JPH05263442A - 流体圧工事用車両の制御装置 - Google Patents

流体圧工事用車両の制御装置

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JPH05263442A
JPH05263442A JP5001911A JP191193A JPH05263442A JP H05263442 A JPH05263442 A JP H05263442A JP 5001911 A JP5001911 A JP 5001911A JP 191193 A JP191193 A JP 191193A JP H05263442 A JPH05263442 A JP H05263442A
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pump
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Michael S Lukich
エス ルキチ マイケル
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Caterpillar Inc
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 本発明の目的は、機関と、機関によって駆動
される可変変位ポンプを有する少なくとも１つの流体回
路と、可変変位ポンプから複数の関連作業要素に流体を
制御可能に供給する複数の制御弁とを有する工事用車両
の電気流体圧システムを制御する装置を提供することで
ある。 【構成】 ある手段が関連作業要素の所望速度を表す信
号を生成する。別の手段が作業要素に加わる負荷を検知
し、検知した負荷に応答して実際の負荷を表す信号を生
成する。制御装置は所望速度信号と負荷信号とを受信
し、それらに応答して電気流体圧システムのための所望
動力レベルを計算し、そして所望動力レベルに応答して
最適機関速度を表す機関速度命令信号を生成する。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、一般的には流体圧工事
用車両のための制御システムに関し、具体的には、知覚
入力に応答して機関速度、流体圧ポンプ変位、及び方向
性弁を通る流体の流れを制御する制御システムに関す
る。 ０
【０００２】
【従来の技術】例えば掘削機のような流体圧工事用車両
の分野においては、典型的には可変変位流体圧ポンプが
機関によって駆動され、駆動システムを含む複数の作業
要素へ流体圧動力を供給する。極めて多用途の機械であ
る掘削機は、多くの異なる仕事（例えばパイプ敷設、鉱
床掘削、溝掘り、伐出等であって、各仕事はそれらに独
自の流体圧流及び圧力に対する要求を有している）を遂
行するのに有用である。例えば鉱床掘削中の流体圧動力
要求は極めて高いものであるが短かい低動力要求期間が
挟まれており、一方パイプ敷設の場合には待機中の低動
力維持期間と中庸乃至高動力期間とは同程度の長さであ
る。
【０００３】掘削機の機関速度を制御するためには基本
的な制御計画が使用されてきた。例えばこれらの制御計
画では、燃料を節約するために、待機期間中には機関速
度を低空転に低下させ得ることが示されている。しかし
これらの型の制御計画は、必ずしも最大機関速度及びポ
ンプ流を必要としない活動時間中の機関速度の制御を明
確に認識してはいない。
【０００４】より精緻な制御計画によれば、機関速度及
び流体圧ポンプ変位は工事用車両が受ける負荷に応答し
て制御できることが示されている。例えば 1985 年 6月
18日付の Mitchell らの合衆国特許 4,523,892号には、
機関速度及びポンプ変位を制御する流体圧掘削機用電子
制御システムが開示されている。この制御システムは機
関の動作速度が所望動作速度以下に低下したことに応答
してポンプ変位を減少させる。更に、この制御システム
は機関の動作速度が所望動作速度以上に上昇したことに
応答して機関速度を低下させる。この電子制御はこのよ
うにして機関の遅れを調整するが、システムの効率の低
さを修正することはない。従ってこの電子制御は、燃料
消費を最小にすることも、または望ましくない機関の遅
れを排除することもない。
【０００５】本発明は上述した諸問題の１またはそれ以
上を解消することを目的とする。
【０００６】
【発明の開示】本発明の一面においては、装置は、工事
用車両の電気流体圧システムを制御する。工事用車両
は、機関と、この機関によって駆動される可変変位ポン
プを有する少なくとも１つの流体回路と、可変変位ポン
プから複数の関連作業要素へ流体を制御可能に供給する
複数の制御弁とを有している。１つの手段が関連作業要
素の所望速度を表す信号を生成する。別の手段が１つの
作業要素に加わる負荷を検知し、検知した負荷に応答し
て実際の負荷を表す信号を生成する。制御装置は各作業
要素毎の所望速度信号及び負荷信号を受け、それらに応
答して電気流体圧システムのための所望動力レベルを計
算する。また制御装置はこの所望動力レベルに応答して
最適機関速度を表す機関速度命令信号を生成する。
【０００７】
【実施例】図１に本発明に関連する電気流体圧システム
１０の実施例を示す。掘削機またはローダのような工事
用車両上の流体圧システム１２は、通常は内燃機関であ
る動力源１４を含む。機関１４は、流体を複数の作業要
素２０、２２、２４、２６、２８へ供給する１またはそ
れ以上の可変変位ポンプ１６、１８を駆動する。ポンプ
１６、１８は調整可能な斜板１７を含む。作業要素は可
動ピストン有する流体圧機関またはシリンダ（図示して
ない）を含むことができる。ピストンは所定の断面積を
有している。
【０００８】制御弁３０、３２、３４、３６、３８、４
０が、可変変位ポンプ１６、１８とそれらの関連作業要
素２０、２２、２４、２６、２８との間の流路内に配置
されていて、作業要素へ供給される流体を制御する。各
制御弁は、その中で運動するスプールまたは弁棒（図示
してない）を含む。制御弁はクローズドセンタ（または
中心閉塞）圧力補償型弁であるが、本発明はオープンセ
ンタ（または中心解放）圧力非補償型弁にも同等に適用
される。
【０００９】好ましい実施例では制御弁は電気的に作動
可能である。流体の流れは可変変位ポンプ１６、１８か
ら関連作業要素２０、２２、２４、２４、２６、２８へ
の流体を計量する弁棒を比例的に変位させる電気信号に
よって制御される。電子ガバナ６８は電気信号を制御弁
へ送って弁棒の位置を制御する。制御弁は、弁棒の実際
の位置を表す電気信号を生成するセンサを含むことが好
ましい。弁棒センサは当分野においては公知のＬＶＤＴ
装置を含むことができる。
【００１０】例えば電子操縦かんのような操作員が操縦
する制御要素５４、５６、５８、６０、６２は監視コン
トローラ６４に接続されている。操作員制御要素は、公
知のようにして電気信号を生成する。例えばポテンショ
メータまたはディジタルエンコーダを使用して電気信号
を生成させることができる。監視コントローラ６４は作
業要素の所望速度に関する操作員の要求を表す信号を受
信する。
【００１１】速度検知装置６６は、実際の機関速度を表
す信号を発生する。例えば速度検知装置６６は、公知の
ように機関の歯車の運動に感応する。この装置は機関の
実際の速度を表す信号を電子ガバナ６８へ供給する。電
子ガバナ６８は機関１４に電気的に接続されており、公
知のように機関の速度を電子的に制御する。斜板角検知
装置７０は斜板１７の角度を検知する。斜板角検知装置
７０は、斜板１７の実際の角度を表す電気信号を電子ガ
バナ６８へ供給する。更に電子圧力装置７２は各ポンプ
１６、１８の出力圧を検知し、それを表す信号を電子ガ
バナ６８へ供給する。電子ガバナ６８は検知された上記
信号の受信に応答して斜板の傾斜を調整し、それによっ
てポンプ１６、１８の変位を制御する。
【００１２】各作業要素に加わる負荷を検出するため
に、負荷センサ７４が各作業要素毎に設けられている。
各作業要素に加わる負荷の検出に応答して負荷センサ７
４は電気信号を電子ガバナ６８へ供給する。負荷センサ
７４は、例えば電子圧力センサの形状であってよい。速
度センサ７６が各作業要素毎に設けられ、各作業要素の
運動を表す信号、具体的には各作業要素の速度を表す信
号を生成する。一実施例では、速度センサ７６は直流発
電機を含み、この発電機は回転すると回転速度を（従っ
て関連作業要素の線形速度を）表す電圧を発生する。第
２の実施例では、速度センサ７６は、例えば無線周波数
（ＲＦ）線形位置センサのような位置センサを含むこと
ができる。速度センサ７６は、位置信号を数値的に濾波
し微分することによって作業要素の速度を決定する。
【００１３】電子ガバナ６８はマイクロプロセッサをベ
ースとするシステムであって、信号条件付け回路、駆動
動力回路、演算ユニット、及び適当なメモリを含む。電
子ガバナ６８に関連する電子ハードウエア及びソフトウ
エアは公知であり、従って説明は省略する。図示のよう
に、電子ガバナ６８は監視コントローラ６４に接続され
ている。監視コントローラ６４はマイクロプロセッサを
ベースとするシステムであって、プロセスを制御するた
めに演算ユニットを使用する。典型的には、プログラム
が読出し専用メモリ、ランダムアクセスメモリ、等々内
に記憶されている。監視コントローラ６４の機能にとっ
て重要なアルゴリズムを種々の流れ図を参照して以下に
説明する。
【００１４】図２乃至４に示す流れ図は、本発明の好ま
しい実施例を実現するためのコンピュータソフトウエア
論理を表している。これらの流れ図に示されているプロ
グラムは如何なる適当なマイクロプロセッサシステムで
も使用できるようになっている。図２は、機関１４の最
適速度を決定するために機関制御手段２００に関連する
アルゴリズムである。先ずブロック２０５においてコン
トローラ６４は、作業要素の所望速度を表す１またはそ
れ以上の信号を関連制御要素から受信する。ブロック２
１０においてコントローラ６４は、関連作業要素の実際
の速度を表す測定された速度信号を種々の速度センサか
ら受信する。更にブロック２１５においてコントローラ
６４は、関連作業要素に加わる負荷を表す測定された負
荷信号を種々の負荷センサから受信する。
【００１５】ブロック２２０及びブロック２２５におい
てアルゴリズムは、それぞれ以下の式によって流体圧シ
ステムに関連する所望動力レベル（ＨＰD ）及び実際の
動力レベル（ＨＰACT ）を計算する。 ＨＰD ＝ΣN 1 Ｌ＊ＶDES ＨＰACT ＝ΣN 1 Ｌ＊ＶACT 上式のように動力レベルＨＰD 、ＨＰACT は各作業要素
に関連する個々の動力レベルの合計として計算される。
作業要素の総数はＮで表されている。個々の動力レベル
は関連作業要素の検知された負荷Ｌと、所望速度ＶDES
または検知された速度ＶACT の何れかとの積によって求
められる。
【００１６】所望動力レベルＨＰD 及び実際の動力レベ
ルＨＰACT を計算した後、アルゴリズムはそれに応答し
てブロック２３０において流体圧システムのための最適
機関速度を決定する。最適機関速度は、対応する動力レ
ベル（ＨＰD 、ＨＰACT ）における一連の好ましい機関
速度を表し、且つ経験に基づいて決定されたデータを記
憶することによって決定される。記憶されたデータは計
算された動力レベルと比較される。好ましい実施例で
は、当分野では公知の型の二次元ルックアップテーブル
を使用して比較を完了させ、燃料消費を最低にするため
の最適機関速度を表す値を選択する。メモリ内に記憶さ
れる特性の数は、システムの所望精度に依存する。測定
された値及び計算された値がメモリ内に記憶されている
離散した値の間になった場合には補間法を使用して最適
機関速度を決定することができる。最適機関速度は、所
望動力レベルＨＰD の値に応答して決定される。アルゴ
リズムは実際の動力レベルの値ＨＰACT を使用して流体
圧システムの動力レベルを所望動力レベルＨＰD に制御
する。
【００１７】最適機関速度が決定されると、監視コント
ローラ６４は最適機関速度を表す機関速度命令信号を生
成する。電子ガバナ６８はこの機関速度命令信号を受信
し、それに応答して機関速度を最適レベルに調整する。
電子ガバナ６８は速度検知装置６６から実際の機関速度
信号を受信し、機関速度命令信号の大きさと実際の機関
速度信号の大きさとの差に比例する誤差信号を計算す
る。これに応答して電子ガバナ６８は機関の速度を制御
して誤差信号を０に接近せしめる。
【００１８】図３にシステム１２のために最適ポンプ変
位を決定するポンプ制御手段３００に関連するアルゴリ
ズムを示す。このアルゴリズムは、図２のブロック２０
５、２１０、及び２１５において先に入手した受信値を
使用する。アルゴリズムはブロック３０５及び３１０に
おいてそれぞれ所望ポンプ変位（ＰD ）及び実際のポン
プ変位（ＰACT ）を計算する。ポンプ変位を計算するた
めの式は、 ＰD ＝ΣN 1 Ａ＊ＶDES ＰACT ＝ΣN 1 Ａ＊ＶACT である。上式のように各ポンプ１６、１８毎の所望及び
実際の変位は、作業要素の断面積（即ち流体圧シリンダ
の面積）Ａと、関連作業要素の所望速度ＶDES または検
知された速度ＶACT との積の合計として計算される。
【００１９】ポンプ１６、１８の所望及び実際の変位値
を計算した後に、アルゴリズムはブロック３１５におい
て各ポンプ１６、１８毎の最適ポンプ変位を決定する。
この最適ポンプ変位は対応負荷（圧力）レベルにおける
ポンプ変位のマップ（または写図）を表し、且つ経験に
基づいて決定されたデータから導出される。この記憶さ
れているデータは計算されたポンプ変位値と比較され
る。好ましい実施例では二次元ルックアップテーブルを
使用して比較を行い、最適ポンプ変位を表す値を選択す
る。最適ポンプ変位は所望ポンプ変位ＰD に応答して決
定される。
【００２０】最適ポンプ変位が決定されると、監視コン
トローラ６４は各ポンプ１６、１８に関連するポンプ変
位命令信号を生成する。ポンプ変位命令信号は最適ポン
プ変位を表す。電子ガバナ６８は各ポンプ１６、１８に
関連するポンプ変位命令信号を受信し、それに応答して
ポンプ変位を最適レベルに調整する。上述したように電
子ガバナ６８は実際のポンプ変位ＰACT を表す信号を受
信することができる。古典的なＰＩＤフィードバック制
御を使用して電子ガバナ６８は斜板１７の傾斜を調整
し、関連ポンプ１６、１８の変位を最適レベルに制御す
る。代替として電子ガバナ６８は、斜板角検知装置７０
からの実際の斜板角度信号と負荷センサ７２からの吐出
し圧信号の受信に応答して、ポンプ１６、１８のポンプ
変位を調整することができる。
【００２１】今度は図４に示す流れ図を参照する。弁制
御手段４００は関連作業要素への流体圧用流体を正しく
計量するために所望弁棒位置を決定する。即ち、この作
業要素を所望速度で運動させることを意図しているので
ある。このアルゴリズムは、図２のブロック２０５、２
１０、及び２１５において先に入手した受信値を使用す
る。アルゴリズムは先ずブロック４０５において、各弁
の適切なオリフィス面積に比例する弁棒変位を計算す
る。各弁の適切なオリフィス面積とは、適切な流体の流
れを計量するために必要なオリフィス面積である。これ
らの計算は示してないが、当分野では公知である。例え
ば、各弁の適切なオリフィス面積を求めるために公知の
薄刃オリフィスの式を使用することができる。最良の結
果を得るためには、この式は多くの検知した圧力値を使
用し、各弁のジオメトリを知らなければなららい。各弁
毎に適切なオリフィス面積を計算した後にアルゴリズム
はブロック４１０へ進み、各弁毎の対応弁棒位置を決定
する。弁棒位置は、所定のオリフィス面積に対応する一
連の弁棒位置を表し、且つ経験に基づいて決定されたデ
ータを記憶することによって与えられる。
【００２２】各制御弁毎に適切なオリフィス面積を計算
した後に監視コントローラ６４は、各弁毎の適切な弁棒
変位を表す弁棒位置命令信号を生成する。電子ガバナ６
８はこの弁棒位置命令信号を受信し、それに応答して各
弁棒の弁棒位置を最適レベルに調整する。前述したよう
に、電子ガバナ６８は各弁毎に実際の弁棒位置信号を受
信している。電子ガバナ６８は、実際の弁棒位置信号の
大きさと弁棒位置命令信号の大きさとの差に比例する誤
差信号を計算する。それに応答して電子ガバナ６８は弁
棒の位置を制御し、古典的なＰＩＤアルゴリズムを使用
して誤差信号を０に接近せしめる。
【００２３】監視コントローラ６４は、所望作業モード
を表す信号を作業モードスイッチ８０から受信すること
ができる。作業モードスイッチ８０は複数の作業モード
を表す。ここでは、作業モードとは所定の流体圧回路配
列を達成するために弁を電気流体圧的に切り換えること
と定義する。各流体圧回路配列は工事用車両が遂行すべ
き所定の仕事に応答する。これらの仕事には、鉱床掘
削、トラック積載、仕上げ等が含まれる。監視コントロ
ーラ６４が遂行する計算は、所望作業モードを表す値を
含むように変更することができる。
【００２４】測定された値及び計算された値を含む情報
を、電子ガバナ６８から監視コントローラ６４へ転送す
ることが望ましいかも知れない。このデータは爾後に電
気流体圧システム１０の解析に使用することができる。
動作を説明する。本発明は例えば掘削機のような工事用
車両の流体機械システムを制御するようになっている。
前述したように、各作業要素は関連した負荷センサ７４
及び速度センサ７６を有している。監視コントローラ６
４は種々のセンサから適切な信号を受信する。更に監視
コントローラ６４は作業要素の１または複数の所望速度
信号を制御要素から受信する。
【００２５】受信した信号に応答して監視コントローラ
６４は、上述したような計算を遂行して機関速度命令信
号を電子ガバナ６８へ供給する。それによって電子ガバ
ナ６８は機関速度を機関速度命令信号によって定義され
た最適レベルに制御して燃料消費を最低にする。次いで
監視コントローラ６４は各ポンプ１６、１８に関連する
ポンプ変位命令信号を電子ガバナ６８へ供給する。それ
に応答して電子ガバナ６８は各ポンプ１６、１８の斜板
の傾斜を調整して最適ポンプ変位を達成する。ポンプが
最適変位で流体圧システム１２のための流体の流れを発
生した後に監視コントローラ６４は、弁棒位置命令信号
を電子ガバナ６８へ供給する。それによって電子ガバナ
６８は弁棒を適切な流量が得られる適切な位置へ制御し
て作業要素の所望速度を達成する。
【００２６】以上のように制御は、先ず機関の速度を最
適速度に制御し、第２にポンプの変位を最適変位に制御
し、最後に流体圧用流体を適切に計量するように弁棒の
位置を制御し、それによって作業要素の所望速度を達成
するのである。このために制御は先見的であると言われ
る。従って流体圧システムは最適効率で動作し、不都合
な機関遅れの効果を伴うことなく優れた燃料経済性を実
現する。
【００２７】以上に本発明を主として流体圧掘削機に関
連して説明したが、本発明は殆ど如何なる機関及び流体
圧ポンプ配列においても実現することができる。本発明
の他の面、目的及び長所は図面、開示、及び特許請求の
範囲の検討から明白になるであろう。
【図面の簡単な説明】
【図１】各々が複数の直列接続された作業要素を有する
１またはそれ以上の回路にサービスする１またはそれ以
上のポンプを有する本発明の流体圧システムの実施例の
概要図である。
【図２】機関の速度を制御するために電子制御システム
が使用するアルゴリズムを示す流れ図である。
【図３】ポンプ変位を制御するために電子制御システム
が使用するアルゴリズムを示す流れ図である。
【図４】弁棒変位を制御するために電子制御システムが
使用するアルゴリズムを示す流れ図である。
【符号の説明】
１０ 電気流体圧システム １２ 流体圧システム １４ 動力源（機関） １６、１８ 可変変位ポンプ １７ 斜板 ２０、２２、２４、２６、２８ 作業要素 ３０、３２、３４、３６、３８、４０ 制御弁 ５４、５６、６８、６０、６２ 制御要素 ６４ 監視コントローラ ６６ 速度検値装置 ６８ 電子ガバナ ７０ 斜板角検値装置 ７２ 電子圧力装置 ７４ 負荷センサ ７６ 速度センサ ８０ 作業モードスイッチ ２００ 機関制御手段 ３００ ポンプ制御手段 ４００ 弁制御手段

Claims (12)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 機関と、この機関によって駆動される可
    変変位ポンプを有する少なくとも１つの流体回路と、各
    々が弁棒を含み、可変変位ポンプから複数の関連作業要
    素へ流体を制御可能に供給する複数の制御弁とを有する
    工事用車両の電気流体圧システムを制御するための装置
    であって、 操作員が操縦して上記関連作業要素の１つの所望速度を
    表す信号を生成する制御要素と、 １つの作業要素に加わる負荷を検出し、検出した負荷に
    応答して実際の負荷を表す信号を生成する負荷センサ
    と、 １つの作業要素の速度を決定し、決定した速度に応答し
    て実際の速度を表す信号を生成する速度センサと、 上記所望速度信号、実際の速度信号、及び負荷信号を受
    け、それらに応答して電気流体圧システムのための所望
    の、及び実際の動力レベルを計算し、またそれに応答し
    て最適機関速度を表す機関速度命令信号を生成する制御
    手段と、 上記機関速度命令信号を受け、それに応答して機関の速
    度を最適機関速度に制御する電子ガバナとを具備するこ
    とを特徴とする装置。
  2. 【請求項２】 上記機関の速度を検知し、検知した速度
    に応答して実際の速度を表す信号を生成する手段を含む
    請求項１に記載の装置。
  3. 【請求項３】 上記電子ガバナは、上記実際の速度信号
    を受け、上記機関速度命令信号の大きさと上記実際の機
    関速度信号の大きさとの差に比例する誤差信号を計算
    し、そしてそれに応答して上記機関の速度を制御して上
    記誤差信号を０に接近せしめるようになっている請求項
    ２に記載の装置。
  4. 【請求項４】 上記制御手段は、上記所望速度信号に応
    答して所望ポンプ変位値を計算し、上記所望ポンプ変位
    値に応答して最適ポンプ変位を表すポンプ変位命令信号
    を生成する手段を含む請求項１に記載の装置。
  5. 【請求項５】 上記制御手段は、所望弁棒位置値を計算
    し、それに応答して弁棒位置命令信号を生成する手段を
    含む請求項４に記載の装置。
  6. 【請求項６】 上記電子ガバナは、上記ポンプ変位命令
    信号及び弁棒位置命令信号を受けてそれらに応え、最適
    速度で回転している上記機関回転に応答して上記ポンプ
    の変位を最適ポンプ変位に制御し、また上記ポンプに応
    答して弁棒の位置を所望弁棒位置に制御して最適ポンプ
    変位を発生させる請求項５に記載の装置。
  7. 【請求項７】 上記可変変位ポンプの吐出し圧を検知
    し、検知した圧力に応答して実際の吐出し圧を表す信号
    を生成する手段を含む請求項６に記載の装置。
  8. 【請求項８】 上記可変変位ポンプは斜板を含み、上記
    電子ガバナは、斜板の角度を検知し、検知した斜板角に
    応答して実際の斜板角を表す信号を生成する手段を含む
    請求項７に記載の装置。
  9. 【請求項９】 上記電子ガバナは、上記実際の吐出し圧
    信号及び上記実際の斜板角信号の受信に応答して斜板の
    傾斜を調整し、ポンプの変位を最適変位に制御する請求
    項８に記載の装置。
  10. 【請求項１０】 上記可変変位ポンプは斜板を含み、上
    記制御手段は、実際の速度信号を受け、実際のポンプ変
    位値を計算し、そしてそれに応答して実際のポンプ変位
    信号を生成する手段を含み、上記電子ガバナは、上記実
    際のポンプ変位信号を受け、上記ポンプ変位命令信号の
    大きさと上記実際の変位信号の大きさとの差に比例する
    誤差信号を計算し、そしてそれに応答して斜板の傾斜を
    調整して誤差信号を０に接近せしめるようになっている
    請求項６に記載の装置。
  11. 【請求項１１】 関連制御弁に対する弁棒の位置を検知
    し、検知した位置に応答して実際の位置を表す信号を生
    成する手段を含む請求項６に記載の装置。
  12. 【請求項１２】 上記電子ガバナは、上記実際の弁棒位
    置信号を受け、上記弁棒位置命令信号の大きさと上記実
    際の弁棒位置信号の大きさとの差に比例する誤差信号を
    計算し、そしてそれに応答して上記弁棒の位置を制御し
    て誤差信号を０に接近せしめるようになっている請求項
    １１に記載の装置。
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