JPH09228426A - 建設機械の作業機制御装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 作業機作動シリンダの位置追従性を向上さ
せ、水平均し作業や法面整形作業において掘削負荷が上
昇しても所定の仕上げ精度を確保する。 【解決手段】 操作レバー33、コントローラ21、コント
ロールバルブ36およびフロントリンケージの各角度セン
サ16bm，16st，16bkからのフィードバックループ43bm，
43st，43bkなどにより位置追従用フィードバック制御系
を構成する。この制御系に掘削負荷に応じてフィードバ
ックゲインおよびフィードフォワードゲインを調整する
ための信号ライン51を設ける。法面整形作業などで主と
して働くスティックシリンダ14stの負荷圧を圧力センサ
32stなどで検出し、このシリンダ負荷圧の増大に応じて
ルックアップテーブル52によりフィードバックゲインお
よびフィードフォワードゲインを増大調整する。掘削負
荷が大きいときはフロントリンケージの減衰も大きいの
で、ゲインを増大させても制御系が不安定とならない。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、油圧ショベル、バ
ックホーなどの建設機械の作業機を制御する建設機械の
作業機制御装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】図３に従来の油圧ショベルのシステム構
成図を示す。この油圧ショベルは、下部走行体11に上部
旋回体12が設けられ、この上部旋回体12にフロント作業
機13が設けられている。

【０００３】フロント作業機13は、上部旋回体12にブー
ムシリンダ14bmにより回動されるブーム15bmの基端が軸
支され、このブーム15bmの先端にスティックシリンダ14
stにより回動されるスティック15stの基端近傍が軸支さ
れ、このスティック15stの先端にバケットシリンダ14bk
により回動されるバケット15bkが軸支されている。

【０００４】フロントリンケージを構成する前記ブーム
15bm、スティック15stおよびバケット15bkのそれぞれの
回動角は、レゾルバなどの角度センサ16bm，16st，16bk
により検出され、その角度検出信号は上部旋回体12に搭
載された信号変換器17を経て、マイクロコンピュータを
含むコントローラ21に入力される。

【０００５】このコントローラ21には、入出力装置とし
ての表示器スイッチパネル22が接続され、操作レバーに
設けられた自動制御開始用またはエンジン回転速度制御
用などのコントロールスイッチ23、エンジン回転速度セ
ンサ24a により検出されたエンジン回転速度に基づきエ
ンジンおよびポンプを制御するエンジンポンプコントロ
ーラ24、操作レバーの位置を検出するための圧力センサ
25、車両の傾斜角を検出する傾斜角センサ26などがコン
トローラ21の入力端子にそれぞれ接続されている。ま
た、コントローラ21の出力端子に電磁弁27が接続されて
いる。

【０００６】前記コントローラ21は、ブームシリンダ14
bm、スティックシリンダ14stおよびバケットシリンダ14
bkを制御するための閉ループ制御補償器を備え、角度セ
ンサ16bm，16st，16bkからフィードバックされたブーム
15bm、スティック15stおよびバケット15bkの各回動角検
出信号より、各シリンダの作動ストロークを常に把握
し、ブーム15bm、スティック15stおよびバケット15bkの
実際位置および速度を操作レバーからの指令信号との関
係でフィードバック制御する位置追従用フィードバック
制御系を構成している。

【０００７】そして、このコントローラ21は、水平均し
作業や法面整形作業を行うためにマイクロコンピュータ
により演算された各シリンダ作動用の目標信号と前記フ
ィードバック信号との誤差をなくすように閉ループ制御
補償器により演算された信号で電磁比例弁（図示せず）
を電気的に制御し、この電磁比例弁から生じたパイロッ
ト圧によりコントロールバルブ（図示せず）をパイロッ
ト制御することにより、ブームシリンダ14bm、スティッ
クシリンダ14stおよびバケットシリンダ14bkをそれぞれ
伸縮制御し、水平均し作業や図示された法面整形作業に
おけるバケット歯先の軌跡制御およびバケット角の一定
制御を自動的に行うことができる。

【０００８】このように、従来の油圧ショベルは、水平
均し作業や法面整形作業において、バケット歯先の軌跡
制御およびバケット角の一定制御をマイクロコンピュー
タを用いて自動制御することにより、フロントリンケー
ジを構成するブーム15bm、スティック15stおよびバケッ
ト15bkの各シリンダ14bm，14st，14bkの変位を目標変位
に追従するように、各回動部の角度センサ16bm，16st，
16bkから得られた検出信号をコントローラ21にフィード
バックして閉ループ制御を行っている。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】この場合、バケット15
bkの掘削負荷が掘削中に増大すると、すなわち制御系に
おける外乱が増大すると、掘削負荷が小さい場合と比較
してブームシリンダ14bmの負荷が増大して、ブーム15bm
の追従が遅れ、その結果として掘削面が目標面に対して
下がりぎみとなっている。すなわち、水平均し作業や法
面整形作業における仕上げ精度が悪化している。

【００１０】また、これを避けるために、閉ループの補
償器に積分要素を付加し、ブームシリンダ14bmの目標位
置と実際位置との偏差を小さくする手法を用いることも
あるが、このような積分要素を単に付加しただけの場合
は、掘削負荷が急変した場合の追従速度が遅く、またフ
ロントリンケージの姿勢によって制御系が不安定となる
おそれがあるなどの問題があり、このため、積分要素の
ゲインを大きくとれず、積分要素の効果を十分に発揮す
ることが困難であった。

【００１１】本発明は、このような点に鑑みなされたも
ので、作業機作動シリンダの位置追従性を向上させるこ
とにより、水平均し作業や法面整形作業などにおいて掘
削負荷が上昇しても所定の仕上げ精度を得られるように
することを目的とするものである。

【００１２】

【課題を解決するための手段】請求項１に記載された発
明は、作業機作動シリンダの位置追従用フィードバック
制御系を備えた建設機械の作業機制御装置において、位
置追従用フィードバック制御系に設けたフィードフォワ
ードループと、このフィードフォワードループのゲイン
を掘削負荷に応じて調整するフィードフォワードゲイン
調整手段とを具備した構成の建設機械の作業機制御装置
である。

【００１３】そして、フィードフォワード信号のゲイン
を掘削負荷に合わせて増減させることにより、掘削負荷
に対する位置追従性を向上させる。

【００１４】請求項２に記載された発明は、請求項１記
載の建設機械の作業機制御装置において、フィードフォ
ワードゲイン調整手段を、作業機作動シリンダのシリン
ダ負荷圧を検出する圧力センサと、この圧力センサによ
り検出されたシリンダ負荷圧とゲインとの間の関係を決
定するゲイン調整用メモリとにより構成したものであ
る。

【００１５】そして、圧力センサにより作業機作動シリ
ンダのシリンダ負荷圧を検出し、このシリンダ負荷圧か
らメモリより対応するフィードフォワードゲインを呼出
し、フィードフォワード信号のゲインをシリンダ負荷圧
に合わせて自動的に増減調整する。

【００１６】請求項３に記載された発明は、作業機作動
シリンダの位置追従用フィードバック制御系を備えた建
設機械の作業機制御装置において、位置追従用フィード
バック制御系に設けたフィードフォワードループと、こ
のフィードフォワードループのゲインを掘削負荷に応じ
て調整するフィードフォワードゲイン調整手段と、位置
追従用フィードバック制御系のゲインを掘削負荷に応じ
て調整するフィードバックゲイン調整手段とを具備した
構成の建設機械の作業機制御装置である。

【００１７】そして、フィードフォワード信号およびフ
ィードバック信号の各ゲインを掘削負荷に合わせて増減
させることにより、掘削負荷に対する位置追従精度を向
上させる。

【００１８】請求項４に記載された発明は、請求項３記
載の建設機械の作業機制御装置において、フィードフォ
ワードゲイン調整手段およびフィードバックゲイン調整
手段を、作業機作動シリンダのシリンダ負荷圧を検出す
る圧力センサと、この圧力センサにより検出されたシリ
ンダ負荷圧とフィードフォワードゲインおよびフィード
バックゲインとの間の関係をそれぞれ決定するゲイン調
整用メモリとにより構成したものである。

【００１９】そして、圧力センサにより作業機作動シリ
ンダのシリンダ負荷圧を検出し、このシリンダ負荷圧か
らメモリより対応するフィードフォワードゲインおよび
フィードバックゲインをそれぞれ呼出し、フィードフォ
ワード信号およびフィードバック信号の各ゲインをシリ
ンダ負荷圧に合わせて自動的に増減調整する。

【００２０】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の一形態を図
１乃至図３を参照しながら説明する。図３は従来例およ
び本発明に共通の図面である。

【００２１】図１に示されるように、ブーム15bm、ステ
ィック15stおよびバケット15bkからなるフロントリンケ
ージに、ブームシリンダ14bm、スティックシリンダ14st
およびバケットシリンダ14bk（以下、これらのシリンダ
を一括して単に作業機作動シリンダ14という場合もあ
る）を取付けることによって、フロント作業機を構成す
る。

【００２２】このフロント作業機を制御する際の中心と
なるコントローラ21と、バケット歯先の掘削方向目標速
度を指令するスティック用操作レバー33と、入力電気信
号に比例するパイロット圧力を出力する電磁比例弁35
と、この電磁比例弁35からのパイロット圧力により変位
制御されるスプールにて油圧源（図示せず）から各作業
機作動シリンダへ供給される油圧および油量を制御する
コントロールバルブ36と、ブーム15bm、スティック15st
およびバケット15bkの各回動角をそれぞれ検出する角度
センサ16bm，16st，16bk（以下、これらの角度センサを
一括して単に各角度センサ16という場合もある）と、各
角度センサ16からコントローラ21に対して設けたフィー
ドバックループ43bm，43st，43bkとにより位置追従用フ
ィードバック制御系を構成する。

【００２３】ブームシリンダ14bmおよびスティックシリ
ンダ14stへの作動油給排ライン31bm，31stに対しそれぞ
れ負荷圧検出手段としての圧力センサ32bm，32stを設
け、これらの圧力センサ32bm，32stによりブームシリン
ダ14bmおよびスティックシリンダ14stのシリンダ負荷圧
を検出する。

【００２４】このシリンダ負荷圧にシリンダ内の実質的
な受圧面積を乗ずることにより掘削負荷（掘削力）を演
算することができる。

【００２５】なお、水平均し作業や法面整形作業ではス
ティックシリンダ14stに作用する負荷変動が大きいた
め、このスティックシリンダ14stに対する圧力センサ32
stは必要不可欠であるが、ブームシリンダ14bmに作用す
る負荷変動は少ないため、このブームシリンダ14bmに対
する圧力センサ32bmはなくてもよい。

【００２６】また、圧力センサ32bm，32stからコントロ
ーラ21にわたって、圧力センサ32bm，32stで検出したシ
リンダ負荷圧信号をフィードバックおよびフィードフォ
ワードするための信号ライン51を設ける。

【００２７】この信号ライン51中に、シリンダ負荷圧
（掘削負荷）に応じてフィードバックゲインおよびフィ
ードフォワードゲインをそれぞれ増減調整するためのゲ
イン調整用メモリとしてのルックアップテーブル52を設
ける。

【００２８】コントローラ21は、各作業機作動シリンダ
14をそれぞれ制御するための閉ループ制御補償器46bm，
46st，46bkを有し、各角度センサ16により検出されフィ
ードバックされたブーム15bm、スティック15stおよびバ
ケット15bkのそれぞれの回動角検出信号により、これら
のフロントリンケージの実際位置および速度、さらに間
接的には各シリンダ14の作動位置および速度を常に把握
して、ブーム15bm、スティック15stおよびバケット15bk
が操作レバー33からの位置、速度指令信号に追従するよ
うに電磁比例弁35を介しコントロールバルブ36をフィー
ドバック制御する。

【００２９】すなわち、このコントローラ21のフィード
バック制御は、水平均し作業や法面整形作業を行うため
にマイクロコンピュータにより演算された各シリンダ作
動用の目標信号と前記フィードバック信号との誤差をな
くすように閉ループ制御補償器46bm，46st，46bkにより
演算された信号でブーム用、スティック用およびバケッ
ト用の各電磁比例弁35を電気的に制御する。

【００３０】これらの電磁比例弁35は、出力したパイロ
ット圧によりブーム用、スティック用およびバケット用
の各コントロールバルブ36を比例制御することにより、
各コントロールバルブ36から出力された作動油圧により
各作業機作動シリンダ14をそれぞれ伸縮制御し、水平均
し作業や図示された法面整形作業におけるバケット歯先
の軌跡制御およびバケット角の一定制御を自動的に行
う。

【００３１】図２は、コントローラ21のブロック図を示
し、前記スティック用操作レバー33と、図１に示された
法面Ａの整形作業における仕上法面角θを設定するため
の法面角設定器34とが、各作業機作動シリンダ14の目標
速度を演算するための演算器41に接続されている。

【００３２】そして、法面角設定器34により法面Ａの整
形作業における仕上法面角θを設定しておくと、スティ
ック用操作レバー33を動かしてバケット歯先の掘削方向
目標速度を指令するだけで、前記演算器41が各作業機作
動シリンダ14の目標速度を演算して出力する。

【００３３】前記各シリンダ目標速度演算用の演算器41
に積分器42を接続し、演算器41から出力されたブーム、
スティックおよびバケットの各目標速度を、この積分器
42によりブーム、スティックおよびバケットの各目標位
置に変換して出力する。

【００３４】この積分器42の出力ラインと、各角度セン
サ16からのフィードバックループ43とを比較器44に接続
し、さらに乗算器45を介して閉ループ制御補償器46に接
続する。

【００３５】この閉ループ制御補償器46は、フィードバ
ック制御系の制御特性（安定性、速応性および定常偏
差）を改善するための補償回路を有しており、水平均し
作業や法面整形作業を行う際の各シリンダ作動用の目標
信号（ブーム、スティックおよびバケットの各目標位
置）に、検出信号（ブーム、スティックおよびバケット
の実際位置および速度）が忠実に追従するように必要な
制御特性の補償を行う。

【００３６】さらに、前記閉ループ制御補償器46に加算
器47および図示されない増幅器などを経て前記電磁比例
弁35のソレノイドなどを接続する。また、前記演算器41
の出力ラインと前記加算器47とを、乗算器48を介在させ
たフィードフォワードループ49により接続する。

【００３７】また、前記ブームシリンダ14bmおよびステ
ィックシリンダ14stに対し負荷圧検出手段として設けた
前記圧力センサ32bm，32stは、それぞれが各シリンダの
伸び側（ヘッド側）に対して設けられた圧力センサ32h
と、縮み側（ロッド側）に対して設けられた圧力センサ
32r とからなり、圧力センサ32h により検出した伸び側
負荷圧と圧力センサ32r により検出した縮み側負荷圧と
の差圧、すなわちシリンダ負荷圧を検出する。

【００３８】この圧力センサ32h ，32r により検出した
シリンダ負荷圧の信号ライン51は、途中で分岐して、そ
の一方をフィードバックゲイン調整用信号ライン51a と
し、他方をフィードフォワードゲイン調整用信号ライン
51b とし、これらの各信号ライン51a ，51b 中にフィー
ドバックゲイン調整用メモリとしてのルックアップテー
ブル52a およびフィードフォワードゲイン調整用メモリ
としてのルックアップテーブル52b をそれぞれ設ける。

【００３９】これらの圧力センサ32h ，32r およびルッ
クアップテーブル52a は、位置追従用フィードバック制
御系のゲインを掘削負荷に応じて調整するためのフィー
ドバックゲイン調整手段を構成し、また、圧力センサ32
h ，32r およびルックアップテーブル52b は、フィード
フォワードループ49のゲインを掘削負荷に応じて調整す
るためのフィードフォワードゲイン調整手段を構成して
いる。

【００４０】ルックアップテーブル52a ，52b は、圧力
センサ32h ，32r により検出されたスティックシリンダ
14stなどのシリンダ負荷圧（掘削力）に応じてフィード
バック信号のゲインおよびフィードフォワード信号のゲ
インを自動的に増減調整するものであり、メモリ内部に
予め決定されたシリンダ負荷圧と各ゲインとの間の関係
が格納されている。

【００４１】前記ルックアップテーブル52a を経たフィ
ードバックゲイン調整用信号ライン51a は前記乗算器45
に接続し、また、前記ルックアップテーブル52b を経た
フィードフォワードゲイン調整用信号ライン51b は前記
乗算器48に接続する。

【００４２】そして、圧力センサ32h ，32r によって得
られたシリンダ負荷圧の変動に合わせて、ルックアップ
テーブル52a ，52b によりフィードバック信号のゲイン
およびフィードフォワード信号のゲインを自動的に増減
調整し、掘削負荷（外乱）に対するスティックシリンダ
14stなどの位置追従精度を向上させ、すなわち前記ゲイ
ンの増大により閉ループ制御補償器46に付加された積分
要素の機能を十分に発揮させ、スティック15stなどを移
動する際の目標位置に対する実際位置の偏差を小さく
し、水平均し作業や図示された法面整形作業における仕
上げ精度を向上させる。

【００４３】例えば、半自動法面掘削中のスティック引
き作業において、スティックシリンダ14stの伸び側（ヘ
ッド側）の圧力が上昇し、掘削負荷が増大したと判断さ
れた場合は、ルックアップテーブル52a によりフィード
バック信号のゲインを、またルックアップテーブル52b
によりフィードフォワード信号のゲインをそれぞれ自動
的に増加させる。

【００４４】掘削負荷が大きいときは、バケット15bkの
周りに土砂が多くあり、フロントリンケージの減衰が大
きく、フィードバック信号のゲインおよびフィードフォ
ワード信号のゲインを増大させても制御系が不安定とな
らない。

【００４５】また、掘削負荷が小さいときは、ルックア
ップテーブル52a ，52b がフィードバック信号のゲイン
およびフィードフォワード信号のゲインを自動的に小さ
くして、制御系の安定性を増大させる。

【００４６】

【発明の効果】請求項１記載の発明によれば、作業機作
動シリンダの位置追従用フィードバック制御系にフィー
ドフォワードループを追加したから、作業機作動シリン
ダの位置追従性を向上できるとともに、前記フィードフ
ォワードループのゲインをフィードフォワードゲイン調
整手段により掘削負荷に応じて増減調整することによ
り、シリンダの目標位置と実際位置との偏差を小さくし
て、掘削負荷に対する作業機作動シリンダの位置追従精
度を向上させ、水平均し作業や法面整形作業などの地面
整形作業において掘削負荷が上昇しても所定の仕上げ精
度を確保できる。また、掘削負荷が小さいときは、前記
ゲインを小さく調整して、制御系の安定性を確保でき
る。

【００４７】請求項２記載の発明によれば、圧力センサ
により検出したシリンダ負荷圧の変動に対して、シリン
ダ負荷圧とゲインとの関係を決定するゲイン調整用メモ
リによりフィードフォワード信号のゲインを自由に増減
調整でき、掘削負荷の変動に対応し得るフィードフォワ
ード制御が可能である。

【００４８】請求項３記載の発明によれば、フィードフ
ォワードループのゲインを掘削負荷に応じて調整するフ
ィードフォワードゲイン調整手段と、位置追従用フィー
ドバック制御系のゲインを掘削負荷に応じて調整するフ
ィードバックゲイン調整手段とにより、フィードフォワ
ードゲインおよびフィードバックゲインの両方を掘削負
荷に合わせて増減調整し最適化することができ、水平均
し作業や法面整形作業などの地面整形作業において掘削
負荷が上昇しても仕上げ精度をさらに向上させることが
できる。また、掘削負荷が小さいときは、前記ゲインを
小さく調整して、制御系の安定性を確保できる。

【００４９】請求項４記載の発明によれば、圧力センサ
により検出したシリンダ負荷圧の変動に対して、シリン
ダ負荷圧とゲインとの関係を決定するゲイン調整用メモ
リによりフィードフォワード信号およびフィードバック
信号の各ゲインを自由に増減調整でき、掘削負荷の変動
に対応し得るフィードフォワード制御およびフィードバ
ック制御が可能である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る建設機械の作業機制御装置の概要
を示すシステム構成図である。

【図２】同上制御装置の一実施形態を示すブロック図で
ある。

【図３】従来の油圧ショベルのシステム構成を示す図で
ある。

【符号の説明】

14bm，14st，14bk 作業機作動シリンダ 32h ，32r 圧力センサ 49 フィードフォワードループ 52a ，52b ゲイン調整用メモリとしてのルックアッ
プテーブル

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 作業機作動シリンダの位置追従用フィー
   ドバック制御系を備えた建設機械の作業機制御装置にお
   いて、 位置追従用フィードバック制御系に設けたフィードフォ
   ワードループと、 このフィードフォワードループのゲインを掘削負荷に応
   じて調整するフィードフォワードゲイン調整手段とを具
   備したことを特徴とする建設機械の作業機制御装置。
2. 【請求項２】 フィードフォワードゲイン調整手段は、
   作業機作動シリンダのシリンダ負荷圧を検出する圧力セ
   ンサと、この圧力センサにより検出されたシリンダ負荷
   圧とゲインとの間の関係を決定するゲイン調整用メモリ
   とにより構成したことを特徴とする請求項１記載の建設
   機械の作業機制御装置。
3. 【請求項３】 作業機作動シリンダの位置追従用フィー
   ドバック制御系を備えた建設機械の作業機制御装置にお
   いて、 位置追従用フィードバック制御系に設けたフィードフォ
   ワードループと、 このフィードフォワードループのゲインを掘削負荷に応
   じて調整するフィードフォワードゲイン調整手段と、 位置追従用フィードバック制御系のゲインを掘削負荷に
   応じて調整するフィードバックゲイン調整手段とを具備
   したことを特徴とする建設機械の作業機制御装置。
4. 【請求項４】 フィードフォワードゲイン調整手段およ
   びフィードバックゲイン調整手段は、作業機作動シリン
   ダのシリンダ負荷圧を検出する圧力センサと、この圧力
   センサにより検出されたシリンダ負荷圧とフィードフォ
   ワードゲインおよびフィードバックゲインとの間の関係
   をそれぞれ決定するゲイン調整用メモリとにより構成し
   たことを特徴とする請求項３記載の建設機械の作業機制
   御装置。