JP2019143474A - Shovel - Google Patents

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Abstract

To provide a shovel which has control of preventing a delay of reduction in a discharge amount and preventing exceeding of a pump absorption torque from an engine output torque in quick rise of a discharge pressure of a hydraulic pump while keeping higher responsibility.SOLUTION: A shovel includes an arm cylinder, a hydraulic pump that supplies hydraulic oil to the arm cylinder and a controller 30 that controls the hydraulic pump, in which the controller 30 predicts a state amount in the future after a predetermined time based on an expansion and contraction velocity v of the arm cylinder.SELECTED DRAWING: Figure 5

Description

本発明は、油圧アクチュエータを有するショベルに関する。   The present invention relates to an excavator having a hydraulic actuator.

油圧ポンプの吐出圧の急上昇時におけるエンジン回転数の急減に起因する燃料噴射量の急増を防止する建設機械が知られている(特許文献1参照。)。   There is known a construction machine that prevents a rapid increase in fuel injection amount due to a rapid decrease in engine speed when the discharge pressure of a hydraulic pump suddenly increases (see Patent Document 1).

この建設機械は、油圧ポンプの吐出圧が変化しても油圧ポンプのポンプ吸収トルクがエンジン出力トルクを超えないように馬力制御を行う。具体的には、油圧ポンプの吐出圧が上昇した場合、吐出圧と吐出量の積で表されるポンプ吸収トルクが所定トルク(高トルク)となるように吐出量を低減させる。また、油圧ポンプの吐出圧の上昇速度が所定速度以上であると判断した場合には、所定トルクを低減させた上で、ポンプ吸収トルクが低減後の所定トルク(低トルク)となるように吐出量を低減させる。油圧ポンプの吐出圧の急上昇時に吐出量の低下が遅れてポンプ吸収トルクがエンジン出力トルクを上回ってしまうのを防止するためである。その結果、無駄な燃料消費を抑えるとともに油圧アクチュエータ等の操作性を向上させることができる。   This construction machine performs horsepower control so that the pump absorption torque of the hydraulic pump does not exceed the engine output torque even if the discharge pressure of the hydraulic pump changes. Specifically, when the discharge pressure of the hydraulic pump increases, the discharge amount is reduced so that the pump absorption torque represented by the product of the discharge pressure and the discharge amount becomes a predetermined torque (high torque). In addition, when it is determined that the rate of increase of the discharge pressure of the hydraulic pump is equal to or higher than the predetermined speed, the predetermined torque is reduced and the pump absorption torque is discharged so as to become the predetermined torque (low torque) after the reduction. Reduce the amount. This is to prevent the pump absorption torque from exceeding the engine output torque due to a delay in the decrease in the discharge amount when the discharge pressure of the hydraulic pump suddenly increases. As a result, wasteful fuel consumption can be suppressed and the operability of the hydraulic actuator and the like can be improved.

特開2005−54903号公報JP 2005-54903 A

しかしながら、上述の建設機械は応答遅れ時間の影響を受ける。   However, the construction machine described above is affected by the response delay time.

上述に鑑み、より高い応答性で制御可能なショベルを提供することが望ましい。   In view of the above, it is desirable to provide a shovel that can be controlled with higher responsiveness.

本発明の実施例に係るショベルは、油圧アクチュエータと、前記油圧アクチュエータに作動油を供給する可変容量式の油圧ポンプと、前記油圧アクチュエータの状態量に基づいて所定時間後の未来における状態量を予測する制御装置と、を備える。   An excavator according to an embodiment of the present invention predicts a state quantity in the future after a predetermined time based on a state quantity of a hydraulic actuator, a variable displacement hydraulic pump that supplies hydraulic oil to the hydraulic actuator, and a state quantity of the hydraulic actuator. A control device.

上述の手段により、より高い応答性で制御可能なショベルを提供することができる。   The above-described means can provide a shovel that can be controlled with higher responsiveness.

本発明の実施例に係る駆動システムを搭載するショベルの構成例を示す図である。It is a figure which shows the structural example of the shovel carrying the drive system which concerns on the Example of this invention. 本発明の実施例に係る駆動システムの構成例を示す概略図である。It is the schematic which shows the structural example of the drive system which concerns on the Example of this invention. ポンプ流量とネガコン圧との関係を示すネガコン制御線図である。It is a negative control chart showing the relationship between the pump flow rate and the negative control pressure. ポンプ流量とポンプ吐出圧との関係を示す馬力制御線図(PQ線図)である。It is a horsepower control diagram (PQ diagram) showing the relationship between pump flow rate and pump discharge pressure. 制御システムの構成例を示す機能ブロック図である。It is a functional block diagram which shows the structural example of a control system. ポンプ吐出圧、押し退け容積、及びポンプ吸収トルクの時間的推移を示す図である。It is a figure which shows the time transition of pump discharge pressure, displacement volume, and pump absorption torque.

以下、図面を参照しながら、本発明の好適な実施例について説明する。図1は、本発明の実施例に係る建設機械としてのショベルの構成例を示す。図1のショベルはクローラ式の下部走行体1の上に旋回機構2を介して上部旋回体3をX軸周りに旋回自在に搭載する。また、上部旋回体3は前方中央部に掘削アタッチメントを備える。掘削アタッチメントは、作業体としてのブーム4、アーム5、及びバケット6を含み、且つ、油圧アクチュエータとしてのブームシリンダ7、アームシリンダ8、及びバケットシリンダ9を含む。   Preferred embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. FIG. 1 shows a configuration example of a shovel as a construction machine according to an embodiment of the present invention. The excavator in FIG. 1 mounts an upper swing body 3 on a crawler type lower traveling body 1 via a swing mechanism 2 so as to be rotatable around the X axis. Further, the upper swing body 3 is provided with a drilling attachment in the front center portion. The excavation attachment includes a boom 4, an arm 5, and a bucket 6 as working bodies, and includes a boom cylinder 7, an arm cylinder 8, and a bucket cylinder 9 as hydraulic actuators.

また、ブームシリンダ7にはブームシリンダ7の伸縮状態を検出するブームストロークセンサ7sが取り付けられる。また、アームシリンダ8にはアームシリンダ8の伸縮状態を検出するアームストロークセンサ8sが取り付けられ、バケットシリンダ9にはバケットシリンダ9の伸縮状態を検出するバケットストロークセンサ9sが取り付けられる。なお、ストロークセンサの少なくとも1つは作業体の回動角度を検出する角度センサで置き換えられてもよい。   Further, a boom stroke sensor 7 s for detecting the expansion / contraction state of the boom cylinder 7 is attached to the boom cylinder 7. Further, an arm stroke sensor 8 s for detecting the expansion / contraction state of the arm cylinder 8 is attached to the arm cylinder 8, and a bucket stroke sensor 9 s for detecting the expansion / contraction state of the bucket cylinder 9 is attached to the bucket cylinder 9. At least one of the stroke sensors may be replaced with an angle sensor that detects the rotation angle of the work body.

図2は、本発明の実施例に係る駆動システム100の概略図である。駆動システム100は、主に、エンジン11、油圧ポンプ14、コントロールバルブ17、及びコントローラ30を含む。   FIG. 2 is a schematic diagram of a drive system 100 according to an embodiment of the present invention. The drive system 100 mainly includes an engine 11, a hydraulic pump 14, a control valve 17, and a controller 30.

油圧ポンプ14はエンジン11によって駆動される。本実施例では、油圧ポンプ14は、1回転当たりの吐出量(押し退け容積)を可変とする可変容量型斜板式油圧ポンプである。押し退け容積はポンプレギュレータ14aによって制御される。具体的には、油圧ポンプ14は、ポンプレギュレータ14aLによって押し退け容積が制御される第1油圧ポンプ14L、及び、ポンプレギュレータ14aRによって押し退け容積が制御される第2油圧ポンプ14Rを含む。また、本実施例では、油圧ポンプ14の回転軸は、エンジン11の回転軸に連結されてエンジン11の回転速度と同じ回転速度で回転する。なお、油圧ポンプ14の回転軸はフライホイールに連結され、エンジン出力トルクが変動したときの回転速度の変動を抑制する。   The hydraulic pump 14 is driven by the engine 11. In the present embodiment, the hydraulic pump 14 is a variable displacement swash plate hydraulic pump that can vary the discharge amount per one rotation (push-out volume). The displacement volume is controlled by the pump regulator 14a. Specifically, the hydraulic pump 14 includes a first hydraulic pump 14L whose displacement is controlled by a pump regulator 14aL and a second hydraulic pump 14R whose displacement is controlled by a pump regulator 14aR. In this embodiment, the rotation shaft of the hydraulic pump 14 is connected to the rotation shaft of the engine 11 and rotates at the same rotation speed as the rotation speed of the engine 11. Note that the rotation shaft of the hydraulic pump 14 is connected to the flywheel, and suppresses fluctuations in the rotation speed when the engine output torque fluctuates.

エンジン11はショベルの駆動源である。本実施例では、エンジン11は、過給機としてのターボチャージャーと燃料噴射装置とを備えるディーゼルエンジンであり、上部旋回体3に搭載される。なお、エンジン11は、過給機としてスーパーチャージャーを備えていてもよい。   The engine 11 is a shovel drive source. In this embodiment, the engine 11 is a diesel engine including a turbocharger as a supercharger and a fuel injection device, and is mounted on the upper swing body 3. The engine 11 may include a supercharger as a supercharger.

コントロールバルブ17は、油圧ポンプ14が吐出する作動油を各種油圧アクチュエータに供給する油圧制御機構である。本実施例では、コントロールバルブ17は、制御弁171L、171R、172L、172R、173L、173R、174R、175L、175Rを含む。また、油圧アクチュエータは、左側走行用油圧モータ2L、右側走行用油圧モータ2R、ブームシリンダ7、アームシリンダ8、バケットシリンダ9、旋回用油圧モータ21を含む。   The control valve 17 is a hydraulic control mechanism that supplies hydraulic oil discharged from the hydraulic pump 14 to various hydraulic actuators. In this embodiment, the control valve 17 includes control valves 171L, 171R, 172L, 172R, 173L, 173R, 174R, 175L, 175R. The hydraulic actuator includes a left traveling hydraulic motor 2L, a right traveling hydraulic motor 2R, a boom cylinder 7, an arm cylinder 8, a bucket cylinder 9, and a turning hydraulic motor 21.

具体的には、油圧ポンプ14Lは、制御弁171L、172L、173L、及び175Lを連通するセンターバイパス管路40Lを経て作動油タンク22まで作動油を循環させる。同様に、油圧ポンプ14Rは、制御弁171R、172R、173R、174R、及び175Rを連通するセンターバイパス管路40Rを経て作動油タンク22まで作動油を循環させる。   Specifically, the hydraulic pump 14L circulates the hydraulic oil to the hydraulic oil tank 22 through the center bypass conduit 40L that communicates the control valves 171L, 172L, 173L, and 175L. Similarly, the hydraulic pump 14R circulates the hydraulic oil to the hydraulic oil tank 22 through the center bypass conduit 40R that communicates the control valves 171R, 172R, 173R, 174R, and 175R.

制御弁171Lは、左側走行用油圧モータ2Lと油圧ポンプ14Lとの間の作動油の流量及び流れ方向を制御するスプール弁である。   The control valve 171L is a spool valve that controls the flow rate and flow direction of hydraulic fluid between the left-side traveling hydraulic motor 2L and the hydraulic pump 14L.

制御弁171Rは、走行直進弁としてのスプール弁である。制御弁171Rは、下部走行体2の直進性を高めるべく油圧ポンプ14Lから左側走行用油圧モータ2L及び右側走行用油圧モータ2Rのそれぞれに作動油が供給されるように作動油の流れを切り換える。具体的には、左側走行用油圧モータ2L及び右側走行用油圧モータ2Rと他の何れかの油圧アクチュエータとが同時に操作された場合、油圧ポンプ14Lは、左側走行用油圧モータ2L及び右側走行用油圧モータ2Rの双方に作動油を供給する。なお、それ以外の場合には、油圧ポンプ14Lが左側走行用油圧モータ2Lに作動油を供給し、油圧ポンプ14Rが右側走行用油圧モータ2Rに作動油を供給する。   The control valve 171R is a spool valve as a traveling straight valve. The control valve 171R switches the flow of hydraulic fluid so that hydraulic fluid is supplied from the hydraulic pump 14L to the left traveling hydraulic motor 2L and the right traveling hydraulic motor 2R, respectively, in order to improve the straight traveling performance of the lower traveling body 2. Specifically, when the left traveling hydraulic motor 2L and the right traveling hydraulic motor 2R and any of the other hydraulic actuators are operated simultaneously, the hydraulic pump 14L includes the left traveling hydraulic motor 2L and the right traveling hydraulic pressure. Hydraulic fluid is supplied to both motors 2R. In other cases, the hydraulic pump 14L supplies hydraulic oil to the left traveling hydraulic motor 2L, and the hydraulic pump 14R supplies hydraulic oil to the right traveling hydraulic motor 2R.

制御弁172Lは、旋回用油圧モータ21と油圧ポンプ14Lとの間の作動油の流量及び流れ方向を制御するスプール弁である。   The control valve 172L is a spool valve that controls the flow rate and flow direction of hydraulic fluid between the turning hydraulic motor 21 and the hydraulic pump 14L.

制御弁172Rは、右側走行用油圧モータ2Rと油圧ポンプ14L、14Rとの間の作動油の流量及び流れ方向を制御するスプール弁である。   The control valve 172R is a spool valve that controls the flow rate and flow direction of the hydraulic oil between the right-side traveling hydraulic motor 2R and the hydraulic pumps 14L and 14R.

制御弁173L、173Rはそれぞれ、ブームシリンダ7と油圧ポンプ14L、14Rとの間の作動油の流量及び流れ方向を制御するスプール弁である。なお、制御弁173Rは操作装置としてのブーム操作レバーが操作された場合に作動し、制御弁173Lはブーム操作レバーが所定のレバー操作量以上でブーム上げ方向に操作された場合に作動する。   The control valves 173L and 173R are spool valves that control the flow rate and flow direction of hydraulic fluid between the boom cylinder 7 and the hydraulic pumps 14L and 14R, respectively. The control valve 173R operates when a boom operation lever as an operation device is operated, and the control valve 173L operates when the boom operation lever is operated in the boom raising direction with a predetermined lever operation amount or more.

制御弁174Rは、油圧ポンプ14Rとバケットシリンダ9との間の作動油の流量及び流れ方向を制御するスプール弁である。   The control valve 174 </ b> R is a spool valve that controls the flow rate and flow direction of hydraulic oil between the hydraulic pump 14 </ b> R and the bucket cylinder 9.

制御弁175L、175Rはそれぞれ、アームシリンダ8と油圧ポンプ14L、14Rとの間の作動油の流量及び流れ方向を制御するスプール弁である。なお、制御弁175Lは操作装置としてのアーム操作レバーが操作された場合に作動し、制御弁175Rはアーム操作レバーが所定のレバー操作量以上で操作された場合に作動する。   The control valves 175L and 175R are spool valves that control the flow rate and flow direction of hydraulic fluid between the arm cylinder 8 and the hydraulic pumps 14L and 14R, respectively. The control valve 175L operates when an arm operation lever as an operation device is operated, and the control valve 175R operates when the arm operation lever is operated at a predetermined lever operation amount or more.

センターバイパス管路40L、40Rはそれぞれ、最も下流にある制御弁175L、175Rと作動油タンク22との間にネガティブコントロール絞り40L、40Rを備える。以下では、ネガティブコントロールを「ネガコン」と略称する。ネガコン絞り41L、41Rは、油圧ポンプ14L、14Rが吐出する作動油の流れを制限することにより、ネガコン絞り41L、41Rの上流でネガコン圧を発生させる。   The center bypass pipelines 40L and 40R are respectively provided with negative control throttles 40L and 40R between the control valves 175L and 175R located on the most downstream side and the hydraulic oil tank 22. Hereinafter, the negative control is abbreviated as “negative control”. The negative control throttles 41L and 41R generate negative control pressure upstream of the negative control throttles 41L and 41R by restricting the flow of hydraulic oil discharged from the hydraulic pumps 14L and 14R.

リリーフ弁19L、19Rは、ネガコン圧を所定のリリーフ圧以下に制限する弁である。本実施例では、リリーフ弁19L、19Rのそれぞれは、センターバイパス管路40L、40Rにおいてネガコン絞り41L、41Rに並列に接続される。   The relief valves 19L and 19R are valves that limit the negative control pressure to a predetermined relief pressure or less. In this embodiment, each of the relief valves 19L and 19R is connected in parallel to the negative control throttles 41L and 41R in the center bypass conduits 40L and 40R.

コントローラ30は、ショベルを制御する機能要素であり、例えば、CPU、RAM、ROM、NVRAM等を備えたコンピュータである。   The controller 30 is a functional element that controls the shovel, and is, for example, a computer including a CPU, RAM, ROM, NVRAM, and the like.

本実施例では、コントローラ30は、パイロット圧センサ(図示せず。)の出力に基づいて各種操作装置の操作内容(例えば、レバー操作の有無、レバー操作方向、レバー操作量等である。)を電気的に検出する。パイロット圧センサは、アーム操作レバー、ブーム操作レバー等の各種操作装置を操作した場合に発生するパイロット圧を測定する操作内容検出部の一例である。但し、操作内容検出部は、各種操作レバーの傾きを検出する傾きセンサ等、パイロット圧センサ以外のセンサを用いて構成されてもよい。   In this embodiment, the controller 30 determines the operation contents (for example, presence / absence of lever operation, lever operation direction, lever operation amount, etc.) of various operation devices based on the output of a pilot pressure sensor (not shown). Detect electrically. The pilot pressure sensor is an example of an operation content detection unit that measures a pilot pressure generated when various operation devices such as an arm operation lever and a boom operation lever are operated. However, the operation content detection unit may be configured using a sensor other than the pilot pressure sensor, such as an inclination sensor for detecting the inclination of various operation levers.

また、コントローラ30は、センサS1〜S4の出力に基づいて各種油圧アクチュエータの作動状況を電気的に検出する。   Further, the controller 30 electrically detects the operating status of various hydraulic actuators based on the outputs of the sensors S1 to S4.

圧力センサS1、S2は、ネガコン絞り41L、41Rの上流で発生したネガコン圧を検出し、検出した値を電気的なネガコン圧信号としてコントローラ30に対して出力する。   The pressure sensors S1 and S2 detect the negative control pressure generated upstream of the negative control throttles 41L and 41R, and output the detected value to the controller 30 as an electrical negative control pressure signal.

圧力センサS3、S4は、油圧ポンプ14L、14Rの吐出圧を検出し、検出した値を電気的な吐出圧信号としてコントローラ30に対して出力する。   The pressure sensors S3 and S4 detect the discharge pressures of the hydraulic pumps 14L and 14R, and output the detected values to the controller 30 as electrical discharge pressure signals.

エンジン回転数設定ダイアル75は、エンジンの回転数を設定するためのダイヤルであり、例えば、操作者がエンジン回転数を複数段階で切り換えできるようにキャビン内に設けられる。   The engine speed setting dial 75 is a dial for setting the engine speed, and is provided in the cabin so that the operator can switch the engine speed in a plurality of stages, for example.

そして、コントローラ30は、各種操作装置の操作内容及び各種油圧アクチュエータの作動状況に応じて各種機能要素に対応するプログラムをCPUに実行させる。   Then, the controller 30 causes the CPU to execute programs corresponding to the various functional elements according to the operation contents of the various operation devices and the operating states of the various hydraulic actuators.

次に、図3を参照してコントローラ30がネガコン圧に応じて油圧ポンプ14の吐出量を制御する処理について説明する。なお、図3は、油圧ポンプ14の吐出量(以下、「ポンプ流量」とする。)とネガコン圧との関係を示すネガコン制御線図であり、縦軸にポンプ流量を配し、横軸にネガコン圧を配する。   Next, a process in which the controller 30 controls the discharge amount of the hydraulic pump 14 according to the negative control pressure will be described with reference to FIG. FIG. 3 is a negative control diagram showing the relationship between the discharge amount of the hydraulic pump 14 (hereinafter referred to as “pump flow rate”) and the negative control pressure. The vertical axis indicates the pump flow rate and the horizontal axis indicates the relationship. Distribute negative control pressure.

本実施例では、コントローラ30は、ポンプレギュレータ14aLに対する制御電流を増減させて油圧ポンプ14Lの斜板傾転角を増減させることで油圧ポンプ14Lの押し退け容積を増減させる。例えば、コントローラ30は、ネガコン圧が低いほど制御電流を増大させて油圧ポンプ14Lの押し退け容積を増大させる。なお、以下では、油圧ポンプ14Lの押し退け容積について説明するが、油圧ポンプ14Rの押し退け容積についても同様の説明が適用される。   In this embodiment, the controller 30 increases or decreases the displacement of the hydraulic pump 14L by increasing or decreasing the control current for the pump regulator 14aL to increase or decrease the swash plate tilt angle of the hydraulic pump 14L. For example, the controller 30 increases the control current as the negative control pressure is lower to increase the displacement volume of the hydraulic pump 14L. In the following, the displacement volume of the hydraulic pump 14L will be described, but the same description applies to the displacement volume of the hydraulic pump 14R.

具体的には、油圧ポンプ14Lが吐出する作動油は、センターバイパス管路40Lを通ってネガコン絞り41Lに至り、ネガコン絞り41Lの上流でネガコン圧を発生させる。   Specifically, the hydraulic oil discharged from the hydraulic pump 14L passes through the center bypass conduit 40L, reaches the negative control throttle 41L, and generates a negative control pressure upstream of the negative control throttle 41L.

例えば、アームシリンダ8を作動させるために制御弁175Lが動くと、油圧ポンプ14Lが吐出する作動油は制御弁175Lを介してアームシリンダ8に流れ込む。そのため、ネガコン絞り41Lに至る量が減少或いは消滅し、ネガコン絞り41Lの上流で発生するネガコン圧は低下する。   For example, when the control valve 175L moves to operate the arm cylinder 8, the hydraulic oil discharged from the hydraulic pump 14L flows into the arm cylinder 8 via the control valve 175L. Therefore, the amount reaching the negative control throttle 41L decreases or disappears, and the negative control pressure generated upstream of the negative control throttle 41L decreases.

コントローラ30は、圧力センサS1で検出したネガコン圧の低下に応じてポンプレギュレータ14aLに対する制御電流を増大させる。ポンプレギュレータ14aLは、コントローラ30からの制御電流の増大に応じ、油圧ポンプ14Lの斜板傾転角を増大させて押し退け容積を増大させる。その結果、アームシリンダ8に十分な作動油が供給され、アームシリンダ8は適切に駆動される。   The controller 30 increases the control current for the pump regulator 14aL according to the decrease in the negative control pressure detected by the pressure sensor S1. The pump regulator 14aL increases the displacement volume by increasing the swash plate tilt angle of the hydraulic pump 14L according to the increase in the control current from the controller 30. As a result, sufficient hydraulic oil is supplied to the arm cylinder 8, and the arm cylinder 8 is appropriately driven.

その後、アームシリンダ8の作動を停止させるために制御弁175Lが中立位置に戻されると、油圧ポンプ14Lが吐出する作動油はアームシリンダ8に流れ込むことなくネガコン絞り41Lに至る。そのため、ネガコン絞り41Lに至る量が増加し、ネガコン絞り41Lの上流で発生するネガコン圧は増大する。   Thereafter, when the control valve 175L is returned to the neutral position in order to stop the operation of the arm cylinder 8, the hydraulic oil discharged from the hydraulic pump 14L reaches the negative control throttle 41L without flowing into the arm cylinder 8. Therefore, the amount reaching the negative control throttle 41L increases, and the negative control pressure generated upstream of the negative control throttle 41L increases.

コントローラ30は、圧力センサS1で検出したネガコン圧の増大に応じてポンプレギュレータ14aLに対する制御電流を低減させる。ポンプレギュレータ14aLは、コントローラ30からの制御電流の低減に応じ、油圧ポンプ14Lの斜板傾転角を低減させて押し退け容積を低減させる。その結果、ポンプ流量が減少し、油圧ポンプ14Lが吐出する作動油がセンターバイパス管路40Lを通過する際の圧力損失(ポンピングロス)が抑制される。   The controller 30 reduces the control current for the pump regulator 14aL according to the increase in the negative control pressure detected by the pressure sensor S1. The pump regulator 14aL reduces the displacement volume by reducing the tilt angle of the swash plate of the hydraulic pump 14L according to the reduction of the control current from the controller 30. As a result, the pump flow rate is reduced, and the pressure loss (pumping loss) when the hydraulic oil discharged from the hydraulic pump 14L passes through the center bypass conduit 40L is suppressed.

実線で表されるポンプ制御線は、ネガコン圧が減少するにつれてポンプ流量が増大する傾向を示す。以下では、上述のようなネガコン圧に基づくポンプ流量の制御を「ネガコン制御」と称する。ネガコン制御により、駆動システム100は、油圧アクチュエータを作動させない待機状態では無駄なエネルギ消費を抑制できる。油圧ポンプ14が吐出する作動油が発生させるポンピングロスを抑制できるためである。また、駆動システム100は、油圧アクチュエータを作動させる場合には、油圧ポンプ14から必要十分な作動油を油圧アクチュエータに供給できる。   A pump control line represented by a solid line shows a tendency that the pump flow rate increases as the negative control pressure decreases. Hereinafter, the control of the pump flow rate based on the negative control pressure as described above is referred to as “negative control”. With the negative control, the drive system 100 can suppress wasteful energy consumption in a standby state where the hydraulic actuator is not operated. This is because the pumping loss generated by the hydraulic oil discharged from the hydraulic pump 14 can be suppressed. Further, when operating the hydraulic actuator, the drive system 100 can supply necessary and sufficient hydraulic fluid from the hydraulic pump 14 to the hydraulic actuator.

また、駆動システム100は、ネガコン制御と並行して馬力制御を実行する。馬力制御は、油圧ポンプ14の吐出圧(以下、「ポンプ吐出圧」とする。)の上昇に応じてポンプ流量を低減させる。オーバートルクの発生を防止するためである。すなわち、ポンプ吐出圧とポンプ流量との積で表される油圧ポンプの吸収馬力(ポンプ吸収トルク)がエンジンの出力馬力(エンジン出力トルク)を超えないようにするためである。   Moreover, the drive system 100 performs horsepower control in parallel with the negative control. In the horsepower control, the pump flow rate is reduced in accordance with an increase in the discharge pressure of the hydraulic pump 14 (hereinafter referred to as “pump discharge pressure”). This is to prevent the occurrence of overtorque. That is, the absorption horsepower (pump absorption torque) of the hydraulic pump represented by the product of the pump discharge pressure and the pump flow rate does not exceed the engine output horsepower (engine output torque).

図4は、ポンプ流量とポンプ吐出圧との関係を示す馬力制御線図(PQ線図)であり、縦軸にポンプ流量を配し、横軸にポンプ吐出圧を配する。馬力制御線は、ポンプ吐出圧が減少するにつれてポンプ流量が増大する傾向を示す。また、馬力制御線は、目標ポンプ吸収トルクTtに応じて決まり、目標ポンプ吸収トルクTtが大きいほど図の右上にシフトする。図4は、実線で表される馬力制御線に対応する目標ポンプ吸収トルクTt1が、破線で表される馬力制御線に対応する目標ポンプ吸収トルクTt2より大きいことを示す。なお、目標ポンプ吸収トルクTtは、油圧ポンプ14が利用可能なポンプ吸収トルクの許容最大値として予め設定される値である。本実施例では、目標ポンプ吸収トルクTtは固定値として予め設定されるが可変値であってもよい。   FIG. 4 is a horsepower control diagram (PQ diagram) showing the relationship between the pump flow rate and the pump discharge pressure, where the vertical axis represents the pump flow rate and the horizontal axis represents the pump discharge pressure. The horsepower control line shows a tendency that the pump flow rate increases as the pump discharge pressure decreases. The horsepower control line is determined according to the target pump absorption torque Tt, and shifts to the upper right in the figure as the target pump absorption torque Tt increases. FIG. 4 shows that the target pump absorption torque Tt1 corresponding to the horsepower control line represented by the solid line is larger than the target pump absorption torque Tt2 corresponding to the horsepower control line represented by the broken line. The target pump absorption torque Tt is a value set in advance as the allowable maximum value of the pump absorption torque that can be used by the hydraulic pump 14. In this embodiment, the target pump absorption torque Tt is preset as a fixed value, but may be a variable value.

本実施例では、コントローラ30は、油圧ポンプ14Lを目標ポンプ吸収トルクTtで動作させる場合、図4に示すような馬力制御線にしたがって油圧ポンプ14Lの押し退け容積を制御する。具体的には、圧力センサS3の検出値であるポンプ吐出圧に対応するポンプ流量から目標押し退け容積を導き出す。そして、コントローラ30は、目標押し退け容積に対応する制御電流をポンプレギュレータ14aLに対して出力する。ポンプレギュレータ14aLはその制御電流に応じて斜板傾転角を増減させて押し退け容積を目標押し退け容積にする。このようなポンプ吸収トルクのフィードバック制御により、コントローラ30は、油圧アクチュエータに関する負荷の変動に起因してポンプ吐出圧が変動しても油圧ポンプ14Lを目標ポンプ吸収トルクTtで動作させることができる。ポンプ14Rについても同様である。   In this embodiment, when operating the hydraulic pump 14L with the target pump absorption torque Tt, the controller 30 controls the displacement volume of the hydraulic pump 14L according to the horsepower control line as shown in FIG. Specifically, the target displacement volume is derived from the pump flow rate corresponding to the pump discharge pressure that is the detection value of the pressure sensor S3. Then, the controller 30 outputs a control current corresponding to the target displacement volume to the pump regulator 14aL. The pump regulator 14aL increases / decreases the swash plate tilt angle in accordance with the control current to set the displacement volume to the target displacement volume. By such feedback control of the pump absorption torque, the controller 30 can operate the hydraulic pump 14L with the target pump absorption torque Tt even if the pump discharge pressure varies due to the variation of the load related to the hydraulic actuator. The same applies to the pump 14R.

しかしながら、このようなフィードバック制御を利用する限り、コントローラ30は、ポンプ吐出圧の変化を検出してから実際にポンプ流量を変化させるまでに要する応答遅れ時間を解消できない。   However, as long as such feedback control is used, the controller 30 cannot eliminate the response delay time required from the detection of the change in the pump discharge pressure to the actual change in the pump flow rate.

そこで、コントローラ30は、この応答遅れ時間を解消するためにモデル予測制御を採用する。本実施例では、コントローラ30は、油圧アクチュエータの状態量と油圧ポンプ14の状態量とに基づいて所定時間後の油圧ポンプ14の状態量を予測して油圧ポンプ14に対する指令値を導き出す。油圧アクチュエータの状態量は、油圧アクチュエータに関する負荷の変動に対する反応がポンプ吐出圧よりも速い状態量であり、油圧アクチュエータとしての油圧シリンダの伸縮速度、油圧アクチュエータによって回動される作業要素の回動角速度等を含む。油圧ポンプ14の状態量は、ポンプ吐出圧、押し退け容積、斜板傾転角等を含む。所定時間後の油圧ポンプ14の状態量は、予測の対象となる状態量であり、ポンプ吐出圧等を含む。また、油圧ポンプ14に対する指令値は押し退け容積指令値等を含む。   Therefore, the controller 30 employs model predictive control in order to eliminate this response delay time. In this embodiment, the controller 30 derives a command value for the hydraulic pump 14 by predicting the state quantity of the hydraulic pump 14 after a predetermined time based on the state quantity of the hydraulic actuator and the state quantity of the hydraulic pump 14. The state quantity of the hydraulic actuator is a state quantity that reacts faster than the pump discharge pressure with respect to the load fluctuation related to the hydraulic actuator. Etc. The state quantity of the hydraulic pump 14 includes pump discharge pressure, displacement volume, swash plate tilt angle, and the like. The state quantity of the hydraulic pump 14 after a predetermined time is a state quantity to be predicted and includes a pump discharge pressure and the like. The command value for the hydraulic pump 14 includes a displacement volume command value and the like.

ここで図5を参照してモデル予測制御を実行する際に採用される制御システムの構成例について説明する。なお、図5は、制御システムの構成例を示す機能ブロック図である。   Here, a configuration example of a control system employed when executing model predictive control will be described with reference to FIG. FIG. 5 is a functional block diagram illustrating a configuration example of the control system.

具体的には、図5の制御システムは、コントローラ30、アクチュエータ状態量取得部31、及びポンプ吐出圧検出部32を含む。また、コントローラ30は、馬力制御部33、モデル予測制御部34、及びモデル状態再設定部35を含む。   Specifically, the control system of FIG. 5 includes a controller 30, an actuator state quantity acquisition unit 31, and a pump discharge pressure detection unit 32. The controller 30 includes a horsepower control unit 33, a model prediction control unit 34, and a model state resetting unit 35.

アクチュエータ状態量取得部31は、油圧アクチュエータの状態量を取得する機能要素であり、例えば、油圧アクチュエータとしての油圧シリンダの伸縮状態を検出する変位センサを含む。変位センサは、検出した変位に基づいて油圧シリンダの伸縮速度vを取得し、その値を電気的な伸縮速度信号としてモデル予測制御部34に対して出力する。本実施例では、変位センサは、ブームストロークセンサ7s、アームストロークセンサ8s、及びバケットストロークセンサ9sを含む。なお、アクチュエータ状態量取得部31は、作業体の回動角度を検出する角度センサであってもよい。この場合も同様に、アクチュエータ状態量取得部31は、検出した角度に基づいて油圧シリンダの伸縮速度vを取得し、その値を電気的な伸縮速度信号としてモデル予測制御部34に対して出力する。   The actuator state quantity acquisition unit 31 is a functional element that acquires the state quantity of the hydraulic actuator, and includes, for example, a displacement sensor that detects the expansion / contraction state of the hydraulic cylinder as the hydraulic actuator. The displacement sensor acquires the expansion / contraction speed v of the hydraulic cylinder based on the detected displacement, and outputs the value to the model prediction control unit 34 as an electric expansion / contraction speed signal. In the present embodiment, the displacement sensor includes a boom stroke sensor 7s, an arm stroke sensor 8s, and a bucket stroke sensor 9s. The actuator state quantity acquisition unit 31 may be an angle sensor that detects the rotation angle of the work body. Similarly in this case, the actuator state quantity acquisition unit 31 acquires the expansion / contraction speed v of the hydraulic cylinder based on the detected angle, and outputs the value to the model prediction control unit 34 as an electric expansion / contraction speed signal. .

ポンプ吐出圧検出部32はポンプ吐出圧を検出する機能要素である。本実施例では、ポンプ吐出圧検出部32はポンプ吐出圧Pdを検出する圧力センサS3、S4である。圧力センサS3、S4は、検出値を電気的なポンプ吐出圧信号としてモデル予測制御部34に対して出力する。   The pump discharge pressure detector 32 is a functional element that detects the pump discharge pressure. In this embodiment, the pump discharge pressure detector 32 is pressure sensors S3 and S4 that detect the pump discharge pressure Pd. The pressure sensors S3 and S4 output the detected value as an electric pump discharge pressure signal to the model prediction control unit 34.

馬力制御部33は、油圧ポンプ14の吸収馬力(ポンプ吸収トルク)を制御する機能要素である。本実施例では、馬力制御部33は、押し退け容積指令値に対応する制御電流をポンプレギュレータ14aに出力して油圧ポンプ14のポンプ流量を制御することでポンプ吸収トルクを制御する。   The horsepower control unit 33 is a functional element that controls the absorption horsepower (pump absorption torque) of the hydraulic pump 14. In this embodiment, the horsepower control unit 33 controls the pump absorption torque by outputting a control current corresponding to the displacement volume command value to the pump regulator 14a to control the pump flow rate of the hydraulic pump 14.

モデル予測制御部34は、油圧アクチュエータ及び油圧ポンプ14を含む油圧回路の挙動を予測するモデルを用いてリアルタイムで最適制御理論に基づく制御(モデル予測制御)を行う機能要素である。油圧回路のモデル予測制御は、油圧回路のプラントモデルを用いた制御である。また、油圧回路のプラントモデルは、油圧回路に対する入力から油圧回路の出力を導き出せるようにするモデルである。本実施例では、モデル予測制御部34は、ポンプ吐出圧Pdと、油圧シリンダの伸張速度vと、油圧ポンプ14Lの押し退け容積Vdと、押し退け容積指令値の微小変化ΔVtとから、有限時間内の未来におけるポンプ吐出圧の予測値を導き出すことができる。なお、伸縮速度vは、ブームシリンダ7の伸張速度、アームシリンダ8の伸張速度、バケットシリンダ9の伸縮速度等を含む。また、微小変化ΔVtは、前回の押し退け容積指令値Vtと前々回の押し退け容積指令値Vtpとの差である。また、押し退け容積Vdは、馬力制御部33が押し退け容積指令値に対応する制御電流をポンプレギュレータ14aに対して出力した時点から僅かに遅れてその押し退け容積指令値に対応する値に至る。そのため、押し退け容積Vdは、押し退け容積指令値の過去の推移から導き出される。例えば、押し退け容積指令値が所定期間に亘って変化していない場合には現在の押し退け容積Vdはその押し退け容積指令値と同じ値とされる。また、押し退け容積指令値が直近で変化していた場合には現在の押し退け容積Vdは変化前の押し退け容積指令値と変化後の押し退け容積指令値と一次遅れの時定数とを用いて算出される。   The model predictive control unit 34 is a functional element that performs control (model predictive control) based on the optimal control theory in real time using a model that predicts the behavior of the hydraulic circuit including the hydraulic actuator and the hydraulic pump 14. The model predictive control of the hydraulic circuit is control using a plant model of the hydraulic circuit. The plant model of the hydraulic circuit is a model that can derive the output of the hydraulic circuit from the input to the hydraulic circuit. In the present embodiment, the model prediction control unit 34 determines that the pump discharge pressure Pd, the hydraulic cylinder extension speed v, the displacement volume Vd of the hydraulic pump 14L, and the minute change ΔVt of the displacement volume command value within a finite time. The predicted value of pump discharge pressure in the future can be derived. The extension / contraction speed v includes the extension speed of the boom cylinder 7, the extension speed of the arm cylinder 8, the extension / contraction speed of the bucket cylinder 9, and the like. The minute change ΔVt is a difference between the previous displacement volume command value Vt and the previous displacement volume command value Vtp. The displacement volume Vd reaches a value corresponding to the displacement volume command value with a slight delay from the time when the horsepower control unit 33 outputs a control current corresponding to the displacement volume command value to the pump regulator 14a. Therefore, the displacement volume Vd is derived from the past transition of the displacement volume command value. For example, if the displacement volume command value has not changed over a predetermined period, the current displacement volume Vd is set to the same value as the displacement volume command value. When the displacement volume command value has changed most recently, the current displacement volume Vd is calculated using the displacement volume command value before the change, the displacement volume command value after the change, and the time constant of the primary delay. .

モデル状態再設定部35は、モデル予測制御部34が用いるプラントモデルにおける変数係数を定数化する機能要素である。本実施例では、モデル状態再設定部35は、変数係数としての押し退け容積指令値Vtをポンプ吐出圧Pdの関数f(Pd)とし、入力としてのポンプ吐出圧Pdに応じた押し退け容積指令値Vt(=f(Pd)=2π×Tt/Pd)を出力する。より詳細には、モデル状態再設定部35は、馬力制御における馬力制御線を参照し、ポンプ吐出圧Pdに対応する押し退け容積指令値Vtを導き出す。すなわち、ポンプ吐出圧Pdと押し退け容積指令値Vtの積を2πで除した値が目標ポンプ吸収トルクTtとなるようにポンプ吐出圧Pdに対応する押し退け容積指令値Vtを導き出す。   The model state resetting unit 35 is a functional element that makes variable coefficients in the plant model used by the model prediction control unit 34 constant. In the present embodiment, the model state resetting unit 35 uses the displacement volume command value Vt as a variable coefficient as a function f (Pd) of the pump discharge pressure Pd, and the displacement volume command value Vt according to the pump discharge pressure Pd as an input. (= F (Pd) = 2π × Tt / Pd) is output. More specifically, the model state resetting unit 35 refers to a horsepower control line in horsepower control, and derives a displacement volume command value Vt corresponding to the pump discharge pressure Pd. That is, a displacement volume command value Vt corresponding to the pump discharge pressure Pd is derived so that a value obtained by dividing the product of the pump discharge pressure Pd and the displacement volume command value Vt by 2π becomes the target pump absorption torque Tt.

次に、モデル予測制御部34とモデル状態再設定部35にて実行される計算について説明する。モデル予測制御部34は、油圧回路の状態を表す以下の行列方程式を用いてポンプ吐出圧の予測値を導き出す。なお、A、Bは、油圧回路の構造的特徴を表す係数行列であり、v、v、・・・、vはn個の油圧シリンダのそれぞれの伸張速度である。また、係数行列Aは、上述の関数fを成分として含み、この行列方程式におけるfとPdの乗算は、ポンプ吐出圧Pdを引数として関数fを計算すること、すなわちモデル状態再設定部35がポンプ吐出圧Pdに基づいて押し退け容積指令値Vtを算出することを意味する。さらに、係数行列Aは、油圧ポンプ14の回転数とシリンダ体積の比、及び、ポンプ応答遅れを表す時定数の逆数(1/T)を成分として含み、この行列方程式におけるその比と押し退け容積Vdとの乗算は作動油の圧力変化を算出することを意味し、その逆数と押し退け容積Vdとの乗算は作動油の体積変化を算出することを意味する。また、係数行列Bは、n個の油圧シリンダのそれぞれにおけるピストンの受圧面積RAとシリンダ体積RVとの比(RA/RV、RA/RV、・・・、RA/RV)を成分として含み、この行列方程式における比RA/RVと伸張速度vnとの乗算は、モデル予測制御部34がn番目の油圧シリンダの伸縮による作動油の圧力変化を計算することを意味する。また、係数行列Bは、ポンプの応答遅れを表す時定数の逆数(1/T)を成分として含み、この行列方程式におけるその逆数と微小変化ΔVtとの乗算は、モデル予測制御部34がn個の油圧シリンダの伸縮による作動油の体積変化を計算することを意味する。 Next, calculation executed by the model prediction control unit 34 and the model state resetting unit 35 will be described. The model prediction control unit 34 derives a predicted value of the pump discharge pressure using the following matrix equation representing the state of the hydraulic circuit. Incidentally, A, B is a coefficient matrix representing the structural characteristics of the hydraulic circuit, v 1, v 2, ··· , v n are each the extension rate of the n hydraulic cylinder. The coefficient matrix A includes the above-described function f as a component, and the multiplication of f and Pd in this matrix equation is to calculate the function f using the pump discharge pressure Pd as an argument, that is, the model state resetting unit 35 performs pumping. It means that the displacement volume command value Vt is calculated based on the discharge pressure Pd. Further, the coefficient matrix A includes the ratio of the rotational speed of the hydraulic pump 14 to the cylinder volume and the inverse of the time constant (1 / T) representing the pump response delay as components, and the ratio and displacement volume Vd in this matrix equation. Multiplication means that the change in pressure of the hydraulic oil is calculated, and multiplication of the reciprocal thereof and the displacement volume Vd means that the volume change of the hydraulic oil is calculated. Further, the coefficient matrix B, the ratio of the pressure receiving area RA and the cylinder volume RV of the piston in each of the n of the hydraulic cylinder (RA 1 / RV 1, RA 2 / RV 2, ···, RA n / RV n) Is multiplied by the ratio RA n / RV n and the extension speed vn in this matrix equation means that the model prediction control unit 34 calculates the pressure change of the hydraulic oil due to the expansion and contraction of the nth hydraulic cylinder. . The coefficient matrix B includes as a component the reciprocal (1 / T) of the time constant representing the response delay of the pump, and the model prediction control unit 34 performs n multiplications of the reciprocal in this matrix equation and the minute change ΔVt. This means that the volume change of hydraulic oil due to the expansion and contraction of the hydraulic cylinder is calculated.

Figure 2019143474
より具体的には、モデル予測制御部34は、ポンプ吐出圧検出部32から受けた現時点におけるポンプ吐出圧Pdをモデル状態再設定部35に入力してモデル状態再設定部35から押し退け容積指令値Vtを受ける。また、モデル予測制御部34は、現時点におけるポンプ吐出圧Pd、押し退け容積Vd、n個の油圧シリンダのそれぞれの伸縮速度v〜v、及び押し退け容積指令値の微小変化ΔVtと上記行列方程式とに基づいてポンプ吐出圧Pd及び押し退け容積Vdのそれぞれの微分値を導き出す。そして、現時点におけるポンプ吐出圧Pdにその微分値を加算して1制御周期後のポンプ吐出圧の予測値Pd'を導き出す。押し退け容積Vdについても同様にして1制御周期後の押し退け容積の予測値Vd'を導き出す。なお、現時点における押し退け容積Vdは、過去の押し退け容積指令
値Vtから一次遅れを考慮して算出される値である。
Figure 2019143474
More specifically, the model prediction control unit 34 inputs the current pump discharge pressure Pd received from the pump discharge pressure detection unit 32 to the model state resetting unit 35 and pushes it away from the model state resetting unit 35. Receive Vt. The model predictive control unit 34 also includes the pump discharge pressure Pd, the displacement volume Vd, the expansion / contraction speeds v 1 to v n of the n hydraulic cylinders, the minute change ΔVt of the displacement volume command value, the matrix equation, Based on the above, the differential values of the pump discharge pressure Pd and the displacement volume Vd are derived. Then, the differential value is added to the current pump discharge pressure Pd to derive the predicted value Pd ′ of the pump discharge pressure after one control cycle. Similarly, for the displacement volume Vd, a predicted value Vd ′ of the displacement volume after one control cycle is derived. Note that the displacement volume Vd at the present time is a value calculated in consideration of the primary delay from the past displacement volume command value Vt.

その後、モデル予測制御部34は、予測値Pd'をモデル状態再設定部35に入力する。モデル状態再設定部35は、予測値Pd'と馬力制御線図を用いて押し退け容積指令値Vt'を算出する。そして、モデル予測制御部34は、モデル状態再設定部35が算出した押し退け容積指令値Vt'を受ける。また、予測値Pd'及びVd'と、現時点におけるn個の油圧シリンダのそれぞれの伸縮速度v〜v及び押し退け容積指令値の微小変化ΔVtと、上記行列方程式とに基づいて予測値Pd'及びVd'のそれぞれの微分値を導き出す。そして、予測値Pd'にその微分値を加算して2制御周期後のポンプ吐出圧の予測値Pd''を導き出す。予測値Vd'についても同様にして2制御周期後の予測値Vd''を導き出す。 Thereafter, the model prediction control unit 34 inputs the predicted value Pd ′ to the model state resetting unit 35. The model state resetting unit 35 calculates the displacement volume command value Vt ′ using the predicted value Pd ′ and the horsepower control diagram. The model prediction control unit 34 receives the displacement volume command value Vt ′ calculated by the model state resetting unit 35. Further, the predicted value Pd 'and Vd', each of the telescopic velocity v 1 to v n and displacement minute change in volume command value ΔVt of n of the hydraulic cylinder at the present time, the predicted value on the basis of the above matrix equation Pd ' And the differential values of Vd ′ are derived. Then, the differential value is added to the predicted value Pd ′ to derive the predicted value Pd ″ of the pump discharge pressure after two control cycles. Similarly, the predicted value Vd ′ after two control cycles is derived for the predicted value Vd ′.

このようにして、モデル予測制御部34は、微小変化ΔVtを継続的に使用した場合(すなわち押し退け容積指令値が制御周期毎にΔVtずつ変化する場合)のn制御周期後のポンプ吐出圧及び押し退け容積のそれぞれの予測値を導き出す。   In this manner, the model predictive control unit 34 continuously uses the minute change ΔVt (that is, when the displacement command value changes by ΔVt every control cycle), and the pump discharge pressure and displacement after n control cycles. Derive each predicted value of volume.

さらに、モデル予測制御部34は、微小変化ΔVtを基準として設定される複数の微小変化の値に対し、n制御周期に亘って継続的に使用した場合のn制御周期後のポンプ吐出圧及び押し退け容積のそれぞれの予測値を上述の方法で導き出す。複数の微小変化の値のそれぞれは、例えば、微小変化ΔVtに所定値を加算し、或いは、微小変化ΔVtから所定値を減算することで導き出される。   Further, the model predictive control unit 34 uses a plurality of minute change values set with the minute change ΔVt as a reference, and the pump discharge pressure and displacement after the n control period when continuously used over the n control period. Each predicted value of volume is derived in the manner described above. Each of the plurality of minute change values is derived, for example, by adding a predetermined value to the minute change ΔVt or subtracting the predetermined value from the minute change ΔVt.

その上で、モデル予測制御部34は、n制御周期後(例えば10制御周期後)のポンプ吐出圧に基づいてモデル状態再設定部35が導き出す押し退け容積指令値と、n制御周期後の押し退け容積との差を最小とする微小変化ΔVtcを複数の微小変化の値の中から選択する。具体的には、微小変化ΔVtを含む複数の微小変化の値のうちの1つを今回採用すべき微小変化Vtcとして選択する。   In addition, the model prediction control unit 34 determines the displacement volume command value derived by the model state resetting unit 35 based on the pump discharge pressure after n control cycles (for example, after 10 control cycles) and the displacement volume after n control cycles. The minute change ΔVtc that minimizes the difference between the two is selected from a plurality of minute change values. Specifically, one of a plurality of minute change values including the minute change ΔVt is selected as the minute change Vtc to be adopted this time.

そして、モデル予測制御部34は、選択した微小変化ΔVtcを馬力制御部33に対して出力する。馬力制御部33は、モデル予測制御部34が選択した微小変化ΔVtcを用いて油圧ポンプ14の押し退け容積をモデル予測制御で制御する。   Then, the model prediction control unit 34 outputs the selected minute change ΔVtc to the horsepower control unit 33. The horsepower control unit 33 controls the displacement volume of the hydraulic pump 14 by model prediction control using the minute change ΔVtc selected by the model prediction control unit 34.

このように、モデル予測制御部34は、制御周期毎に、複数の微小変化の値のそれぞれを用いた場合のn制御周期後のポンプ吐出圧及び押し退け容積の予測値を算出する。そして、n制御周期後のポンプ吐出圧に基づいてモデル状態再設定部35が導き出す押し退け容積指令値と、n制御周期後の押し退け容積との差を最小とする微小変化ΔVtcを選択する。馬力制御部33は、制御周期毎に、モデル予測制御部34が選択した微小変化ΔVtcから今回採用すべき押し退け容積指令値Vtcを算出し、その押し退け容積指令値Vtcに対応する制御電流をポンプレギュレータ14aに対して出力する。なお、馬力制御部33は、例えば、前回の押し退け容積指令値Vtに微小変化ΔVtcを加算することで今回採用すべき押し退け容積指令値Vtcを算出する。ポンプレギュレータ14aは油圧ポンプ14の斜板傾転角をその制御電流に応じた角度に変更する。その結果、油圧ポンプ14の押し退け容積Vdは目標ポンプ吸収トルクTtをもたらす押し退け容積まで増減される。   As described above, the model prediction control unit 34 calculates the predicted value of the pump discharge pressure and the displacement volume after the n control periods when each of a plurality of minute change values is used for each control period. Then, a minute change ΔVtc that minimizes the difference between the displacement volume command value derived by the model state resetting unit 35 based on the pump discharge pressure after the n control period and the displacement volume after the n control period is selected. The horsepower control unit 33 calculates a displacement volume command value Vtc to be adopted this time from the minute change ΔVtc selected by the model prediction control unit 34 for each control cycle, and supplies a control current corresponding to the displacement volume command value Vtc to the pump regulator. 14a is output. The horsepower controller 33 calculates a displacement volume command value Vtc to be adopted this time, for example, by adding a minute change ΔVtc to the previous displacement volume command value Vt. The pump regulator 14a changes the swash plate tilt angle of the hydraulic pump 14 to an angle corresponding to the control current. As a result, the displacement volume Vd of the hydraulic pump 14 is increased or decreased to the displacement volume that provides the target pump absorption torque Tt.

次に、図6を参照してアーム閉じ操作を含む掘削操作の実行中に掘削負荷が急増したときのポンプ吐出圧、押し退け容積、及びポンプ吸収トルクの時間的推移について説明する。なお、図6はポンプ吐出圧、押し退け容積、及びポンプ吸収トルクの時間的推移を示す図である。また、図6の破線はモデル予測制御が採用されない場合の時間的推移を示し、実線はモデル予測制御が採用された場合の時間的推移を示す。また、この掘削操作の実行中において油圧ポンプ14は馬力制御によって制御されている。   Next, time transitions of the pump discharge pressure, the displacement volume, and the pump absorption torque when the excavation load rapidly increases during execution of the excavation operation including the arm closing operation will be described with reference to FIG. FIG. 6 is a diagram showing temporal transitions of the pump discharge pressure, displacement, and pump absorption torque. In addition, a broken line in FIG. 6 indicates a temporal transition when the model predictive control is not employed, and a solid line indicates a temporal transition when the model predictive control is employed. During the excavation operation, the hydraulic pump 14 is controlled by horsepower control.

モデル予測制御が採用されない場合、時刻t1において掘削負荷が急増すると、ポンプ吐出圧Pd及びポンプ吸収トルクTpは増大し始める。油圧ポンプ14の応答遅れのためにしばらくの間は油圧ポンプ14からアームシリンダ8に向かう作動油の流量が維持されるにもかかわらず、アームシリンダ8の伸張速度が鈍化するためである。   When model predictive control is not employed, the pump discharge pressure Pd and the pump absorption torque Tp start to increase when the excavation load increases rapidly at time t1. This is because, due to the response delay of the hydraulic pump 14, the flow rate of the hydraulic oil from the hydraulic pump 14 toward the arm cylinder 8 is maintained for a while, but the extension speed of the arm cylinder 8 slows down.

具体的には、ポンプ吸収トルクTpは、目標ポンプ吸収トルクTtを超えて増加した後で時刻t2において減少に転じ、その後、目標ポンプ吸収トルクTtを下回るまで減少した後で時刻t3において再び増加に転じる。その後、ポンプ吸収トルクTpは、目標ポンプ吸収トルクTtを挟んで増減を繰り返しながら目標ポンプ吸収トルクTtに収束する。   Specifically, the pump absorption torque Tp increases after exceeding the target pump absorption torque Tt, then starts decreasing at time t2, and then decreases until it falls below the target pump absorption torque Tt, and then increases again at time t3. Turn. Thereafter, the pump absorption torque Tp converges to the target pump absorption torque Tt while repeatedly increasing and decreasing across the target pump absorption torque Tt.

このように、コントローラ30は、応答遅れを含んだ状態でポンプ吐出圧Pdの変動に応じて押し退け容積指令値を増減させ、ポンプ吸収トルクTpが目標ポンプ吸収トルクTtとなるように押し退け容積Vdをフィードバック制御で制御する。そのため、ポンプ吸収トルクTpが一時的に目標ポンプ吸収トルクTtを超えてしまい、場合によってはポンプ吸収トルクTpがエンジン出力トルクを超えてしまう場合がある。反対に、目標ポンプ吸収トルクTtを超えてしまったポンプ吸収トルクTpを目標ポンプ吸収トルクTtのレベルに戻す際に目標ポンプ吸収トルクTtを大きく下回るレベルまでポンプ吸収トルクTpを過度に低減させてしまう場合がある。   As described above, the controller 30 increases or decreases the displacement volume command value according to the fluctuation of the pump discharge pressure Pd in a state including the response delay, and sets the displacement volume Vd so that the pump absorption torque Tp becomes the target pump absorption torque Tt. Control by feedback control. Therefore, the pump absorption torque Tp temporarily exceeds the target pump absorption torque Tt, and in some cases, the pump absorption torque Tp may exceed the engine output torque. In contrast, when the pump absorption torque Tp that has exceeded the target pump absorption torque Tt is returned to the target pump absorption torque Tt level, the pump absorption torque Tp is excessively reduced to a level that is significantly lower than the target pump absorption torque Tt. There is a case.

これに対し、モデル予測制御が採用された場合には、図5の制御システムが採用されない場合と異なり、ポンプ吸収トルクTpは目標ポンプ吸収トルクTtを大きく超えることなく目標ポンプ吸収トルクTtを維持したまま推移する。モデル予測制御によりポンプ吸収トルクTpが目標ポンプ吸収トルクTtから逸脱する前に押し退け容積指令値が変更されてポンプ吸収トルクTpの逸脱が予防的に抑制されるためである。   On the other hand, when the model predictive control is adopted, the pump absorption torque Tp is maintained at the target pump absorption torque Tt without significantly exceeding the target pump absorption torque Tt, unlike the case where the control system of FIG. 5 is not adopted. It remains unchanged. This is because the displacement control command value is changed before the pump absorption torque Tp deviates from the target pump absorption torque Tt by the model predictive control, and the deviation of the pump absorption torque Tp is proactively suppressed.

具体的には、コントローラ30は、現時点におけるポンプ吐出圧Pdと押し退け容積Vdとアームシリンダ8の伸縮速度と上記行列方程式とに基づき、様々な押し退け容積指令値を採用した場合の所定時間後のポンプ吐出圧及び押し退け容積を予測する。なお、アームシリンダ8の伸縮速度は、掘削負荷の変動に対する反応がポンプ吐出圧よりも速い状態量であるアームシリンダ8の長さの変化である。そのため、現時点では、アームシリンダ8の伸張速度は既に低下しているものの、油圧ポンプ14のポンプ吐出圧は未だ上昇していない。   Specifically, the controller 30 determines the pump after a predetermined time when various displacement volume command values are adopted based on the current pump discharge pressure Pd, displacement volume Vd, expansion / contraction speed of the arm cylinder 8, and the above matrix equation. Predict discharge pressure and displacement. The expansion / contraction speed of the arm cylinder 8 is a change in the length of the arm cylinder 8 that is a state quantity that is faster than the pump discharge pressure in response to excavation load fluctuations. Therefore, at the present time, the extension speed of the arm cylinder 8 has already decreased, but the pump discharge pressure of the hydraulic pump 14 has not yet increased.

そして、コントローラ30は、所定時間後のポンプ吐出圧の予測値に基づいてモデル状態再設定部35が導き出す押し退け容積指令値と所定時間後の押し退け容積の予測値との差を最小とする押し退け容積指令値を導き出す。そして、その押し退け容積指令値を用いて油圧ポンプ14のポンプ流量を制御してポンプ吸収トルクTpが目標ポンプ吸収トルクTtで維持されるようにする。   The controller 30 then pushes the displacement volume that minimizes the difference between the displacement volume command value derived by the model state resetting unit 35 based on the predicted value of the pump discharge pressure after a predetermined time and the predicted displacement value after the predetermined time. The command value is derived. Then, the pump flow rate of the hydraulic pump 14 is controlled using the displacement displacement command value so that the pump absorption torque Tp is maintained at the target pump absorption torque Tt.

このように、コントローラ30は、押し退け容積指令値を増減させ、目標ポンプ吸収トルクTtとなるように押し退け容積Vdをモデル予測制御で制御する。そのため、掘削負荷が急増した場合であっても、ポンプ吸収トルクTpが一時的に目標ポンプ吸収トルクTtを超えてしまうのを抑制或いは防止し、ポンプ吸収トルクTpがエンジン出力トルクを超えてしまうのを抑制或いは防止できる。   In this way, the controller 30 increases or decreases the displacement volume command value, and controls the displacement volume Vd by model predictive control so that the target pump absorption torque Tt is obtained. Therefore, even when the excavation load increases rapidly, the pump absorption torque Tp is temporarily suppressed or prevented from exceeding the target pump absorption torque Tt, and the pump absorption torque Tp exceeds the engine output torque. Can be suppressed or prevented.

また、図5の制御システムは、ポンプ吐出圧に基づくポンプ流量のフィードバック制御に比べ、掘削負荷の変動に対する油圧ポンプ14の応答遅れの影響を小さくできる。   In addition, the control system of FIG. 5 can reduce the influence of the response delay of the hydraulic pump 14 on the excavation load fluctuation, compared to the feedback control of the pump flow rate based on the pump discharge pressure.

以上、本発明の実施例について詳述したが、本発明は特定の実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形及び変更が可能である。   Although the embodiments of the present invention have been described in detail above, the present invention is not limited to the specific embodiments, and various modifications and changes can be made within the scope of the gist of the present invention described in the claims. Is possible.

例えば、上述の実施例では、馬力制御部33は、制御周期毎に、モデル予測制御部34が選択した微小変化ΔVtcから今回採用すべき押し退け容積指令値Vtcを算出する。しかしながら、モデル予測制御部34は、微小変化ΔVtcから押し退け容積指令値Vtcを算出した上で、その押し退け容積指令値Vtcを馬力制御部33に対して出力してもよい。   For example, in the above-described embodiment, the horsepower controller 33 calculates the displacement volume command value Vtc to be adopted this time from the minute change ΔVtc selected by the model prediction controller 34 for each control cycle. However, the model prediction control unit 34 may calculate the displacement volume command value Vtc from the minute change ΔVtc and then output the displacement volume command value Vtc to the horsepower control unit 33.

また、上述の実施例では、モデル予測制御部34はコントローラ30に統合されているものとして説明されたがコントローラ30とは別体のものであってもよい。   In the above-described embodiment, the model prediction control unit 34 has been described as being integrated with the controller 30, but may be separate from the controller 30.

1・・・下部走行体 2・・・旋回機構 2L・・・左側走行用油圧モータ 2R・・・右側走行用油圧モータ 3・・・上部旋回体 4・・・ブーム 5・・・アーム 6・・・バケット 7・・・ブームシリンダ 8・・・アームシリンダ 9・・・バケットシリンダ 11・・・エンジン 14、14L、14R・・・油圧ポンプ 14a、14aL、14aR・・・ポンプレギュレータ 17・・・コントロールバルブ 21・・・旋回用油圧モータ 22・・・作動油タンク 30・・・コントローラ 31・・・アクチュエータ状態量取得部 32・・・ポンプ吐出圧検出部 33・・・馬力制御部 34・・・モデル予測制御部 35・・・モデル状態再設定部 40L、40R・・・センターバイパス管路 41L、41R・・・ネガコン絞り 75・・・エンジン回転数設定ダイアル 100・・・駆動システム 171L、171R、172L、172R、173L、173R、174R、175L、175R・・・制御弁 S1〜S4・・・センサ   DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Lower traveling body 2 ... Turning mechanism 2L ... Left side traveling hydraulic motor 2R ... Right traveling hydraulic motor 3 ... Upper turning body 4 ... Boom 5 ... Arm 6. .. Bucket 7 ... Boom cylinder 8 ... Arm cylinder 9 ... Bucket cylinder 11 ... Engine 14, 14L, 14R ... Hydraulic pumps 14a, 14aL, 14aR ... Pump regulator 17 ... Control valve 21 ... Hydraulic hydraulic motor 22 ... hydraulic oil tank 30 ... controller 31 ... actuator state quantity acquisition unit 32 ... pump discharge pressure detection unit 33 ... horsepower control unit 34 ... Model predictive control unit 35 ... Model state resetting unit 40L, 40R ... Center bypass pipeline 41L, 41R ... Negative control 75 ... engine rotational speed setting dial 100 ... driving system 171L, 171R, 172L, 172R, 173L, 173R, 174R, 175L, 175R ··· control valve S1 to S4 ... sensor

Claims (4)

油圧アクチュエータと、
前記油圧アクチュエータに作動油を供給する可変容量式の油圧ポンプと、
前記油圧アクチュエータの状態量に基づいて所定時間後の未来における状態量を予測する制御装置と、を備える、
ショベル。
A hydraulic actuator;
A variable displacement hydraulic pump for supplying hydraulic oil to the hydraulic actuator;
A control device that predicts a state quantity in the future after a predetermined time based on a state quantity of the hydraulic actuator,
Excavator.
前記油圧アクチュエータの状態量は、前記油圧アクチュエータとしての油圧シリンダの伸縮速度、又は、前記油圧シリンダが回動させる作業要素の回動角度である、
請求項1に記載のショベル。
The state quantity of the hydraulic actuator is an expansion / contraction speed of a hydraulic cylinder as the hydraulic actuator, or a rotation angle of a work element that the hydraulic cylinder rotates.
The excavator according to claim 1.
前記制御装置は、前記所定時間後としてのn制御周期後の予測値を求めショベルを制御する、請求項1又は2に記載のショベル。   The shovel according to claim 1, wherein the control device obtains a predicted value after an n control period after the predetermined time and controls the shovel. 前記制御装置は、当該ショベルの油圧回路のプラントモデルを用いて前記予測値を算出する、請求項3に記載のショベル。   The excavator according to claim 3, wherein the control device calculates the predicted value using a plant model of a hydraulic circuit of the excavator.
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