JP2652167B2 - パワーショベルの作業機位置制御装置 - Google Patents
パワーショベルの作業機位置制御装置Info
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Description
【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 この発明はパワーショベルにおいて、各作業機の位置
によって非線形的に変化する各作業機のシリンダ速度−
角速度間のゲイン（シリンダリンクゲイン）、慣性モー
メントおよびシリンダ圧油体積を補償し、各作業機の目
標位置への追従性を向上させるパワーショベルの作業機
位置制御装置に関する。
によって非線形的に変化する各作業機のシリンダ速度−
角速度間のゲイン（シリンダリンクゲイン）、慣性モー
メントおよびシリンダ圧油体積を補償し、各作業機の目
標位置への追従性を向上させるパワーショベルの作業機
位置制御装置に関する。
一般に油圧式パワーショベルは、ブーム、アーム、バ
ケットおよびこれら作業機を駆動するブームシリンダ、
アームシリンダ、バケットシリンダを有し、操作レバー
の作業によって前記各シリンダを駆動することにより各
作業機の姿勢および位置を制御する。
ケットおよびこれら作業機を駆動するブームシリンダ、
アームシリンダ、バケットシリンダを有し、操作レバー
の作業によって前記各シリンダを駆動することにより各
作業機の姿勢および位置を制御する。
第７図にこのようなパワーショベルの従来の流量制御
系の内部構成を示す。なお、この制御系はブームについ
てのものであるが、他のアームおよびバケットについて
も同様の構成となっている。
系の内部構成を示す。なお、この制御系はブームについ
てのものであるが、他のアームおよびバケットについて
も同様の構成となっている。
この第７図において各記号を以下のように定義する。
αref;ブーム角度指令 K1;偏差ゲイン Gv;（サーボ弁＋スプール弁）伝達関数 σ；油の圧縮率 V;ブームシリンダの圧油体積 Kce;漏れ係数 Kp;スプール弁圧力係数 A;ブームシリンダ断面積 Glink;ブームシリンダリンクゲイン Q;流量 P;油圧 T;駆動トルク I;ブームの慣性モーメント ；角速度 α；角度 K2;角速度フィードバックゲイン K3;角加速度フィードバックゲイン かかる従来の制御システムでは、各ゲインK1,K2,およ
びK3は固定で、閉ループ伝達関数Ｗ（ｓ）は下記（１）
式のようになる。
びK3は固定で、閉ループ伝達関数Ｗ（ｓ）は下記（１）
式のようになる。
この（１）式において、Glinkはブームシリンダとブ
ームとのリンク結合によってブームシリンダ速度がブー
ム角速度に変換される際のゲインであるが、このブー
ムシリンダリンクゲインGlinkには非線形要素（正弦要
素）が含まれるため、この値Glinkはブームのとる位置
によって非線形的に変化してしまう。また同様に、Ｖは
ブームシリンダの圧油体積、Ｉは慣性モーメントである
が、これら各値にも非線形要素が含まれており、これら
の値のブーム位置に応じて非線形的に変化する。
ームとのリンク結合によってブームシリンダ速度がブー
ム角速度に変換される際のゲインであるが、このブー
ムシリンダリンクゲインGlinkには非線形要素（正弦要
素）が含まれるため、この値Glinkはブームのとる位置
によって非線形的に変化してしまう。また同様に、Ｖは
ブームシリンダの圧油体積、Ｉは慣性モーメントである
が、これら各値にも非線形要素が含まれており、これら
の値のブーム位置に応じて非線形的に変化する。
このため、この従来方式では上記伝達関数Ｗ（ｓ）が
ブームのとる位置に応じて非線形的に変化し、目標位置
への追従性が悪くなり、安定した制御をなし得ない問題
点がある。これは、他の作業機、アーム、バケットにつ
いても同様である。
ブームのとる位置に応じて非線形的に変化し、目標位置
への追従性が悪くなり、安定した制御をなし得ない問題
点がある。これは、他の作業機、アーム、バケットにつ
いても同様である。
そこで、特開昭60−101020号公報においては、各作業
機のシリンダ速度から回転角速度への変換の逆変換演算
を行なう補償手段を具え、各作業機のリンクゲインGlin
kによる非線形性を補償するようにしているが、この従
来方式では他の制御ゲインK1,K2,K3は固定であった。す
なわち、この従来方式においては、上記リンクゲインGl
inkによる非線形性のみを補償するようにしているが、
作業機の慣性モーメントＩおよび圧油体積Ｖによる非線
形性は考慮しておらず、この結果、作業機の位置によっ
てループゲインが変化し、安定した目標位置への追従制
御をなし得ないない問題点がある。
機のシリンダ速度から回転角速度への変換の逆変換演算
を行なう補償手段を具え、各作業機のリンクゲインGlin
kによる非線形性を補償するようにしているが、この従
来方式では他の制御ゲインK1,K2,K3は固定であった。す
なわち、この従来方式においては、上記リンクゲインGl
inkによる非線形性のみを補償するようにしているが、
作業機の慣性モーメントＩおよび圧油体積Ｖによる非線
形性は考慮しておらず、この結果、作業機の位置によっ
てループゲインが変化し、安定した目標位置への追従制
御をなし得ないない問題点がある。
この発明はこのような事情に鑑みてなされたもので、
各作業機のリンク機構、慣性モーメント、圧油体積によ
る非線形性を補償することにより、安定した追従制御を
なし得るパワーショベルの作業位置制御装置を提供しよ
うとするものである。
各作業機のリンク機構、慣性モーメント、圧油体積によ
る非線形性を補償することにより、安定した追従制御を
なし得るパワーショベルの作業位置制御装置を提供しよ
うとするものである。
そこでこの発明では、各作業機の回転角を検出する回
転角検出手段と、該回転角検出手段の出力に基づき各作
業機についてのシリンダリンクゲイン、慣性モーメント
およびシリンダ圧油体積を算出し、これら算出値に応じ
て各作業機の流量制御系の伝達関数が一定となるよう当
該伝達関数内のゲインの可変制御をおこなう手段とを具
えるようにする。
転角検出手段と、該回転角検出手段の出力に基づき各作
業機についてのシリンダリンクゲイン、慣性モーメント
およびシリンダ圧油体積を算出し、これら算出値に応じ
て各作業機の流量制御系の伝達関数が一定となるよう当
該伝達関数内のゲインの可変制御をおこなう手段とを具
えるようにする。
すなわち、かかる構成においては、従来固定ゲインで
あった偏差ゲインK1、角速度フィードバックゲインK2お
よび角加速度フィードバックゲインK3を作業機の位置に
応じて逐次変化させることにより、各流量制御系の伝達
関数を作業機の位置に関係なく常に一定となるようにし
て、各作業機のシリンダリンクゲイン、慣性モーメント
およびシリンダ圧油体積による非線形性を補償する。
あった偏差ゲインK1、角速度フィードバックゲインK2お
よび角加速度フィードバックゲインK3を作業機の位置に
応じて逐次変化させることにより、各流量制御系の伝達
関数を作業機の位置に関係なく常に一定となるようにし
て、各作業機のシリンダリンクゲイン、慣性モーメント
およびシリンダ圧油体積による非線形性を補償する。
以下、この発明の添付図面に示す一実施例にしたがっ
て詳細に説明する。
て詳細に説明する。
ここでは、まずブーム流量制御系について説明する。
前記第（１）式に示したブーム流量制御系についての
伝達関数Ｗ（ｓ）において、偏差ゲインK1、角速度フィ
ードバックゲインK2および角加速度フィードバックゲイ
ンK3を以下のようにしておくと、 第（１）式は下式（５）のようになる。
伝達関数Ｗ（ｓ）において、偏差ゲインK1、角速度フィ
ードバックゲインK2および角加速度フィードバックゲイ
ンK3を以下のようにしておくと、 第（１）式は下式（５）のようになる。
Ｗ（ｓ）＝Ｔωn/｛S3＋（２ζωｎ＋Ｔ）S2＋（ωn2 ＋2Tζωｎ）Ｓ＋Ｔωn2｝ ……（５） すなわち、各ゲインK1,K2,K3を第（２）〜（４）式に
示すように設定すれば、伝達関数Ｗ（ｓ）から非線形要
素Glink、ＩおよびＶが取除かれ、Ｗ（ｓ）は作業機位
置によって変化するGlink,I,Vに関係なく常に一定にす
ることができる。
示すように設定すれば、伝達関数Ｗ（ｓ）から非線形要
素Glink、ＩおよびＶが取除かれ、Ｗ（ｓ）は作業機位
置によって変化するGlink,I,Vに関係なく常に一定にす
ることができる。
ここで、ωｎは固有振動数、ζは粘性係数、Ｔは速応
性に関する定数でおり、これらは理想的な応答となるよ
うな最適値を設定する。
性に関する定数でおり、これらは理想的な応答となるよ
うな最適値を設定する。
次に、前記（２）〜（４）式におけるGlink,I,Vは、
ブーム角αおよびアーム角βから以下のようにして求め
る。
ブーム角αおよびアーム角βから以下のようにして求め
る。
すなわち、第２図において、１はブーム、２はアー
ム、３はバケット、４はブームシリンダ、５はアームシ
リンダ、６はバケットシリンダであり、いま作業機各部
の長さ、位置等を以下のように定義する。
ム、３はバケット、４はブームシリンダ、５はアームシ
リンダ、６はバケットシリンダであり、いま作業機各部
の長さ、位置等を以下のように定義する。
点O;ブーム１の回動支点 点B;アーム２の回動支点 点C;バケット３の回動支点 点D;バケット３の刃先点 点Bmo;ブームシリンダ４のボトム固定点 点Bm1;ブームシリンダ４のピストンロッド先端点 点Amo;アームシリンダ５のボトム固定点 点Am1;アームシリンダ５のピストンロッド先端点 Ｘ軸；点O,B,C,Dを含む平面と点Ｏを含む車両旋回面と の交線 Ｙ軸；点Ｏを通り、車両旋回面に垂直な直線 lb;ブームシリンダ４の長さ la;アームシリンダ５の長さ L1;点O,Bm1間の長さ（固定） L2;点O,Bmo間の長さ（固定） L3;点B,Amo間の長さ（固定） L4;点B,Am1間の長さ（固定） Lb;ブーム長（固定） La;アーム長（固定） α;Y軸に対する線分OBのなす角（ブーム角） β；線分OBの延長線に対する線分BCのなす角（アーム 角） θ1;線分OBと線分OBm1とのなす角 θ2;線分OBmoとＸ軸のなす角 また、第３図に示す各長さ、各重量等を以下のように
定義する。
定義する。
点Bg;ブーム重心 点Ag;アーム重心 Wbm;ブーム重量 Wam;アーム重量 Wbt;バケット重量 Lbg;点O,Bg間の距離 Lag;点B,Ag間の距離1 ;線分 と線分BCのなす角 以上のように定義すると、ブームリンクゲインGlink,
ブームシリンダ体積V,ブーム慣性モーメントＩは幾何的
関係から次式のようになる。
ブームシリンダ体積V,ブーム慣性モーメントＩは幾何的
関係から次式のようになる。
但し、Lrd;ブームシリンダのシリンダロッドの長さ
（固定） A;ブームシリンダ断面積 Ｉ＝［Lbg2・Wbm＋｛Lb2＋Lag2 ＋2Lb・Lag cos（β−ψ１）｝・Wam ＋｛Lb2＋LaB＋2Lb・La cos β｝・Wbt］/g ……（８） 即ち、上記（６）〜（８）式において、ブーム角α，
アーム角β以外は全て固定値であって、予め求めておく
ことができるため、ブーム角αおよびアーム角βを作業
中逐次検出するようにすれば、上記（６）〜（８）式を
用いて各時点におけるGlink,I,Vを算出することがで
き、さらに、該算出したGlink,I,Vを用いて各ゲインK1,
K2,K3を前記第（２）〜（４）式にしたがって可変制御
するようにすれば、伝達関数Ｗ（ｓ）を第（５）式に示
すように、作業機位置に関係なく常に一定とすることが
できる。
（固定） A;ブームシリンダ断面積 Ｉ＝［Lbg2・Wbm＋｛Lb2＋Lag2 ＋2Lb・Lag cos（β−ψ１）｝・Wam ＋｛Lb2＋LaB＋2Lb・La cos β｝・Wbt］/g ……（８） 即ち、上記（６）〜（８）式において、ブーム角α，
アーム角β以外は全て固定値であって、予め求めておく
ことができるため、ブーム角αおよびアーム角βを作業
中逐次検出するようにすれば、上記（６）〜（８）式を
用いて各時点におけるGlink,I,Vを算出することがで
き、さらに、該算出したGlink,I,Vを用いて各ゲインK1,
K2,K3を前記第（２）〜（４）式にしたがって可変制御
するようにすれば、伝達関数Ｗ（ｓ）を第（５）式に示
すように、作業機位置に関係なく常に一定とすることが
できる。
第１図は、かかる原理に基づき構成したブーム流量制
御系のブロック線図を示すものであり、第７図に示した
K1,K2,K3増幅器を夫々K1,K2,K3演算回路10,20,30に置換
えるようにしている。すなわちK1演算回路10、K2演算回
路20およびK3演算回路49にはブーム回転軸０、アーム回
転軸Ｂの各回転角α，βを測定する回転角センサ（ポテ
ンショメータ）40の検出出力が入力されており、各演算
回路10,20,30はこれら入力角α，βを夫々前記（６），
（７），（８）式に代入するいことによってGlink,I,V
を求め、該求めたGlink,I,Vを前記（２），（３），
（４）式に代入することによってK1,K2,K3を作業機位置
に応じて可変制御する。
御系のブロック線図を示すものであり、第７図に示した
K1,K2,K3増幅器を夫々K1,K2,K3演算回路10,20,30に置換
えるようにしている。すなわちK1演算回路10、K2演算回
路20およびK3演算回路49にはブーム回転軸０、アーム回
転軸Ｂの各回転角α，βを測定する回転角センサ（ポテ
ンショメータ）40の検出出力が入力されており、各演算
回路10,20,30はこれら入力角α，βを夫々前記（６），
（７），（８）式に代入するいことによってGlink,I,V
を求め、該求めたGlink,I,Vを前記（２），（３），
（４）式に代入することによってK1,K2,K3を作業機位置
に応じて可変制御する。
以上はブーム流量制御系についてのゲイン可変制御を
示すものであるが、アームおよびバケット制御系につい
ても、上記と同様の方法でゲイン可変制御を行なうこと
により、伝達関数をGlink,I,Vに関係なく常に一定にす
ることができる。
示すものであるが、アームおよびバケット制御系につい
ても、上記と同様の方法でゲイン可変制御を行なうこと
により、伝達関数をGlink,I,Vに関係なく常に一定にす
ることができる。
第４図はブームのステップ応答のシュミレーション結
果を示すものであり、（ａ）および（ｃ）はゲインK1,K
2,K3を固定した従来方式を、（ｂ）および（ｄ）はゲイ
ンK1,K2,K3を可変する本発明の方式を示すものである。
なお、従来方式においては目標ブーム角αが45度のとき
応答が最もよくなるようにK1,K2,K3を固定設定するよう
にしている。
果を示すものであり、（ａ）および（ｃ）はゲインK1,K
2,K3を固定した従来方式を、（ｂ）および（ｄ）はゲイ
ンK1,K2,K3を可変する本発明の方式を示すものである。
なお、従来方式においては目標ブーム角αが45度のとき
応答が最もよくなるようにK1,K2,K3を固定設定するよう
にしている。
すなわち、第４図のシュミレーション結果では、ブー
ム角αが45度のときには従来方式と本方式とではほぼ同
じ応答を示すが、ブーム角αを60度にすると、従来方式
では粘性が低下しハンチングを生じているが、ゲイン可
変の本方式ではα＝45度のときと同じ応答を示してお
り、本方式によればブーム角αに関係なく常に良好な応
答を示すことが判る。
ム角αが45度のときには従来方式と本方式とではほぼ同
じ応答を示すが、ブーム角αを60度にすると、従来方式
では粘性が低下しハンチングを生じているが、ゲイン可
変の本方式ではα＝45度のときと同じ応答を示してお
り、本方式によればブーム角αに関係なく常に良好な応
答を示すことが判る。
したがって、第５図に示すような直線堀削を行った場
合、従来方式では第６図（ａ）に示すように目標位置へ
の追従性が作業機角度によってばらつき、目標値との偏
差が大きくなるが、本方式では第６図（ｂ）に示す如く
作業機角度による追従性のバラツキが無くなり、目標値
との誤差を最小限に抑えることができる。
合、従来方式では第６図（ａ）に示すように目標位置へ
の追従性が作業機角度によってばらつき、目標値との偏
差が大きくなるが、本方式では第６図（ｂ）に示す如く
作業機角度による追従性のバラツキが無くなり、目標値
との誤差を最小限に抑えることができる。
以上説明したようにこの発明によれば、各作業機の流
量制御系内に含まれるゲインを作業機の位置に応じて逐
次変化させることにより、各シリンダリンクゲイン、慣
性モーメント、シリンダ圧油体積を補償するようにした
ので、各作業機は指令に対して忠実に追従するようにな
り、安定した制御をなし得る。
量制御系内に含まれるゲインを作業機の位置に応じて逐
次変化させることにより、各シリンダリンクゲイン、慣
性モーメント、シリンダ圧油体積を補償するようにした
ので、各作業機は指令に対して忠実に追従するようにな
り、安定した制御をなし得る。
第１図はこの発明の一実施例を示す制御ブロック図、第
２図および第３図はパワーショベルの各部の位置、長さ
等を定義するための説明図、第４図は本発明と従来方式
とのステップ応答のシュミレーション結果を例示するグ
ラフ、第５図は直線掘削を説明するための図、第６図は
本発明と従来方式との直線掘削結果を例示する説明図、
第７図は従来装置を示す制御ブロック図である。 10……K1演算回路、20……K2演算回路、30……K3演算回
路、40……角度センサ、Glink……シリンダリンクゲイ
ン、Ｖ……シリンダ圧油体積、Ｉ……慣性モーメント。
２図および第３図はパワーショベルの各部の位置、長さ
等を定義するための説明図、第４図は本発明と従来方式
とのステップ応答のシュミレーション結果を例示するグ
ラフ、第５図は直線掘削を説明するための図、第６図は
本発明と従来方式との直線掘削結果を例示する説明図、
第７図は従来装置を示す制御ブロック図である。 10……K1演算回路、20……K2演算回路、30……K3演算回
路、40……角度センサ、Glink……シリンダリンクゲイ
ン、Ｖ……シリンダ圧油体積、Ｉ……慣性モーメント。
Claims (2)
- 【請求項１】ブーム、アームおよびバケットと、これら
各作業機に夫々リンク結合されて各作業機を回動駆動す
る夫々の作業機シリンダと、目標値として与えられた各
作業機の回転角度に応じて各作業機シリンダへの圧油供
給流量を制御する夫々の流量制御系とを具えたパワーシ
ョベルにおいて、 各作業機の回転角を検出する回転角検出手段と、 該回転角検出手段の出力に基づき各作業機についてのシ
リンダリンクゲイン、慣性モーメントおよびシリンダ圧
油体積を算出し、これら算出値に応じて前記各流量制御
系の伝達関数が一定となるよう当該伝達関数内のゲイン
の可変制御をおこなう手段とを具えるようにしたパワー
ショベルの作業機位置制御装置。 - 【請求項２】前記ゲインは偏差ゲイン、角速度フィード
バックゲインおよび角加速度フィードバックゲインであ
る特許請求の範囲第（１）項記載のパワーショベルの作
業機位置制御装置。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP62205902A JP2652167B2 (ja) | 1987-08-19 | 1987-08-19 | パワーショベルの作業機位置制御装置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP62205902A JP2652167B2 (ja) | 1987-08-19 | 1987-08-19 | パワーショベルの作業機位置制御装置 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS6448103A JPS6448103A (en) | 1989-02-22 |
| JP2652167B2 true JP2652167B2 (ja) | 1997-09-10 |
Family
ID=16514640
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP62205902A Expired - Lifetime JP2652167B2 (ja) | 1987-08-19 | 1987-08-19 | パワーショベルの作業機位置制御装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2652167B2 (ja) |
Families Citing this family (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH0348909A (ja) * | 1989-07-17 | 1991-03-01 | Mitsubishi Electric Corp | 空間安定化装置 |
| JPH07101364B2 (ja) * | 1990-10-08 | 1995-11-01 | 株式会社神戸製鋼所 | 油圧駆動機械の自動制御装置 |
| US6651544B2 (en) * | 2001-12-28 | 2003-11-25 | Caterpillar Inc | Controlling the deadband of a fluid system |
| CN104612194B (zh) * | 2013-12-30 | 2017-01-11 | 柳州柳工挖掘机有限公司 | 挖掘机工作装置回转的控制方法 |
| JP7146530B2 (ja) * | 2018-08-31 | 2022-10-04 | コベルコ建機株式会社 | 建設機械 |
Family Cites Families (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS60214007A (ja) * | 1984-04-09 | 1985-10-26 | Hitachi Ltd | 多関節ロボツトの駆動制御方法 |
| JPS613212A (ja) * | 1984-06-15 | 1986-01-09 | Hitachi Ltd | ロボツトの製御装置 |
| JPH0616246B2 (ja) * | 1984-11-16 | 1994-03-02 | キヤノン株式会社 | 位置決め制御装置 |
| JPH0740204B2 (ja) * | 1985-03-30 | 1995-05-01 | 株式会社東芝 | 多自由度非線形機械システムの制御装置 |
-
1987
- 1987-08-19 JP JP62205902A patent/JP2652167B2/ja not_active Expired - Lifetime
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPS6448103A (en) | 1989-02-22 |
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