JPH0199107A - 電気・油圧サーボ制御装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野コ 本発明は、制御対象となる機械系の特性に影響されず、
しかも安定で高応答に動作する電気・油圧サーボ制御装
置に関するものである。

［従来の技術］ 電気・油圧サーボ系は、振動試験機、各種のシミュレー
タ、圧延機やロボット等産業機械の駆動部に使用されて
いる。第９図はその一例で、ストリップ１を巻取るダウ
ンコイラに備えられ、マンドレル２に巻取られるストリ
ップの周囲を押付けるラッパーロール３の電気・油圧サ
ーボ制御装置を示している。ラッパーロール３は、回転
軸７を中心として揺動するスイングフレーム４の先端に
取付けられていて、この回転軸７に角度検出器８を連結
してラッパーロール３の位置を検出するようにし、この
フレーム４を揺動させる油圧シリンダ５によって位置制
御される。油圧シリンダ５への圧油の供給量はサーボ弁
１１によって制御される。図中６はピストン、６ａはピ
ストンロッド、９は位置制御の目標値（設定値）、１０
は演算制御装置、１２．１３は配管、１４はストリップ
１の方向を変えるピンチロールである。

このラッパーロール３の制御系をモデル化すると第１０
図のようになり、第９図の油圧シリンダ５の油柱（ばね
）を介してフレーム４、ラッパーロール３等の可動部を
動かして、その位置決めを行うものとなる。第１０図中
には油圧シリンダ５の油柱のばね定数、ｍはラッパーロ
ール３、フレーム４、ピストン６、ピストンロッド６ａ
等の可動部の質量である。又、可動部はピストン６が油
中を動くときにブレーキ作用を受ける。それを図中ダッ
シュポットで表わし、その粘性減衰係数をＣとする。

ところで、制御対象つまりラッパーロール３の位置決め
の応答性及び精度を上げるためには、次のことか重要で
ある。

■　可動部の質量ｍが小さいこと。

■　適当な制動が働くこと、換言すれば粘性減衰係数Ｃ
が適当な値を取ること。

すなわち、油圧シリンダ５のピストン６がＸ′だけ変位
しても、柔らかいばねで重い可動部を押すのでは応答が
遅くなり、又制動が働かなければ振動が持続してラッパ
ーロール３の位置が目標値に落着くまでに長い時間がか
かる。

第１１図に、応答性が悪い場合の応答波形の例を示す。

図中ｔＲは応答時間である。

上記■、■、■の要求に応えるには次のことが必要とな
る。

■′必要な強度をもたせることができる範囲で、できる
だけ機械の重量を軽くすること。

■′油圧シリンダ５の口径を大きくし、ストロークを短
くすること。

■′積極的にダンパー等の制動機構を設けること。

ところが、■′については軽量化と強度を維持すること
の両立が難しいこと、■′については、口径を大きくす
るとその分だけ制御に必要な油量が増し、コストアップ
を招くうえ、ストロークは機械の使用条件から決まるた
めに簡単には短くできないこと、■′についてはコスト
アップを招くこと、等の問題点があった。

以上述べたことは、サーボ弁、油圧シリンダを使って重
量物の位置決めを行ったり、力を制御する電気・油圧サ
ーボ系では一般的に言えることであり、このため従来か
らいくつかの制御的な解決策が提案されて来た。

斯かる制御的な解決策を説明するために、先ず、電気・
油圧サーボ系の一般的な構成を第１２図に示す。第１２
図は電気・油圧サーボ系を示すブロック線図で、ここで
は位置制御の場合を説明するが、他の場合も同様である
。

第１２図において制御対象（例えば第９図ではラッパー
ロール３がこれに該当する）の位置決めの目標値（設定
値）Ｖｒは変位計２２によって測定された制御対象の実
際の位置を示す信号ｖＸと比較演算器１５で比較減算さ
れ、目標値ｖｒと実際の変位信号Ｖｘとの偏差信号ＶＱ
が作られる。この偏差信号Ｖｅは演算増幅器１６で適正
に増幅されて信号ｖＡとなり、サーボアンプ１７でサー
ボ弁１８を駆動する指令信号ｉに変換される。通常サー
ボ弁１８は電流信号によって駆動される。而して、サー
ボ弁は指令信号である電流信号ｉに比例した流量の流体
ｑを入出力し、これは配管１９を通ってシリンダ２０（
第９図のシリンダ５）へ流入或いは配管１９を通って流
出する流体流ｊｌＱ’　となる。この流体流ｆｆ１ｑ’
によってシリンダ２０のピストンがＸ′だけ出入りし、
これが制御対象である機械系２１の位置（変位）Ｘを制
御する。そのときの機械系２１の位置Ｘは変位計２２に
よって検出され、先に述べたように目標値ｖｒと比較さ
れる。目標値■ｒと制御対象の変位信号Ｖχが一致する
と、偏差ｖｅは零となり、シリンダ２０へ流入、流出す
る流体流量ｑ′が零となるので、シリンダ２０のピスト
ンの位置Ｘ′は静止し、その結果、機械系２１の位置決
めが完了する。

このような系を単に制御対象の位置信号をフィードバッ
クする方式で制御した場合に、制御の応答速度を速くし
ようとしても機械系の固有振動数に近い周波数では制御
ループ中の信号の位相遅れが大きくなり、無理に応答を
速くしようとしても制御系が発振をしてしまう。このた
め制御の応答速度は機械系の固有振動数により制約を受
けることになる。

機械の固有振動数を高くするためには、質量ｍを減する
か或いは流体のばね定数Ｋを増す必要があるか、先に述
べたように、強度上の理由から質量を減することは容易
にはできず、又流体のばね定数を増すためにはシリンダ
２０の口径を大きくして有効断面積を増したり、ストロ
ークを短くしなければならない。しかし、シリンダ２０
の有効断面積を増すと流体の消費量が増加するためにサ
ーボ弁１８の容量、液圧ポンプの容量を必要以上に増大
させなければならず、全くの無駄となってしまう。又ス
トロークは機器により設計上の制約があるので、通常は
任意に短くすることはできない。

従って、実用上許容される経済性を考慮する限り、機械
系の固を振動数を十分に大きくする容易な手段はないと
いうことができる。

同様に、振動に減衰を与えるために、制御対象の動きに
適当な制動を与えること、すなわち第１０図の粘性減衰
係数Ｃを任意に設定することは、積極的にダンパ等を設
けない限り不可能であった。

このため、発明者等は変位以外に制御対象の質量の速度
や加速度もフィードバックして以上の問題点を解決する
方法を提案し、一部ではすでに実施している。第１３図
には斯かる補償をした場合の電気・油圧サーボ系のブロ
ック線図を示す。第１３図中第１２図に示す要素と同一
の要素には同一の符号が付しである。

第１３図においては制御対象である機械系２１の変位Ｘ
以外に速度女、加速度父をそれぞれ速度検出器２３、加
速度検出器２５で検出し、夫々を増幅器２４．２６で適
当に演算増幅し、信号ＶＡＴ。

ＶＡ２としてフィードバックしている。信号ＶＡ＋、Ｖ
Ａ２４；ｔ、比較演算器２７．２８　テ増幅器１Ｇから
の信号ｖＡと比較演算され、ＶＡ　−ＶＡ　１−ＶＡ２
がサーボアンプ１７への入力となる。以降の作動は第１
２図の場合と同じである。

なお、制御対象である機械系の速度交や加速度ｋを、変
位Ｘと共にフィードバックすることにより対象の特性を
改善する方法の原理については、例えば特願昭５９−２
５２６５８号明細書等で詳説しである。

而して、このような補償法は非常に強力であるか、次の
ような問題点を有している。

■　第１３図を見ると分るように、速度フィードバック
、加速度フィードバックによる補償はサーボ弁１８、配
管１９を通してシリンダ２０及び機械系２１へ作用する
。従って、サーボ弁１８の応答が悪かったり、配管１９
が長かったりしてシリンダ２０へ作用する時間が遅れる
と、実際の機械系２１の動きと補正入力との間の時間ず
れのために、上述した改善効果は限定されたものとなる
。逆に、この時間ずれが大きくなると、速度フィードバ
ック、加速度フィードバックはかえっ゛て制御に悪影響
を与え、応答時間ｔＲが長くなったり振動が発生したり
する。

■　速度フィードバック、加速度フィードバックを行う
ためには、各々を検出する検出器、或いは位置の信号か
ら速度や加速度を演算する装置が必要となり、コストア
ップを招く。

■　速度検出器、加速度検出器を備え付けた場合には、
メンテナンス等の手間を要し、そのためランニングコス
トが増大する。

［発明が解決しようとする問題点コ 一方、本出願の発明者等は、速度検出器２３、加速度検
出器２５を用いずに、変位信号から簡単な演算により速
度及び加速度信号に相当する信号を作り、それを補償に
用いる方法を既に提案したが、上記■の問題は依然とし
て残っている。

本発明は斯かる実情に鑑みなしたもので、特に速度や加
速度、あるいはそれ等に相当する信号を用いず、機械系
に持続的に振動が発生するのを防止し、その結果、高応
答、高精度の電気・油圧サーボ系を実現することと、加
えてこれを簡単かつ安価に行うことを目的としている。

［問題点を解決するための手段］ 本発明は、目標値である入力信号と制御対象の出力信号
である制御されるべき量とを比較演算して偏差を求め、
該偏差をサーボアンプを通してサーボ弁に送り該サーボ
弁を作動せしめ、偏差が小さくなるようにサーボ弁の出
力流量と方向とを制御する電気・油圧サーボ制御装置に
おいて、制御装置内に電気的なフィルターを挿入し、電
気・油圧系に発生する振動を防止すると同時に応答を高
め得るよう構成したものである。

［作　　　用〕 目標値である入力信号と制御対象の出力信号である制御
されるべき量を比較演算して求めた偏差は、適当に増幅
された後、サーボアンプからサーボ弁に送られ、偏差が
減小するようサーボ弁の出力流量と方向が制御されるが
、この際該増幅された信号は電気的なフィルターを通っ
てからサーボアンプへ送られるため、ゲイン余裕が増加
し、従って制御対象をステップ状に急激に動かしても有
害な振動が発生せず、迅速に目標値に到達する。

［実　施　例］ 以下、本発明の実施例を添付図面を参照しつつ説明する
。

第１図は本発明の一実施例で、第１図中第１２図に示す
符号と同一のものには同一の符号が付しである。

而して、第１図に示す電気・油圧サーボ制御装置は、演
算増幅器１６とサーボアンプ１７の間に電気的なフィル
ター２９が挿入されており、フィルター２９以外は第１
２図のものと全く同一構成となっている。フィルター２
９としては、例えば位相遅れフィルター或いは二次ロー
パスフィルター等が使用される。

次に、上述のようにフィルター２９を挿入すると制御系
の特性が改善される理由について説明する。

一般にフィルター２９を入れてない、第１２図に示す電
気・油圧サーボ系の一巡伝達関数の周波数特性をボート
線図に表わすと第１４図に示すようにゲイン曲線にピー
クが現われる場合がある。

ここで、−巡伝達関数とは「閉回路を任意の一点で切っ
た時に生ずる開回路の伝達関数」（オーム社発行「自動
制御用語事典」より）のこさて、第１２図で言えば、例
えばＶｅからｖｘまでの特性を言う。又、ボード線図と
は「周波数ωを横軸に対数目盛ｌｏｇ＋ｏωで記し、系
や要素のゲイン（ｄＢ）と位相（度）とをそれぞれ別々
に縦座標をとって描いた二つ一組の線図を言う。ゲイン
をＧとしたとき、縦軸は２０１ｏｇ＋ａ　　（Ｇ　）デ
シベル［ｄＢ］で目盛ることが多いが、（中略）・・・
位相は普通塵［ｄｅｇｌで目盛る。横座標は周波数Ｈｚ
　（サイクル７秒）、サイクル７分など、または特定の
基準周波数で除した（規準化した）周波数をとる。」　
（同上書より）ものである。

第１４図の一巡伝達関数のボード線図から、ゲイン余裕
（Ｇａｉｎ　Ｍａｒｇｌｎ、　ＣＭと略す）及び位相余
裕（Ｐｈａｓｅ　Ｍａｒｇｉｎ、　ＰＭと略す）を読み
取ると、ＧＭ−５ｄＢＳＰＭ−７７度となる。一般に、
サーボ機構ではゲイン余裕は１２〜２０ｄＢ、位相余裕
は４０〜６０°ぐらいに取られることが多く、第１４図
の例ではゲイン余裕か著しく少ない。ゲイン余裕が少な
いのは、第１４図のゲイン曲線の３０Ｈｚから４０Ｈｚ
の間に見られるピークのためである。このような特性を
持つ電気・油圧サーボ系の入力から出力（第１２図でい
えば、ｖｒからＶｘ）までの特性（閉ループ伝達関数と
いう）をボード線図に描くと、第１５図のようになる。

第１５図のゲイン曲線は３０Ｈｚから４０Ｈｚの間にＯ
ｄＢ以上のピークがある。このピークは図より５ｄＢ相
当で、５５−２０１ｏ＋ｏ　Ｇより、伝達関数ＧはＧ　
−１，７８となる。

すなわち、第１５図の特性を持つ電気・油圧サーボ系に
、３０数Ｈｚの周波数を持つ入力が印加されると、その
振幅は入力振幅よりも１．７８倍に増幅されることにな
る。すなわち、目標値よりも機械が大きく動くことにな
る。このような状態の電気・油圧サーボ系へステップ人
力を加えると、ステップ状の信号は、種々の周波数成分
を含むので、その中の３０数Ｈｚの成分が強調され、第
１８図のステップ応答に示されるように、目標値ｒのま
わりで３０数Ｈｚの減衰の悪い持続的な振動が発生する
。

ここで、ゲイン余裕とは「−巡伝達関数の位相が−１８
０６となる角周波数において、そのゲインが１　（注：
ＯｄＢ相当）に対してどれほど余裕があるかを示す値」
であり、位相余裕とは［−通温波数伝達関数のゲインが
１となる角周波数において、その位相が−１８０”に対
してどれほど余裕があるかを示す値」である（オーム社
発行「自動制御用語事典」より）。

本発明は以上述べたような、電気・油圧サーボ系で制御
対象である機械の剛性か弱い等の理由によって表われる
ある周波数における減衰の悪い振動を簡単な方法で抑制
することを目的としている。この目的のために、電気的
なフィルターを入れ、位相が一１８０度におけるゲイン
の値を下げてやるか、−１８０度となる周波数をずらし
てやることを考える。こうすることによって、結果的に
ゲイン余裕を増してやる。

第２図は第１図に示す電気的なフィルター２９として位
相遅れフィルターを使用した場合の電気・油圧サーボ系
の一巡伝達関数の周波数特性をコンピュータにより演算
してボード線図に表わしたものである。位相遅れ要素は
（Ｔ２Ｓ＋１）／　（Ｔ＋　Ｓ＋１）という伝達関数で
表わされ、第１４図のボード線図上で、ゲイン余裕か増
えるようにＴ、、Ｔ２を選定する。こうし、て得られた
第２図の一巡伝達関数のボード線図からゲイン余裕ＧＭ
、位相余裕ＰＭを読み取ると、ＧＭ−１２ｄＢ、　ＰＭ
−［ｉ９度となる。

第２図のボード線図に表わされるような一巡伝達関数と
しての特性を持つ電気・油圧サーボ系の入力から出力（
第１図のｖｒからＶｘ）までの特性（閉ループ伝達関数
）をボード線図に表わすと、第３図のようになる。この
第３図のゲイン曲線でも３０Ｈｚから４０Ｈｚの間にピ
ークがあるが、このピークは図より一３ｄＢ相当であり
、ゲインＧは１以下となる。すなわち、第３図の特性を
持つ電気・油圧サーボ系に、３０数Ｈｚの周波数を持つ
入力が印加されても、出力の振幅は入力振幅に対して小
さくなる。従って、機械系２１は目標値を越えて動くこ
とは少なくなる。このような状態の電気・油圧サーボ系
へステップ入力を加えると、ステップ状の信号が種々の
周波数成分を含んでいても、その中の３０数Ｈｚの成分
が強調されることはなく、第４図のステップ応答に示さ
れるように、目標値ｒに対し急速に減衰し、従って、振
動が持続することはなくなり、電気・油圧サーボ系の制
御特性が向上する。

第１図に示す電気的なフィルター２９として二次ローパ
スフィルターを使用することもできる。

その場合の電気・油圧サーボ系の一巡伝達関数の周波数
特性をボード線図に表わすと第５図のようになる。二次
ローパスフィルターはωｎ２／（Ｓ”＋２ζωｎＳ＋ω
ｎ２）という伝達関数で表わされ、やはり第１４図のボ
ード線図上でゲイン余裕が増えるようにことω、を選ぶ
。この第５図の一巡伝達関数のボード線図からゲイン余
裕ＧＭ、位相余裕ＰＭを読み取ると、ＧＭ−１０，５ｄ
Ｂ、　ＰＨ−６４度となる。

第５図のボード線図に表わされるような一巡伝達関数と
しての特性を持つ電気・油圧サーボ系の入力から出力（
第１図のＶ、からＶｘ）までの特性（閉ループ伝達関数
）をボード線図に表わすと第６図のようになる。この第
６図のゲイン曲線でも上述のゲイン曲線と同様３０Ｈｚ
から４０Ｈｚの間にピークがあるが、このピークは図よ
り一７ｄＢ相当であり、ゲインＧは１以下となる。

従って、この場合の３０数Ｈｚにおける出力は第３図の
場合よりも更に小さくなり、第４図の場合よりも更に急
速に目標値ｒに向って減衰し、電気・油圧サーボ系の特
性は一層良好となる。

続いて、第１図の電気・油圧サーボ制御装置の作動につ
いて説明すると、例えば、第９図のラッパーロール３を
制御対象とする目標値（設定値）Ｖｒは変位計２２によ
って測定された制御対象の実際の位置を示す信号ｖｘと
比較演算器１５で比較演算され、目標値ｖｒと実際の変
位信号■Ｘとの偏差信号Ｖｅが作られ、この偏差信号Ｖ
ｅは演算増幅器１６で適正に増幅されて信号ｖＡとなり
、該信号ＶＡは電気的なフィルター２９で先の第２図、
第５図のボード線図に示したような特性が実現されるよ
うに変調されて修正信号ＶＡ′　となり、サーボアンプ
１７へ与えられる。以下の作動は、第１２図に示す電気
・油圧サーボ系の場合と同様であるから、説明は省略す
る。

上述のように、本発明では、電気・油圧サーボ系の制御
ループ内に減衰の悪い振動系が存在する場合、第１４図
の一巡伝達関数のボード線図に見られるようなある周波
数でゲイン曲線にピークが生じ、その結果ゲイン余裕が
著しく少なくなるという特性に着目し、振動系に起因す
る固有のこの特性を制御装置内に電気的なフィルターを
挿入することにより抑制し、結果的に防振するようにし
ている。振動が抑えられるので、第１図の演算増幅器１
６の増幅率（一般にゲインと称する）を上げることがで
き、応答を高める（第１１図の目標値ｒへの到達時間ｔ
Ｒを短くする。）ことができる。従って、本発明では、
電気・油圧サーボ系で制御対象をステップ状に動かして
も、有害な振動が発生せず、速やかに目標値に到達させ
ることができる。

第１図の電気・油圧サーボ制御装置は、第９図に示すよ
うなラッパーロールの制御系以外にも適用できる。すな
わち、第８図は、油圧圧下式圧延機の制御用として成し
た本電気・油圧サーボ制御装置の構成例を表わす。この
圧延機は、下バツクアツプロール３０側に油圧圧下シリ
ンダ３１が備えられ、上バツクアップロール３２側に圧
下スクリュー３３が備えられていて、圧下シリンダ３１
用のサーボ弁３４の制御と、圧下スクリュー駆動モータ
３５の制御によって、上下のワークロール３Ｂ、３７に
よる圧延材４３の圧延力を調整するようになっている。

而して、この圧延機は、圧下スクリュー位置検出器３８
、ロードセル３９及びシリンダ３１の可動部分に配され
た油圧圧下シリンダ位置検出器（変位計）４０を有する
。これらの検出信号は制御装置４１内に入力され、ここ
に第１図に示すフィルターが挿入されている。図中４２
は位置制御の目標値である。

斯かる構成としても、上述と同様にしてワークロール３
６．３７のサーボ制御を行うことができる。

なお、本発明の電気・油圧サーボ制御装置は、上述した
油圧ダウンコイラ、油圧圧下式圧延機以外の種々の油圧
装置に対しても適応でき、その適応範囲は広い。又、フ
ィルターは電子回路等のハードウェア及びコンピュータ
を使ったソフトウェアのどちらで構成しても良い。更に
、上述の説明では便宜上、制御対象の位置を制御する場
合を取り上げたが、その他、速度や力を制御する場合に
も本発明は適用できる。

［発明の効果］ 以上説明したように、本発明の電気・油圧サーボ制御装
置によれば、簡単なフィルターにより、有害な振動要素
を抑制し、その結果、制御対象の特性の影響を受けるこ
との少ないサーボ制御を実現することができる、という
優れた効果を奏し得る。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の電気・油圧サーボ制御装置の一実施例
の制御ブロック図、第２図は第１図の装置のフィルター
を位相遅れフィルターとした場合の開ループにおける周
波数特性を表わすボード線図、第３図は第１図の装置の
フィルターを位相遅れフィルターとした場合の閉ループ
における周波数特性を表わすボード線図、第４図は第１
図の装置のフィルターを位相遅れフィルターとした場合
の機械系のステップ応答状態を表わす線図、第５図は第
１図の装置のフィルターを二次ローパスフィルターとし
た場合の開ループにおける周波数特性を表わすボード線
図、第６図は第１図の装置のフィルターを二次ローパス
フィルターとした場合の閉ループにおける周波数特性を
表わすボード線図、第７図は第１図の装置のフィルター
を二次ローパスフィルターとした場合の機械系のステッ
プ応答状態を表わす線図、第８図は本発明の電気・油圧
サーボ制御装置を油圧圧下式圧延機に適用した場合の説
明図、第９図はダウンコイララッパーロールの電気・油
圧サーボ系の説明図、第１０図は第９図の装置をモデル
化した場合の説明図、第１１図は第９図の装置でフィル
ターを挿入することなくラッパーロールの制御を行った
場合のステップ応答状態を表わす線図、第１２図は第９
図の装置のラッパーロール位置を制御する場合の従来の
電気・油圧サーボ系の制御ブロック図、第１３図は同速
度信号及び加速度信号をフィードバックする場合の制御
ブロック図、第１４図は第１２図の制御系の開ループに
おける周波数特性を表わすボード線図、第１５図は第１
２図の制御系の閉ループにおける周波数特性を表わすボ
ード線図、第１６図は第１２図の制御系における機械系
のステップ応答状態を表わす線図である。 図中１５は比較演算器、１７はサーボアンプ、１８はサ
ーボ弁、１９は配管、２０はシリンダ、２１は機械系、
２２は変位計、２９はフィルターを示す。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １）目標値である入力信号と制御対象の出力信号である
   制御されるべき量とを比較演算して偏差を求め、該偏差
   をサーボアンプを通してサーボ弁に送り該サーボ弁を作
   動せしめ、偏差が小さくなるようにサーボ弁の出力流量
   と方向とを制御する電気・油圧サーボ制御装置において
   、制御装置内に電気的なフィルターを挿入し、電気・油
   圧系に発生する振動を防止すると同時に応答を高め得る
   よう構成したことを特徴とする電気・油圧サーボ制御装
   置。 ２）前記電気的なフィルターをダウンコイラーのラッパ
   ーロールの電気・油圧サーボ制御装置内に組込んだ特許
   請求の範囲第１）項に記載の電気・油圧サーボ制御装置
   。 ３）前記電気的なフィルターを圧延機の油圧圧下制御装
   置内に組込んだ特許請求の範囲第１）項に記載の電気・
   油圧サーボ制御装置。