JP5164047B2 - アクチュエータ、アクチュエータの制御方法及びアクチュエータの制御プログラム - Google Patents

Description

本発明は、エアシリンダなどの流体シリンダを用いたアクチュエータ、及びアクチュエータの制御方法、並びにアクチュエータの制御プログラムに関する。

特許文献１に示されるように、ロボットの関節を動かすためのアクチュエータとしては、従来からサーボモータ等の電動モータが用いられている。これはモータであれば、比較的手軽に入手できるためである。しかしながらモータは、ロボット全体が大型化する問題があり、また重量があるためにロボットの機械的強度の設計も重要になる。エアシリンダ等の流体シリンダは、モータと比較して、小形軽量であり、また構造が単純でメンテナンスも容易である等の利点があるため、ロボット用のアクチュエータとして有用なものと考えられている。

特許文献２には、本願の発明者が先に提案したアクチュエータについての記載がある。

特開２００３−３１１６６７号公報 ＷＯ２００５−４５２５７号公報

しかしながらエアシリンダのような流体シリンダの適用を阻む最も大きな欠点としては、任意の位置においてピストンを動かしにくくする性能すなわち剛性を発揮させることが難しいという欠点がある。これはモータと異なり力発生の応答性が低いために、ピストンの位置を保つために外力へ抗する力をすばやく発生できないことが主な原因であると考えられている。これを解消するために、摩擦ブレーキやラッチなどを付加する方法が存在するが、それらを付加するのであれば、モータのみを使う方が合理的である。したがって、極力単純な機構でこの剛性を与える方法が必要である。しかしながら、従来はこの要求に応えることができる技術は提案されていない。

この問題点を解決するために、本願の発明者らは、先にバルブの開度が可変できる排出バルブ機構を備えたアクチュエータを提案した（特許文献２）。
この先に提案した排出バルブを備えて、エアシリンダ内の圧力を制御すれば、アクチュエータとして、所望の動作状態が得られる。

このようなエアシリンダを制御する手法としては、例えばＰＩＤ制御が広く知られている。ＰＩＤ制御は、フィールドバック制御の一種であり、操作量を、現在値と目標値との偏差に比例した量、偏差の時間積分に比例した量及び偏差の変化量に比例した量の３つの要素で制御する手法である。ＰＩＤ制御の内のＰは、偏差に比例した比例制御（Proportional制御）であり、Ｉは積分制御（Integral制御）であり、Ｄは微分制御（Differential制御）である。
ＰＩＤ制御は、エアシリンダの制御に限らず、各種制御状態を目標位置に近づける制御を行う際に、広く普及した制御方式である。

ＰＩＤ制御をエアシリンダの制御に適用して、シリンダ内の空気圧の制御で迅速にエアシリンダ内のピストンを動かした場合、高速なピストンの移動で、目標位置を通り過ぎることなく、正確にピストンを止めることは困難である。通常のＰＩＤ制御で高速にシリンダを移動させる場合には、目標位置をある程度通り過ぎてから、その目標位置に戻すような制御が行われるのが一般的である。一度、目標位置を戻るだけで、目標位置に止まればまだ良いが、実際には目標位置を通り過ぎるオーバーシュートが何度か発生しながら、上下に振れる量が次第に小さくなって、最終的に目標位置に止まるような状態となっている。

エアシリンダの制御でこのようなオーバーシュートが生じると、例え目標位置の近傍までピストンが高速で移動したとしても、最終的に目標位置にシリンダが止まるまでには時間がかかることになり、好ましくない制御状態になってしまう。

本発明はかかる点に鑑みてなされたものであり、エアシリンダの如き流体アクチュエータの制御が、オーバーシュートを低減させつつ、かつ素早い応答を実現できるようにすることを目的とする。

本発明は、シリンダ室にスライド自在に配置されて、シリンダ室を第１チャンバと第２チャンバとに仕切るピストンと、第１及び第２チャンバ内の気体又は液体の流体の圧力を制御して、ピストンのスライド位置を制御するアクチュエータに適用される。
構成としては、流体圧源と第１及び第２のチャンバとの間に配置されて、第１及び第２のチャンバへの流体圧供給を無段階で調整する第１及び第２の制御バルブと、第１及び第２のチャンバ側から大気または低圧源側に向かう出方向に流体を流すことを許容する排出バルブとを備える。
そして、第１及び第２の制御バルブの少なくとも何れか一方の制御を行う制御手段として、第１の制御手段と第２の制御手段とを備える。
第１の制御装置は、ピストンの目標スライド位置と、ピストンの検出したスライド位置との偏差が小さくなるようにフィードバック制御を実行する。
第２の制御装置は、第１及び第２のチャンバへ共通に供給するバイアス圧力を、ピストンの目標スライド位置と、ピストンの検出したスライド位置との偏差が最小になるようにフィードバック制御を実行する。

本発明によると、第１の制御手段により、ピストンの目標スライド位置と、ピストンの検出したスライド位置との偏差に比例ゲインを乗算した値、偏差の時間積分に積分ゲインを乗算した値、偏差の変化量に微分ゲインを乗算した値を組み合わせた、いわゆるＰＩＤ制御が行われる。そして、その第１の制御手段によるＰＩＤ制御状態を補正するように、第２の制御手段により、第１及び第２のチャンバへ共通に供給されるバイアス圧力を増減させる処理が行われる。従って、いわゆるＰＩＤ制御を基本とした目標位置に迅速に到達する制御が行われると共に、オーバーシュートをバイアス圧力の補正で取り除くことができ、目標位置へ迅速に動かすことが可能となる。

本発明の実施の形態によるエアシリンダの制御状態の基本構成例を示す説明図である。 本発明の第１の実施の形態による制御構成例を示す説明図である。 本発明の第１の実施の形態によるＰＩＤコントローラの例を示すブロック図である。 本発明の第１の実施の形態によるバイアスコントローラの例を示すブロック図である。 本発明の第１の実施の形態による圧力変化状態の例を示す特性図である。 本発明の第１の実施の形態による制御状態の例を示す特性図である。 本発明の第１の実施の形態による発生圧力から見た制御状態の例を示す特性図である。 本発明の第２の実施の形態による制御構成例を示す説明図である。 本発明の第３の実施の形態による制御構成例を示す説明図である。 本発明の第４の実施の形態による制御構成例を示す説明図である。

以下、本発明の実施の形態の例を、添付図面を参照して説明する。
本実施の形態においては、アクチュエータとして構成されたエアシリンダに適用したものである。
図１は、本実施の形態のエアシリンダとそのエアシリンダに圧縮空気を送る構成例を示したものである。

図１に示すように、エアシリンダ１０は、シリンダ１０内をスライド可能にピストン１３が配置された復動型エアシリンダである。そのスライド可能なピストン１３により、シリンダ１０の内部が、第１チャンバ１１と第２チャンバ１２とに区切られる構成としてある。
ピストン１３には、ピストン棒１４が取り付けてあり、本例の場合にはこのピストン棒１４により何らかの駆動を行うものとする。ここでは、エアシリンダ１０からのピストン棒１４の突出長Ｄにより、その駆動状態が決まる。

第１チャンバ１１には、流体圧源からの流体圧供給を無段階に調整できる第１の制御バルブ４１と、第１の排出バルブ４２が取り付けてあり、第２チャンバ１２には、流体圧源からの流体圧供給を無段階に調整できる第２の制御バルブ４３と、第２の排出バルブ４４が取り付けてある。第１及び第２の排出バルブ４２及び４４は、排出流量を制御するバルブである。第１及び第２の制御バルブ４１及び４３の入力側には、図示しない流体圧源としてのエアコンプレッサを接続して、そのエアコンプレッサからの圧縮空気が各チャンバ１１，１２内に供給される。この第１，第２の制御バルブ４１，４３と第１，第２の排出バルブ４２，４４を備えることで、それぞれのチャンバ１１，１２内の空気の圧力が制御されることになる。本実施の形態でのその制御処理については後述する。

次に、図１に示した制御バルブと排出バルブとで、エアシリンダ１０内の圧力が制御される状態について説明する。
まず、本発明の実施の形態の制御処理を説明する前に、図１に示した如き構成の復動型エアシリンダ１０で、第１，第２の排出バルブ４２，４４を使用した一般的な制御処理について説明すると、第１，第２の排出バルブ４２，４４には、絞りが一定のもの、機械的に絞りを調整するもの、手動で排気量を調節するものの３種類がある。スピードコントローラとも称される手動で排気量を調節する排出バルブにはつまみが付いており、つまみを回転することで空気の流路を狭くしたり広くしたりする。流路を狭くすると、シリンダ１０から排出される空気の流量は少なくなる。その結果、シリンダ内のピストン１３が進む速度が遅くなる。空気の流出量とシリンダの速度のあいだには、下記の関係が成り立つ。

ここで，Ｖはピストンの移動速度［ｃｍ／ｓ］、Ｑは空気の流出量［ｃｍ^３／ｍｉｎ］、Ａはシリンダの断面積［ｃｍ^２］である。
（１）式から、空気の流出量が大きくなれば、すなわちスピードコントローラの排気開度が大きくなれば、ピストンの移動速度が速くなることが分かる。
ここで、図１に示したシリンダにおいて、図中に示したように、Ｆは発生力、Ｆ１とＦ２は各チャンバ内での発生力、Ｐ１とＰ２は各チャンバ内での空気圧、Ｄは変位としたとき、以下の２つの式が成り立つ。

すなわち、排気開度が開放の復動型エアシリンダでは受動剛性∂Ｆ／∂Ｄ＝０となるため、任意の位置においてピストンを動かしにくくする性能、すなわち剛性を発揮しようとすれば、排気流路を細かく変化させ、入出する空気の流量抵抗（ダンパ効果）の制御によって受動的な抗力を生じさせなければならない。

いま、希望するピストン移動速度の大小と、剛性の大小の、合計４条件について、推進側と抵抗側の２つのチャンバ内で必要となる目標の空気圧を考えてみると、目標圧力が高い場合は高剛性を得ようとしているし、反対に、目標圧力が低い場合は低剛性を得ようとしている傾向になる。すなわち、高剛性を得ようと思ったら、推進側，抵抗側ともに目標圧力を高くしてやれば良い。つまり目標圧力の高さに応じて排気開度を絞ってやれば良い。このことから、目標圧力と排出バルブ開度が相対的に逆比例の関係になるようにバルブ開度を設定すれば良いことになる。

本実施の形態においては、以上述べた理論的考察に基いて、図１に示した第１，第２の制御バルブ４１，４３と第１，第２の排出バルブ４２，４４によるピストン棒１４の突出長Ｄの制御を行う。
図１に示した第１，第２の制御バルブ４１，４３と第１，第２の排出バルブ４２，４４による構成では、高い圧力の空気を大量にエアシリンダへ流入させ、ピストンを高速に運動できるようにするため、空気の流入のみを自由とする第１，第２の制御バルブ４１，４３を備える。この供気用の第１，第２の制御バルブ４１，４３と排気用の第１，第２の排出バルブ４２，４４との組み合わせにより、共通バイアス圧力制御が可能な構成としてある。

次に、ピストン棒１４の突出長Ｄの制御系について説明する。
エアシリンダの制御系としては、背景技術の欄で説明したＰＩＤ制御の他に、そのＰＩＤ制御の拡張であるＩ−ＰＤ制御（比例・微分先行型ＰＩＤ制御）などが知られている。Ｉ−ＰＤ制御は、次式のモデルにより表現される。

（４）式において、ｕ（ｔ）は操作量、ｙ（ｔ）は制御量（現在値）、ｅ（ｔ）は偏差、Ｋｐは比例ゲイン、Ｋｉは積分ゲイン、Ｋｄは微分ゲインである。Ｉ−ＰＤ制御においては、積分項のみを偏差に作用させ、比例項と微分項は制御量に作用させる。これにより、目標値がステップ状に与えられた際の微分成分による不必要な操作量の変動を抑えることができ、また良い収束を得ることができる。反面、積分項の影響が強いため、空気圧式アクチュエータの利点である速い追従性が出にくくなる。ある実験例では、立ち上がり時間、すなわち最終値の１０％から９０％まで変化するのに掛かる時間が１秒以上かかってしまうことがある。

ここで本実施の形態においては、立ち上がり時間が短いＰＩＤ制御を利用して、さらにそのＰＩＤ制御を行う際の問題点を解決するようにしたものである。
ＰＩＤ制御は、複雑な制御方式なしに外乱抑止と目標値追従が可能であり、実装が容易で、現場調整も容易であるため、産業界における機械装置の９０％以上にＰＩＤ制御が採用されている。
ＰＩＤ制御は、次式のモデルにより表現される。

ここで、ｕ（ｔ）は操作量、ｅ（ｔ）は偏差、Ｋｐは比例ゲイン、Ｋｉは積分ゲイン、Ｋｄは微分ゲインである。ところがエアシリンダを用いてＰＩＤ制御を行う場合、とくにエアシリンダ自身が速い応答性を持つため、高速に位置制御を行おうとすると、応答速度が速ければ速いほど、大きなオーバーシュートが発生してしまう。また、制御すべき自由度が増えるに従って、さらにその制御性が悪くなるので、ＰＩＤ制御を用いて多自由度の高速で正確な制御は困難である。

ここで本実施の形態においては、図１に示したエアシリンダとそのエアシリンダに圧縮空気を送る空気圧の制御装置を構成して、２つのチャンバ１１，１２に与えられる圧力を制御して、ＰＩＤ制御により生じるオーバーシュートを改善して、正確な位置制御と素早い応答性を実現するものである。
以下、本実施の形態での制御状態に説明すると、２つのチャンバへの目標圧力ＰＬとＰＲであるが、推進側および抵抗側の２つチャンバ１１，１２内の圧力差をＰ’とすると、２つチャンバに加えられる等しい圧力Ｐｂｉａｓ（バイアス圧力）も制御することができる。バイアス圧力は次式のように表現される。

ただし、Ｐ’＝Ｐ１−Ｐ２，Ｐ１≧Ｐ２である。
このバイアス圧力制御も用いて、正確な位置制御と素早い応答性を実現するものである。

図２は、本実施の形態の制御構成例を示した図である。
図２の構成例は、第１チャンバ１１側を推進側とし、第２チャンバ１２側を抵抗側とした場合の例、即ち図２でピストン１３が右側に動かす場合の例である。ピストンの動く方向が逆の場合には、第１チャンバ１１側への接続と第２チャンバ側への接続は、逆になる。
エアシリンダ１０の各チャンバ１１，１２内の空気の圧力は、既に図１に示した第１，第２の制御バルブ４１，４３と第１，第２の排出バルブ４２，４４を備えて制御される。各チャンバ１１，１２内の空気の圧力は、第１，第２の制御バルブ４１，４３で制御されることになるが、その制御を行う制御手段として、バイアス圧力を付与する制御を行うバイアスコントローラ２４（第１の制御手段）と、ＰＩＤ制御を行うＰＩＤコントローラ２３（第２の制御手段）とを設ける構成としてある。

それぞれのコントローラ２３，２４は、ターゲット生成部２１から与えられたピストンの目標位置のデータと、ピストン位置検出部２２が検出した実際のピストン位置のデータとが供給される。
そして、双方のコントローラ２３，２４で得られる圧力値を合計した圧力値となるように、第１チャンバ１１側の第１の制御バルブ４１からの流体圧供給量を制御する。

第２チャンバ１２側では、バイアスコントローラ２４で得られる圧力値で、第２の制御バルブ４３を制御する。

図３は、ＰＩＤコントローラ２３の構成例を示した図である。
ＰＩＤコントローラ２３は、ＰＩＤ制御を行うためのものであり、前述のＰＩＤ制御の圧力算出式である（５）式に基いて、付与する圧力が決まる。
その構成としては、ターゲット値入力部５１に、ターゲット生成部２１からターゲット値（ピストンの目標位置）が得られ、検出値入力部５２に、ピストン位置検出部２２が検出したピストン位置の検出値が得られ、両値の差分が減算器５４で検出される。

そして、減算器５４で検出された差分の値を、積分器５５で積分し、その積分値を積分ゲイン乗算器５６で積分ゲインＫｉを乗算する。
また、減算器５４で検出された差分の値を、比例ゲイン乗算器５７に供給して、比例ゲインＫｐを乗算する。
さらに、減算器５４で検出された差分の値を、微分器５８で微分し、その微分値を微分ゲイン乗算器５９に供給して、微分ゲインＫｄを乗算する。

積分ゲイン乗算器５６の出力と、比例ゲイン乗算器５７の出力と、微分ゲイン乗算器５９の出力とは、それぞれ加算器６０に供給して加算し、１系統の制御値として、その制御値を制御値出力部５３から出力させる。

図４は、バイアスコントローラ２４の構成例を示した図である。
バイアスコントローラ２４は、ターゲット値入力部６１に、ターゲット生成部２１からターゲット値（ピストンの目標位置）が得られ、検出値入力部６２に、ピストン位置検出部２２が検出したピストン位置の検出値が得られ、両値の差分が減算器７０で検出される。

そして、減算器７０で検出された差分の値を、微分器６５で微分し、その微分値を微分ゲイン乗算器６６に供給して、微分ゲインＫｄを乗算する。
また、減算器７０で検出された差分の値を、比例ゲイン乗算器６４に供給して、比例ゲインＫｐを乗算する。
微分ゲイン乗算器６６の出力と、比例ゲイン乗算器６４の出力とは、それぞれ加算器６７に供給する。

また、バイアスコントローラ２４は、固定バイアス設定部６９を備える。この固定バイアス設定部６９では、基準バイアス圧力の値を設定する。固定バイアス設定部６９で設定された基準バイアス圧力値についても、加算器６７に供給する。

加算器６７では、基準バイアス圧力値に、比例ゲイン乗算器６４の出力値を加算すると共に、微分ゲイン乗算器６６の出力を減算する。
その加算器６７の出力を、最大バイアス設定部６８に供給して、ピストンに接続されたエアコンプレッサが供給可能な最大バイアス圧力以下に制限された圧力の制御値に調整し、その調整された制御値を、制御値出力部６３から出力させる。

そして、図３の制御値出力部５３から出力される制御値と、図４の制御値出力部６３から出力される制御値とを加算した制御値（圧力値）となるように、図１の排出制御バルブ４２又は４４の制御が行われる。

各コントローラ２３，２４での制御状態について説明すると、ＰＩＤコントローラ２３は、ＰＩＤ制御を行うためのものであり、ピストンの検出したスライド位置との距離差に、比例ゲインと積分ゲインと微分ゲインとを個別に乗算した値を加算し、その加算値で制御する処理が行われる。即ち、前述のＰＩＤ制御の圧力算出式である（５）式に基いて、付与する圧力が決まる。

一方、バイアス圧力制御は、次式により表される。

ここで、Ｐｂｉａｓはバイアス圧力、Ｐｓｔａｎｄａｒｄは基準バイアス圧力、ｘｔａｒｇｅｔは目標位置、ｘｔは現在位置、Ｋ１はバイアス圧力の比例ゲイン、Ｋ２はバイアス圧力の微分ゲインである。
本実施の形態では、バイアス圧力については、ＰＩＤ制御とは異なり、積分ゲインを使用しなかった。これは、積分ゲインを使うとすぐにエアコンプレッサの供給圧力の限界を超える、積分値のリセットが必要、３種類のパラメータ調整が必要という問題があり、また積分ゲインを採用しても応答の顕著な改善が見られないからである。
本実施の形態では、固定バイアス設定部６９で設定される基準バイアス圧力Ｐｓｔａｎｄａｒｄ＝２気圧とした。基準バイアス圧力は、エアコンプレッサが供給可能な空気圧力の上限のなかで、なるべく大きなダイナミックレンジのバイアス圧力を利用できる値が望ましい。ただし、それほど厳密に設定する必要はない。

それぞれの制御ゲイン推定を行う際には、実際に制御対象を動かしてみた挙動や値から最適なものを決定する手法と、理論的に推定値を導き出す手法とがある。前者では制御対象の動きが予想しにくいため、ロボットアームなどに大きな負荷が掛かる恐れがある。しかし、非線形性が大きく、モデリングが容易ではない新しい機械装置では、後者のような理論的に推定値を求める手法が必ずしも使えるとは限らない。
そこで、例えば、ＰＩＤコントローラ２３内の制御ゲインは後者の手法により、バイアスコントローラ２４内の制御ゲインは前者の手法により、２段階で決定する手法を適用する。その手法について、ステップ１〜４として以下に示す。

ステップ１：ＰＩＤコントローラにおける比例ゲインＫｐ、積分ゲインＫｉ、微分ゲインＫｄを推定する。このときには、たとえば北森の手法として文献（S.Shin and T.Kitamori,“Model reference learning control for discrete-time nonlinear systems,”Adaptive Systems in Control and Signal Processing 1989, PergamonPress, pp.101-106, 1990）などに記述された処理で推定する。その際、ＰＩＤ制御のステップ入力に対して、オーバーシュートが現れるような、なるべく応答性の速いゲイン値を選択する。

ステップ２：バイアスコントローラでのバイアス圧力の比例ゲインＫ１＝１、微分ゲインＫ２＝０．０１に初期値設定する。ただし、次のステップからＫ１を徐々に増やしていくので、１よりも小さな値から始めても良い。一方、Ｋ２はＫ１の１００分の１程度に初期値設定する。

ステップ３：バイアスコントローラでの比例ゲインＫ１を徐々に増やしていき、オーバーシュートの大きさが変化しなくなる程度にまでＫ１を大きくする。

ステップ４：振動の様子を観察しながら、バイアスコントローラでの微分ゲインＫ２を増減させる。微分ゲインＫ２を大きくすれば振動し続け、収束しなくなる。反対に、微分ゲインＫ２を小さくすると、振動はしないが応答がほぼ比例ゲインＫ１で決まるようになる。すなわち、応答の素早さが出なくなってくる。速い応答性を得るためには多少は振動させる必要があるので、微分ゲインＫ２は多少大きめにする。

このように制御されるエアシリンダの負荷のダイナミクスは、次式のような運動方程式により表すことができる。

ここで、ｍは負荷、Ａ１はロッド内側の断面積、Ａ２はロッド側の断面積、Ｐ１はロッド内側の圧力、Ｐ２はロッド側の圧力、Ｐｂｉａｓはバイアス圧力、Ｋｖは可動部分の粘性摩擦係数、Ｋｒはクーロン摩擦力である。
次に、制御バルブ、あるいは制御バルブと排出バルブの組み合わせの、物理的な特性を考える。前述の（８）式右辺において、発生力となる圧力の差分による力Ａ１（Ｐ１＋Ｐｂｉａｓ）―Ａ２（（Ｐ２＋Ｐｂｉａｓ）が時間ｔ＝０の時に発生すると想定されている。しかし実際は、その圧力を制御している制御バルブの性能上、圧力応答に時間が掛かってしまう。すなわち、（８）式で想定しているように瞬時に目標に達しない。その時間の遅れは、ある測定結果では、例えば１５０ｍｓ程度かかってしまう。エアシリンダを高速に制御するためには、この時間遅延を考慮に入れる必要が出てくる。

制御バルブに圧力を供給する側、すなわちエアコンプレッサの圧力が不変だと考えると、制御バルブからの空気の流量速度Ｍｉは、制御バルブの開度を制御バルブに指令する電圧ｖｉに比例する。ここで、ｉ＝１，２であり、推進側か抵抗側かを表す。
そして、チャンバ内の圧力変化ｄＰｉ／ｄｔは次式のように表すことができる。

ここで、ｋ1iは比例定数、ｉ＝１，２である。また、電圧ｖは目標とする圧力と現在の圧力との差分にも比例することから、次式も成り立つ。

ここで、Ｐｔａｒｇｅｔ ｉはｉ番目のチャンバの目標圧力、Ｐｃｕｒｒｅｎｔ ｉはｉ番目のチャンバの現在の圧力、ｋ2iは比例定数である。
（９）式と（１０）式を整理すると、次式を導くことができる。

ここで、Ｋｉは比例定数である。
そこで、（１１）式における比例定数Ｋｉを求めるため、バイアス圧力を１から４気圧まで変えた時の立ち上がり速度を測定したものが、図５である。ここで、２つのチャンバ内の圧力差（Ｐ′＝Ｐ１−Ｐ２）はすべて０．５気圧としてある。図５の縦軸の立ち上がり速度とは、最終値の１０％から９０％までの圧力を、その変化に要した時間で割った値である。図５から得られた結果は、直線回帰式で近似して差し支えないため、（１１）式は次式のように書き換えることが可能となる。

この（１２）式に基づいて、最小自乗法を当てはめた結果、α＝８．１０３、β＝０．２７９が得られた。これをもって制御バルブの物理的な特性とすることで、良好な結果が得られる。

本実施の形態の処理で、エアシリンダと空気圧制御装置と制御弁から構成されるシステムを構築して、シミュレーションした例について、図６及び図７を参照して説明する。ここではモデルとして、負荷のダイナミックスを示す（８）式と制御バルブの物理的な特性を示す（１１）式を用いた。負荷は２００ｇで、エアシリンダの可動範囲は０〜１０ｃｍのものと設定した。
図６は、ピストン位置の目標値を５ｃｍとした時の、本実施の形態によるＰＩＤコントローラとバイアスコントローラを併用した場合のステップ応答の特性Ｄａと、従来例に相当するＰＩＤコントローラのみのステップ応答の特性Ｄｂとを示す。

ＰＩＤコントローラのみの時はオーバーシュートが約２０％であったのに対して、ＰＩＤントローラとバイアスントローラを併用した場合では、オーバーシュートが４％まで大幅に抑えられている。

図７は、本実施の形態によるＰＩＤコントローラとバイアスコントローラを併用した場合の発生力の時間変化の特性Ｐａと、従来例に相当するＰＩＤコントローラのみの時間変化の特性Ｐｂを示す。ＰＩＤコントローラのみの特性と比較すると判るように、本実施の形態による特性Ｐａの場合には、不必要な力を発生させていない傾向が認められ、これが、ＰＩＤ制御だけの場合と同程度の速い立ち上がりを実現していながら、非常に少ないオーバーシュートに抑えることができる要因と推測される。

以上の説明から判るように、本実施の形態によると、ＰＩＤ制御だけを行う場合と同程度の素早い立ち上がり時間を実現しながら、大幅にオーバーシュートが抑制できる効果を有する。
エアシリンダは、モータと比較した場合、構造が単純、保守が容易、小形軽量、大きな力を発生するなど多くの利点を持つ。しかし、空気という圧縮性を有する流体を使用するため、正確な速度制御や位置制御が容易ではない。また、負荷に影響されやすい、すなわち任意の位置においてピストンを動かしにくくする性能すなわち剛性を発揮することが困難であるなどの問題点を持っているが、本実施の形態の処理構成によりこれらの問題が解決されるエアシリンダが構成される。

次に、本発明の第２の実施の形態を、図８を参照して説明する。この図８において、第１の実施の形態で説明した図１〜図７に対応する部分には、同一符号を付し、その詳細説明は省略する。
本実施の形態における基本的な制御状態については、上述した第１の実施の形態で説明したように、ＰＩＤ制御とバイアス圧力制御との双方を行うようにしたものであり、その具体的な制御手法についても、各数式を説明した例と同じである。
そして、本実施の形態においては、エアシリンダ１０内のピストンを駆動する際に、１組のＰＩＤコントローラ２３とバイアスコントローラ２４とを制御手段として設けて制御する点は、図２の例と同様であるが、ＰＩＤコントローラ２３とバイアスコントローラ２４の出力は、推進側のチャンバ（図８の例では第１のチャンバ１１側）の圧力の制御だけを行い、抵抗側のチャンバは、一定圧力とするようにしたものである。

即ち、図８に示すように、ＰＩＤコントローラ２３とバイアスコントローラ２４の出力に基づいて、推進側のチャンバ１１内の圧力を制御する。また、一定圧力付与部２７の出力により、抵抗側のチャンバ１２内の圧力を制御する。一定圧力付与部２７で与えられる一定の圧力値は、少なくともバイアスコントローラ２４で付与されるバイアス圧力に近い圧力となるようにしてある。例えば、一定圧力付与部２７で与えられる一定の圧力値として、後述するバイアスコントローラ２４内の固定バイアス設定部６９で設定される基準バイアス圧力としてある。

このようにして、推進側でＰＩＤ制御とバイアス圧力制御、抵抗側でバイアス圧力制御を行う。
この図８に示した構成としたことでも、良好な制御が可能となる。

次に、本発明の第３の実施の形態を、図９を参照して説明する。この図９においても、第１の実施の形態で説明した図１〜図７に対応する部分には、同一符号を付し、その詳細説明は省略する。
本実施の形態における基本的な制御状態については、上述した第１の実施の形態で説明したように、ＰＩＤ制御とバイアス圧力制御との双方を行うようにしたものであり、その具体的な制御手法についても、各数式を説明した例と同じである。
そして、エアシリンダ１０内のピストンを駆動する際に、上述した第１の実施の形態では、図２に示したように、推進側のチャンバ１１だけを、ＰＩＤ制御とバイアス圧力制御との双方を行うようにして、抵抗側のチャンバ１２については、一定のバイアス圧力に相当するものを与えるようにしたが、本実施の形態の場合には、図９に示すように、推進側および抵抗側の双方で、それぞれの最適なゲイン値に従い、ＰＩＤ制御とバイアス圧力制御を行う制御手段を設けたものである。

即ち、図９に示すように、推進側のチャンバ１１内の圧力を制御する制御手段として、ＰＩＤコントローラ３３とバイアスコントローラ３４とを設ける。また、抵抗側のチャンバ１２内の圧力を制御する制御手段として、ＰＩＤコントローラ３５とバイアスコントローラ３６とを設ける。それぞれのコントローラ３３，３４，３５，３６には、ターゲット生成部３１が生成させた目標位置と、ピストン位置検出部３２が検出したピストン位置とを供給する。

このようにして、推進側と抵抗側のそれぞれで、ＰＩＤ制御とバイアス圧力制御とを行う。ＰＩＤコントローラ３３，３５は、それぞれ図３に示した如き構成で、比例ゲインと積分ゲインと微分ゲインとを個別に乗算した値を加算し、その加算値で制御する。バイアスコントローラ３４，３６は、それぞれ図４に示した如き構成で、比例ゲインと微分ゲインと個別に乗算した値を、基準バイアス圧力に加算又は減算してバイアス圧力を算出し、その算出値で制御する。
なお、ピストンの動く方向が逆になると、推進側のコントローラ３３，３４が抵抗側のコントローラとなり、抵抗側のコントローラ３５，３６が推進側のコントローラとなる。

この図９に示した構成としたことでも、良好な制御が可能となる。

次に、本発明の第４の実施の形態を、図１０を参照して説明する。この図１０においても、第１の実施の形態で説明した図１〜図７に対応する部分には、同一符号を付し、その詳細説明は省略する。
本実施の形態における基本的な制御状態については、上述した第１の実施の形態で説明したように、ＰＩＤ制御とバイアス圧力制御との双方を行うようにしたものであり、その具体的な制御手法についても、各数式を説明した例と同じである。
そして、エアシリンダ１０内のピストンを駆動する際に、上述した第１の実施の形態では、図２に示したように、推進側のチャンバ１１と抵抗側のチャンバ１２とで、バイアスコントローラを共通のものとしたが、本実施の形態の場合には、図１０に示すように、推進側および抵抗側の双方で、それぞれ個別にバイアスコントローラ３４，３６を設ける構成の制御手段としたものである。

即ち、図１０に示すように、推進側のチャンバ１１内の圧力を制御する制御手段として、ＰＩＤコントローラ３３とバイアスコントローラ３４とを設ける。また、抵抗側のチャンバ１２内の圧力を制御する制御手段として、バイアスコントローラ３６を設ける。それぞれのコントローラ３３，３４，３６には、ターゲット生成部３１が生成させた目標位置と、ピストン位置検出部３２が検出したピストン位置とを供給する。

このようにして、推進側でＰＩＤ制御とバイアス圧力制御とを行い、抵抗側でバイアス圧力制御を行う。ＰＩＤコントローラ３３は、図３に示した如き構成で、比例ゲインと積分ゲインと微分ゲインとを個別に乗算した値を加算し、その加算値で制御する。バイアスコントローラ３４，３６は、それぞれ図４に示した如き構成で、比例ゲインと微分ゲインと個別に乗算した値を、基準バイアス圧力に加算又は減算してバイアス圧力を算出し、その算出値で制御する。
なお、ピストンの動く方向が逆になると、推進側のコントローラ３３，３４が抵抗側のコントローラとなり、抵抗側のコントローラ３６が推進側のコントローラとなる。

この図１０に示したように、一方のチャンバの制御をＰＩＤ制御とバイアス圧力制御とで行い、他方のチャンバの制御をバイアス圧力制御で行う構成としたことでも、良好な制御が可能となる。

なお、上述した各実施の形態では、シリンダ内の流体として空気を使用したエアシリンダを例にして説明したが、その他の流体のシリンダ内の圧力を制御して、同様の制御を行う構成としてもよい。また、各特性として示した値は、好適な一例を示したものであり、説明した値に限定されるものではない。

また、上述した各実施の形態では、シリンダ内の流体の制御を行う専用の制御手段としてコントローラを構成させた例について説明したが、各コントローラは例えば各バルブの制御指令を発するコンピュータ装置とし、そのコンピュータ装置に、各実施の形態で説明したそれぞれの制御処理に相当する処理ステップを実行するプログラム（ソフトウェア）を実装して、同様の構成が実現されるようにしてもよい。その場合のプログラムについては、各種媒体を介して配布するか、あるいは何らかの伝送路を経由してダウンロードさせるようにしてもよい。

１０…エアシリンダ、１１…第１チャンバ、１２…第２チャンバ、１３…ピストン、１４…ピストン棒、２１…ターゲット生成部、２２…ピストン位置検出部、２３…ＰＩＤコントローラ、２４…バイアスコントローラ、２５，２６…符号変換部、２７…一定圧力付与部、３１…ターゲット生成部、３２…ピストン位置検出部、３３…ＰＩＤコントローラ、３４…バイアスコントローラ、３５…ＰＩＤコントローラ、３６…バイアスコントローラ、４１…第１の制御バルブ、４２…第１の排出バルブ、４３…第２の制御バルブ、４４…第２の排出バルブ、５１…ターゲット値入力部、５２…検出値入力部、５３…制御値出力部、５４…減算器、５５…積分器、５６…積分ゲイン乗算器、５７…比例ゲイン乗算器、５８…微分器、５９…微分ゲイン乗算器、６０…加算器、６１…ターゲット値入力部、６２…検出値入力部、６３…制御値出力部、６４…比例ゲイン乗算器、６５…微分器、６６…微分ゲイン乗算器、６７…加算器、６８…最大バイアス設定部、６９…固定バイアス設定部、７０…減算器

Claims (10)

1. シリンダ室にスライド自在に配置されて、前記シリンダ室を第１チャンバと第２チャンバとに仕切るピストンを備えて、前記第１及び第２チャンバ内の気体又は液体の流体に共通するバイアス圧力を変化させて、前記ピストンに生じる前記バイアス圧力による剛性を変化させつつ、前記第１及び第２チャンバ内の気体又は液体の流体の圧力を制御して、前記ピストンのスライド位置を制御するアクチュエータであり、
   流体圧源と前記第１及び第２のチャンバとの間に配置されて、前記第１及び第２のチャンバへの流体圧供給を、無段階で調整する第１及び第２の制御バルブと、
   前記第１及び第２のチャンバ側から大気または低圧源側に向かう出方向に前記流体を流すことを許容する第１及び第２の排出バルブとを備え、
   前記第１及び第２の制御バルブの少なくとも何れか一方の制御を行う制御手段として、
   前記ピストンの目標スライド位置と、前記ピストンの検出したスライド位置との偏差が小さくなるようにフィードバック制御を実行する第１の制御手段と、
   前記第１及び第２のチャンバへ共通に供給するバイアス圧力を、前記ピストンの目標スライド位置と、前記ピストンの検出したスライド位置との偏差が最小になるようにフィードバック制御を実行する第２の制御手段とを備えるアクチュエータ。
2. 前記第２の制御手段では、前記ピストンの目標スライド位置と、前記ピストンの検出したスライド位置との偏差が小さくなるように、微分先行型ＰＤ制御による制御手段を備えた請求項１に記載のアクチュエータ。
3. 前記目標スライド位置が前記第１及び第２の制御手段に与えられたとき、
   前記第１の制御手段では、オーバーシュートが現われる応答性の早いゲインを設定し、
   前記第２の制御手段では、前記フィードバック制御を実行する際の比例ゲインを、初期値から徐々に増やして前記オーバーシュートを打ち消すと共に、前記フィードバック制御を実行する際の微分ゲインの増減で調整する請求項１または２に記載のアクチュエータ。
4. 前記第２の制御手段で設定される前記微分ゲインの初期値は、前記第２の制御手段で設定される前記比例ゲインの初期値の約１／１００とした請求項３に記載のアクチュエータ。
5. 前記第１及び第２の制御バルブの何れか一方で、前記第１の制御手段による制御を行い、前記第１及び第２の制御バルブの両方で、前記第２の制御手段による制御を行う請求項１〜４のいずれか１項に記載のアクチュエータ。
6. 前記第１及び第２の制御バルブの何れか一方で、前記第１の制御手段による制御と、前記第２の制御手段による制御とを行い、他方の制御バルブで、所定の圧力をチャンバ内に与える制御を行う請求項１〜４のいずれか１項に記載のアクチュエータ。
7. 前記第１及び第２の制御バルブの何れか一方で、前記第１の制御手段による制御を行い、
   前記第２の制御バルブの制御を実行する際には、それぞれ別々に設定した、前記フィードバック制御用のゲインを用いて制御を行う請求項１〜４のいずれか１項に記載のアクチュエータ。
8. 前記第１の制御手段と前記第２の制御手段を、前記第１の制御バルブ制御用と、前記第２の制御バルブ制御用にそれぞれ別々に設定した、前記フィードバック制御用のゲインを用いて制御を行う請求項１〜４のいずれか１項に記載のアクチュエータ。
9. シリンダ室にスライド自在に配置されて、前記シリンダ室を第１チャンバと第２チャンバとに仕切るピストンを備えて、前記第１及び第２チャンバ内の気体又は液体の流体に共通するバイアス圧力を変化させて、前記ピストンに生じる前記バイアス圧力による剛性を変化させつつ、前記第１及び第２チャンバ内の気体又は液体の流体の圧力を制御して、前記ピストンのスライド位置を制御するアクチュエータの制御方法であり、
   流体圧源と前記第１及び第２のチャンバとの間に配置されて、前記第１及び第２のチャンバへの流体圧供給を、無段階で調整する第１及び第２の制御バルブと、前記第１及び第２のチャンバ側から大気または低圧源側に向かう出方向に前記流体を流すことを許容する第１及び第２の排出バルブとを備えたアクチュエータの制御方法において、
   前記第１及び第２の制御バルブの少なくとも何れか一方の制御として、
   前記ピストンの目標スライド位置と、前記ピストンの検出したスライド位置との偏差が小さくなるようにフィードバック制御を実行する第１の制御処理と、
   前記第１及び第２のチャンバへ共通に供給するバイアス圧力を、前記ピストンの目標スライド位置と、前記ピストンの検出したスライド位置との偏差が最小になるようにフィードバック制御を実行する第２の制御処理とを行うアクチュエータの制御方法。
10. シリンダ室にスライド自在に配置されて、前記シリンダ室を第１チャンバと第２チャンバとに仕切るピストンを備えて、前記第１及び第２チャンバ内の気体又は液体の流体に共通するバイアス圧力を変化させて、前記ピストンに生じる前記バイアス圧力による剛性を変化させつつ、前記第１及び第２チャンバ内の気体又は液体の流体の圧力を制御して、前記ピストンのスライド位置を制御するアクチュエータの制御プログラムであり、
    流体圧源と前記第１及び第２のチャンバとの間に配置されて、前記第１及び第２のチャンバへの流体圧供給を、無段階で調整する第１及び第２の制御バルブと、前記第１及び第２のチャンバ側から大気または低圧源側に向かう出方向に前記流体を流すことを許容する第１及び第２の排出バルブとを備えたアクチュエータの制御プログラムにおいて、
    前記第１及び第２の制御バルブの少なくとも何れか一方の制御として、
    前記ピストンの目標スライド位置と、前記ピストンの検出したスライド位置との偏差が小さくなるようにフィードバック制御を実行する第１の制御処理を行うステップと、
    前記第１及び第２のチャンバへ共通に供給するバイアス圧力を、前記ピストンの目標スライド位置と、前記ピストンの検出したスライド位置との偏差が最小になるようにフィードバック制御を実行する第２の制御処理を行うステップとを備えるアクチュエータの制御プログラム。

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