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METHOD FOR CREATING MODEL-BASED LOOKUP TABLE FOR CONTROL FLOW RATE ESTIMATION OF HYDRAULIC DEVICE, MODEL-BASED LOOKUP TABLE FOR CONTROL FLOW RATE ESTIMATION, AND PRESSURE ESTIMATION METHOD

Patent code P190015926
File No. N18012
Posted date Mar 25, 2019
Application number P2018-199323
Publication number P2020-067338A
Date of filing Oct 23, 2018
Date of publication of application Apr 30, 2020
Inventor
  • (In Japanese)酒井 悟
  • (In Japanese)那花 優将
Applicant
  • (In Japanese)国立大学法人信州大学
Title METHOD FOR CREATING MODEL-BASED LOOKUP TABLE FOR CONTROL FLOW RATE ESTIMATION OF HYDRAULIC DEVICE, MODEL-BASED LOOKUP TABLE FOR CONTROL FLOW RATE ESTIMATION, AND PRESSURE ESTIMATION METHOD
Abstract PROBLEM TO BE SOLVED: To propose a model-based lookup table for control flow rate estimation of a hydraulic device that can accurately estimate a control flow rate from a hydraulic control valve to a hydraulic cylinder in a hydraulic device, and can be easily mounted to an actual machine.
SOLUTION: A model-based lookup table for control flow rate estimation is used in a hydraulic device 1 to estimate a cap side flow rate Q+ of hydraulic oil, which is an unsteady flow rate element that flows into a cap side hydraulic chamber of a hydraulic cylinder 2, from a spool displacement u of a hydraulic control valve 3 and a cap side pressure p+ of the hydraulic cylinder. A non-linear nominal model for defining the hydraulic device is set, and input and output measurement values not including the flow rate of the hydraulic device are processed offline, to obtain a cap side flow rate matrix for estimating the cap side flow rate from the non-linear nominal model. Next, the Hilbert projection theorem is applied to reduce the dimension of the obtained cap side flow rate matrix, to obtain a cap side optimum flow rate matrix used as a lookup table.
Outline of related art and contending technology (In Japanese)

農業機械、BigDog(非特許文献1)、無人建設機械、振動装置等の駆動制御に用いられる油圧装置は、電動装置と比較すると、出力荷重比が高いだけでなく、エネルギを消費せずに鉛直静止の姿勢維持が可能である。このため、油圧装置は建設、レスキュー、地雷除去、農業などの分野における作業機として普及しており、さらなる高度自動化が強く望まれている。しかしながら、油圧装置は、運動方程式だけでなく連続式にも支配される複雑な非線形系である。特に流量要素は多入力非線形系として知られており、電動アームに比べてモデル化が困難である。

従来における油圧装置のモデル化は、基本的にベルヌーイの式に基づいている。すなわち、油圧装置において、多くの流量要素は通常のベルヌーイの式を用いて圧力について平方関数、スプール変位について線形関数としてモデリングされる(非特許文献2、3、4)。ベルヌーイの式は定常流を仮定しており、油圧装置における作動油の供給・排出が定常流であるとの前提に立っており、油圧装置に実在する非定常流要素をモデリングできない。

例えば、本発明の対象である図1に示す油圧装置において、図12(a)、(b)に示すようなサイン波形状の入力(スプール変位u)に対するキャップ側圧力pを、実際に圧力センサにより測定した場合(図12(e)、(f)の「Sensor」として示す曲線)と、ベルヌーイの式によりキャップ側流量からキャップ側圧力を算出した場合(図12(e)、(f)の「Bernoulli」として示す曲線)とを比較すると分かるように、実際の圧力変動とは大きく乖離する運転領域が生じる。このため、油圧装置の制御系においては、圧力センサの測定値を用いて圧力制御を精度良く行う必要があるが、農業機械等においてはコスト低減の要求が強く、圧力センサが搭載されない場合が多い。

そこで、物理モデル(連続式を含む)を使用せず、入出力の計測値(流量センサ値を含む)のみから定義されるルックアップテーブルを用いて、非定常流要素を表現することも多い。ルックアップテーブルでは定常流の仮定が不要であり、さらに多次元区分的アフィン系などでの(if文、switch文を含む)関数ではなく配列として実装されるので、油圧シリンダの圧力をオンライン推定するための計算機の負荷が相対的に低くなる。ところが、非定常流量要素の出力である流量の計測精度と計測レンジのトレードオフが強く、単数の流量計ではルックアップテーブルの定義が困難な場合が深刻な問題となり、複数の流量計では計測コストが不十分な場合が深刻な問題となる。さらに、現状では、計算機の負荷を下げるためのルックアップテーブルの最適な低次元化手法についても不明である。

なお、以下に、本明細書において参照している先行技術文献を列記する。

Field of industrial application (In Japanese)

本発明は、農業機械等に用いられる油圧装置に関する。更に詳しくは、複動ピストン形の油圧シリンダに対する油圧の供給を制御するスプール形式の油圧制御弁を備えた油圧装置における、油圧制御弁のスプール変位および油圧シリンダのキャップ側圧力から、油圧シリンダのキャップ側およびロッド側に流入する作動油の制御流量の推定方法、並びに、キャップ側圧力およびロッド側圧力の推定方法に関する。

Scope of claims (In Japanese)
【請求項1】
 
複動ピストン形の油圧シリンダに対する油圧の供給を制御するスプール形式の油圧制御弁を備えた油圧装置において、前記油圧制御弁のスプール変位および前記油圧シリンダのキャップ側圧力およびロッド側圧力から、前記油圧シリンダのキャップ側油圧室およびロッド側油圧室にそれぞれ流入する作動油のキャップ側流量およびロッド側流量を推定するために用いる制御流量推定用のモデルベーストルックアップテーブルの作成方法であって、
ステップ1において、前記油圧装置を定義する非線形公称モデルを設定し、前記油圧装置の流量を含まない入出力の計測値をオフライン処理することで、前記非線形公称モデルから、前記キャップ側流量を推定するためのキャップ側流量行列および前記ロッド側流量を推定するためのロッド側流量行列を求め、
ステップ2において、前記ステップ1で求めた前記キャップ側流量行列および前記ロッド側流量行列のそれぞれを低次元化して、前記制御流量推定用のモデルベーストルックアップテーブルとして用いるキャップ側最適流量行列およびロッド側最適流量行列を求め、
前記ステップ1においては、
前記油圧装置を表す前記非線形公称モデルを、次の(式1)で表される入力状態方程式により定義し、
(式省略)
前記油圧装置を駆動して、一定のサンプリング周期で、前記油圧制御弁の前記スプール変位に対する前記油圧シリンダのピストン変位と、前記キャップ側圧力および前記ロッド側圧力を測定し、得られた測定値を用いて、オフライン処理により、前記ピストン変位、前記キャップ側圧力および前記ロッド側圧力のそれぞれの時間微分を算出し、
前記非線形公称モデルに基づき、前記キャップ側流量および前記ロッド側流量を、次の(式3-1)、(式3-2)で定義される流量行列で表し、
(式省略)
前記測定によって得られた各測定値と、前記オフライン処理により算出した前記時間微分と、予め同定したキャップ側体積弾性率およびロッド側体積弾性率の値とを用いて、前記キャップ側流量行列および前記ロッド側流量行列を同定し、
前記ステップ2においては、
行列空間におけるヒルベルトの射影定理に基づき、前記キャップ側流量行列および前記ロッド側流量行列の次数を低減して得られる前記キャップ側最適流量行列および前記ロッド側最適流量行列として用いる低次元化行列を、ウォルッシュ関数を用いて、次の(式4-1)、(式4-2)で定め、
(式省略)
前記キャップ側最適流量行列および前記ロッド側最適流量行列のそれぞれにおける非線形流量要素の前記キャップ側流量およびロッド側流量は、次の(式5-1)および(式5-2)
(式省略)
により定義されることを特徴とする油圧装置の制御流量推定用のモデルベーストルックアップテーブルの作成方法。

【請求項2】
 
複動ピストン形の油圧シリンダに対する油圧の供給を制御するスプール形式の油圧制御弁を備えた油圧装置において、前記油圧制御弁のスプール変位と、前記油圧シリンダのキャップ側圧力およびロッド側圧力のうちの少なくとも一方のシリンダ圧力から、当該シリンダ圧力が作用する前記油圧シリンダのキャップ側油圧室あるいはロッド側油圧室に流入する作動油の制御流量を推定するために用いる制御流量推定用のモデルベーストルックアップテーブルであって、
請求項1に記載の方法により作成された前記キャップ側流量を推定するための前記キャップ側最適流量行列、および、前記ロッド側流量を推定するための前記ロッド側最適流量行列のうちの一方の最適流量行列、または、双方の最適流量行列を備えていることを特徴とする油圧装置の制御流量推定用のモデルベーストルックアップテーブル。

【請求項3】
 
請求項2に記載の制御流量推定用のモデルベーストルックアップテーブルとして、前記キャップ側最適流量行列を備えたものを用いて、複動ピストン形の油圧シリンダに対する油圧の供給を制御するスプール形式の油圧制御弁を備えた油圧装置における、前記油圧シリンダのキャップ側圧力を推定する油圧装置の圧力推定方法であって、
前記油圧制御弁のスプール変位および前記油圧シリンダのキャップ側圧力を用いて、前記制御流量推定用のモデルベーストルックアップテーブルから、前記キャップ側流量を検索出力する流量推定ステップと、
検索出力された前記キャップ側流量から、前記油圧シリンダのピストン変位および当該ピストン変位の時間微分と、事前に同定したキャップ側体積弾性率を用いて、キャップ側圧力変化率を算出して出力する圧力変化率算出ステップと、
算出された前記キャップ側圧力変化率をそれぞれ積分して、推定キャップ側圧力を算出して出力する推定圧力算出ステップと
を有しており、
前記流量推定ステップでは、
前記スプール変位の値として位置センサによる測定値を用い、
初回の前記キャップ側流量および前記ロッド側流量の検索出力のために用いる前記キャップ側圧力の値として、予め定めた任意の初期値を用い、
初回以後の前記キャップ側流量の検索出力のために用いる前記キャップ側圧力の値として、前記推定圧力算出ステップで得られる前回の前記推定キャップ側圧力を使用する
油圧装置の圧力推定方法。

【請求項4】
 
請求項2に記載の制御流量推定用のモデルベーストルックアップテーブルとして、前記キャップ側最適流量行列および前記ロッド側最適流量行列の双方を備えたものを用いて、
複動ピストン形の油圧シリンダに対する油圧の供給を制御するスプール形式の油圧制御弁を備えた油圧装置における、前記油圧シリンダのキャップ側圧力および前記ロッド側圧力を推定する油圧装置の圧力推定方法であって、
前記油圧制御弁のスプール変位と、前記油圧シリンダのキャップ側圧力およびロッド側圧力とを用いて、前記制御流量推定用のモデルベーストルックアップテーブルから、前記キャップ側流量および前記ロッド側流量を検索出力する流量推定ステップと、
検索出力された前記キャップ側流量および前記ロッド側流量から、前記油圧シリンダのピストン変位および当該ピストン変位の時間微分と、事前に同定したキャップ側体積弾性率およびロッド側体積弾性率とを用いて、キャップ側圧力変化率およびロッド側圧力変化率を算出して出力する圧力変化率算出ステップと、
算出された前記キャップ側圧力変化率および前記ロッド側圧力変化率をそれぞれ積分して、推定キャップ側圧力および推定ロッド側圧力を算出して出力する推定圧力算出ステップと
を有しており、
前記流量推定ステップでは、
前記スプール変位の値として位置センサによる測定値を用い、
初回の前記キャップ側流量および前記ロッド側流量の検索出力のために用いる前記キャップ側圧力および前記ロッド側圧力の値として、予め定めた任意の初期値を用い、
初回以後の前記キャップ側流量および前記ロッド側流量の検索出力のために用いる前記キャップ側圧力および前記ロッド側圧力の値として、前記推定圧力算出ステップで得られる前回の前記推定キャップ側圧力および前記推定ロッド側圧力を使用する
油圧装置の圧力推定方法。

【請求項5】
 
複動ピストン形の油圧シリンダに対する油圧の供給を制御するスプール形式の油圧制御弁を備えた油圧装置における、前記油圧シリンダのキャップ側圧力およびロッド側圧力を推定する油圧装置の圧力推定方法であって、
前記油圧制御弁のスプール変位と、前記油圧シリンダのキャップ側圧力およびロッド側圧力とを用いて、事前に作成した制御流量推定用のモデルベーストルックアップテーブルから、前記油圧シリンダのキャップ側油圧室およびロッド側油圧室にそれぞれ流入する作動油のキャップ側流量およびロッド側流量を検索出力する流量推定ステップと、
検索出力された前記キャップ側流量および前記ロッド側流量から、前記油圧シリンダのピストン変位および当該ピストン変位の時間微分と、事前に同定したキャップ側体積弾性率およびロッド側体積弾性率とを用いて、キャップ側圧力変化率およびロッド側圧力変化率を算出して出力する圧力変化率算出ステップと、
算出された前記キャップ側圧力変化率および前記ロッド側圧力変化率をそれぞれ積分して、推定キャップ側圧力および推定ロッド側圧力を算出して出力する推定圧力算出ステップと
を有しており、
前記油圧装置を表す非線形公称モデルを、次の(式1)で表される入力状態方程式により定義し、
(式省略)
前記油圧装置を駆動して、一定のサンプリング周期で、前記油圧制御弁の前記スプール変位に対する前記油圧シリンダのピストン変位と、前記キャップ側圧力および前記ロッド側圧力を測定し、得られた測定値を用いて、オフライン処理により、前記ピストン変位、前記キャップ側圧力および前記ロッド側圧力のそれぞれの時間微分を算出し、
前記非線形公称モデルに基づき、前記キャップ側流量および前記ロッド側流量を、次の(式3-1)、(式3-2)で定義される流量行列で表し、
(式省略)
前記測定によって得られた各測定値と、前記オフライン処理により算出した前記時間微分と、予め同定したキャップ側体積弾性率およびロッド側体積弾性率の値とを用いて、前記キャップ側流量行列および前記ロッド側流量行列を同定し、
同定された前記キャップ側流量行列および前記ロッド側流量行列により、前記制御流量推定用のモデルベーストルックアップテーブルが定義されており、
前記流量推定ステップでは、
前記スプール変位の値として位置センサによる測定値を用い、
初回の前記キャップ側流量および前記ロッド側流量の検索出力のために用いる前記キャップ側圧力および前記ロッド側圧力の値として、予め定めた任意の初期値を用い、
初回以後の前記キャップ側流量および前記ロッド側流量の検索出力のために用いる前記キャップ側圧力および前記ロッド側圧力の値として、前記推定圧力算出ステップで得られる前回の前記推定キャップ側圧力および前記推定ロッド側圧力を使用する
油圧装置の圧力推定方法。
IPC(International Patent Classification)
F-term
Drawing

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JP2018199323thum.jpg
State of application right Published
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