JP6836341B2 - シリンダ制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、シリンダ制御装置に関する。

機械、機械部品や構造物といった試験体の疲労耐久性をテストするには振動試験機が用いられており、多くの振動試験機には、試験体を加振する直動型の油圧シリンダが用いられる。

このような振動試験機では、試験体に対して直動型の油圧シリンダで正弦波振動を与える等して振動試験が行われる。油圧シリンダは、内部にピストンで区画される伸側室と圧側室とを有するシリンダと、ピストンに連結されてシリンダ内に挿入されてシリンダに対して軸方向に移動可能なロッドと、伸側室と圧側室を油圧源とタンクとに連通可能なサーボ弁とを備えている。そして、油圧シリンダを制御するシリンダ制御装置は、サーボ弁によって伸側室と圧側室の差圧を制御して油圧シリンダのストロークと推力を制御する（たとえば、特許文献１参照）。

油圧シリンダは、シリンダ内に充填される作動油を作動媒体として利用しているので、シリンダとシリンダに出入りするロッドとの間には必ずオイルシールが設けられていて、シリンダ内からの作動油の漏洩を防止している。そのため、油圧シリンダがストロークする際に、オイルシールとロッドとの間に生じる摩擦力等に起因してビビり振動がストローク波形に重畳される場合がある。

このような波形乱れを防止するために、従来のシリンダ制御装置では、油圧シリンダのストローク変位だけでなく、ストローク加速度をも検知し、目標ストローク変位と実際のストローク変位との偏差および目標ストローク加速度と実際のストローク加速度の偏差を求めて制御指令を生成する（たとえば、特許文献１参照）。

よって、従来のシリンダ制御装置では、油圧シリンダのストローク波形に乱れが生じさせずに、試験体に振動を与えられる。

特開平１１−１０１７０８号公報

このような従来のシリンダ制御装置では、油圧シリンダのストローク変位に加えてストローク加速度もフィードバックして制御しているので、前述のように油圧シリンダのストローク中のビビりを解消できる。具体的には、従来のシリンダ制御装置では、ストローク変位に基づく制御指令に対してストローク加速度に基づく制御指令をビビりを打ち消すように加算している。

このように、従来のシリンダ制御装置では、ストローク加速度に基づく制御指令がストローク変位に基づく制御指令を減じるようにフィードバックがかかっているため、制御応答性が悪くなってしまう問題があった。

そこで、本発明は上記不具合を改善するために創案されたものであって、その目的とするところは、制御応答性の悪化を招かず流体圧シリンダのビビりを防止できるシリンダ制御装置の提供である。

上記した目的を達成するため、本発明のシリンダ制御装置は、サーボ弁を有する流体圧シリンダにおける伸側室と圧側室との差圧を検知する差圧検知部と、流体圧シリンダのストローク加速度を検知する加速度検知部と、差圧とストローク加速度に基づいてサーボ弁を制御する制御部とを備えて構成される。このように構成されたシリンダ装置によれば、差圧とストローク加速度とに基づいてサーボ弁を制御するので、高ゲインを設定可能な差圧を利用した制御とビビりを抑制するストローク加速度を利用した制御を併用できる。

また、本発明のシリンダ制御装置は、差圧をΔＰ、流体圧シリンダの目標変位とストローク変位との偏差から求める入力をＵ、差圧フィードバックゲインをＫ_ｄｐ、外乱フィードバックゲインをＫ_Ｆ、流体圧シリンダのストローク加速度をα、流体圧シリンダのピストンの受圧面積をＡ_Ｐ、流体圧シリンダの可動部と流体圧シリンダの加振対象の試験体の全質量をＭ、サーボ弁へ与える制御指令をＩ^＊とすると、Ｉ^＊＝Ｕ−Ｋ_ｄｐ・ΔＰ−Ｋ_Ｆ・（α−Ａ_Ｐ・ΔＰ／Ｍ）を演算して前記制御指令を求める。このように構成されたシリンダ制御装置では、外乱を考慮して、この外乱を打ち消す制御指令を得られる。

本発明のシリンダ制御装置によれば、制御応答性の悪化を招かず流体圧シリンダのビビりを防止できる。

一実施の形態におけるシリンダ制御装置のシステム構成図である。 一実施の形態におけるシリンダ制御装置における制御部の制御ブロック図である。

以下、図に示した実施の形態に基づき、本発明を説明する。図１および図２に示すように、一実施の形態におけるシリンダ制御装置１は、本例では、流体圧シリンダＡにおける伸側室Ｒ１と圧側室Ｒ２との差圧ΔＰを検知する差圧検知部２と、流体圧シリンダＡのストローク加速度αを検知する加速度検知部３と、流体圧シリンダＡのストローク変位ｘを検知する変位検知部４と、ストローク変位ｘ、差圧ΔＰおよびストローク加速度αに基づいてサーボ弁１６を制御する制御部５とを備えて構成されている。

他方、シリンダ制御装置１によって制御される流体圧シリンダＡは、図１に示すように、シリンダ１１と、シリンダ１１内に移動自在に挿入されるとともにシリンダ１１内を伸側室Ｒ１と圧側室Ｒ２とに区画するピストン１２と、シリンダ１１内に移動自在に挿入されるとともにピストン１２に連結されるピストンロッド１３と、ポンプ１４と、タンク１５と、伸側室Ｒ１と圧側室Ｒ２をポンプ１４とタンク１５に連通して伸側室Ｒ１と圧側室Ｒ２の差圧を制御するサーボ弁１６とを備えて直動型のシリンダ装置として構成されている。伸側室Ｒ１と圧側室Ｒ２およびタンク１５には、本例では、作動流体として作動油が充填されている。流体圧シリンダＡは、本例では、振動試験機に適用されており、ピストンロッド１３に連結される図示しない試験体を加振するようになっているが、流体圧シリンダＡは、振動試験機以外に利用されてもよい。

サーボ弁１６は、伸側室Ｒ１をポンプ１４へ連通するとともに圧側室Ｒ２をタンク１５へ連通する伸側供給ポジションと、伸側室Ｒ１をタンク１５へ連通するとともに圧側室Ｒ２をポンプ１４へ連通する圧側供給ポジションと、伸側室Ｒ１と圧側室Ｒ２をポンプ１４とタンク１５の双方へ連通する中立ポジションとを備えソレノイドで切換駆動する電磁弁とされている。そして、サーボ弁１６は、シリンダ制御装置１から供給される電流量に応じて前述の各ポジションに切換わる。

ポンプ１４は、本例では、制御部５によって、一定回転数で駆動されており、サーボ弁１６による伸側室Ｒ１と圧側室Ｒ２のポンプ１４とタンク１５への連通状態がシリンダ制御装置１によって制御され、伸側室Ｒ１と圧側室Ｒ２の差圧が制御される。このようにシリンダ制御装置１は、サーボ弁１６に供給する電流量を調節して伸側室Ｒ１と圧側室Ｒ２の差圧を制御し、流体圧シリンダＡが発揮する推力の大きさと向きを制御する。

図１に戻って、差圧検知部２は、伸側室Ｒ１と圧側室Ｒ２の圧力をそれぞれ検知する圧力センサ２ａ，２ｂと、加算器２ｃとを備えており、加算器２ｃが圧力センサ２ａ，２ｂが検知した伸側室Ｒ１と圧側室Ｒ２の圧力の差である差圧ΔＰを求めて、制御部５に入力する。なお、本例では、加算器２ｃを制御部５とは別に設けているが、制御部５に統合されてもよい。

加速度検知部３は、本例では、ピストンロッド１３に作用する軸方向の加速度を検知する加速度センサとされており、加速度センサで検知した流体圧シリンダＡのストローク加速度αを制御部５に入力する。加速度検知部３は、ピストンロッド１３に作用する軸方向の加速度を検知する加速度センサの他、たとえば、ピストンロッド１３に作用する軸方向の荷重を検知する荷重センサとして、流体圧シリンダＡのピストンロッド１３およびピストン１２を含む可動部と加振対象の試験体の全質量で除して加速度を検知するようにしてもよい。

本例では、シリンダ制御装置１は、振動試験機に適用されて、図外の試験体に予め決められた振幅で加振するために、流体圧シリンダＡのストローク変位ｘをフィードバックして流体圧シリンダＡの伸縮を制御する。そのため、本例のシリンダ制御装置１は、流体圧シリンダＡのストローク変位ｘを検知する変位検知部４を備えている。変位検知部４は、ストロークセンサとされており、流体圧シリンダＡに内蔵されている。なお、変位検知部４には、磁歪式等、種々のストロークセンサを利用できる。変位検知部４は、検知した流体圧シリンダＡのストローク変位ｘを制御部５へ入力する。

制御部５は、図示しない上位の制御装置から入力される目標変位ｘ^＊、ストローク変位ｘ、差圧ΔＰおよびストローク加速度αに基づいて、サーボ弁１６へ与えるべき電流量を指示する制御指令を生成し、サーボ弁１６へ電流を供給する。

具体的には、制御部５は、図２に示すように、目標変位ｘ^＊とストローク変位ｘとの偏差ｅを求める加算部５１と、加算部５１が求めた偏差ｅをＰＩＤ補償して入力Ｕを求める補償部５２と、差圧補償値Ｈ_Ｐを求めるゲイン乗算部５３と、加速度補償値Ｈ_αを求めるゲイン乗算部５４と、目標差圧Ｐ^＊と加速度補償値Ｈ_αと差圧補償値Ｈ_Ｐとを加算してサーボ弁１６へ与える電流量を指示する制御指令Ｉ^＊を求める加算部５５と、制御指令Ｉ^＊通りにサーボ弁１６へ電流を供給するドライバ５６とを備えて構成されている。なお、制御部５は、ポンプ１４を一定回転数で駆動するために、別途図示しないポンプ１４を駆動する駆動部を備えている。

加算部５１は、目標変位ｘ^＊とストローク変位ｘとの偏差ｅを求めて補償部５２へ入力する。補償部５２は、本例では偏差ｅを比例積分微分補償する、つまり、ＰＩＤ補償するＰＩＤ補償器とされているが、ＰＩ補償器とされてもよい。

ゲイン乗算部５３は、差圧検知部２から入力される差圧ΔＰにフィードバックゲインＫ_Ｐを乗じて差圧補償値Ｈ_Ｐを求める。ゲイン乗算部５４は、加速度検知部３から入力されるストローク加速度αに対して外乱フィードバックゲインＫ_Ｆを乗じて加速度補償値Ｈ_αを得る。フィードバックゲインＫ_Ｐは、具体的には、流体圧シリンダＡのピストンロッド１３およびピストン１２を含む可動部と加振対象の試験体の全質量をＭとし、ピストン１２の受圧面積をＡ_Ｐとすると、Ｋ_Ｐ＝Ｋ_ｄｐ−Ａ_Ｐ・Ｋ_Ｆ／Ｍに設定される。Ｋ_ｄｐは、差圧ΔＰに乗じる差圧フィードバックゲインである。このようにゲイン乗算部５３によってフィードバックゲインＫ_Ｐが乗じられて求められた差圧補償値Ｈ_Ｐと、ゲイン乗算部５４によって外乱フィードバックゲインＫ_Ｆが乗じられて求められた加速度補償値Ｈ_αは、加算部５５に入力Ｕとともに入力されて制御指令Ｉ^＊が求められる。具体的には、加算部５５は、制御指令Ｉ^＊をＩ^＊＝Ｕ−Ｋ_Ｐ・ΔＰ−Ｋ_Ｆ・αの演算式（１）を演算して求める。

ここで、フィードバックゲインＫ_Ｐは、Ｋ_Ｐ＝Ｋ_ｄｐ−Ａ_Ｐ・Ｋ_Ｆ／Ｍに設定されるので、これを前記の演算式（１）に代入すると、Ｉ^＊＝Ｕ−（Ｋ_ｄｐ−Ａ_Ｐ・Ｋ_Ｆ／Ｍ）・ΔＰ−Ｋ_Ｆ・αとなり、さらに、整理すると、Ｉ^＊＝Ｕ−Ｋ_ｄｐ・ΔＰ−Ｋ_Ｆ・（α−Ａ_Ｐ・ΔＰ／Ｍ）（演算式（２））となる。

この演算式（２）の右辺第二項は、差圧ΔＰに差圧フィードバックゲインＫ_ｄｐを乗じた値であり、差圧ΔＰをフィードバックする目的を持った値である。演算式（２）の右辺第三項は、実際のストローク加速度αから実際の差圧ΔＰから求めたストローク加速度相当の値Ａ_Ｐ・ΔＰ／Ｍを差し引きして外乱フィードバックゲインＫ_Ｆを乗じた値である。値Ａ_Ｐ・ΔＰ／Ｍは、サーボ弁１６によって制御される差圧ΔＰに起因して流体圧シリンダＡが発生するストローク加速度相当の値である。仮に、流体圧シリンダＡに外乱が全く入力されない場合、流体圧シリンダＡのストローク加速度は、サーボ弁１６が指示する差圧ΔＰにＡ_Ｐ／Ｍを乗じた値、つまり、Ａ_Ｐ・ΔＰ／Ｍに一致する筈である。対して、ストローク加速度αは、加速度検知部３が検知した流体圧シリンダＡの実際のストローク加速度である。よって、加速度検知部３が検知する実際のストローク加速度αから値Ａ_Ｐ・ΔＰ／Ｍを差し引きした値は、流体圧シリンダＡの入力される外乱そのものである。外乱は、たとえば、ピストンロッド１３の周囲をシールする図示しないシール部材の摩擦力や外部から作用する振動等が該当し、流体圧シリンダＡのストロークに影響を与えるものである。

制御部５が前述のようにして制御指令Ｉ^＊を求めると、外乱を考慮して、この外乱を打ち消す制御指令Ｉ^＊が得られる。また、差圧ΔＰに対して乗じる差圧フィードバックを用いると、システム全体のゲインの上限が上がる。

そして、求められた制御指令Ｉ^＊は、ドライバ５６に入力されて、ドライバ５６は、制御指令Ｉ^＊通りにサーボ弁１６に電流を供給する。ドライバ５６は、たとえば、スイッチング素子を備えて、スイッチング素子のオンオフによって電源からサーボ弁１６のソレノイドに供給する電流量を調節可能な回路とされる。

以上のように構成されたシリンダ制御装置１は、サーボ弁１６を有する流体圧シリンダＡにおける伸側室Ｒ１と圧側室Ｒ２との差圧ΔＰを検知する差圧検知部２と、流体圧シリンダＡのストローク加速度αを検知する加速度検知部３と、差圧ΔＰとストローク加速度αに基づいてサーボ弁１６を制御する制御部５とを備えて構成される。このように構成されたシリンダ制御装置１によれば、差圧ΔＰとストローク加速度αとに基づいてサーボ弁１６を制御するので、高ゲインを設定可能な差圧ΔＰを利用した制御とビビりを抑制するストローク加速度αを利用した制御を併用できるので、制御応答性の悪化を招かず、かつ、流体圧シリンダＡのビビりを防止できる。

また、本例のシリンダ制御装置１は、さらに、差圧ΔＰとストローク加速度αをフィードバックして制御指令Ｉ^＊を求めるので、目標値である目標変位ｘ^＊に対して追従性よく流体圧シリンダＡを制御できる。なお、本例では、目標値を目標変位ｘ^＊として制御部５に入力し流体圧シリンダＡを変位制御するようになっているが、目標値をストローク速度とする速度制御や目標値を荷重とする荷重制御を行ってもよい。なお、本例では、制御部５に図示しない上位の制御装置から目標変位ｘ^＊、目標速度或いは目標荷重が入力される態様を例にシリンダ制御装置１を説明したが、目標変位ｘ^＊、目標速度或いは目標荷重を制御部５が自身で生成或いは記憶していてもよい。

さらに、本例のシリンダ制御装置１は、差圧ΔＰとストローク加速度αに基づいて外乱の打ち消すように制御指令Ｉ^＊を求めるので、流体圧シリンダＡのシール部材の摩擦力や外部から作用する振動等に影響されずに、流体圧シリンダＡのストロークに重畳される振動成分を打ち消して狙い通りに制御できる。

そして、本例のシリンダ制御装置１は、差圧ΔＰとストローク加速度αに基づいて外乱の打ち消すとともに、高ゲインに設定可能な差圧フィードバックを利用
して制御指令Ｉ^＊を求めるので、流体圧シリンダＡのストロークに重畳される振動成分の打ち消しと良好な制御応答性を実現できる。

以上で、本発明の実施の形態についての説明を終えるが、本発明の範囲は図示されまたは説明された詳細そのものには限定されない。

１・・・シリンダ制御装置、２・・・差圧検知部、３・・・加速度検知部、５・・・制御部、１６・・・サーボ弁、Ａ・・・流体圧シリンダ、Ｒ１・・・伸側室、Ｒ２・・・圧側室

Claims (1)

1. サーボ弁を有する直動型の流体圧シリンダにおける伸側室と圧側室との差圧を検知する差圧検知部と、
   前記流体圧シリンダのストローク加速度を検知する加速度検知部と、
   前記差圧と前記ストローク加速度とに基づいて前記サーボ弁を制御する制御部とを備え、
   前記制御部は、前記差圧をΔＰ、前記流体圧シリンダの目標変位とストローク変位との偏差から求める入力をＵ、差圧フィードバックゲインをＫ _ｄｐ 、外乱フィードバックゲインをＫ _Ｆ 、前記流体圧シリンダのストローク加速度をα、前記流体圧シリンダのピストンの受圧面積をＡ _Ｐ 、前記流体圧シリンダの可動部と前記流体圧シリンダの加振対象の試験体の全質量をＭ、前記サーボ弁へ与える制御指令をＩ ^＊ とすると、Ｉ ^＊ ＝Ｕ−Ｋ _ｄｐ ・ΔＰ−Ｋ _Ｆ ・（α−Ａ _Ｐ ・ΔＰ／Ｍ）を演算して前記制御指令を求める
   ことを特徴とするシリンダ装置。

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