(57)【要約】本発明は、建設機械のための電子油圧作動システムに用いられる、故障検知、分離、及び、再構成の、スキーム、アーキテクチャ、及び、方法に関するものである。ある形態では、建設車両の主制御部に接続するように適合した監視制御部が付与されている。更に、監視制御部に接続した複数の制御ノードが開示されており、その各々が圧力センサと位置センサとを有している。更に、これらのノードは、第１の油圧作動部の作動を制御するための、第１の作動制御ノードと、第２の油圧作動部の作動を制御するための、第２の作動制御ノードと、ポンプ制御ノードとを有している。本制御システムは、監視制御レベルで、そして可能ならば、各制御ノードのセンサレベル、構成部位レベル、及び、サブシステムレベル内で、故障を検知及び分離するアーキテクチャを有している。
2014506967.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
建設車両の油圧作動システムを制御するための制御システムであって、
前記建設車両の主制御部に接続するように適合され、前記油圧作動システムの監視制御レベルに配置される監視制御部と、
該監視制御部に接続し、位置センサ及び圧力センサを有する複数の制御ノードとを含み、
該複数の制御ノードは、第１の油圧作動部の作動を制御する第１の作動制御ノードと、第２の油圧作動部の作動を制御する第２の作動制御ノードと、ポンプ制御ノードとを含み、
更に、前記制御ノード内の故障を、ａ）センサレベル、ｂ）構成部位レベル、ｃ）サブシステムレベルで検知する、故障検知アーキテクチャを含むことを特徴とする制御システム。
【請求項２】
少なくとも任意数の故障を前記監視制御レベルで分離することを特徴とする請求項１記載の制御システム。
【請求項３】
前記建設車両が、回動部を備えたブームを有する掘削車両であり、前記第１の油圧作動部が、前記ブームを上昇及び下降させるブームリフトシリンダを含み、前記第２の油圧作動部が、前記ブームの回動部を回動させる回動シリンダを含むことを特徴とする請求項１記載の制御システム。
【請求項４】
前記掘削車両が、ホイールローダであることを特徴とする請求項３記載の制御システム。
【請求項５】
前記複数の制御ノードが、ブーム支持装置制御ノードを含むことを特徴とする請求項３記載の制御システム。
【請求項６】
車両内の油圧回路についての制御システムを作動制御する方法であって、
ａ．前記油圧回路内の複数のセンサから入力信号を受信するステップと、
ｂ．少なくとも任意数のセンサ入力信号を組み入れる第１の制御アルゴリズムを実行して、前記油圧回路内の複数の制御構成部位に対する出力信号を生成するステップと、
ｃ．前記第１の制御アルゴリズムの実行と協働して、センサ又は制御構成部位についての故障状態を前記制御システム内で検知するステップと、
ｄ．前記故障状態の要因である故障したセンサ又は制御構成部位を識別することで、前記故障状態を分離するステップとを含み、
制御部を再構成して前記第１の制御アルゴリズムの代わりに第２の制御アルゴリズムを実行し、該第２の制御アルゴリズムにより前記故障したセンサ又は制御構成部位を除外し、この際、前記第２の制御アルゴリズムで分析的な冗長性を用いて、前記故障したセンサ又は制御構成部位に置き換わる、仮想のセンサ又は制御構成部位を生成することを特徴とする方法。
【請求項７】
油圧作動システムを制御する方法であって、
第１の構成部位についての第１の作動パラメータを生成し、
該第１の作動パラメータに数学的に関連する、１つ以上の第２の構成部位についての第２の作動パラメータを生成し、
前記第１の作動パラメータと前記第２の作動パラメータとを比較して、故障状態を識別することを特徴とする方法。
【請求項８】
更に、前記第１の構成部位に対応しているセンサが故障した場合に、前記第１の作動パラメータの代わりに、参照パラメータとして前記第２の作動パラメータを利用して、前記油圧作動システムを再構成することを特徴とする請求項７記載の方法。
【請求項９】
前記第２の作動パラメータを用いて、前記第１の構成部位の作動を制御する制御アルゴリズム内において、故障したセンサからの信号に置き換わる仮想信号を生成することを特徴とする請求項８記載の方法。
【請求項１０】
前記第１の構成部位と前記１つ以上の第２の構成部位とは、共通の油圧作動部により関連させて利用可能であることを特徴とする請求項７記載の方法。
【請求項１１】
前記第１の構成部位と前記１つ以上の第２の構成部位とが、前記共通の油圧作動部のメータイン弁とメータアウト弁とであり、前記第１の作動パラメータと前記第２の作動パラメータとが、算出流量値を含むことを特徴とする請求項１０記載の方法。
【請求項１２】
前記第１の構成部位と前記１つ以上の第２の構成部位とは、アキュムレータと、該アキュムレータに対する流入量及び流出量を制御する弁とを含むことを特徴とする請求項７記載の方法。
【請求項１３】
前記第１の構成部位が第１の弁を含み、前記１つ以上の第２の構成部位が、前記第１の弁に対して協働して流れを提供する複数の弁を含み、該複数の弁の併合した流量が、前記第２の作動パラメータと、前記第１の弁を通る算出流量とであることを特徴とする請求項７記載の方法。
【請求項１４】
油圧システムの制御部を再構成する方法であって、
ａ．複数のセンサの入力を前記制御部内で定義し、
ｂ．前記複数のセンサの入力に依存する前記油圧システムを制御するための、ノミナル制御アルゴリズムを前記制御部内で定義し、
ｃ．複数の故障状態を制御システム内で定義し、各故障状態は、前記制御部が前記複数のセンサの入力の１つで故障を検知することができるように、所定のパラメータを有しており、
ｄ．前記ノミナル制御アルゴリズムの実行を中断することなく、前記複数のセンサの１つにより発生する故障を、前記故障状態の検知に基づいて分離できるように、前記複数の故障状態と前記複数のセンサとの関連性を定義し、
ｅ．再構成された制御アルゴリズムを前記制御部内で定義して、前記制御部により故障センサが分離された場合に、前記ノミナル制御アルゴリズムを、分離された故障センサからの入力を除外する前記再構成された制御アルゴリズムに置き換えることを特徴とする方法。
【請求項１５】
前記複数の故障状態と前記複数のセンサとの関連性を定義する際に、少なくとも任意数の前記故障状態を分離可能にする、１次故障分離マトリクスを定義することを特徴とする請求項１４記載の方法。
【請求項１６】
前記複数の故障状態と前記複数のセンサとの関連性を定義する際に、更に、前記１次故障分離マトリクスにより分離できなかった、少なくとも任意数の前記故障状態を分離可能にする、２次故障分離マトリクスを定義することを特徴とする請求項１５記載の方法。
【請求項１７】
前記２次故障分離マトリクスは、１つの故障状態シナリオのパターンを、特定のセンサに関する故障に関連付けるものであることを特徴とする請求項１６記載の方法。
【請求項１８】
前記油圧システムが、作業回路と操縦回路とを含むものであることを特徴とする請求項１４記載の方法。
【請求項１９】
油圧システムの制御部を再構成する方法であって、
ａ．複数のセンサの入力を前記制御部内で定義し、
ｂ．前記複数のセンサの入力に依存する前記油圧システムを制御するための、ノミナル制御アルゴリズムを前記制御部内で定義し、
ｃ．複数の故障状態を制御システム内で定義し、各故障状態は、前記制御部が前記複数のセンサの入力の１つで故障を検知することができるように、所定のパラメータを有しており、
ｄ．前記ノミナル制御アルゴリズムの実行を中断することなく、前記複数のセンサの１つにより発生する故障を、前記故障状態の検知に基づいて分離できるように、前記複数の故障状態と前記複数のセンサとを関連付けることで、リアルタイム故障分離処理を定義し、
ｅ．前記リアルタイム故障分離処理によって故障センサを分離できなかった場合に、前記油圧システムの作動を中断して故障センサを分離するための、オフライン故障分離処理を定義し、
ｆ．再構成された制御アルゴリズムを前記制御部内で定義して、前記リアルタイム分離処理と前記オフライン分離処理との一方により故障センサが分離された場合に、前記ノミナル制御アルゴリズムを、故障センサからの入力を除外する前記再構成された制御アルゴリズムに置き換えることを特徴とする方法。
【請求項２０】
前記複数の故障状態と前記複数のセンサとを関連付ける際に、少なくとも任意数の前記故障状態を分離可能にする、１次故障分離マトリクスを定義することを特徴とする請求項１９記載の方法。
【請求項２１】
前記複数の故障状態と前記複数のセンサとを関連付ける際に、更に、前記１次故障分離マトリクスにより分離できなかった、少なくとも任意数の前記故障状態を分離可能にする、２次故障分離マトリクスを定義することを特徴とする請求項２０記載の方法。
【請求項２２】
前記２次故障分離マトリクスは、１つの故障状態シナリオのパターンを、特定のセンサに関する故障に関連付けるものであることを特徴とする請求項２１記載の方法。
【請求項２３】
前記油圧システムが、作業回路と操縦回路とを含むものであることを特徴とする請求項１９記載の方法。
【請求項２４】
車両内の油圧回路についての制御システムを作動制御する方法であって、
ａ．前記油圧回路内の複数のセンサから入力信号を受信するステップと、
ｃ．第１の制御アルゴリズムの実行と協働して、センサ又は制御構成部位についての故障状態を前記制御システム内で検知するステップと、
ｄ．リアルタイム分離処理を実行して、前記第１の制御アルゴリズムの実行を中断することなく、前記故障状態の要因である故障したセンサ又は制御構成部位を識別するステップと、
ｅ．制御部を再構成して前記第１の制御アルゴリズムの代わりに第２の制御アルゴリズムを実行し、該第２の制御アルゴリズムにより前記故障したセンサ又は制御構成部位を除外し、この際、前記第２の制御アルゴリズムで分析的な冗長性を用いて、前記故障したセンサ又は制御構成部位に置き換わる、仮想のセンサ又は制御構成部位を生成するステップと、を含むことを特徴とする方法。
【請求項２５】
更に、前記リアルタイム分離処理が故障センサの分離を失敗した場合に、故障センサについての前記第１の制御アルゴリズムの実行を中断するために、前記リアルタイム分離処理を実行するステップの後に、オフライン故障分離処理を実行するステップを含むことを特徴とする請求項２４記載の方法。
【請求項２６】
ブームと該ブームに回動可能に取り付けられたバケットとを含む建設機械一式のための油圧作動部制御システムであって、
前記建設機械一式は、前記ブームを上昇及び下降させるためのリフトシリンダと、前記ブームに対して前記バケットを回動するためのチルトシリンダとを含み、
前記チルトシリンダのヘッド側と流通状態になるように適合したヘッド側チルト弁、前記チルトシリンダのロッド側と流通状態になるように適合したロッド側チルト弁、前記ヘッド側チルト弁に対応する第１のヘッド側スプール位置センサ、前記ロッド側チルト弁に対応する第１のロッド側スプール位置センサ、前記チルトシリンダのヘッド側の圧力を検知するための第１のヘッド側圧力センサ、及び、前記チルトシリンダのロッド側の圧力を検知するための第１のロッド側圧力センサを有するチルトシリンダ制御ノードと、
前記リフトシリンダのヘッド側と流通状態になるように適合したヘッド側リフト弁、前記リフトシリンダのロッド側と流通状態になるように適合したロッド側リフト弁、前記ヘッド側リフト弁に対応する第２のヘッド側スプール位置センサ、前記ロッド側リフト弁に対応する第２のロッド側スプール位置センサ、前記リフトシリンダのヘッド側の圧力を検知するための第２のヘッド側圧力センサ、及び、前記リフトシリンダのロッド側の圧力を検知するための第２のロッド側圧力センサを有するリフトシリンダ制御ノードと、
前記チルトシリンダ制御ノード内の故障を検知するために、前記ヘッド側チルト弁を通る流れに対応する第１の流量値、及び、前記ロッド側チルト弁を通る流れに対応する第２の流量値を含む、第１の故障検知アルゴリズムを使用する制御システムと、を含み、
前記制御システムは、更に、前記チルトシリンダ制御ノード内の故障を検知するために、前記ヘッド側リフト弁を通る流れに対応する第３の流量値、及び、前記ロッド側リフト弁を通る流れに対応する第４の流量値を含む、第２の故障検知アルゴリズムを使用することを特徴とする油圧作動部制御システム。
【請求項２７】
更に、前記リフトシリンダのヘッド側と選択的に流通するアキュムレータを有するブーム支持装置制御ノードを含み、前記アキュムレータと前記リフトシリンダのヘッド側との間の流れ対応する第５の流量値が、前記第２の故障検知アルゴリズムで用いられることを特徴とする請求項２６に記載の油圧作動部制御システム。
【請求項２８】
更に、油槽と前記リフトシリンダ制御ノード及び前記チルトシリンダ制御ノードとの間の流れを制御するための油槽制御ノードを含み、油槽制御装置の油槽弁を通る流れに対応する第６の流量値が前記第２のアルゴリズムに含まれ、前記チルトシリンダ制御ノードと前記油槽弁との間を通る流れに対応する第７の流量値が前記第２のアルゴリズムに含まれることを特徴とする請求項２７に記載の油圧作動部制御システム。
【請求項２９】
前記第４の流量値は、前記第３の流量値と前記第６の流量値と前記第７の流量値とから算出されることを特徴とする請求項２８に記載の油圧作動部制御システム。
【請求項３０】
前記ロッド側リフト弁は、命令なしで作動する抗キャビテーション構造を有することを特徴とする請求項２９に記載の油圧作動部制御システム。
【請求項３１】
前記ヘッド側チルト弁に対して、前記第２の流量値を含む第１の再構成アルゴリズムを使用し、更に、前記ロッド側チルト弁に対して、前記第１の流量値を含む第２の再構成アルゴリズムを使用することを特徴とする請求項２６に記載の油圧作動部制御システム。
【請求項３２】
前記ヘッド側リフト弁に対して、前記第４の流量値を含む第３の再構成アルゴリズムを使用し、更に、前記ロッド側リフト弁に対して、前記第３の流量値を含む第４の再構成アルゴリズムを使用することを特徴とする請求項３１に記載の油圧作動部制御システム。
【請求項３３】
故障が再構成された後に、前記チルトシリンダ制御ノードと前記リフトシリンダ制御ノードとに流通可能に接続された油槽弁を通る流れに対応する第５の流量値を含む、第３の故障検知アルゴリズムを使用することを特徴とする請求項２６に記載の油圧作動部制御システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
関連出願の相互参照
本出願は、２０１２年３月５日に、ＰＣＴ国際特許出願として、米国を除く全ての国々の指定に対する出願者である、米国国内企業のイートン  コーポレーションの名で提出されており、中国国民のチンフゥイ  ユエン、米国国民のマイケル  ベルン  ラノウ、米国国民のウェイド  レオ  ゲールホフ、米国国民のクリストファー  ウィリアム  ショットラ−、インド国民のビシャル  マウルカーは、米国のみの指定に対する出願者であり、そして、２０１１年３月３日に提出された米国特許出願番号第６１／４４８，７４２号に対する優先権を主張し、その開示内容全体が参照により本明細書に組み込まれる。
【０００２】
本発明は、広義には、電子油圧システムで使用する制御システムに関するものである。より詳しくは、本発明は、建設機械に対する電子油圧システムを制御するための、故障検知、分離、及び、再構成システムである。
【背景技術】
【０００３】
掘削機（例えば、フロントエンドローダ、バックホウ、ホイールローダ等）といった重建設車両は、一般的に、装備の様々な構成部位を作動するための油圧作動システムを備えている。例えば、フロントエンドローダは、リフト油圧シリンダにより上昇及び下降される、掘削ブームを備えている。しばしば、掘削ブームの端部には、回動可能にバケットが備えられている。掘削ブームに対してバケットを回動／傾斜させるために、チルトシリンダが用いられる。更に、フロントエンドローダは、操縦者の快適さを改善するように、振動と衝撃とを低減するブーム支持装置を備えていてもよい。一般的なブーム支持装置は、油圧アキュムレータを備えている。更に、一般的な油圧作動システムは、加圧した油圧液を供給するための油圧ポンプと、油圧ポンプが油圧液を吸い上げるためのリザーブタンクとを備えている。
【０００４】
油圧作動システムの動作の制御に用いるために、センサ（例えば、圧力センサ、位置センサ）を利用することは、当業界において知られている。安全性と信頼性については、１つ以上の故障の発生を見きわめる、故障検知システムを装備することが知られている。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００５】
（発明の態様）
本発明は、油圧作動システムで使用される、故障検知、分離、及び、再構成の、スキーム、アーキテクチャ、方法に関するものである。
【０００６】
様々な付加的な形態が、以下の記述で明らかにされるであろう。これらの形態は、個々の特徴と、特徴の組み合わせとに関連させることができる。前述した一般的な記載と、以下の詳細な記載との双方が、模範的で説明的なものに過ぎず、本明細書で開示される具体例が基づく広い概念に限定するものではないことは、理解されるであろう。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】本発明の本質部分に係る制御アーキテクチャを示すブロック図である。
【図２】本明細書で開示され、本システムアーキテクチャが適用可能な、ホイールローダを示す図である。
【図３】本発明の本質部分に係るノードの構成図である。
【図４】本発明の本質部分に係る故障検知、分離、及び、再構成のアーキテクチャを示す概略図である。
【図５】図４の構成の一部である制御ノードを示す図である。
【図６】流れの圧力とスプール位置との記録を示す、弁の圧力マップの一例である。
【図７】流れの圧力とスプール位置との記録を示す、弁のスプール位置マップの一例である。
【図８】センサレベルの故障を示す図である。
【図９】センサレベルの故障を示す図である。
【図１０】センサレベルの故障を示す図である。
【図１１】センサレベルの故障を示す図である。
【図１２】スプール位置に関する構成部位レベルの故障を検知するためのロジックを示す図である。
【図１３】圧力に関する構成部位レベルの故障を検知するための制御ロジックを示す図である。
【図１４】サブシステムレベルの故障検知手法の一例を示す図表である。
【図１５】故障検知、故障確認、及び、再構成のマトリクスの一例を示す図表である。
【図１６】リフトシリンダがロッド側センサを装備している場合の、リフトシリンダ制御ノードの一例を示す構成図である。
【図１７】本発明の本質部分に係る分離マトリクスを示す図表である。
【図１８】本発明の本質部分に係る別の分離マトリクスを示す図表である。
【図１９】主要段階弁を制御するための、本発明の本質部分に係る制御ループ方法を示す図である。
【図２０】図１９の制御方法により制御可能な多段式弁の一例を示す図である。
【図２１】図２０の弁で検知された故障を分離するための分離マトリクスを示す図表である。
【図２２】本発明の本質部分に係る別の故障分離マトリクスを示す図表である。
【図２３】本発明の本質部分に係る別の故障分離マトリクスを示す図表である。
【図２４】本発明の本質部分に係る形態例の特徴を有する油圧システムの構成図である。
【図２５】図２４の油圧システムの制御部に格納可能な、故障検知及び分離の複数の参照表を示す概略図である。
【図２６】図２５の故障検知の参照表の具体例を示す図表である。
【図２７】図２５の１次故障分離マトリクスの非分配フローの具体例を示す図表である。
【図２８】図２５の１次故障分離マトリクスの分配フローの具体例を示す図表である。
【図２９】図２５の２次故障分離マトリクスの非分配フローの具体例を示す図表である。
【図３０】図２５の２次故障分離マトリクスの分配フローの具体例を示す図表である。
【図３１】図２４の操縦回路を制御するための、制御部に格納される制御アルゴリズムを示す図表である。
【図３２】図２４の作業回路を制御するための、制御部に格納される制御アルゴリズムを示す図表である。
【図３３】図２４の作業回路の通常作動についての性能グラフである。
【図３４】位置センサについての故障が最初に発生した場合の、図２４（Figure 100）の作業回路の作動についての性能グラフである。
【図３５】故障が検知及び分離され、作業回路の制御アルゴリズムが再構成された後の、図２４（Figure 100）の作業回路の作動についての性能グラフである。
【図３６】故障が検知及び分離され、スミス予測器を用いて作業回路の制御アルゴリズムが再構成された後の、図２４（Figure 100）の作業回路の作動についての性能グラフである。
【図３７】本発明の本質部分に係る形態例の特徴を有するオフライン分離処理を含む、車両の制御方法を示す図である。
【図３８】図３７のオフライン分離処理の更に詳細な図である。
【図３９】図３７のオフライン分離処理の更に詳細な図である。
【図４０】図４の油圧システムについての作動の低流量モードを示す図である。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
本発明は、広義には、油圧作動システムで使用される、故障検知、分離、及び、再構成のスキームに関するものである。ある形態では、モジュール化され分配される制御システムアーキテクチャが用いられる。モジュール化された方法の適用により、本システムは、複雑さを低減することができ、更なる柔軟性を提供することができる。多重及び冗長的な故障検知方法を備えた分散型アーキテクチャの適用により、故障箇所の分離が増進される。更に、多重及び冗長的な故障検知方法は、故障したセンサをシステムから分離した場合でさえもシステム動作の継続が可能なように、システムを再構成するために、様々なオプションを提供する。ある形態では、１つ以上の第２の構成部位から、第１の構成部位の対応する作動パラメータ（例えば、流量）と比較可能な参照パラメータ（例えば、流量）を生成するための、第１の構成部位と１つ以上の第２の構成部位との間の作用関係を利用することで、分析的な冗長性が提供される。参照及び作動パラメータは、フローマッピング法や他の方法に基づいて決定することができる。参照パラメータと作動パラメータとの間の比較に基づいて、故障の有無を判定してもよい。故障は、１つのノード内の、或いは、交わるいくつかのノード内の、多くの異なるセンサのうちの１つの不具合から引き起こされる虞がある。分析（例えば、マトリクス分析（matrix based analysis））は、故障センサを分離する（つまり、明確に見分ける）ために、ノードレベルで、かつ／又は、システムレベルで用いることができる。センサを分離すれば、第１の構成部位のための制御アルゴリズム内において、故障し分離されたセンサからの不完全な信号の代理が可能な、仮想信号を生成するために、仮想の参照パラメータを使用することができる。このように、故障したセンサからのデータを、第１の構成部位のための制御アルゴリズム内で使用しなくとも、本システムは動作を継続できる。
【０００９】
１．全体的なアーキテクチャの概観
図１は、本発明の本質部分に係る、故障検知、分離、及び、再構成（ＦＤＩＲ）アーキテクチャ２０の一例を示している。ＦＤＩＲアーキテクチャ２０は、建設車両等の車両の油圧作動システムの制御に適したものである。１つの具体例として、ＦＤＩＲアーキテクチャ２０は、ホイールローダ２２（図２参照）の油圧作動システムの制御に用いることができる。ＦＤＩＲアーキテクチャ２０は、ホイールローダ５０の主制御部２６との接続に適した、監視制御部２４を含んでいる。この監視制御部２４は、油圧作動システムの監視制御レベルに配置されている。例えば、監視制御部２４は、ＦＤＩＲアーキテクチャ２０のノードレベルに配置される、複数の制御ノード（例を挙げると、制御モジュール、制御サブシステム等）を監視及び接続する。ＦＤＩＲアーキテクチャ２０は、全ノードが監視制御部２４を介して報告を返すように構成される。ある形態では、ノード間の直接的な通信が行われない。その代わりに、ノードは、様々なノードの作動を調整するように機能する監視制御部２４の直下に接続される。図１に示されているように、ノードには、ポンプ制御ノード２８、チルトシリンダ制御ノード３０、リフトシリンダ制御ノード３２、ブーム支持装置制御ノード３４、油槽制御装置ノード３６、そして、１つ以上の付加的な予備ノード３８を含んでいてもよい。
【００１０】
図３を参照すると、ノード４０が例示されている。ノード４０が、上述した各ノードを示していることは理解されるであろう。ノード４０は、１つ以上の構成部位４２（例えば、２位置スプール弁、３位置ポペット弁、その他の弁等の弁）を含んでいる。構成部位４２の動作は、ノード制御部４４により制御される。ノード制御部４４は、構成部位４２の動作状態を示すパラメータを検知する、センサ４６（例えば、圧力センサ、位置センサ等）と接続している。センサ４６から受信する情報に基づいて、ノード制御部４４は、（例えば、閉ループ制御構造により）構成部位４２の動作を制御する。ある形態において、ノード制御部４４は、パルス幅変調制御技術を利用して、構成部位４２の位置を制御する。動作中、ノード制御部４４は、監視制御部２４から命令（例えば、モードの命令、動作要求、スプール位置要求、圧力要求等）を受信する。このように、最終的には、監視制御部２４がノード４０の動作を制御及び調整する。同時に、ノード制御部４４は、監視制御部２４へＦＤＩＲフラグを送信することにより、監視制御部２４と通信する。監視制御部２４は、各ノードに、他のノードのＦＤＩＲを通知しておくようにする。
【００１１】
各ノードのために、構成部位４２は、ポンプ、作動部（例えば、油圧モータや油圧シリンダ）、アキュムレータ、或いは、他の油圧機構といった、システム構成部４８に対して流入又は流出する油圧の流れを制御することが好ましい。更に、構成部位４２を通る、或いは、システム構成部４８に対して流入又は流出する、油圧液の流れに関する情報を、ノード制御部４４から監視制御部２４へ伝達してもよい。このような情報を利用することで、監視制御部２４は、それ自体による故障検知、故障箇所の分離、かつ／又は、故障箇所を監視レベルで取り扱うシステムの再構成が可能になる。
【００１２】
ノード制御部により監視制御部へ送信されるＦＤＩＲフラグは、所定のノードで故障が検知されたか否かを示している。ＦＤＩＲフラグは、故障箇所がノードレベルにおいて分離されているか否かを示してもよい。故障箇所がノードレベルにおいて分離されていない場合に、監視制御部２４は、監視レベルにおける故障箇所の分離を補助するためにデータ（例えば、流れのデータや、他のノードで検知された故障に関する情報）を利用してもよい。
【００１３】
２．ＦＤＩＲアーキテクチャを適用する車両の例
図２は、本発明の形態を適用可能な建設車両の種類の一例として、ホイールローダ５０を示している。このホイールローダは、車輪５４に支持されたシャシー又はフレーム５２を有している。シャシー又はフレーム５２上には、運転台５６が支持されている。又、フレーム５２には、ブーム５８が回動可能に取り付けられている。フレーム５２に対するブーム５８の上下方向への回動には、リフトシリンダ６０が利用される。ブーム５８の先端には、バケット６２が回動可能に取り付けられている。ブーム５８に対するバケット６２の回動には、チルトシリンダ６４が利用される。
【００１４】
３．アーキテクチャの構成図の例
図４は、ホイールローダ５０の油圧作動システムの制御への利用に適した、システムアーキテクチャの構成図を示している。このアーキテクチャは、ポンプ制御ノード２８と、チルトシリンダ制御ノード３０と、リフトシリンダ制御ノード３２と、ブーム支持装置制御ノード３４と、油槽制御装置ノード３６とに接続された、監視制御部２４を含んでいる（予備ノードは図示していない）。ポンプ制御ノード２８（図５により詳細に示し、本明細書の１５．項で言及している）は、チルトシリンダ制御ノード３０、リフトシリンダ制御ノード３２、及び、ブーム支持装置制御ノード３４の、流量・圧力条件を満たすために必要とされる、油圧液の圧力と流量とを制御する。油槽制御装置ノード３６は、チルトシリンダ制御ノード３０、リフトシリンダ制御ノード３２、及び、ブーム支持装置制御ノード３４から放出される油圧液の流れを受ける。チルトシリンダ制御ノード３０は、ホイールローダ５０のチルトシリンダ６４に供給する又は同シリンダから供給される、油圧液の流れを制御する。リフトシリンダ制御ノード３２は、ホイールローダ５０のリフトシリンダ６０に供給する又は同シリンダから供給される、油圧液の流れを制御する。ブーム支持装置制御ノード３４は、アキュムレータ６６に供給する又は同アキュムレータから供給される、油圧液の流れを制御する。更に、ブーム支持装置制御ノード３４は、アキュムレータ６６とリフトシリンダ６０との間の、流通状態を制御する。
【００１５】
チルトシリンダ制御ノード３０は、ポンプ制御ノード２８の１つ以上のポンプと流通状態にあり、チルトシリンダ６４のヘッド側７４又はロッド側７６を選択的に配置して、ポンプと流通させるように機能する。同様に、チルトシリンダ制御ノード３０は、油槽制御装置ノード３６を介して、システム油槽７７（すなわち、システムリザーブタンク）と流通状態にあり、チルトシリンダ６４のヘッド側７４又はロッド側７６を選択的に配置して、油槽７７と流通させるように機能する。
【００１６】
チルトシリンダ制御ノード３０は、チルトシリンダ６４のヘッド側７４を、システムポンプとシステム油槽との何れかと、選択的に流通状態にさせる、ヘッド側フロー制御弁Ｖthを含んでいる。更に、チルトシリンダ制御ノード３０は、チルトシリンダ６４のロッド側７６を、システムポンプとシステム油槽との何れかと流通状態になるように選択的に配置する、ロッド側フロー制御弁Ｖtrを有している。ヘッド側フロー制御弁Ｖthとロッド側フロー制御弁Ｖtrとの、夫々のスプール位置を検知するために、弁位置センサＸth及びＸtrが装備されている（すなわち、センサは弁スリーブ内の弁スプールの位置を検知する）。加えて、チルトシリンダ６４のヘッド側とロッド側との夫々の圧力を検知するために、圧力センサＰth及びＰtrが装備されている。更に、チルトシリンダ制御ノード３０は、監視制御部２４から受信する命令（例えば、モード、圧力、スプール位置の要求等）と、ノードのセンサにより提供されるフィードバック情報とに基づいて、弁Ｖth、Ｖtrの作動を制御する、構成部位制御部Ｃtを有している。更に、この構成部位制御部Ｃtは、ノードの不具合を監視し、検知したあらゆる不具合を、故障フラグを揚げることで監視制御部２４に報告する。
【００１７】
リフトシリンダ制御ノード３２は、ポンプ制御ノード２８の１つ以上のポンプと流通状態にあり、１つ以上のポンプを、リフトシリンダ６０のヘッド側７０又はロッド側７２と選択的に流通させるように機能する。同様に、リフトシリンダ制御ノード３２は、油槽制御装置ノード３６を介して油槽７７と流通状態にあり、ブームシリンダ６０のヘッド側７０とロッド側７２とを、油槽７７と選択的に流通させるように構成されている。
【００１８】
リフトシリンダ制御ノード３２は、ヘッド側フロー制御弁Ｖlhとロッド側フロー制御弁Ｖlrとを含んでいる。ヘッド側フロー制御弁Ｖlhは、ブームシリンダ６０のヘッド側７０を、ポンプ制御ノード２８の１つ以上のポンプとシステム油槽７７との何れかと、選択的に流通状態にさせるように構成されている。ロッド側フロー制御弁Ｖlrは、ブームシリンダ６０のロッド側７２を、システムポンプの１つとシステム油槽７７との何れかと、選択的に流通状態にさせるように構成されている。更に、リフトシリンダ制御ノード３２は、ヘッド側弁Ｖlhのスプール位置を検知するためのヘッド側弁位置センサＸlhと、ロッド側フロー制御弁Ｖlrのスプール位置を検知するためのロッド側弁位置センサＸlrとを有している。更に、リフトシリンダ制御ノード３２は、ブームシリンダ６０のヘッド側７０の圧力を検知するための圧力センサＰlh2と、ブームシリンダ６０のロッド側７２で油圧を検知するための圧力センサＰlrとを有している。又、リフトシリンダ制御ノード３２は、リフトシリンダ制御ノード３２の種々のセンサに接続された構成部位レベル制御部Ｃlを有している。更に、構成部位制御部Ｃlは、監視制御部２４に接続されている。構成部位制御部Ｃlは、監視制御部２４により構成部位制御部Ｃlへ送信される要求信号（例えば、モード、圧力、スプール位置の要求等）に基づいて、かつ、リフトシリンダ制御ノード３２のセンサにより提供されるフィードバック情報に基づいて、弁Ｖtlh、Ｖtlrの作動を制御する。更に、この構成部位制御部Ｃl（Ll）は、リフトシリンダ制御ノード３２内で発生する虞がある故障状態を監視し、そのような故障状態を、故障フラグを揚げることで監視制御部２４に報告する。
【００１９】
ブーム支持装置制御ノード３４は、ポンプ制御ノード２８の１つ以上のポンプと流通状態にあり、アキュムレータ６６を１つ以上のポンプと選択的に流通状態にさせ、アキュムレータ６６を蓄圧するように構成されている。更に、ブーム支持装置制御ノード３４は、アキュムレータ６６を、油槽７７かつ／又はリフトシリンダ６０のヘッド側７０と流通状態にさせることができる。
【００２０】
ブーム支持装置制御ノード３４は、蓄圧弁Ｖcと減圧弁Ｖdとを含んでいる。蓄圧弁Ｖcは、アキュムレータ６６をポンプ制御ノード２８のポンプと流通状態にすることにより、アキュムレータ６６の蓄圧に用いることができる。減圧弁Ｖdは、アキュムレータ６６をブームシリンダ６０のヘッド側７０と選択的に流通状態にさせるように用いることができる。更に、ブーム支持装置制御ノード３４は、蓄圧弁Ｖcのスプール位置を検知する蓄圧弁位置センサＸcを有している。更に、ブーム支持装置制御ノード３４は、減圧弁Ｖdの位置を検知する減圧弁位置センサＸdを有している。又、ブーム支持装置制御ノード３４は、アキュムレータ６６の圧力を検知する圧力センサＰaと、ブームシリンダ６０のヘッド側７０で圧力を検知する圧力センサＰlh1とを有している。ブーム支持装置制御ノード３４のセンサは、ブーム支持装置制御ノード３４のノードレベルの制御を提供する、ノード制御部Ｃbssに接続されている。ノード制御部Ｃbssは、監視制御部２４に接続されており、ノード内の故障状態を、故障フラグを揚げることで監視制御部２４に報告する。この制御部は、作動命令（例えば、モード、圧力、スプール位置の要求等）を弁に対して送信する。
【００２１】
油槽制御装置ノード３６は、油槽７７へのシステム的な流れを制御する、油槽フロー制御弁Ｖtを有している。更に、油槽制御装置ノード３６は、弁Ｖtよりも上流の位置でシステム油槽７７の圧力を検知する、圧力センサＰtを有している。位置センサＸtは、弁Ｖtの位置を検知する。弁Ｖtの作動を制御するために、構成部位制御部Ｃtが与えられている。構成部位制御部Ｃtは、モードのセンサに接続されており、更に、監視制御部２４に接続されている。弁Ｖtの作動は、監視制御部２４から受信する命令（例えば、モード、圧力、スプール位置の要求等）と、ノードセンサからのフィードバック情報とに基づいて、構成部位制御部Ｃtにより制御される。構成部位制御部Ｃtは、ノードの作動を監視し、あらゆる故障状態を監視制御部２４に報告する。
【００２２】
上述したＦＤＩＲアーキテクチャは、異なるレベルでの故障検知を可能にする。例えば、センサレベルで、構成部位レベルで、ノード内レベルで、そして、ノード間（すなわち、監視、システム）レベルで、故障を検知してもよい。更に、本アーキテクチャは、センサレベルでの、構成部位レベルでの、ノード内レベルでの、そして、ノード間（すなわち、監視、システム）レベルでの、故障箇所の分離を可能にする。更に、本アーキテクチャは、上記レベルの何れか又は全てでの、再構成を可能にする。
【００２３】
４．パラメータマッピング
パラメータマップは、経験的なデータや数式から作成することができる。パラメータマップは、ノード又は監視レベルの何れかのメモリに格納することができ、パラメータ情報が必要なときに、監視制御部やノード制御部により取り出すことができる。パラメータマップは、図式的にデータを相互に関連させ、他の関連パラメータに基づく、所定パラメータの推定に利用することができる。例えば、弁の場合には、流れ状態、スプール位置（開口の大きさを示す）、そして弁を通した圧力差のパラメータを、フローマップ内で相互に関連させることができ、既知のパラメータから未知のパラメータを推定するために利用される。弁用のフロ−マップは、Ｑ＝ｍａｐ（Ｐ，Ｘ，α）により表わすことができ、ここで、Ｐは弁を通した圧力差、Ｘは弁のスプール位置、αは温度等の補助変数である。Ｐ、Ｘ、αが判明している場合に、このフローマップに基づき、流量を決定することができる。弁用の圧力マップは、Ｐ＝ｍａｐ（Ｑ，Ｘ，α）により表わすことができる。圧力マップの一例を図６に示している。Ｑ、Ｘ、αが判明している場合に、この圧力マップに基づき、圧力を決定することができる。スプール位置マップは、Ｘ＝ｍａｐ（Ｑ，Ｐ，α）により表わすことができる。スプール位置マップの一例を図７に示している。Ｑ、Ｐ（X）、αが判明している場合に、このスプール位置マップに基づき、スプール位置を決定することができる。
【００２４】
他のマップを利用することも可能である。例えば、スプール速度マップは、弁スプールの速度と、弁孔内でのスプールの軸移動に使用されるソレノイドの、作動の制御に用いられるパルス幅変調信号の電流との関係を規定する。更に、位置マップは、弁スプールの位置と、スプ―ルの移動制御に用いられる位置要求信号の大きさとの関係を規定してもよい。更に、圧力マップは、スプールを通した圧力差と、スプ―ルの移動制御に用いられる圧力要求信号の大きさとの関係を規定してもよい。
【００２５】
５．センサレベル故障検知
センサレベルで所定のエラーを検知できる。このようなエラーは、一般的に、独立監視を要する可変パラメータに依存しない。例えば、このようなエラーは、センサの記録値を、所定の予め設定又は推定した、パラメータ、範囲、又は、他の基準と比較することにより確認される。この種のセンサ故障の一例を図８に示しており、ここでは、上限１３２と下限１３４とを有する予め規定した範囲の外側に、センサ信号１３０が示されている。別の例を図９に示しており、ここでは、センサ信号が変化すべき状況下で、所定の時間に渡って、センサが変化のない信号を出力している。更に、図１０は、センサが信号に伴う所定量のノイズ１３８を出力している故障状態を示している。センサレベルの故障の更なる例は、センサがどんな信号も全く出力しなくなることである。図１１は、センサ信号１４０が、実際の信号１４２に追従する又は続くはずが、大きさが誤った状態を描写している。センサ信号１４０がセンサの所定範囲内に留まっている限り、この種のエラーの検知は困難な虞がある。この点に関して、本明細書に開示されている確実にレベルの高い検知方法は、そのような故障を検知することができる。
【００２６】
６．構成部位レベル故障検知
構成部位レベルで行われる故障検知の一例は、弁の閉ループ位置制御に基づく故障検知である。これについては、特定の弁に対して、監視制御部からのスプール位置要求命令に基づき、スプール位置を推定することができるものである。例えば、スプール位置は、経験的なルックアップ表、位置マッピング、或いは、２次伝達関数パラメータを利用することより推定可能である。推定スプール位置は、スプールに対応する位置センサにより示されるスプール位置と比較してもよい。推定スプール位置が、所定時間の間に少なくとも所定量だけ検知スプール位置から異なる場合、エラーフラグが立てられる。図１２は、この故障検知方法を示す概略図である。図１２に示されているように、位置閉ループ伝達関数（position closed loop transfer function）１５０は、監視制御部により提供される要求位置１５４に基づいて、推定位置１５２を算出するために用いられる。位置推定値１５２から位置検出値１５６が引かれ、剰余値１５８が算出される。剰余値が所定の時間窓の間に所定値を超える場合は、夫々のノードにおいてエラーフラグが立てられ、監視制御部へ伝達される。上記の故障検知方法が、図４に示したノード２８、３０、３２、３４、３６の何れに対しても、構成部位レベルで利用可能なことは、理解されるであろう。例えば、この故障検知方法は、チルトシリンダ制御ノード３０のヘッド側フロー制御弁Ｖthのスプール位置を制御する、位置センサＸthの機能性の検査に利用可能である。監視制御部からの要求が構成部位制御部Ｃtにより受信され、構成部位制御部Ｃtは、一般的なパルス幅モジュール制御ロジックを用いて、弁Ｖthのスプール位置を制御するための信号を生成する。位置マッピング、実験データ、ルックアップ表、或いは、他の手段により、監視制御部により命令される位置要求の特性に基づいて、弁Ｖthのスプール位置を推定することが可能である。この推定位置は、位置センサＸthにより示される位置と比較される。推定位置が、所定の時間窓の間に所定量だけ検知位置から異なる場合は、エラーフラグが立てられる。
【００２７】
構成部位レベルの別の故障検知方法は、閉ループ圧力制御に基づくものである。この故障検知方法では、監視制御部からの圧力要求が、特定のセンサの圧力を推定するために利用される。この圧力は、圧力マッピング方法、実験データ、ルックアップ表、或いは、２次圧力制御伝達関数等の式を用いて推定可能である。そして、推定圧力は、特定のセンサで検知される圧力と比較される。推定圧力の値が、所定の時間窓の間に所定量だけ検知圧力から異なる場合、故障フラグが立てられる。図１３は、故障を検知するこの種の方法を示す概略図である。図１３を参照すると、閉ループ圧力制御伝達関数１６０は、監視制御部により命令される圧力要求１６４に基づいて、特定センサの圧力値１６２を推定するために用いられる。推定圧力値１６２から検知圧力値１６６が引かれ、剰余値１６８が算出される。剰余値１６８が所定の時間窓の間に所定値を超える場合に、故障フラグが生成される。この種の故障検知方法が、図４のシステム内に与えられた全ての圧力センサの作動を監視するために利用できることは、理解されるであろう。例として、チルトシリンダ制御ノード３０の作動では、監視制御部は、構成部位制御部Ｃtに圧力要求を送信できる。圧力要求の値に基づいて、構成部位制御部Ｃtは、チルトシリンダ６４のヘッド側７４における推定圧力値を達成するように、パルス幅モジュール制御ロジックを用いて、弁Ｖthの作動を制御する。推定圧力値が、圧力マッピング、実験データ、ルックアップ表、或いは、閉ループ圧力制御伝達関数等の式に基づいて推定可能であることは理解されるであろう。推定圧力値は、圧力センサＰthにより検出される検知圧力記録値と比較される。検知圧力値が、所定時間の間に所定量だけ推定圧力値から異なる場合は、構成部位制御部Ｃtにより故障フラグが立てられ、監視制御部へと送られる。
【００２８】
構成部位レベルにおける故障検知の更なる例は、スプール弁のスプール速度に基づく故障検知に関するものである。この種の故障検知が、図４に示したシステムのいかなる弁に利用可能なことは理解されるであろう。この方法を用いて、スプール速度と、問題となる弁の作動制御に用いられている構成部位制御部により生成される、パルス幅モジュール（ＰＷＭ）信号（例えば、信号の電流）との間の関係を規定する、速度マップを予め生成する。この速度マップは、温度や他の要素といった変数を考慮してもよい。メモリに格納され容易にアクセス可能なＰＷＭ信号マップに、スプール速度を備えることにより、ＰＷＭ信号の大きさに基づくスプール速度の推定が可能になる。そして、推定速度は、スプールの位置センサにより提供される記録に基づく算出スプール速度と比較される。推定速度が、所定の時間窓の間に所定量／閾値だけ算出速度から異なる場合は、構成部位制御部により故障フラグが立てられ、監視制御部へと送られる。
【００２９】
７．サブシステム／ノードレベル故障検知
サブシステム／ノードレベルの故障検知を理解するための例は、分析的な冗長性にてこ入れすることで、「仮想」又は関連流量値を推定し、次に、関連流量値を検出流量値と比較することである。例えば、作動部のメータイン流量は、同作動部のメータアウトを決定／推定するために利用できる。この種の故障検知方法は、チルトシリンダ６４が作動する際の、チルトシリンダ制御ノード３０の弁Ｖth及びＶtrを通過する流れの比較に用いることができる。更に、この種の制御方法は、リフトシリンダ６０が作動する際の、リフトシリンダ制御ノード３２の弁Ｖlh及びＶlrを通過する流れの比較に用いることができる。更に、作動部のメータアウト流量は、同作動部のメータイン流量に関連する関連流量の決定に用いることができる。加えて、アキュムレータについては、アキュムレータ圧力とアキュムレータ圧力の変化率とを、通常の状況下では、アキュムレータ内外の流れを制御する弁を通過する、検出された流れに等しい、関連流量の提供に用いることができる。
【００３０】
あらゆる種類の単独センサ故障をリアルタイムに検知することができ、システムの安全性と信頼性とを著しく改善するため、サブシステムレベルの故障検知は有利である。この種の検知は、検知が困難なセンサ故障（例えば、故障センサが実際の信号を追従できるような動的オフセット）を、リアルタイムで検知することができる。更に、他の方法（例えば、信号処理、センサレベル故障検知、構成部位レベル故障検知、サブシステムレベル故障検知、システムレベル故障検知）を組み合わせることにより、１つ以上のセンサ不良を検出できる。
【００３１】
Ａ．同じ作動部のメータイン流量とメータアウト流量とを関連パラメータとして利用することで達成される故障検知及び再構成
油圧モータや、ピストンヘッドの両端に同サイズのピストンロッドを有する油圧シリンダといった、所定の油圧作動部については、作動部への流入量が、作動部からの流出量と等しくなる。従って、１つのメータイン弁が作動部への全ての流れを提供し、１つのメータアウト弁が作動部からの全ての流れを受ける場合は、メータイン弁とメータアウト弁とを通過する流量が互いに等しくなる。このように、作動部は、メータイン弁とメータアウト弁との作動関係を定める。メータイン弁用のフローマップ（Ｑ１＝ｍａｐ（Ｐ１，Ｘ１，α１））は、メータイン弁を通る検知流量の算出に利用できる。更に、メータアウト弁に対応するフローマップ（Ｑ２＝ｍａｐ（Ｐ２，Ｘ２，α２））を利用することで、メータアウト弁を通る流量が算出できる。メータアウト弁とメータイン弁とが、双方とも同じ作動部に接続されているため、それら弁の算出／推定流量は、互いに所定の閾値以上に異ならないべきである。従って、Ｑ２はＱ１の関連流量であり、Ｑ１はＱ２の関連流量である。従って、Ｑ１とＱ２とが所定の閾値まで異なる場合に、これはセンサ不良を示し、故障フラグが立てられる。
【００３２】
故障センサの再構成が必要な場合は、操作可能なセンサを有する、関連する弁に対して決定される流量を、故障センサを有する弁の作動を制御する、推定値を提供するために利用できる。例えば、メータイン弁に対応する圧力センサが壊れた場合は、対応するメータアウト弁から算出された関連流量Ｑ２を、メータイン弁の操作に利用可能な推定圧力値Ｐ１estを算出するために、メータイン弁用のフローマップ内に代理で用いることができる（Ｐ１est＝ｍａｐ（Ｑ２，Ｘ１，α１））。特に、推定圧力値Ｐ１estは、メータイン弁の作動を制御するための、閉ループ制御アルゴリズム内に代理で用いることができる。このようにして、システムの作動が継続している間に、故障センサをシステムから切り離すことができる。同様に、メータイン弁の位置センサが壊れた場合は、メータアウト弁から算出された関連流量Ｑ２の値を、メータイン弁用のフローマップ内に代理で用いることができ（Ｘ１est＝ｍａｐ（Ｑ２，Ｐ１，α１））、メータイン弁の作動を制御する位置推定値Ｘ１estを算出するために利用される。特に、位置推定値Ｘ１estは、メータイン弁の作動を制御するための、閉ループ制御アルゴリズム内に代理で用いることができる。同様に、メータアウト弁が不良である場合は、故障センサの代わりに利用可能なセンサ記録値の推定値を生成するために、メータイン弁からの関連流量値を利用できる。再構成の状況では、推定センサ値の獲得に必要な計算に要する、時間に関連する時間遅延によって、振動を除去するために、スミス予測器が利用可能である。
【００３３】
図４を参照すると、ヘッド側弁Ｖthとロッド側弁Ｖtrとの双方が、チルトシリンダ６４を通る油圧液の流れを制御する。ピストンは、ロッドを備えたピストンヘッドを片側のみに有しているため、シリンダへの流入量は、シリンダからの流出量と等しくない。その代わりに、シリンダのロッド側７４に対して流入又は流出する流量Ｑrは、ロッド側ピストン面積Ａrに対するヘッド側ピストン面積Ａhの比率を乗じた、シリンダのヘッド側７６に対して流入又は流出する流量Ｑhに等しい。ロッド側ピストン面積Ａrは、ピストンロッドの断面積を引いたヘッド側ピストン面積Ａhに等しい。ロッド側流量Ｑrとヘッド側流量Ｑhとの関係は、故障検知の手段を提供する。弁Ｖthを通る推定流量Ｑ１はヘッド側流量Ｑhと等しく、弁Ｖtrを通る推定流量Ｑ２はロッド側流量Ｑrと等しい。これにより、流量Ｑ１及びＱ２の数学的関係が確立する。具体的に、Ｑ１はＡh／Ａrを乗じたＱ２と等しくなる。従って、Ｑ２×Ａh／ＡrはＱ１への参照流量となり、Ｑ１×Ａr／ＡhはＱ２への参照流量となる。Ｑ１がＱ２×Ａh／Ａrの所定の閾値内でない場合は、故障が存在し、故障フラグが立てられる。上述したように、システムの再構成のために、弁Ｖth及びＶtrの操作可能な一方に対応する参照流量値は、弁ＶthとＶtrとの不具合な一方の、故障センサの検出値の推定に用いることができる。これにより、システムのリアルタイムな再構成が可能になり、切り離され、冗長／多重なフロー関係から生成される仮想センサに置き換えられた、不良センサを伴ったまま弁が作動し続けることができる。
【００３４】
Ｂ．参照パラメータとしてのアキュムレータフロー
アキュムレータについては、アキュムレータ圧力とアキュムレータ圧力の変化率とが、アキュムレータ流量に関係するチャンバ内の気体動力を決定する。従って、アキュムレータのフローマップは、アキュムレータの圧力と圧力変化率とに基づいて作られる。このため、アキュムレータの圧力と圧力変化率とが判明している場合は、アキュムレータに対して流入又は流出する流量が、アキュムレータのフローマップから容易に決定できる。特定の時間において、アキュムレータに対する流入又は流出を、１つの弁のみが制御する場合に、アキュムレータのフローマップから決定されるアキュムレータの流量は、制御弁を通過する検知流量に等しい、参照流量として利用することができる。この関係性は、ブーム支持装置制御ノード３４において、サブシステムレベルの故障検知とノード３４内での再構成とを与えるように、利用可能である。サブシステムレベルのこの種の故障検知を、図１４に略示している。
【００３５】
図１４に示されているように、２つの流量Ｑ１及びＱ２が決定される。ノード３２の作動状態に依存して、流量Ｑ１が、弁Ｖc又は弁Ｖdを通る算出流量に対応する。Ｑ２は、算出したアキュムレータ流量に対応する。フローマップｆ１は、弁Ｖcに対応し、弁Ｖcがアキュムレータ６６を油槽７７に接続する位置にある場合に、Ｑ１の算出に用いられる。フローマップｆ２は、弁Ｖcに対応し、弁Ｖcがアキュムレータ６６をポンプノード２８（pump node 36）に接続する位置にある場合に、Ｑ１の算出に用いられる。フローマップｆ３は、弁Ｖdに対応し、弁Ｖdがアキュムレータ６６を油槽７７に接続する位置にある場合に、Ｑ１の算出に用いられる。フローマップｆ４は、アキュムレータ６６用のフローマップであり、Ｑ２の算出に用いられる。Ｑ１とＱ２との差が、所定の期間にわたって所定の流量閾値レベルを超える場合は、ブーム支持装置制御ノード３４にセンサ故障が検知される。上記の４つのフローマップが一度確立されると、冗長性は、比較可能な複数の流量計算結果が、故障状態が起こったか否かを判定することができるように規定する。例えば、蓄圧弁Ｖcがアキュムレータへの流入量又は流出量を制御している場合は、適切なフローマップｆ１又はｆ２により定められたような、弁Ｖcを通る算出流量が、アキュムレータのフローマップｆ４により定められたような、アキュムレータの算出した流出量又は流入量に等しくなる。２つの流量Ｑ１及びＱ２が、所定の期間にわたって所定の閾値内に合わない場合は、故障フラグが生成される。フローマップｆ１及びｆ２は、スプール位置に依存して（例えば、アキュムレータの接続先が圧力供給側か油槽側かに依存して）、蓄圧弁Ｖcを通る流量Ｑ１の推定に用いられる。フローマップｆ３は、ブーム支持装置が、減圧弁Ｖdがアキュムレータをリフトシリンダ６０のヘッド側７０と流通状態にする、ブーム支持装置モードにある場合に、流量Ｑ１の推定に用いられる。Ｑ２は、常に、アキュムレータのフローマップｆ４から算出される。上記の方法を用いて故障を検知した場合に、故障の要因が、システム内のいくつもの異なるセンサにあり得ることは、理解されるであろう。本システムのアーキテクチャは、特定センサについての故障を分離するために、様々な作動パラメータの相互参照を可能にする。
【００３６】
上述した形態と同様に、Ｑ１はＱ２の参照流量であり、Ｑ２はＱ１の参照流量である。従って、弁Ｖｃ、Ｖｄのうちの１つの、特定位置のセンサについての故障が分離されると、故障センサが切り離される再構成状態へと不良の弁を作動させるように、閉ループ制御アルゴリズム内に不良の弁の代わりに用いることができる、スプール位置の推定値を算出するために、流量Ｑ２を、不良の弁のスプール位置マップ内で代用することができる。他の形態では、弁Ｖｃ、Ｖｄの作動を停止することにより、システムを再構成できる。
【００３７】
アキュムレータ６６がピストン型アキュムレータである場合は、第３の流量計算Ｑ３の形式内の第３の冗長性を、ピストン速度に基づいて作ることができる（ピストンセンサが用意されていることとする）。Ｑ３は、アキュムレータの流出量又は流入量に等しい。通常の作動状態では、Ｑ１＝Ｑ２＝Ｑ３である。図１５は、アキュムレータ６６がピストン型アキュムレータである場合の、ブーム支持装置ノード３４の故障分離及び再構成チャートである。
【００３８】
８．システムレベル故障検知
より大きな流れの分岐からの流量が判明している場合に、共に流れる分岐を加えることが、流れの総計を表わす参照流量値を提供することになることは、理解されるであろう。例えば、図４を参照すると、油槽弁Ｖtを通過する流れの総計は、チルトシリンダ制御ノード３０とリフトシリンダ制御ノード３２とから、油槽７７へ分配された分岐流量の合計に等しくなる。上述した種類のフローマップを用いることで、１つの如何なる弁を通る流量でも推定可能であることは、理解されるであろう。故障状態を見極めるために、油槽弁Ｖtを通る第１の流量Ｑ１は、フローマップによって定めることができる。更に、チルトシリンダ制御ノード３０とリフトシリンダ制御ノード３２とから分配された夫々の流量に対応する、流量Ｑ２とＱ３とは、対応するフローマップを用いて定めることができる。通常の状況下において、流量Ｑ２、Ｑ３の合計は、油槽弁Ｖtを通過する流量の総計Ｑ１に等しくなる。しかしながら、流量Ｑ２、Ｑ３の合計が、油槽弁Ｖtを通過する流量の総計Ｑ１の、所定の閾値内にない場合は、故障フラグが立てられる。
【００３９】
（Ｑ２＋Ｑ３）がＱ１の参照流量となり、（Ｑ１−Ｑ２）がＱ３の参照流量となり、そして、（Ｑ１−Ｑ３）がＱ２の参照流量になることは、理解されるであろう。従って、１つの弁の特定センサについての故障が一度分離されると、故障センサが切り離される再構成状態へと不良の弁を作動させるように、閉ループ制御アルゴリズム内に不良の弁の代わりに用いることができる、スプール位置又は圧力の推定値を算出するために、夫々の参照流量を、不良の弁のスプール位置マップ又は圧力マップ内に代用することができる。
【００４０】
この種の故障の分離は、マトリクス分析法を用いて、監視レベルで実行が可能である。例えば、油槽制御ノード３６と、リフトシリンダ制御ノード３２と、チルトシリンダ制御ノード３０との全てが、分離されていない故障を監視レベルに報告した場合は、その故障は油槽圧力センサである。更に、油槽制御ノード３６とリフトシリンダ制御ノード３２とが、分離されていない故障を報告し、かつ、チルトシリンダ制御ノード３０が故障を報告しない場合は、リフトシリンダ制御ノード３２についての故障を分離できる。
【００４１】
９．検出器付シリンダを備えた電子油圧システムの故障検知、分離、及び、再構成
図１６は、本発明の本質部分に係る故障分離アーキテクチャ２００を示している。このアーキテクチャ２００は、油圧作動部２０２の駆動制御に適合するものである。この油圧作動部は、シリンダ２０４と、シリンダ２０４内に相互的に配置されたピストン２０６とを有している。ピストン２０６は、ピストンロッド２０８とピストンヘッド２１０とを有している。シリンダ２０４は、ヘッド側２１２とロッド側２１４とを有している。アーキテクチャ２００は、ピストン２０６の速度を検出するためのセンサ２１６を有している。センサ２１６が、位置センサや速度センサであってもよいことは、理解されるであろう。更に、本アーキテクチャは、作動部２０２の駆動を制御するための弁を有している。これらの弁は、駆動装置２０２のヘッド側２１２に流通可能に接続されたヘッド側弁２２０と、作動部２０２のロッド側２１４に流通可能に接続されたロッド側弁２２２とを含むように描かれている。更に、本アーキテクチャは、診断及び故障制御アルゴリズムを操作することができる制御部２２４を有している。この制御部２２４は、ヘッド側圧力センサ２２６、ロッド側圧力センサ２２８、ヘッド側弁位置センサ２３０、ロッド側弁位置センサ２３２に接続している。制御部２２４は、弁２２０、２２２に対応する、所定のフローマップにアクセスする。ヘッド側弁２２０を通る流量Ｑ１は、弁２２０用のフローマップを使用することで、制御部２２４により定めることができる。同様に、ロッド側弁２２２を通る流れの推定値である流量Ｑ２は、弁２２２のフローマップにより定めることができる。弁２２０、２２２の双方が、同じ作動部２０２に流通可能に接続されているため、流量Ｑ１とＱ２との間の依存関係が規定される。例えば、弁２２０を通る流量Ｑ１は、シリンダ２０４のヘッド側２１２に対して流入又は流出する流量と等しく、弁２２２を通過する流量Ｑ２は、シリンダ２０４のロッド側２１４に対して流出又は流入する流量と等しい。ヘッド側がロッド側よりも広いピストン作動面積を有しているため、シリンダ２０４のピストン側部２１２に流入又は流出する流量は、シリンダ２０４のヘッド側でのピストン作動面積Ａhの、シリンダ２０４のロッド側でのピストン作動面積Ａrに対する比率を掛けた、シリンダ２０４のピストン側部２１４に流入又は流出する流量に等しくなる。このため、流量Ｑ１は、Ａrで割ったＡhを掛けたＱ２に等しい。従って、作動部２１０により定められる関係は、故障検知に利用可能な冗長性を与える。特に、Ｑ１とＱ２×Ａh／Ａrとが、互いに所定の閾値以上に異なる場合は、故障フラグが立てられる。
【００４２】
更に、図１６のシステムアーキテクチャ２００は、３つの冗長性の付与に利用できる。特に、センサ２１６は、ピストン２０６の速度Ｖcyl1の算出に用いることができる。更に、ヘッド側弁２２０の記録流量は、ピストン２０６の第２速度Ｖcyl2の推定に用いることができる。Ｖcyl2は、ヘッド側ピストン面積Ａhで割った、ヘッドシリンダ２２０を通る記録流量Ｑhに等しくなる。第３の速度推定値Ｖcyl3は、ロッド側シリンダ２２２用の、記録流量Ｑrに基づいて定めることができる。シリンダに対する第３の速度推定値Ｖcyl3は、Ａrで割ったＱrに等しい。これらシリンダの速度値Ｖcyl1、Ｖcyl2、Ｖcyl3の何れかが、他と所定の閾値以上に異なる場合は、エラーフラグが立てられる。
【００４３】
図１７は、ある故障状態を分離するためのマトリクス表を示している。例えば、事例１は、シリンダセンサ２１６が故障した場合を示している。更に、事例２は、ヘッド側圧力センサ２２６と、ヘッド側弁位置センサ２３０との何れかが故障した場合を示しており、事例３は、ロッド側圧力センサ２２８と、ヘッド側位置センサ２３２との何れかが故障した場合を示している。事例４は、１つ以上のセンサが故障した場合を示している。事例５は、故障が発生していない場合を示している。
【００４４】
更に、重複した関係性により与えられる冗長性は、システムから故障センサを分離して、システムが再構成（図１８参照）できる方法を提供する。特に、故障センサは切り離すことが可能であり、冗長性から得た推定値を、切り離したセンサ部分に利用することができる。事例１については、再構成が、監視制御におけるシリンダセンサ値の支援を必要としている。事例２では、ヘッド側圧力センサ２２６（26）が故障した場合に、それを切り離すことができ、推定値Ｐhestを弁２２０の作動制御に用いることができる。Ｐhestは、推定流量値Ｑestと位置センサ値Ｘhとを、弁２２０の代わりにフローマップに代用することで得ることができる。センサ２３０が故障した場合は、それを切り離すことができ、位置推定値Ｘhestを弁２２０の作動制御に用いることができる。位置推定値Ｘhestは、フローマップから推定値Ｘhestを得るために、推定流量値Ｑestと圧力センサ２２６から読み取った値とが用いられた、弁２２０用のフローマップから得ることができる。推定流量Ｑestが、Ｖcyl1又はＶcyl3の値の何れかから、回収することができる点が注目される。ロッド側圧力センサ２２８が故障した場合に、推定圧力Ｐrestは、弁２２２の作動制御に利用できる。推定圧力値Ｐrestが、推定流量Ｑestとロッド側位置センサ２３２により生成される位置値とを用いて、フローマップから得られることは、理解されるであろう。同様に、ロッド側位置センサ２３２が故障した場合は、それを切り離すことができ、位置推定値Ｘhestを弁２２２の制御に用いることができる。位置推定値Ｘhestは、推定流量Ｑestとロッド側圧力センサ２２８により検出される圧力値とを用いて、フローマップから得ることができる。事例３では、推定流量Ｑestを、Ｖcyl1かつ／又はＶcyl2の値から得ることができる。
【００４５】
事例４では、再構成が、フェイルセーフ構成への移行を伴っている。事例５では、故障が検知されていないため、再構成が適用されない。
【００４６】
１０．多段式弁の閉ループ制御と故障分離
図１９は、多段式弁に対する、閉ループ式の圧力指令制御のアーキテクチャを示している。弁３００の一例を、図２０に示している。この弁は、導入段階３０２と、中間段階３０４と、主要段階３０６とを有している。図１９の閉ループ制御アーキテクチャは、外側制御ループ３１０が圧力制御を行うと共に、内側制御ループ３０８がスプール位置の制御を行う、カスケード構成になっている。図１９を確認すると、監視制御部がノードの構成部位制御部に圧力要求３１２を出力している。構成部位制御部では、要求信号から得た推定圧力値が、検出圧力値３１４と比較される。検出圧力値と推定圧力値とが異なる場合に、監視制御部は、位置要求信号３１６を出力する。位置要求信号３１６から推定位置が作られ、検出スプール位置信号３１８と比較される。推定スプール位置が検出スプール位置と異なる場合に、監視制御部は、中間段階においてスプール３２２を移動させる、ＰＷＭ信号を出力する。検出スプール位置値３１８は、スプール３２２のスプール位置センサ３２４により与えられる。スプール３２２の移動は、検出圧力３１４を変化させる主要段階の調整を引き起こす。検出圧力３１４は、主要段階３０６において圧力センサ３２６により与えられる。
【００４７】
推定位置値３１６が、所定期間にわたり閾値を超過する量だけ検出位置値３１８から異なる場合は、エラーフラグが立てられる。同様に、推定圧力値が、所定期間にわたり閾値を超過する量だけ検出圧力値３１４から異なる場合は、エラーフラグが立てられる。位置センサ３２４における故障により、圧力センサ３２６についての故障フラグが立てられることは、理解されるであろう。これに対し、圧力センサ３２６は、位置センサ３１８についての故障フラグを立てることなく、故障フラグが立てられる。図２１は、図１９の閉式制御アーキテクチャ３０１に関連する故障要因の分離に用いるための、故障分離マトリクス表である。マトリクス表３３０において、Ｒ１は位置センサ３２４の故障状態を表わし、Ｒ２は圧力センサ３２６の故障状態を表わしている。マトリクス表に示しているように、Ｒ１とＲ２とが双方ともオフである場合は、故障が検知されていない。しかしながら、Ｒ１がオフでＲ２がオンの場合は、圧力センサ３２６についての故障を分離できる。Ｒ１とＲ２との双方がオンである場合に、これは位置センサの故障を示している。
【００４８】
１１．故障検知マトリクス法
図２２は、ブーム支持装置制御ノード３４の故障分離マトリクス表である。この故障分離マトリクス表を参照すると、Ｒｓ１が位置センサＸcのセンサレベル故障に対応し、Ｒｓ２が圧力センサＰaccのシステムレベル故障に対応し、Ｒｓ３がセンサＸdのシステムレベル故障に対応し、Ｒｓ４がセンサＰlh1のシステムレベル故障に対応し、Ｒｃ１がセンサＸcの構成部位レベル故障に対応し、Ｒｃ２がセンサＰaccの構成部位レベル故障に対応し、Ｒｃ３がセンサＸdの構成部位レベル故障に対応し、Ｒｃ４がセンサＰlh1の構成部位レベル故障に対応し、Ｒｃ５が位置センサＸcの他の構成部位レベル故障に対応し、そして、Ｒｓｙｓ１が図１４に示したようなシステムレベル又はサブシステムレベルの故障に対応している。ある形態において、Ｒｃ５は、スプール弁の速度と、スプール弁を動かすソレノイドの制御に用いられるＰＷＭ信号の電流との間の関係に依存され得る。図２２の図表に示されているように、１〜８の場合は分離されている。９及び１０の場合は、分離されておらず、分離のためのシステムレベルの解析が可能である。
【００４９】
図２３は、ｖリフトシリンダ制御ノード３２の故障分離マトリクス表である。この故障分離マトリクス表において、Ｒｓ１ｒが位置センサＸrhのセンサレベル故障に対応し、Ｒｓ２ｒがセンサＰlrのセンサレベル故障に対応し、Ｒｃ１ｒが位置センサＸlrの構成部位レベル故障に対応し、Ｒｃ３ｒがセンサＸlrの別の構成部位レベル故障に対応し、Ｒｓｕｂｓｙｓが弁ＶlhとＶlrとの間に定められるサブシステムレベル故障に対応し、Ｒｓ１ｈが位置センサＸlhのセンサレベル故障に対応し、Ｒｓ２ｈがセンサＰlhのシステムレベル故障に対応し、Ｒｃ１ｈがセンサＸlhの構成部位レベル故障に対応し、Ｒc3hがセンサＸlhの他の構成部位レベル故障に対応し、ＲｓｕｂｓｙｓｈがＲｓｕｂｓｙｓｒと同じシステム故障であり、そして、Ｒｓｙｓ−ｂｓｓがセンサＰlh1とＰlh2との比較である。図２３のマトリクス表を確認すると、欄３００は、フラグが１つの故障分離の情報を表わし、欄３０２は、フラグがセンサレベル故障と構成部位レベル故障との何れかである、フラグが２つの故障分離の情報を表わし、欄３０４は、サブシステムレベル故障と組み合わさった、センサ又は構成部位レベル故障を含んでいる状況を表わしている。図表の最下行は、故障分離の状態を表わしている。
【００５０】
１２．受動及び超過状態用の故障検知システム
リフトシリンダ制御ノード３２は、受動状態及び超過状態での作動が可能である。受動状態では、リフトシリンダ６０が負荷を押し動かす。受動動作の一例は、リフトシリンダ６０がブームを持ち上げる場合である。このとき、システムポンプからの油圧液は、弁Ｖlhを通ってリフトシリンダ６０のヘッド側７０へ向かい、リフトシリンダ６０のロッド側７２からの油圧液が、弁Ｖlrを通って油槽７７へ放出される。リフトシリンダ制御ノード３２が超過状態で作動する場合は、負荷がリフトシリンダ６０を押し動かす。これは、負荷が低下しているときに発生する。超過状態の間は、リフトシリンダ６０のヘッド側７０の油圧液が、弁Ｖlhを通って油槽７７へ放出され、油槽７７からの油圧液が、弁Ｖlrを通ってリフトシリンダ６０の負荷側７２に引き入れられる。両状態の間は、アキュムレータ６６から弁Ｖdを通してリフトシリンダ６０のヘッド側７０へと、或いは、リフトシリンダ６０のヘッド側７０から弁Ｖdを通してアキュムレータ６６へと、油圧液の移動が可能になる。この方向は、リフトシリンダ６０のヘッド側７０とアキュムレータ６６との、相関的な圧力に依存する。このような油圧液の流れは、ブームの支持を目的として提供される。超過状態の間は、網状の流れが弁Ｖtを通って油槽７７へ向いている。更に、ある状況下では、弁Ｖlrがシステムポンプをリフトシリンダ６０のロッド側７２に接続し、キャビテーションを防止する。
【００５１】
ある形態では、弁が閉中間位置にある場合でさえも、弁を通って油槽７７からシリンダ６０へと流れることができるような、抗キャビテーション構造を、弁Ｖlr、Ｖlhが有して作られていてもよい。この流量は、スプール位置及び圧力信号から算出できない。
【００５２】
受動動作状態の間は、流量Ｑ１及びＱ２がリフトシリンダ６０のヘッド側７０に対応し、流量Ｑ３がリフトシリンダ６０のロッド側７２に対応する。Ｑ１は、システムポンプからヘッド側７０に流入する流量に等しい。この値は、ヘッド側弁Ｖlhのフローマップから算出できる。Ｑ２は、アキュムレータ６６とリフトシリンダ６０のヘッド側７０との間の流量に等しい。この流量は、アキュムレータのフローマップ、又は、減圧弁Ｖdのフローマップに基づいて算出できる。流量Ｑ３は、油槽７７に進むものであり、幅広側の弁Ｖlrのフローマップを用いることで算出できる。上述したように、ヘッド側７０に流入又は流出する流量は、Ａrで割ったＡhを掛けた、ロッド側７２に流入又は流出する流量に等しいことが判明している。従って、シリンダへ流入する流量が正符号であり、シリンダから流出する流量が負符号であると仮定すると、Ｑ１＋Ｑ２＋Ｑ３×Ａh／Ａrはゼロになる。ゼロにならない場合は、故障フラグが立てられる。その後、故障箇所が分離されると、上記方法を利用して、不良の構成部位の代わりにマップ内で使用可能な、参照流量を生成することができ、構成部位の動作続行を可能にするために、閉ループ制御アルゴリズムにおいて不良の構成部位の代わりに利用可能な、仮想信号値が生成される。
【００５３】
超過状態では、弁Ｖlrが命令されたものではない抗キャビテーション状態で動作しているかもしれないため、弁Ｖlrのフローマップに依存することができない。この状態では、弁を通る流量が算出できない。しかしながら、弁Ｖt、Ｖth、Ｖtr、Ｖlhを通る流量は、フローマップを用いて算出可能である。上述したように、Ｖtを通過する流量は、チルトシリンダ制御ノード３０及びリフトシリンダ制御ノード３２からの分岐流量に等しい。従って、弁Ｖtを通過する総流量から、弁Ｖth、Ｖtr、Ｖlrにより与えられる流量を減じることで、弁Ｖlrを通る流量の算出が可能となる。そして、この値は、故障の識別及び再構成のための、別の手段に利用される、上述した受動状態に関連した式に、代用することができる。上記方法のより詳細な説明を、以下の欄で提供する。
【００５４】
2014506967.tif 000003
・上流への流れ：供給圧力からヘッド側ワークポートへ、Q#h,lift,pump（＞０）
・下流への流れ：ロッド側ワークポートから油槽圧力へ、Q#r,lift,tank（＜０）
・一般性を失わずに、Q#h.lift.pumpは、Ps、P#h,lift、x#h,lift、或いは、フローマップQ#h.lift.pump（Ps，P#h,lift，x#h,lift）から推定される
・同様に、Q#r.lift,tank（Pt，P#r,lift，x#r,lift）
・リフトシリンダ６０の上流への流れと下流への流れとの関連性（すなわち、流入と流出とが互いの比率となる）に従い、以下の制約を受ける（負荷適応制約（Load Oriented Constraint）（ＬＯＣ））
Residual#Pass（Ps，P#h.lift，x#h.lift，Pt，P#r.lift，x#r.lift）＝
Residual（Q#h,lift,pump，Q#r,lift,tank）
：＝Q#h,lift,pump＋Q#r,lift,tank×A#h／A#r＋Q#damp＝0
【００５５】
センサ故障は、Residual（Q#h,lift,pump，Q#r,lift,tank）がゼロに等しくない場合に検知される。この点に関して、故障の虞があるセンサは、Ps、P#h.lift、x#h.lift、Pt、P#r.lift、x#r.liftを含んでいる。更に、「等しくない」は、閾値と時間窓とにより明らかになる。
・超過状態の（負荷適応制約（ＬＯＣ））は、
Residual#Overrun（Pt，P#h.lift，x#h.lift，Ps，P#r.lift，x#r.lift，Pacc，P#h.lift'，x#damp，xt，Pt，x#h,tilt，P#h.tilt，x#r.tilt，P#r.tilt）
Residual#Overrun（Q#h,lift,tank，Q#tcu#lift，Q#r,lift.pump，Q#damp）：＝
Q#h,lift,tank−（−Q#tcu#lift＋Q#r,lift,pump＋A#r/A#h×Q#damp）／（1−A#r/A#h）＝0；
のように規定される。
・故障検知：Residual#Overrunがゼロに等しくない場合に、故障が検知される。故障の虞があるセンサは、Pt、P#h.lift、x#h.lift、Ps、P#r.lift、x#r.lift、Pacc、P#h.lift'、x#damp、xt、Pt、x#h,tilt、P#h.tilt、x#r.tilt、P#r.tiltを含んでいる。
Q#h,lift,tank（Pt，P#h,lift，x#h,lift）
Q#r,lift.pump（Ps，P#r.lift，x#r.lift）
Q#damp：Q#damp＝f（Pacc，P#h,lift'，x#damp）で算出される
Q#tcu#lift：チルト動作が抗キャビテーションモードではないと仮定すると、ｔｃｕの流量Q#tcu（Pt，xt）から、チルト油槽の流量Q#tcu#tilt（Pt，x#h,tilt，P#h.tilt，x#r.tilt，P#r.tilt）を引くことで算出される。
2014506967.tif 000004
【００５６】
センサＶth、Ｖtr、Ｖlh、Ｖlrが、抗キャビテーション処理を命じられている場合は、受動状態に関連して上述した方法と同様の方法を、故障状態の確認に用いられる構成部位と、確認された故障状態を再構成するための供給方法との間の、関連性を作り出すために用いることができる。この方法は、受動状態と超過状態との両方に用いることができる。システム故障が検知され再構成されると、発生する虞のある２つ目のセンサ故障を確認するために、加算法（summing technique）を利用できる。特に、チルト制御モジュール３０とリフトシリンダ制御ノード３２とから、油槽７７へ向かう併合された流量が、弁Ｖtを通過する流量と等しくない場合に、故障が検知され、必要であれば、再構成も実行できる。
・上流への流れ：供給圧力からヘッド側ワークポートへ、Q#h,lift,pump（＞０）
・下流への流れ：ロッド側ワークポートから油槽圧力へ、Q#r,lift,tank（＜０）
・一般性を失わずに、流量を推定できる
・Q#h.lift.pumpは、Ps、P#h,lift、x#h,lift、或いは、フローマップQ#h.lift.pump（Ps，P#h,lift，x#h,lift）から推定される。
・Q#r.lift,tank（Pt，P#r,lift，x#r,lift）
・Q#dampは、P#h,lift'、P#acc、x#dampの関数である
リフトシリンダの上流への流れと下流への流れとの関連性に従い、以下の制約を受ける（負荷適応制約（ＬＯＣ））
Residual#Pass#1（Ps，P#h.lift，x#h.lift，Pt，P#r.lift，x#r.lift，P#acc，P#h,lift'，x#damp）＝
Residual#Pass#1（Q#h,lift,pump，Q#r,lift,tank，Q#damp）
：＝Q#h,lift,pump＋Q#r,lift,tank×A#h／A#r＋Q#damp＝0
センサ故障は、Residual#Pass#1がゼロに等しくない場合に検知される。「等しくない」は、閾値と時間窓とにより明らかになる。
【００５７】
2014506967.tif 000005
2014506967.tif 000006
【００５８】
2014506967.tif 000007
【００５９】
１３．オフライン故障分離
いくつかの適用例やあるシナリオの下では、本明細書の別の項に記載した方法を使用して、リアルタイムに分離できない故障状態が検知される。このような場合は、それでも、不良動作のために何れかの制御アルゴリズムを再構成すべきか否かを決定するために、故障センサを分離及び配置しなければならない。リアルタイムな分離が不可能な位置には、オフラインでの方法が利用できる。
【００６０】
図３７を参照すると、故障検知、分離、制御部の再構成（ＦＤＩＲ）のための方法６００が示されている。１つ目のステップ６０２では、制御システムにより故障が検知される。故障検知は、本明細書内に別記した如何なる方法で達成してもよい。２つめのステップ６０４では、故障をリアルタイムで分離できるか否かを決定する。分離できる場合は、本方法はステップ６０４（step 602）に移行してリアルタイムに故障を分離し、その後、ステップ６１６で制御部が再構成される。リアルタイムな故障分離と制御部の再構成とは、本明細書内に別記した如何なる方法を利用して実行してもよい。更に、ステップ６０４と６０６とは、故障を検知した上でのリアルタイムな故障分離を、制御部が最初に試すことができるという点において、同時に実行してもよく、又、故障を分離することができない場合に、制御部は、リアルタイムな故障分離が不可能であるとの決定をする。
【００６１】
制御部が故障分離ができないと決定していた場合は、オフライン故障分離処理６０８が開始される。ステップ６１０では、システムがセーフシステム状態に設定される。例えば、ホイールローダへの適用では、処理６０８でバケットが上昇位置から不意に落ちないように、バケットが地上側へ下げられる。システムのリフト制御ノードが故障していない場合は、レバーやジョイスティックの位置を適切に変えること等のような、通常の操作でバケットを下げることができる。リフト制御ノードが故障している場合は、油槽制御装置といった代わりとなるサブシステムを、バケットの下降に利用することができる。機械車両が、ジョイスティックやレバーをニュートラルと下降ポジションとの間で繰り返し動かすことで、徐々にバケットを下げる機能を備えている場合に、そのような方法を同様に使用することができる。バケットが地上側に最大に下げられると、システムがセーフ状態になる。別種の作業器具やシステム構成部位を、更に、セーフ状態に設定する必要があり得ることを、当業者は容易に理解されるであろう。例えば、別種の作業器具は、フォークリフトのフォークやテレハンドラーのブーム等である。
【００６２】
システムが一度セーフ状態になると、ステップ６１２で、制御部がオフライン分離処理を行うことができ、オフライン故障分離処理６０８が終了するステップ６１４で、当該処理による診断結果を、制御部に記録することができる。そして、この情報は、ステップ６１６での再構成のために、制御部により利用することができる。
【００６３】
図３８を参照すると、例えば図１、４、２４で示した、複数のノードを有する油圧システムにおいて、故障を分離した場合の典型的な適用に関して、オフライン分離処理６１２の詳細が示されている。しかしながら、ある特定の油圧システムには、より多くの、又は、より少数のノードが存在し得ることに注意する。図３８に示されているように、オフライン故障分離処理は、まず、ステップ６２０（step 620 node）においてリフト／チルトノードで、次に、ステップ６２２において予備の作業回路ノードで、そして、ステップ６２４において油槽制御装置ノードで、続いて、ステップ６２６において電子式負荷検知の制御ノードで、そして最後に、ステップ６２８においてブーム支持装置ノードで実行される。これらの種類の各ノードは、本明細書の別の場所に、より詳細に記載している。これらのノードを有するシステムについては、ノードを通じての故障分離の順序が、情報の利用と決定の強固さとを最大にするものであることが望ましい。
【００６４】
図３９を参照すると、ステップ６３０〜６３８を有するオフライン処理６２９が示されており、これは、ステップ６２０〜６２８に必要な、多くのオフライン診断の実行に適用可能である。詳細な説明はステップ６２０の実行に従うが、処理６２９のために記載した一般的な方法が、多くの別のシステムやノードに広く適用可能であることは、理解されるべきである。
【００６５】
ステップ６３０では、第１のワークポートに関連する制御弁へのパルス幅変調（ＰＷＭ）信号がゼロに設定され、弁のスプール位置が記録される（例えば、ｘ１、中央及びｘ２、ノードで使用されている２つの弁の中央）。スプール位置は、ＬＶＤＴセンサといった各弁の位置センサにより測定される。ステップ６３２では、ＰＷＭ信号が、スプールを弁の圧力供給側へ最大に移動するのに十分な値に設定され、スプール位置（x1,pres、x2,pres）とワークポート圧力（P1,pres、P2,pres）とが記録される。ワークポート圧力は、各弁の圧力センサにより記録される。ステップ６３４では、ＰＷＭ信号が、スプールを弁の油槽側へ最大に移動するのに十分な値に設定され、スプール位置（x1,tank、x2,tank）とワークポート圧力（P1,tank、P2,tank）とが記録される。
【００６６】
ステップ６３０〜６３４は、ノードの各ワークポート／弁に対して実行される。油圧リフト回路には、一般的に２つのワークポートがある。ステップ６３６では、供給圧力や油槽圧力（Ps、Pt）といったノードや、各弁の、スプールの機械的中心（xl,mc、x2,mc）、圧力供給側の停止位置（x1,presstop、x2,presstop）、油槽側の停止位置（x1,tankstop、x2,tankstop）に関して、追加情報を獲得する。
【００６７】
上述の情報を獲得して格納すれば、制御システムは、様々な診断データを比較することで、ステップ６３８において故障センサを分離することができる。例えば、x1,centerがx1,mcと等しくない場合、x1,presがx1,presstopと等しくない場合、又は、x1,tankがx1,tankstopと等しくない場合に、弁１のスプール位置センサが故障したと確認される。同様に、x2,centerがx2,mcと等しくない場合、x2,presがx2,presstopと等しくない場合、又は、x2,tankがx2,tankstopと等しくない場合に、弁２のスプール位置センサが故障したと確認される。第１の弁（vale）の圧力センサは、P1,presがPsに等しくなくかつP2,presがPsに等しい場合や、P1,tankがPtに等しくなくかつP2,tankがPtに等しい場合に、故障しているとして分離することができる。同様に、第２の弁の圧力センサは、P2,presがPsに等しくなくかつP1,presがPsに等しい場合や、P2,tankがPtに等しくなくかつP1,tankがPtに等しい場合に、故障となる。ここでセンサ故障が確認されなかった場合は、P1,presがP2に等しくかつP1,presがPsに等しくないときに、供給圧力センサＰｓが故障していると確認することができる。油槽圧力センサＰｔは、P1,tankがP2に等しくかつP1,tankがPtに等しくない場合に、故障しているとして分離することができる。上記の比較は、所定のエラー閾値を考慮する間に、正しいか間違っているかの評価ができる点に注意する。上述したように、オフライン分離処理の診断結果は、ステップ６１４において格納される。
【００６８】
故障センサがステップ６２０で分離された場合に、本システムは、制御部の再構成のためにステップ６１６に移行するか、或いは、更なる故障があるかを確認するために、ステップ６２２〜６２８において各ノードを通して続行してもよい。ステップ６２０で故障が分離されなかった場合に、本処理は、予備の作業回路を評価するために、ステップ６２２へ移行する。リフトノードに用いた同じ原理を予備回路に適用する際に、分離処理は、ステップ６３６〜６３８で定義したものと同一であってもよい。
【００６９】
ステップ６２４での油槽制御装置の評価については、ステップ６２０及び６２２での、供給圧力センサと油槽圧力センサとが故障しているか否かの評価から、既に明らかである。従って、ステップ６２０及び６２２は、故障センサのクロス検証を提供することで、診断評価の強固さを増大させる。このため、供給及び油槽圧力センサの更なる試験の実行は、たとえそれらが油槽制御装置と関係し得るものであり、提供された場合でも、必要ではない。油槽制御装置に制御弁が備えられている場合に、弁位置センサの故障分離処理は、ステップ６３６〜６３８に略述したものと同様である。
【００７０】
ステップ６２６での電子式負荷検知制御システムの評価に関して、ステップ６３６〜６３８に類似した処理は、弁に出力されるＰＷＭを、作業及び操縦回路内の各弁のために様々な値に設定することにより、故障したスプール位置センサの分離に利用することができる。電子式負荷検知制御システム（ＥＬＫ）が、図２４に示されていることを留意する。作業回路の圧力センサ（Ｐ４）については、ＰＷＭが弁のスプールを高待機位置に駆動し、かつ、作業回路の負荷検知圧力がリリーフ弁の圧力に等しくない場合に、作業回路の負荷検知圧力センサ（Ｐ４）を、故障しているとして分離することができる。更に、このセンサは、ＰＷＭが弁のスプールを低待機位置に駆動し、かつ、作業回路の負荷検知圧力センサが排出圧力に等しくない場合に、故障となる。上記２つの診断後に、作業回路の負荷検知圧力センサが故障していると判明していないが、検知圧力とポンプのマージンとの和が、システム供給圧力Ｐｓに等しくない場合は、作業回路の負荷検知圧力センサＰ４を、故障しているとして分離することができる。
【００７１】
電子式負荷検知制御システムの操縦回路の分析は、作業回路のものと類似している。ＰＷＭがスプールを高待機位置に駆動し、かつ、操縦回路の負荷検知圧力がリリーフ弁の圧力に等しくない場合に、操縦回路の負荷検知圧力センサＰ３が故障している。更に、操縦回路の負荷検知圧力とポンプのマージンとの和が、優先弁の出口での圧力に等しくない場合は、操縦回路の負荷検知圧力センサＰ３が故障していることと、優先弁の出口の圧力センサＰ１が故障していることとの、どちらか一方と判断することができる。ＰＷＭがスプールを低待機位置に駆動している場合と、操縦回路の負荷検知圧力Ｐ３が、油圧操縦装置より後のセンサＰ２での検知圧力に等しくない場合とは、少なくとも、Ｐ２とＰ３との一方が故障していると判断することができる。
【００７２】
ステップ６２８におけるブーム支持装置（ＢＳＳ）へのオフライン分離処理については、備えられたアキュムレータ装置のためにいくつかの変更を加えた、ステップ６３０〜６３８で説明した処理と大体において類似した処理を用いて、本システム内の蓄圧弁と減圧弁との圧力及び位置センサを評価することができる。命じられたＰＷＭによる位置の各々については、ＢＳＳのアキュムレータ圧力が記録される。ＰＷＭの命令が、蓄圧弁を圧力供給側の位置に移動する場合は、アキュムレータの圧力が供給圧力に等しくなければならない。ＰＷＭの命令が、蓄圧弁を油槽側の位置に移動する場合は、大抵は小さな値ではあるが、アキュムレータの圧力が排出圧力に等しくなければならない。２つの弁位置のどちらかで等しさが失われ、上記の評価結果から供給圧力センサが問題ない場合は、ＢＳＳのアキュムレータの圧力センサを、故障しているとして分離できる。
【００７３】
ＢＳＳ内の減圧弁については、説明した一般的な方法を適用できる。スプールがばね付勢式である場合は、０％と１００％との２つのＰＷＭ値のみが必要である。スプールは、２つの最端位置に別々に移動することとなる。記録したセンサ値は、制御部に格納された予め測定した数と比較することができる。数が一致しない場合は、減圧弁の位置センサが故障していると判定することができる。減圧弁が全開位置にあり、アキュムレータの圧力センサが故障していると判明していない場合は、減圧弁に関連する圧力センサを、その出力値がアキュムレータの圧力センサと一致せず、故障しているとして、分離することができる。
ステップ６２０、６２２、６２４、６２６、及び、６２８が適切に完了すると、オフライン分離処理が完了となり、診断結果を制御部に記録することができる。この時点で、オフライン分離処理のステップ６０８が完了となり、ステップ６１６で実行される再校正ステップに従い、本システムは通常作動に戻ることができる。
【００７４】
１４．低流量状態での再構成
いくつかの適用例やあるシナリオの下では、流量の推定（つまり、仮想の流量計器を構築する）によって分析的な冗長性を提供するための計算は、とても低い流量における弁の位置と油圧力とには、不十分な値を与えることとなる。これは主に、弁の、ある流入量又は流出量以下で、流量と油圧力と弁の位置との間の適切な相関性が失われることによるものである。このため、説明した流量推定方法は、弁を通る流量の特定の中立帯内には適用できない。
【００７５】
流量が低流量の中立帯内にあるときの、弁位置や油圧力の、より適切な推定を提供するための解決法は、その状態における位置と流量との推定に、代わりの方法を利用する、作動の低流量モードを定めることである。
【００７６】
作動の低流量モードでは、弁の推定位置を提供する１つの方法が、図４０に示されているように、正の閾値と負の閾値とを有する流量閾値帯を定める。この方法は、要求流量と閾値帯の境界との間の関係に従い、３つの異なる弁の推定位置を提供することができる。例えば、要求流量が正の閾値以上である場合に、弁の位置は、中立帯の正の流量境界に対応する決まった値として推定することができる。同様に、要求流量が負の閾値以下である場合に、弁の位置は、中立帯の反対側の境界上にある決まった値として推定することができる。要求流量が正と負の閾値の間（すなわち、閾値帯内）にある場合に、弁へのＰＷＭ信号は、弁の制御されない動作を回避するために無効になることがあり、弁の位置はゼロであると推定できる。
【００７７】
作動の低流量モードでの位置推定は、弁のチャタリングを回避するために作動モード間にヒステリシスを持たせることにより、更に性能を高めることができる。更に、位置エラーの感知を増大し、かつ、低流量モードを出る際のシステム速度を改善するために、設定可能なオフセット値を、マップ端から提供することができる。このオフセット値は、流量要求の関数として決定又は設定することができる。例えば、適用に応じて流量を増加させる又は減少させるように、低くするオフセット値を与えることができる。更に、チャタリング防止のために、オフセット値にヒステリシスを持たせてもよい。
【００７８】
低流量モードでは、弁のポペットが閉められていると仮定でき、又、圧力がどんな値にもなり得ると仮定できる。圧力の一方の推定は、単に油槽圧力であってもよい。圧力の他方の推定は、供給圧力から圧力のマージンを引いたものであってもよい。システムのどのセンサが故障しているかに依存して、一方又は他方を用いることが望ましい。例えば、故障したロッド側センサについては、こちら側の作動部が、超過負荷に対して出力側になることが決してないため、推定圧力値として油槽圧力を用いることが好ましい。同様に、負荷を落とす虞がない。しかしながら、この値が制御システム内で受動的に作られなかった場合に、システムは、低流量作動モードから移行することはない。故障センサがヘッド側の圧力センサである場合に、推定値は、システム圧力から圧力マージンを引いた値に等しく設定するべきである。この推定は、下方向への超過負荷を仮定することと等価であり、負荷の落下がないことを保証する。作業の実行が、下方向への超過負荷を決して含まないと仮定される。しかしながら、ロッド側から負荷が加えられることがある適用においては、圧力値に対してどの推定を用いるかという選択が、上術の場合と反対になるであろう。更に、どの推定を圧力センサに用いるかを決定する基準は、要求流量の方向に依存する。
【００７９】
１５．負荷検知ポンプの適用に対する故障検知、分離、及び、再構成
図２４を参照すると、油圧システム５００の概略的な回路図が示されている。図示のように、油圧システム５００は、操縦回路５０２と作業回路５２０とを有している。操縦回路５０２は、システムに設置された、ステアリングホイール、ジョイスティック、或いは、自動ＧＰＳ等を介して、油圧システムの作動による車両の操縦を可能にするためのものである。作業回路５２０（Work circuit 504）は、シリンダや油圧モータといった油圧作動部により実行することができる、あらゆる様々な作業種類の機能を可能にするためのものである。例えば、作業回路５２０は、リフト機能、チルト機能、延伸機能、かつ／又は、横移動機能を有するテレハンドラー車両の、油圧作動部の操作に利用することができる。
【００８０】
図示のように、操縦回路５０２は、油圧操縦装置５０６に加圧した油圧液を供給する操縦回路ポンプ５０４を有している。ポンプ５０４から油圧操縦装置５０６への、油圧液の圧力と流量とは、当業界において既知のいくつかの油圧構成部位を介して制御される。図示の形態において、これらの構成部位は、パイロット式の主要段階弁５１０、ソレノイド式の導入段階弁５１２、及び、ポンプ５０４へ負荷検知圧力を提供するためのシャトル弁５１４である。更に、操縦回路５０２は、ポンプ５０４からの油圧力の超過分が利用可能であり必要である場合に、作業回路５２０に油圧力を分配するための、優先弁５０８を含んでいる。
【００８１】
図示のように、作業回路５２０は、負荷作業回路５２４に油圧力を供給する作業回路ポンプ５２２を有している。負荷作業回路５２４は、簡素化の目的で固定オリフィスとして概略的に示されている。しかしながら、負荷作業回路５２４が、１つの或いは複数の動的な負荷作業回路を含み得ることは、理解されるべきである。例えば、負荷作業回路５２４は、図４に示した回路の一部又は全てを含んでいてもよい。ポンプ５２２から負荷作業回路５２４への、油圧液の圧力と流量とは、当業界において既知のいくつかの油圧構成部位を介して制御される。図示の形態では、パイロット式の主要段階弁５２６と、ソレノイド式の導入段階弁５２８（a solenoid-operated pilot stage valve 512）とが提供されている。
【００８２】
更に、操縦回路５０２と作業回路５２０とは、油圧システム５００の制御を最善の状態で行うために有用な、いくつかのセンサを含んでいてもよい。操縦回路５０２については、優先弁５０８の後に第１の圧力センサＰ１が付与され、油圧操縦装置５０６の後に第２の圧力センサＰ２が付与され、シャトル弁５１４の後に第３の圧力センサＰ３が付与されている。更に、ＬＶＤＴセンサといった位置センサＸ１が、主要段階弁５１０に付与されている。作業回路５２０については、負荷作業回路５２４の上流に第４の圧力センサＰ４が付与され、主要段階弁５２６の後に第５の圧力センサＰ５が付与されている。更に、ＬＶＤＴセンサといった位置センサＸ２が、主要段階弁５２６に付与されている。
【００８３】
更に、油圧システム５００は、電子制御部５５０を有している。電子制御部５５０は、一時的な記憶用ではない記憶媒体５５２と、プロセッサ５５４と、一時的な記憶用ではない記憶媒体に格納され、プロセッサにより実行できる、１つ以上の制御アルゴリズム５５６とで構成されている。更に、電子制御部５５０は、監視制御部と、かつ／又は、車両制御システムの他のノード内の制御部と、通信可能に構成されており、本明細書の他の箇所で「ＥＬＫ」制御部又はノードとして示されている。ポンプ５０４、５２２を最適に制御するために、上述したセンサＰ１〜Ｐ４及びＸ１〜Ｘ２を、弁５１２及び５２８へのソレノイド出力の制御信号や、ポンプ５０４、５２２への出力信号になり得るものとして、制御部５５０と通信可能に設置してもよい。ある形態において、制御部に対する制御アルゴリズムは、ポンプ５０４、５２２が、夫々、回路５０２、５２０に独立的に従事する非分配モードと、ポンプ５０４が作業回路５２０に補助的に油圧力を提供する分配モードとの間で、電子制御部に油圧システムの制御を許容するように構成されている。
【００８４】
故障検知
油圧システム５００が十分に作動していることを保証するために、電子制御部５５０は、システム内の故障状態を、連続的又は周期的に監視するように構成されていてもよい。正確ではなく、実際の作動状態を反映していない、かつ／又は、システムが必要な性能レベルに達していないことを示す信号を、センサが制御部５５０に対して提供した場合に、故障が発生する虞がある。センサの共通の故障種類は、ノイズ、上限側の範囲外、下限側の範囲外、スタック状態、高めるオフセットでの追従、低めるオフセットでの追従、である（図８〜１１参照）。これらの種の故障は、圧力及び位置の両センサに当てはまる。これらの種の故障を検知可能な１つの方法は、一般的な故障信号を出力する、制御部内の状態を定めることである。この種の多くの状態は、故障検知に有用に定めることができる。
【００８５】
以下の段落では、制御部５５０によって故障検知のために利用することができる潜在的な状態の、非専属的で典型的なリストを構成する、１５個の典型的な状態を定めている。
【００８６】
第１の故障状態Ｃ１は、弁５２６への要求位置（Ｘ＿ｄｅｓ）と、センサＸ２からの受信信号との間の、差分の絶対値が、上限エラー値を所定期間超えていた場合に検知することができる。例えば、上限エラー値が５０μｍであり、所定期間が０．５秒である場合は、ａｂｓ（Ｘ＿ｄｅｓ−Ｘ２）＞５０が０．５秒以上続くときに、故障が検知されることとなる。
【００８７】
第２の故障状態Ｃ２は、センサＸ２の信号に基づく弁５２６の算出速度（ＶＥＬ＿１）と、弁５２８へのＰＷＭ出力信号に基づく弁５２６の算出速度（ＶＥＬ＿２）との間の、差分の絶対値が、上限値を所定期間超えていた場合に検知することができる。例えば、上限エラー値がＹ１であり、所定期間が０．５秒である場合は、ａｂｓ（ＶＥＬ＿１−ＶＥＬ＿２）＞Ｙ１が０．５秒以上続くときに、故障が検知されることとなる。
【００８８】
第３の故障状態Ｃ３（A third fault condition C2）は、Ｐ４における圧力からＰ５における圧力と圧力マージンとを引いた絶対値が、上限エラー値を所定期間超えていた場合に検知することができる。例えば、圧力マージンが１５バール（１，５００ｋＰａ）であり、上限エラー値が３バール（３００ｋＰａ）である場合は、ａｂｓ（Ｐ４−Ｐ５−１５）＞３が０．５秒以上続くときに、故障が検知されることとなる。
【００８９】
第４の故障状態Ｃ４は、Ｐ４における圧力が、Ｐ５における圧力よりも低い場合に検知することができる。例えば、Ｐ４＜Ｐ５（P4>P5）がいくらかの時間続くときに、故障が検知されることとなる。
【００９０】
第５の故障状態Ｃ５は、要求圧力（Ｐ＿ｄｅｓ）とＰ４における圧力との間の差分が、上限エラー値を所定期間超えていた場合に検知することができる。例えば、上限エラー値が３バール（３００ｋＰａ）であり、所定期間が０．５秒である場合は、ａｂｓ（Ｐ＿ｄｅｓ−Ｐ４）＞３が０．５秒以上続くときに、故障が検知されることとなる。
【００９１】
第６の故障状態Ｃ６は、弁５１０への設計位置（Ｘ＿ｄｅｓ）と、センサＸ１からの受信信号との間の、差分の絶対値が、上限エラー値を所定期間超えていた場合に検知することができる。例えば、上限エラー値が５０μｍであり、所定期間が０．６秒である場合は、ａｂｓ（Ｘ＿ｄｅｓ−Ｘ１）＞５０が０．６秒以上続くときに、故障が検知されることとなる。
【００９２】
第７の故障状態Ｃ７は、センサＸ１の信号に基づく弁５１０の算出速度（ＶＥＬ＿１）と、弁５１２へのＰＷＭ出力信号に基づく弁５１０の算出速度（ＶＥＬ＿２）との間の、差分の絶対値が、上限エラ−値を所定期間超えていた場合に検知することができる。例えば、上限エラー値がＹ２であり、所定期間が０．５秒である場合は、ａｂｓ（ＶＥＬ＿１−ＶＥＬ＿２）＞Ｙ２が０．５秒以上続くときに、故障が検知されることとなる。
【００９３】
第８の故障状態Ｃ８は、Ｐ３における圧力が、Ｐ２における圧力よりも低い場合（Ｐ３＜Ｐ２（P3>P2））に検知することができる。例えば、Ｐ３＜Ｐ２（P3>P2）がいくらかの時間続くときに、故障が検知されることとなる。
【００９４】
第９の故障状態Ｃ９は、Ｐ３における圧力と、Ｐ２における圧力と圧力マージンとの合計との差分が、上限エラー値を所定期間超えていた場合に検知することができる。例えば、圧力マージンが８バール（８００ｋＰａ）、上限エラー値が２バール（２００ｋＰａ）、所定期間が０．５秒である場合は、（Ｐ３−Ｐ２＋８）＞＝２が０．５秒以上続くときに、故障が検知されることとなる。
【００９５】
第１０の故障状態Ｃ１０は、Ｐ３における圧力と圧力マージンとの和が、所定期間、Ｐ１における圧力以下である場合に検知することができる。例えば、圧力マージンが１５バール（１，５００ｋＰａ）であり、所定期間が０．２秒である場合は、（Ｐ３＋１５）＜＝Ｐ１が０．２秒以上続くときに、故障が検知されることとなる。
【００９６】
第１１の故障状態Ｃ１１は、Ｐ３における圧力に、圧力マージンを足して、Ｐ１における圧力を引いた絶対値が、所定期間、上限エラー値以上である場合に検知することができる。例えば、圧力マージンが１５バール（１，５００ｋＰａ）、上限エラー値が５バール（５００ｋＰａ）、所定期間が０．２秒である場合は、ａｂｓ（Ｐ３＋１５−Ｐ１）＜＝５が０．２秒以上続くときに、故障が検知されることとなる。
【００９７】
第１２の故障状態Ｃ１２は、Ｐ１における圧力からＰ２における圧力を引き、更に圧力マージンを引いた値が、所定期間、ゼロよりも低い場合に検知することができる。例えば、圧力マージンが１５バール（１，５００ｋＰａ）であり、所定期間が０．２秒である場合は、（Ｐ１−Ｐ２−１５）＜０が０．２秒以上続くときに、故障が検知されることとなる。
【００９８】
第１３の故障状態Ｃ１３は、Ｐ１における圧力が、上限圧力値よりも高い、或いは、下限圧力値よりも低い、すなわち、圧力信号が範囲外である場合に、検知することができる。例えば、上限圧力値が３００バール（３０，０００ｋＰａ）であり、下限圧力値が０バール（０Ｐａ）である場合は、Ｐ１＞３００又はＰ１＜０であるときに、故障が検知されることとなる。
【００９９】
第１４の故障状態Ｃ１４は、Ｐ２における圧力が、上限圧力値よりも高い、或いは、下限圧力値よりも低い、すなわち、圧力信号が範囲外である場合に、検知することができる。例えば、上限圧力値が３００バール（３０，０００ｋＰａ）であり、下限圧力値が０バール（０Ｐａ）である場合は、Ｐ２＞３００又はＰ２＜０であるときに、故障が検知されることとなる。
【０１００】
第１５の故障状態Ｃ１５は、Ｐ３における圧力が、上限圧力値よりも高い、或いは、下限圧力値よりも低い、すなわち、圧力信号が範囲外である場合に、検知することができる。例えば、上限圧力値が３００バール（３０，０００ｋＰａ）であり、下限圧力値が０バール（０Ｐａ）である場合は、Ｐ３＞３００又はＰ３＜０であるときに、故障が検知されることとなる。
【０１０１】
上述したような、あらゆるナンバーの故障状態を、油圧システム５００のために規定してもよい。更に、図２５に示されているような、制御部５５０内の図表又はマトリクス表５６０に、故障状態を格納してもよい。図表５６０の詳細な例を、図２６に示している。故障状態が規定された場合に、適切な故障状態のコードが生成されるように、このマップを制御部５５０により参照することができる。
【０１０２】
故障分離
故障状態が検知され、故障コードが生成されると、故障発生の要因であるセンサを、油圧システム５００に関連する車両の通常作動中に、中断することなく分離することができる。１つのセンサのみが特定の故障状態コードに関連しており、かつその特定の故障状態が故障を示すための唯一の状態である場合は、要因となるセンサが容易に明らかになる。例えば、故障状態Ｃ１３、Ｃ１４、Ｃ１５のみが検知された場合は、センサＰ１、Ｐ２、又は、Ｐ３についての故障を、夫々、分離できることが確認できる。しかしながら、故障状態が複数のセンサに関連する場合、かつ／又は、複数の故障状態が検知された場合は、故障分離がより複雑になる。更に、１つのセンサからのある種のセンサ故障は、複数の故障状態を誘発する虞がある。
【０１０３】
図２５を参照すると、１次故障分離マトリクス５６２、５６４が示されている。これらのマトリクスは、センサ故障（例えば、Ｐ１〜Ｐ５及びＸ１〜Ｘ２に関する故障）と、所定の故障状態コード（例えば、Ｃ１〜Ｃ１５）とを、互いに関連付けるものである。マトリクス５６２とマトリクス５６４との詳細な例を、夫々、図２６と２７とに示している。各センサについて、ノイズ、上限側の範囲外、下限側の範囲外、スタック状態、高めるオフセットでの追従、及び、低めるオフセットでの追従による故障を示している。本システムが、構成として、非分配フローモード（マトリクス５６２）と、センサ間の関係が変わる分配フローモード（マトリクス５６４）とで動作することができるため、異なる２つの１次マトリクスが利用される。このため、制御部５５０は、油圧システム５００の現在の作動モードに基づいて、適切なマトリクスを参照することとなる。互いに影響するシステムとサブシステムとの数に基づいて、より少ない、又は、より多い１次故障分離マトリクスを提供してもよく、又、本明細書が２つのマトリクスの利用に制限するものではないことは、注意すべきである。
【０１０４】
１次マトリクスを利用すると、故障状態が検知された場合に、特定の故障を識別することができる。例えば、上述したように、状態Ｃ１３のみが検知された場合に、マトリクスは、センサＰ１が故障の要因であることを示す。マトリクスで確認した故障状態と共に、センサレベルの故障検知（本明細書の他の箇所で述べた）を利用することで、故障の性質に関する更なる分析を提供することができる。
【０１０５】
しかしながら、他のケースでは、より厳密な分析が求められる。例えば、システムが非分配フロー作動モードであり、故障状態Ｃ１１又はＣ１２が検知された場合は、操縦回路に関連する４つのセンサ、Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３、Ｘ１のうちの、どのセンサによる故障もあり得ることが分かる。複数の故障状態が同時に検知された場合は、分析がより複雑になる。このため、１次故障分離マトリクスは、どのように故障状態が検知されたのかに依存して、特定の故障を分離できない虞がある。このような状態が存在する場合は、更なる分析が必要となる。
【０１０６】
図２５を参照すると、非分配及び分配フローモードの夫々についての、２次故障分離マトリクス５６６、５６８が提供されている。マトリクス５６６の詳細な例を、図２９に見出すことができると共に、マトリクス５６８の詳細な例を、図３０に見出すことができる。２次故障分離マトリクスは、１次故障分離マトリクスにより分離できなかった故障を、故障状態コード（例えば、Ｃ１〜Ｃ１５）と、検知された故障状態の異なるパターンから成る複数のシナリオとを関連付けることで、分離するためのものである。具体例で示しているように、異なる故障パターンの１３のシナリオが含まれている。しかしながら、より少ない、又は、より多い潜在的な故障パターンの範囲を提供するために、より多い、又は、より少ないシナリオを含んでいてもよいことは、理解されるべきである。
【０１０７】
システム内の既知の故障を有する様々な状態下で、システムを操作することにより、或いは、作ることにより、故障状態の特定のパターンを、特定のセンサ故障に関連付けることができる。例えば、特に図２９については、故障状態Ｃ８、Ｃ９、Ｃ１１、Ｃ１２、Ｃ１４が検知されており、センサＰ２に関する故障状態に関連付けられている状態を、シナリオ２が反映していることが分かる。従って、同じパターンの検知された故障状態をマトリクスが含んでいる場合に、１次分離マトリクスによる分離が確定していないいくつかの故障を、マトリクス５６６、５６８によって分離することができる。１次故障分離マトリクス５６４、５６５の利用によってどの故障が分離できるのか、についてのシナリオを、マトリクス５６６と５６８とが含まないことに注目する。
【０１０８】
上述した方法の利用により故障が分離できない場合は、オフライン故障分離処理を実行してもよい。図２４に示した油圧システム１００についてを含む、油圧システムに対するオフライン故障分離についての詳述は、本明細書の別の箇所に示している。従って、油圧システム１００に対する故障検知と再構成とは、この項で説明したリアルタイム分離方法と、別の箇所で説明したオフライン方法との何れかと共に実行される。更に、リアルタイム分離方法を最初に使用してもよく、そして、解決されないことが分かった場合に、次に、オフライン方法を使用してもよい。更に、上述した故障分離マトリクスと共に、或いは、当該マトリクスの代わりに、剰余に基づく分離方法（例えば、図２２及び２３参照）を使用してもよい。
【０１０９】
再構成
一度、故障が検知及び分離されると、故障したセンサの悪影響を軽減できるように、油圧システム５００の制御部５５０に格納されている、ノミナル制御アルゴリズムの再構成が可能になる。ある形態では、分析的な冗長性（本明細書の別の項で詳細に述べた）が、故障したセンサへの仮想信号を生成するために利用される。この仮想信号は、制御部５５０に含まれるノミナル制御アルゴリズムにおいて、代替値として利用することができる。ある形態では、ノミナル制御アルゴリズムが、故障したセンサに関連する値に依存しない、再構成された制御アルゴリズムに置き換えられる。
【０１１０】
ある形態では、図３１に示されているように、操縦回路を制御するための、第１のノミナル制御アルゴリズム５７０が、制御部５５０に格納されている。アルゴリズム５７０は、操縦回路５０２に関連するセンサについての故障が検知されなかった場合に利用される。以下の段落では、様々な故障状態に基づき、ノミナル制御アルゴリズムに対する潜在的な再構成について説明する。
【０１１１】
図３１をなお参照すると、第１の再構成された制御アルゴリズム５７２が示されている。センサＰ２についての故障状態が検知されて分離された場合に、操縦回路のノミナル制御アルゴリズム５７０は、センサＰ２への入力値に明示的に依存するペル方程式のような、不適切な制御を提供することとなる。従って、センサＰ２への入力値に依存しない、第１の再構成された制御アルゴリズム５７２は、ノミナル制御の代わりに、操縦回路の制御に利用することができる。この場合、操縦回路５０２は、再構成された状態で作動している。
【０１１２】
センサＰ３についての故障状態が検知されて分離された場合は、ノミナル制御アルゴリズム５７０を、図３１（Figure 107）に示すような第２の再構成された制御アルゴリズム５７４に置き換えてもよい。第２の再構成された制御アルゴリズム５７４は、センサＰ３への値に明示的に依存せず、従って、センサＰ３についての故障の場合に、操縦回路５０２に対して、よりよい成果を提供することとなる。
【０１１３】
センサＸ１についての故障状態が発生した場合は、第３の再構成された制御アルゴリズム５７６を利用することができる。アルゴリズム５７６は、アルゴリズム５７０に対する制御と同じ制御を用いることができるが、応答時間がより遅くなる。或いは、再構成されたアルゴリズム５７６は、操縦回路５０２を、より低いレベルの機能性を提供するが、操縦の安定性と性能とのより優れた保証を有する、低待機モードにすることができる。センサＰ１についての故障状態が発生した場合は、再構成が必要ではなく、ノミナル制御アルゴリズム５７０を続けて利用することができる。具体例に示されている、このセンサについての再構成は、ノミナルアルゴリズム５７０において、信号からの出力が可変ではないため、必要ではない。任意の数の再構成された制御アルゴリズムを、制御部５５０に配置することができ、又、特定の再構成された制御アルゴリズムの使用が、制御部５５０内で定義することができる変数の数と状態とに基づいてもよいことに注目する。
【０１１４】
更に、センサＰ４又はＸ２についての故障が検知されて分離された場合に、作業回路５０４は、ノミナル制御の代わりに、再構成された制御アルゴリズムを利用することができる。図３２を参照すると、作業回路のノミナル制御アルゴリズム５８０が示されている。センサＰ５についての故障が検知されて分離された場合は、第４の再構成された制御アルゴリズム５８２を利用することができる。センサＰ５についての故障に再構成は必要ではないが、ポンプのマージン値と組み合わせたセンサＰ４からの値は、Ｐ５に対する推定値を与える代替手段を提供するために、ＤＰ方程式内で使用することができる。この再構成方法は、通常動作中に達成される時間に近い応答時間を提供することとなる。
【０１１５】
センサＸ２についての故障が検知されて分離された場合は、第５の再構成された制御アルゴリズム５８４を利用することができる。アルゴリズム５８４は、同様のペル方程式の計算を含んでいるが、Ｘ２に対する値が、推定アルゴリズムの使用により推定される。ある形態では、推定アルゴリズムが、離散微分係数の算出、流量の推定、面積の推定、及び、面積と位置とを関連付けるためのマップの利用を含んでいる。推定の計算は制御システム内に時間遅延を招くため、制御を高めるためにスミス予測器を利用してもよい。センサＸ２への値を推定するために、アルゴリズム５８４において、当業界において既知の他の様々な推定アルゴリズムを利用してもよい。
【０１１６】
図３３〜３６を参照すると、上述した故障検知、分離、再構成の方法の結果を示す、グラフの例が提供されている。図３３〜３６に示されているグラフは、センサＸ２について発生した故障に関するものである。図３３は、故障が検知されずに、制御アルゴリズム５８０に依存した、通常動作を示している。図３４は、１．２５秒で発生した故障を示しており、アルゴリズム５８０がまだあるときに、制御性能が著しく低下したことが分かる。図３５は、制御部５５０が、センサＸ２についての故障を検知して分離しており、更に、推定アルゴリズムの使用によりＸ１が推定される制御アルゴリズム５８４に従って、動作を変化させた、高性能の状態を示している。図３６は、推定アルゴリズムが、更にスミス予測器の利用を含んだ場合の、更に性能が高められた状態を示している。
【０１１７】
容易に理解できるように、上述した故障検知、分離、及び、再構成の方法は、故障が発生したモードと同じモードで動作を続けるシステムと比較して、故障状態における性能を著しく改善することができる。更に、この方法は、工程のどんな最中であっても車両動作が中断されない、リアルタイムな解決法を提供する。更に、異なる再構成アルゴリズムが、同一のセンサ故障に対して定義でき、かつ、分配フロー及び非分配フローモードといった、異なる作動モード内で利用できることが注目される。
【符号の説明】
【０１１８】
２０：ＦＤＩＲアーキテクチャ、２２：ホイールローダ、２４：監視制御部、２６：主制御部、２８：ポンプ制御ノード、３０：チルトシリンダ制御ノード、３２：リフトシリンダ制御ノード、３４：ブーム支持装置制御ノード、３６：油槽制御装置ノード、４０：ノード、４２：構成部位、４６：センサ、４８：システム構成部、５８：ブーム、６０：リフトシリンダ、６２：バケット、６４：チルトシリンダ、６６：アキュムレータ、７７：システム油槽、１３０、１４０：センサ信号、２００：故障分離アーキテクチャ、２０２：油圧作動部、２１６：センサ、２２０：ヘッド側弁、２２２：ロッド側弁、２２４：制御部、２２６：ヘッド側圧力センサ、２２８：ロッド側圧力センサ、２３０：ヘッド側弁位置センサ、２３２：ロッド側弁位置センサ、３２４：スプール位置センサ、３２６：圧力センサ、Ｘth、Ｘtr、Ｘlh、Ｘlr：弁位置センサ、Ｐth、Ｐtr、Ｐlh2、Ｐlr、Ｐa、Ｐlh1、Ｐt：圧力センサ、Ｘt：位置センサ、Ｑr：ロッド側流量、Ｑh：ヘッド側流量、５００：油圧システム、５０２：操縦回路、５２０：作業回路、５５６：制御アルゴリズム
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７Ａ】
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【図２７Ｂ】
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【図２８Ａ】
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【図２８Ｂ】
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【図２８Ｃ】
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【図２８Ｄ】
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【図２９】
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【図３０】
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【図３１】
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【図３２】
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【図３３】
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【図３４】
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【図３５】
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【図３６】
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【図３７】
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【図３８】
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【図３９】
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【図４０】
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【国際調査報告】
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