JP5215610B2 - 鉄道車両の車体傾斜制御システム - Google Patents
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Description
空気バネ高さ制御においては、空気バネに入る空気質量流量が操作対象で、空気バネ高さが制御対象である。空気質量流量を入力とし、空気バネ高さを出力とした場合の伝達特性が仮に2次系であるならば、PID制御における微分制御(D制御)が数式1の減衰項に相当し、空気バネ高さ指令値に対する空気バネ高さ実績値の変動を抑制することができる。即ち、空気質量流量を1回時間積分した物理量が減衰に寄与することとなる。
q:補助空気室から空気バネに入る空気質量流量[kg/s]
Pa:空気バネ内圧力[Pa]
Pb:補助空気室内圧力[Pa]
Z:空気バネ高さ
Zcmd:空気バネ高さ指令値
K1,K2,K3,K4,K5:定数(ゲイン)
s:ラプラス演算子
即ち、実際の車体傾斜制御システムでは、空気バネへの空気質量流量を入力とし、空気バネ高さを出力とした伝達特性は、積分器(1/s)が3つ介在する3次系である。よって、PID制御を適用しても、PID制御における微分制御は減衰効果を付与するものにはならず、車体を傾斜させて曲線を通過する際の車体の上下振動やロール振動を効果的に減衰させることはできない。
図1は本発明の第1実施形態に係る車体傾斜制御システムを搭載した鉄道車両1を示す概略図である。図1に示すように、鉄道車両1は、乗客が搭乗する車体2と、車輪4を有する台車3と、車体2と台車3との間に介設された進行方向に対して左右一対の空気バネ5,6とを備えている。鉄道車両1が走行する線路の曲線区間においては、曲線の外側にあるレール(図示省略)が高くなるようにレール載置面にカント7(高低差)が設けられている。車体2は、コンプレッサー(図示せず)を備えており、そのコンプレッサーからの圧縮空気が空気バネ5,6に供給される構成となっている。
Z:空気バネ高さ
Pa:空気バネ内圧力[Pa]
Wa0:初期空気バネ内空気質量[kg]
Va0:初期空気バネ内容量[m3]
Aa0:初期空気バネ内有効受圧面積[m2]
qi:車体傾斜電磁弁装置から空気バネに入る空気質量流量[kg/s]
q:補助空気室から空気バネに入る空気質量流量[kg/s]
Pb:補助空気室内圧力[Pa]
Wb0:初期補助空気室内空気質量[kg]
P0:初期空気バネ内圧力
n:ポリトロープ指数[-]
Patm:大気圧[Pa]
Ag:空気バネと補助空気室との間の抵抗特性係数[m・s]
空気バネ及び補助空気室の空気流動を模擬したプロセスモデルを初期状態近傍で線形化すると、以下の数式2〜5の基礎式で記述することができる。
q:補助空気室から空気バネに入る空気質量流量[kg/s]
Pa:空気バネ内圧力[Pa]
Pb:補助空気室内圧力[Pa]
Z:空気バネ高さ
Zcmd:空気バネ高さ指令値
K1,K2,K3,K4,K5:定数(ゲイン)
s:ラプラス演算子
図5は、車体傾斜電磁弁装置15A,15B(図3参照)から空気バネに入る空気質量流量を入力とし、空気バネ高さを出力としたときの制御原理を示している。図5に示すように、給排気指令制御部19には、車体傾斜指令演算部22(図3参照)から指令された空気バネ高さ指令値Zcmdと、空気バネ高さ検出センサ11A,11B,12A,12B(図3参照)で検出された空気バネ高さZと、状態推定オブザーバ20A,20B,21A,21B(図3参照)で推定された空気バネ内圧力Pa{^}とが入力されている。(本願明細書において記号{^}は、その直前の記号(この場合はP)の上に^が記載されていることを意味することとする。)
即ち、給排気指令制御部19は、空気バネ高さ検出センサ11A,11B,12A,12B(図3参照)により空気バネ高さ実績値Zを検出しながら、車体傾斜指令演算部22(図3参照)からの空気バネ高さ指令値に基づいて空気バネ5A,5B,6A,6Bに入る空気質量流量qi、つまり、空気バネ5A,5B,6A,6B(図3参照)の高さをフィードバック制御すると共に、状態推定オブザーバ20A,20B,21A,21B(図3参照)で推定された空気バネ内圧力Pa{^}をそのフィードバック制御の入力側に帰還させている。
数式14を見れば分かるように、A−KCの固有値(複素数)を、その実数部分がより負の大きい値(複素左平面のより左側)になるように設定すれば、より早くe(t)→0、即ち、x{^}(t)→x(t)とすることができ、推定速度が向上する。
図8は本発明の第2実施形態に係る車体傾斜制御システム110の信号の流れを説明する示すブロック図である。なお、第1実施形態の図3と共通する部分については同一符号を付して説明を省略している。図8に示すように、車体傾斜制御システム110は、空気バネ内圧力取得手段として、状態推定オブザーバを用いずに、圧力センサ13A,13B,14A,14Bを用いている。即ち、車体傾斜制御装置116の給排気指令制御部19には、圧力センサ13A,13B,14A,14Bで直接検出された空気バネ5A,5B,6A,6Bの内部圧力が入力されている。なお、他の構成は第1実施形態と同様であるため説明を省略する。また、車両の曲線通過時に遠心力に対抗して生じる定常的な左右の空気バネ内圧力の差は、ローパスフィルタで除去するか、又は、静的計算により予め差し引いてから給排気指令制御部19に入力するとよい。
図9は本発明の第1実施形態をシミュレーションした結果を表すボード線図である。図9のボード線図は、空気バネ高さ指令値を入力とし、空気バネ高さ実績を出力とした場合の閉ループ伝達関数特性のボード線図である。図9に示すように、図6のゲインK6を5種類のゲインK61,K62,K63,K64,K65(0=K61<K62<K63<K64<K65)に分けて計算した。例えば、ゲインK6=K63に設定すれば、空気バネの周波数帯域(1Hz以下)において、振幅はゼロに近く共振ピークも発生しておらず、位相も制御可能な程度しか生じていないので良好な減衰効果が得られることが分かる。
2 車体
3(3A,3B) 台車
5,6(5A,5B,6A,6B) 空気バネ
10,110 車体傾斜制御システム
11A,11B,12A,12B 空気バネ高さ検出センサ(空気バネ高さ検出手段)
13A,13B,14A,14B 圧力センサ
15A,15B 車体傾斜電磁弁装置
16,116 車体傾斜制御装置
17A,17B,18A,18B 空気質量流量計(空気流量検出手段)
19 給排気指令制御部(制御手段)
20A,20B,21A,21B 状態推定オブザーバ(推定手段)
Claims (5)
- 台車と車体との間に進行方向に対して左右に対となる空気バネが介設され、前記各空気バネの高さを制御することで車体を傾斜可能とする鉄道車両の車体傾斜制御システムであって、
前記各空気バネの高さを検出する空気バネ高さ検出手段と、
前記空気バネ高さ検出手段により空気バネ高さを検出しながら、与えられた空気バネ高さ指令値に基づいて前記空気バネの高さをフィードバック制御する制御手段と、
前記空気バネの内部圧力を得る空気バネ内圧力取得手段とを備え、
前記制御手段は、前記空気バネ圧力取得手段で得られた空気バネ内圧力を、空気バネ高さの変動に減衰作用を付与するように前記フィードバック制御の入力側に帰還させることを特徴とする鉄道車両の車体傾斜制御システム。 - 前記制御手段は、前記空気バネ圧力取得手段で得られた空気バネ内圧力に所定のゲインを乗じた値を前記空気バネ高さ指令値に負帰還させている請求項1に記載の鉄道車両の車体傾斜制御システム。
- 前記空気バネ内圧力取得手段は、既知の物理量に基づいて空気バネ内圧力を推定する推定手段である請求項1又は2に記載の鉄道車両の車体傾斜制御システム。
- 前記空気バネに給排気される空気質量流量を検出する空気質量流量検出手段をさらに備え、
前記推定手段は、鉄道車両の停止時における空気バネ内圧力である初期空気バネ内圧力と、前記空気質量流量検出手段で検出される空気流量と、前記空気バネ高さ検出手段で検出される空気バネ高さと、に基づいて空気バネ内圧力を推定する請求項3に記載の鉄道車両の車体傾斜制御システム。 - 前記空気バネの内部圧力を検出する圧力センサをさらに備え、
前記初期空気バネ内圧力は、鉄道車両の停止時に前記圧力センサにより検出された圧力値である請求項4に記載の鉄道車両の車体傾斜制御システム。
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