JPH04287764A - Vibration control device for railroad car - Google Patents

Vibration control device for railroad car

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Publication number
JPH04287764A
JPH04287764A JP7676891A JP7676891A JPH04287764A JP H04287764 A JPH04287764 A JP H04287764A JP 7676891 A JP7676891 A JP 7676891A JP 7676891 A JP7676891 A JP 7676891A JP H04287764 A JPH04287764 A JP H04287764A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
vibration
control
vehicle body
acceleration
state
Prior art date
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Pending
Application number
JP7676891A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Tomoshi Koizumi
小泉 智志
Osamu Torii
鳥居 修
Koichiro Ishihara
広一郎 石原
Toshiaki Hirata
平田 都史彰
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Nippon Steel Corp
Original Assignee
Sumitomo Metal Industries Ltd
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Filing date
Publication date
Application filed by Sumitomo Metal Industries Ltd filed Critical Sumitomo Metal Industries Ltd
Priority to JP7676891A priority Critical patent/JPH04287764A/en
Publication of JPH04287764A publication Critical patent/JPH04287764A/en
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Abstract

PURPOSE:To improve the riding comfortableness in all frequency areas of vibration. CONSTITUTION:In a vibration control device provided with a double acting pneumatic cylinder 14 serving as a fluid operating system in parallel with an air spring 13 supporting a car body 12, having an acceleration detector 17 detecting the vibration of the car body 12 and a multi-variable digital controller 18 controlling the control input to a control valve 19 from the output of the detector 18, and controlling the pressure of the double acting pneumatic cylinder 14 via the control valve 19, the vibration acceleration of the car body 12 is used for the state variable indicating the internal state of the control subject in designing the multi-variable digital controller 18 by the modern control theory.

Description

【発明の詳細な説明】[Detailed description of the invention]

【0001】0001

【産業上の利用分野】この発明は、すべての周波数域で
乗り心地の改善を図った鉄道車両の振動制御装置に関す
る。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a vibration control system for a railway vehicle that improves ride comfort in all frequency ranges.

【0002】0002

【従来の技術】鉄道車両の車体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せてア
クチュエータを設置し、該車体の振動に対し逆位相の制
御力を発生させるのが一般的である。
[Prior Art] As a method of suppressing vibrations generated in the car body of a railway vehicle, an actuator is installed between the car body and the bogie in accordance with the vibration direction, and a control force in the opposite phase is generated in response to the vibration of the car body. is common.

【0003】従来の振動制御は、ばねと減衰力発生機構
とにより構成され、減衰力発生機構としては空気ばねや
オイルダンパの絞り等が用いられていた。そして、低周
波域でのばねと車体質量による固有振動数での振動を押
えつつ、高周波域での振動も低減させるため減衰力発生
機構の絞りを決定していた。
Conventional vibration control is comprised of a spring and a damping force generating mechanism, and an air spring, a throttle of an oil damper, or the like has been used as the damping force generating mechanism. The aperture of the damping force generation mechanism was determined in order to suppress vibrations at the natural frequency caused by the springs and vehicle mass in the low frequency range, while also reducing vibrations in the high frequency range.

【0004】しかし、減衰力を大きくすると、振動抑制
は低周波域では改善されるものの、高周波域では悪化し
、減衰力を小さくすると、振動抑制は高周波域では改善
されるものの、低周波域では悪化してしまい、低周波域
と高周波域を同時に改善させることは困難であった。
However, when the damping force is increased, vibration suppression is improved in the low frequency range, but deteriorates in the high frequency range, and when the damping force is decreased, vibration suppression is improved in the high frequency range, but deteriorates in the low frequency range. It has been difficult to improve both the low frequency range and the high frequency range at the same time.

【0005】また、改良された鉄道車両の振動制御装置
としては、特開昭56−17754号公報の「車両の振
動制御装置」等が知られている。その構成は、図6に示
すように、車体1を支持するばね2と並列に設置された
複動形空気圧シリンダ3を空気圧サーボ弁5で駆動する
方式となっており、該空気圧サーボ弁5への制御入力は
、前記車体1に設置された加速度検知計6の出力を用い
て、積分、一次進み、一次遅れおよびゲイン要素から構
成される数1あるいは数2の形のアナログ補償回路7に
て決定される。図中の4は台車、8は空気源を示す。
[0005] Further, as an improved vibration control device for a railway vehicle, ``Vibration control device for a vehicle'' disclosed in Japanese Unexamined Patent Publication No. 17754/1984 is known. As shown in FIG. 6, its configuration is such that a double-acting pneumatic cylinder 3 installed in parallel with a spring 2 that supports the vehicle body 1 is driven by a pneumatic servo valve 5. The control input is provided by an analog compensation circuit 7 in the form of Equation 1 or Equation 2 consisting of an integral, a first-order lead, a first-order lag, and a gain element using the output of an acceleration detector 6 installed in the vehicle body 1. It is determined. In the figure, 4 indicates a truck, and 8 indicates an air source.

【0006】[0006]

【数1】[Math 1]

【0007】[0007]

【数2】[Math 2]

【0008】[0008]

【発明が解決しようとする課題】鉄道車両の振動制御装
置においては、内部状態を示す状態変数は必ずしもすべ
てを実測する必要はないか、あるいは不可能である。そ
こで、通常は状態推定器を用いて状態変数を推定してい
る。
SUMMARY OF THE INVENTION In a vibration control system for a railway vehicle, it is not necessarily necessary or possible to actually measure all of the state variables indicating the internal state. Therefore, state variables are usually estimated using a state estimator.

【0009】鉄道車両の振動制御について、図7により
単純な上下1自由度系モデルで説明する。図中のmはば
ね上質量、kは質量mを支えるばねのばね定数、uはア
クチュエータより発生する制御力、Zは質量mの上下変
位、Z0はばねの下から受ける外乱変位である。このモ
デルの運動方程式は、数3に示すようになり、状態方程
式では数4に示すとおりとなり、状態変数は振動速度◆
Z、振動変数ΔZ(ΔZ=Z−Z0)の2つとなる。
Vibration control of a railway vehicle will be explained using a simple one-degree-of-freedom model in FIG. 7. In the figure, m is the sprung mass, k is the spring constant of the spring that supports the mass m, u is the control force generated by the actuator, Z is the vertical displacement of the mass m, and Z0 is the disturbance displacement received from below the spring. The equation of motion of this model is as shown in Equation 3, and the equation of state is as shown in Equation 4, where the state variable is the vibration velocity ◆
Z and vibration variable ΔZ (ΔZ=Z−Z0).

【0010】0010

【数3】[Math 3]

【0011】[0011]

【数4】[Math 4]

【0012】一方、フィードバックゲインを決めるため
の、最適レギュレータ理論では、乗り心地の改善のため
、その評価関数Jは数5に示すように振動加速度をもっ
た形とすることが多く、振動加速度を乗り心地の評価指
数とすることが多い車両の振動制御装置において効果の
あることが知られている。
On the other hand, in the optimal regulator theory for determining feedback gain, in order to improve riding comfort, the evaluation function J is often set to have a vibration acceleration as shown in Equation 5. It is known to be effective in vibration control devices for vehicles, which are often used as an evaluation index for ride comfort.

【0013】[0013]

【数5】[Math 5]

【0014】ここで評価関数Jの中の評価指標である¨
Z、◆Z、ΔZなどは、ここでいう状態変数◆Z、ΔZ
より求めることができる。すなわち、¨Zについては次
に示す数6で求められる。
Here is the evaluation index in the evaluation function J.
Z, ◆Z, ΔZ, etc. are the state variables ◆Z, ΔZ
You can ask for more. That is, ¨Z can be found using Equation 6 shown below.

【0015】[0015]

【数6】[Math 6]

【0016】一方、これらの内部状態を示す状態変数は
、必ずしもすべての実測する必要はないか、あるいは実
測不可能である。そこで、通常は、状態推定器を用いて
状態変数を推定することになる。例えば、¨Z、ΔZの
2つの状態量のみを実測したとすると、[◆Z、ΔZ]
は¨ZとΔZより状態推定器により求められる。そして
、¨Zはこの状態変数[◆Z、ΔZ]より求められるの
で、実際に¨Zを実測しているにもかかわらず、他の推
定した状態変数よりこれを求めるため、状態推定器の性
質によっては計算値と実測値の間に大きな差が生じる。 これにより、振動加速度¨Zを低減することに目標をお
く車両の振動制御において、振動制御の効果を減退させ
る恐れがある。
On the other hand, it is not always necessary to actually measure all of the state variables indicating these internal states, or it is impossible to actually measure them. Therefore, normally a state estimator is used to estimate the state variables. For example, if only two state quantities ¨Z and ΔZ are actually measured, [◆Z, ΔZ]
is determined by the state estimator from ¨Z and ΔZ. Since ¨Z is found from this state variable [◆Z, ΔZ], even though ¨Z is actually measured, it is found from other estimated state variables, so the property of the state estimator is In some cases, there may be a large difference between the calculated value and the measured value. This may reduce the effectiveness of vibration control in vehicle vibration control whose goal is to reduce vibration acceleration ¨Z.

【0017】この発明は、車体の静荷重を支持するばね
に、流体作動機構を並設した装置において、制御器の状
態変数に車体の振動加速度を加味して制御を行なうこと
により、すべての周波数域で乗り心地を改善できる鉄道
車両の振動制御装置を提供するものである。
[0017] The present invention provides a device in which a fluid actuation mechanism is installed in parallel with a spring that supports the static load of a vehicle body, and by performing control by adding the vibration acceleration of the vehicle body to the state variables of the controller, all frequencies can be controlled. The purpose of the present invention is to provide a vibration control device for a railway vehicle that can improve ride comfort in the area.

【0018】[0018]

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
、この発明の鉄道車両の振動制御装置は、車体の静荷重
を支持する空気ばねに流体作動機構を並設し、該流体作
動機構に供給される流体を制御するための制御弁、車体
の振動を検知するための検知計および該検知計の出力か
ら前記制御弁への制御入力を決定する制御器からなる装
置において、現代制御理論による多変数ディジタル制御
器の設計に際し、制御対象の内部状態を示す状態変数に
車両の乗り心地の指標である車体の振動加速度を加味す
る。
[Means for Solving the Problems] In order to achieve the above-mentioned object, the vibration control device for a railway vehicle of the present invention includes a fluid actuating mechanism installed in parallel with an air spring that supports the static load of a car body, and A device comprising a control valve for controlling supplied fluid, a detector for detecting vibration of the vehicle body, and a controller for determining control input to the control valve from the output of the detector, according to modern control theory. When designing a multivariable digital controller, we add the vibration acceleration of the vehicle body, which is an index of vehicle ride comfort, to the state variables that indicate the internal state of the controlled object.

【0019】[0019]

【作用】図7に示す単純な上下1自由度系の運動方程式
を数3の形にすると、状態方程式は数4に示すようにな
り、フィードバックする状態変数に振動加速度¨Zを含
むことになる。そのため、通常図5に示すように制御対
象9からの実測値に対し、状態推定器10を通して振動
加速度を含む状態変数21を推定し、フィードバックゲ
イン11によってフィードバックしていたが、この発明
によれば、図4に示すように、振動加速度は状態推定器
10を経由せずに、実測値によって状態変数21を構成
しフィードバックゲイン11によってフィードバックル
ープを形成できるようになる。その結果、振動加速度に
敏感で、良好な乗り心地が得られる。
[Operation] When the equation of motion of the simple one-degree-of-freedom system shown in Fig. 7 is converted to the form of equation 3, the state equation becomes as shown in equation 4, and the state variable to be fed back includes the vibration acceleration ¨Z. . Therefore, normally, as shown in FIG. 5, a state variable 21 including vibration acceleration is estimated using a state estimator 10 based on the actual measurement value from a controlled object 9, and the state variable 21 is fed back using a feedback gain 11. However, according to the present invention, , as shown in FIG. 4, the vibration acceleration constitutes the state variable 21 based on the actually measured value without passing through the state estimator 10, and a feedback loop can be formed using the feedback gain 11. As a result, it is sensitive to vibration acceleration and provides good ride comfort.

【0020】[0020]

【実施例】この発明の実施例を図面に基いて説明する。 図1は、この発明による振動制御装置を有する車両の説
明図である。車体12は空気ばね13により台車16に
支持されており、車体12と台車16の間には流体作動
機構としての複動式空気圧シリンダ14と減衰力発生機
構としてのオイルダンパ15が設置される。そして、車
体12には車体振動を検知する検知計としての加速度検
知計17を設ける。上記複動式空気圧シリンダ14への
空気の供給は制御弁19を介して行なわれるが、加速度
検知計17で検知した車体振動の検知信号を多変数ディ
ジタル制御器18に入力して、ここで制御量を計算し空
気源20から送られる空気を制御弁19で制御して供給
するように構成される。
[Embodiment] An embodiment of the present invention will be explained based on the drawings. FIG. 1 is an explanatory diagram of a vehicle having a vibration control device according to the present invention. The vehicle body 12 is supported by a truck 16 by an air spring 13, and a double-acting pneumatic cylinder 14 as a fluid operating mechanism and an oil damper 15 as a damping force generating mechanism are installed between the vehicle body 12 and the truck 16. The vehicle body 12 is provided with an acceleration detector 17 as a detector for detecting vehicle body vibration. Air is supplied to the double-acting pneumatic cylinder 14 via a control valve 19, and a detection signal of vehicle body vibration detected by an acceleration sensor 17 is input to a multivariable digital controller 18, which controls the air. It is configured to calculate the amount of air sent from the air source 20 and to control and supply the air sent from the air source 20 by the control valve 19.

【0021】上記多変数ディジタル制御器18は、内部
状態を示す状態変数中に車体の振動加速度をもち、状態
推定器を通さず実測した振動加速度にフィードバックゲ
インをかけてフィードバックループを形成している。
The multivariable digital controller 18 has the vibration acceleration of the vehicle body in a state variable indicating the internal state, and forms a feedback loop by multiplying the vibration acceleration actually measured without passing through a state estimator by a feedback gain. .

【0022】上記装置において、加速度検知計17で車
体の振動を検知し、制御器18で制御量を計算して、空
気源20から送られる空気を制御弁19で制御すること
により、空気圧シリンダ14に力を発生させるとともに
、加速度検知計17で検知した加速度の大きさや振動数
によって車体の振動を抑制できる。
In the above device, the vibration of the vehicle body is detected by the acceleration sensor 17, the control amount is calculated by the controller 18, and the air sent from the air source 20 is controlled by the control valve 19. In addition to generating force, vibrations of the vehicle body can be suppressed based on the magnitude and frequency of acceleration detected by the acceleration sensor 17.

【0023】この発明の実施前後における車体振動加速
度比すなわち実際の振動加速度に対する状態推定器を通
した計算値による振動加速度比を図2に示す。図により
車体振動加速度比は0.83〜0.98と大きく変動し
ていることがわかる。
FIG. 2 shows the vehicle body vibration acceleration ratio before and after implementing the present invention, that is, the vibration acceleration ratio based on the calculated value through the state estimator with respect to the actual vibration acceleration. The figure shows that the vehicle body vibration acceleration ratio varies greatly from 0.83 to 0.98.

【0024】この発明の実施によれば、車体の振動加速
度は状態推定器を通して計算値として求めることなく、
実測した振動加速度にフィードバックゲインをかけてフ
ィードバックループガ構成されるため、周波数応答性は
著しく改善される。その結果を図3に示す。図中のg0
は制御なしの場合、g1は状態変数に振動加速度を含ま
ない場合、g2はこの発明の実施により状態変数に振動
加速度を含めた場合である。図よりこの発明による場合
(g2)は広い周波数域で振動が低減されており、その
結果良好な乗り心地が得られていることがわかる。
According to the implementation of the present invention, the vibration acceleration of the vehicle body is not determined as a calculated value through a state estimator;
Since a feedback loop is constructed by multiplying the actually measured vibration acceleration by a feedback gain, the frequency response is significantly improved. The results are shown in FIG. g0 in the diagram
is the case without control, g1 is the case where the state variable does not include vibration acceleration, and g2 is the case where the state variable includes vibration acceleration according to the implementation of the present invention. From the figure, it can be seen that in the case (g2) according to the present invention, vibrations are reduced in a wide frequency range, and as a result, good ride comfort is obtained.

【0025】[0025]

【発明の効果】鉄道車両の振動制御装置において、車両
振動の多変数ディジタル制御器の状態変数に車体の振動
加速度を入れることにより、振動加速度により敏感で良
好な乗り心地が得られる制御を行なうことができる。
[Effects of the Invention] In a vibration control device for a railway vehicle, by including the vibration acceleration of the vehicle body in the state variable of a multivariable digital controller for vehicle vibration, control is performed that is more sensitive to vibration acceleration and provides better ride comfort. Can be done.

【図面の簡単な説明】[Brief explanation of the drawing]

【図1】この発明の実施による鉄道車両の振動制御装置
の一例を示す説明図である。
FIG. 1 is an explanatory diagram showing an example of a vibration control device for a railway vehicle according to an embodiment of the present invention.

【図2】この発明実施前後の振動加速度比を示すグラフ
である。
FIG. 2 is a graph showing the vibration acceleration ratio before and after implementation of the present invention.

【図3】車両の振動制御装置における周波数応答ゲイン
特性を示すグラフである。
FIG. 3 is a graph showing frequency response gain characteristics in a vehicle vibration control device.

【図4】この発明の実施により状態変数に振動加速度を
持つ制御器の構成を示す説明図である。
FIG. 4 is an explanatory diagram showing the configuration of a controller having vibration acceleration as a state variable according to the embodiment of the present invention.

【図5】状態変数に振動加速度を持たない制御器の構成
を示す説明図である。
FIG. 5 is an explanatory diagram showing the configuration of a controller that does not have vibration acceleration as a state variable.

【図6】従来の鉄道車両の振動制御装置の一例を示す説
明図である。
FIG. 6 is an explanatory diagram showing an example of a conventional vibration control device for a railway vehicle.

【図7】単純な上下1自由度振動モデルの説明図である
FIG. 7 is an explanatory diagram of a simple vertical vibration model with one degree of freedom.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1、12  車体 2  ばね 3、14  複動形空気圧シリンダ 4、16  台車 5  空気圧サーボ弁 6、17  加速度検知計 7  アナログ補償回路 8、20  空気源 9  制御対象 10  状態推定器 11  フィードバックゲイン 13  空気ばね 15  オイルダンパ 18  制御器 19  制御弁 21  状態変数 1, 12 Vehicle body 2 Spring 3, 14 Double acting pneumatic cylinder 4, 16 Trolley 5 Pneumatic servo valve 6, 17 Acceleration detector 7 Analog compensation circuit 8, 20 Air source 9 Controlled object 10 State estimator 11 Feedback gain 13 Air spring 15 Oil damper 18 Controller 19 Control valve 21. State variables

Claims (1)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】  車体の静荷重を支持する空気ばねに流
体作動機構を並設し、該流体作動機構に供給される流体
を制御するための制御弁、車体の振動を検知するための
検知計および該検知計の出力から前記制御弁への制御入
力を決定する制御器からなる装置において、現代制御理
論による多変数ディジタル制御器の設計に際し、制御対
象の内部状態を示す状態変数に、車両の乗り心地の指標
である車体の振動加速度を用いることを特徴とする鉄道
車両の振動制御装置。
1. A fluid operating mechanism is provided in parallel with an air spring that supports the static load of a vehicle body, a control valve for controlling fluid supplied to the fluid operating mechanism, and a detection meter for detecting vibrations of the vehicle body. In a device consisting of a controller that determines the control input to the control valve from the output of the detector, when designing a multivariable digital controller based on modern control theory, the state variable indicating the internal state of the controlled object is A vibration control device for a railway vehicle characterized by using vibration acceleration of a vehicle body as an index of ride comfort.
JP7676891A 1991-03-15 1991-03-15 Vibration control device for railroad car Pending JPH04287764A (en)

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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR100523567B1 (en) * 2002-07-18 2005-10-24 한국기계연구원 Horizontal Load Tester for Air Spring
JP2006327529A (en) * 2005-05-30 2006-12-07 Kawasaki Heavy Ind Ltd Vehicle body vibration control device and vehicle body vibration control method

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