JP4186105B2 - 鉄道車両の振動制御装置及び制御方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、鉄道車両の車体に発生する振動を、その振動特性に応じて制御特性を変え、常に最適状態で制御する鉄道車両の振動制御装置及び制御方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
鉄道車両に発生する振動を抑制する方法としては、車体と台車の間に振動方向に合わせて流体アクチュエータを設置し、該車体の振動に対し逆位相の制御力を発生させる方法（特開昭５６−１７７５４号公報等）が知られている。
【０００３】
一方、鉄道車両が曲線路を通過する際には、車体に遠心加速度が加わるので、この影響を軽減し、振動制御能力の低下を防ぐ手段が必要で、そのための振動制御装置として特開昭５７−１１１６３号公報の「車両の振動制御装置」が提案されている。この装置は、車体と台車の間に設置された流体アクチュエータをサーボ弁で駆動し振動を抑制するものである。
【０００４】
また、鉄道車両に発生する振動を抑制する装置において、車両の軌道上の位置を検知する装置を備えたものがある（特公平５−８０３８５号公報）。この装置は、軌道の凹凸の不整データと位置とを直接関係付けたデータを、予め測定により得ておき、そのデータと車両位置を参照して予見制御を加味したフィードバック制御を行なうものである。この技術の対象は、軌道不整による車体振動だけであり、他の原因による振動は含まれていない。また、軌道の凹凸の詳細データと位置との関係について、多量のデータを予め軌道測定車等により測定しておく必要がある。そして、その多量のデータを制御装置内に記憶しておくため装置が複雑化することは避けられない。
【０００５】
前記のごとく、従来の鉄道車両に発生する振動を抑制する方法としては、種々の方法が提案されており、それぞれ振動抑制に効果をあげている。また、特公平５−８０３８５号公報の発明は、特定の原因すなわち軌道不整による振動の抑制に効果をあげている。しかし、列車の走行中に発生する周波数の異なる全ての振動に対処して振動を抑制する鉄道車両の振動制御装置は見られなかった。
【０００６】
そこで、特開平８−２０７７６５号公報に示されているように、トンネル内外でアクチュエータの制御値（モード）を切り換える方法が提案されている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、アクチュエータの制御値の演算は状態変数ベクトルｘ（ｎ）に基づいて行われるため、特開平８−２０７７６５号公報に示された方法によると、トンネル内外のモード切り替えのタイミングで、初期条件ｘ（０）＝０にリセットされる。このため、アクチュエータの制御信号の値が不連続になり、鉄道車両としての乗り心地を損なう場合がある。
【０００８】
本発明は、上記のような状況に鑑みてなされたものであり、鉄道車両の振動制御のパフォーマンス向上を目的とする。
【００１０】
本発明に係る制御装置は、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；前記鉄道車両の振動特性を検出する振動センサと；前記鉄道車両の走行速度を検出する速度センサと；前記振動センサの出力に基づき、前記アクチュエータの制御値を算出する演算部と；前記速度センサの出力に基づき、前記鉄道車両が所定の速度以下の時に、前記アクチュエータの制御モードを高速走行区間用と低速走行区間用との間で切り替え、これに基づいて前記アクチュエータの駆動制御を行う制御部とを備えている。要約すると、車両が所定の速度以下の時に、新幹線区間と在来線区間のような区間の変更に伴うアクチュエータの制御モードの変更を実行する。
【００１２】
本発明に係る車両制御方法は、前記鉄道車両の振動特性を検出する工程と；前記鉄道車両の走行速度を検出する工程と；前記検出された振動特性に基づき、前記アクチュエータの制御値を算出する工程と；前記検出された走行速度に基づき、前記鉄道車両が所定の速度以下の時に、前記アクチュエータの制御モードを高速走行区間用と低速走行区間用との間で切り替える工程と；前記選択された制御値に基づいて、前記アクチュエータの駆動制御を行う工程とを含む。
【００１３】
鉄道車両の走行中に、車体が左右方向に振動し乗り心地を低下させる要因としては、次の二つに大別される。
（イ）図１に示すように、軌道２８の狂いに起因して、輪軸２７→一次ばね系（軸ばね２６）→台車枠２９→二次ばね系（空気ばね４）→車体１の振動となる車両の下方からのばね系を介した振動の伝播によるもの。
（ロ）図２に示すように、車両が高速走行する場合、空気の車両回りの流れの圧力により、車体１が直接振動するもの。
【００１４】
前記（イ）と（ロ）の振動形態は、主要な振動周波数が異なっており、それぞれを区分して考えることができる。すなわち、（イ）の軌道の狂いに起因するばね系の固有振動数（ヨーイング：１．５Ｈｚ、上心ローリング：１．２Ｈｚ、下心ローリング：０．８Ｈｚ付近）は、０．５〜２Ｈｚの範囲にある。また、（ロ）の空気の流れによる周波数は、３〜６Ｈｚの高周波側にある。
【００１５】
特に、トンネル内においては、車体とトンネル内壁との間の空気の挙動により、高速走行すると車体に脈動する圧力が加わり、図３に示すように、トンネル外の振動に比べ、周波数が大きくなることがわかった。
【００１６】
トンネル外での振動は、図５（Ａ）に示すように、下心ローリング共振点ａ、上心ローリング共振点ｂ及びヨーイング共振点ｃは周波数０．５〜２Ｈｚの範囲にあり、低周波側の振動が主である。
【００１７】
これに対し、トンネル内での振動は、図６（Ａ）に示すように、周波数０．５〜２Ｈｚの振動ａ、ｂ、ｃの外に、周波数３〜６Ｈｚの高周波側に車体の空力による振動ｄが加わり、振動が増加する。
【００１８】
前記のごとく、トンネル外では周波数０．５〜２Ｈｚの振動が主であるのに対し、トンネル内では低周波振動の外に３〜６Ｈｚの高周波振動が加わることになるから、これらの周波数に注目して集中して振動制御する制御設計を行なえばよい。
【００１９】
例えば、Ｈ∞制御では、周波数０．５〜２Ｈｚに大きな比重を置いた重みＷ_１と周波数３〜６Ｈｚに大きな比重を置いた重みＷ_２のそれぞれにより制御用データＭ_１とＭ_２を作製しておけばよい。
【００２０】
したがって、トンネル外での振動に対しては、図５（Ｂ）に示すように、周波数０．５〜２Ｈｚに大きな比重を置いた重みＷ_１により作製された制御用データＭ_１で制御を行ない、トンネル内での振動に対しては、図６（Ｂ）に示すように、周波数０．５〜２Ｈｚと周波数３〜６Ｈｚの両方に大きな比重を置いた重みＷ_２とにより作製された制御用データＭ_２で制御を行なう。
【００２１】
また、パンタ付き車両３０においては、図４（Ａ）に示すように、車両の高速化に伴い車高が低くなり、これに従いパンタ３３を取り囲むパンタカバー３４が巨大化し、走行時に受ける風圧が大きく、また後方にあってはパンタカバー３４から剥離する空気流がカルマン渦３２を発生し、パンタ付き車両特有の振動を起こしている。この場合の振動周波数は、例えば２Ｈｚ前後が大きくなるため、２Ｈｚに大きな比重を置いた重みＷ_３により制御用データＭ_３を作製する。
【００２２】
更に、図４（Ｂ）に示すように、最後尾車両３１では、後方に発生するカルマン渦３２と、後続車両の結合がないことから、図７（Ａ）に示すように、下心ローリング共振点ａ、上心ローリング共振点ｂに比べヨーイング共振点ｃが大きく（周波数１．５Ｈｚ）、これを特に強く押さえることを考慮した重みＷ_４により制御用データＭ_４を製作すればよい。そして、図７（Ｂ）に示すように、重みＷ4と制御用データＭ_４により制御する。
【００２３】
前記のごとく、パッシブな車体の振動特性は、トンネルの外と内とで違うので、図５（Ｂ）、図６（Ｂ）からわかるように、Ｈ∞制御の重みＷ_１、Ｗ_２を特に振動ゲインの大きい周波数に合わせて集中的に重くすることによって、制御の結果は飛躍的にその周波数で良くなる。したがって、リアルタイムで制御用データを変更できるようにしておけば、その時々の最適な制御を実施可能であることがわかる。
【００２４】
また、最後尾車両についても同様で、図７（Ａ）に示すように、パッシブな車体の振動は、他の中間車両｛図５（Ａ）｝と異なる特性を有するので、最後尾車両用の制御データを備えておけばよい。ただし、進行方向が逆になった場合には先頭車両となるので、進行方向信号により最後尾車両であるか否かを判断する機能を制御装置に持たせる必要がある。更に、パンタ付き車両では、制御装置を装着する際に、パンタ付き車両用の制御データを制御器内にメモリし、使用すればよい。以上のごとくすることにより、車両位置や車両の種類に応じた最適な制御を実現できる。
【００２５】
【実施例】
図８は、本発明の実施に係る車体振動制御装置の一例を示す。この装置は、前台車２と、後台車３と、これらの台車２，３に空気ばね４により支持された車体１と、台車２，３と車体１との間に配置された流体アクチュエータと、車両の走行位置を検出する地点検知装置６と、車体１の左右振動加速度を検知する左右振動加速度計７、８または車体１と台車２、３との間の左右相対変位を検知する左右変位計２２、２３と、これらの左右振動加速度計７，８または左右変位計２２，２３の出力及び地点検知装置６の信号から前記流体アクチュエータへの制御出力を決定する制御器９とを備えている。
【００２６】
流体アクチュエータは、前台車２と後台車３との間の左右方向に設置した複動型空圧シリンダ１９（前台車側）、２０（後台車側）及び比例圧力制御弁１５、１６（前台車側）、１７、１８（後台車側）から構成される。制御器９は、ローパスフィルタ１０と、Ａ／Ｄ変換装置１１と、制御量演算装置１２と、Ｄ／Ａ変換装置１３と、増幅器１４とを備えている。なお、図中、符号５は左右動ダンパ、２１は空気源を示す。
【００２７】
前記装置において、左右振動加速度計７，８で検知した左右振動加速度、左右変位計２２、２３で検知した左右相対変位が制御器９に入力される。制御器９内では、入力された左右振動加速度、左右相対変位はローパスフィルタ１０を通して動揺のみを抽出され、Ａ／Ｄ変換装置１１でディジタル化される。そして、これらの検出信号は制御量演算装置１２に入力される。なお，本実施例においては，左右振動加速度にて検出を実行するが，ヨーイング，ピッチング，ローリングのいずれかを検出できる角速度，角加速度センサーでも良いし，車両の走行方向に向かって前後方向か，車両に対して鉛直の振動を検知して行うことも可能である。一方、地点検知装置６から制御量演算装置１２に対して地点検出信号が入力されると、トンネン外か、トンネル内か、あるいはパンタ付き車両か、最後尾車両かの判断に基づいて、それぞれに対応した制御用データＭ _１ 、Ｍ _２ 、Ｍ _３ 、Ｍ _４ の１つが選定され、その制御データを基に制御出力が演算され、Ｄ／Ａ変換装置１３にてアナログ化され、増幅装置１４を通して各比例圧力制御弁１５、１６、１７、１８に出力する。すると、前記制御出力に基づいて各比例圧力制御弁が給排気し、複動型空圧シリンダ１９、２０が駆動され、車体１の傾斜制御が行なわれる。
【００２８】
制御量演算装置１２においては、制御用データＭに基づいて以下のような行列Ａ〜Ｄを予めメモリしておく。
Ａ・・・ｎ行ｎ列
Ｂ・・・ｎ行ｍ列
Ｃ・・・ｒ行ｎ列
Ｄ・・・ｒ行ｍ列
【００２９】
そして、下記のように状態変数ベクトルｘ（ｋ）と行列データＡ〜Ｄに基づいて、入力データｕ（ｋ）から制御出力データｙ（ｋ）を算出する。
ｘ（ｋ＋１）＝Ａｘ（ｋ）＋Ｂｕ（ｋ）
ｙ（ｋ）＝Ｃｘ（ｋ）＋Ｄｕ（ｋ） ｘ（０）＝０ ｋ＝０，１・・・・
【００３０】
例えば、制御量演算装置１２においては、走行位置にかかわらず、トンネル外制御出力データとしてｙ_１を算出すると同時に、トンネル内制御出力データとしてｙ_２を算出する。
【００３１】
図９は、上述した制御量演算装置１２の概念的な構造を示す。制御量演算装置１２は、トンネル外の制御用データＭ_１と状態変数ベクトルｘ_１とアクチュエータ制御出力データｙ_１を算出して記憶するデータ記憶部１００ａと、トンネル内の制御用データＭ_２と状態変数ベクトルｘ_２とアクチュエータ制御出力データｙ_２を算出して記憶するデータ記憶部１００ｂと、これら記憶部１００ａ，１００ｂの切り替えを行う切換装置１０２とを備えている。切換装置１０２は、地点検地装置６からの信号に基づいて、Ｄ／Ａ１３に出力する信号を選択する。
【００３２】
図１０は、参考例の動作を示すフローチャートである。通常の車両運行注においては、加速度センサによって振動特性が検出される。検出された振動特性に基づいて、トンネル内とトンネル外のアクチュエータ制御出力データを各々算出して保存する。その後、車両がトンネル内外の切り換え部に達し、トンネル直前と判断した場合には、予め保存してあるトンネル内制御出力データを用いてアクチュエータの駆動制御を開始する。一方、トンネル終端部と判断した場合には、予め保存してあるトンネル外制御出力データを用いてアクチュエータの駆動制御を開始する。
【００３３】
以上のように、参考例においては、トンネル内外のアクチュエータの制御値の演算を並行して行い、トンネル内外の切換地点では、即座にアクチュエータの制御モードを変更することができる。すなわち、トンネル内外のモード切り替えのタイミングで、ベクトル演算を初期条件にリセットする必要が無く、アクチュエータの制御信号の値が不連続になることを回避できる。その結果、鉄道車両としての乗り心地が向上するという効果がある。
【００３４】
図１１は、本発明の実施例に係る鉄道車両用振動制御装置に用いられる制御器の構成を示すブロック図である。図１２は、図１１に示す実施例に係る制御器内の制御量演算装置の構成を示す概略説明図である。また、図１３は、図１０及び図１１に示す実施例の動作を示すフローチャートである。なお、先に説明した各図に示された構成と同一又は対応するものに関しては、同一の参照符号を付し、重複した説明を省略する。
【００３５】
本実施例の特徴は、車両の走行速度に基づいて高速走行区間（新幹線区間）と低速走行区間（在来線区間）との振動制御モードの切り換えを行うことにある。ここで、高速走行区間では、例えば、時速２００ｋｍで走行し、低速走行区間では、例えば、時速８０ｋｍで走行するものとする。
【００３６】
図１１に示すように、本実施例に係る制御器１０９は、上述したＡ／Ｄ変換器１０，ローパスフィルタ１１，Ｄ／Ａ変換器１３，増幅器１４の他に、車速センサ１０４を備える。そして、制御量演算装置１１２において、地点検地装置６及び車速センサ１０４の出力信号に基づいて、アクチュエータの駆動制御モードを変更する。
【００３７】
図１２に示すように、制御量演算装置１１２は、新幹線区間と在来線区間の切り換えを行う切換装置１１４ａ、１１４ｂと；新幹線区間のトンネル外走行用の制御用データと状態変数ベクトルと制御出力データを保持した記憶部１１６ａと；在来線区間の制御用データと状態変数ベクトルとトンネル外走行用の制御出力データを保持した記憶部１１６ｂと；新幹線区間の制御用データと状態変数ベクトルとトンネル内走行用の制御出力データを保持した記憶部１１６ｃと；在来線区間の制御用データと状態変数ベクトルとトンネル内走行用の制御出力データを保持した記憶部１１６ｄと；これらの記憶部を切り換える切換装置１１８とを備えている。
【００３８】
図１３に示すように、本実施例においては、車速センサ１０４によって検出された車速が所定の速度Ｖ０より遅い場合に、アクチュエータの制御をＯＦＦとする。そして、地点検地装置６の検出結果により、鉄道車両が新幹線区間と在来線区間との切換箇所に達した時点で、区間に応じたアクチュエータの制御モードを選択する。ここで、例えば、車両が単に駅に到着する場合のように、車速が速度Ｖ０より遅いが、鉄道車両が新幹線区間と在来線区間との切換箇所でない場合には、アクチュエータの制御をＯＦＦにするが、制御モードの切換は行わない。
【００３９】
一方、車速センサ１０４によって検出された車速が所定の速度Ｖ０より速い場合には、引き続き参考例と同様の制御（図１０）を行う。
【００４０】
以上のように、本実施例においては、高速走行区間と低速走行区間との制御モードの切換を車速が低くなった時、すなわち、アクチュエータの駆動制御がＯＦＦとなった時に行うため、アクチュエータの制御信号の値が不連続になることがない。また、地点検地装置６の出力信号に基づいて、高速走行区間と低速走行区間との制御モードの切換を行うため、不要の場所（単なる停車駅）でのモード切替を回避できる。
【００４１】
なお、（１）新幹線区間；（２）在来線区間；（３）トンネル外；（４）トンネル内の４つの制御用データＭと状態変数ベクトルｘ（ｎ）に基づき制御出力データｙ（ｎ）を予め算出し、保持しておき、地点検地装置６の検出結果に基づいて、これらを選択的に使用することも可能である。
【００４２】
以上、本発明の実施例（実施形態、実施態様）について説明したが、本発明はこれらの実施例に何ら限定されるものではなく、特許請求の範囲に示された技術的思想の範疇において変更可能なものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】 図１は、軌道不整による車両ばね系を介した振動伝播を表す説明図である。
【図２】 図２は、車体に直接作用する空気の流れによる空力学的力を表す説明図である。
【図３】 図３は、トンネル内とトンネル外での車体に生じる振動を比較して示すグラフである。
【図４】 図４（Ａ）は、パンタ付き車両に生じる空気の流れのカルマン渦を示す編成列車の一部斜視図、（Ｂ）は最後尾車両に生じる空気の流れのカルマン渦を示す編成列車の一部斜視図である。
【図５】 図５（Ａ）は、トンネル外でのパッシブな車両の振動を示すグラフ、（Ｂ）はトンネル外でのＨ∞制御の重みと制御効果を示すグラフである。
【図６】 図６（Ａ）は、トンネル内でのパッシブな車両の振動を示すグラフ、（Ｂ）はトンネル内でのＨ∞制御の重みと制御効果を示すグラフである。
【図７】 図７（Ａ）は、最後尾車両のパッシブな車両の振動を示すグラフ、（Ｂ）は最後尾車両のＨ∞制御の重みと制御効果を示すグラフである。
【図８】 図８は、本発明において使用する車体傾斜制御装置の制御系の一例を示す説明図である。
【図９】 図９は、参考例に係る鉄道車両用振動制御装置に用いられる制御量演算装置の概略構成を示す説明図である。
【図１０】 図１０は、図９に示す参考例の動作を示すフローチャートである。
【図１１】 図１１は、本発明の実施例に係る鉄道車両用振動制御装置に用いられる制御器の構成を示すブロック図である。
【図１２】 図１２は、図１１に示す実施例に係る制御器内の制御演算装置の構成を示す概略説明図である。
【図１３】 図１３は、図１０及び図１１に示す実施例の動作を示すフローチャートである。
【符号の説明】
１ 車体
２ 前台車
３ 後台車
４ 空気ばね
５ 左右動ダンパ
６ 地点検知装置
７，８ 左右振動加速度計
９，１０９ 制御器
１２，１１２ 制御量演算装置
２２，２３ 左右変位計
１００ａ，１００ｂ，１１６ａ，１１６ｂ，１１６ｃ，１１６ｄ 記憶部
１０２，１１４ａ，１１４ｂ，１１８ 切換装置
１０４ 車速センサ

Claims (4)

1. 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；
   前記鉄道車両の振動特性を検出する振動センサと；
   前記鉄道車両の走行速度を検出する速度センサと；
   前記振動センサの出力に基づき、前記アクチュエータの制御値を算出する演算部と；
   前記速度センサの出力に基づき、前記鉄道車両が所定の速度以下の時に、前記アクチュエータの制御モードを高速走行区間用と低速走行区間用との間で切り替え、これに基づいて前記アクチュエータの駆動制御を行う制御部とを備えたことを特徴とする鉄道車両の振動制御装置。
2. 前記鉄道車両の走行位置を検出する地点センサを更に備え、
   前記制御部は、前記地点センサの検出結果も参照して前記切り替え制御を行うことを特徴とする請求項１に記載の振動制御装置。
3. 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の駆動によって実行される車両制御方法において、
   前記鉄道車両の振動特性を検出する工程と；
   前記鉄道車両の走行速度を検出する工程と；
   前記検出された振動特性に基づき、前記アクチュエータの制御値を算出する工程と；
   前記検出された走行速度に基づき、前記鉄道車両が所定の速度以下の時に、前記アクチュエータの制御モードを高速走行区間用と低速走行区間用との間で切り替える工程と；
   前記選択された制御値に基づいて、前記アクチュエータの駆動制御を行う工程とを含むことを特徴とする車両制御方法。
4. 前記鉄道車両の走行位置を検出する工程を更に含み、
   前記走行位置も参照して、前記アクチュエータの制御モードを切り替えることを特徴とする請求項３に記載の方法。

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