JP3740230B2 - シリンダ位置決め制御装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、繰り返し動作するシリンダを、目標位置に停止させるシリンダ位置決め制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、ピストンロッドを制動するブレーキ機構と、該ピストンロッドの位置を検出する位置センサを備え、オーバーラン距離のみでなくシリンダ速度をも取り込む学習制御でシリンダの位置決めを行って、ピストンロッドの移動を制御して目標位置にシリンダを停止させるシリンダ位置決め制御装置が知られている。（特開平８−２１０３０２号公報参照）。
従来のシリンダ位置決め制御装置を用いて位置決めを行う場合、ピストンが目標位置に近づくとき、背圧による減速を行うことなく、ブレーキ機構を作動させて直接制動を行って（直接制動方式で）ピストンを停止させていた。この直接制動方式は、ブレーキ片とピストンロッドとの間の摺動摩擦によりピストンの減速と停止を行わせるので、制動力が大きく、高速大負荷の場合には大きな衝撃を生ずることとなる。この衝撃は、ピストンの作動安定性を悪化させるだけでなく、ブレーキ片とピストンロッドの寿命を短くし、大きな騒音の原因となる。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、シリンダ位置決め制御装置において、ピストンを停止させるときに、背圧を作用させてピストンを減速させ、その後に制動を行うことにより、制動時の衝撃の発生を防止させることを課題とする。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
本発明は、前記課題を達成するために、シリンダ位置決め制御装置において、次の手段ＡないしＦを備えることを第１の構成とする。
Ａ．背圧減速の行程Ｓpb及び時間遅れＴv の初期値として経験値を入力する手段。
Ｂ．ピストン前進又は後退の指令信号を出力する手段。
Ｃ．ピストンの変位Ｘと速度Ｖを入力する手段。
Ｄ．式〔Ｘp(k)＝目標位置Ｘd −Ｖ（Ｔvr＋Ｔtr）−Ｓpb(k) の予測値〕を用いて背圧指令信号を出力する位置Ｘp(k)を決定する手段。ここに、Ｔvrは電磁弁の応答時間、Ｔtrは電磁弁からシリンダまでの圧力伝播時間である。
Ｅ．ピストンの変位Ｘが背圧を作用させる位置の条件Ｘ≧Ｘp(k)を満たすか否かを判断し、前記条件を満たすときに背圧指令信号を出力する手段。
Ｆ．背圧指令信号の出力後の経過時間Ｔと時間遅れＴv とが、Ｔ≧Ｔv の条件を満たすか否かを判断し、前記条件を満たすときに制動信号を出力する手段。
本発明は、前記課題を達成するために、シリンダ位置決め制御装置において、次の手段ＡないしＫを備えることを第２の構成とする。
Ａ．ピストン前進又は後退の指令信号を出力する手段。
Ｂ．ピストンの変位Ｘと速度Ｖを入力する手段。
Ｃ．背圧指令信号を出す位置Ｘp(k)を決定する手段。
Ｄ．ピストンの変位Ｘが背圧を作用させる位置の条件Ｘ≧Ｘp(k)を満たすか否かを判断し、前記条件を満たすときに背圧指令信号を出力する手段。
Ｅ．条件Ｘ≧Ｘp(k)を満たすときに検出した速度Ｖp(k)を入力する手段。
Ｆ．背圧指令信号の出力後の経過時間Ｔと時間遅れＴv とが、Ｔ≧Ｔv の条件を満たすか否かを判断し、前記条件を満たすときに制動信号を出力する手段。
Ｇ．ピストン停止後に変位の最大値Ｘm 、ピストンの停止位置Ｘs を入力する手段。
Ｈ．ピストンの復帰後に周期動作が終わったか否かを判断し、周期動作が終わっていないときは、制動誤差Ｓe を決定する手段。
Ｉ．ファジィ推論により精確値ΔＴv(k)を決定する手段。
Ｊ．手段Ｉで得られたΔＴv(k)を使い、Ｔv( k＋1)＝Ｔv(k)＋ΔＴv(k)により、次回の時間遅れＴv を修正する手段。
Ｋ．次回の背圧減速の行程Ｓpbの予測値を演算する手段。
本発明は、前記のシリンダ位置決め制御装置において、次式(a),(b) を用いて制動誤差Ｓe を決定し、次式(c) を用いて背圧指令信号を出す位置Ｘp(k)を決定し、図８に示す式(6) を用いて精確値ΔＴv(k)を決定することを第３の構成とする。
Ｓe ＝Ｘv −Ｘm Ｘs ＝Ｘm
Ｓe ＝Ｘm −Ｘs Ｘs ＜Ｘm (a)
Ｘv ＝Ｘp ＋Ｖp(Ｔvr＋Ｔtr) ＋Ｖp(Ｔv −Ｔvr−Ｔtr＋Ｔr)／２ (b)
Ｘp(k)＝目標位置Ｘd −Ｖ（Ｔvr＋Ｔtr）−Ｓpb(k) の予測値 (c)
ここに、Ｔr は、制動の無駄時間であって、Ｔvr、ＴtrとＴbrの和であり、Ｔvrは電磁弁の応答時間、Ｔtrは電磁弁からシリンダまでの圧力伝播時間であり、Ｔbrは制動装置の無駄時間であり、式(6) においてＬ（＊）とＦ（＊）はそれぞれΔＴv の出力区域の三角形の、底辺の長さと重心の横座標である。
【０００５】
【発明の実施の形態】
図１は本発明をエアシリンダ10に適用した実施の形態を示す。図１において、エアシリンダ10の先端に制動装置（ブレーキ装置）13が配設され、エアシリンダ10にピストン11が摺動自在に嵌合されている。ピストン11に連結されたピストンロッド12が、制動装置13内に挿通され、ピストンロッド12の先端に慣性負荷14が連結されている。エアシリンダ10の内部は、ピストン11によってヘッド側室16と背圧室（ロッド側室）17に区分され、ヘッド側室16は配管50によって電磁弁ＡのＡポートに連通され、配管50には第１スピードコントローラ23が配設されている。同様に背圧室17は配管51によって電磁弁ＢのＡポートに連通され、配管51には第２スピードコントローラ24が配設されている。電磁弁ＡのＰポートは駆動用減圧弁19の流出側ポートに連通され、電磁弁ＢのＰポート及び駆動用減圧弁19の流入側ポートは空気圧源22に連通されている。
【０００６】
制動装置13には不図示の作動側室（シリンダ室）と非作動側室とがあり、作動側室は配管52を介してブレーキ用の電磁弁ＣのＡポートに連通され、非作動側室は配管53を介して電磁弁ＣのＢポートに連通されている。電磁弁ＣのＰポートは、ブレーキ用減圧弁20の流出側ポートに連通され、ブレーキ用減圧弁20の流入側ポートは空気圧源22に連通されている。ピストン11の位置は位置検出器26によって連続的に検出され、位置検出器26の出力は配線を通して信号処理手段27に入力され、信号処理手段27の出力はコンピュータ28に入力される。コンピュータ28の出力は増幅器29により増幅されて電磁弁Ａ〜Ｃに伝送される。
【０００７】
図１に示す位置において、制動装置13の作動側室は電磁弁ＣのＡポート・Ｒポートを通って大気に排気され、制動装置13の非作動側室には空気圧源22からの圧縮空気がブレーキ用減圧弁20、電磁弁ＣのＰポート・Ｂポートを通って流入する。このとき、ブレーキは非制動状態であって、エアシリンダ10のヘッド側室16及び背圧室17は大気に連通されているので、ピストン11は停止され、ピストン11の両側に作用する力は、概ね大気圧とされている。
【０００８】
図１・図２によりエアシリンダ10の操作について説明する。電磁弁Ａの操作部にスイッチ制御信号（電磁弁オン信号）を送ると、電磁弁Ａが位置Ｉから位置IIに切り換えられ、駆動用減圧弁19により減圧された圧縮空気が、電磁弁ＡのＰポート・Ａポート、配管50を通ってエアシリンダ10のヘッド側室16に流入する。エアシリンダ10の背圧室17内の空気は、配管51、スピードコントローラ14、電磁弁ＢのＡポート・Ｒポートを通って大気に排出され、ピストン11が前進する。ピストン11の変位Ｘは位置検出器26により検出され、後述のとおり背圧指令信号を出力するピストン変位Ｘp が、電磁弁Ｂの制御信号として設定される。従って、コンピュータ28がＸ≧Ｘp であることを判断すると、コンピュータ28から電磁弁Ｂの操作部へオン信号が送られ、電磁弁Ｂが位置Ｉから位置IIに切り換えられる。電磁弁Ｂの切換により、空気圧源22からの減圧されていない圧縮空気が、電磁弁ＢのＰポート・Ａポート、配管51を通ってエアシリンダ10の背圧室17に流入する。このとき、電磁弁Ａは位置IIを維持しているので、背圧室17に流入する圧縮空気はピストン11に背圧として作用し、ピストン11の前進運動が減速される。
【０００９】
電磁弁Ｂを操作してから時間Ｔv が経過後に、ピストン11の速度が略ゼロに減速されたとき、コンピュータ28から電磁弁Ｃの操作部へオン信号が送られ、電磁弁Ｃが位置Ｉから位置IIに切り換えられる。電磁弁Ｃが位置IIに切り換えられると、減圧弁20で減圧された圧縮空気が、電磁弁ＣのＰポート・Ａポート、配管52を通って制動装置13の作動側室に流入し、極めて低速で移動するピストンロッドをブレーキ片が締め付け、安定した制動が実現する。なお、本発明では、ピストン変位Ｘp を自己学習方法により随時に補正し、ピストン11の位置決め誤差が収束するようにする。また、時間おくれＴv をファジィ推論により随時に補正し、ピストン11の速度がゼロ近くのときにブレーキをかけるようにする。
【００１０】
図３には、背圧を作用させない直接制動と、背圧の作用により減速させてから制動する背圧減速制動について示されている。前記のとおり、ピストン11が安定した前進運動に入った後、電磁弁Ｂを位置Ｉから位置IIに切り換えると、背圧室17が排気状態から給気状態に変わり、ピストン11の力バランスが崩れ、ピストン11の速度が略ゼロに低下する。図３から分かるように、直接制動の過程と比べ、背圧減速制動の過程は速度及び加速度の変化が滑らかであり、背圧減速制動によりピストン11の運動安定性が大いに改善され、ブレーキ片とピストンロッド表面との衝撃が避けられている。
【００１１】
背圧減速制動を利用して位置決めを実現させるために必要な、背圧減速過程の特性について説明する。特性をあらわすパラメータとして、背圧減速過程の行程（距離）をＳpbとし、時間をＴprとする。そして、背圧が上昇し始める時点からピストン11が速度ゼロに減速する時点までの過程において、Ｓpbはピストン11が移動した距離であり、Ｔprはこの過程の時間である。ＳpbとＴprの影響因子として、主に慣性負荷Ｍ、安定速度Ｖ∞及び背圧開始位置Ｘvs（背圧を作用させるときのピストン11の位置）が考えられる。なお、Ｘvsは背圧を作用させるときのエアシリンダ10のヘッド側室16と背圧室17の容積関係をあらわしている。
ＳpbとＴprは、前記の３つの影響因子の関数として、次のようにあらわすことができる。
Ｓpb＝ＦS（Ｍ，Ｖ∞，Ｘvs） (1)
Ｔpr＝ＦT（Ｍ，Ｖ∞，Ｘvs） (2)
この２つの関数は、複雑で把握し難いので、ファジィ推論と自己学習を使ってこの未知過程に対して制御を行うしかない。
【００１２】
ファジィ推論を用いたファジィ制動について説明する。背圧減速過程の考察から、実際の減速時間Ｔprを正確に予測できれば、時間遅れＴv の理想値は、
Ｔv ＝Ｔpr−Ｔbr (3)
として求められる。ここに、Ｔbrは制動装置の無駄時間（一定値）である。簡単にするため、電磁弁Ｂと電磁弁Ｃの応答時間が等しく共にＴvrとし、また電磁弁Ｂからエアシリンダ10の背圧室17までの配管51中の圧力伝播時間と、電磁弁Ｃから制動装置13の作動側室（シリンダ室）までの配管52中の圧力伝播時間が等しく、共にＴtrとする。Ｔprが未知であるので、ここではファジィ推論によってその値を得る。ファジィ推論とは、入力と出力との間の関係が不精確か未知である制御対象に対し、経験値を利用してファジィ推論規則を確立することにより、入力と出力との間の関係を構築する知能制御方法である。
【００１３】
非理想の時間遅れＴv の値のときの減速制動結果について検討し、次に制御目標によってファジィ推論の入出力変数を確立しておく。
Ｔv が理想値より小さい、即ちＴv の予測値が小さい場合は、制動は減速途中で起こり、一定の制動距離が生ずることとなる。逆に、Ｔv が理想値より大きい、即ちＴv の予測値が大きい場合は、制動はピストン11の停止よりも遅れるため、位置の維持に不利であるだけでなく、目標位置がピストン11のストロークエンドに近いほど、背圧の瞬時上昇によるピストン11のバウンド現象が発生し易くなる。この２種類の制動結果の概念図を図４に示す。ここでは、制動点をＸv とし、減速制動過程の最大変位点をＸm とし、停止点をＸs として表した。なお、ケース２では、最大変位点Ｘm に達した後に戻って停止した。
【００１４】
これにより、ファジィ推論の入力変数を
Ｓe ＝Ｘv −Ｘm Ｘs ＝Ｘm
Ｓe ＝Ｘm −Ｘs Ｘs ＜Ｘm (4)
と決める。ファジィ推論の目的は、制動誤差Ｓe を収束させることである。式(4) におけるＸv はピストン変位Ｘp の点での速度Ｖp の検出により、次のように得られる。
Ｘv ＝Ｘp ＋Ｖp(Ｔvr＋Ｔtr) ＋Ｖp(Ｔv −Ｔvr−Ｔtr＋Ｔr)／２ (5)
ここに、Ｔr は、制動の無駄時間であって、Ｔvr、ＴtrとＴbrの和である。
【００１５】
背圧減速過程の時間Ｔprは、ファジィ推論の目標値である。ΔＴv がΔＴprに等しいので、ファジィ推論の出力変数をΔＴv と決める。Ｓe とΔＴv との関係を考えると、第ｋ回の動作において、Ｓe が負ならば、Ｔv は割りに小さいことを意味しているので、第ｋ＋１回の動作において、Ｔv を増大しなければならない。すなわち、ΔＴv は正にならなければならない。反対もまた同じである。
ファジィ変数及びファジィルールを次のとおり定義する。
ＮＢ：負大 Ｒ１＝もしＳe がＮＢならばΔＴv はＰＢである。
ＮＳ：負小 Ｒ２＝もしＳe がＮＳならばΔＴv はＰＳである。
ＺＲ：零 Ｒ３＝もしＳe がＺＲならばΔＴv はＺＲである。
ＰＳ：正小 Ｒ４＝もしＳe がＰＳならばΔＴv はＮＳである。
ＰＢ：正大 Ｒ５＝もしＳe がＰＢならばΔＴv はＮＢである。
【００１６】
図５に示すように、各ファジィ変数のメンバーシップ関数はすべて三角波形関数を採用している。ファジィルール及びメンバーシップ関数は専門家の経験によって決められたものである。これはファジィ制御の特徴でもある。本発明に用いた専門家の経験は、予備実験データに基づき、制御効果からパラメータを繰り返して修正することにより得られたものである。
本発明におけるファジィ推論は、質量重心法により決められる。この方法は連続ファジィ制御の一種に属し、具体的な操作は次のとおりである。すなわち、第ｋ回の動作後に得られたＳe に対して、Ｓe 入力区域のメンバーシップ関数により、一つ又は二つのファジィ変数の適合度ｆ（＊）（即ち縦軸座標、値の範囲は０〜１）を決め、更にファジィルールにより適合度を出力区域に映して、一つ又は二つの同じ高さの影三角形を得る（図５参照）。影三角形の面積は、いわゆる「質量」である。これらの影三角形の総重心の横座標を求めることによって、ファジィ推論の出力変数の精確値ΔＴv を得る。更に、この値を使いＴv を修正して第ｋ＋１回の動作を行うということである。この方法は、計算が簡単で入出力関係が明瞭である。計算式は図８の式(6) のとおりである。ただし、Ｌ（＊）とＦ（＊）はそれぞれΔＴv の出力区域の三角形の、底辺の長さと重心の横座標である。 次に一つの例を示す。Ｓe ＝1.0 のとき、メンバーシップ関数により、ｆ(ZR)は約0.33で、ｆ(PS)は0.67となる。対応している影三角形の重心は図８の式(6-1) によって求められる。
【００１７】
学習制御による学習位置決めについて説明する。背圧減速過程の学習位置決めを検討するために、背圧減速過程を背圧減速反応段階と背圧減速段階という二つの段階に分ける。ピストンのこの二つの段階での行程をそれぞれＳpa、Ｓpbとする。背圧減速過程の変位オーバーラン量は、
Ｓp ＝Ｓpa＋Ｓpb (7)
となる。Ｓpaは次式(8) により得られる。
Ｓpa＝（Ｔvr＋Ｔtr）・Ｖp (8)
Ｓp の式においてＳpbだけは未知であるので、Ｓpbは背圧減速学習制御の目標対象となる。学習コントローラは式(8) 〜(12)のように設計される。なお、式(11)及び(12)は図８に(11)及び(12)として示されている。
Ｓ’pb(k) ＝Ｘm(k)−Ｘp(k)−Ｓpa(k) (9)
Ｓpb(k) ＝Ｓ’pb(k) −λ・Ｓe Ｓe ＜０
Ｓpb(k) ＝Ｓ’pb(k) Ｓe ≧０ (10)
【００１８】
減速途中での制動がＳpbの予測に与える影響を考えるために、補償因子λを導入して制動による行程の短縮部分に対し補償を行う。位置決め誤差の収束速度に影響を与えないようにするため、λの値は一般に大きく選ばれる。特にＳpbの初期値が実際値から大きく離れている場合、通常、λを２〜５とする。
直接制動位置決めと比べて、背圧減速制動位置決めは収束が遅く、収束までに通常３〜５回の学習が必要である。図７には、単目標点の周期動作においてファジィ制動と学習位置決めによる収束過程を示す。図７から、制動誤差Ｓe と位置決め誤差ｅは数回の学習を経て収束し、一定に保たれていることが分かる。これは、ファジィ推論及び自己学習を用いて背圧減速制動により位置決め制御を行うことが可能でありかつ有効であることを示している。
【００１９】
次に図６のフローチャートを参照してシリンダ位置決め制御装置の制御について説明する。
制御のプログラムが開始すると、ステップＳ１において、エアシリンダ10のピストン11が長時間停止しているか否かを判断する。ピストン11が長時間停止しているときは、静摩擦力を小さくし、電磁弁Ｂ・Ｃの応答時間Ｔvrと制動装置13の無駄時間Ｔbrを安定させるために、制動装置13を予め２回作動させてから動作させることとしている。前記のＴvr，Ｔbr及び電磁弁Ｂ・Ｃからシリンダまでの圧力伝播時間Ｔtrには事前の測定値が使われる。
ステップＳ１において、ピストン11が長時間停止していないと判断されたときはステップＳ３に進み、長時間停止したと判断されたときはステップＳ２でブレーキ装置13のオン・オフ作動を２回行い、その後にステップＳ３に進む。
【００２０】
ステップＳ３において、背圧減速の行程Ｓpb及び時間遅れＴv の初期値を決定する。Ｓpb及びＴv の初期値として、目標位置と負荷を考慮した、収束値に近い経験値を用いる。
ステップＳ４において、電磁弁Ａオンの信号を出力して、ピストンを前進させる。前回の復帰状態で電磁弁Ｂがオンのときは電磁弁Ｂをオフとする。図１に示す状態で電磁弁Ａがオンとなって位置IIに切り換えられ、電磁弁Ｂ・Ｃはオフの状態を維持し位置Ｉにあるので、ピストン11が前進を開始する。
ステップＳ５において、位置検出器26からの入力信号から、０．５ｍｓのサンプリング周期でピストン変位Ｘを検出し、これを微分して速度Ｖを得てコンピュータ28に入力する。
【００２１】
ステップＳ６において、背圧指令信号を出力する位置Ｘp(k)を決定する。図８の式(13)の右辺の最後の項が既知で、速度Ｖが連続的に検出されるという条件の下で式(8) と式(12)により図８の式(13)〔Ｘp(k)＝目標位置Ｘd −Ｖ（Ｔvr＋Ｔtr）−Ｓpb(k) の予測値〕が求められる。図８の式(14)は電磁弁Ｂがオンになってからピストン11が停止するまでのピストン11の行程を表すので、図８の式(13)の右辺の最後の項（予測値）が真実値に近いならば、位置Ｘp(k)で電磁弁Ｂをオンにしたら、ピストン11を目標位置Ｘd で停止させることができる。
ステップＳ７において、ピストンの変位Ｘが背圧を作用させる位置の条件Ｘ≧Ｘp(k)を満たしているか否かについて判断する。この条件を満たしていないときはステップＳ５へ戻り、満たしているときはステップＳ８へ移る。
ステップＳ８において、背圧指令信号（電磁弁Ｂオン）を出力する。このとき、電磁弁Ｂがオンとなって位置Ｉから位置IIに切り換えられ、圧縮空気がエアシリンダ10の背圧室17に流入され、ピストン11の前進運動は背圧の作用によって減速される。
【００２２】
ステップＳ９において、条件Ｘ≧Ｘp(k) を満足するときに検出した速度ＶはＶp(k)であり、これをコンピュータに読み取り入力する。Ｖp(k)をＳpb(k＋1)の予測に使う（式(8),(9) 参照) 。
ステップＳ１０において、背圧指令信号の出力後の経過時間Ｔと時間遅れＴv とが、Ｔ≧Ｔv の条件を満たしているか否かについて判断する。この条件を満たしていないときはステップＳ１０へ戻り、満たしているとき（ピストン11の速度がゼロ近くに減速したとき）はステップＳ１１へ移る。
ステップＳ１１で制動信号が出力され、電磁弁Ｃが位置Ｉから位置IIに切り換えられ、圧縮空気が制動装置13の作動側室に流入し、ブレーキ片によってピストンロッドが挟持される。
【００２３】
ステップＳ１２において、ピストンが停止したか否か、１秒以内で変位のサンプリング値が等しいか否かについて判断する。停止していない（前記サンプリング値が等しくない）ときはステップＳ１２へ戻り、停止した（前記サンプリング値が等しい）ときはステップＳ１３へ移る。
ステップＳ１３において、変位のサンプリング値の最大値Ｘm 、及びピストンの停止位置Ｘs を検出し、これをコンピュータに読み取り入力する。これらの値と式(4) を用いて制動誤差Ｓe が計算される。
ステップＳ１４において、ピストンの復帰信号を出す。復帰信号は電磁弁Ａ及びＣをオフとする信号であり、この信号により電磁弁Ａ及びＣがともに位置IIから位置Ｉに切り換えられ、電磁弁Ｂは位置II（オン）を維持しており、ピストン11は後退する。
【００２４】
ステップＳ１５において、ピストン11が復帰したか否か、すなわちピストンの変位Ｘ＝０か否かについて判断する。この条件を満たしていないときはステップＳ１５へ戻り、満たしているときはステップＳ１６へ移る。
ステップＳ１６において、周期動作が終わったか否か、すなわちピストン11の停止位置が目標位置であったか否かについて判断する。周期動作が終わったときは終了へ移り、周期動作が終わっていないときはステップＳ１７へ移る。なお、本発明では、周期動作はファジィ推論と自己学習制御の前提となり、何回かの周期動作を経て目標値へ達する。
ステップＳ１７において、式(4),(5) により制動誤差Ｓe を決定する。これは本発明のファジィ推論のキーポイントで重要な意味を持っている。Ｓe は遅れ時間Ｔv に非常に大きく影響されるので、Ｔv の値は理想でなければ、直ちにＳe に現れてくる。従って、Ｔv の値を修正する目的は、Ｓe をゼロへ収束させるためである。Ｓe をゼロに収束するのは制動の安定性を保証する。Ｘm ＝Ｘs のとき、式(5) により計算したＸv は実際の制動点であるわけではないので、この場合、Ｔv の値の不適当さによるＳe への影響はさらに大きくなる。
【００２５】
ステップＳ１８において、ファジィ推論により精確値ΔＴv を決定する。すなわち図８の式(6) を用いて、Ｓe の値からΔＴv を決める。Ｓe がゼロにならないことは、Ｔv の値が不適当であることを意味している。すなわち、Ｔprの予測値は不精確だということである。ファジィ推論の目的は、Ｓe をゼロに収束させ、Ｔprの真実値を得るためである。
ステップＳ１９において、前回ｋの動作から得たΔＴv を使い、次回ｋ＋１の時間遅れを式〔Ｔv( k＋1)＝Ｔv(k)＋ΔＴv(k)〕により修正する。
ステップＳ２０において、式(9),(10),(11) により、次回の背圧減速の行程Ｓpbを演算する。
【００２６】
【発明の効果】
本発明の請求項１記載のものでは、ピストンを前進させ、最適の位置でピストンに背圧を作用させて減速し、ピストン速度がゼロに近づいたときにブレーキをかけて停止させる。従って、ピストンの運動が極めて安定しており、停止に伴う衝撃を完全に防ぐことができ、ピストンの安定的な制動を実現することができた。
本発明の請求項２及び３記載のものでは、制動信号の出力時期を決める時間遅れＴv をファジィ推論により随時に補正し、ピストンを制動前に速度ゼロ近くまで減速させる。それとともに、背圧指令信号を出力するピストン変位Ｘp を自己学習方法により随時に補正し、ピストンの位置決め誤差を次第に最小に減少させる。こうして、精度の高い位置決めを実現することができた。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態の位置決めシステムの構成図である。
【図２】本発明の実施の形態のピストン変位と電磁弁の操作との関係を示す図である。
【図３】本発明の実施の形態の直接制動と背圧減速制動との運動特性の比較図である。
【図４】本発明の実施の形態における、非理想のＴv 値のときの二種類の制動効果を示す図である。
【図５】ファジィ推論の入出力変数のメンバーシップ関数を示す。
【図６】本発明の実施の形態のシステムのフローチャートを示す。
【図７】本発明の実施の形態における、学習の繰り返しに伴う誤差の変移を示す図である。
【図８】本発明の実施の形態における式の一部を示す。
【符号の説明】
11 ピストン
【発明の属する技術分野】
本発明は、繰り返し動作するシリンダを、目標位置に停止させるシリンダ位置決め制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、ピストンロッドを制動するブレーキ機構と、該ピストンロッドの位置を検出する位置センサを備え、オーバーラン距離のみでなくシリンダ速度をも取り込む学習制御でシリンダの位置決めを行って、ピストンロッドの移動を制御して目標位置にシリンダを停止させるシリンダ位置決め制御装置が知られている。（特開平８−２１０３０２号公報参照）。
従来のシリンダ位置決め制御装置を用いて位置決めを行う場合、ピストンが目標位置に近づくとき、背圧による減速を行うことなく、ブレーキ機構を作動させて直接制動を行って（直接制動方式で）ピストンを停止させていた。この直接制動方式は、ブレーキ片とピストンロッドとの間の摺動摩擦によりピストンの減速と停止を行わせるので、制動力が大きく、高速大負荷の場合には大きな衝撃を生ずることとなる。この衝撃は、ピストンの作動安定性を悪化させるだけでなく、ブレーキ片とピストンロッドの寿命を短くし、大きな騒音の原因となる。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、シリンダ位置決め制御装置において、ピストンを停止させるときに、背圧を作用させてピストンを減速させ、その後に制動を行うことにより、制動時の衝撃の発生を防止させることを課題とする。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
本発明は、前記課題を達成するために、シリンダ位置決め制御装置において、次の手段ＡないしＦを備えることを第１の構成とする。
Ａ．背圧減速の行程Ｓpb及び時間遅れＴv の初期値として経験値を入力する手段。
Ｂ．ピストン前進又は後退の指令信号を出力する手段。
Ｃ．ピストンの変位Ｘと速度Ｖを入力する手段。
Ｄ．式〔Ｘp(k)＝目標位置Ｘd −Ｖ（Ｔvr＋Ｔtr）−Ｓpb(k) の予測値〕を用いて背圧指令信号を出力する位置Ｘp(k)を決定する手段。ここに、Ｔvrは電磁弁の応答時間、Ｔtrは電磁弁からシリンダまでの圧力伝播時間である。
Ｅ．ピストンの変位Ｘが背圧を作用させる位置の条件Ｘ≧Ｘp(k)を満たすか否かを判断し、前記条件を満たすときに背圧指令信号を出力する手段。
Ｆ．背圧指令信号の出力後の経過時間Ｔと時間遅れＴv とが、Ｔ≧Ｔv の条件を満たすか否かを判断し、前記条件を満たすときに制動信号を出力する手段。
本発明は、前記課題を達成するために、シリンダ位置決め制御装置において、次の手段ＡないしＫを備えることを第２の構成とする。
Ａ．ピストン前進又は後退の指令信号を出力する手段。
Ｂ．ピストンの変位Ｘと速度Ｖを入力する手段。
Ｃ．背圧指令信号を出す位置Ｘp(k)を決定する手段。
Ｄ．ピストンの変位Ｘが背圧を作用させる位置の条件Ｘ≧Ｘp(k)を満たすか否かを判断し、前記条件を満たすときに背圧指令信号を出力する手段。
Ｅ．条件Ｘ≧Ｘp(k)を満たすときに検出した速度Ｖp(k)を入力する手段。
Ｆ．背圧指令信号の出力後の経過時間Ｔと時間遅れＴv とが、Ｔ≧Ｔv の条件を満たすか否かを判断し、前記条件を満たすときに制動信号を出力する手段。
Ｇ．ピストン停止後に変位の最大値Ｘm 、ピストンの停止位置Ｘs を入力する手段。
Ｈ．ピストンの復帰後に周期動作が終わったか否かを判断し、周期動作が終わっていないときは、制動誤差Ｓe を決定する手段。
Ｉ．ファジィ推論により精確値ΔＴv(k)を決定する手段。
Ｊ．手段Ｉで得られたΔＴv(k)を使い、Ｔv( k＋1)＝Ｔv(k)＋ΔＴv(k)により、次回の時間遅れＴv を修正する手段。
Ｋ．次回の背圧減速の行程Ｓpbの予測値を演算する手段。
本発明は、前記のシリンダ位置決め制御装置において、次式(a),(b) を用いて制動誤差Ｓe を決定し、次式(c) を用いて背圧指令信号を出す位置Ｘp(k)を決定し、図８に示す式(6) を用いて精確値ΔＴv(k)を決定することを第３の構成とする。
Ｓe ＝Ｘv −Ｘm Ｘs ＝Ｘm
Ｓe ＝Ｘm −Ｘs Ｘs ＜Ｘm (a)
Ｘv ＝Ｘp ＋Ｖp(Ｔvr＋Ｔtr) ＋Ｖp(Ｔv −Ｔvr−Ｔtr＋Ｔr)／２ (b)
Ｘp(k)＝目標位置Ｘd −Ｖ（Ｔvr＋Ｔtr）−Ｓpb(k) の予測値 (c)
ここに、Ｔr は、制動の無駄時間であって、Ｔvr、ＴtrとＴbrの和であり、Ｔvrは電磁弁の応答時間、Ｔtrは電磁弁からシリンダまでの圧力伝播時間であり、Ｔbrは制動装置の無駄時間であり、式(6) においてＬ（＊）とＦ（＊）はそれぞれΔＴv の出力区域の三角形の、底辺の長さと重心の横座標である。
【０００５】
【発明の実施の形態】
図１は本発明をエアシリンダ10に適用した実施の形態を示す。図１において、エアシリンダ10の先端に制動装置（ブレーキ装置）13が配設され、エアシリンダ10にピストン11が摺動自在に嵌合されている。ピストン11に連結されたピストンロッド12が、制動装置13内に挿通され、ピストンロッド12の先端に慣性負荷14が連結されている。エアシリンダ10の内部は、ピストン11によってヘッド側室16と背圧室（ロッド側室）17に区分され、ヘッド側室16は配管50によって電磁弁ＡのＡポートに連通され、配管50には第１スピードコントローラ23が配設されている。同様に背圧室17は配管51によって電磁弁ＢのＡポートに連通され、配管51には第２スピードコントローラ24が配設されている。電磁弁ＡのＰポートは駆動用減圧弁19の流出側ポートに連通され、電磁弁ＢのＰポート及び駆動用減圧弁19の流入側ポートは空気圧源22に連通されている。
【０００６】
制動装置13には不図示の作動側室（シリンダ室）と非作動側室とがあり、作動側室は配管52を介してブレーキ用の電磁弁ＣのＡポートに連通され、非作動側室は配管53を介して電磁弁ＣのＢポートに連通されている。電磁弁ＣのＰポートは、ブレーキ用減圧弁20の流出側ポートに連通され、ブレーキ用減圧弁20の流入側ポートは空気圧源22に連通されている。ピストン11の位置は位置検出器26によって連続的に検出され、位置検出器26の出力は配線を通して信号処理手段27に入力され、信号処理手段27の出力はコンピュータ28に入力される。コンピュータ28の出力は増幅器29により増幅されて電磁弁Ａ〜Ｃに伝送される。
【０００７】
図１に示す位置において、制動装置13の作動側室は電磁弁ＣのＡポート・Ｒポートを通って大気に排気され、制動装置13の非作動側室には空気圧源22からの圧縮空気がブレーキ用減圧弁20、電磁弁ＣのＰポート・Ｂポートを通って流入する。このとき、ブレーキは非制動状態であって、エアシリンダ10のヘッド側室16及び背圧室17は大気に連通されているので、ピストン11は停止され、ピストン11の両側に作用する力は、概ね大気圧とされている。
【０００８】
図１・図２によりエアシリンダ10の操作について説明する。電磁弁Ａの操作部にスイッチ制御信号（電磁弁オン信号）を送ると、電磁弁Ａが位置Ｉから位置IIに切り換えられ、駆動用減圧弁19により減圧された圧縮空気が、電磁弁ＡのＰポート・Ａポート、配管50を通ってエアシリンダ10のヘッド側室16に流入する。エアシリンダ10の背圧室17内の空気は、配管51、スピードコントローラ14、電磁弁ＢのＡポート・Ｒポートを通って大気に排出され、ピストン11が前進する。ピストン11の変位Ｘは位置検出器26により検出され、後述のとおり背圧指令信号を出力するピストン変位Ｘp が、電磁弁Ｂの制御信号として設定される。従って、コンピュータ28がＸ≧Ｘp であることを判断すると、コンピュータ28から電磁弁Ｂの操作部へオン信号が送られ、電磁弁Ｂが位置Ｉから位置IIに切り換えられる。電磁弁Ｂの切換により、空気圧源22からの減圧されていない圧縮空気が、電磁弁ＢのＰポート・Ａポート、配管51を通ってエアシリンダ10の背圧室17に流入する。このとき、電磁弁Ａは位置IIを維持しているので、背圧室17に流入する圧縮空気はピストン11に背圧として作用し、ピストン11の前進運動が減速される。
【０００９】
電磁弁Ｂを操作してから時間Ｔv が経過後に、ピストン11の速度が略ゼロに減速されたとき、コンピュータ28から電磁弁Ｃの操作部へオン信号が送られ、電磁弁Ｃが位置Ｉから位置IIに切り換えられる。電磁弁Ｃが位置IIに切り換えられると、減圧弁20で減圧された圧縮空気が、電磁弁ＣのＰポート・Ａポート、配管52を通って制動装置13の作動側室に流入し、極めて低速で移動するピストンロッドをブレーキ片が締め付け、安定した制動が実現する。なお、本発明では、ピストン変位Ｘp を自己学習方法により随時に補正し、ピストン11の位置決め誤差が収束するようにする。また、時間おくれＴv をファジィ推論により随時に補正し、ピストン11の速度がゼロ近くのときにブレーキをかけるようにする。
【００１０】
図３には、背圧を作用させない直接制動と、背圧の作用により減速させてから制動する背圧減速制動について示されている。前記のとおり、ピストン11が安定した前進運動に入った後、電磁弁Ｂを位置Ｉから位置IIに切り換えると、背圧室17が排気状態から給気状態に変わり、ピストン11の力バランスが崩れ、ピストン11の速度が略ゼロに低下する。図３から分かるように、直接制動の過程と比べ、背圧減速制動の過程は速度及び加速度の変化が滑らかであり、背圧減速制動によりピストン11の運動安定性が大いに改善され、ブレーキ片とピストンロッド表面との衝撃が避けられている。
【００１１】
背圧減速制動を利用して位置決めを実現させるために必要な、背圧減速過程の特性について説明する。特性をあらわすパラメータとして、背圧減速過程の行程（距離）をＳpbとし、時間をＴprとする。そして、背圧が上昇し始める時点からピストン11が速度ゼロに減速する時点までの過程において、Ｓpbはピストン11が移動した距離であり、Ｔprはこの過程の時間である。ＳpbとＴprの影響因子として、主に慣性負荷Ｍ、安定速度Ｖ∞及び背圧開始位置Ｘvs（背圧を作用させるときのピストン11の位置）が考えられる。なお、Ｘvsは背圧を作用させるときのエアシリンダ10のヘッド側室16と背圧室17の容積関係をあらわしている。
ＳpbとＴprは、前記の３つの影響因子の関数として、次のようにあらわすことができる。
Ｓpb＝ＦS（Ｍ，Ｖ∞，Ｘvs） (1)
Ｔpr＝ＦT（Ｍ，Ｖ∞，Ｘvs） (2)
この２つの関数は、複雑で把握し難いので、ファジィ推論と自己学習を使ってこの未知過程に対して制御を行うしかない。
【００１２】
ファジィ推論を用いたファジィ制動について説明する。背圧減速過程の考察から、実際の減速時間Ｔprを正確に予測できれば、時間遅れＴv の理想値は、
Ｔv ＝Ｔpr−Ｔbr (3)
として求められる。ここに、Ｔbrは制動装置の無駄時間（一定値）である。簡単にするため、電磁弁Ｂと電磁弁Ｃの応答時間が等しく共にＴvrとし、また電磁弁Ｂからエアシリンダ10の背圧室17までの配管51中の圧力伝播時間と、電磁弁Ｃから制動装置13の作動側室（シリンダ室）までの配管52中の圧力伝播時間が等しく、共にＴtrとする。Ｔprが未知であるので、ここではファジィ推論によってその値を得る。ファジィ推論とは、入力と出力との間の関係が不精確か未知である制御対象に対し、経験値を利用してファジィ推論規則を確立することにより、入力と出力との間の関係を構築する知能制御方法である。
【００１３】
非理想の時間遅れＴv の値のときの減速制動結果について検討し、次に制御目標によってファジィ推論の入出力変数を確立しておく。
Ｔv が理想値より小さい、即ちＴv の予測値が小さい場合は、制動は減速途中で起こり、一定の制動距離が生ずることとなる。逆に、Ｔv が理想値より大きい、即ちＴv の予測値が大きい場合は、制動はピストン11の停止よりも遅れるため、位置の維持に不利であるだけでなく、目標位置がピストン11のストロークエンドに近いほど、背圧の瞬時上昇によるピストン11のバウンド現象が発生し易くなる。この２種類の制動結果の概念図を図４に示す。ここでは、制動点をＸv とし、減速制動過程の最大変位点をＸm とし、停止点をＸs として表した。なお、ケース２では、最大変位点Ｘm に達した後に戻って停止した。
【００１４】
これにより、ファジィ推論の入力変数を
Ｓe ＝Ｘv −Ｘm Ｘs ＝Ｘm
Ｓe ＝Ｘm −Ｘs Ｘs ＜Ｘm (4)
と決める。ファジィ推論の目的は、制動誤差Ｓe を収束させることである。式(4) におけるＸv はピストン変位Ｘp の点での速度Ｖp の検出により、次のように得られる。
Ｘv ＝Ｘp ＋Ｖp(Ｔvr＋Ｔtr) ＋Ｖp(Ｔv −Ｔvr−Ｔtr＋Ｔr)／２ (5)
ここに、Ｔr は、制動の無駄時間であって、Ｔvr、ＴtrとＴbrの和である。
【００１５】
背圧減速過程の時間Ｔprは、ファジィ推論の目標値である。ΔＴv がΔＴprに等しいので、ファジィ推論の出力変数をΔＴv と決める。Ｓe とΔＴv との関係を考えると、第ｋ回の動作において、Ｓe が負ならば、Ｔv は割りに小さいことを意味しているので、第ｋ＋１回の動作において、Ｔv を増大しなければならない。すなわち、ΔＴv は正にならなければならない。反対もまた同じである。
ファジィ変数及びファジィルールを次のとおり定義する。
ＮＢ：負大 Ｒ１＝もしＳe がＮＢならばΔＴv はＰＢである。
ＮＳ：負小 Ｒ２＝もしＳe がＮＳならばΔＴv はＰＳである。
ＺＲ：零 Ｒ３＝もしＳe がＺＲならばΔＴv はＺＲである。
ＰＳ：正小 Ｒ４＝もしＳe がＰＳならばΔＴv はＮＳである。
ＰＢ：正大 Ｒ５＝もしＳe がＰＢならばΔＴv はＮＢである。
【００１６】
図５に示すように、各ファジィ変数のメンバーシップ関数はすべて三角波形関数を採用している。ファジィルール及びメンバーシップ関数は専門家の経験によって決められたものである。これはファジィ制御の特徴でもある。本発明に用いた専門家の経験は、予備実験データに基づき、制御効果からパラメータを繰り返して修正することにより得られたものである。
本発明におけるファジィ推論は、質量重心法により決められる。この方法は連続ファジィ制御の一種に属し、具体的な操作は次のとおりである。すなわち、第ｋ回の動作後に得られたＳe に対して、Ｓe 入力区域のメンバーシップ関数により、一つ又は二つのファジィ変数の適合度ｆ（＊）（即ち縦軸座標、値の範囲は０〜１）を決め、更にファジィルールにより適合度を出力区域に映して、一つ又は二つの同じ高さの影三角形を得る（図５参照）。影三角形の面積は、いわゆる「質量」である。これらの影三角形の総重心の横座標を求めることによって、ファジィ推論の出力変数の精確値ΔＴv を得る。更に、この値を使いＴv を修正して第ｋ＋１回の動作を行うということである。この方法は、計算が簡単で入出力関係が明瞭である。計算式は図８の式(6) のとおりである。ただし、Ｌ（＊）とＦ（＊）はそれぞれΔＴv の出力区域の三角形の、底辺の長さと重心の横座標である。 次に一つの例を示す。Ｓe ＝1.0 のとき、メンバーシップ関数により、ｆ(ZR)は約0.33で、ｆ(PS)は0.67となる。対応している影三角形の重心は図８の式(6-1) によって求められる。
【００１７】
学習制御による学習位置決めについて説明する。背圧減速過程の学習位置決めを検討するために、背圧減速過程を背圧減速反応段階と背圧減速段階という二つの段階に分ける。ピストンのこの二つの段階での行程をそれぞれＳpa、Ｓpbとする。背圧減速過程の変位オーバーラン量は、
Ｓp ＝Ｓpa＋Ｓpb (7)
となる。Ｓpaは次式(8) により得られる。
Ｓpa＝（Ｔvr＋Ｔtr）・Ｖp (8)
Ｓp の式においてＳpbだけは未知であるので、Ｓpbは背圧減速学習制御の目標対象となる。学習コントローラは式(8) 〜(12)のように設計される。なお、式(11)及び(12)は図８に(11)及び(12)として示されている。
Ｓ’pb(k) ＝Ｘm(k)−Ｘp(k)−Ｓpa(k) (9)
Ｓpb(k) ＝Ｓ’pb(k) −λ・Ｓe Ｓe ＜０
Ｓpb(k) ＝Ｓ’pb(k) Ｓe ≧０ (10)
【００１８】
減速途中での制動がＳpbの予測に与える影響を考えるために、補償因子λを導入して制動による行程の短縮部分に対し補償を行う。位置決め誤差の収束速度に影響を与えないようにするため、λの値は一般に大きく選ばれる。特にＳpbの初期値が実際値から大きく離れている場合、通常、λを２〜５とする。
直接制動位置決めと比べて、背圧減速制動位置決めは収束が遅く、収束までに通常３〜５回の学習が必要である。図７には、単目標点の周期動作においてファジィ制動と学習位置決めによる収束過程を示す。図７から、制動誤差Ｓe と位置決め誤差ｅは数回の学習を経て収束し、一定に保たれていることが分かる。これは、ファジィ推論及び自己学習を用いて背圧減速制動により位置決め制御を行うことが可能でありかつ有効であることを示している。
【００１９】
次に図６のフローチャートを参照してシリンダ位置決め制御装置の制御について説明する。
制御のプログラムが開始すると、ステップＳ１において、エアシリンダ10のピストン11が長時間停止しているか否かを判断する。ピストン11が長時間停止しているときは、静摩擦力を小さくし、電磁弁Ｂ・Ｃの応答時間Ｔvrと制動装置13の無駄時間Ｔbrを安定させるために、制動装置13を予め２回作動させてから動作させることとしている。前記のＴvr，Ｔbr及び電磁弁Ｂ・Ｃからシリンダまでの圧力伝播時間Ｔtrには事前の測定値が使われる。
ステップＳ１において、ピストン11が長時間停止していないと判断されたときはステップＳ３に進み、長時間停止したと判断されたときはステップＳ２でブレーキ装置13のオン・オフ作動を２回行い、その後にステップＳ３に進む。
【００２０】
ステップＳ３において、背圧減速の行程Ｓpb及び時間遅れＴv の初期値を決定する。Ｓpb及びＴv の初期値として、目標位置と負荷を考慮した、収束値に近い経験値を用いる。
ステップＳ４において、電磁弁Ａオンの信号を出力して、ピストンを前進させる。前回の復帰状態で電磁弁Ｂがオンのときは電磁弁Ｂをオフとする。図１に示す状態で電磁弁Ａがオンとなって位置IIに切り換えられ、電磁弁Ｂ・Ｃはオフの状態を維持し位置Ｉにあるので、ピストン11が前進を開始する。
ステップＳ５において、位置検出器26からの入力信号から、０．５ｍｓのサンプリング周期でピストン変位Ｘを検出し、これを微分して速度Ｖを得てコンピュータ28に入力する。
【００２１】
ステップＳ６において、背圧指令信号を出力する位置Ｘp(k)を決定する。図８の式(13)の右辺の最後の項が既知で、速度Ｖが連続的に検出されるという条件の下で式(8) と式(12)により図８の式(13)〔Ｘp(k)＝目標位置Ｘd −Ｖ（Ｔvr＋Ｔtr）−Ｓpb(k) の予測値〕が求められる。図８の式(14)は電磁弁Ｂがオンになってからピストン11が停止するまでのピストン11の行程を表すので、図８の式(13)の右辺の最後の項（予測値）が真実値に近いならば、位置Ｘp(k)で電磁弁Ｂをオンにしたら、ピストン11を目標位置Ｘd で停止させることができる。
ステップＳ７において、ピストンの変位Ｘが背圧を作用させる位置の条件Ｘ≧Ｘp(k)を満たしているか否かについて判断する。この条件を満たしていないときはステップＳ５へ戻り、満たしているときはステップＳ８へ移る。
ステップＳ８において、背圧指令信号（電磁弁Ｂオン）を出力する。このとき、電磁弁Ｂがオンとなって位置Ｉから位置IIに切り換えられ、圧縮空気がエアシリンダ10の背圧室17に流入され、ピストン11の前進運動は背圧の作用によって減速される。
【００２２】
ステップＳ９において、条件Ｘ≧Ｘp(k) を満足するときに検出した速度ＶはＶp(k)であり、これをコンピュータに読み取り入力する。Ｖp(k)をＳpb(k＋1)の予測に使う（式(8),(9) 参照) 。
ステップＳ１０において、背圧指令信号の出力後の経過時間Ｔと時間遅れＴv とが、Ｔ≧Ｔv の条件を満たしているか否かについて判断する。この条件を満たしていないときはステップＳ１０へ戻り、満たしているとき（ピストン11の速度がゼロ近くに減速したとき）はステップＳ１１へ移る。
ステップＳ１１で制動信号が出力され、電磁弁Ｃが位置Ｉから位置IIに切り換えられ、圧縮空気が制動装置13の作動側室に流入し、ブレーキ片によってピストンロッドが挟持される。
【００２３】
ステップＳ１２において、ピストンが停止したか否か、１秒以内で変位のサンプリング値が等しいか否かについて判断する。停止していない（前記サンプリング値が等しくない）ときはステップＳ１２へ戻り、停止した（前記サンプリング値が等しい）ときはステップＳ１３へ移る。
ステップＳ１３において、変位のサンプリング値の最大値Ｘm 、及びピストンの停止位置Ｘs を検出し、これをコンピュータに読み取り入力する。これらの値と式(4) を用いて制動誤差Ｓe が計算される。
ステップＳ１４において、ピストンの復帰信号を出す。復帰信号は電磁弁Ａ及びＣをオフとする信号であり、この信号により電磁弁Ａ及びＣがともに位置IIから位置Ｉに切り換えられ、電磁弁Ｂは位置II（オン）を維持しており、ピストン11は後退する。
【００２４】
ステップＳ１５において、ピストン11が復帰したか否か、すなわちピストンの変位Ｘ＝０か否かについて判断する。この条件を満たしていないときはステップＳ１５へ戻り、満たしているときはステップＳ１６へ移る。
ステップＳ１６において、周期動作が終わったか否か、すなわちピストン11の停止位置が目標位置であったか否かについて判断する。周期動作が終わったときは終了へ移り、周期動作が終わっていないときはステップＳ１７へ移る。なお、本発明では、周期動作はファジィ推論と自己学習制御の前提となり、何回かの周期動作を経て目標値へ達する。
ステップＳ１７において、式(4),(5) により制動誤差Ｓe を決定する。これは本発明のファジィ推論のキーポイントで重要な意味を持っている。Ｓe は遅れ時間Ｔv に非常に大きく影響されるので、Ｔv の値は理想でなければ、直ちにＳe に現れてくる。従って、Ｔv の値を修正する目的は、Ｓe をゼロへ収束させるためである。Ｓe をゼロに収束するのは制動の安定性を保証する。Ｘm ＝Ｘs のとき、式(5) により計算したＸv は実際の制動点であるわけではないので、この場合、Ｔv の値の不適当さによるＳe への影響はさらに大きくなる。
【００２５】
ステップＳ１８において、ファジィ推論により精確値ΔＴv を決定する。すなわち図８の式(6) を用いて、Ｓe の値からΔＴv を決める。Ｓe がゼロにならないことは、Ｔv の値が不適当であることを意味している。すなわち、Ｔprの予測値は不精確だということである。ファジィ推論の目的は、Ｓe をゼロに収束させ、Ｔprの真実値を得るためである。
ステップＳ１９において、前回ｋの動作から得たΔＴv を使い、次回ｋ＋１の時間遅れを式〔Ｔv( k＋1)＝Ｔv(k)＋ΔＴv(k)〕により修正する。
ステップＳ２０において、式(9),(10),(11) により、次回の背圧減速の行程Ｓpbを演算する。
【００２６】
【発明の効果】
本発明の請求項１記載のものでは、ピストンを前進させ、最適の位置でピストンに背圧を作用させて減速し、ピストン速度がゼロに近づいたときにブレーキをかけて停止させる。従って、ピストンの運動が極めて安定しており、停止に伴う衝撃を完全に防ぐことができ、ピストンの安定的な制動を実現することができた。
本発明の請求項２及び３記載のものでは、制動信号の出力時期を決める時間遅れＴv をファジィ推論により随時に補正し、ピストンを制動前に速度ゼロ近くまで減速させる。それとともに、背圧指令信号を出力するピストン変位Ｘp を自己学習方法により随時に補正し、ピストンの位置決め誤差を次第に最小に減少させる。こうして、精度の高い位置決めを実現することができた。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態の位置決めシステムの構成図である。
【図２】本発明の実施の形態のピストン変位と電磁弁の操作との関係を示す図である。
【図３】本発明の実施の形態の直接制動と背圧減速制動との運動特性の比較図である。
【図４】本発明の実施の形態における、非理想のＴv 値のときの二種類の制動効果を示す図である。
【図５】ファジィ推論の入出力変数のメンバーシップ関数を示す。
【図６】本発明の実施の形態のシステムのフローチャートを示す。
【図７】本発明の実施の形態における、学習の繰り返しに伴う誤差の変移を示す図である。
【図８】本発明の実施の形態における式の一部を示す。
【符号の説明】
11 ピストン
Claims (3)
- 次の手段ＡないしＦからなるシリンダ位置決め制御装置。
Ａ．背圧減速の行程Ｓpb及び時間遅れＴv の初期値として経験値を入力する手段。
Ｂ．ピストン前進又は後退の指令信号を出力する手段。
Ｃ．ピストンの変位Ｘと速度Ｖを入力する手段。
Ｄ．式〔Ｘp(k)＝目標位置Ｘd −Ｖ（Ｔvr＋Ｔtr）−Ｓpb(k) の予測値〕を用いて背圧指令信号を出力する位置Ｘp(k)を決定する手段。ここに、Ｔvrは電磁弁の応答時間、Ｔtrは電磁弁からシリンダまでの圧力伝播時間である。
Ｅ．ピストンの変位Ｘが背圧を作用させる位置の条件Ｘ≧Ｘp(k)を満たすか否かを判断し、前記条件を満たすときに背圧指令信号を出力する手段。
Ｆ．背圧指令信号の出力後の経過時間Ｔと時間遅れＴv とが、Ｔ≧Ｔv の条件を満たすか否かを判断し、前記条件を満たすときに制動信号を出力する手段。 - 次の手段ＡないしＫからなるシリンダ位置決め制御装置。
Ａ．ピストン前進又は後退の指令信号を出力する手段。
Ｂ．ピストンの変位Ｘと速度Ｖを入力する手段。
Ｃ．背圧指令信号を出す位置Ｘp(k)を決定する手段。
Ｄ．ピストンの変位Ｘが背圧を作用させる位置の条件Ｘ≧Ｘp(k)を満たすか否かを判断し、前記条件を満たすときに背圧指令信号を出力する手段。
Ｅ．条件Ｘ≧Ｘp(k)を満たすときに検出した速度Ｖp(k)を入力する手段。
Ｆ．背圧指令信号の出力後の経過時間Ｔと時間遅れＴv とが、Ｔ≧Ｔv の条件を満たすか否かを判断し、前記条件を満たすときに制動信号を出力する手段。
Ｇ．ピストン停止後に変位の最大値Ｘm 、ピストンの停止位置Ｘs を入力する手段。
Ｈ．ピストンの復帰後に周期動作が終わったか否かを判断し、周期動作が終わっていないときは、制動誤差Ｓe を決定する手段。
Ｉ．ファジィ推論により精確値ΔＴv(k)を決定する手段。
Ｊ．手段Ｉで得られたΔＴv(k)を使い、Ｔv( k＋1)＝Ｔv(k)＋ΔＴv(k)により、次回の時間遅れＴv を修正する手段。
Ｋ．次回の背圧減速の行程Ｓpbの予測値を演算する手段。 - 次式(a),(b) を用いて制動誤差Ｓe を決定し、次式(c) を用いて背圧指令信号を出す位置Ｘp(k)を決定し、図８に示す式(6) を用いて精確値ΔＴv(k)を決定する請求項２記載のシリンダ位置決め制御装置。
Ｓe ＝Ｘv −Ｘm Ｘs ＝Ｘm
Ｓe ＝Ｘm −Ｘs Ｘs ＜Ｘm (a)
Ｘv ＝Ｘp ＋Ｖp(Ｔvr＋Ｔtr) ＋Ｖp(Ｔv −Ｔvr−Ｔtr＋Ｔr)／２ (b)
Ｘp(k)＝目標位置Ｘd −Ｖ（Ｔvr＋Ｔtr）−Ｓpb(k) の予測値 (c)
ここに、Ｔr は、制動の無駄時間であって、Ｔvr、ＴtrとＴbrの和であり、Ｔvrは電磁弁の応答時間、Ｔtrは電磁弁からシリンダまでの圧力伝播時間であり、Ｔbrは制動装置の無駄時間であり、式(6) においてＬ（＊）とＦ（＊）はそれぞれΔＴv の出力区域の三角形の、底辺の長さと重心の横座標である。
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