JP2019007157A - 作業機械 - Google Patents

Abstract

【課題】作動油の粘性が高い場合であっても、油圧ポンプの負荷トルクを確保しつつ、流量指令に対する油圧ポンプの応答遅れを抑制することができる作業機械を提供する。【解決手段】吐出流量算出部は、目標負荷トルクが所定の基準負荷トルク以上の大きさであって、且つ、作動油の温度が所定の基準温度よりも低い場合には、目標負荷トルクと負荷トルク取得装置によって取得された負荷トルクとの差分を用いた比例微分先行型のＰＩＤ制御と、当該差分の二重積分とに基づいて、負荷トルクが所定の基準負荷トルクとなるような第３目標吐出流量を算出する。【選択図】図１

Description

本発明は、作業機械に関する。

油圧ショベル等の作業機械は、油圧アクチュエータを駆動するための油圧システムを備える。油圧システムは、エンジンによって駆動される油圧ポンプを含み、当該油圧ポンプから吐出される作動油により、油圧アクチュエータを駆動する。そのため、油圧システムの動作は、作動油の粘性に影響される。

例えば、冬季等の低温な環境下では、作動油の粘性が高くなる。そのため、油圧ポンプの吐出流量を制御するポンプレギュレータの反応が鈍くなって、流量指令に対する油圧ポンプの応答が遅れる。その結果、所謂ＰＱ制御が行われているときに、ポンプ圧力の変動幅に対する吐出流量の変動幅がかなり大きいと、ハンチングが発生しやすくなる。なお、ＰＱ制御とは、所望の負荷トルクから得られる圧力−流量曲線（ＰＱ曲線）に基づいて、計測されたポンプ圧力から油圧ポンプの吐出流量の指令値（目標吐出流量）を決定する制御方法である。

下記特許文献１に記載の建設機械のポンプ制御装置では、低温下でのハンチングの発生を防止するために、作動油の温度が設定温度に達しないときには、作動油の温度が設定温度以上のときよりも、油圧ポンプの負荷トルクを低くしている。

特開２００２−３６４６０３号公報

特許文献１に記載の建設機械のポンプ制御装置では、作動油の温度に応じて、油圧ポンプの負荷トルクを変化させている。そのため、作動油の温度によっては、油圧アクチュエータが所期の出力を得られない。

本発明の目的は、作動油の粘性が高い場合であっても、油圧ポンプの負荷トルクを確保しつつ、流量指令に対する油圧ポンプの応答遅れを抑制することができる作業機械を提供することである。

上記の目的を達成するために、本願の発明者は、静的補償器を用いるＰＱ制御ではなく、動的補償器を用いるＰＩＤ制御に着目して検討を進めた。その結果、ＰＩＤ制御を用いれば、流量指令に対する油圧ポンプの応答遅れを抑制することはできるが、油圧ポンプの負荷トルクを目標負荷トルクに追従させ難くなるとの知見を得るに至った。

そこで、本願の発明者は、油圧ポンプの負荷トルクを目標負荷トルクに追従させ難くなる原因について検討した。その結果、ＰＩＤ制御の積分要素が油圧システムの微分要素によって相殺されるために、油圧ポンプの負荷トルクを目標負荷トルクに追従させ難くなるという知見を得るに至った。

ここで、油圧ポンプの負荷トルクを目標負荷トルクに追従させやすくするために、目標吐出流量の算出に用いるコントローラとして、二重積分要素を有するコントローラを採用することが考えられる。しかしながら、二重積分要素を有すると、目標吐出流量を算出するときの負荷が過大になってしまう。

このような知見に基づいて更なる検討を行った結果、本願の発明者は、特定の場合にだけ、目標吐出流量の算出に二重積分要素を考慮すればよいことに気付いた。具体的には、作動油の粘性が高い状態であって、且つ、ＰＱ制御が行われるような状態で、目標吐出流量を算出するときに、二重積分要素を考慮すればよいことに気付いた。本発明は、このような知見に基づいて完成されたものである。

本発明による作業機械は、エンジンと、前記エンジンによって駆動される油圧ポンプと、前記油圧ポンプが吐出する作動油によって駆動される油圧アクチュエータと、前記油圧ポンプの吐出流量を調整するポンプレギュレータと、前記作業機械のオペレータが前記油圧アクチュエータを駆動するために操作する操作装置と、前記作動油の温度を検出する温度検出装置と、前記油圧ポンプによって吐出された前記作動油の圧力を検出する油圧検出装置と、前記油圧ポンプの負荷トルクを取得する負荷トルク取得装置と、前記ポンプレギュレータの動作を制御することにより、前記油圧ポンプの動作を制御する制御装置とを備え、前記制御装置は、前記操作装置の操作量に応じて、前記油圧ポンプの目標負荷トルクを設定する目標負荷トルク設定部と、前記目標負荷トルクが所定の基準負荷トルクよりも小さいか否かを判定する目標負荷トルク判定部と、前記温度検出装置によって検出された前記作動油の温度が所定の基準温度よりも低いか否かを判定する検出温度判定部と、前記油圧ポンプの目標吐出流量を算出する吐出流量算出部と、前記油圧ポンプの吐出流量が前記目標吐出流量となるように、前記ポンプレギュレータの動作を制御するレギュレータ制御部とを含み、前記吐出流量算出部は、前記目標吐出流量として、前記目標負荷トルクが前記所定の基準負荷トルクよりも小さい場合には、前記負荷トルクが前記目標負荷トルクとなるような第１目標吐出流量を算出し、前記目標負荷トルクが前記所定の基準負荷トルク以上の大きさであって、且つ、前記作動油の温度が前記所定の基準温度以上である場合には、前記油圧検出装置によって検出された前記作動油の圧力に応じて、前記負荷トルクが前記所定の基準負荷トルクとなるような第２目標吐出流量を算出し、前記目標負荷トルクが前記所定の基準負荷トルク以上の大きさであって、且つ、前記作動油の温度が前記所定の基準温度よりも低い場合には、前記目標負荷トルクと前記負荷トルク取得装置によって取得された前記負荷トルクとの差分を用いた比例微分先行型のＰＩＤ制御と、前記差分の二重積分とに基づいて、前記負荷トルクが前記所定の基準負荷トルクとなるような第３目標吐出流量を算出する。

上記作業機械においては、第３目標吐出流量を算出する際に、動的制御器を用いるＰＩＤ制御が行われる。そのため、静的制御器を用いるＰＱ制御と比べて、作動油の粘性が高い状況であっても、流量指令に対する油圧ポンプの応答遅れを回避することができる。

また、上記作業機械においては、第３目標吐出流量を算出する際に、目標負荷トルクと負荷トルク取得装置によって取得された負荷トルクとの差分を用いた比例微分先行型のＰＩＤ制御だけでなく、当該差分の二重積分も行われる。そのため、油圧ポンプの負荷トルクを目標負荷トルクへ追従させやすくなる。その結果、油圧ポンプの負荷トルクを確保することができる。

特に、上記作業機械においては、比例微分先行型のＰＩＤ制御（いわゆるＩ−ＰＤ制御）を行うので、通常のＰＩＤ制御を行う場合と比べて、入力値のキック（つまり、目標値としての目標負荷トルクの変動に起因して発生する入力値の急激な上昇）を抑制することができる。

上記作業機械において、好ましくは、前記吐出流量算出部は、前記比例微分先行型のＰＩＤ制御による演算を行うＰＩＤ制御器と、前記二重積分を行う二重積分器と、前記二重積分を行うことで得られる二重積分値に乗算される二重積分ゲインを取得する二重積分ゲイン取得部とを含み、前記二重積分ゲイン取得部は、前記油圧検出装置によって検出された前記作動油の圧力に応じて、前記二重積分ゲインを取得する。

上記の態様においては、検出された作動油の圧力に応じて、二重積分ゲインを取得する。そのため、より適切な目標吐出流量を算出することができる。

上記作業機械において、好ましくは、前記吐出流量算出部は、さらに、前記油圧検出装置によって検出された前記作動油の油圧に応じて、前記比例微分先行型のＰＩＤ制御に用いられる制御ゲインを算出する制御ゲイン算出部を含む。

上記の態様においては、検出された作動油の圧力に応じて、比例微分先行型のＰＩＤ制御に用いられる制御ゲインが算出される。そのため、より適切な目標吐出流量を算出することができる。

上記作業機械において、好ましくは、前記吐出流量算出部は、さらに、前記第１目標吐出流量及び前記第２目標吐出流量の何れかを算出する場合に、前記二重積分の結果をリセットする算出結果リセット部を含む。

上記の態様においては、第３目標吐出流量の算出が行われないときに、二重積分の結果としての二重積分値がリセットされるので、二重積分値が蓄積され続けるのを防ぐことができる。その結果、次回の第３目標吐出流量の算出が行われるときに、適切な目標吐出流量を算出することができる。

上記作業機械において、好ましくは、前記制御装置は、さらに、前記温度検出装置によって検出された作動油の温度に応じて、前記油圧ポンプの吐出流量を推定する吐出流量推定部を含み、前記負荷トルク取得装置は、前記吐出流量推定部によって推定された前記油圧ポンプの吐出流量と前記油圧検出装置によって検出された前記作動油の圧力とに基づいて、前記油圧ポンプの負荷トルクを取得する。

上記の態様においては、第３目標吐出流量の算出が行われるときに、油圧ポンプの負荷トルクを実際に検出しなくてもよい。そのため、油圧ポンプの負荷トルクを検出するための装置を別途設けなくてもよい。

本発明による作業機械によれば、作動油の粘性が高い場合であっても、油圧ポンプの負荷トルクを確保しつつ、流量指令に対する油圧ポンプの応答遅れを抑制することができる。

本発明の実施の形態による作業機械の主要な構成要素を示す説明図である。 コントローラを示すブロック図である。 吐出流量算出部を示すブロック図である。 第３吐出流量算出部を示すブロック図である。 二重積分ゲイン取得部を示すブロック図である。 油圧ポンプの動作制御を示すフローチャートである。 本発明の実施の形態の応用例１で採用される吐出流量算出部を示すブロック図である。 本発明の実施の形態の応用例１における油圧ポンプの動作制御を示すフローチャートである。 本発明の実施の形態の応用例２で採用される第３吐出流量算出部を示すブロック図である。 本発明の実施の形態の応用例２における油圧ポンプの動作制御を示すフローチャートである。 本発明の実施の形態の応用例３で採用されるコントローラを示すブロック図である。 実施例に係る動作制御が行われたときの油圧ポンプの負荷トルクのシミュレーション結果を示すグラフである。 実施例に係る動作制御が行われたときの油圧ポンプの吐出流量のシミュレーション結果を示すグラフである。 実施例に係る動作制御が行われたときの作動油の圧力のシミュレーション結果を示すグラフである。 比較例１に係る動作制御が行われたときの油圧ポンプの負荷トルクのシミュレーション結果を示すグラフである。 比較例１に係る動作制御が行われたときの油圧ポンプの吐出流量のシミュレーション結果を示すグラフである。 比較例１に係る動作制御が行われたときの作動油の圧力のシミュレーション結果を示すグラフである。 比較例２に係る動作制御が行われたときの油圧ポンプの負荷トルクのシミュレーション結果を示すグラフである。 比較例２に係る動作制御が行われたときの油圧ポンプの吐出流量のシミュレーション結果を示すグラフである。 比較例２に係る動作制御が行われたときの作動油の圧力のシミュレーション結果を示すグラフである。

以下、添付図面を参照しながら、本発明の実施の形態について詳述する。

図１を参照しながら、本発明の実施の形態による作業機械１０について説明する。図１は、作業機械１０の主要な構成要素を示す説明図である。

作業機械１０は、例えば、下部走行体に対して上部旋回体が旋回可能に配置された構造を有する。作業機械１０は、例えば、油圧システムを備える油圧ショベルである。

作業機械１０は、エンジン１２と、油圧ポンプ１４と、ポンプレギュレータとしてのレギュレータ１６と、比例弁１８と、油圧アクチュエータ２０と、コントロールバルブ２２と、リモコン弁２４と、リリーフ弁２６と、油圧検出装置としてのポンプ圧センサ２８と、パイロット圧センサ３０と、温度検出装置としての温度センサ３２と、負荷トルク取得装置としてのトルクセンサ３４と、制御装置としてのコントローラ４０とを備える。

エンジン１２は、作業機械１０の駆動源である。エンジン１２は、例えば、過給機を備えていてもよい。

油圧ポンプ１４は、エンジン１２によって駆動され、作動油を吐出する。油圧ポンプ１４は、可変容量型の油圧ポンプである。油圧ポンプ１４は、可変の傾転角を有している。当該傾転角がレギュレータ１６及び比例弁１８によって調節されることで、油圧ポンプ１４の吐出流量が制御される。

油圧アクチュエータ２０は、油圧ポンプ１４が吐出する作動油（つまり、油圧ポンプ１４から供給される作動油）によって駆動される。油圧アクチュエータ２０は、例えば、油圧モータであってもよいし、油圧シリンダであってもよい。油圧モータは、例えば、走行モータであってもよいし、旋回モータであってもよい。油圧シリンダは、例えば、ブームシリンダであってもよいし、アームシリンダであってもよいし、バケットシリンダであってもよい。

コントロールバルブ２２は、油圧ポンプ１４から油圧アクチュエータ２０に供給される作動油の方向及び流量を変化させる。コントロールバルブ２２は、例えば、第１及び第２のパイロットポートを有する３位置のパイロット操作切換弁であり、第１及び第２のパイロットポートに対してパイロット圧が入力されることで駆動される。

リモコン弁２４は、コントロールバルブ２２の動作状態を切り換えるために操作される。リモコン弁２４は、操作装置としての操作レバー２４Ａと、弁本体２４Ｂとを含む。弁本体２４Ｂは、操作レバー２４Ａに与えられる操作に基づいて、コントロールバルブ２２を作動させるためのパイロット圧を出力する。

リリーフ弁２６は、油圧ポンプ１４から吐出される作動油の圧力が所定の圧力を超えないように、開閉動作を行う。

ポンプ圧センサ２８は、油圧ポンプ１４が吐出する作動油の圧力であるポンプ圧を検出する。ポンプ圧センサ２８によって検出されたポンプ圧に関する信号（ポンプ圧信号）は、コントローラ４０に入力される。

パイロット圧センサ３０は、操作レバー２４Ａに与えられる操作の有無とその操作量に関する情報として、リモコン弁２４のパイロット圧を検出する。パイロット圧センサ３０によって検出されたリモコン弁２４のパイロット圧に関する信号（レバー操作信号）は、コントローラ４０に入力される。

温度センサ３２は、作動油の温度を検出する。温度センサ３２が検出した作動油の温度に関する信号（温度信号）は、コントローラ４０に入力される。

トルクセンサ３４は、油圧ポンプ１４の負荷トルクを検出する。ここで、油圧ポンプ１４の負荷トルクは、エンジン１２から油圧ポンプ１４に与えられるトルクである。トルクセンサ３４が検出した油圧ポンプ１４の負荷トルクに関する信号（負荷トルク信号）は、コントローラ４０に入力される。

コントローラ４０は、ポンプレギュレータ１６の動作を制御することにより、油圧ポンプ１４の動作を制御する。

コントローラ４０は、例えば、中央演算処理装置が記憶装置に記憶されているプログラムを読み出して、所定の処理を行うことで実現される。なお、コントローラ４０の少なくとも一部を、ＡＳＩＣ等の集積回路によって実現してもよい。

図２を参照しながら、コントローラ４０について説明する。図２は、コントローラ４０を示すブロック図である。

コントローラ４０は、目標負荷トルク設定部４１と、目標負荷トルク判定部４２と、検出温度判定部４３と、吐出流量算出部４４と、レギュレータ制御部４５と、検出圧力判定部４６とを備える。

目標負荷トルク設定部４１は、操作レバー２４Ａの操作量に応じて、油圧ポンプ１４の目標負荷トルクを設定する。具体的には、目標負荷トルク設定部４１は、パイロット圧センサ３０によって検出されたリモコン弁２４のパイロット圧に応じて、油圧ポンプ１４の目標負荷トルクを設定する。油圧ポンプ１４の目標負荷トルクは、例えば、参照テーブルを用いて設定してもよいし、所定の演算を行うことで設定してもよい。

目標負荷トルク判定部４２は、目標負荷トルクが所定の基準負荷トルクよりも小さいか否かを判定する。基準負荷トルクは、例えば、エンジン１２の性能が最大限に発揮されるときの負荷トルクである。

検出温度判定部４３は、温度センサ３２によって検出された作動油の温度が所定の基準温度よりも低いか否かを判定する。基準温度は、例えば、作動油の粘性が低いときの温度である。基準温度は、例えば、３０℃である。

吐出流量算出部４４は、油圧ポンプ１４の目標吐出流量を算出する。なお、吐出流量算出部４４の詳細については、後述する。

レギュレータ制御部４５は、油圧ポンプ１４の吐出流量が吐出流量算出部４４によって算出された目標吐出流量となるように、レギュレータ１６の動作を制御する。具体的には、吐出流量算出部４４によって算出された目標吐出流量に対応する流量指令を生成し、当該流量指令により、レギュレータ１６の動作を制御する。

図３を参照しながら、吐出流量算出部４４について説明する。図３は、吐出流量算出部４４を示すブロック図である。

吐出流量算出部４４は、第１吐出流量算出部４４１と、第２吐出流量算出部４４２と、第３吐出流量算出部４４３とを備える。

第１吐出流量算出部４４１は、目標負荷トルク設定部４１によって設定された目標負荷トルクが所定の基準負荷トルクよりも小さい場合に、目標吐出流量として、第１目標吐出流量を算出する。第１目標吐出流量は、油圧ポンプ１４の負荷トルクが目標負荷トルク設定部４１によって設定された目標負荷トルクとなるような吐出流量である。要するに、第１目標吐出流量は、いわゆるポジコン制御のために設定される目標吐出流量である。

第２吐出流量算出部４４２は、目標負荷トルク設定部４１によって設定された目標負荷トルクが所定の基準負荷トルク以上の大きさであって、且つ、温度センサ３２によって検出された作動油の温度が所定の基準温度以上である場合に、目標吐出流量として、第２目標吐出流量を算出する。第２目標吐出流量は、所定の基準負荷トルクから得られる圧力−流量曲線（ＰＱ曲線）に基づいて、ポンプ圧センサ２８によって検出されたポンプ圧力から算出される吐出流量である。要するに、第２目標吐出流量は、いわゆるＰＱ制御のために設定される目標吐出流量である。

第３吐出流量算出部４４３は、目標負荷トルク設定部４１によって設定された目標負荷トルクが所定の基準負荷トルク以上の大きさであって、且つ、温度センサ３２によって検出された作動油の温度が所定の基準温度よりも低い場合に、目標吐出流量として、第３目標吐出流量を算出する。第３目標吐出流量は、目標負荷トルク設定部４１によって設定された目標負荷トルクとトルクセンサ３４によって検出された油圧ポンプ１４の負荷トルクとの差分を用いた演算結果に基づいて算出される吐出流量である。第３目標吐出流量は、以下の式（１）に基づいて算出される。

ここで、Ｑ（ｔ）は、目標吐出流量（吐出流量の指令値）である。Ｔ（ｔ）は、負荷トルクである。Ｋｐ（ｔ）は、比例ゲインである。Ｋｉ（ｔ）は、積分ゲインである。Ｋｄ（ｔ）は、微分ゲインである。ｅ（ｔ）は、目標負荷トルクＴｒ（ｔ）と負荷トルクＴ（ｔ）との差分（Ｔｒ（ｔ）−Ｔ（ｔ））である。Ｋｉｉ（ｔ）は、二重積分ゲインである。Σｅ（ｔ）は、二重積分値（二重積分器による算出結果）である。

比例ゲインＫｐ（ｔ）や、積分ゲインＫｉ（ｔ）、微分ゲインＫｄ（ｔ）は、例えば、一般化最少分散制御則（ＧＭＶＣ則）に基づいて算出される。二重積分ゲインＫｉｉ（ｔ）の算出については、後述する。

図４を参照しながら、第３吐出流量算出部４４３について説明する。図４は、第３吐出流量算出部４４３を示すブロック図である。

第３吐出流量算出部４４３は、ＰＩＤ制御器４４３１と、二重積分器４４３２と、二重積分ゲイン取得部４４３３とを備える。

ＰＩＤ制御器４４３１は、目標負荷トルク設定部４１によって設定された目標負荷トルクとトルクセンサ３４によって検出された油圧ポンプ１４の負荷トルクとの差分（上記のｅ（ｔ））を用いて、ＰＩＤ制御による演算を行うことにより、第１演算結果を算出する。ここで、ＰＩＤ制御器が行うＰＩＤ制御は、比例微分先行型のＰＩＤ制御である。ＰＩＤ制御器４４３１は、上記の式（１）のうち、第１項から第４項までの数式を用いて、第１演算結果を算出する。

二重積分器４４３２は、目標負荷トルク設定部４１によって設定された目標負荷トルクとトルクセンサ３４によって検出された油圧ポンプ１４の負荷トルクとの差分（上記のｅ（ｔ））を二重積分して、二重積分値（上記のΣｅ（ｔ））を算出する。

二重積分ゲイン取得部４４３３は、二重積分器４４３２による演算結果としての二重積分値に対して乗算される二重積分ゲイン（上記のＫｉｉ（ｔ））を取得する。

第３吐出流量算出部４４３は、二重積分ゲイン取得部４４３３が取得した二重積分ゲインを二重積分器４４３２が算出した二重積分値に対して乗算することで得られる第２演算結果を算出する。第２演算結果は、上記の式（１）のうち、第５項の数式を用いて算出される。そして、第３吐出流量算出部４４３は、このようにして算出された第２演算結果を、ＰＩＤ制御器４４３１による演算結果（第１演算結果）に加えることにより、第３目標吐出流量を算出する。

図５を参照しながら、二重積分ゲイン取得部４４３３について説明する。図５は、二重積分ゲイン取得部４４３３を示すブロック図である。

二重積分ゲイン取得部４４３３は、二重積分ゲイン算出部４４３４と、二重積分ゲイン選択部４４３５とを備える。

二重積分ゲイン算出部４４３４は、ポンプ圧センサ２８によって検出された作動油の圧力が所定の基準圧力以下の場合に、二重積分ゲインを算出する。基準圧力は、例えば、リリーフ弁２６が動作しているときの圧力（リリーフ圧）であってもよいし、リリーフ圧付近の圧力（例えば、リリーフ圧の９７％の圧力）であってもよい。

二重積分ゲイン算出部４４３４は、ポンプ圧センサ２８によって検出された作動油の圧力がＰ２以上であって且つＰ１以下である場合、以下の式（２）を用いて、二重積分ゲインを算出する。なお、Ｐ１は、上記基準圧力である。Ｐ２は、リリーフ弁２６が動作していないときの圧力（例えば、リリーフ圧の７０％の圧力）である。

上記の式（２）において、Ｋ_ＩＩ１は、圧力がＰ１のときの二重積分ゲインである。Ｋ_ＩＩ２は、圧力がＰ２のときの二重積分ゲインである。

なお、圧力がＰ２よりも低い場合、二重積分ゲイン算出部４４３４は、二重積分ゲインとして、Ｋ_ＩＩ２を算出する。

上記の二重積分ゲインＫ_ＩＩ１及びＫ_ＩＩ２は、例えば、一般化最少分散制御則（ＧＭＶＣ則）に基づいて算出される。

二重積分ゲイン選択部４４３５は、ポンプ圧センサ２８によって検出された作動油の圧力が所定の基準圧力よりも高い場合に、所定の二重積分ゲインを選択する。所定の二重積分ゲインは、例えば、ゼロである。

図６を参照しながら、コントローラ４０による油圧ポンプ１４の動作制御について説明する。図６は、油圧ポンプ１４の動作制御を示すフローチャートである。

コントローラ４０は、先ず、ステップＳ１１において、目標負荷トルク設定部４１によって設定された目標負荷トルクが所定の基準負荷トルク以上であるか否かを判定する。

目標負荷トルクが基準負荷トルクよりも小さい場合（ステップＳ１１：ＮＯ）、コントローラ４０は、ステップＳ１２において、第１目標吐出流量を算出する。その後、コントローラ４０は、後述するステップＳ１９以降の処理を実行する。具体的には、ステップＳ１２で算出した第１目標吐出流量に基づいて、レギュレータ１６を駆動する。

目標負荷トルクが基準負荷トルク以上である場合（ステップＳ１１：ＹＥＳ）、コントローラ４０は、ステップＳ１３において、温度センサ３２によって検出された作動油の温度が所定の基準温度以上であるか否かを判定する。

作動油の温度が基準温度以上である場合（ステップＳ１３：ＹＥＳ）、コントローラ４０は、ステップＳ１４において、第２目標吐出流量を算出する。その後、コントローラ４０は、後述するステップＳ１９以降の処理を実行する。具体的には、ステップＳ１４で算出した第２目標吐出流量に基づいて、レギュレータ１６を駆動する。

作動油の温度が基準温度よりも低い場合（ステップＳ１３：ＮＯ）、コントローラ４−は、ステップＳ１５において、ポンプ圧センサ２８によって検出されたポンプ圧が所定の基準圧力以上であるか否かを判定する。

ポンプ圧が基準圧力よりも低い場合（ステップＳ１５：ＮＯ）、コントローラ４０は、ステップＳ１６において、二重積分ゲインを算出する。続いて、コントローラ４０は、ステップＳ１７において、ステップＳ１６で算出した二重積分ゲインを用いて、第３目標吐出流量を算出する。続いて、コントローラ４０は、ステップＳ１８において、ステップＳ１７で算出した第３目標吐出流量に基づいて、レギュレータ１６を駆動する。その後、コントローラ４０は、油圧ポンプ１４の動作制御を終了する。

ポンプ圧が基準圧力以上である場合（ステップＳ１５：ＹＥＳ）、コントローラ４０は、ステップＳ１９において、所定の二重積分ゲインを選択する。続いて、コントローラ４０は、ステップＳ１７以降の処理を実行する。具体的には、ステップＳ１９で選択した二重積分ゲインを用いて第３目標吐出流量を算出し、当該第３目標吐出流量に基づいて、レギュレータ１６を駆動する。

このような作業機械１０においては、目標負荷トルク設定部４１によって設定された目標負荷トルクが所定の基準負荷トルク以上の大きさであって、且つ、温度センサ３２によって検出された作動油の温度が所定の基準温度よりも低い場合（つまり、作動油の粘性が高い状態であるにも関わらず、大きな負荷トルクが必要になる場合）に、目標吐出流量として、第３目標吐出流量が算出される。第３目標吐出流量を算出する際には、ＰＩＤ制御器４４３１による算出結果（第１算出結果）と、二重積分器４４３２による二重積分値を用いた算出結果（第２算出結果）とが用いられる。

ここで、ＰＩＤ制御器４４３１は、動的制御器として機能する。そのため、静的制御器を用いるＰＱ制御と比べて、作動油の粘性が高い状況であっても、流量指令に対する油圧ポンプの応答遅れを回避することができる。

また、第３目標吐出流量を算出するときには、二重積分器４４３２による二重積分値を用いているので、油圧ポンプ１４の負荷トルクを目標負荷トルクへ追従させやすくなる。その結果、油圧ポンプ１４の負荷トルクを確保することができる。

加えて、作業機械１０においては、リリーフ弁２６の作動状態に応じて、第２算出結果を算出するときに用いる二重積分ゲインを異ならせている。そのため、より適切な第３目標吐出流量を算出することができる。その理由は、以下のとおりである。

作業機械１０では、リリーフ弁２６の作動状態に応じて、油圧システムの特性が変動する。具体的には、リリーフ弁２６が作動している状態では、油圧システムを構成する配管の内部の圧力が一定になるので、作業機械１０の油圧システムは、一次遅れ＋むだ時間系のシステムとして扱うことができる。これに対して、リリーフ弁２６が作動していない状態では、作業機械１０の油圧システムは、微分要素を含むシステムとなる。なお、システムが微分要素を含むのは、油圧アクチュエータ２０の動きが加速しているときに限定される。つまり、作業機械１０の油圧システムは、区分的に微分要素を有するシステムである。

作業機械１０においては、リリーフ弁２６が作動しているときに、二重積分ゲイン選択部４４３５によって選択された所定の二重積分ゲインを用いる。これに対して、リリーフ弁２６が作動していないときには、二重積分ゲイン算出部４４３４によって算出された二重積分ゲインを用いる。つまり、作業機械１０においては、油圧システムの特性に応じて、第３目標吐出流量（具体的には、第２算出結果）を算出する際に用いる二重積分ゲインを異ならせている。そのため、より適切な第３目標吐出流量を算出することができる。

ここで、二重積分ゲイン選択部４４３５によって選択される所定の二重積分ゲインがゼロである場合、リリーフ弁２６が作動していない状態では、第３目標吐出流量を算出するときに、第１算出結果のみが用いられる。そのため、より適切な第３目標吐出流量を算出することができる。

［実施の形態の応用例１］
図７を参照しながら、本発明の実施の形態の応用例１について説明する。図７は、応用例１で採用される吐出流量算出部４４Ａを示すブロック図である。

応用例１では、上記実施の形態と比べて、吐出流量算出部４４の代わりに、吐出流量算出部４４Ａが採用されている点で異なる。吐出流量算出部４４Ａは、吐出流量算出部４４と比べて、算出結果リセット部４４４を備える点で異なる。

算出結果リセット部４４４は、第１吐出流量算出部４４１又は第２吐出流量算出部４４２による目標吐出流量の算出が行われる場合に、二重積分器４４３２による算出結果（二重積分値）をリセットする。

図８を参照しながら、応用例１における油圧ポンプ１４の動作制御について説明する。図８は、応用例１における油圧ポンプ１４の動作制御を示すフローチャートである。

応用例１における油圧ポンプ１４の動作制御は、上記実施の形態における油圧ポンプ１４の動作制御と比べて、ステップＳ１２における第１目標吐出流量の算出及びステップＳ１４における第２目標吐出流量の算出の何れかが行われた後であって、且つ、ステップＳ１８におけるレギュレータ１６の駆動が行われる前に、二重積分器４４３２による算出結果（二重積分値）をリセットする（ステップＳ２０）点でのみ異なる。

このような応用例１においても、上記実施の形態と同様な効果を得ることができる。

加えて、上記の応用例１では、第３吐出流量算出部４４３による目標吐出流量の算出（第３目標吐出流量の算出）が行われない場合に、二重積分器４４３２による算出結果（二重積分値）をリセットする。そのため、二重積分器４４３２による算出結果（二重積分値）が蓄積され続けるのを防ぐことができる。その結果、次回の第３吐出流量算出部４４３による目標吐出流量の算出（第３目標吐出流量の算出）が行われるときに、適切な目標吐出流量を算出することができる。

［実施の形態の応用例２］
図９を参照しながら、本発明の実施の形態の応用例２について説明する。図９は、応用例２で採用される第３吐出流量算出部４４３Ａを示すブロック図である。

応用例２では、上記実施の形態と比べて、第３吐出流量算出部４４３の代わりに、第３吐出流量算出部４４３Ａが採用されている点で異なる。第３吐出流量算出部４４３Ａは、第３吐出流量算出部４４３と比べて、制御ゲイン算出部４４３６を備える点で異なる。

制御ゲイン算出部４４３６は、ポンプ圧センサ２８によって検出されたポンプ圧に応じて、比例ゲイン、積分ゲイン及び微分ゲインを算出する。

比例ゲインは、ポンプ圧センサ２８によって検出されたポンプ圧がＰ２以上であって且つＰ１以下である場合に、以下の式（３）を用いて、算出される。

ここで、Ｋ_Ｐ１は、圧力がＰ１のときの比例ゲインである。Ｋ_Ｐ２は、圧力がＰ２のときの比例ゲインである。

なお、圧力がＰ２よりも低い場合、制御ゲイン算出部４４３６は、比例ゲインとして、Ｋ_Ｐ２を算出する。圧力がＰ１よりも高い場合、制御ゲイン算出部４４３６は、比例ゲインとして、Ｋ_Ｐ１を算出する。

上記の比例ゲインＫ_Ｐ１及びＫ_Ｐ２は、例えば、一般化最少分散制御則（ＧＭＶＣ則）に基づいて算出される。

積分ゲインは、ポンプ圧センサ２８によって検出されたポンプ圧がＰ２以上であって且つＰ１以下である場合に、以下の式（４）を用いて、算出される。

ここで、Ｋ_Ｉ１は、圧力がＰ１のときの積分ゲインである。Ｋ_Ｉ２は、圧力がＰ２のときの積分ゲインである。

なお、圧力がＰ２よりも低い場合、制御ゲイン算出部４４３６は、積分ゲインとして、Ｋ_Ｉ２を算出する。圧力がＰ１よりも高い場合、制御ゲイン算出部４４３６は、積分ゲインとして、Ｋ_Ｉ１を算出する。

上記の積分ゲインＫ_Ｉ１及びＫ_Ｉ２は、例えば、一般化最少分散制御則（ＧＭＶＣ則）に基づいて算出される。

微分ゲインは、ポンプ圧センサ２８によって検出されたポンプ圧がＰ２以上であって且つＰ１以下である場合に、以下の式（５）を用いて、算出される。

ここで、Ｋ_Ｄ１は、圧力がＰ１のときの微分ゲインである。Ｋ_Ｄ２は、圧力がＰ２のときの微分ゲインである。

なお、圧力がＰ２よりも低い場合、制御ゲイン算出部４４３６は、微分ゲインとして、Ｋ_Ｄ２を算出する。圧力がＰ１よりも高い場合、制御ゲイン算出部４４３６は、微分ゲインとして、Ｋ_Ｄ１を算出する。

上記の微分ゲインＫ_Ｄ１及びＫ_Ｄ２は、例えば、一般化最少分散制御則（ＧＭＶＣ則）に基づいて算出される。

図１０を参照しながら、応用例２における油圧ポンプ１４の動作制御について説明する。図１０は、応用例２における油圧ポンプ１４の動作制御を示すフローチャートである。

応用例２における油圧ポンプ１４の動作制御は、上記実施の形態における油圧ポンプ１４の動作制御と比べて、ステップＳ１６における二重積分ゲインの算出及びステップＳ１９における二重積分ゲインの選択の何れかが行われた後であって、且つ、ステップＳ１７における第３目標吐出流量の算出が行われる前に、ポンプ圧センサ２８によって検出されたポンプ圧に応じて、比例ゲイン、積分ゲイン及び微分ゲインを算出する（ステップＳ２１）点でのみ異なる。

このような応用例２においても、上記実施の形態と同様な効果を得ることができる。

加えて、上記応用例２では、ポンプ圧センサ２８によって検出されたポンプ圧に応じて、比例ゲイン、積分ゲイン及び微分ゲインを算出する。そのため、より適切な第３目標吐出流量を算出することができる。

［実施の形態の応用例３］
図１１を参照しながら、本発明の実施の形態の応用例３について説明する。図１１は、応用例３で採用されるコントローラ４０を示すブロック図である。

応用例３では、上記実施の形態と比べて、コントローラ４０の代わりに、コントローラ４０Ａが採用されている点で異なる。コントローラ４０Ａは、コントローラ４０と比べて、吐出流量推定部４７及び負荷トルク取得部４８を備える点で異なる。

吐出流量推定部４７は、温度センサ３２によって検出された作動油の温度に応じて、油圧ポンプ１４の吐出流量を推定する。具体的には、以下のとおりである。

先ず、油圧ポンプ１４の吐出流量が目標吐出流量に到達するまでの時間的な遅れ要素を作動油の温度ごとに予め設定しておく。例えば、実際に測定した遅れ時間（油圧ポンプ１４の吐出流量が目標吐出流量に到達するまでの時間）と作動油の温度との関係を記憶装置（図示せず）に保存しておく。そして、温度センサ３２によって検出された作動油の温度に応じた遅れ時間を用いて、油圧ポンプ１４の吐出流量を推定する。油圧ポンプ１４の吐出流量の推定には、例えば、一次遅れ近似が用いられる。

負荷トルク取得部４８は、吐出流量推定部４７によって推定された油圧ポンプ１４の吐出流量とポンプ圧センサ２８によって検出されたポンプ圧とを乗算することで得られる算出結果に基づいて、油圧ポンプ１４の負荷トルクを取得する。つまり、応用例３では、負荷トルク取得部４８が、負荷トルク取得装置として機能する。そのため、応用例３では、トルクセンサ３４は不要になる。

このような応用例３においても、上記実施の形態と同様な効果を得ることができる。

加えて、応用例３では、トルクセンサ３４がなくても、油圧ポンプ１４の負荷トルクを取得することができる。

本発明の実施の形態による作業機械としての油圧ショベルが備える油圧システムの低温状態での動作制御について、シミュレーションを行った。具体的には、油圧ショベルの上部旋回体が下部走行体に対して旋回するときの油圧ポンプの負荷トルクを一定にする動作制御について、シミュレーションを行った（実施例）。その際、リリーフ弁が開いた状態と、リリーフ弁が閉じた状態との各々について、以下の表１に示すように、比例ゲイン、積分ゲイン、二重積分ゲイン及び微分ゲインを設定した。なお、これらのゲインを算出する際には、一般化最小分散制御則（ＧＭＶＣ則）による算出結果と、後述する比較例２の制御ゲインを用いた。

油圧ポンプの負荷トルクについてのシミュレーション結果を、図１２Ａに示す。油圧ポンプの吐出流量についてのシミュレーション結果を、図１２Ｂに示す。ポンプ圧（油圧ポンプから吐出された作動油の圧力）についてのシミュレーション結果を、図１２Ｃに示す。なお、図１２Ａでは、目標負荷トルクＴｒ（ｔ）を破線で示している。

また、比較のために、油圧ショベルの上部旋回体が下部走行体に対して旋回するときの油圧ポンプの負荷トルクを一定にする動作制御として、ＰＱ制御による場合（比較例１）と、ＰＩＤ制御による場合（比較例２）とについても、シミュレーションを行った。比較例１のシミュレーション結果を、図１３Ａ、図１３Ｂ及び図１３Ｃに示す。比較例２のシミュレーション結果を、図１４Ａ、図１４Ｂ及び図１４Ｃに示す。

実施例は、比較例１と比べて、流量指令に対する油圧ポンプの応答遅れに起因するハンチングを抑制できることを確認できた。また、実施例は、比較例２と比べて、油圧ポンプの負荷トルクの目標負荷トルクに対する追従性が向上することにより、油圧ポンプの負荷トルクを確保することができるようになることを確認できた。

以上、本発明の実施の形態について詳述してきたが、これらはあくまでも例示であって、本発明は、上述の実施の形態の記載によって、何等、限定的に解釈されるものではない。

本発明において、作業機械は、所定の作業を行うことができるものであれば、特に限定されない。作業機械は、例えば、自走式の作業機械である。自走式の作業機械は、例えば、下部走行体と上部旋回体とを備える。作業機械は、例えば、油圧式の作業機械である。油圧式の作業機械は、例えば、油圧ショベルである。

本発明において、作業機械は、有人運転されるものであってもよいし、無人運転されるものであってもよい。

本発明において、負荷トルク取得装置は、油圧ポンプの負荷トルクを取得するものであれば、特に限定されない。負荷トルクは、直接検出して取得してもよいし、測定データから推測することで取得してもよい。

１０ 作業機械
１２ エンジン
１４ 油圧ポンプ
１６ レギュレータ
２０ 油圧アクチュエータ
２４Ａ 操作レバー
２８ ポンプ圧センサ
３２ 温度センサ
３４ トルクセンサ
４０ コントローラ
４１ 目標負荷トルク設定部
４２ 目標負荷トルク判定部
４３ 検出温度判定部
４４ 吐出流量算出部
４４１ 第１吐出流量算出部
４４２ 第２吐出流量算出部
４４３ 第３吐出流量算出部
４４３１ ＰＩＤ制御器
４４３２ 二重積分器
４４３３ 二重積分ゲイン取得部
４４３６ 制御ゲイン算出部
４４４ 算出結果リセット部
４５ レギュレータ制御部
４６ 検出圧力判定部
４７ 吐出流量推定部

Claims (5)

1. 作業機械であって、
   エンジンと、
   前記エンジンによって駆動される油圧ポンプと、
   前記油圧ポンプが吐出する作動油によって駆動される油圧アクチュエータと、
   前記油圧ポンプの吐出流量を調整するポンプレギュレータと、
   前記作業機械のオペレータが前記油圧アクチュエータを駆動するために操作する操作装置と、
   前記作動油の温度を検出する温度検出装置と、
   前記油圧ポンプによって吐出された前記作動油の圧力を検出する油圧検出装置と、
   前記油圧ポンプの負荷トルクを取得する負荷トルク取得装置と、
   前記ポンプレギュレータの動作を制御することにより、前記油圧ポンプの動作を制御する制御装置とを備え、
   前記制御装置は、
   前記操作装置の操作量に応じて、前記油圧ポンプの目標負荷トルクを設定する目標負荷トルク設定部と、
   前記目標負荷トルクが所定の基準負荷トルクよりも小さいか否かを判定する目標負荷トルク判定部と、
   前記温度検出装置によって検出された前記作動油の温度が所定の基準温度よりも低いか否かを判定する検出温度判定部と、
   前記油圧ポンプの目標吐出流量を算出する吐出流量算出部と、
   前記油圧ポンプの吐出流量が前記目標吐出流量となるように、前記ポンプレギュレータの動作を制御するレギュレータ制御部とを含み、
   前記吐出流量算出部は、前記目標吐出流量として、
   前記目標負荷トルクが前記所定の基準負荷トルクよりも小さい場合には、前記負荷トルクが前記目標負荷トルクとなるような第１目標吐出流量を算出し、
   前記目標負荷トルクが前記所定の基準負荷トルク以上の大きさであって、且つ、前記作動油の温度が前記所定の基準温度以上である場合には、前記油圧検出装置によって検出された前記作動油の圧力に応じて、前記負荷トルクが前記所定の基準負荷トルクとなるような第２目標吐出流量を算出し、
   前記目標負荷トルクが前記所定の基準負荷トルク以上の大きさであって、且つ、前記作動油の温度が前記所定の基準温度よりも低い場合には、前記目標負荷トルクと前記負荷トルク取得装置によって取得された前記負荷トルクとの差分を用いた比例微分先行型のＰＩＤ制御と、前記差分の二重積分とに基づいて、前記負荷トルクが前記所定の基準負荷トルクとなるような第３目標吐出流量を算出する、作業機械。
2. 請求項１に記載の作業機械であって、
   前記吐出流量算出部は、
   前記比例微分先行型のＰＩＤ制御による演算を行うＰＩＤ制御器と、
   前記二重積分を行う二重積分器と、
   前記二重積分を行うことで得られる二重積分値に乗算される二重積分ゲインを取得する二重積分ゲイン取得部とを含み、
   前記二重積分ゲイン取得部は、前記油圧検出装置によって検出された前記作動油の圧力に応じて、前記二重積分ゲインを取得する、作業機械。
3. 請求項１又は２に記載の作業機械であって、
   前記吐出流量算出部は、さらに、
   前記油圧検出装置によって検出された前記作動油の油圧に応じて、前記比例微分先行型のＰＩＤ制御に用いられる制御ゲインを算出する制御ゲイン算出部を含む、作業機械。
4. 請求項１〜３の何れか１項に記載の作業機械であって、
   前記吐出流量算出部は、さらに、
   前記第１目標吐出流量及び前記第２目標吐出流量の何れかを算出する場合に、前記二重積分の結果をリセットする算出結果リセット部を含む、作業機械。
5. 請求項１〜４の何れか１項に記載の作業機械であって、
   前記制御装置は、さらに、
   前記温度検出装置によって検出された作動油の温度に応じて、前記油圧ポンプの吐出流量を推定する吐出流量推定部を含み、
   前記負荷トルク取得装置は、前記吐出流量推定部によって推定された前記油圧ポンプの吐出流量と前記油圧検出装置によって検出された前記作動油の圧力とに基づいて、前記油圧ポンプの負荷トルクを取得する、作業機械。

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