に通して、また速度信号、加速度信号を所定の進み補償特性をもつ伝達関数を通して、これら信号の差をサーボ増幅器の指令信号として入力するので、積分器(1次遅れ系)を用いたときに比較して、油の圧縮性に起因する制御系の共振点の減衰を大きくでき、外乱による応答波形の歪みを低減し、また、低周波数域での一巡伝達関数の位相が90度しか遅れないので、制御系の十分な安定性が確保される。
【0016】
第3の発明では、速度センサが不要となり、制御系のコストが下げられる。
【0017】
第4の発明では、速度センサ、加速度センサが不要となり、さらに制御系のコストの引き下げが可能となる。
【0018】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を図に基づいて説明する。図1において、1はサーボ増幅器、3はサーボ増幅器1からの信号により作動するサーボ弁、4はサーボ弁3の開度に応じて油圧源2からの作動油が給排されるシリンダ、6はシリンダ4のピストンロッド5と継手7を介して連結される振動テーブル6で、サーボ弁3の開度に応じてシリンダ4に油圧源2から作動油が給排され、シリンダ4が振動テーブル6を加振する。サーボ増幅器1に指令信号を与えるコントローラ11が設けられ、閉ループ制御系を構成するコントローラ11にはピストンロッド5または加振テーブル6の変位を検出する変位センサ8、速度を検出する速度センサ9、加速度を検出する加速度センサ10からの各検出信号が入力し、目標信号と各検出信号をもとにしてサーボ増幅器1に指令信号を出力する。
【0019】
コントローラ11は図2にも示すように、目標信号と変位信号の差を伝達関数Ge(s)12に通した信号から、速度信号を伝達関数Gv(s)13に通した信号と、加速度信号を伝達関数Ga(s)14に通した信号とを減じたものを、サーボ増幅器1に対しての指令信号として出力する。
【0020】
伝達関数Ge(s)12は進み補償特性をもつ適当な特性の伝達関数Ce(s)15に適当なゲインKe18を乗じたものであり、伝達関数Gv(s)13は進み補償特性をもつ適当な特性の伝達関数Cv(s)16に適当なゲインKv19を乗じたものであり、また伝達関数Ga(s)14についても進み補償特性をもつ適当な特性の伝達関数Ca(s)17に適当なゲインKa20を乗じたものである。
【0021】
次に、図3に線形化した油圧加振機のモデル21のブロック線図を示す。
【0022】
加振機モデル21はシリンダ−振動テーブルを2次、油の圧縮性を1次、サーボ弁の動特性を2次の、計5次で近似しており、実際の油圧加振機の特性を十分に再現することができる。なお、ピストンロッド5と振動テーブル6とは継手7により連結されているが、通常、継手7の剛性は十分に高いため、ピストンロッド5と振動テーブル6とは剛結合されているものとみなしても一般性は失われない。
【0023】
いま、
【0024】
【数1】
Figure 0003725259
【0025】
として、加振機モデル21のモデル式は、以下の(1)〜(7)となる。
【0026】
【数2】
Figure 0003725259
【0027】
この加振機モデル21に対して、図4に示す構成を採用することにより、油の圧縮性に起因する制御系の共振点の減衰を大きくし、また外乱による油圧加振機の応答波形の歪みを減少させる。
【0028】
目標信号と変位信号との差が入力される伝達関数Ge(s)12は、上記のような進み補償特性をもつ伝達関数で、従来の多重積分補償回路に代えて設けられるもので、速度信号が入力される伝達関数Gv(s)13と、加速度信号が入力する伝達関数Ga(s)14は、フィードバック補償回路に相当する。
【0029】
これらの伝達関数Ge(s)12、Gv(s)13、Ga(s)14に含まれる進み補償特性により、図4に示す制御系は十分な安定余裕をもちながら、応答波形の歪みを低減することができる。
【0030】
図5(A)は本発明の進み補償特性をもつ伝達関数のボード線図で、上記した伝達関数Ce(s)15、Cv(s)16、Ca(s)17は同じ進み補償特性をもつ2次の伝達関数であり、これに対して図5(B)は従来の多重積分補償器を1次遅れ近似した場合のボード線図を示す。
【0031】
図6に、図3に相当する加振機モデル21の入力サーボ指令iから振動テーブル6の変位信号xまでの開ループのボード線図と、図4に相当する本発明の制御系の伝達関数Ge(s)の出力isから振動テーブル6の変位信号xまでの開ループのボード線図を示す。
【0032】
この場合、▲1▼で示す加振機モデル21では油の圧縮性に起因して発生する共振点のピークが、▲2▼の本発明の構成では、明らかに小さくなっていることが確認できる。また、加振機モデル21と本発明の構成は共に低周波数域で90度の位相遅れが存在するが、この場合に伝達関数Ge(s)12と同位置に積分器を挿入すると、低周波数域で一巡伝達関数の位相遅れが180度になり、制御系が著しく不安定となってしまうことが分かる。
【0033】
図7は、図4に相当する本発明の制御系の外乱wから振動テーブル6の加速度信号までの▲1▼で示すボード線図と、図14の従来例の制御系において、積分器を1次遅れ系で近似させ安定化した場合の、外乱dから加速度信号までの▲2▼で示すボード線図である。この図からは、本発明の制御系は油の圧縮性に起因する共振点の減衰が十分に大きく、油圧加振機の応答波形の歪みが低減できることが分かり、これに対して従来例では、制御周波数範囲内に減衰の小さい共振点が存在するために、局部的にゲインがピーク値をとり、応答波形の歪みを低減することができない。
【0034】
ところで、この制御系の特性は、閉ループの極からも理解できる。制御系の構成要素はそれに対応した極をもち、この極からは構成要素の特性である固有振動数と減衰が計算できる。図8には本発明の伝達関数Ge(s)12と、同じ位置に積分器(1次遅れ系)を挿入した従来例に対応する極をプロットしたものを示す。これからも、本発明では、伝達関数Ge(s)12に対応する極の減衰が大きく、これに対して従来例では対応する極の減衰が小さいことが分かり、外乱に対する応答性など、制御系の特性に大きな差異がある。
【0035】
上記した説明において、本発明の理論上、加振機モデル21は図3に示す構成に限定されるわけではなく、例えばサーボ弁1の動特性を3次に線形近似したものとしてもよく、また各センサ8〜10の特性や、その増幅器に含まれるフィルタの特性を加振機モデル21に含めるようにしてもよい。
【0036】
この場合、図4の制御系において、伝達関数Ce(s)15、Cv(s)16、Ca(s)17の進み補償特性の設定を変更することにより、基本的な制御系の構成はそのままにしても、十分な安定余裕をもちつつ、応答波形の歪みを低減することが可能となる。
【0037】
次に他の実施の形態を説明する。
【0038】
図9は、図4において、3カ所に配置されている進み補償特性をもつ適当な特性の伝達関数Ce(s)15、Cv(s)16、Ca(s)17に代えて、同一の進み補償特性をもつ適当な伝達関数C(s)22を設け、これに目標信号と変位信号の差にゲインKe18を乗じた信号から、速度信号、加速度信号にそれぞれゲインKv19、Ka20を乗じた信号を減じた信号を通し、この結果に応じた指令信号iによりサーボ弁1を制御するようにしたものである。この場合には一つの伝達関数C(s)22のみにすることができ、設計パラメータを減少でき、コントローラのチューニングが容易となる。また、コントローラの演算量が減少するので、高速かつ高精度の演算が可能となるか、あるいは安価なコントローラにより制御系を構成することも可能となる。
【0039】
図10は図4において、加速度センサ10からの加速度信号を伝達関数Ga(s)14に通す代わりに、速度センサ9の速度信号を微分し、これを加速度信号に相当する信号として伝達関数Ga(s)14を通している。
【0040】
また、同じようにして、図11は図9において、加速度センサ10からの加速度信号にゲインKa20を乗ずる代わりに、速度センサ9からの速度信号を微分し、これを加速度信号に相当するものとしてゲインKa20を乗ずるようにしている。
【0041】
いずれについても、加速度センサ10が不要となり、コスト低減が図れる。
【0042】
次に図12は図4において、速度センサ9と加速度センサ10の信号の代わりに、変位センサ8の出力を、1回微分して速度信号し、さらには2回微分して加速度信号とし、これらをそれぞれ伝達関数Gv(s)13、Ga(s)14に通している。
【0043】
また、図13は図9において、やはり速度センサ9と加速度センサ10の信号の代わりに、変位センサ8の出力を、1回微分して速度信号し、さらには2回微分して加速度信号とし、これらにゲインKv19、Ka20を乗じている。
【0044】
いずれの場合にも、速度センサ9、加速度センサ10が不要となり、一層のコスト低減が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施形態を示すブロック構成図である。
【図2】本実施形態のコントローラの構成図である。
【図3】油圧加振機をモデル化したモデル構成図である。
【図4】本実施形態の制御系のブロック線図である。
【図5】補償器の伝達関数の周波数応答を示すボード線図で、(A)は本発明、(B)は従来例を示す。
【図6】制御系のサーボ入力指令から振動テーブルの変位信号までの閉ループのボード線図で、本発明と従来例を比較して示す。
【図7】制御系の外乱から振動テーブルの加速度信号までのボード線図で、本発明と従来例を比較して示す。
【図8】制御系の極の特性を示す特性図で、本発明と従来例とを比較して示す。
【図9】本発明の他の実施形態を示す制御系のブロック線図である。
【図10】同じくさらに他の実施形態の制御系を示すブロック線図である。
【図11】同じくさらに他の実施形態の制御系を示すブロック線図である。
【図12】同じくさらに他の実施形態の制御系を示すブロック線図である。
【図13】同じくさらに他の実施形態の制御系を示すブロック線図である。
【図14】従来例を示すブロック構成図である。
【符号の説明】
1 サーボ増幅器
3 サーボ弁
4 シリンダ
6 振動テーブル
8 変位センサ
9 速度センサ
10 加速度センサ
11 コントローラ
12 伝達関数Ge(s)
13 伝達関数Gv(s)
14 伝達関数Ga(s)
15 伝達関数Ce(s)
16 伝達関数Cv(s)
17 伝達関数Ca(s)
18 ゲインKe
19 ゲインKv
20 ゲインKa

Claims (4)

  1. サーボ増幅器から与えられる指令信号に応じて作動するサーボ弁と、サーボ弁により油圧源からの作動油の給排が制御されるシリンダと、このシリンダに連動する振動テーブルとを備えた油圧加振機において、目標信号とシリンダまたは振動テーブルの変位信号との差を進み補償特性をもつ伝達関数に通した信号と、シリンダまたは振動テーブルの速度信号及びその加速度信号をそれぞれ進み補償特性をもつ伝達関数に通した信号との差を、サーボ増幅器に指令信号として与えるように構成したことを特徴とする油圧加振機の制御装置。
  2. 前記伝達関数が進み補償特性をもつ所定の伝達関数に所定のゲインを乗じて構成される請求項1に記載の油圧加振機の制御装置。
  3. 前記シリンダまたは振動テーブルの速度信号として、シリンダまたは振動テーブルの変位信号の微分信号を用いる請求項1または請求項2に記載の油圧加振機の制御装置。
  4. 前記シリンダまたは振動テーブルの速度、加速度信号として、シリンダまたは振動テーブルの変位信号のそれぞれ1回微分、2回微分信号を用いる請求項1または請求項2に記載の油圧加振機の制御装置。
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