JP2012011860A - Device and method for controlling vibration of railway vehicle - Google Patents
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Abstract
Description
本発明の実施形態は、車体振動の抑制に適した鉄道車両の振動制御装置及び鉄道車両の振動制御方法に関する。 Embodiments described herein relate generally to a railway vehicle vibration control device and a railway vehicle vibration control method suitable for suppressing vehicle body vibration.
従来から、車体に発生する各種の振動を抑制するための振動制御装置が鉄道車両に搭載されている。このような振動制御装置は、鉄道車両の車体に発生する振動を抑制する方法として、車体と台車との間に振動方向に合わせてアクチュエータを配置し、センサで測定した車体振動をフィードバックし、車体振動と概ね逆位相の制御力をアクチュエータで発生させる方法を一般的に採用している。 Conventionally, a railroad vehicle is equipped with a vibration control device for suppressing various types of vibration generated in a vehicle body. Such a vibration control device, as a method of suppressing vibration generated in the body of a railway vehicle, arranges an actuator in accordance with the vibration direction between the body and the carriage, feeds back the body vibration measured by the sensor, In general, a method is used in which an actuator generates a control force substantially in antiphase with vibration.
図10は、一般的な鉄道車両のアクティブ振動制御装置の構成を示す。図10に示す鉄道車両は、車輪3によりレール5上を走行する車両であり、車体1と台車2との間に振動制御用の車体−台車間アクチュエータ6、左右方向の車両サスペンション4−1、及び上下方向の車両サスペンション4−2を備えている。
FIG. 10 shows a configuration of a general railway vehicle active vibration control apparatus. The railway vehicle shown in FIG. 10 is a vehicle that travels on the
走行中における車体1は、軌道の不正による台車2に対する外乱力51や、高速走行によって生じる空力外乱力等の様々な外乱力を受けて加振される。その際における車体振動は、車体振動検出用加速度センサ11−1,11−2によって検出され、制御用ハードウェア12内の制御演算ブロック21に構成されたフィードバック制御器13に入力される。
During traveling, the
フィードバック制御器13は、所定の振動制御アルゴリズムに基づき、入力された車体振動を低減するためのフィードバック制御信号Ufbを、アクチュエータ駆動用ハードウェア30に出力する。このフィードバック制御器13を含む制御演算ブロック21は、ソフトウェアにより実現が可能である。
The
アクチュエータ駆動用ハードウェア30は、例えばサーボドライバや油圧アクチュエータのバルブコントローラ等が想定され、フィードバック制御信号Ufbに基づいて、車体1に発生した振動を打ち消す力を車体−台車間アクチュエータ6に発生させることにより、発生した車体振動を低減する。
The actuator driving hardware 30 is assumed to be, for example, a servo driver or a valve controller of a hydraulic actuator, and generates a force that cancels vibration generated in the
上述した振動制御に用いられる振動制御アルゴリズムとしては、スカイフックダンパ制御、最適状態フィードバック制御(LQ制御)、H∞制御等のフィードバック制御アルゴリズムが一般的に知られている。 As the vibration control algorithm used for the above-described vibration control, feedback control algorithms such as skyhook damper control, optimum state feedback control (LQ control), and H∞ control are generally known.
しかしながら、上述した振動制御アルゴリズムはいずれも、車体振動が生じてから制御を開始するフィードバック制御であり、車体振動がある程度の大きさになってから初めて制振力を発生するため、軌道の切り替えポイント通過等における衝撃的な軌道不正による外乱に対して、十分な振動低減効果を得にくいという課題がある。 However, all of the above-described vibration control algorithms are feedback control that starts control after vehicle body vibration occurs, and the vibration control force is generated only after the vehicle body vibration becomes a certain level. There is a problem that it is difficult to obtain a sufficient vibration reduction effect against disturbance caused by shocking trajectory fraud in passing or the like.
図11は、従来の鉄道車両の振動制御装置において、ステップ的な外乱力が車体に加わった場合の車体振動と、それに対するフィードバック制御力を模擬的に示す図である。ここでいうステップ的な外乱力とは、例えばトンネル進入時等に車体が受ける衝撃的空力外乱力が想定される。急激な外乱力が生じた場合に、車体の振動はそれよりもやや遅れて大きくなっていき、それに合わせて、フィードバック振動制御力も大きくなるため、振動を十分に抑制しきれない。 FIG. 11 is a diagram schematically illustrating vehicle body vibration when a stepwise disturbance force is applied to the vehicle body and a feedback control force corresponding thereto in a conventional railway vehicle vibration control device. The stepwise disturbance force here is assumed to be, for example, an aerodynamic disturbance force that the vehicle body receives when entering a tunnel. When an abrupt disturbance force is generated, the vibration of the vehicle body increases slightly later than that, and the feedback vibration control force also increases accordingly. Therefore, the vibration cannot be sufficiently suppressed.
このようなフィードバック制御の問題に対し、車体の振動センサ情報から状態推定オブザーバを用いて、軌道不正外乱によって生じた台車振動を推定し、それを直接打ち消すようにフィードフォワード制御を行う鉄道車両の振動制御装置も提案されている。 In response to such feedback control problems, a state estimation observer is used from the vibration sensor information of the vehicle body to estimate the bogie vibration caused by the illegal trajectory disturbance, and to perform the feedforward control so as to directly cancel the vibration. Control devices have also been proposed.
図12は、従来の鉄道車両の振動制御装置の構成を示すブロック図であり、特許文献1に記載された装置も同様の構成を有している。図10に示す振動制御装置と異なる点は、外乱力推定オブザーバ14とフィードフォワード制御器15とを備えている点である。
FIG. 12 is a block diagram showing the configuration of a conventional railway vehicle vibration control device, and the device described in
この外乱力推定オブザーバ14とフィードフォワード制御器15とは、いずれも制御用ハードウェア12内の制御演算ブロック21を構成し、ソフトウェアにより実現が可能である。
Both the disturbance
外乱力推定オブザーバ14は、車体振動検出用加速度センサ11−1,11−2により検出された車体振動に基づいて台車振動を推定する。また、フィードフォワード制御器15は、外乱力推定オブザーバ14により推定された台車振動に基づいて、当該台車振動を打ち消すようにフィードフォワード制御を行うためのフィードフォワード制御信号Uffを生成する。
The disturbance
フィードバック制御器13により生成されたフィードバック信号Ufbとフィードフォワード制御器15により生成されたフィードフォワード制御信号Uffとは、足し合わされてアクチュエータ駆動用ハードウェア30に入力される。アクチュエータ駆動用ハードウェア30は、入力された信号に基づいてフィードバックによる振動制御力とフィードフォワードによる振動制御力とを足し合わせた力を車体−台車間アクチュエータ6に発生させ、レール軌道不正等に起因する衝撃的な外乱力についても効果的に抑制を図る。
The feedback signal Ufb generated by the
図12に示す鉄道車両の振動制御装置は、予め構成された車体振動モデルと常時測定される車体振動とに基づいて、車体振動検出用加速度センサ11−1,11−2が設置されていない台車2における振動を推定し、それを打ち消すようフィードフォワード制御力を発生させ、結果として、軌道の不正に起因する衝撃的な外乱等の台車2から進入する急激な加振力を効果的に低減させている。
The railroad vehicle vibration control apparatus shown in FIG. 12 is a cart in which no acceleration sensor 11-1 or 11-2 for vehicle body vibration detection is installed based on a vehicle body vibration model configured in advance and vehicle body vibration that is constantly measured. 2 is estimated and a feedforward control force is generated so as to cancel the vibration. As a result, a sudden excitation force entering from the
しかしながら、近年、鉄道車両の高速化に伴い、鉄道車両の振動として、車両軌道の不正に起因して台車から車体に入力される外乱力等の台車から入力される外乱力よりも、むしろトンネル進入時や列車同士のすれ違い時をはじめとする車体に直接作用する空力的な外乱力の影響が大きくなってきている。 However, in recent years, with the speeding up of railway vehicles, as the vibration of the railway vehicles, the tunnel approach rather than the disturbance force input from the carriage such as the disturbance force input from the carriage to the vehicle body due to the vehicle trajectory fraud. The influence of aerodynamic disturbance forces that act directly on the vehicle body, such as when the trains and trains pass each other, is increasing.
それに対し、図12に示すような鉄道車両の振動制御装置は、あくまでも軌道不正を対象として台車の振動を推定したフィードフォワード制御を行うため、台車から車体に加わる外乱力は抑制できるが、台車を介さずに直接車体に加えられる空力的な外乱力に対しては、十分な制振効果を得ることができない可能性があるという課題がある。 On the other hand, the vibration control device for a railway vehicle as shown in FIG. 12 performs feedforward control that estimates the vibration of the carriage for trajectory fraud, so that disturbance force applied to the vehicle body from the carriage can be suppressed. There is a problem that a sufficient damping effect may not be obtained for an aerodynamic disturbance force applied directly to the vehicle body without intervention.
本発明は上述した従来技術の問題点を解決するもので、高速化する鉄道車両で近年問題となっている空力外乱力に対して、高い制振効果を与えることが可能な鉄道車両の振動制御装置及び鉄道車両の振動制御方法を提供することを課題とする。 The present invention solves the above-described problems of the prior art, and railway vehicle vibration control capable of providing a high damping effect against aerodynamic disturbance forces that have recently become a problem in high-speed railway vehicles. It is an object to provide a vibration control method for an apparatus and a railway vehicle.
実施形態の鉄道車両の振動制御装置は、上記課題を解決するために、鉄道車両の車体と台車との間に設置されたアクチュエータと、前記車体の振動を検知するセンサと、前記センサの検知結果に基づいて、前記車体の振動を抑えるようにフィードバック制御を行うためのフィードバック信号を生成する第1制御部と、前記センサの検知結果に基づいて、前記車体に加えられた外乱力を推定する外乱力推定オブザーバと、前記外乱力推定オブザーバにより推定された外乱力に基づいて、当該外乱力を打ち消すようにフィードフォワード制御を行うためのフィードフォワード信号を生成する第2制御部と、前記第1制御部により生成されたフィードバック信号と前記第2制御部により生成されたフィードフォワード信号とに基づいて、前記アクチュエータを駆動する駆動部とを備えることを特徴とする。 In order to solve the above problems, a vibration control device for a railway vehicle according to an embodiment includes an actuator installed between a vehicle body and a carriage of the railway vehicle, a sensor that detects vibration of the vehicle body, and a detection result of the sensor. A first control unit that generates a feedback signal for performing feedback control so as to suppress vibrations of the vehicle body, and a disturbance that estimates a disturbance force applied to the vehicle body based on a detection result of the sensor A force estimation observer, a second control unit that generates a feedforward signal for performing feedforward control so as to cancel the disturbance force based on the disturbance force estimated by the disturbance force estimation observer, and the first control Based on the feedback signal generated by the control unit and the feedforward signal generated by the second control unit. Characterized in that it comprises a driving unit for driving the eta.
以下、本発明の鉄道車両の振動制御装置及び鉄道車両の振動制御方法の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。 DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Embodiments of a railway vehicle vibration control device and a railway vehicle vibration control method according to the present invention will be described below in detail with reference to the drawings.
以下、本発明の実施例について図面を参照しながら説明する。図1は、本発明の実施例1の鉄道車両の振動制御装置の構成を示すブロック図である。図1に示すように、本実施例の鉄道車両は、車体1、台車2、車輪3、車体1と台車2との間に設置された左右方向の車両サスペンション4−1、及び上下方向の車両サスペンション4−2により構成され、レール5上を走行する車両である。
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. FIG. 1 is a block diagram showing a configuration of a railcar vibration control apparatus according to a first embodiment of the present invention. As shown in FIG. 1, the railway vehicle according to the present embodiment includes a
本実施例の鉄道車両の振動制御装置は、車体−台車間アクチュエータ6、車体振動検出用加速度センサ11−1,11−2、制御用ハードウェア12、及びアクチュエータ駆動用ハードウェア30により構成される。また、制御用ハードウェア12は、例えばコンピュータであり、内部にソフトウェアによる制御演算ブロック21を有している。この制御演算ブロック21は、フィードバック制御器13、外乱力推定オブザーバ14a、及びフィードフォワード制御器15を有しており、いずれもソフトウェアにより実現が可能である。
The railway vehicle vibration control apparatus according to the present embodiment includes a vehicle body-to-
すなわち、本実施例の鉄道車両の振動制御装置は、基本的に図12に示す従来の鉄道車両の振動制御装置と同様の構成を有しており、外乱力推定オブザーバ14aの中身のみが異なる。なお、本実施例の鉄道車両の振動制御装置は、対象とする振動の方向として、車体1の水平方向の振動を低減する場合を想定しているが、必ずしも水平方向のみに限定されるものではない。
That is, the railroad vehicle vibration control apparatus of the present embodiment basically has the same configuration as the conventional railcar vibration control apparatus shown in FIG. 12, and only the contents of the disturbance
車体−台車間アクチュエータ6は、本発明のアクチュエータに対応し、車体1と台車2との間に水平方向に配置されている。また、車体振動検出用加速度センサ11−1,11−2は、本発明のセンサに対応し、空力外乱力50が加えられた車体1の振動を検知する。
The vehicle body-
フィードバック制御器13は、本発明の第1制御部に対応し、車体振動検出用加速度センサ11−1,11−2の検知結果に基づいて、車体1の振動を抑えるようにフィードバック制御を行うためのフィードバック信号Ufbを生成する。すなわち、フィードバック制御器13は、所定の振動制御アルゴリズムに基づき、車体−台車間アクチュエータ6に対するフィードバック制御振動を計算し、フィードバック信号Ufbとして出力する。
The
外乱力推定オブザーバ14aは、車体振動検出用加速度センサ11−1,11−2の検知結果に基づいて、車体1に加えられた外乱力を推定する。
The disturbance
フィードフォワード制御器15は、本発明の第2制御部に対応し、外乱力推定オブザーバ14aにより推定された外乱力に基づいて、当該外乱力を打ち消すようにフィードフォワード制御を行うためのフィードフォワード信号Uffを生成する。
The
アクチュエータ駆動用ハードウェア30は、本発明の駆動部に対応し、フィードバック制御器13により生成されたフィードバック信号Ufbとフィードフォワード制御器15により生成されたフィードフォワード信号Uffとに基づいて、車体−台車間アクチュエータ6を駆動する。具体的には、フィードバック制御器13から出力された振動のフィードバック制御信号Ufbと、フィードフォワード制御器15から出力されたフィードフォワード制御信号Uffとの和が、アクチュエータ駆動用ハードウェア30に出力され、車体−台車間アクチュエータ6で発生する駆動力となる。
The actuator driving hardware 30 corresponds to the driving unit of the present invention, and is based on the feedback signal Ufb generated by the
次に、上述のように構成された本実施の形態の作用を説明する。最初に、フィードバック制御器13は、車体振動検出用加速度センサ11−1,11−2の検知結果に基づいて、車体1の振動を抑えるようにフィードバック制御を行うためのフィードバック信号Ufbを生成する(本発明の第1制御ステップに対応)。
Next, the operation of the present embodiment configured as described above will be described. First, the
ここで、フィードバック制御器13は、振動制御アルゴリズムの一例として、現代制御理論の1つであるLQ制御を用いるものとして説明する。制御設計に当り、制御対象となる車体の振動特性を表す公称モデルとして、車体の振動変位、振動速度等の内部状態Xに関する下記の状態方程式の形で記述できるものとする。
ここで、uは制御入力、Yはセンサ出力である。これに対し、例えばフィードバック制御器13の設計では、設計変数として、各状態量の振動低減量の重みづけを設定する配列Qおよび各アクチュエータの制御量に対する重み付けを設定する配列Rを設定する。そのQ、Rに対し、評価関数Jは以下の式で表される。
この評価関数Jを最小とするフィードバック制御器Kは、リカッチ方程式の解として1つ算出される。ここで得られたフィードバック制御器Kを用いて、フィードバック制御力Ufbは、以下の式により表される。 One feedback controller K that minimizes the evaluation function J is calculated as a solution of the Riccati equation. Using the feedback controller K obtained here, the feedback control force Ufb is expressed by the following equation.
Ufb=K・X …(3)
(3)式により、リアルタイムに検出される車体の状態量Xに対し、リアルタイムに最適な制御力が算出される。ここで状態量Xは、一般的には、車体の振動速度または振動変位等であり、車体振動検出用加速度センサ11−1,11−2による加速度センサ信号を積分することにより、容易に得ることができる。また、必要となる全状態量を測定できない場合には、測定できる状態量から、オブザーバを用いて測定できない状態量を推定することが可能である。
Ufb = K · X (3)
The optimal control force is calculated in real time with respect to the state quantity X of the vehicle body detected in real time by the equation (3). Here, the state quantity X is generally the vibration speed or vibration displacement of the vehicle body, and can be easily obtained by integrating acceleration sensor signals from the vehicle body vibration detection acceleration sensors 11-1 and 11-2. Can do. In addition, when all the necessary state quantities cannot be measured, it is possible to estimate the state quantities that cannot be measured using the observer from the measurable state quantities.
一方、外乱力推定オブザーバ14aは、車体振動検出用加速度センサ11−1,11−2の検知結果に基づいて、車体1に加えられた外乱力を推定する(本発明の推定ステップに対応)。すなわち、外乱力推定オブザーバ14は、直接、車体に加えられた外乱力を測定する代わりに、(1)式に示す車体の振動特性を表す公称モデルと、車体振動検出用加速度センサ11−1,11−2により検出される車体状態量とに基づいて、車体に入力された外乱力をリアルタイムで推定し、フィードフォワード制御器15に出力する。
On the other hand, the disturbance
ここで、上記の外乱力推定オブザーバ14a内において実施される外乱力推定演算アルゴリズムの一例を式を用いて説明する。鉄道車両においては、上記外乱力wを直接測定するセンサを設置することは非常に難しいため、車体の振動等の状態量と車体の振動特性の公称モデルとから、外乱力を推定する。ただし、外乱力を推定するためには、外乱力の動特性を何らかの形で予めモデル化する必要があり、例えば以下に示す(4)式のように、未知の外乱力wを、状態方程式の形で仮定する。
ここで、外乱力の状態モデルにおける係数γ、Hは、外乱力の形状によって異なったものとなる。1つの例として、(4)式において、γ=0、H=0とすると、以下に示す(5)式のようになり、一定の力が継続するステップ外乱力を想定したモデルとなる。
また、他の外乱力推定モデルとして、例えば係数γを以下の(6)式のように表した場合には、(7)式が導かれる。
したがって、未知外乱力wは、以下の(8)式で示すような周波数ωの正弦波外乱力を想定したものとなる。 Therefore, the unknown disturbance force w is assumed to be a sinusoidal disturbance force having a frequency ω as shown in the following equation (8).
w=Asin(ωt+α) …(8)
このように、未知の外乱力wのモデルを予め想定して状態方程式の形で記述すると、車体振動を表す公称モデルの状態方程式と組み合わせた拡大系の状態方程式として、下記の形の拡大モデルが得られる。
Thus, when an unknown disturbance force w model is preliminarily described in the form of a state equation, an expanded model of the following form is obtained as an expanded system state equation combined with a state model of a nominal model representing vehicle vibration. can get.
この(9)式による拡大モデルの状態方程式が可観測であれば、状態量Xおよび外乱力wを同時に推定できる外乱力推定オブザーバ14は、例えば以下に示す(10)式の形で設計することができる。
ここで、Xs、wsは、それぞれ推定された状態量及び外乱力である。L1,L2はオブザーバゲインであり、上記のオブザーバが可安定になるように値を設計できる。 Here, Xs and ws are the estimated state quantity and disturbance force, respectively. L1 and L2 are observer gains, and values can be designed so that the above-described observer becomes stable.
図2は、本実施例の鉄道車両の振動制御装置における外乱力推定オブザーバ14aの詳細な構成を示すブロック図である。ただし、D行列は、検出したい状態量に応じて使用したりしなかったりするため、図2においてはDを0とし、その記載を省略している。図2に示すように構成することにより、外乱力推定オブザーバ14aは、車体振動検出用加速度センサ11−1,11−2により出力された車体の状態検出量Yに基づき、車体に加えられた未知外乱力wをリアルタイムに推定する。
FIG. 2 is a block diagram showing a detailed configuration of the disturbance
なお、本実施例の外乱力推定オブザーバ14aは、車体1に加えられた外乱力を推定するという本発明に特有な機能を備えているので、図12の従来装置が備えていた外乱力推定オブザーバ14と対比する形で詳細に説明する。
The disturbance
図3は、従来の鉄道車両の振動制御装置における外乱力推定オブザーバの詳細な構成を示すブロック図である。まず、従来装置の外乱力推定オブザーバ14は、上述したように台車振動Z1,Z2を推定するものである。また従来装置のフィードフォワード制御器15は、外乱力推定オブザーバ14により推定された台車振動に基づいて、台車に対する外力w1,w2を算出し、当該台車振動を打ち消すようにフィードフォワード制御を行う。すなわち、外乱力w1,w2は、台車振動Z1,Z2に基づいて間接的に推定される。
FIG. 3 is a block diagram showing a detailed configuration of a disturbance force estimation observer in a conventional railway vehicle vibration control apparatus. First, the disturbance
ここで、鉄道車両の左右振動X、ローリング振動θ、車体前後台車のアクチュエータ力u1,u2、外乱力w1,w2とし、車両の振動特性は、下記のモデル((11)式)で表されるとする。
このモデルは、理論的には車両の諸元に基づき、理論モデル構築が可能である。ただし、上記モデルの状態量として、車体の振動のみであり、台車部分のモデル化がされていないため、台車から加わる衝撃外乱に対して制御がうまくいかない。外乱力w1,w2は不明であるが、台車振動Z1,Z2及び白色外乱ζを用いて(12)式のように仮定し、拡張状態方程式を構築すると(13)式のようになる。
(13)式に対し外乱力推定オブザーバ14を設計し、測定していない台車振動Z1,Z2を推定する。フィードフォワード制御器15は、外乱力推定オブザーバ14により推定された台車振動Z1,Z2に基づいて、(12)式を用いることにより外乱力w1,w2を算出する。
A disturbance
一方、本実施例における外乱力推定オブザーバ14aは、車体振動検出用加速度センサ11−1,11−2の検知結果に基づいて、車体1に加えられた空力外乱力w1,w2を直接的に推定する。
On the other hand, the disturbance
ここで、鉄道車両の左右振動X、ローリング振動θ、車体前後台車のアクチュエータ力u1,u2、空力外乱力w1,w2とし、車両の振動特性は、(11)式のモデルで表されるとする。このモデルは、理論的には車両の諸元に基づき、理論モデル構築が可能である。 Here, the left and right vibration X of the railway vehicle, the rolling vibration θ, the actuator forces u1 and u2 of the front and rear carriages, and the aerodynamic disturbance forces w1 and w2, and the vibration characteristics of the vehicle are expressed by a model of equation (11). . Theoretically, this model can be constructed based on vehicle specifications.
空力外乱力w1,w2のモデルは、外乱力のシステムが不明なため、本実施例では以下に示す(14)式で表されるものと仮定する。
(14)式の形で外乱力推定モデルを仮定すると、(11)式による車両の振動モデルは、状態量としてX,θ以外に、空力外乱力w1,w2を含んだ(15)式の状態方程式の形に拡張変形できる。
本実施例における外乱力推定オブザーバ14aは、(15)式を用いて車体1に加えられた空力外乱力w1,w2を直接的に推定する。なお、(14)式の外乱力推定モデルにおける外乱力w1,w2の形としてステップ波形を想定した場合には、DWは(16)式のように選定される。
図4は、外乱力の形としてステップ波形を想定した場合の波形図である。 FIG. 4 is a waveform diagram when a step waveform is assumed as a form of disturbance force.
また、(14)式の外乱力推定モデルにおける外乱力w1,w2の形として一定周期(ωi)の正弦波波形を想定した場合には、DWは(17)式のように選定される。
図5は、外乱力の形として一定周期の正弦波波形を想定した場合の波形図である。 FIG. 5 is a waveform diagram when a sinusoidal waveform having a constant period is assumed as the form of the disturbance force.
すなわち、本実施例における外乱力推定オブザーバ14aは、DW11〜DW22を変えることにより、様々な外乱力パターンに対応することができ、車体1に加えられた空力外乱力w1,w2を直接的に推定することができる。
That is, the disturbance
外乱力推定オブザーバ14aにより空力外乱力w1,w2が推定されると、本実施例のフィードフォワード制御器15は、外乱力推定オブザーバ14aにより推定された外乱力に基づいて、当該外乱力を打ち消すようにフィードフォワード制御を行うためのフィードフォワード信号Uffを生成する(本発明の第2制御ステップに対応)。
When the aerodynamic disturbance forces w1 and w2 are estimated by the disturbance
すなわち、フィードフォワード制御器15は、外乱力推定オブザーバ14aで推定された外乱力に対し、それをちょうど相殺するか、または極力低減するように、車体−台車間アクチュエータ6から車体に加えるべきフィードフォワード制御力Uffを算出する。
In other words, the
なお、推定された状態量wに対し、各アクチュエータによってそれを打ち消すようにフィードフォワード制御力を算出する方法の一例を示す。簡単に、車体の振動モデルの公称モデルとして、車体の重心変位および回転の2自由度を考慮したモデルを用いる場合、未知外乱力wは、以下に示す(18)式の形で推定されるものとする
w=[Fs、Ws] …(18)
ここでFsは車体1の重心に生じる力、Wsは重心に生じるモーメント力である。これを、フィードフォワード制御器15にて、車体の前方台車および後方台車の2台のアクチュエータにて打ち消す場合、車体の前方台車、および、後方台車に配置された制振装置から車体に加えるべき力をそれぞれU1FF、U2FFとし、以下のように設定するものとする。
An example of a method for calculating the feedforward control force so as to cancel the estimated state quantity w by each actuator will be described. When a model that takes into account two degrees of freedom of the center of gravity displacement and rotation of the vehicle body is used as the nominal model of the vehicle body vibration model, the unknown disturbance force w is estimated in the form of the following equation (18): W = [Fs, Ws] (18)
Here, Fs is a force generated at the center of gravity of the
U1FF=Ws/2+Ws×L2/(L1+L2) …(19)
U2FF=Ws/2+Ws×L1/(L1+L2) …(20)
フィードフォワード制御器15は、(19)式、(20)式のように設定することにより、車体に対する外乱力wを直接アクチュエータ力で打ち消すことが可能となる。ここでL1、L2は、車体重心から前方、後方のアクチュエータ位置までの距離である。
U1FF = Ws / 2 + Ws × L2 / (L1 + L2) (19)
U2FF = Ws / 2 + Ws × L1 / (L1 + L2) (20)
By setting the
最終的に、フィードバック制御器13から出力された振動のフィードバック制御信号Ufbと、フィードフォワード制御器15から出力されたフィードフォワード制御信号Uffの和が、アクチュエータ駆動用ハードウェア30に出力され、車体−台車間アクチュエータ6で発生する駆動力となる。
Finally, the sum of the vibration feedback control signal Ufb output from the
すなわち、アクチュエータ駆動用ハードウェア30は、フィードバック制御器13により生成されたフィードバック信号Ufbとフィードフォワード制御器15により生成されたフィードフォワード信号Uffとに基づいて、車体−台車間アクチュエータ6を駆動する(本発明の駆動ステップに対応)。
That is, the actuator driving hardware 30 drives the vehicle-to-
本実施例の鉄道車両の振動制御装置は、以上の動作により、外乱力推定オブザーバ14aがリアルタイムに車体1に対する外乱力wを推定し、それを打ち消すフィードフォワード力Uffを車体−台車間アクチュエータ6から車体1に加えるので、急激な外乱力が車体1に加わった場合でも、車体1が大きく振動する前に車体1の揺れを抑えるように逆方向の力が加えられることで車体1に生じた外乱力が打ち消され、車体1が大きく振動する前に振動発生を抑制することが可能となる。
In the vibration control apparatus for a railway vehicle according to the present embodiment, the disturbance
上述のとおり、本発明の実施例1の形態に係る鉄道車両の振動制御装置及び鉄道車両の振動制御方法によれば、高速化する鉄道車両で近年問題となっている空力外乱力に対して、高い制振効果を与えることができる。すなわち、図12に示すような従来の鉄道車両の振動制御装置が軌道不正を対象として台車2の振動を推定したフィードフォワード制御を行うため、台車2を介さずに直接車体1に加えられる空力的な外乱力に対しては十分な制振効果を得ることができないのに対し、本実施例の鉄道車両の振動制御装置は、車体1に加えられる空力外乱力を直接的に推定するので、空力外乱力に起因する振動を十分に抑制することができる。
As described above, according to the railroad vehicle vibration control apparatus and railroad vehicle vibration control method according to the first embodiment of the present invention, against the aerodynamic disturbance force that has become a problem in recent years in the speeding up railcar, High vibration control effect can be given. That is, since the conventional railway vehicle vibration control device as shown in FIG. 12 performs feedforward control in which the vibration of the
図6は、本実施例の鉄道車両の振動制御装置における外乱力推定オブザーバ14aによる外乱力推定をシミュレーションした結果を示す波形図である。ただし、この場合における外乱力推定オブザーバ14aは、外乱力推定用のモデルとしてステップ外乱力を設定し、(5)式の形としたものを想定している。図6に示す波形図は、車両の振動を2自由度振動モデルで仮定し、上記手法にて外乱力推定オブザーバ14aを設け、実際の外乱力と推定値とを比較したシミュレーション結果である。図6に示すように、外乱力推定モデルの形と実際の入力外乱とが一致しているので、本実施例の外乱力推定オブザーバ14aは、良好に外乱力を推定することが分かる。
FIG. 6 is a waveform diagram showing the result of simulation of disturbance force estimation by the disturbance
図7は、本実施例の鉄道車両の振動制御装置による振動制御力及び車体振動を模式的に示す図である。図11に示す従来装置の場合に比して、推定された外乱力を打ち消す力をフィードフォワード制御力として加えているため、本実施例の鉄道車両の振動制御装置は、車体振動が大きくなる前から大きな振動制御力を発生することができ、振動抑制に多大な効果を期待できる。 FIG. 7 is a diagram schematically showing the vibration control force and the vehicle body vibration by the railway vehicle vibration control apparatus of the present embodiment. Compared to the case of the conventional apparatus shown in FIG. 11, the force for canceling the estimated disturbance force is applied as the feedforward control force. Therefore, a large vibration control force can be generated, and a great effect can be expected for vibration suppression.
以上から、本実施例の鉄道車両の振動制御装置は、予め設定された外乱力推定モデルと実際の外乱とが概ね一致している場合に、高精度に外乱力を推定でき、この推定した情報に基づいてフィードフォワード制御し、急激な外乱力に対しても、高い振動低減効果が期待できる。 As described above, the railroad vehicle vibration control apparatus according to the present embodiment can estimate the disturbance force with high accuracy when the preset disturbance force estimation model and the actual disturbance substantially coincide with each other. Based on the feedforward control, a high vibration reduction effect can be expected even for a sudden disturbance force.
ただし、予め設定された外乱力推定モデルと実際の外乱とが一致していない場合には、適切な推定が困難な場合もある。図8は、本実施例の鉄道車両の振動制御装置における外乱力推定オブザーバ14aによる外乱力推定の別例をシミュレーションした結果を示す波形図である。図8に示す波形は、外乱力推定オブザーバ14aが外乱力推定用のモデルとしてステップ外乱力を設定しているところ、車体1に入力された外乱力がステップ力ではなく正弦波信号であった場合の推定結果を示している。図8に示すように、推定モデルと異なる外乱力が入った場合には、外乱力推定オブザーバ14aは、精度の良い推定を行うことが困難となる。このため、推定結果を利用するフィードフォワード制御器15は、フィードフォワード制御を適切に行うことができず、振動を低減することができない。
However, if the preset disturbance force estimation model does not match the actual disturbance, it may be difficult to perform appropriate estimation. FIG. 8 is a waveform diagram showing the result of simulating another example of disturbance force estimation by the disturbance
以上から、実施例1に示す手法を用いる場合には、外乱力の推定モデルをいかに実際の外乱力に近い形に設定できるかが、性能の良否を決定する。実際の外乱力と一致した推定モデルを自動的に設定する手法については実施例2において説明する。 From the above, when the method shown in the first embodiment is used, it is determined whether or not the disturbance force estimation model can be set in a form close to the actual disturbance force. A method for automatically setting an estimation model that matches the actual disturbance force will be described in a second embodiment.
なお本実施形態では、車体1の水平方向の振動を対象とした場合について記述したが、特に水平方向の振動のみに限定されない。また、外乱推定オブザーバ14aの構成事例として1つの方法を示したが、外乱力を推定する方法として本推定方法に限定されるものではなく、別の推定方法を用いても良い。
In the present embodiment, the case where the vibration of the
図9は、本発明の実施例2の鉄道車両の振動制御装置の構成を示すブロック図である。図1に示す実施例1の鉄道車両の振動制御装置と異なる点は、制御用ハードウェア12内に新たに車両位置検出部40と外乱力推定モデル選定用データテーブル41とを備えている点である。
FIG. 9 is a block diagram showing the configuration of the railroad vehicle vibration control apparatus according to the second embodiment of the present invention. The difference from the railway vehicle vibration control apparatus according to the first embodiment shown in FIG. 1 is that the
車両位置検出部40は、本発明の車両情報検出部に対応し、鉄道車両の車両情報を検出する。具体的には、車両位置検出手段40は、常に現在の車両の位置を検出し、車両が現在どの区間にいるかを把握する。 The vehicle position detection unit 40 corresponds to the vehicle information detection unit of the present invention and detects the vehicle information of the railway vehicle. Specifically, the vehicle position detecting means 40 always detects the current position of the vehicle and grasps which section the vehicle is currently in.
外乱力推定モデル選定用データテーブル41は、本発明の選択部に対応し、車両位置検出部40により検出された車両情報に基づいて、予め設定された複数の外乱力推定モデルの中から1つを選択する。具体的には、外乱力推定モデル選定用データテーブル41は、走行地点毎に想定される外乱力のパターンを記録している。 The disturbance force estimation model selection data table 41 corresponds to the selection unit of the present invention, and one of a plurality of disturbance force estimation models set in advance based on the vehicle information detected by the vehicle position detection unit 40. Select. Specifically, the disturbance force estimation model selection data table 41 records a disturbance force pattern assumed for each travel point.
例えば、外乱力推定モデル選定用データテーブル41は、区間1の場合にはステップ外乱モデル、区間2の場合には正弦波外乱モデル、といったように区間に対応する外乱力推定モデルをテーブルとして記憶しており、車両位置検出部40により検出された車両情報に基づいて現在の車両が位置する区間を特定し、その区間に対応する推定モデルを選択して出力する。
For example, the disturbance force estimation model selection data table 41 stores a disturbance force estimation model corresponding to a section such as a step disturbance model in the case of
外乱力推定オブザーバ14bは、外乱力推定モデル選定用データテーブル41により選択された外乱力推定モデルと車体振動検出用加速度センサ11−1,11−2の検知結果とに基づいて、車体1に加えられた外乱力を推定する。
The disturbance force estimation observer 14b is added to the
その他の構成は実施例1と同様であり、重複した説明を省略する。 Other configurations are the same as those of the first embodiment, and redundant description is omitted.
次に、上述のように構成された本実施の形態の作用を説明する。基本的な作用は実施例1と同様であるが、推定モデルの選定についてのみ異なる。最初に、車両位置検出部40は、鉄道車両の車両情報を検出し、外乱力推定モデル選定用データテーブル41に出力する。本実施例の車両位置検出部40は、鉄道車両の車両情報として位置情報を検出しているが、必ずしも車両情報とは位置の情報に限定されるものではない。例えば、本発明の車両情報検出部は、鉄道車両の車両情報として、自車両の現在の走行位置、自車両の現在の走行速度、所定ポイントの通過予想時刻、自車両とすれ違う他の車両の車両情報、及びダイヤ情報のうち少なくとも一つを検出する。 Next, the operation of the present embodiment configured as described above will be described. The basic operation is the same as that of the first embodiment, but only the estimation model is selected. First, the vehicle position detection unit 40 detects the vehicle information of the railway vehicle and outputs it to the disturbance force estimation model selection data table 41. The vehicle position detection unit 40 according to the present embodiment detects position information as vehicle information of the railway vehicle, but the vehicle information is not necessarily limited to position information. For example, the vehicle information detection unit of the present invention uses the current travel position of the host vehicle, the current travel speed of the host vehicle, the expected passing time of a predetermined point, and the vehicle of another vehicle that passes the host vehicle as the vehicle information of the railcar. At least one of information and diagram information is detected.
外乱力推定モデル選定用データテーブル41は、車両位置検出部40により検出された車両情報に基づいて、予め設定された複数の外乱力推定モデルの中から1つを選択する。ここで、外乱力推定モデル選定用データテーブル41は、複数の外乱力推定モデルの1つとして、ステップ外乱力による外乱力推定モデルを予め設定している。また、外乱力推定モデル選定用データテーブル41は、複数の外乱力推定モデルの1つとして、1以上の正弦波外乱力による外乱力推定モデルを予め設定している。 The disturbance force estimation model selection data table 41 selects one of a plurality of preset disturbance force estimation models based on the vehicle information detected by the vehicle position detection unit 40. Here, in the disturbance force estimation model selection data table 41, a disturbance force estimation model based on a step disturbance force is set in advance as one of a plurality of disturbance force estimation models. In addition, the disturbance force estimation model selection data table 41 preliminarily sets a disturbance force estimation model based on one or more sinusoidal disturbance forces as one of a plurality of disturbance force estimation models.
外乱力推定モデル選定用データテーブル41は、外乱力推定モデルの設定例として、例えば、区間2のトンネル区間では外乱力推定モデルとしてステップ外乱力モデルを、区間8の直線区間では車体1の共振周波数に相当する正弦波力モデルを、駅構内区間10ではインパルス外乱力を、といった形でそれぞれの走行区間において想定される外乱力を予め記録している。
The disturbance force estimation model selection data table 41 is a setting example of the disturbance force estimation model. For example, the step disturbance force model is used as the disturbance force estimation model in the tunnel section of
外乱力推定オブザーバ14bは、外乱力推定モデル選定用データテーブル41により選択された外乱力推定モデルと車体振動検出用加速度センサ11−1,11−2の検知結果とに基づいて、車体1に加えられた外乱力を推定する。
The disturbance force estimation observer 14b is added to the
その他の作用は実施例1と同様であり、重複した説明を省略する。 Other operations are the same as those in the first embodiment, and redundant description is omitted.
上述のとおり、本発明の実施例2の形態に係る鉄道車両の振動制御装置及び鉄道車両の振動制御方法によれば、実施例1の効果に加え、位置等の自車両の車両情報に基づいて適切な外乱力推定モデルを選択し、より効果的に振動を低減させることができる。 As described above, according to the railcar vibration control apparatus and railcar vibration control method according to the second embodiment of the present invention, in addition to the effects of the first embodiment, based on the vehicle information of the host vehicle such as the position. By selecting an appropriate disturbance force estimation model, vibration can be reduced more effectively.
例えば、車両がトンネル区間を走行している場合、トンネル進入時および脱出時に、車体1が受けるステップ状の大きな瞬間的な外乱力が、車体振動上最も問題となる。しかしながら、本実施例における鉄道車両の振動制御装置は、トンネル区間にいることを予め車両位置検出部40によって検出し、外乱力推定モデル選定用データテーブル41がステップ波形を想定した外乱力推定モデルを選択する。
For example, when the vehicle is traveling in a tunnel section, a large step-like instantaneous disturbance force received by the
この状態でトンネルに侵入した際、ステップ形状の大きな外乱力が車体1に加わるが、外乱力推定オブザーバ14bは、そのステップ外乱力をリアルタイムに精度良く推定する。これにより、アクチュエータ駆動用ハードウェア30は、車体−台車間アクチュエータ6を駆動してその外乱力を打ち消す力を車体1に加える。その結果、車体1が大きく揺れる前に車体1への外乱力が相殺され、車体1は、大きな揺れが生じることなくトンネルへの進入が可能となる。
When entering the tunnel in this state, a disturbance force having a large step shape is applied to the
一方、直線区間を走行中における外乱力推定モデルとして、例えば、車体の共振周波数に相当する正弦波外乱力が想定される。直線区間においては、トンネル進入時のような突発的な外乱力が車体1に加わる可能性は少なく、基本的には、車体1の共振周波数に相当する正弦波外乱力が最も車体振動に影響する。
On the other hand, as a disturbance force estimation model during traveling in a straight section, for example, a sinusoidal disturbance force corresponding to the resonance frequency of the vehicle body is assumed. In a straight section, there is little possibility that sudden disturbance force such as when entering a tunnel is applied to the
また、車体1の揺れやすい共振周波数が複数(例えば3つ)ある場合には、その複数の正弦波外乱力を足し合わせた推定モデルを設定してもよい。すなわち、外乱力推定モデル選定用データテーブル41は、複数の外乱力推定モデルの1つとして、複数の正弦波外乱力による外乱力推定モデルを予め設定することもできる。
In addition, when there are a plurality of (for example, three) resonance frequencies at which the
本実施例では、車体1が直線区間を走行中の外乱力推定モデルとして、外乱力推定モデル選定用データテーブル41は、車両の共振周波数に一致する正弦波外乱力による外乱力推定モデルを予め設定している。そのため、何らかの原因によって、車体1を共振振動させるような外乱力振動が加わっても、それが精度良く推定され、前もって打ち消されるように力が加えられるため、車体1が共振することなく、常に振動が少ない状態を維持される。
In this embodiment, as a disturbance force estimation model when the
以上、本実施例の鉄道車両の振動制御装置は、予測される外乱力形状を予め区間毎にマッピングし、車両の走行位置に応じて、最も想定される外乱力推定モデルを採用するため、常に車体1への外乱力を精度良く推定し、車両の走行区間によらず振動の発生を抑制することができる。
As described above, the vibration control device for a railway vehicle according to the present embodiment maps the predicted disturbance force shape in advance for each section and adopts the most assumed disturbance force estimation model according to the traveling position of the vehicle. The disturbance force on the
なお、本実施例におけるマッピングは、あくまでも一例であり、外乱力のパターンも、記述したステップ外乱や正弦波外乱に特に限定する必要はない。 The mapping in the present embodiment is merely an example, and the disturbance force pattern need not be particularly limited to the described step disturbance or sine wave disturbance.
また、例えば自車両と反対方向に進行する車両とすれ違う場合にも、大きな空力外乱を受ける。現在の車両位置情報や相手側の情報等から、すれ違う時刻を予測できれば、その時点にて、すれ違い時の空力外乱力のモデルを予め想定しておけば、すれ違い時の振動を大幅に低減することも可能である。 In addition, for example, even when passing a vehicle traveling in the opposite direction to the host vehicle, a large aerodynamic disturbance is received. If the passing time can be predicted from the current vehicle position information and the other party's information, if the model of the aerodynamic disturbance force at the time of passing is assumed in advance, the vibration at the time of passing will be greatly reduced. Is also possible.
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。 Although several embodiments of the present invention have been described, these embodiments are presented by way of example and are not intended to limit the scope of the invention. These novel embodiments can be implemented in various other forms, and various omissions, replacements, and changes can be made without departing from the scope of the invention. These embodiments and modifications thereof are included in the scope and gist of the invention, and are included in the invention described in the claims and the equivalents thereof.
1 車体
2 台車
3 車輪
4 車両サスペンション
5 レール
6 アクチュエータ
11 車体振動検出用加速度センサ
12 制御用ハードウェア
13 フィードバック制御器
14,14a,14b 外乱力推定オブザーバ
15 フィードフォワード制御器
21 制御演算ブロック
30 アクチュエータ駆動用ハードウェア
40 車両位置検出部
41 外乱力推定モデル選定用データテーブル
50 車体への空力外乱力
51 台車部へのレール外乱力
DESCRIPTION OF
Claims (6)
前記車体の振動を検知するセンサと、
前記センサの検知結果に基づいて、前記車体の振動を抑えるようにフィードバック制御を行うためのフィードバック信号を生成する第1制御部と、
前記センサの検知結果に基づいて、前記車体に加えられた外乱力を推定する外乱力推定オブザーバと、
前記外乱力推定オブザーバにより推定された外乱力に基づいて、当該外乱力を打ち消すようにフィードフォワード制御を行うためのフィードフォワード信号を生成する第2制御部と、
前記第1制御部により生成されたフィードバック信号と前記第2制御部により生成されたフィードフォワード信号とに基づいて、前記アクチュエータを駆動する駆動部と、
を備えることを特徴とする鉄道車両の振動制御装置。 An actuator installed between the body of the railway vehicle and the carriage,
A sensor for detecting vibration of the vehicle body;
A first control unit that generates a feedback signal for performing feedback control so as to suppress vibration of the vehicle body based on a detection result of the sensor;
A disturbance force estimation observer for estimating a disturbance force applied to the vehicle body based on a detection result of the sensor;
A second control unit that generates a feedforward signal for performing feedforward control so as to cancel the disturbance force based on the disturbance force estimated by the disturbance force estimation observer;
A drive unit that drives the actuator based on the feedback signal generated by the first control unit and the feedforward signal generated by the second control unit;
A railway vehicle vibration control apparatus comprising:
前記車両位置検出部により検出された車両情報に基づいて、予め設定された複数の外乱力推定モデルの中から1つを選択する選択部とを備え、
前記外乱力推定オブザーバは、前記選択部により選択された外乱力推定モデルと前記センサの検知結果とに基づいて、前記車体に加えられた外乱力を推定することを特徴とする請求項1記載の鉄道車両の振動制御装置。 A vehicle information detector for detecting vehicle information of the railway vehicle;
A selection unit that selects one of a plurality of preset disturbance force estimation models based on the vehicle information detected by the vehicle position detection unit;
2. The disturbance force estimation observer estimates a disturbance force applied to the vehicle body based on a disturbance force estimation model selected by the selection unit and a detection result of the sensor. Railway vehicle vibration control device.
前記センサの検知結果に基づいて、外乱力推定オブザーバが前記車体に加えられた外乱力を推定する推定ステップと、
前記推定ステップにおいて前記外乱力推定オブザーバにより推定された外乱力に基づいて、当該外乱力を打ち消すようにフィードフォワード制御を行うためのフィードフォワード信号を生成する第2制御ステップと、
前記第1制御ステップにより生成されたフィードバック信号と前記第2制御ステップにより生成されたフィードフォワード信号とに基づいて、前記車体と台車との間に設置されたアクチュエータを駆動する駆動ステップと、
を備えることを特徴とする鉄道車両の振動制御方法。 A first control step for generating a feedback signal for performing feedback control so as to suppress vibration of the vehicle body based on a detection result of a sensor that detects vibration of the vehicle body of the railway vehicle;
An estimation step in which a disturbance force estimation observer estimates a disturbance force applied to the vehicle body based on a detection result of the sensor;
A second control step for generating a feedforward signal for performing feedforward control so as to cancel the disturbance force based on the disturbance force estimated by the disturbance force estimation observer in the estimation step;
A driving step of driving an actuator installed between the vehicle body and the carriage based on the feedback signal generated by the first control step and the feedforward signal generated by the second control step;
A railway vehicle vibration control method comprising:
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