JPH07309234A - 鉄道車両の車体傾斜制御装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 滑らかで、かつ小さな予見信号で傾斜角を目
標値に追従させると共に、目標傾斜角に対する定常偏差
を解消した鉄道車両の車体傾斜制御装置を提供する。 【構成】 車体と台車の間に車体１４の傾斜制御を目的
とした流体圧作動機構２を有する鉄道車両において、軌
道の曲線データを出力する曲線情報装置５と、車両の速
度検出装置６と、車体の目標傾斜角φ（ｋ＋ｊ）を出力
する目標傾斜角予見装置８と、車両の傾斜角検出装置４
と、積分器１１及びゲインＦ_eからなる定常偏差補償装
置１０と、ゲインＦ_fj及び加算器からなる予見フィード
フォワード制御装置９と、車両の内部状態を推定する状
態推定器１３と、ゲインＦ_b及び加算器で構成される状
態フィードバック制御装置１２で車体傾斜制御装置を構
成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、曲線路通過時に鉄道
車両の車体に発生する遠心力を抑制するのに適した鉄道
車両の車体傾斜制御装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】鉄道車両が曲線路を通過するとき遠心力
によって車体は外側に倒れようとする力が作用するの
で、乗客の乗り心地に悪影響を与える。そこで、曲線路
では外側レールを内側より高くして、いわゆるカントが
与えられ、車両を内側へ傾斜させて走行することにより
遠心力の発生を抑制している。しかし、曲線路に設ける
カント量には限度がある。そのため、高速度車両におい
ては、曲線路にカントを設けるだけでは遠心力を相殺で
きない。

【０００３】前記の問題を解決するため、車体と台車の
間に流体圧作動機構を設置して、車体を台車に対し更に
強制的に傾斜させる方法がある。この場合、遠心力を相
殺するのに必要な車体傾斜角φ〔ｒａｄ〕は下記１式で
得られる。

【０００４】

【数１】１式

【０００５】ただし、Ｖ ： 走行速度〔ｍ／ｓｅ
ｃ〕、ｇ ： 重力加速度〔ｍ／ｓｅｃ²〕、Ｒ ：
曲線半径〔ｍ〕、Ｃ ： カント量〔ｍ〕、Ｇ ： 軌
道間隔〔ｍ〕である。

【０００６】したがって、前記車体傾斜角φを目標値と
して、該目標値に車体傾斜角が遅れることなく追従する
ような制御装置を構成して前記流体圧作動機構を作動さ
せれば遠心力の相殺が達成できる。前記目的を達成する
ための車体傾斜制御装置の例として、特公昭６２−４３
８９６号「車体予見制御装置」の概要を図４に基づいて
説明する。

【０００７】曲線情報装置３０は、走行速度Ｖを検出す
る速度検出装置３１の出力を積算した走行距離を適当な
定点検知により補正した車両の走行位置を利用して、現
在の走行位置における曲線半径Ｒ及びカント量Ｃを予見
装置３２へ出力する。

【０００８】予見装置３２では、前記走行速度Ｖ、曲線
半径Ｒ及びカント量Ｃを用いて前記１式から車体の目標
傾斜角φ及びその微分値φ′を計算し、下記２式により
予見信号ｉを求める。

【０００９】２式 ｉ＝βφ′ ただし、βは予見ゲインである。

【００１０】前記２式で予見信号ｉを求める理由は、流
体圧作動機構２７の作動圧の変動をほとんど零と仮定す
れば、該流体圧作動機構２７は制御入力ｕに対して積分
特性を持つためである。図５に予見信号ｉの出力例を示
す。

【００１１】前記２式の予見信号ｉを制御入力ｕとして
制御弁２８に入力すれば、傾斜角θは目標傾斜角φに遅
れなく追従する。しかし、車両の特性変動や予見ゲイン
βの誤差等による傾斜角θの変動が考えられるので、傾
斜角検出装置２９で傾斜角θを検出し、フィードバック
装置３３で傾斜角偏差（φ−θ）にフィードバックゲイ
ンＫを乗じた値を予見信号ｉに加える。したがって、制
御入力ｕは下記３式で与えられる。

【００１２】３式 ｕ＝βφ′＋Ｋ（φ−θ）

【００１３】

【発明が解決しようとする課題】前記従来の車体傾斜制
御装置は、予見信号として目標傾斜角の微分値を用いて
いるため、緩和曲線の距離が短くなると予見信号が急峻
かつ過大となり、制御信号の飽和等による制御効果の低
下を生じる可能性がある。また、流体圧作動機構が積分
特性を持つことを仮定しているため、流体の圧縮性によ
り前記仮定が満たされない場合、特に空気圧作動機構を
用いた場合には目標傾斜角に対して定常偏差が発生す
る。

【００１４】この発明は、前記従来の車体傾斜制御装置
に見られる欠点を除くため、滑らかでかつ小さな予見信
号で制御できると共に、目標傾斜角に対する定常偏差の
問題等を解決した鉄道車両の車体傾斜制御装置を提供す
るものである。

【００１５】

【課題を解決するための手段】本発明者は、従来の車体
傾斜制御装置に見られる欠点を除くべく種々と考察し
た。その結果、走行速度が一定と仮定すれば、曲線情報
装置の曲線データを利用して目標傾斜角の未来値を求め
ることができる。したがって、目標傾斜角の現在値及び
未来値から予見信号を構成すれば、緩和曲線に入る前か
ら傾斜制御を開始することができ、滑らかでかつ小さな
予見信号で制御できるので、従来法に見られる制御効果
の低下を防止し、かつ制御のため消費するエネルギーも
低減することができる。

【００１６】また、制御装置に傾斜角の偏差を積分する
機能を追加すれば、目標傾斜角に対する定常偏差の問題
を解決できる。更に、傾斜角の偏差のフィードバックに
代わり制御対象となる車両の内部状態をフィードバック
する構成とすれば、より広範囲の特性変動に対応できる
ことを知り得た。この発明はこの知見に基づいて完成さ
れたものである。

【００１７】すなわち、この発明は、車体と台車の間に
車体の傾斜制御を目的とした流体圧作動機構を有する鉄
道車両において、該車両の現走行位置から一定時間先の
位置までの軌道の曲線データを出力する曲線情報装置
と、前記車両の走行速度を検出する速度検出装置と、前
記曲線データ及び走行速度を用いて前記車両の現走行位
置から一定時間先の位置までの車体の目標傾斜角を出力
する目標傾斜角予見装置と、前記車両の傾斜角を検出す
る傾斜角検出装置と、積分器及びゲインから構成され前
記目標傾斜角予見装置で得られた現走行位置での目標傾
斜角に対する前記傾斜角検出装置で得られた傾斜角の定
常偏差を補償する機能を有する定常偏差補償装置と、ゲ
イン及び加算器で構成され前記目標傾斜角予見装置で得
られた現走行位置から一定時間先の位置までの目標傾斜
角の線形和を出力する予見フィードフォワード制御装置
と、前記傾斜角検出装置で得られた傾斜角から前記車両
の内部状態を推定する状態推定器と、ゲイン及び加算器
で構成され車両の内部状態の線形和を出力する状態フィ
ードバック制御装置で構成した鉄道車両の車体傾斜制御
装置である。

【００１８】

【作用】この発明による鉄道車両の車体傾斜制御装置の
概要を図１に示す。先ず、曲線情報装置５で現時点での
曲線半径Ｒ（ｋ）とカント量Ｃ（ｋ）及び現時点からｊ
Δｔ秒後（Δｔは制御周期、ｊ＝１、２、…、Ｎ）の曲
線半径Ｒ（ｋ＋ｊ）とカント量Ｃ（ｋ＋ｊ）を出力す
る。

【００１９】次に、目標傾斜角予見装置８により、曲線
半径Ｒ（ｋ＋ｊ）、カント量Ｃ（ｋ＋ｊ）及び速度検出
装置６で検出された現時点での走行速度Ｖ（ｋ）を用い
て、目標傾斜角φ（ｋ＋ｊ）を下記４式で計算する。

【００２０】

【数２】４式

【００２１】予見フィードフォワード制御装置９では、
予見信号ｕ_f（ｋ）を下記５式に示す目標傾斜角φ（ｋ
＋ｊ）の線形和で求める。ここで、Ｆ_fjはフィードフォ
ワードゲインである。

【００２２】

【数３】５式

【００２３】定常偏差補償装置１０は積分器１１と定常
偏差補償ゲインＦ_eから構成され、現時点の傾斜目標値
φ（ｋ）と傾斜角検出装置４で検出した傾斜角θ（ｋ）
との偏差から定常偏差補償信号ｕ_e（ｋ）を下記６式で
求める。

【００２４】６式 ｕ_e（ｋ）＝ｕ_e（ｋ−１）＋Ｆ_e｛φ（ｋ）−θ
（ｋ）｝

【００２５】状態フィードバック制御装置１２では、ま
ず状態推定器１３で、車両１、流体圧作動機構２、制御
弁３、傾斜角検出装置４から構成されるｎ個の制御対象
の内部状態ｘ（ｋ）＝〔ｘ₁（ｋ）、ｘ₂（ｋ）、…、ｘ
_n（ｋ）〕^Tを傾斜角θ（ｋ）及び制御入力ｕ（ｋ）から
推定する。

【００２６】次に、状態フィードバック制御信号ｕ
_b（ｋ）を下記７式に示す内部状態の線形和で求める。
ここで、Ｆ_bは状態フィードバックゲインである。

【００２７】７式 ｕ_b（ｋ）＝Ｆ_bｘ（ｋ）

【００２８】以上により、制御弁３への制御入力ｕ
（ｋ）は予見信号ｕ_f（ｋ）、定常偏差補償信号ｕ
_e（ｋ）及び状態フィードバック制御信号ｕ_b（ｋ）の和
となる。なお、流体圧作動機構２としては、車体と台車
の間の左右側に設置されている支持装置に併設する形で
空気ばね、空気圧シリンダ、油圧シリンダ等が使用でき
る。また、空気ばねを流体圧作動機構として使用する場
合には、以下の実施例に示すように支持装置と兼用させ
ることも可能である。

【００２９】前記のごとく、この発明は予見フィードフ
ォワードにより、目標傾斜角の未来値を積極的に予見信
号に取り入れることができ、滑らかでかつ小さな予見信
号で傾斜角を目標値に追従させることができる。また、
定常偏差補償と状態フィードバックにより、車体傾斜機
構の積分特性が満足されない場合でも良好な追従性が得
られる。

【００３０】

【実施例】以下、添付図面に基づいて、この発明の鉄道
車両の車体制御装置を説明する。

【００３１】流体圧作動機構として、車体１４と台車１
５の間に設置され、車体１４を支持する空気ばね１６を
用い、各空気ばね１６に対設した比例流量制御弁１７を
通して給排気を行ない、当該空気ばね１６を伸縮させて
車体を傾斜させるように構成する。

【００３２】車両の走行速度の検出は、車軸に設置した
速度発電機１９で得られる速度パルスから速度カウンタ
２０で行なうように設ける。また、傾斜角の検出は、空
気ばね１６と並列に設置された高さセンサ１８で行なう
ように設ける。

【００３３】そして、前記速度カウンタ２０及び高さセ
ンサ１８の出力は、制御コンピュータ２１に入力し、こ
こで以下の演算が行なわれ、比例流量制御弁１７への制
御信号ｕ₁（ｋ）、ｕ₂（ｋ）が求められるように構成さ
れる。

【００３４】制御コンピュータ２１内では、まずＡ／Ｄ
変換装置２２でディジタル信号に変換される。傾斜角θ
（ｋ）は高さセンサ１８の出力ｈ₁（ｋ）及びｈ₂（ｋ）
から傾斜角演算器２３で下記８式により計算される。

【００３５】８式 θ（ｋ）＝｛ｈ₁（ｋ）−ｈ₂（ｋ）｝／ｂ ただし、ｂはセンサ間の水平距離である。

【００３６】前記４式〜７式の演算により得た予見信号
ｕ_f（ｋ）、定常偏差補償信号ｕ_e（ｋ）、状態フィード
バック制御信号ｕ_b（ｋ）から制御入力ｕ（ｋ）を求め
た後、制御入力分配装置２４で比例流量制御弁１７への
制御信号ｕ₁（ｋ）、ｕ₂（ｋ）を下記９式により求め
る。

【００３７】９式 ｕ₁（ｋ）＝ｕ（ｋ） ｕ₂（ｋ）＝−ｕ（ｋ）

【００３８】前記５式のフィードフォワードゲイン
Ｆ_fj、６式の定常偏差補償ゲインＦ_e及び７式の状態フ
ィードバックゲインＦ_bは、最適レギュレータ理論を応
用して次のようにして求める。

【００３９】まず、制御対象の動特性を下記１０式の状
態方程式で表す。

【００４０】１０式 ｘ（ｋ＋１）＝Ａｘ（ｋ）＋Ｂｕ（ｋ） θ（ｋ）＝Ｃｘ（ｋ）

【００４１】次に、内部状態ｘ（ｋ）及び制御入力ｕ
（ｋ）の差分Δｘ（ｋ）及びΔｕ（ｋ）、目標傾斜角φ
（ｋ）の差分Δφ（ｋ）、目標傾斜角φ（ｋ）に対する
傾斜角θ（ｋ）の偏差ｅ（ｋ）を下記１１式で定義す
る。

【００４２】１１式 Δｘ（ｋ）＝ｘ（ｋ）−ｘ（ｋ−１） Δｕ（ｋ）＝ｕ（ｋ）−ｕ（ｋ−１） Δφ（ｋ）＝φ（ｋ）−φ（ｋ−１） ｅ（ｋ）＝φ（ｋ）−θ（ｋ）

【００４３】前記１１式を用いて、新たな内部状態Ｘ
（ｋ）＝［ｅ（ｋ） Δｘ^T（ｋ）］^Tに関する下記１２
式の状態方程式を作成する。

【００４４】１２式 Ｘ（ｋ＋１）＝Ａ_xＸ（ｋ）＋Ｂ_xΔｕ（ｋ）＋Ｂ_RΔφ
（ｋ＋１）

【００４５】ここで、１２式に対するフィードバックと
して下記１３式を考え、更に１４式で示す２次形式の評
価関数Ｊを最小にするようなＦ_x及びＦ_R（ｊ）を求め
る。

【００４６】

【数４】１３式

【００４７】

【数５】１４式

【００４８】１４式のＱ及びＲは、適当な重みである。
また、前記Ｊを最小とするＦ_x及びＦ_R（ｊ）は下記１５
式で求められる。

【００４９】１５式 Ｆ_x ＝−（Ｒ＋Ｂ_x ^TＰＢ_x）^-1Ｂ_x ^TＰＡ_x Ｆ_R（ｊ）＝−（Ｒ＋Ｂ_x ^TＰＢ_x）^-1Ｂ_x ^T（Ａ_x＋Ｂ
_xＦ_x）^j-1ＰＢ_R ただし、行列Ｐは下記１６式のリッカチ方程式の解であ
る。

【００５０】１６式 Ｐ＝Ｑ＋Ａ_x ^TＰＡ_x−Ａ_x ^TＰＢ_x（Ｒ＋Ｂ_x ^TＰＢ_x）^-1Ｂ_x
^TＰＡ_x

【００５１】このとき、行列（Ａ_x＋Ｂ_xＦ_x）を安定行
列とできるので、ｋ→∞としたときＸ（ｋ）→０、すな
わちｅ（ｋ）→０及びΔｘ（ｋ）→０となり、定常偏差
の補償と制御対象の安定化が達成できる。

【００５２】更に、前記１２式を変形すると、制御入力
ｕ（ｋ）に関する下記１７式が得られるので、ゲインＦ
_fj、Ｆ_e及びＦ_bを下記１８式で与えればよい。

【００５３】

【数６】１７式

【００５４】１８式 Ｆ_fj=Ｆ_R（ｊ） （ｊ＝１、２、…、Ｎ）、 Ｆ_f0＝
０ Ｆ_e＝Ｆ_x1 Ｆ_b＝Ｆ_x2

【００５５】状態推定器１３の設計はオブザーバ理論に
基づいて行なう。すなわち、前記１０式で表現される制
御対象に基づき、下記１９式の形の状態推定器を構成す
る。

【００５６】１９式 ｘ（ｋ＋１）＝（Ａ−ＫＣ）ｘ（ｋ）＋Ｂｕ（ｋ）＋Ｋ
θ（ｋ）

【００５７】ここで、Ｋはオブザーバゲインであり、行
列（Ａ−ＫＣ）が安定行列となるように設定する。

【００５８】前記実施例による制御結果を従来技術と比
較して図３に示す。図（ａ）は従来技術を本発明の前記
実施例に適用した場合の目標傾斜角φ及び実際の傾斜角
θの変化を示し、また図（ｂ）は本発明の実施例におけ
る目標傾斜角φ及び実際の傾斜角θの変化を示し、更に
図（ｃ）は本発明の実施例（実線で示す）と従来技術
（破線で示す）との予見信号を比較して示すものであ
る。

【００５９】図（ａ）と図（ｂ）の目標傾斜角φ及び実
際の傾斜角θの変化を比較するに、従来技術では空気ば
ねの圧縮性の影響を受け傾斜角θに定常偏差が残ってい
るが、本発明では定常偏差がなく目標傾斜角φに追従し
ていることがわかる。また、図（ｃ）の予見信号を見る
に、本発明では緩和曲線に入る前から信号が立ち上が
り、従来技術による信号に比べ滑らかで、かつ小さいこ
とがわかる。

【００６０】

【発明の効果】この発明は以上説明したごとく、予見フ
ィードフォワードにより目標傾斜角の未来値を積極的に
予見信号に取り入れることができ、従来技術に比べ滑ら
かで、かつ小さな予見信号で傾斜角を目標値に追従させ
ることができる。また、定常偏差補償と状態フィードバ
ックにより、車体傾斜機構の積分特性が満足されない場
合でも良好な追従性が得られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明による鉄道車両の車体傾斜制御装置の
概要を示すブロック図である。

【図２】この発明の実施例における鉄道車両の車体傾斜
制御装置の概要を示す説明図である。

【図３】この発明の実施例における曲線路での制御結果
を従来技術と比較して示すグラフで、図（ａ）は従来技
術を本発明の実施例に実施した場合の目標傾斜角φ及び
実際の傾斜角θの変化を示し、図（ｂ）は本発明の実施
例における目標傾斜角φ及び実際の傾斜角θの変化を示
し、図（ｃ）は本発明の実施例（実線で示す）と従来技
術（破線で示す）との予見信号を比較して示す。

【図４】従来の鉄道車両の車体傾斜制御装置の一例にお
ける概要を示すブロック図である。

【図５】図４の従来の鉄道車両の車体傾斜制御装置にお
ける曲線路での制御結果を示すグラフで、図（ａ）は目
標傾斜角φの変化を示し、図（ｂ）は予見信号ｉの変化
を示す。

【符号の説明】

１ 車両 ２ 流体圧作動機構 ３ 制御弁 ４ 傾斜角検出装置 ５ 曲線情報装置 ６ 速度検出装置 ８ 目標傾斜角予見装置 ９ 予見フィードフォワード制御装置 １０ 定常偏差補償装置 １１ 積分器 １２ 状態フィードバック制御装置 １３ 状態推定器 １４ 車体 １５ 台車 １６ 空気ばね １７ 比例流量制御弁 １８ 高さセンサ １９ 速度発電機 ２０ 速度カウンタ ２１ 制御コンピュータ ２２ Ａ／Ｄ変換装置 ２３ 傾斜角演算器 ２４ 制御入力分配装置 ２５ Ｄ／Ａ変換装置 ２６ 車両 ２７ 流体圧作動機構 ２８ 制御弁 ２９ 傾斜角検出装置 ３０ 曲線情報装置 ３１ 速度検出装置 ３２ 予見装置 ３３ フィードバック装置

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 車体と台車の間に車体の傾斜制御を目的
   とした流体圧作動機構を有する鉄道車両において、該車
   両の現走行位置から一定時間先の位置までの軌道の曲線
   データを出力する曲線情報装置と、前記車両の走行速度
   を検出する速度検出装置と、前記曲線データ及び走行速
   度を用いて前記車両の現走行位置から一定時間先の位置
   までの車体の目標傾斜角を出力する目標傾斜角予見装置
   と、前記車両の傾斜角を検出する傾斜角検出装置と、積
   分器及びゲインから構成され前記目標傾斜角予見装置で
   得られた現走行位置での目標傾斜角に対する前記傾斜角
   検出装置で得られた傾斜角の定常偏差を補償する機能を
   有する定常偏差補償装置と、ゲイン及び加算器で構成さ
   れ前記目標傾斜角予見装置で得られた現走行位置から一
   定時間先の位置までの目標傾斜角の線形和を出力する予
   見フィードフォワード制御装置と、前記傾斜角検出装置
   で得られた傾斜角から前記車両の内部状態を推定する状
   態推定器と、ゲイン及び加算器で構成され車両の内部状
   態の線形和を出力する状態フィードバック制御装置で構
   成した鉄道車両の車体傾斜制御装置。