特許 7249835 油圧制御システムにおける状態を検知する装置と方法、および油圧制御システム

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2023-03-23

(45)【発行日】2023-03-31

(54)【発明の名称】油圧制御システムにおける状態を検知する装置と方法、および油圧制御システム

(51)【国際特許分類】

   F15B 20/00 20060101AFI20230324BHJP

   G05B 23/02 20060101ALI20230324BHJP

【ＦＩ】

F15B20/00 D

G05B23/02 Z

G05B23/02 R

G05B23/02 302Z

【請求項の数】 14

(21)【出願番号】P 2019054233

(22)【出願日】2019-03-22

(65)【公開番号】P2020153472

(43)【公開日】2020-09-24

【審査請求日】2021-12-20

(73)【特許権者】

【識別番号】309036221

【氏名又は名称】三菱重工機械システム株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100100077

【弁理士】

【氏名又は名称】大場 充

(74)【代理人】

【識別番号】100136010

【弁理士】

【氏名又は名称】堀川 美夕紀

(74)【代理人】

【識別番号】100130030

【弁理士】

【氏名又は名称】大竹 夕香子

(74)【代理人】

【識別番号】100203046

【弁理士】

【氏名又は名称】山下 聖子

(72)【発明者】

【氏名】粟屋 伊智郎

(72)【発明者】

【氏名】▲徳▼山 享大

(72)【発明者】

【氏名】大野 達也

【審査官】吉田 昌弘

(56)【参考文献】

【文献】特開２０１８－１２４１８３（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１３－１００７３８（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平１０－０３０６０３（ＪＰ，Ａ）

【文献】国際公開第２０１８／１７３５３９（ＷＯ，Ａ１）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｆ１５Ｂ ２０／００

Ｇ０５Ｂ ２３／０２

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

油圧機構を制御する油圧制御システムにおける状態を検知する装置であって、
前記油圧制御システムの実測された物理的状態量の応答データが、２つの前記物理的状態量からなる位相面データに変換されることで、実測位相面データを取得する実測位相面データ取得部と、
前記実測位相面データを用いて物理パラメータを取得する物理パラメータ取得部と、を備え、
前記物理パラメータ取得部は、前記実測位相面データから抽出される３つ以上の特徴点を用いて前記物理パラメータを取得可能に構成される、
ことを特徴とする状態検知装置。

【請求項2】

前記実測位相面データから、前記実測位相面データの形状の特徴に基づいて、前記油圧制御システムに想定される物理的状態量の変化のケースを特定するケース特定部を備える、
請求項１に記載の状態検知装置。

【請求項3】

前記ケース特定部は、
前記油圧制御システムに発生しうる異常の予兆を与えた解析を経て前記ケース毎に得られた解析位相面データの形状の特徴と前記ケースとの対応関係と、前記実測位相面データの形状の特徴とに基づいて、前記ケースを特定する、
請求項２に記載の状態検知装置。

【請求項4】

前記物理パラメータ取得部は、
前記実測位相面データから、前記実測位相面データの形状の変化に基づいて、前記油圧制御システムにおける物理的状態量の変化の度合を算出する、
請求項１から３のいずれか一項に記載の状態検知装置。

【請求項5】

前記位相面データに係る２つの前記物理的状態量は、
前記油圧制御システムを構成するサーボ弁の弁開度または前記サーボ弁に与えられる弁開度指令、および、
前記油圧機構の速度応答である、
請求項１から４のいずれか一項に記載の状態検知装置。

【請求項6】

前記位相面データに係る２つの前記物理的状態量は、
前記油圧機構の速度、および、
前記油圧機構による荷重応答である、
請求項１から４のいずれか一項に記載の状態検知装置。

【請求項7】

請求項１から６のいずれか一項に記載の状態検知装置と、
前記油圧機構と、を含む、
ことを特徴とする油圧制御システム。

【請求項8】

油圧機構を制御する油圧制御システムにおける状態を検知する方法であって、
前記油圧制御システムの実測された物理的状態量の応答データから、２つの前記物理的状態量からなる位相面データに変換することで、実測位相面データを取得するステップと、
前記実測位相面データを用いて物理パラメータを取得する物理パラメータ取得ステップと、を備え、
前記物理パラメータ取得ステップでは、
前記実測位相面データから抽出した３つ以上の特徴点を用いて前記物理パラメータを取得する、
ことを特徴とする状態検知方法。

【請求項9】

前記実測位相面データから、前記実測位相面データの形状の特徴に基づいて、前記油圧制御システムに想定される物理的状態量の変化のケースを特定するケース特定ステップを備える、
請求項８に記載の状態検知方法。

【請求項10】

前記油圧制御システムに発生しうる異常の予兆を与えた解析を経て前記ケース毎に解析位相面データを取得するステップを備え、
ケース特定ステップでは、
前記解析位相面データの形状の特徴と前記ケースとの対応関係と、前記実測位相面データの形状の特徴とに基づいて、前記ケースを特定する、
請求項９に記載の状態検知方法。

【請求項11】

前記ケースには、
前記油圧制御システムを構成するサーボ弁の不感帯の変化、
前記サーボ弁の基準位置に対するオフセットの発生、
前記サーボ弁の流量特性の変化、および、
前記油圧機構の摺動部の摩擦の変化のうちの少なくとも１つが該当する、
請求項１０に記載の状態検知方法。

【請求項12】

前記物理パラメータ取得ステップでは、
前記実測位相面データの形状の変化に基づいて、前記油圧制御システムにおける物理的状態量の変化の度合を算出する、
請求項８から１１のいずれか一項に記載の状態検知方法。

【請求項13】

前記油圧制御システムは、
位置および速度のうち少なくとも位置を制御する位置制御系を備え、
前記位相面データの位相面をなす２つの物理的状態量は、
前記油圧制御システムを構成するサーボ弁の弁開度または前記サーボ弁に与えられる弁開度指令、および、
前記油圧機構の速度応答である、
請求項８から１２のいずれか一項に記載の状態検知方法。

【請求項14】

前記油圧制御システムは、
荷重を制御する荷重制御系を備え、
前記位相面データの位相面をなす２つの物理的状態量は、
前記油圧機構の速度、および、
前記油圧機構による荷重応答である、
請求項８に記載の状態検知方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、油圧制御システムを構成するサーボ弁やアクチュエータ等の要素の動作不具合や経時変化等に関する物理的状態を検知する状態検知装置、状態検知装置を備えた油圧制御システム、および状態検知方法に関する。

【背景技術】

【0002】

油圧アクチュエータ等を備えた油圧機構が、油圧機構の位置、速度、あるいは荷重を制御する制御装置と共に、種々の対象物に荷重を印加する用途等に利用されている。制御装置は、位置や速度等の目標値に対する偏差に応じてサーボ弁に開度指令を与える。
こうした油圧機構および制御装置を含む油圧制御システムは、例えば建造物等に荷重を加えた際の位置や速度等の応答に基づいて建造物等の健全性を評価する用途にも利用されている。

【0003】

特許文献１では、作業機を制御する位置フィードバック制御系における偏差と偏差の微分値とから、作業機の動作中に亘り位相面軌道を求め、予め設定した位相面上の禁止領域に軌道が入ったことを確認することによって異常の検出を行っている。特許文献１によれば、フィードバックループの断線等によって生じる制御系の異常を適確に検出することができるとされている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【文献】特開昭５８－５２７０６号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

油圧制御システムのサーボ弁やピストン・シリンダ等には、異物の混入等に起因する動作不良や、摩耗等による経時的な特性変化等を想定することができる。そういった異常を検知するため、例えば、シリンダ速度応答等の物理量の時間的変化に対して閾値を適用したとすれば、正常な状態を逸脱してはいても時間軸上の物理量変化が僅かであるうちは、異常として把握できないため、異常の予兆を検知して異常の発生を未然に防ぐことが難しい。特許文献１に記載された異常検出の方法も、位相面軌道に閾値としての禁止領域を適用しており、閾値を用いる考え方に属する。

【0006】

以上より、本発明は、油圧制御システムにおける異常の予兆を容易に検知可能な装置や方法を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0007】

本発明は、油圧機構を制御する油圧制御システムにおける状態を検知する装置であって、油圧制御システムの実測された物理的状態量の応答データが、２つの物理的状態量からなる位相面データに変換されることで、実測位相面データを取得する実測位相面データ取得部と、実測位相面データを用いて物理パラメータを取得する物理パラメータ取得部と、を備えることを特徴とする。

【0008】

本発明の状態検知装置は、実測位相面データから、実測位相面データの形状の特徴に基づいて、油圧制御システムに想定される物理的状態量の変化のケースを特定するケース特定部を備えることが好ましい。

【0009】

本発明の状態検知装置において、ケース特定部は、油圧制御システムに発生しうる異常の予兆を与えた解析を経てケース毎に得られた解析位相面データの形状の特徴とケースとの対応関係と、実測位相面データの形状の特徴とに基づいて、ケースを特定することが好ましい。

【0010】

本発明の状態検知装置において、物理パラメータ取得部は、実測位相面データの形状の変化に基づいて、油圧制御システムにおける物理的状態量の変化の度合を算出することが好ましい。

【0011】

本発明の状態検知装置において、物理パラメータ取得部は、実測位相面データにおける特徴点から物理パラメータを取得することが好ましい。

【0012】

本発明の状態検知装置において、位相面データに係る２つの物理的状態量は、油圧制御システムを構成するサーボ弁の弁開度またはサーボ弁に与えられる弁開度指令、および、油圧機構の速度応答であることが好ましい。

【0013】

本発明の状態検知装置において、位相面データに係る２つの物理的状態量は、油圧機構の速度、および、油圧機構による荷重応答であることが好ましい。

【0014】

本発明の油圧制御システムは、上述の状態検知装置と、油圧機構と、を含むことを特徴とする。

【0015】

また、本発明は、油圧機構を制御する油圧制御システムにおける状態を検知する方法であって、油圧制御システムの実測された物理的状態量の応答データから、２つの物理的状態量からなる位相面データに変換することで、実測位相面データを取得するステップと、実測位相面データを用いて物理パラメータを取得する物理パラメータ取得ステップと、を備えることを特徴とする。

【0016】

本発明の状態検知方法は、実測位相面データから、実測位相面データの形状の特徴に基づいて、油圧制御システムに想定される物理的状態量の変化のケースを特定するケース特定ステップを備えることが好ましい。

【0017】

本発明の状態検知方法は、油圧制御システムに発生しうる異常の予兆を与えた解析を経てケース毎に解析位相面データを取得するステップを備え、ケース特定ステップでは、解析位相面データの形状の特徴とケースとの対応関係と、実測位相面データの形状の特徴とに基づいて、ケースを特定することが好ましい。

【0018】

本発明の状態検知方法において、ケースには、油圧制御システムを構成するサーボ弁の不感帯の変化、サーボ弁の基準位置に対するオフセットの発生、サーボ弁の流量特性の変化、および、油圧機構の摺動部の摩擦の変化のうちの少なくとも１つが該当することが好ましい。

【0019】

本発明の状態検知方法において、物理パラメータ取得ステップでは、実測位相面データの形状の変化に基づいて、油圧制御システムにおける物理的状態量の変化の度合を算出することが好ましい。

【0020】

本発明の状態検知方法において、物理パラメータ取得ステップでは、実測位相面データにおける特徴点から物理パラメータを取得することが好ましい。

【0021】

本発明の状態検知方法において、油圧制御システムは、位置および速度のうち少なくとも位置を制御する位置制御系を備え、位相面データの位相面をなす２つの物理的状態量は、油圧制御システムを構成するサーボ弁の弁開度またはサーボ弁に与えられる弁開度指令、および、油圧機構の速度応答であることが好ましい。

【0022】

本発明の状態検知方法において、油圧制御システムは、荷重を制御する荷重制御系を備え、位相面データの位相面をなす２つの物理的状態量は、油圧機構の速度、および、油圧機構による荷重応答であることが好ましい。

【発明の効果】

【0023】

本発明によれば、具体的には後述するように、実測位相面データの形状の特徴に基づいて、物理的な状態変化のケースの特定および状態変化の度合を含め、異常の予兆を検知することができる。

【図面の簡単な説明】

【0024】

【図1】第１実施形態に係る位置制御系の油圧制御システムの概略構成を示すブロック図である。

【図2】図１に示す状態検知装置の構成要素に係るブロック図である。

【図3】図２の状態検知装置により油圧制御システムの状態変化を検知するための手順を示す図である。

【図4】図１の油圧制御システムに対応する数式モデル（非線形制御モデル）を示す図である。

【図5】ケース毎の解析位相面データを示す図である。

【図6】図５のVI部拡大図である。

【図7】（ａ）～（ｃ）は、異なる組み合わせの２ケースの状態変化が同時に発生した場合の位相面データの一例を示す図である。

【図8】（ａ）～（ｃ）は、異なる組み合わせの２ケースの状態変化が同時に発生した場合の位相面データの一例を示す図である。（ｄ）は、４ケースの状態変化が同時に発生した場合の位相面データの一例を示す図である。

【図9】４ケースの状態変化が同時に発生した場合の位相面データと、位相面データから抽出された特徴点とを示す図である。

【図10】第２実施形態に係る荷重制御系の油圧制御システムの概略構成を示すブロック図である。

【図11】図１０の油圧制御システムに対応する数式モデル（非線形制御モデル）を示す図である。

【図12】（ａ）～（ｃ）は、位相面データの一例を示す図である。

【図13】図１２（ａ）～（ｃ）に示す位相面データが合成された合成位相面データの一例を示す図である。

【図14】（ａ）および（ｂ）は、解析結果に基づく時間軸上の状態変化の一例を示す図である。線種の意味は図５および図６と同様である。

【発明を実施するための形態】

【0025】

以下、添付図面を参照しながら、本発明の実施形態について説明する。
〔第１実施形態〕
（油圧制御システムの構成）
図１に示す油圧制御システム１は、油圧機構４を含み、油圧機構４を制御するフィードバック位置制御系をなしている。この油圧制御システム１は、例えば、油圧機構４により荷重が印加される図示しない建造物等の健全性の測定、評価が可能である。
油圧制御システム１は、制御部２と、サーボ弁３と、油圧機構４と、位置センサ５とを備えている。
なお、油圧制御システム１は、位置および速度のフィードバック制御系であってもよい。

【0026】

油圧機構４は、ピストンおよびシリンダ等を含む油圧アクチュエータ４１と、油圧アクチュエータ４１に結合した制御対象４２とを含んでいる。
制御部２は、位置センサ５により検出された制御対象４２の位置と、目標値との偏差に応じた弁開度指令をサーボ弁３に与える。弁開度指令に応じて動作するサーボ弁３の開度に応じて作動油の流量や流れの向き等が調整されることで油圧機構４が動作する。

【0027】

（状態検知装置の構成）
状態検知装置２０は、油圧制御システム１を構成する要素の物理的状態を検知する。状態検知装置２０は、後述するように、位相面の軌道の形状から、油圧制御システム１に発生した状態変化のケースを特定するとともに状態変化の度合を直接的に検知することを実現する。
状態検知装置２０は、演算部および記憶部を備えて情報処理が可能なコンピュータ装置から構成することができる。状態検知装置２０が、制御部２の一部に組み込まれていてもよい。

【0028】

状態検知装置２０は、図２に示すように、解析位相面データ取得部２１と、実測位相面データ取得部２２と、ケース特定部２３と、特徴点抽出部２４と、物理パラメータ取得部２５とを備えている。
解析位相面データ取得部２１、実測位相面データ取得部２２、ケース特定部２３、特徴点抽出部２４、および物理パラメータ取得部２５は、コンピュータ装置により実行可能なプログラムのモジュールとして構成することができる。

【0029】

解析位相面データ取得部２１は、油圧制御システム１に対応する数式モデルＭ１（図４）の解析を経て、油圧制御システム１の解析位相面データＤａを取得する。
実測位相面データ取得部２２は、油圧制御システム１を実際に動作させた際の応答データから実測位相面データＤｂを取得する。

【0030】

ケース特定部２３は、実測位相面データＤｂの形状の特徴に基づいて、油圧制御システム１に想定される物理的状態量の変化のケースを特定する。
特徴点抽出部２４は、演算により実測位相面データＤｂから特徴点を抽出する。
物理パラメータ取得部２５は、実測位相面データＤｂの特徴点から物理パラメータＰｐを取得する。

【0031】

本実施形態に限らず、状態検知装置２０が、油圧制御システム１とは別の装置として構成されていてもよい。その場合は、既存の油圧制御システムに、状態検知装置２０を容易に導入することができる。

【0032】

（油圧制御システムの異常）
油圧制御システム１において、経年変化や異物の混入等により、油圧制御システム１を構成する要素であるサーボ弁３や油圧アクチュエータ４１等に異常が発生しうる。
例えば、サーボ弁３では、異物の噛み込み等に起因するスプール弁の動作阻害、経年変化による摩耗や正負の方向における偏り等が発生しうる。
また、油圧アクチュエータ４１のピストンおよびシリンダでは、摺動部の摩擦の増加や減少、摺動部の摩耗による２室間の油漏れ等が発生しうる。

【0033】

油圧制御システム１に発生しうる異常に関しては、例えば、下記の４種類（４ケース）の物理的な状態変化（特性変化）を想定することができる。
ケース１：サーボ弁３の不感帯の変化
ケース２：サーボ弁３の基準位置に対するオフセットの発生
ケース３：油圧機構４の摺動部のクーロン摩擦の増加または減少
ケース４：サーボ弁３の流量特性の変化
なお、ケース４は、サーボ弁３を構成するスプール弁への異物の噛み込み等により発生しうる。

【0034】

油圧制御システム１における異常の発生により、構造物の健全性測定、あるいは製造物の出荷前検査、機械の調整等に油圧制御システム１を使用できなくなることは避けたい。
そこで、状態検知装置２０は、油圧制御システム１の要素の物理的な状態が正常な状態を逸脱したとしても、状態の変化が僅かであるため使用上は許容される間に、将来異常を発生させる兆候、つまり、異常の予兆を検知する。そのために、状態検知装置２０は、異常の予兆としての僅かな状態変化を与えた油圧制御システム１の解析（シミュレーション）を実施し、かつ、位相面表現により僅かな状態変化を位相面データの形状の相違として顕在化させる。

【0035】

（解析の実施）
図３および図４を参照し、異常の予兆の検知に用いる位相面データを取得するための解析について説明する。
解析の事前準備として、油圧制御システム１について、例えば図４に示すような数式モデルＭ１を設定する（図３のステップＳ１１）。
次いで、数式モデルＭ１を使用して解析を実施することにより、状態変化のケース毎に解析位相面データＤａを取得する（解析位相面データ取得ステップＳ１２）。

【0036】

解析の条件としては、例えば正弦波の波形をなす可変の位置指令を目標値として制御部２に与え、かつ、上述したケース１～４の状態変化を油圧制御システム１に与えるものとする。位置指令の周波数としては、制御系に慣性力が殆ど作用しない低い周波数を選定するものとする。
図４には、サーボ弁３の不感帯変化（ケース１（Ｃ１））、オフセット（ケース２（Ｃ２））、および流量特性変化（ケース４（Ｃ４））と、油圧機構４における非線形摩擦（ケース３（Ｃ３））とを想定して、解析に含める物理量を模式的に示している。

【0037】

解析の実施により、ケース毎の解析位相面データＤａに加えて、油圧制御システム１に予兆を含めて異常が発生していない正常な状態に対応する位相面データＤａ０も取得することが好ましい。該当のケースによっては、ケース毎の位相面データの形状の相違を判断するために正常状態の位相面データＤａ０との比較が必要になる場合がある。また、後述するように、正常な状態の位相面データＤａ０と実測位相面データＤｂとを比較することで、正常な状態からの状態変化の度合を検知することができる。

【0038】

そのため、本実施形態の解析位相面データ取得ステップＳ１２では、解析位相面データ取得部２１により、正常な状態（ケース０）と上記のケース１～４とを含めたケース毎に解析を実施して、解析に基づく物理的状態量の応答データを位相面データに変換することで、解析位相面データＤａ，Ｄａ０を取得する。
このとき、解析位相面データ取得部２１は、解析の実施により得られた時系列の位置や速度等の応答データから２つの変数を選んで位相面データに変換する。これをケース毎に繰り返すことで、ケース毎の解析位相面データＤａ，Ｄａ０を取得する。

【0039】

（位相面データの形状の特徴）
以下、図５～図９を参照し、解析の実施により取得される位相面データの形状の特徴について説明する。
図５および図６に、解析位相面データＤａ（Ｄａ１～Ｄａ４），Ｄａ０の一例を示す。ここでは、位相面をなす２つの変数は、サーボ弁３に与えられる弁開度指令と、油圧機構４の速度応答であるものとする。なお、弁開度指令の代わりに、サーボ弁３から検知される弁開度であってもよい。速度応答は、制御対象４２から制御部２にフィードバックされる位置の微分値である。状態検知装置２０には、制御部２から、少なくとも弁開度指令および速度が入力される。

【0040】

図５および図６には、解析位相面データ取得ステップＳ１２により取得されたケース毎の解析位相面データＤａ（Ｄａ１～Ｄａ４），Ｄａ０を重畳して示している。
正常な状態（ケース０）に対応する位相面データＤａ０は、弁開度指令が０Ｖのとき速度応答も０ｍｍ／ｓであり、位相面上に線形の軌道を描く。位相面データＤａ０は、弁開度指令および速度応答のそれぞれの正負両側に亘り対称である。なお、厳密には、正常な状態であっても、弁開度指令「０」の近傍に速度応答が０であるサーボ弁３の不感帯が存在する。
各ケース１～４の位相面データＤａ１～Ｄａ４の軌道は、Ｄａ０の軌道とは異なり、かつ互いに相違している。これらの位相面データＤａ１～Ｄａ４は、軌道が互いに相違するだけでなく、軌道のそれぞれの形状に、解析の誤差やノイズに埋没しない明らかな特徴がある。このため、機械特性の変化を形状の変化として把握することができる。

【0041】

異常の予兆に相当する僅かな状態変化を与えた油圧制御システム１の解析の結果を、仮に、時間軸上の変化により表すとする。その場合は、例えば図１４（ａ）および（ｂ）に、正常状態のデータと、状態変化のケース毎のデータとを重畳して示すように、各データの波形の形状がいずれも正弦波状であって、値の差も僅かであるため、時間軸上に表された各データの形状に特徴を見出せない。そのため、図１４（ａ）または（ｂ）に示す応答データから、何らかの異常が存在することは仮に検知できたとしても、状態変化のケースを特定することは困難であり、ケース毎に状態変化の度合を把握することも困難である。

【0042】

本実施形態における位相面データＤａ１～Ｄａ４のそれぞれの形状の特徴によれば、状態変化のケースを容易に特定でき、ケース毎の状態変化の度合も容易に把握することができる。

【0043】

図５および図６を参照し、位相面データＤａ１～Ｄａ４のそれぞれの形状の特徴を説明する。例えば、ケース１の異常の予兆（サーボ弁３の不感帯の変化）を与えた解析に基づく位相面データＤａ１は、図６に示すように、弁開度指令「０」の正負両側の所定範囲Ｒ１に亘り速度応答がほぼ「０」で一定であるため、範囲Ｒ１に亘り平坦な形状を位相面に描く。この位相面データＤａ１は、範囲Ｒ１の両端で傾きが変化している。

【0044】

また、ケース２の異常の予兆（サーボ弁３のオフセットの発生）を与えた解析に基づく位相面データＤａ２は、正常な状態の位相面データＤａ０に対して弁開度指令の－側でかつ速度応答の＋側に、軌道の全体としてシフトしており、線形の軌道を位相面に描く。この位相面データＤａ２は、正常状態の位相面データＤａ０とは交差しない。

【0045】

ケース３の異常の予兆（油圧機構４の摺動部の摩擦の変化）を与えた解析に基づく位相面データＤａ３は、弁開度指令「０」の正負両側の所定範囲Ｒ３に亘り、正常状態の位相面データＤａ０に対して傾きが小さい。範囲Ｒ３は、上述した位相面データＤａ１の範囲Ｒ１よりも広く、範囲Ｒ３の両端で傾きが変化している。図５および図６に示す例では、範囲Ｒ３の両側における傾きが、正常状態の位相面データＤａ０と同等であるが、これに限らず、油圧機構４における摩耗の状態によっては、範囲Ｒ３の両側における傾きが互いに相違する場合もある。

【0046】

そして、ケース４の異常の予兆（サーボ弁３の流量特性の変化）を与えた解析に基づく位相面データＤａ４は、弁開度指令の「０」近傍を境界に、傾きが変化しており、正負の方向に非対称である。位相面データＤａ４の傾きは、弁開度指令の－側では、正常状態の位相面データＤａ０の傾きよりも小さいが、弁開度指令の＋側では、正常状態の位相面データＤａ０の傾きよりも大きい。

【0047】

ケース１～４の位相面データＤａ１～Ｄａ４のそれぞれの軌道は、所定の傾きが与えられた範囲の幅や傾きの変化に対応した形状、あるいは、正常状態の位相面データＤａ０に対してシフトした形状に、固有の特徴を有している。そのため、形状の特徴に基づいて容易に、位相面データＤａ１～Ｄａ４を区別してケースを特定することができる。

【0048】

ケース１～４のうち２以上が複合的に生じたとしても、解析位相面データの軌道の形状には、各ケース１～４に固有の特徴が維持される。
図７（ａ）～（ｃ）および図８（ａ）～（ｄ）は、ケース１～４のうち２以上が、下記の表１に記載されているように複合的に生じた場合の解析位相面データの一例を示している。

【0049】

【表1】

【0050】

例えば、図７（ａ）は、複合ケース５として、サーボ弁３の不感帯の変化（ケース１）と、サーボ弁３のオフセットの発生（ケース２）とを同時に与えた油圧制御システム１の解析の実施を経て得られた位相面データＤａ５に相当する。正常な状態（ケース０）の位相面データＤａ０（点線）も併せて示している。
図７（ａ）に示す位相面データＤａ５には、ケース１に対応する上述した形状の特徴と、ケース２に対応する上述した形状の特徴とが表れている。つまり、位相面データＤａ５は、図６に示す解析位相面データＤａ１と同様に、弁開度指令「０」の正負両側の所定範囲に亘り速度応答がほぼ「０」で一定であり、かつ、位相面データＤａ２と同様に、軌道の全体が、位相面データＤａ０に対して弁開度指令の－側および速度応答の＋側にシフトしている。

【0051】

また、図７（ｂ）に示す複合ケース６としての位相面データＤａ６も、ケース１およびケース３に対応して、弁開度指令「０」の正負両側の所定範囲に亘り速度応答がほぼ「０」で一定であり、かつ、一定である範囲よりも広い範囲に亘り、その範囲の両側の傾きと比べて傾きが小さい。

【0052】

さらに、図７（ｃ）に示す複合ケース７としての位相面データＤａ７も、ケース１およびケース４に対応して、弁開度指令「０」の正負両側の所定範囲に亘り速度応答がほぼ「０」で一定であり、かつ、当該範囲の両側における傾きが相違している。

【0053】

その他の複合ケース８～１０（図８（ａ）～（ｃ））も同様である。また、上記表１への記載および位相面データの図示を省略するが、ケース１～４の３つが複合的に生じたとしても、同様である。

【0054】

複合ケース１１として図８（ｄ）に示すように、全ケース１～４が複合的に生じた場合も同様である。
つまり、図８（ｄ）に示す位相面データＤａ１１は、弁開度指令「０」の正負両側の所定範囲に亘り速度応答がほぼ「０」で一定であり、かつ、一定である範囲よりも広い範囲に亘り、当該範囲の両側の傾きと比べて傾きが小さく、かつ、その広い範囲の両側における傾きが相違しており、かつ、軌道の全体が、位相面データＤａ０に対して弁開度指令の－側でかつ速度応答の＋側にシフトしている。

【0055】

以上より、油圧制御システム１に、ケース１～４のいずれか単一のケースが生じた場合のみならず、ケース１～４の２以上が同時に生じたとしても、解析の実施を経て得られた位相面データにおいて、各ケースに固有の形状の特徴が表れる。

【0056】

図９に一例を示すように、位相面において各ケースの形状の相違が表れた範囲の値の演算処理等により、位相面データの軌道上の特徴点（ｐＡ，ｐＢ等）を抽出することができる。これらの特徴点は、位相面データの形状の特徴を示している。これらの特徴点を上述したケース毎の形状の特徴にあてはめたり、特徴点の差分を用いたりすることで、位相面データに該当するケースを特定することができ、かつ、状態変化の度合を求めることもできる。

【0057】

図９を参照し、全ケース１～４の状態変化が同時に生じた際の実測位相面データＤｂにおける特徴点から、ケース１～４毎に、状態変化量を算出可能であることを説明する。
ここで、Ｘ軸が弁開度指令であり、Ｙ軸が速度応答であり、実測位相面データＤｂをｙ＝Ｔ（ｘ）と表す。
位相面データＤｂの正負に亘る所定区間において、弁開度指令の両端の値（最大値および最小値）をそれぞれＡｘ，Ｆｘとする。Ａｘと、Ａｘに対応する速度応答Ａｙとから、特徴点ｐＡが定まる。また、Ａｙと、Ａｙに対応する速度応答Ｆｙとから、特徴点ｐＦが定まる。

【0058】

ｙ＝Ｔ（ｘ）を微分し、階段状に、急峻に値が変化するＸ座標をＢｘ～Ｅｘとする。Ｂｘ～Ｅｘにそれぞれ対応するＹ座標であるＢｙ～ＥｙをＴ（ｘ）より求めると、特徴点ｐＢ～ｐＥが定まる。
以上により特徴点ｐＡ～ｐＦが抽出される。これらの特徴点ｐＡ～ｐＦを用いて、演算処理により、例えば、位相面軌道の全体が正常状態に対してシフトしている場合にはサーボ弁３のオフセットが発生しているとか、ｐＡにおける傾きとｐＦにおける傾きとが異なる場合にはサーボ弁３の流量特性が変化しているとか、範囲Ｒ３の内側と外側との傾きが異なる場合には油圧機構４における摩擦特性が変化しているとか、正常状態の不感帯を超える幅の所定範囲Ｒ１に亘り速度応答が一定である場合には、不感帯が変化しているといったように、位相面データの形状の変化と物理的状態の変化とを関連付けることができる。

【0059】

抽出された特徴点ｐＡ～ｐＦから、下記の表２に示すように、特徴点ｐＡ～ｐＦのうちの隣り合う２点間の区間について、状態変化量に相当する物理パラメータＰｐを算出することができる。なお、表２のNo.3の直線ｐＢ－ｐＣの傾きおよびNo.4の直線ｐＤ－ｐＥの傾きは、位相面データＤｂにおける範囲Ｒ３の外側に関する。また、No.5の直線ｐＢ－ｐＣのＸ成分およびNo.6の直線ｐＤ－ｐＥのＸ成分は、位相面データＤｂにおける範囲Ｒ３の内側に関する。

【0060】

【表2】

【0061】

上記の表２に示すように、位相面データの軌道上の各区間の傾きや距離である物理パラメータＰｐはそれぞれ、例えば、ケース１にあたる不感帯の変化であったり（No.7）、ケース３にあたる摩擦特性の変化であったり（No.3～6）、ケース４にあたる流量特性の変化であったり（No.1,2）というように、状態変化量を表している。こうした物理パラメータＰｐと、正常状態の位相面データＤａ０とから、正常状態からの各ケースの状態変化の度合を算出することができる。表２より、サーボ弁３の流量特性や油圧機構４の摩擦特性については、正負両方の変化を算出することができる。
なお、ケース２にあたるサーボ弁３のオフセットについても、正常状態の位相面データＤａ０に対する位相面データＤｂの軌道全体のＸ成分シフト量を求めることで、状態変化の度合を算出することができる。

【0062】

位相面データＤｂから抽出される特徴点の数は、発生したケース１～４に応じて、また、複合したケース数に応じて異なる。ケース２が単独で生じている場合は、特徴点ｐＡおよびｐＦのみが抽出される。
ケース１～４の任意の２以上が複合的に生じたとしても、特徴点により位相面データＤｂから各ケースの状態変化に対応する区間を設定し、各区間の傾きや距離である物理パラメータＰｐと、正常状態の位相面データＤａ０とを用いて、正常状態からの状態変化の度合を算出することができる。

【0063】

以上によれば、正常状態と異常状態の位相面データを解析により予め解いて、位相面データの形状の特徴と状態変化のケースとが関連付けられるとともに、位相面データの形状の変化と状態変化とが関連付けられることにより、油圧制御システム１に発生した状態変化のケースとその状態変化量とを求めることができる。

【0064】

（異常の予兆検知）
油圧制御システム１の異常の予兆を検知する際には、解析時と同様の例えば正弦波の位置指令を与えて実際に油圧制御システム１を動作させ、弁開度指令および速度応答からなる実測位相面データＤｂを取得する（図３の実測位相面データ取得ステップＳ２１）。速度応答および弁開度指令は、油圧制御システム１を動作させて実測された物理的状態量に相当する。これらの時系列のデータを位相面に変換する。

【0065】

異常の予兆を含め、油圧制御システム１に異常が発生していない初期状態において、正常な状態の位相面データＤｂ０を取得しておくことにより、実機の正常状態の位相面データＤｂ０を状態検知に用いることができる。

【0066】

実測位相面データＤｂが得られたならば、ケース特定部２３により状態変化のケースを特定することができる（ケース特定ステップＳ２２）。このとき、ケース特定部２３は、解析を経てケース毎に得られた解析位相面データの形状の特徴と各ケースとの対応関係と、実測位相面データＤｂの形状の特徴とに基づいて、ケース１～４のうち、発生している１以上のケースを特定することができる。

【0067】

さらに、特徴点抽出部２４により実測位相面データＤｂにおける特徴点を抽出し（特徴点抽出ステップＳ２３）、例えば上述した手法により特徴点を用いて物理パラメータＰｐ（表２）を取得する（物理パラメータ取得ステップＳ２４）。

【0068】

上述したように、状態検知装置２０は、特徴点抽出部２４により抽出された特徴点を用いて、弁開度指令「０」を含む所定範囲Ｒ１内で速度応答が一定であるとか、位相面軌道の全体が正常状態に対してシフトしているとか、範囲Ｒ３の内側と外側との傾きが異なるといった、ケース毎の形状の特徴を見出し、油圧制御システム１に発生した状態変化の１以上のケースを特定することができる。
状態検知装置２０は、特定したケースに対応する要素の交換を促す警告を表示するように構成されていてもよい。その際に、物理パラメータＰｐに閾値を適用し、物理パラメータＰｐが閾値を超えた場合にのみ、対応する要素の交換を促す警告を表示することもできる。

【0069】

以上で説明したように、本実施形態の油圧制御システム１の状態検知装置２０によれば、位相面データの形状の特徴に基づいて、状態変化のケースの特定および状態変化の度合を含め、異常の予兆を検知することができる。
異常に至る前の予兆段階で状態変化を検知することができ、しかも、状態変化のケースが特定されることで、状態変化の原因となっている要素が把握できるため、油圧制御システム１の使用を継続しながら、当該要素（サーボ弁３や油圧アクチュエータ４１等）の交換品の入手、修理作業の予定を組む等の対応を油圧制御システム１の使用が継続可能な間に取ることができる。油圧制御システム１の使用を継続することができるため、構造物の健全性評価等のサービスも継続して行うことができる。

【0070】

本実施形態の状態検知装置２０は、数式モデルＭ１を使用して解析を実施し、解析位相面データＤａ１～Ｄａ４を取得する解析位相面データ取得部２１を備えているが、解析の実施および解析位相面データＤａ１～Ｄａ４の取得は、別の装置により行うこととしてもよい。その場合でも、別の装置により取得された位相面データＤａ０，Ｄａ１～Ｄａ４を用いて、位相面データの形状の変化と物理状態の変化とを関連付けるとよい。
形状の変化と物理状態の変化とを関連付けたならば、次の異常検知の実施時には解析および解析位相面データ取得の手順を省き、実測位相面データの取得（図３のステップＳ２１）から、異常検知の手順を開始することができる。

【0071】

また、本実施形態の状態検知装置２０および状態検知方法において、特徴点の抽出および物理パラメータＰｐの取得は必須ではない。例えば、公知の画像処理により、正常状態の位相面データＤａ０と、実測位相面データＤｂとの形状の差分処理等を行うことで得られた物理パラメータに基づいて、状態変化のケースおよび状態変化量を求めることもできる。

【0072】

〔第２実施形態〕
次に、図１０～図１３を参照し、本発明の第２実施形態について説明する。
以下、第１実施形態と相違する事項を中心に説明する。第１実施形態と同様の構成要素には同じ符合を付している。

【0073】

図１０および図１１に示す油圧制御システム６は、制御部２と、サーボ弁３と、油圧機構４と、荷重・位置センサ７とを備えており、油圧機構４により荷重が印加される構造物等（図示しない）と共に荷重制御系をなしている。

【0074】

第２実施形態の制御部２は、荷重・位置センサ７により検出された制御対象４２の荷重と、目標値との偏差に応じた弁開度指令をサーボ弁３に与える。
状態検知装置３０には、制御部２から、位置、位置の微分値である速度、速度の微分値である加速度、および反力が入力される。

【0075】

ここで、運動方程式を、

【数1】

とし、油圧制御システム６を荷重指令

【数2】

により動作させたとき、慣性力と速度との関係は、

【数3】

である。

【0076】

速度と荷重応答との位相面に示される軌道から、荷重応答の全体における各力の成分の寄与度を把握することについて説明する。
図１２（ａ）は、速度と慣性力Ｆｉとの位相面データを示している。図１２（ｂ）は、速度とクーロン摩擦力Ｆｃとの位相面データを示している。図１２（ｃ）は、速度と粘性力Ｆｖとの位相面データを示している。
図１３は、図１２（ａ）～（ｃ）の位相面データを合成した位相面データを示している。図１３に示す合成位相面データには、図１２（ａ）～（ｃ）に示す位相面データのそれぞれの形状の特徴が反映されている。図１３の縦軸は、荷重・位置センサ７により検出される荷重の検出値（荷重応答）に相当する。

【0077】

図１３に示す合成位相面データにおいて、速度および力の最小値に対応する点ｐＡと、速度および力の最大値に対応する点ｐＢとを結んだ直線の傾きが粘性係数Ｃに相当する。
また、合成位相面データにおいて、速度が「０」の時の力と、交点ｐＣにおける力との差が、クーロン摩擦力Ｆｃに相当する。交点ｐＣは、位相面軌道がＹ軸方向に立ち上がって一定の勾配に安定した時の図示しない接線と縦軸とが交わる点である。

【0078】

さらに、速度が「０」の時の力の変化が慣性力（Ｍａω^２）に相当するため、この値をＹａとおくと、質量Ｍは、Ｙａ／ａω^２となる。

【0079】

合成位相面データから、演算処理等により、例えばｐＡ，ｐＢ，ｐＣ，ｐＤ，ｐＥといった特徴点を抽出することができる。これらの特徴点を用いて、粘性係数Ｃ、質量Ｍ、およびクーロン摩擦力Ｆｃのそれぞれの変化を捉えることにより、異常の予兆を知ることができる。

【0080】

油圧制御システム６の異常の予兆を検知する際にも、例えば正弦波の荷重指令を与えて実際に油圧制御システム６を動作させ、状態検知装置３０に備わる図示しない実測位相面データ取得部により、速度および荷重応答からなる実測位相面データＤｂを取得する。図１３に示す合成位相面データは、この実測位相面データＤｂの一例に相当する。

【0081】

実測位相面データＤｂが得られたならば、特徴点を抽出し、上述の計算により、物理パラメータとして、質量Ｍ、粘性係数Ｃ、およびクーロン摩擦力Ｆｃを得ることができる。状態検知装置３０は、これらの物理パラメータと、過去に記録された実測位相面データＤｂによる物理パラメータとを比較して差分を得ることで、物理的状態の変化を容易に把握し、物理的状態の変化に基づいて異常の予兆を検知することができる。状態検知装置３０は、状態変化量が閾値を超えた場合に、警告の表示や警告音の発生により、異常の予兆を報知するように構成されていてもよい。

【0082】

油圧制御システム６は、荷重制御系の制御ループと、位置制御系の制御ループとを備えるものであってもよい。かかる油圧制御システムには、状態検知装置２０および状態検知装置３０の両方を採用することができる。

【0083】

上記以外にも、本発明の主旨を逸脱しない限り、上記実施形態で挙げた構成を取捨選択したり、他の構成に適宜変更したりすることが可能である。

【符号の説明】

【0084】

１，６ 油圧制御システム
２ 制御部
３ サーボ弁
４ 油圧機構
５ 位置センサ
７ 荷重・位置センサ
２０，３０ 状態検知装置
２１ 解析位相面データ取得部
２２ 実測位相面データ取得部
２３ ケース特定部
２４ 特徴点抽出部
２５ 物理パラメータ取得部
４１ 油圧アクチュエータ
４２ 制御対象
Ｄａ，Ｄａ０，Ｄａ１～Ｄａ４ 解析位相面データ
Ｄｂ 実測位相面データ
Ｍ１ 数式モデル
ｐＡ～ｐＦ 特徴点
Ｐｐ 物理パラメータ
Ｒ１，Ｒ３ 範囲
Ｓ１１ 数式モデル設定ステップ
Ｓ１２ 解析位相面データ取得ステップ
Ｓ２１ 実測位相面データ取得ステップ
Ｓ２２ ケース特定ステップ
Ｓ２３ 特徴点抽出ステップ
Ｓ２４ 物理パラメータ取得ステップ

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】