JP6761300B2 - 制御健全性判断装置 - Google Patents

Description

本発明は、制御健全性判断装置の改良に関する。

従来、この種の制御健全性判断装置にあっては、たとえば、鉄道車両に車体の進行方向に対して左右方向の振動を抑制する鉄道車両用制振装置の異常を検知するものがある。

より詳しくは、制御健全性判断装置は、アクチュエータへの制御圧力指令値が圧力基準値を超え、かつ、車体の振動加速度が加速度基準値を超える現象が予め設定した回数連続する場合や、振動加速度の振幅が基準値を連続して超えた場合に、異常と判断している（たとえば、特許文献１参照）。

特開平１１−２２２１２８号公報

制御圧力指令値と振動加速度の二つの値を用いる場合、それぞれ別個に基準値が設定されており、両者が基準値を超えない状況では異常を検知できず、振動加速度を使用しているので異常を検知するまでに時間がかかる。

また、振動加速度の振幅が基準値を連続して超えた場合に異常とする場合には、ノイズなどで異常を誤検知してしまう可能性がある。

そこで、本発明の目的は、より早く、正確に制御健全性の判断を行える制御健全性判断装置の提供である。

本発明の制御健全性判断装置は、制振対象と前記制振対象に制御力を与えて前記制振対象の振動を抑制するアクチュエータとを備えたプラントに対して入力される制御入力に対して制振対象の加速度を検知する加速度センサと、制御入力と加速度の微分値とを乗じて得た健全性指標に基づいて制御健全性を判断する判断部とを備えて構成されている。健全性指標は、車体の振動が増加に向かうのか減少に向かうのかを示す微分値を考慮した指標であり、制御性が悪化する傾向にあるのを前もって判断が可能な指標となっている。よって、健全性指標に基づいて制御健全性を判断する制御健全性判断装置では、制御性の悪化を予見でき、従来の装置よりも早いタイミングで制御健全性を判断できる。また、このように制御健全性判断装置を構成すれば、鉄道車両の制振装置の制御健全性の判断に最適となる。

また、請求項２の制御健全性判断装置は、判断部が健全性指標と閾値とを比較して制御健全性を判断するので、より正確に制御健全性を判断できる。

そして、請求項３の制御健全性判断装置は、所定のサンプリング時間内において健全性指標が閾値以上となる回数をカウントし、カウント数がカウント閾値以上となると制御健全性が不健全であると判断する。このように制御健全性判断装置が構成されると、外乱によって瞬間的に制御性の悪化と見受けられる事象が生じただけでは、制御健全性を不健全と判断しなくなる。よって、このように構成された制御健全性判断装置は、より正確に制御健全性を判断できる。

さらに、請求項４の制御健全性判断装置は、プラントの共振周波数帯の信号を抽出するバンドパスフィルタを備え、センサの出力をバンドパスフィルタで処理するので、制御健全性の判断を高精度に行え、誤検知を効果的に防げる。

本発明の制御健全性判断装置によれば、より早く、正確に制御健全性の判断を行える。

一実施の形態における制御健全性判断装置の制御ブロック図である。 一実施の形態における制御健全性判断装置が適用された制振装置を搭載した鉄道車両の概略平面図である。 一実施の形態における制御健全性判断装置の制御健全性の判断手順の一例を示したフローチャートである。

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健全性判断装置１は、本例では、鉄道車両の車体Ｂと車体Ｂを制振するアクチュエータＡとをプラントＰとして、車体Ｂの振動を抑制する鉄道車両用の制振装置ＶＣの制御健全性判断を行うようになっている。

具体的には、制御健全性判断装置１は、図１に示すように、車体Ｂの車両進行方向に対する水平横方向の加速度ａを検知する加速度センサ２と、制御健全性を判断する判断部３とを備えて構成されている。

以下、各部について詳細に説明する。制振装置ＶＣは、本例では、アクチュエータＡとアクチュエータＡの推力を制御するコントローラＣとを備えており、車体Ｂの振動を制御対象とし、アクチュエータＡに発揮させる制御力で車体Ｂの振動を抑制する制振システムとなっている。また、プラントＰは、本例では、鉄道車両の車体ＢとアクチュエータＡとで構成されており、コントローラＣから入力される制御入力ｕに応じてアクチュエータＡが推力を発揮して車体Ｂの振動が抑制される。プラントＰにおける制御量は、この場合、車体Ｂの加速度ａとされている。

車体Ｂは、図２に示すように、軌道上を走行する車輪Ｗを保持する台車ＴにばねＳを介して弾性支持されており、台車Ｔに対して図２中で上下左右への相対移動が許容されている。加速度センサ２は、車体Ｂに取り付けられており、車体Ｂの加速度ａを検知する。加速度センサ２が検知した加速度ａは、制御健全性判断装置１で使用されるほか、制振装置ＶＣにも入力されており、制振装置ＶＣは、車体Ｂの制御量を加速度ａとして、アクチュエータＡに加速度ａを小さくする制御力を制御入力ｕとして入力する。

アクチュエータＡは、図示はしないが、たとえば、鉄道車両の台車Ｔと車体Ｂの一方に連結されて流体圧の供給により伸縮するシリンダと、シリンダへ作動流体を供給するポンプと、シリンダの伸縮の向きを切換える切換弁と、シリンダ内の圧力を制御する制御弁とを備えている。そして、アクチュエータＡは、コントローラＣから入力される制御力を指示する制御入力ｕに応じて、制御弁、切換弁およびポンプを駆動して、制御入力ｕが指示する通りに力を発揮する。なお、制御入力ｕである制御力は、アクチュエータＡに発揮させる力の大きさと向きの双方を指示している。また、アクチュエータＡは、本例では、切換弁、制御弁およびポンプの駆動が一切行われない状態では、パッシブなダンパとして減衰力を発揮するようになっている。

制振装置ＶＣにおけるコントローラＣは、加速度ａに含まれる曲線走行時の定常加速度、ドリフト成分やノイズを除去し、制御力を求めて、これを制御入力ｕとしてアクチュエータＡへ入力する。コントローラＣは、本例では、Ｈ∞制御器とされており、加速度ａから車体Ｂの振動を抑制するためにアクチュエータＡが出力すべき推力を指示する制御力を求める。なお、制御力は、力の大きさを示す値に正負の符号が付されており、符号はアクチュエータＡに出力させるべき推力の方向を示している。なお、コントローラＣは、スカイフック制御則に基づき、加速度ａにスカイフック減衰係数を乗じて制御力を求めてもよい。

判断部３は、加速度センサ２が出力した車体Ｂの加速度ａを濾波するバンドパスフィルタ３１と、バンドパスフィルタ３１で濾波した加速度ａを微分する微分部３２と、加速度ａの微分値ｄａ／ｄｔと制御入力ｕとから健全性指標Ｉを求める指標演算部３３と、健全性指標Ｉと後述する閾値βとを比較して健全性を判断する健全性判断処理部３４と、停止指令出力部３５とを備えて構成されている。以下、判断部３の各部の構成と動作について、図３に示した健全性判断を行うフローチャートに即して説明する。

バンドパスフィルタ３１は、加速度ａを濾波して、加速度ａの車体Ｂの共振周波数帯の成分を抽出して微分部３２へ入力する（ステップＦ１）。本例では、制振装置ＶＣは、車体Ｂの振動を抑制するものであり、制御健全性が失われると車体Ｂの共振周波数帯の加速度に影響が顕著に表れる。つまり、制振装置ＶＣは、車体Ｂの加速度を小さくする制御を実行しているが、制御性が悪化して不健全な制御が行われると、加速度を小さくできなくなりプラントＰにおける車体Ｂの共振周波数帯の加速度が特に大きくなる。よって、車体Ｂの共振周波数帯のみを透過するバンドパスフィルタ３１で加速度ａを濾波すれば、制振装置ＶＣの制御健全性の判断を高精度に行える。

微分部３２は、バンドパスフィルタ３１で処理した加速度ａを微分して加速度ａの微分値ｄａ／ｄｔを求める（ステップＦ２）。つまり、微分部３２は、車体Ｂの加加速度を求める。微分部３２は、加速度ａをハイパスフィルタで処理して微分値ｄａ／ｄｔを求めてもよいし、入力される加速度ａとその直前に入力される加速度ａとの差を求めて、これを便宜的に微分値ｄａ／ｄｔとしてもよい。

指標演算部３３は、微分部３２で求めた微分値ｄａ／ｄｔと制振装置ＶＣのコントローラＣが出力する制御入力ｕとを乗じて健全性指標Ｉを求める（ステップＦ３）。具体的には、微分値ｄａ／ｄｔと制御入力ｕとを乗じて絶対値処理をして健全性指標Ｉを求めるので、健全性指標Ｉは、Ｉ＝｜（ｄａ／ｄｔ）・ｕ｜を演算して求める。

健全性判断処理部３４は、健全性指標Ｉと閾値βとを比較し、健全性指標Ｉが閾値β以上か否か判断する（ステップＦ４）。その結果、健全性指標Ｉが閾値β以上である場合、健全性判断処理部３４は、制御健全性が不健全であると判断する（ステップＦ５）。また、健全性判断処理部３４は、健全性指標Ｉが閾値β未満である場合には、制御健全性が健全であると判断する（ステップＦ６）。閾値βは、制振装置ＶＣにおける車体Ｂの制振制御が健全であるか不健全であるのかを判断する基準値であり、アクチュエータＡが車体Ｂの加振してしまうような状態の際に健全性指標Ｉが採る値に設定される。なお、この閾値βは、鉄道車両の仕様、走行する軌道の状況等も加味して決定してもよい。

ここで、制御が不健全であり、アクチュエータＡが発揮する推力で車体Ｂを加振してしまう場合、車体Ｂの振動が抑制されず加速度ａがどんどん大きくなる。制振装置ＶＣは、加速度ａを小さくするようにアクチュエータＡに制御力を発揮させるのであるが、加速度ａが大きくなると、コントローラＣが求める制御力（制御入力ｕ）も大きくなっていく。つまり、制御が不健全になると、加速度ａも制御入力ｕも次第に大きくなる。微分値ｄａ／ｄｔは加速度ａが増加傾向にあるのか減少傾向にあるのか示す将来の傾向を示している。よって、健全性指標Ｉは、車体Ｂの振動が増加に向かうのか減少に向かうのかを加味した指標であり、制御性が悪化を予見した判断が可能な指標となっている。また、制御入力ｕを微分値ｄａ／ｄｔに乗じて得られるので、制御入力ｕが小さくとも微分値ｄａ／ｄｔが大きくなると健全性指標Ｉが大きくなるので、このような状況でも制御性の悪化を正確に判断し得る。

停止指令出力部３５は、制御健全性の判断の結果、健全性判断処理部３４が制振装置ＶＣの制御が不健全であると判断すると、制振装置ＶＣのコントローラＣへ制御を停止させる停止指令ＳＣを出力する（ステップＦ７）。制振装置ＶＣは、停止指令ＳＣを受け取ると、制御を中止してアクチュエータＡへの通電を停止し、アクチュエータＡは、パッシブなダンパとして機能する。このように、制御が不健全と判断された場合に制御を継続すると車体Ｂを加振して車体Ｂの振動を増幅してしまう可能性があるので、制振装置ＶＣの制御を中止させてアクチュエータＡをダンパとして機能させる。すると、車体Ｂは、アクチュエータＡが発揮する減衰力で制振されるので、車体Ｂの振動を抑制して安定させ得る。

なお、判断部３は、ハードウェア資源としては、図示はしないが具体的にはたとえば、加速度センサ２が出力する信号を取り込むためのＡ／Ｄ変換器と、制御健全性の判断に必要な処理に使用されるプログラムが格納されるＲＯＭ（Ｒｅａｄ Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ）等の記憶装置と、前記プログラムに基づいた処理を実行するＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）等の演算装置と、前記ＣＰＵに記憶領域を提供するＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）等の記憶装置とを備えて構成されればよく、判断部３における各部は、ＣＰＵの前記プログラムの実行により実現できる。

このように制御健全性判断装置１は、プラントＰに対して入力される制御入力ｕに対してプラントＰの制御量としての加速度ａを検知する加速度センサ２と、制御入力ｕと加速度ａの微分値ｄａ／ｄｔとを乗じて得た健全性指標Ｉに基づいて制御健全性を判断する判断部３とを備えて構成されている。健全性指標Ｉは、車体Ｂの振動が増加に向かうのか減少に向かうのかを示す微分値ｄａ／ｄｔを考慮した指標であり、制御性が悪化する傾向にあるのを前もって判断が可能な指標となっている。よって、健全性指標Ｉに基づいて制御健全性を判断する制御健全性判断装置１では、制御性の悪化を予見でき、従来の装置よりも早いタイミングで制御健全性を判断できる。また、制御入力ｕを微分値ｄａ／ｄｔに乗じて得られるので、制御入力ｕが小さくとも微分値ｄａ／ｄｔが大きくなると健全性指標Ｉが大きくなるので制御性の悪化を正確に判断し得る。以上より、本発明の制御健全性判断装置１は、より早く、正確に制御健全性の判断を行えるのである。さらに、アクチュエータＡとコントローラＣとの配線の誤りによってアクチュエータＡが逆向きに制御力を発生してしまうような場合にも制御が不健全であると判断できるので、初期配線ミスを検知できる。

また、本例の制御健全性判断装置１は、判断部３が健全性指標Ｉと閾値βとを比較して制御健全性を判断するので、より正確に制御健全性を判断できる。

さらに、本例の制御健全性判断装置１は、プラントＰの共振周波数帯の信号を抽出するバンドパスフィルタ３１を備え、加速度センサ２の出力をバンドパスフィルタ３１で処理するので、制御健全性の判断を高精度に行え、誤検知を効果的に防げる。

そして、本例の制御健全性判断装置１は、プラントＰが制振対象である車体Ｂと、車体Ｂに制御力を与えて車体Ｂの振動を抑制するアクチュエータＡとを備え、センサが車体Ｂの加速度ａを検知する加速度センサ２である。このように制御健全性判断装置１を構成すれば、鉄道車両の制振装置ＶＣの制御健全性の判断に最適となる。

なお、前述した判断部３は、単に健全性指標Ｉと閾値βとの比較により制御健全性を判断していたが、所定のサンプリング時間内において健全性指標Ｉが閾値β以上となる回数をカウントし、カウント数がカウント閾値γ以上となると制御健全性が不健全であると判断してもよい。このように制御健全性判断装置１が構成されると、外乱によって瞬間的に制御性の悪化と見受けられる事象が生じただけでは、制御健全性を不健全と判断しなくなる。よって、このように構成された制御健全性判断装置１は、より正確に制御健全性を判断できる。なお、サンプリング時間は、任意に設定でき、加速度ａのサンプリング周期が決まっているので加速度ａのデータの個数で設定してもよい。健全性指標Ｉが閾値β以上となる回数のカウントは、サンプリング時間毎に行ってもよいし、加速度ａのデータが得られる毎に最新のデータが得られた時刻から遡ってサンプリング時間内に得られたデータのうち閾値β以上となった回数をカウントしてもよい。

なお、本例では、制御健全性判断装置１を鉄道車両の車体Ｂの振動を抑制する制振装置ＶＣの制御健全性の判断に利用した形態を例にして説明したが、制御健全性判断装置１は、制振装置ＶＣ以外の制御装置の制御健全性の判断に利用可能である。

以上、本発明の好ましい実施の形態を詳細に説明したが、特許請求の範囲から逸脱しない限り、改造、変形、および変更が可能である。

１・・・制御健全性判断装置、２・・・加速度センサ（センサ）、３・・・判断部、３１・・・バンドバスフィルタ、Ｐ・・・プラント

Claims (4)

1. 制振対象と前記制振対象に制御力を与えて前記制振対象の振動を抑制するアクチュエータとを備えたプラントに対して入力される制御入力に対して前記制振対象の加速度を検知する加速度センサと、
   前記制御入力と前記加速度の微分値とを乗じて得た健全性指標に基づいて制御健全性を判断する判断部とを備えた
   ことを特徴とする制御健全性判断装置。
2. 前記判断部は、前記健全性指標と閾値とを比較して前記制御健全性を判断する
   ことを特徴とする請求項１に記載の制御健全性判断装置。
3. 前記判断部は、所定のサンプリング時間内において前記健全性指標が前記閾値以上となる回数をカウントし、カウント数がカウント閾値以上となると前記制御健全性が不健全であると判断する
   ことを特徴とする請求項２に記載の制御健全性判断装置。
4. 前記プラントの共振周波数帯の信号を抽出するバンドバスフィルタを備え、
   前記センサの出力を前記バンドパスフィルタで処理する
   ことを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の制御健全性判断装置。