JPH09279633A

JPH09279633A - 建設機械の作業機制御装置

Info

Publication number: JPH09279633A
Application number: JP8088445A
Authority: JP
Inventors: Mamoru Tochisawa; 守栃沢
Original assignee: Komatsu Ltd
Current assignee: Komatsu Ltd
Priority date: 1996-04-10
Filing date: 1996-04-10
Publication date: 1997-10-28

Abstract

(57)【要約】【課題】常に安定な応答特性、性能が得られるようにす
る。【解決手段】複数の腕が回転自在に互いに連結される作
業機と、これら複数の腕にそれぞれリンク結合されて各
腕を回転駆動するそれぞれ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動速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それぞれの流量制
御系とを具えた建設機械において、各作業機の望ましい
制御応答特性が規定された規範モデル部と、各作業機の
応答特性が前記規範モデル部の応答特性に一致するよう
適応制御を実行し、前記各作業機に対する圧油供給流量
の制御指令値を補正する適応制御手段とを具えるように
している。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は油圧ショベルなど
の建設機械において、モデル規範型適応制御を適用する
ことにより種々の特性変動に対処するようにした建設機
械の作業機制御装7置に関する。

【０００２】

【従来の技術】一般に、油圧式パワーショベルは、図１
２に示すように、ブーム１、アーム２、バケット３およ
びこれらを駆動するブームシリンダ４、アームシリンダ
５、バケットシリンダ６を有し、各シリンダ４〜６は夫
々運転室内に配備された操作レバーにより操作される。

【０００３】ここで、油圧ショベルは、エンジン回転、
油温、作業機姿勢、刃先負荷などを原因とした特性変動
が大きく、更に経年変化による特性の変動や、構成要素
であるバルブやポンプの性能ばらつきによる性能の差も
存在する。

【０００４】これまで、操作性向上のために、直線掘削
に代表される様々な自動制御に関する技術が提案されて
きている。

【０００５】しかし、これらの従来技術において、制御
ゲインは何れも固定であったので、個々の機械毎にチュ
ーニングが必要であり、また満足な性能がでるのは限ら
れた条件（例えば姿勢など）のときのみであった。

【０００６】例えば、特開昭６４−４８１０３号（特願
昭６２−２０５９０２号）では、パワーショベルにおい
て、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逐次算出し、これら
の算出値に応じて各作業機の油圧制御系の伝達関数内の
ゲインを該伝達関数が一定となるように可変制御するこ
とにより、非線形要素が含まれる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を
補償し、各作業機を指令に対して忠実に追従させるよう
にしている。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかし、この従来技術
では、シリンダリンクゲイン、慣性モーメントおよびシ
リンダ圧油体積の算出の際に、正確な機械パラメータ、
油の圧縮率などが必要となるが、これらの正確な値を求
めるのは極めて難しいので、この従来手法は現実的なも
のではない。

【０００８】この発明はこのような実情に鑑みてなされ
たもので、各種のパラメータ値を知ることなく、常に安
定な応答特性、性能が得られるようにした建設機械の作
業機制御装置を提供することを目的とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】この発明では、複数の腕
が回転自在に互いに連結される作業機と、これら複数の
腕にそれぞれリンク結合されて各腕を回転駆動するそれ
ぞれの作業機シリンダと、目標値として与えられた各作
業機の回動速度に応じて各作業機シリンダへの圧油供給
流量を制御するそれぞれの流量制御系とを具えた建設機
械において、各作業機の望ましい制御応答特性が規定さ
れた規範モデル部と、各作業機の応答特性が前記規範モ
デル部の応答特性に一致するよう適応制御を実行し、前
記各作業機に対する圧油供給流量の制御指令値を補正す
る適応制御手段とを具えるようにしている。

【００１０】かかる発明によれば、モデル規範型適応制
御を実行するようにして各作業機の制御特性を作業機の
望ましい制御応答特性が規定された規範モデルに一致さ
せるようにして、特性変動が大きな油圧ショベルにおい
て常に安定な性能が得られるようにしている。

【００１１】

【発明の実施の形態】以下この発明の実施例を添付図面
に従って詳細に説明する。

【００１２】図１にこの発明の実施例を示す。

【００１３】図１において、速度指令部１０ではアーム
先端点Ｃ（図２参照）のＸ方向の速度成分ｄｘr/ｄｔお
よびＹ方向の速度成分ｄｙr/ｄｔを指令する。速度指令
部１０を図示のような電気レバーで構成したとすると、
該レバーのＸ軸方向およびＹ軸方向の傾斜に応じたｄｘ
r/ｄｔ，ｄｙr/ｄｔを出力することができる。この電気
レバーは、レバーが水平になるように取り付けられ、こ
のためアーム先端点Ｃの移動方向と該レバーの変位方向
とが一致するようになっている。速度指令部１０で指令
された速度指令信号ｄｘr/ｄｔ，ｄｙr/ｄｔは座標変換
部に１１に入力される。

【００１４】座標変換部１１では、速度指令部１０から
入力されたアーム先端点の速度指令ｄｘr/ｄｔ，ｄｙr/
ｄｔをブーム１の角速度指令ｄθ1r/ｄｔおよびアーム
２の角速度指令ｄθ2r/ｄｔに座標変換する（θ1，θ2
については図２参照）。座標変換部１１の各出力ｄθ1r
/ｄｔ，ｄθ2r/ｄｔは、ブーム流量制御系２０、アーム
流量制御系３０に夫々入力される。

【００１５】ブーム流量制御系２０は、積分器２１、加
算点２２、アンプ２３，２４、加算点２５、適応コント
ローラ２６、流量特性補償器２７、リンクゲイン補償器
２８を有し、またアーム流量制御系３０は、積分器３
１、加算点３２、アンプ３３，３４、加算点３５、適応
コントローラ３６、流量特性補償器３７、リンクゲイン
補償器３８を有している。

【００１６】ブーム流量制御系２０に入力された角速度
指令はｄθ1r/ｄｔは、積分器２１で角度指令θ1rに変
換された後、加算点２２で検出値θ1との偏差（θ1r−
θ1）がとられ、さらにアンプ２３でゲインＫe1が乗ぜ
られた後、加算点２５に入力される。加算点２５では、
偏差Ｋe1（θ1r−θ1）に速度指令θ1rを正帰還し、そ
の演算指令値Ｋe1（θ1r−θ1）＋Ｋv1・θ1rを適応コ
ントローラ２６、流量特性補償器２７、リンクゲイン補
償器２８を介してブームシリンダ４を駆動する油圧回路
に入力する。

【００１７】アーム流量制御系３０も、ブーム流量制御
系２０と同様に構成されている。

【００１８】図３は、図１に示した適応コントローラ２
６、３６の理論的構成例を示すものである。

【００１９】適応コントローラ２６，３６は、謂ゆるモ
デル規範型適応制御を利用したもので、望ましい動特性
をもつ規範モデルの出力に、未知プラント（この場合は
ブーム制御特性、およびアーム制御特性）の出力が一致
するように、ブームおよびアーム流量制御系１０，２０
に対する指令値を補正する制御を実行する。

【００２０】このモデル規範型適応制御に関しては、例
えば、「ロバスト適応制御入門」（オーム社１９８９
年）などに記載されている。

【００２１】それに従えば、図３に示す直接法による離
散型モデル規範型適応制御システム(MRACS)において、
未知プラントが下式（１）に示すような１入力１出力の
システムであるとする。

【００２２】上式（１）において、ｕ(k)はｋ時点における未知プラ
ントの入力で、ｙ(k)はｋ時点における未知プラントの
出力であり、ｎは多項式Ａ(q-1)の次数で、ｍは多項式
Ｂ(q-1)の次数で、ｄはむだ時間で、ｑはシフトオペレ
ータであり、である。

【００２３】また、望ましい動特性を規定する規範モデ
ルの伝達関数として次式（２）に示すようなものを与え
る。

【００２４】上式（２）において、ｕm(k)はｋ時点における設定入力
で、ｙm(k)はｋ時点における規範モデルの出力である。

【００２５】したがって、未知プラントと規範モデルと
の出力誤差ｅ1(k)は下式（３）のように表すことができ
る。

【００２６】ｅ1(k)＝ｙm(k)−ｙ(k) …（３）ここで、図３に示すMRACSにおいては、プラントのパラ
メータが未知であるので、可調整パラメータを用いて次
式（４）に示すような制御入力を発生する。

【００２７】上式（４）において、Ｄ(ｑ-1)はｎ次のモニックな（最
高次の係数が１である）安定多項式で、θ＾(k)は未知
パラメータの推定値であり、Ｄ(ｑ-1)，Ｈ(ｑ-1)，ＢR
(ｑ-1)，θT，ξT(k)は下式（４）のとおりである。

【００２８】また、上記（３）式のパラメータを同定するパラメータ
調整則を決定するための同定誤差ε1は次式（５）のよ
うになる。

【００２９】また、未知パラメータの推定値θ＾(k)に対するパラメ
ータ調整則は、次式（６）（７）のようになる。

【００３０】このように、図３に示した直接法による離散型モデル規
範型適応制御システム(MRACS)においては、未知プラン
ト（ブーム制御特性、アーム制御特性）への入力および
出力をフィードバックするし、パラメータ調整則による
パラメータ推定を行うことで、規範モデルの制御特性に
等しい制御特性を得られるようにしている。またその際
のパラメータ調整則には、種々のものがあるが、例えば
Π(k)のトレースを一定とした固定トレース法を用いる
ようにすればよい。

【００３１】以下、図４のフローチャートに従って適応
制御コントローラ２６，３６で行われる制御動作につい
て説明する。

【００３２】まず、未知パラメータθ＾(k)，Π(k)を初
期値θ＾(0)，Π(0)に設定し、この状態で同定誤差ε1
(k)を先の（５）式に従って演算する（ステップ１０
０，１１０）。

【００３３】次に、θ(k-1)（この場合はθ(0)）、Π(k
-1)（この場合はΠ(0)）、ε1(k)（この場合はε1
(1)）、ξ(k-d)（この場合はξ(1-d)）を用いて、θ(k)
（この場合はθ(1)）を演算するとともに、Π(k-1)（こ
の場合はΠ(0)），ξ(k-d)（この場合はξ(1-d)）を用
いて、Π(k)（この場合はΠ(1)）を演算する（ステップ
１２０，１３０）。

【００３４】つぎに、前記演算した未知パラメータ値θ
(k)，Π(k)を用いてＨ＾(q-1，k)，およびＢR(q-1，k)
を演算し（ステップ１４０）、さらに該演算したＨ＾(q
-1，k)，ＢR(q-1，k)の他に規範モデルの出力ｙm(k)お
よびｂ＾0(k)を用いて未知プラントへの入力ｕ(k)を演
算する（ステップ１５０）。

【００３５】適応コントローラ２６，３６では、このよ
うな演算制御をｋを更新しながら順次繰り返し実行する
ことにより、ブームの制御特性およびアームの制御特性
を規範モデルの制御特性に一致させるようにする。

【００３６】すなわち、図１の構成において、適応コン
トローラ２６，３６を特性が未知であるブーム駆動系お
よびアーム駆動系の前に置くことによって、当該ブーム
駆動系およびアーム駆動系は規範モデルと同じ制御特性
を持つことになる。

【００３７】なお、適応制御コントローラ２６，３６と
しては、パラメータ調整の際の同定誤差ε1(k)が所定値
より小さくなると未知パラメータの更新を中断すると
か、ξ(k-d)（ｕ(k),ｙ(k)から成る）にフィルタを通す
ことでノイズ分を除去し、モデル化誤差に強くする手法
を取り入れるようにしてもよい。

【００３８】ここで、適応制御理論では、未知プラント
の特性の条件として線形であることが挙げられ、これが
満たされないと安定性が確保できないとしているので、
ブーム流量制御系２０およびアーム流量制御系３０にそ
れぞれ流量特性補償器２７，３７と、リンクゲイン補償
器２８，３８を配置し、これらによってブーム及びアー
ムの非線形性を取り除くようにしている。

【００３９】すなわち、油圧ショベルにおいては、電磁
弁のソレノイドに対する電流指令とシリンダ速度の間に
は、図５に示すような非線形性および不感帯が存在し、
またシリンダ速度と各作業機（ブーム、アーム、バケッ
ト）との間には、図６に示すような非線形性を有するリ
ンクゲインが存在し、このため油圧ショベルにおいて
は、目標角速度に対応する流量指令と各作業機の出力角
度との間の伝達関数が非線形となっている。

【００４０】そこで、流量特性補償器２７，３７におい
て、図５に示した特性の逆特性を発生させるようにして
電流指令とシリンダ速度の間の非線形性を取り除くと共
に、リンクゲイン補償器２８，３８において、図６に示
した特性の逆特性を発生させるようにしてリンクゲイン
の非線形性を取り除き、もってブーム流量制御系２０お
よびアーム流量制御系３０の線形化を達成している。

【００４１】図７は、図８に示すようなブーム角制御系
において、図９に示すような指令値θrを与えた際の、
ブーム特性が大きく異なる２つの油圧ショベルにおけ
る、目標値θrと実際値θaとの偏差の経時特性の実験結
果をそれぞれ示すもので、図７(a)は適応コントローラ
が無い場合の特性を示し、図７(b)は適応コントローラ
がある場合の特性を示している。

【００４２】これらの図からも判るように、適応コント
ローラを挿入した場合は、特性の異なる制御特性を持つ
ブームであるにも係わらず、制御開始後の数秒後に、同
一の制御特性を示すことができた。

【００４３】ここで、一般的には、適応制御系は、適応
制御開始直後は入力値が大きく振動しその結果として出
力も大きく揺れる傾向にあり、そのためスタート時の制
御性が悪いという問題がある。この傾向は、図７(b)に
も現れている。したがってこのような傾向が強くなると
出力飽和がかかり、その後制御が困難な状況に陥る可能
性もある。

【００４４】そこで、このような問題を解決するため
に、図１０に示すような適応制御装置４０を図１の適応
コントローラ２６，３６に置き代えて用いるようにす
る。

【００４５】すなわち、図１０の適応制御装置４０にお
いては、重み係数ｘ（ｘ＜１）を採用するようにしてお
り，ｘ＝１にすると適応コントローラの無い従来と同様
の構成となり、ｘ＝０とすると適応コントローラのみが
存在する図８と同様の構成となり、ｘ＝０．５とすると
適応制御の無い制御と適応制御との割合が半々になるハ
イブリッド型となる。

【００４６】図７(c)は、ｘ＝０．５にした場合におい
て、前記同様図９に示すような指令値θrを与えた際
の、ブーム特性が大きく異なる２つの油圧ショベルにお
ける、目標値θrと実際値θaとの偏差の経時特性の実験
結果を示すもので、図７(b)の適応コントローラのみの
構成に比べ、スタート時の振動が抑制されその応答特性
が改善されていることが判る。

【００４７】なお、ｘの値は制御中例えば０．５と固定
であってもよいし、時間的に変化するようにしてもよ
い。例えば、図１１においては、スタート時の所定時間
の間Ｔはｘ＝１にして適応制御が入らないようにすると
ともに、所定時間Ｔの経過後に所定の傾きをもってｘ値
が徐々に０まで降下するようにして徐々に適応制御に移
行させるようにしている。また、他の方法として、目標
値θ1rと実際値θ1との偏差に応じてｘ値を可変にする
ようにしてもよい。

【００４８】なお、上記実施例では、アーム先端の速度
ベクトルを指定する電気レバー１０を用いるようにした
が、各作業機毎にその動きを指定する単独レバーを持つ
パワーショベルに本発明を適用するようにしても良い。
また、電気レバーとしては、アーム先端ではなくバケッ
ト先端の速度ベクトルを指定するものを用いるようにし
ても良い。

【００４９】また、本発明においては、バケット流量制
御系についても適応制御を行うようにしても良い。

【００５０】

【発明の効果】以上説明したようにこの発明によれば、
油圧制御系に適応制御コントローラを組み込むようにし
て各作業機の制御特性を規範モデルの制御特性に一致さ
せるようにしたので、特性変動が大きな油圧ショベルに
おいて常に安定な性能が得られる。すなわち、制御性能
が負荷や作業機姿勢によらなくなるのはもちろん、 (1)経年変化に対しても性能劣化が少ない (2)構成部品に製造ばらつきがあっても個別のチューニンク゛が
不要 (3)規範モデルの特性に一致するので、構成部品の簡素
化が図れる等の効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の実施例を示すブロック図。

【図２】油圧ショベルを模式的に示す図。

【図３】適応制御コントローラの内部構成の一例を示す
概念図。

【図４】適応制御コントローラによる制御手順を示すフ
ローチャート。

【図５】シリンダ速度と電気指令との関係を示す図。

【図６】作業機シリンダ速度とシリンダ角速度との対応
関係を示す図。

【図７】特性の異なる作業機に適応制御をかけない場
合、かけた場合などにおける目標値偏差の経時特性を示
す実験結果図。

【図８】図７(b)の実験に用いた作業機流量制御系の構
成を示すブロック図。

【図９】図８の作業機流量制御系に与える目標値の経時
特性を示す図。

【図１０】ハイブリッド型の適応制御系の構成を示す
図。

【図１１】図１０に示すハイブリッド型の適応制御系に
与えるｘ値の一例を示す図。

【図１２】油圧ショベルの外観構成を示す図。

【符号の説明】

１…ブーム２…アーム３…バケット４…ブームシリンダ５…アームシリンダ６…バケットシリンダ１０…電気レバー１１…座標変換部２０…ブーム流量制御系２１，３１…積分器２６，３６…適応コントローラ２７，３７…流量特性補償器２８，３８…リンクゲイン補償器３０…アーム流量制御系

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【手続補正書】

【提出日】平成９年１月３１日

【手続補正１】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】全文

【補正方法】変更

【補正内容】

【書類名】明細書

【発明の名称】建設機械の作業機制御装置

【特許請求の範囲】

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は油圧ショベルなど
の建設機械において、モデル規範型適応制御を適用する
ことにより種々の特性変動に対処するようにした建設機
械の作業機制御装置に関する。

【０００２】

【０００７】

【０００９】

【００１１】

【００１２】図１にこの発明の実施例を示す。

【００１６】ブーム流量制御系２０に入力された角速度
指令はｄθ1r/ｄｔは、積分器２１で角度指令θ1rに変
換された後、加算点２２で検出値θ1との偏差（θ1r−
θ1）がとられ、さらにアンプ２３でゲインＫe1が乗ぜ
られた後、加算点２５に入力される。加算点２５では、
偏差Ｋe1（θ1r−θ1）に速度指令θ1rを正帰還し、そ
の演算指令値Ｋe1（θ1r−θ1）＋Ｋv1・ｄθ1r/ｄｔを
適応コントローラ２６、流量特性補償器２７、リンクゲ
イン補償器２８を介してブームシリンダ４を駆動する油
圧回路に入力する。

【００２２】上式（１）において、ｕ(k)はｋ時点における未知プラ
ントの入力で、ｙ(k)はｋ時点における未知プラントの
出力であり、ｎは多項式Ａ(q#-1)の次数で、ｍは多項式
Ｂ(q#-1)の次数で、ｄはむだ時間で、ｑはシフトオペレ
ータであり、である。なお、本明細書中で、q#-1はｑの−１乗の代用
記号である。

【００２６】ｅ1(k)＝ｙm(k)−ｙ(k) …（３）ここで、図３に示すMRACSにおいては、プラントのパラ
メータが未知であるので、可調整パラメータを用いて次
式（４）に示すような制御入力ｕ(k)を発生する。

【００２７】上式（４）において、Ｄ(ｑ#-1)はｎ次のモニックな
（最高次の係数が１である）安定多項式で、θ^(k)は未
知パラメータの推定値であり、Ｄ(ｑ#-1)，Ｈ(ｑ#-1)，
ＢR(ｑ#-1)，θT，ξT(k)は下式（５）のとおりであ
る。なお、本明細書中で、各種変数に付した記号「＾」
は、その変数が推定値であることを示している。

【００２８】また、上記（４）式のパラメータを同定するパラメータ
調整則を決定するための同定誤差ε1は次式（６）のよ
うになる。

【００２９】また、未知パラメータの推定値θ^(k)に対するパラメー
タ調整則は、次式（７）（８）のようになる。

【００３０】このように、図３に示した直接法による離散型モデル規
範型適応制御システム(MRACS)においては、未知プラン
ト（ブーム制御特性、アーム制御特性）への入力および
出力をフィードバックし、パラメータ調整則によるパラ
メータ推定を行うことで、規範モデルの制御特性に等し
い制御特性を得られるようにしている。またその際のパ
ラメータ調整則には、種々のものがあるが、例えばΠ
(k)のトレースを一定とした固定トレース法を用いるよ
うにすればよい。

【００３２】まず、未知パラメータθ^(k)，Π(k)を初
期値θ^(0)，Π(0)に設定し、この状態で同定誤差ε1
(k)を先の（６）式に従って演算する（ステップ１０
０，１１０）。

【００３３】次に、θ^(k-1)（この場合はθ^(0)）、Π
(k-1)（この場合はΠ(0)）、ε1(k)（この場合はε1
(1)）、ξ(k-d)（この場合はξ(1-d)）を用いて、θ^
(k)（この場合はθ^(1)）を演算するとともに、Π(k-1)
（この場合はΠ(0)），ξ(k-d)（この場合はξ(1-d)）
を用いて、Π(k)（この場合はΠ(1)）を演算する（ステ
ップ１２０，１３０）。

【００３４】つぎに、前記演算した未知パラメータ値θ
^(k)，Π(k)を用いてＨ^(q#-1，k)，およびＢR^(q#-1，
k)を演算し（ステップ１４０）、さらに該演算したＨ^
(q#-1，k)，ＢR(q#-1，k)の他に規範モデルの出力ｙm(k
+d)およびｂ^0(k)を用いて未知プラントへの入力ｕ(k)
を演算する（ステップ１５０）。