JP4442510B2 - 鉄道車両の車体傾斜制御装置及び方法 - Google Patents

Description

本発明は、鉄道車両の車体傾斜制御装置及び車体傾斜制御方法に関し、特に、傾斜目標への追従性能を向上する技術に関する。

鉄道車両が曲線を走行する際に生じる遠心力は車体を曲線外側へと傾斜させる方向に働く。遠心力を受けて車体が曲線外側へ傾斜すると、乗客が感じる遠心力（車体床面方向の分力）が増加して乗り心地が悪化する。そこで従来、乗り心地の悪化を防ぎ、より高速な走行を可能とするため、車体を曲線内側へ傾斜させる車体傾斜制御が行われる。

具体的に、空気ばねによって台車に支持される車体を考えると、遠心力と釣り合う力は、外軌側空気ばねと内軌側空気ばねの反力に差が生じることによって生み出される。そのため、車体傾斜制御が行われない状態で遠心力を受けると、外軌側空気ばねが内軌側の空気ばねよりも大きく、力の釣り合いがとれるまで縮んで、車体は曲線外側へと傾斜する。

これに対抗して行われる車体傾斜制御では、外軌側空気ばねに給気し、内軌側空気ばねから排気して、遠心力と釣り合う反力が得られるばねの縮み量を変化させることによって、車体が曲線外側へ傾斜する量を減らすか、さらには車体を曲線内側へと傾斜させる。

このような車体傾斜制御は、従来、例えば車体の傾斜角を測定し、測定結果を目標角へ強制的に近づけるように制御する、フィードバック制御によって行われている。

図８（ａ）は、フィードバック制御による車体の傾斜角の変動傾向を示す図である。傾斜が遅れる傾向が見られる。この遅れは、主として、空気ばねへの給排気の効果が現れるまでの遅れに起因する。

このような傾斜遅れを軽減するために、地上から与えられる信号に応じて車両が曲線に進入する手前から車体傾斜制御を開始する、予知制御が周知となっている（例えば特許文献１）。
特開昭４９−４８０１２号公報

しかしながら、上記従来の予知制御を行った場合、車体は、曲線に進入する手前から来るべき曲線の内側へ傾斜し始め、曲線に入ると遠心力を受けて一時的に曲線外側へ押し戻され、その後、曲線内側の目標角に追従するという挙動を取ることがある。

図８（ｂ）は、予知制御による車体の傾斜角の変動傾向を示す図である。前述した挙動が見られる。このような挙動は、上下剛性を低く設計された空気ばねを用いている最近の高速走行用車両において特に現れ易く、乗り心地を大きく損なう原因となる。

本発明は、上記の問題に鑑みてなされたものであり、傾斜目標への追従性能を向上した車体傾斜制御装置及び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、本発明の車体傾斜制御装置は、鉄道車両の車体を目標角へ傾斜させる車体傾斜制御装置であって、前記鉄道車両が曲線を通過する際に前記車体が受ける遠心力を推定する遠心力推定手段と、前記遠心力推定手段で推定された遠心力と前記車体の傾斜角と前記目標角とを入力として与えられ、前記推定された遠心力を用いて、遠心力が前記車体の傾斜運動に与える影響を抑制すると共に前記車体の傾斜角を前記目標角へ追従させる制御指令を出力する指令手段と、前記制御指令に応じて前記車体を傾斜させる傾斜手段とを備える。

好ましくは、前記指令手段は、前記目標角及び前記推定された遠心力のそれぞれから前記車体の傾斜角の現在値と前記目標角との差である偏差までのＨ∞ノルムを最小化するコントローラであってもよい。
また、前記傾斜手段は、前記車体を台車の上に支持する気体ばねであり、前記指令手段は、前記制御指令として前記気体ばねへの給排気指令を出力してもよい。

この構成によれば、前記指令手段が、前記推定された遠心力が車体の傾斜運動に与える影響を抑制する抑制制御と共に前記車体を前記目標角へ傾斜させる目標追従制御を実行するコントローラとして働いてフィードバック制御が行われる結果、前記車体の傾斜運動への遠心力の影響が抑制され、従来よりも優れた目標追従性能が得られる。

好ましくは、前記車体傾斜制御装置は、さらに、地点と対応付けて、その地点における線路の半径とカント量とを記憶している路線データ記憶手段を備え、前記遠心力推定手段は、車両の走行地点を表す地点情報と走行速度を表す速度情報とを外部から与えられ、前記地点情報に応じて前記路線データ記憶部から参照される半径とカント量、及び前記速度情報を用いて前記推定を行ってもよい。

この構成によれば、推定による遠心力を用いることによって、実測による遠心力を用いる場合と比べて、車体振動に起因する雑音の影響を受けずに高い精度の傾斜制御を行うことができる。また、先地点の遠心力を推定して用いることによって、気体ばねの応答の遅れ時間を補償することもできる。

また、本発明は、このような車体傾斜制御装置として実現できるだけでなく、このような車体傾斜制御装置が備える特徴的な手段によって実行される処理をステップとする車体傾斜制御方法として実現することも、また、それらのステップをコンピュータに実行させるプログラムとして実現することもできる。そして、そのようなプログラムは、ＣＤ−ＲＯＭ等の記録媒体やインターネット等の伝送媒体を介して配信できることはいうまでもない。

本発明の車体傾斜制御装置は、鉄道車両の車体を目標角へ傾斜させる車体傾斜制御装置であって、前記車体が受けると推定される遠心力と前記車体の傾斜角と前記目標角とを入力として、前記推定された遠心力を用いて、遠心力が車体の傾斜運動に与える影響を抑制する抑制制御と共に前記車体の傾斜角を前記目標角に追従させる目標追従制御を行うので、前記車体の傾斜運動への遠心力の影響が抑制され、従来よりも優れた目標追従性能を持った車体傾斜制御装置が実現できる。

本発明の実施の形態に係る車体傾斜制御について、図面を参照しながら、まず制御の考え方を述べ、次に車体傾斜制御装置の構成と動作について詳細に説明し、最後に実験結果を用いて効果を明らかにする。

（制御の考え方）
本発明の実施の形態に係る車体傾斜制御は、鉄道車両の車体を目標角へ傾斜させる制御であって、前記車体が受けると推定される遠心力と前記車体の傾斜角と前記目標角とを入力として、前記推定された遠心力を用いて、遠心力が車体の傾斜運動に与える影響を抑制する抑制制御と共に前記車体の傾斜角を前記目標角に追従させる目標追従制御を行うフィードバック制御である。

図１は、この車体傾斜制御の対象を表現する車体運動モデル１０を、一例として示す図である。車体２０は、実際には例えば空気ばねによって台車４０の上に支持される。この車体運動モデル１０において、車体２０と台車４０とは、例えばその空気ばねの弾性を表現するばね３１ａ、３１ｂ、３２ａ、３２ｂ、３３ａ、３３ｂ、３４ａ、３４ｂ、空気ばねの減衰を表現するダンパ３５ａ、３５ｂ、及び左右動ダンパを表現するダンパ３６によって接続される。

このモデルにおいて、これらのばねの剛性、自然長、及びダンパのダンピング係数は、給排気によって変化する空気ばねの内圧に応じて定められる。また、車体の傾斜角（台車に対する角度）は、外軌側空気ばねの長さと内軌側空気ばねの長さとの差、及び両ばねの設置間隔から定められる。

このモデルから車体の傾斜運動に関する運動方程式を導出する。そして、車体の傾斜角を目標角に追従させる目標追従制御系を、Ｈ∞制御、ＬＱＧ（Linear Quadratic Gaussian）制御などの既存の制御理論を用いて構成する。

図２は、そのような目標追従制御系の一例を示すブロック図である。図２に示される目標追従制御系は、コントローラ１１と車体運動モデル１０とから構成される。コントローラ１１は、車体の傾斜角の目標値と車体が受ける遠心力とを与えられ、その遠心力が車体の傾斜運動に与える影響を抑制すると共に車体を前記目標角へ傾斜させるための制御指令を生成する。コントローラ１１は、例えば、具体的にＨ∞制御理論を用いて設計される。

図３は、その設計に用いられる一般化プラントの一例を示すブロック図である。図３に示される一般化プラントは、車体運動モデル１０と加算器１２とから構成される。加算器１２は、車体の傾斜角について目標値と現在値との差（偏差）を算出する。前述したコントローラ１１は、このような一般化プラントにおいて目標値及び遠心力のそれぞれから偏差までのＨ∞ノルムを最小化するコントローラとして設計され、そして、例えばマイクロコンピュータ等を用いて具体的に実現される。

このように設計され、実現されるコントローラ１１は、偏差を小さくする制御（目標追従制御）と共に、遠心力が車体の傾斜運動（具体的には偏差）に与える影響を抑制する制御（外乱抑制制御）を実行する。

以下では、コントローラ１１を、例えばマイクロコンピュータを用いて実現された具体物として説明する。

（車体傾斜制御装置の構成と動作）
図４は、実施の形態に係る車体傾斜制御装置を含む制御系全体の機能的な構成を示すブロック図である。

この制御系は、フィードバック制御によって車体を目標角へ傾斜させる制御系であって、コントローラ１１、遠心力推定部１３、路線データ記憶部１４、目標角算出部１５、車体２０、給排気部２１、高さセンサ２２ａ、２２ｂ、空気ばね２３ａ、２３ｂ、及び台車４０から構成される。

車体２０は、空気ばね２３ａ及び２３ｂによって台車４０の上に支持される。給排気部２１は、空気溜めと複数の給排気弁（何れも不図示）とからなり、コントローラ１１から与えられる給排気指令に従って、内軌側空気ばね及び外軌側空気ばねに独立して給排気を行う。

高さセンサ２２ａ、２２ｂは、それぞれ空気ばね２３ａ、２３ｂの頭部の台車４０からの高さを測定し、測定結果をコントローラ１１へ出力する。前述したように、高さセンサ２２ａ及び２２ｂによって測定される高さの差と両者の設置間隔とから、車体２０の台車４０に対する傾斜角が定まる。

路線データ記憶部１４は、地点と対応付けて、その地点における線路の半径とカント量とを示す路線データを記憶している。

図５（ａ）は、路線の一例を示す図であり、図５（ｂ）は、その路線に対応する路線データの一例を示す図である。図５（ａ）には、地点Ｐ０から地点Ｐ５までの間に、直線部、緩和曲線部、円曲線部、緩和曲線部、そして再び直線部が設けられた路線の一例が示される。

図５（ｂ）は、テーブル１４０に格納されている路線データの一例を示す。テーブル１４０の行は地点ごとに設けられ、距離欄１４１は予め定められる起点（例えばその路線の始発駅に設けられる）からその地点までの距離を保持し、半径欄１４２はその地点における線路の半径を保持し、カント欄１４３はその地点における線路のカント量を保持する。

再び図４を参照して、遠心力推定部１３は、車両の現在の走行地点と走行速度とを外部から与えられ、その走行地点に応じて前記路線データ記憶部から参照される半径、カント量と、その走行速度とを用いて、車体が受けると推定される遠心力を算出する。

この算出は、具体的に次のようにして行うことができる。
まず、推定の基準となる地点（以降、基準点と呼ぶ）を定める。この基準点は、現在の走行地点でもよく、また空気ばねへの給排気の効果が現れるための遅れ時間を考慮した先地点でもよい。先地点は、例えば、車両が現在の走行速度を維持した場合にその遅れ時間経過後に達している地点として求めることができる。

次に、基準点を挟む２つの地点における半径とカントとを路線データ記憶部１４から参照し、参照された値を補間することによって、基準点における半径とカントとを求める。

そして、求めた半径とカント、及び現在の走行速度から遠心力を算出する。
図６は、車体に働く遠心加速度及び重力加速度を示す図である。図６に示されるように、線路の半径をｒ、カントをｃ、軌間をＧ、車両の走行速度をｖ、重力加速度をｇとすれば、車体が台車に対して傾斜していない（実線で描かれる）場合、曲線の外側を正方向として、遠心加速度は水平方向にv²/rであり、レール面に平行な方向の成分はv²/r cos(sin^-1(c/G))である。また、カントに応じて重力加速度のレール面に平行な成分-g sin(sin^-1(c/G))が生じる。負の符号はこの加速度が曲線内側を向いていることを示す。

図１に示すモデルでは、車体の運動は台車の位置を基準として記述される。台車がレール面に沿って走行することを仮定すると、遠心力のうち、車体運動に及ぼす影響が大きいのは、前記レール面に平行な方向の成分である。

このことから、車体の質量をｍとして、車体が受ける遠心力（厳密には、遠心力のレール面に平行な方向の成分のうち、重力のレール面に平行な方向の成分によって相殺された残留力）は(v²/r cos(sin^-1(c/G))-(c/G)g)mで表される。一般に軌間Gに対してカントcは十分に小さいので、sin^-1(c/G)≒c/G、cos(c/G)≒1が成立することを用いて、簡便には(v²/r-(c/G)g)mとしてもよい。

遠心力推定部１３は、(v²/r cos(sin^-1(c/G))-(c/G)g)m、又は(v²/r-(c/G)g)mに従って推定遠心力を算出し、算出結果をコントローラ１１へ出力する。

なお、遠心力推定部１３へ与えられる走行地点と走行速度とは、周知の技術を用いて得ることができる。例えば、走行地点は、車軸の回転角に車輪径を乗じた値を起点から積算すれば得られる。また、地上からの信号を用いて積算誤差を解消することもできる。走行速度は、単位時間あたりの車軸の回転角に車輪径を乗じれば得られる。

さて、車体が台車に対して傾斜する（破線で描かれる）場合、その傾斜に応じて重力加速度の水平成分が生じる。図６に示されるように、曲線の内側への傾斜を負角度として、傾斜角を−θとすれば、遠心加速度の車体床面に平行な成分はv²/r cos(sin^-1(c/G)+θ)となり、重力加速度の車体床面に平行な成分は-sin(sin^-1(c/G)+θ)gとなる。乗客が感じる遠心力は、実際には前記遠心加速度の車体床面に平行な方向の成分と前記重力加速度の車体床面に平行な成分が相殺しあった残留加速度による力であり、残留加速度はv²/r cos(sin^-1(c/G)+θ)-sin(sin^-1(c/G)+θ)gで表される。c/G及びθが十分に小さい場合には、簡便にv²/r-(c/G+θ)gとしてもよい。すなわち、θを適切な大きさとすることにより乗客が感じる遠心力を小さくできる。

目標角算出部１５は、乗客が感じる遠心力を小さくする傾斜目標角を、コントローラ１１へ出力する。つまり、遠心力の車体床面に平行な成分が正の場合には、図６に破線で描かれるように負の目標角を出力し、遠心力の車体床面に平行な成分が負の場合（車両が曲線上で停止したような状況）には、正の目標角を出力する。ただし、車両の構造上の限界傾斜角度、周囲の建造物との干渉回避などの理由により、目標角の大きさは制限を受ける。

より滑らかな傾斜制御を行うために、目標角算出部１５は、基準点の近傍の複数の地点における目標角を算出し、算出された目標角を滑らかに補間することによって基準点における目標角を定めてもよい。そのような補間には、クロソイド補間、スプライン補間、ベジエ補間等の、周知の方法を用いることができる。

再び図４を参照して、コントローラ１１は、空気ばね高さ（現在の傾斜角を表す）、推定遠心力、及び目標角を入力され、推定遠心力が目標角と現在の傾斜角との差に与える影響を抑制する抑制制御と共にその差そのものを小さくする目標追従制御を行うための給排気指令を、給排気部２１へ出力する。

給排気部２１は、与えられる給排気指令に従って、内軌側空気ばね及び外軌側空気ばねに独立して給排気を行うことによって、車体２０を目標角へ傾斜させる。

ここまでに述べたように、コントローラ１１は、推定遠心力が車体の傾斜運動に与える影響を抑制する抑制制御と共に前記車体を前記目標角へ傾斜させる目標追従制御を実行するコントローラとして実現されるので、そのようなコントローラ１１を用いて空気ばねへの給排気制御を実行することによって、車体の傾斜運動への遠心力の影響が抑制され、従来よりも優れた目標追従性能が発揮される。

（効果）
発明者らは、本発明の車体傾斜制御装置を実物大模型に適用する実験を行い、従来よりも目標追従性能が向上することを確認した。

図７は、この実験から得られた車体の傾斜角の目標値と現在値との時間推移を示すグラフであり、上図が従来方法による一例を示し、下図が本方法による一例を示す。何れのグラフにおいても、点線が目標値、実線が現在値を示す。従来方法の制御では、車体が遠心力で一時的に曲線外側へ押し戻される挙動が顕著に現れる（上図の破線円内）が、本方法の制御では、そのような挙動はほとんど見られない。

また、従来方法では、空気ばねの遅れを補償するための時間に、遠心力の影響を緩和するための余裕時間を加算して、早くから傾斜制御を開始する必要があるが、本方法では、遠心力の影響が抑制されることによって、そのような余裕時間を取る必要がなくなり、より好ましい目標角に従って傾斜制御を行うことが可能となった。この点も、目標追従性能の向上に役立っている。

（変形例）
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。

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。

本発明に係る車体傾斜制御装置及び車体傾斜制御方法は、鉄道車両における車体の傾斜制御に広く利用でき、とりわけ高速走行用車両への利用に好適である。

本発明に係る車体傾斜制御の対象を表現する車体運動モデルの一例を示す図である。 本発明に係る目標追従制御系の一例を示すブロック図である。 前記目標追従制御系の設計に用いられる一般化プラントの一例を示すブロック図である。 実施の形態に係る制御系全体の機能的な構成を示すブロック図である。 （ａ）路線の一例を示す図である。（ｂ）その路線に対応する路線データの一例を示す図である。 車体に働く遠心加速度及び重力加速度を示す図である。 車体の傾斜角の目標値と現在値との時間推移を示すグラフである。 （ａ）従来のフィードバック制御による車体の傾斜角の変動傾向を示す図である。（ｂ）従来の予知制御による車体の傾斜角の変動傾向を示す図である。

符号の説明

１０ 車体運動モデル
１１ コントローラ
１２ 加算器
１３ 遠心力推定部
１４ 路線データ記憶部
１５ 目標角算出部
２０ 車体
２１ 給排気部
２２ａ、２２ｂ 高さセンサ
２３ａ、２３ｂ 空気ばね
３１ａ、３１ｂ、３２ａ、３２ｂ、３３ａ、３３ｂ、３４ａ、３４ｂ ばね
３５ａ、３５ｂ、３６ ダンパ
４０ 台車
１４０ テーブル
１４１ 距離欄
１４２ 半径欄
１４３ カント欄

Claims (6)

1. 鉄道車両の車体を目標角へ傾斜させる車体傾斜制御装置であって、
   前記鉄道車両が曲線を通過する際に前記車体が受ける遠心力を推定する遠心力推定手段と、
   前記遠心力推定手段で推定された遠心力と前記車体の傾斜角と前記目標角とを入力として与えられ、前記推定された遠心力を用いて、遠心力が前記車体の傾斜運動に与える影響を抑制すると共に前記車体の傾斜角を前記目標角へ追従させる制御指令を出力する指令手段と、
   前記制御指令に応じて前記車体を傾斜させる傾斜手段と
   を備えることを特徴とする車体傾斜制御装置。
2. 前記指令手段は、前記目標角及び前記推定された遠心力のそれぞれから前記車体の傾斜角の現在値と前記目標角との差である偏差までのＨ∞ノルムを最小化するコントローラである
   ことを特徴とする請求項１に記載の車体傾斜制御装置。
3. 前記傾斜手段は、前記車体を台車の上に支持する気体ばねであり、
   前記指令手段は、前記制御指令として前記気体ばねへの給排気指令を出力する
   ことを特徴とする請求項１に記載の車体傾斜制御装置。
4. 前記車体傾斜制御装置は、さらに、
   地点と対応付けて、その地点における線路の半径とカント量とを記憶している路線データ記憶手段を備え、
   前記遠心力推定手段は、
   車両の走行地点を表す地点情報と走行速度を表す速度情報とを外部から与えられ、前記地点情報に応じて前記路線データ記憶部から参照される半径とカント量、及び前記速度情報を用いて前記推定を行う
   ことを特徴とする請求項１に記載の車体傾斜制御装置。
5. 鉄道車両の車体を目標角へ傾斜させる車体傾斜制御方法であって、
   前記鉄道車両が曲線を通過する際に前記車体が受ける遠心力を推定する遠心力推定ステップと、
   前記遠心力推定ステップで推定された遠心力と前記車体の傾斜角と前記目標角とを入力として、前記推定された遠心力を用いて、遠心力が前記車体の傾斜運動に与える影響を抑制すると共に前記車体の傾斜角を前記目標角へ追従させる制御指令を出力する指令ステップと、
   前記制御指令に応じて前記車体を傾斜させる傾斜ステップと
   を含むことを特徴とする車体傾斜制御方法。
6. 請求項５に記載の車体傾斜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。

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