JPH06106946A - 能動制振制御器の設計装置 - Google Patents

能動制振制御器の設計装置

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JPH06106946A
JPH06106946A JP25624492A JP25624492A JPH06106946A JP H06106946 A JPH06106946 A JP H06106946A JP 25624492 A JP25624492 A JP 25624492A JP 25624492 A JP25624492 A JP 25624492A JP H06106946 A JPH06106946 A JP H06106946A
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JP
Japan
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equation
vibration
weight matrix
matrix
state
Prior art date
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Withdrawn
Application number
JP25624492A
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English (en)
Inventor
Takaharu Hiroe
隆治 広江
Keizo Onishi
慶三 大西
Tetsuya Onishi
哲也 大西
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Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Original Assignee
Mitsubishi Heavy Industries Ltd
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Publication date
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 設計に要する時間を大幅に削減し得る能動制
振制御器の設計装置を提供する。 【構成】 制御対象の状態方程式の状態量ベクトル及び
操作量ベクトルの係数となるA,B行列に基づき振動伝
達率の周波数特性を得るためのC,D行列を振動伝達率
指定手段2で演算し、C,D行列に基づき重み行列計算
手段3により重み行列Q,N,Rを求めて従来試行錯誤
により求めていた重み行列を自動的に求めて最適ゲイン
を容易に求め得るようにしたものである。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は能動制振制御器の設計装
置に関し、特に自動車、鉄道等の輸送機器の客室の能動
制振制御器の設計装置として有用なものである。
【0002】
【従来の技術】自動車や鉄道等の輸送機器では、バネや
ダンパにより構成されるサスペンション機構により、路
面の凹凸により生じる振動の客室への伝播を抑制してい
る。
【0003】一方、最近の制御技術の進歩により、サス
ペンション機構にアクチュエータを取り付け、路面の振
動の客室への伝播を従来より大幅に低減することを目的
とした能動制御サスペンションが実現できる様になっ
た。
【0004】この種の能動制御サスペンションについて
簡単に説明する。図2は、輸送機器の鉛直方向の運動を
示している。説明の簡単のために、実際には複数存在す
る車輪12を1つで代表させている。能動制御サスペン
ション14は客室9と車輪12の間に介在され、路面1
3の凹凸が客室9に伝播するのを防ぐ役割を果たす。能
動制御サスペンション14はバネ11とアクチュエータ
10および能動制振制御器17から構成される。バネ1
1には、ダンパも利用されることが多いが、説明の簡単
のため省略している。
【0005】かかる制振制御系において路面13の振動
が客室9に伝播すると、客室9に取り付けられた加速セ
ンサ15が加速度16を検知する。能動制振制御器17
は、前記加速度16から客室9の振動抑制のための力指
令18を発信する。アクチュエータ10は前記力指令1
8に応じて制振力を発生し、客室9の振動を抑制する。
【0006】能動制御サスペンション14においては、
客室9の振動抑制は主に能動制振制御器17に依存する
ので、能動制振制御器17は、能動制御サスペンション
14にとって極めて重要である。
【0007】ここで、従来技術に係る能動制振制御器1
7の設計装置を図3に基づき説明する。自動車や鉄道等
の重量は乗客の人数により大きく変動する。能動制御サ
スペンション14に重要なのは、まず第1に「重量変化
によらず良好な振動抑制効果が得られること」である。
最適レギュレータを利用した制御装置は、一般にロバス
ト安定性があることが知られている。ロバスト安定性と
は制御対象の特性が制御系設計時に想定した特性から変
動しても良好な制御性能が得られるという性質である。
したがって、最適レギュレータを能動制振制御器17に
応用すれば、乗客数が変動し客室の重量が変動しても、
良好な振動抑制効果を得ることができるので、最適レギ
ュレータは能動制振制御器17に応用されることが多
い。
【0008】図3に示すように、状態方程式入力手段1
は、制御対象である客室9の振動を記述する微分方程式
を入力するための手段である。一般に制御対象は次の状
態方程式でその動特性を記述することができる。
【0009】
【数1】
【0010】状態方程式入力手段1ではA,B行列が入
力される。一般に制御系においては、制御性能と必要な
操作量ベクトルUの大きさは互いに矛盾する。即ち、制
御性能を上げようとすれば、操作量ベクトルUは大きく
なり、逆に操作量ベクトルUを抑えようとすると、制御
性能が低下する。そこで、この2つを状態量ベクトルX
と操作量ベクトルUに関する2乗積分の形で評価し、制
御性能と操作量ベクトルUの大きさを、[数2]の評価
関数を最小化させることにより、トレードオフさせるの
が最適レギュレータである。
【0011】
【数2】
【0012】[数2]で添字Tは行列の転置を表す。ま
た、Q,N,Rは重み行列である。この重み行列Q,
N,Rは重み行列入力手段19により入力される。
【0013】[数2]の評価関数を最小にする操作量ベ
クトルUは、U(ベクトル)=−K RX(ベクトル)、
という状態量ベクトルXに最適ゲインKRを乗じること
により得られる。最適ゲイン計算手段4は重み行列Q,
N,RとA,B行列から最適ゲインKRをリカッチ方程
式の正定対称解に基づいて計算する。
【0014】
【発明が解決しようとする課題】上述の如き能動制振制
御器17の設計装置20により設計した最適レギュレー
タは、前述の様にロバスト安定性があり、これを能動制
振制御器17に応用すれば乗客数が変動しても良好な制
御性能が得られるという利点が得られる。しかし最適レ
ギュレータを制振制御器17に応用する場合には、藤田
等の日本機械学会論文集第56巻第523号C編628
頁記載の論文の如く重み行列Q,N,Rの選定方法に明
確な指針がないため、希望の制振性能を得るためには、
重み行列Q,N,Rを試行錯誤により変更して最適ゲイ
ンKRを何度も計算しなればならず、設計には多大の時
間を要するという問題があった。
【0015】本発明は、上記従来技術に鑑み、設計に要
する時間を大幅に削減し得る能動制振制御器の設計装置
を提供することを目的とする。
【0016】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成する本発
明の構成は、制御対象の状態方程式を入力して前記状態
方程式の状態量ベクトル及び操作量ベクトルの係数とな
る定数行列を出力する状態方程式入力手段と、振動発生
源から制御対象への振動伝達率の周波数特性を指定する
振動伝達率指定手段と、振動伝達率指定手段が指定した
周波数特性に基づき最適レギュレータ設計に用いる重み
行列を計算する重み行列計算手段と、前記定数行列及び
重み行列に基づいて最適レギュレータ理論により最適ゲ
インを計算する最適ゲイン計算手段とを具備したことを
特徴とする。
【0017】
【作用】上記構成の本発明によれば、状態方程式入力手
段は制御対象の状態方程式を入力し、定数行列を出力す
る。振動伝達率指定手段は前記定数行列を入力して振動
伝達率の周波数特性を指定する。重み行列計算手段は、
振動伝達率指定手段により指定された周波数特性により
最適レギュレータの評価関数の重み行列を計算する。最
適ゲイン計算手段は、前記定数行列と重み行列から最適
ゲインを計算する。
【0018】この様に本発明によれば、従来試行錯誤に
頼っていた重み行列の選定を試行錯誤に頼らずに行うこ
とができる。
【0019】
【実施例】以下、本発明の実施例を図面に基づき詳細に
説明する。
【0020】図1は本実施例に係る設計装置20の構成
を示すブロック図である。同図に示すように、振動伝達
率指定手段2は、状態方程式の状態量ベクトル及び操作
量ベクトルの係数となる定数行列であり、状態方程式入
力手段1から出力された制御対象の状態方程式を表す
A,B行列を入力し、重み行列Q,N,Rを計算するた
めのC(ベクトル;以下同じ),D(ベクトル;以下同
じ)行列を出力する。
【0021】C,D行列6の計算手順を図4を用いて説
明する。まず、ステップ21で客室9の路面13に対す
る相対変位Yを状態量ベクトルXを用いて表わすための
C行列を求める。次にステップ22において非干渉化指
数ηを計算する。ステップ23では希望する振動伝達率
の周波数特性をステップ22で計算したηに基づいて計
算する。振動伝達率とは、路面13の振動振幅に対する
客室9の振動振幅の比率である。
【0022】図5に振動伝達率G(s)の周波数特性の
概形を示す。振動制御を実施しないときには、共振周波
数付近において振動伝達率は急激に増大する。共振周波
数より高い周波数領域ではバネ11による緩衝効果によ
り振動伝達率は1.0以下になり、路面13の振動は客
室9に伝わり難くなる。逆に共振周波数より低い周波数
領域ではバネ11による緩衝効果が得られないため、振
動伝達率は1.0となり、客室9の振動振幅と路面13
の振動振幅は一致する。能動制御サスペンション14
は、主に制御を行わないときに見られる共振周波数付近
の振動伝達率のピークを図5において破線で示す様に取
り除くことを目的とするものである。
【0023】したがってステップ23において振動伝達
率G(s)の周波数特性が図5の破線の様な形になる様
にτjj=1,2,・・・,η)を実数部が複素数に指
定する。ステップ24では、τjj=1,2,・・・,
η)に基づいて漸化式によりC,D行列を求める。以上
が振動伝達率指定手段2の出力となるC,D行列の計算
手順である。
【0024】次に、C,D行列6から重み行列Q,N,
Rを計算する重み行列計算の手順を図6を用いて説明す
る。まず、ステップ25においてC行列から重み行列Q
を計算する。次にステップ26においてD行列から重み
行列Rを計算する。最後にC行列とD行列を用いて重み
行列Nを計算する。
【0025】重み行列Q,N,Rが求まると、最適ゲイ
ン計算手段4により最適ゲインを計算する。最適ゲイン
計算手段4は従来の技術と同一なので説明を略す。
【0026】最適レギュレータは状態量ベクトルXに最
適ゲインKRを乗じた操作量ベクトルUをフィードバッ
クする。したがって、状態量ベクトルXを全て計測する
必要がある。しかし、全状態量を観測するのはコストの
点で現実的でなく、多くの場合は客室9の加速度16の
みを利用して、能動制御サスペンション14は構成され
る。状態量ベクトルXの全てを観測することができない
場合でも、図7に示す様に状態推定器28を用いること
により、客室9の加速度16から状態量ベクトルXを推
定することができる。
【0027】図7に示すように、状態推定器28は制御
対象の数式モデルをもち、計測した客室9の加速度16
と数式モデルにより計算した加速度の誤差を数式モデル
にフィードバックする。以下において、図8および数式
により詳しく述べる。数式モデルは[数1]の状態方程
式と同一である。推定値を“∧”で表すと、推定のため
の数式モデルは次式[数3]となる。
【0028】
【数3】
【0029】数式モデルから計算する加速度の計算値を
次式[数4]で表すものとする。
【0030】
【数4】
【0031】ここでHは矛盾しない次元の定数行列であ
る。
【0032】[数3]の数式モデルが制御対象に完全に
一致しているならば[数3]のUに力指令を与えて微分
方程式を解くことにより状態量Xの推定値を得ることが
できる。しかし、完全な数式モデルを得ることは困難で
あり、数式モデルは必ず誤差がある。数式モデルに誤差
があるならば実際の計測データによりその誤差を補正す
るというのは自然な発想である。状態推定器28では、
実際に計測した加速度16と数式モデルににより[数
4]で求めた加速度の計算値30の差にKEを乗じてフ
ィードバックする。即ち[数3]は次の[数5]の様に
修正される。
【0033】
【数5】 ここでαは加速度16である。
【0034】実際の状態量Xとその推定値の誤差は次式
[数6]で求まる。
【0035】
【数6】
【0036】[数1],[数4],[数5],[数6]
より次式を得る。
【0037】
【数7】
【0038】上式[数7]はKEを適当に選ぶことによ
りeを任意の速さで0に近づけることができることを示
している。eが0になれば推定値は実際の状態量に一致
するので、完全な推定ができたことになる。以上の様に
して、状態推定器28は加速度16から状態量の推定値
29を精度良く算出する。
【0039】このようにして状態推定器28により推定
された状態量の推定値29を状態量Xとみなし、これに
最適ゲイン8を乗じることにより、加速度16を入力と
し力指令18を出力とする能動制振制御器17を構成す
る。
【0040】
【発明の効果】以上実施例とともに具体的に説明した様
に、本発明によれば希望の振動伝達率の周波数特性を与
える能動制御サスペンションに利用される能動制振制御
器を試行錯誤することなく設計することができるため、
設計に要する時間を大幅に短縮することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施例を示すブロック図である。
【図2】能動制御サスペンションを概念的に示す説明図
である。
【図3】従来技術を示すブロック図である。
【図4】前記実施例に係る振動伝達率指令手段の動作を
説明するためのフローチャートである。
【図5】振動伝達率の周波数特性を示す特性図である。
【図6】前記実施例に係る重み行列計算手段の動作を説
明するためのフローチャートである。
【図7】能動制振制御器のブロック図である。
【図8】状態推定器を示すブロック図である。
【符号の説明】
1 状態方程式入力手段 2 振動伝達率指定手段 3 重み行列計算手段 4 最適ゲイン計算手段

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 制御対象の状態方程式を入力して前記状
    態方程式の状態量ベクトル及び操作量ベクトルの係数と
    なる定数行列を出力する状態方程式入力手段と、 振動発生源から制御対象への振動伝達率の周波数特性を
    指定する振動伝達率指定手段と、 振動伝達率指定手段が指定した周波数特性に基づき最適
    レギュレータ設計に用いる重み行列を計算する重み行列
    計算手段と、 前記定数行列及び重み行列に基づいて最適レギュレータ
    理論により最適ゲインを計算する最適ゲイン計算手段と
    を具備したことを特徴とする能動制振制御器の設計装
    置。
JP25624492A 1992-09-25 1992-09-25 能動制振制御器の設計装置 Withdrawn JPH06106946A (ja)

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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2006323796A (ja) * 2005-05-20 2006-11-30 Naoto Fukushima システムの最適制御方法

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2006323796A (ja) * 2005-05-20 2006-11-30 Naoto Fukushima システムの最適制御方法
JP4529163B2 (ja) * 2005-05-20 2010-08-25 直人 福島 システムの最適制御方法

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Effective date: 19991130