JP3544868B2

JP3544868B2 - Speed control method and speed control device in extruder

Info

Publication number: JP3544868B2
Application number: JP25795298A
Authority: JP
Inventors: 義英岡村; 昌也高橋; 郁弥星野
Original assignee: Sumitomo Light Metal Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Light Metal Industries Ltd
Priority date: 1998-09-11
Filing date: 1998-09-11
Publication date: 2004-07-21
Anticipated expiration: 2018-09-11
Also published as: JP2000087907A

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＝Ａ_Ｓ（ｄｘ／ｄｔ）＋（Ｕ／Ｋ）（ｄＰ_Ｐ／ｄｔ）・・・（式１）
Ｑ_Ｐ＝Ｑ＋Ｑ_Ｒ・・・（式２）
Ｑ_Ｐ＝ηＫ_Ｐθ・・・（式３）
（ｍ／９．８）（ｄ^２ｘ／ｄｔ^２）＝Ｆ_Ｐ−Ｆ_Ｃ・・・（式４）
Ｆ_Ｐ＝Ａ_ＳＰ_Ｐ・・・（式５）
Ｐ_Ｌ＝βＹ・ｌｎＲ＋Ｙ（４μＬ／Ｄ）・・・（式６）
Ｆ_Ｌ＝Ａ_ＣＰ_Ｌ・・・（式７）
Ｆ_Ｃ＝Ｆ（ε）・・・（式８）
ε ＝（１／Ｌ）∫（（−Ｖ／Ｒ）＋ｖ_Ｒ））ｄｔ・・・（式９）
Ｆ_Ｃ＝Ｆ_Ｌ（但し、Ｖ＞０の場合）・・・（式１０）
Ｆ_Ｃ＜Ｆ_Ｌ（但し、Ｖ＝０の場合）・・・（式１１）
θ ＝（（Ｋ_Ｔω_ｎ ^２）／（ｓ^２＋２ξω_ｎｓ＋ω_ｎ ^２））θ^ｒｅｆ・・・（式１２）
但し、上式中の各記号の意味は、以下の通りである。
Ｆ_Ｐ：ラム押力，Ｆ_Ｃ：ビレット変形力，Ａ_Ｓ：シリンダ断面積，Ａ_Ｃ：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，Ｐ_Ｐ：シリンダ内油圧，Ｑ：シリンダ内流入油量，Ｑ_Ｐ：ポンプ吐出油流量，Ｑ_Ｒ：ドレン流量，η：ポンプ効率，Ｋ_Ｐ：ポンプの傾角流量変換係数，θ^ｒｅｆ：ピストンポンプの傾角指令，θ：ピストンポンプの傾角，Ｆ_Ｌ：所要押出力，Ｐ_Ｌ：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，ｖ_Ｒ：ラム速度，ξ：減衰係数，ω_ｎ：トルクモータの動特性上の固有振動数，Ｋ_Ｔ：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：θ^ｒｅｆ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：Ｆ_Ｐ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、Ｆ_Ｓ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、∂Ｆ_Ｌ／∂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、∂Ｆ_Ｃ／∂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）＝Ｋ_ｍ／（Ｔ_ｍｓ＋１）・・・（式１３）
Ｔ_ｍ＝（（（Ｋ／Ｕ）Ａ_Ｓ ^２＋（∂Ｆ_Ｃ／∂ε）／Ｌ）（∂Ｆ_Ｌ／∂Ｖ）ＬＲ）／（（（Ｋ／Ｕ）Ａ_Ｓ ^２）（∂Ｆ_Ｃ／∂ε））・・・（式１４）
Ｋ_ｍ＝（Ｋ_Ｐ／Ａ_Ｓ）Ｋ_Ｔη・・・（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：∂Ｆ_Ｌ／∂Ｖと、（ｉｖ）押出機の設備定数：（Ｋ／Ｕ）Ａ_Ｓ ^２，∂Ｆ_Ｃ／∂ε，（Ｋ_Ｐ／Ａ_Ｓ）Ｋ_Ｔη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：∂Ｆ_Ｌ／∂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）＝Ｇ_Ｐ（１＋（１／Ｔ_Ｉｓ））・・・（式１６）
Ｔ_Ｉ＝α_１・Ｔ_ｍ・・・（式１７）
Ｇ_Ｐ＝α_２（Ｔ_Ｉ／Ｋ_ｍ）・・・（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：ｖ_Ｒ ^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／（Ｔ_Ｆｓ＋１）・・・（式１９）
Ｐ^−１（ｓ）・Ｆ（ｓ）＝１／Ｋ_ｍ＋（（Ｔ_ｍ−Ｔ_Ｆ）／Ｋ_ｍ・Ｔ_Ｆ）／（（１−（１／（Ｔ_Ｆｓ＋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：Ｔ_Ｆ，α_１，α_２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：Ｔ_ｍ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：Ｐ_Ｐ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：Ｔ_Ｆ，α_１，α_２の値を、（ａ）押出速度：Ｖや（ｂ）時定数：Ｔ_ｍや（ｃ）押出比：Ｒ，（ｄ）油圧力値：Ｐ_Ｐの値に応じて、それらＶ，Ｔ_ｍ，Ｒ，Ｐ_Ｐ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，Ｔ_ｍ，Ｒ，Ｐ_Ｐの値に応じて、該当するＴ_Ｆ，α_１，α_２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＝ｖ_Ｒ・Ｒ・・・（式２１）
【００４０】
また、（ｂ）時定数：Ｔ_ｍ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：Ｐ_Ｐ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：Ｐ_Ｐ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：Ｔ_ｍ，（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：Ｐ_Ｐ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Ｐ_Ｐ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 ram 12 driven by a hydraulic cylinder 10, and is housed in the container 14 by pushing the ram 12 into the container 14 as is well known. A billet 16 as an extruded material is extruded into a desired shape through a die mounted on the container 14 to obtain a product 18. The extruded product 18 is guided to a product winding device through, for example, a tension roll, and wound up by a coiler or the like. In such an extruder, the discharge rate of the hydraulic pump 20 for driving the hydraulic cylinder 10 is adjusted by the control device 22 so that the drive speed of the ram 12 becomes the target value. Is to be controlled.
[0024]
More specifically, the control device 22 in the present embodiment controls the speed of the ram 12 by feedback controlling the discharge amount (operation signal) of the hydraulic pump 20 so that the speed of the ram 12 becomes a preset target value. And a control gain setting unit 26 that determines a control gain in the speed controller 24.
[0025]
Further, the speed controller 24 is based on a deviation e between a detected ram speed value measured by a speed sensor 28 mounted on the ram 12 and a ram speed set value (target value) set by an external input or the like. In addition, a feedback controller 30 is provided that controls the speed of the ram 12 to a target value by adjusting the pump discharge oil amount by the hydraulic pump 20 so that the deviation: e becomes zero. As the speed sensor 28, for example, a sensor using a displacement sensor such as a potentiometer or an encoder can be adopted. Further, as the hydraulic pump 20, a pump having excellent controllability of the discharge oil amount, such as a variable displacement pump, is suitably employed.
[0026]
Furthermore, the speed controller 24 of the present embodiment adjusts the pump discharge oil amount by the hydraulic pump 20 according to the magnitude of the ram speed set value, thereby improving the followability of the speed of the ram 12 to the target value. An improved feedforward controller 32 is provided. In short, in the present embodiment, the speed controller 24 of the ram 12 is configured as a two-degree-of-freedom system including both a feedback control system and a feedforward control system.
[0027]
Each control gain in the feedback controller 30 and the feedforward controller 32 is determined by the control gain setting unit 26.
[0028]
The control gain setting unit 26 calculates the control gain based on a mathematical model equation 34 representing the system of the extruder to be controlled. In particular, in the present embodiment, based on the mathematical model formula 34, various control gains calculated in advance in consideration of the extrusion conditions to be employed are tabulated to create storage data 36 as a data table, and a control system. A specific factor that influences the dynamic characteristics of the device is adopted as a criterion, and the control gain switching determiner 38 selects an appropriate control gain from the stored data 36 according to the value of the specific influencing factor. Thus, the control gain is determined.
[0029]
Here, the mathematical model equation 34 includes, for example, (I) a flow rate relation equation representing a relation between the amount of oil flowing into the hydraulic cylinder and the ram displacement, (II) a kinetic equation of the ram, and (III) a required extrusion pressure equation ( Siebel equation), (IV) Deformation force equation of extruded material, (V) Relational equation between required extrusion pressure and extruded material, and (VI) Dynamic characteristic equation of actuator for driving hydraulic pump. , Can be advantageously obtained by constructing a model of the linearized extrusion system, as shown as a block diagram in FIG. In this embodiment, a variable displacement piston pump is employed.
[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 billet 16 in the container 14 becomes equal to the required pushing force (the deformation and frictional force in the die), the material is extruded from the die. I was going to come out.
Q = A_S(Dx / dt) + (U / K) (dP_P/ Dt) (Equation 1)
Q_P= Q + Q_R... (Equation 2)
Q_P= ΗK_Pθ (Equation 3)
(M / 9.8) (d²x / dt²) = F_P-F_C... (Equation 4)
F_P= A_SP_P... (Equation 5)
P_L= ΒY · lnR + Y (4 μL / D) (Equation 6)
F_L= A_CP_L... (Equation 7)
F_C= F (ε) (Equation 8)
ε = (1 / L) ∫ ((− V / R) + v_R)) Dt (Equation 9)
F_C= F_L (However, when V> 0) (Equation 10)
F_C<F_L (However, when V = 0) (Equation 11)
θ = ((K_Tω_n ²) / (S²+ 2ξω_ns + ω_n ²)) Θ^ref... (Equation 12)
However, the meaning of each symbol in the above formula is as follows.
F_P: Ram pressing force, F_C: Billet deformation force, A_S： Cylinder cross section, A_C: Container cross section, m: Load mass, x: Ram displacement, U: Oil volume in cylinder, K: Oil bulk modulus, P_P: Oil pressure in cylinder, Q: Oil flow in cylinder, Q_P: Pump discharge oil flow rate, Q_R: Drain flow rate, η: pump efficiency, K_P： Pump tilt flow rate conversion coefficient, θ^ref: Inclination command of piston pump, θ: inclination of piston pump, F_L: Required pushing force, P_L: 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, v_R: Ram speed, ξ: Damping coefficient, ω_n: Natural frequency on dynamic characteristics of torque motor, K_T: 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 hydraulic cylinder 10 according to the relational expressions of (Equation 12), (Equation 3), and (Equation 2), the hydraulic oil is allowed to flow by the oil amount: Q. According to the relational expressions of Expressions 1) and 5), the ram pressing force: F_PIs produced. At this time, taking into account the movement of the ram 12 according to (Equation 4), the deformation of the billet 16 and the extrusion of the product 18 due to the movement of the ram 12 are expressed by (Equation 8), (Equation 9) and (Equation 10), (Equation 10). By considering the formulas (11), (6) and (7), the extrusion system to be controlled can be accurately grasped as a model. In FIG. 2, F_SIs the required pushing force at which the product starts to be used, which is used for determining the conditions for satisfying the above (Equation 10) and (Equation 11). Also, ΔF_L/ ∂V is an influence coefficient (the ratio between the pushing force that affects the ram speed and the product speed) of the product speed change in consideration of the above (Equation 6) and (Equation 7). Furthermore, ΔF_C/ ∂ε is an influence coefficient of the deformation change on the deformation force in consideration of the above (Equation 8) and (Equation 9). In reality, since the deformation of the container 14 is dominantly affected, the equipment It can be considered a constant.
[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 device 22 and considering a steady state, the control target: P (s) is simplified as shown in the following (Equation 13) to (Equation 15) and is represented by a first-order lag transfer function. A mathematical model expression represented by a simplified expression is adopted. The relationship between the discharge amount of the hydraulic pump 20 and the driving speed of the ram 12 at the time of extrusion molding can be expressed by such a mathematical model formula.
[0033]
P (s) = K_m/ (T_ms + 1) (Equation 13)
T_m= (((K / U) A_S ²+ (∂F_C/ ∂ε) / L) (∂F_L/ ∂V) LR) / (((K / U) A_S ²) (∂F_C/ ∂ε)) (Equation 14)
K_m= (K_P/ A_S) K_Tη (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: ΔF_L/ ∂V and (iv) equipment constant of extruder: (K / U) A_S ², ∂F_C/ ∂ε, (K_P/ A_S) K_Tη will be taken into account. In other words, by inputting these (i) to (iv), a mathematical model expression 34 representing a specific extrusion molding can be obtained. The above (iii) coefficient: ΔF_L/ ∂V is obtained by actual measurement from the relationship between the pushing force at the time of extrusion and the product speed, or by inputting the material information of the extruded material and calculating based on (Equation 6), (Equation 7) and the like. I can do it.
[0035]
Then, various control gains in the feedback controller 30 and the feedforward controller 32 are determined based on the mathematical model equation 34 obtained as described above. Here, in the present embodiment, as shown in FIG. 3, as the FB controller 30 as a feedback controller, a PI control system represented by the following transfer functions shown in (Equation 16) to (Equation 18) is used. It was adopted.
C (s) = G_P(1+ (1 / T_Is)) ... (Equation 16)
T_I= Α₁・ T_m... (Equation 17)
G_P= Α₂(T_I/ K_m) (Equation 18)
[0036]
Further, the feed forward controller 32 is controlled to set the ram speed set value: v regardless of the feedback gain._R ^refAnd a target value feedforward type comprising an FF controller I32a for adjusting according to the magnitude of the feedback gain and an FF controller II32b for adjusting according to the feedback gain. Then, using known model matching techniques (see Hajime Maeda and Shunji Sugie, see “System Control Theory for Advanced Control” published by Asakura Publishing Co., Ltd. in 1992), the adjustment elements: F (s) in the FF controller II 32b and Adjustment element in FF controller I32a: P^-1(S) · F (s) was set with a transfer function as shown in the following (Equation 19) and (Equation 20).
F (s) = 1 / (T_Fs + 1) (Equation 19)
P^-1(S) · F (s) = 1 / K_m+ ((T_m−T_F) / K_m・ T_F) / ((1- (1 / (T_Fs + 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 FB controller 30 and the values of the gain constant and the time constant as the control gains in the FF controller I32a are different. Are determined based on the mathematical model equation 34 of the control target. Moreover, the parameters of various control gains in the above (Equation 16) to (Equation 20): T_F, Α₁, Α₂Are values related to the responsiveness of the extrusion molding system, in particular, in this embodiment, (a) the extrusion speed of the product: V, and (b) the time constant of the controlled object: T_mAnd (c) the product extrusion ratio: R, and (d) the pressure value in the hydraulic cylinder for driving the ram: P_PIs set as a determination criterion, whereby the control gain switching determiner 38 determines various control gains according to these values (a) to (d). I have.
[0038]
That is, for example, in the data table of the stored data 36, the parameter of the control gain: T_F, Α₁, Α₂Is determined by (a) extrusion speed: V or (b) time constant: T_mAnd (c) extrusion ratio: R, (d) oil pressure value: P_PDepending on the value of V, T_m, R, P_PAre set in advance at appropriate intervals for each set range of V, T, and V, T input to the control gain switching judgment unit 38 during actual extrusion._m, R, P_PCorresponding to the value of_F, Α₁, Α₂By selecting the value of, various control gain values corresponding to such actual extrusion can be uniquely determined.
[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 = v_R・ R (Equation 21)
[0040]
(B) Time constant: T_mCan 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: P_PCan also be calculated, but the actually measured hydraulic pressure value: P_PIs preferably used.
[0041]
Further, in the configuration of the present system, specifically, (b) the time constant: T_m, (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: P_PFor 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 control device 22 having the above-described structure, the control gain in the control device 22 is obtained based on the mathematical model expression 34 representing the actual extrusion system. The corresponding control gain can be determined more objectively, and in particular, by setting the control gain selection rule in the mathematical model equation 34 and the control gain switching determiner 38 in advance, various conditions can be determined. In the above, highly accurate control of the extrusion speed can be stably realized. Moreover, since the objectivity is improved as compared with the setting of the control gain based on the conventional experience and the like, the burden on the worker can be reduced, and the influence of the ability of the worker can be reduced or avoided. It becomes possible.
[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 mathematical model formula 34, for example, material information, extrusion ratio, etc. are classified according to certain conditions and a representative value is used. Although it is possible to share the mathematical model formula 34, it is also possible to change the mathematical model formula 34 every time the influencing factors such as the material information and the extrusion ratio are different, thereby further improving the model accuracy. Improvement, and thus further improvement in control accuracy, can be realized.
[0045]
In addition, in the present embodiment, the speed controller 24 is configured by a two-degree-of-freedom control system including a feedback controller 30 and a feedforward controller 32, and the control gains of the two controllers 30, 32 are: Since each can be adjusted independently, at the start of extrusion, the dead time from the start of the forward drive of the ram 12 to the start of the product 18 coming out of the die is reduced, and the target speed is settled to the target speed from the start of the product. It is possible to achieve both the reduction of the target settling time until the state is reached.
[0046]
Specifically, by adjusting the control gain in the feedforward controller 32, it is possible to reduce the dead time at the start of extrusion, and independently of that, the control gain in the feedback controller 30 is adjusted. By doing so, the target settling time can be shortened.
[0047]
Incidentally, as shown in FIG. 4, in the extruder equipped with the control device 22 employing the above-described two-degree-of-freedom control system according to the present invention, when a certain control gain is set, the initial time at the start of extrusion is set. The simulation result of the control characteristics when the control gain of the feedback system is increased in order to improve the control characteristics (initial control characteristics) is shown as case a in FIG. A simulation result of the control characteristics when the control gain of the feedforward system is increased together with the control gain of the feedback system is shown as a case b in FIG. From these results, according to the control device 22 of the present embodiment, it is possible to adjust only the response to the target speed without changing the rise time from the initial control state as in the case a, and further, from the case a to the case It is recognized that it is also possible to quickly adjust only the rise time without changing the response to the target speed, as in b. Thus, it is possible to adapt the behavior of the actual extruder with high accuracy.
[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 control device 22 of the two-degree-of-freedom control system as described above was used. In actual application, when a control device of a one-degree-of-freedom control system consisting of only a feedback control system was applied, it took about 150 seconds from the start of control to the target speed setting down to about 60 seconds. And a reduction of as much as 40% was achieved.
[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

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.

前記数学モデル式として、
（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.

前記数学モデル式として、
（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.

前記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する請求項１乃至３の何れかに記載の押出機における速度制御方法。The speed control method for an extruder according to any one of claims 1 to 3, wherein a simplified expression represented by a first-order lag transfer function is adopted as the mathematical model expression.

前記一次遅れの伝達関数で表された簡略式において、そのゲイン定数と時定数に基づいて、前記制御ゲインを算出する請求項４に記載の押出機における速度制御方法。The speed control method for an extruder according to claim 4, wherein the control gain is calculated based on a gain constant and a time constant in the simplified expression represented by the first-order lag transfer function.

前記数学モデル式に基づいて求められた、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、
（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.

前記数学モデル式に基づいて求められる、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、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決定する請求項１乃至７の何れかに記載の押出機における速度制御方法。The control gain in a feedback control system as a control system for adjusting the discharge amount of the hydraulic pump is determined based on a mathematical model expression representing a relationship between the discharge amount of the hydraulic pump and the driving speed of the ram. 8. The method for controlling a speed in the extruder according to any one of 7).

前記フィードバック制御系における制御を、ＰＩ動作によって行う請求項８に記載の押出機における速度制御方法。The speed control method for an extruder according to claim 8, wherein the control in the feedback control system is performed by a PI operation.

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決定する請求項１乃至９の何れかに記載の押出機における速度制御方法。2. A control gain in a feedforward control system as a control system for adjusting the discharge amount of the hydraulic pump, based on a mathematical model expression representing a relationship between the discharge amount of the hydraulic pump and the driving speed of the ram. 10. A speed control method for the extruder according to any one of claims 9 to 9.

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. .