JP6567301B2

JP6567301B2 - ショベル

Info

Publication number: JP6567301B2
Application number: JP2015049793A
Authority: JP
Inventors: 英祐松嵜
Original assignee: Sumitomo Heavy Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Heavy Industries Ltd
Priority date: 2015-03-12
Filing date: 2015-03-12
Publication date: 2019-08-28
Anticipated expiration: 2035-03-12
Also published as: JP2016169530A

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。

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。）。

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。

特開２００５−５４９０３号公報

しかしながら、上述の建設機械は、油圧ポンプの吐出圧の急上昇を検知した後でその吐出量を低減させることに変わりはなく、吐出量を低減させてから実際に吐出圧が低下するまでに要する時間である油圧ポンプの応答遅れ時間の影響を受ける。そのため、低減後の所定トルク（低トルク）の設定によっては、エンジン出力トルクを超えて油圧ポンプのポンプ吸収トルクを増大させてしまい、或いは、ポンプ吸収トルクを過度に低減させてしまうおそれがある。

上述に鑑み、より高い応答性で油圧ポンプを制御可能なショベルを提供することが望ましい。

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と前記油圧ポンプの状態量とに基づいて所定時間後の未来における前記油圧ポンプの状態量を予測して前記油圧ポンプに対する指令値を導き出すモデル予測制御部と、前記油圧ポンプを制御する制御装置と、を備え、前記制御装置は、前記モデル予測制御部が導き出した前記油圧ポンプに対する指令値を用いて前記油圧ポンプを制御する。

上述の手段により、より高い応答性で油圧ポンプを制御可能なショベルを提供することができる。

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。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。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。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。制御システムの構成例を示す機能ブロック図である。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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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_１、ｖ_２、・・・、ｖ_ｎ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_１／ＲＶ_１、ＲＡ_２／ＲＶ_２、・・・、ＲＡ_ｎ／ＲＶ_ｎ）を成分として含み、この行列方程式における比ＲＡ_ｎ／ＲＶ_ｎと伸張速度ｖ_ｎ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。

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_１〜ｖ_ｎ、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。

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_１〜ｖ_ｎ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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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

Claims

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と前記油圧ポンプの状態量とに基づいて所定時間後の未来における前記油圧ポンプの状態量を予測して前記油圧ポンプに対する指令値を導き出すモデル予測制御部と、
前記油圧ポンプを制御する制御装置と、を備え、
前記制御装置は、前記モデル予測制御部が導き出した前記油圧ポンプに対する指令値を用いて前記油圧ポンプを制御する、
ショベル。
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、前記油圧シリンダ内の作動油の圧力、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。
前記油圧ポンプの状態量は前記油圧ポンプの押し退け容積及び吐出圧を含む、
請求項１又は２に記載のショベル。
アタッチメントに取り付けられたアクチュエータ状態量取得部を備え、
前記モデル予測制御部に前記アクチュエータ状態量取得部で取得した信号が入力される、
請求項１〜３のいずれか１項に記載のショベル。