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JP7313633B2 - Position control device and position control method - Google Patents
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Description

本発明は、位置制御装置及び位置制御方法に関する。 The present invention relates to a position control device and a position control method.

油圧アクチュエータで駆動されるショベル等の機械において、バケット、作業装置等を、目標位置へ自動的に移動させる制御方法が開発されている。油圧アクチュエータを含む液圧アクチュエータの応答特性は、強い非線形性を持ち、リリーフバルブの開閉によっても大きく変化する。したがって、自動的な位置決め制御を、単純な制御則で実現することは難しい。 2. Description of the Related Art In machines such as excavators driven by hydraulic actuators, control methods have been developed for automatically moving buckets, working equipment, etc. to target positions. The response characteristics of hydraulic actuators, including hydraulic actuators, have strong non-linearity and change greatly depending on whether the relief valve is opened or closed. Therefore, it is difficult to realize automatic positioning control with a simple control law.

例えば、標準的な線形制御理論に基づいた制御手法として非特許文献1、2の方法が提案されている。非特許文献1、2の方法では、アクチュエータ動特性の線形近似に基づくため、参照位置と目標位置とが大きく離れている場合、適切な動作をさせることは難しい。 For example, the methods of Non-Patent Documents 1 and 2 have been proposed as control methods based on standard linear control theory. Since the methods of Non-Patent Documents 1 and 2 are based on linear approximation of actuator dynamic characteristics, it is difficult to perform appropriate operations when the reference position and the target position are greatly separated.

参照位置と目標位置とが大きく離れた場合であっても適切な制御を行うため、仮の目標位置を現在位置の近くに設定して、参照位置をなめらかに時間変化させながら、本来の目標位置へ到達させる方法が開発されている(例えば、特許文献1)。 In order to perform appropriate control even when the reference position and the target position are greatly separated, a method has been developed in which a temporary target position is set near the current position and the original target position is reached while the reference position is changed smoothly over time (for example, Patent Document 1).

また、目標位置と現在位置との差が大きい場合と小さい場合とで制御則を切り替える方法(例えば、非特許文献3)、リリーフバルブの開閉によって制御則を切り替える方法(例えば、非特許文献4)等が提案されている。 In addition, a method of switching the control law depending on whether the difference between the target position and the current position is large or small (for example, Non-Patent Document 3), a method of switching the control law by opening and closing a relief valve (for example, Non-Patent Document 4), etc. have been proposed.

また、非特許文献5のように、アクチュエータの非線形動特性モデルを用いて、所望の速度を実現するための最適な制御入力を、収束計算によって求める方法が提案されている。 In addition, as in Non-Patent Document 5, a method is proposed in which a nonlinear dynamic characteristic model of an actuator is used to find an optimum control input for realizing a desired speed by convergence calculation.

特開2019-19567号公報JP 2019-19567 A

Yaoyao Wang, Linyi Gu, Bai Chen, Hongtao Wu, “A new discrete time delay control of hydraulic manipulators”, Proceedings of Institution of Mechanical Engineers, Part I: Journal of Systems and Control Engineering, Vol.231, No.3, p.168-177, 2017Yaoyao Wang, Linyi Gu, Bai Chen, Hongtao Wu, “A new discrete time delay control of hydraulic manipulators”, Proceedings of Institution of Mechanical Engineers, Part I: Journal of Systems and Control Engineering, Vol.231, No.3, p.168-177, 2017 Navit Niksefat, Nariman Sepehri, “A QFT fault-tolerant control for electrohydraulic positioning systems”, IEEE Transactions on Control Systems Technology, Vol.10, No.4, p.626-632, 2002Navit Niksefat, Nariman Sepehri, “A QFT fault-tolerant control for electrohydraulic positioning systems”, IEEE Transactions on Control Systems Technology, Vol.10, No.4, p.626-632, 2002 Jianpeng Shi, Long Quan, Xiaogang Zhang, Xiaoyan Xiong, “Electro-hydraulic velocity and position control based on independent metering valve control in mobile construction equipment”, Automation in Construction, Vol.94, p.73-84, 2018Jianpeng Shi, Long Quan, Xiaogang Zhang, Xiaoyan Xiong, “Electro-hydraulic velocity and position control based on independent metering valve control in mobile construction equipment”, Automation in Construction, Vol.94, p.73-84, 2018 小岩井一茂,▲浜▼永慎也,山本透,南條孝夫,山▲崎▼洋一郎、「油圧ショベルのイベント駆動型トルク制御」、計測自動制御学会論文集、Vol.54,No.2,p.261-268、2018年Kazushige Koiwai, Shinya Hama Naga, Toru Yamamoto, Takao Nanjo, Yoichiro Yamazaki, "Event-Driven Torque Control for Hydraulic Excavators", Transactions of the Society of Instrument and Control Engineers, Vol.54, No.2, p.261-268, 2018 Kwangmin Kim, Minji Kim, Dongmok Kim, Dongjun Lee, “Modeling and velocity-field control of autonomous excavator with main control valve”, Automatica, Vol.104, p.67-81, 2019Kwangmin Kim, Minji Kim, Dongmok Kim, Dongjun Lee, “Modeling and velocity-field control of autonomous excavator with main control valve”, Automatica, Vol.104, p.67-81, 2019

特許文献1の制御方法では、時間変化する参照位置を設定するために、参照位置データを時系列データとして予め生成する必要がある。したがって、目標位置が刻一刻と変化する場合、外乱によって現在位置が参照位置から大きく逸れた場合等に対応することは難しい。 In the control method of Patent Document 1, it is necessary to generate reference position data in advance as time-series data in order to set a reference position that changes with time. Therefore, when the target position changes moment by moment, it is difficult to deal with cases such as when the current position deviates greatly from the reference position due to disturbance.

また、非特許文献3、4のように、状況に応じて制御則を切り替える方法では、コントローラの構造が複雑化するとともに、切り替え前後において不連続性が生じないように、注意深く制御パラメータを設定することが必要となるため、設計が困難となる。 In addition, the method of switching the control law depending on the situation, as in Non-Patent Documents 3 and 4, complicates the structure of the controller and requires careful setting of control parameters so that discontinuity does not occur before and after switching, which makes design difficult.

また、非特許文献5のように、アクチュエータの非線形動特性モデルをそのまま用いる方法では、複雑な収束計算を行うため、計算コストが増大する。 Further, in the method of using the non-linear dynamic characteristic model of the actuator as it is, as in Non-Patent Document 5, complicated convergence calculations are performed, resulting in an increase in calculation cost.

本発明は、上述の事情に鑑みてなされたものであり、目標位置の変化及び外乱による軌道のずれに対応可能であり、小さな計算コストで位置制御を行うことができる、簡素な制御アルゴリズムの位置制御装置及び位置制御方法を提供することを目的とする。 SUMMARY OF THE INVENTION It is an object of the present invention to provide a position control apparatus and a position control method using a simple control algorithm, which can cope with changes in the target position and deviations in the trajectory due to disturbances, and can perform position control with a low calculation cost.

上記目的を達成するために、この発明の第1の観点に係る位置制御装置は、
制御対象である機械を駆動させる液圧アクチュエータを制御する制御部を備え、
前記制御部は、
前記機械の目標位置と目標速度との少なくともいずれか一方、及び現在位置と現在速度との少なくともいずれか一方に基づいて、前記機械の次時刻ステップの目標速度である参照速度を算出し、
前記機械の動特性、前記液圧アクチュエータに許容される最大発生力及び前記現在速度に基づいて、前記参照速度を、次時刻ステップで実現可能な範囲に収まるように飽和させ、
前記液圧アクチュエータの準静的特性、前記機械の動特性、飽和された前記参照速度及び前記現在速度に基づいて、前記液圧アクチュエータの操作量を算出する。
In order to achieve the above object, a position control device according to a first aspect of the present invention includes:
Equipped with a control unit that controls a hydraulic actuator that drives the machine to be controlled,
The control unit
calculating a reference speed, which is the target speed of the next time step of the machine, based on at least one of the target position and the target speed of the machine and at least one of the current position and the current speed;
saturating the reference speed so that it falls within a achievable range at the next time step based on the dynamic characteristics of the machine, the maximum allowable force generated by the hydraulic actuator, and the current speed;
A manipulated variable of the hydraulic actuator is calculated based on the quasi-static characteristics of the hydraulic actuator, the dynamic characteristics of the machine, the saturated reference speed and the current speed.

また、本発明の第2の観点に係る位置制御装置は、
制御対象である機械を駆動させる液圧アクチュエータを制御する制御部を備え、
前記制御部は、
前記液圧アクチュエータの準静的特性と前記機械の動特性とに基づいて、所定ステップ先の時刻ステップの前記機械の予測位置と予測速度とを算出し、
前記機械の目標位置と目標速度との少なくともいずれか一方、及び前記予測位置と前記予測速度との少なくともいずれか一方に基づいて、前記所定ステップ先の次時刻ステップの目標速度である参照速度を算出し、
前記機械の動特性、前記液圧アクチュエータに許容される最大発生力及び前記予測速度に基づいて、前記参照速度を、前記所定ステップ先の時刻ステップの次時刻ステップで実現可能な範囲に収まるように飽和させ、
前記液圧アクチュエータの準静的特性、前記機械の動特性、飽和された前記参照速度及び前記予測速度に基づいて、前記液圧アクチュエータの操作量を算出する。
Also, the position control device according to the second aspect of the present invention includes:
Equipped with a control unit that controls a hydraulic actuator that drives the machine to be controlled,
The control unit
calculating a predicted position and a predicted speed of the machine at a time step ahead of a predetermined step based on the quasi-static characteristics of the hydraulic actuator and the dynamic characteristics of the machine;
calculating a reference speed, which is the target speed of the next time step ahead of the predetermined step, based on at least one of the target position and the target speed of the machine and at least one of the predicted position and the predicted speed;
saturating the reference speed so that it falls within a achievable range at a time step next to the time step after the predetermined step, based on the dynamic characteristics of the machine, the maximum allowable force generated by the hydraulic actuator, and the predicted speed;
A manipulated variable of the hydraulic actuator is calculated based on the quasi-static characteristics of the hydraulic actuator, the dynamic characteristics of the machine, the saturated reference velocity and the predicted velocity.

また、複数の前記液圧アクチュエータを備え、
前記制御部は、それぞれの前記液圧アクチュエータについて、前記操作量を算出して制御することにより、前記機械の所定部位を目標位置に移動させる、
こととしてもよい。
Further, comprising a plurality of hydraulic actuators,
The control unit calculates and controls the operation amount for each of the hydraulic actuators, thereby moving a predetermined portion of the machine to a target position.
You can do it.

また、前記液圧アクチュエータは、油圧アクチュエータである、
こととしてもよい。
Further, the hydraulic actuator is a hydraulic actuator,
You can do it.

また、本発明の第3の観点に係る位置制御方法は、
液圧アクチュエータで駆動される制御対象である機械の目標位置と目標速度との少なくともいずれか一方、及び現在位置と現在速度との少なくともいずれか一方に基づいて、前記機械の次時刻ステップの目標速度である参照速度を算出する参照速度算出工程と、
前記機械の動特性、前記液圧アクチュエータに許容される最大発生力及び前記現在速度に基づいて、前記参照速度を、次時刻ステップで実現可能な範囲に収まるように飽和させる参照速度修正工程と、
前記液圧アクチュエータの準静的特性、前記制御対象の動特性、飽和された前記参照速度及び前記現在速度に基づいて、前記液圧アクチュエータの操作量を算出する操作量算出工程と、を含む。
A position control method according to a third aspect of the present invention includes:
a reference speed calculation step of calculating a reference speed, which is a target speed of the machine for the next time step, based on at least one of a target position and a target speed and at least one of the current position and current speed of a machine to be controlled driven by a hydraulic actuator;
a reference speed correction step of saturating the reference speed so that it falls within a realizable range at the next time step based on the dynamic characteristics of the machine, the maximum allowable force generated by the hydraulic actuator, and the current speed;
a manipulated variable calculation step of calculating a manipulated variable of the hydraulic actuator based on the quasi-static characteristics of the hydraulic actuator, the dynamic characteristics of the controlled object, the saturated reference speed, and the current speed.

本発明の位置制御装置及び位置制御方法によれば、液圧アクチュエータの準静的特性、機械の動特性及び実現可能な参照速度を用いて操作量を算出して位置制御を行うので、簡素な制御アルゴリズムで位置制御を行うことができる。また、本発明の位置制御装置及び位置制御方法は、目標位置の変化及び外乱による軌道のずれに対応可能であり、小さな計算コストで位置制御を行うことが可能である。 According to the position control device and the position control method of the present invention, position control is performed by calculating the manipulated variable using the quasi-static characteristics of the hydraulic actuator, the dynamic characteristics of the machine, and the realizable reference speed, so the position control can be performed with a simple control algorithm. Further, the position control device and the position control method of the present invention are capable of coping with changes in the target position and trajectory deviations due to disturbances, and position control can be performed at low computational costs.

本発明の実施の形態1に係るショベルの概要を示す側面図である。BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS It is a side view which shows the outline|summary of the excavator which concerns on Embodiment 1 of this invention. 実施の形態1に係る制御システムの構成を示すブロック図である。1 is a block diagram showing the configuration of a control system according to Embodiment 1; FIG. 複数の油圧アクチュエータの制御方法を示す概念図である。FIG. 4 is a conceptual diagram showing a method of controlling a plurality of hydraulic actuators; 実施の形態1に係る位置制御の流れを示すフローチャートである。4 is a flow chart showing the flow of position control according to Embodiment 1. FIG. 実施の形態2に係る制御アルゴリズムによるシミュレーション結果を示すグラフである。9 is a graph showing simulation results by a control algorithm according to Embodiment 2; nステップ予測器の構成例を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the structural example of an n step predictor.

(実施の形態1)
以下、図を参照しつつ、本発明の実施の形態に係る位置制御装置及び位置制御方法について説明する。
(Embodiment 1)
A position control device and a position control method according to embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.

(制御アルゴリズム)
まず、本実施の形態に係る制御則、すなわち、液圧アクチュエータによって駆動される機械を制御対象とし、制御対象を目標位置へ移動させる場合の液圧アクチュエータの操作量uを決定する制御アルゴリズムについて説明する。
(control algorithm)
First, the control law according to the present embodiment, that is, the control algorithm for determining the manipulated variable u of the hydraulic actuator when a machine driven by a hydraulic actuator is the controlled object and the controlled object is moved to a target position will be described.

具体的には、以下に示すシステムを考える。
上式で、Mは質量、pは変位、τは液圧アクチュエータによって発生される力であり、fは、その他の全ての力を表す。式(1a)、(1b)は、機械の動特性モデルを表す。
Specifically, consider the system shown below.
where M is the mass, p is the displacement, τ is the force generated by the hydraulic actuator, and f represents all other forces. Equations (1a) and (1b) represent the dynamics model of the machine.

式(1c)は、液圧アクチュエータの準静的特性モデルを表す。ここで、本発明における準静的特性モデルとは、一定外力と定常速度を仮定したときの速度と反力の関係式で表される特性モデルをいう。操作量uは、液圧アクチュエータへのバルブ開度の指令値である。液圧アクチュエータ内の液体の流量と圧力の平衡関係から、液圧アクチュエータの発生力τ、速度vおよび操作量uは、近似的に式(1c)を満たす。定数Cは、バルブに起因する係数であり、圧力差と流量との関係を示す。定数Fは、液圧アクチュエータのシリンダによって発生される最大力である。液圧アクチュエータの発生力τが最大力Fを超えると、リリーフバルブが開いて、発生力τを飽和させる。定数Fは、リリーフバルブが開かないと仮定した場合に液圧アクチュエータのシリンダによって発生される最大力である。通常はF≧Fであるが、F=Fとしてもよい。 Equation (1c) represents a quasi-static characteristic model of the hydraulic actuator. Here, the quasi-static characteristic model in the present invention refers to a characteristic model represented by a relational expression between velocity and reaction force when a constant external force and steady velocity are assumed. The manipulated variable u is a command value of the valve opening to the hydraulic actuator. From the equilibrium relationship between the flow rate and pressure of the liquid in the hydraulic actuator, the generated force τ, the velocity v and the manipulated variable u of the hydraulic actuator approximately satisfy the expression (1c). The constant C is a coefficient due to the valve and indicates the relationship between the pressure difference and the flow rate. The constant F is the maximum force generated by the cylinder of the hydraulic actuator. When the force τ generated by the hydraulic actuator exceeds the maximum force F, the relief valve opens to saturate the force τ. The constant Fm is the maximum force generated by the cylinder of the hydraulic actuator assuming the relief valve does not open. Normally, F m ≧F, but F m =F may be used.

(1)数学的準備
C>0、F>F、F∈(0,F]、ε>0、v∈R、及びv∈Rである場合、以下の式は、互いに等価である(定理1)。
(1) Mathematical Preparation If C>0, F m >F, Fε(0, F m ], ε>0, vεR, and v a εR, then the following equations are equivalent to each other (Theorem 1).

(2)コントローラ
続いて、本実施の形態に係る制御アルゴリズムの一般表現について説明する。上記の式(1a)~(1c)で表されるシステムのコントローラを作成するために、プラントの公称モデルを構築する。離散時間領域では、プラントの公称モデルは、以下のように記述できる。
ここで、ハット付きの記号は、関連する未知の量の公称値又は推定値を表し、kは離散時間インデックス、^fは機械に加わる外力の推定値である。コントローラのサンプリング間隔はTとする。
(2) Controller Next, a general expression of the control algorithm according to this embodiment will be described. To create a controller for the system described in equations (1a)-(1c) above, a nominal model of the plant is constructed. In the discrete-time domain, the nominal model of the plant can be written as
where the hated symbol represents the nominal or estimated value of the relevant unknown quantity, k is the discrete-time index, and ^ fk is the estimate of the external force on the machine. Let T be the sampling interval of the controller.

上記の定理1は、式(7)が以下の式(8)のように等価に書き換えられることを示している。
Theorem 1 above shows that equation (7) can be equivalently rewritten as equation (8) below.

式(8)は、ある次時刻ステップで達成されるべき所望の速度v k+1について、|v k+1-v-T^f/^M|<T^F/^Mを満たすならば、次の式を用いて操作量uが得られることを意味する。
Equation (8) means that if |v * k+1 −v k −T̂f k /̂M|<T̂F/̂M is satisfied for a desired velocity v * k+1 to be achieved at a certain next time step, the manipulated variable u k can be obtained using the following formula.

したがって、式(9)に対して所望の速度v k+1を与えるコントローラを考える。質量^Mで、液圧アクチュエータの最大力が^Fである場合、液圧アクチュエータの発生力の制約の下で、最小到達時間を達成するという意味において、バンバン制御が適していると考えられる。質量の推定値である^Mと位置pとが利用可能であると仮定した場合、バンバン制御は、以下の制御則によって実現できる。 Therefore, consider a controller that gives the desired velocity v * k+1 to equation (9). If the mass is ^M and the maximum force of the hydraulic actuator is ^F, bang-bang control is considered to be suitable in terms of achieving the minimum arrival time under the constraint of the force generated by the hydraulic actuator. Assuming that the mass estimate ̂M and the position p are available, bang-bang control can be achieved by the following control law.

ここで、pは目標位置である。この制御則は、一種のスライディングモード制御則とみなすことができる。 where pd is the target position. This control law can be regarded as a kind of sliding mode control law.

このコントローラを、公称プラントに適用すると、下式のシステムが得られる。
Applying this controller to the nominal plant results in the following system.

陰的オイラー法を用いて式(11)、(12)を離散化すると、以下の閉形式で表すことができる。
By discretizing equations (11) and (12) using the implicit Euler method, it can be expressed in the following closed form.

ここで、vk+1の値は、バンバン制御で実現できる次時刻ステップの予想速度とみなすことができる。この値と、式(9)とを組み合わせることにより、バンバン制御に類するコントローラとして、以下の制御アルゴリズムが得られる。
Here, the value of vk +1 can be regarded as the predicted speed of the next time step that can be realized by bang-bang control. By combining this value with equation (9), the following control algorithm is obtained as a controller similar to bang-bang control.

式(16)~(18)を整理すると、本実施の形態に係る有限時間収束型の制御アルゴリズムとして、以下の式が得られる。
ここで、Aは目標位置への収束運動の目標加速度であり、A=^F/^Mと設定することが望ましい。ここで,^Cはアクチュエータの特性値Cの公称値(推定値)であるが、最大入力での定常速度を^Fで除した値に近似する値として選定することが可能である。
By rearranging equations (16) to (18), the following equations are obtained as a finite-time convergence type control algorithm according to the present embodiment.
Here, A is the target acceleration of the convergence motion to the target position, and is preferably set as A=̂F/̂M. Here, ^C is the nominal value (estimated value) of the characteristic value C of the actuator, but it can be selected as a value approximating the value obtained by dividing the steady speed at the maximum input by ^F.

上記の制御アルゴリズムにおいて、v k+1と^v k+1とは、コントローラにおいて継続的に保存される必要のない一時的な値である。位置p及び速度vは、センサによって測定される実際の値である。また、力^fは、何らかのセンサ情報から推定される推定値である。力^fの推定ができない場合、^f=0と設定してもよい。 In the above control algorithm, v * k+1 and ^v * k+1 are temporary values that do not need to be stored continuously in the controller. Position p k and velocity v k are the actual values measured by the sensors. Also, the force ^ fk is an estimated value estimated from some sensor information. If the force ^ fk cannot be estimated, then ^ fk = 0 may be set.

また、式(21)において^F=^Fである場合、sat関数内の数値が無限大になり得る。これを回避するために、式(21)に代えて、以下の式(22)を用いることとしてもよい。 Also, if ^F m = ^F in equation (21), the number in the sat function can be infinite. To avoid this, the following equation (22) may be used instead of equation (21).

ここで、εは非常に小さい値、例えば検出できる速度の絶対値の最小値と比較して非常に小さい値とすればよい。 Here, ε may be a very small value, for example, a very small value compared to the minimum absolute value of detectable velocity.

本実施の形態に係る制御アルゴリズムでは、参照速度算出工程として、式(19)を用いて、目標位置pd,k、現在位置pから、次時刻ステップの目標速度である参照速度^v k+1を求める。続いて、参照速度修正工程として、式(20)を用いて、参照速度算出工程で算出された参照速度^v k+1、現在速度vから、液圧アクチュエータに許容される最大発生力に基づいて修正された参照速度、すなわち次時刻ステップで実現可能な範囲に収まる所望の速度v k+1を算出する。そして、操作量算出工程として、式(21)を用いて、参照速度修正工程で算出された参照速度v k+1、現在速度vから、液圧アクチュエータの操作量uを算出する。 In the control algorithm according to the present embodiment, as the reference speed calculation step, the reference speed ^v * k+1, which is the target speed for the next time step, is obtained from the target position pd,k and the current position pk using equation (19). Subsequently, in the reference speed correction step, using equation (20), the reference speed ^v * k+1 calculated in the reference speed calculation step and the current speed vk are used to calculate the reference speed corrected based on the maximum allowable force generated by the hydraulic actuator, that is, the desired speed v * k+1 that falls within the realizable range at the next time step. Then, in the manipulated variable calculation step, the manipulated variable uk of the hydraulic actuator is calculated from the reference speed v * k+1 calculated in the reference speed correction step and the current speed vk using equation (21).

上述のように、本実施の形態に係る制御アルゴリズムは、液圧アクチュエータで駆動される機械の簡易な動特性、液圧アクチュエータの準静的特性及びある種のスライディングモード制御則の3つの式を連立方程式として組み合わせて導出されたものである。本制御アルゴリズムでは、事前に時系列データを与える必要がないので、目標位置が刻一刻と変化する場合、予想外の外乱によって軌道が大きく逸れた場合等に対応することができる。 As described above, the control algorithm according to the present embodiment is derived by combining three equations as simultaneous equations: the simple dynamic characteristics of a machine driven by a hydraulic actuator, the quasi-static characteristics of the hydraulic actuator, and a certain type of sliding mode control law. Since this control algorithm does not require time-series data to be given in advance, it is possible to cope with situations such as when the target position changes moment by moment, or when the trajectory deviates greatly due to an unexpected disturbance.

制御アルゴリズムの導出の基礎となる液圧アクチュエータの準静的特性モデルは、リリーフバルブの開放時と閉鎖時とを統合して記述したものである。これにより、結果として得られる計算式は、場合分けを含まない簡素な構造となる。したがって、リリーフバルブが頻繁に作動する系、例えば建設機械の旋回動作制御等において、計算を簡便にすることができる。また、制御アルゴリズムの各工程は、複雑な収束計算を含まないので、計算コストを小さくすることができる。 The quasi-static characteristic model of the hydraulic actuator, which is the basis for the derivation of the control algorithm, integrates and describes the opening and closing of the relief valve. As a result, the resulting calculation formula has a simple structure that does not involve case division. Therefore, the calculation can be simplified in a system in which the relief valve is frequently operated, such as swing motion control of construction machinery. Also, since each step of the control algorithm does not include complicated convergence calculations, the calculation cost can be reduced.

(制御システムの構成)
本実施の形態では、具体的な制御システムの構成の例として、複数の油圧アクチュエータで駆動されるショベルのバケットの位置制御を行う場合について説明する。
(Configuration of control system)
In the present embodiment, as an example of a specific configuration of a control system, a case of performing position control of a bucket of an excavator driven by a plurality of hydraulic actuators will be described.

本実施の形態に係る位置制御装置である制御ユニット30は、図1に示すショベル1に搭載され、ショベル1の動作を制御する。 A control unit 30, which is a position control device according to the present embodiment, is mounted on the excavator 1 shown in FIG.

ショベル1は、下部走行体11、上部旋回体12、作業装置20を備える。下部走行体11は、ショベル1を走行させる部分であり、例えばクローラである。上部旋回体12は、下部走行体11に、旋回モータ27を介して旋回可能に取り付けられている。旋回モータ27は、下部走行体11及び上部旋回体12に接続されて、上部旋回体12を回転動作させる。上部旋回体12には、操作者がショベル1の操作を行う運転室、作業装置20等が配置されている。 The excavator 1 includes a lower travel body 11 , an upper revolving body 12 and a working device 20 . The lower running body 11 is a part for running the excavator 1, and is, for example, a crawler. The upper rotating body 12 is attached to the lower traveling body 11 via a rotating motor 27 so as to be able to rotate. The swing motor 27 is connected to the lower traveling body 11 and the upper swing body 12 to rotate the upper swing body 12 . The upper revolving body 12 is provided with an operator's cab where the operator operates the excavator 1, a working device 20, and the like.

作業装置20は、上部旋回体12に回転可能に取り付けられているブーム21、ブーム21に回転可能に取り付けられているアーム22、アーム22に回転可能に取り付けられ掘削等を行うバケット23を備える。 The work device 20 includes a boom 21 rotatably attached to the upper revolving body 12, an arm 22 rotatably attached to the boom 21, and a bucket 23 rotatably attached to the arm 22 for excavation or the like.

また、作業装置20は、上部旋回体12及びブーム21に接続されてブーム21を動作させるブームシリンダ24、ブーム21及びアーム22に接続されてアーム22を動作させるアームシリンダ25、アーム22及びバケット23に接続されてバケット23を動作させるバケットシリンダ26を備える。ブームシリンダ24、アームシリンダ25、バケットシリンダ26、旋回モータ27(以下、各アクチュエータ24~27ともいう。)は、油圧によって駆動される油圧アクチュエータである。 The work device 20 also includes a boom cylinder 24 connected to the upper revolving body 12 and the boom 21 to operate the boom 21, an arm cylinder 25 connected to the boom 21 and the arm 22 to operate the arm 22, and a bucket cylinder 26 connected to the arm 22 and the bucket 23 to operate the bucket 23. The boom cylinder 24, the arm cylinder 25, the bucket cylinder 26, and the swing motor 27 (hereinafter also referred to as actuators 24 to 27) are hydraulic actuators driven by hydraulic pressure.

制御ユニット30は、ショベル1に搭載されており、図2のブロック図に示すように、制御部31、記憶部32、表示部33、入力部34を備える。制御ユニット30は、位置センサ28、速度センサ29、各アクチュエータ24~27等と接続されて、ショベル1の各部の動作制御を行う。 The control unit 30 is mounted on the excavator 1, and includes a control section 31, a storage section 32, a display section 33, and an input section 34, as shown in the block diagram of FIG. The control unit 30 is connected to the position sensor 28, the speed sensor 29, the actuators 24 to 27, etc., and controls the operation of each part of the excavator 1. FIG.

制御部31は、CPU(Central Processing Unit)、ROM(Read Only Memory)、RAM(Random Access Memory)、水晶発振器等から構成されるコンピュータ装置であり、ショベル1の動作を制御する。制御部31は、制御部31のROM、記憶部32等に記憶されている各種動作プログラム及びデータをRAMに読み込んでCPUを動作させることにより、図2に示される制御部31としての各機能を実現させる。これにより、制御部31は、演算部311及び動作制御部312として動作する。 The control unit 31 is a computer device including a CPU (Central Processing Unit), a ROM (Read Only Memory), a RAM (Random Access Memory), a crystal oscillator, etc., and controls the operation of the excavator 1 . The control unit 31 reads various operation programs and data stored in the ROM of the control unit 31, the storage unit 32, etc. into the RAM and operates the CPU, thereby realizing each function as the control unit 31 shown in FIG. Thereby, the control unit 31 operates as a calculation unit 311 and an operation control unit 312 .

演算部311は、位置センサ28及び速度センサ29の出力である測定値と、バケット23の目標位置、より詳細にはショベル1の所定部位であるバケット23の先端部(以下、バケット先端23aという。)の目標位置とに基づいて、作業装置20を動作させるための各アクチュエータ24~27の操作量uを算出する。 The calculation unit 311 calculates an operation amount u of each of the actuators 24 to 27 for operating the work device 20 based on the measured values output from the position sensor 28 and the speed sensor 29 and the target position of the bucket 23, more specifically, the target position of the tip of the bucket 23 (hereinafter referred to as the bucket tip 23a), which is a predetermined portion of the excavator 1.

動作制御部312は、演算部311で算出された操作量uに基づいて、各アクチュエータ24~27を制御し、上部旋回体12、ブーム21、アーム22、バケット23を動作させる。 The motion control unit 312 controls the actuators 24 to 27 based on the operation amount u calculated by the calculation unit 311 to operate the upper rotating body 12, the boom 21, the arm 22, and the bucket 23.

記憶部32は、ハードディスク、フラッシュメモリ等の不揮発性メモリであり、ショベル1の動特性を表すパラメータ、操作量u算出のための制御アルゴリズム等を記憶する。本実施の形態に係るショベル1の動特性は、単純化されたものであり、力を受けて運動する質点又は剛体の動特性として表される。 The storage unit 32 is a non-volatile memory such as a hard disk or flash memory, and stores parameters representing dynamic characteristics of the excavator 1, a control algorithm for calculating the operation amount u, and the like. The dynamic characteristics of the excavator 1 according to the present embodiment are simplified and are expressed as the dynamic characteristics of a mass point or rigid body that moves under force.

表示部33は、液晶パネル、有機EL(Electroluminescence)等の表示用デバイスであり、各種設定パラメータ、位置センサ28及び速度センサ29の検出値等を表示する。本実施の形態に係る表示部33は、ショベル1の運転室内に設置された液晶パネルである。 The display unit 33 is a display device such as a liquid crystal panel or organic EL (Electroluminescence), and displays various setting parameters, detection values of the position sensor 28 and the speed sensor 29, and the like. The display unit 33 according to this embodiment is a liquid crystal panel installed in the operator's cab of the excavator 1 .

入力部34は、バケット先端23aの目標位置等、ショベル1を動作させる各種設定パラメータを入力するための入力デバイスである。入力部34は、例えば表示部33上に配置されたタッチパネルである。 The input unit 34 is an input device for inputting various setting parameters for operating the excavator 1, such as the target position of the bucket tip 23a. The input unit 34 is, for example, a touch panel arranged on the display unit 33 .

位置センサ28は、制御対象であるショベル1の作業装置20の位置を検出するセンサであり、本実施の形態に係る位置センサ28は、上部旋回体12の角度を検出する旋回角度センサ284、ブームの角度を検出するブーム角度センサ281、アームの角度を検出するアーム角度センサ282、バケットの角度を検出するバケット角度センサ283を含む。制御部31は、ブーム角度センサ281、アーム角度センサ282、バケット角度センサ283、旋回角度センサ284によって検出された各部の角度から、ブームシリンダ24、アームシリンダ25及びバケットシリンダ26(以下、各シリンダ24~26ともいう。)の長さと、旋回モータ27の角度とを算出し、算出された各シリンダ24~26の長さと旋回モータ27の角度とに基づいて、バケット先端23aの位置制御を行う。 The position sensor 28 is a sensor that detects the position of the work device 20 of the excavator 1 to be controlled, and the position sensor 28 according to the present embodiment includes a swing angle sensor 284 that detects the angle of the upper swing body 12, a boom angle sensor 281 that detects the boom angle, an arm angle sensor 282 that detects the arm angle, and a bucket angle sensor 283 that detects the bucket angle. The control unit 31 calculates the length of the boom cylinder 24, the arm cylinder 25, and the bucket cylinder 26 (hereinafter also referred to as cylinders 24 to 26) and the angle of the swing motor 27 from the angles of each part detected by the boom angle sensor 281, the arm angle sensor 282, the bucket angle sensor 283, and the swing angle sensor 284, and controls the position of the bucket tip 23a based on the calculated lengths of the cylinders 24 to 26 and the angle of the swing motor 27.

速度センサ29は、作業装置20各部の速度を検出するセンサであり、本実施の形態に係る速度センサ29は、上部旋回体12の角速度を検出する旋回角速度センサ294、ブームシリンダの伸縮速度を検出するブーム速度センサ291、アームシリンダの伸縮速度を検出するアーム速度センサ292、バケットシリンダの伸縮速度を検出するバケット速度センサ293を含む。 The speed sensor 29 is a sensor that detects the speed of each part of the work device 20. The speed sensor 29 according to the present embodiment includes a turning angular speed sensor 294 that detects the angular speed of the upper swing body 12, a boom speed sensor 291 that detects the telescopic speed of the boom cylinder, an arm speed sensor 292 that detects the telescopic speed of the arm cylinder, and a bucket speed sensor 293 that detects the telescopic speed of the bucket cylinder.

以下、本実施の形態に係る制御ユニット30によるバケット先端23aの位置制御処理について説明する。図3のブロック図に示すように、油圧アクチュエータである各シリンダ24~26の操作量uを算出する制御アルゴリズムを例として説明する。なお、以下の実施の形態では、各シリンダ24~26のみを用いることとするが、これに限られない。目標位置pの座標によって、上部旋回体12の旋回角度を加えたコントローラを構成して、バケット先端23aの位置制御を行うこととしてもよい。より具体的には、図2に示すように、位置センサ28としての旋回角度センサ284、速度センサ29としての旋回角速度センサ294を用いて、液圧アクチュエータである旋回モータ27を動作させ、ブーム21、アーム22、バケット23の動作と組み合わせてバケット先端23aの位置制御を行うこととしてもよい。 Position control processing of the bucket tip 23a by the control unit 30 according to the present embodiment will be described below. As shown in the block diagram of FIG. 3, a control algorithm for calculating the manipulated variable u of each cylinder 24 to 26, which is a hydraulic actuator, will be described as an example. It should be noted that although only the cylinders 24 to 26 are used in the following embodiment, the present invention is not limited to this. The coordinates of the target position pd may be used to configure a controller that adds the swing angle of the upper swing body 12 to control the position of the bucket tip 23a. More specifically, as shown in FIG. 2, a swing angle sensor 284 as the position sensor 28 and a swing angular velocity sensor 294 as the speed sensor 29 may be used to operate the swing motor 27, which is a hydraulic actuator, to perform position control of the bucket tip 23a in combination with the operations of the boom 21, the arm 22, and the bucket 23.

本発明の制御アルゴリズムでは、制御部31は、与えられた制御対象の目標位置、所望の挙動、現在位置、現在速度等に基づいて、各シリンダ24~26の操作量uを算出する。所望の挙動は、例えば制御対象の目標位置への収束運動の時定数である。 In the control algorithm of the present invention, the control unit 31 calculates the operation amount u of each cylinder 24 to 26 based on the given target position, desired behavior, current position, current speed, and the like of the object to be controlled. The desired behavior is, for example, the time constant of the convergence motion of the controlled object to the target position.

(制御の流れ)
図4のフローチャートを参照しつつ、ショベル1のバケット先端23aの位置制御の流れについて具体的に説明する。
(control flow)
The flow of position control of the bucket tip 23a of the excavator 1 will be specifically described with reference to the flowchart of FIG.

ショベル1の操作者は、入力部34からバケット先端23aの目標位置pを入力、設定する(ステップS11)。目標位置pの入力は、タッチパネルである入力部34で座標入力することとしてもよいし、操作レバーを用いて手動で移動させたバケット先端23aの座標を目標位置pとして設定することとしてもよい。また、記憶部32に予め記憶されている設計面上の座標を読み出して、目標位置pを設定することとしてもよい。 The operator of the excavator 1 inputs and sets the target position pd of the bucket tip 23a from the input unit 34 (step S11). The target position pd may be input by inputting coordinates on the input unit 34, which is a touch panel, or by setting the coordinates of the bucket tip 23a manually moved using the operation lever as the target position pd . The target position pd may be set by reading the coordinates on the design plane stored in advance in the storage unit 32 .

また、操作者は、所望の挙動を表す時定数H等のパラメータを入力、設定する。これらのパラメータは、記憶部32に予め記憶されている値を読み出して、設定されることとしてもよい。 Also, the operator inputs and sets parameters such as a time constant H representing a desired behavior. These parameters may be set by reading values stored in advance in the storage unit 32 .

制御部31は、入力された目標位置pから、逆運動学によって目標位置pにおける各シリンダ24~26の目標長さを算出する(ステップS12)。そして、図3に示すように、各シリンダ24~26の長さがそれぞれ目標長さとなるように、各シリンダ24~26を制御して伸縮させることにより、バケット先端23aの位置制御を行う。 The control unit 31 calculates the target length of each of the cylinders 24 to 26 at the target position pd from the input target position pd by inverse kinematics (step S12). Then, as shown in FIG. 3, the position of the bucket tip 23a is controlled by controlling the expansion and contraction of the cylinders 24 to 26 so that the lengths of the cylinders 24 to 26 become the respective target lengths.

制御部31は、参照速度算出工程として、次時刻ステップの参照速度^v k+1を算出する(ステップS13)。より具体的には、制御部31は、ブーム角度センサ281、アーム角度センサ282、バケット角度センサ283(以下、各角度センサ281~283ともいう。)から、作業装置20各部の角度データを取得する。演算部311は、取得した角度データに基づいて、各シリンダ24~26の長さである現在位置pを算出する。制御部31は、算出した現在位置p(m)、設定された目標位置pd,k(m)、制御周期T(s)、及び式(19)に基づいて、各シリンダ24~26の参照速度^v k+1を算出する。制御周期は、特に限定されないが、例えば10msecである。 As a reference speed calculation step, the control unit 31 calculates the reference speed ^v * k+1 of the next time step (step S13). More specifically, the control unit 31 acquires angle data of each part of the work device 20 from the boom angle sensor 281, the arm angle sensor 282, and the bucket angle sensor 283 (hereinafter also referred to as angle sensors 281 to 283). The calculation unit 311 calculates the current position pk , which is the length of each of the cylinders 24-26, based on the obtained angle data. The control unit 31 calculates the reference speed ^v * k+1 of each cylinder 24 to 26 based on the calculated current position p k (m), the set target position p d,k (m), the control period T (s), and equation (19). The control period is not particularly limited, but is, for example, 10 msec.

続いて、制御部31は、参照速度修正工程として、次時刻ステップの参照速度^v k+1を修正する(ステップS14)。具体的には、制御部31は、ブーム速度センサ291、アーム速度センサ292、バケット速度センサ293から、各シリンダ24~26の現在速度vを取得する。演算部311は、取得した現在速度v(m/s)、ステップS13の参照速度算出工程で算出された参照速度^v k+1、及び式(20)に基づいて、各シリンダ24~26について修正された参照速度v k+1を算出する。 Subsequently, the control unit 31 corrects the reference speed ^v * k+1 for the next time step as a reference speed correction step (step S14). Specifically, the control unit 31 acquires the current speed vk of each of the cylinders 24 to 26 from the boom speed sensor 291, the arm speed sensor 292, and the bucket speed sensor 293. The calculation unit 311 calculates the corrected reference speed v*k+1 for each of the cylinders 24 to 26 based on the obtained current speed vk (m/s), the reference speed ^ v * k+1 calculated in the reference speed calculation step of step S13, and the equation (20).

続いて、制御部31は、操作量算出工程として、各シリンダ24~26の操作量uを算出する(ステップS15)。具体的には、演算部311は、現在速度v(m/s)、ステップS14の参照速度修正工程で算出された参照速度v k+1、及び式(21)に基づいて、操作量uを算出する。 Subsequently, the control unit 31 calculates the manipulated variable uk of each of the cylinders 24 to 26 as the manipulated variable calculation step (step S15). Specifically, the calculation unit 311 calculates the manipulated variable u k based on the current speed v k (m/s), the reference speed v * k+1 calculated in the reference speed correction step of step S14, and equation (21).

制御部31の動作制御部312は、算出した操作量uを各シリンダ24~26へ出力し、ブーム21、アーム22、バケット23を動作させてバケット先端23aを移動させる(ステップS16)。 The operation control unit 312 of the control unit 31 outputs the calculated operation amount uk to the cylinders 24 to 26 to operate the boom 21, the arm 22 and the bucket 23 to move the bucket tip 23a (step S16).

次の時刻ステップに到達すると、制御部31は、位置センサ28から各シリンダ24~26の現在位置pを、新たに取得する。取得した現在位置pと目標位置pd,kとの差が予め設定されている所定の値以下である場合(ステップS17のYES)、制御部31は、位置制御を終了する。 When the next time step is reached, the control unit 31 newly acquires the current positions p k of the cylinders 24 to 26 from the position sensor 28 . If the difference between the acquired current position p k and the target position p d,k is equal to or less than a preset value (YES in step S17), the control unit 31 terminates the position control.

また、取得した現在位置pと目標位置pd,kとの差が予め設定されている所定の値よりも大きい場合(ステップS17のNO)、制御部31は、ステップS13の参照速度算出工程に戻る。そして、制御部31は、制御アルゴリズムにしたがって、当該時刻ステップでの操作量uを算出し、バケット先端23aを移動させる。これを繰り返し、制御部31は、バケット先端23aの位置を目標位置pとするように、位置制御を行う。 If the difference between the obtained current position p k and the target position p d,k is larger than the preset value (NO in step S17), the control unit 31 returns to the reference speed calculation step in step S13. Then, the control unit 31 calculates the operation amount uk at the time step according to the control algorithm, and moves the bucket tip 23a. By repeating this, the control unit 31 performs position control so that the position of the bucket tip 23a becomes the target position pd .

以上、詳細に説明したように、本実施の形態に係る位置制御装置及び位置制御方法では、制御対象である機械の動特性、液圧アクチュエータの準静的特性及びスライディングモード制御則に基づいて作成された参照速度算出工程、参照速度修正工程及び操作量算出工程を含む制御アルゴリズムによって位置制御を行う。これにより、液圧アクチュエータの準静的特性、機械の動特性及び実現可能な参照速度を用いて操作量を算出して、位置制御を行うので、場合分けを含まない簡素な制御アルゴリズムで位置制御を行うことができる。 As described above in detail, in the position control device and the position control method according to the present embodiment, position control is performed using a control algorithm including a reference speed calculation step, a reference speed correction step, and a manipulated variable calculation step created based on the dynamic characteristics of the machine to be controlled, the quasi-static characteristics of the hydraulic actuator, and the sliding mode control law. As a result, position control is performed by calculating the manipulated variable using the quasi-static characteristics of the hydraulic actuator, the dynamic characteristics of the machine, and the realizable reference speed, so the position control can be performed with a simple control algorithm that does not include cases.

また、本実施の形態に係る位置制御装置及び位置制御方法では、事前に時系列データを与える必要がないので、目標位置の変化及び外乱による軌道のずれに対応可能である。また、本発明に係る制御アルゴリズムは、複雑な収束計算を含まないので、小さな計算コストで位置制御を行うことが可能である。 Moreover, the position control device and the position control method according to the present embodiment do not require time-series data to be given in advance, so that it is possible to cope with changes in the target position and deviations in the trajectory due to disturbances. In addition, since the control algorithm according to the present invention does not include complicated convergence calculations, it is possible to perform position control with low calculation cost.

(実施の形態2)
上記実施の形態1では、バンバン制御のような有限時間収束型の制御アルゴリズムを用いることとしたが、これに限られず、他の制御アルゴリズムを用いることもできる。本実施の形態では、目標位置へ、滑らかで指数関数的な収束を実現する制御アルゴリズムについて説明する。
(Embodiment 2)
Although a finite time convergence type control algorithm such as bang-bang control is used in the first embodiment, the present invention is not limited to this, and other control algorithms can be used. In this embodiment, a control algorithm that achieves smooth exponential convergence to a target position will be described.

(制御アルゴリズム)
本実施の形態に係る漸近収束型のコントローラは、以下の制御則によって実現できる。
ここで、Hは収束の時定数である。この制御則も、実施の形態1に係る制御則(式(10))と同様に、一種のスライディングモード制御則とみなすことができる。
(control algorithm)
The asymptotic convergence type controller according to the present embodiment can be realized by the following control law.
where H is the convergence time constant. This control law can also be regarded as a kind of sliding mode control law, like the control law (equation (10)) according to the first embodiment.

このコントローラを、公称プラントに適用すると、以下のように表すことができる。
Applying this controller to the nominal plant, it can be expressed as follows.

陰的オイラー法を用いて式(24)、(25)を離散化すると、以下の閉形式で表すことができる。
By discretizing equations (24) and (25) using the implicit Euler method, it can be expressed in the following closed form.

ここで、vk+1の値は、式(23)で表されるコントローラで実現できる予想速度とみなすことができる。この値と、式(9)とを組み合わせることにより、漸近収束型コントローラとして、以下の制御アルゴリズムが得られる。
Here, the value of v k+1 can be regarded as the expected velocity that can be achieved by the controller represented by equation (23). The following control algorithm is obtained as an asymptotic convergence type controller by combining this value with Equation (9).

また、式(30)において、F=Fである場合、sat関数内の数値が無限大になり得る。これを回避するために、式(30)に代えて、式(22)を用いることとしてもよい。 Also, in equation (30), if F m =F, then the number in the sat function can be infinite. To avoid this, equation (22) may be used instead of equation (30).

(数値シミュレーション)
図5は、上記の漸近収束型制御アルゴリズムを用いて、数値シミュレーションを行った場合のシミュレーション結果を示すグラフである。本シミュレーションでは、質量M=1.1×10kgの質点が油圧シリンダにより駆動される系を考える。油圧シリンダの物理モデルは、式(1C)で表される準静的特性モデルである。
(Numerical simulation)
FIG. 5 is a graph showing the results of a numerical simulation performed using the asymptotic convergence control algorithm. In this simulation, consider a system in which a mass point of mass M=1.1×10 3 kg is driven by a hydraulic cylinder. A physical model of the hydraulic cylinder is a quasi-static characteristic model represented by Equation (1C).

ここで、油圧シリンダの特性を表す定数Cの値は2×10-5m/(N・s)、油圧シリンダの最大推力(最大発生力)を表す定数FとFの値はF=F=36×10Nとした。 Here, the value of constant C representing the characteristics of the hydraulic cylinder is 2×10 −5 m/(N·s), and the value of constants F and F m representing the maximum thrust (maximum generated force) of the hydraulic cylinder is F=F m =36×10 3 N.

質点Mには、周波数1Hz、振幅10×10Nの周期的外力が持続的に加わることとした。さらに、時刻t=2.0~3.0sの間に、38×10Nの大きさの外力がマイナス方向に加わることとした。 A periodic external force with a frequency of 1 Hz and an amplitude of 10×10 3 N was continuously applied to the mass point M. Furthermore, an external force of 38×10 3 N is applied in the negative direction during time t=2.0 to 3.0 s.

制御器のパラメータは、H=1.0s、^M=1.0×10kg、^C=3×10-5m/(N・s)、^F=^F=40×10Nとした。これらのパラメータの値は、^M=M、^C=C、^F=F、^F=Fとなるように選択されることが理想的であるが、制御対象の値であるM、C、F、Fを正確に知ることは困難であるので、本シミュレーションでは、意図的に誤差を有するように設定している。 The controller parameters were H=1.0 s, ^M=1.0×10 3 kg, ^C=3×10 −5 m/(N·s), ^F=^F m =40×10 3 N. Ideally, the values of these parameters are selected so that ^M = M, ^C = C, ^F = F, and ^ Fm = Fm . However, since it is difficult to accurately know the values of M, C, F, and Fm , which are the values to be controlled, they are intentionally set to have errors in this simulation.

図5は、目標位置p=1mとした場合のシミュレーション結果を示している。位置pのグラフは、目標位置p=1mへ向かう質点Mの挙動を示しており、時刻t=2.0~3.0sの大きな外乱が取り除かれた後、正しく収束していることがわかる。また、制御器のパラメータに誤差を設定し、かつ未知の外乱が加わっている状況であっても正しく収束しており、本発明に係る制御アルゴリズムによって適切な制御が行われていることがわかる。なお、アクチュエータの発生力fが正弦波状に振動しているのは、制御器が正弦波状の外力に抗う力を、発生しているからである。 FIG. 5 shows simulation results when the target position p d =1 m. The graph of the position p shows the behavior of the mass point M toward the target position p d =1 m, and it can be seen that it converges correctly after the large disturbance at time t=2.0 to 3.0 s is removed. Moreover, even when an error is set in the parameters of the controller and an unknown disturbance is added, the convergence is correct, and it can be seen that appropriate control is performed by the control algorithm according to the present invention. The force fm generated by the actuator oscillates sinusoidally because the controller generates a force that resists the sinusoidal external force.

以上、説明したように、本実施の形態に係る位置制御装置及び位置制御方法の漸近収束型コントローラでは、簡素な制御アルゴリズムで位置制御を行うことができるとともに、目標位置の変化及び外乱による軌道のずれに対応可能であり、小さな計算コストで位置制御を行うことが可能である。また、滑らかで指数関数的な収束を実現する制御アルゴリズムによって制御対象の位置制御を行うことができる。 As described above, the asymptotic convergence type controller of the position control device and the position control method according to the present embodiment can perform position control with a simple control algorithm, can cope with changes in the target position and trajectory deviations due to disturbances, and can perform position control with a small calculation cost. In addition, the position of the controlled object can be controlled by a control algorithm that realizes smooth and exponential convergence.

上記各実施の形態では、速度センサ29を用いて各シリンダ24~26の伸縮速度を計測することとしたが、これに限られない。例えば、各角度センサ281~283で計測された角度データに基づいて、演算部311が各シリンダ24~26の速度を算出することとしてもよい。 In each of the above embodiments, the speed sensor 29 is used to measure the expansion and contraction speeds of the cylinders 24 to 26, but the present invention is not limited to this. For example, the calculation unit 311 may calculate the speed of each cylinder 24-26 based on the angle data measured by each of the angle sensors 281-283.

また、上記各実施の形態では、各シリンダ24~26について適用される制御アルゴリズムは、有限時間収束型の制御アルゴリズム又は漸近収束型の制御アルゴリズムのいずれか一方を選択して適用することとしたが、これに限られない。例えば、ブームシリンダ24及びアームシリンダ25に有限時間収束型制御アルゴリズムを適用し、バケットシリンダ26に漸近収束型制御アルゴリズムを適用することとしてもよく、その他の制御アルゴリズムと組み合わせて位置制御を行うこととしてもよい。これにより、液圧アクチュエータを含む各部の動特性に適した制御アルゴリズムを、液圧アクチュエータごとに選択して適用することができる。 Further, in the above-described embodiments, either one of the finite time convergence control algorithm and the asymptotic convergence control algorithm is selected and applied as the control algorithm applied to each of the cylinders 24 to 26, but the present invention is not limited to this. For example, a finite time convergence control algorithm may be applied to the boom cylinder 24 and the arm cylinder 25, and an asymptotic convergence control algorithm may be applied to the bucket cylinder 26, or position control may be performed in combination with other control algorithms. Thereby, a control algorithm suitable for the dynamic characteristics of each part including the hydraulic actuator can be selected and applied to each hydraulic actuator.

また、上記実施の形態に係る有限時間収束型及び漸近収束型のいずれの制御アルゴリズムにおいても、参照速度の算出には現在速度を用いないこととしているが、現在速度を用いる別のアルゴリズムによって参照速度を求めることも可能である。すなわち、機械の目標位置と目標速度との少なくともいずれか一方、及び現在位置と現在速度との少なくともいずれか一方に基づいて、参照速度を算出することとしてもよい。 In addition, neither the finite time convergence type control algorithm nor the asymptotic convergence type control algorithm according to the above embodiment does not use the current speed to calculate the reference speed, but it is also possible to obtain the reference speed by another algorithm that uses the current speed. That is, the reference speed may be calculated based on at least one of the target position and target speed of the machine and at least one of the current position and current speed.

また、機械の動特性モデルのパラメータ^M及び推定外力^fは、時間の経過とともに変化することとしてもよい。例えば、図1のショベルの動作制御の場合、^Mは慣性パラメータであるので、各シリンダ24~26の長さ(ショベルの各関節の角度)によって変化する。この場合、設計時の公称値と各関節の角度情報から、^Mを推定することができる。また、各リンクの速度の測定値、設計時の公称値より得られる遠心力、コリオリ力、摩擦力などの和として、推定外力^fを推定することができる。 Also, the parameter ̂M and the estimated external force ̂f of the dynamic model of the machine may change over time. For example, in the case of the motion control of the excavator in FIG. 1, since ^M is an inertia parameter, it changes according to the length of each cylinder 24-26 (angle of each joint of the excavator). In this case, ^M can be estimated from the nominal value at the time of design and angle information of each joint. Also, the estimated external force ^f can be estimated as the sum of the centrifugal force, the Coriolis force, the frictional force, etc. obtained from the measured values of the speed of each link and the nominal values at the time of design.

なお、一般に、油圧システムには応答の遅れ(無駄時間)が存在する。具体的には、コントローラから送信された指令値が液圧アクチュエータのバルブ開度に反映されるまでに、0.01秒から0.1秒程度の無駄時間が存在する。この場合、上述の制御アルゴリズムに係る現在位置及び現在速度を、所定ステップ先の時刻ステップの予測位置と予測速度に読み替えて実装することにより、無駄時間の悪影響を低減することができる。この予測位置と予測速度は、機械の動特性モデル(式(1a)、(1b))及び液圧アクチュエータの準静的特性モデル(式(1c))を用いて得ることができる。 Generally, hydraulic systems have delays in response (dead time). Specifically, there is a dead time of about 0.01 to 0.1 seconds before the command value transmitted from the controller is reflected in the valve opening of the hydraulic actuator. In this case, by replacing the current position and current speed according to the above-described control algorithm with the predicted position and predicted speed at a time step ahead of a predetermined number of steps, it is possible to reduce the adverse effects of wasted time. The predicted position and predicted velocity can be obtained using a dynamic characteristic model of the machine (equations (1a) and (1b)) and a quasi-static characteristic model of the hydraulic actuator (equation (1c)).

上述の予測位置を用いた実装形態は、図6のように表すことができる。図6内の予測器は、プラント公称モデルを表す式(7)から導くことができる。式(7)は、定理1を用いて下記のように等価に書き直すことができる。
An implementation using the predicted positions described above can be represented as in FIG. The predictor in FIG. 6 can be derived from equation (7) representing the plant nominal model. Equation (7) can be equivalently rewritten using Theorem 1 as follows.

上記の式(31)は、1ステップ先の速度vk+1を予測する予測器として用いることができる。また、式(31)で得られたvk+1を式(15)に代入することにより、1ステップ先の位置pk+1を予測する予測器として用いることができる。図6に示すように、この予測器をn個直列に接続して用いることにより、nステップ先の予測位置と予測速度を得ることができる。図6中のnステップ予測器は、以下に示すアルゴリズムで表すことができる。
Equation (31) above can be used as a predictor to predict the velocity v k+1 one step ahead. Also, by substituting v k+1 obtained by equation (31) into equation (15), it can be used as a predictor that predicts the position p k+1 one step ahead. As shown in FIG. 6, by using n predictors connected in series, a predicted position and a predicted speed n steps ahead can be obtained. The n-step predictor in FIG. 6 can be represented by the algorithm shown below.

液圧アクチュエータと液圧アクチュエータで駆動される可動部とを備える制御対象が、nステップの無駄時間を内包すると推定されるとき、上記のアルゴリズムで得られる^p及び^vを制御則(28)~(30)のp及びvにそれぞれ代えて用いることにより、時間遅れの影響を低減することができる。 When it is estimated that a controlled object comprising a hydraulic actuator and a moving part driven by the hydraulic actuator includes n steps of dead time, the influence of the time delay can be reduced by using ^p and ^v obtained by the above algorithm in place of p k and v k in the control laws (28) to (30), respectively.

本発明は、液圧アクチュエータで動作する機械の位置制御に好適である。特に、油圧アクチュエータによって動作する建設機械の自動位置決め制御に好適である。 INDUSTRIAL APPLICABILITY The present invention is suitable for position control of machines operated by hydraulic actuators. In particular, it is suitable for automatic positioning control of construction machines operated by hydraulic actuators.

1 ショベル、11 下部走行体、12 上部旋回体、20 作業装置、21 ブーム、22 アーム、23 バケット、23a バケット先端、24 ブームシリンダ、25 アームシリンダ、26 バケットシリンダ、27 旋回モータ、28 位置センサ、281 ブーム角度センサ、282 アーム角度センサ、283 バケット角度センサ、284 旋回角度センサ、29 速度センサ、291 ブーム速度センサ、292 アーム速度センサ、293 バケット速度センサ、294 旋回角速度センサ、30 制御ユニット、31 制御部、311 演算部、312 動作制御部、32 記憶部、33 表示部、34 入力部 1 Excavator 11 Undercarriage 12 Upper Revolving Body 20 Work Device 21 Boom 22 Arm 23 Bucket 23a Bucket Tip 24 Boom Cylinder 25 Arm Cylinder 26 Bucket Cylinder 27 Revolving Motor 28 Position Sensor 281 Boom Angle Sensor 282 Arm Angle Sensor 283 Bucket Angle Sensor 284 Revolving Angle Sensor 29 Speed Sensor 291 Boom Speed Sensor 292 Arm speed sensor 293 Bucket speed sensor 294 Turning angular speed sensor 30 Control unit 31 Control unit 311 Calculation unit 312 Operation control unit 32 Storage unit 33 Display unit 34 Input unit

Claims (5)

制御対象である機械を駆動させる液圧アクチュエータを制御する制御部を備え、
前記制御部は、
前記機械の目標位置と目標速度との少なくともいずれか一方、及び現在位置と現在速度との少なくともいずれか一方に基づいて、前記機械の次時刻ステップの目標速度である参照速度を算出し、
前記機械の動特性、前記液圧アクチュエータに許容される最大発生力及び前記現在速度に基づいて、前記参照速度を、次時刻ステップで実現可能な範囲に収まるように飽和させ、
前記液圧アクチュエータの準静的特性、前記機械の動特性、飽和された前記参照速度及び前記現在速度に基づいて、前記液圧アクチュエータの操作量を算出する、
位置制御装置。
Equipped with a control unit that controls a hydraulic actuator that drives the machine to be controlled,
The control unit
calculating a reference speed, which is the target speed of the next time step of the machine, based on at least one of the target position and the target speed of the machine and at least one of the current position and the current speed;
saturating the reference speed so that it falls within a achievable range at the next time step based on the dynamic characteristics of the machine, the maximum allowable force generated by the hydraulic actuator, and the current speed;
calculating an operation amount of the hydraulic actuator based on the quasi-static characteristics of the hydraulic actuator, the dynamic characteristics of the machine, the saturated reference speed and the current speed;
Position control device.
制御対象である機械を駆動させる液圧アクチュエータを制御する制御部を備え、
前記制御部は、
前記液圧アクチュエータの準静的特性と前記機械の動特性とに基づいて、所定ステップ先の時刻ステップの前記機械の予測位置と予測速度とを算出し、
前記機械の目標位置と目標速度との少なくともいずれか一方、及び前記予測位置と前記予測速度との少なくともいずれか一方に基づいて、前記所定ステップ先の次時刻ステップの目標速度である参照速度を算出し、
前記機械の動特性、前記液圧アクチュエータに許容される最大発生力及び前記予測速度に基づいて、前記参照速度を、前記所定ステップ先の時刻ステップの次時刻ステップで実現可能な範囲に収まるように飽和させ、
前記液圧アクチュエータの準静的特性、前記機械の動特性、飽和された前記参照速度及び前記予測速度に基づいて、前記液圧アクチュエータの操作量を算出する、
位置制御装置。
Equipped with a control unit that controls a hydraulic actuator that drives the machine to be controlled,
The control unit
calculating a predicted position and a predicted speed of the machine at a time step ahead of a predetermined step based on the quasi-static characteristics of the hydraulic actuator and the dynamic characteristics of the machine;
calculating a reference speed, which is the target speed of the next time step ahead of the predetermined step, based on at least one of the target position and the target speed of the machine and at least one of the predicted position and the predicted speed;
saturating the reference speed so that it falls within a achievable range at a time step next to the time step after the predetermined step, based on the dynamic characteristics of the machine, the maximum allowable force generated by the hydraulic actuator, and the predicted speed;
calculating an operation amount of the hydraulic actuator based on the quasi-static characteristics of the hydraulic actuator, the dynamic characteristics of the machine, the saturated reference speed and the predicted speed;
Position control device.
複数の前記液圧アクチュエータを備え、
前記制御部は、それぞれの前記液圧アクチュエータについて、前記操作量を算出して制御することにより、前記機械の所定部位を目標位置に移動させる、
請求項1又は2に記載の位置制御装置。
comprising a plurality of hydraulic actuators,
The control unit calculates and controls the operation amount for each of the hydraulic actuators, thereby moving a predetermined portion of the machine to a target position.
The position control device according to claim 1 or 2.
前記液圧アクチュエータは、油圧アクチュエータである、
請求項1から3のいずれか一項に記載の位置制御装置。
wherein the hydraulic actuator is a hydraulic actuator,
The position control device according to any one of claims 1 to 3.
液圧アクチュエータで駆動される制御対象である機械の目標位置と目標速度との少なくともいずれか一方、及び現在位置と現在速度との少なくともいずれか一方に基づいて、前記機械の次時刻ステップの目標速度である参照速度を算出する参照速度算出工程と、
前記機械の動特性、前記液圧アクチュエータに許容される最大発生力及び前記現在速度に基づいて、前記参照速度を、次時刻ステップで実現可能な範囲に収まるように飽和させる参照速度修正工程と、
前記液圧アクチュエータの準静的特性、前記制御対象の動特性、飽和された前記参照速度及び前記現在速度に基づいて、前記液圧アクチュエータの操作量を算出する操作量算出工程と、を含む、
位置制御方法。
a reference speed calculation step of calculating a reference speed, which is a target speed of the machine for the next time step, based on at least one of a target position and a target speed and at least one of the current position and current speed of a machine to be controlled driven by a hydraulic actuator;
a reference speed correction step of saturating the reference speed so that it falls within a realizable range at the next time step based on the dynamic characteristics of the machine, the maximum allowable force generated by the hydraulic actuator, and the current speed;
a manipulated variable calculation step of calculating a manipulated variable of the hydraulic actuator based on the quasi-static characteristics of the hydraulic actuator, the dynamic characteristics of the controlled object, the saturated reference speed, and the current speed;
Position control method.
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