JP2006232038A

JP2006232038A - 鉄道車両の振動制御装置及び振動制御方法

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Publication number: JP2006232038A
Application number: JP2005047976A
Authority: JP
Inventors: Masatomo Kishi; 真友岸; Osamu Goto; 修後藤
Original assignee: Sumitomo Metal Industries Ltd
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 2005-02-23
Filing date: 2005-02-23
Publication date: 2006-09-07
Anticipated expiration: 2025-02-23
Also published as: JP4462065B2

Abstract

【課題】台車に生じる振動の周波数スペクトルが変動しても良好な振動低減効果を維持できる鉄道車両の振動制御装置を提供する。
【解決手段】鉄道車両を表す制御系の伝達関数のゲインを予め定められた第１周波数及び第２周波数においてそれぞれ極小化するための個別制御指令信号Ｓ１１及びＳ１２を出力するＨ∞制御器１１及び１２と、個別制御指令信号Ｓ１１及びＳ１２を混合比信号Ｓ６０によって示される比で混合することにより制御指令信号Ｓ３０を生成する乗算器２１、２２及び加算器３０と、振動加速度信号Ｓ１０と制御指令信号Ｓ３０とから台車の振動を推定する外乱オブザーバ４０と、推定された台車の振動の第１周波数成分信号Ｓ５１及び第２周波数成分信号Ｓ５２の大きさに応じて前記混合比を決定して混合比信号Ｓ６０を出力する混合比演算器６０とを備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、鉄道車両の振動制御装置及び振動制御方法に関し、特に、車体振動を複数の周波数成分において低減させる技術に関する。

近年、鉄道車両の乗り心地を向上させるために、走行時に車体に生じる振動をアクティブ制御によって抑制する技術が実用化されている。

図６は、アクティブ制御を行う従来の振動制御装置の一般的な全体構成を、制御対象である車両を含めて示す構成図である。図６において、台車９５の振動は二次ばね９４を介して車体９０へ伝わる。振動加速度計９１は車体９０の振動加速度を計測し、制御器９２は計測された振動加速度に応じて車体９０の振動を低減させる方向の制御指令信号を出力し、アクチュエータ９３は制御指令信号に従って空気圧、油圧、電磁力等を用いて動作する。

このようなアクティブ制御器の設計は、例えばＨ∞制御理論に基づいて行うことができる。Ｈ∞制御は、周知のように、制御系の伝達関数Ｇのゲイン‖Ｇ‖の周波数領域でのピーク値を所定値以下に抑える制御である。前記車両を表す制御系についてＨ∞制御理論に基づいて設計される制御器を用いて車体の振動を抑制する技術が公知となっている（例えば、特許文献１を参照）。

特許文献１は、振動加速度を含む複数の状態変数を用いて前記制御系を表し、特に振動加速度には周波数に応じて異なる重みを与えた上で制御器を設計し、設計された制御器を用いてＨ∞制御を行う技術を開示する。

図７（Ａ）は、振動加速度に与える重みの周波数分布の一例であり、図７（Ｂ）は、そのような重みを用いてＨ∞制御を行った場合の伝達関数のゲインの周波数特性の一例である。図に見られるように、重み分だけ伝達関数のゲインが小さくなり振動が効果的に抑制されることとなる。

特許文献１は、最大の振動抑制性能を得ようとする周波数ｆ０を予め定め、この周波数ｆ０において最大の重みを用いると共に、乗り心地を特に顕著に損なう原因となる特定の周波数範囲の振動についても、その周波数範囲において所定値以上の重みを用いてある程度抑制することによって、良好な乗り心地が得られるとしている。
特開平５−２１３１９６号公報

しかしながら、上記従来の技術によれば、最大の振動抑制性能が得られる周波数ｆ０が固定されるため、この周波数ｆ０から離れた周波数の振動は車体へ比較的よく伝わることになる。そのため、台車に生じる振動のピーク周波数が、例えば車輪の磨耗といった経年変化や、トンネルの中か外かといった走行環境の変化に応じて周波数ｆ０から変動すると、車体の振動が増大して乗り心地が損なわれるという問題がある。

上記の問題に鑑み、本発明は、台車に生じる振動のピーク周波数（スペクトルの形状）が変動しても良好な振動抑制性能を維持できる鉄道車両の振動制御装置及び振動制御方法を提供することを目的とする。

上記問題を解決するため、本発明の振動制御装置は、台車、車体、及び前記台車と前記車体との間に設けられるアクチュエータを含んでなる鉄道車両において、前記アクチュエータを制御することによって前記車体の振動を抑制する振動制御装置であって、前記台車から前記車体への振動の伝達利得を所定の第１周波数において極小化するための第１制御指令信号を生成する第１制御手段と、前記伝達利得を所定の第２周波数において極小化するための第２制御指令信号を生成する第２制御手段と、外部から与えられる混合比信号に応じた比で前記第１制御指令信号と前記第２制御指令信号とを混合することによって前記アクチュエータへ供給する新たな制御指令信号を生成する混合手段とを備える。

この構成によれば、前記新たな制御信号を用いることによって、前記混合比信号によって示される比率で前記第１周波数及び前記第２周波数の振動伝達が抑制される。そして、前記混合比信号によって振動の周波数スペクトルの形状に適応した比率を指示できるので、振動スペクトルの形状が変化した場合でも常にそのスペクトルに追従して振動伝達を抑制することが可能となり、良好な振動抑制性能が維持されることとなる。

また、前記振動制御装置は、さらに、前記台車の振動を表す外乱信号に含まれる前記第１周波数の成分信号の大きさと前記第２周波数の成分信号の大きさとに基づいて前記混合比信号を生成する混合比演算手段を備えてもよい。

好ましくは、前記混合比演算手段は、前記第１周波数の成分信号の大きさをＡとし、前記第２周波数の成分信号の大きさをＢとするとき、Ａ／（Ａ＋Ｂ）の値を混合比αとして算出し、算出された混合比αを表す混合比信号を生成し、前記混合手段は、前記第１制御指令信号と前記第２制御指令信号とをα：（１−α）の比で混合することによって新たな制御指令信号を生成してもよい。

この構成によれば、前記第１周波数及び前記第２周波数の振動伝達が、台車の振動のそれぞれの周波数成分量に比例して抑制されるので、台車の振動スペクトルの変化に正確に追従して振動抑制性能が発揮される。

また、前記振動制御装置は、さらに、前記車体の振動加速度を表す振動加速度信号、及び前記新たな制御指令信号を用いて前記台車の振動を推定し、推定の結果に応じて前記外乱信号を生成する外乱オブザーバを備えてもよい。

この構成によれば、車体において得られる信号から推定される台車の振動に追従して振動抑制制御を行うため、振動や温度変化の激しい台車にセンサを設ける必要がないので、信頼性の高い振動制御装置が比較的容易に実現される。

また、前記台車には外乱センサが備えられ、前記混合比演算手段は、前記外乱信号を前記外乱センサから取得してもよい。

この構成によれば、前記外乱センサの機能を振動や温度変化の激しい台車において維持する必要がある反面、外乱オブザーバが省略され制御器の構成を簡素化できる。

本発明の振動制御方法は、台車、車体、及び前記台車と前記車体との間に設けられるアクチュエータを含んでなる鉄道車両において、前記アクチュエータを制御することによって前記車体の振動を抑制する振動制御方法であって、前記台車から前記車体への振動の伝達利得を所定の第１周波数において極小化するための第１制御指令信号を生成する第１制御ステップと、前記伝達利得を所定の第２周波数において極小化するための第２制御指令信号を生成する第２制御ステップと、外部から与えられる混合比信号に応じた比で前記第１制御指令信号と前記第２制御指令信号とを混合することによって前記アクチュエータへ供給する新たな制御指令信号を生成する混合ステップとを含む。

本発明のプログラムは、前述の振動制御方法に含まれるステップをコンピュータに実行させることを特徴とする。

これらの方法及びプログラムを用いて振動抑制制御を行うことによって、前述と同様の効果を得ることができる。

本発明の実施の形態に係る振動制御装置について、図面を参照しながら説明する。この振動制御装置の全体構成は、従来技術の一般的な全体構成（図６参照）と同様であるが、制御器が、異なる周波数において伝達関数のゲインを極小化する複数のＨ∞制御器を備え、各Ｈ∞制御器から出力される制御指令を台車の振動の周波数成分に応じて混合して得られる新たな制御指令を出力する点に特徴がある。

以下、本実施の形態に係る制御器について詳細に説明する。この制御器は、図６に示される全体構成において制御器９２として用いられるものである。

図１は、制御器９２ａの構成を示す機能ブロック図である。制御器９２ａは、第１Ｈ∞制御器１１、第２Ｈ∞制御器１２、乗算器２１及び２２、加算器３０、外乱オブザーバ４０、第１バンドパスフィルタ５１、第２バンドパスフィルタ５２、混合比演算器６０から構成される。

制御器９２ａは、例えば、ＤＳＰ(Digital Signal Processor)を用いて実現されるとしてもよい。その場合、各構成要素はＤＳＰが所定のプログラムを実行することによって発揮される機能を表す。もちろん、制御器９２ａを各構成要素の機能を発揮するハードウェア回路を用いて実現してもよい。

制御器９２ａは、振動加速度計９１から車体の振動加速度（例えば左右方向の加速度）を表す振動加速度信号Ｓ１０を与えられ、アクチュエータ９３へ制御指令信号Ｓ３０を出力する。なお、これらの信号をアナログ形式とデジタル形式との間で変換するために、図示しないＤ／Ａ変換器及びＡ／Ｄ変換器が適宜用いられるものとする。

第１Ｈ∞制御器１１は予め定められる周波数ｆ１にピークを持つ第１の重みを用いて設計され、第２Ｈ∞制御器１２は予め定められる周波数ｆ２にピークを持つ第２の重みを用いて設計される。そして、互いに独立してＨ∞制御を行うことによって、振動加速度信号Ｓ１０からそれぞれ、周波数ｆ１において伝達関数のゲインを極小化する第１個別制御指令信号Ｓ１１、及び周波数ｆ２において伝達関数のゲインを極小化する第２個別制御指令信号Ｓ１２を出力する。

ここで、周波数ｆ１及びｆ２は、予め知られた振動成分が大きい代表的な２つの周波数であり、例えば１Ｈｚ及び３Ｈｚである。

図２（Ａ）は、前記第１の重みの周波数分布７１、及び前記第２の重みの周波数分布７２を、一例として示す。

乗算器２１は、第１個別制御指令信号Ｓ１１に混合比信号Ｓ６０によって示される混合比α（０≦α≦１）を乗じ、乗算器２２は、第２個別制御指令信号Ｓ１２に（１−α）を乗じ、加算器３０は、それぞれの乗算結果を加算することによって得られる制御指令信号Ｓ３０を出力する。

外乱オブザーバ４０は、振動加速度信号Ｓ１０及び制御指令信号Ｓ３０を用いて台車の左右振動速度を推定し、推定結果を表す外乱信号Ｓ４０を出力する。

第１バンドパスフィルタ５１は、中心周波数がｆ１の帯域通過フィルタであり、第２バンドパスフィルタ５２は、中心周波数がｆ２の帯域通過フィルタである。そして、外乱信号Ｓ４０を入力とし、それぞれ第１周波数成分信号Ｓ５１及び第２周波数成分信号Ｓ５２を出力する。

図２（Ｂ）は、第１バンドパスフィルタ５１のゲインの周波数特性７３、及び第２バンドパスフィルタ５２のゲインの周波数特性７４を、一例として示す。

混合比演算器６０は、第１周波数成分信号Ｓ５１の大きさをＡとし第２周波数成分信号Ｓ５２の大きさをＢとするとき、Ａ／（Ａ＋Ｂ）の値を混合比αとして算出する。ここで、Ａ及びＢとして、例えば、第１周波数成分信号Ｓ５１及び第２周波数成分信号Ｓ５２それぞれの振幅を用いることができる。

図３（Ａ）及び（Ｂ）は、それぞれ第１周波数成分信号Ｓ５１及び第２周波数成分信号Ｓ５２の時間波形の一例を示し、それぞれの振幅がＡ及びＢとして用いられることを表している。

また、Ａ及びＢとして、他に例えば、第１周波数成分信号Ｓ５１及び第２周波数成分信号Ｓ５２のＲＭＳ(Root Mean Square)を用いることも考えられる。

混合比演算器６０は、算出した混合比αを表す混合比信号Ｓ６０を乗算器２１及び２２へ出力する。そして、前述したように、第１個別制御指令信号Ｓ１１と第２個別制御指令信号Ｓ１２とは、乗算器２１及び２２、並びに加算器３０によってα：（１−α）の比率で混合され制御指令信号Ｓ３０として出力される。

図４は、制御指令信号Ｓ３０を用いてアクチュエータ９３を制御する場合の伝達関数Ｇのゲイン‖Ｇ‖の周波数特性８０を示す。また、対比のために、第１個別制御指令信号Ｓ１１を単独で用いた場合の周波数特性８１、及び第２個別制御指令信号Ｓ１２を単独で用いた場合の周波数特性８２を示している。

制御指令信号Ｓ３０には、台車の振動の周波数分布（スペクトル）に適応して決定される比で第１個別制御指令信号Ｓ１１及び第２個別制御指令信号Ｓ１２が含まれるので、制御指令信号Ｓ３０を用いることによって、一方の個別制御指令信号を単独で用いる従来の技術に比べてより大きな周波数変動に対して振動抑制性能が維持される。

以上のように、本実施の形態に係る振動制御装置は、台車の振動に含まれる２つの周波数成分を分析し、その成分の量に応じた比率で各周波数の振動伝達を抑制する。そのため、経年変化等によって振動スペクトルの形状（振動のピーク周波数）が変化しても、常にそのスペクトルに追従して振動伝達が抑制されるので、良好な振動抑制性能が維持されることとなる。

なお、本発明を上記の実施の形態に基づいて説明してきたが、本発明は、上述した実施の形態に限定されないのはもちろんである。以下のような場合も本発明に含まれる。

実施の形態では、外乱オブザーバによって台車の振動を推定するとしたが、台車に設けられる外乱センサ（速度センサ、振動センサなど）を用いて台車の振動を計測してもよい。

図５は、そのような変形例に係る制御器９２ｂの構成を示す機能ブロック図である。制御器９２ａと比べて、外乱オブザーバ４０が省略され、代わりに外乱センサ４５から台車の信号の計測結果を表す外乱信号Ｓ４５を取得する点が異なる。

制御器９２ｂによれば、振動や温度変化の激しい台車において外乱センサの機能を維持する必要がある反面、外乱オブザーバが省略され制御器の構成を簡素化できる。

また、実施の形態では簡明のため２つの周波数を用いて説明したが、一般にｎ個の周波数に拡張することは容易である。その場合には、周波数ｆｉ（ｉ＝１,…,ｎ）に対応して、第ｉ個別制御指令信号を出力する第ｉＨ∞制御器と、第ｉ周波数成分信号を出力する第ｉバンドパスフィルタとが設けられる。そして、第ｉ周波数成分信号の大きさをＡｉとするとき、Ａｉ／（Σ_j=1,…_,n（Ａｊ））の
値を混合比αｉとして、Σ_j=1,…_,n（αｊ×第ｉ個別制御指令信号）に従って制
御指令信号を生成すればよい。

また、本発明は、実施の形態で説明した処理ステップを含む方法であるとしてもよい。また、その方法を、コンピュータシステムを用いて実現するためのコンピュータプログラムであるとしてもよいし、前記プログラムを表すデジタル信号であるとしてもよい。

また、本発明は、前記プログラム又は前記デジタル信号を記録したコンピュータ読取り可能な記録媒体、例えば、フレキシブルディスク、ハードディスク、ＣＤ、ＭＯ、ＤＶＤ、ＢＤ、半導体メモリ等であるとしてもよい。

また、本発明は、電気通信回線、無線又は有線通信回線、若しくはインターネットに代表されるネットワーク等を経由して伝送される前記コンピュータプログラム又は前記デジタル信号であるとしてもよい。

また、前記プログラム又は前記デジタル信号は、前記記録媒体に記録されて移送され、若しくは、前記ネットワーク等を経由して移送され、独立した他のコンピュータシステムにおいて実行されるとしてもよい。

本発明に係る振動制御装置及び振動制御方法は、鉄道車両における車体の振動抑制に利用できる。

実施の形態に係る制御部の構成を示す機能ブロック図である。（Ａ）前記制御部における個々のＨ∞制御器の設計に用いられる重みの周波数分布の一例である。（Ｂ）前記制御部における個々のバンドパスフィルタの周波数特性の一例である。（Ａ）及び（Ｂ）前記バンドパスフィルタからの出力信号の時間波形の一例である。制御指令信号を用いる場合、及び個別制御指令信号を単独で用いる場合それぞれの伝達関数のゲインの周波数特性の一例である。変形例に係る制御部の構成を示す機能ブロック図である。従来の振動制御装置の一般的な全体構成を示す構成図である。（Ａ）従来のＨ∞制御器の設計に用いられる重みの周波数分布の一例である。（Ｂ）前記重みを用いた場合の伝達関数のゲインの周波数特性の一例である。

符号の説明

１１第１Ｈ∞制御器
１２第２Ｈ∞制御器
２１、２２乗算器
３０加算器
４０外乱オブザーバ
４５外乱センサ
５１第１バンドパスフィルタ
５２第２バンドパスフィルタ
６０混合比演算器
９０車体
９１振動加速度計
９２制御器
９３アクチュエータ
９４２次ばね
９５台車

Claims

台車、車体、及び前記台車と前記車体との間に設けられるアクチュエータを含んでなる鉄道車両において、前記アクチュエータを制御することによって前記車体の振動を抑制する振動制御装置であって、
前記台車から前記車体への振動の伝達利得を所定の第１周波数において極小化するための第１制御指令信号を生成する第１制御手段と、
前記伝達利得を所定の第２周波数において極小化するための第２制御指令信号を生成する第２制御手段と、
外部から与えられる混合比信号に応じた比で前記第１制御指令信号と前記第２制御指令信号とを混合することによって前記アクチュエータへ供給する新たな制御指令信号を生成する混合手段と
を備えることを特徴とする振動制御装置。
前記振動制御装置は、さらに、
前記台車の振動を表す外乱信号に含まれる前記第１周波数の成分信号の大きさと前記第２周波数の成分信号の大きさとに基づいて前記混合比信号を生成する混合比演算手段を備える
ことを特徴とする請求項１に記載の振動制御装置。
前記混合比演算手段は、前記第１周波数の成分信号の大きさをＡとし、前記第２周波数の成分信号の大きさをＢとするとき、Ａ／（Ａ＋Ｂ）の値を混合比αとして算出し、算出された混合比αを表す混合比信号を生成し、
前記混合手段は、前記第１制御指令信号と前記第２制御指令信号とをα：（１−α）の比で混合することによって新たな制御指令信号を生成する
ことを特徴とする請求項２に記載の振動制御装置。
前記振動制御装置は、さらに、
前記車体の振動加速度を表す振動加速度信号、及び前記新たな制御指令信号を用いて前記台車の振動を推定し、推定の結果に応じて前記外乱信号を生成する外乱オブザーバを備える
ことを特徴とする請求項２に記載の振動制御装置。
前記台車には外乱センサが備えられ、
前記混合比演算手段は、前記外乱信号を前記外乱センサから取得する
ことを特徴とする請求項２に記載の振動制御装置。
台車、車体、及び前記台車と前記車体との間に設けられるアクチュエータを含んでなる鉄道車両において、前記アクチュエータを制御することによって前記車体の振動を抑制する振動制御装置であって、
ｎ個の所定の周波数ｆｉ（ｉ＝１、…、ｎ）それぞれに対応して、前記台車から前記車体への振動の伝達利得をｆｉにおいて極小化するための第ｉ制御指令信号を生成する第ｉ制御手段と、
外部から与えられる混合比信号に応じた比で前記第ｉ制御指令信号（ｉ＝１、…、ｎ）を混合することによって前記アクチュエータへ供給する新たな制御指令信号を生成する混合手段と
を備えることを特徴とする振動制御装置。
台車、車体、及び前記台車と前記車体との間に設けられるアクチュエータを含んでなる鉄道車両において、前記アクチュエータを制御することによって前記車体の振動を抑制する振動制御方法であって、
前記台車から前記車体への振動の伝達利得を所定の第１周波数において極小化するための第１制御指令信号を生成する第１制御ステップと、
前記伝達利得を所定の第２周波数において極小化するための第２制御指令信号を生成する第２制御ステップと、
外部から与えられる混合比信号に応じた比で前記第１制御指令信号と前記第２制御指令信号とを混合することによって前記アクチュエータへ供給する新たな制御指令信号を生成する混合ステップと
を含むことを特徴とする振動制御方法。
台車、車体、及び前記台車と前記車体との間に設けられるアクチュエータを含んでなる鉄道車両において、前記アクチュエータを制御することによって前記車体の振動を抑制する振動制御方法であって、
ｎ個の所定の周波数ｆｉ（ｉ＝１、…、ｎ）それぞれに対応して、前記台車から前記車体への振動の伝達利得をｆｉにおいて極小化するための第ｉ制御指令信号を生成する第ｉ制御ステップと、
外部から与えられる混合比信号に応じた比で前記第ｉ制御指令信号（ｉ＝１、…、ｎ）を混合することによって前記アクチュエータへ供給する新たな制御指令信号を生成する混合ステップと
を備えることを特徴とする振動制御方法。
請求項７又は請求項８に記載の振動制御方法に含まれるステップをコンピュータに実行させることを特徴とするプログラム。