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発明の名称 車両用ブレーキシステム
発行国 日本国特許庁(JP)
公報種別 公開特許公報(A)
公開番号 特開2007−118767(P2007−118767A)
公開日 平成19年5月17日(2007.5.17)
出願番号 特願2005−313235(P2005−313235)
出願日 平成17年10月27日(2005.10.27)
代理人 【識別番号】100072051
【弁理士】
【氏名又は名称】杉村 興作
発明者 永井 正夫 / 鎌田 崇義 / 山崎 大生 / 小原 孝則
要約 課題
圧力センサの故障に対応でき、圧力センサを用いずにスライディングモード制御を行い得る車両用ブレーキシステムをもたらすことにある。

解決手段
目標車輪速度と車輪速度との誤差および、目標車輪速度に対する車輪速度の誤差積分値の検出値に基づきスライディングモード制御を行う制御手段9を具え、前記制御手段によって車両の車輪の滑走を制御する車両用ブレーキシステムにおいて、前記車両用ブレーキシステムは、前記目標車輪速度と車輪速度との誤差および誤差積分値の検出値からブレーキシリンダ圧力を推定するロバストVSSオブザーバ10を具え、前記制御手段9は、前記目標車輪速度と車輪速度との誤差および誤差積分値の検出値と、前記ロバストVSSオブザーバ10が求めたブレーキシリンダ圧力の推定値とに基づく全状態フィードバックにより前記スライディングモード制御を行うことを特徴とする、車両用ブレーキシステムである。
特許請求の範囲
【請求項1】
目標車輪速度と車輪速度との誤差および、目標車輪速度に対する車輪速度の誤差積分値の検出値に基づきスライディングモード制御を行う制御手段を具え、
前記制御手段によって車両の車輪の滑走を制御する車両用ブレーキシステムにおいて、
前記車両用ブレーキシステムは、目標車輪速度と車輪速度との誤差および誤差積分値の検出値からブレーキシリンダ圧力を推定するロバストVSSオブザーバを具え、
前記制御手段は、前記目標車輪速度と車輪速度との誤差および誤差積分値の検出値と、前記ロバストVSSオブザーバが求めたブレーキシリンダ圧力の推定値とに基づく全状態フィードバックにより前記スライディングモード制御を行うことを特徴とする、車両用ブレーキシステム。
【請求項2】
前記制御手段の線形状態方程式は、以下の[数1]で表され、
前記ロバストVSSオブザーバは、以下の[数2]〜[数4]で表されることを特徴とする、請求項1記載の車両用ブレーキシステム。
【数1】


【数2】


【数3】


【数4】


ここで、各記号は以下の通りである。
【数5】


【請求項3】
前記車両は、鉄道車両であることを特徴とする、請求項1または2記載の車両用ブレーキシステム。
発明の詳細な説明
【技術分野】
【0001】
この発明は、鉄道車両や自動車等の車両の車輪の滑走を制御する車両用ブレーキシステムに関するものである。
【背景技術】
【0002】
鉄道車両や自動車等の車両のブレーキシステムは、レールや路面と車輪との間の粘着力および、車輪やブレーキディスク等とプレーキ材との間の摩擦力によって車両を制動する。このため、レールや路面と車輪との間の粘着力の変動や、ブレーキ材の摩擦係数の変動等の影響により制動距離にバラつきが生じることが知られている。さらに、鉄道車両のブレーキシステムに一般に用いられている空気圧系や、粘着力特性に非線形性があることも知られており、車輪の滑走を制御する車両用ブレーキシステムの制御系設計は、これらの非線形性やパラメータ変動に対してロバスト(頑健)性を有することが望ましく、かかるロバスト性を有するものとする制御系設計は、本願発明者等が提案している(非特許文献1,非特許文献2参照)ほか、自動車のアンチスキッドブレーキシステム(ABS)の研究においても様々になされている(例えば非特許文献3参照)。
【0003】
ところで、これまで提案された自動車のABSにおけるスライディングモード制御や、本願発明者等が提案している鉄道における滑走制御のスライディングモード制御系では状態変数にブレーキシリンダ圧力が含まれていることから、この圧力を検出しているセンサがフェールした場合に制御性能が劣化する可能性があり、これに対し、ロバスト性を有するオブザーバ等でブレーキシリンダ圧力を推定出来れば、全状態フィードバック制御が出来る利点がある。
【0004】
一方、システムのパラメータ変動や外乱が存在する系でもロバスト性を保障できる推定機構である可変構造系(VSS:Variable Structure System)オブザーバに関しては、野波等が磁気軸受系の制御に適用した例(例えば非特許文献4参照)や、久保等による車間距離制御に関する研究(非特許文献5参照)、ウメルジャンらによるスロットルバルブの制御(非特許文献6参照)等がある。しかし、野波等は、最小次元ロバストVSSオブザーバによる推定手法であり、ウメルジャン等は、簡単なロバスト性を有するVSSオブザーバを適用している。
【0005】
既に述べたように、鉄道車両のブレーキ系には非線形性やパラメータ変動があるため、測定出来ない状態量を推定する際には、ロバスト性を有するオブザーバを用いることが望ましい。しかしながら、鉄道のブレーキ制御技術に適用されるロバストVSSオブザーバに関する研究はこれまでなされていなかった。
【非特許文献1】Hiro-o YAMAZAKI,Masao NAGAI,Takayoshi KAMADA, WHEEL SLIP PREVENTION CONTROL USING SLIDING MODE CONTROL FOR RAILWAY VEHICLES,Proceedings of the 7th International Conference on Motion and Vibration Control St. Louis, Missouri August 8-11 (CD-ROM),(2004-8),123pdf
【非特許文献2】山崎大生,非線形ロバスト制御理論による滑走制御,鉄道総研報告Vol.19,No.5,(2005-5),45-50
【非特許文献3】服部義和,高橋俊道,ブレーキ用車輪速サーボの路面ロバスト性向上,豊田中央研究所R&Dレビュー V0l.34,No.3,(1999),47-54
【非特許文献4】野波健蔵,田宏奇,ロバスト最小次元VSSオブザーバを適用した弾性ロータ・磁気軸受系のスライディングモード制御,機論(C)60-571,(1994),897-905
【非特許文献5】久保博嗣,野波健蔵,VSSオブザーバを用いた自律型ラジコンカーのVSS車間距離制御,機論(C)68-667,(2002),841-847
【非特許文献6】ウメルジャン サウット,ハイレット トフティ,中野和司,電子制御スロットルシステムの同定とロバスト制御,計測自動制御学会論文集,Vol.39,No.12,(2003),1150-1155
【非特許文献7】山崎大生,鎌田崇義,永井正夫, 鉄道車両における滑走制御のための粘着力モデルに関する研究(ビームモデルを用いた検討), 機論 (C) 70-696,(2004),2407-2412
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0006】
この発明は、上述の点に鑑みてなされたもので、ブレーキシリンダ圧力を推定する手法として同一次元ロバストVSSオブザーバを適用することによって、圧力センサの故障にも対応できる車両用ブレーキシステム、さらには圧力センサを用いずにスライディングモード制御を実現するための車両用ブレーキシステムを提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【0007】
上記目的を達成するために、この発明の車両用ブレーキシステムは、目標車輪速度と車輪速度との誤差および、目標車輪速度に対する車輪速度の誤差積分値の検出値に基づきスライディングモード制御を行う制御手段を具え、前記制御手段によって車両の車輪の滑走を制御する車両用ブレーキシステムにおいて、前記車両用ブレーキシステムが、目標車輪速度と車輪速度との誤差および誤差積分値の検出値からブレーキシリンダ圧力を推定するロバストVSSオブザーバを具え、前記制御手段が、前記車輪速度および誤差積分値の検出値と、前記ロバストVSSオブザーバが求めたブレーキシリンダ圧力の推定値とに基づく全状態フィードバックにより前記スライディングモード制御を行うことを特徴としている。
【発明の効果】
【0008】
かかるこの発明の車両用ブレーキシステムにあっては、ロバストVSSオブザーバが、目標車輪速度と車輪速度との誤差および誤差積分値の検出値からブレーキシリンダ圧力を推定し、制御手段が、前記目標車輪速度と車輪速度との誤差および誤差積分値の検出値と、前記ロバストVSSオブザーバが求めたブレーキシリンダ圧力の推定値とに基づく全状態フィードバックによりスライディングモード制御を行って、車両の車輪の滑走を制御する。
【0009】
従って、この発明の車両用ブレーキシステムによれば、圧力センサを用いてスライディングモード制御を行う制御系でのその圧力センサの異常検出やバックアップを有効に行うことが出来、さらには圧力センサを用いずにスライディングモード制御を行う制御系も実現することができる。
【0010】
なお、この発明の車両用ブレーキシステムにおいては、好ましくは、前記制御手段の線形状態方程式は、以下の[数1]で表される。
【数1】


【0011】
また、好ましくは、前記ロバストVSSオブザーバは、以下の[数2]〜[数4]で表される。
【数2】


【0012】
【数3】


【0013】
【数4】


【0014】
ここで、各記号は以下の通りである。
【数5】


【0015】
さらに、この発明の車両用ブレーキシステムにおいては、好ましくは、前記車両は、鉄道車両とされる。
【発明を実施するための最良の形態】
【0016】
以下、本発明の実施の形態を実施例によって、図面に基づき詳細に説明する。ここに、図1は、この発明の車両用ブレーキシステムの一実施例としての鉄道車両用ブレーキシステムの構成を模式的に示す構成図、図2は、その実施例のシステムにおけるスライディングモード制御系を示すブロック線図であり、この実施例の鉄道車両用ブレーキシステムでは、通常の鉄道車両用ブレーキシステムと同様、ブレーキ制御装置1内のブレーキ受量器2が、運転席のコントローラ等からブレーキ指令を受けてブレーキ力を演算し、そのブレーキ力に応じた駆動信号電流を発生させて電空変換弁3を制御し、指令空気圧(パイロット圧)を発生させる。この指令空気圧は中継弁4へ送られて、中継弁4によりその流量を増幅され、さらに滑走防止用の圧力制御弁5により圧力を制御されて、圧縮空気としてブレーキシリンダ6に送られる。この圧縮空気の圧力によりブレーキシリンダ6が駆動されて、制輪子7や図示しないブレーキライニングを車輪8の踏面や図示しないブレーキディスクに押し付け、この押し付け力により発生する摩擦力によって、鉄道車両を制動するブレーキ力が得られる。
【0017】
しかしてこの実施例の鉄道車両用ブレーキシステムでは、圧力制御弁5は、ブレーキ受量器2からの制御信号電流によりその作動を制御され、ブレーキ受量器2は、制御手段としての、図2に示すスライディングモードコントローラ(SMC)9としても作動して、車体速度vと車輪速度vwから得られる目標車輪速度と車輪速度との誤差evと後述のブレーキシリンダ圧力の推定値とに基づき、以下に述べるようにして全状態フィードバックによりスライディングモード制御を行って、空気圧システム11の上記圧力制御弁5を介して鉄道車両12の上記車輪8の滑走を制御する。さらにブレーキ受量器2は、図2に示すロバストVSSオブザーバ10としても作動して、後述の如くブレーキシリンダ圧力を推定し、そのブレーキシリンダ圧力の推定値をSMC9に入力する。
【0018】
すなわち、この実施例の鉄道車両用ブレーキシステムでは、目標車輪速度と車輪速度との誤差および、目標車輪速度に対する車輪速度の誤差積分値のみ検出可能とし、ブレーキシリンダ圧力センサの故障時にも対応できる制御系設計を目指して、上記のようにブレーキシリンダ圧力をロバストVSSオブザーバ10によって推定することとする。
【0019】
先の非特許文献1,2で示されているように、スライディングモード制御系の設計に必要な線形状態方程式は、次式で表される。
【数6】


【0020】
ここで、各記号は以下の通りである。
【数7】


【0021】
次に、まず同一次元オブザーバを考えると、同一次元オブザーバについては次式で示される。
【0022】
【数8】


【0023】
しかしながら、上記の式は線形オブザーバであるため、システムのパラメータ変動や外乱がある場合には推定値は不正確となる。そこで、図3に示す、次のVSSオブザーバを考える。これは、後述のロバストVSSサーバとの比較のためである。
【0024】
【数9】


【0025】
【数10】


【0026】
次に、このような滑走制御系に関して、図4に示す、この実施例のブレーキシステムで用いる以下のロバストVSSオブザーバを考える。
【数11】


【0027】
【数12】


【0028】
【数13】


【0029】
オブザーバの誤差については、リアプノフ関数に基づいた次式を用いて表される。
【数14】


【0030】
【数15】


【0031】
この実施例のブレーキシステムで用いるスライディングモード制御系は、システムの零点を指定し、安定余裕を指定する方法で切換超平面を設計している。
【0032】
【数16】


【0033】
制御入力を以下とする。
【数17】


【0034】
【数18】


【0035】
次に、切換超平面に到達させるための到達則について述べる。到達則はここでは、自由階層法である加速率到達則を用いた。自由階層法は、システムの状態の超平面に到達する時間が短く、優れたロバスト性を持つ制御法であり、制御入力のエネルギも少なく、チャタリング現象の防止も可能な到達則である。加速率到達則を含めた制御則は、以下の式となる。
【数19】


【0036】
【数20】


【0037】
また定数項μ0を設計に反映させないのは、粘着力の変動を外乱として陽に扱い、外乱に対するロバスト性をスライディングモード制御器で保障するためである。かかる制御系のロバスト安定性については、非特許文献1,2で既に述べているのでここでは省略する。
【0038】
次に、この実施例のシステムの動作をシミュレーションした数値計算について示す。数値計算は、財団法人鉄道総合技術研究所が保有するブレーキ性能試験機による制御実験から求めたパラメータを用いて行った。このブレーキ性能試験機は、主軸にレールを模擬した軌条輪、フライホイールおよび主電動機を、また従軸に車輪とブレーキディスクを装備しており、車輪・軌条輪間に散水することでレール湿潤条件における滑走制御試験が可能なもので、主電動機はブレーキ開始速度まで加速するために用い、所定の速度に達した後、ブレーキキャリパで制動力を車輪軸に作用させる。フライホイールは、車両の前後方向の慣性力を模擬している。計算条件は以下の表1のような設定とし、粘着モデルはビームモデルを用いた。また、ビームモデルに用いる粘着係数は、ブレーキ試験機で得られた粘着モデルを用い(非特許文献7参照)、これにランダムノイズを加算し、粘着の変動を模擬して計算した。なお、すべての粘着条件はレール湿潤条件を模擬している。
【0039】
【表1】


【0040】
ブレーキ材の摩擦係数の変化は、速度に依存して変化するものとした。ブレーキ条件は、ブレーキシリンダ圧力を460kPa,初速度130km/hからの停止ブレーキとした。
【0041】
VSSオブザーバとロバストVSSオブザーバの設計パラメータは以下の通りに設計した。
【数21】


【0042】
VSSオブザーバの境界層厚さε1は、ブレーキシリンダ圧力の制御公差を考慮した数値とした。また、ロバストVSSオブザーバの境界層ε0は、オブザーバにロバスト性が高いことを考慮した結果であり、ロバストVSSオブザーバの設計におけるスカラρは、バルブ動作がON/OFFで動作精度が低いためである。
【0043】
スライディングモード制御系設計のために必要なパラメータは以下の表2の通りである。ただし、圧力は絶対圧力で表記している。
【0044】
【表2】


【0045】
【数22】


【0046】
また、[数10]の制御則ではε=0.1とし、[数19]の到達則の各パラメータは、非特許文献1等で述べた到達時間が短く、良好な制御性能が得られる以下の数値とした。
【数23】


【0047】
上述した計算の結果を図5〜図7に示す。図5は、ブレーキシリンダ圧力が直接測定出来る場合における全状態フィードバックのスライディングモード制御の結果であり、図6は、VSSオブザーバによって推定したブレーキシリンダ圧力を用いた全状態フィードバックによるスライディングモード制御の結果である。図6から、推定したブレーキシリンダ圧力はノイズのような誤差が発生している様子がわかるものの、目標車輪速度に追従する効果は得られている。図7は、ロバストVSSオブザーバによって推定したブレーキシリンダ圧力を用いた全状態フィードバックによるスライディングモード制御の結果である。
【0048】
計算結果から得た、初速度130.1km/hにおける停止ブレーキ距離を比較すると、以下の表3になる。
【0049】
【表3】


【0050】
この表3から、ブレーキ距離の平均値で評価すると、ブレーキシリンダ圧力を計測する全状態フィードバックの場合と比較して、VSSオブザーバによる制御は約31m延伸している。ロバストVSSオブザーバの場合におけるブレーキ距離の延伸は約4mとブレーキ性能の劣化が小さいことがわかる。また、ブレーキ距離のばらつきもVSSオブザーバに比べてロバストVSSオブザーバの場合は小さくなっていることから、圧力センサを用いないスライディングモード制御を実現するには、ロバストVSSオブザーバによる全状態推定フィードバックスライディングモード制御とすることがよいと言える。
【0051】
以上、図示例に基づき説明したが、この発明は上述の例に限定されるものでなく、特許請求の範囲の記載範囲内で適宜変更し得るものであり、例えば、この発明の車両用ブレーキシステムは、自動車用ブレーキシステムにも適用することができる。
【0052】
【数24】


【産業上の利用可能性】
【0053】
かくして、この発明の車両用ブレーキシステムによれば、圧力センサの故障にも対応できる車両用ブレーキシステム、さらには圧力センサを用いずにスライディングモード制御を行い得る車両用ブレーキシステムをもたらすことができる。
【図面の簡単な説明】
【0054】
【図1】この発明の車両用ブレーキシステムの一実施例としての鉄道車両用ブレーキシステムの構成を模式的に示す構成図である。
【図2】上記実施例の鉄道車両用ブレーキシステムにおけるスライディングモード制御系を示すブロック線図である。
【図3】上記実施例の鉄道車両用ブレーキシステムに用いたロバストVSSオブザーバと対比するVSSオブザーバの構成を示すシステム図である。
【図4】上記実施例の鉄道車両用ブレーキシステムに用いたロバストVSSオブザーバの構成を示すシステム図である。
【図5】上記実施例の鉄道車両用ブレーキシステムの動作を、ロバストVSSオブザーバによるブレーキシリンダ圧力の推定値の代わりに計測値を用いてシミュレーションした数値計算の結果を示す特性線図である。
【図6】上記実施例の鉄道車両用ブレーキシステムの動作を、ロバストVSSオブザーバによるブレーキシリンダ圧力の推定値の代わりにVSSオブザーバによるブレーキシリンダ圧力の推定値を用いてシミュレーションした数値計算の結果を示す特性線図である。
【図7】上記実施例の鉄道車両用ブレーキシステムの動作を、本来のロバストVSSオブザーバによるブレーキシリンダ圧力の推定値を用いてシミュレーションした数値計算の結果を示す特性線図である。
【符号の説明】
【0055】
1 ブレーキ制御装置
2 ブレーキ受量器
3 電空変換弁
4 中継弁
5 圧力制御弁
6 ブレーキシリンダ
7 制輪子
8 車輪
9 スライディングモードコントローラ(SMC)
10 ロバストVSSオブザーバ
11 空気圧システム
12 鉄道車両




 

 


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