JPH09328785A

JPH09328785A - 建設機械の作業機制御装置

Info

Publication number: JPH09328785A
Application number: JP2053097A
Authority: JP
Inventors: Mamoru Tochisawa; 守栃沢
Original assignee: Komatsu Ltd
Current assignee: Komatsu Ltd
Priority date: 1996-04-10
Filing date: 1997-02-03
Publication date: 1997-12-22

Abstract

(57)【要約】（修正有）【課題】簡単且つ安価な構成でオペレータの好みを忠実
に反映することができるとともに、速応性および振動特
性の変更にもすばやく対処できるようにする。【解決手段】作業機の各腕を回転駆動するそれぞれの作
業機シリンダと、各腕毎に設けられた作業機操作レバー
と、該レバーからの指令信号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操作応答特性が規定
された規範モデル部と、この規範モデルの操作応答特性
を設定する規範モデル設定手段と、各作業機のシリンダ
速度検出手段と、シリンダ速度検出手段の検出値をフィ
ードバック信号として用い、各作業機の操作応答特性が
規範モデル部の操作応答特性に一致するよう適応制御を
実行し、各作業機に対する圧油供給流量の制御指令値を
補正し、この補正制御指令値によって各作業機シリンダ
を速度制御する適応制御手段とを具える。

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、各作業機に対し
各別の電気操作レバーを備えた建設機械において、オペ
レータの好みに応じてその制御特性を任意に設定するこ
とができるようにした建設機械の制御装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】一般に、油圧式パワーショベルは、図７
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各別の操作レバーにより操作さ
れる。

【０００３】図８は、従来の作業機制御系の構成を示す
もので、各作業機（ブーム１、アーム２、バケット３）
毎に各別の電気操作レバー（ブーム操作レバー７，アー
ム操作レバー８，バケット操作レバー９）が備えられて
いる。

【０００４】ブーム操作レバー７の変位に対応したブー
ムレバー信号はブームコントローラ２０内の不感帯処理
部２１に入力され、ここで入力されたブームレバー信号
が不感帯処理された修正レバー信号に変換される。修正
レバー信号は、さらにバルブ電流変換部１２でバルブ電
流指令に変換された後、ブーム流量指令としてブームシ
リンダを駆動するブームシリンダ用バルブ（図示せず）
に出力される。

【０００５】他のアームコントローラ３０およびバケッ
トコントローラ４０も上記と同様に動作する。

【０００６】このように、従来の作業機制御において
は、作業機操作レバーのレバー開度に比例した流量指令
値を各作業機用アクチュエータに与えるだけの謂ゆるオ
ープンループの制御系であるので、油圧ショベルに固体
差がある場合や、油温、姿勢、負荷などの環境変化に応
じて各作業機シリンダの応答が変わるという欠点があ
る。

【０００７】また、この従来技術では、オペレータによ
って異なる運転特性の嗜好を反映できない。すなわち、
油圧パワーショベルなどの建設機械を操作する際、オペ
レータによってその制御特性の好みが異なる。例えば、
最高出力を発揮する際のエンジン回転数の高低、フロン
トアタッチメントの応答速度、旋回速度等は、オペレー
タによってその好みが全く異なっている。

【０００８】特開平６−１１６９８２号公報は、オペレ
ータの好みによってその制御特性を任意に設定可能なよ
うにしたものである。

【０００９】すなわち、この従来技術においては、油圧
アクチュエータに対する圧油の流れを制御する流量制御
弁とは別に、前記油圧アクチュエータの圧油の流れを制
御する圧力制御弁を各油圧アクチュエータ毎に設け、こ
の圧力制御弁の制御特性に関するデータを外部記憶装置
に各種記憶させておき、適宜この記憶データを前記圧力
制御弁に転送することにより、各種の制御特性を実現す
るようにしている。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】しかし、この従来技術
では、各作業機毎（各油圧アクチュエータ毎）に、メカ
的な圧力制御弁が必要であり、システム構成が複雑且つ
高価になる。また、この従来技術において、圧力制御弁
の性能が各作業機毎にばらつく場合は、十分な性能を期
待することができない。

【００１１】この発明はこのような実情に鑑みてなされ
たもので、簡単且つ安価な構成でオペレータの好みを忠
実に反映することができるとともに、応答特性の変更に
もすばやく対処できる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。

【００１２】

【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、前記複数の腕毎に設けられた
作業機操作レバーと、前記各作業機操作レバーからの指
令信号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操作応答特性が規定された規範
モデル部と、この規範モデルの操作応答特性を設定する
規範モデル設定手段と、前記各作業機シリンダの速度を
それぞれ検出するシリンダ速度検出手段と、前記シリン
ダ速度検出手段の検出値をフィードバック信号として用
い、各作業機の操作応答特性が前記規範モデル設定手段
によって設定された規範モデル部の操作応答特性に一致
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し、この補正制御指令値に
よって各作業機シリンダを速度制御する適応制御手段と
を具えるようにする。

【００１３】かかる発明によれば、各作業機に対し各別
の電気操作レバーを備えた建設機械において、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応答特性
を作業機の望ましい応答特性が規定された規範モデルに
一致させるようにするとともに、規範モデル設定手段に
よって前記規範モデルの応答特性をオペレータが任意に
設定できるようにしている。

【００１４】

【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。

【００１５】図１にこの発明の実施例を示す。

【００１６】図１において、ブーム操作レバー７から発
生されたブームレバー信号は、ブームコントローラ２０
のレバー不感帯処理部２１に入力される。レバー不感帯
処理部２１は、入力されたブームレバー信号をニュート
ラル近傍領域に不感帯を付した修正ブームレバー信号に
変換して適応コントローラ２２に入力する。

【００１７】一方、ブームシリンダ速度検出器２４は、
ブームシリンダの速度を検出し、この検出値ＶBを適応
コントローラ２２に対し未知プラントからの出力として
入力する。このシリンダ速度検出器２２としては、シリ
ンダ速度センサを用いるようにしてもよいし、シリンダ
位置センサの出力信号を微分したものを用いてもよい
し、ブーム角度あるいはブーム角速度からシリンダ速度
を求めるようにしたものの何れを用いるようにしてもよ
い。

【００１８】すなわち、適応コントローラ２２は、謂ゆ
るモデル規範型適応制御を利用したもので、望ましいブ
ーム操作応答特性をもつ規範モデル２３の出力に、未知
プラント（この場合はブームシリンダ特性）の出力ＶB
が一致するように、ブームシリンダ４（直接的にはブー
ムシリンダ用バルブ）に対する指令値を補正する制御を
実行する。その詳細は後述する。規範モデル２３に設定
される応答特性は、オペレータが任意に設定することが
できる。

【００１９】適応コントローラ２２で補正された指令値
はバルブ電流変換部２５に入力され、ここで補正指令値
がブームシリンダ用バルブを駆動するための電流値に変
換された後、ブーム用流量指令として出力される。な
お、このバルブ電流変換部２５での電流変換の際に、電
流指令とブームシリンダ速度の非線形性を取り除くよう
にその変換特性を設定している。

【００２０】一方、アーム操作レバー８から発生された
アームレバー信号は、前記同様、アームコントローラ３
０のレバー不感帯処理部３１に入力された後、適応コン
トローラ３２に入力される。

【００２１】適応コントローラ３２には、アームシリン
ダ速度検出器３４によって検出されたアームシリンダ速
度ＶAが入力されており、適応コントローラ３２は、望
ましいアーム操作応答特性をもつ規範モデル３３の出力
に、未知プラント（この場合はアームシリンダ特性）の
出力ＶAが一致するように、アームシリンダ５（直接的
にはアームシリンダ用バルブ）に対する指令値を補正す
る制御を実行する。

【００２２】適応コントローラ３２で補正された指令値
はバルブ電流変換部３５でアームシリンダ用バルブを駆
動するための電流値に変換された後、アーム用流量指令
として出力される。

【００２３】さらに、バケット操作レバー９から発生さ
れたバケットレバー信号は、前記同様、バケットコント
ローラ４０のレバー不感帯処理部４１に入力された後、
適応コントローラ４２に入力される。

【００２４】適応コントローラ４２には、バケットシリ
ンダ速度検出器４４によって検出されたバケットシリン
ダ速度ＶBKが入力されており、適応コントローラ４２
は、望ましいバケット操作応答特性をもつ規範モデル４
３の出力に、未知プラント（この場合はバケットシリン
ダ特性）の出力ＶBKが一致するように、バケットシリン
ダ６（直接的にはバケットシリンダ用バルブ）に対する
指令値を補正する制御を実行する。

【００２５】適応コントローラ４２で補正された指令値
はバルブ電流変換部４５でバケットシリンダ用バルブを
駆動するための電流値に変換された後、バケット用流量
指令として出力される。

【００２６】図２は、図１に示した適応コントローラ２
２、３２、４２の理論的構成例を示すものである。

【００２７】適応コントローラ２２、３２、４２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
操作応答特性をもつ規範モデルの出力に、未知プラント
（この場合はブームシリンダ操作応答特性、アームシリ
ンダ操作応答特性、バケットシリンダ操作応答特性）の
出力が一致するように、各作業機アクチュエータに対す
る指令値を補正する制御を実行する。

【００２８】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。

【００２９】それに従えば、図２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。

【００３０】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。

【００３１】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。

【００３２】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。

【００３３】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。

【００３４】ｅ1(k)＝ｙm(k)−ｙ(k) …（３）ここで、図２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。

【００３５】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。

【００３６】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。

【００３７】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。

【００３８】このように、図２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、バケット制御特
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。

【００３９】以下、図３のフローチャートに従って適応
制御コントローラ２２，３２，４２で行われる制御動作
について説明する。

【００４０】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）。

【００４１】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）。

【００４２】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）。

【００４３】適応コントローラ２２，３２，４２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。

【００４４】すなわち、図１の構成において、適応コン
トローラ２２，３２，４２を特性が未知であるブーム駆
動系、アーム駆動系、バケット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、バケッ
ト駆動系は規範モデルと同じ制御特性を持つことにな
る。

【００４５】なお、適応制御コントローラ２２，３２，
４２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。

【００４６】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、
各作業機制御系にバルブ電流変換部２５、３５、４５を
配置し、これらによってブーム、アーム及びバケットの
非線形性を取り除くようにしている。

【００４７】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４に示すような非線形性および不感帯が存在し、
このため油圧ショベルにおいては、シリンダ速度に対応
する流量指令と各作業機のレバー指令との間の伝達関数
が非線形となっている。

【００４８】そこで、各作業機制御系のバルブ電流変換
部２５、３５、４５において、図４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き、もって各作業機駆動制御系の線
形化を達成している。

【００４９】ところで、上記のような手法を用いてもモ
デル化誤差を全くなくすことは不可能なので、長期間の
間適応制御を使っていると、パラメータ調整則による推
定パラメータが思わぬ方向へいきそのうち暴走する恐れ
もある。また、未知パラメータの推定値θ＾(k)は、一
般に、制御開始後急速に大きく変化するが、その後の変
化は非常に小さいものである。それゆえ、十分に時間が
たった後にパラメータ推定を終了し、最後に推定された
値を用いて適応制御を実行しても完全に規範モデルに一
致する性能は得られなくともそれに近い性能を得られ
る。

【００５０】そこで、図５のフローチャートで示す実施
例においては、出荷時または調整時または新しい規範モ
デルの設定時に、図１の適応コントローラを用いて代表
的な作業（例えば作業機をストロークエンドからストロ
ークエンドまでスピードを変えながら動かす）を行いな
がらパラメータ推定を行い、その最終推定結果を記憶し
ておき、通常作業時には、前記記憶されている最終推定
結果を用いてパラメータ調整を行わないで適応制御を実
行させるようにしている。なお、パラメータ調整を行わ
ないようにするためには、図２の構成中の同定誤差ε1
(k)＝０とすればよい。すなわち、図５の実施例におい
ては、予めパラメータ調整を行って設定した固定パラメ
ータを用いて適応制御系を動作させるようにしている。

【００５１】なお、経年変化等によって思うように性能
が出なくなった場合は、再度パラメータ推定を実行する
ようにすればそのときのプラントの状態に応じたパラメ
ータ値が返ってくるので、そのパラメータ値を用いて動
作させるようにすれば、再び規範モデルに近い性能を得
ることができる。

【００５２】図６は、図１に示した規範モデル２３，３
３，４３を設定するための規範モデル設定部５０の具体
例を示すもので、この場合は規範モデル設定部５０の設
定内容に対応する規範モデルを複数の規範モデルテーブ
ル６０から選択するようにしている。すなわち、複数の
規範モデルテーブルにはそれぞれ異なる応答特性が予め
設定されており、これら設定された複数の規範モデルテ
ーブルから所要のモデルを規範モデル設定部５０の設定
内容に応じて選択するようにしている。

【００５３】すなわち、この場合、規範モデル設定部５
０は、速応性（固有振動数）を設定する速応性設定器５
１と、振動特性（減衰係数）を設定する振動特性設定器
５２とを有し、これら設定器５１，５２のインジケータ
位置を適宜設定することにより、オペレータが所望する
任意の速応性および振動特性を設定することができるよ
うにしている。

【００５４】また、規範モデルテーブル６０には、規範
モデル設定部５０での各種の設定内容に対応して、それ
ぞれ異なる速応性及び振動特性を有する規範モデルが複
数個予め記憶されており、設定内容に対応する速応性及
び振動特性を有する規範モデルが選択されるようになっ
ている。なお、規範モデル設定部５０として、式の形で
直接的に設定するものを採用するようにしても良い。

【００５５】また、規範モデルテーブル６０としては、
作業機の姿勢に応じて複数の異なる規範モデルを用意す
るようにしてもよく、さらには各作業機毎に各別の操作
レバーがある場合は単独のレバー操作時と複合操作時と
でそれぞれ別の規範モデルを用意するようにしても良
い。

【００５６】また、本発明においては、全ての作業機に
対し適応制御を行うようにしたが、何れか１つまたは２
つの作業機についての適応制御を省略するようにしても
よい。

【００５７】

【発明の効果】以上説明したようにこの発明によれば、
各作業機毎に各別の電気操作レバーを備えた油圧ショベ
ルにおいて、各作業機の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するとともに、規範
モデル設定手段によって前記規範モデルの応答特性をオ
ペレータが任意に設定できるようにしたので、簡単且つ
安価な構成でオペレータが所望する操作感を得ることが
できる。また、アタッチメント交換などにより応答特性
を変えなければならないときでも、規範モデルを変更す
るだけで対処できるので、迅速な対応が可能になる。ま
た、適応制御を用いているので、経年変化にも強く、バ
ルブなどの構成部品の性能ばらつきがあった場合でも常
に安定な性能を得ることができる。

【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】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３】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４】シリンダ速度と電気指令との関係を示す図。

【図５】この発明の他の実施例を示すフローチャート。

【図６】規範モデル設定部および規範モデルテーブルを
示す図。

【図７】油圧ショベルの外観構成を示す図。

【図８】従来技術を示す図。

【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７…ブーム操作レバー８…アーム操作レバー９…バケット操作レバー２２，３２，４２…適応コントローラ２３，３３，４３…規範モデル２４，３４，４４…シリンダ速度検出器

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】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、前記複
数の腕毎に設けられた作業機操作レバーと、前記各作業
機操作レバーからの指令信号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操作応答特性が規定された規範モデ
ル部と、この規範モデルの操作応答特性を設定する規範モデル設
定手段と、前記各作業機シリンダの速度をそれぞれ検出するシリン
ダ速度検出手段と、前記シリンダ速度検出手段の検出値をフィードバック信
号として用い、各作業機の操作応答特性が前記規範モデ
ル設定手段によって設定された規範モデル部の操作応答
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し、この補正制
御指令値によって各作業機シリンダを速度制御する適応
制御手段と、を具える建設機械の作業機制御装置。
【請求項２】前記規範モデル設定手段は、速応性、振動
特性を設定するものである請求項１記載の建設機械の作
業機制御装置。
【請求項３】前記適応制御手段は、予め行われたパラメ
ータ調整によるパラメータ推定値の最終値を記憶する記
憶手段と、実作業の際、前記記憶手段に記憶されたパラ
メータ推定値を読み出し、このパラメータ推定値を用い
てパラメータ推定を行うことなく前記適応制御を実行す
る適応コントロール部とを有する請求項１記載の建設機
械の作業機制御装置。