JP2018092279A - アクチュエータの制御装置及びクレーン - Google Patents

Abstract

【課題】アクチュエータの制御において想定していない偏差が発生した場合でもクレーン等の制御対象を安全に制御することができるアクチュエータの制御装置及びクレーンを提供する。【解決手段】制御対象であるアクチュエータと、アクチュエータを制御するためのフィードフォワード制御部であるフィードフォワード制御コントローラ５１とフィードバック制御部であるフィードバック制御コントローラ５２を有する２自由度制御系と、２自由度制御系の出力値に基づいてアクチュエータの制御を行う制御装置３９と、アクチュエータとフィードバック制御コントローラ５２との間に配置され、フィードバック制御コントローラ５２の偏差の大きさに応じてフィードバック制御コントローラ５２の出力値を変更して、フィードバック制御コントローラ５２による前記アクチュエータの制御を有効もしくは無効にする出力値制御部である出力値コントローラ５３と、を備える。【選択図】図６

Description

本発明は、アクチュエータの制御装置及びクレーンに関する。詳しくは、クレーン等を駆動するアクチュエータの動作をより安全に制御する技術に関する。

従来、制御技術として、特許文献１に示すように、ＦＦ（フィードフォワード）制御とＦＢ（フィードバック）制御を組み合わせた２自由度制御による制御を行うものが知られている。

例えば、作業機械等の制御対象の制御において、上記のような２自由度制御を用いることにより、制御対象の応答性を高め、かつ、制御精度（位置決め精度、速度制御）を高めることができる。

しかし、ＦＢ制御は制御パラメータの調整が不十分であった場合や、予期せぬ制御対象の状態変化によって大きな偏差（目標値と出力値との差）が発生する場合がある。ここで、制御対象の一例としてクレーンを考えた場合、クレーンは姿勢が大きく変化し、吊荷によって負荷も大きく変わり、風などの外乱も受け易い機械である。そのため、全ての状況に適応するための制御設計は困難であり、大きな偏差が発生することにより、クレーンのアクチュエータへの制御出力が過大なものとなり、急激な速度変化が発生し、予期せぬ動作状況が発生するおそれがある。具体的には、クレーンの破損や吊荷の荷振れによる周辺障害物への衝突等による破損が発生するおそれがある。従って、このようなアクチュエータの突発的な事象に対応して、より高い安全性を確保するために予期せぬアクチュエータの動作状況が発生した際に安全にクレーンを動作させるための技術が求められる。

特開２００３−２０８２０１号公報

本発明は、アクチュエータの制御において想定していない偏差が発生した場合でもクレーン等の制御対象を安全に制御することができるアクチュエータの制御装置及びそれを備えたクレーンの提供を目的とする。

本発明の解決しようとする課題は以上の如くであり、次にこの課題を解決するための手段を説明する。

即ち、本発明のアクチュエータの制御装置は、制御対象であるアクチュエータと、前記アクチュエータを制御するためのフィードフォワード制御部とフィードバック制御部を有する２自由度制御系と、前記２自由度制御系の出力値に基づいて前記アクチュエータの制御を行う制御手段と、前記アクチュエータと前記フィードバック制御部との間に配置され、前記フィードバック制御部の偏差の大きさに応じて前記フィードバック制御部の出力値を変更して、前記フィードバック制御部による前記アクチュエータの制御を有効もしくは無効にする出力値制御部と、を備えるものである。

本発明のクレーンは、アクチュエータによって起伏される伸縮ブームと、前記アクチュエータを制御するアクチュエータの制御装置と、を備えるものである。

本発明は、以下に示すような効果を奏する。

本発明のアクチュエータの制御装置おいては、フィードバック制御部の偏差の大きさに応じてフィードバック制御部の出力値を変更して、フィードバック制御部によるアクチュエータの制御を有効もしくは無効にする。これにより、アクチュエータの制御において想定していない偏差が発生した場合でもクレーン等の制御対象を安全に制御することができる。

本発明のクレーンにおいては、フィードバック制御部の偏差の大きさに応じてフィードバック制御部の出力値を変更して、フィードバック制御部によるクレーンのアクチュエータの制御を有効もしくは無効にする。これにより、アクチュエータの制御において想定していない偏差が発生した場合でもクレーンのアクチュエータを安全に制御することができる。

本発明の一実施形態に係るクレーンの全体構成を示す側面図。 本発明の一実施形態に係るクレーンの旋回用油圧回路を示す図。 本発明の一実施形態に係るクレーンの起伏用油圧回路を示す図。 本発明の一実施形態に係るクレーンのウインチ用油圧回路を示す図。 本発明の一実施形態に係るクレーンの制御装置の構成を示す図。 本発明の一実施形態に係る出力値コントローラを組み込んだ２自由度制御系の構成を示す図。 出力値コントローラを示す図。 本発明の一実施形態に係るアクチュエータの制御の制御態様を表すフローチャートを示す図。 アクチュエータの制御の制御態様の別実施形態を表すフローチャートを示す図。 従来の２自由度制御系の構成を示す図。

以下に、図１から図１０を用いて、本実施形態に係るアクチュエータの制御装置３９を備えるクレーン１について説明する。なお、本実施形態においては、クレーン１として移動式クレーンについて説明を行うが、これに限定されるものではなく、アクチュエータによって起伏される伸縮ブームと旋回台とウインチとを具備するクレーンであればどのようなクレーンにも本発明を適用することができる。

図１に示すように、クレーン１は、不特定の場所に移動可能な移動式クレーンである。クレーン１は、車両２、クレーン装置６を有する。

車両２は、クレーン装置６を搬送するものである。車両２は、複数の車輪３を有し、エンジン４（図２参照）を動力源として走行する。車両２には、アウトリガ５が設けられている。アウトリガ５は、車両２の幅方向両側に油圧によって延伸可能な張り出しビームと地面に垂直な方向に延伸可能な油圧式のジャッキシリンダとから構成されている。車両２は、アウトリガ５のビームを車両２の幅方向に延伸させるとともにジャッキシリンダを接地させることにより、クレーン１の作業可能範囲を広げることができる。

クレーン装置６は、搬送物Ｗをワイヤロープによって吊り上げるものである。クレーン装置６は、旋回台７、伸縮ブーム８、フックブロック１０、起伏シリンダ１２、ウインチ１３、ワイヤロープ１４、キャビン１９、制御装置３９（図５参照）等を具備する。

旋回台７は、クレーン装置６を旋回可能に構成するものである。旋回台７は、円環状の軸受を介して車両２のフレーム上に設けられる。円環状の軸受は、その回転中心が車両２の設置面に対して垂直になるように配置されている。旋回台７は、円環状の軸受の中心を回転中心として一方向と他方向とに回転自在に構成されている。また、旋回台７は、油圧式の旋回モータ７ａ（図２参照）によって回転されるように構成されている。旋回台７には、その旋回位置（旋回角度）を検出する旋回位置検出センサ４０（図２参照）が設けられている。

伸縮ブーム８は、搬送物Ｗを吊り上げ可能な状態にワイヤロープを支持するものである。伸縮ブーム８は、複数のブーム部材であるベースブーム部材８ａ、セカンドブーム部材８ｂ、サードブーム部材８ｃ、フォースブーム部材８ｄ、フィフスブーム部材８ｅ、トップブーム部材８ｆから構成されている。各ブーム部材は、断面積の大きさの順に入れ子式に挿入されている。伸縮ブーム８は、各ブーム部材を図示しない伸縮シリンダで移動させることで軸方向に伸縮自在に構成されている。伸縮ブーム８は、ベースブーム部材８ａの基端が旋回台７上に揺動可能に設けられている。これにより、伸縮ブーム８は、車両２のフレーム上で水平回転可能かつ揺動自在に構成されている。伸縮ブーム８には、その伸縮ブーム長さを検出する伸縮ブーム長さ検出センサ４１と起伏角度を検出する起伏角度検出センサ４２（図３参照）とが設けられている。

フックブロック１０は、搬送物Ｗを吊るものである。フックブロック１０には、ワイヤロープ１４が巻き掛けられる複数のフックシーブと、搬送物Ｗを吊るフックとが設けられている。

起伏シリンダ１２は、伸縮ブーム８を起立および倒伏させ、伸縮ブーム８の姿勢を保持するものである。起伏シリンダ１２はシリンダ部とロッド部とからなる油圧シリンダから構成されている。起伏シリンダ１２は、シリンダ部の端部が旋回台７に揺動自在に連結され、ロッド部の端部が伸縮ブーム８のベースブーム部材８ａに揺動自在に連結されている。起伏シリンダ１２は、ロッド部がシリンダ部から押し出されるように作動油が供給されることでベースブーム部材８ａを起立させ、ロッド部がシリンダ部に押し戻されるように作動油が供給されることでベースブーム部材８ａを倒伏させるように構成されている。起伏シリンダ１２には、圧力センサ（図示せず）が設けられている。吊荷の実荷重は、起伏シリンダ１２の圧力センサによって検出されるシリンダ圧力と伸縮ブーム８の起伏角度及び伸縮ブーム８の長さとに基づいて制御装置３９の図示しない実荷重演算部が演算して求める。また、吊荷を吊っていない場合、予め吊荷の荷重が分かっているときには、図示しない操作部のキー操作によって入力してもよく、仮想の荷重を入力してもよい。

油圧ウインチであるウインチ１３は、ワイヤロープ１４の繰り入れ（巻き上げ）および繰り出し（巻き下げ）を行うものである。ウインチ１３は、ワイヤロープ１４が巻きつけられるドラムがドラム用油圧モータによって回転されるように構成されている。ウインチ１３は、ドラム用油圧モータが一方向へ回転するように作動油が供給されることでドラムに巻きつけられているワイヤロープ１４を繰り出し、ドラム用油圧モータが他方向へ回転するように作動油が供給されることでワイヤロープ１４をドラムに巻きつけて繰り入れるように構成されている。

ワイヤロープ１４は、一端がフックブロック１０から延伸され、複数のガイドシーブに案内されて、他端が旋回台７に配置されたウインチ１３に巻回されている。

ドラム回転数検出器４４は、図４に示すようにウインチ１３の近傍に配置され、ウインチ１３の回転数を検出するものである。ドラム回転数検出器４４としては、例えば、ロータリエンコーダを用いることができる。ドラム回転数検出器４４は、制御装置３９に電気的に接続されている。

キャビン１９は、操縦席を覆うものである。キャビン１９は、旋回台７における伸縮ブーム８の側方に設けられている。キャビン１９の内部には、操縦席が設けられている。操縦席には、ウインチ１３を操作するためのウインチ用操作弁、伸縮ブーム８を操作するための起伏用操作具、クレーン１を移動させるためのハンドル等が設けられている。

このように構成されるクレーン１は、車両２を走行させることで任意の位置にクレーン装置６を移動させることができる。また、クレーン１は、起伏シリンダ１２で伸縮ブーム８を任意の起伏角度に起立させて、伸縮ブーム８を任意の伸縮ブーム長さに延伸させたりすることができる。

以下に、図２から図４を用いて、クレーン１が具備する旋回モータ７ａ、起伏シリンダ１２、ウインチ用油圧モータ１３ａに関する油圧回路について説明する。

油圧回路は、エンジン４からの駆動力が伝導されている油圧ポンプ２１、旋回用油圧回路２３（図２参照）、起伏用油圧回路２８（図３参照）、ウインチ用油圧回路３４（図４参照）および制御装置３９を具備する。

図２から図４に示すように、油圧ポンプ２１は、作動油を吐出するものである。油圧ポンプ２１は、エンジン４によって駆動されている。油圧ポンプ２１から吐出された作動油は、吐出油路２２を介して旋回用油圧回路２３、ウインチ用油圧回路３４および起伏用油圧回路２８に供給される。油圧ポンプ２１の吐出油路２２には、リリーフ弁２２ａが設けられている。

図２に示すように、旋回用油圧回路２３は、旋回モータ７ａを作動させるものである。旋回用油圧回路２３は、旋回モータ７ａ、旋回用操作弁２４、旋回用パイロット式切換弁２５、旋回位置検出センサ４０を備える。

旋回モータ７ａは、旋回台７を回転させるものである。旋回モータ７ａは、旋回台７と連動連結するように構成されている。旋回モータ７ａは、作動油が供給されると旋回台７一側方向または他側方向に回転させる。

旋回用操作弁２４は、旋回モータ７ａの動作を制御するものである。旋回用操作弁２４は、旋回用パイロット式切換弁２５に付加されるパイロット圧を電磁石でスプールを移動させることで切り換え可能な電磁切換弁から構成されている。また、旋回用操作弁２４は、制御装置３９からの制御信号によって電磁石を励起可能に構成されている。旋回用操作弁２４には、油圧ポンプ２１からパイロット圧が供給されている。

旋回用操作弁２４は、制御装置３９から操作信号を受けていない場合、スプールが停止位置Ｓに保持される。旋回用操作弁２４は、制御装置３９から旋回台７を一側に回転させる操作信号を受けた場合、電磁石によってスプールが一側旋回位置Ｒに移動される。旋回用操作弁２４は、制御装置３９から旋回台７を他側に回転させる操作信号を受けた場合、電磁石によってスプールが他側旋回位置Ｌに移動される。

旋回用パイロット式切換弁２５は、旋回モータ７ａに供給される作動油の方向を切り換えるものである。旋回用パイロット式切換弁２５の供給ポートには、吐出油路２２を介して油圧ポンプ２１が接続されている。旋回用パイロット式切換弁２５の一方のポートには、一側旋回用油路２６を介して旋回モータ７ａの一側が接続されている。旋回用パイロット式切換弁２５の他方のポートには他側旋回用油路２７を介して旋回モータ７ａの他側が接続されている。

旋回用パイロット式切換弁２５は、旋回用操作弁２４のスプールが停止位置Ｓに保持されている場合、一側旋回用油路２６と他側旋回用油路２７とを閉鎖する。これにより、旋回モータ７ａは、その回転位置が保持される。旋回用パイロット式切換弁２５は、旋回用操作弁２４のスプールが一側旋回位置Ｒに移動された場合、油圧ポンプ２１からの作動油が一側旋回用油路２６を介して旋回モータ７ａの一側に供給されるように切り換る。これにより、旋回モータ７ａは、旋回台７を一側方向に回転させる方向に作動される。旋回用パイロット式切換弁２５は、旋回用操作弁２４のスプールが他側旋回位置Ｌに移動された場合、油圧ポンプ２１からの作動油が他側旋回用油路２７を介して旋回モータ７ａの他側に供給されるように切り換る。これにより、旋回モータ７ａは、旋回台７を他側方向に回転させる方向に作動される。

このように構成される旋回用油圧回路２３を備えるクレーン１は、制御装置３９からの操作信号に基づいて旋回用操作弁２４を操作することで旋回用パイロット式切換弁２５を切り換える。つまり、クレーン１は、制御装置３９からの操作信号によって旋回モータ７ａに供給される作動油の流れを切り換えて旋回台７の旋回を自在に行うことができる。

図３に示すように、起伏用油圧回路２８は、起伏シリンダ１２を作動させるものである。起伏用油圧回路２８は、起伏シリンダ１２、起伏用操作弁２９、起伏用パイロット式切換弁３０、起伏用カウンタバランス弁３３、伸縮ブーム長さ検出センサ４１と起伏角度検出センサ４２を備える。

起伏用操作弁２９は、起伏シリンダ１２の動作を制御するものである。起伏用操作弁２９は、起伏用パイロット式切換弁３０に付加されるパイロット圧を電磁石でスプールを移動させることで切り換え可能な電磁切換弁から構成されている。起伏用操作弁２９には、油圧ポンプ２１からパイロット圧が供給されている。

起伏用操作弁２９は、制御装置３９から操作信号を受けていない場合、スプールが停止位置Ｓに保持される。起伏用操作弁２９は、制御装置３９から伸縮ブーム８を起立させる操作信号を受けた場合、電磁石によってスプールが起立位置Ｕに移動される。起伏用操作弁２９は、制御装置３９から伸縮ブーム８を倒伏させる操作信号を受けた場合、電磁石によってスプールが倒伏位置Ｄに移動される。

起伏用パイロット式切換弁３０は、起伏シリンダ１２に供給される作動油の方向を切り換えるものである。起伏用パイロット式切換弁３０の供給ポートには、吐出油路２２を介して油圧ポンプ２１が接続されている。起伏用パイロット式切換弁３０の一方のポートには、起立用油路３１を介して起伏シリンダ１２のヘッド側油室が接続されている。起伏用パイロット式切換弁３０の他方のポートには、倒伏用油路３２を介して起伏シリンダ１２のロッド部側油室が接続されている。

起伏用パイロット式切換弁３０は、起伏用操作弁２９のスプールが停止位置Ｓに保持されている場合、起立用油路３１と倒伏用油路３２とを閉鎖する。これにより、起伏シリンダ１２は、そのロッド部位置が保持される。起伏用パイロット式切換弁３０は、起伏用操作弁２９のスプールが起立位置Ｕに移動された場合、油圧ポンプ２１からの作動油が起立用油路３１を介して起伏シリンダ１２のヘッド側油室１６ａに供給されるように切り換る。これにより、起伏シリンダ１２は、伸縮ブーム８を起立させるようにロッド部がシリンダ部から押し出される。起伏用パイロット式切換弁３０は、起伏用操作弁２９のスプールが倒伏位置Ｄに移動された場合、油圧ポンプ２１からの作動油が倒伏用油路３２を介して起伏シリンダ１２のロッド部側油室１６ｂに供給されるように切り換る。これにより、起伏シリンダ１２は、伸縮ブーム８を倒伏させるようにロッド部がシリンダ部に押し戻される。

起伏用カウンタバランス弁３３は、起伏シリンダ１２のロッド部が伸縮ブーム８に加わる荷重によって押し戻されないようにするものである。起伏用カウンタバランス弁３３は、起立用油路３１に設けられている。起伏用カウンタバランス弁３３は、起伏シリンダ１２のロッド部側油室１６ｂに作動油が供給された場合に限り、起伏シリンダ１２のヘッド側油室１６ａから排出される作動油の流れを許容する。

このように構成される起伏用油圧回路２８を備えるクレーン１は、起伏用操作弁２９によって起伏用パイロット式切換弁３０を操作して、起伏シリンダ１２に供給される作動油の流れを切り換える。これにより、クレーン１は、起伏用操作弁２９の操作によって起伏シリンダ１２による伸縮ブーム８の起立および倒伏を自在に行うことができる。

図４に示すように、ウインチ用油圧回路３４は、ウインチ１３を作動させるものである。ウインチ用油圧回路３４は、ウインチ用油圧モータ１３ａ、ウインチ用操作弁３５、ウインチ用パイロット式切換弁３６、ウインチ用カウンタバランス弁４３、ドラム回転数検出器４４を備える。なお、ウインチ用油圧回路３４の構成およびその動作態様は、起伏用油圧回路２８において起立操作をワイヤロープ１４の繰り上げ操作とし、倒伏動作をワイヤロープ１４の繰り下げ操作とした場合と同一であるため詳細な説明を省略する。

ウインチ用パイロット式切換弁３６は、ウインチ用操作弁３５のスプールが停止位置Ｓに保持されている場合、繰り入れ用油路３７と繰り出し用油路３８とが閉鎖される。これにより、ウインチ用油圧モータ１３ａは、その回転位置が保持される。ウインチ用パイロット式切換弁３６は、ウインチ用操作弁３５のスプールが繰り入れ位置Ｕに移動された場合、油圧ポンプ２１からの作動油が繰り入れ用油路３７を介してウインチ用油圧モータ１３ａの一側に供給されるように切り換る。これにより、ウインチ用油圧モータ１３ａは、ワイヤロープ１４を繰り入れるように作動される。ウインチ用パイロット式切換弁３６は、ウインチ用操作弁３５のスプールが繰り出し位置Ｄに移動された場合、油圧ポンプ２１からの作動油が繰り出し用油路３８を介してウインチ用油圧モータ１３ａの他側に供給されるように切り換る。これにより、ウインチ用油圧モータ１３ａは、ワイヤロープ１４を繰り出すように作動される。

このように構成されるウインチ用油圧回路３４を備えるクレーン１は、制御装置３９からの操作信号に基づいてウインチ用操作弁３５を操作することでウインチ用パイロット式切換弁３６を切り換える。つまり、クレーン１は、ウインチ用油圧モータ１３ａに供給される作動油の流れを切り換える。これにより、クレーン１は、制御装置３９からの操作信号によってウインチ用油圧モータ１３ａに供給される作動油の流れを切り換えてワイヤロープ１４の繰り入れおよび繰り出しを自在に行うことができる。

制御装置３９は、クレーン１が有するアクチュエータ等の動作を制御する装置である。制御装置３９は、本実施形態に係る２自由度制御系５０に基づいて、例えば、クレーン１が有するアクチュエータの一つである起伏シリンダ１２の動作を制御する。制御装置３９は、実体的には、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、ＨＤＤ等がバスで接続される構成であってもよく、あるいはワンチップのＬＳＩ等からなる構成であってもよい。制御装置３９は、旋回用操作弁２４、起伏用操作弁２９およびウインチ用操作弁３５の動作を制御するために種々のプログラムやデータが格納されている。制御装置３９は、車両２に設けられている。

制御装置３９には、電源スイッチ２０が接続されている。電源スイッチ２０は、制御装置３９の電源をＯＮ／ＯＦＦに切り替えるためのもので、トグルスイッチやボタンスイッチなどによって形成されており、操縦席のダッシュボードの操作パネル部に配置されている。制御装置３９は、電源スイッチ２０から信号を取得することで後述するアクチュエータの制御を開始することができる。

制御装置３９は、旋回用操作弁２４に接続され、旋回用操作弁２４の電磁石を選択的に励磁させて旋回用パイロット式切換弁２５のスプールの位置を変更することができる。

制御装置３９は、起伏用操作弁２９に接続され、起伏用操作弁２９の電磁石を選択的に励磁させて起伏用パイロット式切換弁３０のスプールの位置を変更することができる。

制御装置３９は、ウインチ用操作弁３５に接続され、ウインチ用操作弁３５の電磁石を選択的に励磁させてウインチ用パイロット式切換弁３６のスプールの位置を変更することができる。

制御装置３９は、旋回台７の旋回位置検出センサ４０に接続され、旋回位置検出センサ４０が検出した旋回台７の旋回方向および旋回角度を取得することができる。

制御装置３９は、伸縮ブーム８の伸縮ブーム長さ検出センサ４１と起伏角度検出センサ４２とに接続され、伸縮ブーム長さ検出センサ４１が検出した伸縮ブーム８の伸縮ブーム長さおよび起伏角度検出センサ４２が検出した伸縮ブーム８の起伏角度を取得することができる。

制御装置３９は、ウインチ１３のドラム回転数検出器４４に接続され、ドラム回転数検出器４４が検出したウインチ１３の回転数を取得することができる。

制御装置３９には、警報装置４５が接続されている。警報装置４５は、後述する制御装置３９からの司令によってオペレータにクレーン１の動作に異常があることを警告音や警告灯や警告表示などによって知らせるもので、操縦席のダッシュボードの操作パネル部に配置されている。

制御装置３９は、２自由度制御系５０を有している。制御装置３９は、２自由度制御系５０の出力値に基づいてアクチュエータの制御を行う。２自由度制御系５０は、フィードフォワード制御系であるＦＦ制御コントローラ５１と、フィードバック制御系であるＦＢ制御コントローラ５２と、出力値コントローラ５３とを備える。
なお、本実施形態で「コントローラ」と呼ぶものは、ハードウェアとしてのコントローラに限定するものではなく、ソフトウェア等も含むものであり、制御機能を集約したものとしての広義のコントローラを意味する。例えば制御機能を集約したものとしてソフトウェアを用いる場合は、当該ソフトウェアを例えば制御装置３９の図示せぬ記憶部に記憶させておき、当該記憶されたソフトウェアにより制御装置３９の図示せぬ演算部で演算処理が行われ、演算結果の出力値をアクチュエータに伝達することでアクチュエータの制御が実行される。

ＦＦ制御コントローラ５１は、アクチュエータ等の制御対象を制御するフィードフォワード制御が行われる部分である。
なお、本実施形態のＦＦ制御コントローラ５１は、フィードフォワード制御の構成に依らず適用可能であり、フィードフォワード制御系として内部の構成及び動作が公知なものを用いることができる。

ＦＢ制御コントローラ５２は、例えば、ＰＩＤ制御等に代表されるフィードバック制御が行われる部分である。
なお、本実施形態のＦＢ制御コントローラ５２は、フィードバック制御の構成に依らず適用可能であり、フィードバック制御系として内部の構成及び動作が公知なものを用いることができる。

本実施形態に係る２自由度制御系５０は、図１０に示す従来の２自由度制御系１００においてＦＢ制御コントローラ５２の後に出力値コントローラ５３が挿入されて構成されている。すなわち、２自由度制御系５０は、制御対象５４とＦＢ制御コントローラ５２の間に配置されている。

出力値コントローラ５３は、アクチュエータ等の制御対象５４とＦＢ制御コントローラ５２との間に配置され、ＦＢ制御コントローラ５２の偏差の大きさに応じてＦＢ制御コントローラ５２の出力値を変更して、ＦＢ制御コントローラ５２による制御対象５４の制御を有効もしくは無効にするコントローラである。出力値コントローラ５３は、ＦＢ制御コントローラ５２からの入力値に所定の条件毎に適用されるゲインＫを掛けることで算出された補正された出力値を制御対象５４に伝達するものである。出力値コントローラ５３は、後述するステップＳ２００で偏差の判定を行う偏差判定部５３Ａと、偏差判定部の判定結果に基づいて所定の演算処理及び出力値の出力処理を行う演算出力部５３Ｂとを有している。出力値コントローラ５３内で実行されるソフトウェアによる制御フローの詳細については後述する。

制御対象５４は、特定の制御対象に限定するものでないが、例えば、上述したクレーン１が有する起伏シリンダ１２等のアクチュエータが挙げられる。
なお、制御対象としては、クレーンが有するアクチュエータに限らず、その他の作業機械、移動車両、生産機械等が有するアクチュエータが含まれる。

次に、本実施形態に係る２自由度制御系５０で実行される制御フローについて説明する。

先ず、ステップＳ１００において、制御装置３９の電源スイッチ２０がＯＮされ、アクチュエータの制御が開始される。次に、アクチュエータの制御モードが通常モードに設定される場合（ステップＳ１１０）、かつＦＢ制御コントローラ５２における偏差（目標値と出力値との差）が０である場合は、通常時の動作とみなしてフィードフォワード制御とフィードバック制御を併用した２自由度制御が実行される。偏差が０より大きい場合はステップＳ２００に移行する。

ステップＳ２００において、制御装置３９は、出力値コントローラ５３の偏差判定部５３Ａで出力値コントローラ５３に入力された偏差が所定の閾値以上か否か判定する。すなわち、制御装置３９は、出力値コントローラ５３に入力された偏差が急激なアクチュエータの動作が発生するような過大な偏差であるか否か判断する。
その結果、偏差が所定の閾値以上であると判定された場合、制御装置３９はステップをステップＳ２１０に移行させる。
一方、偏差が所定の閾値以上でないと判定された場合、すなわち、出力値コントローラ５３に入力された偏差が急激なアクチュエータの動作が発生するような過大な偏差でないと判断された場合、制御装置３９はステップをステップＳ４００に移行させる。

ステップＳ２１０において、制御装置３９は、所定の判定手段によりアクチュエータの制御モード（操作モード）が通常モード（ステップＳ２２０）に設定されているか復帰モード（ステップＳ３００）に設定されているかを判定する。ここで、通常モードの場合は、後述のソフトウェアフローＡ部に従って制御が進行し、復帰モードの場合は、後述のソフトウェアフローＢ部に従って制御が進行する。

次に、出力値コントローラ５３で実行される制御フローを図８を用いて説明する。

［ソフトウェアフローＡ部］
ステップＳ２２０において、制御装置３９は、出力値コントローラ５３に入力された偏差（ＦＢ制御コントローラ５２での偏差）が過大になった際には、アクチュエータが異常状態であると判断する。制御装置３９は、アクチュエータが異常状態であると判断した場合に制御モードを復帰モードとし（ステップＳ２３０）、直前に決定された前回のゲインＫｐが０である場合（ステップＳ２４０）に、出力値コントローラ５３内のパラメータであるゲインＫを０にする（ステップＳ２５０）。ゲインＫが０になった場合は、出力値コントローラ５３からの出力値（＝入力値×ゲインＫ）は０となり（ステップＳ５００）、ＦＢ制御コントローラ５２による制御対象５４に対するＦＢ制御が無効となり、ＦＦ制御コントローラ５１によるＦＦ制御のみが有効になる。
なお、偏差が過大か正常かの判定は、制御対象によってあらかじめ決められた所定の閾値により判定する。

［ソフトウェアフローＢ部］
ステップＳ３００において、制御装置３９は、一回異常状態であると判定した場合は、制御モードを復帰モードとする。続いて、ステップＳ３１０において、出力値コントローラ５３内のパラメータであるゲインＫを徐々に単調増加させる。具体的には、ステップＳ３１０において、制御装置３９は、ゲインＫをゲインＫの直前に決定された前回のゲインＫｐと所定の加算値とを足すことで取得する。この時のゲインＫｐに対する加算値は制御対象によってあらかじめ決められた所定の値により求める。なお、この加算値は０より大きく、１より小さい値である。
なお、ソフトウェアフローＢ部の変形例として、ステップ３００の復帰モードがなく、かつステップＳ３１０における加算値＝０として、ＦＢ制御の有無を決定するように構成してもよい。

また、ステップＳ３２０において、上記加算値を加算した結果であるゲインＫが１以上になるか否か判断する。
その結果、ゲインＫが１以上であると判定された場合、制御装置３９は、ステップをステップＳ３３０に移行させ、ゲインＫの値が１を超過しないように強制的にゲインＫの値を１とする。ゲインＫが１になった場合は、出力値コントローラ５３からの出力値（＝入力値×ゲインＫ）はＦＢ制御コントローラ５２からの入力値と同じになる（ステップＳ５００）。この場合、ＦＢ制御コントローラ５２によるＦＢ制御が有効となり、ＦＦ制御コントローラ５１によるＦＦ制御と合わせた制御が可能になる。
また、上記加算値は、を徐々に加算することで出力値コントローラ５３からの出力値（＝入力値×ゲインＫ）を徐々に大きくして、アクチュエータの動作が大きく変動しないように制御される。
一方、ゲインＫが１以上でないと判定された場合、制御装置３９は、ステップをステップＳ５００に移行させ、求められたゲインＫを用いて出力値コントローラ５３からの出力値を決定する。

［ソフトウェアフローＣ部］
ステップＳ２００において、出力値コントローラ５３に入力された偏差が異常な値でないと判断した場合、ステップＳ４００において、制御装置３９は、アクチュエータの制御モードを通常モードとし、直前に決定された前回のゲインＫｐが０である場合（ステップＳ４１０）に、出力値コントローラ５３内のパラメータであるゲインＫを１とする（ステップＳ４２０）。ゲインＫが１になった場合は、出力値コントローラ５３からの出力値（＝入力値×ゲインＫ）は入力値と同じになる（ステップＳ５００）。この場合、ＦＢ制御コントローラ５２によるＦＢ制御が有効となり、ＦＦ制御コントローラ５１によるＦＦ制御と合わせたアクチュエータの制御が可能になる。

［ソフトウェアフロー出力部］
ステップＳ５００において、出力値コントローラ５３は、上述したように求められたゲインＫを、出力値コントローラ５３に入力されたＦＢ制御コントローラ５２の出力値に乗じた値を制御対象５４へと出力する。この出力値コントローラ５３の出力値に、ＦＦ制御コントローラ５１の出力値を加算したものが制御対象５４に入力される。制御対象５４は、この入力値に応じて所定の動作制御が実行される。

以上のように制御装置３９を構成することにより、ソフトウェアフローＡ部（ステップＳ２２０〜２５０）及びソフトウェア出力部（ステップＳ５００）により、ＦＢ制御コントローラ５２の出力値（出力値コントローラ５３の入力値）にゲインとして０が掛けられるため、ＦＢ制御コントローラ５２によるＦＢ制御は実質無効となり、過大な出力値が制御対象５４に入力されることを防ぐことができる。すなわち、２自由度制御系５０では、アクチュエータの異常状態時にＦＢ制御を切り離してアクチュエータを制御することができる。これにより、予期せぬアクチュエータの動作状況が発生した際でもアクチュエータを安全に動作させることができる。

また、ソフトウェアフローＢ部（ステップＳ３００〜３３０）及びソフトウェア出力部（ステップＳ５００）により、ＦＢ制御を完全に切り離すことなく、安全を保ちつつ、ゆっくりと偏差を正常な範囲に近づけることができる。

次に、図８に示す制御フローの一部を変更した制御フローの別実施形態について図９を用いて説明する。図９に示す制御フローは、制御対象のアクチュエータとして上述したクレーン１の起伏シリンダ１２に適用するものとする。
なお、すでに上述した図８に示す制御フローと同じステップは同じステップ名を付し、その説明を省略する。

ステップＳ２２０において、制御装置３９は、出力値コントローラ５３に入力された偏差（ＦＢ制御コントローラ５２での偏差）が過大になった際には、アクチュエータが異常状態であると判断する。続いて、制御装置３９は、入力された偏差を変数Ｄとして制御装置３９の記憶部に記憶する（ステップＳ２２５）。続いて制御装置３９は、アクチュエータが異常状態であると判断した場合に制御モードを復帰モードとし（ステップＳ２３０）、直前に決定された前回のゲインＫｐが０である場合（ステップＳ２４０）に、出力値コントローラ５３内のパラメータであるゲインＫを０にする。ゲインＫが０になった場合は、出力値コントローラ５３からの出力値（＝入力値×ゲインＫ）は０となり（ステップＳ５００）、ＦＢ制御コントローラ５２による制御対象５４に対するＦＢ制御が無効となり、ＦＦ制御コントローラ５１によるＦＦ制御のみが有効になる。
なお、偏差が過大か正常かの判定は、制御対象によってあらかじめ決められた所定の閾値により判定する。

ステップＳ３００において、制御装置３９は、一回異常状態であると判定した場合は制御モードを復帰モードとし、ステップＳ３０１に移行する。

ステップＳ３０１において、制御装置３９は、出力値コントローラ５３の偏差判定部５３Ａで出力値コントローラ５３に入力された偏差がステップＳ２２５で取得された変数Ｄに予め設定している一定値Ｄ１を加算した値（Ｄ＋Ｄ１）以上か否か判定する。すなわち、制御装置３９は、出力値コントローラ５３に入力された偏差が急激なアクチュエータの動作が発生するような過大な偏差であるか否か判断する。
その結果、偏差が（Ｄ＋Ｄ１）の値以上であると判定された場合、制御装置３９はアクチュエータが異常状態であると判断し、ステップをステップＳ３０２に移行させる。
一方、偏差が（Ｄ＋Ｄ１）の値未満であると判定された場合、すなわち、出力値コントローラ５３に入力された偏差が急激なアクチュエータの動作が発生するような過大な偏差でないと判断された場合、制御装置３９はステップをステップＳ３１０に移行させる。ステップＳ３１０以降については図８に示す制御フローに従って進められる。

ステップＳ３０２において、制御装置３９は、警報装置４５によりオペレータにクレーン１の起伏シリンダ１２を停止する警報を出力して知らせる。続いて、直前に決定された前回のゲインＫｐが０である場合（ステップＳ３０３）に、出力値コントローラ５３内のパラメータであるゲインＫを０にする（ステップＳ３０４）。ゲインＫが０になった場合は、出力値コントローラ５３からの出力値（＝入力値×ゲインＫ）は０となり（ステップＳ５００）、ＦＢ制御コントローラ５２による制御対象５４に対するＦＢ制御が無効となり、ＦＦ制御コントローラ５１によるＦＦ制御のみが有効になる。
なお、偏差が過大か正常かの判定は、制御対象によってあらかじめ決められた所定の閾値（変数Ｄ＋一定値Ｄ１）により判定する。

ステップＳ２００において、出力値コントローラ５３に入力された偏差が異常な値でないと判断した場合、ステップＳ４００において、制御装置３９は、アクチュエータの制御モードを通常モードとし、変数Ｄが０である場合（ステップＳ４０５）、かつ直前に決定された前回のゲインＫｐが０である場合（ステップＳ４１０）に、出力値コントローラ５３内のパラメータであるゲインＫを１とする（ステップＳ４２０）。ゲインＫが１になった場合は、出力値コントローラ５３からの出力値（＝入力値×ゲインＫ）は入力値と同じになる（ステップＳ５００）。この場合、ＦＢ制御コントローラ５２によるＦＢ制御が有効となり、ＦＦ制御コントローラ５１によるＦＦ制御と合わせたアクチュエータの制御が可能になる。

図８に示す制御フローにおいては、制御モードが復帰モードにある時には徐々にゲインＫの値を単調増加させるが、より安全な構成として、図９に示す制御フローのように復帰モード中に偏差の値が異常モードになった時点の偏差の値よりも一定幅（＝Ｄ１）以上大きくなった際には、完全にＦＢ制御を終了させ、オペレータにクレーン１の起伏シリンダ１２の動作の中止を促す。これにより、より安全性を高めることができる。

以上のように構成することで、制御装置３９は、過大な偏差（目標値と出力値との差）の発生による急激なアクチュエータの速度変化を防ぐことができる。すなわち、ＦＢ制御を使用する従来の２自由度制御系１００に出力値コントローラ５３を組み入れることで、過大な偏差（目標値と出力値との差）の発生による急激なアクチュエータの速度変化を防ぐことができる。
また、制御装置３９では、通常時２自由度制御を用い、予期せぬ現象の発生により想定していない偏差が発生したときに、ＦＢ制御を無効化することで安全性を向上させることができる。

以上、クレーン１は、伸縮ブーム８に装着されたジブに搬送物Ｗが吊られている場合でもよい。
上述の実施形態は、代表的な形態を示したに過ぎず、一実施形態の骨子を逸脱しない範囲で種々変形して実施することができる。さらに種々なる形態で実施し得ることは勿論のことであり、本発明の範囲は、特許請求の範囲の記載によって示され、さらに特許請求の範囲に記載の均等の意味、および範囲内のすべての変更を含む。

さらに、アクチュエータの種類は油圧シリンダに限定されず、油圧モータ、電動モータ
等であってもよい。なお、アクチュエータが電動モータである場合の駆動速度は、例えば
電動モータに供給する駆動電流の大きさによって制御される。

１ クレーン
７ 旋回台
８ 伸縮ブーム
１２ 起伏シリンダ
３９ 制御装置
５０ ２自由度制御系
５１ ＦＦ制御コントローラ（フィードフォワード制御部）
５２ ＦＢ制御コントローラ（フィードバック制御部）
５３ 出力値コントローラ（出力値制御部）
５４ 制御対象（アクチュエータ）

Claims (2)

1. 制御対象であるアクチュエータと、
   前記アクチュエータを制御するためのフィードフォワード制御部とフィードバック制御部を有する２自由度制御系と、
   前記２自由度制御系の出力値に基づいて前記アクチュエータの制御を行う制御手段と、
   前記アクチュエータと前記フィードバック制御部との間に配置され、前記フィードバック制御部の偏差の大きさに応じて前記フィードバック制御部の出力値を変更して、前記フィードバック制御部による前記アクチュエータの制御を有効もしくは無効にする出力値制御部と、を備えるアクチュエータの制御装置。
2. アクチュエータによって起伏される伸縮ブームと、
   前記アクチュエータを制御する請求項１に記載のアクチュエータの制御装置と、を備えるクレーン。

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