JP2004291898A

JP2004291898A - Inclination control device of carbody, inclination control method of carbody and railway rolling stock

Info

Publication number: JP2004291898A
Application number: JP2003089666A
Authority: JP
Inventors: Masako Kamiyama; 雅子神山; Kimiaki Sasaki; 君章佐々木; Mamoru Enomoto; 衛榎本; Shogo Kamoshita; 庄吾鴨下; Akimichi Tsujino; 昭道辻野; Yasutaka Maki; 康隆真木
Original assignee: Railway Technical Research Institute
Current assignee: Railway Technical Research Institute
Priority date: 2003-03-28
Filing date: 2003-03-28
Publication date: 2004-10-21
Anticipated expiration: 2023-03-28
Also published as: JP4105575B2

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To control inclination of a carbody to certainly improve driving comfortability. <P>SOLUTION: This inclination control device 26 of the carbody 3 is furnished with an arithmetic processing part 28 to decide a target value of inclination of the carbody 3 and a working part 25 to incline the carbody 3. The arithmetic processing part 28 carries out data acquisition processing to acquire a non-travelling track data and arithmetic processing made of function deciding processing and target value deciding processing. An evaluation function as a function having the target value of inclination as a variable is decided in accordance with a scheduled travelling condition and the non-travelling track data in the function deciding processing. The target value is decided so that an integrated value of the evaluation function is included in a specified range in the target value deciding processing. The carbody 3 is inclined so as to match the target value decided by the target value deciding processing of the arithmetic processing part 28. <P>COPYRIGHT: (C)2005,JPO&NCIPI

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、鉄道車両が線路の曲線部を走行する際の車体の傾斜角度を制御する車体の傾斜角度制御装置、車体の傾斜角度制御方法及び鉄道車両に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、振子式の鉄道車両は線路の曲線部を走行する際には乗り心地を悪化させないよう車体を曲線部の内側に傾斜させるようになっており、このような車体の傾斜方式としては自然振子方式と制御付き振子方式とが知られている。自然振子方式は遠心力によって車体を自然に振れさせるものであり、制御付き振子方式は走行速度や線路形状に応じて車体の傾斜角度を制御するものである。これらの方式のうち、制御付き振子方式としては、所定時間経過後に走行するべき未走行区間の線路の形状を予見して車体の傾斜角度の目標値を事前に決定し、この目標値に合わせて車体の傾斜角度を制御する予見制御方式が広く採用されている（例えば、特開昭６１−１０８０５３号公報）。
【０００３】
このような予見制御方式の鉄道車両は、線路形状に関するデータベースを内部に備えており、未走行区間の線路形状に関する未走行線路データをデータベースから取得し、この未走行線路データに基づいて車体の傾斜角度を制御している。
【０００４】
ところで、近年、乗客による主観的な乗り心地評価を推定するために種々の評価指標が提案されている。これらの評価指標は、乗り心地と相関の高い振動特性の測定結果に基づいて算出されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００５】
【特許文献１】
特開２００１‐２５５２４２号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、これらの評価指数は振動特性の測定結果から乗り心地評価を推定するものであって乗り心地評価を予見可能とするものではないため、このような評価指数を用いて上記予見制御方式の鉄道車両における車体の傾斜角度の制御を行うことはできなかった。そのため、鉄道車両が線路の曲線部を走行した際に乗客が乗り心地の悪さを感じる場合が生じていた。
【０００７】
本発明の課題は、乗り心地を確実に向上させるように車体の傾斜角度を制御することができる車体の傾斜角度制御装置、車体の傾斜角度制御方法及び鉄道車両を提供することである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
請求項１記載の発明は、鉄道車両における車体の傾斜角度制御装置であって、線路全体の形状に関するデータベースから未走行区間の線路の形状に関する未走行線路データを取得するデータ取得処理と、前記車体の傾斜角度の目標値を決定する演算処理とを行う演算処理部と、
前記演算処理によって決定された前記目標値に合わせて前記車体を傾斜させる動作部とを備え、
前記演算処理は、前記未走行区間の線路上を前記鉄道車両が走行する際の前記車体の乗り心地の評価指標を推定するための評価関数を、前記未走行区間の線路上における予定走行条件と前記未走行線路データとに基づき、前記車体の傾斜角度の目標値を変数に有する関数として決定する関数決定処理と、前記評価指標の値が所定の範囲内に含まれるように前記目標値を決定する目標値決定処理とを有することを特徴とする。
【０００９】
請求項１記載の発明によれば、演算処理部は、乗り心地の評価指標を推定するための評価関数を、車体の傾斜角度の目標値を変数に有する関数として決定するので、評価関数の値、つまり評価指標の推定値が所定の範囲内に含まれるように車体の傾斜角度の目標値を事前に決定することができる。従って、車体の傾斜角度を事前に制御する場合であっても、従来と異なり、実際に未走行区間の線路を鉄道車両が走行した際の乗り心地を確実に向上させることができる。
なお所定の範囲とは、一つの値のみからなるものであっても良い。
【００１０】
請求項２記載の発明は、請求項１記載の車体の傾斜角度制御装置において、
前記演算処理部は、前記未走行区間の線路上を前記鉄道車両が走行するよりも前に、前記目標値を決定することを特徴とする。
【００１１】
請求項２記載の発明によれば、未走行区間の線路上を鉄道車両が走行するよりも前に前記目標値が決定されるので、動作部は、車体が傾斜した状態となる時点を遅らせることなく、線路の形状の変化に合わせて確実に車体を傾斜させ、乗り心地を向上させることができる。
【００１２】
請求項３記載の発明は、請求項１または２記載の車体の傾斜角度制御装置において、
前記評価関数は、
Ｆ（φ（ｔ））＝ａｍａｘ｜ｙ_ｐ（ｔ）｜＋ｂｍａｘ｜ｙ_ｊ（ｔ）｜＋ｃｍａｘ｜θ_ｐ（ｔ）｜＋ｄｍａｘ｜θ_ｊ（ｔ）｜＋ｅ
（但し、ｔ：時間、Ｆ（ｔ）：前記評価関数、ｙ_ｐ（ｔ）：前記車体の左右加速度、ｙ_ｊ（ｔ）：前記左右加速度の時間変化率、θ_ｐ（ｔ）：前記車体のロール角速度、θ_ｊ（ｔ）：前記車体のロール角加速度、ａ，ｂ，ｃ，ｄ，ｅ：係数）
であり、
ｙ_ｐ（ｔ）、ｙ_ｊ（ｔ）、θ_ｐ（ｔ）及びθ_ｊ（ｔ）は、それぞれ
【数１１】

【数１２】

【数１３】

【数１４】

（但し、ｖ：走行速度、Ｒ（ｔ）：線路の曲率半径、Ｃ（ｔ）：線路のカント、Ｃ’（ｔ）：カントの時間変化率、Ｃ’’（ｔ）：カントの時間変化率の時間変化率、Ｇ：軌間、φ（ｔ）：前記目標値、φ’（ｔ）：前記目標値の時間変化率、φ’’（ｔ）：前記目標値の時間変化率の時間変化率、ｇ：重力加速度）
として近似されて用いられることを特徴とする。
【００１３】
ここで、未走行線路データ、具体的には未走行区間の線路のカントＣ（ｔ）と、曲率半径Ｒ（ｔ）と、軌間Ｇとはデータベースから事前に取得可能となっている。また、鉄道車両の予定走行速度ｖ等の未走行区間の線路上での予定走行条件についても事前に取得可能となっている。更に、これら未走行線路データ及び予定走行条件に基づき、カントＣ（ｔ）の時間変化率Ｃ’（ｔ）と、時間変化率Ｃ’（ｔ）の時間変化率Ｃ’’（ｔ）と、曲率半径Ｒ（ｔ）の時間変化率Ｒ’（ｔ）等とについても事前に取得可能となっている。
【００１４】
請求項３記載の発明によれば、評価関数Ｆ（ｔ）における車体の左右加速度ｙ_ｐ（ｔ）、左右加速度ｙ_ｐ（ｔ）の時間変化率ｙ_ｊ（ｔ）、車体のロール角速度θ_ｐ（ｔ）及び車体のロール角加速度θ_ｊ（ｔ）はそれぞれ未走行線路データと予定走行条件とからなる近似式から求められるので、乗り心地の評価指標の推定値を車体の傾斜角度の目標値に応じて事前に決定することができる。従って、評価指標の推定値が所定の範囲内に含まれるように車体の傾斜角度の目標値を事前に決定することができる。
【００１５】
請求項４記載の発明は、請求項１または２記載の車体の傾斜角度制御装置において、
前記評価関数は、
Ｆ（φ（ｔ））＝（μａｙ_ｐ（ｔ））^２ｎ＋（μｂｙ_ｊ（ｔ））^２ｎ＋（μｃθ_ｐ（ｔ））^２ｎ＋（μｄθ_ｊ（ｔ））^２ｎ
（但し、ｔ：時間、Ｆ（ｔ）：前記評価関数、ｙ_ｐ（ｔ）：前記車体の左右加速度、ｙ_ｊ（ｔ）：前記左右加速度の時間変化率、θ_ｐ（ｔ）：前記車体のロール角速度、θ_ｊ（ｔ）：前記車体のロール角加速度、ａ，ｂ，ｃ，ｄ，ｅ，μ：係数、ｎ：正の整数）
であり、
ｙ_ｐ（ｔ）、ｙ_ｊ（ｔ）、θ_ｐ（ｔ）及びθ_ｊ（ｔ）は、それぞれ
【数１５】

【数１６】

【数１７】

【数１８】

（但し、ｖ：走行速度、Ｒ（ｔ）：線路の曲率半径、Ｃ（ｔ）：線路のカント、Ｃ’（ｔ）：カントの時間変化率、Ｃ’’（ｔ）：カントの時間変化率の時間変化率、Ｇ：軌間、φ（ｔ）：前記目標値、φ’（ｔ）：前記目標値の時間変化率、φ’’（ｔ）：前記目標値の時間変化率の時間変化率、ｇ：重力加速度）
として近似されて用いられることを特徴とする。
【００１６】
ここで、ｎは任意の正の整数であり、有限の値である限りにおいて値の大きいものであるほど好ましい。
請求項４記載の発明によれば、評価関数Ｆ（ｔ）における車体の左右加速度ｙ_ｐ（ｔ）、左右加速度ｙ_ｐ（ｔ）の時間変化率ｙ_ｊ（ｔ）、車体のロール角速度θ_ｐ（ｔ）及び車体のロール角加速度θ_ｊ（ｔ）はそれぞれ未走行線路データと予定走行条件とからなる近似式から求められるので、乗り心地の評価指標の推定値を車体の傾斜角度の目標値に応じて事前に決定することができる。従って、評価指標の値が所定の範囲内に含まれるように車体の傾斜角度の目標値を事前に決定することができる。
また、車体の左右加速度ｙ_ｐ（ｔ）と、その時間変化率ｙ_ｊ（ｔ）と、車体のロール角速度θ_ｐ（ｔ）と、車体のロール角加速度θ_ｊ（ｔ）とからなる振動特性のそれぞれを２ｎ乗した和の値を時点ｔ_０から時点ｔ_１までの時間内で積分することによって評価指標が計算されるので、請求項４記載の発明と異なり、振動特性のそれぞれの最大値を求める必要がない分、評価関数を決定する処理を簡略化することができる。従って、車体の傾斜角度の目標値をより早く決定することができる。
【００１７】
請求項５記載の発明は、請求項３または４記載の車体の傾斜角度制御装置において、
前記データベースは、前記未走行線路データを離散的に記憶し、
前記演算処理部は、所定時間Ｔ_０＋Ｔ_１内に前記鉄道車両が走行するべき区間の線路を前記未走行区間の線路として前記データ取得処理及び前記演算処理を所定時間Ｔ_０ごとに行い、複数回の前記演算処理のそれぞれにおいては、前記予定走行条件を一定として前記目標値の時間変化率φ’（ｔ）と、前記目標値の時間変化率の時間変化率φ’’（ｔ）とをそれぞれ
【数１９】

【数２０】

（但し、Δｔ_ｉ＝Δｘ_ｉ／ｖ、Δｘ_ｉ：ｉ−１番目の未走行線路データによって形状が示される未走行線路の地点とｉ番目の未走行線路データによって形状が示される未走行線路の地点との間隔、ｉ：正の整数）
として近似して用い、前回の前記演算処理の結果に基づいて前記目標値を決定し、
前記動作部は、前記前回の演算処理と今回の前記演算処理とによって前記目標値が重複して決定される時間Ｔ_１内のうち、少なくともこの時間Ｔ_１の終了時点を含む所定時間Ｔ_２（Ｔ_２≦Ｔ_１）内においては、前記前回の演算処理による前記目標値に合わせて前記鉄道車両を傾斜させることを特徴とする。
【００１８】
請求項５記載の発明によれば、評価関数には傾斜角度の目標値に関する１階差分と２階差分とが含まれ、各演算処理においては前回の演算処理の結果に基づいて目標値が決定されるため、前回の演算処理と今回の演算処理とによって目標値が重複して決定される時間Ｔ_１内においては、前回の演算処理による目標値と今回の演算処理による目標値とは、異なる値とならずに同一化されることとなる。従って、傾斜角度の目標値を全ての走行区間に渡って連続させることができるため、時間Ｔ_１のうち少なくともこの時間Ｔ_１の終了時点を含む所定時間Ｔ_２内において前回の演算処理による目標値に合わせて動作部に車体を傾斜させることにより、例えば複心曲線や反向曲線等の複雑な形状の曲線部を鉄道車両が走行する場合でも、車体の傾斜角度を連続して変化させ、乗り心地を向上させることができる。
【００１９】
請求項６記載の発明は、車体の傾斜角度制御方法であって、
請求項１〜５の何れか一項に記載の車体の傾斜角度制御装置によって車体の傾斜角度を制御することを特徴とする。
請求項６記載の発明によれば、請求項１〜５の何れか一項に記載の発明と同様の効果を得ることができる。
【００２０】
請求項７記載の発明は、鉄道車両であって、請求項１〜５の何れか一項に記載の車体の傾斜角度制御装置を備えることを特徴とする。
請求項７記載の発明によれば、請求項１〜５の何れか一項に記載の発明と同様の効果を得ることができる。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を適用した振子式の鉄道車両について図面を参照して説明する。
〔第一の実施の形態〕
振子式の鉄道車両１は、図１に示すように、線路上を走行する台車２と、台車２によって支持された車体３とからなる。
【００２２】
台車２は、複数の車輪２０，…と、車輪２０同士を連結した複数の車軸２１，…と、これら車軸２１，…によって支持された台車枠２２と、振子梁２３等とからなる。この振子梁２３と台車枠２２に設けられた振子装置２４とによって車体３は傾斜可能となっており、台車枠２２及び振子梁２３には車体３を傾斜させる動作部２５が連結されている。
【００２３】
動作部２５は、振子装置２４に対して振子梁２３を揺動させることによって、車体３を傾斜させることができるようになっている。このような動作部２５としては、作動流体によるアクチュエータや電気モータによるアクチュエータ等が用いられている。
この動作部２５には傾斜角度制御装置２６が接続されている。傾斜角度制御装置２６は、線路全体の形状に関するデータベース２７と、傾斜角度の目標値を決定する演算処理部２８とを備えている。
データベース２７は、線路の全区間の形状に関するデータとして、線路のカントＣ（ｔ）と、曲率半径Ｒ（ｔ）と、軌間Ｇとを記憶している。なお、線路のカントＣ（ｔ）とは、図２に示すように、左右のレールの高低差である。また、軌間Ｇとは、左右のレール間の長さである。
【００２４】
演算処理部２８は、データベース２７及び動作部２５と接続されている。この演算処理部２８は、現時点ｔ_ｃでの鉄道車両１の地点Ｐ_ｃ及び走行速度ｖ_ｃを検出可能となっている。また、演算処理部２８は、未走行線路のカントＣ（ｔ）と、曲率半径Ｒ（ｔ）と、軌間Ｇとからなる未走行線路データη（ｔ）をデータベース２７から取得可能であるとともに、未走行線路上での予定走行条件β（ｔ）、本実施の形態においては予定走行速度ｖを取得可能となっている。ここで、未走行線路とは、現時点ｔ_ｃ以降の時点ｔ_０から所定時間Ｔ_０後の時点ｔ_１までの時間内に鉄道車両１が走行するべき未走行区間の線路である。
また、演算処理部２８は、取得した未走行線路データη（ｔ）と予定走行速度ｖとから、カントＣ（ｔ）の時間変化率Ｃ’（ｔ）と、この時間変化率Ｃ’（ｔ）の時間変化率Ｃ’’（ｔ）と、曲率半径Ｒ（ｔ）の時間変化率Ｒ’（ｔ）とを算出可能となっている。
【００２５】
また、演算処理部２８は、未走行線路上を鉄道車両１が走行する際の車体３の乗り心地の評価指標を推定するための評価関数を、車体３の傾斜角度の目標値φ（ｔ）を変数に有する関数Ｆ（（φ（ｔ），η（ｔ），β（ｔ））、具体的には（１）式として決定することができるようになっている。
【数２１】

【００２６】
ここで、ｔは時間、ａ，ｂ，ｃ，ｄ，ｅは係数である。また、ｙ_ｐ（ｔ），ｙ_ｊ（ｔ）， θ_ｐ（ｔ）， θ_ｊ（ｔ）は、以下の式で表される振動特性の近似値であり、具体的にはそれぞれ、図２に示すように、車体３の左右加速度［ｍ／ｓ^２］、左右加速度の時間変化率［ｍ／ｓ^３］、車体３のロール角速度［°／ｓ］、車体３のロール角加速度［°／ｓ^２］である。なお、車体３の左右加速度ｙ_ｐ（ｔ）は、図２に示されるように、車体３が左右方向に並進振動する際の左右方向の加速度である。また、車体３のロール角速度θ_ｐ（ｔ）は、車体３が垂直面内で回転する際の角度θ_ｒ（ｔ）［°］（図２参照）の時間変化率である。傾斜角度の目標値φ（ｔ）［°］は、動作部２５の作用により、台車枠２２に対して振子梁２３が回転する際の傾斜角（以下、振子傾斜角とする）の目標値である。
【数２２】

【数２３】

【数２４】

【数２５】

ただし、ｇは重力加速度［ｍ／ｓ^２］である。
【００２７】
この評価関数によれば、例えば上記特許文献１に開示のように係数ａ〜ｅの値を設定することにより、乗客による乗り心地の評価を複数段階の尺度で推定することができる。具体的には、例えば評価関数の値が０〜１，１〜２，２〜３，３〜４の範囲内であれば、乗客による乗り心地の評価をそれぞれ「全く問題ない」、「やや気になる程度」、「不快であるが許容範囲内にある」、「不快であり許容できない」と推定することができる。
【００２８】
また、演算処理部２８は、次の（６）式に示すように、評価関数Ｆを一定区間で積分した評価指標を計算し、この値が所定の範囲内、例えば最小値となる場合における振子傾斜角の目標値φ（ｔ）をφｍ（ｔ）として決定することができるようになっている。
【数２６】

【００２９】
なお、本実施の形態においては、上記（６）式として具体的には次の（７）式を用いている。
【数２７】

また、振子傾斜角の目標値φｍ（ｔ）が実現不可能な値となることを防ぐべく、φｍ（ｔ）は、以下の条件式を満たすように決定されている。
ｇ（φｍ（ｔ））≦０
このようなｇ（φｍ（ｔ））としては、例えばｇ（φｍ（ｔ））＝｜φｍ（ｔ）｜−α（αは実数）等を挙げることができる。この条件式によれば、振子傾斜角がα［°］以上の実現不可能な角度になることを防ぐことができる。
【００３０】
また、演算処理部２８は、（７）式によって決定された目標値φｍ（ｔ）と振子傾斜角とが等しくなるように、動作部２５を制御することができるようになっている。なお、演算処理部２８には、実際の振子傾斜角がフィードバックされるようになっている。
【００３１】
次に、上記の傾斜角度制御装置２６が振子傾斜角を制御する手順について説明する。
まず、図３に示すように、演算処理部２８が現時点ｔ_ｃでの鉄道車両１の地点Ｐ_ｃを検出する。また、演算処理部２８は、鉄道車両１が時点ｔ_０，ｔ_１において到達する地点Ｐ_０，Ｐ_１を、それぞれＰ_０＝Ｐ_Ｃ＋ｖ_ｃ×Ｔ_ｐ、Ｐ_１＝Ｐ_０＋ｖ_ｃ×Ｔ_０から計算する。なお時間Ｔ_ｐは、演算処理部２８における演算時間と動作部２５における応答遅れ時間との合計時間よりも長くなっている。
次に、演算処理部２８は、地点Ｐ_０から地点Ｐ_１までの間の未走行線路の形状に関する未走行線路データη（ｔ）をデータベース２７から取得するとともに、この未走行線路上における予定走行条件β（ｔ）を取得する（データ取得処理）。なお、この場合における予定走行条件β（ｔ）とは、現時点ｔ_ｃにおける走行速度ｖ_ｃである。
【００３２】
次に、演算処理部２８は、データ取得処理の結果に基づいて振子傾斜角の目標値φｍ（ｔ）を決定する（演算処理）。なお、演算処理は、以下の関数決定処理と目標値決定処理とからなるものである。
具体的には、まず、演算処理部２８が未走行線路データη（ｔ）と予定走行条件β（ｔ）とを上記（２）〜（５）式に代入し、各振動特性を振子傾斜角の目標値φ（ｔ）の関数として決定する。次に、演算処理部２８は車体３の左右加速度ｙ_ｐ（ｔ）と、その時間変化率ｙ_ｊ（ｔ）と、車体３のロール角速度θ_ｐ（ｔ）と、車体３のロール角加速度θ_ｊ（ｔ）とのそれぞれの推定式を（１）式に代入し、評価関数Ｆを振子傾斜角の目標値φ（ｔ）の関数として決定する（関数決定処理）。
【００３３】
次に、演算処理部２８は所定時間Ｔ_０内での評価関数Ｆの値を積分し、この値が最小値となる場合における振子傾斜角の目標値φ（ｔ）を（７）式に基づきφｍ（ｔ）として決定する（目標値決定処理）。
【００３４】
以降、傾斜角度制御装置２６が上記データ取得処理から演算処理までを時間Ｔ_０ごとに繰り返すことにより、各時点での目標値φｍ（ｔ）からなる目標値パターンが、図３に示すように決定される。なお、各関数決定処理における予定走行条件β（ｔ）は、それぞれ一定の条件として設定されている。
【００３５】
そして、決定された目標値φｍ（ｔ）に合わせて動作部２５が車体３を傾斜させる（傾斜処理）。なお動作部２５を駆動させる信号は、鉄道車両１が地点Ｐ_０に到達する時点ｔ_ａよりも時間Ｔ_ｐだけ前から動作部２５に入力されている。
【００３６】
以上のような鉄道車両１によれば、乗り心地の評価指標を推定するための評価関数Ｆを、振子傾斜角の目標値φ（ｔ）を変数に有する関数として決定するので、評価関数Ｆの積分値、つまり評価指標の推定値が所定の範囲内に含まれるように振子傾斜角の目標値φｍ（ｔ）を事前に決定することができる。従って、振子傾斜角を事前に制御する場合であっても、従来と異なり、実際に未走行区間の線路を鉄道車両１が走行した際の乗り心地を確実に向上させることができる。
【００３７】
また、未走行区間の線路上を鉄道車両１が走行するよりも前に振子傾斜角の目標値φｍ（ｔ）が決定されるので、車体３が傾斜した状態となる時点を遅らせることなく、線路の形状の変化に合わせて確実に車体３を傾斜させ、乗り心地を向上させることができる。
【００３８】
また、評価関数Ｆにおける車体３の左右加速度ｙ_ｐ（ｔ）、左右加速度ｙ_ｐ（ｔ）の時間変化率ｙ_ｊ（ｔ）、車体３のロール角速度θ_ｐ（ｔ）及び車体３のロール角加速度θ_ｊ（ｔ）をそれぞれ未走行線路データη（ｔ）と予定走行条件β（ｔ）とからなる近似式として用いるので、乗り心地の評価指標の推定値を振子傾斜角の目標値φｍ（ｔ）に応じて事前に決定することができる。従って、評価指標の推定値が所定の範囲内に含まれるように振子傾斜角の目標値φｍ（ｔ）を事前に決定することができる。
【００３９】
なお、上記第一の実施の形態においては、時間Ｔ_０内に鉄道車両１が走行するべき区間の線路を未走行区間の線路として演算処理を時間Ｔ_０ごとに行うこととして説明したが、これに限らず、例えば図４に示すように、時間Ｔ_０＋Ｔ_１内に鉄道車両１が走行するべき区間の線路を未走行区間の線路として演算処理を所定時間Ｔ_０ごとに行うこととしても良い。なお、この場合には、前回の演算処理と今回の演算処理とによって目標値φｍ（ｔ）が重複して決定される時間Ｔ_１内においては前回の演算処理による目標値φｍ（ｔ）に合わせて車体３を傾斜させることが好ましい。
【００４０】
〔第一の実施の形態の変形例〕
次に、上記第一の実施の形態の変形例について説明する。なお、上記第一の実施の形態と同様の構成要素には同一の符号を付し、その説明を省略する。
【００４１】
本変形例における鉄道車両１Ａは、振子傾斜角の目標値φｍ（ｔ）を決定する際に上記（１），（７）式の代わりに次の（８），（９）式を用いる点において上記第一の実施の形態における鉄道車両１と異なる。
【数２８】

【数２９】

ここで、ｎは正の整数であり、ｎの値は大きいものほど好ましい。また、μは係数であり、１以上の実数である。
【００４２】
このような鉄道車両１Ａによれば、車体３の左右加速度ｙ_ｐ（ｔ）と、その時間変化率ｙ_ｊ（ｔ）と、車体３のロール角速度θ_ｐ（ｔ）と、車体３のロール角加速度θ_ｊ（ｔ）とからなる振動特性のそれぞれを２ｎ乗した和の値を時点ｔ_０から時点ｔ_１までの時間内で積分することによって評価指標が計算される。従って、上記第一の実施の形態と異なり、振動特性のそれぞれの最大値を求める必要がない分、評価関数Ｆを決定する処理を簡略化することができる。従って、振子傾斜角の目標値をより早く決定することができる。
【００４３】
〔第二の実施の形態〕
次に、本発明に係る鉄道車両の第二の実施の形態について説明する。なお、上記第一の実施の形態と同様の構成要素には同一の符号を付し、その説明を省略する。
【００４４】
本第二の実施の形態における鉄道車両１Ｂは、上記傾斜角度制御装置２６の代わりに傾斜角度制御装置２６Ｂを備える点において上記第一の実施の形態における鉄道車両１と異なる。以下、この点について詳しく説明する。
【００４５】
傾斜角度制御装置２６Ｂは、データベース２７Ｂと演算処理部２８Ｂとを備えている。
データベース２７Ｂは、線路の形状に関するデータを離散的に記憶しており、より詳細には、予定走行速度ｖで時間Ｔ_０＋Ｔ_１内に鉄道車両１Ｂが走行する距離［ｍ］ごとの地点に対応する未走行線路データを順番に記憶している。
【００４６】
演算処理部２８Ｂは、振子傾斜角の目標値φｍ（ｔ）を決定する際に上記（１）式の代わりに上記（８）式を、上記（７）式の代わりに次の（１０）式を用いる点等において上記演算処理部２８と異なっている。
【数３０】

なお、本第二の実施の形態においてはｎ＝１とし、かつ前記関数ｇをφ（ｉ）の線形関数とした場合には、（１０）式は線形２次計画問題となるため、振子傾斜角の目標値φｍ（ｔ）を容易に解くことができる。
【００４７】
ここで、φ’（ｔ），φ’’（ｔ）はそれぞれ以下の（１１），（１２）式で近似されている。これにより、評価関数には振子傾斜角の目標値φｍ（ｔ）に関する１階差分と２階差分とが含まれた状態となっている。
【数３１】

【数３２】

但し、Δｔ_ｉ＝Δｘ_ｉ／ｖであり、Δｘ_ｉは、ｉ−１番目の未走行線路データによって形状が示される未走行線路の地点とｉ番目の未走行線路データによって形状が示される未走行線路の地点との間隔［ｍ］である。また、ｉは正の整数である。
【００４８】
また、Ｒ’（ｔ），Ｃ’（ｔ）及びＣ’’（ｔ）は、それぞれ以下の（１３）〜（１５）式で近似されている。
【数３３】

【数３４】

【数３５】

【００４９】
次に、傾斜角度制御装置２６Ｂが振子傾斜角を制御する手順について説明する。なお、本第２の実施の形態においては、鉄道車両１Ｂは、例えば図５（ａ），（ｂ）に示すような形状の未走行線路上を走行するものとする。
【００５０】
まず、演算処理部２８Ｂは、時間Ｔ_０＋Ｔ_１内に走行予定の未走行線路の形状に関する未走行線路データη（ｔ）をデータベース２７Ｂから取得するとともに、この未走行線路上における予定走行条件β（ｔ）を取得する（データ取得処理）。なお、この場合における予定走行条件β（ｔ）とは、現時点における走行速度である。また、本第２の実施の形態においては、時間Ｔ_０は３［秒］、時間Ｔ_１は１［秒］となっている。
【００５１】
次に、演算処理部２８Ｂは、データ取得処理の結果に基づいて振子傾斜角の目標値φｍ（ｔ）を決定する（演算処理）。なお、この演算処理は、以下の関数決定処理と目標値決定処理とからなるものである。
具体的には、まず、演算処理部２８Ｂは未走行線路データη（ｔ）と予定走行条件β（ｔ）とを上記（２）〜（５）式に代入し、各振動特性を振子傾斜角の目標値φ（ｔ）の関数として決定する。このとき、φ’（ｔ），φ’’（ｔ），Ｒ’（ｔ），Ｃ’（ｔ）及びＣ’’（ｔ）の値に関しては上記（１１）〜（１５）式による近似値を用いる。
【００５２】
次に、演算処理部２８Ｂは車体３の左右加速度ｙ_ｐ（ｔ）と、その時間変化率ｙ_ｊ（ｔ）と、車体３のロール角速度θ_ｐ（ｔ）と、車体３のロール角加速度θ_ｊ（ｔ）とのそれぞれの推定式を（１）式に代入し、評価関数Ｆを振子傾斜角の目標値φ（ｔ）の関数として決定する（関数決定処理）。
【００５３】
次に、演算処理部２８Ｂは所定時間Ｔ_０内での評価関数Ｆの値を積分し、この値が最小値となる場合における振子傾斜角の目標値φ（ｔ）を（７）式に基づきφｍ（ｔ）として決定する（目標値決定処理）。これにより、各時点での目標値φｍ（ｔ）からなる目標値パターンが決定される。
【００５４】
以降、図５（ｃ）〜（ｇ）に示すように、傾斜角度制御装置２６Ｂが上記データ取得処理から演算処理までを時間Ｔ_０ごとに繰り返し、前回の演算処理と今回の演算処理とによって時間Ｔ_１内で振子傾斜角の目標値φｍ（ｔ）を重複して決定する。なお、各関数決定処理における予定走行条件β（ｔ）は、それぞれ一定の条件として設定されている。ここで、傾斜角度制御装置２６Ｂは複数回の演算処理のそれぞれにおいては前回の演算処理の結果に基づいて目標値を決定しており、かつ評価関数には振子傾斜角の目標値φｍ（ｔ）に関する１階差分と２階差分とが含まれるため、目標値φｍ（ｔ）が重複して決定される時間Ｔ_１内においては、前回の演算処理による目標値と今回の演算処理による目標値とは、異なる値とならずに同一化されることとなる。これにより、図６（ａ）に示すように、各時点での目標値φｍ（ｔ）からなる目標値パターンが、全ての走行区間に渡って連続して決定されることとなる。
【００５５】
そして、決定された目標値φｍ（ｔ）に合わせて動作部２５が車体３を傾斜させる（傾斜処理）。なお、目標値φｍ（ｔ）が重複して決定される時間Ｔ_１内においては、動作部２５は前回の演算処理による目標値φｍ（ｔ）に合わせて鉄道車両１を傾斜させる。
【００５６】
以上のような鉄道車両１Ｂによれば、全ての走行区間に渡って目標値パターンが連続して決定されるので、前記時間Ｔ_１内において、前回の演算処理による目標値φｍ（ｔ）に合わせて動作部２５に車体３を傾斜させることにより、例えば複心曲線や反向曲線等の複雑な形状の曲線部を鉄道車両１Ｂが走行する場合でも、振子傾斜角を連続して変化させ、図６（ｂ）に示すように乗り心地を向上させることができる。なお、図６（ｂ）は、図６（ａ）の目標値パターンの通りに車体３を傾斜させて鉄道車両１Ｂが走行する場合の乗り心地評価指標と、車体３を傾斜させずに鉄道車両１Ｂが走行する場合の乗り心地評価指標とを示す図である。
【００５７】
また、上記（１０）式で表される非線型最適化問題を解くことにより振子傾斜角の目標値φｍ（ｔ）を決定することができる。従って、線路の形状に関するデータが連続せずに離散化されてデータベース２７Ｂに記憶されている場合であっても鉄道車両１Ｂの乗り心地を確実に向上させることができる。
【００５８】
なお、上記第一及び第二の実施の形態においては、台車２は図１に示すものとして説明したが、車体を傾斜させる機構があれば良く、例えばリンク式や空気ばね伸縮式などであっても良い。
【００５９】
また、演算処理部２８は、（１）式の値の積分値が最小値となるように振子傾斜角の目標値φｍ（ｔ）を決定することとして説明したが、例えば０〜１等、所定の範囲内に含まれるように決定することとしても良い。
更に、評価関数Ｆとしては、他の評価関数を用いることとしても良い。
【００６０】
【発明の効果】
請求項１記載の発明によれば、車体の傾斜角度を事前に制御する場合であっても従来と異なり、実際に未走行区間の線路を鉄道車両が走行した際の乗り心地を確実に向上させることができる。
【００６１】
請求項２記載の発明によれば、請求項１記載の発明と同様の効果が得られるのは勿論のこと、車体が傾斜した状態となる時点を遅らせることなく、線路の形状の変化に合わせて確実に車体を傾斜させ、乗り心地を向上させることができる。
【００６２】
請求項３記載の発明によれば、請求項１または２記載の発明と同様の効果が得られるのは勿論のこと、評価指標の推定値が所定の範囲内に含まれるように車体の傾斜角度の目標値を事前に決定することができる。
【００６３】
請求項４記載の発明によれば、請求項１または２記載の発明と同様の効果が得られるのは勿論のこと、評価指標の値が所定の範囲内に含まれるように車体の傾斜角度の目標値を事前に決定することができる。また、車体の傾斜角度の目標値をより早く決定することができる。
【００６４】
請求項５記載の発明によれば、請求項３または４記載の発明と同様の効果が得られるのは勿論のこと、例えば複心曲線や反向曲線等の複雑な形状の曲線部を鉄道車両が走行する場合でも、車体の傾斜角度を連続して変化させ、乗り心地を向上させることができる。
【００６５】
請求項６記載の発明によれば、請求項１〜５の何れか一項に記載の発明と同様の効果を得ることができる。
請求項７記載の発明によれば、請求項１〜５の何れか一項に記載の発明と同様の効果を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】振子式の鉄道車両の主要部の構成を示す概略図である。
【図２】線路の形状、車体の傾斜角度及び鉄道車両の振動特性を説明するための図である。
【図３】走行線路データと走行条件から傾斜角度の目標値を決定することを説明するための図である。
【図４】重複して決定された傾斜角度の目標値を示す図である。
【図５】線路形状に合わせて傾斜角度の目標値パターンを形成する手順を示す図であり、（ａ）は線路の曲率を示す図であり、（ｂ）は線路のカントを示す図であり、（ｃ）〜（ｇ）は逐次決定される目標値パターンを示す図である。
【図６】（ａ）は決定された傾斜角度の目標値パターンを示す図であり、（ｂ）は目標値パターンに合わせて車体を傾斜させた場合の乗り心地評価指標の推定値を示す図である。
【符号の説明】
１，１Ａ，１Ｂ鉄道車両
３車体
２５動作部
２６，２６Ｂ傾斜角度制御装置
２７，２７Ｂデータベース
２８，２８Ｂ演算処理部[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a vehicle body inclination angle control device, a vehicle body inclination angle control method, and a railway vehicle, which control a vehicle body inclination angle when the railway vehicle travels on a curved portion of a track.
[0002]
[Prior art]
Conventionally, a pendulum-type railway vehicle is configured to incline the vehicle body inside the curved portion so as not to deteriorate riding comfort when traveling on a curved portion of the track, and such a vehicle body tilting method is a natural pendulum. A method and a controlled pendulum method are known. The natural pendulum system allows the vehicle body to swing naturally by centrifugal force, and the controlled pendulum system controls the inclination angle of the vehicle body according to the traveling speed and the track shape. Among these methods, as a controlled pendulum method, a target value of the inclination angle of the vehicle body is determined in advance by predicting the shape of the track in an untraveled section to be traveled after a predetermined time has elapsed, and adjusted in accordance with this target value. A preview control method for controlling the inclination angle of a vehicle body is widely used (for example, Japanese Patent Application Laid-Open No. 61-108053).
[0003]
The railway vehicle of such a preview control method has a database on the track shape therein, acquires untraveled track data on the track shape of the untraveled section from the database, and leans the vehicle body based on the untraveled track data. Controlling the angle.
[0004]
In recent years, various evaluation indices have been proposed for estimating subjective riding comfort evaluation by passengers. These evaluation indices are calculated based on the measurement results of the vibration characteristics having a high correlation with the riding comfort (for example, see Patent Document 1).
[0005]
[Patent Document 1]
JP 2001-255242 A
[0006]
[Problems to be solved by the invention]
However, since these evaluation indices estimate ride comfort evaluation from measurement results of vibration characteristics and do not make it possible to foresee ride comfort evaluation, railways of the above preview control method using such evaluation indices are used. It was not possible to control the inclination angle of the vehicle body in the vehicle. For this reason, when a railway vehicle travels along a curved portion of a track, passengers may feel poor riding comfort.
[0007]
An object of the present invention is to provide a vehicle body tilt angle control device, a vehicle body tilt angle control method, and a railway vehicle that can control a vehicle body tilt angle so as to reliably improve ride comfort.
[0008]
[Means for Solving the Problems]
The invention according to claim 1 is a device for controlling the inclination of a vehicle body in a railway vehicle, comprising: a data acquisition process for acquiring untraveled track data relating to the shape of a track in an untraveled section from a database relating to the shape of the entire track; An arithmetic processing unit for performing arithmetic processing for determining a target value of the inclination angle of
An operating unit for inclining the vehicle body in accordance with the target value determined by the arithmetic processing,
The arithmetic processing is an evaluation function for estimating an evaluation index of a ride comfort of the vehicle body when the railway vehicle travels on the track of the untraveled section, and a scheduled traveling condition on the track of the untraveled section. A function determining process of determining a target value of the inclination angle of the vehicle body as a function having a variable based on the untraveled track data, and determining the target value such that the value of the evaluation index is included in a predetermined range. And a target value determination process.
[0009]
According to the first aspect of the present invention, the arithmetic processing unit determines the evaluation function for estimating the evaluation index of the riding comfort as a function having the target value of the lean angle of the vehicle body as a variable. That is, the target value of the lean angle of the vehicle body can be determined in advance so that the estimated value of the evaluation index falls within a predetermined range. Therefore, even in the case where the inclination angle of the vehicle body is controlled in advance, the riding comfort when the railway vehicle actually travels on the track in the non-traveling section can be reliably improved, unlike the related art.
Note that the predetermined range may include only one value.
[0010]
According to a second aspect of the present invention, in the vehicle body inclination angle control device according to the first aspect,
The arithmetic processing unit may determine the target value before the railway vehicle travels on a track in the untraveled section.
[0011]
According to the second aspect of the present invention, since the target value is determined before the railroad vehicle travels on the track in the untraveled section, the operating unit delays the time point at which the vehicle body is inclined. In addition, it is possible to surely incline the vehicle body in accordance with the change in the shape of the track, thereby improving the riding comfort.
[0012]
According to a third aspect of the present invention, there is provided the vehicle body inclination angle control device according to the first or second aspect,
The evaluation function is:
F (φ (t)) = a max | y_p(T) | + b max | y_j(T) | + c max | θ_p(T) | + d max | θ_j(T) | + e
(However, t: time, F (t): the evaluation function, y_p(T): lateral acceleration of the vehicle body, y_j(T): time change rate of the lateral acceleration, θ_p(T): roll angular velocity of the vehicle body, θ_j(T): roll angular acceleration of the vehicle body, a, b, c, d, e: coefficients)
And
y_p(T), y_j(T), θ_p(T) and θ_j(T) is
(Equation 11)

(Equation 12)

(Equation 13)

[Equation 14]

(However, v: running speed, R (t): radius of curvature of the track, C (t): cant of the track, C ′ (t): time change rate of the cant, C ″ (t): time change of the cant Rate of time change, G: gauge, φ (t): target value, φ ′ (t): time change rate of the target value, φ ″ (t): time change of time rate of the target value Rate, g: gravity acceleration)
It is characterized by being used as being approximated as
[0013]
Here, the untraveled track data, specifically, the cant C (t), the curvature radius R (t), and the gauge G of the track in the untraveled section can be acquired in advance from the database. In addition, it is also possible to acquire in advance the scheduled traveling conditions such as the estimated traveling speed v of the railway vehicle on the track in an untraveled section. Further, based on the untraveled track data and the scheduled traveling conditions, the time change rate C ′ (t) of the cant C (t), the time change rate C ″ (t) of the time change rate C ′ (t), The time change rate R ′ (t) of the curvature radius R (t) and the like can be acquired in advance.
[0014]
According to the third aspect of the invention, the lateral acceleration y of the vehicle body in the evaluation function F (t)_p(T), lateral acceleration y_pTime change rate y of (t)_j(T), the roll angular velocity θ of the vehicle body_p(T) and roll angular acceleration θ of the vehicle body_jSince (t) is obtained from an approximate expression composed of the untraveled track data and the scheduled traveling conditions, the estimated value of the evaluation index of the riding comfort can be determined in advance in accordance with the target value of the inclination angle of the vehicle body. Therefore, the target value of the lean angle of the vehicle body can be determined in advance so that the estimated value of the evaluation index falls within the predetermined range.
[0015]
According to a fourth aspect of the present invention, in the vehicle body inclination angle control device according to the first or second aspect,
The evaluation function is:
F (φ (t)) = (μay_p(T))²ⁿ+ (Μby_j(T))²ⁿ+ (Μcθ_p(T))²ⁿ+ (Μdθ_j(T))²ⁿ
(However, t: time, F (t): the evaluation function, y_p(T): lateral acceleration of the vehicle body, y_j(T): time change rate of the lateral acceleration, θ_p(T): roll angular velocity of the vehicle body, θ_j(T): roll angular acceleration of the vehicle body, a, b, c, d, e, μ: coefficient, n: positive integer)
And
y_p(T), y_j(T), θ_p(T) and θ_j(T) is
[Equation 15]

(Equation 16)

[Equation 17]

(Equation 18)

(However, v: running speed, R (t): radius of curvature of the track, C (t): cant of the track, C ′ (t): time change rate of the cant, C ″ (t): time change of the cant Rate of time change, G: gauge, φ (t): target value, φ ′ (t): time change rate of the target value, φ ″ (t): time change of time rate of the target value Rate, g: gravity acceleration)
It is characterized by being used as being approximated as
[0016]
Here, n is an arbitrary positive integer, and a larger value is more preferable as long as it is a finite value.
According to the invention described in claim 4, the lateral acceleration y of the vehicle body in the evaluation function F (t)_p(T), lateral acceleration y_pTime change rate y of (t)_j(T), the roll angular velocity θ of the vehicle body_p(T) and roll angular acceleration θ of the vehicle body_jSince (t) is obtained from an approximate expression composed of the untraveled track data and the scheduled traveling conditions, the estimated value of the evaluation index of the riding comfort can be determined in advance in accordance with the target value of the inclination angle of the vehicle body. Therefore, the target value of the lean angle of the vehicle body can be determined in advance so that the value of the evaluation index is included in the predetermined range.
Also, the lateral acceleration y of the vehicle body_p(T) and its time rate of change y_j(T) and the roll angular velocity θ of the vehicle body_p(T) and the roll angular acceleration θ of the vehicle body_jThe value of the sum of the respective vibration characteristics consisting of₀From time t₁Since the evaluation index is calculated by integration within the time period up to, the processing for determining the evaluation function is simplified because it is not necessary to obtain the respective maximum values of the vibration characteristics unlike the invention according to claim 4. be able to. Therefore, the target value of the lean angle of the vehicle body can be determined earlier.
[0017]
According to a fifth aspect of the present invention, there is provided the vehicle body inclination angle control device according to the third or fourth aspect,
The database discretely stores the untraveled track data,
The arithmetic processing unit performs a predetermined time T₀+ T₁The data acquisition process and the calculation process are performed for a predetermined time T within a section of the section in which the railroad vehicle should travel within the section of the untraveled section.₀In each of the plurality of calculation processes, the predetermined traveling condition is kept constant, and the time change rate φ ′ (t) of the target value and the time change rate φ ″ of the time change rate of the target value are set. (T) and
[Equation 19]

(Equation 20)

(However, Δt_i= Δx_i/ V, Δx_i: An interval between a point on the untraveled track whose shape is indicated by the (i-1) th untraveled track data and a point on the untraveled track whose shape is indicated by the i-th untraveled track data, i: a positive integer)
Is used as an approximation, and the target value is determined based on the result of the previous arithmetic processing,
The operation unit determines a time T in which the target value is determined in an overlapped manner by the previous calculation processing and the current calculation processing.₁At least this time T₁Time T including the end time of₂(T₂≤T₁In the parentheses, the railcar is tilted in accordance with the target value obtained by the previous calculation processing.
[0018]
According to the fifth aspect of the present invention, the evaluation function includes the first-order difference and the second-order difference relating to the target value of the inclination angle, and in each calculation process, the target value is determined based on the result of the previous calculation process. Therefore, the time T in which the target value is determined by the previous calculation process and the current calculation process in an overlapping manner is determined.₁In the above, the target value obtained by the previous calculation process and the target value obtained by the current calculation process are made the same without being different. Therefore, the target value of the inclination angle can be made continuous over all traveling sections, so that the time T₁At least this time T₁Time T including the end time of₂By inclining the vehicle body to the operation unit in accordance with the target value obtained by the previous calculation processing, even if the railway vehicle travels on a curved part with a complex shape such as a double-centered curve or a reverse curve, the vehicle body tilts By changing the angle continuously, the ride comfort can be improved.
[0019]
The invention according to claim 6 is a method of controlling a lean angle of a vehicle body,
A vehicle body inclination angle is controlled by the vehicle body inclination angle control device according to any one of claims 1 to 5.
According to the invention described in claim 6, it is possible to obtain the same effect as the invention described in any one of claims 1 to 5.
[0020]
According to a seventh aspect of the present invention, there is provided a railway vehicle including the vehicle body inclination angle control device according to any one of the first to fifth aspects.
According to the invention described in claim 7, it is possible to obtain the same effect as the invention described in any one of claims 1 to 5.
[0021]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, a pendulum type railway vehicle to which the present invention is applied will be described with reference to the drawings.
[First embodiment]
As shown in FIG. 1, a pendulum-type railway vehicle 1 includes a bogie 2 running on a railroad track and a vehicle body 3 supported by the bogie 2.
[0022]
The truck 2 includes a plurality of wheels 20,..., A plurality of axles 21 connecting the wheels 20, a bogie frame 22 supported by the axles 21,. The vehicle body 3 can be tilted by the pendulum beam 23 and the pendulum device 24 provided on the bogie frame 22, and an operation unit 25 that tilts the vehicle body 3 is connected to the bogie frame 22 and the pendulum beam 23.
[0023]
The operating unit 25 can tilt the vehicle body 3 by swinging the pendulum beam 23 with respect to the pendulum device 24. As such an operation unit 25, an actuator using a working fluid, an actuator using an electric motor, or the like is used.
The tilt angle control device 26 is connected to the operation unit 25. The inclination angle control device 26 includes a database 27 relating to the shape of the entire track, and an arithmetic processing unit 28 that determines a target value of the inclination angle.
The database 27 stores the cant C (t) of the track, the radius of curvature R (t), and the gauge G as data on the shape of all sections of the track. In addition, the cant C (t) of the track is, as shown in FIG. 2, a height difference between the left and right rails. The gauge G is the length between the left and right rails.
[0024]
The arithmetic processing unit 28 is connected to the database 27 and the operation unit 25. This arithmetic processing unit 28_cPoint P of railway car 1 at_cAnd traveling speed v_cCan be detected. The arithmetic processing unit 28 can acquire the untraveled line data η (t) including the cant C (t) of the untraveled line, the radius of curvature R (t), and the gauge G from the database 27, The scheduled traveling condition β (t) on the untraveled track, and in the present embodiment, the scheduled traveling speed v can be acquired. Here, the untraveled track is the current t_cSubsequent time t₀From the predetermined time T₀Later time t₁This is a track in an untraveled section where the railway vehicle 1 should travel within the time period up to.
Further, the arithmetic processing unit 28 obtains the time change rate C ′ (t) of the cant C (t) and the time change rate C ′ (t) from the acquired untraveled line data η (t) and the planned running speed v. ) And the time change rate R ′ (t) of the radius of curvature R (t) can be calculated.
[0025]
In addition, the arithmetic processing unit 28 calculates an evaluation function for estimating an evaluation index of the riding comfort of the vehicle body 3 when the railway vehicle 1 travels on the untraveled track by using a target value φ (t) of the inclination angle of the vehicle body 3. Can be determined as a function F ((φ (t), η (t), β (t)) having the following as a variable, specifically, the equation (1).
(Equation 21)

[0026]
Here, t is time, and a, b, c, d, and e are coefficients. Also, y_p(T), y_j(T), θ_p(T), θ_j(T) is an approximate value of the vibration characteristic represented by the following formula, and specifically, as shown in FIG. 2, the lateral acceleration [m / s²], Lateral change rate of lateral acceleration [m / s]³], Roll angular velocity of vehicle body 3 [° / s], roll angular acceleration of vehicle body 3 [° / s]²]. The lateral acceleration y of the vehicle body 3_p(T) is the left-right acceleration when the vehicle body 3 vibrates in the left-right direction as shown in FIG. Also, the roll angular velocity θ of the vehicle body 3_p(T) is an angle θ when the vehicle body 3 rotates in a vertical plane._r(T) Time change rate of [°] (see FIG. 2). The target value φ (t) [°] of the tilt angle is a target value of a tilt angle (hereinafter, referred to as a pendulum tilt angle) when the pendulum beam 23 rotates with respect to the bogie frame 22 by the action of the operation unit 25. is there.
(Equation 22)

(Equation 23)

[Equation 24]

(Equation 25)

Here, g is the gravitational acceleration [m / s²].
[0027]
According to the evaluation function, for example, by setting the values of the coefficients a to e as disclosed in Patent Document 1, it is possible to estimate the evaluation of the riding comfort by the passenger on a scale of a plurality of steps. Specifically, for example, if the value of the evaluation function is in the range of 0, 1, 1-2, 2-3, 3-4, the evaluation of the ride comfort by the passengers is "no problem at all" and " , "It is unpleasant but within the allowable range", and "It is unpleasant and unacceptable".
[0028]
In addition, the arithmetic processing unit 28 calculates an evaluation index obtained by integrating the evaluation function F in a certain interval as shown in the following equation (6), and calculates a pendulum when this value is within a predetermined range, for example, a minimum value. The target value φ (t) of the inclination angle can be determined as φm (t).
(Equation 26)

[0029]
In the present embodiment, the following equation (7) is specifically used as the above equation (6).
[Equation 27]

In order to prevent the target value φm (t) of the pendulum inclination angle from becoming an unrealizable value, φm (t) is determined so as to satisfy the following conditional expression.
g (φm (t)) ≦ 0
Examples of such g (φm (t)) include g (φm (t)) = | φm (t) | −α (α is a real number). According to this conditional expression, it is possible to prevent the pendulum inclination angle from becoming an unrealizable angle equal to or more than α [°].
[0030]
The arithmetic processing unit 28 can control the operation unit 25 so that the target value φm (t) determined by the equation (7) is equal to the pendulum inclination angle. The actual processing unit 28 is fed back with the actual pendulum inclination angle.
[0031]
Next, a procedure in which the tilt angle control device 26 controls the pendulum tilt angle will be described.
First, as shown in FIG._cPoint P of railway car 1 at_cIs detected. The arithmetic processing unit 28 determines that the railway vehicle 1₀, T₁The point P to reach at₀, P₁And P₀= P_C+ V_c× T_p, P₁= P₀+ V_c× T₀Calculate from Note that time T_pIs longer than the total time of the operation time in the operation processing unit 28 and the response delay time in the operation unit 25.
Next, the arithmetic processing unit 28 determines the point P₀From point P₁Untraveled line data η (t) relating to the shape of the untraveled line up to this point is acquired from the database 27, and the scheduled traveling condition β (t) on this untraveled line is acquired (data acquisition processing). Note that the scheduled traveling condition β (t) in this case is_cRunning speed v_cIt is.
[0032]
Next, the arithmetic processing unit 28 determines the target value φm (t) of the pendulum tilt angle based on the result of the data acquisition processing (arithmetic processing). The arithmetic processing includes the following function determination processing and target value determination processing.
Specifically, first, the arithmetic processing unit 28 substitutes the untraveled line data η (t) and the planned traveling condition β (t) into the above equations (2) to (5), and calculates each vibration characteristic as a pendulum inclination angle. Is determined as a function of the target value φ (t). Next, the arithmetic processing unit 28 calculates the lateral acceleration y of the vehicle body 3._p(T) and its time rate of change y_j(T) and the roll angular velocity θ of the vehicle body 3_p(T) and the roll angular acceleration θ of the vehicle body 3_jThe respective estimation equations with (t) are substituted into equation (1), and the evaluation function F is determined as a function of the target value φ (t) of the pendulum inclination angle (function determination processing).
[0033]
Next, the arithmetic processing unit 28 performs a predetermined time T₀Is integrated, and the target value φ (t) of the pendulum tilt angle when this value is the minimum value is determined as φm (t) based on the equation (7) (target value determination processing). ).
[0034]
Thereafter, the inclination angle control device 26 sets the time T from the data acquisition process to the calculation process as time T.₀By repeating each time, a target value pattern including the target value φm (t) at each time point is determined as shown in FIG. Note that the scheduled traveling conditions β (t) in each function determination process are set as constant conditions.
[0035]
Then, the operating unit 25 inclines the vehicle body 3 in accordance with the determined target value φm (t) (inclination processing). The signal for driving the operation unit 25 is transmitted from the railway vehicle 1 to the point P.₀To reach t_aTime T than_pIs input to the operation unit 25 from before.
[0036]
According to the railway vehicle 1 as described above, the evaluation function F for estimating the evaluation index of the riding comfort is determined as a function having the target value φ (t) of the pendulum inclination angle as a variable. The target value φm (t) of the pendulum tilt angle can be determined in advance so that the integral value, that is, the estimated value of the evaluation index is included in a predetermined range. Therefore, even in the case where the pendulum inclination angle is controlled in advance, it is possible to surely improve the riding comfort when the railway vehicle 1 actually travels on a track in an untraveled section unlike the related art.
[0037]
Further, since the target value φm (t) of the pendulum inclination angle is determined before the railway vehicle 1 travels on the track in the untraveled section, the time at which the vehicle body 3 becomes inclined can be determined without delay. The vehicle body 3 can be reliably inclined in accordance with the change in the shape of the vehicle, and the riding comfort can be improved.
[0038]
Further, the lateral acceleration y of the vehicle body 3 in the evaluation function F_p(T), lateral acceleration y_pTime change rate y of (t)_j(T), the roll angular velocity θ of the vehicle body 3_p(T) and the roll angular acceleration θ of the vehicle body 3_j(T) is used as an approximate expression consisting of the untraveled track data η (t) and the scheduled traveling condition β (t). It can be determined in advance depending on the situation. Therefore, the target value φm (t) of the pendulum tilt angle can be determined in advance such that the estimated value of the evaluation index falls within the predetermined range.
[0039]
In the first embodiment, the time T₀The calculation processing is performed during the time T by setting the line of the section in which the railway vehicle 1 should travel within₀However, the present invention is not limited to this. For example, as shown in FIG.₀+ T₁The calculation processing is performed for a predetermined time period T by setting the line of the section in which the railway vehicle 1 should travel within₀It may be performed every time. In this case, the time T in which the target value φm (t) is determined by the previous calculation process and the current calculation process in an overlapping manner.₁It is preferable that the vehicle body 3 be tilted in accordance with the target value φm (t) obtained by the previous calculation processing.
[0040]
[Modification of First Embodiment]
Next, a modified example of the first embodiment will be described. The same components as those in the first embodiment are denoted by the same reference numerals, and description thereof will be omitted.
[0041]
The railway vehicle 1A in this modification uses the following equations (8) and (9) instead of the above equations (1) and (7) when determining the target value φm (t) of the pendulum inclination angle. This is different from the railway vehicle 1 in the first embodiment.
[Equation 28]

(Equation 29)

Here, n is a positive integer, and the larger the value of n, the better. Μ is a coefficient and is a real number of 1 or more.
[0042]
According to such a railway vehicle 1A, the lateral acceleration y of the vehicle body 3 is obtained._p(T) and its time rate of change y_j(T) and the roll angular velocity θ of the vehicle body 3_p(T) and the roll angular acceleration θ of the vehicle body 3_jThe value of the sum of the respective vibration characteristics consisting of₀From time t₁The evaluation index is calculated by integrating in the time up to. Therefore, unlike the first embodiment, the process of determining the evaluation function F can be simplified because it is not necessary to obtain the respective maximum values of the vibration characteristics. Therefore, the target value of the pendulum inclination angle can be determined earlier.
[0043]
[Second embodiment]
Next, a second embodiment of the railway vehicle according to the present invention will be described. The same components as those in the first embodiment are denoted by the same reference numerals, and description thereof will be omitted.
[0044]
The railway vehicle 1B according to the second embodiment differs from the railway vehicle 1 according to the first embodiment in that the railway vehicle 1B includes an inclination angle control device 26B instead of the inclination angle control device 26. Hereinafter, this point will be described in detail.
[0045]
The tilt angle control device 26B includes a database 27B and an arithmetic processing unit 28B.
The database 27B discretely stores data on the shape of the track, and more specifically, stores the time T at the planned traveling speed v.₀+ T₁In the table, untraveled track data corresponding to points for each distance [m] traveled by the railcar 1B is sequentially stored.
[0046]
When determining the target value φm (t) of the pendulum inclination angle, the arithmetic processing unit 28B substitutes the above equation (8) for the above equation (1) and the following equation (10) for the above equation (7). Is different from the arithmetic processing unit 28 in that
[Equation 30]

In the second embodiment, when n = 1 and the function g is a linear function of φ (i), the equation (10) is a linear quadratic programming problem. The target angle φm (t) can be easily solved.
[0047]
Here, φ ′ (t) and φ ″ (t) are approximated by the following equations (11) and (12), respectively. As a result, the evaluation function includes the first-order difference and the second-order difference related to the target value φm (t) of the pendulum inclination angle.
[Equation 31]

(Equation 32)

Where Δt_i= Δx_i/ V, Δx_iIs the distance [m] between the point of the untraveled track whose shape is indicated by the (i-1) th untraveled track data and the point of the untraveled track whose shape is indicated by the i-th untraveled track data. I is a positive integer.
[0048]
R ′ (t), C ′ (t) and C ″ (t) are approximated by the following equations (13) to (15), respectively.
[Equation 33]

[Equation 34]

(Equation 35)

[0049]
Next, a procedure in which the tilt angle control device 26B controls the pendulum tilt angle will be described. In the second embodiment, it is assumed that the railway vehicle 1B travels on an untraveled track having a shape as shown in FIGS. 5 (a) and 5 (b), for example.
[0050]
First, the arithmetic processing unit 28B calculates the time T₀+ T₁The untraveled line data η (t) relating to the shape of the untraveled line scheduled to travel is acquired from the database 27B, and the scheduled traveling condition β (t) on the untraveled line is acquired (data acquisition processing). Note that the scheduled traveling condition β (t) in this case is the traveling speed at the present time. In the second embodiment, the time T₀Is 3 seconds, time T₁Is 1 [second].
[0051]
Next, the arithmetic processing unit 28B determines the target value φm (t) of the pendulum inclination angle based on the result of the data acquisition processing (arithmetic processing). This calculation process includes the following function determination process and target value determination process.
Specifically, first, the arithmetic processing unit 28B substitutes the untraveled track data η (t) and the planned traveling condition β (t) into the above equations (2) to (5), and calculates each vibration characteristic as a pendulum inclination angle. Is determined as a function of the target value φ (t). At this time, the values of φ ′ (t), φ ″ (t), R ′ (t), C ′ (t) and C ″ (t) are approximate values by the above equations (11) to (15). Is used.
[0052]
Next, the arithmetic processing unit 28B calculates the lateral acceleration y of the vehicle body 3_p(T) and its time rate of change y_j(T) and the roll angular velocity θ of the vehicle body 3_p(T) and the roll angular acceleration θ of the vehicle body 3_jThe respective estimation equations with (t) are substituted into equation (1), and the evaluation function F is determined as a function of the target value φ (t) of the pendulum inclination angle (function determination processing).
[0053]
Next, the arithmetic processing unit 28B performs the predetermined time T₀Is integrated, and the target value φ (t) of the pendulum tilt angle when this value is the minimum value is determined as φm (t) based on the equation (7) (target value determination processing). ). Thereby, a target value pattern including the target value φm (t) at each time point is determined.
[0054]
Thereafter, as shown in FIGS. 5C to 5G, the inclination angle control device 26 </ b> B takes the time from the data acquisition process to the calculation process for a time T.₀Is repeated every time, and the time T is calculated by the previous calculation process and the current calculation process.₁The target value φm (t) of the pendulum inclination angle is determined redundantly. Note that the scheduled traveling conditions β (t) in each function determination process are set as constant conditions. Here, the inclination angle control device 26B determines the target value based on the result of the previous arithmetic processing in each of the plurality of arithmetic processings, and the evaluation function includes the target value φm (t) of the pendulum inclination angle. The time T at which the target value φm (t) is determined redundantly because the first-order difference and the second-order difference₁In the above, the target value obtained by the previous calculation process and the target value obtained by the current calculation process are made the same without being different. As a result, as shown in FIG. 6A, the target value pattern including the target value φm (t) at each time point is determined continuously over all the traveling sections.
[0055]
Then, the operating unit 25 inclines the vehicle body 3 in accordance with the determined target value φm (t) (inclination processing). The time T during which the target value φm (t) is determined redundantly₁Inside, the operation unit 25 inclines the railway vehicle 1 in accordance with the target value φm (t) obtained by the previous calculation processing.
[0056]
According to the railway vehicle 1B as described above, the target value pattern is determined continuously over all traveling sections, so that the time T₁In the above, the vehicle body 3 is tilted by the operation unit 25 in accordance with the target value φm (t) obtained by the previous calculation processing, so that the railway vehicle 1B can convert a curved portion having a complicated shape such as a double-core curve or a reverse curve. Even in the case of traveling, the ride comfort can be improved by continuously changing the pendulum inclination angle as shown in FIG. FIG. 6B shows a ride quality evaluation index when the railcar 1B runs with the vehicle body 3 tilted according to the target value pattern of FIG. It is a figure which shows the riding comfort evaluation index when 1B runs.
[0057]
Further, the target value φm (t) of the pendulum tilt angle can be determined by solving the nonlinear optimization problem represented by the above equation (10). Therefore, even if the data related to the shape of the track is not continuous but discretized and stored in the database 27B, the riding comfort of the railway vehicle 1B can be reliably improved.
[0058]
In the first and second embodiments, the bogie 2 has been described as shown in FIG. 1. However, it is sufficient that the bogie 2 has a mechanism for inclining the vehicle body, such as a link type or an air spring extendable type. Is also good.
[0059]
Further, the arithmetic processing unit 28 has been described as determining the target value φm (t) of the pendulum inclination angle so that the integral value of the value of the equation (1) becomes the minimum value. May be determined so as to be included in the range.
Further, another evaluation function may be used as the evaluation function F.
[0060]
【The invention's effect】
According to the first aspect of the present invention, even when the inclination angle of the vehicle body is controlled in advance, unlike the related art, the riding comfort when the railroad vehicle actually travels on the track in the untraveled section is reliably improved. be able to.
[0061]
According to the second aspect of the present invention, the same effect as that of the first aspect of the present invention can be obtained, and, of course, according to the change in the shape of the track without delaying the time when the vehicle body is inclined. The vehicle body can be reliably inclined to improve the riding comfort.
[0062]
According to the third aspect of the invention, the same effects as those of the first or second aspect can be obtained, and the inclination angle of the vehicle body is set so that the estimated value of the evaluation index falls within a predetermined range. Can be determined in advance.
[0063]
According to the fourth aspect of the present invention, the same effects as those of the first or second aspect can be obtained, and the inclination angle of the vehicle body can be adjusted so that the value of the evaluation index falls within a predetermined range. The target value can be determined in advance. Further, the target value of the lean angle of the vehicle body can be determined earlier.
[0064]
According to the fifth aspect of the invention, the same effect as the third or fourth aspect of the invention can be obtained. Even when the vehicle runs, the inclination angle of the vehicle body can be continuously changed to improve the riding comfort.
[0065]
According to the invention described in claim 6, it is possible to obtain the same effect as the invention described in any one of claims 1 to 5.
According to the invention described in claim 7, it is possible to obtain the same effect as the invention described in any one of claims 1 to 5.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic diagram showing a configuration of a main part of a pendulum type railway vehicle.
FIG. 2 is a diagram for explaining a shape of a track, an inclination angle of a vehicle body, and vibration characteristics of a railway vehicle.
FIG. 3 is a diagram for explaining how to determine a target value of an inclination angle from traveling route data and traveling conditions.
FIG. 4 is a diagram showing a target value of a tilt angle determined redundantly.
5A and 5B are diagrams showing a procedure for forming a target value pattern of an inclination angle in accordance with a line shape, wherein FIG. 5A is a diagram showing a curvature of a line, and FIG. 5B is a diagram showing a cant of the line. , (C) to (g) are diagrams showing target value patterns determined sequentially.
FIG. 6A is a diagram illustrating a target value pattern of a determined inclination angle, and FIG. 6B is a diagram illustrating an estimated value of a riding comfort evaluation index when the vehicle body is tilted in accordance with the target value pattern; It is.
[Explanation of symbols]
1,1A, 1B railcar
3 Body
25 Working part
26,26B Tilt angle control device
27, 27B database
28, 28B arithmetic processing unit

Claims

A vehicle body inclination angle control device for a railway vehicle,
An arithmetic processing unit that performs data acquisition processing for acquiring untraveled track data related to the shape of the track in an untraveled section from a database related to the shape of the entire track, and calculation processing for determining a target value of the inclination angle of the vehicle body,
An operating unit for inclining the vehicle body in accordance with the target value determined by the arithmetic processing,
The arithmetic processing is an evaluation function for estimating an evaluation index of a ride comfort of the vehicle body when the railway vehicle travels on the track of the untraveled section, and a scheduled traveling condition on the track of the untraveled section. A function determining process of determining a target value of the inclination angle of the vehicle body as a function having a variable based on the untraveled track data, and determining the target value such that the value of the evaluation index is included in a predetermined range. A vehicle body inclination angle control device, comprising:

The vehicle body inclination angle control device according to claim 1,
The vehicle body inclination angle control device, wherein the arithmetic processing unit determines the target value before the railway vehicle travels on a track in the untraveled section.

The vehicle body inclination angle control device according to claim 1 or 2,
The evaluation function is:
_{F (φ (t)) =} a max | y p (t) | + b max | y j (t) | + c max | θ p (t) | + d max | θ j (t) | + e
(However, t: time, F (t): the evaluation _function, y p (t): the body of the lateral _{acceleration,} y j (t): time change rate of the lateral acceleration, θ _p (t): the body Roll angular velocity, θ _j (t): roll angular acceleration of the vehicle body, a, b, c, d, e: coefficients)
And
y _p (t), y _j (t), θ _p (t) and θ _j (t) are respectively

(However, v: running speed, R (t): radius of curvature of the track, C (t): cant of the track, C ′ (t): time change rate of the cant, C ″ (t): time change of the cant Rate of time change, G: gauge, φ (t): target value, φ ′ (t): time change rate of the target value, φ ″ (t): time change of time rate of the target value Rate, g: gravity acceleration)
An inclination angle control device for a vehicle body, which is used by being approximated as:

The vehicle body inclination angle control device according to claim 1 or 2,
The evaluation function is:
F (φ (t)) = (μay p (t)) 2n + (μby j (t)) 2n + (μcθ p (t)) 2n + (μdθ j (t)) 2n
(However, t: time, F (t): the evaluation _function, y p (t): the body of the lateral _{acceleration,} y j (t): time change rate of the lateral acceleration, θ _p (t): the body Roll angular velocity, θ _j (t): roll angular acceleration of the vehicle body, a, b, c, d, e, μ: coefficient, n: positive integer)
And
y _p (t), y _j (t), θ _p (t) and θ _j (t) are respectively

The vehicle body inclination angle control device according to claim 3 or 4,
The database discretely stores the untraveled track data,
The arithmetic processing unit performs the data acquisition processing and the arithmetic processing for each predetermined time T ₀ within a predetermined time T ₀ + T ₁ by setting a line of a section in which the railway vehicle should travel as a line of the untraveled section, In each of the above-described arithmetic processing, the time change rate φ ′ (t) of the target value and the time change rate φ ″ (t) of the time change rate of the target value are determined with the predetermined traveling condition kept constant. Respectively

_{_{(However, Δt i = Δx i / v}} , Δx i: the _i-1 th Not running line shape by non-travel line data shape by point and i-th non-travel line data not yet running lines are shown represented Distance from point, i: positive integer)
Is used as an approximation, and the target value is determined based on the result of the previous arithmetic processing,
The operation unit, out of the last in the processing and time the target value by said arithmetic processing time is determined in duplicate T _1, the predetermined time T ₂ that includes at least the end of this time T ₁ ( A vehicle body inclination angle control device, wherein, within T ₂ ≦ T ₁ ), the railway vehicle is inclined in accordance with the target value obtained by the previous calculation process.

A vehicle body inclination angle control method, comprising: controlling a vehicle body inclination angle by the vehicle body inclination angle control device according to any one of claims 1 to 5.

A railway vehicle comprising the vehicle body inclination angle control device according to any one of claims 1 to 5.