JPH10187236A - 動的システムの診断装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】路面の状態に係わらず高精度に故障やタイヤ空
気圧変動を診断する。 【解決手段】 動的システム10を制御入力ｕで制御する
と共に動的システムの内部状態量ｘと相関の無い励振信
号Δｕで動的システムを励振させる制御器12と、励振さ
れた動的システムの応答出力ｙに基づいて、動的システ
ム内の故障により発生する内部外乱ベクトル及び励振に
より動的システムで発生する励振外乱の和としての総合
的外乱ｗを推定するオブザーバ32と推定された総合的外
乱ｗと内部状態量ｘとの相互相関を演算し、総合的外乱
ｗから内部外乱ｘに関連する成分を分離する相関演算手
段34と、分離された内部外乱に関連する成分に基づいて
動的システム10の故障箇所の診断を行う診断手段36と、
から構成する。動的システム10を励振させるので、外部
外乱が小さいときでも応答出力ｙを大きくすることがで
き、これにより、故障やタイヤ空気圧変動を高精度に診
断できる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、動的システムの診
断装置に係り、特に、装置内に備えられた励振手段によ
り動的システムを励振させ、励振された動的システム内
の故障により発生した内部外乱に基づいて外部からの外
乱が小さいときでも高精度に動的システムの故障の診
断、タイヤ空気圧の診断、及びタイヤ回りの状態の診断
などを行うことを可能とした動的システムの診断装置に
関する。

【０００２】

【従来の技術】動的システムの診断装置として、特開平
７−９８２６８号公報には、以下のような技術が開示さ
れている。

【０００３】すなわち、上記公報に記載の技術は、動的
システムの応答出力ベクトルに基づいて、動的システム
の外部から作用する外部外乱ベクトル及び動的システム
内の故障により発生した内部外乱ベクトルの和としての
総合的外乱ベクトルを推定すると共に動的システムの内
部状態量ベクトルを推定し、この推定された総合的外乱
ベクトルと内部状態量ベクトルとの相互相関を演算する
ことにより総合的外乱ベクトルから内部外乱に関連する
成分を分離し、この分離された内部外乱に関連する成分
から動的システムの対応箇所を故障箇所としてシステム
の診断を行うというものである。

【０００４】この技術によれば、１つのオブザーバによ
り動的システムの診断箇所を特定すると同時に診断箇所
の故障の有無や故障量を推定することができるので、従
来の一般化尤度比較検定法のように複数箇所の診断を各
箇所に対応して設けられた多くのオブザーバを用いて行
う必要がなく、また少ない計算量で精度の良い故障検出
を行うことができるという利点がある。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記公
報記載の従来技術では、システム外部からの外乱に由来
する動的システムの応答出力に基づいて動的システムの
総合的外乱ベクトルを推定している。例えばサスペンシ
ョンと車輪で構成される動的システムでは凹凸のある路
面を走行する車輪に作用する外部外乱を入力として利用
している。従って、良路を走行する場合などのように外
部外乱による入力が小さい場合には応答出力が小さくな
るため、たとえ出力値を正規化したとしても量子化誤差
などにより故障の検出精度やタイヤ空気圧の推定精度が
低下する、という問題が生じる。

【０００６】また、上記従来技術では、外部外乱の一定
時間の平均値が零若しくは零に近い値をとる場合に総合
的外乱ベクトルから故障により発生した内部外乱ベクト
ルに関連した成分を高精度に分離できる。しかし、路面
の状況によっては、外部外乱の統計的性質が異なり、高
精度に内部外乱ベクトルを分離することができない場合
があるという問題がある。

【０００７】本発明は、上記事実に鑑みて成されたもの
で、外部外乱が小さい場合でも常に高精度で故障を検出
できると共に、路面の状態に係わらず常に高精度でタイ
ヤ空気圧やタイヤ回りの状態の診断が可能な動的システ
ムの診断装置を提供することを目的とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】

（１）動的システムの診断装置に関する発明 上記目的を達成するために請求項１の発明は、動的シス
テムの故障を検出する動的システムの診断装置におい
て、前記動的システムの内部状態量ベクトルと相関の無
い励振信号で前記動的システムを励振させる励振手段
と、少なくとも前記励振手段により励振された動的シス
テムの応答出力ベクトルに基づいて、動的システム内の
故障により発生する内部外乱ベクトル及び励振により動
的システムで発生する励振外乱ベクトルの和としての総
合的外乱ベクトルを推定する外乱推定手段と、推定され
た前記総合的外乱ベクトルと前記内部状態量ベクトルと
の相互相関を演算し、前記総合的外乱ベクトルから内部
外乱に関連する成分を分離する相関演算手段と、前記相
関演算手段により分離された内部外乱に関連する成分に
基づいて前記動的システムの故障箇所の診断を行う診断
手段と、を備えたことを特徴とする。

【０００９】ここにおいて、前記励振手段は、前記動的
システムの内部状態量ベクトルと相関の無い励振信号と
して、白色性信号（例えば、いわゆるＭ系列信号）又は
周波数をスイープした信号（低周波から高周波にスイー
プする）などを用いて前記動的システムを励振させるこ
とができる。

【００１０】図１には、本発明に係る動的システム診断
装置の１例としての構成が示されている。ここにおい
て、動的システムを励振させる励振器としての機能を兼
ね備えた制御器１２は、動的システム１０をある内部状
態に制御するための制御信号ｕと動的システム１０を励
振させるための励振信号Δｕとを加算した信号（ｕ＋Δ
ｕ）を制御入力１４として診断装置３０の診断対象とな
る動的システム１０へ入力する。

【００１１】この動的システム１０は、前記制御入力１
４に含まれる制御信号ｕに基づき内部状態が変化しこれ
により制御出力１６が変化すると共に、励振信号Δｕに
基づき、ある状態まで変化された内部状態の回りで励振
される。図１の例では、制御器１２は、この制御出力１
６をフィードバック信号として用い、動的システム１０
の制御を行う。

【００１２】また、制御器１２は制御出力１６が小さい
場合にΔｕによる励振制御を開始したりΔｕを大きくし
て動的システムの励振振幅を大きくする制御などを行う
ようにしても良い。逆に、外部外乱が大きいため制御出
力が十分に大きい場合には、制御器１２がΔｕによる励
振制御を停止させるようにしても良い。

【００１３】図１において、動的システム１０はｎ個の
内部状態量（すなわち、システムの次数はｎ）を有し、
上述した制御信号ｕは、ｍ個の要素から成るシステム１
０への制御入力ベクトル１４を表す。ｙは、システム１
０から出力されるｐ個の要素から成る制御出力ベクトル
１６を表している。またｄは、制御された内部状態の回
りに励振信号Δｕにより励振される動的システム１０の
励振外乱ベクトル１５を表している。

【００１４】ここにおいて、制御入力ベクトル１４がｍ
個の要素を持つため、通常では励振入力Δｕもまたｍ個
の要素を持つようシステムを構成するが、このように構
成した場合、励振外乱ベクトル１５の要素の個数もｍ個
となる。しかし、各故障箇所を全て高精度に検出するた
めには、励振外乱ベクトル１５が動的システム１０の内
部状態量ベクトルと同じ次数であるｎ個の要素を持つよ
うに励振器を構成した方が望ましい。

【００１５】このように励振器を構成することにより、
この励振外乱ベクトル１５は動的システム１０へ次数ｎ
の外部外乱が加わったときと同じ外乱作用を動的システ
ムにもたらし、外部外乱が小さいか又は全く無い場合に
も、動的システムの制御出力を大きくして高精度に各故
障箇所を検出することができる。

【００１６】また、本発明の診断装置３０は、外乱推定
手段３２と、相関演算手段３４と、診断手段３６とを含
み、動的システム１０の故障を内部外乱として検出する
ように構成されている。

【００１７】前記外乱推定手段３２は、少なくとも前記
動的システム１０の内部状態量ベクトル（動的システム
１０の内部の状態量を表す各要素から構成されるベクト
ル）に基づき、動的システム１０の励振外乱ベクトルｄ
および内部外乱ベクトルの和としての総合的外乱ベクト
ルｗを推定し、相関演算手段３４へ向け出力するように
構成されている。

【００１８】なお、図１では、動的システム１０の制御
出力ベクトルｙが外乱推定手段３２に入力される。そし
て、外乱推定手段３２は、制御出力ベクトルｙから動的
システム１０の内部状態量ベクトルｘを推定演算し、相
関演算手段３４へ向け出力している。このような推定演
算は、制御出力ベクトルｙに、内部状態量ベクトル量ｘ
の各要素を演算できる情報が含まれている場合に行われ
る。前述した内部状態量ベクトルｘの推定演算は、総合
的外乱ベクトルｗの推定と同時に行われる。具体的に
は、(4b)で示した総合的外乱ベクトルｗと状態量ｘとで
構成した新たな状態量を、従来の線形制御理論（例え
ば、古田、佐野著：「基礎システム理論」、コロナ社１
９７８，ｐｐ１２７−１３７）に基づいて演算して求め
る。

【００１９】また、制御出力ベクトルｙに含まれる情報
量が内部状態量ベクトルを推定するのに足りない場合に
は、必要に応じ動的システム１０の内部に内部状態量を
検出するセンサを設け、そのセンサ出力を外乱推定手段
３２へ入力するようにすればよい。

【００２０】また、動的システム１０の制御出力ベクト
ルｙまたは必要に応じ動的システム１０内に設けられた
内部状態量センサから、全ての内部状態量ベクトルｘの
情報が直接得られる場合には、内部状態量ｘを相関演算
手段３４へ向け直接出力するよう構成すればよい。

【００２１】相関演算手段３４は、推定された前記総合
的外乱ベクトルｗの各要素と、内部状態量ベクトルｘの
要素との相互相関を演算し、前記総合的外乱ベクトルｗ
の各要素から内部外乱に関連する成分を分離する。分離
された内部外乱に関連する成分は、診断手段３６へ向け
出力される。

【００２２】診断手段３６は、分離された内部外乱に関
連する成分から、前記動的システム１０の診断箇所を特
定し、その状態を求めるよう形成されている。

【００２３】ここにおいて、前記相関演算手段３４は、
総合的外乱ベクトルｗの複数の要素に対する相互相関を
演算し、総合的外乱ベクトルｗの複数の要素から内部外
乱に関連する成分を分離するよう形成することが好まし
い。

【００２４】このとき分離された内部外乱に関連する成
分の各要素は、動的システム１０内に発生する各故障箇
所に対応するものである。このため、診断手段３６は、
分離された内部外乱に関連する成分の各要素から、動的
システム１０内における故障の発生およびその故障箇所
を特定することができる。

【００２５】この場合には、診断手段３６は、あらかじ
め内部外乱に関連する成分の各要素に対応した故障検出
用基準値が記憶されたメモリ部４０と、分離された内部
外乱に関連する成分の要素と、対応する故障検出用基準
値とを比較し、前記動的システム１０の故障箇所を特定
する故障特定部３８と、を含むように形成することが好
ましい。

【００２６】なお、制御器１２が、動的システムの制御
を行わず、かつ制御出力１６に応じた励振制御を行わな
い場合には、故障診断装置を図２のように構成すること
ができる。すなわち、制御器１２の代わりに励振手段と
してのみ機能する励振器１３を置き、外乱推定手段３２
は、制御出力１６に基づいて総合的外乱ベクトルを推定
する。

【００２７】本発明は以上の構成からなり、次にその作
用を説明する。まず、外乱推定手段３２について説明す
る。

【００２８】診断対象となる動的システム１０に故障が
発生すると、診断対象の内部状態量は正常時とは異なる
応答を示す。この応答は、見方を変えれば、励振外乱を
入力として正常時の応答に、その故障に対応したある種
の外乱が加わったものであると考えることができる。こ
の外乱は、診断対象１０に外部から侵入したものではな
く、内部で発生したものである。外乱推定手段３２は、
故障によって生じたこの内部外乱を、励振外乱との和と
しての総合的外乱ｗとして推定する。

【００２９】この外乱推定手段３２の、外乱推定原理を
以下に説明する。なお、以下の説明では、外部外乱が励
振外乱と比べてきわめて小さいか或いは全く存在しない
場合を想定する。

【００３０】まず動的システム１０は、次の状態方程式
で表現されているものと仮定する。 ｘ （ｔ）＝Ａｘ（ｔ） ＋Ｂｕ（ｔ） ＋ｄ（ｔ） ｙ（ｔ） ＝Ｃｘ（ｔ） ・・・(1) ここで、ｘ（ｔ）は、診断対象となる動的システム１０
の内部状態量ベクトル、ｕ（ｔ）は制御入力ベクトル、
ｙ（ｔ）は制御出力ベクトルを示し、またｄ（ｔ）は外
部外乱を無視しているため、純粋に励振外乱ベクトルを
表している。また、行列Ａ、Ｂ、Ｃは診断対象の構造に
よって決まる定数行列（診断対象を構成するシステムの
パラメータ）である。

【００３１】なお、励振外乱ベクトルｄ（ｔ）は、次式
によって励振入力ベクトルΔｕ（ｔ）と関係付けられ
る。

【００３２】ｄ（ｔ） ＝ Ｂ・Δｕ（ｔ） そして、前記(1) 式は、次式で表されることになる。

【００３３】 故障時の診断対象１０は等価的に行列Ａ、Ｂの変動（パ
ラメータの変動）を用いて表現できる。すなわち、故障
に応じて、行列ＡはΔＡ（ｔ）、行列ＢはΔＢ（ｔ）だ
け変動したとすると、故障後の診断対象、すなわち故障
後の動的システム１０は、次のように書き表される。 ｘ(t)=Ax(t) ＋Bu(t) ＋｛ΔA(t)×(t) ＋ΔB(t)u(t)＋d(t)｝ =Ax(t) ＋Bu(t) ＋ Dw(t) ・・・(2) ただし、前記Ｄｗ（ｔ）は、次式で書き表される。

【００３４】 Dw(t) = ΔA(t)×(t) ＋ΔB(t)u(t)＋d(t) ・・・(3) ここで、行列Ｄは、故障によって外乱が診断対象１０の
どの経路に発生するかを表すもので、励振外乱の侵入経
路と想定した故障に対応して設定される。

【００３５】行列Ａ、Ｂが故障により変動した場合、励
振外乱ｄ（ｔ）は、正確には次式により与えられること
となる。

【００３６】 ｄ（ｔ） ＝ Ｂ・Δｕ（ｔ）＋ΔＢ・Δｕ（ｔ） すなわち、励振外乱ｄ（ｔ）には、故障により新たに発
生した成分ΔＢ・Δｕ（ｔ）が含まれるようになる。励
振外乱ｄ（ｔ）は、故障による影響と相関の無い方が診
断精度の点で望ましいので、制御出力ｙを所定値より小
さくしない範囲で可能な限り励振入力Δｕ（ｔ）をΔＢ
・Δｕ（ｔ）の項が無視できる位の微小励振とする。

【００３７】Δｕが観測できる場合は、ｕ＋Δｕをシス
テムの入力として扱えるので、励振入力が無視できる
程、微小である必要はない。この場合、ｄ（ｔ）は外部
外乱のみとなる。

【００３８】なお、前記(2) 式、(3) 式を一般的な行列
式で書き表すと次式のようになる。

【００３９】

【数１】

【００４０】このように、故障時の診断対象の状態ベク
トルの応答は、正常時の応答｛Ａｘ（ｔ）＋Ｂｕ
（ｔ）｝と、外乱｛Ｄｗ（ｔ）｝との和で表すことがで
きる。外乱推定手段３２は、この外乱Ｄｗ（ｔ）を推定
すべく構成されている。

【００４１】このときの外乱の推定は次のようにして行
われる。まず第１のステップでは、外乱ｗ（ｔ）を状態
に含めた診断対象１０の拡張系を構成する。そのために
ｗ（ｔ）に次の仮定を設け、ｗ（ｔ）を診断対象の状態
として追加する。 ｗ（ｔ）＝Ｏ ・・・(4) これにより、ｗ（ｔ）を状態に含めたシステムの拡張系
は、次式で書き表される。

【００４２】 そして、第２のステップで、前記(4b)式の状態〔ｘＴｗ
Ｔ〕Ｔを、従来の線形制御理論を用いて推定演算する。

【００４３】なお、前記(4) 式の仮定は、図５に示すよ
う、本来連続的に変化する外乱１００を、同図において
１１０で示すよう階段状に近似することを意味してい
る。この階段の幅は狭いほど近似の精度はよい。この幅
は、外乱推定手段３２の外乱推定時間に対応しており、
実施する上では推定時間は外乱の変化する速さに比べて
非常に短くすることができるので、この近似は充分実用
に耐えるものである。

【００４４】このように、外乱推定手段３２は、拡張し
た系が可観測であれば、診断対象の状態が全て測定でき
ない場合でも、測定できない状態を推定すると同時に故
障に対応する外乱を推定することができる。

【００４５】次に、相関演算手段３４について説明す
る。前述したように、外乱推定手段３２が推定した総合
的外乱ベクトルｗ（ｔ）は、診断対象１０の故障によっ
て生じる内部外乱と、正常、故障にかかわらず、励振に
より診断対象で発生する励振外乱ｄとが混在したものに
なっている。

【００４６】前記励振外乱ｄは内部状態量ベクトルと無
相関の信号により発生した振動であり、白色性信号など
を用いて動的システムを励振させたときには、一定時間
の平均をとるとその値が零になるという特徴を有する。
本発明では、前記励振外乱ｄのこの特徴に着目し、推定
された総合的外乱ｗ（ｔ）から、故障によって生じた内
部外乱に関連する成分（パラメータの変動成分ΔＡ、Δ
Ｂ）を分離するための演算を行う。このような演算の代
表的手法は最小自乗法である。

【００４７】まず、前記(3) 式から、次式を定義する。 θ^T = ［ΔA ΔB ］ , ζ^T = ［ x^T u^T ］ ・・・(5) そして、最小自乗法の手法を用い、Ｎ個のデータから、 を最小にする を求める。これは、上式を で偏微分した式を零とおいて求められ、次式で表され
る。

【００４８】 さらに、(7) 式を漸化式に直すと、

【００４９】次に、この様な相互相関の演算の具体例
を、ベクトルζの各要素との間に相関がない場合を例に
とり説明する。この場合には、総合的外乱ｗ（ｔ）と、
励振外乱に対し相関のない内部状態量ｘ（ｔ）との相関
関係を求めることで、総合的外乱ｗ（ｔ）から内部外乱
に関連する成分を分離することができる。

【００５０】例えば、外乱ベクトルｗ（ｔ）の推定値の
ｉ番目の要素を取り上げると、これは次式で表される。

【００５１】

【００５２】この(8) 式から明らかなように、推定され
た外乱のｉ番目の要素は、診断対象１０の故障を表す量
Δａｉｊと、内部状態量ベクトルｘ（ｔ）の各要素ｘ
１、ｘ２・・・との線形結合からなっている。

【００５３】そこで、推定外乱のｉ番目の要素から、そ
の故障量を取り出すために、推定外乱のｉ番目の要素と
診断対象１０の内部状態量との相互相関を取る。そのと
き、相互相関演算に用いられる診断対象の内部状態量
は、動的システム１０の内部に設けられたセンサ等で直
接測定された値を用いてもよく、前述したように外乱推
定手段３２によって推定された値を用いてもよい。

【００５４】まず、前記(8) 式に示す、推定外乱のｉ番
目の要素と、ｘのｊ番目の要素ｘｊとの相互相関関数を
求める場合を考える。このとき、前記相互相関関数は次
式で定義される。

【００５５】 なお、ここでは前述したように、励振外乱ベクトルｄ
（ｔ）の各要素と、内部状態量ベクトルｘの各要素との
間に相関はないものと仮定している。

【００５６】前記相互相関関数、自己相関関数は、次式
で表される。 この(9) 式における各値は、次式で表される。

【００５７】 なお、前記(8) 式を用いた演算は、内部状態量ｘｊがセ
ンサなどを用いて直接測定された場合を想定している。
これに対し、ｘｊが直接測定されない場合には、外乱推
定手段３２からの推定値を用いて相互相関関数を次式に
基づき求めればよい。

【００５８】

【００５９】 外乱推定手段３２は、故障、外部外乱及び励振外乱の有
無にかかわらず、診断対象の内部状態量ｘｊを誤差なく
推定することができるので、前記(10)式、(11)式のよう
な相関をとっても、内部状態を直接測定した場合とほと
んど変わらない結果を得ることができる。

【００６０】次に、診断手段３６について説明する。診
断手段３６は、相関演算手段３４により演算される内部
外乱に関連する成分である相関関数Ｃｉｊにより、故障
の発生の検出およびその故障箇所の特定を行う。すなわ
ち、相関Ｃｉｊを状態の自己相関ｖｘｊで割って正規化
することによりパラメータ変動Δａｊｉを検出すること
ができる。整理すると、 となる。上式は平均値を零とすれば、(7) 式においてベ
クトルζの各要素間に相関がないと仮定した場合と等し
い。

【００６１】例えば、診断対象となる動的システム１０
の構成要素に、構成要素Ｉと構成要素IIとがあり、構成
要素Ｉを表現するパラメータが前記状態方程式の(1) 式
で表現された動的システムのＡ行列の１行１列目にあ
り、構成要素IIを表現するパラメータがＡ行列の１行１
列目および１行２列目にあると仮定する。このとき、相
関関数Ｃ１２、すなわちΔａ１２が値を持てば、ただち
に構成要素IIの故障であると判断する。また、Ｃ１２に
値がなく、Ｃ１１、すなわちΔａ１１が値を持てば、構
成要素Ｉの故障であると判定する。

【００６２】このようにして、本発明によれば、動的シ
ステム１０を構成する各構成要素に発生する故障を確実
に検出すると共に、その故障箇所を正確に特定すること
ができる。

【００６３】ちなみに、故障に対応する量を、オブザー
バによって推定された状態と直接測定した状態との残差
から求める従来技術は、この残差が故障と簡潔な関係に
はない（前記(8) 式のような簡潔な関係にはない）の
で、相関演算のような簡単な計算によって故障を特定す
ることは出来ない。

【００６４】なお、本発明は外乱推定手段３２の設計に
応じて、以下のような態様を取り得る。

【００６５】第１の態様は、診断対象１０の全ての内部
状態量ｘ（ｔ）がセンサ等を用いて測定でき、外乱推定
手段３２は総合的外乱ベクトルｗ（ｔ）のみを推定する
ように形成された場合である。この場合は、外乱推定手
段３２は、その次数が外乱の次数だけで済むため、構成
が最も簡単で、故障検出精度も最も高いという利点があ
る。

【００６６】第２の態様は、診断対象１０の内部状態量
ｘ（ｔ）の一部が測定できない場合または、測定しなく
ても外乱推定手段によって推定できる場合である。これ
らの場合には、外乱推定手段３２は、総合的外乱ベクト
ルｗ（ｔ）と、測定できないまたは測定しない内部状態
量とを推定演算するよう形成される。

【００６７】この場合には、診断対象１０の内部状態量
の一部を測定する必要がないので、センサの削減が可能
となる。外乱推定手段３２は、外乱量と共に測定できな
い内部除隊量をも推定するので、この推定値を相関演算
を用いることによって、全ての内部状態を測定した場合
とほぼ等しく故障を測定することができる。

【００６８】第３の態様は、診断対象１０の内部状態量
ｘ（ｔ）の一部が測定できないとき、外乱推定手段３２
が相互的外乱ベクトルｗ（ｔ）と、測定できない内部状
態量を含めた全ての内部状態量ｘ（ｔ）とを推定演算す
るよう形成した場合である。

【００６９】この場合も、第２の態様と同様に、センサ
の削減が可能となると共に、全ての内部状態量を測定し
た場合とほぼ等しく故障を特定することができる。

【００７０】また、外乱推定手段３２の設計が、第２の
対応より若干簡単になるという利点もある。

【００７１】以下に、前記第１〜第３の態様を採る場合
の演算を詳細に説明する。まず、第１態様でのべたよう
に、診断対象１０の全ての内部状態量が測定される場合
である。

【００７２】この場合に、前記(8) 式の外乱ベクトルの
平均をとると、この演算式は次式で表される。

【００７３】 従って、診断対象の状態量を全て測定できるとき、推定
された外乱ベクトルと状態量ｘｊとの相互相関関数を求
めると、その値は次式で示すようになる。

【００７４】 ここで、診断対象の状態量の間に相関がないという仮定
から、前記(12)式の各項は次式で表される。

【００７５】 また、診断対象の状態ｘｊと励振外乱との間にも相関が
ないと仮定しているので、次式で示す関係が成立する。

【００７６】 この結果、前記相関関数の値は、最終的に次式で表され
ることになる。

【００７７】 また、前記第２の態様、第３の態様のように、外乱推定
手段３２からの推定値を用いて相互相関を演算する場合
には、その演算式は次式で表される。

【００７８】 ここにおいて、診断対象の状態量の間に相関がないと仮
定しているため、前記数(13)式の各項は次式で表される
ことになる。

【００７９】 したがって、前記相関関数の値は、次式で表されること
になる。

【００８０】 このようにして求めた相関関数を用いることによって
も、同様にして故障の発生およびその故障箇所の特定を
行うことができる。

【００８１】なお、外部外乱ｄ’が大きいため制御出力
が十分に大きくなる場合に制御器１２がΔｕによる励振
制御を停止させたとき、上記各式において励振外乱ｄを
外部外乱ｄ’に置き換えるだけで同様のことが成り立
つ。

【００８２】以上のような原理に基づく故障診断では、
故障検出手段として、故障によって生じる外乱を診断対
象の１つの状態として推定する外乱推定手段を用いてい
るため、故障検出速度と故障検出感度のトレードオフが
存在せず、故障検出速度、故障検出感度が格段に向上す
る。そして、故障に応じた多くのオブザーバを用いる必
要がなく、また必要に応じ診断対象の全ての状態を測定
しなくても、診断対象の故障箇所を感度よく特定するこ
とができる。

【００８３】また、推定された外乱と故障箇所との関係
が、簡単な数式によって表現できるので、診断対象の内
部状態量との相関を求めるという簡単な演算によって、
容易に外部からの外乱と故障によって発生した内部外乱
とを分離し、故障箇所の特定を行うことができる。

【００８４】このとき、相関演算に用いられる内部状態
量としては、単にセンサによって直接測定されたものだ
けでなく、必要に応じ外乱推定手段が外乱と同時に推定
した内部状態量を用いることができ、これによって、診
断対象の全ての内部状態量が測定されていなくても詳細
な故障検出が可能となる。

【００８５】（２）タイヤ空気圧診断装置に関する発明 〔発明の説明〕次に、前述した動的システムの診断装置
の原理をタイヤ空気圧診断装置に適用したものについて
説明する。

【００８６】本発明のタイヤ空気圧診断装置を、前述し
た図１の動的システム診断装置に基づいてより詳細に説
明する。

【００８７】本発明において診断対象となる動的システ
ム１０は、サスペンションと車輪からなるシステムであ
る。タイヤ空気圧などが変動すると、同システムの各状
態量は、正常時とは異なった応答を示すことになる。こ
の応答は見方を変えれば、正常時の応答に空気圧などの
変動に対応した内部外乱が加わったものであると考える
ことができる。そこでこの外乱、すなわち総合的外乱ベ
クトルを外乱推定手段３２を用いて推定すれば、タイヤ
空気圧の変動を検知することができる。

【００８８】今、サスペンションと車輪とからなる動的
システム１０が、次の状態方程式で表現されているもの
とする。なお、以下では、路面から受ける路面外乱が小
さいか或いは全く無い場合を想定する。これは良路など
を車両が走行する場合に相当している。 ｘ＝Ａｘ＋Ｂｕ＋ｄ ｙ＝Ｃｘ ・・・(14) ここにおいて、ｘはシステム１０の内部状態量ベクト
ル、ｕは制御入力、ｙはシステム１０のセンサなどから
直接検出出力される制御出力ベクトル（内部状態量ベク
トル）である。ｄは励振により発生する励振外乱を表
す。また、行列Ａ，Ｂ，Ｃは、システム１０の物理パラ
メータによって定まる定数行列である。

【００８９】なお、励振外乱ｄは、次式によって励振入
力Δｕと関係付けられる。 ｄ ＝ Ｂ・Δｕ ここで、制御入力ｕを、サスペンションがアクティブサ
スペンションであるときのアクティブサスペンションへ
の操作量とすることができる。この場合、操作量ｕにア
クティブサスペンションを励振させる励振操作量Δｕを
加算した操作量（ｕ＋Δｕ）をアクティブサスペンショ
ンに入力する。

【００９０】また、それ以外では、制御入力ｕを、車輪
のホイールシリンダにブレーキ力を加える制御ソレノイ
ドバルブへの平均的なブレーキ力指令とすることができ
る。この場合、平均的なブレーキ力指令ｕにブレーキ力
を励振させる励振指令Δｕを加算した指令（ｕ＋Δｕ）
を制御ソレノイドバルブに入力する。この方法はアクテ
ィブサスペンション及び従来のパッシブサスペンション
のいずれの場合にも適用することができる。

【００９１】勿論、アクティブサスペンションの場合、
アクティブサスペンションへの操作量及び制御ソレノイ
ドバルブへのブレーキ力指令の両者を併用することも可
能である。

【００９２】ここで、ブレーキ力によって励振制御を行
う場合のタイヤ空気圧診断装置の構成を図３に示す。

【００９３】図３のタイヤ空気圧診断装置では、図１の
制御器１２の代わりに、車輪に作用するブレーキ力を制
御するブレーキ力制御手段１９０が備えられている。ブ
レーキ力制御手段１９０は、ブレーキ力指令ｕによって
車輪に対し平均的なブレーキ力Ｐ_m を作用させると共
に、動的システム１０の内部状態量とは無相関の微小励
振ブレーキ力指令Δｕによって車輪に対し微小励振ブレ
ーキ力Ｐ_v を作用させる。これによって、ブレーキ力は
平均ブレーキ力Ｐ_m の回りにブレーキ力Ｐ_v で微小励振
し、動的システム１０へ励振外乱ｄが与えられる。

【００９４】ブレーキ力制御手段１９０が出力したブレ
ーキ力指令ｕは伝達特性１９２を介して実際の車輪に作
用するブレーキ力Ｐ_m に換算されて外乱推定手段３２に
入力される。この伝達特性１９２は、ブレーキ力指令ｕ
を実際のブレーキ力Ｐ_m に変換するメカニズムの伝達関
数Ｈで表される。

【００９５】また、ブレーキ力制御手段１９０には、制
御出力１６が入力されるようになっており、ブレーキ力
制御手段１９０は、制御出力１６の値に応じて微小励振
ブレーキ力指令Δｕによる励振を行うか否かを決定す
る。また、このように制御出力１６に応じて励振を行う
か否かを決定しない場合には、図４に示した構成とす
る。すなわち、制御出力を出力する動的システムの出力
端とブレーキ力制御手段１９０とを接続しない。

【００９６】このブレーキ力制御手段１９０は、平均ブ
レーキ力Ｐ_m が作用していない場合（ｕ＝０、Ｐ_m ＝
０）にも、微小励振ブレーキ力指令Δｕによるブレーキ
力の励振が可能なように構成することができる。なお、
ブレーキ力制御手段１９０の詳細な構成については後述
する（図２０〜図２１参照）。

【００９７】以下、システム１０に入力ｕが存在する場
合と、システム１０に入力ｕが存在しない場合とに分け
て本発明の説明を行う。

【００９８】（システム入力が存在する場合）この場合
には、タイヤの空気圧等の変動は、システム１０の物理
パラメータの変動に置き換えられる。この変動は、行列
Ａの変動を用いて表現できる。すなわち、空気圧などの
変動によって、行列ＡはΔＡだけ変動したとすると、変
動後のシステムは次のように書き表される。

【００９９】 ｘ＝Ａｘ＋Ｂｕ＋（ΔＡｘ＋ｄ） ＝Ａｘ＋Ｂｕ＋Ｄｗ ここにおいて、前記Ｄｗは次式で表される。

【０１００】 Ｄｗ＝ΔＡｘ＋ｄ ・・・(15) この(15)式から、タイヤの空気圧の変動によって、ΔＡ
ｘという新たな外乱が生じることが判る。また、前記Ｄ
は、１と０の要素で構成される行列であり、励振外乱の
侵入経路と、システム１０のパラメータの変動によって
生じる外乱の発生源とに応じて設定するものである。

【０１０１】このように、変動時の状態ベクトルの応答
は、正常時の応答と外乱Ｄｗ（ｔ）との和で表すことが
できる。外乱推定手段３２は、この外乱ｗを推定すべく
構成することになる。

【０１０２】外乱推定手段３２は、次の二つのステップ
に分けて構成される。第１のステップでは、外乱ｗ
（ｔ）を状態に含めたシステムの拡張系を構成する。そ
のために、ｗ（ｔ）に次の仮定を設け、ｗ（ｔ）を診断
対象１０の状態として追加する。

【０１０３】ｗ＝Ｏ これにより、外乱ｗを状態に含めたシステム１０の拡張
系は、次式で表されることになる。

【０１０４】 そして、第２ステップにおいて、前記(16)式の状態〔ｘ
ＴｗＴ〕Ｔを推定する推定手段３２を、従来の線形制御
理論を用いて構成する。このようにして設計された推定
手段３２によって、外乱ｗを推定する。

【０１０５】また、前記式２３の仮定は、連続的に変化
する外乱ｗ（ｔ）を、図５に示すよう階段状に近似する
ことを意味していることは既に説明した。

【０１０６】このようにして構成された外乱推定手段３
２は、システム１０の状態量ベクトルｘが全て測定でき
ない場合でも、測定できない状態を推定すると同時に、
空気圧等の変動に対応する外乱を推定することができ
る。

【０１０７】前記(15)式からも判るように、推定手段３
２が推定する外乱は、励振による励振外乱ｄと、タイヤ
の空気圧などの変動によってシステム１０の内部で生じ
る内部外乱ΔＡｘとの和となっている。(15)式はベクト
ルとして表現されているが、例えばこのベクトルの第１
要素を取り上げると、これは次式で表される。

【０１０８】 〔Ｄｗ〕₁ ＝ΔＤ₁₁ｘ₁ ＋ΔＤ₁₂ｘ₂ ＋・・・＋Δａ_1jｘ_j ＋・・・＋ｄ₁ ・・・(17) 但し、Δａ_1jは行列ΔＡの１行ｊ列要素である。

【０１０９】以下、前記(17)式に基づいて、具体的な説
明を行う。前記(17)式において、Δａ１１がタイヤの空
気圧の変動による要素であり、その他の要素はタイヤの
空気圧以外の変動によって生じるものと仮定する。この
場合、タイヤの空気圧の変動によって発生する内部外乱
は、状態量ｘ１に依存していることが判る。すなわち、
この場合、タイヤの空気圧の変動によってシステム１０
に影響を及ぼす状態量はｘ１である。

【０１１０】そこで、推定手段３２が推定した外乱〔Ｄ
ｗ〕１から、励振外乱ｄを除去し、タイヤの空気圧変動
による内部外乱に関連する成分のみを検出するために、
推定した外乱〔Ｄｗ〕１と状態量ｘ１との相互相関を演
算する。この演算は相関演算手段３４にて行われる。こ
のとき演算される相互相関をＣ（〔Ｄｗ〕１，ｗ１）と
置くと、これは結果的に次式に示す値を持つ。

【０１１１】

【０１１２】ここにおいて、励振外乱及び空気圧以外の
変動による他の内部外乱の項は、状態量ｘ１と相関が無
いことは前述した。従って、前記(18)式の相関演算をす
ることにより、推定外乱ｗからタイヤの空気圧変動に対
応した内部外乱のみを抽出することができる。

【０１１３】このようにして計算された相関関数は、推
定外乱ｗに含まれるいろいろな周波数成分の中から、タ
イヤのバネ定数の変動によってのみ生じる内部外乱の周
波数成分に相当する値を持っている。従ってこの相関関
数の計算値から、バネ定数の変動量が検出できる。

【０１１４】前記(18)式に示す相互相関関数は、バネ定
数の変動を表す項Δａ１１と、次式で表す状態量の自己
相関関数との積で表現できる。ここにおいて、診断手段
３６は、例えば前記相互相関関数を状態量の自己相関関
数で割ることによって、バネ定数の変動量Δａ１１を定
量的に検出することができる。

【０１１５】 そして、診断手段３６は、得られたバネ定数の変動量Δ
ａ１１が、異常と判断すべきタイヤ空気圧に対応するバ
ネ定数の変動量に達したとき、空気圧が異常と判断を下
す。 （システム１０に入力が存在しない場合）次に、システ
ム１０に入力が存在せず、システムを微小励振のみさせ
た場合について説明する。

【０１１６】この場合、サスペンションと車輪からなる
動的システム１０は、次の状態方程式で表現される。

【０１１７】ｘ＝Ａｘ＋ｄ ｙ＝Ｃｘ ここにおいて、ｘはシステム１０の状態量ベクトルであ
り、ｙはシステムのセンサなどから直接測定される出力
ベクトルであり、ｄは励振外乱を表す。また、行列Ａ，
Ｂ，Ｃはシステム１０の物理パラメータによって決まる
定数行列である。アクティブサスペンションと異なる点
は、(14)式に見られるシステム１０への入力ｕが存在し
ないことである。

【０１１８】そして、空気圧などの変動によって、行列
ＡがΔＡだけ変動したとすると、変動後のシステムは次
式で表される。 ｘ＝Ａｘ＋（ΔＡｘ＋ｄ） ＝Ａｘ＋Ｄｗ ・・・(19) ここにおいて、前記Ｄｗは次式で表される。

【０１１９】 Ｄｗ＝ΔＡｘ＋ｄ ・・・(20) 前記(19)式、(20)式から、外乱ｗを含めたシステム１０
の拡張系は次式で表されることになる。

【０１２０】 そして、外乱オブザーバ３２の構成を含めた以後の構成
及び作用は、入力ｕを除けば、前記アクティブサスペン
ションと全く同様である。

【０１２１】このように、従来のサスペンションの様に
システム１０に入力が存在しない場合でも、タイヤの空
気圧異常を検出することができる。

【０１２２】なお、以上述べた動的システムの診断装置
は、タイヤ空気圧の診断だけではなく、例えば、タイヤ
回りの状態（サスペンションに用いられる減衰器のダン
パ減衰力、タイヤの偏心状態、ホイールの状態、タイヤ
の磨耗や異物のかみ込み状態など）の診断にも適用可能
である。

【０１２３】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照して本発明の実
施の形態を説明する。

【０１２４】（第１の実施の形態）次に、本発明を自動
車のアクティブサスペンション制御系の故障検出に適用
した例を、第１の実施の形態として説明する。

【０１２５】図６には、第１の実施の形態の診断対象と
なる図１の動的システム１０の具体例が示されている。
この動的システム１０は、自動車の単輪サスペンション
の振動モデルを表している。同図において、ホイール４
１は、パラメータｍｌで表されるバネ下質量部と、バネ
定数ｋ１で表されるホイール（タイヤ）のばね部で表現
される。また、４２は、バネ上定数ｍ２を持つ車体部を
表し、４６はバネ定数ｋ２を持つガスバネを表し、４８
は減衰器定数Ｄｍを有する減衰器を表し、５６は路面か
らの変位を表す。また、５２は、変数ｘ１で表されるバ
ネ下変位、５０は変数ｘ２で表されるバネ上範囲、５４
は変数ｙで表される相対変位（ｘ１−ｘ２）、４４はサ
スペンションを制御する制御器から出力される操作量ｕ
から制御に必要なアクティブ制御力ｆを発生する制御力
発生器を表す。

【０１２６】ここで、動的システム１０の診断時には、
制御力発生器４４へ励振用の操作量Δｕを加えた操作量
（ｕ＋Δｕ）が入力され、制御力発生器４４は励振制御
力Δｆを加えたアクティブ制御力（ｆ＋Δｆ）を発生す
る。これにより、車体部４２及びホイール４１は、制御
力ｆにより変位される位置の回りでΔｆにより励振す
る。また、Δｕには、白色性信号又は周波数をスイープ
した信号を用いる。以下では、Δｆにより動的システム
に発生した変位をｘ０とする。このｘ０は、次式で与え
られる。

【０１２７】ｘ０ ＝ Δｙ ＝ Δｘ１−Δｘ２ なお、第１の実施の形態では、車両が良路を走行する場
合を想定しているので、路面変位５６は変位ｘ０に比べ
て小さく、従って外部外乱は無視する（以下の実施の形
態も同様）。

【０１２８】同図より、数式１の状態方程式は、以下の
ように表される。

【０１２９】

【数２】

【０１３０】ここにおいて、Ｔは制御力発生器４４の応
答時間、すなわち操作量ｕとアクティブ制御力ｆとの間
の時間的遅れを表している。

【０１３１】ａ，ｂは次式で表される。 ａ＝ｋ１／ｍ１＋ｋ２／ｍ１＋ｋ２／ｍ２ ｂ＝１／ｍ１＋１／ｍ２ 本実施の形態では、故障として、故障タイヤの空気圧の
異常、ガスバネ４６の圧力異常及び減衰器４８の故障を
想定する。そしてこれらの故障をそれぞれパラメータｋ
１、ｋ2 、Ｄｍの変動として扱う。そして上記振動モデ
ル１０に基づいて外乱オブザーバ３２を構成する。

【０１３２】すなわち、前記数２において、パラメータ
ｋ１、ｋ２、Ｄｍは、右辺の第２要素及び第４要素にあ
る。従って、想定した故障によって発生する内部外乱の
侵入経路も、この２カ所に設定する。設定は、前記(2)
式で表される行列Ｄに基づいて行われる。この場合は、
次式のように設定すればよい。

【０１３３】 このＤを用いて、前記(4b)式に示す拡張系を作成し、図
７の外乱オブザーバ３２を構成する。

【０１３４】本実施の形態では、外乱オブザーバ３２が
以下の３つの態様に分けて構成される。

【０１３５】第１の態様は、サスペンションモデル１０
におけるバネ上変位ｘ２、バネ上速度、相対変位ｙ、相
対速度及びアクティブ制御力ｆが全て測定できる場合で
ある。このような場合に用いられる外乱オブザーバ３２
は、内部状態量の推定を行う必要はない。なお、前記バ
ネ上速度、相対速度は次式で表される。

【０１３６】ばね上速度＝ｘ₂ 相対速度 ＝ｙ 第２の態様は、バネ上変位ｘ２、相対変位ｙのみが測定
でき、外乱オブザーバ３２は、その他の測定されない内
部状態量（ここではバネ上速度、相対速度）を推定する
場合である。

【０１３７】第３の態様は、バネ上変位ｘ２、相対変位
ｙのみが測定でき、外乱オブザーバ３２は、これらを含
めた内部状態量の全てを推定する場合である。

【０１３８】以下、前記各態様について用いられる外乱
オブザーバ３２と、これを用いて構成される診断装置３
０を詳細に説明する。

【０１３９】（第１の態様）図７には、前記第１の態様
として用いられる診断装置３０のブロック図が示されて
いる。同図において、１０は図６に示す動的システム
（単輪サスペンション）を表し、１２は前記サスペンシ
ョンを制御している制御器を表し、１４はサスペンショ
ンを制御するために制御器１２から出力された操作量
（ｕ＋Δｕ）を表し、１６は図示しないセンサを用いて
測定されたサスペンションの全ての内部状態量を表して
いる。

【０１４０】ここでは、内部状態量の全てがセンサを用
いて測定されるため、外乱オブザーバ３２は後述する第
２の態様、第３の態様のように、内部状態量の一部また
はその全てを推定する必要は無い。なお、１７は、外乱
オブザーバ３２に入力される制御器１２からの操作量ｕ
を表し、この外乱オブザーバ３２には励振入力Δｕを除
いた操作量ｕのみが入力される。

【０１４１】本実施の形態の外乱オブザーバ３２は、診
断対象１０内におけるタイヤの空気圧の異常、ガスバネ
の圧力異常及び減衰器の故障を、診断対象となる動的シ
ステム１０の内部外乱として捉らえる。そして、制御器
１２の操作量１４と、測定されたサスペンション１０の
全ての状態量１６とから、動的システム１０の励振外乱
ベクトル及び内部外乱ベクトルの和としての総合的外乱
ベクトルｗを推定演算し、相関演算部３４へ向け出力す
る。

【０１４２】相関演算部３４は、外乱オブザーバ３２が
推定演算した総合的外乱ベクトルの推定値と、動的シス
テム１０の内部状態量であるバネ上変位、相対変位及び
相対速度との相互相関を演算する。このとき、前記バネ
上変位、相対変位及び相対速度等の内部状態量は、励振
外乱に対し相関のない要素である。このため、これら内
部状態量と前記総合的外乱ベクトルの推定値との相互相
関を演算することにより、励振外乱の影響を除外し故障
によって発生する内部外乱に関連する成分を分離し、そ
の演算結果を診断部３６へ向け出力することができる。

【０１４３】診断部３６は、このようにして相互相関演
算部３４から入力される演算結果に基づき、動的システ
ム１０内における故障の発生を検出すると共に、前記相
関演算部３４によって演算された内部外乱の発生箇所に
基づき、サスペンションの具体的な故障箇所を特定する
よう形成されている。

【０１４４】実施の形態の故障診断装置３０は以上の構
成からなり、次にその作用を説明する。

【０１４５】図６に示す振動モデル１０内において、想
定された故障が発生した場合を想定する。この場合、外
乱オブザーバ３２は、サスペンション１０への制御入力
ｆと、診断対象の状態とから、故障に応じて先に設定し
た総合的外乱ベクトルの第２および第４要素ｗ２、ｗ４
を推定する。このとき、これら外乱の推定遅れが無視で
きるほど小さいと仮定すると、これらの推定値は次の(2
2)式で表される。

【０１４６】

【０１４７】ここにおいて、Δｋ１はタイヤの空気圧異
常によって生じたパラメータ変動、Δｋ２はガスバネの
圧力異常によって生じたパラメータ変動、ΔＤｍは減衰
器の故障によって生じたパラメータ変動を表している。

【０１４８】推定された総合的外乱は、前述したパラメ
ータ変動分とサスペンションの状態変数（相対変位ｙ、
その相対速度及びバネ上変位ｘ２）の積和からなる分
と、励振外乱として加わっている変位ｘ０との和となっ
ている。

【０１４９】そこで、相互相関部３４及び診断部３６
は、推定された総合的外乱から、励振外乱と内部外乱と
の分離及び故障の判定を次のようにして行う。

【０１５０】まず、ｗ２の推定値と、測定値ｙの相関関
数Ｃ２１、ｗ４の推定値と測定値ｙの相関関数Ｃ４１、
ｗ４の推定値と測定値（相対速度）との相関関数Ｃ４２
を演算する。ｗ２の推定値には、励振外乱が含まれてい
るが、測定値ｙとの相関を取ることによって、ｙと相関
のない励振外乱による変位の影響は除去され、故障分の
みが、例えば相関関数Ｃ２１の値として抽出されること
になる。

【０１５１】次に、これら相関関数の値から故障箇所を
特定する。例えば、相関関数Ｃ４１には、ガスバネの変
動分しか表れない。このため、この値に異常があればた
だちにガスバネの故障と特定できる。

【０１５２】同様に、相関関数Ｃ４２に異常があれば減
衰器の故障であると判定される。残るタイヤの空気圧異
常は、相関関数Ｃ２１によって判定される。Ｃ２１は、
ガスバネの故障もしくはタイヤ空気圧異常によって値を
持つことになるが、前記Ｃ４１による判定により、ガス
バネの故障が検出されるので、ガスバネに故障が無くＣ
２１の値に異常があれば、タイヤの空気圧異常と判定で
きる。なお、ガスバネとタイヤの空気圧異常が同時に発
生すれば両者の区別はできないが、この様なことは実際
にはまれにしか起こり得ないので問題は無い。

【０１５３】このように、本実施の形態では総合的外乱
の推定値と、故障箇所との関係が簡単な数式によって表
現でき、診断対象の状態との相関を求めるという簡単な
演算によって、故障箇所の特定を行うことができる。

【０１５４】さらに、本実施の形態では、良路を走行す
る場合のように外部外乱がきわめて小さい場合でも、励
振による外乱をシステムに与えるため、制御出力が小さ
くなることによる演算精度の低下を防止することができ
る。また、システムの内部状態量と無相関の励振外乱を
与えることで、常に高精度に故障検出を行うことができ
る。

【０１５５】（第２の態様）図８には、前述した第２の
態様に応じて構成された外乱オブザーバ３２と、これを
用いて構成された診断装置３０のブロック図が示されて
いる。なお、図７に示す実施の形態と対応する場合には
同一符号を付し、その説明は省略する。

【０１５６】本実施の形態では、サスペンションの振動
モデルを構成する動的システム１０からは、その内部状
態量としてバネ上変位ｘ２、相対変位ｙのみが検出さ
れ、他の内部状態量、例えば相対速度が直接測定されな
い場合を表している。

【０１５７】この様な場合、外乱オブザーバ３２は、操
作量１４と測定値１６とから、その総合的外乱ベクトル
と共にサスペンション１０の内部状態量のうち測定され
なかった状態であるバネ上速度、相対速度及びアクティ
ブ制御力を推定演算し、相関演算部３６へ向け出力す
る。

【０１５８】このオブザーバは以下のように設計され
る。まず、(4b)式と数２、(21)式に基づいて拡張系を作
成する。 次に、(23)式において、測定できる状態量ｙ，ｘ２とで
きない状態量とを分ける。

【０１５９】

【数３】

【０１６０】簡単なために、数３を次式のようにおく。

【０１６１】

【数４】

【０１６２】そして、総合的外乱を含んだ測定できない
状態量ｘｂを次式に基づいて推定する。 ここで、数４と(24)式により、真値ｘｂとの推定値の誤
差が次式のように書ける。 したがって、(25)式の（Ａ２２−ＧＡ１２）のすべての
ベクトルの固有値が、全て負となるように、実数行列Ｇ
を決めれば、(25)式で表される誤差は時間とともに零に
収束する。すなわち、推定値が真値に収束することにな
る。

【０１６３】前記(24)式を図示すると、図１４のように
なる。同図に示すように、制御入力ｕと、測定できる状
態量ｘａ＝〔ｙ ｘ２〕Ｔとにより、測定できない状態
量ｘｂを推定することができる。

【０１６４】このように、本実施の形態の外乱オブザー
バ６５は、サスペンションへの制御入力と、サスペンシ
ョンの測定内部状態量ｘ２，ｙとに基づき、総合的外乱
ｗと、測定されない内部状態量、例えば相対速度とを推
定する最小次元オブザーバとして構成される。このよう
に外乱オブザーバ３２を構成しても、推定された総合的
外乱は前記(22)式で表されるので、前述した第１の態様
の場合と同様に相関演算部３４が相関演算を行うことに
より、診断部３６は故障の発生及び故障の箇所を特定す
ることができる。

【０１６５】すなわち、相関演算に必要な相対速度の推
定値は次式で表される。 従って、相対速度を前記推定値に置き換えて、前記第１
の態様と同様な相関演算を実施すればよい。

【０１６６】外乱オブザーバ３２は、故障が発生しても
内部状態量をほとんど誤差無く推定するので、前述した
ように推定値を用い相関演算を行っても、前記第１の態
様とほぼ同様に相関関数を得ることができる。相関関数
が得られた以後は、前記第１の態様と同様に故障を特定
できるので、ここではその説明は省略する。

【０１６７】このように、本実施の形態において、相関
関数に用いる状態量は、単にセンサ等によって直接測定
されたものだけではなく、外乱オブザーバ３２が総合的
外乱と同時に推定した内部状態量をも用いることができ
る。従って、診断対象１０の内部状態量全てが、直接測
定されなくても、詳細な故障検出が可能となる。

【０１６８】（第３の態様）図９には、前述した第３の
態様に応じて用いられる外乱オブザーバ３２と、これを
用いて構成された診断装置３０のブロック図が示されて
いる。

【０１６９】本実施の形態と、前記第２の態様の実施の
形態との相違は、外乱オブザーバ３２を完全次元オブザ
ーバとして構成したことにある。

【０１７０】すなわち、実施の形態の外乱オブザーバ３
２は、サスペンション１０の制御入力ｆと診断対象１０
において直接測定された内部状態量ｘ２，ｙとにより、
総合的外乱と診断対象１０の内部状態量の全てを推定す
るよう構成されている。

【０１７１】このオブザーバは、(4b)式と、数２、(21)
式より、次式に基づいて設計される。

【０１７２】

【数５】

【０１７３】このときも、(25)式と同様な推定値と、真
値との誤差に関する微分方程式を作り、この方程式のす
べてのベクトルの固有値が、すべて負となるように実数
行列Ｇを決める。固有値の絶対値は大きいほど良いが、
−３００〜−７００ｒａｄ／ｓ程度に設定するのが望ま
しい。

【０１７４】このようにして、制御入力ｕと、推定値
ｙ，ｘ２より次式で示す推定値を求めることができる。

【０１７５】 推定された総合的外乱は、前記(22)式で表されるので、
前記第１の態様と同様に相関演算を行う。相関演算に
は、相対変位、相対速度の推定値を用い、相関関数が得
られた後は、前記第１の態様と同様に故障箇所を特定す
る。

【０１７６】このように、本実施の形態では簡単な演算
により、故障箇所の特定ができる。これに加えて、本実
施の形態にて用いられる外乱オブザーバ３２は完全次元
オブザーバとして構成されているので、前記第２の態様
で用いられた最小次元オブザーバよりも構成手順が簡単
であるという利点がある。

【０１７７】（第２の実施の形態）次に、第２の実施の
形態を説明する。

【０１７８】図１０には、第２の実施の形態の診断対象
となるアクティブサスペンションと車輪からなる動的シ
ステム１０の具体例が示されている。なお、図６に示す
動的システムと対応する部材には同一符号を付し、その
説明は省略する。

【０１７９】通常このようなアクティブサスペンション
システムでは、サスペンションのアクティブ制御に必要
なものとして圧力センサ６０ａが設けられている。この
圧力センサ６０ａは、アクティブ制御力ｆを測定できる
よう制御力発生器１６に設置されている。さらに、タイ
ヤの空気圧異常検出のために加速度センサ６０ｂ、６０
ｃが設けられており、これらの各加速度センサ６０ｂ、
６０ｃは、それぞれバネ上部及びバネ下部に、上下振動
の加速度を検出できるよう設置されている。

【０１８０】このような動的システム１０において、前
述した(16)式で示す状態方程式は、具体的には次式で表
されることになる。

【０１８１】 但し、ａ＝ｋ₁ ／ｍ₁ ＋ｋ₂ ／ｍ₁ ＋ｋ₂ ／ｍ₂ ，ｂ＝
１／ｍ₁ ＋１／ｍ₂ である。また、Ｔは操作量ｕとアク
ティブ制御力ｆ間の遅れ時間を意味している。

【０１８２】図１１には、本実施の形態のシステムのブ
ロック図が示されている。ここにおいて診断対象となる
サスペンションシステム１０は、制御器１２から出力さ
れる操作量（ｕ＋Δｕ）を入力し、(26)式に含まれるベ
クトル を内部状態量とするよう構成されたシステムであること
は前述した。

【０１８３】前記内部状態量ベクトルｘに含まれる各要
素のうち、バネ上加速度は、図１０に示される加速度セ
ンサ６０ｂから直接検出され、ばね上速度はバネ上加速
度を積分することによって求められる。相対加速度は、
加速度センサ６０ｂにより検出されるバネ下加速度と、
バネ上加速度との差から求められる。相対速度は、相対
加速度を積分することによって求められる。この様な演
算を行う各演算部は、本実施の形態のサスペンションシ
ステム１０内に常に組み込まれているものとする。従っ
て、サスペンションシステム１０の出力は、前記(26)式
に含まれる内部状態量ベクトル となる。

【０１８４】本実施の形態の制御器１２は、このように
して出力される内部状態量ベクトルｘを入力とし、アク
ティブサスペンションシステム１０の入力信号となる操
作量（ｕ＋Δｕ）を演算出力している。

【０１８５】また、前記アクティブサスペンションシス
テム１０を診断対象とする診断装置３０は、外乱オブザ
ーバ３２と、相関演算部３４と、診断部３６とを含む。

【０１８６】前記外乱オブザーバ３２は、制御器１２の
出力ｕと、アクティブサスペンションシステム１０の出
力ｘとを入力信号とし、タイヤのバネ定数ｋ１の変動
を、サスペンションシステム１０内で発生する内部外乱
として推定演算するよう形成されている。

【０１８７】状態量検出部６０は、アクティブサスペン
ションシステム１０の出力ｘから、タイヤの空気圧の変
動によってシステム１０に影響を及ぼす状態量（この場
合は、相対速度）を抽出する。

【０１８８】前記相関演算部３４は、相互相関演算部７
０と、正規化部７２と、自己相関演算部７４とを含む。

【０１８９】そして、相互相関演算部７０は、外乱オブ
ザーバ３２が推定した総合的外乱と相対速度との相互相
関を演算出力する。

【０１９０】また、前記自己相関演算部７４は、前記相
対速度の自己相関関数を演算する。そして、正規化部７
２は、相互相関演算部７０が演算した相互相関関数を、
前記自己相関演算部７４が演算した自己相関関数で割っ
て正規化し、タイヤのバネ定数の変動量のみを抽出出力
し、これを診断部３６へ向け出力する。

【０１９１】診断部３６は、基準値が記憶されたメモリ
７６と、異常判定部７８とを含む。そして、前記正規化
部７２で求められたタイヤのバネ定数の変動量と、メモ
リ７６に記憶された異常と判定すべき空気圧に対応する
バネ定数の変動量の基準値とを比較し、タイヤの空気圧
の異常を判定出力するよう形成されている。

【０１９２】本第２の実施の形態は以上の構成からな
り、次にその作用を説明する。図１０に示されるアクテ
ィブサスペンションと車輪からなるシステム１０におい
て、タイヤの空気圧が変動し、タイヤのバネ定数が変動
すると、同システム１０の各状態量ｘは、空気圧正常時
とは異なった応答を示すことになる。この応答は、正常
時の応答に、空気圧の変動に対応した内部外乱が加わっ
たものと見なすことができる。

【０１９３】この外乱オブザーバ３２は、サスペンショ
ンシステム１０の出力信号ｘと、操作量ｕとを入力と
し、前記内部外乱と、励振外乱とを含む総合的外乱を推
定演算して出力する。

【０１９４】したがって、タイヤの空気圧が正常で、そ
の時のタイヤのバネ定数がｋ１であるとすると、前記外
乱オブザーバ３２からは、次式で表される励振外乱が演
算出力される。

【０１９５】 このように推定演算出力される励振外乱は、白色性の制
御力Δｆによる変位ｘ０の微分値に対応しており、シス
テム１０の状態とは全く相関のないランダムな外乱とな
っている。

【０１９６】このような状態において、タイヤの空気圧
が変動し、そのバネ定数がΔｋ１だけ変動して（ｋ１＋
Δｋ１）になった場合を想定すると、外乱オブザーバ３
２は、次式で表される総合的外乱を出力することにな
る。

【０１９７】 なお、この総合的外乱に含まれる制御出力ｘ２、ｙは、
励振外乱とは無相関であるが、たとえ良路を走行してい
るときでも、励振によって励振外乱の大きさに対応した
大きい値をとるようになる。

【０１９８】(27)式より、外乱オブザーバ３２が推定演
算した総合的外乱の推定値から、励振外乱を除去し、タ
イヤの空気圧変動による内部外乱のみを検出することが
必要となる。このために、相関演算部７０は、推定した
総合的外乱と、励振外乱に対し相関のない内部状態量の
要素との相互相関を演算する。前記(27)式には、該当す
る状態量として相対速度とバネ上速度とが含まれるが、
本実施の形態では、サスペンションシステム１０から得
られた相対速度との相関を演算する。この相関関数を とすると、これは次式のように演算される。

【０１９９】 このような相互相関を演算することにより、タイヤ空気
圧変動量Δｋの抽出と、励振外乱の項の分離とを行うこ
とができる。すなわち、出力される推定された総合的外
乱、相対速度を、Ｎ点続けてサンプリングし、次式で示
す平均値を求める。

【０２００】 そして、これらの平均値を用いて前記(28)式の相関演算
を行う。このようにして相関関数 を求めると、バネ上速度の項及び変位速度が消え、この
値は、次式に示すようになる。

【０２０１】 このようにして計算された相関関数は、タイヤのバネ定
数の変動を表す項（Δｋ１／ｍ１）と、相関演算に用い
たサスペンションの相対速度の自己相関関数（次の(29)
式で示す）との積で表現できる。従って、得られた相関
関数を、状態量（相対速度）の自己相関関数で割れば、
バネ定数の変動量を定量的に検出できる。

【０２０２】 Ｎ ^K=1すなわち、前記した数式３９から判るように、
総合的推定外乱の様々な周波数成分の中から、前述した
相関関数 は、タイヤのバネ定数の変動によってのみ生じる内部外
乱の周波数成分に相当する値を持っている。したがつ
て、この相関関数 から、バネ定数の変動量を検出することができる。

【０２０３】前述した相対速度の自己相関関数は、自己
相関演算部７４により演算され、正規化部７２に入力さ
れるようになっている。そして、正規化部７２は、相互
相関演算部７０から出力される相関関数 を、自己相関演算部７４から出力される自己相関関数 で割ることにより、次式で示すようタイヤのバネ定数の
変動量を検出出力している。

【０２０４】 ここにおいて、パラメータｍ１は、タイヤの質量であり
既に知られた値であるため、正規化部７２の出力Ｊか
ら、バネ定数の変動量Δｋ１を正確に知ることができ
る。

【０２０５】そして、異常判定部７８は、このようにし
て得られたバネ定数の変動量Δｋ１と、異常と判断すべ
き変動量基準値とを比較し、空気圧の異常を判定してい
る。

【０２０６】ところで、従来では、不規則な外部外乱を
入力としたときの動的システムの制御出力値から上記の
ような故障変動量を示す相関関数を演算していたが、外
部外乱が小さくなると制御出力値が小さくなり、この値
より求めた相関関数を自己相関関数で除算して正規化し
たとしても、量子化誤差などにより出力Ｊの誤差が大き
くなり、故障検出精度が低下するという問題があった。
また、従来の方法では、外部外乱の統計的性質や大きさ
にばらつきがあるので、故障検出精度を一定に維持する
ことが困難であった。

【０２０７】しかし、本実施の形態では、制御器からの
励振によってシステムに励振外乱を発生させることによ
り、制御出力値を一定以上の大きさに設定するので、路
面の状況に係わらず常に高精度の故障検出が可能とな
る。また、動的システムを励振させる手段として従来の
アクティブサスペンションの制御手段を用いているの
で、新たに励振手段を設ける必要が無い。

【０２０８】（第３の実施の形態）図１２には、アクテ
ィブではない従来型のサスペンションと、車輪とを含む
サスペンションシステム１０が示されている。このサス
ペシンョンシステム１０において、車輪４１は、パラメ
ータｍ１で表されるバネ下質量部と、バネ定数ｋ１で表
されるタイヤのバネ部で表現される。また、４２はバネ
上質量ｍ２を持つ車体部を表し、４６はバネ定数ｋ２を
持つバネを表し、４８は減衰器定数Ｄｍを有する減衰器
を表し、５６は路面変位を表し、５２は変数ｘ１で表さ
れるバネ下変位を表し、５０は変数ｘ２で表されるバネ
上変位を表し、５４は変数ｙで表される相対変位（ｘ１
−ｘ２）を表す。なお、この動的システム１０において
も、前記実施の形態と同様、バネ上部及びバネ下部に、
車輪の上下振動を検出する加速度センサ６０ｂ、加速度
センサ６０ｃが設けられている。

【０２０９】第３の実施の形態では、図３及び図４に示
したブレーキ力制御手段１９０により車輪に作用するブ
レーキ力に微小励振が加えられる。すなわち、図１２に
示したように、実際には路面から反作用として車輪に作
用する平均的なブレーキ力Ｆ _b の回りにΔＦ_b の励振ブ
レーキ力が加えられる。この励振ブレーキ力ΔＦ_b は、
白色性信号又は周波数をスイープする信号で励振されて
おり、この励振ブレーキ力により、たとえ良路を走行し
ていても車両には白色性の励振外乱が発生する。この励
振外乱により、図１２のシステムの変位ｘ０（＝Δｙ）
は、常にある振幅の範囲内で変動し、システムの出力値
が一定以上の大きさを保持する。

【０２１０】このようなサスペンションシステム１０
を、状態方程式で表現すると、次式のように表される。

【０２１１】 但し、ａ＝ｋ₁ ／ｍ₁ ＋ｋ₂ ／ｍ₁ ，ｋ₂ ／ｍ₂ ｂ＝１
／ｍ₁ ＋１／ｍ₂ である。

【０２１２】図１２に示すサスペンションシステム１０
を診断対象としたブロック図を図１３に示す。

【０２１３】なお、現状のサスペンションシステム１０
では、路面の状況や運転者の判断に応じてサスペンショ
ンの減衰力を変化させるものも実現されているが、これ
は減衰器定数Ｄｍが変化するものと仮定することによっ
てモデル化できる。このとき、図１２に示されたＤｍ
は、変化するＤｍの代表値を示すものとする。

【０２１４】前述した(30)式に含まれる状態量ｘの各要
素は、前記実施の形態と同様、サスペンションシステム
１０内に設けられた演算部によって演算出力される。す
なわち、バネ上加速度は、センサ６２ｂの出力から直接
出力し、バネ上速度は、バネ上加速度の値を積分するこ
とにより求める。相対加速度は、バネ下加速度とバネ上
加速度の差から求め、相対速度は、相対加速度等を積分
することにより求める。従って、サスペンションシステ
ム１０の出力は、前述した(30)式の内部状態量ベクトル
ｘとなる。

【０２１５】このように構成されたサスペンションシス
テム１０を診断対象とする本実施の形態の診断装置３０
を、以下に詳細に説明する。

【０２１６】タイヤの空気圧が正常で、このときタイヤ
のバネ定数がｋ１であるとき、外乱オブザーバ３２は次
式で表される総合的外乱を推定演算する。

【０２１７】 ここにおいて、サスペンションの減衰定数Ｄｍは変化す
るものと仮定し、その代表値からの変化量をΔＤｍで表
現している。

【０２１８】そして、タイヤの空気圧が変動し、そのバ
ネ定数がΔｋ１だけ変動して（ｋ１＋Δｋ１）になる
と、外乱オブザーバ３２は、次式で表す信号を出力する
ことになる。

【０２１９】

【数６】

【０２２０】このように、外乱オブザーバ３２が推定し
た総合的外乱には、減衰器定数が変動したことによって
生ずる外乱と、タイヤ空気圧の変動によって生じた内部
外乱と、ブレーキ力励振による励振外乱とが含まれてい
ることがわかる。

【０２２１】そこで、相互相関演算部７０は、タイヤの
空気圧変動によって生じた内部外乱が含まれる推定され
た総合的外乱の第２要素と、相対速度との相互相関を演
算する。また、自己相関演算部７４は、前記実施の形態
と同様な手法により、相対速度の自己相関を演算出力す
る。

【０２２２】そして、正規化部７２は、相互相関演算部
７０の出力を、自己相関演算部７４の出力で割り算し、
バネ定数の変動量を検出し、異常判定部７８へ向け出力
する。

【０２２３】したがって、異常判定部７８は、このよう
にして入力されるバネ定数の変動量を、所定の基準値と
比較し、空気圧の異常判定を行う。

【０２２４】以上説明したように、本実施の形態では、
アクティブでない従来型のサスペンションに装着された
車輪においても、サスペンションのバネ上、バネ下部の
上下加速度を検出する加速度センサ６０ｂ、６０ｃを設
けるだけで、タイヤの空気圧の異常を検出することがで
きる。

【０２２５】本実施の形態においても、ブレーキ力励振
によってシステムに励振外乱を発生させることにより、
制御出力値を一定以上の大きさに設定するので、路面の
状況に係わらず常に高精度の故障検出が可能となる。本
実施の形態は、アクティブサスペンションを備えていな
い車両にも適用できるという利点がある。なお、ブレー
キ力を励振させる手段として、従来のアンチロックブレ
ーキ（ＡＢＳ）動作を行うＡＢＳアクチュエータを流用
することができる（次の第４の実施の形態の図２０〜図
２１参照）。

【０２２６】（第４の実施の形態）次に、第４の実施の
形態を説明する。

【０２２７】（第４の実施の形態の原理）図１５に示す
ように、重量Ｗの車体１２を備えた車両が速度ｖで走行
している時の車輪での振動現象、すなわち車体と車輪と
路面とによって構成される車輪振動系の振動現象を、車
輪回転軸で等価的にモデル化した図１６に示すモデルを
参照して考察する。

【０２２８】ここで、ブレーキ力（制動力）は、路面と
接するタイヤのトレッド２１５の表面を介して路面に作
用するが、このブレーキ力は実際には路面からの反作用
として車体２１２に作用するため、車体重量の回転軸換
算の等価モデル２１７はタイヤのトレッドと路面との間
の摩擦要素２１６を介して車輪２１３と反対側に連結し
たものとなる。これは、シャシーダイナモ装置のよう
に、車輪下の大きな慣性、すなわち車輪と反対側の質量
で車体の重量を模擬することができることと同様であ
る。

【０２２９】図１５、図１６でタイヤリムを含んだ車輪
２１３の慣性をＪ_w 、リムとトレッド２１５との間のば
ね要素２１４のばね定数をＫ、トレッド２１５の慣性を
Ｊ_t、トレッド２１５と路面との間の摩擦要素２１６の
摩擦係数をμ、車体２１２の重量の回転軸換算の等価モ
デル２１７の慣性をＪ_V とすると、系全体の特性は次の
（２ａ）〜（４ａ）式のようになる。なお、以下では時
間に関する１階微分ｄ／ｄｔを「' 」で表し、時間に関
する２階微分ｄ² ／ｄｔ² を「" 」で表す。

【０２３０】 Ｊ_W θ_w " ＝ −Ｔ＋Ｋ（θ_t −θ_w ） ・・・（２ａ） Ｊ_t θ_t " ＝ −Ｋ（θ_t −θ_w ）＋μＷＲ ・・・（３ａ） Ｊ_v ω_v ' ＝ −μＷＲ ・・・（４ａ） ここで、 ｗ_w ＝ θ_w ' ・・・（５ａ） Ｊ_v ＝ Ｒ² Ｗ ・・・（６ａ） ω_v ＝ ｖ／ｒ ・・・（７ａ） であり、θ_w は車輪２１３の回転角、θ_w " は車輪２１
３の回転角加速度、ｗ_wは車輪２１３の回転角速度、す
なわち車輪速度、θ_t はトレッド２１５の回転角、
θ_t " はトレッド２１５の回転角加速度、ω_v は車体等
価モデル２１７の回転軸換算の回転角速度、Ｔは車輪２
１３に加えられる制動トルク、Ｗは車体の重量、Ｒは車
輪半径である。制動トルクＴは実際にはブレーキバルブ
の圧力Ｐ_b の制御によって行う。

【０２３１】タイヤがグリップしている時は、トレッド
２１５と車体等価モデル２１７とが直結されていると考
えると、車体等価モデル２１７の慣性とトレッド２１５
の慣性との和の慣性と車輪２１３の慣性とが共振し、こ
の時の車輪共振系の共振周波数ｆ₁ は、 ｆ₁ ＝√｛（Ｊ_w ＋Ｊ_t ＋Ｊ_v ）Ｋ／Ｊ_w （Ｊ_t ＋Ｊ_v ）｝／２π ・・・（８ａ） となる。

【０２３２】上式より、共振周波数ｆ₁ は、タイヤ空気
圧と関連する物理量であるばね定数Ｋの平方根に比例し
て変化することがわかる。通常の場合、各慣性モーメン
トの変化は無視できるので、タイヤが路面にグリップし
ているという条件下での共振周波数ｆ₁ の変化からばね
定数Ｋの変化、すなわち、タイヤ空気圧の変動を検知す
ることができる。

【０２３３】ここで、上記車輪振動系を１例とする動的
システムにおける振動特性を図１９に示す。この図１９
には、動的システムを白色性信号で励振させたことによ
り動的システムから出力された振動成分のゲイン（励振
信号の振幅値に対する動的システムの出力振幅値の比）
の周波数特性が示されている。なお、図１９では、正常
時の振動特性を実線で、故障時（異常時）の振動特性を
破線で示している。また、上記車輪共振系の場合のゲイ
ンは、励振振幅値に対する車輪速度の振動成分の振幅値
の比に相当する。

【０２３４】図１９に示すように、故障時のゲインの極
大値を与える共振周波数ｆ₁ ’、ｆ ₃ ’は、正常時のゲ
インの極大値を与える共振周波数ｆ₁ 、ｆ₃ より低周波
数側にシフトしていることがわかる。このことは上記車
輪振動系における共振周波数ｆ₁ の低周波数側へのシフ
トに相当している。また、故障時のゲインの極小値を与
える非共振周波数ｆ₂ ’も、正常時のゲインの極小値を
与える非共振周波数ｆ ₂ より低周波数側にシフトしてい
ることがわかる。なお、動的システムの特性や着目して
いる振動成分によっては、故障時のゲインの極小値及び
極大値を与える周波数が正常時よりも高周波数側にずれ
る場合もある。

【０２３５】以上のように、励振された動的システムの
応答出力から求められた振動特性は、正常時と故障時と
で異なっており、この相違点を検知することにより動的
システムの診断を行うことができる。なお、振動特性の
違いとして、共振周波数の変化だけでなく、周波数とゲ
インとの関数関係の変化（例えば極大、極小の数）を検
出し、この関数関係の変化に基づいて動的システムの診
断を行うことができる。

【０２３６】さらに周波数とゲインとの関数関係に基づ
き診断箇所を特定することもできる。例えば、タイヤ空
気圧変動による関数関係の変化と、タイヤ空気圧以外の
箇所の故障による関数関係の変化とでは、変化のパター
ンが異なってくるので、この変化パターンから動的シス
テムの故障箇所を特定することもできる。

【０２３７】（第４の実施の形態の構成及び作用）図１
７には、第４の実施の形態の構成ブロックが示されてい
る。なお、図１７に示した動的システムは、車輪とサス
ペンションとからなる動的システムにブレーキ力による
微小励振を与えるものであるが、この例に限定されるも
のではない。

【０２３８】図１７に示すように、本実施の形態に係る
故障診断装置は、動的システム４００の車輪にブレーキ
力（Ｐ_m ＋Ｐ_v ）を作用させるブレーキ力制御手段４０
２を備えている。ここで、Ｐ_m は車輪に作用する平均的
なブレーキ力であり、ドライバの踏力があるときのマス
タ圧に対応するブレーキ力である。また、Ｐ_v は平均的
なブレーキ力の回りで励振するブレーキ力の励振成分を
示し、Ｍ系列信号などの白色性信号又は周波数をスイー
プした信号による励振ブレーキ力を示す。

【０２３９】動的システム４００の車輪に取り付けられ
ている図示しない車輪速センサから出力される車輪の回
転速度（車輪速度）ω_w は、ブレーキ力制御手段４０２
に入力される。ブレーキ力制御手段４０２は、後述する
ように車輪速度ω_w から演算された車輪減速度に基づ
き、車輪に作用するブレーキ力に微小励振成分Ｐ_v を印
加するか否かを決定する。

【０２４０】また、故障診断装置には、入力された所定
周期毎の車輪速度ω_w の時系列データを高速フーリエ変
換（ＦＦＴ）して車輪速度の周波数スペクトルを演算す
るＦＦＴ演算部４０４と、演算された車輪速度の周波数
スペクトルに基づいて動的システム４００の振動特性を
検出する振動特性検出部４０６と、検出された振動特性
から動的システム４００を診断する診断部４０８と、が
備えられている。

【０２４１】診断部４０８の内部メモリには、正常時の
動的システム４００の振動特性データと、異常な振動特
性のパターン（異常振動特性パターン）の複数のデータ
とが記憶されている。診断部４０８は、検出された振動
特性と正常時の振動特性とを比較し、上述したようにそ
の特性の違いから動的システム４００の故障（タイヤ空
気圧）を診断する。

【０２４２】また、異常振動特性パターンは、例えば、
正常時の動的システム４００の振動特性としてありえな
い極大、極小値の周波数値やその数に関するデータや関
数特性をデータ化したもので表され、異常振動特性パタ
ーン毎に動的システムの故障箇所及び故障の種類などが
特定される。診断部４０８は、検出された振動特性に異
常があった場合に、検出された振動特性と異常振動特性
パターンとを照合し、最も近い異常振動特性パターンに
対応する故障箇所及び故障の種類を特定することにより
動的システムを診断する。

【０２４３】次に、ブレーキ力制御手段４０２の構成に
ついて図２０〜図２１を用いて説明する。

【０２４４】ブレーキ力制御手段４０２は、平均ブレー
キ力Ｐ_m の指令ｕおよび微小励振ブレーキ力Ｐ_v の励振
指令Δｕを実際の車輪への制動トルクに変換するブレー
キバルブドライバを含み、このブレーキバルブドライバ
は、図２０に示すように、ブースタ２３５、バルブ制御
系２３６、ブレーキキャリパー２３７、リザーバタンク
２３８及びオイルポンプ２３９を備えている。

【０２４５】ブレーキペダル２３４は、ブレーキペダル
２３４の操作力を増圧するブースター２３５を介してバ
ルブ制御系２３６の増圧側バルブ２４０へ接続されてい
る。バルブ制御系２３６には、バルブ動作指令が入力さ
れると共に、ブレーキキャリパー２３７に連結されかつ
減圧側バルブ２４１を介してリザーバータンク２３８に
連結されている。

【０２４６】このバルブ動作指令は、図２１に示す回路
によって生成される。この回路は、平均ブレーキ力Ｐ_m
の指令ｕと微小励振ブレーキ力Ｐ_v の励振指令Δｕとを
入力し、図２１に示すように、平均ブレーキ力Ｐ_m を白
色性信号で励振する。

【０２４７】この動作原理を以下に説明する。まず、演
算部２１８Ａで、平均ブレーキ力Ｐ _m の指令ｕと微小励
振ブレーキ力Ｐ_v の励振指令Δｕの和ｕ₁ を演算し、演
算部２２０Ａで平均ブレーキ力Ｐ_m の指令ｕと微小励振
ブレーキ力の励振指令Δｕとの差ｕ₂ を演算する。和ｕ
₁ は、ブレーキ力の指令の上限に対応し、差ｕ₂ はブレ
ーキ力の指令の下限に各々対応する。この２つの和
ｕ₁ 、差ｕ₂ を指令として、演算部２１８Ｂ、２２０Ｂ
で実ブレーキ圧Ｐ_b*との差ｅ１、ｅ２を演算し、指令生
成部２４２、２４３において各々の差ｅ１、ｅ２からバ
ルブの位置を計算して指令を生成し、この両者を白色性
信号に応じた励振周波数で切替えることによって、ブレ
ーキ圧を励振する。ただし、和ｕ₁ については増圧と保
持のみの指令、差ｕ₂ については保持と減圧のみ指令を
生成する。このように指令を生成することにより、ブレ
ーキ圧指令の過度の振動を防ぐことができる。

【０２４８】次に、本実施の形態の作用を図１８のフロ
ーチャートにより説明する。図１８に示すように、ま
ず、車輪速度ω_w から演算された車輪減速度が基準とな
る負値−ａより小さいか否かを判定する（ステップ３０
０）。車輪減速度が負値−ａより小さい場合（ステップ
３００肯定判定）、車輪が路面にグリップしなくなる可
能性があると判定して、次に続く診断処理を行わずに待
機する。車輪がグリップしていない場合、等価的に図１
５のトレッド２１５と車体等価モデル２１７とが分離さ
れ、トレッド２１５と車輪２１３とが共振を起こすこと
となりタイヤ空気圧の変動の有無に係わらず、車輪振動
系の共振周波数が高周波側へずれるからである。

【０２４９】車輪減速度が負値−ａ以上の場合（ステッ
プ３００否定判定）、ブレーキ力制御手段４０２がブレ
ーキ力の微小励振を開始する（ステップ３０２）。次
に、ＦＦＴ演算部４０４が、励振成分を含んだ車輪速度
ω_w の所定周期毎の時系列データを高速フーリエ演算し
て周波数時系列データを出力する（ステップ３０３）。
そして、振動特性検出部４０６が、ＦＦＴ演算部４０４
による周波数時系列データからゲイン最大周波数を抽出
し、共振周波数ｆ_d を検出する（ステップ３０４）。こ
こで、このステップ３０３、３０４の処理の流れを図２
２に図解する。

【０２５０】振動特性が検出されると、図１８に示すよ
うに、診断部４０８が内部メモリからタイヤ空気圧正常
時の振動特性データを読み出す（ステップ３０６）。な
お、この正常時の振動特性データには、（８ａ）式で示
された共振周波数ｆ₁ などが含まれる。

【０２５１】次に、診断部４０８が動的システムの検出
された振動特性と正常時の動的システムの振動特性とを
比較し、その振動特性の変化Δｆを検出する（ステップ
３０８）。このΔｆは、例えば、共振周波数のシフト量
（＝ｆ₁ −ｆ_d ）として演算される。

【０２５２】次に、演算されたΔｆが基準値Ｔｈ（＞
０）を越えているか否かを判定する（ステップ３１
０）。Δｆが基準値Ｔｈを越えていると判定された場合
（ステップ３１０肯定判定）、動的システム４００のタ
イヤ空気圧異常と判定する。ここで、ステップ３１０及
びステップ３１２において、検出された振動特性を、診
断部４０８の内部メモリに記憶された異常振動特性パタ
ーンのデータと比較し、どの異常振動特性パターンに該
当するかを判定することにより故障箇所及び故障の種類
などを推定しても良い。また、検出された振動特性のパ
ターンと異常振動特性パターンとの類似の度合いから故
障の程度を推定することもできる。

【０２５３】これに対し、Δｆが基準値Ｔｈを越えてい
ないと判定された場合には（ステップ３１０否定判
定）、タイヤ空気圧が正常と判定する（ステップ３１
４）。但し、Δｆ＜０の場合は（８ａ）式からあり得な
いので、タイヤ空気圧の変動以外の要因で故障が生じた
と判定する。この場合、異常振動特性パターンとの照合
で故障箇所及び故障の種類などを特定しても良い。

【０２５４】以上のように本実施の形態では、動的シス
テムの故障を敏感に反映する振動特性（特に共振周波数
の変化）に基づいてシステムの故障を診断するので、簡
単な方法できわめて正確な診断ができるという利点があ
る。

【０２５５】

【発明の効果】以上説明したように、請求項１の発明に
よれば、動的システムを励振させる手段を設けたため、
外部外乱が小さいときでも制御出力を大きくすることが
でき、これにより、故障やタイヤ空気圧変動を高精度に
診断できるという効果が得られる。

【０２５６】さらに、上記請求項１の発明では、動的シ
ステムの内部状態量と無相関の信号で動的システムを励
振させるようにしたので、外部外乱を入力として利用す
る場合と比べて、故障検出の精度を常に高精度に維持で
きるという効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る動的システムの診断装置の第１の
例を示すブロック図である。

【図２】本発明に係る動的システムの診断装置の第２の
例を示すブロック図である。

【図３】本発明に係る車輪とサスペンションとからなる
動的システムの診断装置の第１の例を示すブロック図で
ある。

【図４】本発明に係る車輪とサスペンションとからなる
動的システムの診断装置の第２の例を示すブロック図で
ある。

【図５】第１実施の形態に用いられる外乱の近似法を示
す曲線図である。

【図６】第１実施の形態の診断対象となる自動車のサス
ペンションシステムの概略説明図である。

【図７】図６に示すサスペンションモデルを診断対象と
する第１実施の形態における第１態様の診断装置を示す
ブロック図である。

【図８】第１実施の形態における第２態様の診断装置を
示すブロック図である。

【図９】第１実施の形態における第３態様の診断装置を
示すブロック図である。

【図１０】アクティブサスペンションと車輪とを含む動
的システムの概略説明図である。

【図１１】図１０に示す動的システムを診断対象とする
本発明の第２実施の形態の診断装置のブロック図であ
る。

【図１２】従来のサスペンションと、車輪とを含む動的
システムの概略説明図である。

【図１３】図１２に示す動的システムを診断対象とする
本発明の第４実施の形態の診断装置のブロック図であ
る。

【図１４】第１の実施の形態の最小次元オブザーバのブ
ロック図である。

【図１５】第４の実施の形態に係る車両の力学的モデル
を示す図である。

【図１６】図１５の車両の力学的モデルを回転軸換算し
た等価モデルを示す図である。

【図１７】本発明の第４の実施の形態に係る診断装置の
構成を示すブロック図である。

【図１８】第４の実施の形態に係る診断装置（タイヤ空
気圧診断の例）の処理の流れを示すフローチャートであ
る。

【図１９】第４の実施の形態に係る動的システムにおけ
る、正常時と故障時の振動特性の違いを示す図である。

【図２０】第４の実施の形態に係る動的システムのブレ
ーキ力制御手段の構成を示すブロック図である。

【図２１】第４の実施の形態に係る動的システムのブレ
ーキ力制御手段の励振指令生成部の構成を示すブロック
図である。

【図２２】第４の実施の形態に係る診断装置のＦＦＴ演
算部及び振動特性検出部の処理を図解した図である。

【符号の説明】

１０ 動的システム ３０ 診断装置 ３２ 外乱オブザーバ ３４ 相関演算部 ３６ 診断部 ３８ 故障特定部 ７０ 相互相関演算部 ７２ 正規化部 ７４ 自己相関演算部 ７６ メモリ ７８ 異常判定部 ８０ 減衰器定数補償部 ｕ 制御入力ベクトル ｄ 励振外乱ベクトル ｙ 制御出力ベクトル ｘ 状態量ベクトル

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 小野 英一 愛知県愛知郡長久手町大字長湫字横道41番 地の１株式会社豊田中央研究所内 (72)発明者 菅井 賢 愛知県愛知郡長久手町大字長湫字横道41番 地の１株式会社豊田中央研究所内 (72)発明者 山口 裕之 愛知県愛知郡長久手町大字長湫字横道41番 地の１株式会社豊田中央研究所内

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 動的システムの故障を検出する動的シス
   テムの診断装置において、 前記動的システムの内部状態量ベクトルと相関の無い励
   振信号で前記動的システムを励振させる励振手段と、 少なくとも前記励振手段により励振された動的システム
   の応答出力ベクトルに基づいて、動的システム内の故障
   により発生する内部外乱ベクトル及び励振により動的シ
   ステムで発生する励振外乱ベクトルの和としての総合的
   外乱ベクトルを推定する外乱推定手段と、 推定された前記総合的外乱ベクトルと前記内部状態量ベ
   クトルとの相互相関を演算し、前記総合的外乱ベクトル
   から内部外乱に関連する成分を分離する相関演算手段
   と、 前記相関演算手段により分離された内部外乱に関連する
   成分に基づいて前記動的システムの故障箇所の診断を行
   う診断手段と、 を備えたことを特徴とする動的システムの診断装置。