JP7122994B2 - 液圧システム制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、サーボモータの制御によってポンプから送り出される作動液の圧力を用いて機械負荷を動作させる液圧システム制御装置に関する。

各種成形機あるいはプレス機といった産業機械において、作動液の圧力によって機械負荷を動作させる液圧式のアクチュエータが使用されることがある。また、液圧式のアクチュエータを動作させるシステムである液圧システムには、作動液を送り出すポンプの動力源にサーボモータが使用されることがある。

特許文献１には、油圧ポンプの動作源であるサーボモータを有する液圧システムにおいて、サーボモータの回転速度を制御することによって油圧ポンプの吐出圧力を制御することが開示されている。

特開２００７－１６０３５６号公報

上記特許文献１に開示されるような液圧システムを制御する従来の制御装置は、アクチュエータに対する位置指令にアクチュエータの位置を追従させるために、位置指令と、アクチュエータの位置の検出値と、制御ゲインとに基づいて圧力指令を生成することがある。しかしながら、従来の制御装置では、液圧システムのオペレータによる経験に基づいて制御ゲインが決定されることがあるため、高い精度でのアクチュエータの位置制御が困難となる場合があった。また、アクチュエータの動作の態様は個々の産業機械によって異なることから、従来の制御装置では、液圧システムごとの制御に合わせて制御ゲインを調整することが困難であった。このため、従来の制御装置による液圧システムの制御によると、機械負荷の高精度かつ安定した位置制御が困難であるという課題があった。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、作動液の圧力によって機械負荷を動作させる液圧システムにおいて、機械負荷の高精度かつ安定した位置制御を可能とする液圧システム制御装置を得ることを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明にかかる液圧システム制御装置は、サーボモータの制御によってポンプを駆動してポンプから送り出される作動液の圧力によりアクチュエータを動作させ、アクチュエータから伝えられた動力によって機械負荷を動作させる。本発明にかかる液圧システム制御装置は、アクチュエータに対する位置指令とアクチュエータの位置の検出結果である位置検出値と制御ゲインとに基づいて圧力の調節のための圧力指令を生成することにより位置指令に位置検出値を追従させる制御を行う位置制御部と、圧力指令からアクチュエータの動作速度への伝達特性を、伝達特性の同定のための動作における圧力の指令値とアクチュエータの動作速度の速度値とを基に同定し、伝達特性に基づいて制御ゲインを調整するゲイン調整部と、を備える。

本発明によれば、作動液の圧力によって機械負荷を動作させる液圧システムにおいて、機械負荷の高精度かつ安定した位置制御が可能となるという効果を奏する。

本発明の実施の形態１にかかる液圧システム制御装置と、液圧システム制御装置によって制御される液圧システムとを示す図 図１に示す液圧システム制御装置が有する位置制御部の一例を示す図 図１に示す液圧システム制御装置による伝達特性の同定と制御ゲインの調整とについて説明するフローチャート 図１に示す液圧システム制御装置において生成される同定用圧力指令の第１の例を示す図 図１に示す液圧システム制御装置において生成される同定用圧力指令の第２の例を示す図 図４に示す同定用圧力指令とアクチュエータの動作速度の推移とを示す図 図５に示す同定用圧力指令とアクチュエータの動作速度の推移とを示す図 図１に示す液圧システム制御装置が有するゲイン調整部による制御ゲインの算出の一例について説明する図 実施の形態１にかかる液圧システム制御装置のハードウェア構成の一例を示す第１の図 実施の形態１にかかる液圧システム制御装置のハードウェア構成の他の例を示す第２の図 本発明の実施の形態２にかかる液圧システム制御装置と、液圧システム制御装置によって制御される液圧システムとを示す図 図１１に示す液圧システム制御装置において作動液の温度と制御ゲインとの関係を示すテーブルを記憶する動作の手順を説明するフローチャート 図１１に示す液圧システム制御装置が有する記憶部に記憶されるテーブルの一例を示す図 本発明の実施の形態３にかかる液圧システム制御装置と、液圧システム制御装置によって制御される液圧システムとを示す図 図１４に示す液圧システム制御装置において負荷量と制御ゲインとの関係を示すテーブルを記憶する動作の手順を説明するフローチャート

以下に、本発明の実施の形態にかかる液圧システム制御装置を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。

実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１にかかる液圧システム制御装置１００と、液圧システム制御装置１００によって制御される液圧システム２００とを示す図である。液圧システム２００は、作動液である油の圧力を受けて動作するアクチュエータを有する。図示していないが、産業機械において、通常、アクチュエータには機械負荷が取り付けられている。機械負荷は、アクチュエータから伝えられた動力を受けて動作する。例を挙げると、産業機械の１つである成形機において、機械負荷は、金型へ材料を圧入する機構である。液圧システム２００からの動力を受けて動作する機械負荷は、成形機およびプレス機といった産業機械が有する機械負荷のほか、昇降機などの機械が有する機械負荷であっても良い。

液圧システム２００は、作動液を送り出すポンプ２０と、作動液を貯留するタンク２１と、作動液が流動する配管２２と、アクチュエータであるシリンダ２３とを有する。配管２２は、ポンプ２０とタンク２１とシリンダ２３とを接続する。ポンプ２０と、タンク２１と、配管２２と、シリンダ２３とは、作動液が流動する回路である液圧回路を構成する。

シリンダ２３は、作動液の圧力を受けて動作するピストン２３ａを有する。ポンプ２０は、シリンダ２３内へ作動液を流入させる向きへの作動液の流動と、当該向きとは逆の向きであってシリンダ２３内から作動液を流出させる向きへの作動液の流動とを切り換え可能な両回転式のポンプである。位置検出器２７は、ピストン２３ａの位置を検出し、検出結果である位置検出値１０を液圧システム制御装置１００へ出力する。

液圧システム２００は、ポンプ２０の動力源であるサーボモータ２４と、圧力指令９にしたがってサーボモータ２４を動作させるサーボアンプ２５とを有する。圧力検出器２６は、配管２２を流動する作動液の圧力を検出し、検出結果である圧力検出値２８をサーボアンプ２５へ出力する。サーボアンプ２５は、圧力指令９である圧力の指令値に圧力検出値２８が追従するように、サーボモータ２４へ供給される電流２９の電流値を調整する。サーボモータ２４は、電流２９を受けて駆動することによってトルク３０を発生させ、ポンプ２０へトルク３０を印加する。

液圧システム２００は、サーボモータ２４を用いてポンプ２０を動作させ、ポンプ２０から送り出される作動液の圧力をフィードバックしてポンプ２０の回転速度を変化させることによって、作動液の圧力を制御する。かかる制御方式は、サーボポンプ方式と称される。液圧システム２００は、サーボポンプ方式の採用により、アクチュエータを停止させているときにポンプ２０とサーボモータ２４とを停止させることができる。このため、液圧システム２００は、常時油圧ポンプを最大回転させて作動液を最大流量で流しておき、油圧バルブを通して流量を制御する方式を採用するシステムと比較して、消費エネルギーの低減と騒音の低減とが可能となる。また、液圧システム２００は、サーボモータ２４をポンプ２０の動力源とすることによって、サーボポンプ方式以外の制御方式を採用するシステムと比較して、位置制御の応答性が高いという特徴もある。

液圧システム制御装置１００は、ポンプ２０から送り出される作動液の圧力を調節することによって機械負荷の位置制御を行う。図１には、液圧システム制御装置１００が有する機能構成を示している。液圧システム制御装置１００は、位置指令７を生成する位置指令生成部１と、圧力指令８を生成する位置制御部２と、同定用圧力指令１３を生成する同定用圧力指令生成部４とを有する。また、液圧システム制御装置１００は、圧力指令８の出力と同定用圧力指令１３の出力とを切り換える切り換え部３と、ピストン２３ａの動作速度を検出する速度検出部５と、制御ゲイン１２を調整するゲイン調整部６とを有する。

位置指令生成部１は、機械負荷またはシリンダ２３が動作すべき位置の参照信号となる位置指令７を出力する。位置指令７の具体例としては、機械負荷およびシリンダ２３を動作させたい時刻における現在の位置から所望の位置への動作の間にステップ的、ランプ的あるいはＳ字的に位置が変化する位置指令７が挙げられる。ステップ的に位置が変化するとは、あるタイミングにおいて現在の位置から離散的に位置が変化することによって、現在の位置から所望の位置に到達するまで階段状に位置が推移して所望の位置に留まることを指す。ランプ的に位置が変化するとは、現在の位置から所望の位置に到達するまで、ある傾きを持って位置が推移して所望の位置に留まることを指す。Ｓ字的に位置が変化するとは、現在の位置から所望の位置に到達するまでＳ字曲線状に位置が推移して所望の位置に留まることを表す。なお、位置が推移するとは、時間と位置との関係をグラフにより表した場合における位置の推移を表すものとする。位置制御部２は、位置指令７と位置検出値１０とを、時々刻々、例えばあらかじめ決められた制御サンプリング周期ごとに比較し、制御ゲイン１２に基づき、時々刻々、圧力指令８を出力する。

図２は、図１に示す液圧システム制御装置１００が有する位置制御部２の一例を示す図である。位置制御部２は、位置指令７と位置検出値１０との差に制御ゲイン１２の値であるＫｐを乗算することによって、圧力の指令値である圧力指令８を求める。位置制御部２は、位置指令７に位置検出値１０を追従可能とするための圧力指令８を生成する。位置制御部２は、求めた圧力指令８を出力する。

図１に示す速度検出部５には、位置検出値１０が入力される。速度検出部５は、位置検出値１０の微分処理または差分処理によって、ピストン２３ａの動作速度を算出する。速度検出部５は、算出結果である速度値１１をゲイン調整部６へ出力する。

ゲイン調整部６には、速度値１１と、切り換え部３による出力である圧力指令９とが入力される。ゲイン調整部６は、圧力指令８からピストン２３ａの動作速度への伝達特性に基づいて制御ゲイン１２を調整する。

同定用圧力指令生成部４は、伝達特性の同定のための圧力指令である同定用圧力指令１３を生成して、生成された同定用圧力指令１３を切り換え部３へ出力する。同定用圧力指令１３は、液圧システム制御装置１００が伝達特性の同定のための動作を行う際における圧力の指令値である。切り換え部３には、圧力指令８と同定用圧力指令１３とが入力される。切り換え部３は、圧力指令８と同定用圧力指令１３とのうちの一方を出力する。また、切り換え部３は、圧力指令８の出力と同定用圧力指令１３の出力とを切り換える。切り換え部３は、同定のための動作の際に、同定用圧力指令１３を出力する。切り換え部３は、同定のための動作以外の動作の際に、圧力指令８を出力する。圧力指令９は、切り換え部３から出力される指令であって、圧力指令８と同定用圧力指令１３とのうちの一方とする。切り換え部３は、サーボアンプ２５へ圧力指令９を出力する。

なお、液圧システム２００には、配管２２にチェックバルブが設けられることがある。かかる液圧システム２００では、長時間において機械負荷の位置を保持する場合、特に、機械負荷に対して外力が加わる状態において機械負荷の位置を保持したい場合に、チェックバルブを閉じるのが一般的である。チェックバルブを閉じると、配管２２が閉塞されることによって作動液の流れが遮断される。この場合、液圧システム２００は、外力に抗するためのトルクをサーボモータ２４において発生させることなく、シリンダ２３の位置を保持することができる。チェックバルブが閉じられている状態では、配管２２において作動液が循環できない。実施の形態１にかかる液圧システム制御装置１００は、液圧システム２００にチェックバルブが設けられている場合、チェックバルブを開いた状態においてシリンダ２３の位置制御を行う。また、液圧システム制御装置１００は、チェックバルブを開いた状態において伝達特性の同定のための動作を行う。すなわち、ゲイン調整部６は、作動液の流れが遮断されていない状態において伝達特性の同定のための動作を行う。これにより、液圧システム制御装置１００は、配管２２において作動液が流動可能なときであって伝達特性の同定のための動作が可能なときに、伝達特性の同定を行う。

液圧システム制御装置１００において制御ゲイン１２の調整が適切に行われない場合、アクチュエータにおける振動あるいはオーバーシュートの発生によって、機械負荷の位置制御の精度に影響が及ぶことがある。位置制御の精度低下は、産業機械によって生産される製品における品質の劣化の要因、および、産業機械の生産効率の悪化の要因となる。液圧システム制御装置１００は、ゲイン調整部６において、伝達特性を同定するとともに伝達特性に基づいて制御ゲイン１２を調整することによって、制御ゲイン１２の適切な調整を行うことができる。

次に、伝達特性の同定と制御ゲイン１２の調整とについて説明する。図３は、図１に示す液圧システム制御装置１００による伝達特性の同定と制御ゲイン１２の調整とについて説明するフローチャートである。

液圧システム制御装置１００が通常の圧力制御を行う場合、切り換え部３は、圧力指令８を出力する状態とされる。これにより、液圧システム制御装置１００は、位置制御部２の働きが有効とされた閉ループにて作動液の圧力調節を行う。液圧システム制御装置１００が伝達特性の同定のための動作を行う場合、切り換え部３は、圧力指令８を出力する状態から同定用圧力指令１３を出力する状態へ切り換わる。切り換え部３の切り換えにより、液圧システム制御装置１００は、一時的に位置制御ループを無効にした状態、すなわち位置制御部２の働きを無効にした開ループ状態にて作動液の圧力調節を行う。

ステップＳ１において、同定用圧力指令生成部４は、開ループ状態にて同定用圧力指令１３を出力する。液圧システム制御装置１００は、同定用圧力指令１３である圧力指令９をサーボアンプ２５へ出力する。

液圧システム制御装置１００は、同定用圧力指令１３の出力によってポンプ２０を動作させ、ポンプ２０の動作に応じた位置検出値１０を得る。ゲイン調整部６は、位置検出値１０に応じた速度値１１と同定用圧力指令１３とに基づいて伝達特性の同定を行う。同定用圧力指令１３である信号は、一定の時間の開始時と終了時においてゼロであって、かつ、その一定の時間においてゼロ以外となる。伝達特性の同定のための動作における圧力の指令値は、一定の時間の開始時と終了時においてゼロであって、かつ一定の時間においてゼロ以外の値となる。

ここで、同定用圧力指令１３の具体例について説明する。図４は、図１に示す液圧システム制御装置１００において生成される同定用圧力指令１３の第１の例を示す図である。図５は、図１に示す液圧システム制御装置１００において生成される同定用圧力指令１３の第２の例を示す図である。図４では、同定用圧力指令１３である信号の推移を時間軸に表したものである。

図４に示す第１の例の場合、同定用圧力指令１３は、時間Ｔの開始時に初期値であるゼロからある値に変化し、時間Ｔにおいてが一定の値にて維持される。同定用圧力指令１３は、時間Ｔの終了時に、初期値であるゼロに戻る。第１の例では、信号波形は矩形となる。第１の例では、同定用圧力指令１３による圧力の指令値は、時間Ｔの開始時と終了時においてゼロであって、かつ、時間Ｔにおいて一定の値となる。

図５に示す第２の例の場合、同定用圧力指令１３は、時間Ｔの開始によって初期値であるゼロから増加する。同定用圧力指令１３は、ある値に到達したときから後は減少して、時間Ｔの終了時に初期値であるゼロに戻る。第２の例では、信号波形は三角形となる。第２の例では、同定用圧力指令１３は、ゼロから連続的に漸増して、ピークに達してからゼロまで連続的に漸減する。同定用圧力指令１３による圧力の指令値は、ゼロから連続的に漸増して、ピークに達してからゼロまで連続的に漸減する。

液圧システム２００は、同定用圧力指令１３である圧力指令９にしたがったサーボモータ２４の駆動によってピストン２３ａを動作させる。速度検出部５は、位置検出値１０に基づいた速度値１１をゲイン調整部６へ出力する。ゲイン調整部６には、速度検出部５からの速度値１１と、切り換え部３からの圧力指令９とが入力される。

ステップＳ２において、ゲイン調整部６は、圧力の指令値である圧力指令９と速度値１１とを記憶する。ゲイン調整部６は、圧力指令９と速度値１１との時系列データを時間同期して記憶する。

ステップＳ３において、ゲイン調整部６は、記憶された圧力指令９および速度値１１に基づいて、伝達特性を同定する。伝達特性を表す伝達関数は、ゲインと遅れ要素とから構成される。圧力指令９であるＰからピストン２３ａの速度であるＶへの伝達特性を表す伝達関数は、次の式（１）により表される。
Ｖ＝Ｋ・ｅｘｐ（－Ｌ・ｓ）・Ｐ ・・・（１）

式（１）において、Ｋは伝達特性におけるゲイン要素を示すパラメータであって、Ｌは伝達特性における遅れ要素を示すパラメータである。ｓはラプラス演算子である。式（１）は、ｅｘｐ（－Ｌ・ｓ）によって、Ｌに相当する時間の分、信号を遅らせることを意味する。ゲイン調整部６は、ＫとＬとを決定することによって、伝達特性を一意に同定することができる。ステップＳ３では、ゲイン調整部６は、記憶された圧力指令９および速度値１１に基づいてＫおよびＬを算出する。

ここで、ゲイン調整部６によりＫとＬとを算出する方法について説明する。指令された圧力とピストン２３ａの速度との間には、概ね比例関係が成り立つ。また、ピストン２３ａの速度の推移を時間軸において表した場合に、速度の推移を示す波形は、圧力指令９の信号波形に対して遅れを持つ波形となる。

図６は、図４に示す同定用圧力指令１３とアクチュエータの動作速度の推移とを示す図である。ピストン２３ａの速度が初期値であるゼロから立ち上がるタイミングは、圧力指令９の信号の立ち上がりから遅れたタイミングとなる。ゲイン調整部６は、記憶された圧力指令９および速度値１１を基に、圧力指令９の信号の立ち上がりからのピストン２３ａの速度の立ち上がりの遅れ時間であるＬを求める。

圧力指令９の立ち上がりから立ち下がりまでにおける同定用圧力指令１３の値をＡ、ピストン２３ａの速度の立ち上がりから立ち下がりまでにおける速度の値をＢとすると、上記する比例関係によりＫ＝Ｂ／Ａの関係が成り立つ。ゲイン調整部６は、記憶された圧力指令９および速度値１１からＡおよびＢを得て、ＢをＡで割ることによってＫを求める。

図７は、図５に示す同定用圧力指令１３とアクチュエータの動作速度の推移とを示す図である。ピストン２３ａの速度がピークとなるタイミングは、同定用圧力指令１３である圧力指令９のピークから遅れたタイミングとなる。ゲイン調整部６は、記憶された圧力指令９および速度値１１を基に、圧力指令９のピークからのピストン２３ａの速度のピークの遅れ時間であるＬを求める。

圧力指令９のピークにおける値をＡ、ピストン２３ａの速度のピークにおける値をＢとすると、上記する比例関係によりＫ＝Ｂ／Ａの関係が成り立つ。ゲイン調整部６は、記憶された圧力指令９および速度値１１からＡおよびＢを得て、ＢをＡで割ることによってＫを求める。このようにして、ゲイン調整部６は、同定用圧力指令１３である圧力指令９の推移と、かかる圧力指令９にしたがったピストン２３ａの動作速度の推移とを基に、ＫとＬとを算出する。

ステップＳ４において、ゲイン調整部６は、ステップＳ３において同定された伝達特性に基づいて制御ゲイン１２を算出する。ゲイン調整部６は、指令位置の値とアクチュエータの位置を示す値との差分から、アクチュエータの位置を示す値への開ループ伝達関数を基に、制御ゲイン１２を求める。

ここで、ゲイン調整部６により制御ゲイン１２を算出する方法について説明する。図８は、図１に示す液圧システム制御装置１００が有するゲイン調整部６による制御ゲイン１２の算出の一例について説明する図である。図８には、位置指令７の値とピストン２３ａの位置を示す値との差分３１から、ピストン２３ａの位置を示す値３２への開ループ伝達関数について、開ループ伝達関数の構成要素であるブロックを示している。開ループ伝達関数は、制御ゲイン１２であるＫｐと、ステップＳ３にて求めた伝達関数と、積分器である１／ｓとの積から構成される。積分器である１／ｓは、ピストン２３ａの動作速度からピストン２３ａの位置への伝達関数である。

ゲイン調整部６は、開ループ伝達関数のゲイン余裕を、自動制御の理論上妥当とされるゲイン余裕、例えば１０ｄＢ以上のゲイン余裕とするＫｐを算出したり、あるいは、開ループ伝達関数の位相余裕が、自動制御の理論上妥当とされる位相余裕、例えば３０度以上の位相余裕とするＫｐを算出する。

ステップＳ５において、ゲイン調整部６は、ステップＳ４において算出された制御ゲイン１２を位置制御部２へ出力する。切り換え部３は、同定用圧力指令１３を出力する状態から圧力指令８を出力する状態へ切り換わる。切り換え部３の切り換えにより、液圧システム制御装置１００は、位置制御部２の働きが有効とされた閉ループにて位置制御が行える状態になる。以上により、液圧システム制御装置１００は、図３に示す動作を終了する。

ここで、実施の形態１において、ゲイン要素と遅れ要素とを含めた伝達特性を同定することによる効果について説明する。サーボアンプ２５は、与えられた圧力指令９に追従するようにサーボモータ２４へ電流２９を供給する。サーボモータ２４によるトルク３０の印加によって、ポンプ２０は、液圧回路の作動液に圧力を印加する。液圧回路では、パスカルの原理により、作動液が受けた圧力とピストン２３ａの断面積に応じて、シリンダ２３からピストン２３ａを動作させる力が生じる。この力によって、ピストン２３ａの動作が加速される。

ピストン２３ａは作動液の圧力により加速するが、無限に速度が大きくなるわけではない。作動液が液圧回路を流動する際に、ピストン２３ａは、作動液の流動抵抗である摩擦を受ける。ある大きさの力によってピストン２３ａを停止状態から加速させると、シャットバルブが閉じられて配管２２が閉塞されるなど作動液の流れが遮断されているとき以外は、ピストン２３ａがある速度となったときにピストン２３ａを動作させる力と作動液の摩擦力とが釣り合う。かかる力によるピストン２３ａの加速は、摩擦力とピストン２３ａに生じる力とが釣り合う速度になるまでの加速とされる。このように、ピストン２３ａの速度は、ポンプ２０が発生させた圧力に応じて決まる。

液圧回路の流動抵抗の大半は、ピストン２３ａが作動液中を通過する際に発生する、動作速度に比例する粘性摩擦である。よって、ピストン２３ａの動作速度と作動液の圧力との間には概ね比例関係が成立する。この比例定数が、伝達特性中の定数であるＫに相当する。液圧システム２００は、サーボアンプ２５が圧力指令９を受けたときから、ピストン２３ａの動作速度が圧力指令９にしたがった速度となるまでに、ある程度の遅れを生じる。かかる遅れは、フィードバックの処理による遅れと、作動液への圧力印加を開始してから押圧力と摩擦力とが釣り合うまでの時間とに起因する。この遅れが、伝達特性中のＬに相当する。

以上の説明から、サーボポンプ方式を採用する液圧システム２００は、圧力指令９を受けたときから遅れ時間の後に圧力指令９に比例してピストン２３ａの動作速度が推移するという物理的な性質を有する。ゲイン調整部６は、上記の式（１）に示すようにゲイン要素と遅れ要素とを含めた伝達特性を用いることで、シャットバルブが閉じられて作動液の流れが遮断されているとき以外において、液圧システム２００の物理的な性質に適した伝達特性を同定することが可能となる。

伝達特性の同定において使用される一般的なモデルの１つであるＡＲＸ（Auto Regressive eXogenous）モデルは、上記の式（１）に示すモデルと比較して、多数のパラメータを持つ。ゲイン調整部６は、物理的な性質に基づくゲイン要素と遅れ要素とのみをパラメータとするモデルを用いることにより、上記のＡＲＸモデルを用いる場合と比べて、同定の精度の向上が可能となる。また、ゲイン調整部６は、上記のＡＲＸモデルを用いる場合と比べて、パラメータの数が少ないことにより制御ゲイン１２を算出する際の演算処理の負荷を低減できる。

実施の形態１において伝達特性に含めた遅れ要素は、フィードバック制御において、周波数特性のうちの位相特性を遅らせる要因となる。高周波帯域においては、遅れ要素は、位相特性を１８０度以上変化させる。位相特性が１８０度回る伝達特性に対し、フィードバック制御を考えるとき、制御ゲイン１２を大きくしすぎると、位置制御ループの安定性が劣化し、振動またはオーバーシュートが発生する。遅れ要素を含む伝達特性を採用することで、振動およびオーバーシュートの発生を考慮して制御ゲイン１２の調整を実現することができる。逆に、位相特性の変化が１８０度未満の変化である伝達特性、例えば一次遅れ要素の伝達特性である場合、もともと位置制御ループが不安定にならない伝達特性なので、振動あるいはオーバーシュートを防止するといった適切な制御ゲイン１２を得ることはできない。

実施の形態１にかかる液圧システム制御装置１００は、上記の式（１）に示すように遅れ要素を含めた伝達特性を用いて制御ゲイン１２を調整することによって、制御ループを安定化させるとともに振動およびオーバーシュートの発生を低減可能とする制御ゲイン１２を得ることが可能となる。

次に、実施の形態１において図４および図５に示すような信号を同定用圧力指令１３とすることによる効果について説明する。図４および図５に示す同定用圧力指令１３は、一定の時間Ｔにおいてがゼロ以外の値であって、かつ、かかる時間Ｔの開始時と終了時においてゼロである信号である。

上記するように、液圧システム２００は、圧力指令９を受けたときから遅れ時間の後に圧力指令９に比例してピストン２３ａの動作速度が推移するという物理的な性質を有する。ピストン２３ａの速度の推移は、初期値がゼロであって、一定の時間においてゼロ以外の値となった後に再びゼロに戻るという推移となる。ピストン２３ａの位置を示す値は、このような推移の速度を積分した結果であることから、無限に大きくなるということはなく特定の位置を示す値となる。ピストン２３ａの移動は、かかる特定の位置までの移動となる。これにより、液圧システム２００は、伝達特性の同定のための動作において、ピストン２３ａが許容範囲を超えて動き続ける事態を回避することができる。また、機械負荷についても許容範囲を超えて動き続けることがないため、液圧システム２００は、機構がストロークエンドに接触するといった事態を回避することができる。

なお、同定用圧力指令１３は、図４および図５に示される信号に限られない。図５に示す同定用圧力指令１３は、ゼロから直線に沿って連続的に漸増して、ピークに達してからゼロまで直線に沿って連続的に漸減する。同定用圧力指令１３は、曲線に沿って連続的に漸増し、その後連続的に漸減するものであっても良い。曲線には、三角関数グラフの曲線あるいは指数関数グラフの曲線といった曲線を用いることができる。

液圧システム２００では、上記の式（１）でも示されるように、指令される圧力とピストン２３ａの動作速度との間に比例関係が成り立つ。同定用圧力指令１３に、ゼロから連続的に漸増しその後連続的に漸減する信号が用いられることによって、ピストン２３ａの動作速度も、同定用圧力指令１３と同様に変化する。これにより、液圧システム２００は、伝達特性の同定のための動作において、アクチュエータの急激な動作を生じさせないようにすることができる。液圧システム２００は、同定用圧力指令１３が直線に沿って変化する場合と、同定用圧力指令１３が曲線に沿って変化する場合との双方において、アクチュエータの急激な動作を生じさせないようにすることができる。

位置制御部２は、位置指令７と位置検出値１０との差に制御ゲイン１２を乗算することによって圧力指令８を生成する。液圧システム制御装置１００は、比例制御であるＰ（Proportional）制御による制御方式を採用するものである。液圧システム制御装置１００が採用する制御方式は、比例制御以外の制御方式であっても良い。制御方式は、比例および積分制御であるＰＩ（Proportional Integral）制御と、比例、積分および微分制御であるＰＩＤ（Proportional Integral Differential）制御と、積分および比例制御であるＩ－Ｐ（Integral Proportional）制御とのいずれかであっても良い。

液圧システム制御装置１００は、切り換え部３によって圧力指令８の出力と同定用圧力指令１３の出力とを切り換えるものに限られない。液圧システム制御装置１００は、切り換え部３を設けず、伝達特性の同定の際も位置制御部２の動作を有効にしたままとしても良い。この場合、液圧システム制御装置１００は、位置指令生成部１によって生成される位置指令７を位置制御部２に印加して、位置制御動作の際における圧力指令８とシリンダ２３の速度とを時間同期して記憶しておき、これらを用いて圧力指令８からシリンダ２３の動作速度への伝達特性を同定する。このとき、位置制御部２に入力される制御ゲイン１２の値は、ごく小さい値とする。これにより、応答性はかなり低くなるが、振動またはオーバーシュートの発生を生じさせずに伝達特性を同定できる。位置指令生成部１から位置制御部２へ位置指令７を与えて、このときに発生する圧力指令８とシリンダ２３の動作速度とを時間同期して記憶し、記憶したデータを基に圧力指令８からシリンダ２３の動作速度への伝達特性を同定し、その結果を基に、位置制御部２へ出力される制御ゲイン１２を調整しても良い。

次に、液圧システム制御装置１００が有するハードウェア構成について説明する。液圧システム制御装置１００が有する機能は、処理回路を使用して実現される。処理回路は、液圧システム制御装置１００に搭載される専用のハードウェアである。処理回路は、メモリに格納されるプログラムを実行するプロセッサであっても良い。

図９は、実施の形態１にかかる液圧システム制御装置１００のハードウェア構成の一例を示す第１の図である。図９には、液圧システム制御装置１００の機能が専用のハードウェアを使用して実現される場合におけるハードウェア構成を示している。液圧システム制御装置１００は、各種処理を実行する処理回路６１と、各種情報を記憶する外部記憶装置６２と、液圧システム制御装置１００の外部の機器との接続インタフェースである入出力インタフェース６３とを備える。入出力インタフェース６３は、キーボードあるいはポインティングデバイスといった情報入力のための入力デバイス、または、ディスプレイといった情報出力のための出力デバイスを有しても良い。図９に示す液圧システム制御装置１００の各部は、バスを介して相互に接続されている。

専用のハードウェアである処理回路６１は、単一回路、複合回路、プログラム化されたプロセッサ、並列プログラム化したプロセッサ、ＡＳＩＣ（Application Specific Integrated Circuit）、ＦＰＧＡ（Field-Programmable Gate Array）、又はこれらの組み合わせである。図１に示す位置指令生成部１、位置制御部２、切り換え部３、同定用圧力指令生成部４、速度検出部５およびゲイン調整部６の各機能は、処理回路６１を用いて実現される。外部記憶装置６２は、ＨＤＤ（Hard Disk Drive）あるいはＳＳＤ（Solid State Drive）である。

図１０は、実施の形態１にかかる液圧システム制御装置１００のハードウェア構成の他の例を示す第２の図である。図１０には、液圧システム制御装置１００の機能がプログラムを実行するハードウェアを用いて実現される場合におけるハードウェア構成を示している。プロセッサ６４およびメモリ６５は、外部記憶装置６２および入出力インタフェース６３と相互に接続されている。

プロセッサ６４は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、処理装置、演算装置、マイクロプロセッサ、マイクロコンピュータ、又はＤＳＰ（Digital Signal Processor）である。図１に示す位置指令生成部１、位置制御部２、切り換え部３、同定用圧力指令生成部４、速度検出部５およびゲイン調整部６の各機能は、プロセッサ６４と、ソフトウェア、ファームウェア、またはソフトウェアとファームウェアとの組み合わせによって実現される。ソフトウェアまたはファームウェアは、プログラムとして記述され、内蔵メモリであるメモリ６５に格納される。メモリ６５は、不揮発性もしくは揮発性の半導体メモリであって、ＲＡＭ（Random Access Memory）、ＲＯＭ（Read Only Memory）、フラッシュメモリ、ＥＰＲＯＭ（Erasable Programmable Read Only Memory）またはＥＥＰＲＯＭ（登録商標）（Electrically Erasable Programmable Read Only Memory）である。

実施の形態１によると、液圧システム制御装置１００は、作動液の圧力の調節のための制御ゲイン１２をゲイン調整部６によって調整する。ゲイン調整部６は、アクチュエータの動作速度と同定用圧力指令１３である圧力指令９との関係を表す伝達特性に基づいて制御ゲイン１２を調整することにより、制御ループを安定化させるとともに振動およびオーバーシュートの発生を低減可能とする制御ゲイン１２を得ることができる。これにより、液圧システム制御装置１００は、作動液の圧力によって機械負荷を動作させる液圧システム２００において、機械負荷の高精度かつ安定した位置制御が可能となるという効果を奏する。

実施の形態２．
図１１は、本発明の実施の形態２にかかる液圧システム制御装置１０１と、液圧システム制御装置１０１によって制御される液圧システム２００とを示す図である。実施の形態２では、ゲイン調整部６は、作動液の温度に関連付けられた伝達特性を同定する。実施の形態２では、上記の実施の形態１と同一の構成要素には同一の符号を付し、実施の形態１とは異なる構成について主に説明する。

液圧システム制御装置１０１は、ゲイン調整部６により調整された制御ゲイン１２を記憶する記憶部４０を有する。温度検出器４１は、配管２２を流動する作動液の温度を検出する。伝達特性の同定の際に、温度検出器４１は、検出結果である温度値４２を記憶部４０へ出力する。ゲイン調整部６は、制御ゲイン１２を記憶部４０へ出力する。記憶部４０は、温度値４２と制御ゲイン１２とを互いに関連付けて記憶する。これにより、記憶部４０は、作動液の温度と制御ゲイン１２とが互いに関連付けられたテーブルを記憶する。

圧力指令８による作動液の圧力調節が行われる際、温度検出器４１は、位置制御部２へ温度値４２を出力する。位置制御部２は、入力された温度値４２に対応する制御ゲイン１２を記憶部４０から読み出す。位置制御部２は、位置指令７と読み出された制御ゲイン１２とに基づいて圧力指令８を生成する。

次に、作動液の温度と制御ゲイン１２との関係を示すテーブルの記憶について説明する。図１２は、図１１に示す液圧システム制御装置１０１において作動液の温度と制御ゲイン１２との関係を示すテーブルを記憶する動作の手順を説明するフローチャートである。

ステップＳ１１では、ゲイン調整部６は、テーブルを記憶する動作の開始時である現在の作動液の温度における伝達特性を同定し、制御ゲイン１２を算出する。制御ゲイン１２を算出する手法は、実施の形態１と同様である。ステップＳ１２において、記憶部４０は、作動液の温度値４２と制御ゲイン１２とを関連付けて記憶する。ステップＳ１３において、位置制御部２は、ステップＳ１２において記憶部４０に記憶された制御ゲイン１２を読み出す。

ステップＳ１４では、液圧システム制御装置１０１は、作動液の温度を上昇させて、ピストン２３ａの位置制御を実行する。作動液の温度を上昇させる手法には、液圧システム２００のエージング運転を行うことが挙げられる。具体的には、液圧システム制御装置１０１は、位置制御を連続して実行することによって、液圧システム２００をエージング運転させる。エージング運転が継続されると、液圧回路における作動液の摩擦によって、作動液の温度は徐々に上昇する。

ステップＳ１５において、位置制御部２は、エージング運転での位置制御における位置制御特性の測定結果を基に、位置制御特性が劣化したか否かを判断する。位置制御におけるピストン２３ａあるいは機械負荷の状態波形測定などによって、位置制御特性が測定される。位置制御部２は、オーバーシュートあるいは振動があらかじめ定められた制御スペックを満たすか否かにより、位置制御特性が劣化したか否かを判断する。

位置制御特性が劣化したと判断した場合（ステップＳ１５，Ｙｅｓ）、液圧システム制御装置１０１は、ステップＳ１１からの手順を繰り返す。ステップＳ１１にて、ゲイン調整部６は、エージング運転時の現在の作動液の温度における伝達特性を同定し、制御ゲイン１２を算出する。

位置制御特性が劣化していないと判断した場合（ステップＳ１５，Ｎｏ）、ステップＳ１６において、位置制御部２は、作動液の温度があらかじめ設定された上限に達したか否かを判断する。温度の上限とは、作動液を使用可能な温度の上限である。温度の上限とは、機械負荷を動作させ得る作動液の温度の上限であっても良い。

作動液の温度が上限に達していないと判断した場合（ステップＳ１６，Ｎｏ）、液圧システム制御装置１０１は、ステップＳ１４からの手順を繰り返す。作動液の温度が上限に達したと判断した場合（ステップＳ１６，Ｙｅｓ）、液圧システム制御装置１０１は、図１２に示す手順による動作を終了する。これにより、液圧システム制御装置１０１は、作動液の温度と、位置制御特性の劣化を抑制可能な制御ゲイン１２との関係を表すテーブルを作成する。

図１３は、図１１に示す液圧システム制御装置１０１が有する記憶部４０に記憶されるテーブルの一例を示す図である。テーブルには、作動液の温度と、位置制御特性の劣化を抑制可能な制御ゲイン１２とが関連付けられている。

液圧システム制御装置１０１は、機械負荷の製造または立ち上げ時に、テーブルを作成する。位置制御部２は、圧力指令８による作動液の圧力調節を行う際に、作動液の温度と制御ゲイン１２との関係を記憶部４０から読み出して、入力された温度値４２に対応する制御ゲイン１２を求める。位置制御部２は、記憶されている温度値４２と制御ゲイン１２との線形補間により得られた関係を基に、入力された温度値４２に対応する制御ゲイン１２を決定しても良い。

なお、テーブルは、図１３に示すようなテーブルに限られない。テーブルは、あらかじめ設定された温度ごと、例えば１度ごとに、作動液の温度と制御ゲイン１２とが関連付けられたものであっても良い。図１２に示す手順によると、テーブルは、作動液の温度を徐々に上昇させて、位置精度特性が劣化した場合において制御ゲイン１２を算出することによって得られる。この場合、設定された温度ごとの関連付けを有するテーブルを作成する場合と比べて、テーブルの作成に要する時間を短縮することができ、かつ、テーブルの容量を小さくすることができる。

液圧システム制御装置１０１は、実施の形態１に係る液圧システム制御装置１００と同様のハードウェア構成を有する。記憶部４０は、図９および図１０に示す外部記憶装置６２を用いて実現される。

実施の形態２によると、液圧システム制御装置１０１は、実施の形態１にかかる液圧システム制御装置１０１と同様の構成を有することにより、機械負荷の高精度かつ安定した位置制御が可能となる。また、液圧システム制御装置１０１は、ゲイン調整部６において、作動液の温度ごとにおける伝達特性を同定する。位置制御部２は、温度値４２を基に、位置制御特性の劣化を抑制可能な制御ゲイン１２を得て、圧力指令８を生成することができる。これにより、液圧システム制御装置１０１は、作動液の温度が変化した場合においても、機械負荷の高精度かつ安定した位置制御を行うことができる。

実施の形態３．
図１４は、本発明の実施の形態３にかかる液圧システム制御装置１０２と、液圧システム制御装置１０２によって制御される液圧システム２００とを示す図である。実施の形態３では、ゲイン調整部６は、機械負荷における負荷量に関連付けられた伝達特性を同定する。実施の形態３では、上記の実施の形態１および２と同一の構成要素には同一の符号を付し、実施の形態１および２とは異なる構成について主に説明する。

液圧システム制御装置１０２は、ゲイン調整部６により調整された制御ゲイン１２を記憶する記憶部５０と、機械負荷における負荷量を示す負荷値５２を取得するデータ取得部５１とを有する。データ取得部５１には、オペレータの操作によって、負荷量の情報が入力される。負荷量は、例えばワークの重量である。これにより、データ取得部５１は、負荷値５２を取得する。

伝達特性の同定の際に、データ取得部５１は、取得された負荷値５２を記憶部５０へ出力する。ゲイン調整部６は、制御ゲイン１２を記憶部５０へ出力する。記憶部５０は、負荷値５２と制御ゲイン１２とを互いに関連付けて記憶する。これにより、記憶部５０は、負荷量と制御ゲイン１２との関係を表すテーブルを記憶する。

圧力指令８による作動液の圧力調節が行われる際、データ取得部５１は、負荷値５２を取得し、位置制御部２へ負荷値５２を出力する。位置制御部２は、入力された負荷値５２に対応する制御ゲイン１２を記憶部５０から読み出す。位置制御部２は、位置指令７と読み出された制御ゲイン１２とに基づいて圧力指令８を生成する。

次に、負荷量と制御ゲイン１２との関係を示すテーブルの記憶について説明する。図１５は、図１４に示す液圧システム制御装置１０２において負荷量と制御ゲイン１２との関係を示すテーブルを記憶する動作の手順を説明するフローチャートである。

データ取得部５１には、テーブルを記憶する動作の開始時における負荷量の情報が入力される。ステップＳ２１において、液圧システム制御装置１０２は、かかる入力を基に、負荷値５２の初期値である初期負荷を設定する。初期負荷は、機械負荷における最小の負荷とする。

ステップＳ２２において、ゲイン調整部６は、テーブルを記憶する動作の開始時である現在の負荷、すなわち初期負荷における伝達特性を同定し、制御ゲイン１２を算出する。制御ゲイン１２を算出する手法は、実施の形態１と同様である。ステップＳ２３において、記憶部５０は、負荷値５２と制御ゲイン１２とを関連付けて記憶する。ステップＳ２４において、位置制御部２は、ステップＳ２３において記憶部５０に記憶された制御ゲイン１２を読み出す。

次に、ステップＳ２５では、液圧システム制御装置１０２は、負荷を増加させて、ピストン２３ａの位置制御を実行する。ステップＳ２５では、機械負荷の負荷が増加されて、増加後の負荷量の情報がデータ取得部５１に入力される。

ステップＳ２６において、位置制御部２は、負荷が増加された状態での位置制御における位置制御特性の測定結果を基に、位置制御特性が劣化したか否かを判断する。位置制御におけるピストン２３ａあるいは機械負荷の状態波形測定などによって、位置制御特性が測定される。位置制御部２は、オーバーシュートあるいは振動があらかじめ定められた制御スペックを満たすか否かにより、位置制御特性が劣化したか否かを判断する。

位置制御特性が劣化したと判断した場合（ステップＳ２６，Ｙｅｓ）、液圧システム制御装置１０２は、ステップＳ２２からの手順を繰り返す。ステップＳ２２にて、ゲイン調整部６は、現在の負荷値５２での伝達特性を同定し、制御ゲイン１２を算出する。

位置制御特性が劣化していないと判断した場合（ステップＳ２６，Ｎｏ）、ステップＳ２７において、位置制御部２は、負荷があらかじめ設定された上限に達したか否かを判断する。負荷の上限とは、機械負荷に許容される最大の負荷である。

負荷が上限に達していないと判断した場合（ステップＳ２７，Ｎｏ）、液圧システム制御装置１０２は、ステップＳ２５からの手順を繰り返す。負荷が上限に達したと判断した場合（ステップＳ２７，Ｙｅｓ）、液圧システム制御装置１０２は、図１５に示す手順による動作を終了する。これにより、液圧システム制御装置１０２は、負荷量と、位置制御特性の劣化を抑制可能な制御ゲイン１２との関係を表すテーブルを作成する。

位置制御部２は、圧力指令８による作動液の圧力調節を行う際に、負荷量と制御ゲイン１２との関係を記憶部５０から読み出して、入力された負荷値５２に対応する制御ゲイン１２を求める。位置制御部２は、記憶されている負荷値５２と制御ゲイン１２との線形補間により得られた関係を基に、入力された負荷値５２に対応する制御ゲイン１２を決定しても良い。

液圧システム制御装置１０２は、実施の形態１に係る液圧システム制御装置１００と同様のハードウェア構成を有する。データ取得部５１は、図９および図１０に示す入出力インタフェース６３を用いて実現される。記憶部５０は、図９および図１０に示す外部記憶装置６２を用いて実現される。

実施の形態３によると、液圧システム制御装置１０２は、実施の形態１にかかる液圧システム制御装置１００と同様の構成を有することにより、機械負荷の高精度かつ安定した位置制御が可能となる。また、液圧システム制御装置１０２は、ゲイン調整部６において、負荷量に対応する伝達特性を同定する。位置制御部２は、負荷値５２を基に、位置制御特性の劣化を抑制可能な制御ゲイン１２を得て、圧力指令８を生成することができる。これにより、液圧システム制御装置１０２は、負荷量が変化した場合においても、機械負荷の高精度かつ安定した位置制御が可能となるという効果を奏する。

以上の実施の形態に示した構成は、本発明の内容の一例を示すものであり、別の公知の技術と組み合わせることも可能であるし、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、構成の一部を省略、変更することも可能である。

１ 位置指令生成部、２ 位置制御部、３ 切り換え部、４ 同定用圧力指令生成部、５ 速度検出部、６ ゲイン調整部、７ 位置指令、８，９ 圧力指令、１０ 位置検出値、１１ 速度値、１２ 制御ゲイン、１３ 同定用圧力指令、２０ ポンプ、２１ タンク、２２ 配管、２３ シリンダ、２３ａ ピストン、２４ サーボモータ、２５ サーボアンプ、２６ 圧力検出器、２７ 位置検出器、２８ 圧力検出値、２９ 電流、３０ トルク、３１ 差分、３２ 値、４０，５０ 記憶部、４１ 温度検出器、４２ 温度値、５１ データ取得部、５２ 負荷値、６１ 処理回路、６２ 外部記憶装置、６３ 入出力インタフェース、６４ プロセッサ、６５ メモリ、１００，１０１，１０２ 液圧システム制御装置、２００ 液圧システム。

Claims (6)

1. サーボモータの制御によってポンプを駆動して前記ポンプから送り出される作動液の圧力によりアクチュエータを動作させ、前記アクチュエータから伝えられた動力によって機械負荷を動作させる液圧システム制御装置であって、
   前記アクチュエータに対する位置指令と前記アクチュエータの位置の検出結果である位置検出値と制御ゲインとに基づいて前記圧力の調節のための圧力指令を生成することにより位置指令に位置検出値を追従させる制御を行う位置制御部と、
   前記圧力指令から前記アクチュエータの動作速度への伝達特性を、前記伝達特性の同定のための動作における前記圧力の指令値と前記アクチュエータの動作速度の速度値とを基に同定し、前記伝達特性に基づいて前記制御ゲインを調整するゲイン調整部と、
   を備えることを特徴とする液圧システム制御装置。
2. 前記ゲイン調整部は、前記伝達特性の同定のための動作における前記圧力の指令値と前記アクチュエータの動作速度の速度値とを基に、前記伝達特性におけるゲイン要素と遅れ要素とを求め、前記ゲイン要素と前記遅れ要素とを含めた前記伝達特性を同定することを特徴とする請求項１に記載の液圧システム制御装置。
3. 前記伝達特性の同定のための動作における前記圧力の指令値は、一定の時間の開始時と終了時においてゼロであって、かつ前記一定の時間においてゼロ以外の値となることを特徴とする請求項１または２に記載の液圧システム制御装置。
4. 前記伝達特性の同定のための動作における前記圧力の指令値は、ゼロから連続的に漸増して、ピークに達してからゼロまで連続的に漸減することを特徴とする請求項３に記載の液圧システム制御装置。
5. 前記作動液の温度と前記制御ゲインとを互いに関連付けて記憶する記憶部を備え、
   前記位置制御部は、前記記憶部から読み出された前記制御ゲインに基づいて前記圧力指令を生成することを特徴とする請求項１から４のいずれか１つに記載の液圧システム制御装置。
6. 前記機械負荷の負荷量と前記制御ゲインとを互いに関連付けて記憶する記憶部を備え、
   前記位置制御部は、前記記憶部から読み出された前記制御ゲインに基づいて前記圧力指令を生成することを特徴とする請求項１から４のいずれか１つに記載の液圧システム制御装置。

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