用于控制作业机器的装置和方法与流程

本发明涉及一种用于控制作业机器的装置和方法，该作业机器具有流体压力系统和发动机，该流体压力系统包括用于操作作业机器的流体压力致动器和用于排出用于操作流体压力致动器的作业流体的泵，而该发动机用于驱动该泵。

背景技术：

诸如液压铲的传统作业机器使用作业装置执行各种任务，并且还通过操作液压致动器使得上部回转主体相对于下部行进主体转动，该液压致动器诸如是液压汽缸和液压马达，其具有从由发动机驱动的液压泵排出的液压油。

在一些情形中，此种作业机器的操作者无需使用液压系统的最大功率或以其最大速度来执行整平(地面的平滑)或起重操作。在此种情形下，虽然液压系统中所需的功率由于由操作者进行的整平操作的量较小且液压致动器的速度较低而较低，但液压系统的能量损失较高，因为例如通过控制阀流出至储罐的液压油的量较高或者能量损失由于下降的效率而在泵中较高。因此，液压系统需要根据由操作者进行的与杆件的操作相关联的液压致动器的作业量、在其有效点下使用。

例如，已知这样一种配置，其中，基于由操作者进行的杆件操作量而使用模糊推理来实现每个任务(例如，参见ptl1至ptl5)。

文献列表

专利文献

ptl1日本专利申请公开号h10-18355

ptl2日本专利申请公开号h10-60948

ptl3日本专利申请公开号h10-266273

ptl4日本专利申请公开号2000-204600

ptl5日本专利申请公开号2001-140806

技术实现要素：

技术问题

然而，ptl1至ptl5中描述的配置目的是识别任务的类型并且改进可操作性，以及仅仅控制泵流量或改变所谓的发动机自动减速控制的有效/失效，并且并不考虑在其有效点下使用液压系统。

本发明已考虑到这些情形，并且本发明的目的是提供一种用于控制作业机器的装置和方法，其设计成抑制流体压力系统的能量损失。

问题解决方案

权利要求1中描述的发明是一种用于控制作业机器的控制装置，该作业机器具有流体压力系统和发动机，该流体压力系统包括用于操作该作业机器的流体压力致动器和用于排出用于操作流体压力致动器的作业流体的泵，而该发动机用于驱动泵，且该控制装置具有：评估装置，该评估装置用于基于由操作装置操作流体压力致动器的操作量而通过使用模糊推理来评估作业机器的作业量；以及设定装置，该设定装置用于通过使用模糊推理来设定设定信号，该设定信号用于根据由评估装置评估的作业量来设定发动机速度。

根据权利要求2中描述的发明，根据权利要求1所述的用于作业机器的控制装置的评估装置基于操作装置的操作量在预定时间段内获得的最大数值的平均数值以及隶属函数来评估作业机器的作业量，该隶属函数表示针对流体压力致动器的速度的预定需要水平。

根据权利要求3中描述的发明，根据权利要求2所述的用于作业机器的控制装置的流体压力致动器和操作装置各自设置成多个，且该控制装置进一步具有加权装置，该加权装置用于对每个操作装置的操作量进行加权，且评估装置基于操作装置的操作量由加权装置加权的最大数值的平均数值和隶属函数来评估作业机器的作业量，这些最大数值在预定时间段内获得，而该隶属函数表示针对流体压力致动器的速度的预定需要水平。

权利要求4中描述的发明是一种用于控制作业机器的控制方法，该作业机器具有流体压力系统和发动机，该流体压力系统包括用于操作该作业机器的流体压力致动器和用于排出用于操作流体压力致动器的作业流体的泵，而该发动机用于驱动泵，且该控制方法具有如下步骤：基于由操作装置操作流体压力致动器的操作量而通过使用模糊推理来评估作业机器的作业量；以及通过使用模糊推理来设定设定信号，该设定信号用于根据所评估的作业量来设定发动机速度。

根据权利要求5中描述的发明，权利要求4所述的用于作业机器的控制方法，其中，基于操作装置的操作量在预定时间段内获得的最大数值的平均数值以及隶属函数来评估作业机器的作业量，该隶属函数表示针对流体压力致动器的速度的预定需要水平。

根据权利要求6中描述的发明，权利要求5所述的用于作业机器的控制方法，进一步具有如下步骤：对多个操作装置的每个用于操作多个流体压力致动器的操作量进行加权，以及基于操作装置的经加权操作量在预定时间段内获得的最大数值的平均数值以及隶属函数来评估作业机器的作业量，该隶属函数表示针对流体压力致动器的速度的预定需要水平。

发明的有利效果

根据权利要求1中描述的发明，评估装置基于流体压力致动器由操作装置操作的操作量而使用模糊推理来评估作业机器的作业量，并且设定装置使用模糊推理来设定设定信号，用以根据所评估的作业量设定发动机速度。因此，发动机速度能根据操作者在操作操作装置时的意图得以优化，并抑制流体压力系统的能量损失。

根据权利要求2中描述的发明，评估装置基于操作装置的操作量在预定时间段内获得的最大数值的平均数值以及隶属函数来评估作业机器的作业量，该隶属函数表示针对流体压力致动器的速度的预定需要水平。因此，能进一步改进评估精确度。

根据权利要求3所述的发明，评估装置使用操作装置的经加权操作量来评估作业机器的作业量，以进一步改进评估精确度。

根据权利要求4所述的发明，基于流体压力致动器由操作装置操作的操作量，通过使用模糊推理来评估作业机器的作业量，且使用模糊推理来设定设定信号，用以根据所评估的作业量设定发动机速度。因此，发动机速度能根据操作者在操作操作装置时的意图得以优化，并抑制流体压力系统的能量损失。

根据权利要求5中描述的发明，基于操作装置的操作量在预定时间段内获得的最大数值的平均数值以及隶属函数来评估作业机器的作业量，该隶属函数表示针对流体压力致动器的速度的预定需要水平。因此，能进一步改进评估精确度。

根据权利要求6所述的发明，使用操作装置的经加权操作量来评估作业机器的作业量，以进一步改进评估精确度。

附图说明

图1是示出根据本发明的用于控制作业机器的控制装置的实施例的回路图。

图2是示出控制装置的一部分的内部结构的框图。

图3是示出控制装置的加权装置的示意图。

图4是示出控制装置的评估装置的示意图。

图5是用在控制装置中的隶属函数的示例的图示。

图6是由控制装置使用的控制方法的流程图。

图7是具有控制装置的作业机器的侧视图。

图8(a)是示出根据控制装置的示例的伸入操作的量的图示，图8(b)是示出伸出操作的量的图示，图8(c)是示出适应水平相对于低水平的时间变化的图示，图8(d)是示出适应水平相对于适中水平的时间变化的图示，图8(e)是示出适应水平相对于高水平的时间变化的图示，以及图8是示出基于图8(c)至8(e)获得的质心值的时间变化的图示。

具体实施方式

之后基于图1至8中示出的实施例详细地描述本发明。

图7示出作为液压铲的作业机器11。该作业机器11具有液压操作(流体压力驱动)底盘12和安装于底盘12的液压操作(液压流体驱动)作业装置13。在底盘12中，上部回转主体16设置在下部行进主体14上，其间具有回转轴承15，以使得能由回转液压马达16m回转。构成操作者站台的舱室17和机器室18安装在上部回转主体16中，其中，图1中示出的发动机19和由该发动机19驱动的(第一和第二)泵p1、p2安装在机器室18中。

作业装置13具有动臂21、斗杆22以及铲斗23，该动臂由上部回转主体16轴向地支承并且由动臂汽缸21c转动，该斗杆轴向地联接于动臂21的末端并且由斗杆汽缸22c转动，而该铲斗附接于轴向地联接于斗杆22的末端的构件并且由铲斗汽缸23c转动。

泵p1、p2具有可变斜盘类型或者是具有诸如斜盘调节器的容量控制器1、2的可变容量泵。这些泵p1、p2连接于发动机19的输出轴19a并且由发动机19驱动。这些泵p1、p2的输出通道27、28连接于控制阀cv。通过此种控制阀cv，作为作业流体的液压油供给至用作回转马达的回转液压马达16m(其是流体压力致动器)、用作液压汽缸的动臂汽缸21c(其是流体压力致动器)、用作液压汽缸的斗杆汽缸22c(其是流体压力致动器)以及用作液压汽缸的铲斗汽缸23c(其是流体压力致动器)。在本实施例中，泵p1例如将液压油供给至动臂汽缸21c和铲斗汽缸23c，而泵p2将液压油供给至回转液压马达16m和斗杆汽缸22c。

控制阀cv的移位根据设置在操作者站台中的诸如液压或电杆件的操作装置(操作杆件l1至l4)的操作量控制(即，相应操作装置(操作杆件)相对于中性位置的倾斜角度或移位水平)其中一个控制阀cv由例如可滑动地设置在单个缸体中的滑阀之类构成，控制由泵p1、p2的每个供给的液压油的方向和流量，且然后将所产生的液压油供给至回转液压马达16m、斗杆汽缸22c、动臂汽缸21c以及铲斗汽缸23c。在控制阀cv中，通过未示出的中心旁通管线建立从泵p1、p2向储罐t的连接，这些中心旁通管线形成在每个滑阀中。从中心旁通管线获得的负流量控制压力(nfc压力)例如从控制装置ct反馈至泵p1、p2的容量控制器φ1、φ2。nfc压力配置成控制泵p1、p2的排出流量，以使得当控制阀cv的滑阀处于中性位置时，nfc压力最大，滑阀的移位水平越大，则nfc压力变得越低，而nfc压力越高，则由泵p1、p2的容量控制器φ1、φ2产生的泵流量越小，且nfc压力越低，则泵流量越高(nfc系统)。缸体的内部还设有滑阀之类，用于控制所要供给至用作流体压力致动器的左和右行进液压马达(未示出)的液压油的方向和流量，这些流体压力致动器例如设置在底盘12的下部行进主体14中，且操作装置设置在操作者站台中以与这些滑阀相对应。然而，图1仅仅示出与回转液压马达16m和汽缸21c至23c相对应的回路和操作装置l1至l4，并且省略对其它回路和操作装置的说明。虽然本实施例描述与nfc系统相对应的控制阀cv，但本实施例并不局限于nfc系统且因此能适用于其它控制阀cv。

控制装置ct具有用于控制发动机速度19的转动频率控制功能，和用于通过控制泵p1、p2的容量来控制从泵p1、p2排出的液压油的量的排出量控制功能。确切地说，控制装置ct基于额定转动频率和预先设定的差分转动频率而产生设定信号30，同时通过使用未示出的转动频率传感器来检测发动机速度19。设定信号30是用于控制安装在发动机19中的燃料喷射器的燃料喷射定时和喷射量的电气信号(例如电流)。控制装置ct还通过向泵p1、p2的容量控制器φ1、φ2输出与由未示出的压力传感器所检测的nfc压力相对应的电气信号(例如电流)来控制泵p1、p2的排出流量。控制装置ct还根据操作装置l1至l4的操作量、即控制阀cv的至少任何滑阀的操作量、或者在本实施例中每个滑阀的操作量而产生诸如前述控制信号的电气信号(例如电流)。

现确切地描述控制装置ct设定发动机速度19的转动频率控制功能。如图2中所示，控制装置ct具有输入单元31、环境设定单元32、用作加权装置的加权单元33、用作评估装置的评估单元34、输出单元35等等。评估单元34和输出单元35构成用作设定装置的设定单元36，用以通过使用模糊推理来设定设定信号30，该设定信号30用于根据由评估单元34所评估的作业量来设定发动机19的发动机速度。控制装置ct通过使用模糊推理并且根据操作装置l1至l4的每个的操作量来评估作业机器11的作业量，即回转液压马达16m和汽缸21c至23c的作业量，并且根据所评估的作业量来设定发动机速度19。

输入单元31接收如下输入：泵p1、p2的排出压力41、42，这些排出压力由设置在输出通道27、28中的压力传感器37、38所检测；回转液压马达16m的左回转操作量43和右回转操作量44(例如导引压力或电气信号)，它们根据当使得上部回转主体16相对于下部行进主体14向左回转时所获得的操作装置l1的操作量来设定；动臂汽缸21c的动臂提升操作量45和动臂下降操作量46(例如导引压力或电气信号)，它们根据通过操作装置l2获得的动臂提升和下降操作量来设定；斗杆汽缸22c的伸入操作量47和伸出操作量48(例如，导引压力和电气信号)，它们根据通过操作装置l3获得的伸入和伸出操作量来设定；铲斗汽缸23c的铲入操作量49和铲出操作量50(例如，导引压力和电气信号)，它们根据通过操作装置l4获得的铲入和铲出操作量来设定；以及用于确定操作装置l1至l4操作还是未操作的判定标记(状态标记)51。输入至该输入单元31的数值各种经a/d转换并且输出至加权单元33和输出单元35。

环境设定单元32设定所要由评估单元34使用的各种数值。例如，环境设定单元32设定预定时间段(例如，15秒)tp、用于对操作装置l1至l4的操作量进行采样的采样率sr、与模糊推理的后续部分的模糊规则相对应的加权因子wl、wm、wh等等，在该预定时间段期间基于操作装置l1至l4的操作量来检测作业机器11的作业量。由环境设定单元32设定的数值存储在未示出的存储装置(存储器)中，并且能被重写。

加权单元33对操作装置l1至l4的操作量加权。如图3中所示，加权单元33向评估单元34输出通过分别用加权系数(增益)53至60乘以操作量43至50获得的数值中的最大元素，这些操作量根据操作装置l1至l4的操作量来设定。换言之，加权单元33将最大操作量61输出至评估单元34。这些加权系数53至60根据回转液压马达16m和汽缸21c至23c的由操作装置l1至l4所操作的操作来设定。在本实施例中，与操作量43至45、47和49相对应的加权系数53至55、57和59设定为1，与动臂下降操作量46相对应的加权系数56设定为0，并且与伸出操作量48和铲出操作量50相对应的加权系数设定为小于1的预定数值。

评估单元34是模糊推理计算单元，该模糊推理计算单元基于操作装置l1至l4操作回转液压马达16m和汽缸21c至23c的操作量、使用模糊推理来计算作业机器11的作业量。确切地说，如图4中所示，评估单元34具有：隶属函数导入单元62，该隶属函数导入单元将隶属函数f导入至从加权单元33输入的最大操作量61；适应水平计算单元63至65，这些适应水平计算单元通过使用从环境设定单元32输入的数值和由隶属函数导入单元62导入的隶属函数f来计算在预定时间段tp内关于模糊规则的先行部分的适应水平(平均数值)；质心值计算单元66，该质心值计算单元通过使用由适应水平计算单元63至65计算的适应水平和由环境设定单元32输入的数值来计算模糊规则的后续部分的质心值来执行去模糊化；以及放大器67，该放大器用于放大由质心值计算单元66计算的质心值。因此，在评估单元34中，隶属函数导入单元62用作先前部分计算单元，用以计算控制装置ct的模糊推理的先前部分，而适应水平计算单元63至65和质心值计算单元66用作后续部分计算单元，用以计算控制装置ct的模糊推理的后续部分。

由隶属函数导入单元62使用的隶属函数f在数量上致使针对回转液压马达16m和汽缸21c至23c的速度的需要水平。在本实施例中，例如图5中的示例所示，隶属函数由当针对速度的需要水平较低(之后称为“低水平”)时表示适应水平的函数fl、当针对速度的需要水平适中(之后称为“适中水平”)时表示适应水平的函数fm、以及当针对速度的需要水平较高(之后称为“高水平”)时表示适应水平的函数fh构成。

适应水平计算单元63至65各自在从环境设定单元32输入的预定时间段tp内针对每个采用率检测由隶属函数导入单元62导入的隶属函数f的低水平、适中水平以及高水平，并且通过将所检测水平的每个除以预定时间段tp来获得适应水平(针对每个预定时间段tp的平均数值)gl、gm、gh。

质心值计算单元66例如使用由适应水平计算单元63至65获得的适应水平gl、gm、gh来例如基于w＝(wh*gh+wm*gm+wl*gl)/(gh+gm+gl)计算质心值w。在本实施例中，设定三个模糊规则：(1)在高水平的情形中保持发动机速度19，(2)在适中水平的情形中降低发动机速度19，以及(3)在低水平的情形中显著地降低发动机速度19。因此，在本实施例中，评估单元34使用模糊推理来计算发动机速度19中的减小量，即差分转动频率。加权因子wh、wm、wl根据这三个模糊规则的后续部分设定。在本实施例中，这些加权因子等于或小于0并且设置为wh>wm>wl。

放大器67将差分转动频率68输出至图2中示出的输出单元35，该差分转动频率是通过用预定放大系数(例如，1)放大质心值w所获得的输出数值。

然后，仅仅当判定标记51确定操作装置l1至l4操作时，输出单元35输出设定信号30，即通过处理差分转动频率68所获得的电气信号。基于从输出单元35输出的设定信号30和通过诸如未示出的加速拨盘的设定装置预先设定的预定额定转动频率来控制安装在发动机19中的燃料喷射器的燃料喷射定时和喷射量，由此将发动机速度19控制为目标转动频率(额定转动频率+(差分转动频率))。

接下来，参照图6中示出的流程图来描述根据本实施例的控制方法。图6中示出的圆圈中的数字代表步骤编号。

(步骤1)

首先，控制装置ct计算操作装置l1至l4的操作量在预定时间段tp内的最大数值的平均数值。在这样做时，评估单元34致使适应水平计算单元63至65计算预定时间段tp内关于最大操作量61的平均数值，该最大操作量与操作装置l1至l4的操作量的由加权单元33加权的最大数值相对应。

(步骤2)

接下来，使用由隶属函数导入单元62导入的隶属函数f，控制装置ct致使评估单元34的适应水平计算单元63至65能确定关于在步骤1(模糊化)中获得的操作装置l1至l4的操作量的平均数值的每个水平的适应水平gl、gm、gh。注意到，使用由隶属函数导入单元62导入的隶属函数f，控制装置ct可计算与操作装置l1至l4的操作量的水平相对应的适应水平，且然后计算这些适应水平在预定时间段tp内的平均数值。

(步骤3)

控制装置ct还致使设定单元36(评估单元34)的质心值计算单元66通过使用步骤2中获得的适应水平gl、gm、gh和由环境设定单元32所设定的加权因子wl、wm、wh来量化质心值w(去模糊化)。

(步骤4)

控制装置ct致使输出单元35能将与步骤3中量化的质心值w相对应(成比例)的数值转换成设定信号30，并且然后以目标转动频率来操作发动机19，该目标转动频率基于该设定信号30和与额定转动频率相对应的数值所转换的信号来设定。

确切地说，考虑如下情形：其中，当执行整平(地面的平滑)时，斗杆汽缸22c的伸入操作量47和伸出操作量48如图8(a)和图8(b)所示波动。例如由图8(a)和图8(b)中的导引压力所示，当这些操作量从0至40秒在-1.5mpa至1.5mpa之间、从40至80秒在-1.0mpa至1.0mpa之间、以及从80至120秒在-4.0mpa至4.0mpa之间波动时，与操作量在预定时间段tp(15秒)内的平均数值相对应的适应水平gl、gm、gh相对于图8(c)至8(e)中示出的低水平、适中水平以及高水平获得。在本实施例中，如图8(f)中所示，例如通过相对于这些适应水平gl、gm、gh建立wh＝0、wm＝-100以及wl＝-200来获得每次的质心值w。然后，将发动机19的发动机速度控制为目标转动频率，该目标转动频率通过将与该质心值w相对应(成比例)的转动频率与额定转动频率相加而获得。

如上所述，根据前述实施例，基于操作装置l1至l4操作回转液压马达16m和汽缸21c至23c的操作量，由评估单元34使用模糊推理来评估作业机器11的作业量，且然后根据所评估的作业量，由设定单元36使用评估推理来设定用于设定发动机19的发动机速度的设定信号。因此，发动机速度能根据操作者在操作操作装置l1至l4时的意图得以优化。换言之，能使用发动机19和泵p1、p2的有效部分。

确切地说，虽然发动机速度取决于诸如伸出操作的操作而改变，但在操作装置l1至l4的操作量较低的情形中，回转液压马达16m和汽缸21c至23c的操作速度几乎是相同的。为此，当操作装置l1至l4由操作者操作的量较低时，针对回转液压马达16m和汽缸21c至23c的速度的需要水平基本上同样较低，且液压系统的所需功率无需较高。然而，减小泵p1、p2的流量以试图减小由于将液压油流出至储罐t所引起的能量损失导致泵p1、p2自身的效率降低，从而导致无法减小能量损失。另一方面，本实施例采用nfc系统来降低发动机19的发动机速度。因此，泵p1、p2的效率不会容易地降低，因为可变容量型泵p1、p2的倾斜盘开始自然地上升，甚至当操作装置l1至l4的操作量是相同的情形也如此。

于是，能降低液压系统的能量损失，该液压系统包括泵p1、p2、回转液压马达16m以及汽缸21c至23c。

确切地说，通过致使评估单元34基于操作装置l1至l4的操作量在预定时间段tp内获得的最大数值的平均数值和隶属函数f来评估作业机器11的作业量，能进一步改进评估作业机器11的作业量的精确度，该隶属函数表示针对回转液压马达16m和汽缸21c至23c的速度的预定需要水平。

具体地说，通过使用操作装置l1至l4的经加权操作量来使用评估单元34评估作业机器11的作业量，能进一步改进评估精确度。于是，能将发动机速度控制为与由操作装置l1至l4所操作的回转液压马达16m和汽缸21c至23c的操作相匹配的转动频率。因此，不仅可更可靠地降低液压系统的能量损失，而且防止相对于操作装置l1至l4的发动机速度大幅地改变。

因此，能将发动机速度控制为适合于任务的转动频率，以改进燃料消耗。

根据前述实施例，能基于设定模糊规则任意地设定隶属函数f、加权因子wl、wm、wh等等。

针对回转液压马达16m和汽缸21c至23c的速度的需要水平并非必须是三个(低水平、适中水平、高水平)，而可设定两个、四个或更多个水平。

本发明适合于液压铲型作业机器并且也可适用于轮式作业机器，只要其具有从底盘突出的作业装置即可。

工业实用性

本发明在工业上能适用于考虑到作业机器的制造和销售的所有业务，这些作业机器装配有流体压力系统，这些流体压力系统具有流体压力致动器和泵。

附图标记列表

ct控制装置

f隶属函数

l1至l4操作装置

p1、p2泵

11作业机器

16m用作流体压力致动器的回转液压马达

19发动机

21c用作流体压力致动器的动臂气缸

22c用作流体压力致动器的斗杆气缸

23c用作流体压力致动器的铲斗气缸

33用作加权装置的加权单元

34用作评估装置的评估单元

36具有设定装置的功能的设定单元