JP3900537B2

JP3900537B2 - 油圧シリンダの制御システムおよび方法

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Publication number: JP3900537B2
Application number: JP50514497A
Authority: JP
Inventors: ハンスピーディーツ
Original assignee: Caterpillar Inc
Current assignee: Caterpillar Inc
Priority date: 1995-07-05
Filing date: 1996-06-11
Publication date: 2007-04-04
Anticipated expiration: 2016-06-11
Also published as: WO1997002432A1; JPH10505658A; US5666806A; AU6111696A

Description

発明の属する技術分野
本発明は、一般に油圧アクチュエータの制御に関し、特に油圧シリンダのより正確で確実な制御を実現するためにフィードバック線形化を用いた方法および装置に関する。
従来の技術
油圧システムは、油圧掘削機、バックホーローダ、ホイールローダなど、多くの形態の建設用機器に利用される。この機器は、通常は車輪または覆帯を備えた動力車輪であり、油圧シリンダ及びモータなどの多くの油圧作動型機械を含む。ほとんどの場合において、油圧システムは、バルブ装置によって制御され、油圧ポンプが、油圧シリンダ又はモータに各々が関係する複数のバルブに加圧流体を供給する。オペレータが、オペレータのコンパートメントにあるコントロールレバーを操作するとき、加圧流体が所望のシリンダ又はモータに制御可能に送られるように、油圧バルブが制御可能に開けられ、または閉じられる。
油圧シリンダのロッド／ヘッド組立体が、オペレータの指令に応答して動くように要求されるとき、正確かつ確実に所望の位置に動くことが重要である。このシステムは、基本的には非線形であり、多くの外乱、とりわけ温度変化や構成部材の磨耗および外部負荷の変化の影響を受けるために、このような正確な制御を実現することは困難である。
油圧アクチュエータシステムを最も効率的に制御する方法は、線形制御理論を使用することである。しかしながら、線形制御理論を適用する前に、まず、このシステムを線形化することが必要である。現在のところ、システムを線形化する最も一般的な方法は、選定した作動点または平衡点まわりの状態、入力、及び外乱の小さい変動に対してシステムを線形化させるテイラー級数線形化を含む。この場合、線形制御法則は、変動が小さく抑制された良好な性能を示すように設計できる。この方法の難点は、システムが、線形化された特定の点の辺りに近接している場合にしか、予測可能な性能が保証されないということである。非線形システムを、平衡点に拘束される線形システムに基づいた線形制御法則で制御することが、多くの油圧システムに対して望ましくないことが一般に認められている。
当業技術分野において、油圧アクチュエータを制御するために、ゲイン計画法も又、現在のところ用いられている。この技術は、非線形システムを、これらの選択された動作すなわち平衡点を中心とする複数の線形システムとしてモデル化する。各線形システムが、関連する線形制御法則を有する。動作中に、このシステムが、１つの平衡点から別の平衡点に移るとき、近くの線形制御法則が共に混合される。有限の数の線形制御法則が、非線形システムの連続的な動作を制御するのに用いられるために、この手法は、本来的に不連続である。さらに、線形化の状態および点の数が増えると、ゲイン計画法のソフトウェアの実装の複雑さが劇的に大きくなる。
本発明は、シリンダに関する既知の油圧制御システムに関連する前述した１つ以上の問題を解消することを目的とする。
本発明の開示
本発明の１つの態様において、油圧作動システムを制御する方法を提供する。この方法は、油圧シリンダの所望の位置に関連する指令信号を受け取り、複数のシステム状態を検知して複数の制御システム状態信号を生成し、複数のフィードバック線形化制御法則に従って、指令信号および複数のシステム状態信号の関数として初期ポンプ変位出力値と初期スプール変位出力値を定め、線形制御法則に従って、初期ポンプ変位出力値と初期スプール変位値の関数としてポンプ変位出力信号とスプール変位出力信号を生成するステップを有する。
本発明の別の態様においては、油圧制御システムを提供する。この油圧制御システムは、油圧シリンダと、制御バルブと、油圧ポンプと、複数のシステム状態を検知して複数のシステム状態信号を生成する複数のセンサと、複数のフィードバック線形化制御法則に従って入力指令信号と複数のシステム状態信号の関数として初期ポンプ変位出力値と初期スプール変位出力値を定める第１制御手段と、線形制御法則に従って初期ポンプ変位出力値および初期スプール変位値の関数として、油圧ポンプに関するポンプ変位出力信号および制御バルブに関するスプール変位出力信号を生成する第２制御手段とを備える。
本発明は、図面および明細書をより詳細に検討することによって明らかになるであろう他の特徴および利点をも有する。
【図面の簡単な説明】
図１は、油圧シリンダの制御システムのブロック図である。
図２は、制御プロセスにおいて続く一連のステップのフローチャートである。
本発明の好適な具体例の詳細な説明
図１に示されるように、油圧制御システム１０が、圧力下で、流体リザーバ１４から供給ライン１６および油圧シリンダ１８に流体を送る可変変位油圧ポンプ１２を備える。制御バルブ２０が、供給ライン１６を介して油圧ポンプ１２に接続され、油圧シリンダ１８に対する油圧流体の流れを制御するように動作する。
油圧シリンダ１８は、ピストンヘッド２４、及び油圧シリンダ１８の外に延びて、油圧シリンダ１８内で平行に移動できるピストンロッド２２を備える。このシリンダ自身は、シリンダヘッドチャンバ２６とシリンダロッドチャンバ２８とからなる。このチャンバ２６、２８は、ピストンヘッド２４の相対的な位置により形成され、ピストンヘッド２４の位置により体積を変化させる。
制御バルブ２０が、単一の制御スプール２１を備える。分割スプールバルブが用いられてもよく、以下に詳細に説明される。制御バルブ２０は、第１油圧流体ライン３０および第２油圧流体ライン３２を介して油圧シリンダ１８に接続される。第１油圧流体ライン３０が、シリンダヘッドチャンバ２６に接続され、第２油圧流体ライン３２が、シリンダロッドチャンバ２８に接続される。
センサがシステムに配備され、このシステムの様々なシステム状況すなわち状態を測定する。例えば、ポンプ圧力センサが、供給ライン１６に接続され、ポンプ圧力を検知し、ポンプ圧に応答するシステム状態信号を生成する。
シリンダヘッド圧力センサ３６が、第１油圧流体ライン３０に接続されて、シリンダヘッド圧力を検知し、このシリンダヘッド圧力に応答するシステム状態信号を生成する。シリンダロッド圧力センサ３８が、第２油圧流体ライン３２に接続されて、シリンダロッド圧力を検知し、シリンダロッド圧力に応答するシステム状態信号を生成する。シリンダ位置センサ４０が、油圧シリンダ１８に接続されて、シリンダ位置を検知し、このシリンダ位置に応答するシステム状態信号を生成する。
システム状態信号はフィルタネットワーク４２に送られ、望ましくない電気的ノイズを除去される。フィルタネットワーク４２は複数のローパスフィルタを備える。指令入力信号４４もまたフィルタネットワーク４２に送られる。この指令入力信号４４は、望ましいシリンダ位置に対応する。
システム状態信号および指令入力信号が、コントローラ４６に送られる。このコントローラ４６は、油圧ポンプ１２に関するポンプ変位と、制御バルブ２０に関する制御スプール変位に対応する制御信号を出力する。
図１に示される油圧制御システム１０が、５つの基本信号すなわち状態、つまりは、シリンダ位置、ポンプ圧力、シリンダヘッド圧力、シリンダロッド圧力およびシリンダ速度によって形成されることができる。シリンダ速度は、シリンダ位置を微分することによって得られることができ、または、別のセンサが、シリンダ速度を検知し、適切なシステム状態信号を生成するために用いられることもできる。シリンダ位置を微分して、シリンダ速度を得ることは、より効率的である。図１に示されたシステムに関する状態は、以下のとおりである。

コントローラ４６が、二重作動シリンダの動きの所望の方向によってシリンダロッド圧力またはシリンダヘッド圧力のいずれかを加圧するために、シリンダ圧力が、システムに関する単一状態としての方程式の形態で表される。例えば、シリンダロッド圧力が正であるときには、シリンダヘッドチャンバ２６の油圧流体が、油圧流体リザーバ１４に除かれる。同様に、シリンダヘッド圧力が正であるときには、シリンダロッドチャンバ２８の油圧流体が、油圧流体リザーバに除かれる。この動作によると、システムが、動きの方向に依存して、シリンダ圧力をシリンダヘッド圧力またはシリンダロッド圧力のいずれかとして定めることができる。
図１に示される油圧制御システム１０に対する入力は、以下の通りである。
Ｘ_cs(t)−制御スプール変位（Ｍ）
η(t)−ポンプ変位（Ｍ³／Rad）
単一制御スプール２１を備えた図１に示される制御バルブ２０が、油圧シリンダ１８に流れ込む流量を計量する。分割スプールバルブが、単一スプール２１の代わりになってもよい。分割スプールバルブシステムが利用される場合に、システムへの別の入力が存在する。従って、別のフィードバック線形化制御法則も存在する。分割スプール構成の場合において、作動されない圧力が、更なる正確性を達成するために制御されることができる。しかしながら、分割スプール構成に関する付加的なコストは、実現された正確性に対して高すぎる。
油圧制御システム１０の出力は以下の通りである。
χ(t)−シリンダ変位（Ｍ）
図１に示された油圧システムモデルを形成する、考慮に入れるべき主要な物理的パラメータは、以下の通りである。
Ｍ_c＝シリンダロッド及びヘッドの質量（Ｋｇ）
Ａ_c＝シリンダヘッドの面積（Ｍ²）
Ｂ_c＝シリンダ粘性摩擦（Ｎ秒／Ｍ）
β＝油圧オイルの体積弾性率（ＰＡ）
ρ＝油圧オイルの密度（Ｋｇ／Ｍ³）
Ｖ₁＝バルブとシリンダの間の閉じ込められた体積（Ｍ³）
Ｗ_s＝スプールの面積勾配（Ｍ）
Ｃ_d＝乱流係数（単位なし）
Ｖ_p＝ポンプとバルブの間に閉じ込められた体積（Ｍ³）
Ｋ₁＝ポンプ漏れ係数（Ｍ³／秒ＰＡ）
図１で示される油圧制御システム１０に作用する主な外乱は、以下のものである。
Ｆ₁＝負荷荷重（Ｎ）
Ｎ＝ポンプの駆動軸回転（Rad／秒）
油圧制御システム１０に関するフィードバック線形化制御法則を得るために、動きの方程式およびシステムを形成する物理的パラメータに従って、図１に示されるシステムをモデル化する必要がある。以下に示す方程式（１）は、油圧シリンダ１８に作用する力を表し、油圧シリンダ１８に作用する全ての力がそれに作用する外力の合計に等しいというニュートンの第２法則を用いて得られる。

以下に示される方程式（２）は、油圧シリンダ１８の圧力変化の割合を表し、流量連続の法則から得られる。

以下に示される方程式（３）は、油圧ポンプ１２の作動圧力の変化の割合を表し、流量連続の法則から得られる。

以下に示される方程式（４）は、単一制御スプール２１の計量オリフィスを通って油圧シリンダ１８に流れる流量を示す。

以下に示される方程式（５）は、油圧ポンプ１２のポンプ流を示す。
（５）ｑ_p＝Ｎη
以下に示される方程式（６）は、単一制御スプール２１により開けられた領域を長方形ポートとして定める。
（６）Ａ_c＝Ｗ_cＸ_cs
以下に示される方程式（７）は、油圧シリンダ１８内で加圧された体積を表す。
（７）Ｖ_c＝Ｖ₁＋Ａ_cχ
方程式（４）〜（７）を、式（１）〜（３）に代入すると、以下の方程式が導かれる。

方程式（８）〜（１０）を状態空間で表すと、以下の方程式が導かれる。

この方程式（１１）〜（１４）に関する状態は、以下のように定められる。

方程式（１１）〜（１２）は、状態に関して線形であるが、方程式（１３）〜（１４）は、状態に関して非線形である。フィードバック線形化法則を用いると、全体的に微分方程式（１３）〜（１４）が線形化され、非線形プラント（１１）〜（１４）を、特別に全体として線形で時間変化のないシステムに変換する。システムに対する制御スプール変位とポンプ変位の２つの入力は、フィードバック線形化制御法則を実行するために用いられる。
第１のフィードバック線形化法則は、シリンダ圧力の力学を所定の線形方程式に等しく設定することによって得られる。

方程式（１５）においては、α₁からα₄までの定数が予め定められた実数であり、μ₁が制御プロセスの第２の段階で計算された新しい入力である。以下の恒等式は、方程式（１３）を方程式（１５）に等しくすることによって作られる。

第１のフィードバック線形化制御法則が、方程式（１６）を所望の制御スプール位置について解くことによって得られる。

スプール位置を計算する第１のフィードバック線形化制御法則が、方程式（１３）における非線形シリンダ圧の動力学を、方程式（１５）に特定される線形シリンダ圧の動力学に変換する。
同じように、フィードバック線形化制御法則が、ポンプ圧に関して得られる。第２のフィードバック線形化制御法則が、ポンプ圧の動力学を所定の線形方程式に等しくすることによって得られる。

方程式（１８）においては、定数β₁〜β₄が所定の実数であり、μ₂が制御プロセスの第２段階で計算された新しい入力である。以下の恒等式が、方程式（１４）を方程式（１８）に等しくすることによって作られる。

第２のフィードバック制御法則が、方程式（１９）を要求されるポンプ変位について解くことによって得られる。

ポンプ変位を計算する第２のフィードバック線形化制御法則が、方程式（１４）における非線形ポンプ圧の動力学を、方程式（１８）に特定される線形ポンプ圧の動力学に変換する。
この２つの相互依存フィードバック線形化制御法則が、スプール位置とポンプ変位を得て、非線形動力学を解消し、所望の性能を実現すべく、線形制御が制御プロセスの第２段階で適用できる状態にシステムをおく。極配置、ＬＱＲ、ＬＱＤ、及び正ＰＩＤなどの良く知られた線形制御法則を用いると、線形制御法則が、μ₁およびμ₂に対して得られ、新しい線形システムの極を、所望の性能が実現され且つ外乱が所望の性能に悪影響を与えない位置に配置する。
特に、図２に示された制御動作フローチャートにおいて、入力指令信号４４がブロック５０で受け取られる。入力指令信号４４は、所望のシリンダ位置に対応する。動作中、入力指令信号４４が、オペレータ入力に応答する。例えば、油圧制御システム１０が、ブレード、スコップ又はシャベルなどの建築機械における特定の器具の動きを制御するために用いられることができる。オペレータは、制御レバーを操作し、特別なシリンダ位置に対応する所望の位置にその器具を動かす。油圧制御システム１０が、とりわけ燃料噴射システム、実行システムおよびステアリング機構を含む多くの様々なシステムを制御するために用いられることができる。さらに、ブロック５０において、検知されたシステム状態に対応するシステム状態信号が受け取られる。油圧制御システム１０が、システム状態を継続的に検知し、更新されるシステム状態信号を、フィルタネットワーク４２およびコントローラ４６に送る。
ブロック５２において、入力指令信号およびシステム状態信号が、フィルタネットワーク４２により、望ましくない電気的ノイズを除去すべくフィルタ処理される。前述したように、フィルタネットワーク４２は、複数のローパスフィルタを含む。
ブロック５４では、フィードバック線形化制御法則が計算される。初期ポンプ変位出力値および初期スプール変位値が、システムに関する複数のフィードバック線形化制御法則（方程式（１７）および（２０））から得られる。フィードバック線形化法則は、検知されたシステム状態信号と入力指令信号を利用する。従って、計算された初期ポンプ変位出力値と初期スプール変位値が、システム状態信号および入力指令信号の関数である。初期ポンプ変位出力値および初期スプール変位出力値は、システムに関するフィードバック線形化制御法則により得られ、相互に関係する。ポンプ変位またはスプール変位のいずれかとなる出力の１つだけがフィードバック線形制御法則により制御された場合、非線形動力学が、フィードバック線形制御法則により制御されない状態にシフトされる。当業者であれば、更なる油圧シリンダが図１に示されるベースシステムに取り付けられてもよいことを認識するであろう。別の油圧シリンダを付加することは、別の制御バルブおよび関連するセンサおよび油圧流体ラインを付加することを含む。第２制御バルブのスプール変位に関する第３のフィードバック線形化制御法則が必要とされ、初期制御バルブのスプール変位に関する制御法則が得られたのと同じように得ることができる。さらに、ポンプ変位に関するフィードバック線形化制御法則は、第２スプールに関係する別のフィードバック線形化制御法則を明らかにするために再び得られなければならない。従って、フィードバック線形化法則が相互に関係するために、このシステムは、多くの器具を使用することによっては悪影響を受けない。
ブロック５６では、標準線形制御法則が計算される。前もって、ブロック５４で、フィードバック線形化制御法則が使用されることにより、このシステムの非線形動力学がキャンセルされる。ブロック５６では、極配置、ＬＱＲ、ＬＱＤおよび正ＰＩＤなどの良く知られた線形制御法則が、線形制御法則を得るために用いられることが可能であり、新しい線形システムの極を、所望の性能が実現され且つ外乱が所望の性能に悪影響を与えることのない位置に配置する。ポンプ変位出力信号およびスプール変位出力信号が、選択された標準線形制御法則に従って、初期ポンプ変位出力値と初期スプール変位出力値の関数として生成される。
ブロック５４、５６を含んだシステムの制御機構が、本質的に、外部ル−プおよび内部ル−ププロセスである。ブロック５４で、内部ル−プが非線形圧力動力学をキャンセルし、一方で外部ル−プが標準線形フィードバック制御法則を実行する。
ブロック５４、５６で実行される制御プロセスの結果が、ブロック５８でシステムに出力される。
産業上利用性
油圧制御システム１０が、油圧掘削機、バックホーローダおよびホイールローダ等の建築機械において用いられるのが好ましい。油圧制御システム１０の油圧シリンダ１８は、特にバケットシリンダ又はブームシリンダであってよい。油圧制御システム１０は、フィードバック線形化を利用して、油圧シリンダ１８のより正確で確実な制御を実現する。
図１を参照すると、油圧シリンダ１８の所望のシリンダ位置を指示する指令入力信号４４が、オペレータ入力に応答する。指令信号４４およびシステムの状態を指示する検知されたシステム状態信号が、フィルタネットワーク４２に送られ、望ましくない電気的ノイズを取り除き、それからコントローラ４６に送られる。
コントローラ４６内で、初期ポンプ変位出力値と初期スプール変位出力値が、システムの非線形圧力動力学をキャンセルする複数のフィードバック線形化制御法則に従って、入力指令信号４４と検知されたシステム状態信号の関数として計算される。それから、油圧ポンプ１２に関するポンプ変位出力信号と制御バルブ２１に関するスプール変位出力信号が、標準線形制御法則に従って、初期ポンプ変位出力値と、初期スプール変位出力値の関数として計算される。
油圧ポンプ１２および制御バルブ２０が制御されて、油圧シリンダ１８に関する所望の位置を実現する。
本発明の別の態様、目的および利点が、図面、本開示および請求の範囲を検討することによって得ることができる。

Claims

油圧ポンプ（１２）、制御バルブ（２０）、油圧シリンダ（１８）およびマイクロプロセッサを備えた油圧作動型システム（１０）を制御する方法であって、
油圧シリンダ（１８）に関する所望の位置に関連する入力指令信号（４４）を受け取り、
複数のシステム状態を検知し、前記複数のシステム状態に従って複数のシステム状態信号を生成し、
前記複数のシステム状態信号の関数として、

および

によって定義されるフィードバック線形化制御法則から得られる入力指令信号を受け取った時点でのポンプ変位出力値と該時点でのスプール変位出力値を定め、ここで、Ｖ ₁ がバルブとシリンダの間の閉じ込められた体積、Ａ _c がシリンダヘッドの面積、βが油圧オイルの体積弾性率、Ｃ _d が乱流係数、ρが油圧オイルの密度、Ｖ _p がポンプとバルブの間に閉じ込められた体積、Ｋ ₁ がポンプ漏れ係数、Ｎがポンプの駆動軸回転を表すパラメータで、χ ₁ がシリンダ変位、χ ₂ がシリンダ速度、χ ₃ がシリンダ圧力、χ ₄ がポンプ圧力を表す値で、Ｗ _c はＡ _c /Ｘで定義される値であり、
前記入力指令信号を受け取った時点でのポンプ変位出力値、前記入力指令信号を受け取った時点でのスプール変位出力値、及び前記入力指令信号（４４）の関数として、前記少なくとも１つの線形制御法則から得られるポンプ変位出力信号およびスプール変位出力信号を生成するステップを有する方法。
前記複数のシステム状態信号をフィルタ処理するステップを有することを特徴とする請求項１に記載の方法。
前記複数のシステム状態が、シリンダ位置、シリンダロッド圧力、シリンダヘッド圧力およびポンプ圧力を含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
システム状態のシリンダ位置から微分法でシリンダ速度を定めるステップを有することを特徴とする請求項３に記載の方法。
前記複数のシステム状態が、シリンダ位置、シリンダ速度、シリンダロッド圧力、シリンダヘッド圧力およびポンプ圧力を含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
油圧制御システム（１０）であって、
油圧シリンダ（１８）と、
前記油圧シリンダ（１８）に対する加圧油圧流体の流量を調節する制御バルブ（２０）と、
前記制御バルブ（２０）を通じて加圧油圧流体を前記油圧シリンダ（１８）に供給する油圧ポンプ（１２）と、
複数のシステム状態を検知して、複数のシステム状態信号を生成する複数のセンサと、
前記複数のシステム状態信号の関数として、

および

によって定義される複数のフィードバック線形化制御法則により得られる入力指令信号を受け取った時点でのポンプ変位出力値と入力指令信号を受け取った時点でのスプール変位出力値を定める第１制御手段（５４）を備え、ここで、Ｖ ₁ がバルブとシリンダの間の閉じ込められた体積、Ａ _c がシリンダヘッドの面積、βが油圧オイルの体積弾性率、Ｃ _d が乱流係数、ρが油圧オイルの密度、Ｖ _p がポンプとバルブの間に閉じ込められた体積、Ｋ ₁ がポンプ漏れ係数、Ｎがポンプの駆動軸回転を表すパラメータで、χ ₁ がシリンダ変位、χ ₂ がシリンダ速度、χ ₃ がシリンダ圧力、χ ₄ がポンプ圧力を表す値で、Ｗ _c はＡ _c /Ｘで定義される値であり、
前記入力指令信号を受け取った時点でのポンプ変位出力値、前記入力指令信号を受け取った時点でのスプール変位出力値および入力指令信号（４４）の関数として、前記少なくとも１つの線形制御法則から得られる、前記油圧ポンプ（１２）に関するポンプ変位出力信号と前記制御バルブ（２０）に関するスプール変位出力信号を生成する第２制御手段（５６）を有する油圧制御システム。
前記複数のシステム状態をフィルタ処理する手段（５２）を含むことを特徴とする請求項６に記載の油圧制御システム。
前記制御バルブ（２０）が単一スプール（２１）を備えることを特徴とする請求項６に記載の油圧制御システム。
前記制御バルブ（２０）が分割スプールを備えることを特徴とする請求項６に記載の油圧制御システム。
前記複数のシステム状態が、シリンダ位置、シリンダロッド圧力、シリンダヘッド圧力およびポンプ圧力を含むことを特徴とする請求項６に記載の油圧制御システム。
前記システム状態のシリンダ位置から微分法によってシリンダ速度を定める手段を有することを特徴とする請求項１０に記載の油圧制御システム。
前記複数のシステム状態が、シリンダ位置、シリンダ速度、シリンダロッド圧力、シリンダヘッド圧力およびポンプ圧力を含むことを特徴とする請求項６に記載の油圧制御システム。