JPH10339301A - 自動制御空気圧装置の制御方法および自動制御空気圧装置 - Google Patents

自動制御空気圧装置の制御方法および自動制御空気圧装置

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JPH10339301A
JPH10339301A JP9150916A JP15091697A JPH10339301A JP H10339301 A JPH10339301 A JP H10339301A JP 9150916 A JP9150916 A JP 9150916A JP 15091697 A JP15091697 A JP 15091697A JP H10339301 A JPH10339301 A JP H10339301A
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control
signal
pneumatic device
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amount
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JP9150916A
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Kenji Irokawa
賢治 色川
Tomohiko Aki
智彦 阿木
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SMC Corp
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • Y10T137/2409—With counter-balancing pressure feedback to the modulating device

Abstract

(57)【要約】 【課題】むだ時間を有する空気圧機器の応答性を改善す
る。 【解決手段】スイッチ２０８の開状態において、階段状
の基準信号Ｓｒを供給したとき、空気圧機器１５のむだ
時間を補償するオフセット信号Ｓｄをオフセット発生部
２０７から発生し、空気圧機器１５の操作量として供給
する。そして、フィードバック信号Ｓｆが立ち上がり、
基準速度Ｓｖｒ以上の速度Ｓｖが速度検出部２１４によ
り検出されたとき、切換信号によりスイッチ２０８が閉
じられて、ＰＤ制御からＰＩＤ制御に切り換えられる。
このように空気圧機器１５を制御することにより、空気
圧機器１５の応答時間を早くできるとともに、応答を滑
らかにすることができる。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】この発明は、例えば、電空変
換器およびこの電空変換器を用いた空気圧アクチュエー
タに適用して好適な自動制御空気圧装置の制御方法およ
び自動制御空気圧装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】電空変換器は、自動制御における操作量
（操作量信号ともいう。）が電気信号である入力信号と
して供給されて駆動される自動制御空気圧装置の一種で
あり、入力信号（操作量）に対応する出力信号（制御量
または制御量信号ともいう。）としての空気圧に対応す
る電気信号がフィードバック制御される装置である。
【０００３】また、この電空変換器の出力側に流量制御
弁等が接続されて自動制御空気圧装置としての空気圧ア
クチュエータが構成される。この電空変換器を用いた空
気圧アクチュエータでは、電空変換器への入力信号（操
作量）である電気信号に応じて、例えば、前記流量制御
弁の弁体の開度等が出力信号（制御量）とされ、フィー
ドバック制御される。
【０００４】このような自動制御空気圧装置の例として
は、例えば、この出願人の出願による特開平７−４４０
１号公報に公表された「電−空変換装置およびこれを用
いたアクチュエータシステム」を挙げることができる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】ところで、一般に、自
動制御空気圧装置では、ＰＩＤ（Ｐは比例、Ｉは積分、
Ｄは微分）制御が採用されている。このＰＩＤ制御によ
れば、基準信号（基準入力または入力信号ともいう。）
として、例えば、ステップ信号（ステップ入力）のよう
に、値０から値１に階段状に変化する信号が供給された
場合に、オフセットがなく安定で精度のよい応答を実現
することができるからである。
【０００６】しかしながら、空気圧機器の場合には、操
作量を供給してから制御対象の制御量が実際に発生する
までに、油圧機器に比較して、大きなむだ時間が存在す
る。制御対象のむだ時間が大きい場合には、空気圧機器
全体としての追従制御性が悪くなるという問題がある。
具体的な問題として、例えば、操作量（結果として、制
御量）が微小の場合には、応答するまでの時間が長くな
り（応答が遅くなり）、操作量（制御量）が大きい場合
には、オーバーシュートや減衰振動が発生する場合があ
るということが知られている。
【０００７】この発明は、このような課題を考慮してな
されたものであって、操作量（制御量）が微小である場
合には応答する時間を短くし（応答を早くし）、操作量
（制御量）が大きい場合には、オーバーシュートや減衰
振動のほとんど発生しない自動制御空気圧装置の制御方
法および自動制御空気圧装置を提供することを目的とす
る。
【０００８】
【課題を解決するための手段】この発明は、操作量が電
気信号として供給されて駆動される空気圧機器の出力制
御量を検出部により検出して電気信号としてのフィード
バック量に変換し、このフィードバック量と基準信号と
に基づく偏差に応じて自動制御を行う自動制御空気圧装
置の制御方法において、予め、前記操作量に対応する前
記空気圧機器のむだ時間を補償するためのオフセットを
求め、実際に前記操作量を前記空気圧機器に供給しよう
とするとき、前記操作量に前記オフセットを加えて前記
空気圧機器に供給することを特徴とする。
【０００９】この発明によれば、制御対象としての空気
圧機器のむだ時間を補償するためのオフセットを予め測
定しておき、実際に操作量を空気圧機器に供給しようと
するとき、目標値に係る操作量に前記オフセットを加え
て空気圧機器に供給するようにしている。このため、操
作量（制御量）が微小である場合には、応答を高速にで
き、操作量（制御量）が大きい場合には、オーバーシュ
ートや減衰振動をほとんど発生させないようにすること
ができる。
【００１０】なお、制御対象としての空気圧機器が１種
類に固定されている場合には、例えば、１種類のオフセ
ットをパーセント（百分率）で記憶しておくようにして
もよい。オフセットをパーセントで記憶しておくように
することにより、操作量の振幅に応じたオフセットを空
気圧機器に供給することができる。
【００１１】また、この発明は、操作量が電気信号とし
て供給されて駆動される空気圧機器の出力制御量を検出
部により検出して電気信号としてのフィードバック量に
変換し、このフィードバック量と基準信号とに基づく偏
差に応じて自動制御を行う自動制御空気圧装置の制御方
法において、予め、前記操作量に対応する前記空気圧機
器のむだ時間を補償するためのオフセットを求め、前記
基準信号を第１の値から第２の値へ階段状に変化させ
て、前記空気圧機器の出力制御量を、ある値から所望の
値まで変化させようとする場合、前記第１の値から第２
の値へ階段状に変化する前記基準信号に対応する操作量
を前記空気圧機器に供給するとき、前記基準信号が第１
の値から第２の値へ階段状に変化するときには、Ｐ制御
またはＰＤ制御による操作量に、前記オフセットを加え
て前記空気圧機器に供給し、前記基準信号が第１の値か
ら第２の値に階段状に変化した後、前記出力制御量の微
分値が所定の値になったときに、制御をＰ制御またはＰ
Ｄ制御による制御からＰＩＤ制御に切り換え、このＰＩ
Ｄ制御による操作量を前記空気圧機器に供給することを
特徴とする。
【００１２】この発明によれば、第１の値から第２の値
へ階段状に変化する基準信号に対応する操作量を空気圧
機器に供給する場合、基準信号が第１の値から第２の値
へ階段状に変化するときには、Ｐ制御またはＰＤ制御に
よる操作量に、予め求めてあるオフセット量を加えて供
給し、前記出力制御量の微分値が所定の値になった時
に、Ｐ制御またはＰＩ制御をＰＩＤ制御に切り換えるよ
うにしている。このため、むだ時間を有する空気圧機器
において、操作量（制御量）が微小量である場合には、
応答する時間を短くでき、操作量（制御量）が大きい場
合には、オーバーシュートや減衰振動をほとんど発生さ
せないようにすることができる。
【００１３】その上、万一制御量が変化しなくなった
（例えば、摺動摩擦を原因とする弁体の停止やアクチュ
エータの停止）等の伝達関数が変化した場合において
も、停止する前に、Ｉ制御が開始されるようにしている
ので、たとえ停止した場合においても、操作量が徐々に
大きくなり、再度、制御量を変化（弁体やアクチュエー
タを再移動）させることができる。
【００１４】なお、空気圧機器が電空変換器である場合
には、前記出力制御量は圧力量とされ、空気圧機器が電
空変換器とこの電空変換器の出力圧力により制御される
アクチュエータである場合には、出力制御量は、アクチ
ュエータの作動量とされる。
【００１５】さらにこの発明は、目標値に対応する基準
信号が供給されるとともに、フィードバック信号が減算
信号として供給される減算手段と、前記減算手段の出力
信号が、その入力に供給されるＰＩ制御手段と、前記フ
ィードバック信号が、その入力に供給されるＤ制御手段
と、前記ＰＩ制御手段の出力信号と、前記Ｄ制御手段の
出力信号と、オフセット信号が加算される加算手段と、
前記加算手段の出力信号が操作量として供給される電空
変換器と、前記電空変換器の出力である空気圧が供給さ
れる空気圧アクチュエータと、前記空気圧アクチュエー
タの変位を電気信号である前記フィードバック信号に変
換する位置検出手段とを備え、前記オフセット信号は、
前記電空変換器と前記空気圧アクチュエータとからなる
制御対象のむだ時間を補償するための値としたことを特
徴とする。
【００１６】この発明によれば、電空変換器に操作量を
与えるとき、オフセット信号を加算して与えるようにし
ているので、電空変換器と空気圧アクチュエータとから
なる制御対象が有するむだ時間を補償することができ
る。
【００１７】この場合においても、フィードバック信号
の微分信号が一定値になったときに、Ｉ制御を開始する
ようにすることで、オーバーシュートのない滑らかな応
答を得ることができる。
【００１８】
【発明の実施の形態】以下、この発明の一実施の形態に
ついて図面を参照して説明する。
【００１９】図１は、この発明を、電空変換器１２とこ
の電空変換器１２により制御されるアクチュエータ１４
からなる空気圧機器（空気圧装置）１５に適用したこの
実施の形態の自動制御空気圧装置１０の構成を示してい
る。
【００２０】図１において、自動制御空気圧装置１０
は、基本的には、入力端子１３を通じて目標値に対応す
る基準信号Ｓｒが供給されるマイクロコンピュータ１６
と、このマイクロコンピュータ１６の出力信号である操
作量信号によって作動する電空変換器１２と、この電空
変換器１２の出力信号（空気圧）により作動するアクチ
ュエータ１４と、このアクチュエータ１４を構成するス
テム１８の移動量を制御量信号として検出し、これを電
気信号（フィードバック信号）Ｓｆに変換してマイクロ
コンピュータ１６に送出する位置検出器２０とから構成
される。
【００２１】図１例中の電空変換器１２は、２つの同一
の電空変換器単体３０ａ、３０ｂから構成され、電空変
換器単体３０ａの入力ポートには、図示しない空圧源Ｓ
ＵＰに接続される吸気ポート３４から圧縮空気が供給さ
れ、また、電空変換器単体３０ａの出力ポートと電空変
換器単体３０ｂの入力ポートとが連通され、電空変換器
単体３０ｂの出力ポートが排気ポート３５に連通されて
いる。排気ポート３５は大気に開放されている。
【００２２】電空変換器単体３０ａ、３０ｂの後述する
各ノズルフラッパ機構３２ａ、３２ｂには、マイクロコ
ンピュータ１６から操作量信号が供給される。
【００２３】電空変換器単体３０ａの出力ポートと電空
変換器単体３０ｂの入力ポートが連通しているパイプ３
３には、流量制御弁４０の弁開度を制御するアクチュエ
ータ１４を構成するダイヤフラム室３６が接続されてい
る。
【００２４】パイプ３３を通じてダイヤフラム室３６に
供給される空気圧圧力により、ステム１８が圧縮ばね３
８の圧縮力に対抗して矢印Ｚ２方向に移動すると、流量
制御弁４０が開く方向とされ、一方、ダイヤフラム室３
６の空気圧力が少なくなったときには、流量制御弁４０
を閉じるようにステム１８が矢印Ｚ１方向に移動する。
このようにして、流量制御弁４０の開度が調整される。
【００２５】なお、供給側の電空変換器単体３０ａが閉
塞状態にあり、排気側の電空変換器単体３０ｂが開放状
態にあってダイヤフラム室３６が大気に連通していると
きには、圧縮ばね３８の作用によりステム１８は矢印Ｚ
１方向端のホーム位置とされ、流量制御弁４０は全閉状
態とされる。
【００２６】ステム１８の移動量、換言すれば、流量制
御弁４０の開度、あるいは流量制御弁４０の内部を流れ
る流体の流量が制御量であり、この制御量に比例する位
置検出器２０の出力電気信号がフィードバック信号Ｓｆ
としてマイクロコンピュータ１６に供給される。
【００２７】結局、図１例の自動制御空気圧装置１０に
おいて、基準信号Ｓｒは、ステム１８の移動量、すなわ
ち、流量制御弁４０の開度を決める信号であると考える
ことができる。
【００２８】マイクロコンピュータ１６は、駆動・制御
・処理・判断手段等として機能し、周知のように、中央
処理装置（ＣＰＵ）に対応するマイクロプロセッサ（Ｍ
ＰＵ）と、このマイクロプロセッサに接続される入出力
装置としてのＡＤ変換回路やＤＡ変換回路、Ｉ／Ｏポー
ト、制御プログラム・システムプログラム・ルックアッ
プテーブル等が予め書き込まれる読み出し専用メモリ
（ＲＯＭ）、処理データを一時的に保存等するランダム
アクセスメモリ（ＲＡＭ：書き込み・読み出しメモ
リ）、タイマ回路および割り込み処理回路等を１チップ
に集積したＬＳＩデバイスとして提供される。このマイ
クロコンピュータ１６の機能を表す機能ブロック図につ
いては後に説明する。
【００２９】図２は、電空変換器単体３０ａ、３０ｂ
（同一の構成であるので、区別する必要がない場合に
は、電空変換器単体３０という。）の構成を示してい
る。また、以下の説明において、電空変換器単体３０と
して説明するときには、繁雑さを避けるために、図１例
の電空変換器単体３０ａ、３０ｂを構成する各要素（部
品）の添字ａ、ｂをも削除して説明する。
【００３０】図２例の電空変換器単体３０は、この出願
の出願人による特開平７−４４０１号公報に開示された
ものである。以下、この電空変換器単体３０の構成およ
び作用を説明する。
【００３１】電空変換器単体３０は、ノズルフラッパ機
構３２と弁機構１２２とから構成されている。
【００３２】弁機構１２２は、本体１２６に孔部１２８
を介して連通する第１室１３０と第２室１３２が画成さ
れている。前記第１室１３０には、ダイヤフラム１３４
が設けられており、これにより、前記第１室１３０の上
半分がノズル背圧室１３６となる。前記ノズル背圧室１
３６には、図示しない圧縮空気供給源と連通する供給通
路１３８が連通されており、前記供給通路１３８の途上
には、減圧弁１４０と固定絞り１４１が設けられてい
る。前記減圧弁１４０は、摘み１４２を螺回することに
より、ピストン部材１４４を付勢する第１スプリング部
材１４６の圧縮力を調整する。ピストン部材１４４と弁
座１４８の間には、第２スプリング部材１５０が設けら
れるとともに、弁体１５２は、弁座１４８の下部に設け
られた第３スプリング部材１５４によってピストン部材
１４４の軸部分に当接されている。
【００３３】したがって、減圧弁１４０においてノズル
背圧室１３６の圧力が圧縮空気供給側の圧力よりも高い
場合には、前記ピストン部材１４４の断面積が弁体１５
２の断面積よりも大きいため、上向きにピストン部材１
４４が付勢され、これにより第３スプリング部材１５４
によって付勢される弁体１５２が追従して変位され、弁
座１４８に着座し、圧縮空気供給側との連通を遮断す
る。一方、ノズル背圧室１３６の圧力が圧縮空気供給源
側の圧力よりも低い場合には、第１スプリング部材１４
６の圧縮力により、弁体１５２を弁座１４８から離間さ
せ、ノズル背圧室１３６は圧縮空気供給源側と連通する
に至る。
【００３４】次に、第１室１３０および第２室１３２に
配設される弁本体１５６は、フランジ部１５８と円柱部
（弁体）６０とからなり、前記円柱部６０が孔部１２８
内で軸方向に変位自在に挿通されるとともに、フランジ
部１５８はスプリング部材１６２の圧縮力によりダイヤ
フラム１３４に当接されている。したがって、ダイヤフ
ラム１３４の変位により、弁本体１５６の円柱部６０が
弁座１６４に着座、あるいは離間し、第２室１３２に連
通する供給通路１６６と排気通路１６８の連通制御を円
柱部６０で行っている。
【００３５】一方、ノズルフラッパ機構３２は、ノズル
背圧室１３６に連通して設けられたノズル１７２と、ノ
ズル１７２の端部に当接するフラッパ１７４と、フラッ
パ１７４を変位自在に支持する支持体１７６と、前記支
持体１７６に装着され、前記フラッパ１７４の下面に形
成された突部１７８から所定距離離間されているバイモ
ルフ型圧電素子１８０と、前記フラッパ１７４をノズル
１７２側に常時付勢しているスプリング部材１８２とか
ら構成されている。バイモルフ型圧電素子１８０は、マ
イクロコンピュータ１６から正電圧が印加されることに
より、フラッパ１７４側に湾曲し、負電圧が印加される
ことにより、反対側に湾曲される。
【００３６】すなわち、前記バイモルフ型圧電素子１８
０に正のパルスが印加された場合、図３に示すように、
当該バイモルフ型圧電素子１８０がフラッパ１７４の突
部１７８に当接して上部に押圧するため、フラッパ１７
４がスプリング部材１８２の圧縮力に抗してフラッパ１
７４をノズル１７２から離間させる。したがって、ノズ
ル背圧室１３６では圧力が低下し、ダイヤフラム１３４
を矢印Ｚ１方向に変位させる。これにより、スプリング
部材１６２によって矢印Ｚ１方向に付勢されているフラ
ンジ部１５８を有する弁本体１５６も矢印Ｚ１方向に変
位する。その結果、弁本体１５６の円柱部６０が弁座１
６４から離間し、供給通路１６６と排気通路１６８が連
通される。
【００３７】また、バイモルフ型圧電素子１８０に負の
パルスが印加された場合には、図２に示すように、フラ
ッパ１７４の突部１７８に対してバイモルフ型圧電素子
１８０が離間しているため、フラッパ１７４がスプリン
グ部材１８２の圧縮力によってノズル１７２に当接す
る。したがって、ノズル背圧室１３６の圧力が上昇し、
ダイヤフラム１３４および弁本体１５６のフランジ部１
５８がスプリング部材１６２の圧縮力に抗して矢印Ｚ２
方向に変位される。この結果、弁本体１５６の円柱部６
０によって供給通路１６６と排気通路１６８の連通が遮
断される。
【００３８】以上の説明が、電空変換器単体３０の構成
と作用の説明である。
【００３９】再び、図１において、流量制御弁４０の開
度を所望の値にするためにステム１８の位置を所望の位
置に調整しようとするとき、基準信号Ｓｒを例えば、値
０から前記所望の位置に対応する値１まで階段状に変化
させる。
【００４０】このとき、マイクロコンピュータ１６の出
力信号により排気側の電空変換器単体３０ｂのノズルフ
ラッパ機構３２ｂは付勢されない。したがって、電空変
換器単体３０ｂの弁体６０ｂは遮断状態になっている。
一方、吸気側の電空変換器単体３０ａのノズルフラッパ
機構３２ａをマイクロコンピュータ１６の出力信号によ
りパルス幅変調方式｛この発明の要旨ではないので、詳
しくは説明しないが、たとえば、基準信号Ｓｒの値が値
０から値１に階段状に変化した場合には、ＰＷＭの各サ
イクル（各ＰＷＭ周期）のパルス幅を最初は広げて、以
下徐々に狭める方式。特開平７−４４０１号公報参照｝
により駆動する。このとき、ステム１８が滑らかに矢印
Ｚ２方向に進行して基準信号Ｓｒの値１に対応する所望
の位置で正確に停止するように、フィードバック制御が
なされる。
【００４１】次いで、ステム１８の位置を元の位置に戻
す場合には、前記基準信号Ｓｒの値を値１から値０に階
段状に戻す。このとき、マイクロコンピュータ１６の制
御により吸気側のノズルフラッパ機構３２ａの付勢を解
除して、弁体６０ａを遮断状態とする。その直後に、排
気側の電空変換器単体３０ｂのノズルフラッパ機構３２
ｂをマイクロコンピュータ１６の出力信号により前記と
同じパルス幅変調方式により駆動することで、ステム１
８が滑らかに矢印Ｚ１方向に進行して基準信号Ｓｒの値
０に対応して所望の位置で正確に停止するように、フィ
ードバック制御がなされる。
【００４２】図４に、この実施の形態の要部の構成をブ
ロック線図として示す。図４において、符号１５は、図
１に示した電空変換器１２とアクチュエータ１４とから
構成される空気圧機器を表しており、その伝達関数をＧ
（ｐ）としている。符号２０は、図１に示したステム１
８の位置（したがって、流量制御弁４０の開度）を検出
する位置検出器（位置検出手段）であり、制御量として
のステム１８の位置を電気信号であるフィードバック信
号Ｓｆに変換する機能を有する。また、図４中、１点鎖
線で囲んだ要素は、マイクロコンピュータ１６により構
成される機能のブロックを描いている。
【００４３】すなわち、入力端子１３を通じて供給され
る目標値に対応する基準信号Ｓｒとフィードバック信号
Ｓｆが供給される比較器２００を有し、この比較器２０
０の出力である偏差信号ｅ（ｅ＝Ｓｒ−Ｓｆ）の発生側
に比例ゲインがＫｐである比例要素２０２が接続され
る。なお、比較器２００は、基準信号Ｓｒが被減算端子
に供給されるとともに、フィードバック信号Ｓｆが減算
端子に供給される減算手段として機能する。
【００４４】比例要素２０２には、周知のように動作信
号である偏差信号ｅが供給される。比例要素２０２の出
力側は、加算器２０４の第１の入力と、スイッチ２０８
の可動端子２０８ａ側に接続される。
【００４５】スイッチ２０８の固定端子２０８ｂ側は、
演算子「１／Ｓ」で表される積分要素２１０および積分
の比例係数Ｋｉである比例要素２１２を介して加算器２
０４の第２の入力に供給される。
【００４６】前記フィードバック信号Ｓｆは、演算子
「Ｓ」で表される微分要素（速度要素）２０６にも供給
される。この微分要素２０６の出力である速度信号Ｓｖ
は、速度検出部２１４に供給されるとともに、微分の比
例係数Ｋｄである比例要素２１６に供給され、その比例
要素２１６を介して加算器２０４の第３の入力に供給さ
れる。
【００４７】前記速度検出部２１４は、この速度信号Ｓ
ｖと基準信号発生部２１３から出力される所定の値（閾
値速度信号、基準信号、基準速度または基準値ともい
う。）Ｓｖｒとを比較し、その比較結果による２値信号
（オンオフ信号）である切換信号Ｓｂをスイッチ２０８
の制御端子２０８ｃに供給する。これにより、スイッチ
２０８の開閉が制御される。切換信号Ｓｂの値がローレ
ベルであるときにスイッチ２０８は開状態にされ、ハイ
レベルであるときに閉状態にされるものとする。
【００４８】加算器２０４の出力信号は、加算器２０５
の一方の入力端子に供給される。加算器２０５の他方の
入力端子には、オフセット発生部２０７からオフセット
信号Ｓｄが供給される。なお、このオフセット信号Ｓｄ
は、電空変換器１２と空気圧アクチュエータ１４とから
なる制御対象である空気圧機器１５について予め測定し
たむだ時間を補償するための値に設定される。また、加
算器２０４と加算器２０５とは、同一の４入力加算器を
用いることができることはもちろんである。
【００４９】オフセット発生部２０７の入力側には、オ
フセット信号Ｓｄの発生用のトリガ信号として機能する
とともに、オフセット信号Ｓｄの消滅用のリセット信号
として機能する偏差信号ｅが供給されている。
【００５０】加算器２０５の出力信号、すなわち、スイ
ッチ２０８が開いているときの比例要素２０２と微分要
素２０６の出力に係わる、いわゆるＰＤ制御（比例微分
制御）による操作量信号にオフセット信号Ｓｄを加えた
操作量信号、またはスイッチ２０８が閉じているときの
比例要素２０２と積分要素２１０と微分要素２０６の出
力に係わる、いわゆるＰＩＤ制御（比例積分微分制御）
による操作量信号にオフセット信号Ｓｄを加えた操作量
信号がＰＷＭ信号発生部２１８を介して制御対象として
の空気圧機器１５を構成する電空変換器１２に供給され
る。
【００５１】なお、この実施の形態においては、この発
明の理解の容易化のために、電空変換器単体３０ａまた
は電空変換器単体３０ｂのいずれか一方がマイクロコン
ピュータ１６により切り換えられて、いわゆるトグル動
作で駆動されるものとする。
【００５２】すなわち、マイクロコンピュータ１６を構
成するＰＷＭ信号発生部２１８から一方のノズルフラッ
パ機構３２ａに操作量としての駆動信号が供給されると
きには、他方のノズルフラッパ機構３２ｂには操作量と
しての駆動信号が供給されないものとされる。この場
合、駆動信号の供給されないノズルフラッパ機構３２ｂ
は、図２に示すように、弁体６０（６０ｂ）が遮断状態
側にあるものとされる。
【００５３】次に、上記図１〜図４例の要部の動作につ
いて説明する。この場合、制御系の動作を理解するうえ
で煩雑さを避けるために、図４中、ＰＷＭ信号発生部２
１８と位置検出器２０とは、入出力端が短絡されている
ものと考える。
【００５４】また、動作説明に当たっては、その理解を
容易にするために、最初に、オフセット発生部２０７が
存在しない場合、換言すれば、オフセット信号Ｓｄが発
生されない場合のＰＤ制御からＰＩＤ制御への切換動作
について説明し、次に、オフセット信号Ｓｄが発生する
場合のＰＤ制御からＰＩＤ制御への切換動作について説
明する。
【００５５】そこで、まず、オフセット信号Ｓｄが発生
しない場合のＰＤ制御からＰＩＤ制御への切換動作につ
いて図５を参照して説明する。
【００５６】図５に示すように、時点ｔ０において、ロ
ーレベルからハイレベルに階段状に変化する基準信号Ｓ
ｒが入力端子１３を通じて比較器２００に供給されるも
のとする。このとき、スイッチ２０８は、切換信号Ｓｂ
がローレベルになっているので、図に示す開状態になっ
ているものとする。したがって、制御の切換（図５参
照）は、比例要素２０２と微分要素２０６によるＰＤ制
御となり、この時点ｔ０において、ＰＤ制御により電空
変換器単体３０ａに対する駆動が開始される。
【００５７】このとき、図１に示す排気側の電空変換器
単体３０ｂはマイクロコンピュータ１６から駆動信号が
供給されずに弁体６０ｂが遮断状態側とされ、一方、吸
気側の電空変換器単体３０ａのノズルフラッパ機構３２
ａが駆動されて、弁体６０ａが連通状態側とされる。
【００５８】弁体６０ａが連通状態とされるまでの動作
について説明すると、図２において、バイモルフ型圧電
素子１８０に正のパルスが印加されることで、ノズルフ
ラッパ機構３２が駆動されてフラッパ１７４が開放し、
ノズル背圧室１３６が大気に連通する。この場合、厳密
な意味では、バイモルフ型圧電素子１８０にパルスが印
加されてフラッパ１７４がスプリング部材１８２の圧縮
力に対抗して開くまでにむだ時間が発生する。また、ノ
ズル背圧室１３６が大気に連通した後、第１スプリング
部材１４６の圧縮力によりピストン部材１４４の弁体１
５２を弁座１４８から離間させるまでに、むだ時間が発
生する。さらに、ダイヤフラム１３４が矢印Ｚ１方向に
移動するまでにむだ時間が存在する。
【００５９】このようにして弁体６０ａが連通状態にさ
れ、圧縮空気が吸気ポート３４、電空変換器単体３０ａ
およびパイプ３３を通じてダイヤフラム室３６に供給さ
れる。
【００６０】圧縮空気がアクチュエータ１４を構成する
ダイヤフラム室３６に流入してから、圧縮ばね３８の圧
縮力に対抗してステム１８が矢印Ｚ２方向に移動を開始
するまでにもむだ時間が発生する。
【００６１】このように、電空変換器単体３０ａのノズ
ルフラッパ機構３２ａが駆動されてから、実際に流量制
御弁４０の開度を決定するステム１８が移動を開始する
までの時間、すなわち、時点ｔ０から時点ｔ１までの時
間がむだ時間Ｌとされる。この時点ｔ０〜ｔ１までの間
ではスイッチ２０８は開状態とされているので積分制御
（Ｉ制御ともいう。）が行われない。
【００６２】なお、実際上、時点ｔ０〜ｔ１の期間にお
いては、フィードバック信号Ｓｆには変化が発生してい
ないので、実質的にＰ制御となっており、したがって、
この時点ｔ０〜ｔ１の期間は、ＰＤ制御に変えてＰ制御
に変更してもよい。
【００６３】時点ｔ１でステム１８が矢印Ｚ１方向に移
動を開始すると、図５に示すように、速度信号Ｓｖがゼ
ロ値から上昇し、その絶対値｜Ｓｖ｜が所定の値Ｓｖｒ
を超えたときの時点ｔ２において、速度検出部２１４の
出力信号である切換信号Ｓｂがローレベルからハイレベ
ルに遷移して、スイッチ２０８が開状態から閉状態に切
り換えられる。
【００６４】この時点ｔ２以降では、比例要素２０２と
微分要素２０６とによるＰＤ制御から比例要素２０２と
微分要素２０６と積分要素２１０とによるＰＩＤ制御に
切り換えられる。
【００６５】なお、時点ｔ２までは、実質的に速度信号
Ｓｖがゼロ値であるので、ＰＤ制御期間は、このＰＤ制
御に代替してＰ制御の期間にしてもほぼ同等である。
【００６６】時点ｔ２以降においてフィードバック信号
Ｓｆの値が基準信号Ｓｒのハイレベルの値に近づいてく
ると、速度信号Ｓｖの絶対値｜Ｓｖ｜の値が基準値Ｓｖ
ｒよりも小さい値となるが、このときには、スイッチ２
０８が切り換わらないように制御している。すなわち、
上述の実施の形態では、速度信号Ｓｖの絶対値｜Ｓｖ｜
が増加するときに基準値Ｓｖｒを超えたとき、ＰＤ制御
をＰＩＤ制御に切り換え、速度信号Ｓｖの絶対値｜Ｓｖ
｜が減少するときに基準値Ｓｖｒを逆に超えたときに
は、ＰＩＤ制御を保持するようにしている。
【００６７】なお、時点ｔ３において、基準信号Ｓｒが
階段状に増加または減少したときに、スイッチ２０８が
リセットされて図６に示す開放状態とされ、ＰＩＤ制御
からＰＤ制御に切り換えられるようになっている。
【００６８】以上の説明がＰＤ制御からＰＩＤ制御への
切換動作の説明であり、この動作によれば、基準信号Ｓ
ｒが階段状に変化したとき、スイッチ２０８が開状態と
されているので、むだ時間Ｌを有する空気圧機器１５の
駆動をＰ制御またはＰＤ制御により開始する。むだ時間
Ｌの経過後に、制御量が変化して位置検出器２０の出力
が発生したとき、このフィードバック信号Ｓｆの微分値
である速度信号Ｓｖの値がゼロ値から変化する。速度検
出部２１４により、この速度信号Ｓｖの値の絶対値｜Ｓ
ｖ｜が、所定の値Ｓｖｒ以上の値になったことを検出し
たとき、ローレベルからハイレベルに遷移する切換信号
Ｓｂによりスイッチ２０８を開状態から閉状態に切り換
える。したがって、この切換時点ｔ２以降では空気圧機
器１５がＰＩＤ制御により駆動される。
【００６９】また、一旦、ステム１８が動きだしてから
出力制御量が変化しなくなった場合｛例えば、ステム１
８の動きが緩慢になる時点（時点ｔ２以降の時点で時点
ｔ３に近い時点）｝において摺動摩擦によりステム１８
が停止するような場合等、伝達関数が変化した場合にお
いても、停止以前に時点ｔ２においてＩ制御が開始され
ているので、たとえ、その後にステム１８が停止した場
合においても、Ｉ制御により再度移動させるようにする
ことができるという効果が達成される。
【００７０】次に、オフセット発生部２０７によりオフ
セット信号Ｓｄが発生する場合のＰＤ制御からＰＩＤ制
御への切換動作について説明する。
【００７１】この場合、まず、オープンループにおい
て、すなわち、例えば、位置検出器２０の出力線を切り
離して、かつ、スイッチ２０８が開いた状態において、
空気圧機器１５のむだ時間を補償するためのオフセット
値（むだ時間補償用オフセット値）を測定する。
【００７２】この場合、例えば、ステム１８が所定位置
で静止しているとき、すなわち、位置検出器２０の出力
信号の値が所定値に整定されているときであって、ＰＷ
Ｍ信号発生部２１８の出力信号がゼロ値であるときに、
ＰＷＭ信号の出力を徐々に大きくする。そして、位置検
出器２０の出力信号が変化を開始したときのＰＷＭ信号
の出力値を測定する。この測定した出力値をむだ時間補
償用オフセット値（＝オフセット信号Ｓｄ）とする。
【００７３】そこで、再び、図４のクローズドループ状
態において、基準信号Ｓｒとして、図６に示すように、
時点ｔ１０から時点ｔ５０の間で値が変化する信号を、
比較器２００に供給する。
【００７４】すなわち、まず、時点ｔ１０において流量
制御弁４０（図１参照）の開度を全閉状態から半開状態
にするために、値０％から値５０％に立ち上がる基準信
号Ｓｒが時点ｔ１０において比較器２００に加えられ
る。なお、流量制御弁４０は、基準信号Ｓｒの値が値０
％であるとき全閉状態となり、値が値１００％であると
き全開状態となるように予め設定されているものとす
る。
【００７５】次に、時点ｔ２０において、流量制御弁４
０の開度を半開状態からさらに１％開くために、値５０
％から値５１％に立ち上がる基準信号Ｓｒが比較器２０
０に加えられる。
【００７６】そして、時点ｔ３０において、流量制御弁
４０の開度を５１％の状態から半開状態の５０％の状態
にもどすために、値５１％から値５０％に立ち下がる基
準信号Ｓｒが比較器２００に加えられる。
【００７７】さらに、時点ｔ４０において、流量制御弁
４０の開度を５０％から４９％にし、時点ｔ５０におい
て、流量制御弁４０の開度を４９％から５０％にするた
めの基準信号Ｓｒが比較器２００に加えられる。
【００７８】このように変化する基準信号Ｓｒは、全体
としてみれば、時点ｔ１０においては、空気圧機器１５
に係わる操作量（制御量）が比較的大きい場合に相当
し、時点ｔ１０以降の各時点ｔ２０、ｔ３０、ｔ４０、
ｔ５０においては、操作量（制御量）が微小である場合
に相当する。
【００７９】図６において、符号Ｓｆａで示す波形は、
オフセット無補正の場合のフィードバック信号Ｓｆａの
波形を示している。なお、無補正の場合とは、スイッチ
２０８が常時閉じられ、かつオフセット発生部２０７か
らオフセット信号Ｓｄが発生しない状態（Ｓｄ＝０）を
いい、空気圧機器１５は、常時、ＰＩＤ制御により制御
される場合をいう。
【００８０】フィードバック信号Ｓｆａ中の符号Ｔ１ａ
〜Ｔ５ａは、フィードバック信号Ｓｆａの値が基準信号
Ｓｒの値（目標値）に安定するまでの整定時間を示して
いる。
【００８１】この補正前のフィードバック信号Ｓｆａか
ら分かるように、操作量（制御量）が比較的大きい時点
ｔ１０近傍においては、空気圧機器１５の流量制御弁４
０の開度においてオーバーシュートや減衰振動が大き
く、かつ整定するまでに比較的に時間がかかっており整
定時間Ｔ１ａが長い。一方、時点ｔ２０以降において
は、オーバーシュートは発生しないが操作量（制御量）
が値１％と微小であるにもかかわらず、整定時間Ｔ２ａ
〜Ｔ５ａがいずれも比較的に長い。
【００８２】符号Ｓｆｂで示す波形は、速度信号Ｓｖを
検出してＰＤ制御をＰＩＤ制御に切り換えるとともに、
オフセット信号Ｓｄを加える場合の本発明に係る補正後
のフィードバック信号を示している。
【００８３】この場合、スイッチ２０８が開かれている
時点ｔ１０において、基準信号Ｓｒが比較器２００に供
給されると同時に偏差信号ｅ（ｅ≠０）がオフセット発
生部２０７にトリガ信号として供給される。このとき、
オフセット発生部２０７は、オフセット信号Ｓｄ（図６
参照）を発生する。したがって、時点ｔ１０の直後に基
準信号Ｓｒの比例信号とオフセット信号Ｓｄの加算信号
が操作量としてＰＷＭ信号発生部２１８を介して空気圧
機器１５に供給される。
【００８４】図６の最下端に示す制御の切換において、
その左端にハッチングで示すＰＤ制御にオフセット信号
Ｓｄを加えた制御が時点ｔ１０において開始され、速度
信号Ｓｖが基準信号Ｓｖｒの値を超えた時点ｔ１１にお
いて、切換信号Ｓｂによりスイッチ２０８が閉じられ
て、制御が、ＰＤ制御からＰＩＤ制御に切り換えられ
る。
【００８５】そして、時点ｔ１１以降において、図６に
示しているように、補正後のフィードバック信号Ｓｆ
ｂ、換言すれば、流量制御弁４０の開度は滑らかに５０
％点に整定する。このとき、偏差信号ｅの値がゼロ値
（ｅ＝０）となり、これによりオフセット信号Ｓｄの発
生が停止される（Ｓｄ＝０。時点ｔ１２参照）。この場
合、フィードバック信号Ｓｆｂが５０％までに整定する
時間は、整定時間Ｔ１ｂであり、この整定時間Ｔ１ｂ
は、補正前の整定時間Ｔ１ａに比較して短い時間になっ
ている（Ｔ１ｂ＜Ｔ１ａ）。このように、この実施の形
態によれば、空気圧機器１５の操作量（制御量）が大き
い場合には、整定時間が短くなり、かつ波形あばれ（オ
ーバーシュートや減衰振動）が抑制される。
【００８６】さらに、時点ｔ２０において、基準信号Ｓ
ｒが５０％から５１％に１％分微小変動したとき、その
時点ｔ２０において、オフセット信号Ｓｄが発生し、こ
のオフセット信号Ｓｄが加算器２０５により基準信号Ｓ
ｒに係わる操作量に加算され、ＰＷＭ信号発生部２１８
を介して空気圧機器１５に供給される。
【００８７】このオフセット信号Ｓｄが基準信号Ｓｒに
係わる操作量に加算されることで、補正後のフィードバ
ック信号Ｓｆｂの時点ｔ２０近傍に示すように、補正後
の整定時間Ｔ２ｂが、補正前の整定時間Ｔ２ａに比較し
て相当に短い時間となる（Ｔ２ｂ≪Ｔ２ａ）。このよう
に空気圧機器１５の操作量（制御量）が微小の場合に
は、この実施の形態によれば、きわめて整定時間が短く
なる。換言すれば、応答を相当に早くすることができ
る。なお、時点ｔ３０〜時点ｔ５０までの動作説明は、
時点ｔ２０における微小変化に対する動作と略同一の作
用効果を達成するので省略する。
【００８８】このように上述した実施の形態によれば、
むだ時間を有する空気圧機器１５において、操作量（制
御量）が微小である場合には、制御量が整定するまでの
応答時間をきわめて短くすることができ、一方、空気圧
機器１５の操作量（制御量）が大きい場合には、オーバ
ーシュートや減衰振動をほとんど発生させないで、制御
量が整定するまでの時間を短くすることができるという
効果が達成される。
【００８９】図７は、この発明を空気圧機器としての電
空変換器１２に適用した他の実施の形態の自動制御空気
圧装置１０Ｂの構成を示している。この図７例では、図
１例の空気圧のアクチュエータ１４を空気圧タンク３０
１に置換し、その空気圧タンク３０１の圧力を圧力計３
０２で測定し、圧力計３０２から出力される電気信号を
フィードバック信号Ｓｆとして、マイクロコンピュータ
１６に供給する構成としている。
【００９０】この図７例においても、図４例と回路接続
構成を変えずに、オフセット信号Ｓｄ、比例ゲインの値
あるいは、基準速度Ｓｖｒの値を変えたもので駆動する
ことで、図４例と略同一の作用効果が得られる。
【００９１】なお、この発明は上述の実施の形態に限ら
ず、この発明の要旨を逸脱することなく種々の構成を採
り得ることはもちろんである。
【００９２】
【発明の効果】以上説明したように、この発明によれ
ば、制御対象である空気圧機器のむだ時間に対応する量
を操作量に加算して前記空気圧機器を制御するようにし
ているので、制御量が微小である場合には、応答する時
間を短くすることができ（換言すれば、むだ時間を最小
限の時間とし）、一方、制御量が大きい場合には整定時
間を短くすることができるとともに、オーバーシュート
や減衰振動をほとんど発生させない滑らかな応答とする
ことができる。
【００９３】結果として、この発明は、むだ時間が大き
くて減衰振動しやすい空気圧機器に適用して最適な制御
が可能となる。
【００９４】また、出力制御量の速度変化が発生したと
きに、Ｐ制御（またはＰＤ制御）をＰＩＤ制御に切り換
えるようにしているので、オーバシュートや減衰振動を
より低減することができる。この場合、偏差ではなく、
速度を検出してＰ制御（またはＰＤ制御）をＰＩＤ制御
に切り換えるようにしているので、空気圧機器の伝達特
性が制御途中で変化したような場合においても、制御対
象に対してより柔軟に対応することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の一実施の形態が適用された自動制御
空気圧装置の構成を示す線図である。
【図２】電空変換器の構成を示す一部断面図である。
【図３】電空変換器の作用説明に供される一部断面図で
ある。
【図４】図１例の制御装置の制御系的構成を示すブロッ
ク線図である。
【図５】オフセット制御を行わない図１例、図４例の動
作の説明に供される波形図である。
【図６】図１例、図４例の動作の説明に供される波形図
である。
【図７】この発明の他の実施の形態が適用された自動制
御空気圧装置の構成を示す線図である。
【符号の説明】
１０、１０Ｂ…自動制御空気圧装置 １２…電空変換器 １４…アクチュエータ １５…空気圧機器 １６…マイクロコンピュータ １８…ステム ２０…位置検出器 ３０、３０ａ、３
０ｂ…電空変換器単体 ３２、３２ａ、３２ｂ…ノズルフラッパ機構 ３３…パイプ ３６…ダイヤフラ
ム室 ４０…流量制御弁 ６０、６０ａ、６
０ｂ…弁体 ２０２、２１２、２１６…比例要素 ２０６…微分要素 ２０７…オフセット発生部 ２１０…積分要素 ２１４…速度検出部 Ｓｄ…オフセット
信号 Ｓｆ…フィードバック信号 Ｓｒ…基準信号 Ｓｆａ…補正前フィードバック信号 Ｓｆｂ…補正後フ
ィードバック信号 Ｔ１ａ〜Ｔ５ａ、Ｔ１ｂ〜Ｔ５ｂ…整定時間

Claims (6)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】操作量が電気信号として供給されて駆動さ
    れる空気圧機器の出力制御量を検出部により検出して電
    気信号としてのフィードバック量に変換し、このフィー
    ドバック量と基準信号とに基づく偏差に応じて自動制御
    を行う自動制御空気圧装置の制御方法において、 予め、前記操作量に対応する前記空気圧機器のむだ時間
    を補償するためのオフセットを求め、 実際に前記操作量を前記空気圧機器に供給しようとする
    とき、前記操作量に前記オフセットを加えて前記空気圧
    機器に供給することを特徴とする自動制御空気圧装置の
    制御方法。
  2. 【請求項２】操作量が電気信号として供給されて駆動さ
    れる空気圧機器の出力制御量を検出部により検出して電
    気信号としてのフィードバック量に変換し、このフィー
    ドバック量と基準信号とに基づく偏差に応じて自動制御
    を行う自動制御空気圧装置の制御方法において、 予め、前記操作量に対応する前記空気圧機器のむだ時間
    を補償するためのオフセットを求め、 前記基準信号を第１の値から第２の値へ階段状に変化さ
    せて、前記空気圧機器の出力制御量を、ある値から所望
    の値まで変化させようとする場合、 前記第１の値から第２の値へ階段状に変化する前記基準
    信号に対応する操作量を前記空気圧機器に供給すると
    き、 前記基準信号が第１の値から第２の値へ階段状に変化す
    るときには、Ｐ制御またはＰＤ制御による操作量に、前
    記オフセットを加えて前記空気圧機器に供給し、 前記基準信号が第１の値から第２の値に階段状に変化し
    た後、前記出力制御量の微分値が所定の値になったとき
    に、制御をＰ制御またはＰＤ制御による制御からＰＩＤ
    制御に切り換え、このＰＩＤ制御による操作量を前記空
    気圧機器に供給することを特徴とする自動制御空気圧装
    置の制御方法。
  3. 【請求項３】請求項１または２記載の方法において、前
    記空気圧機器は電空変換器であり、前記出力制御量は、
    圧力量であることを特徴とする自動制御空気圧装置の制
    御方法。
  4. 【請求項４】請求項１または２記載の方法において、前
    記空気圧機器は電空変換器とこの電空変換器の出力圧力
    により制御されるアクチュエータであり、前記出力制御
    量は、前記アクチュエータの作動量であることを特徴と
    する自動制御空気圧装置の制御方法。
  5. 【請求項５】目標値に対応する基準信号が供給されると
    ともに、フィードバック信号が減算信号として供給され
    る減算手段と、 前記減算手段の出力信号が、その入力に供給されるＰＩ
    制御手段と、 前記フィードバック信号が、その入力に供給されるＤ制
    御手段と、 前記ＰＩ制御手段の出力信号と、前記Ｄ制御手段の出力
    信号と、オフセット信号が加算される加算手段と、 前記加算手段の出力信号が操作量として供給される電空
    変換器と、 前記電空変換器の出力である空気圧が供給される空気圧
    アクチュエータと、 前記空気圧アクチュエータの変位を電気信号である前記
    フィードバック信号に変換する位置検出手段とを備え、 前記オフセット信号は、前記電空変換器と前記空気圧ア
    クチュエータとからなる制御対象のむだ時間を補償する
    ための値としたことを特徴とする自動制御空気圧装置。
  6. 【請求項６】請求項５記載の装置において、 Ｄ制御手段の出力信号の値を、一定値として比較して監
    視する監視手段を有し、 前記監視手段は、 前記基準信号が前記減算手段に供給された後、前記Ｄ制
    御手段の出力信号が一定値に達するまでは、前記ＰＩ制
    御手段の出力信号中、Ｉ制御手段の出力信号をゼロ値と
    してＰ制御手段の出力信号を前記加算手段に供給し、 前記Ｄ制御手段の出力信号が前記一定値に達した後は、
    前記ＰＩ制御手段の出力信号中、Ｉ制御手段の出力信号
    も前記加算手段に供給することを特徴とする自動制御空
    気圧装置。
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