JP2011001032A

JP2011001032A - 制御装置

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Publication number: JP2011001032A
Application number: JP2009147648A
Authority: JP
Inventors: Tomoo Kubota; 友夫窪田
Original assignee: KYB Corp
Current assignee: KYB Corp
Priority date: 2009-06-22
Filing date: 2009-06-22
Publication date: 2011-01-06
Anticipated expiration: 2029-06-22
Also published as: JP5166359B2

Abstract

【課題】位相ズレを緩和することができるだけでなくチューニングが容易な近似積分フィルタを提供することであり、また、制御装置の制御性能を向上することである。
【解決手段】上記した目的を達成するため、本発明の制御装置１は、制御対象Ｂの振動の加速度を検出する加速度センサ２と、加速度センサ２が出力する加速度信号から速度を得る近似積分フィルタ６と、速度に基づいて制御対象Ｂを制御する制御装置１において、近似積分フィルタ６の伝達関数を、ラプラス演算子をｓとし、角周波数をωとし、ｎを３以上の整数、ａを任意の正の数とした場合に、（ｓ^ｎ−１＋a・ｎ・ｓ^ｎ−２）／（ｓ＋ω）^ｎとしたことを特徴とする。
【選択図】図３

Description

本発明は、制御装置に関する。

従来、制御対象の速度を得て制御対象を制御する制御装置としては、たとえば、鉄道車両や自動車等の車体の振動を抑制する制御装置ものがある。以下、車体を制御する場合を例に挙げて従来の制御装置について詳述すると、当該制御装置は、鉄道車両や自動車等の車体と車軸との間に介装される緩衝器或いはシリンダが出力する制御力を調節して車体の振動を抑制するようになっており、そのため、緩衝器或いはシリンダの伸縮方向に一致する方向の車体の加速度を加速度センサで検知し、当該加速度センサが出力する加速度信号を近似積分フィルタで処理して車体の速度を得、当該速度に基づいて上記制御力を求めて、車体の振動を制御するようになっている。

ところで、ラプラス演算子をｓとし、角周波数をωとする場合、伝達関数をｓ／（ｓ＋ω）^２とした近似積分フィルタが良く用いられており、当該近似積分フィルタで加速度信号に含まれる外乱ＤＣ成分を除去しつつ加速度信号から車体の速度を得るようにしている。この近似積分フィルタをデジタルフィルタとして、演算によって速度を求める場合にあっても、伝達関数が上記のように簡素な構成であるので、簡単な演算を行うことで速度を得ることができるようになっている。

また、このほかにも近似積分フィルタのほかに、位相補償器を直列させて、位相ズレを緩和する制御装置もある（たとえば、特許文献１参照）

特開２００９−２３４７５号公報

ところで、従来の制御装置における近似積分フィルタの伝達関数をｓ／（ｓ＋ω）^２とした場合、たとえば、車両旋回時などによって加速度信号に重畳されるＤＣ成分の外乱を除去できるが、制御対象である車体の共振周波数が一般的には１Ｈｚ程度であって、上述の外乱ＤＣ成分の除去との兼ね合いからカットオフ周波数を０．１Ｈｚ程度というように共振周波数の近傍に設定しなくてはならず、共振周波数付近での位相ズレが大きく、良好な制御性能を得難いという問題がある。

そこで、この共振周波数付近での位相ズレを緩和するべく、近似積分フィルタにおける伝達関数をｓ／（ｓ^２＋２ζωｓ＋ω^２）に設定し、ζを調整要素として位相ズレ緩和のためにチューニングするようにすると、位相ズレは多少緩和されるものの、ＤＣ成分をステップ入力した場合の応答における振幅が大きくなり、たとえば、上記速度を基に車体をスカイフック制御する場合では、緩衝器等へ与える制御指令がオフセットされてしまい、車体が大きくゆっくり振動してしまったり、適切な制御力を発生できなかったりと新たな問題が生じる可能性がある。

また、特開２００９−２３４７５号公報に開示された制御装置では、位相ズレを緩和できるのであるが、調整要素として近似積分フィルタのカットオフ周波数の他に位相補償器のカットオフ周波数があるので、調整パラメータが多くチューニングが面倒で時間がかかるとともにチューニングに精通していなければ充分な制御性能を引き出すことが困難である。

さらに、チューニングが可能であっても、ＤＣ成分をステップ入力した場合の応答における振幅が大きく、上記速度を基に車体をスカイフック制御する場合では、緩衝器等へ与える制御指令がオフセットされてしまい、車体が大きくゆっくり振動してしまったり、適切な制御力を発生できなかったりと新たな問題が生じる可能性がある。

そこで、本発明は、上記不具合を改善するために創案されたものであって、その目的とするところは、位相ズレを緩和することができるだけでなくチューニングが容易な近似積分フィルタを備え、制御性能を向上することができる制御装置を提供することである。

上記した目的を達成するため、本発明の課題解決手段は、制御対象の振動の加速度を検出する加速度センサと、加速度センサが出力する加速度信号から速度を得る近似積分フィルタと、速度に基づいて制御対象を制御する制御装置において、近似積分フィルタの伝達関数を、ラプラス演算子をｓとし、角周波数をωとし、ｎを３以上の整数、ａを任意の正の数とした場合に、（ｓ^ｎ−１＋a・ｎ・ｓ^ｎ−２）／（ｓ＋ω）^ｎとしたことを特徴とする。

本発明における制御装置によれば、近似積分フィルタにおける伝達関数が上記のように設定されるので、位相ズレを緩和することができるだけでなく、ｎの値を調節するだけでカットオフ周波数以下の低周波数帯域におけるゲインと、共振周波数近傍における位相ズレの緩和を行うことができるので、チューニングが容易となる。

また、ｎの値の増加に対してカットオフ周波数以下の低周波数帯域におけるゲイン周波数特性、共振周波数近傍における位相周波数特性における変化の方向性が一定であるので、チューニングを直感的に行うことができ、作業者の意図した特性を得やすい。

さらに、近似積分フィルタによって位相ズレを緩和することができるので、制御装置における制御性能を向上することができる。

サスペンション制御装置に具現化した一実施の形態における制御装置を概念的に示した図である。サスペンション制御装置に具現化した一実施の形態における制御装置を搭載した車両の平面図である。一実施の形態における制御装置のシステムの一例を示す図である。一実施の形態の制御装置における近似積分フィルタのゲイン周波数特性を示した図である。一実施の形態の制御装置における近似積分フィルタの位相周波数特性を示した図である。一実施の形態の制御装置における近似積分フィルタの位相周波数特性の一部拡大図である。一実施の形態の制御装置における近似積分フィルタのステップ応答を示した図である。一実施の形態の一変形例の制御装置における近似積分フィルタのゲイン周波数特性を示した図である。一実施の形態の一変形例の制御装置における近似積分フィルタの位相周波数特性の一部拡大図である。一実施の形態の一変形例の制御装置における近似積分フィルタのステップ応答を示した図である。

以下、図に示した実施の形態に基づき、本発明を説明する。一実施の形態における制御装置１は、制御対象を自動車の車体Ｂとして、当該車体の振動を抑制するサスペンション制御装置に具現化しており、図１および図２に示すように、基本的には、車体Ｂに作用する上下方向の加速度を検出する加速度センサ２と、加速度センサ２が出力する加速度の信号を取り込んでサスペンション装置４を駆動する制御部３とを備えて構成されている。

他方、サスペンション装置４は、図１および図２に示すように、車体Ｂの振動、特に共振周波数帯での振動を抑制するように車体Ｂと車軸Ｗとの間の四箇所に介装されており、制御装置１の指令通りに制御力を発生することができるようになっている。なお、この場合、サスペンション装置４は、たとえば、伸縮可能であって伸縮方向に油圧や電動等で推力を発揮するアクチュエータとされている。

また、車体Ｂは、車体Ｂと車軸Ｗとの間に介装される懸架ばねＳによって弾性支持されている。

さらに、制御部３は、図３に示すように、加速度センサ２が出力する加速度信号をデジタル信号として取り込むＡ／Ｄ変換器５と、Ａ／Ｄ変換器５で取り込まれた加速度信号を処理するデジタルフィルタでなる近似積分フィルタ６と、近似積分フィルタ６で処理されて得られる速度に基づいてサスペンション装置４が発生すべき制御力Ｆｓを演算し、サスペンション装置４に当該制御力Ｆｓを発生させるべく制御指令Ｅを出力する制御力演算部７と、デジタル信号でなる制御指令Ｅをアナログ電圧の信号に変換するＤ／Ａ変換器８とを備えて構成されており、サスペンション装置４は、上記したように、当該制御指令Ｅを受け取ると、制御指令Ｅ通りに制御力Ｆｓを発生する。

なお、制御力演算部７は、この実施の形態では、具体的にはたとえば、スカイフック制御則に則って制御力Ｆｓを求めるようになっているが、制御側はこれに限定されるものではない。

また、制御装置１における制御部３は、上記の構成に加えて、図３に示すように、加速度センサ２が出力する加速度信号に含まれる高周波ノイズを除去するアナログのローパスフィルタ９をＡ／Ｄ変換器５の前に介装してある。

他方、サスペンション装置４は、この場合、アナログ電圧でなる制御指令Ｅを受け取ると、図示しない、駆動源を駆動して制御指令どおりの制御力Ｆｓを発生することになる。

そして、制御部３の構成のうち、近似積分フィルタ６および制御力演算部７は、ハードウェア資源として、フィルタ処理、積分演算、制御力演算が可能なように、ＣＰＵ（ＣｅｎｔｒａｌＰｒｏｃｅｓｓｉｎｇＵｎｉｔ）等の演算処理装置と、上記演算処理装置に記憶領域を提供するＲＡＭ（ＲａｎｄｏｍＡｃｃｅｓｓＭｅｍｏｒｙ）等の主記憶装置と、上記車体傾斜角度の異常検出を行うための処理に使用されるプログラム等が格納されるＲＯＭ（ＲｅａｄＯｎｌｙＭｅｍｏｒｙ）やＨＤ（ＨａｒｄＤｉｓｋ）等の副記憶装置とを備えており、ＣＰＵで上記各種処理を実行することで、上記の近似積分フィルタ６および制御力演算部７が実現されるようになっている。

つづいて、ローパスフィルタ９は、制御上不要となる車体振動制御の対象の加速度の周波数領域を超える周波数成分である高周波ノイズを除去して、制御性を向上させるために用いられているが、制御上問題が無ければ、ローパスフィルタ９を省略することも可能である。

さらに、近似積分フィルタ６は、この場合、デジタルフィルタとされるとともに、その伝達関数は、ラプラス演算子をｓとし、角周波数をωとし、ｎを３以上の整数、ａを任意の正の数とした場合に、（ｓ^ｎ−１＋ａ・ｎ・ｓ^ｎ−２）／（ｓ＋ω）^ｎに設定されている。

以下、この近似積分フィルタ６の特性について、ａ＝１の場合を例として説明する。

制御対象である自動車の車体Ｂの共振周波数が１Ｈｚ程度であるので、特に車体Ｂにおける共振周波数帯での振動を抑制する制御に向くように、カットオフ周波数を０．１Ｈｚ（ω＝２・π・０．１）とすると、近似積分フィルタ６のゲイン周波数特性は、図４に示すが如く、従来の伝達関数がラインＹで示したｓ／（ｓ＋ω）^２やラインＺで示したｓ／（ｓ^２＋２ζωｓ＋ω^２）（ただし、ω＝２・π・０．１、ζ＝０．３）とした近似積分フィルタに比較してカットオフ周波数より低い周波数帯でゲインが低くなり、かつ、ｎの値を３、４、５、６と増やすにしたがってカットオフ周波数より低い周波数帯でゲインが低くなる傾向となり、ＤＣ成分の除去効果が高まる。

また、カットオフ周波数を０．１Ｈｚ（ω＝２・π・０．１）とした際の近似積分フィルタ６の位相周波数特性は、図５および図６に示すように、ｎの値を３、４、５、６と増やすにしたがって、１Ｈｚ近傍の共振周波数域において位相が−９０度から遠ざかるが従来の伝達関数がラインＹで示したｓ／（ｓ＋ω）^２やラインＺで示したｓ／（ｓ^２＋２ζωｓ＋ω^２）（ただし、ω＝２・π・０．１、ζ＝０．３）とした近似積分フィルタに比較して位相ズレが緩和される。

さらに、カットオフ周波数を０．１Ｈｚ（ω＝２・π・０．１）とした際の近似積分フィルタ６のステップ応答は、図７に示すように、ｎの値を３、４、５、６と増やすにしたがって、多少振動的になるものの、応答の振幅が小さくなる。ここで、ｎ＝３の場合、ステップ応答の振幅が従来の伝達関数がラインＹで示したｓ／（ｓ＋ω）^２やラインＺで示したｓ／（ｓ^２＋２ζωｓ＋ω^２）（ただし、ω＝２・π・０．１、ζ＝０．３）とした近似積分フィルタより大きくなるが、上述したように位相ズレ緩和効果が高く、ステップ応答がラインＺのようにマイナス側にオーバーシュートしないので、外乱ＤＣ成分によるドリフトが少なく位相ズレの緩和が重要視される制御に適する。

このように、本発明の制御装置１によれば、近似積分フィルタ６の伝達関数が上記のように設定されるので、位相ズレを緩和することができるだけでなく、ｎの値を調節するだけでカットオフ周波数以下の低周波数帯域におけるゲインと、共振周波数近傍における位相ズレの緩和を行うことができるので、チューニングが容易となる。

さらに、近似積分フィルタ６によって、位相ズレを緩和することができるので、制御装置１における制御性能が向上することになる。

またさらに、ｎの値を４から６とする場合には、位相ズレの緩和のみならず、カットオフ周波数以下の低周波数帯域におけるゲインを低減でき、さらに、ステップ応答における振幅も低減できるので、制御装置１における制御性能をより一層効果的に向上させることができる。

つづいて、近似積分フィルタ６の伝達関数において、ａ＞１である場合について説明する。先程と同様に、カットオフ周波数を０．１Ｈｚ（ω＝２・π・０．１）とし、ａ＝（ｎ＋１）／ｎとし、ｎ＝３，４，５，６とした場合の近似積分フィルタ６におけるゲイン周波数特性、位相周波数特性およびステップ応答は、順に、図８、図９および図１０に示すようになる。

このようにａ＞１に設定すると、ゲイン周波数特性は、ａ＝１の場合と変化はないが、図９に示した位相周波数特性において自動車の車体Ｂの共振周波数である１Ｈｚ近傍における位相遅れを大きくすることができ、近似積分フィルタ６におけるカットオフ周波数と制御対象である車体Ｂの共振周波数とが近い場合に有効となる。すなわち、係数ａをａ＞１とすることで、位相遅れを大きくすることができ、係数ａは、カットオフ周波数と制御対象の共振周波数とが近い場合における位相ズレの調節要素である。なお、ステップ応答は、図１０に示すように、ｎが３，４では多少大きくなるが、上述したように、位相ズレの緩和が重要視される制御に対しては有効である。

また、近似積分フィルタ６がデジタルフィルタである場合、デジタル演算によって加速度から速度を得ることになるが、本実施の形態の制御装置１では、従来の制御装置のように、積分演算を行うフィルタの他に、位相補償用のフィルタやハイパスフィルタを用いずとも、単一の近似積分フィルタ６によって、位相ずれの緩和を行うことができる。

従来の制御装置のように、積分演算を行うフィルタの他に、位相補償用のフィルタやハイパスフィルタを備えて、個々に演算を行うと、量子化誤差が更なる量子化誤差を生む結果となって演算結果が大きな量子化誤差を含んでしまう可能性がある。つまり、アナログ信号をデジタル信号に変換する際に量子化誤差が生じ、さらに各フィルタにおける演算によってさらに量子化誤差が生じ、またさらに、積分演算を行う際に量子化誤差を積分してしまうので、従来の制御装置では、演算結果が多大な量子化誤差を含む可能性があるのである。

このように量子化誤差は、アナログ信号をデジタル信号に変換する際のみならず、デジタル演算を行うと生じてしまうのであるが、本発明の制御装置１にあっては、単一の近似積分フィルタ６で積分処理を行いつつ位相ズレを緩和でき、近似積分フィルタ６における特性を纏めて一括して離散化してデジタル演算することで、量子化誤差を小さくとどめることができる。また、この実施の形態の場合、近似積分フィルタ６の特性を一括して離散化することで、量子化誤差を小さくすることができ、出力信号がふらついたり、オフセットしたりするなどといった量子化誤差の積算による制御上の不具合の発生を抑制することができる。

なお、上記したところでは、制御対象を自動車の車体Ｂとして車体Ｂの制振をスカイフック制御にて行う場合を例にして、本発明を説明したが、制振対象の加速度から速度を得て、速度に基づいて制振対象を制御する場合に本発明を利用することが可能であり、具体的にはたとえば、自動車以外にも鉄道車両における車体の制振制御や、建築物、建築物に備え付けられる装置等の制振に利用することが可能である。

さらに、サスペンション装置４は、アクチュエータではなく、減衰力可変ダンパとされてもよいし、アクチュエータとダンパ、あるいは、アクチュエータと減衰力可変ダンパを組み合わせたものとされてもよい。なお、サスペンション装置４がアクチュエータではなく減衰力可変ダンパである場合、スカイフック制御を行う上で車体Ｂと車軸Ｗの上下方向の相対速度が必要になるため、車体Ｂと車軸Ｗの上下方向の加速度を検出するべく、加速度センサ２を四つのサスペンション装置４の車体Ｂ側へ連結される一端のみならず、車軸Ｗ側へ連結される他端にも設けて、合計八つの加速度センサで、それぞれ、設置箇所の上下方向の加速度を検知するようにすればよい。また、車体Ｂと車軸Ｗの上下方向の相対速度は、車軸Ｗに加速度センサ２を設ける代わりに、サスペンション装置４の伸縮の際のストロークを検出して、これを微分して得てもよいし、オブザーバで推定して得てもよい。

以上で、本発明の実施の形態についての説明を終えるが、本発明の範囲は図示されまたは説明された詳細そのものには限定されないことは勿論である。

産業上の利用分野

本発明は、制御装置に利用可能である。

１制御装置
２加速度センサ
３制御部
４サスペンション装置
５Ａ／Ｄ変換器
６近似積分フィルタ
７制御力演算部
８Ｄ／Ａ変換器
９ローパスフィルタ
Ｂ制御対象としての車体
Ｗ車軸
Ｓ懸架ばね

Claims

制御対象の振動の加速度を検出する加速度センサと、加速度センサが出力する加速度信号から速度を得る近似積分フィルタと、速度に基づいて制御対象を制御する制御装置において、近似積分フィルタの伝達関数を、ラプラス演算子をｓとし、角周波数をωとし、ｎを３以上の整数、ａを任意の正の数とした場合に、（ｓ^ｎ−１＋a・ｎ・ｓ^ｎ−２）／（ｓ＋ω）^ｎとしたことを特徴とする制御装置。
近似積分フィルタの伝達関数においてａ＞１に設定される請求項１に記載の制御装置。
近似積分フィルタがデジタルフィルタであって、近似積分フィルタの特性を一括して離散化して演算を行う請求項１または２に記載の制御装置。
近似積分フィルタの伝達関数におけるｎが４、５、６のいずれかの値である請求項１から３のいずれかに記載の制御装置。