CN115151734A - 控制装置及具备该控制装置的液压系统 - Google Patents

Abstract

控制装置是对液压系统所具备的阀装置的阀体的移动进行控制的控制装置，具有：基于输入的开口指令，计算对阀体的行程指令的行程指令计算部；基于行程指令计算部计算的行程指令，推定阀体中的行程相对于该行程指令的动态偏差的观测器；和基于行程指令计算部计算的行程指令和观测器推定的动态偏差，推定作用于阀体的流体力的流体力推定部；行程指令计算部除输入的开口指令外还基于流体力推定部推定的流体力，计算行程指令。

Description

控制装置及具备该控制装置的液压系统

技术领域

本发明涉及对液压系统所具备的阀装置的阀体的移动进行控制的控制装置及具备该控制装置的液压系统。

背景技术

液压系统具备控制装置。控制装置控制液压系统中的阀装置的阀体、例如滑阀的阀芯的移动。作为这样的控制装置，已知有例如专利文献1这样的控制装置。专利文献1的控制装置中，基于由传感器电路检测出的阀芯位置对指令电流执行反馈控制。

现有技术文献：

专利文献：

专利文献1：日本特开2003－167604号公报。

发明内容

发明要解决的问题：

专利文献1的控制装置为执行反馈控制而具备传感器电路，但优选的是即使不检测出阀芯位置也能控制阀体的移动。例如有从操作指令等输入值推定阀体的行程量的方法。推定行程量的方法中，主要仅基于阀芯的静态平衡条件推定行程量。然而，仅基于阀芯的静态平衡条件推定行程量时，行程量的推定误差较大。因此，要求提高与阀体的动作相关的控制的精度。

因此本发明的目的在于提供一种能提高与阀体的移动相关的控制的精度的控制装置。

解决问题的手段：

本发明的控制装置，对液压系统所具备的阀装置的阀体的移动进行控制，具有：基于输入的开口指令，计算对所述阀体的行程指令的行程指令计算部；基于所述行程指令计算部中计算的行程指令，推定所述阀体中的行程相对于该行程指令的动态偏差的观测器；和基于所述行程指令计算部计算的行程指令和所述观测器推定的动态偏差，推定作用于所述阀体的流体力的流体力推定部；所述行程指令计算部除输入的开口指令外还基于所述流体力推定部推定的流体力，计算行程指令。

根据本发明，基于静态平衡条件中不参考的流体力计算行程指令，从而能计算出更高精度的行程指令。由此，能提高与阀体的移动相关的控制的精度。

本发明的液压系统具备：吐出向执行器供给的工作液的液压泵；调节向所述执行器供给的工作液的流量的阀装置；和前述的控制装置。

根据本发明，能实现与阀体的移动相关的控制的精度更高的液压系统。

发明效果：

根据本发明，能提高与阀体的移动相关的控制的精度。

本发明的上述目的、其他目的、特征及优点在参照所附说明书附图的基础上，通过以下优选实施方式的详细说明得以明确。

附图说明

图1是示出根据本发明的实施方式的液压系统的液压电路图；

图2是图1的液压系统所具备的控制装置的框图；

图3是示出图1的液压系统的阀装置内流动的流量随时间变化的图表。

具体实施方式

以下，参照前述说明书附图说明根据本发明的实施方式的液压系统1及控制装置17。另，以下的说明中所用方向的概念为便于说明而使用，并非将发明的结构朝向等限定于记载的方向。又，以下说明的液压系统1及控制装置17仅为本发明一实施方式。因此，本发明不限于以下的实施方式，可在不脱离发明宗旨的范围内追加、削除或变更。

工程机械具备液压执行器及液压系统1以使各结构动作。液压执行器例如为图1所示的液压缸2。液压缸2与工程机械的各结构对应地安装。液压缸2能通过伸缩使对应的结构工作。进一步详细说明，则液压缸2具有杆侧端口2a及头侧端口2b。液压缸2中，向各端口2a、2b供给工作液从而伸缩。

液压系统1能向液压缸2供给工作液。而且，液压系统1通过向液压缸2供给工作液而能使液压缸2伸缩。具有如此功能的液压系统1例如具备液压泵11、阀装置12、三个压力传感器13～15、操作装置16和控制装置17。

液压泵11能吐出工作液。进一步详细说明，则液压泵11与驱动源连接。驱动源为发动机E或电气马达。本实施方式中，驱动源为发动机E。液压泵11通过发动机E旋转驱动而吐出工作液。另，液压泵11在本实施方式中为斜板泵或斜轴泵。

阀装置12介设于液压泵11和液压缸2之间。而且，阀装置12能根据输入的动作指令，控制从液压泵11流向液压缸2的工作液的流动方向及工作液的流量。即，阀装置12将工作液的流动方向向液压缸2的两个端口2a、2b的任一方向切换，另外能切断向两个端口2a、2b的工作液的流动。进一步详细说明，则阀装置12为电子控制式的滑阀。即，阀装置12具有方向控制阀21和两个电磁比例控制阀22L、22R。

方向控制阀21与液压泵11、液压缸2的杆侧端口2a及头侧端口2b、以及罐3连接。而且，方向控制阀21能切换液压泵11、液压缸2的杆侧端口2a及头侧端口2b、以及罐3的连接状态（即，分别连通或切断）。由此，切换从液压泵11向液压缸2的流动。通过如此改变流动，从而方向控制阀21能使液压缸2伸缩。又，方向控制阀21能调节液压泵11与液压缸2连通时的开口的大小，即开度。由此，能调节液压缸2内流动的工作液的流量。即，能调节液压缸2的伸缩的速度。

进一步详细说明，则方向控制阀21具有阀芯21a。阀芯21a能改变位置（即、行程量）从而切换连接状态。即，阀芯21a能根据位置使液压泵11与杆侧端口2a及头侧端口2b分别连接。又，阀芯21a能根据阀芯21a的行程量（或位置）调节开度。由此，能调节液压缸2内流动的工作液的流量。具有如此功能的阀芯21a承受相互对抗的先导压P1、P2，移动至与两个先导压P1、P2的压力差相应的位置。

作为电磁比例阀的示例的第一及第二电磁比例控制阀22L、22R分别输出与输入的信号（本实施方式中为电流或电压）相应压力的第一先导压P1及第二先导压P2。输出的第一先导压P1及第二先导压P2导入阀芯21a。进一步详细说明，则第一及第二电磁比例控制阀22L、22R与未图示的先导泵连接。第一及第二电磁比例控制阀22L、22R将从先导泵吐出的工作液调节为与信号相应的压力后向阀芯21a输出。

三个压力传感器13～15检测方向控制阀21前后的液压。进一步详细说明，则第一压力传感器13与连接方向控制阀21和液压泵11的流路对应地设置。又，第二压力传感器14与连接方向控制阀21和液压缸2的杆侧端口2a的流路对应地设置。此外，第三压力传感器15与连接方向控制阀21和头侧端口2b的流路对应地设置。各压力传感器13～15检测对应的流路的液压。而且，各压力传感器13～15将检测出的液压向控制装置17输出。

操作装置16向控制装置17输出操作指令以使液压缸2工作。操作装置16例如为操作阀或电气操纵杆等。进一步详细说明，则操作装置16具有作为操作具的示例的操作杆16a。操作杆16a构成为操作者可操作。例如，操作杆16a构成为可揺动。操作装置16将与操作杆16a的操作量（本实施方式中为揺动量）相应的操作指令向控制装置17输出。

控制装置17与压力传感器13～15、两个电磁比例控制阀22L、22R及操作装置16连接。控制装置17根据来自操作装置16的操作指令控制阀装置12的阀芯21a的动作。进一步详细说明，则控制装置17基于压力传感器13～15的检测结果及来自操作装置16的操作指令计算动作指令。动作指令是用于控制阀装置12的阀芯21a的动作的压力指令（更详细而言是后述的实际指令）。控制装置17基于实际指令生成向电磁比例控制阀22L、22R输出的信号。生成的信号向电磁比例控制阀22L、22R输出，从而与实际指令相应的先导压P1、P2从电磁比例控制阀22L、22R输出。由此，根据操作指令而控制阀装置12的阀芯21a的动作。

以下进一步详细说明控制装置17。控制装置17取得流量目标值及阀装置12的前后压力差以计算动作指令。流量目标值是流向液压缸2的工作液的流量的目标值。本实施方式中，控制装置17基于来自操作装置16的操作指令设定流量目标值。另，本实施方式中，为计算动作指令而设定流量目标值，但也可以是压力目标值。另一方面，阀装置12的前后压力差（即，方向控制阀21的前后压力差）在经由阀装置12连接液压泵11和液压缸2的流路中，是阀装置12（更详细而言方向控制阀21）的上游侧及下游侧的压力的差。控制装置17基于来自三个压力传感器13～15的信号取得方向控制阀21的前后压力差。又，控制装置17为计算动作指令而具有开口指令计算部31、行程指令计算部32、观测器33、流体力推定部34、压力指令计算部35和状态反馈控制部36。

开口指令计算部31基于取得的流量目标值及方向控制阀21的前后压力差计算针对方向控制阀21的开口指令。开口指令是方向控制阀21应打开的开度。本实施方式中，开口指令计算部31计算能使流量目标值的流量的工作液从方向控制阀21流向液压缸2的开度。

行程指令计算部32基于开口指令计算部31计算的开口指令，计算针对阀芯21a的行程指令。行程指令是为了使方向控制阀21的开度变为与开口指令相应开度而应使阀芯21a移动的行程量。进一步详细说明，则行程指令计算部32考虑作为非线性要素的流体力而计算阀芯21a的应移动的行程量。

进一步详细说明，则行程指令计算部32取得后述的流体力推定部34推定的流体力（即，流体力推定值）。另，流体力是来自液压泵11的工作液经由方向控制阀21流入液压缸2时作用于阀芯21a上的负荷。本实施方式中，阀芯21a从方向控制阀21内流动的工作液承受关闭方向控制阀21开口的方向的流体力。行程指令计算部32基于流体力推定值和开口指令计算行程指令。由此，能从限定阀芯21a运动的数学模型中排除非线性要素。另，行程指令计算部32所基于的开口指令无需必须是开口指令计算部31计算的指令。例如，来自操作装置16的操作指令本身也可以是开口指令。

观测器33基于行程指令计算部32计算的行程指令推定阀芯21a的状态量。本实施方式中，观测器33推定的状态量是包含动态偏差及动态偏差的微分值的向量。动态偏差是根据行程指令使阀芯21a移动时，通过因阀芯21a的移动而产生的负荷（例如，惯性力、粘性摩擦及库伦摩擦）、即动态负荷而变动的阀芯21a的行程量。

进一步详细说明，则观测器33为推定阀芯21a的状态量而发挥如下功能。即，观测器33基于行程指令计算部32计算的行程指令而计算惯性力及粘性阻力。又，观测器33内设定规定的库伦摩擦。此外，观测器33具有规定的线形状态方程式。因此，观测器33基于作为推定的惯性力及粘性阻力以及库伦摩擦的动态负荷、和线形状态方程式，推定阀芯21a的状态量。

流体力推定部34基于观测器33推定的状态量中包含的动态偏差计算流体力。更详细说明，则流体力推定部34基于阀芯21a的推定行程量推定流体力。阀芯21a的推定行程量是阀芯21a的实际的行程量（即，实际行程量）的推定值。即，作为行程量的推定值的推定行程量是从行程指令位移动态偏差部分的值。因此，阀芯21a的推定行程量通过使行程加算部40取得的行程量与动态偏差相加而计算。流体力推定部34基于行程加算部40计算的推定行程量推定流体力。本实施方式中，流体力推定部34中，为推定流体力而设定推定公式。流体力推定部34基于前述的推定公式和推定行程量而计算流体力。

作为动作指令计算部的示例的压力指令计算部35基于行程指令计算部32计算的行程指令计算压力指令。压力指令是为了使阀芯21a根据行程指令移动而从电磁比例控制阀22L、22R应输出的先导压P1、P2的指令值。即，压力指令计算部35根据行程指令计算先导压P1、P2的指令值（即，压力指令）。

状态反馈控制部36基于观测器33推定的状态量，对压力指令计算部35计算的压力指令执行状态反馈。进一步详细说明，则状态反馈控制部36具有状态反馈量计算部分37、压力换算部分38和实际指令计算部分39。

状态反馈量计算部分37基于观测器33推定的状态量计算状态反馈量。状态反馈量是为了对压力指令实施状态反馈控制而计算的值。更详细说明，则状态反馈量是与阀芯21a的动态偏差部分相应的动态负荷。本实施方式中，状态反馈量计算部分37计算状态反馈量作为观测器33推定的状态量和增益向量的内积。

压力换算部分38对状态反馈量进行压力换算。本实施方式中，压力换算部分38基于状态反馈量计算部分37计算出的状态反馈量而计算。进一步详细说明，则压力换算部分38在状态反馈量计算部分37计算出的状态反馈量上乘以增益K。由此，状态反馈量换算为压力值。

实际指令计算部分39基于压力指令计算部35计算的压力指令和压力换算部分38压力换算后的压力值、即换算状态反馈量，计算实际应向电磁比例控制阀22L、22R输出的压力指令、即实际指令。实际指令是对压力指令实施状态反馈控制所得的指令。本实施方式中，实际指令计算部分39通过从压力指令减去换算状态反馈量而算出实际指令。这样，状态反馈控制部36对压力指令执行状态反馈控制。

又，观测器33还发挥如下作用：推定实施对压力指令的状态反馈控制时的方向控制阀21的状态量。因此，观测器33除行程指令之外还取得前述的状态反馈量。而且，观测器33将行程指令、状态反馈量及库伦摩擦等作为输入值，基于线形状态方程式推定包含动态偏差的状态量。由此，能通过具有相对于液压系统1误差更少的模型的观测器33来推定状态量。即，能由观测器33推定精度较高的动态偏差。由此，能提高与阀芯21a的移动有关的控制的精度。

具有如此功能的控制装置17在操作装置16的操作杆16a被操作时执行如下控制。另，本实施方式中，操作杆16a以图3的图表的两点划线A0所示的流量随时间变化，以从液压泵11向液压缸2供给工作液的形式操作。即，控制装置17基于来自操作装置16的操作指令设定如图3的两点划线A0所示的流量目标值。又，控制装置17基于三个压力传感器13～15检出的压力计算方向控制阀21的前后压力差。

接着，控制装置17中，开口指令计算部31基于目标流量值及方向控制阀21的前后压力差而算出开口指令。行程指令计算部32基于开口指令及流体力推定值而算出行程指令。流体力推定值基于观测器33推定的状态量中所包含的动态偏差而推定。即，观测器33基于事先计算出的行程指令及事先推定出的动态负荷（本实施方式中，稍前的行程指令及动态负荷）而计算状态量。流体力推定部34基于状态量中所包含的动态偏差而推定流体力。更详细说明，则流体力推定部34基于动态偏差与行程指令相加所得的推定行程量而推定流体力。这样推定的流体力用于其后计算的行程指令。

又，控制装置17中，压力指令计算部35基于行程指令而计算压力指令。根据压力指令，为了以所期望的开度打开，阀芯21a相对于所期望的行程量而行程动态偏差部分。因此，根据压力指令，液压缸2内实际流动的工作液的流量为如图3的一点划线A1所示的随时间变化。即，液压缸2内实际流动的工作液的流量相对于流量目标值在图3的时刻t1减少ΔQ1，另外在图3的时刻t2减少ΔQ2。所以，控制装置17中，状态反馈控制部36对压力指令执行状态反馈控制。

即，状态反馈量计算部分37基于动态偏差而计算状态反馈量。而且，压力换算部分38对状态反馈量进行压力换算。另，状态反馈量是与在图3的时刻t1使流量增加ΔQ1的部分相当的量，与在图3的时刻t2使流量增加ΔQ2的部分相当的量。而且，实际指令计算部分39基于压力指令和状态反馈量而计算实际指令，以从压力指令消除与动态偏差部分相应的压力。

控制装置17使与计算的实际指令相应的先导压P1、P2从电磁比例控制阀22L、22R输出。由此，能使方向控制阀21的阀芯21a向与操作杆16a的操作量相应的位置移动。即，通过控制装置17控制阀芯21a的移动。由此，能使液压缸2内实际流动的工作液的流量接近流量目标值（参见图3的图表的实线A2）。

如此构成的液压系统1的控制装置17中，行程指令计算部32基于开口指令和流体力推定值而计算行程指令。即，基于以静态平衡条件计算行程指令时不参照的流体力来计算行程指令。因此，能更高精度地计算行程指令，以与开口指令相应的开度打开方向控制阀21。由此，能提高与阀芯21a的移动有关的控制的精度。

又，液压系统1的控制装置17为了计算行程指令而考虑流体力推定值，从规定阀芯21a的运动的数学模型排除非线性要素。由此，控制装置17能基于从行程指令计算的动态偏差而对压力指令执行状态反馈。通过这样执行状态反馈，能抑制过度响应时的阀芯21a的行程的延迟。即，能抑制过度响应时的阀芯21a的动态偏差所引起的行程的延迟。由此，能进一步提高与阀芯21a的移动有关的控制的精度。

此外，液压系统1的控制装置17基于阀芯21a的动态偏差执行状态反馈控制，所以与执行基于行程量的状态反馈控制的情况相比，能提高无传感器的状态反馈控制的精度。即，通过使用绝对量比行程量小的动态偏差，能减小模型化误差对状态反馈施加的影响。因此，通过状态反馈控制，能实现更稳健的控制。

此外，控制装置17中，观测器33除行程指令之外还基于动态偏差（更详细而言，状态反馈量）的前次值而推定动态偏差。由此，观测器33中，能组装入状态反馈控制的控制系统的模型，能以更高精度使液压系统1模型化。由此，能以更高精度推定动态偏差。因此，能提高与阀芯21a的移动相关的控制的精度。又，液压系统1的控制装置17基于作用于阀芯21a的惯性力、粘性阻力及库伦摩擦力而推定动态偏差，所以能提高与阀芯21a的移动有关的控制的精度。

＜其他实施方式＞

本实施方式的液压系统1适用于工程机械，但也可适用于叉车等产业车辆或冲压机械等产业机械。又，本实施方式的液压系统1中，相对于液压泵11仅连接一个方向控制阀21，但也可并联或串联地连接多个方向控制阀21。又，与方向控制阀21连接的液压执行器也不限定于液压缸2，也可以是液压马达。

又，本实施方式的液压系统1中，液压执行器的示例为液压缸2，但液压执行器也可是液压马达。又，液压缸2的种类也不限定于单杆多动式的缸，双杆的缸及单动式的缸均可。又，阀装置12所包含的结构不限于方向控制阀21，只要能通过阀体调节开口的大小的结构即可。动作指令并不一定限定为压力指令，电流指令亦可。

此外，本实施方式的液压系统1中，方向控制阀21的阀芯21a根据来自电磁比例控制阀22L、22R的先导压移动。然而，方向控制阀21的阀芯21a的驱动方式并不一定限定于这样的方式。例如，方向控制阀21的阀芯21a也可经直动机构被电气马达驱动。此时，动作指令为驱动电气马达的驱动信号。

通过上述说明，于本领域技术人员而言，本发明的较多改良和其他实施方式显而易见。因此，上述说明仅应解释为示例，以向本领域技术人员教示实施本发明的最优形态为目的而提供。只要不脱离本发明的精神，可实质性变更其具体结构和/或功能。

符号说明：

1 液压系统；

11 液压泵；

12 阀装置；

17 控制装置；

21 方向控制阀（滑阀）；

21a 阀芯（阀体）；

22L 第一电磁比例控制阀；

22R 第二电磁比例控制阀；

31 开口指令计算部；

32 行程指令计算部；

33 观测器；

34 流体力推定部；

35 压力指令计算部（动作指令计算部）；

36 状态反馈控制部

Claims (6)

1.一种控制装置，是对液压系统所具备的阀装置的阀体的移动进行控制的控制装置，

具有：基于输入的开口指令，计算对所述阀体的行程指令的行程指令计算部；

基于所述行程指令计算部计算的行程指令，推定所述阀体中的行程相对于该行程指令的动态偏差的观测器；和

基于所述行程指令计算部计算的行程指令和所述观测器推定的动态偏差，推定作用于所述阀体的流体力的流体力推定部；

所述行程指令计算部除输入的开口指令外还基于所述流体力推定部推定的流体力，计算行程指令。

2.根据权利要求1所述的控制装置，其特征在于，

还具有基于所述行程指令计算部计算的行程指令，计算控制所述阀体的移动的动作指令的动作指令计算部；

具有基于所述观测器计算的动态偏差，对所述动作指令计算部计算的动作指令执行状态反馈的状态反馈控制部。

3.根据权利要求2所述的控制装置，其特征在于，

所述观测器除所述行程指令外还基于所述观测器推定的动态偏差的前次值而推定动态偏差。

4.根据权利要求1至3中任意一项所述的控制装置，其特征在于，

所述观测器基于所述行程指令计算作用于所述阀体的惯性力及粘性阻力，基于作用于所述阀体的惯性力、粘性阻力及预先确定的库伦摩擦力而推定所述行程的动态偏差。

5.一种液压系统，具备：

吐出向执行器供给的工作液的液压泵；

调节向所述执行器供给的工作液的流量的阀装置；和

权利要求1至4中任意一项所记载的控制装置。

6.根据权利要求5所述的控制装置，其特征在于，

所述阀装置具备至少一个电磁比例阀和滑阀；

所述滑阀具有作为所述阀体的阀芯；

所述阀芯根据作用于所述阀芯的先导压而行程；

所述电磁比例阀输出作用于所述阀芯的先导压；

所述控制装置计算作为动作指令的压力指令，使与计算的压力指令相应的先导压从所述电磁比例阀输出并控制所述阀芯的移动。

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