JP3544868B2 - Speed control method and speed control device in extruder - Google Patents
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Description
【0001】
【技術分野】
本発明は、アルミニウム等の金属の押出機における速度制御方法および速度制御装置に係り、特に、油圧シリンダで駆動されるラムを備えた金属押出機において、油圧シリンダを駆動するための油圧ポンプの吐出量を調節することにより、製品の押出速度を制御する方法および装置に関するものである。
【0002】
【背景技術】
アルミニウム等の金属の押出成形に際しては、製品の押出速度が不安定になると、ループ発生等により操業の安定性が阻害されたり、製品材質の低下等の問題が発生する。そこで、製品の押出速度に関して、高精度で且つ安定した制御が要求されており、従来から、製品の押出速度の制御のためにフィードバック制御系が、採用されている。
【0003】
ところが、従来の押出速度の制御では、一般に、実作業での経験等に基づいて特定のパラメータ等に基づいて固定的に決定された制御ゲインによって、ラム速度をフィードバック制御する制御系が採用されているために、押出材の材質や押出比等の押出条件の変化等に対応することが極めて困難で、十分な制御効果を安定して得ることが難しいという問題があった。
【0004】
なお、このような問題に対処するために、特開平7−236913号公報には、押出速度の制御に際し、押出開始準備動作時におけるラムの挙動の検出値に基づいて製品毎の押出傾向を判断し、個々の製品に応じた制御ゲインを設定する方法が、開示されている。
【0005】
しかしながら、かかる方法も、ビレットおよび製品の材質や形状、押出機の特性等といった押出作動に対する各種の影響因子に対して、各個別に具体的に対応して制御するものでなく、そのような各種の影響因子をまとめて、押出開始準備動作時におけるラム速度勾配等の実際の挙動によって概略的に判断し、それに応じて制御ゲインを切り換えるものであることから、各種の材質や形状等に対して、未だ、十分に高精度な対応をとることが難しかったのである。
【0006】
【解決課題】
ここにおいて、本発明は、上述の如き事情を背景として為されたものであって、その解決課題とするところは、押出速度をより高精度に且つ安定して制御することの出来る、押出機における速度制御方法と速度制御装置を提供することにある。
【0007】
【解決手段】
そして、かかる課題を解決するために、速度制御方法に関する本発明の特徴とするところは、油圧シリンダで駆動されるラムを備えた金属押出機において、ラム速度が目標値となるように、該油圧シリンダを駆動するための油圧ポンプの吐出量を調節することにより、製品の押出速度を制御するに際して、前記油圧ポンプの吐出量と前記ラム速度との関係を表す数学モデル式を用い、該数学モデル式に基づいて、該油圧ポンプの吐出量を調節する制御系における制御ゲインを求める押出機における速度制御方法にある。
【0008】
このような本発明方法に従えば、油圧ポンプの吐出量と前記ラムの駆動速度との関係を表す数学モデル式において、押出速度に影響を与える材質や押出比等の各種の因子を考慮することが出来るのであり、それ故、かかる数学モデル式に基づいて制御ゲインを決定することによって、各種条件下での押出作動に対して、各個別に具体的に対応した制御が可能となり、材質や押出比等の押出条件の変更に際しても、押出加工の安定性や効率等が高度に維持されるのである。なお、本発明において、ラムは、インゴットやビレット等の押出材料に押出力を及ぼす押出工具であって、ポンチ等を含む概念である。
【0009】
また、本発明方法においては、前記数学モデル式として、例えば、(I)油圧シリンダへの流入油量とラム変位の関係を表す流量関係式と、(II)ラムの運動方程式と、(III)所要の押出圧力式と、(IV)押出材の変形力式と、(V)所要の押出圧力と押出材の変形力の関係式と、(VI)油圧ポンプの駆動用アクチュエータの動特性式とを、考慮して導かれた線形システムを表すモデル式が、好適に採用される。これら(I)〜(VI)を考慮することによって、優れたモデル精度を効率的に確保することが出来るのであり、むだ時間等の実機の性能を良く表した制御対象のモデル式を有利に得ることが可能となるのである。
【0010】
また、本発明方法においては、前記数学モデル式として、例えば、(i)押出比と、(ii) ビレット長と、(iii)ラムの速度に影響を及ぼす押出力と製品速度との比を表す係数と、(iv)押出機の設備定数とによって、前記油圧ポンプの吐出量と前記ラムの駆動速度との関係を表すモデル式が、好適に採用される。これら(i)〜(iv)の条件を押出加工の影響因子として採用することによって、実機に高度に対応した数学モデル式を能率的に構築することが出来るのである。また、これら(i)〜(iv)の条件を押出加工の影響因子として採用することにより、前記(I)〜(VI)を考慮した線形システムのモデル式が、有利に実現され得る。
【0011】
更にまた、本発明方法においては、前記数学モデル式として、例えば、一次遅れの伝達関数で表される簡略式が、好適に採用され得る。このような一次遅れの伝達関数で表される簡略式を採用することによって、油圧ポンプの吐出量とラムの駆動速度との関係を表す数学モデル式を、十分なモデル精度をもって容易に構築することが出来るのである。そこにおいて、かかる簡略式におけるゲイン定数と時定数を、例えば、前記(i)〜(vi)の如き押出加工の影響因子に基づいて決定せしめるようにすることによって、より高精度なモデル式を得ることが可能となる。
【0012】
また、かくの如く、数学モデル式として、一次遅れの伝達関数で表される簡略式を採用した場合には、かかる簡略式におけるゲイン定数と時定数に基づいて、前記油圧ポンプの吐出量を調節する制御系における制御ゲインを算出することが望ましい。これにより、金属押出機のシステム特性に応じた制御ゲインが有利に設定され得る。
【0013】
さらに、本発明方法において、前記数学モデル式に基づいて求められる、油圧ポンプの吐出量を調節する制御系における制御ゲインを、決定するに際しては、例えば、(a)製品の押出速度と、(b)制御対象の時定数と、(c)製品の押出比と、(d)ラム駆動用の油圧シリンダ内の圧力値とを、それぞれ判断基準として採用し、これら(a)〜(d)の値に応じて、制御ゲインを決定することが望ましく、それによって、かかる制御ゲインを、十分な精度をもって且つ効率的に決定することが出来る。
【0014】
また、本発明方法においては、前記数学モデル式に基づいて求められる、油圧ポンプの吐出量を調節する制御系における制御ゲインを、影響因子(例えば、上記(a)〜(d))に応じて一義的に算出して決定すること等も可能であるが、好適には、例えば、数学モデル式に基づいて求められる、油圧ポンプの吐出量を調節する制御系における制御ゲインの各種条件下における値を、予め求めてデータテーブル化しておき、(a)製品の押出速度と、(b)制御対象の時定数と、(c)製品の押出比と、(d)ラム駆動用の油圧シリンダ内の圧力値とに応じて、かかるデータテーブルからデータを選択することによって、かかる制御ゲインを決定するマップ制御的な手法が、採用される。
【0015】
更にまた、油圧ポンプの吐出量を調節することにより製品の押出速度を制御する制御系は、一般にフィードバック制御系を含んで構成され得るが、そこにおいて、本発明方法は、例えば、該油圧ポンプの吐出量を調節する制御系としてのフィードバック制御系における制御ゲインを、油圧ポンプの吐出量とラムの駆動速度との関係を表す数学モデル式に基づいて決定することによって、有利に実現され得る。
【0016】
また、かくの如く、フィードバック制御系の制御ゲインを決定する場合には、かかるフィードバック制御系における制御を、例えばPI動作(比例+積分動作)によって行うことが出来る。なお、PI動作によるフィードバック制御系を採用する場合には、一般に、その調節要素の伝達関数における比例ゲインと積分時定数を、制御ゲインとして、それぞれ決定することによって、本発明方法が有利に実施される。
【0017】
更にまた、油圧ポンプの吐出量を調節することにより製品の押出速度を制御する制御系を、フィードフォワードの制御系を含んで、例えば2自由度制御理論を用いて構成することも可能であり、そこにおいて、本発明方法は、例えば、該油圧ポンプの吐出量を調節する制御系としてのフィードフォワード制御系における制御ゲインを、油圧ポンプの吐出量とラムの駆動速度との関係を表す数学モデル式に基づいて、決定することによって、有利に実現され得る。なお、かかるフィードフォワード制御系は、例えば、その調節要素を一次遅れの伝達関数によって指定することが可能であり、その場合には、該調節要素の伝達関数におけるゲイン定数と時定数を、制御ゲインとして、それぞれ決定することによって、本発明方法が有利に実施される。
【0018】
なお、本発明方法において、フィードバック制御系とフィードフォワード制御系による2自由度制御系の制御理論を採用する場合には、それらフィードバック制御系とフィードフォワード制御系の各制御ゲインを、何れも、油圧ポンプの吐出量とラムの駆動速度との関係を表す数学モデル式に基づいて決定することが望ましい。
【0019】
また一方、前述の如き課題を解決するために、速度制御装置に関する本発明の特徴とするところは、油圧シリンダで駆動されるラムを備えた金属押出機において、ラム速度の検出値と目標値の偏差に基づいて、該油圧シリンダを駆動するための油圧ポンプの吐出量を調節する制御装置を備え、該ラム速度が目標値となるように、製品の押出速度を制御する速度制御装置において、前記油圧ポンプの吐出量と前記ラムの駆動速度との関係を表す数学モデル式に基づいて、前記制御装置における制御ゲインを求める制御ゲイン設定器を設けた押出機における速度制御装置にある。
【0020】
このような本発明に従う構造とされた速度制御装置によれば、前述の如き、本発明方法が有利に実施可能となるのであり、それによって、各種条件下での押出作動に対して、各個別に具体的に対応した制御が可能となり、材質や押出比等の押出条件の変更に際しても、優れた安定性と効率性をもった押出加工が実現され得る。
【0021】
なお、本発明装置にあっては、上述の如き、各本発明方法を実施するに際して、それぞれ適当な構成が内的または外的に付加され得ることとなり、そのような付加構成が、何れも、本発明装置として認識されることが理解されるべきである。具体的には、例えば、制御ゲイン設定器において、前記(a)〜(d)の値に応じて制御ゲインを決定する構成や、更に、予め求めた制御ゲインをデータテーブル化しておいて、それら(a)〜(d)の値に応じてデータを選択して制御ゲインを決定する構成等が、適宜に採用される。また、本発明装置における制御装置としては、例えばフィードバック制御系を有する1自由度系やフィードバック制御系とフィードフォワード制御系を有する2自由度系等が好適に採用され得、そこにおいて、例えば、フィードバック制御系及び/又はフィードフォワード制御系の各制御ゲインを、制御ゲイン設定器により決定する構成や、或いはフィードバック制御系やフィードフォワード制御系を、制御ゲイン設定器により選択的に機能させる構成等が、有利に採用される。更にまた、フィードバック制御系の制御装置としては、PI動作を行うものが好適に採用され得る。更に、本発明装置における数学モデル式としては、例えば、前記(I)〜(VI)を考慮して導かれた線形システムを表すモデル式が好適に採用され、特に前記(i)〜(vi)の条件が、押出加工の影響因子として好適に採用される。そして、かかる数学モデル式としては、例えば一次遅れの伝達関数で表される簡略式が、好適に採用され得る。
【0022】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を更に具体的に明らかにするために、本発明の実施形態について、図面を参照しつつ、詳細に説明する。
【0023】
先ず、図1には、本発明の一実施形態としての速度制御装置を備えた金属押出機のシステムの概略が示されている。本実施形態における金属押出機は、油圧シリンダ10によって駆動されるラム12を備えており、良く知られているように、このラム12をコンテナ14内に押し込むことにより、コンテナ14内に収容された押出材料としてのビレット16を、コンテナ14に装着されたダイスを通じて目的とする形状に押出して、製品18を得るようになっている。なお、押し出された製品18は、例えばテンションロールを通じて、製品巻取装置に導かれ、コイラ等に巻き取られるようになっている。そして、かかる押出機において、ラム12の駆動速度が目標値となるように、油圧シリンダ10を駆動するための油圧ポンプ20の吐出量を、制御装置22で調節することにより、製品18の押出速度を制御するようになっている。
【0024】
より詳細には、本実施形態における制御装置22は、ラム12の速度が予め設定された目標値となるように、油圧ポンプ20の吐出量(作動信号)をフィードバック制御する、ラム12の速度制御器24と、かかる速度制御器24における制御ゲインを決定する制御ゲイン設定器26を含んで構成されている。
【0025】
また、かかる速度制御器24は、ラム12に装着された速度センサ28によって実測されたラム速度検出値と、外部入力等によって設定されたラム速度設定値(目標値)との偏差:eに基づいて、かかる偏差:eが零となるように、油圧ポンプ20によるポンプ吐出油量を調節することにより、ラム12の速度が目標値となるように制御するフィードバック制御器30を備えている。なお、速度センサ28としては、例えばポテンショメータやエンコーダ等の変位センサを利用したもの等が採用され得る。また、油圧ポンプ20としては、可変容量ポンプ等、吐出油量の制御性に優れたものが好適に採用される。
【0026】
更にまた、本実施形態の速度制御器24は、ラム速度設定値の大きさに応じて、油圧ポンプ20によるポンプ吐出油量を調節することにより、ラム12の速度の目標値への追従性を向上させるフィードフォワード制御器32を備えている。要するに、本実施形態では、ラム12の速度制御器24が、フィードバック制御系とフィードフォワード制御系を併せ備えた2自由度系として構成されている。
【0027】
そして、これらフィードバック制御器30とフィードフォワード制御器32における各制御ゲインが、制御ゲイン設定器26によって決定されるようになっている。
【0028】
かかる制御ゲイン設定器26は、制御対象たる押出機のシステムを表す数学モデル式34に基づいて、制御ゲインを求めるようになっている。特に本実施形態では、数学モデル式34に基づいて、採用される押出条件を考慮して予め算出した各種の制御ゲインをテーブル化してデータテーブルとしての記憶データ36を作成しておくと共に、制御系の動特性等に影響を与える特定の因子を判断基準として採用し、制御ゲイン切替判定器38にて、かかる特定の影響因子の値に応じて、記憶データ36から適当な制御ゲインを選択することによって、制御ゲインを決定するようになっている。
【0029】
ここにおいて、数学モデル式34は、例えば(I)油圧シリンダへの流入油量とラム変位の関係を表す流量関係式と、(II)ラムの運動方程式と、(III)所要の押出圧力式(Siebelの式)と、(IV)押出材の変形力式と、(V)所要の押出圧力と押出材の変形力の関係式と、(VI)油圧ポンプの駆動用アクチュエータの動特性式とを、考慮し、図2にブロック図として示されているように、線形化した押出システムのモデルを構築することによって、有利に得ることが出来る。なお、本実施形態では、可変容量式のピストンポンプを採用した。
【0030】
すなわち、(I)油圧シリンダへの流入油量とラム変位の関係を表す流量関係式は、下記(式1)〜(式3)で表すことが出来る。また、(II)ラムの運動方程式は、下記(式4)〜(式5)で表すことが出来る。更に、(III)所要の押出圧力式は、下記(式6)〜(式7)で表すことが出来る。また、(IV)押出材の変形力式は、下記(式8)〜(式9)で表すことが出来る。更に、(V)所要の押出圧力と押出材の変形力の関係式は、下記(式10)〜(式11)で表すことが出来る。また、(VI)油圧ポンプの駆動用アクチュエータの動特性式は、下記(式12)で表すことが出来る。但し、下記(式10)及び(式11)においては、コンテナ14内のビレット16の変形力が所要押出力(ダイス内の変形と摩擦力)に等しくなった時に、ダイスから材料が押し出されて出てくるものとした。
Q =AS (dx/dt)+(U/K)(dPP /dt)・・・(式1)
QP =Q+QR ・・・(式2)
QP =ηKP θ・・・(式3)
(m/9.8)(d2 x/dt2 )=FP −FC ・・・(式4)
FP =AS PP ・・・(式5)
PL =βY・lnR+Y(4μL/D)・・・(式6)
FL =AC PL ・・・(式7)
FC =F(ε)・・・(式8)
ε =(1/L)∫((−V/R)+vR ))dt・・・(式9)
FC =FL (但し、V>0の場合)・・・(式10)
FC <FL (但し、V=0の場合)・・・(式11)
θ =((KT ωn 2 )/(s2 +2ξωn s+ωn 2 ))θref ・・・(式12)
但し、上式中の各記号の意味は、以下の通りである。
FP :ラム押力,FC :ビレット変形力,AS :シリンダ断面積,AC :コンテナ断面積,m:負荷質量,x:ラム変位,U:シリンダ内油体積,K:油体積弾性係数,PP :シリンダ内油圧,Q:シリンダ内流入油量,QP :ポンプ吐出油流量,QR :ドレン流量,η:ポンプ効率,KP :ポンプの傾角流量変換係数,θref :ピストンポンプの傾角指令,θ:ピストンポンプの傾角,FL :所要押出力,PL :所要押出圧力,β:形状係数,Y:変形抵抗,V:製品の押出速度,R:押出比,μ:コンテナ内摩擦係数,L:ビレット長,D:コンテナ内径,ε:ビレット変形歪み,vR :ラム速度,ξ:減衰係数,ωn :トルクモータの動特性上の固有振動数,KT :トルクモータゲイン,s:ラプラス演算子
【0031】
かかる押出システムのモデルにおいては、図2に示されているように、先ず、可変容量式の油圧ポンプ(ピストンポンプ)20の吐出油量の指令信号としてのピストンポンプ傾角指令:θref が入力されると、上記(式12),(式3),(式2)の関係式に従って、油圧シリンダ10に対して、油量:Qだけ作動油が流入せしめられ、それに基づいて、(式1),(式5)の関係式に従って、ラム押力:FP が生ぜしめられる。その際、(式4)に従うラム12の運動を考慮し、更に該ラム12の運動に伴うビレット16の変形および製品18の押出しを(式8),(式9)および(式10),(式11),(式6),(式7)に従って考慮することによって、制御対象である押出システムをモデル的に精度良く把握することが出来るのである。なお、図2中、FS は、上記(式10),(式11)の成立条件の判定に用いられる、製品が出始める所要押出力である。また、∂FL /∂Vは、上記(式6),(式7)を考慮した、製品速度変化の押出力への影響係数(ラム速度に影響を及ぼす押出力と製品速度との比)である。更に、∂FC /∂εは、上記(式8),(式9)を考慮した、歪み変化の変形力への影響係数であり、現実的には、コンテナ14の変形が支配的に影響することから、設備定数と考えることが出来る。
【0032】
ここにおいて、上述の如き(式1)〜(式15)で表される関係式によって、制御対象である押出システムの数学モデル式を直接に得ることも出来るが、特に、本実施形態では、制御装置22における実装と調整の容易さを考慮し、定常状態を考えて制御対象:P(s)を、下記(式13)〜(式15)の如く、簡略化して、一次遅れの伝達関数で表される簡略式で表す数学モデル式を採用した。かかる数学モデル式によって、押出成形に際しての油圧ポンプ20の吐出量とラム12の駆動速度との関係を表すことが出来るのである。
【0033】
P(s)=Km /(Tm s+1)・・・(式13)
Tm =(((K/U)AS 2 +(∂FC /∂ε)/L)(∂FL /∂V)LR)/(((K/U)AS 2 )(∂FC /∂ε))・・・(式14)
Km =(KP /AS )KT η・・・(式15)
【0034】
すなわち、本実施形態では、上記(式13)〜(式15)から明らかなように、押出成形に際しての各種影響因子を考慮して、かかるシステムにおける特定の押出成形を表す数学モデル式を得るために、(i)押出比:Rと、(ii) ビレット長:Lと、(iii)ラムの速度に影響を及ぼす押出力と製品速度との比を表す係数:∂FL /∂Vと、(iv)押出機の設備定数:(K/U)AS 2 ,∂FC /∂ε,(KP /AS )KT ηが、考慮されることとなる。翻れば、これら(i)〜(iv) を入力することによって、特定の押出成形を表す数学モデル式34を得ることが出来るのである。なお、上記(iii)係数:∂FL /∂Vは、押出時の押出力と製品速度との関係から実測したり、押出材の材質情報を入力し、前記(式6),(式7)等に基づいて、計算することによって求めることが出来る。
【0035】
そして、上述の如くして得られた数学モデル式34に基づいて、フィードバック制御器30とフィードフォワード制御器32における各種制御ゲインを決定する。ここにおいて、本実施形態では、図3に示されているように、フィードバック制御器としてのFBコントローラ30としては、下記(式16)〜(式18)に示す伝達関数で表されるPI制御系を採用した。
C(s)=GP (1+(1/TI s))・・・(式16)
TI =α1 ・Tm ・・・(式17)
GP =α2 (TI /Km )・・・(式18)
【0036】
また、フィードフォワード制御器32を、フィードバックゲインに係わらずラム速度の設定値:vR ref の大きさに応じた調節を行うFFコントローラI32aと、フィードバックゲインに応じた調節を行うFFコントローラII32bからなる目標値フィードフォワード型によって構成した。そして、公知のモデルマッチングの手法(前田肇,杉江俊治 共著、1992年朝倉書店発行「アドバンスト制御のためのシステム制御理論」等参照)を用いて、FFコントローラII32bにおける調節要素:F(s)およびFFコントローラI32aにおける調節要素:P−1(s)・F(s)を、下記(式19),(式20)の如き伝達関数をもって設定した。
F(s)=1/(TF s+1)・・・(式19)
P−1(s)・F(s)=1/Km +((Tm −TF )/Km ・TF )/((1−(1/(TF s+1)))・・・(式20)
【0037】
上記(式16)〜(式20)から明らかなように、FBコントローラ30における制御ゲインとしての比例ゲインと積分時定数の値と、FFコントローラI32aにおける制御ゲインとしてのゲイン定数と時定数の値が、何れも、制御対象の数学モデル式34に基づいて求められる。しかも、上記(式16)〜(式20)における各種制御ゲインのパラメータ:TF ,α1 ,α2 の値が、それぞれ、押出成形のシステムの応答性等に関連する値、特に本実施形態では、(a)製品の押出速度:Vと、(b)制御対象の時定数:Tm と、(c)製品の押出比:Rと、(d)ラム駆動用の油圧シリンダ内の圧力値:PP を、判断基準として設定されるようになっており、それによって、制御ゲイン切替判定器38において、これら(a)〜(d)の値に応じて、各種制御ゲインが決定されるようになっている。
【0038】
すなわち、例えば記憶データ36のデータテーブル上で、制御ゲインのパラメータ:TF ,α1 ,α2 の値を、(a)押出速度:Vや(b)時定数:Tm や(c)押出比:R,(d)油圧力値:PP の値に応じて、それらV,Tm ,R,PP の設定範囲毎に適当な間隔で予め設定しておき、実際の押出成形に際して制御ゲイン切替判定器38に入力されるV,Tm ,R,PP の値に応じて、該当するTF ,α1 ,α2 の値を選択することによって、かかる実際の押出成形に対応した各種制御ゲインの値が、一義的に決定され得るのである。
【0039】
なお、そこにおいて、(a)押出速度:Vの値は、実測することも可能であるが、前記(数1)〜(数15)で表される押出システムの数学モデル式に基づいて、例えば、下記(式21)によって、容易に算出することが出来る。
V=vR ・R ・・・(式21)
【0040】
また、(b)時定数:Tm の値も、前記(数1)〜(数15)で表される押出システムの数学モデル式に基づいて、容易に算出することが出来る。更にまた、(d)油圧力値:PP も、計算で求めることが可能であるが、実測された油圧力値:PP が好適に用いられる。
【0041】
更に、本システムの構成においては、具体的には、(b)時定数:Tm ,(c)押出比:Rは、それらの値が大きい程、制御ゲインの値が大きくなるように、設定することが望ましい。また、(d)油圧力値:PP に関しては、例えば、その値が小さい押出開始時には、フィードバック系の制御ゲインを下げると共に、フィードフォワード系の制御ゲインを上げることによって、フィードフォワードを主体とした制御を行う一方、かかるPP の値が大きくなってから定常時においては、反対に、フィードフォワード系の制御ゲインを下げると共に、フィードバック系の制御ゲインを上げることによって、フィードバックを主体とした、或いはフィードバックだけの制御を行うように、制御ゲインを決定することも可能である。これによって、押出初期における目標押出速度への速やかな立ち上がりと、定常時における安定した速度制御が、より有効に実現され得る。
【0042】
上述の如き構造とされた制御装置22を備えた押出機においては、実際の押出システムを表す数学モデル式34に基づいて、制御装置22における制御ゲインが求められることから、押出比や材質等に対応した制御ゲインを、より客観的に決定することが出来るのであり、特に、予め数学モデル式34や制御ゲイン切替判定機38における制御ゲインの選択則を設定しておくことによって、種々なる条件下において、高精度な押出速度の制御が安定して実現され得るのである。しかも、従来の経験等に基づく制御ゲインの設定に比して、客観性が向上されることから、作業者の負担が軽減されると共に、作業者の能力による影響を軽減乃至は回避することが可能となる。
【0043】
また、例えば、押出比や材質等の押出条件が変化した場合にも、対応して制御ゲインを変更することによって、きめ細かく対応することが出来るのであり、それによって、安定した押出成形が有利に維持され得るのである。
【0044】
なお、数学モデル式34の設定に際しては、例えば材質情報や押出比等を、ある条件毎に分類して代表値を用いることにより、材質情報や押出比等が所定範囲内で異なる場合でも一つの数学モデル式34を共用することも可能であるが、それら材質情報や押出比等の影響因子が異なる毎に、数学モデル式34を変更することも可能であり、それによって、モデル精度の更なる向上、ひいては制御精度の更なる向上が実現され得る。
【0045】
加えて、本実施形態では、速度制御器24が、フィードバック制御器30とフィードフォワード制御器32からなる2自由度制御系で構成されており、且つそれら両制御器30,32における制御ゲインが、それぞれ独立的に調節可能とされていることから、押出開始に際してラム12の前進駆動開始から製品18がダイスから出始めるまでのむだ時間の短縮と、製品が出始めてから目標速度に整定して定常状態となるまでの目標整定時間の短縮とを、両立して図ることが出来るのである。
【0046】
具体的には、フィードフォワード制御器32における制御ゲインを調節することによって、押出開始に際してのむだ時間を短縮することが可能であり、また、それと独立して、フィードバック制御器30における制御ゲインを調節することによって、目標整定時間を短縮することが出来るのである。
【0047】
因みに、図4に示されているように、本発明に従う上述の如き2自由度制御系を採用する制御装置22を備えた押出機において、或る制御ゲインを設定した場合の押出開始時における当初の制御特性(当初制御特性)を改善するために、フィードバック系の制御ゲインを大きくした場合の制御特性のシミュレーション結果を、図4中にケースaとして示す。また、フィードバック系の制御ゲインと共に、フィードフォワード系の制御ゲインも大きくした場合の制御特性のシミュレーション結果を、図4中にケースbとして示す。これらの結果から、本実施形態における制御装置22によれば、当初制御状態からケースaのように、立ち上がり時間を変えずに目標速度への応答のみ調節することが出来、更に、ケースaからケースbのように、目標速度への応答を変化させずに立ち上がり時間のみを速く調節することも可能であることが認められる。そして、これにより、実際の押出機の挙動に対して、高精度に適合させることが出来るのである。
【0048】
一方、比較例として、フィードバック制御系のみからなる1自由度制御系を用いた制御装置において、同様な押出機について、図4におけるケースbの如く、立ち上がり時間の短縮と応答性の向上を目標として、当初制御特性を改善するために、フィードバック系の制御ゲインを大きくした場合の制御特性のシミュレーション結果を、図5中にケースcとして示す。かかるケースcにおいては、応答性を向上させたことによって、オーバーシュートが認められた。
【0049】
また、7000系アルミニウム合金からなるビレット長:300mmの押出材料を、最大押出力:2660tfにて、押出比:5で押出成形する押出機において、上述の如き2自由度制御系の制御装置22を実際に適用したところ、フィードバック制御系のみからなる1自由度制御系の制御装置を適用した場合に、制御開始から目標速度整定まで約150秒を要していたものを、約60秒にまで短縮することが出来、40%もの短縮が達成された。
【0050】
以上、本発明の実施形態について詳述してきたが、これはあくまでも例示であって、本発明は、かかる実施形態における具体的な記載によって、何等、限定的に解釈されるものでない。
【0051】
例えば、本発明は、従来から公知の各種の押出加工に際して適用可能である。具体的には、先方押出と後方押出や、熱間押出と温間押出と冷間押出、潤滑押出と無潤滑押出、中実製品押出や中空製品押出、直接押出と間接押出等の如何に係わらず、本発明が適用され得る。
【0052】
さらに、本発明では、押出システムを表す数学モデルとして、押出システムの構成や要求される精度等に応じて、各種のモデル構成が採用され得ることとなり、前記実施形態における具体的記載によって、限定的に解釈されるものでないことは、言うまでもない。
【0053】
また、本発明においては、押出工程中等において、外乱等を含む押出特性への影響因子の変化を監視し、それらの変化に応じて、数学モデル式によって表される制御対象の変化から、適宜に制御ゲインを自己調節させる適応制御理論を採用することも可能である。
【0054】
更にまた、本発明においては、制御ゲインの決定に際して、H∞理論等を利用したロバスト制御を採用し、安定性の向上を図ることも可能である。
【0055】
加えて、本発明は、アルミニウム合金や、鉄鋼等、各種金属の押出成形に際して、何れも、有利に適用され得る。
【0056】
その他、一々列挙はしないが、本発明は当業者の知識に基づいて、種々なる変更,修正,改良等を加えた態様において実施され得るものであり、また、そのような実施態様が、本発明の趣旨を逸脱しない限り、何れも、本発明の範囲内に含まれるものであることは、言うまでもない。
【0057】
【発明の効果】
上述の説明から明らかなように、本発明に従えば、実際の押出システムを考慮した数学モデル式に基づいて、押出速度の制御ゲインが、押出条件に応じて決定され得ることから、押出条件の変化に対して容易に対処することが出来るのであり、それによって、安定した押出機の速度制御が実現され得る。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施形態としての速度制御装置を備えた金属押出機のシステムを示す概略説明図である。
【図2】図1に示された押出機のシステムを示すを表す数学モデルを示すブロック図である。
【図3】図1に示された押出機における速度制御器の具体的な構成例を示すブロック図である。
【図4】図1に示された2自由度制御系からなる速度制御器による速度制御のシミュレーション結果を示すグラフである。
【図5】比較例としての1自由度制御系からなる速度制御器を用いて、図4に示された場合と同様な条件下でシミュレーションした速度制御結果を示すグラフである。
【符号の説明】
10 油圧シリンダ
12 ラム
14 コンテナ
16 ビレット
18 製品
20 油圧ポンプ
22 制御装置
24 速度制御器
26 制御ゲイン設定器
30 フィードバック制御器
32 フィードフォワード制御器
34 数学モデル式
38 制御ゲイン切替判定器[0001]
【Technical field】
The present invention relates to a speed control method and a speed control device for an extruder for a metal such as aluminum, and more particularly, to a discharge of a hydraulic pump for driving a hydraulic cylinder in a metal extruder having a ram driven by a hydraulic cylinder. A method and apparatus for controlling the extrusion rate of a product by adjusting the amount.
[0002]
[Background Art]
In the extrusion molding of a metal such as aluminum, if the extrusion speed of the product becomes unstable, the stability of the operation is impaired due to the occurrence of loops, and problems such as a reduction in the material of the product occur. Therefore, high-precision and stable control of the product extrusion speed is required, and a feedback control system has conventionally been employed for controlling the product extrusion speed.
[0003]
However, conventional control of the extrusion speed generally employs a control system that feedback-controls the ram speed by a control gain fixedly determined based on specific parameters or the like based on experience in actual work or the like. Therefore, it is extremely difficult to cope with changes in the extrusion conditions such as the material of the extruded material and the extrusion ratio, and it is difficult to stably obtain a sufficient control effect.
[0004]
In order to deal with such a problem, Japanese Patent Application Laid-Open No. Hei 7-236913 discloses that in controlling the extrusion speed, the extrusion tendency of each product is determined based on the detected value of the behavior of the ram at the time of the extrusion start preparation operation. A method for setting a control gain according to each product is disclosed.
[0005]
However, such a method also does not individually and specifically control various influence factors on the extrusion operation such as the material and shape of the billet and the product, the characteristics of the extruder, and the like. Are collectively determined by the actual behavior of the ram speed gradient and the like during the extrusion start preparation operation, and the control gain is switched accordingly. However, it was still difficult to respond with sufficiently high precision.
[0006]
[Solution]
Here, the present invention has been made in the background of the above-described circumstances, and a problem to be solved is that the extrusion speed can be controlled more accurately and stably. An object of the present invention is to provide a speed control method and a speed control device.
[0007]
[Solution]
In order to solve such a problem, a feature of the present invention relating to a speed control method is that, in a metal extruder having a ram driven by a hydraulic cylinder, the hydraulic pressure is controlled so that the ram speed becomes a target value. In controlling the extrusion speed of the product by adjusting the discharge rate of the hydraulic pump for driving the cylinder, a mathematical model formula representing the relationship between the discharge rate of the hydraulic pump and the ram speed is used. A speed control method in an extruder for obtaining a control gain in a control system for adjusting a discharge amount of the hydraulic pump based on an equation.
[0008]
According to the method of the present invention, in a mathematical model expression representing the relationship between the discharge amount of the hydraulic pump and the driving speed of the ram, various factors such as a material and an extrusion ratio that affect the extrusion speed are taken into consideration. Therefore, by determining the control gain on the basis of the mathematical model formula, it is possible to individually and specifically control the extrusion operation under various conditions, and to control the material and the extrusion. Even when the extrusion conditions such as the ratio are changed, the stability and efficiency of the extrusion process are maintained at a high level. In the present invention, the ram is an extrusion tool that exerts a pushing force on an extruded material such as an ingot or a billet, and is a concept including a punch and the like.
[0009]
In the method of the present invention, the mathematical model equations include, for example, (I) a flow rate relation equation representing a relationship between the amount of oil flowing into a hydraulic cylinder and a ram displacement, (II) a ram motion equation, and (III) The required extrusion pressure equation, (IV) the extruded material deformation force equation, (V) the required extrusion pressure and extruded material deformation force equation, and (VI) the dynamic characteristic equation of the actuator for driving the hydraulic pump. Is preferably adopted as a model formula representing a linear system derived in consideration of the following. By taking these (I) to (VI) into account, excellent model accuracy can be efficiently secured, and a model expression of the controlled object that well represents the performance of the actual machine such as dead time can be advantageously obtained. It becomes possible.
[0010]
In the method of the present invention, for example, the mathematical model formula represents (i) an extrusion ratio, (ii) a billet length, and (iii) a ratio between a pushing force and a product speed which affect the speed of a ram. A model formula representing the relationship between the discharge amount of the hydraulic pump and the driving speed of the ram is suitably adopted based on the coefficient and (iv) the equipment constant of the extruder. By adopting these conditions (i) to (iv) as influencing factors of the extrusion process, it is possible to efficiently construct a mathematical model formula highly corresponding to the actual machine. In addition, by adopting the conditions (i) to (iv) as the influencing factors of the extrusion, the model formula of the linear system in consideration of the above (I) to (VI) can be advantageously realized.
[0011]
Furthermore, in the method of the present invention, as the mathematical model equation, for example, a simplified equation represented by a first-order lag transfer function can be suitably adopted. By adopting such a simplified expression represented by the transfer function of the first-order lag, it is possible to easily construct a mathematical model expression representing a relationship between the discharge amount of the hydraulic pump and the driving speed of the ram with sufficient model accuracy. Can be done. In this case, the gain constant and the time constant in the simplified formula are determined based on the influence factors of the extrusion processing as described in (i) to (vi) above, thereby obtaining a more accurate model formula. It becomes possible.
[0012]
Also, as described above, when a simplified expression represented by a first-order lag transfer function is adopted as the mathematical model expression, the discharge amount of the hydraulic pump is adjusted based on the gain constant and the time constant in the simplified expression. It is desirable to calculate a control gain in a control system that performs the control. Thereby, the control gain according to the system characteristics of the metal extruder can be advantageously set.
[0013]
Further, in the method of the present invention, when determining the control gain in the control system for adjusting the discharge rate of the hydraulic pump, which is obtained based on the mathematical model formula, for example, (a) the product extrusion speed, and (b) ) The time constant of the object to be controlled, (c) the extrusion ratio of the product, and (d) the pressure value in the hydraulic cylinder for driving the ram are adopted as criteria, and these values (a) to (d) are used. It is desirable to determine the control gain in accordance with the above, so that the control gain can be determined with sufficient accuracy and efficiency.
[0014]
Further, in the method of the present invention, the control gain in the control system for adjusting the discharge amount of the hydraulic pump, which is obtained based on the mathematical model formula, is adjusted according to the influence factors (for example, the above (a) to (d)). Although it is possible to unambiguously calculate and determine the value, preferably, for example, the value under various conditions of the control gain in the control system for adjusting the discharge amount of the hydraulic pump, which is obtained based on a mathematical model formula, is used. Are obtained in advance in a data table, and (a) the extrusion speed of the product, (b) the time constant of the controlled object, (c) the extrusion ratio of the product, and (d) the hydraulic pressure in the hydraulic cylinder for driving the ram. A map control method of determining such a control gain by selecting data from such a data table according to the pressure value is employed.
[0015]
Furthermore, the control system for controlling the product extrusion speed by adjusting the discharge rate of the hydraulic pump can be generally configured to include a feedback control system. This can be advantageously achieved by determining a control gain in a feedback control system as a control system for adjusting the discharge amount based on a mathematical model formula representing a relationship between the discharge amount of the hydraulic pump and the driving speed of the ram.
[0016]
When the control gain of the feedback control system is determined as described above, control in the feedback control system can be performed by, for example, PI operation (proportional + integral operation). When a feedback control system based on PI operation is employed, generally, the proportional gain and the integration time constant in the transfer function of the adjustment element are respectively determined as control gains, so that the method of the present invention is advantageously implemented. You.
[0017]
Furthermore, it is also possible to configure a control system that controls the product extrusion speed by adjusting the discharge amount of the hydraulic pump, including a feedforward control system, for example, using two-degree-of-freedom control theory, In this case, the method of the present invention uses, for example, a mathematical model expression representing a relationship between the discharge amount of the hydraulic pump and the driving speed of the ram, in a feedforward control system as a control system for adjusting the discharge amount of the hydraulic pump. Can be advantageously realized by making a determination based on In this feedforward control system, for example, the adjustment element can be specified by a first-order lag transfer function. In this case, the gain constant and the time constant in the transfer function of the adjustment element are controlled by the control gain. As a result, the method of the present invention is advantageously performed.
[0018]
When the control theory of the two-degree-of-freedom control system using the feedback control system and the feedforward control system is adopted in the method of the present invention, each of the control gains of the feedback control system and the feedforward control system is set to a hydraulic pressure. It is desirable that the determination be made based on a mathematical model formula representing the relationship between the discharge amount of the pump and the driving speed of the ram.
[0019]
On the other hand, in order to solve the above-described problems, a feature of the present invention relating to a speed control device is that, in a metal extruder having a ram driven by a hydraulic cylinder, a detected value of a ram speed and a target value A speed control device that controls a product extrusion speed such that the ram speed becomes a target value, the speed control device comprising: a control device that adjusts a discharge amount of a hydraulic pump for driving the hydraulic cylinder based on the deviation. A speed control device in an extruder provided with a control gain setting device for obtaining a control gain in the control device based on a mathematical model formula representing a relationship between a discharge amount of a hydraulic pump and a driving speed of the ram.
[0020]
According to the speed control device having the structure according to the present invention, as described above, the method of the present invention can be advantageously performed, whereby each individual operation can be performed with respect to the extrusion operation under various conditions. Thus, it is possible to perform extrusion processing with excellent stability and efficiency even when the extrusion conditions such as the material and the extrusion ratio are changed.
[0021]
In the device of the present invention, as described above, when implementing each of the methods of the present invention, a suitable configuration can be added internally or externally. It should be understood that it is recognized as the device of the present invention. Specifically, for example, in the control gain setting device, a configuration in which the control gain is determined in accordance with the values (a) to (d), and further, a control table obtained in advance is stored in a data table. A configuration in which data is selected according to the values of (a) to (d) to determine the control gain, or the like is appropriately adopted. Further, as the control device in the device of the present invention, for example, a one-degree-of-freedom system having a feedback control system or a two-degree-of-freedom system having a feedback control system and a feedforward control system can be suitably adopted. A configuration in which each control gain of the control system and / or the feedforward control system is determined by the control gain setting device, or a configuration in which the feedback control system and the feedforward control system are selectively operated by the control gain setting device, and the like, Adopted advantageously. Furthermore, as a control device of the feedback control system, a device that performs a PI operation can be suitably used. Further, as the mathematical model formula in the apparatus of the present invention, for example, a model formula representing a linear system derived in consideration of the above (I) to (VI) is suitably adopted, and in particular, the above (i) to (vi) The conditions described above are preferably adopted as influencing factors of the extrusion process. As such a mathematical model expression, for example, a simplified expression represented by a first-order lag transfer function can be suitably adopted.
[0022]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, in order to clarify the present invention more specifically, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
[0023]
First, FIG. 1 schematically shows a system of a metal extruder provided with a speed control device as one embodiment of the present invention. The metal extruder according to the present embodiment includes a
[0024]
More specifically, the
[0025]
Further, the
[0026]
Furthermore, the
[0027]
Each control gain in the
[0028]
The control
[0029]
Here, the
[0030]
That is, (I) the flow rate relational expression representing the relation between the amount of oil flowing into the hydraulic cylinder and the ram displacement can be expressed by the following (Equation 1) to (Equation 3). (II) The equation of motion of the ram can be expressed by the following (Equation 4) to (Equation 5). Further, the required extrusion pressure equation (III) can be represented by the following (Equation 6) to (Equation 7). Also, (IV) the deformation force equation of the extruded material can be expressed by the following (Equation 8) to (Equation 9). Further, (V) the relational expression between the required extrusion pressure and the deformation force of the extruded material can be expressed by the following (Equation 10) to (Equation 11). (VI) The dynamic characteristic equation of the actuator for driving the hydraulic pump can be expressed by the following (Equation 12). However, in the following (Equation 10) and (Equation 11), when the deformation force of the
Q = AS(Dx / dt) + (U / K) (dPP/ Dt) (Equation 1)
QP= Q + QR... (Equation 2)
QP= ΗKPθ (Equation 3)
(M / 9.8) (d2x / dt2) = FP-FC... (Equation 4)
FP= ASPP... (Equation 5)
PL= ΒY · lnR + Y (4 μL / D) (Equation 6)
FL= ACPL... (Equation 7)
FC= F (ε) (Equation 8)
ε = (1 / L) ∫ ((− V / R) + vR)) Dt (Equation 9)
FC= FL (However, when V> 0) (Equation 10)
FC<FL (However, when V = 0) (Equation 11)
θ = ((KTωn 2) / (S2+ 2ξωns + ωn 2)) Θref... (Equation 12)
However, the meaning of each symbol in the above formula is as follows.
FP: Ram pressing force, FC: Billet deformation force, AS: Cylinder cross section, AC: Container cross section, m: Load mass, x: Ram displacement, U: Oil volume in cylinder, K: Oil bulk modulus, PP: Oil pressure in cylinder, Q: Oil flow in cylinder, QP: Pump discharge oil flow rate, QR: Drain flow rate, η: pump efficiency, KP: Pump tilt flow rate conversion coefficient, θref: Inclination command of piston pump, θ: inclination of piston pump, FL: Required pushing force, PL: Required extrusion pressure, β: Shape factor, Y: Deformation resistance, V: Product extrusion speed, R: Extrusion ratio, μ: Friction coefficient in container, L: Billet length, D: Container inner diameter, ε: Billet deformation strain, vR: Ram speed, ξ: Damping coefficient, ωn: Natural frequency on dynamic characteristics of torque motor, KT: Torque motor gain, s: Laplace operator
[0031]
In such a model of the extrusion system, as shown in FIG. 2, first, a piston pump inclination command: θ as a command signal of a discharge oil amount of a variable displacement type hydraulic pump (piston pump) 20.refIs input into the
[0032]
Here, the mathematical model formula of the extrusion system to be controlled can be directly obtained by the relational expressions represented by (Formula 1) to (Formula 15) as described above. In consideration of the easiness of mounting and adjustment in the
[0033]
P (s) = Km/ (Tms + 1) (Equation 13)
Tm= (((K / U) AS 2+ (∂FC/ ∂ε) / L) (∂FL/ ∂V) LR) / (((K / U) AS 2) (∂FC/ ∂ε)) (Equation 14)
Km= (KP/ AS) KTη (Equation 15)
[0034]
That is, in the present embodiment, as is apparent from the above (Equation 13) to (Equation 15), in order to obtain a mathematical model formula representing a specific extrusion in such a system in consideration of various influence factors at the time of extrusion. In addition, (i) extrusion ratio: R, (ii) billet length: L, and (iii) a coefficient representing the ratio between the pushing force and the product speed which affect the speed of the ram: ΔFL/ ∂V and (iv) equipment constant of extruder: (K / U) AS 2, ∂FC/ ∂ε, (KP/ AS) KTη will be taken into account. In other words, by inputting these (i) to (iv), a
[0035]
Then, various control gains in the
C (s) = GP(1+ (1 / TIs)) ... (Equation 16)
TI= Α1・ Tm... (Equation 17)
GP= Α2(TI/ Km) (Equation 18)
[0036]
Further, the feed forward
F (s) = 1 / (TFs + 1) (Equation 19)
P-1(S) · F (s) = 1 / Km+ ((Tm−TF) / Km・ TF) / ((1- (1 / (TFs + 1))) (Equation 20)
[0037]
As is apparent from the above (Equation 16) to (Equation 20), the values of the proportional gain and the integration time constant as the control gains in the
[0038]
That is, for example, in the data table of the stored
[0039]
In this case, the value of (a) the extrusion speed: V can be actually measured. For example, based on the mathematical model formula of the extrusion system represented by (Equation 1) to (Equation 15), for example, , And (Equation 21) below.
V = vR・ R (Equation 21)
[0040]
(B) Time constant: TmCan also be easily calculated based on the mathematical model formula of the extrusion system represented by (Equation 1) to (Equation 15). Furthermore, (d) oil pressure value: PPCan also be calculated, but the actually measured hydraulic pressure value: PPIs preferably used.
[0041]
Further, in the configuration of the present system, specifically, (b) the time constant: Tm, (C) It is desirable to set the extrusion ratio: R such that the larger the value, the larger the value of the control gain. Also, (d) oil pressure value: PPFor example, at the start of extrusion when the value is small, while the control gain of the feedback system is lowered and the control gain of the feed forward system is increased, the control mainly based on the feed forward is performed.POn the other hand, in the steady state after the value of 大 き く becomes large, on the contrary, the control gain of the feedforward system is reduced and the control gain of the feedback system is increased, so that the control mainly based on the feedback or only the feedback is performed. It is also possible to determine the control gain. As a result, a quick rise to the target extrusion speed in the initial stage of extrusion and stable speed control in a steady state can be realized more effectively.
[0042]
In the extruder provided with the
[0043]
Further, for example, even when the extrusion conditions such as the extrusion ratio and the material are changed, it is possible to respond finely by changing the control gain accordingly, whereby stable extrusion is advantageously maintained. It can be done.
[0044]
When setting the
[0045]
In addition, in the present embodiment, the
[0046]
Specifically, by adjusting the control gain in the
[0047]
Incidentally, as shown in FIG. 4, in the extruder equipped with the
[0048]
On the other hand, as a comparative example, in a control device using a one-degree-of-freedom control system consisting of only a feedback control system, similar extruders were used, as shown in a case b in FIG. The simulation result of the control characteristics when the control gain of the feedback system is increased in order to improve the initial control characteristics is shown as case c in FIG. In case c, overshoot was observed due to the improved responsiveness.
[0049]
Further, in an extruder for extruding an extruded material made of a 7000 series aluminum alloy and having a billet length of 300 mm at a maximum pushing force of 2660 tf and an extrusion ratio of 5, the
[0050]
Although the embodiments of the present invention have been described in detail above, these are merely examples, and the present invention is not to be construed as being limited by specific descriptions in the embodiments.
[0051]
For example, the present invention is applicable to various conventionally known extrusion processes. Specifically, it relates to forward extrusion and backward extrusion, hot extrusion, warm extrusion and cold extrusion, lubrication extrusion and non-lubrication extrusion, solid product extrusion and hollow product extrusion, direct extrusion and indirect extrusion, and the like. Instead, the present invention can be applied.
[0052]
Further, in the present invention, as the mathematical model representing the extrusion system, various model configurations can be adopted according to the configuration of the extrusion system, required accuracy, and the like. Needless to say, this is not to be interpreted.
[0053]
Further, in the present invention, during the extrusion process or the like, changes in the influencing factors on the extrusion characteristics including disturbance and the like are monitored, and in accordance with those changes, the change of the control target represented by the mathematical model formula is appropriately performed. It is also possible to adopt an adaptive control theory that self-adjusts the control gain.
[0054]
Furthermore, in the present invention, it is possible to improve the stability by adopting robust control using H 採用 theory or the like when determining the control gain.
[0055]
In addition, the present invention can be advantageously applied to extrusion of various metals such as aluminum alloys and steel.
[0056]
In addition, although not enumerated one by one, the present invention can be embodied in modes in which various changes, modifications, improvements, and the like are made based on the knowledge of those skilled in the art. It goes without saying that any of them is included in the scope of the present invention unless departing from the spirit of the present invention.
[0057]
【The invention's effect】
As is apparent from the above description, according to the present invention, since the control gain of the extrusion speed can be determined according to the extrusion conditions based on the mathematical model formula considering the actual extrusion system, the extrusion conditions Changes can be easily accommodated, whereby stable extruder speed control can be achieved.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic explanatory diagram showing a metal extruder system including a speed control device as one embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a block diagram showing a mathematical model representing the system of the extruder shown in FIG. 1;
FIG. 3 is a block diagram showing a specific configuration example of a speed controller in the extruder shown in FIG.
FIG. 4 is a graph showing a simulation result of speed control by a speed controller including a two-degree-of-freedom control system shown in FIG. 1;
FIG. 5 is a graph showing speed control results simulated under the same conditions as those shown in FIG. 4 using a speed controller including a one-degree-of-freedom control system as a comparative example.
[Explanation of symbols]
10 Hydraulic cylinder
12 ram
14 Container
16 billets
18 products
20 Hydraulic pump
22 Control device
24 Speed controller
26 Control gain setting device
30 Feedback controller
32 feed forward controller
34 Mathematical Model Formula
38 Control gain switching judgment device
Claims (11)
前記油圧ポンプの吐出量と前記ラム速度との関係を表す数学モデル式を用い、該数学モデル式に基づいて、該油圧ポンプの吐出量を調節する制御系における制御ゲインを求めることを特徴とする押出機における速度制御方法。In a metal extruder equipped with a ram driven by a hydraulic cylinder, the extrusion rate of a product is controlled by adjusting the discharge amount of a hydraulic pump for driving the hydraulic cylinder so that the ram speed becomes a target value. In doing so
A mathematical model formula representing a relationship between the discharge amount of the hydraulic pump and the ram speed is used, and a control gain in a control system for adjusting the discharge amount of the hydraulic pump is obtained based on the mathematical model formula. Speed control method in extruder.
(I)油圧シリンダへの流入油量とラム変位の関係を表す流量関係式と、
(II)ラムの運動方程式と、
(III)所要の押出圧力式と、
(IV)押出材の変形力式と、
(V)所要の押出圧力と押出材の変形力の関係式と、
(VI)油圧ポンプの駆動用アクチュエータの動特性式と
を、考慮して導かれた線形システムを表すモデル式を採用する請求項1に記載の押出機における速度制御方法。As the mathematical model formula,
(I) a flow rate relational expression representing the relation between the amount of oil flowing into the hydraulic cylinder and the ram displacement;
(II) Lamb's equation of motion,
(III) the required extrusion pressure equation;
(IV) a deformation force equation for the extruded material;
(V) a relational expression between the required extrusion pressure and the deformation force of the extruded material,
2. The speed control method for an extruder according to claim 1, wherein (VI) a model equation representing a linear system derived in consideration of a dynamic characteristic equation of a driving actuator of a hydraulic pump is adopted.
(i)製品の押出比と、
(ii)ビレット長と、
(iii)ラム速度に影響を及ぼす押出力と製品速度との比を表す係数と、
(iv) 押出機の設備定数と
によって、前記油圧ポンプの吐出量と前記ラムの駆動速度との関係を表すモデル式を採用する請求項1又は2に記載の押出機における速度制御方法。As the mathematical model formula,
(I) product extrusion ratio;
(Ii) billet length,
(Iii) a coefficient representing the ratio between the pushing force and the product speed which affects the ram speed;
(Iv) The speed control method for an extruder according to claim 1 or 2, wherein a model formula representing a relationship between a discharge amount of the hydraulic pump and a driving speed of the ram is adopted based on an equipment constant of the extruder.
(a)製品の押出速度と、
(b)制御対象の時定数と、
(c)製品の押出比と、
(d)ラム駆動用の油圧シリンダ内の圧力値と
に、応じて決定する請求項1乃至5の何れかに記載の押出機における速度制御方法。Determined based on the mathematical model formula, the control gain in the control system for adjusting the discharge amount of the hydraulic pump,
(A) the product extrusion speed;
(B) the time constant of the control object;
(C) the product extrusion ratio;
The speed control method for an extruder according to any one of claims 1 to 5, wherein the speed is determined in accordance with (d) a pressure value in a hydraulic cylinder for driving a ram.
(a)製品の押出速度と、
(b)制御対象の時定数と、
(c)製品の押出比と、
(d)ラム駆動用の油圧シリンダ内の圧力値と
に、応じて、かかるデータテーブルからデータを選択することによって、前記制御ゲインを決定する請求項1乃至6の何れかに記載の押出機における速度制御方法。The value under various conditions of the control gain in the control system that adjusts the discharge amount of the hydraulic pump, which is obtained based on the mathematical model formula, is obtained in advance as a data table,
(A) the product extrusion speed;
(B) the time constant of the control object;
(C) the product extrusion ratio;
The extruder according to any one of claims 1 to 6, wherein the control gain is determined by selecting data from the data table according to (d) a pressure value in a hydraulic cylinder for driving a ram. Speed control method.
前記油圧ポンプの吐出量と前記ラムの駆動速度との関係を表す数学モデル式に基づいて、前記制御装置における制御ゲインを求める制御ゲイン設定器を設けたことを特徴とする押出機における速度制御装置。In a metal extruder having a ram driven by a hydraulic cylinder, based on a deviation between a detected value of the ram speed and a target value, a control device that adjusts a discharge amount of a hydraulic pump for driving the hydraulic cylinder, In a speed control device for controlling the extrusion speed of the product so that the ram speed becomes a target value,
A speed control device for an extruder, wherein a control gain setting device for obtaining a control gain in the control device is provided based on a mathematical model expression representing a relationship between a discharge amount of the hydraulic pump and a driving speed of the ram. .
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