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昇降制御装置 - 株式会社クボタ
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発明の名称 昇降制御装置
発行国 日本国特許庁(JP)
公報種別 公開特許公報(A)
公開番号 特開平8−256517
公開日 平成8年(1996)10月8日
出願番号 特願平8−52976
出願日 平成1年(1989)8月31日
代理人 【弁理士】
【氏名又は名称】北村 修
発明者 飯田 聡 / 仲井 章平
要約 目的


構成
特許請求の範囲
【請求項1】 油圧アクチュエータ(7)の駆動力で昇降操作される対地作業装置(11)の現在レベルと、任意に設定される目標レベルとの位置偏差を求める位置偏差獲得手段(A)を備え、この位置偏差獲得手段(A)からの位置偏差の値を予め設定されたメンバーシップ関数に基づいてメンバーシップ値に変換し、かつ、このメンバーシップ値と前記メンバーシップ関数とに基づいて制御目標を求め、この制御目標を前記油圧アクチュエータ(7)に対する制御弁(V)の開度を調節する値に設定して前記位置偏差の値を小さくする側に対地作業装置(11)を昇降操作する制御量設定手段(C)を備えた昇降制御装置。
発明の詳細な説明
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は昇降制御装置に関し、詳しくは、農用トラクタ等に備えられる対地作業装置を油圧アクチュエータによって昇降させる際に用いられる制御技術に関するものである。
【0002】
【従来の技術】農用トラクタを例に挙げると従来からの昇降制御装置では、作業時において、ロータリ耕耘装置等を所定の対地レベルに維持するよう昇降を行う制御と、ロータリ耕耘装置等を所定の対車体レベルまで昇降させる制御とが存在し、従来からの制御装置では、前述したいずれの制御を行う場合にも、地面、あるいは、車体に対するロータリ耕耘装置のレベルをフィードバックするよう構成されている(参考文献記載せず)。又、従来からの制御装置ではフィードバック信号に基いて制御を行う際の動作として、PI、あるいは、PID制御等が採用されている。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】しかし、例えば、PID制御について考察すれば、このPID制御ではフィードバックされる信号の値に対して、予め設定された演算を行うことで、つまり、比例要素、積分要素、微分要素夫々の要素における演算を行い、これらの演算結果を単純に加算することで、制御量を求めるため、例えば、位置制御を行う場合には位置偏差が存在する限は、この偏差が小さい値であっても制御を行い続けることとなって、アクチュエータの作動が頻繁になったり、オーバーシュートを生ずることもある。特に、農用トラクタのように油圧シリンダの作動により対地作業装置の昇降を行う場合には、油圧シリンダに供給される作動油の油温が上昇することによる作動油の粘性の低下に伴い、制御弁の開度を所定の値に設定しても、油圧アクチュエータの作動速度が上昇することもあり、このように作動速度が上昇すると、前述したオーバーシュートを一層生じやすくなるばかりで無く、油圧アクチュエータを停止させる際においてショックも大きくなることもあり改善の余地がある。本発明の第1の目的は、対地作業装置の昇降を油圧アクチュエータで行うものであり、かつ、この昇降の制御目標が地面を基準に設定されているものであっても、オーバーシュートを生ずること無く、しかも、円滑に昇降制御を行う装置を構成する点にあり、又、本発明の第2の目的は、対地作業装置の昇降を油圧アクチュエータで行うものであり、かつ、この昇降の制御目標が車体を基準に設定されているものであっても、オーバーシュートを生ずること無く、しかも、円滑に昇降制御を行う装置を構成する点にある。
【0004】
【課題を解決するための手段】本発明の第1の特徴は、対地作業装置昇降用の油圧アクチュエータの制御を行う制御弁対地作業装置の地面に対する現在レベルと目標レベルとの位置偏差を求める位置偏差獲得手段、対地作業装置の昇降作動時における単位時間内の位置偏差の変化分を求める位置変化分獲得手段、位置偏差獲得手段で得る位置偏差のデータ、及び位置変化分獲得手段で得る位置変化分のデータ夫々を所定の関数に基いて複数のデータに変換し、かつ、この複数のデータのうちのいずれかを所定の条件に従って選択し、更に、このように選択したデータを所定の条件に従って処理し、この処理結果を、制御弁の開度を調節するための値として出力する、あるいは、前記位置偏差のデータ、及び、位置偏差変化分のデータ夫々の値を入力することで、マップデータに基き前記処理を経ずに、前記処理結果と等しい値を、制御弁の開度を調節するための値として出力する制御量設定手段、夫々を有して成る点にあり、本発明の第2の特徴は、対地作業装置昇降用の油圧アクチュエータの制御を行う制御弁、対地作業装置の車体に対する現在レベルと目標レベルとの位置偏差を求める位置偏差獲得手段、対地作業装置の昇降作動時における昇降速度と、目標速度との単位時間内での速度偏差の変化分を求める速度変化分獲得手段、位置偏差獲得手段で得る位置偏差のデータ、及び、速度変化分獲得手段で得る速度偏差変化分のデータ夫々を所定の関数に基いて複数のデータに変換し、かつ、この複数のデータのうちのいずれかを所定の条件に従って選択し、更に、このように選択したデータを所定の条件に従って処理し、この処理結果を、制御弁の開度を調節するための値として出力する、あるいは、前記位置偏差のデータ、及び、速度偏差変化分のデータ夫々の値を入力することで、マップデータに基き前記処理を経ずに、前記処理結果と等しい値を、制御弁の開度を調節するための値として出力する制御量設定手段、夫々を有して成る点にあり、その作用、及び、効果は次の通りである。
【0005】
【作用】上記第1の特徴を例えば図1に示すように構成すると、地面Gを基準にして設定された所定レベルに、対地作業装置11を維持する制御を行う場合には、図3のフローチャートにも示す如く、目標レベルと現在レベルとの差から位置偏差を求め(位置偏差獲得手段A)、次に、対地作業装置11の昇降時におけるレベル変化に基いて、単位時間内の位置偏差変化分を求め(位置変化分獲得手段B)、次に、求めた結果夫々に基いて制御弁Vの開度が設定される(制御量設定手段C)。又、制御量設定手段Cで設定される制御量は、入力される2種のデータを単純に演算するのでは無く、所定の関数に基ずく変換、所定の選択、所定の処理の後に出力されるので(マップデータの場合には処理結果と等しい値が出力されるので)、この昇降作業に適した動作を、関数に設定し、選択条件に設定し、処理条件に設定することで、偏差が小さい場合には制御を停止させること、あるいは、偏差が大きい場合に、過大な増速を抑制すること、油温の上昇による昇降速度の変化を補正すること等が可能となる。又、上記第2の特徴を例えば図2に示すように構成すると、車体3を基準にして設定された所定レベルに対地作業装置11を昇降する制御を行う場合には、図4のフローチャートにも示す如く、目標レベルと現在レベルとの差から位置偏差を求め(位置偏差獲得手段L)、対地作業装置11の昇降時における単位時間内の速度変化分を求め(速度変化分獲得手段M)、次に、求めた結果夫々に基いて制御弁Vの開度が設定される(制御量設定手段N)。又、制御量設定手段Nで設定される制御量は、入力される2種のデータを単純に演算するのでは無く、所定の関数に基ずく変換、所定の選択、所定の処理の後に出力されるので(マップデータの場合には処理結果と等しい値が出力されるので)、この昇降作業に適した動作を、関数に設定し、選択条件に設定し、処理条件に設定することで、偏差が小さい場合には制御を停止させること、あるいは、偏差が大きい場合に、過大な増速を抑制すること、油温の上昇による昇降速度の変化を補正すること等が可能となる。
【0006】
【発明の効果】従って、対地作業装置を油圧アクチュエータで行い、この昇降の制御目標が地面を基準に設定されていても、車体を基準に設定されていても、オーバーシュートを生ずることが少なく、しかも、円滑に昇降制御を行う装置が構成されたのである。
【0007】
【実施例】以下、本発明の実施例を図面に基いて説明する。図11に示すように前後車輪1,2を備えた車体3の前部にエンジン4を配置すると共に、車体3の後部に伝動ケース5を配置し、この伝動ケース5の上部に左右一対のリフトアーム6、及び、このリフトアーム6を昇降駆動するリフトシリンダ7(油圧アクチュエータの一例)を設け、このリフトシリンダ7の上方位置における、左右のリヤフェンダー8の間に運転座席9を設けて農用トラクタを構成する。この農用トラクタの後端には2点リンク機構10を介してロータリ耕耘装置11(対地作業装置の一例)が連結され、この2点リンク機構10と前記リフトアーム6とを左右一対のリフトロッド12で吊下げ状態に支持することで、このロータリ耕耘装置11は前記リフトシリンダ7の駆動により昇降し、更に、一対のリフトロッド12のうちの一方に複動型のローリングシリンダ13が介装されることで、このロータリ耕耘装置11はローリングシリンダ13の駆動により前後向き軸芯周りにローリング作動油するよう構成されている。この昇降作動、及び、ローリング作動を行うための油圧系は図10に示す如く表され、この系は、前記エンジン4で駆動される油圧ポンプ14、流量制御用のフロープライオリティ弁15、このフロープライオリティ弁15からの制御流を前記ローリングシリンダ13に供給する電磁弁16、フロープライオリティ弁15の余剰流を前記リフトシリンダ7に供給する、あるいは、リフトシリンダ7の作動油を排出する電磁比例型の制御弁V夫々を有して成り、更に、この制御弁Vは、上昇制御用の第1弁17と、この第1弁17を開閉するパイロット圧制御用の第2弁18と、下降制御用の第3弁19と、この第3弁19を開閉するパイロット圧制御用の第4弁20と、リリーフ弁21とで成り、ロータリ耕耘装置11を上昇側に制御する場合には、第2弁18のソレノイド18aに対して電流を供給すると共に、この電流値の調節により、パイロット圧がこの電流値に対応して変化する結果、この電流値と比例する弁の開度が得られ、又、ロータリ耕耘装置11を下降側に制御する場合には、前述と同様に第4弁20のソレノイド20aに供給する電流の電流値の調節により、この電流値と比例する弁の開度が得られるように構成されている。又、この農用トラクタでは、前記ロータリ耕耘装置11を車体3を基準とした所定レベルまで昇降させるポジション制御と、ロータリ耕耘装置11を耕起地面Gを基準とした所定レベルまで昇降させる自動耕深制御との2種の制御を行う昇降制御装置が備えられている。この昇降制御装置は図9に示す如く構成され、この構成では、図11に示すように運転座席9の側方に配置されたポジションレバー22の設定位置を検出する第1ポテンショメータ23と、リフトアーム6の揺動量からロータリ耕耘装置11の対車体レベルを検出する第2ポテンショメータ24とで、ポジション制御の設定系とフィードバック系とが構成され、又、前記リヤフェンダー8に設けたコントロールボックス25の耕深設定ダイヤル26の設定位置を検出する第3ポテンショメータ27と、ロータリ耕耘装置11の揺動型の後カバー11aの揺動量からロータリ耕耘装置11の対車体レベルを検出する第4ポテンショメータ28とで自動耕深制御の設定系とフィードバック系とが構成されている。又、これら4つのポテンショメータからの信号はA/D変換器29を介して、マイクロプロセッサ(図示せず)を備えた制御機構30に入力され、この制御機構30は、間歇パルス信号を出力し、パワートランジスタ31,31、を介して前記ソレノイド18a,20aを駆動するよう構成されている。又、この制御装置は前記パルス信号のデューティサイクルの調節により、前記ソレノイド18a,20aに供給される電流の電流値の調節を行って制御弁Vの開度の調節を行い、しかも、この調節は、前記自動耕深制御時には図3のフローチャートに従い、ポジション制御時には図4のフローチャートに従って行われるようプログラムがセットされている。つまり、自動耕深制御を行う際には、第3、第4ポテンショメータ27,28からの信号に基づき、目標レベルRx、ロータリ耕耘装置11の現在レベルXを得ると共に、夫々の値に基いて位置偏差Exを得る(#1ステップ)。次に、位置偏差Exの絶対値を、不感帯として設定された値εと比較して、この値より小さい場合にはデータをクリヤして制御を行わず(#2,#3ステップ)、逆に大きい場合には、この制御が初期であれば、位置偏差Exに基いてデューティサイクルDiを設定する(#4,#5ステップ)。次に制御方向を判別した後、デューティサイクルDiの値のパルス信号を出力して電磁比例制御弁Vを操作し、第3、第4ポテンショメータ27,28からの信号に基づき、目標レベルRx (n) 、ロータリ耕耘装置11の現在レベルX (n) を得ると共に、夫々の値に基いて位置偏差Ex (n) を得る(#6,#7,#8,#9ステップ)。次に、位置偏差の単位時間内における変化分△Ex (n) を求め(#10ステップ)、更に、この変化分△Ex (n) のデータと位置偏差Ex (n) とに基いてパルス信号の調節すべきデューティサイクル(単位は%)の量△Dを求める(#11ステップ)。この量△Dは、2種の入力信号△Ex (n) のとEx (n) とに対応して得られる値を予め求めておき、マップデータとして与えたものであり、所謂、ファジィ理論(Fuzzy Theory)に基いて設定されている(詳細は後述)。次に、調節すべきデューティサイクルの量△D(正か負の値として与えられる)を、現在出力されているパルス信号のデューティサイクルに加算し、かつ、この加算の結果がリミットの値より小さい値に収まるよう処理を行って出力すべきパルス信号のデューティサイクルDiが決定され(#12,#13ステップ)、この制御はリセットされるまで継続するのである(#14ステップ)。又、以上のように説明した制御系は図1のように、その構成を表すことが可能であり、同図における位置偏差獲得手段Aはフローチャートの#1,#9ステップで成り、位置変化分獲得手段Bはフローチャートの#10ステップで成り、制御量設定手段Cはフローチャートの#11ステップで成っている。次に、当該自動耕深制御において用いられているファジィ理論の概要を説明する。この制御では前述した位置偏差Exと、位置偏差の単位時間内における位置変化分△Exとの値が、NB、NM、NS、N0、PS、PM、PBの7種のファジィラベルに含まれるかを判別し、夫々のファジィラベル、及び、図5の表から、位置偏差Exと変化分△Exとに基づく制御量がファジィラベルで与えられる。又、このように与えられるファジィラベルには夫々複数の制御量が含まれており、この制御量は次のように求める。つまり、図6(イ),(ロ)に示す如く、位置偏差Ex、変化分ΔEx夫々の値を0〜1の範囲内のメンバーシップ値に変換するメンバーシップ関数が定義されており、例えば、位置偏差Exの値がaであり、位置変化分△Exの値がbであった場合には、a,b夫々の値が(イ),(ロ)夫々の関数からメンバーシップ値a1 ,a2 ,b1 ,b2 に変換される。又、メンバーシップ値a1 ,a2 は夫々関数NS,N0で与えられ、メンバーシップ値b1 ,b2 は関数NM,NBで与えられており、次に、図6(ハ)に示すファジィルールに従って、a1 とb2 との値の比較、及び、a2 ,b1 との値の比較を行い、比較の結果の小さい値b2 とa2 とが選択され、更に、図6(ニ)に示す如く、結論部に定義された関数に対してファジィルールに従って、メンバーシップ値b2 より上段が切り取られた関数NBの領域U1 とメンバーシップ値a2 より上段が切り取られた関数NMの領域U2 とが求められ、これら2種の領域U1 ,U2 夫々の横軸方向での重心位置cが制御量の値△Dとして求められるのである。尚、前記したファジィルールは「マムダニ(Mamdani)の方法」と称せられるものである。因みに、当該自動耕深制御では、ファジィ理論に基いた、前述の演算を予め行っておき、前述したように(フローチャートの#11ステップ) 位置偏差Ex、変化分△Exの値が求められるとマップデータに基いて、制御量△Dが迅速に決定されるようになっている。又、ポジション制御を行う際の動作は図4フローチャートに示すように、第1、第2ポテンショメータ23,24からの信号に基づき目標レベルRx、ロータリ耕耘装置11の現在レベルXを得ると共に、夫々の値に基いて位置偏差Exを得る(#1ステップ)。次に、位置偏差Exの絶対値を、不感帯として設定された値εと比較して、この値εより小さい場合にはデータをクリヤして制御を行わず(#2,#3ステップ)、逆に大きい場合には、この制御が初期であれば、位置偏差Exに基いてデューティサイクルDiを設定する(#4,#5ステップ)。次に、制御方向を判別した後、位置偏差Exに基いて目標速度Rvを設定し、デューティサイクルDiのパルス信号を出力して電磁比例制御弁Vを操作する(#6,#7,#8ステップ)。尚、#7ステップで設定される目標速度Rvは位置偏差Exの値が大きいほど速度の高い値に設定されるものであり、#5ステップでは、初期において、この速度を得るために必要なデューティサイクルDiが適当な値に設定される。又、#8ステップ以降はロータリ耕耘装置11の昇降が行われており、この昇降時の作動速度Vを得るため第2ポテンショメータ24の値が再度入力され、演算が行われる(#9,#10ステップ)。次に、第1ポテンショメータ23の値が再度入力され(この値はポジションレバー22の操作が行われていなければ、#1ステップにおける値と一致する)、位置偏差Exを再度求める(#11ステップ)。次に、目標速度Rvと作動速度Vとから速度偏差Evが求められ、又、同様の処理を行うことによって、速度偏差Evの時間変化分△Evが求められ、夫々の値に基いて調節すべきデューティサイクル(単位は%)の量△Dを求める(#12,#13,#14ステップ)。この量△Dは、2種の入力信号Ev、△Evとに対応して得られる値を予め求めておき、マップデータとして与えたものであり、所謂、ファジィ理論(Fuzzy Theory)に基いて設定されている(詳細は後述)。次に、調節すべきデューティサイクルの量△D(正か負の値として与えられる)を現在出力しているパルス信号のデューティサイクルに加算し、かつ、この加算の結果が所定の値の範囲内に収まるよう処理を行って出力すべきパルス信号のデューティサイクルDiが決定され(#15,#16ステップ)、この制御はリセットされるまで継続するのである(#17ステップ)。又、以上のように説明した制御系は図2のように、その構成を表すことが可能であり、同図における位置偏差獲得手段Lはフローチャートの#1,#11ステップで成り、速度変化分獲得手段Mはフローチャートの#13ステップで成り、制御量設定手段Nはフローチャートの#14ステップで成っている。尚、このポジション制御においても前述と全く同様のファジィ理論に基いて制御量が求められ、図5及び図6において括弧内に記したデータを当て嵌めることで、前述と同様のプロセスで制御量が求められるようになっている。更に、このポジション制御においても前述と同様に、ファジィ理論に基いた演算を予め行っておき、前述のように(フローチャートの#14ステップ)速度偏差Evと速度偏差Evの変化分△Evとの値が求められると、マップデータに基いて制御量△Dが迅速に決定されるようになっている。因みに、ロータリ耕耘装置11の昇降を行う場合には、ロータリ耕耘装置11の重量の作用によって昇降時における速度変化等の特性が異なるため、自動耕深制御、ポジション制御のいずれの制御を行う場合にも、上昇制御時と下降制御時とにおいては制御量に差異を設定して、いずれの制御を行う場合にも、オーバーシュートあるいはショック等生じないよう、マップデータは夫々の制御とも2種類用いられている。尚、自動耕深制御、ポジション制御をファジィ理論に基いて行う制御系のブロックダイヤグラムは図7及び図8の如く表される。
【0008】〔別実施例〕本発明は上記実施例以外に例えばマップデータを用いずに演算によって制御量を決定するようプログラムを構成する、あるいは、ファジィ制御専用のマイクロプロセッサを用いて実施することが可能であり、又、制御の流れをフローチャートに示されたもの以外のステップで構成して良く、又、メンバーシップ関数の特性を任意の曲線で表されるものに設定する等、様々に実施可能である。
【0009】尚、特許請求の範囲の項に図面との対照を便利にするために符号を記すが、該記入により本発明は添付図面の構成に限定されるものではない。




 

 


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