(57)【要約】【課題】高速化する鉄道車両で近年問題となっている空力外乱力に対して、高い制振効果を与えることが可能な鉄道車両の振動制御装置及び鉄道車両の振動制御方法を提供する。【解決手段】鉄道車両の車体１と台車２との間に設置されたアクチュエータ６と、車体の振動を検知するセンサ１１と、センサ１１の検知結果に基づいて、車体１の振動を抑えるようにフィードバック制御を行うためのフィードバック信号を生成するフィードバック制御器１３と、センサ１１の検知結果に基づいて、車体１に加えられた外乱力を推定する外乱力推定オブザーバ１４ａと、外乱力推定オブザーバ１４ａにより推定された外乱力に基づいて、当該外乱力を打ち消すようにフィードフォワード制御を行うためのフィードフォワード信号を生成するフィードフォワード制御器１５と、フィードバック信号とフィードフォワード信号とに基づいて、アクチュエータ６を駆動するアクチュエータ駆動用ハードウェア３０とを備える。【選択図】図１
2012011860.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
鉄道車両の車体と台車との間に設置されたアクチュエータと、
前記車体の振動を検知するセンサと、
前記センサの検知結果に基づいて、前記車体の振動を抑えるようにフィードバック制御を行うためのフィードバック信号を生成する第１制御部と、
前記センサの検知結果に基づいて、前記車体に加えられた外乱力を推定する外乱力推定オブザーバと、
前記外乱力推定オブザーバにより推定された外乱力に基づいて、当該外乱力を打ち消すようにフィードフォワード制御を行うためのフィードフォワード信号を生成する第２制御部と、
前記第１制御部により生成されたフィードバック信号と前記第２制御部により生成されたフィードフォワード信号とに基づいて、前記アクチュエータを駆動する駆動部と、
を備えることを特徴とする鉄道車両の振動制御装置。
【請求項２】
前記鉄道車両の車両情報を検出する車両情報検出部と、
前記車両位置検出部により検出された車両情報に基づいて、予め設定された複数の外乱力推定モデルの中から１つを選択する選択部とを備え、
前記外乱力推定オブザーバは、前記選択部により選択された外乱力推定モデルと前記センサの検知結果とに基づいて、前記車体に加えられた外乱力を推定することを特徴とする請求項１記載の鉄道車両の振動制御装置。
【請求項３】
前記車両情報検出部は、前記鉄道車両の車両情報として、自車両の現在の走行位置、自車両の現在の走行速度、所定ポイントの通過予想時刻、自車両とすれ違う他の車両の車両情報、及びダイヤ情報のうち少なくとも一つを検出することを特徴とする請求項２記載の鉄道車両の振動制御装置。
【請求項４】
前記選択部は、前記複数の外乱力推定モデルの１つとして、ステップ外乱力による外乱力推定モデルを予め設定することを特徴とする請求項２又は請求項３記載の鉄道車両の振動制御装置。
【請求項５】
前記選択部は、前記複数の外乱力推定モデルの１つとして、１以上の正弦波外乱力による外乱力推定モデルを予め設定することを特徴とする請求項２乃至請求項４のいずれか１項記載の鉄道車両の振動制御装置。
【請求項６】
鉄道車両の車体の振動を検知するセンサの検知結果に基づいて、前記車体の振動を抑えるようにフィードバック制御を行うためのフィードバック信号を生成する第１制御ステップと、
前記センサの検知結果に基づいて、外乱力推定オブザーバが前記車体に加えられた外乱力を推定する推定ステップと、
前記推定ステップにおいて前記外乱力推定オブザーバにより推定された外乱力に基づいて、当該外乱力を打ち消すようにフィードフォワード制御を行うためのフィードフォワード信号を生成する第２制御ステップと、
前記第１制御ステップにより生成されたフィードバック信号と前記第２制御ステップにより生成されたフィードフォワード信号とに基づいて、前記車体と台車との間に設置されたアクチュエータを駆動する駆動ステップと、
を備えることを特徴とする鉄道車両の振動制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、車体振動の抑制に適した鉄道車両の振動制御装置及び鉄道車両の振動制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、車体に発生する各種の振動を抑制するための振動制御装置が鉄道車両に搭載されている。このような振動制御装置は、鉄道車両の車体に発生する振動を抑制する方法として、車体と台車との間に振動方向に合わせてアクチュエータを配置し、センサで測定した車体振動をフィードバックし、車体振動と概ね逆位相の制御力をアクチュエータで発生させる方法を一般的に採用している。
【０００３】
図１０は、一般的な鉄道車両のアクティブ振動制御装置の構成を示す。図１０に示す鉄道車両は、車輪３によりレール５上を走行する車両であり、車体１と台車２との間に振動制御用の車体−台車間アクチュエータ６、左右方向の車両サスペンション４−１、及び上下方向の車両サスペンション４−２を備えている。
【０００４】
走行中における車体１は、軌道の不正による台車２に対する外乱力５１や、高速走行によって生じる空力外乱力等の様々な外乱力を受けて加振される。その際における車体振動は、車体振動検出用加速度センサ１１−１，１１−２によって検出され、制御用ハードウェア１２内の制御演算ブロック２１に構成されたフィードバック制御器１３に入力される。
【０００５】
フィードバック制御器１３は、所定の振動制御アルゴリズムに基づき、入力された車体振動を低減するためのフィードバック制御信号Ｕｆｂを、アクチュエータ駆動用ハードウェア３０に出力する。このフィードバック制御器１３を含む制御演算ブロック２１は、ソフトウェアにより実現が可能である。
【０００６】
アクチュエータ駆動用ハードウェア３０は、例えばサーボドライバや油圧アクチュエータのバルブコントローラ等が想定され、フィードバック制御信号Ｕｆｂに基づいて、車体１に発生した振動を打ち消す力を車体−台車間アクチュエータ６に発生させることにより、発生した車体振動を低減する。
【０００７】
上述した振動制御に用いられる振動制御アルゴリズムとしては、スカイフックダンパ制御、最適状態フィードバック制御（ＬＱ制御）、Ｈ∞制御等のフィードバック制御アルゴリズムが一般的に知られている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開平６−２６３０３２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、上述した振動制御アルゴリズムはいずれも、車体振動が生じてから制御を開始するフィードバック制御であり、車体振動がある程度の大きさになってから初めて制振力を発生するため、軌道の切り替えポイント通過等における衝撃的な軌道不正による外乱に対して、十分な振動低減効果を得にくいという課題がある。
【００１０】
図１１は、従来の鉄道車両の振動制御装置において、ステップ的な外乱力が車体に加わった場合の車体振動と、それに対するフィードバック制御力を模擬的に示す図である。ここでいうステップ的な外乱力とは、例えばトンネル進入時等に車体が受ける衝撃的空力外乱力が想定される。急激な外乱力が生じた場合に、車体の振動はそれよりもやや遅れて大きくなっていき、それに合わせて、フィードバック振動制御力も大きくなるため、振動を十分に抑制しきれない。
【００１１】
このようなフィードバック制御の問題に対し、車体の振動センサ情報から状態推定オブザーバを用いて、軌道不正外乱によって生じた台車振動を推定し、それを直接打ち消すようにフィードフォワード制御を行う鉄道車両の振動制御装置も提案されている。
【００１２】
図１２は、従来の鉄道車両の振動制御装置の構成を示すブロック図であり、特許文献１に記載された装置も同様の構成を有している。図１０に示す振動制御装置と異なる点は、外乱力推定オブザーバ１４とフィードフォワード制御器１５とを備えている点である。
【００１３】
この外乱力推定オブザーバ１４とフィードフォワード制御器１５とは、いずれも制御用ハードウェア１２内の制御演算ブロック２１を構成し、ソフトウェアにより実現が可能である。
【００１４】
外乱力推定オブザーバ１４は、車体振動検出用加速度センサ１１−１，１１−２により検出された車体振動に基づいて台車振動を推定する。また、フィードフォワード制御器１５は、外乱力推定オブザーバ１４により推定された台車振動に基づいて、当該台車振動を打ち消すようにフィードフォワード制御を行うためのフィードフォワード制御信号Ｕｆｆを生成する。
【００１５】
フィードバック制御器１３により生成されたフィードバック信号Ｕｆｂとフィードフォワード制御器１５により生成されたフィードフォワード制御信号Ｕｆｆとは、足し合わされてアクチュエータ駆動用ハードウェア３０に入力される。アクチュエータ駆動用ハードウェア３０は、入力された信号に基づいてフィードバックによる振動制御力とフィードフォワードによる振動制御力とを足し合わせた力を車体−台車間アクチュエータ６に発生させ、レール軌道不正等に起因する衝撃的な外乱力についても効果的に抑制を図る。
【００１６】
図１２に示す鉄道車両の振動制御装置は、予め構成された車体振動モデルと常時測定される車体振動とに基づいて、車体振動検出用加速度センサ１１−１，１１−２が設置されていない台車２における振動を推定し、それを打ち消すようフィードフォワード制御力を発生させ、結果として、軌道の不正に起因する衝撃的な外乱等の台車２から進入する急激な加振力を効果的に低減させている。
【００１７】
しかしながら、近年、鉄道車両の高速化に伴い、鉄道車両の振動として、車両軌道の不正に起因して台車から車体に入力される外乱力等の台車から入力される外乱力よりも、むしろトンネル進入時や列車同士のすれ違い時をはじめとする車体に直接作用する空力的な外乱力の影響が大きくなってきている。
【００１８】
それに対し、図１２に示すような鉄道車両の振動制御装置は、あくまでも軌道不正を対象として台車の振動を推定したフィードフォワード制御を行うため、台車から車体に加わる外乱力は抑制できるが、台車を介さずに直接車体に加えられる空力的な外乱力に対しては、十分な制振効果を得ることができない可能性があるという課題がある。
【００１９】
本発明は上述した従来技術の問題点を解決するもので、高速化する鉄道車両で近年問題となっている空力外乱力に対して、高い制振効果を与えることが可能な鉄道車両の振動制御装置及び鉄道車両の振動制御方法を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００２０】
実施形態の鉄道車両の振動制御装置は、上記課題を解決するために、鉄道車両の車体と台車との間に設置されたアクチュエータと、前記車体の振動を検知するセンサと、前記センサの検知結果に基づいて、前記車体の振動を抑えるようにフィードバック制御を行うためのフィードバック信号を生成する第１制御部と、前記センサの検知結果に基づいて、前記車体に加えられた外乱力を推定する外乱力推定オブザーバと、前記外乱力推定オブザーバにより推定された外乱力に基づいて、当該外乱力を打ち消すようにフィードフォワード制御を行うためのフィードフォワード信号を生成する第２制御部と、前記第１制御部により生成されたフィードバック信号と前記第２制御部により生成されたフィードフォワード信号とに基づいて、前記アクチュエータを駆動する駆動部とを備えることを特徴とする。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】実施例１の形態の鉄道車両の振動制御装置の構成を示すブロック図である。
【図２】実施例１の形態の鉄道車両の振動制御装置における外乱力推定オブザーバの詳細な構成を示すブロック図である。
【図３】従来の鉄道車両の振動制御装置における外乱力推定オブザーバの詳細な構成を示すブロック図である。
【図４】外乱力の形としてステップ波形を想定した場合の波形図である。
【図５】外乱力の形として一定周期の正弦波波形を想定した場合の波形図である。
【図６】実施例１の形態の鉄道車両の振動制御装置における外乱力推定オブザーバによる外乱力推定をシミュレーションした結果を示す波形図である。
【図７】実施例１の形態の鉄道車両の振動制御装置による振動制御力及び車体振動を模式的に示す図である。
【図８】実施例１の形態の鉄道車両の振動制御装置における外乱力推定オブザーバによる外乱力推定の別例をシミュレーションした結果を示す波形図である。
【図９】実施例２の形態の鉄道車両の振動制御装置の構成を示すブロック図である。
【図１０】従来の鉄道車両の振動制御装置の構成を示すブロック図である。
【図１１】従来の鉄道車両の振動制御装置において、ステップ的な外乱力が車体に加わった場合の車体振動と、それに対するフィードバック制御力を模擬的に示す図である。
【図１２】従来の鉄道車両の振動制御装置の構成を示すブロック図の別例である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
以下、本発明の鉄道車両の振動制御装置及び鉄道車両の振動制御方法の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。
【実施例１】
【００２３】
以下、本発明の実施例について図面を参照しながら説明する。図１は、本発明の実施例１の鉄道車両の振動制御装置の構成を示すブロック図である。図１に示すように、本実施例の鉄道車両は、車体１、台車２、車輪３、車体１と台車２との間に設置された左右方向の車両サスペンション４−１、及び上下方向の車両サスペンション４−２により構成され、レール５上を走行する車両である。
【００２４】
本実施例の鉄道車両の振動制御装置は、車体−台車間アクチュエータ６、車体振動検出用加速度センサ１１−１，１１−２、制御用ハードウェア１２、及びアクチュエータ駆動用ハードウェア３０により構成される。また、制御用ハードウェア１２は、例えばコンピュータであり、内部にソフトウェアによる制御演算ブロック２１を有している。この制御演算ブロック２１は、フィードバック制御器１３、外乱力推定オブザーバ１４ａ、及びフィードフォワード制御器１５を有しており、いずれもソフトウェアにより実現が可能である。
【００２５】
すなわち、本実施例の鉄道車両の振動制御装置は、基本的に図１２に示す従来の鉄道車両の振動制御装置と同様の構成を有しており、外乱力推定オブザーバ１４ａの中身のみが異なる。なお、本実施例の鉄道車両の振動制御装置は、対象とする振動の方向として、車体１の水平方向の振動を低減する場合を想定しているが、必ずしも水平方向のみに限定されるものではない。
【００２６】
車体−台車間アクチュエータ６は、本発明のアクチュエータに対応し、車体１と台車２との間に水平方向に配置されている。また、車体振動検出用加速度センサ１１−１，１１−２は、本発明のセンサに対応し、空力外乱力５０が加えられた車体１の振動を検知する。
【００２７】
フィードバック制御器１３は、本発明の第１制御部に対応し、車体振動検出用加速度センサ１１−１，１１−２の検知結果に基づいて、車体１の振動を抑えるようにフィードバック制御を行うためのフィードバック信号Ｕｆｂを生成する。すなわち、フィードバック制御器１３は、所定の振動制御アルゴリズムに基づき、車体−台車間アクチュエータ６に対するフィードバック制御振動を計算し、フィードバック信号Ｕｆｂとして出力する。
【００２８】
外乱力推定オブザーバ１４ａは、車体振動検出用加速度センサ１１−１，１１−２の検知結果に基づいて、車体１に加えられた外乱力を推定する。
【００２９】
フィードフォワード制御器１５は、本発明の第２制御部に対応し、外乱力推定オブザーバ１４ａにより推定された外乱力に基づいて、当該外乱力を打ち消すようにフィードフォワード制御を行うためのフィードフォワード信号Ｕｆｆを生成する。
【００３０】
アクチュエータ駆動用ハードウェア３０は、本発明の駆動部に対応し、フィードバック制御器１３により生成されたフィードバック信号Ｕｆｂとフィードフォワード制御器１５により生成されたフィードフォワード信号Ｕｆｆとに基づいて、車体−台車間アクチュエータ６を駆動する。具体的には、フィードバック制御器１３から出力された振動のフィードバック制御信号Ｕｆｂと、フィードフォワード制御器１５から出力されたフィードフォワード制御信号Ｕｆｆとの和が、アクチュエータ駆動用ハードウェア３０に出力され、車体−台車間アクチュエータ６で発生する駆動力となる。
【００３１】
次に、上述のように構成された本実施の形態の作用を説明する。最初に、フィードバック制御器１３は、車体振動検出用加速度センサ１１−１，１１−２の検知結果に基づいて、車体１の振動を抑えるようにフィードバック制御を行うためのフィードバック信号Ｕｆｂを生成する（本発明の第１制御ステップに対応）。
【００３２】
ここで、フィードバック制御器１３は、振動制御アルゴリズムの一例として、現代制御理論の１つであるＬＱ制御を用いるものとして説明する。制御設計に当り、制御対象となる車体の振動特性を表す公称モデルとして、車体の振動変位、振動速度等の内部状態Ｘに関する下記の状態方程式の形で記述できるものとする。
【数１】
2012011860.tif 000003
【００３３】
ここで、uは制御入力、Ｙはセンサ出力である。これに対し、例えばフィードバック制御器１３の設計では、設計変数として、各状態量の振動低減量の重みづけを設定する配列Ｑおよび各アクチュエータの制御量に対する重み付けを設定する配列Ｒを設定する。そのＱ、Ｒに対し、評価関数Ｊは以下の式で表される。
【数２】
2012011860.tif 000004
【００３４】
この評価関数Ｊを最小とするフィードバック制御器Ｋは、リカッチ方程式の解として１つ算出される。ここで得られたフィードバック制御器Ｋを用いて、フィードバック制御力Ｕｆｂは、以下の式により表される。
【００３５】
Ｕｆｂ＝Ｋ・Ｘ      …（３）
（３）式により、リアルタイムに検出される車体の状態量Ｘに対し、リアルタイムに最適な制御力が算出される。ここで状態量Ｘは、一般的には、車体の振動速度または振動変位等であり、車体振動検出用加速度センサ１１−１，１１−２による加速度センサ信号を積分することにより、容易に得ることができる。また、必要となる全状態量を測定できない場合には、測定できる状態量から、オブザーバを用いて測定できない状態量を推定することが可能である。
【００３６】
一方、外乱力推定オブザーバ１４ａは、車体振動検出用加速度センサ１１−１，１１−２の検知結果に基づいて、車体１に加えられた外乱力を推定する（本発明の推定ステップに対応）。すなわち、外乱力推定オブザーバ１４は、直接、車体に加えられた外乱力を測定する代わりに、（１）式に示す車体の振動特性を表す公称モデルと、車体振動検出用加速度センサ１１−１，１１−２により検出される車体状態量とに基づいて、車体に入力された外乱力をリアルタイムで推定し、フィードフォワード制御器１５に出力する。
【００３７】
ここで、上記の外乱力推定オブザーバ１４ａ内において実施される外乱力推定演算アルゴリズムの一例を式を用いて説明する。鉄道車両においては、上記外乱力ｗを直接測定するセンサを設置することは非常に難しいため、車体の振動等の状態量と車体の振動特性の公称モデルとから、外乱力を推定する。ただし、外乱力を推定するためには、外乱力の動特性を何らかの形で予めモデル化する必要があり、例えば以下に示す（４）式のように、未知の外乱力ｗを、状態方程式の形で仮定する。
【数３】
2012011860.tif 000005
【００３８】
ここで、外乱力の状態モデルにおける係数γ、Ｈは、外乱力の形状によって異なったものとなる。１つの例として、（４）式において、γ＝０、H＝０とすると、以下に示す（５）式のようになり、一定の力が継続するステップ外乱力を想定したモデルとなる。
【数４】
2012011860.tif 000006
【００３９】
また、他の外乱力推定モデルとして、例えば係数γを以下の（６）式のように表した場合には、（７）式が導かれる。
【数５】
2012011860.tif 000007
【００４０】
したがって、未知外乱力ｗは、以下の（８）式で示すような周波数ωの正弦波外乱力を想定したものとなる。
【００４１】
ｗ＝Ａｓｉｎ（ωｔ＋α）  …（８）
このように、未知の外乱力ｗのモデルを予め想定して状態方程式の形で記述すると、車体振動を表す公称モデルの状態方程式と組み合わせた拡大系の状態方程式として、下記の形の拡大モデルが得られる。
【数６】
2012011860.tif 000008
【００４２】
この（９）式による拡大モデルの状態方程式が可観測であれば、状態量Ｘおよび外乱力ｗを同時に推定できる外乱力推定オブザーバ１４は、例えば以下に示す（１０）式の形で設計することができる。
【数７】
2012011860.tif 000009
【００４３】
ここで、Ｘｓ、ｗｓは、それぞれ推定された状態量及び外乱力である。Ｌ１，Ｌ２はオブザーバゲインであり、上記のオブザーバが可安定になるように値を設計できる。
【００４４】
図２は、本実施例の鉄道車両の振動制御装置における外乱力推定オブザーバ１４ａの詳細な構成を示すブロック図である。ただし、Ｄ行列は、検出したい状態量に応じて使用したりしなかったりするため、図２においてはＤを０とし、その記載を省略している。図２に示すように構成することにより、外乱力推定オブザーバ１４ａは、車体振動検出用加速度センサ１１−１，１１−２により出力された車体の状態検出量Ｙに基づき、車体に加えられた未知外乱力wをリアルタイムに推定する。
【００４５】
なお、本実施例の外乱力推定オブザーバ１４ａは、車体１に加えられた外乱力を推定するという本発明に特有な機能を備えているので、図１２の従来装置が備えていた外乱力推定オブザーバ１４と対比する形で詳細に説明する。
【００４６】
図３は、従来の鉄道車両の振動制御装置における外乱力推定オブザーバの詳細な構成を示すブロック図である。まず、従来装置の外乱力推定オブザーバ１４は、上述したように台車振動Ｚ１，Ｚ２を推定するものである。また従来装置のフィードフォワード制御器１５は、外乱力推定オブザーバ１４により推定された台車振動に基づいて、台車に対する外力ｗ１，ｗ２を算出し、当該台車振動を打ち消すようにフィードフォワード制御を行う。すなわち、外乱力ｗ１，ｗ２は、台車振動Ｚ１，Ｚ２に基づいて間接的に推定される。
【００４７】
ここで、鉄道車両の左右振動Ｘ、ローリング振動θ、車体前後台車のアクチュエータ力ｕ１，ｕ２、外乱力ｗ１，ｗ２とし、車両の振動特性は、下記のモデル（（１１）式）で表されるとする。
【数８】
2012011860.tif 000010
【００４８】
このモデルは、理論的には車両の諸元に基づき、理論モデル構築が可能である。ただし、上記モデルの状態量として、車体の振動のみであり、台車部分のモデル化がされていないため、台車から加わる衝撃外乱に対して制御がうまくいかない。外乱力ｗ１，ｗ２は不明であるが、台車振動Ｚ１，Ｚ２及び白色外乱ζを用いて（１２）式のように仮定し、拡張状態方程式を構築すると（１３）式のようになる。
【数９】
2012011860.tif 000011
【００４９】
（１３）式に対し外乱力推定オブザーバ１４を設計し、測定していない台車振動Ｚ１，Ｚ２を推定する。フィードフォワード制御器１５は、外乱力推定オブザーバ１４により推定された台車振動Ｚ１，Ｚ２に基づいて、（１２）式を用いることにより外乱力ｗ１，ｗ２を算出する。
【００５０】
一方、本実施例における外乱力推定オブザーバ１４ａは、車体振動検出用加速度センサ１１−１，１１−２の検知結果に基づいて、車体１に加えられた空力外乱力ｗ１，ｗ２を直接的に推定する。
【００５１】
ここで、鉄道車両の左右振動Ｘ、ローリング振動θ、車体前後台車のアクチュエータ力ｕ１，ｕ２、空力外乱力ｗ１，ｗ２とし、車両の振動特性は、（１１）式のモデルで表されるとする。このモデルは、理論的には車両の諸元に基づき、理論モデル構築が可能である。
【００５２】
空力外乱力ｗ１，ｗ２のモデルは、外乱力のシステムが不明なため、本実施例では以下に示す（１４）式で表されるものと仮定する。
【数１０】
2012011860.tif 000012
【００５３】
（１４）式の形で外乱力推定モデルを仮定すると、（１１）式による車両の振動モデルは、状態量としてＸ，θ以外に、空力外乱力ｗ１，ｗ２を含んだ（１５）式の状態方程式の形に拡張変形できる。
【数１１】
2012011860.tif 000013
【００５４】
本実施例における外乱力推定オブザーバ１４ａは、（１５）式を用いて車体１に加えられた空力外乱力ｗ１，ｗ２を直接的に推定する。なお、（１４）式の外乱力推定モデルにおける外乱力ｗ１，ｗ２の形としてステップ波形を想定した場合には、ＤＷは（１６）式のように選定される。
【数１２】
2012011860.tif 000014
【００５５】
図４は、外乱力の形としてステップ波形を想定した場合の波形図である。
【００５６】
また、（１４）式の外乱力推定モデルにおける外乱力ｗ１，ｗ２の形として一定周期（ωｉ）の正弦波波形を想定した場合には、ＤＷは（１７）式のように選定される。
【数１３】
2012011860.tif 000015
【００５７】
図５は、外乱力の形として一定周期の正弦波波形を想定した場合の波形図である。
【００５８】
すなわち、本実施例における外乱力推定オブザーバ１４ａは、ＤＷ１１〜ＤＷ２２を変えることにより、様々な外乱力パターンに対応することができ、車体１に加えられた空力外乱力ｗ１，ｗ２を直接的に推定することができる。
【００５９】
外乱力推定オブザーバ１４ａにより空力外乱力ｗ１，ｗ２が推定されると、本実施例のフィードフォワード制御器１５は、外乱力推定オブザーバ１４ａにより推定された外乱力に基づいて、当該外乱力を打ち消すようにフィードフォワード制御を行うためのフィードフォワード信号Ｕｆｆを生成する（本発明の第２制御ステップに対応）。
【００６０】
すなわち、フィードフォワード制御器１５は、外乱力推定オブザーバ１４ａで推定された外乱力に対し、それをちょうど相殺するか、または極力低減するように、車体−台車間アクチュエータ６から車体に加えるべきフィードフォワード制御力Ｕｆｆを算出する。
【００６１】
なお、推定された状態量ｗに対し、各アクチュエータによってそれを打ち消すようにフィードフォワード制御力を算出する方法の一例を示す。簡単に、車体の振動モデルの公称モデルとして、車体の重心変位および回転の２自由度を考慮したモデルを用いる場合、未知外乱力ｗは、以下に示す（１８）式の形で推定されるものとする
ｗ＝［Ｆｓ、Ｗｓ］    …（１８）
ここでＦｓは車体１の重心に生じる力、Ｗｓは重心に生じるモーメント力である。これを、フィードフォワード制御器１５にて、車体の前方台車および後方台車の２台のアクチュエータにて打ち消す場合、車体の前方台車、および、後方台車に配置された制振装置から車体に加えるべき力をそれぞれＵ１ＦＦ、Ｕ２ＦＦとし、以下のように設定するものとする。
【００６２】
Ｕ１ＦＦ＝Ｗｓ／２＋Ｗｓ×Ｌ２／（Ｌ１＋Ｌ２）    …（１９）
Ｕ２ＦＦ＝Ｗｓ／２＋Ｗｓ×Ｌ１／（Ｌ１＋Ｌ２）    …（２０）
フィードフォワード制御器１５は、（１９）式、（２０）式のように設定することにより、車体に対する外乱力ｗを直接アクチュエータ力で打ち消すことが可能となる。ここでＬ１、Ｌ２は、車体重心から前方、後方のアクチュエータ位置までの距離である。
【００６３】
最終的に、フィードバック制御器１３から出力された振動のフィードバック制御信号Ｕｆｂと、フィードフォワード制御器１５から出力されたフィードフォワード制御信号Ｕｆｆの和が、アクチュエータ駆動用ハードウェア３０に出力され、車体−台車間アクチュエータ６で発生する駆動力となる。
【００６４】
すなわち、アクチュエータ駆動用ハードウェア３０は、フィードバック制御器１３により生成されたフィードバック信号Ｕｆｂとフィードフォワード制御器１５により生成されたフィードフォワード信号Ｕｆｆとに基づいて、車体−台車間アクチュエータ６を駆動する（本発明の駆動ステップに対応）。
【００６５】
本実施例の鉄道車両の振動制御装置は、以上の動作により、外乱力推定オブザーバ１４ａがリアルタイムに車体１に対する外乱力wを推定し、それを打ち消すフィードフォワード力Ｕｆｆを車体−台車間アクチュエータ６から車体１に加えるので、急激な外乱力が車体１に加わった場合でも、車体１が大きく振動する前に車体１の揺れを抑えるように逆方向の力が加えられることで車体１に生じた外乱力が打ち消され、車体１が大きく振動する前に振動発生を抑制することが可能となる。
【００６６】
上述のとおり、本発明の実施例１の形態に係る鉄道車両の振動制御装置及び鉄道車両の振動制御方法によれば、高速化する鉄道車両で近年問題となっている空力外乱力に対して、高い制振効果を与えることができる。すなわち、図１２に示すような従来の鉄道車両の振動制御装置が軌道不正を対象として台車２の振動を推定したフィードフォワード制御を行うため、台車２を介さずに直接車体１に加えられる空力的な外乱力に対しては十分な制振効果を得ることができないのに対し、本実施例の鉄道車両の振動制御装置は、車体１に加えられる空力外乱力を直接的に推定するので、空力外乱力に起因する振動を十分に抑制することができる。
【００６７】
図６は、本実施例の鉄道車両の振動制御装置における外乱力推定オブザーバ１４ａによる外乱力推定をシミュレーションした結果を示す波形図である。ただし、この場合における外乱力推定オブザーバ１４ａは、外乱力推定用のモデルとしてステップ外乱力を設定し、（５）式の形としたものを想定している。図６に示す波形図は、車両の振動を２自由度振動モデルで仮定し、上記手法にて外乱力推定オブザーバ１４ａを設け、実際の外乱力と推定値とを比較したシミュレーション結果である。図６に示すように、外乱力推定モデルの形と実際の入力外乱とが一致しているので、本実施例の外乱力推定オブザーバ１４ａは、良好に外乱力を推定することが分かる。
【００６８】
図７は、本実施例の鉄道車両の振動制御装置による振動制御力及び車体振動を模式的に示す図である。図１１に示す従来装置の場合に比して、推定された外乱力を打ち消す力をフィードフォワード制御力として加えているため、本実施例の鉄道車両の振動制御装置は、車体振動が大きくなる前から大きな振動制御力を発生することができ、振動抑制に多大な効果を期待できる。
【００６９】
以上から、本実施例の鉄道車両の振動制御装置は、予め設定された外乱力推定モデルと実際の外乱とが概ね一致している場合に、高精度に外乱力を推定でき、この推定した情報に基づいてフィードフォワード制御し、急激な外乱力に対しても、高い振動低減効果が期待できる。
【００７０】
ただし、予め設定された外乱力推定モデルと実際の外乱とが一致していない場合には、適切な推定が困難な場合もある。図８は、本実施例の鉄道車両の振動制御装置における外乱力推定オブザーバ１４ａによる外乱力推定の別例をシミュレーションした結果を示す波形図である。図８に示す波形は、外乱力推定オブザーバ１４ａが外乱力推定用のモデルとしてステップ外乱力を設定しているところ、車体１に入力された外乱力がステップ力ではなく正弦波信号であった場合の推定結果を示している。図８に示すように、推定モデルと異なる外乱力が入った場合には、外乱力推定オブザーバ１４ａは、精度の良い推定を行うことが困難となる。このため、推定結果を利用するフィードフォワード制御器１５は、フィードフォワード制御を適切に行うことができず、振動を低減することができない。
【００７１】
以上から、実施例１に示す手法を用いる場合には、外乱力の推定モデルをいかに実際の外乱力に近い形に設定できるかが、性能の良否を決定する。実際の外乱力と一致した推定モデルを自動的に設定する手法については実施例２において説明する。
【００７２】
なお本実施形態では、車体１の水平方向の振動を対象とした場合について記述したが、特に水平方向の振動のみに限定されない。また、外乱推定オブザーバ１４ａの構成事例として１つの方法を示したが、外乱力を推定する方法として本推定方法に限定されるものではなく、別の推定方法を用いても良い。
【実施例２】
【００７３】
図９は、本発明の実施例２の鉄道車両の振動制御装置の構成を示すブロック図である。図１に示す実施例１の鉄道車両の振動制御装置と異なる点は、制御用ハードウェア１２内に新たに車両位置検出部４０と外乱力推定モデル選定用データテーブル４１とを備えている点である。
【００７４】
車両位置検出部４０は、本発明の車両情報検出部に対応し、鉄道車両の車両情報を検出する。具体的には、車両位置検出手段４０は、常に現在の車両の位置を検出し、車両が現在どの区間にいるかを把握する。
【００７５】
外乱力推定モデル選定用データテーブル４１は、本発明の選択部に対応し、車両位置検出部４０により検出された車両情報に基づいて、予め設定された複数の外乱力推定モデルの中から１つを選択する。具体的には、外乱力推定モデル選定用データテーブル４１は、走行地点毎に想定される外乱力のパターンを記録している。
【００７６】
例えば、外乱力推定モデル選定用データテーブル４１は、区間１の場合にはステップ外乱モデル、区間２の場合には正弦波外乱モデル、といったように区間に対応する外乱力推定モデルをテーブルとして記憶しており、車両位置検出部４０により検出された車両情報に基づいて現在の車両が位置する区間を特定し、その区間に対応する推定モデルを選択して出力する。
【００７７】
外乱力推定オブザーバ１４ｂは、外乱力推定モデル選定用データテーブル４１により選択された外乱力推定モデルと車体振動検出用加速度センサ１１−１，１１−２の検知結果とに基づいて、車体１に加えられた外乱力を推定する。
【００７８】
その他の構成は実施例１と同様であり、重複した説明を省略する。
【００７９】
次に、上述のように構成された本実施の形態の作用を説明する。基本的な作用は実施例１と同様であるが、推定モデルの選定についてのみ異なる。最初に、車両位置検出部４０は、鉄道車両の車両情報を検出し、外乱力推定モデル選定用データテーブル４１に出力する。本実施例の車両位置検出部４０は、鉄道車両の車両情報として位置情報を検出しているが、必ずしも車両情報とは位置の情報に限定されるものではない。例えば、本発明の車両情報検出部は、鉄道車両の車両情報として、自車両の現在の走行位置、自車両の現在の走行速度、所定ポイントの通過予想時刻、自車両とすれ違う他の車両の車両情報、及びダイヤ情報のうち少なくとも一つを検出する。
【００８０】
外乱力推定モデル選定用データテーブル４１は、車両位置検出部４０により検出された車両情報に基づいて、予め設定された複数の外乱力推定モデルの中から１つを選択する。ここで、外乱力推定モデル選定用データテーブル４１は、複数の外乱力推定モデルの１つとして、ステップ外乱力による外乱力推定モデルを予め設定している。また、外乱力推定モデル選定用データテーブル４１は、複数の外乱力推定モデルの１つとして、１以上の正弦波外乱力による外乱力推定モデルを予め設定している。
【００８１】
外乱力推定モデル選定用データテーブル４１は、外乱力推定モデルの設定例として、例えば、区間２のトンネル区間では外乱力推定モデルとしてステップ外乱力モデルを、区間８の直線区間では車体１の共振周波数に相当する正弦波力モデルを、駅構内区間１０ではインパルス外乱力を、といった形でそれぞれの走行区間において想定される外乱力を予め記録している。
【００８２】
外乱力推定オブザーバ１４ｂは、外乱力推定モデル選定用データテーブル４１により選択された外乱力推定モデルと車体振動検出用加速度センサ１１−１，１１−２の検知結果とに基づいて、車体１に加えられた外乱力を推定する。
【００８３】
その他の作用は実施例１と同様であり、重複した説明を省略する。
【００８４】
上述のとおり、本発明の実施例２の形態に係る鉄道車両の振動制御装置及び鉄道車両の振動制御方法によれば、実施例１の効果に加え、位置等の自車両の車両情報に基づいて適切な外乱力推定モデルを選択し、より効果的に振動を低減させることができる。
【００８５】
例えば、車両がトンネル区間を走行している場合、トンネル進入時および脱出時に、車体１が受けるステップ状の大きな瞬間的な外乱力が、車体振動上最も問題となる。しかしながら、本実施例における鉄道車両の振動制御装置は、トンネル区間にいることを予め車両位置検出部４０によって検出し、外乱力推定モデル選定用データテーブル４１がステップ波形を想定した外乱力推定モデルを選択する。
【００８６】
この状態でトンネルに侵入した際、ステップ形状の大きな外乱力が車体１に加わるが、外乱力推定オブザーバ１４ｂは、そのステップ外乱力をリアルタイムに精度良く推定する。これにより、アクチュエータ駆動用ハードウェア３０は、車体−台車間アクチュエータ６を駆動してその外乱力を打ち消す力を車体１に加える。その結果、車体１が大きく揺れる前に車体１への外乱力が相殺され、車体１は、大きな揺れが生じることなくトンネルへの進入が可能となる。
【００８７】
一方、直線区間を走行中における外乱力推定モデルとして、例えば、車体の共振周波数に相当する正弦波外乱力が想定される。直線区間においては、トンネル進入時のような突発的な外乱力が車体１に加わる可能性は少なく、基本的には、車体１の共振周波数に相当する正弦波外乱力が最も車体振動に影響する。
【００８８】
また、車体１の揺れやすい共振周波数が複数（例えば３つ）ある場合には、その複数の正弦波外乱力を足し合わせた推定モデルを設定してもよい。すなわち、外乱力推定モデル選定用データテーブル４１は、複数の外乱力推定モデルの１つとして、複数の正弦波外乱力による外乱力推定モデルを予め設定することもできる。
【００８９】
本実施例では、車体１が直線区間を走行中の外乱力推定モデルとして、外乱力推定モデル選定用データテーブル４１は、車両の共振周波数に一致する正弦波外乱力による外乱力推定モデルを予め設定している。そのため、何らかの原因によって、車体１を共振振動させるような外乱力振動が加わっても、それが精度良く推定され、前もって打ち消されるように力が加えられるため、車体１が共振することなく、常に振動が少ない状態を維持される。
【００９０】
以上、本実施例の鉄道車両の振動制御装置は、予測される外乱力形状を予め区間毎にマッピングし、車両の走行位置に応じて、最も想定される外乱力推定モデルを採用するため、常に車体１への外乱力を精度良く推定し、車両の走行区間によらず振動の発生を抑制することができる。
【００９１】
なお、本実施例におけるマッピングは、あくまでも一例であり、外乱力のパターンも、記述したステップ外乱や正弦波外乱に特に限定する必要はない。
【００９２】
また、例えば自車両と反対方向に進行する車両とすれ違う場合にも、大きな空力外乱を受ける。現在の車両位置情報や相手側の情報等から、すれ違う時刻を予測できれば、その時点にて、すれ違い時の空力外乱力のモデルを予め想定しておけば、すれ違い時の振動を大幅に低減することも可能である。
【００９３】
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
【符号の説明】
【００９４】
１    車体
２    台車
３    車輪
４    車両サスペンション
５    レール
６    アクチュエータ
１１  車体振動検出用加速度センサ
１２  制御用ハードウェア
１３  フィードバック制御器
１４，１４ａ，１４ｂ  外乱力推定オブザーバ
１５  フィードフォワード制御器
２１  制御演算ブロック
３０  アクチュエータ駆動用ハードウェア
４０  車両位置検出部
４１  外乱力推定モデル選定用データテーブル
５０  車体への空力外乱力
５１  台車部へのレール外乱力
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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