JPH0419401B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

（産業上の利用分野） 本発明は、アクチユエータをデイジタル弁にて
駆動し、該アクチユエータの動作をフイードバツ
ク制御方式により制御するようにしたデイジタル
弁クローズドループ制御装置に関する。 （従来例） 従来のクローズドループ制御装置は、第６図に
示すようなものがある。 同図において、１は演算手段であり、制御すべ
きアクチユエータの動作を指示するための入力指
示信号Ｓの値と後述のフイードバツク信号Ｆの値
との差を検出し、その差に相当する差信号Ｖを出
力する。 ２は一定の増幅率Ａを有するサーボ増幅器であ
り、差信号ＶをＡ倍してなる駆動信号AVを出力
する。 ３は電気・油圧式のサーボ弁、４は流体圧力
源、５はアクチユエータであり、サーボ弁３は駆
動信号Avに応じて内部のトルクモータが作動し、
ノズルとフラツパーの組み合せ機構を使つて液圧
の信号に変換し、その液圧信号でスプールを移動
して流体圧力源４からアクチユエータ５に供給す
る作動液圧を調節する。 ６はアクチユエータ５の動作量を検出するセン
サであり、検出結果をフイードバツク信号Ｆとし
て演算手段１に供給する。 このようなフイードバツク制御方式は、入力指
示信号Ｓとフイードバツク信号Ｆとして電気的ア
ナログ信号を用い、これらの差信号Ｖをサーボ増
幅器２にてアナログ的に増幅してサーボ弁３のト
ルクモータに供給したり、又は、入力指示信号Ｓ
やフイードバツク信号Ｆ、差信号Ｖをデイジタル
信号で処理し、不図示のＤ／Ａ変換器（digital
−analog converter）等によりアナログ信号に
変換してサーボ弁３のトルクモータに供給してい
る。 そして、アクチユエータ５に対し所定の作動を
行なわせるために供給した入力指示信号Ｓとアク
チユエータ５の実際の動作量を示すフイードバツ
ク信号Ｆとの差、すなわち差信号Ｖの値を零にす
るように制御が行なわれ、入力指示信号Ｓで指示
した動作をアクチユエータ５に行なわせる。 （発明が解決しようとする問題点） しかしながら、このような従来のサーボ弁を用
いたクローズドループ制御装置にあつては、サー
ボ弁内のフラツパやスプール等の作動は微小な埃
塵によつてもステイツク等が発生するため保守管
理が煩雑で、しかもサーボ弁は装置が大きく高価
となる等の欠点があつた。 尚、上記第６図のサーボ弁に代えてゴミ等に強
く、特別な作動液の管理をする必要がなく且つコ
ストの安いデイジタル弁を使用することでこの問
題を改善しようとするものがあつたが、このよう
なデイジタル弁を使用するクローズドループ制御
装置にあつては、デイジタル弁の応答特性はパル
スモータの最高応答パルス周波数Fmaxで規定さ
れるため応答性が比較的悪く、第４図のサーボ増
幅器２の増幅率を高くするとアクチユエータ出力
の発振等を生じ、該増幅器２の増幅率を下げると
入力信号Ｓとアクチユエータ５の出力との差すな
わち定常偏差が大きくなり充分な性能を得ること
が出来なかつた。 即ち、この種類のデイジタル弁を使用したフイ
ードバツク制御の手法によれば、第６図における
演算手段１からの差信号Ｖを一定の増幅率を有す
るいわゆる線形増幅器であるサーボ増幅器２で増
幅しその指示値にしたがつてデイジタル弁を開閉
している。しかし、アクチユエータ５の出力Ｆと
入力指示値Ｓの定常偏差を少なくして更に出力の
応答時間の向上を図ろうとするためにこの増幅率
を上げ過ぎると、第７図に示すように、例えばス
テツプ状の入力指示信号Ｓに対し、デイジタル弁
の可変絞りの開度θとアクチユエータの動作ηが
不安定となり、いわゆるオーバーシユート及びア
ンダーシユートが大きくなつて、整定状態すなわ
ち入力指示信号Ｓで示した目標値Ｈ以上の出力を
発生して機器に悪影響を及ぼしたり、該目標値に
落ち着くのに時間を要したり、更に最悪の場合は
発振状態となる問題があつた。 一方、増幅率を下げることにより動作を安定さ
せオーバーシユート等をなくすようにした場合に
おいては、アクチユエータ５の出力Ｆと入力指示
値Ｓとの誤差すなわち定常偏差δが大きくなり満
足な性能を得ることが出来ないためフイードバツ
ク制御による充分な効果を得る事ができない問題
があつた。 （問題を解決するための手段） 本発明はこの様な問題点に鑑みてなされたもに
であり、デイジタル弁にてアクチユエータを駆動
制御するものとし、該アクチユエータの動作量を
検出しフイードバツク信号を発生するセンサと、
該アクチユエータの動作を指示する入力指示信号
と該フイードバツク信号との差を検出して差信号
を発生する演算手段とを具備するデイジタル弁ク
ローズドループ制御装置である。 ここで、デイジタル弁の応答性能は該デイジタ
ル弁を駆動するパルスモーターの最高応答周波数
によつて規定される特徴を有し、大振幅時の応答
時間は遅いが小振幅時の応答時間は極めて速く、
例えば、パルスモーターの応答周波数が最大で
4000ppsとすれば200パルス分開閉するときは
50mSを必要とするが、10パルス分の開閉には
2.5mS、１パルス分には250μSとなり、開閉量に
よつて応答速度が極めて大きく変化する。 こうした特徴に着目した本発明は、上記のデイ
ジタル弁クローズドループ制御装置において更
に、上記差信号を対数特性や１／Ｎ乗特性等を有
する圧縮信号に変換する圧縮信号変換手段を備え
ると共に、上記演算手段からの差信号と該圧縮信
号変換手段からの圧縮信号とに基づき開度制御信
号を出力する開度信号発生手段と、該開度信号発
生手段からの開度制御信号に基づいてデイジタル
弁内のパルスモータを駆動し弁開度を指示するパ
ルスモータ駆動手段とを具備したことを技術的要
点とする。 即ち、前記圧縮信号変換手段は、前記差信号の
値が大きい場合にはこのクローズドループ装置の
動作の安定化を図るべく圧縮率の大きな圧縮信号
を発生し、該差信号が小さい場合には圧縮率の小
さな圧縮信号を発生することで制御系全体の応答
性を向上させるようにして定常偏差の少ないクロ
ーズドループ制御系を実現しようと作用するもの
であり、一方、上記演算手段から出力される差信
号を積分し、その積分値に対応するようパルスモ
ータを開閉する制御をおこなうと、応答速度は低
下するが定常偏差の向上が得られる。これら２者
の長所を利用すべく、上記演算手段から出力され
る差信号と圧縮信号変換手段からの圧縮信号とに
基づき安定性と応答性とを満足する開度制御信号
を上記開度信号発生手段より発生するようにした
ことを特徴とする。 （実施例） 第１図は本発明によるデイジタル弁クローズド
ループ制御装置の一実施例を示すブロツク図であ
る。 まず構成を説明すると、１０は演算手段であ
り、アクチユエータに所定動作を指示するため外
部から供給された入力指示信号Ｓと後述するフイ
ードバツク信号Ｆとの差を検出しそれを差信号Ｖ
として出力する。 １１は圧縮信号変換手段であり、差信号Ｖを増
幅して圧縮信号Ｗを出力する。 ここで、圧縮信号変換手段１１の入出力特性を
差信号Ｖ＝Ｓ−Ｆに対する圧縮信号Ｗで示せば、
次式(1)，(2)または(3)のように差信号Ｖが大きいほ
ど圧縮率が大きく、差信号Ｖが小さいほど圧縮率
が小さくなるように設定されている。 Ｗ＝Ｋ・｜Ｖ｜^1/n＝Ｋ・｜Ｓ−Ｆ｜^1/n ……(1) Ｗ＝Ｋ・Ｓ・（｜Ｓ＝Ｆ｜／Ｓ）^1/n ……(2) Ｗ＝Ｌ・log_a｛｜Ｓ−Ｆ｜／Ｓ｝ ……(3) ただし、上記式(1)，(2)において、定数Ｓ−Ｆ≧
ＯならばＫは正の係数、Ｓ−Ｆ＜ＯならばＫは負
の係数、ｎは実定数であり、上記式(3)において、
Ｌは負の係数、ａは実定数であり、これらの係数
を適宜に変更することにより特性を設定する事が
できる。 そしてこの特性を実現するために、圧縮信号変
換手段１１はマイクロコンピユータ等の演算機能
を有する装置を備えて上記式(1)ないし(3)のいずれ
かの式に基づいて演算を行つたり、又は、上記式
(1)ないし(3)のいずれかの式に基づく演算を行つた
のと同様の結果を得るために、予め上記の一つの
式の演算結果に等しいデータを記憶するROM
（read only memory）を備え、差信号Ｖの大き
さに応じて該ROMの記憶アドレスを指定して該
データを得るようにする。 尚、マイクロコンピユータやROM等のデイジ
タル信号を扱うものにおいては、差信号ＶをＡ／
Ｄ変換器等でデイジタル信号に変換し、圧縮信号
Ｗもデイジタル信号である。 第２図は積分手段１２の具体的構成を示し、周
波数変換器１２ａとアツプダウンカウンタ１２ｂ
を備えている。 周波数変換器１２ａは差信号Ｖの正負極性を判
別すると共に、差信号の絶対値の大きさ｜Ｖ｜に
応じた周波数の周波数信号を発生し、差信号Ｖが
正の値ならば周波数信号fw、負ならば周波数信
号fcwとして出力する。即ち、差信号Ｖの値が＋
φならば、単位時間当たりφパルスの周波数信号
fwを発生し、差信号Ｖの値が−φならば単位時
間当たりφパルスの周波数信号fcwを発生する。
尚、この周波数信号fw，fcwの最大周波数は、後
述するデイジタル弁１７に内蔵されたパルスモー
タPMの最大応答速度に等しいか又はそれ以下に
設定されている。 アツプダウンカウンタ１２ｂは、周波数変換器
１２ａからのパルス列fw、fcwを計数し、パルス
列fwが供給されるとアツプカウントを、パルス
列fcwが供給されるとダウンカウントを行い、計
数結果を積分値信号Ｒとして出力する。 １３は開度信号発生手段であり、積分値信号Ｒ
と圧縮信号Ｗを加算演算し、その加算結果に基づ
いて開度制御信号SVを発生する。即ち次式(4)に
従つた演算を実行する。 SV＝Ｋ・（Ｗ＋Ｒ） ……(4) 尚、ｋは適宜に設定する計数値である。 １４はパルスモータ駆動手段で３あり、励磁信
号発生回路１５と駆動回路１６とを備え、デイジ
タル弁１７のパルスモータPMの動作を制御して
可変絞り１８の開度を調節する。 励磁信号発生回路１５は開度制御信号SVの大
小を判定を行い、現在のパルスモータ位置すなわ
ちバルブ開度が指示値より大きい場合は閉じる方
向に、その反対なら開ける方向に正逆転させるべ
く励磁信号φ１〜φ４を出力する。 第３図は励磁信号発生回路１５の構成を示すブ
ロツク図であり、比較器１５ａ，判別器１５ｂ、
発振器１５ｃ、位置カウンタ１５ｄ、パルスモー
タ励磁相変換回路１５ｅを備え、比較器１５ａに
圧縮信号ｗを入力し、パルスモータ励磁相変換回
路１５ｅからはパルスモータの各励磁コイルを制
御する励磁信号φ１〜φ４が発生するようになつ
ている。 尚、詳細は先に本願発明者が出願した「昭和58
年特許願第207207号」に記載しているが、ここで
概要を説明すると、発振器１５ｃはパルス列から
なる基準クロツク信号CLを発生し、パルスモー
タPMを最大応答速度で駆動することのできる周
波数に等しく設定されている。 比較器１５ａは、加減算カウンタを用いた位置
カウンタ１５ｄから供給されたパルスモータPM
の現在位置信号Ａと開度制御信号SVとの大小を
検出し、現在位置信号Ａが開度制御信号SVより
大きいとき即ちＡ＞SVの時は出力Ｑ１を発生し、
現在位置信号Ａが開度制御信号SVより小さいと
き即ちＡ＜SVの時は出力Ｑ２を発生する。 判別回路１５ｂは出力Ｑ１，Ｑ２に基づいて位
置カウンタ１５ｄの加減算動作を指定する。 出力Ｑ１が入力された場合には、位置カウンタ
１５ｄに対し発振器１５ｃよりの基準クロツク信
号CLを減算パルスDOWNとして供給し、位置カ
ウンタ１５ｄはＡ＝SVとなるまで計数動作し、
この減算結果｜Ａ−SV｜個のパルスからなる差
修正信号cwをパルスモータ励磁相変換回路１５
ｅに出力する。パルスモータ励磁相変換回路１５
ｅは差修正信号cwを４相パルスモータのときは
φ１〜φ４の励磁信号に変換し、駆動回路１６を
介して、デイジタル弁１７の可変絞り１８を閉じ
る方向にパルスモータを回転駆動する。 一方、出力Ｑ２が入力された場合には、位置カ
ウンタ１５ｄに対し発振器１５ｃよりの基準クロ
ツク信号CLを加算パルスUPとして供給し、位置
カウンタ１５ｄはＡ＝SVとなるまで計数動作し、
この加算結果｜SV−Ａ｜個のパルスからなる差
修正信号ccwをパルスモータ励磁相変換回路１５
ｅに出力する。パルスモータ励磁相変換回路１５
ｅは４相パルスモータの時は差修正信号ccwをφ
１〜φ４の励磁信号に変換し、駆動回路１６を介
して、デイジタル弁１７の可変絞り１８の開度を
増加する方向にパルスモータPMを回転駆動す
る。 更に、判別回路１５ｂは比較器１５ａからの信
号Ｑ１，Ｑ２が供給されないとき、即ち現在位置
信号Ａと開度制御信号SVが等しい場合、発振器
１５ｃの基準パルスCLを位置カウンタ１５ｄに
供給するのを停止する。 したがつて、位置カウンタ１５ｄは加減算動作
せず、パルスモータ励磁相変換回路１５ｅへの励
磁信号cw，ccwの供給が行なわれず、パルスモ
ータPMは駆動されない。 尚、第１図において、駆動回路１４は駆動信号
φ１〜φ４を電流増幅してパルスモータの各励磁
コイルに供給する。 この様に、パルスモータPMは、現在位置信号
Ａと開度制御信号SVとの差だけ駆動するように
制御されるので、常に開度制御信号SVによつて
指示される開度位置に追従する。 １９は流体圧力源、２０はアクチユエータであ
り、可変絞り１８の開度に応じた作動流圧が流体
圧力源１９からアクチユエータ２０に供給され、
駆動される。 ２１はアクチユエータ２０の動作量を検出し、
該検出値をフイードバツク信号Ｆとして演算手段
１０に供給する。 かかる構成のデイジタル弁クローズドループ制
御装置の作動を説明する。 演算手段１０において、入力指示信号Ｓと実際
のアクチユエータ２０の動作量を示すセンサ２１
からのフイードバツク信号Ｆとの差が検出され、
その差信号Ｖは圧縮信号変換手段１１により上記
式第(1)、(2)または(3)のいずれかの式、例えば第(1)
式に基づいて処理され、圧縮信号ｗとなつて出力
される。 一方、差信号Ｖは別途積分手段１２により処理
され、積分値信号Ｒが出力される。 開度信号発生手段１３では、積分値信号Ｒと圧
縮信号ｗを上記式(4)に基づいて加算演算し、開度
制御信号SVを発生する。 開度制御信号SVは励磁信号発生回路１５によ
り、パルスモータPMの現在位置と比較され、パ
ルスモータPMを現在位置と開度制御信号SVと
の差だけ駆動する為の励磁信号φ１〜φ４が駆動
回路１４で電流増幅されてパルスモータPMに供
給され、パルスモータPMを開度制御信号SVに
等しく追従させる。 パルスモータPMは励磁信号φ１〜φ４にした
がつて正転または逆転して可変絞り１８の開度を
調節し、流体圧力源１９からアクチユエータ２０
へ供給する作動液圧を調整する。 第４図はこのフイードバツク制御によつて、入
力指示信号Ｓに対するアクチユエータ２０の定常
偏差及び応答性が向上したことを示す。 ここで、第４図はこの実施例の特性を示し、第
７図と比較すると、第７図は圧縮信号変換手段１
１及び開度信号発生手段１３を用いず一定の増幅
率を有するサーボ増幅器を用いて演算手段１から
の差信号Ｖを増幅し、パルスモータPMの動作を
制御する従来のフイードバツク制御手段による特
性を示しているが、該増幅器の増幅率Ｇを2000、
入力指示信号Ｓを0.4m／secとし、該入力指示信
号Ｓをステツプ状に供給してた場合である。 第７図では、入力指示信号Ｓに対するデイジタ
ル弁１７の可変絞り１８の開度θには、大きなオ
ーバーシユートとアンダーシユートが発生し、一
定値に安定するのに長時間を必要としている。
又、この開度θの不安定に伴ないアクチユエータ
２０の動作η不安定で安定するまでに長時間を必
要とし、しかも、アクチユエータ２０が安定した
状態（整定状態）の値と入力指示信号Ｓで指示さ
れた目標値Ｈとの差δが極めて大きい。 したがつて、アクチユエータ２０に速く目的の
動作を行なわせることができず制御性能が悪いと
言える。 これに対し、第４図は第７図と同一条件のデイ
ジタル弁１７、流体圧力源１９、アクチユエータ
２０等を使用し、上記式(2)を適応した圧縮信号変
換手段１１及び開度信号発生手段１３を使用して
いる。尚、上記式(2)において、ｎ＝８、Ｋ＝400、
入力指示信号Ｓを0.4m／secとし、最低の増幅率
でも400となるように設定してあり、この時の圧
縮信号変換手段１１の増幅率G^*＝Ｗ／Ｖは一例
を示せば次表のように差信号に対し変化する。

【表】 第３図に示すように、入力指示信号Ｓに対する
デイジタル弁１７の可変絞り１８の開度θ^*は、極
めて短時間で一定値に安定し、また、この開度θ^*
も安定なことからアクチユエータ２０の動作η^*
も短時間で安定する。しかも、アクチユエータ２
０が安定した状態（整定状態）の値と入力指示信
号Ｓで指示された目標値Ｈとの差すなわち定常偏
差δ^*が極めて小さい。 このように、従来の増幅器に比べて、差信号Ｖ
に対する開度制御信号SVの増幅率を全体的に上
昇することができることから、目標値Ｈとアクチ
ユエータ２０の整定値との差δ^*を極めて小さくす
る事ができる効果が得られ、又、該増幅率を上昇
しても発振等の不安定な状態とならないので、ア
クチユエータ２０に速く目的の動作を行なわせる
ことができ、応答性が改善されている。 尚、この実施例の圧縮信号変換手段１１では、
上記式(1)ないし(3)を用いたが、これに限らず、入
力される差信号の値が大きくなるにしたがい圧縮
率が大きく、該差信号の値が小さくなるにしたが
い圧縮率が小さくなるような特性を有しているも
のであれば適用することが出来る。 第５図は他の実施例を示すブロツク図である。 まず、構成を第１図のブロツク図に対応して示
せば、相違する点は、センサ２１からの検出信号
をＡ／Ｄ変換器２２を通してデイジタル信号より
なるフイードバツク信号FDに変換し、これを演
算手段１０Ａに供給し、デイジタル信号よりなる
入力指示信号SDとの差である差信号Ｖをデイジ
タル信号で発生させている。そして、圧縮信号発
生手段１１Ａは第１図の圧縮信号発生手段１１
に、開度信号発生手段１３Ａは第１図の開度信号
発生手段１３に相当し、共に、ROM（Read
Only Memory）等の記憶素子にて構成されてい
る。 圧縮信号変換手段１１Ａは差信号Ｖの値（数
値）にて指定される所謂アドレス領域に上記式(1)
等で演算された結果の圧縮信号ｗに相当する数値
データが予め記憶されている。差信号ｖが供給さ
れると該差信号ｖは所謂アドレス信号となり、該
アドレス領域からは差信号ｖの大きさに対応した
圧縮信号（数値）ｗが出力される。 開度信号発生手段１３Ａも同様に、マトリツク
ス状に配列された記憶領域を有するROM等で構
成され、圧縮信号変換手段１１Ａからの圧縮信号
ｗが記憶領域の列アドレスを、積分手段１２から
の積分値信号Ｒが記憶領域の行アドレスとなる構
成となつている。 圧縮信号ｗと積分信号Ｒとで指定されるアドレ
ス領域には、第１図の開度信号発生手段１３で求
められる所定の開度制御信号SVが圧縮信号ｗと
積分値信号Ｒに対応して予め記憶されており、圧
縮信号ｗと積分値信号Ｒに応じた開度制御信号
SVを出力するようになつている。 この実施例によつても上記第１の実施例と同様
の効果が得られ併せて、回路構成の簡素化及び小
形化が実現出来る。 （発明の効果） 以上説明したようにこの発明例によれば、圧縮
信号変換手段は、フイードバツク信号と入力指示
信号との差による差信号の値が大きい場合にはク
ローズドループ装置の動作の安定化を図るべく圧
縮率の大きな圧縮信号を発生し、該差信号が小さ
い場合には圧縮率の小さな圧縮信号を発生するこ
とで制御系全体の応答性を向上させるようにして
定常偏差の少ないクローズドループ制御系を実現
しようと作用するものであり、一方、上記差信号
はそのまま制御信号としてパルスモータに供給す
ると安定性等における問題があるものの応答速度
は速ことから、開度信号発生手段によりこれら２
者の長所を利用すべく最適となる開度制御信号を
発生させ、この開度制御信号に基づきデイジタル
弁を駆動制御するので、安定性と応答性とを満足
するデイジタル弁クローズドループ制御装置を提
供することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による一実施例を示すブロツク
図、第２図は第１図の増幅手段の構成を示すブロ
ツク図、第３図は第１図の励磁信号発生手段の構
成を示すブロツク図、第４図は本発明による効果
を示す特性図、第５図は本発明による他の実施例
をを示すブロツク図、第６図は従来例を示すブロ
ツク図、第７図は従来例の欠点を説明する特性図
である。 １０，１０Ａ……演算手段、１１，１１Ａ……
圧縮信号変換手段、１２……積分手段、１３，１
３Ａ……開度信号発生手段、１４……パルスモー
タ駆動手段、１５……励磁信号発生回路、１６…
…駆動回路、１７……デイジタル弁、１８……可
変絞り、１９……液体圧力源、２０……アクチユ
エータ、２１……センサ、２２……Ａ／Ｄ変換
器。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ パルスモータにより駆動される流体液圧源か
   らの作動液体を制御し該作動液体にてアクチユエ
   ータを駆動するデイジタル弁と、 該アクチユエータの動作量を検出しフイードバ
   ツク信号を発生するセンサと、 該アクチユエータの動作を指示する入力指示信
   号と該フイードバツク信号との差を検出し差信号
   を発生する演算手段とを具備し、 該デイジタル弁によつて制御される作動液体に
   より駆動されるアクチユエータの動作量を検出し
   て該アクチユエータをフイードバツク制御するデ
   イジタル弁クローズドループ制御装置において、 前記差信号の値が大きくなるにしたがい圧縮率
   が大きく、該差信号の値が小さくなるにしたがい
   圧縮率が小さい圧縮信号を発生する圧縮信号変換
   手段と、 前記演算手段からの差信号の時間積分演算を行
   い積分値信号を出力する積分手段と、 該圧縮信号と積分値信号とに基づく加算演算を
   行い開度制御信号値を発生する開度信号発生手段
   と、 該開度信号発生手段からの開度制御信号に基づ
   いてデイジタル弁内のパルスモータを駆動し弁開
   度を設定するパルスモータ駆動手段とを具備した
   ことを特徴とするデイジタル弁クローズドループ
   制御装置。