JPH01176805A - 片ロッドシリンダを有する油圧装置の油圧流量制御方法 - 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） 本発明は、油圧制御装置の制御方法に関し、特にシリン
ダ室に油圧を供給する際の制御方法に関するものである
。

（従来の技術） 従来、高精度を要する油圧サーボ系において、は、第５
図（ａ）に示すような、シリンダ１内を摺動するピスト
ン２の片側面よりシリンダ１外側に伸長するロッド３を
有する片ロッドシリンダの使用を避けるのが一般的であ
った。これは、片ロッドシリンダであると、シリンダ室
１ａｆｌ１ｍとシリンダ室１ｂ側ではピストン２の受圧
面積がロッド３の断面積分だけ異なり、同一の圧力で油
を供給してもピストンの運動方向によって摺動速度が異
なり、系の特性が変化してしまうため、高精度なサーボ
系を実現することが困難であるという理由による。

そこで、高精度を要する油圧サーボ系においては、第５
図（ｂ）に示すような、ピストン２の両側面よりシリン
ダ外側に伸長するロッド３，３を有する両ロッドシリン
ダを用いていた。

（発明が解決しようとする問題点） しかしながら、両ロッドシリンダを用いた場合、片ロッ
ドシリンダと同一のシリンダストロークを得るためには
、片ロッドシリンダに比較してピストン中立時で約１．
３倍の全長となる。また、−方のロッド先端から他方の
ロッド先端までのロッド作動域で比較すると、両ロッド
シリンダは片ロッドシリンダの約１．５倍の長さが必要
である。

従って、取り付けの際に大きな空間を必要とし、サーボ
系の制御装置の大型化を招くという問題点があった。

また、部品点数も多くなるので、コスト面においても片
ロッドシリンダよりも高価になる。

本発明は上記従来例の問題点に鑑みなされたもので、安
価で取り付は空間が小さくてすむ片ロッドシリンダを用
いて、高精度なサーボ系を実現できる片ロッドシリンダ
の制御方法を提供することを目的とする。

（問題点を解決するための手段） 上記目的を達成するため本発明方法は、シリンダ、この
シリンダ内を摺動するピストン、このピストンの片側面
よりシリンダ外側に伸長するロッドとを有する片ロッド
シリンダと、この片ロッドシリンダのシリンダ室に油圧
を供給するサーボ弁とから成る油圧制御装置において、
前記ピストンのロッド伸長側を受圧面積Ａ１とし他方側
を受圧面積Ａ２とし、油圧の供給側が受圧面積Ａ１のシ
リンダ室であるか受圧面ＭｔＡ２のシリンダ室であるか
を一定周期毎に検出する。そして、油圧の供給側め受圧
面積の種類によって前記サーボ弁からシリンダ室に流れ
る流量を変化させ、前記片ロッドシリンダを受圧面ＭＡ
１又は受圧面積Ａ２を有する両ロッドシリンダとみなし
て油圧流量の制御を行なうことを特徴としている。

サーボ弁からシリンダ室への油圧の供給は、制御器から
の電流信号によりサーボ弁のスプールを移動させ、ポン
プに通じるボートの開口面積を変化させることによって
行われる。

制御入力としての前記電流信号は、片ロッドシリンダの
ピストンのそれぞれの受圧面積ＡＩ、Ａ２に対して設定
された状態フィードバックベクトルｆへ１．　ｆＡ２と
制御系の状態量の積により求められる。状態量を状態変
数ベクトルＸとして表わし、状態フィードバックベクト
ルを箕とすると、制御人力Ｕはｔｌ＝１×によって求め
られる。状態フィードバックベクトル＃は２次形式の評
価関数を最小にするよう設計され、ｆ　＝　−＋ｒ　　
ｌｂ　ＩＰで与えられる。

ここでＰはＰＡ＋ＡＰ　−１Ｐｌｂ　＋ｒ　　ｌｂ　Ｉ
Ｐ＋１Ｑ＝０のリカツティの行列方程式を満足するもの
である。

１「は制御入力Ｕの重み行列であり、入力のパワーが無
限大となるような実現不可能な解に到達するのを防止す
る。

Ｑは状態変数に対する重み行列で、精度よく制御しない
状態変数に対応する重みを大きくとることにより、種々
の状態フィードバックベクトルを設計することができる
。

Ａ、１ｂは制御系の特性から求められる行列であり、例
えばシリンダの受圧面積や、また、構造物上の付加マス
を動作させて構造物の制振を行なう制振装置においては
、構造物および付加マスの質量、ばね定数、減衰定数等
の数値となる。従って、これらの行列により受圧面積１
＾１又は受圧面積ｆ八２に適した状態フィードバックベ
クトルを設計することができ、この状態フィードバック
ベクトルを用いて片ロッドシリンダをそれぞれの受圧面
積に等しい両ロッドシリンダとして制御することができ
る。

（作用） 本発明方法によれば、片ロッドシリンダを用いてそれぞ
れの受圧面積に等しい両ロッドシリンダを用いたものと
して制御できるので、シリンダ室への油圧の供給方向に
かかわらず高精度な制御を行なう。

（実施例） 本発明の一実施例について図面を参照しながら説明する
。

第１図乃至第４図は本発明方法ζ制振装置に実施した場
合を示す。制振装置は、構造物の上に往復移動可能な付
加マスを設置し、この付加マスを動作させることにより
構造物に反力を与え構造物の振動の軽減を図るものであ
る。

第３図に構造物の上部に設置されな制振装置の側面図を
示し、第４図にその平面図を示す。

構造物４の最上部に直方体の付加マス５を設置する。付
加マス５の周面にそれぞれ片ロッドシリンダ６を装着し
、このシリンダ６のロッド軸７の一端を、付加マス５を
囲むように構造物４に立設された壁８に連結する。

片方ロッドシリンダ６のピストンの両側面の受圧面積は
、ロッド軸７の断面積分だけ相違し、小面積側をＡＩ、
大面積側をＡ２としている。

付加マス５の中央にはシリンダ６に油を供給する油圧ユ
ニット９が設置されている。付加マス５の底部には車￥
１ａ１０を装着し、４本のシリンダの油の供給の仕方に
よって付加マス５が壁８で囲まれた水平面上を自由に移
動可能なようになっている。また壁８で囲まれた水平面
は、摩擦力を小さくし車輪１０が動きやすくなっている
。

第１図に本発明の実施例のモデル図を示す。

構造物４の上部にシリンダ６により移動可能な付加マス
５を装着する。第１図では簡略化のため付加マス５は１
本のシリンダで移動するようにした。また実際の装置で
は、構造物４、付加マス５は水平方向へ揺れるが、モデ
ル図では上下方向に振動するようになっている。

構造物４および付加マス５には状態変数検出手段として
の変位検出手段１１ａ、１１１１．速度検出手段１２ａ
、１２ｂをそれぞれ設け、状態量として構造物４の変位
×７、付加マス５の変位×２プリング時間毎に検出する
。変位Ｘ、　、Ｘ、は構造物４、付加マス５が静止して
いる状態をＯとして正負の値をとるようにする。またｘ
、ｊ２も付加マスの動作方向によって正負の値をとる。

変位検出手段１１ａ、ｌｌｂおよび速度検出手段１２ａ
、１２ｂからの信号は、制御器２に入力され、ここで構
造物４と付加マス５の相対変位×２’（Ｘ２　　Ｘ＋）
および、相対速度交２を求める。

制御器Ｚには、片方ロッドシリンダ６をピストンの受圧
面積Ａ１及び受圧面積Ａ２に等しい２つの両ロッドシリ
ンダがあると仮定して制御を行なうための２種類の状態
フィードバックベクトル、すなわち小面積用の状態フィ
ードバックベクトルｆ　Ａｃｔたは大面積用の状態フィ
ードバックベクトルｆへ２が記憶されている。この状態
フィードバックベクトルは受圧面積がＡ１又はＡ２であ
る両ロッドシリンダを用いた最適レギュレータシステム
を作成し、それぞれに対して状態フィードバックベクト
ルｆ°へ１．ｆ゛八２求めておく。そしてこの状態フィ
ードバックベクトルゴ＾１．　　ｆ’Ａ２及びすべての
要素がＯである状態フィードバックベクトルＯの中から
、油圧の供給側に対応した状態フィードバックベクトル
を選択する。

された状態フィードバックベタ５１１丁”＝　（ｆ　、
　　、ｆ２、ｆ、、ｆ、＞のｆ、　、ｆ２、ｆ、　、ｆ
、をそれぞれ乗じ、演算器によりそれぞれの値を加え、
制御人力ｕ　＝ｆ　ＬＸＩ　＋−ｆ２ｘ、　十ｆ、Ｘ、
　十ｆ４灸２　を得る。

この制御人力Ｕは、一定時間のサンプリング時間毎に状
態量を検出して計算される。そして、この制御人力Ｕの
符号により次のサンプリング時間での状態フィードバッ
クベクトル１°Ａ１又は１”Ａ２が選択される。

状態フィードバックベクトルがサンプリング時間毎に切
り換わる場合、すなわち制御入力Ｕの符号がサンプリン
グ時間毎に相違するときには、ピストンのバタツキを防
ぐため状態フィードバックベクトルはＯを選択し、サー
ボ弁１３を閉じる信号を出力する。

制御器Ｚから出力される制御入力Ｕは、サーボ弁１３の
スプール１４を摺動させるソレノイド１５に通電するよ
うになっている。サーボ弁１３の油圧供給側に設けられ
た３つのボートのうち、中央のボート１６はポンプＰ（
図示せず）に連通し、左右のボート１７．１８はそれぞ
れタンクＴ（図示せず）に連通している。サーボ弁１３
に設けられた２つのボート１つ、２０はそれぞれシリン
ダ６の室に連通している６制御人力Ｕによりスプ−ル１
４の移動量を決め、油圧が供給されるボート１６との開
口面積を変化させて受圧面積Ａ１側のシリンダ室又は受
圧面積Ａ２側のシリンダ室に流れ込む油の流量を変化す
ることによりピストン摺動速度の制御を行なう。

第１図に示すモデル図では、シリンダ６のシール部から
の油の漏れを考慮し、絞りＲ，Ｒ２およびタンクを用い
て油が流出する様子をモデル化しである。

構造物４が風や地震の外力を受は第１図の上方向（上方
向は実際の装置では右方向）へ揺れ始めたとすると、揺
れの状況を変位検出手段１１ａ、１１ｂ、速度検出手段
１２ａ、１２ｂで検知し、この信号を制御器Ｚに入力し
、制御人力Ｕを演算する。

制御入力Ｕはソレノイド１５に通電され、サーボ弁１３
のスプール１４を例えば第１図の右方向へ摺動させ、制
御入力に応じたボートの開口部を得る。スプール１４が
右方向へ摺動するとボート１７が閉じられ、ポンプＰか
らの油はボート１６、ボート２０、下方のシリンダ室へ
流れ、シリンダ６内のピストンを押し上げ、上方のシリ
ンダ室の油はボート１９、ボート１８を介してタンクＴ
に導かれる。

この結果シリンダ６のロッド７が移動し、付加マス５を
構造物４の動きに遅れて同じ側である上側へ移動させる
（第１図はモデル図のため鉛直方向ヘロツド７が移動す
るようになっている）。

制御人力Ｕの符号が逆になると、サーボ弁１３のスプー
ル１４が逆に摺動し、前記とは逆のシリンダ室に油が供
給されピストン２の摺動速度を減速させ、その後ピスト
ン２及び付加マス５を逆方向に移動させる。従って付加
マス５を動かすことによる反力により、外力と反対方向
の制御力を構造物に与えることにより構造物４の振動の
低減を図る。

この際、シリンダ室への油圧の供給方向により制御器Ｚ
で選択する状態フィードバックベクトルが異なるので、
同じ状態量に対する制御入力が異なり、それぞれ最適な
制御が行われる。外的要因としての状態量が同じであれ
ば、受圧面積の差にもかかわらず同一状況でシリンダ６
のピストンを摺動させることができる。

本実施例では、受圧面積Ａ１又は受圧面積Ａ２のどちら
のピストン面に油圧を供給するかで、１組の状態フィー
ドバックベクトルから状況に適した状態フィードバック
ベクトルを選択したが、受圧面積Ａ１及び受圧面積Ａ２
用の制振効果の異なる状態フィードバックベクトルをそ
れぞれ複数個記憶しておき、ピストンの位置によって複
数個の中から１つを選択すれば、更に高精度な制御が可
能である。

次に個々の状態フィードバックベクトル市゛＝（ｆ、　
、ｆ２、ｆ、　、ｆ、）の設定について説明する。

１、システムの微分方程式 外力をＦ、構造物１と付加マス２間に作用する力をＵ、
＊漬物１の質量をＭｌ　、構造物１の減衰定数をＣＩ、
構造物１のばね定数をに１とすると、構造物の運動方程
式は Ｆ−Ｕ−〜１１　×　１−トＣ＋　　ＸＩ　　＋ＫＩ　
　ＸＩ　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　i１） となる。

付加マスの＊ｍをＭ、とすると 付加マスの運動方程式は ＩＪ−Ｍ２Ｘｌ　　　　　　　　　　　　　　　　（２
＞と　し　る。

シリンダの受圧面積をＡ、シリンダの冬至の圧力をｐ、
ｐ、、シリンダの減衰定数をα、シリンダのばね定数を
に！とし、シリンダの出力および摩擦力はゼロと考える
と制御力は、 ｕ−Ａ　（Ｐ、　−Ｐ、　）−α（ｘ＋　−ＸＩ　＞−
に＋　（ｘ＋　−Ｘ、　＞　　　　（３）となる。

シリンダにおける連続の式は、サーボ弁からシリンダに
流入する流目をＱ５、シリンダからサーボ弁へ流出する
流量をＱ６、各シリンダ至から外部へ漏れる流分をＱ５
、Ｑ４、第１０の下部のシリンダ室から上部のシリンダ
！へ漏れる流量をＱ、とすると、 ＲＶ＋　／に−Ｑ＋　−Ａ　（ＸＩ　−ｘ　＋　）　−
Ｑｓ　−Ｑｓ　　　　　　　（４）ＰＩ　Ｖ２　／に−
−Ｏｒ　　＝Ａ　（ｘ　ｒ　−ｘ　＋　　）−α　十〇
、　　　　　　　　　　　　　（５）となる。

シリンダ室からの流れを考慮したモデルにおいて、Ｒ，
Ｒ，を絞りの係数とすると 絞りの式は Ｑ、　−Ｒ，Ｐ。

Ｑ、　−Ｒ，Ｐ。

Ｑ、　−Ｒ，（Ｐ、　−Ｐ、　＞　　　　　　　　　　
　　　（６）となる。

次にサーボ弁の特性を考える。

サーボ弁の定格電流を（「、定格流分をＱｒ、供給圧力
をｐｓとすると、 ｉ≧０の場合 Ｏｒ　−（ｉ　／Ｉｒ　）　ｏｒｆ丙：部子／３５　　
　　　　　　　　（７）Ｑ、　−（ｉ　、／［ｒ　）　
ＱｒＦ：面子（８）ｉ＜Ｑの場合 ｏ、　−に　、′ｔｒ　＞ｏｒＦフ汀（９）ａ、　−＜
Ｉ／ｒｒ　＞　ｏｒｌＴ可−Ｐ、）／３丁　　　　　　
　（１ｏ）となる。

２、微分方程式の線形化 （７）〜（１０）式を平衡点（Ｐ、−Ｐ、。ｐ２−ｐ、
。ｉ−ｉ、）の近傍で線形化し、 をとり、ΔＦを外乱として取扱い、状態方程式％式％（
１２） で表現する。このとき行列Ａ、−は、それぞれ４行４列
、４行１列の行列となり、行列の各要素は次のようにな
る。

Ａ１、−〇 △、１−Ｏ Ａｌｘ　−１ Ｉ４−０ Ａ１、−〇 Ａ２、−〇 Ａ、４−Ｏ Ａ２．−１ 八□−−に、　、／Ｍ。

△ｉｎ　−Ｋｌ　／！Ｖｌ＋ △ｎ　−Ｃ＋　／’ＭＩ Ａ、、−（１／Ｍ、　’）　（２Ａ’　、／　（β＋Ｒ
＋　＋２Ｒ１＞＋Ｃｔ　）、へ、、−Ｋｌ／Ａイ。

Ａ、−−Ｋｌ　　（Ｍｌ二Ｍ、）、′＼１．＼４゜Ａ、
　−Ｃ，、／Ｍ。

Ａ４４−−　（（Ｍ、　＋Ｍ、　）　／Ｍ、　Ｍ、　）
　（２Ａ’　／　（β＋Ｒ５工２Ｒ３）工Ｃ，）ｂｌｌ
−０ ｂ、、　−Ｑ ｂ會１−−（１／Ｍ、）（２Ａα７／（β＋Ｒ，＋２Ｒ
，））ｂ％、　−［Ｍ、　＋Ｍ、　、／Ｍ、　Ｍ、　）
　（２Ａα／（β＋Ｒ，＋２Ｒ，））ここで出力ベクト
ルｙを と定義すると出力方程式は次のようになる。

　−Ｃｔ ３、　Ｉｌｌ適レギュレータの設計 （１２）　（１４）式で表現されている制御系において
、ＰＩａｉＦ３１１数 （１５）式を最小にするＲ適しギュレークを設計する。

制御入力（１をスカラ量としたので、入力の重み係数ｒ
もスカラ（６）とした。

状態変数に対する重み行列Ｑを とおくと、評価関数Ｊは に対応する重み係数ｑを大きくとることにより、割振効
果が大きいものから小さいものまでＩＩＩｔｉｌ系を自
由に設計できる。

最適入力Ｕ°は最適フィードバックベクトルダ―（ｒ、
　、ｒ、　、ｒ、　、ｒ４）により次のように表わされ
る（ｕ”−Δｉ’）、ｕ＠、、ｒ＃　ｒ　ｗｆ　、Δｘ
、＋４．Δｘ、’＋ｊ、Δｘ、　＋ｒ、　Ａｘ、　’　
　　　（１８）ｖＩＩｌＩｌ系のブロック図を第２図に
示す。

（１５）式で表わされたＪを最小にする最適フィードバ
ックベクトルｔ＠は一般式 ％式％） で、与えられる。ただし、Ｐは次のりカッティの行列方
程式を満たす正定唯−解である。

ＰＡ−’、Ａ　Ｐ−Ｐ　Ｉｂ　ｒ　ＩｂｐＭ）−ｏ　　
　　　　　　　（２０）上述の状態フィードバックベク
トルの設定の際、受圧面積Ａをそれぞれの受圧面積Ａ１
又は受圧面積Ａ２として計算すれば、受圧面積Ａ１又は
受圧面積Ａ２の両ロッドシリンダを用いたものとして制
御系を構成することができる。

上述の実施例では、状態変数ベクトルは、構造物４の変
位ｘ５、構造物４に対する付加マス５の相対変位×２′
、構造物４の速度ｉ１、構造物４と付加マス５の相対速
度×２で表現したが、他の振動に関係する変数や油圧シ
リンダの制御に関係する変数を状態量として考慮しても
よい。

すなわち、制振装置取付位置における構造物４の変位×
７、付加マス５の変位×２、構造物４の最下部又は地面
の変位ＸＯ，構造物４に対する付加マス５の相対変位×
２、シリンダ各室の圧力ｐ１．０２％サーボ弁１３のス
プール１４の変位Ｘ、とし、この中から制御に重要な要
素を取り出し状態変数ベクトルを表現してもよい、この
場合評価間数Ｊは次のようにするのが適当である。

（ａ　）ン＝（ＸＩ　Ｘ２　ＸＩ　Ｘ２　）のときｒｕ
”）ｄｔ ｒｕ２）ｄす るのが有効である。

（ｄ　）Ｙ＝（ＸＩ　Ｘ；ＸＩ　Ｘ２’ｐＩ　０２　）
のときｒｕ２）ｄｔ のとき ｒｕ’＞ｄｔまたは ｒｔｌ”）ｄｔまたは （発明の効果） 本発明は、上述したように、シリンダと、このシリンダ
内を摺動するピストンと、このピストンの片側面よりシ
リンダ外側に伸長するロッドとを有する片ロッドシリン
ダと、この片ロッドシリンダのシリンダ室に油圧を供給
するサーボ弁とから成る油圧制御装置において、前記ピ
ストンのロッド伸長側を受圧面積Ａ１とし他方側を受圧
面積Ａ２とし、油圧の供給側が受圧面積Ａ１のシリンダ
室であるか受圧面積Ａ２のシリンダ室であるかを一定周
期毎に検出し、油圧の供給側の受圧面積の種類によって
前記サーボ弁からシリンダ室に流れる流量を変化させ、
前記片ロッドシリンダを受圧面積Ａ１又は受圧面積Ａ２
を有する両ロッドシリンダとみなして油圧流量の制御を
行なうので、片ロッドシリンダを用いてそれぞれの受圧
面積に等しい両ロヅドシリンダを用いたものとして制御
でき、油圧の供給方向にかかわらず高精度な制御を行な
うことができる。

従って、安価で取り付はスペースが小さい片ロッドシリ
ンダにより、高精度な油圧サーボ系を構成することがで
きる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例を示す制振装置のモデル図、
第２図は制御系のブロック図、第３図は本発明を用いる
制振装置の側面図、第４図は制振装置の平面図、第５図
（ａ）（ｂ）は片ロッドシリンダ及び両ロッドシリンダ
を示す説明図である。 ４・・・・・・構造物 ５・・・・・・付加マス ６・・・・・・シリンダ ７・・・・・・ロッド軸 １１ａ、１１ｂ・・・・・・・・・変位検出手段１２ａ
、１２ｂ・・・・・・・・・速度検出手段Ｚ・・・・・
・制御器 昭和６２年１２月３０日 第１図 第２図 第３図 第４図 第５図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 　シリンダ、該シリンダ内を摺動するピストン、該ピス
   トンの片側面よりシリンダ外側に伸長するロッドとを有
   する片ロッドシリンダと、該片ロッドシリンダのシリン
   ダ室に油圧を供給するサーボ弁とから成る油圧制御装置
   において、 前記ピストンのロッド伸長側を受圧面積Ａ１とし他方側
   を受圧面積Ａ２とし、油圧の供給側が受圧面積Ａ１のシ
   リンダ室であるか受圧面積Ａ２のシリンダ室であるかを
   一定周期毎に検出し、油圧の供給側の受圧面積の種類に
   よって前記サーボ弁からシリンダ室に流れる流量を変化
   させ、前記片ロッドシリンダを受圧面積Ａ１又は受圧面
   積Ａ２を有する両ロッドシリンダとみなして油圧流量の
   制御を行なうことを特徴とする片ロッドシリンダの制御
   方法。