サスペンション制御装置
【課題】 ばね上の振幅の大きさに応じて利得を調整して、フワフワ感とヒョコヒョコ感の抑制を両立させる。
【解決手段】 ばね上加速度センサ７と積分器１０によって、ばね上速度ｙnを検出する。スケジューリングパラメータ演算器１３は、ばね上速度ｙnの大きさに基づいてスケジューリングパラメータｐを算出する。ゲインスケジュールドＨ∞制御器１６は、ばね上速度ｙnとスケジューリングパラメータｐとに基づいて、目標減衰力ｕrの利得を調整する。これにより、フワフワ感とヒョコヒョコ感の抑制を両立させることができる。
【解決手段】 ばね上加速度センサ７と積分器１０によって、ばね上速度ｙnを検出する。スケジューリングパラメータ演算器１３は、ばね上速度ｙnの大きさに基づいてスケジューリングパラメータｐを算出する。ゲインスケジュールドＨ∞制御器１６は、ばね上速度ｙnとスケジューリングパラメータｐとに基づいて、目標減衰力ｕrの利得を調整する。これにより、フワフワ感とヒョコヒョコ感の抑制を両立させることができる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば自動車等の車両に搭載され、車両の振動を制御するサスペンション制御装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、自動車等の車両に搭載されたサスペンション制御装置として、車体と各車軸との間に減衰力を調整可能な制御ダンパ（緩衝器）を設けると共に、制御器を用いて制御ダンパによる減衰力特性を調整する構成としたものが知られている（例えば、特許文献１〜３、非特許文献１参照）。
【０００３】
特許文献１には、スカイフック理論に基づいて制御ダンパの減衰力を調整すると共に、ばね上の振動の周波数と振幅の大きさに応じて制御器の利得（ゲイン）を調整する構成が開示されている。特許文献２，３には、振動周波数毎に利得が異なるＨ∞制御器を用いて制御ダンパの減衰力を調整する構成が開示されている。非特許文献１には、車両の操縦安定性を向上させるために、ロバストゲインスケジュールド制御器を用いて制御ダンパの減衰力を調整する構成が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００５−２５５１５２号公報
【特許文献２】特開２０００−１４８２０８号公報
【特許文献３】特開２００９−２８００２２号公報
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】高橋正樹、熊丸誉、吉田和夫，「操舵による車体挙動を考慮した自動車用セミアクティブサスペンションの総合的制御系設計」，日本機械学会論文集，Ｃ編，２００８年８月，第７４巻，第７４４号，ｐ．２０１５−２０２２
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで、一般的にサスペンション制御装置を用いて良い乗り心地を実現するためには、ばね上の振動周波数と振幅の大きさにより、制御器の利得を切り換える必要がある。具体的には、ばね上共振付近の周波数領域での振動（以下、フワフワ感という）が小さいときには、ばね上共振とばね下共振間の周波数領域での振動（以下、ヒョコヒョコ感という）を抑制するために制御器の利得を小さくし、フワフワ感が大きいときには、フワフワ感を抑制するために制御器の利得を大きくする必要がある。また、フワフワ感およびヒョコヒョコ感をもっと抑えたいという要望には、制御器の利得をもっと上げたり、下げたりするために、制御ゲインの調整をリアルタイムに行わなければならない。
【０００７】
例えばスカイフック理論に基づく制御では、全ての周波数領域で同じ利得となるため、フワフワ感の抑制効果はあるものの、ヒョコヒョコ感の抑制効果はない。これに対し、特許文献１に記載されたサスペンション制御装置では、ばね上振動等に基づいて路面状況を判定し、この判定結果に基づいて制御器の利得を調整している。このため、路面判定の方法をチューニングすることによって、ヒョコヒョコ感の抑制も可能である。しかし、このような制御効果を得るためには、様々な路面を走行して、その都度、路面判定のチューニングを行う必要があり、工数が多くかかる。これに加え、未走行の路面に関しては、必ずしも制御効果が得られるとは限らないという問題がある。
【０００８】
一方、特許文献２，３のように、Ｈ∞制御器を用いる場合には、周波数毎に利得を異ならせることができるから、フワフワ感付近の周波数領域では利得を高くし、ヒョコヒョコ感付近の周波数領域では利得を低くすることができる。しかし、フワフワ感付近の周波数領域とヒョコヒョコ感付近の周波数領域では位相が異なり、制御タイミングにずれが生じる。これに加え、ばね上の振幅の大きさに対してはＨ∞制御器の利得は変わらないため、同じ周波数の振動に対してもっと利得を上げたい、下げたい等の要望には応えることができず、フワフワ感およびヒョコヒョコ感の抑制を両立させることが難しい。また、Ｈ∞制御器に対して利得の大きさを勝手に変更した場合、Ｈ∞制御理論に基づいて補償された制御性能が失われてしまうという問題もある。
【０００９】
さらに、非特許文献１には、ロバストゲインスケジュールド制御器を用いて制御ダンパの減衰力を調整する構成が開示されているが、これは操縦安定性を向上するシステムであり、路面に対する乗り心地は良くならない。
【００１０】
本発明は、上述した従来技術の問題に鑑みなされたもので、本発明の目的は、ばね上の振幅の大きさに応じて利得を調整することができ、フワフワ感とヒョコヒョコ感の抑制を両立させることができるサスペンション制御装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上述した課題を解決するために、請求項１に係る発明は、車体と車輪との間に介装され、前記車体と前記車輪との間に減衰力を発生させることにより前記車体の振動を抑制するサスペンション制御装置であって、目標減衰力に応じて前記減衰力を発生させる制御ダンパと、前記車体の運動を検出する運動検出手段と、検出された車体運動に基づいて前記目標減衰力を算出するフィードバック制御器とを備え、前記車体および前記制御ダンパに基づく線形システムであって、路面状況に応じて変動する要素を有する線形パラメータ変動システムを構築し、前記フィードバック制御器は、該線形パラメータ変動システムに基づいて設計され、路面外乱および観測ノイズに対してロバスト安定となるロバストゲインスケジュールド制御器によって構成し、前記運動検出手段によって検出された車体運動に基づいて路面状態に応じた変動パラメータを算出する変動パラメータ算出手段を備え、該変動パラメータ算出手段は、前記車体運動としてのばね上速度の大きさを用いて前記変動パラメータを算出し、前記ロバストゲインスケジュールド制御器は、該変動パラメータ算出手段によって算出された変動パラメータに応じて前記目標減衰力の利得を変化させる構成としている。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、ばね上の振幅の大きさに応じて利得を調整して、フワフワ感とヒョコヒョコ感の抑制を両立させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の実施の形態によるサスペンション制御装置を模式的に示す図である。
【図２】図１中のコントローラ等を示すブロック図である。
【図３】図２中のスケジューリングパラメータ演算器を示すブロック図である。
【図４】実施の形態によるゲインスケジュールドＨ∞制御器を設計する一般化プラントを示すブロック図である。
【図５】ばね上加速度に係る周波数重み関数を示す特性線図である。
【図６】バウンスレイト、ピッチレイト、ロールレイト、ピストン速度に係る周波数重み関数を示す特性線図である。
【図７】目標減衰力に係る周波数重み関数を示す特性線図である。
【図８】バウンスレイトの閉ループ系の周波数応答を示す特性線図である。
【図９】ピッチレイトの閉ループ系の周波数応答を示す特性線図である。
【図１０】ロールレイトの閉ループ系の周波数応答を示す特性線図である。
【図１１】パワースペクトラム密度の周波数特性を示す特性線図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、本発明の実施の形態によるサスペンション制御装置を例えば４輪自動車に適用した場合を例に挙げ、添付図面に従って詳細に説明する。
【００１５】
図中、１は車両のボディを構成する車体で、該車体１の下側には、例えば左，右の前輪と左，右の後輪（以下、総称して車輪２という）が設けられ、該車輪２はタイヤ３を含んで構成されている。このとき、タイヤ３は、路面の細かい凹凸を吸収するばねとして作用する。
【００１６】
４は車体１と車輪２との間に介装して設けられたサスペンション装置で、該サスペンション装置４は、懸架ばね５（以下、ばね５という）と、該ばね５と並列になって車体１と車輪２との間に設けられた制御ダンパとしての減衰力調整式ダンパ（以下、ダンパ６という）とにより構成されている。なお、図１中では１組のサスペンション装置４を、車体１と車輪２との間に設けた場合を例示している。しかし、サスペンション装置４は、例えば４輪の車輪２と車体１との間に個別に独立して合計４組設けられるもので、このうちの１組のみを図１では模式的に図示している。
【００１７】
ここで、サスペンション装置４のダンパ６は、例えばセミアクティブダンパ等の減衰力調整式の油圧緩衝器を用いて構成される。このダンパ６には、発生減衰力の特性（減衰力特性）をハードな特性（硬特性）からソフトな特性（軟特性）に調整するため、減衰力調整バルブ等からなるアクチュエータ６Ａが付設されている。
【００１８】
また、ダンパ６は、車体１と車輪２間の相対速度および目標減衰力ｕrに応じてその減衰力特性が調整される。そして、ダンパ６は、後述するＧＳＨ∞制御器１６から出力される目標減衰力ｕrに応じた減衰力（実減衰力Ｆd）を発生させる。
【００１９】
７は車体１に設けられたばね上加速度センサで、該ばね上加速度センサ７は、所謂ばね上側となる車体１側で上，下方向の振動加速度を検出するため、例えばダンパ６の近傍となる位置で車体１に取付けられている。そして、ばね上加速度センサ７は、上，下方向の振動加速度を検出し、その検出信号を後述のコントローラ９に出力する。
【００２０】
８は車両の車輪２側に設けられたばね下加速度センサで、このばね下加速度センサ８は、所謂ばね下側となる車輪２側で上，下方向の振動加速度を検出し、その検出信号を後述のコントローラ９に出力する。
【００２１】
９はマイクロコンピュータ等により構成されるコントローラで、該コントローラ９は、その入力側が加速度センサ７，８等に接続され、出力側がダンパ６のアクチュエータ６Ａ等に接続されている。
【００２２】
コントローラ９は、図２に示すように、積分器１０を備えている。この積分器１０は、ばね上加速度センサ７からの検出信号を積分することによって、車体運動として、車体１の上，下方向に対する速度となるばね上速度ｙnを演算する。このため、ばね上加速度センサ７および積分器１０は、車体１の運動を検出する運動検出手段としての運動検出装置１１を構成し、フィードバック信号としてのばね上速度ｙnを出力する。
【００２３】
また、コントローラ９は、ダンパ６の非線形性を補償する非線形補償部１２と、変動パラメータとしてのスケジューリングパラメータｐ（以下、パラメータｐという）を演算するスケジューリングパラメータ演算器１３（以下、パラメータ演算器１３という）と、パラメータｐおよび運動検出装置１１からの出力信号（ばね上速度ｙn）を用いて目標減衰力ｕrを演算するフィードバック制御器としてのゲインスケジュールドＨ∞制御器１６（以下、ＧＳＨ∞制御器１６という）とを備えている。
【００２４】
非線形補償部１２は、非線形制御器１２Ａおよびオブザーバ１２Ｂを含み、例えば非線形制御のひとつであるバックステップ法を適用するように構成されている。このバックステップ法では、実減衰力Ｆdのうちの減衰特性可変部がＧＳＨ∞制御器１６から出力される目標減衰力ｕrに近付くように、指令電流ｉを生成する。
【００２５】
具体的には、オブザーバ１２Ｂは、ダンパ６の非線形ダイナミクスを考慮して減衰特性可変部に対する推定処理を行い、推定減衰力Ｆuを出力する。また、オブザーバ１２Ｂは、ばね上加速度センサ７からの検出信号とばね下加速度センサ８からの検出信号を用いることによって、車体１と車輪２との間の上，下方向の相対速度に対応した推定ピストン速度ｖを演算する。非線形制御器１２Ａは、オブザーバ１２Ｂから出力される推定ピストン速度ｖおよび推定減衰力Ｆuと、ＧＳＨ∞制御器１６から出力される目標減衰力ｕrとに基づいて、ダンパ６が実際に発生する実減衰力Ｆdのうちの減衰特性可変部が推定減衰力Ｆuに近付くように指令電流ｉを生成する。これにより、非線形補償部１２は、推定減衰力Ｆuの減衰特性可変部と目標減衰力ｕrとの誤差を小さくすることで、加速度の過渡特性を改善してジャークを低減すると共に、ダンパ６の時間遅れを抑制している。
【００２６】
パラメータ演算器１３は、車体運動となるばね上速度ｙnに基づいて路面状態に応じたパラメータｐを算出する変動パラメータ算出手段を構成している。このパラメータ演算器１３は、運動検出装置１１から出力されるばね上速度ｙnに基づいてばね上共振成分を取り出し、このばね上共振成分に応じたパラメータｐを算出する。
【００２７】
具体的には、パラメータ演算器１３は、図３に示すように、ばね上速度ｙnの絶対値ｑy0を演算する絶対値演算部１４と、該絶対値演算部１４から出力される絶対値ｑy0に基づいてパラメータｐを出力するパラメータ出力部１５とを備えている。このパラメータ出力部１５は、以下の数１の式に示すように、絶対値ｑy0の大きさを制限する飽和関数に基づいて絶対値ｑy0の上限と下限を制限した制限信号ｑyを出力する制限処理部１５Ａと、制限信号ｑyを以下の数２の式に示す１００分率の計算により正規化する正規化処理部１５Ｂとによって構成されている。これにより、パラメータｐは、１以下の範囲で正規化された値に設定される。
【００２８】
【数１】
【００２９】
【数２】
【００３０】
なお、数１の式に示す上限値ｑymaxおよび下限値ｑyminは、実際の車体１を用いたチューニングによって実験的に決定される。下限値ｑyminが大きいほど制御ゲインはローゲインから上がり難く、下限値ｑyminが小さいほど制御ゲインはローゲインから上がり易い。また、上限値ｑymaxが大きいほど制御ゲインはハイゲインに到達し難く、上限値ｑymaxが小さいほど制御ゲインはハイゲインに到達し易い。
【００３１】
ＧＳＨ∞制御器１６は、後述するように図４に示す一般化プラント２１に基づいて設計され、運動検出装置１１から出力されるばね上速度ｙnと、パラメータ演算器１３から出力されるパラメータｐとに基づいて、目標減衰力ｕrを演算する。具体的には、ＧＳＨ∞制御器１６は、ばね上速度ｙnのうちばね上共振に近い周波数成分に対しては利得が大きく、ばね上共振よりも高周波の周波数成分に対しては利得が小さくなるような周波数特性をもった目標減衰力ｕrを出力する。
【００３２】
また、ＧＳＨ∞制御器１６は、パラメータｐが最大値（ｐ＝１）に近付くに従って目標減衰力ｕrの利得を上昇させ、最小値（ｐ＝０）に近付くに従って目標減衰力ｕrの利得を低下させる。即ち、ＧＳＨ∞制御器１６は、ばね上共振付近の振幅が大きいときには利得を上げてダンパ６の減衰力をハード特性側にし、ばね上共振付近の振幅が小さいときには利得を下げてダンパ６の減衰力をソフト特性側にする。これにより、ＧＳＨ∞制御器１６は、ばね上の振幅の大きさに応じて利得を調整し、フワフワ感とヒョコヒョコ感の抑制を両立させている。
【００３３】
次に、ＧＳＨ∞制御器１６の設計方法について、図４ないし図１０を参照しつつ説明する。
【００３４】
まず、ＧＳＨ∞制御器１６を設計するために、車体１、車輪２、サスペンション装置４を含めた一般化プラントをパラメータｐに依存した線形パラメータ変動システム（ＬＰＶシステム）に変換する。このとき、線形パラメータ変動システムは、車体１およびダンパ６に基づく線形システムであって、路面状況のパラメータｐに応じて変動する要素を有している。これにより、図４に示すように、パラメータｐを導入した一般化プラント２１を構築する。この一般化プラント２１中の車両４２は、例えば車体１および車輪２に対して理想的なアクティブダンパが取り付けられたものを示している。この理想的なアクティブダンパは、例えば時間遅延することなく目標減衰力ｕrに応じた減衰力を発生させることができるものである。
【００３５】
また、一般化プラント２１は、制御器出力となる目標減衰力ｕrに応じた制御入力と、路面外乱ｗdおよび観測ノイズｗnに応じた外乱入力ｗと、制御入力（目標減衰力ｕr）に周波数重み関数ＷT(p)を乗じた制御量ｒuを含む評価出力ｒと、車体運動としてのばね上速度ｙnに応じた制御出力（観測出力）とを有している。ここで、路面外乱ｗdは車両４２に作用し、観測ノイズｗnは車両４２の実際の出力ｙ（実際のばね上速度）に加わる。
【００３６】
本実施の形態では、評価出力ｒは、制御性能およびモデル変動を評価するための出力ｙsとして、車両４２のばね上加速度、バウンスレイト、ピッチレイト、ロールレイト、ピストン速度に周波数重み関数Ｗsを乗じた制御量ｒsも含んでいる。
【００３７】
具体的には、周波数重み関数Ｗsは、前輪側と後輪側のばね上加速度に関する重み関数Ｗs1，Ｗs2、バウンスレイト、ピッチレイト、ロールレイトに関する重み関数Ｗs3〜Ｗs5、およびピストン速度に関する重み関数Ｗs6を含んでいる。これらの周波数重み関数Ｗsおよび周波数重み関数ＷT(p)を、図５ないし図７に示す。周波数重み関数Ｗsおよび周波数重み関数ＷT(p)は、路面外乱ｗdからバウンスレイト、ピッチレイト、ロールレイトの閉ループ系の周波数応答（図８ないし図１０参照）において、ばね上共振のときにハイゲイン制御時（ｐ＝１）の応答が、制御を行わずに減衰力をソフトにした非制御時に比べて１／５以下となり、３Ｈｚ以上の周波数領域のときにローゲイン制御時（ｐ＝０）の応答が非制御時と同程度になるようにチューニングした。
【００３８】
一方、周波数重み関数ＷT(p)は、図７に示すように、ばね上共振付近の周波数帯域では目標減衰力ｕrの利得が大きくなり、ばね上共振よりも低周波の帯域および高周波の帯域では目標減衰力ｕrの利得が小さくなるように設定した。
【００３９】
また、周波数重み関数ＷT(p)は、パラメータｐに応じて利得が全体的に上昇または下降する。即ち、図７中に実線で示すように、パラメータｐが１に近付くに従って、周波数重み関数ＷT(p)は、全体的に目標減衰力ｕrがハイゲインとなり、ハードな特性となるように設定されている。これに対し、図７中に破線で示すように、パラメータｐが０に近付くに従って、周波数重み関数ＷT(p)は、全体的に目標減衰力ｕrがローゲインとなり、ソフトな特性となるように設定されている。
【００４０】
一般的に、周波数重み関数ＷT(p)は、低次のシステムの方が高次のシステムに比べて、ＧＳＨ∞制御器１６の解を求め易い。このため、周波数重み関数ＷT(p)は、以下の数３の式に示すように、例えば分母側にラプラス演算子ｓの二乗項を含む２次システムとし、パラメータｐは減衰比に相当する部分に含まれる構成とした。
【００４１】
【数３】
【００４２】
但し、数３の式中でａ，ｂ，ｃ，ｄ，ｅ，ｆは周波数特性を決める所定の係数である。
【００４３】
以上のような一般化プラント２１に対してＨ∞制御問題を解くことによって、ＧＳＨ∞制御器１６を求める。即ち、一般化プラント２１が内部安定化し、以下の数４の式に示すように、外乱入力ｗから評価出力ｒまでの伝達関数ＧrwのＨ∞ノルムが定数γ未満になるように、ＧＳＨ∞制御器１６を設計する。
【００４４】
【数４】
【００４５】
具体的には、Ｈ∞制御問題の解が存在するように、定数γの値を十分に大きな値を設定し、例えば線形行列不等式（ＬＭＩ）に基づく可解条件を調べる。２分法等のアルゴリズムを用いて、このような操作を繰り返し、Ｈ∞制御問題の解が存在する定数γの最小値を求める。定数γの最小値に対して、ＧＳＨ∞制御器１６を例えばMatlab等の設計ＣＡＤを用いて数値計算により求める。これにより、ＧＳＨ∞制御器１６は、路面外乱ｗdおよび観測ノイズｗnに対してロバスト安定となる。
【００４６】
以上の操作を、パラメータｐが最小となるとき（ｐ＝０）と最大となるとき（ｐ＝１）について行い、それぞれのＧＳＨ∞制御器１６の利得（Ｋ(p)）を求める。これにより、ＧＳＨ∞制御器１６は、パラメータｐの変動に対してロバスト安定となる。また、ＧＳＨ∞制御器１６の利得はパラメータｐに応じて変化し、パラメータｐはばね上の振動に応じて変化する。このため、ＧＳＨ∞制御器１６の利得は、ばね上の振動に応じて変化することになる。
【００４７】
本実施の形態によるサスペンション制御装置は、上述の如き構成を有するもので、次に、コントローラ９を用いてダンパ６の減衰力特性を可変に制御する処理について説明する。
【００４８】
まず、コントローラ９には、車両の走行時に図１および図２に示すように、ばね上加速度センサ７からばね上（車体１）側の上，下方向の振動加速度の検出信号が入力される。このとき、コントローラ９に設けられた積分器１０は、ばね上加速度センサ７による振動加速度の検出信号を積分し、車体１の上，下方向の速度をばね上速度ｙnとして算出する。また、コントローラ９に設けられたパラメータ演算器１３は、４輪のばね上速度ｙnに基づいてばね上共振成分に応じたパラメータｐを算出する。
【００４９】
そして、ＧＳＨ∞制御器１６は、ばね上速度ｙnに基づいて目標減衰力ｕrを演算し、ダンパ６を用いて車体１のバウンスレイト、ピッチレイト、ロールレイト等の運動をフィードバック制御する。ここで、ＧＳＨ∞制御器１６は、ばね上共振に近い周波数領域では利得が低くなり、それ以外の周波数領域では利得が高くなる周波数特性を有する。これに加え、ＧＳＨ∞制御器１６の利得は、パラメータｐに応じて上昇または低下する。このため、ＧＳＨ∞制御器１６は、ばね上共振成分が大きいときには、ゲインを上げてサスペンション装置４をハードな特性にすることができ、ばね上共振よりも高周波側の周波数成分が大きいときには、ゲインを下げてサスペンション装置４をソフトな特性にすることができる。
【００５０】
また、例えば特開平１０−２４４８１９号公報、特開平９−７６７２０号公報、特開２００９−１３２２３７号公報等に開示されているように、ばね上またはばね下の振動状態を検出した検出信号に対して、周波数フィルタを用いて所望の信号成分を取り出し、この信号成分に基づいて制御ゲインを調整する構成が知られている。
【００５１】
しかし、周波数フィルタはゲイン特性と位相特性を有するため、周波数フィルタのフワフワ感領域のゲインを０ｄＢとしつつ、ヒョコヒョコ感領域ではゲインをできるたけ小さくしたい反面、制御タイミングがずれないように位相特性はできるだけ広い範囲で０度に維持したいというようなトレードオフの関係がある。従って、周波数フィルタを用いるスケジューリング方法では、フィルタ次数の選定やカットオフ周波数のチューニング等が難しく、複数の周波数成分を含む実走行路面では、周波数フィルタにより、所望の性能が狙い通りに得ることができないばかりか、却って悪化する可能性も有する。
【００５２】
これに対し、本実施の形態によるパラメータ演算器１３は、フィルタ処理等を行うことなく、ばね上速度ｙnの大きさ（振幅）から直接的にパラメータｐを求める構成とした。このため、ばね上速度ｙnの変化に対して時間遅延等を生じることなく、ＧＳＨ∞制御器１６の利得をリアルタイムに調整することができ、フィルタ処理による制御性能の悪化を防止しつつ、所望の特性を得ることができる。
【００５３】
このような本実施の形態の有効性を検証するために、ランダム路面での走行実験を行った。そのときのばね上加速度のパワースペクトル密度（ＰＳＤ）を図１１に示す。図１１中で、実線は本実施の形態を示し、破線はばね上速度にフィルタ処理を施した後にスケジューリングパラメータを求め、該スケジューリングパラメータを用いてゲインスケジュールドＨ∞制御器を構成した比較例を示している。
【００５４】
なお、比較例では、例えばばね上速度に基づくバウンスレイトに低域通過フィルタによるフィルタ処理を行ってばね上共振成分を取り出し、このばね上共振成分を用いてスケジューリングパラメータを求めるものである。
【００５５】
図１１に示すように、例えば２Ｈｚ以下のばね上共振付近の周波数領域（フワフワ感領域）では、本実施の形態および比較例はほぼ同様な値となり、いずれも減衰力ハード特性に近くなる。一方、ばね上共振よりも高い周波数領域（ヒョコヒョコ感領域）では、本実施の形態および比較例はいずれも減衰力素ソフト特性となるものの、比較例に比べて本実施の形態の方がＰＳＤがさらに低下していることが分かる。このため、本実施の形態では、フワフワ感とヒョコヒョコ感の低減を両立できると共に、比較例に比べてヒョコヒョコ感の低減効果が大きくなることが分かる。
【００５６】
かくして、本実施の形態では、車体１およびダンパ６に基づいて線形パラメータ変動システムからなる一般化プラント２１を構築し、該一般化プラント２１に基づいてフィードバック制御器となるＧＳＨ∞制御器１６を設計したから、路面外乱ｗdに対するロバスト性を高めることができ、例えば未走行の路面に対しても制御効果を得ることができる。
【００５７】
また、本実施の形態では、ばね上速度ｙnに基づいて路面状態に応じたパラメータｐを算出するパラメータ演算器１３を備え、ＧＳＨ∞制御器１６は、該パラメータ演算器１３によって算出されたパラメータｐに応じて目標減衰力ｕrの利得を変化させる。このため、ばね上の振幅の大きさを用いてＧＳＨ∞制御器１６の利得を調整できるから、ばね上共振付近の振幅が大きく、フワフワ感が大きいときには、ＧＳＨ∞制御器１６の利得を上げて減衰力ハード特性に近い制振効果を得ることができる。一方、ばね上共振の振幅が他の周波数領域の振幅に比べて小さいとき、即ちフワフワ感が小さいとき、またはヒョコヒョコ感が大きいときには、ＧＳＨ∞制御器１６の利得を下げて減衰力ソフト特性に近い除振効果を得ることができる。この結果、フワフワ感とヒョコヒョコ感の両方を低減することができる。これに加え、ばね上速度ｙnに基づいてＧＳＨ∞制御器１６の利得をスケジューリングするから、制御タイミングのずれを無くすことができる。
【００５８】
特に、本実施の形態では、パラメータｐは、フィルタ処理等を行うことなく、ばね上速度ｙnの大きさ（振幅）から直接的に求める構成とした。このため、ばね上速度ｙnの変化に対して時間遅延等が生じることなく、ＧＳＨ∞制御器１６の利得をリアルタイムに調整することができる。この結果、例えばパラメータ演算器１３が低域通過フィルタ等を備える場合に比べて、ばね上共振よりも高周波側の振動が大きいときには、速やかにＧＳＨ∞制御器１６の利得を下げて減衰力ソフト特性に調節することができ、ヒョコヒョコ感の低減効果を高めることができる。また、フィルタ処理のチューニングを行う必要がなく、容易にパラメータ演算器１３を構成できるのに加え、フィルタ処理に伴って制御性能が悪化する可能性がなくなる。
【００５９】
さらに、ＧＳＨ∞制御器１６は一般化プラント２１に基づいて設計することができるから、例えば特許文献１のように路面判定の結果に応じて制御器のゲインを調整する場合に比べて、様々な路面を走行して路面判定のチューニングを行う必要がなく、ＧＳＨ∞制御器１６のチューニングを容易に行うことができる。
【００６０】
例えば特許文献１のように路面判定の結果に応じて制御器のゲインを調整する場合には、ばね上加速度の大きさに応じて必要なゲインの大きさを変える構成となっている。この考えに基づいて、ＧＳＨ∞制御器を設計した場合には、一般化プラントのうちばね上加速度の大きさに応じて車両からの出力に係る周波数重み関数Ｗsを変える制御器となる。即ち、一般化プラントの出力側にゲインスケジュールを組み込むことに相当する。
【００６１】
しかし、出力側にゲインスケジュールを組み込んだ一般化プラントを用いて実際に設計してみると、期待通りのゲインの幅を得ることができず、パラメータｐが変化してもゲインが殆ど変化しない制御器になることが分かった。そこで、発明者等が鋭意検討したところ、制御入力となる目標減衰力ｕrに係る周波数重み関数ＷT(p)がパラメータｐに応じて変化する一般化プラント２１を構築し、この一般化プラント２１に基づいて、ＧＳＨ∞制御器１６を設計すると、パラメータｐに応じて目標減衰力ｕrのゲインを大きく変化させることができることが分かった。この結果、ＧＳＨ∞制御器１６は、パラメータｐに応じて目標減衰力ｕrのゲインを大きく変化させて、ばね上の振動の大きさに応じた減衰力を発生させることができる。
【００６２】
また、制御入力に係る周波数重み関数ＷT(p)は２次システムであり、パラメータｐは、該２次システムのうち減衰比に相当する部分に含まれる構成としたから、パラメータｐに応じてＧＳＨ∞制御器１６のゲインを変化させることができる。これに加えて、周波数重み関数ＷT(p)の次数を低下させることができるから、ＧＳＨ∞制御器１６の設計に伴う数値計算を容易に行うことができる。
【００６３】
なお、前記実施の形態では、一般化プラント２１の評価出力には、制御入力（目標減衰力ｕr）に周波数重み関数ＷT(p)を乗じた制御量ｒuに加えて、車両４２のばね上加速度等に周波数重み関数Ｗsを乗じた制御量ｒsを含む構成とした。しかし、本発明はこれに限らず、一般化プラントは、制御量ｒsを省き、制御入力に周波数重み関数ＷT(p)を乗じた制御量ｒuだけを評価出力とする構成としてもよい。
【００６４】
また、前記実施の形態では、ロバストゲインスケジュールド制御器としてＧＳＨ∞制御器１６を例に挙げて説明した。しかし、ロバストゲインスケジュールド制御器は、例えばゲインスケジューリング型スライディングモード制御器のように、安定性や制御性能の理論的な保証を与えるものであり、かつ観測値を用いて制御器のゲインをリアルタイムに調整できる制御器であればよい。
【００６５】
前記実施の形態では、路面判定手段として車体運動としてのばね上速度ｙnからパラメータｐを演算するパラメータ演算器１３を例に挙げて説明した。しかし、路面判定手段は、例えば悪路やうねり路をばね上加速度、ばね下加速度、路面変位等の観測出力から見極める関数を用いる構成としてもよく、ばね上速度ｙnとパラメータｐとの関係を格納したマップ等を用いる構成としてもよい。
【００６６】
前記実施の形態では、制御ダンパがセミアクティブダンパからなる減衰力調整式ダンパ６である場合を例に説明したが、これに代えて、アクティブダンパ（電気アクチュエータ、油圧アクチュエータのいずれか）を用いるようにしてもよい。
【００６７】
さらに、前記実施の形態では、単一のＧＳＨ∞制御器１６によって、４輪に設けた全てのサスペンション装置４を一括して制御する構成とした。しかし、本発明はこれに限らず、４輪それぞれに設けたサスペンション装置４に対して個別にＧＳＨ∞制御器を設け、これらのＧＳＨ∞制御器によって別個に独立して制御する構成としてもよい。
【符号の説明】
【００６８】
１ 車体
２ 車輪
４ サスペンション装置
５ ばね
６ 減衰力調整式ダンパ（制御ダンパ）
７ ばね上加速度センサ
８ ばね下加速度センサ
９ コントローラ
１０ 積分器
１１ 運動検出装置（運動検出手段）
１３ スケジューリングパラメータ演算器
１６ ゲインスケジュールドＨ∞制御器
２１ 一般化プラント
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば自動車等の車両に搭載され、車両の振動を制御するサスペンション制御装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、自動車等の車両に搭載されたサスペンション制御装置として、車体と各車軸との間に減衰力を調整可能な制御ダンパ（緩衝器）を設けると共に、制御器を用いて制御ダンパによる減衰力特性を調整する構成としたものが知られている（例えば、特許文献１〜３、非特許文献１参照）。
【０００３】
特許文献１には、スカイフック理論に基づいて制御ダンパの減衰力を調整すると共に、ばね上の振動の周波数と振幅の大きさに応じて制御器の利得（ゲイン）を調整する構成が開示されている。特許文献２，３には、振動周波数毎に利得が異なるＨ∞制御器を用いて制御ダンパの減衰力を調整する構成が開示されている。非特許文献１には、車両の操縦安定性を向上させるために、ロバストゲインスケジュールド制御器を用いて制御ダンパの減衰力を調整する構成が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００５−２５５１５２号公報
【特許文献２】特開２０００−１４８２０８号公報
【特許文献３】特開２００９−２８００２２号公報
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】高橋正樹、熊丸誉、吉田和夫，「操舵による車体挙動を考慮した自動車用セミアクティブサスペンションの総合的制御系設計」，日本機械学会論文集，Ｃ編，２００８年８月，第７４巻，第７４４号，ｐ．２０１５−２０２２
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで、一般的にサスペンション制御装置を用いて良い乗り心地を実現するためには、ばね上の振動周波数と振幅の大きさにより、制御器の利得を切り換える必要がある。具体的には、ばね上共振付近の周波数領域での振動（以下、フワフワ感という）が小さいときには、ばね上共振とばね下共振間の周波数領域での振動（以下、ヒョコヒョコ感という）を抑制するために制御器の利得を小さくし、フワフワ感が大きいときには、フワフワ感を抑制するために制御器の利得を大きくする必要がある。また、フワフワ感およびヒョコヒョコ感をもっと抑えたいという要望には、制御器の利得をもっと上げたり、下げたりするために、制御ゲインの調整をリアルタイムに行わなければならない。
【０００７】
例えばスカイフック理論に基づく制御では、全ての周波数領域で同じ利得となるため、フワフワ感の抑制効果はあるものの、ヒョコヒョコ感の抑制効果はない。これに対し、特許文献１に記載されたサスペンション制御装置では、ばね上振動等に基づいて路面状況を判定し、この判定結果に基づいて制御器の利得を調整している。このため、路面判定の方法をチューニングすることによって、ヒョコヒョコ感の抑制も可能である。しかし、このような制御効果を得るためには、様々な路面を走行して、その都度、路面判定のチューニングを行う必要があり、工数が多くかかる。これに加え、未走行の路面に関しては、必ずしも制御効果が得られるとは限らないという問題がある。
【０００８】
一方、特許文献２，３のように、Ｈ∞制御器を用いる場合には、周波数毎に利得を異ならせることができるから、フワフワ感付近の周波数領域では利得を高くし、ヒョコヒョコ感付近の周波数領域では利得を低くすることができる。しかし、フワフワ感付近の周波数領域とヒョコヒョコ感付近の周波数領域では位相が異なり、制御タイミングにずれが生じる。これに加え、ばね上の振幅の大きさに対してはＨ∞制御器の利得は変わらないため、同じ周波数の振動に対してもっと利得を上げたい、下げたい等の要望には応えることができず、フワフワ感およびヒョコヒョコ感の抑制を両立させることが難しい。また、Ｈ∞制御器に対して利得の大きさを勝手に変更した場合、Ｈ∞制御理論に基づいて補償された制御性能が失われてしまうという問題もある。
【０００９】
さらに、非特許文献１には、ロバストゲインスケジュールド制御器を用いて制御ダンパの減衰力を調整する構成が開示されているが、これは操縦安定性を向上するシステムであり、路面に対する乗り心地は良くならない。
【００１０】
本発明は、上述した従来技術の問題に鑑みなされたもので、本発明の目的は、ばね上の振幅の大きさに応じて利得を調整することができ、フワフワ感とヒョコヒョコ感の抑制を両立させることができるサスペンション制御装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上述した課題を解決するために、請求項１に係る発明は、車体と車輪との間に介装され、前記車体と前記車輪との間に減衰力を発生させることにより前記車体の振動を抑制するサスペンション制御装置であって、目標減衰力に応じて前記減衰力を発生させる制御ダンパと、前記車体の運動を検出する運動検出手段と、検出された車体運動に基づいて前記目標減衰力を算出するフィードバック制御器とを備え、前記車体および前記制御ダンパに基づく線形システムであって、路面状況に応じて変動する要素を有する線形パラメータ変動システムを構築し、前記フィードバック制御器は、該線形パラメータ変動システムに基づいて設計され、路面外乱および観測ノイズに対してロバスト安定となるロバストゲインスケジュールド制御器によって構成し、前記運動検出手段によって検出された車体運動に基づいて路面状態に応じた変動パラメータを算出する変動パラメータ算出手段を備え、該変動パラメータ算出手段は、前記車体運動としてのばね上速度の大きさを用いて前記変動パラメータを算出し、前記ロバストゲインスケジュールド制御器は、該変動パラメータ算出手段によって算出された変動パラメータに応じて前記目標減衰力の利得を変化させる構成としている。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、ばね上の振幅の大きさに応じて利得を調整して、フワフワ感とヒョコヒョコ感の抑制を両立させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の実施の形態によるサスペンション制御装置を模式的に示す図である。
【図２】図１中のコントローラ等を示すブロック図である。
【図３】図２中のスケジューリングパラメータ演算器を示すブロック図である。
【図４】実施の形態によるゲインスケジュールドＨ∞制御器を設計する一般化プラントを示すブロック図である。
【図５】ばね上加速度に係る周波数重み関数を示す特性線図である。
【図６】バウンスレイト、ピッチレイト、ロールレイト、ピストン速度に係る周波数重み関数を示す特性線図である。
【図７】目標減衰力に係る周波数重み関数を示す特性線図である。
【図８】バウンスレイトの閉ループ系の周波数応答を示す特性線図である。
【図９】ピッチレイトの閉ループ系の周波数応答を示す特性線図である。
【図１０】ロールレイトの閉ループ系の周波数応答を示す特性線図である。
【図１１】パワースペクトラム密度の周波数特性を示す特性線図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、本発明の実施の形態によるサスペンション制御装置を例えば４輪自動車に適用した場合を例に挙げ、添付図面に従って詳細に説明する。
【００１５】
図中、１は車両のボディを構成する車体で、該車体１の下側には、例えば左，右の前輪と左，右の後輪（以下、総称して車輪２という）が設けられ、該車輪２はタイヤ３を含んで構成されている。このとき、タイヤ３は、路面の細かい凹凸を吸収するばねとして作用する。
【００１６】
４は車体１と車輪２との間に介装して設けられたサスペンション装置で、該サスペンション装置４は、懸架ばね５（以下、ばね５という）と、該ばね５と並列になって車体１と車輪２との間に設けられた制御ダンパとしての減衰力調整式ダンパ（以下、ダンパ６という）とにより構成されている。なお、図１中では１組のサスペンション装置４を、車体１と車輪２との間に設けた場合を例示している。しかし、サスペンション装置４は、例えば４輪の車輪２と車体１との間に個別に独立して合計４組設けられるもので、このうちの１組のみを図１では模式的に図示している。
【００１７】
ここで、サスペンション装置４のダンパ６は、例えばセミアクティブダンパ等の減衰力調整式の油圧緩衝器を用いて構成される。このダンパ６には、発生減衰力の特性（減衰力特性）をハードな特性（硬特性）からソフトな特性（軟特性）に調整するため、減衰力調整バルブ等からなるアクチュエータ６Ａが付設されている。
【００１８】
また、ダンパ６は、車体１と車輪２間の相対速度および目標減衰力ｕrに応じてその減衰力特性が調整される。そして、ダンパ６は、後述するＧＳＨ∞制御器１６から出力される目標減衰力ｕrに応じた減衰力（実減衰力Ｆd）を発生させる。
【００１９】
７は車体１に設けられたばね上加速度センサで、該ばね上加速度センサ７は、所謂ばね上側となる車体１側で上，下方向の振動加速度を検出するため、例えばダンパ６の近傍となる位置で車体１に取付けられている。そして、ばね上加速度センサ７は、上，下方向の振動加速度を検出し、その検出信号を後述のコントローラ９に出力する。
【００２０】
８は車両の車輪２側に設けられたばね下加速度センサで、このばね下加速度センサ８は、所謂ばね下側となる車輪２側で上，下方向の振動加速度を検出し、その検出信号を後述のコントローラ９に出力する。
【００２１】
９はマイクロコンピュータ等により構成されるコントローラで、該コントローラ９は、その入力側が加速度センサ７，８等に接続され、出力側がダンパ６のアクチュエータ６Ａ等に接続されている。
【００２２】
コントローラ９は、図２に示すように、積分器１０を備えている。この積分器１０は、ばね上加速度センサ７からの検出信号を積分することによって、車体運動として、車体１の上，下方向に対する速度となるばね上速度ｙnを演算する。このため、ばね上加速度センサ７および積分器１０は、車体１の運動を検出する運動検出手段としての運動検出装置１１を構成し、フィードバック信号としてのばね上速度ｙnを出力する。
【００２３】
また、コントローラ９は、ダンパ６の非線形性を補償する非線形補償部１２と、変動パラメータとしてのスケジューリングパラメータｐ（以下、パラメータｐという）を演算するスケジューリングパラメータ演算器１３（以下、パラメータ演算器１３という）と、パラメータｐおよび運動検出装置１１からの出力信号（ばね上速度ｙn）を用いて目標減衰力ｕrを演算するフィードバック制御器としてのゲインスケジュールドＨ∞制御器１６（以下、ＧＳＨ∞制御器１６という）とを備えている。
【００２４】
非線形補償部１２は、非線形制御器１２Ａおよびオブザーバ１２Ｂを含み、例えば非線形制御のひとつであるバックステップ法を適用するように構成されている。このバックステップ法では、実減衰力Ｆdのうちの減衰特性可変部がＧＳＨ∞制御器１６から出力される目標減衰力ｕrに近付くように、指令電流ｉを生成する。
【００２５】
具体的には、オブザーバ１２Ｂは、ダンパ６の非線形ダイナミクスを考慮して減衰特性可変部に対する推定処理を行い、推定減衰力Ｆuを出力する。また、オブザーバ１２Ｂは、ばね上加速度センサ７からの検出信号とばね下加速度センサ８からの検出信号を用いることによって、車体１と車輪２との間の上，下方向の相対速度に対応した推定ピストン速度ｖを演算する。非線形制御器１２Ａは、オブザーバ１２Ｂから出力される推定ピストン速度ｖおよび推定減衰力Ｆuと、ＧＳＨ∞制御器１６から出力される目標減衰力ｕrとに基づいて、ダンパ６が実際に発生する実減衰力Ｆdのうちの減衰特性可変部が推定減衰力Ｆuに近付くように指令電流ｉを生成する。これにより、非線形補償部１２は、推定減衰力Ｆuの減衰特性可変部と目標減衰力ｕrとの誤差を小さくすることで、加速度の過渡特性を改善してジャークを低減すると共に、ダンパ６の時間遅れを抑制している。
【００２６】
パラメータ演算器１３は、車体運動となるばね上速度ｙnに基づいて路面状態に応じたパラメータｐを算出する変動パラメータ算出手段を構成している。このパラメータ演算器１３は、運動検出装置１１から出力されるばね上速度ｙnに基づいてばね上共振成分を取り出し、このばね上共振成分に応じたパラメータｐを算出する。
【００２７】
具体的には、パラメータ演算器１３は、図３に示すように、ばね上速度ｙnの絶対値ｑy0を演算する絶対値演算部１４と、該絶対値演算部１４から出力される絶対値ｑy0に基づいてパラメータｐを出力するパラメータ出力部１５とを備えている。このパラメータ出力部１５は、以下の数１の式に示すように、絶対値ｑy0の大きさを制限する飽和関数に基づいて絶対値ｑy0の上限と下限を制限した制限信号ｑyを出力する制限処理部１５Ａと、制限信号ｑyを以下の数２の式に示す１００分率の計算により正規化する正規化処理部１５Ｂとによって構成されている。これにより、パラメータｐは、１以下の範囲で正規化された値に設定される。
【００２８】
【数１】
【００２９】
【数２】
【００３０】
なお、数１の式に示す上限値ｑymaxおよび下限値ｑyminは、実際の車体１を用いたチューニングによって実験的に決定される。下限値ｑyminが大きいほど制御ゲインはローゲインから上がり難く、下限値ｑyminが小さいほど制御ゲインはローゲインから上がり易い。また、上限値ｑymaxが大きいほど制御ゲインはハイゲインに到達し難く、上限値ｑymaxが小さいほど制御ゲインはハイゲインに到達し易い。
【００３１】
ＧＳＨ∞制御器１６は、後述するように図４に示す一般化プラント２１に基づいて設計され、運動検出装置１１から出力されるばね上速度ｙnと、パラメータ演算器１３から出力されるパラメータｐとに基づいて、目標減衰力ｕrを演算する。具体的には、ＧＳＨ∞制御器１６は、ばね上速度ｙnのうちばね上共振に近い周波数成分に対しては利得が大きく、ばね上共振よりも高周波の周波数成分に対しては利得が小さくなるような周波数特性をもった目標減衰力ｕrを出力する。
【００３２】
また、ＧＳＨ∞制御器１６は、パラメータｐが最大値（ｐ＝１）に近付くに従って目標減衰力ｕrの利得を上昇させ、最小値（ｐ＝０）に近付くに従って目標減衰力ｕrの利得を低下させる。即ち、ＧＳＨ∞制御器１６は、ばね上共振付近の振幅が大きいときには利得を上げてダンパ６の減衰力をハード特性側にし、ばね上共振付近の振幅が小さいときには利得を下げてダンパ６の減衰力をソフト特性側にする。これにより、ＧＳＨ∞制御器１６は、ばね上の振幅の大きさに応じて利得を調整し、フワフワ感とヒョコヒョコ感の抑制を両立させている。
【００３３】
次に、ＧＳＨ∞制御器１６の設計方法について、図４ないし図１０を参照しつつ説明する。
【００３４】
まず、ＧＳＨ∞制御器１６を設計するために、車体１、車輪２、サスペンション装置４を含めた一般化プラントをパラメータｐに依存した線形パラメータ変動システム（ＬＰＶシステム）に変換する。このとき、線形パラメータ変動システムは、車体１およびダンパ６に基づく線形システムであって、路面状況のパラメータｐに応じて変動する要素を有している。これにより、図４に示すように、パラメータｐを導入した一般化プラント２１を構築する。この一般化プラント２１中の車両４２は、例えば車体１および車輪２に対して理想的なアクティブダンパが取り付けられたものを示している。この理想的なアクティブダンパは、例えば時間遅延することなく目標減衰力ｕrに応じた減衰力を発生させることができるものである。
【００３５】
また、一般化プラント２１は、制御器出力となる目標減衰力ｕrに応じた制御入力と、路面外乱ｗdおよび観測ノイズｗnに応じた外乱入力ｗと、制御入力（目標減衰力ｕr）に周波数重み関数ＷT(p)を乗じた制御量ｒuを含む評価出力ｒと、車体運動としてのばね上速度ｙnに応じた制御出力（観測出力）とを有している。ここで、路面外乱ｗdは車両４２に作用し、観測ノイズｗnは車両４２の実際の出力ｙ（実際のばね上速度）に加わる。
【００３６】
本実施の形態では、評価出力ｒは、制御性能およびモデル変動を評価するための出力ｙsとして、車両４２のばね上加速度、バウンスレイト、ピッチレイト、ロールレイト、ピストン速度に周波数重み関数Ｗsを乗じた制御量ｒsも含んでいる。
【００３７】
具体的には、周波数重み関数Ｗsは、前輪側と後輪側のばね上加速度に関する重み関数Ｗs1，Ｗs2、バウンスレイト、ピッチレイト、ロールレイトに関する重み関数Ｗs3〜Ｗs5、およびピストン速度に関する重み関数Ｗs6を含んでいる。これらの周波数重み関数Ｗsおよび周波数重み関数ＷT(p)を、図５ないし図７に示す。周波数重み関数Ｗsおよび周波数重み関数ＷT(p)は、路面外乱ｗdからバウンスレイト、ピッチレイト、ロールレイトの閉ループ系の周波数応答（図８ないし図１０参照）において、ばね上共振のときにハイゲイン制御時（ｐ＝１）の応答が、制御を行わずに減衰力をソフトにした非制御時に比べて１／５以下となり、３Ｈｚ以上の周波数領域のときにローゲイン制御時（ｐ＝０）の応答が非制御時と同程度になるようにチューニングした。
【００３８】
一方、周波数重み関数ＷT(p)は、図７に示すように、ばね上共振付近の周波数帯域では目標減衰力ｕrの利得が大きくなり、ばね上共振よりも低周波の帯域および高周波の帯域では目標減衰力ｕrの利得が小さくなるように設定した。
【００３９】
また、周波数重み関数ＷT(p)は、パラメータｐに応じて利得が全体的に上昇または下降する。即ち、図７中に実線で示すように、パラメータｐが１に近付くに従って、周波数重み関数ＷT(p)は、全体的に目標減衰力ｕrがハイゲインとなり、ハードな特性となるように設定されている。これに対し、図７中に破線で示すように、パラメータｐが０に近付くに従って、周波数重み関数ＷT(p)は、全体的に目標減衰力ｕrがローゲインとなり、ソフトな特性となるように設定されている。
【００４０】
一般的に、周波数重み関数ＷT(p)は、低次のシステムの方が高次のシステムに比べて、ＧＳＨ∞制御器１６の解を求め易い。このため、周波数重み関数ＷT(p)は、以下の数３の式に示すように、例えば分母側にラプラス演算子ｓの二乗項を含む２次システムとし、パラメータｐは減衰比に相当する部分に含まれる構成とした。
【００４１】
【数３】
【００４２】
但し、数３の式中でａ，ｂ，ｃ，ｄ，ｅ，ｆは周波数特性を決める所定の係数である。
【００４３】
以上のような一般化プラント２１に対してＨ∞制御問題を解くことによって、ＧＳＨ∞制御器１６を求める。即ち、一般化プラント２１が内部安定化し、以下の数４の式に示すように、外乱入力ｗから評価出力ｒまでの伝達関数ＧrwのＨ∞ノルムが定数γ未満になるように、ＧＳＨ∞制御器１６を設計する。
【００４４】
【数４】
【００４５】
具体的には、Ｈ∞制御問題の解が存在するように、定数γの値を十分に大きな値を設定し、例えば線形行列不等式（ＬＭＩ）に基づく可解条件を調べる。２分法等のアルゴリズムを用いて、このような操作を繰り返し、Ｈ∞制御問題の解が存在する定数γの最小値を求める。定数γの最小値に対して、ＧＳＨ∞制御器１６を例えばMatlab等の設計ＣＡＤを用いて数値計算により求める。これにより、ＧＳＨ∞制御器１６は、路面外乱ｗdおよび観測ノイズｗnに対してロバスト安定となる。
【００４６】
以上の操作を、パラメータｐが最小となるとき（ｐ＝０）と最大となるとき（ｐ＝１）について行い、それぞれのＧＳＨ∞制御器１６の利得（Ｋ(p)）を求める。これにより、ＧＳＨ∞制御器１６は、パラメータｐの変動に対してロバスト安定となる。また、ＧＳＨ∞制御器１６の利得はパラメータｐに応じて変化し、パラメータｐはばね上の振動に応じて変化する。このため、ＧＳＨ∞制御器１６の利得は、ばね上の振動に応じて変化することになる。
【００４７】
本実施の形態によるサスペンション制御装置は、上述の如き構成を有するもので、次に、コントローラ９を用いてダンパ６の減衰力特性を可変に制御する処理について説明する。
【００４８】
まず、コントローラ９には、車両の走行時に図１および図２に示すように、ばね上加速度センサ７からばね上（車体１）側の上，下方向の振動加速度の検出信号が入力される。このとき、コントローラ９に設けられた積分器１０は、ばね上加速度センサ７による振動加速度の検出信号を積分し、車体１の上，下方向の速度をばね上速度ｙnとして算出する。また、コントローラ９に設けられたパラメータ演算器１３は、４輪のばね上速度ｙnに基づいてばね上共振成分に応じたパラメータｐを算出する。
【００４９】
そして、ＧＳＨ∞制御器１６は、ばね上速度ｙnに基づいて目標減衰力ｕrを演算し、ダンパ６を用いて車体１のバウンスレイト、ピッチレイト、ロールレイト等の運動をフィードバック制御する。ここで、ＧＳＨ∞制御器１６は、ばね上共振に近い周波数領域では利得が低くなり、それ以外の周波数領域では利得が高くなる周波数特性を有する。これに加え、ＧＳＨ∞制御器１６の利得は、パラメータｐに応じて上昇または低下する。このため、ＧＳＨ∞制御器１６は、ばね上共振成分が大きいときには、ゲインを上げてサスペンション装置４をハードな特性にすることができ、ばね上共振よりも高周波側の周波数成分が大きいときには、ゲインを下げてサスペンション装置４をソフトな特性にすることができる。
【００５０】
また、例えば特開平１０−２４４８１９号公報、特開平９−７６７２０号公報、特開２００９−１３２２３７号公報等に開示されているように、ばね上またはばね下の振動状態を検出した検出信号に対して、周波数フィルタを用いて所望の信号成分を取り出し、この信号成分に基づいて制御ゲインを調整する構成が知られている。
【００５１】
しかし、周波数フィルタはゲイン特性と位相特性を有するため、周波数フィルタのフワフワ感領域のゲインを０ｄＢとしつつ、ヒョコヒョコ感領域ではゲインをできるたけ小さくしたい反面、制御タイミングがずれないように位相特性はできるだけ広い範囲で０度に維持したいというようなトレードオフの関係がある。従って、周波数フィルタを用いるスケジューリング方法では、フィルタ次数の選定やカットオフ周波数のチューニング等が難しく、複数の周波数成分を含む実走行路面では、周波数フィルタにより、所望の性能が狙い通りに得ることができないばかりか、却って悪化する可能性も有する。
【００５２】
これに対し、本実施の形態によるパラメータ演算器１３は、フィルタ処理等を行うことなく、ばね上速度ｙnの大きさ（振幅）から直接的にパラメータｐを求める構成とした。このため、ばね上速度ｙnの変化に対して時間遅延等を生じることなく、ＧＳＨ∞制御器１６の利得をリアルタイムに調整することができ、フィルタ処理による制御性能の悪化を防止しつつ、所望の特性を得ることができる。
【００５３】
このような本実施の形態の有効性を検証するために、ランダム路面での走行実験を行った。そのときのばね上加速度のパワースペクトル密度（ＰＳＤ）を図１１に示す。図１１中で、実線は本実施の形態を示し、破線はばね上速度にフィルタ処理を施した後にスケジューリングパラメータを求め、該スケジューリングパラメータを用いてゲインスケジュールドＨ∞制御器を構成した比較例を示している。
【００５４】
なお、比較例では、例えばばね上速度に基づくバウンスレイトに低域通過フィルタによるフィルタ処理を行ってばね上共振成分を取り出し、このばね上共振成分を用いてスケジューリングパラメータを求めるものである。
【００５５】
図１１に示すように、例えば２Ｈｚ以下のばね上共振付近の周波数領域（フワフワ感領域）では、本実施の形態および比較例はほぼ同様な値となり、いずれも減衰力ハード特性に近くなる。一方、ばね上共振よりも高い周波数領域（ヒョコヒョコ感領域）では、本実施の形態および比較例はいずれも減衰力素ソフト特性となるものの、比較例に比べて本実施の形態の方がＰＳＤがさらに低下していることが分かる。このため、本実施の形態では、フワフワ感とヒョコヒョコ感の低減を両立できると共に、比較例に比べてヒョコヒョコ感の低減効果が大きくなることが分かる。
【００５６】
かくして、本実施の形態では、車体１およびダンパ６に基づいて線形パラメータ変動システムからなる一般化プラント２１を構築し、該一般化プラント２１に基づいてフィードバック制御器となるＧＳＨ∞制御器１６を設計したから、路面外乱ｗdに対するロバスト性を高めることができ、例えば未走行の路面に対しても制御効果を得ることができる。
【００５７】
また、本実施の形態では、ばね上速度ｙnに基づいて路面状態に応じたパラメータｐを算出するパラメータ演算器１３を備え、ＧＳＨ∞制御器１６は、該パラメータ演算器１３によって算出されたパラメータｐに応じて目標減衰力ｕrの利得を変化させる。このため、ばね上の振幅の大きさを用いてＧＳＨ∞制御器１６の利得を調整できるから、ばね上共振付近の振幅が大きく、フワフワ感が大きいときには、ＧＳＨ∞制御器１６の利得を上げて減衰力ハード特性に近い制振効果を得ることができる。一方、ばね上共振の振幅が他の周波数領域の振幅に比べて小さいとき、即ちフワフワ感が小さいとき、またはヒョコヒョコ感が大きいときには、ＧＳＨ∞制御器１６の利得を下げて減衰力ソフト特性に近い除振効果を得ることができる。この結果、フワフワ感とヒョコヒョコ感の両方を低減することができる。これに加え、ばね上速度ｙnに基づいてＧＳＨ∞制御器１６の利得をスケジューリングするから、制御タイミングのずれを無くすことができる。
【００５８】
特に、本実施の形態では、パラメータｐは、フィルタ処理等を行うことなく、ばね上速度ｙnの大きさ（振幅）から直接的に求める構成とした。このため、ばね上速度ｙnの変化に対して時間遅延等が生じることなく、ＧＳＨ∞制御器１６の利得をリアルタイムに調整することができる。この結果、例えばパラメータ演算器１３が低域通過フィルタ等を備える場合に比べて、ばね上共振よりも高周波側の振動が大きいときには、速やかにＧＳＨ∞制御器１６の利得を下げて減衰力ソフト特性に調節することができ、ヒョコヒョコ感の低減効果を高めることができる。また、フィルタ処理のチューニングを行う必要がなく、容易にパラメータ演算器１３を構成できるのに加え、フィルタ処理に伴って制御性能が悪化する可能性がなくなる。
【００５９】
さらに、ＧＳＨ∞制御器１６は一般化プラント２１に基づいて設計することができるから、例えば特許文献１のように路面判定の結果に応じて制御器のゲインを調整する場合に比べて、様々な路面を走行して路面判定のチューニングを行う必要がなく、ＧＳＨ∞制御器１６のチューニングを容易に行うことができる。
【００６０】
例えば特許文献１のように路面判定の結果に応じて制御器のゲインを調整する場合には、ばね上加速度の大きさに応じて必要なゲインの大きさを変える構成となっている。この考えに基づいて、ＧＳＨ∞制御器を設計した場合には、一般化プラントのうちばね上加速度の大きさに応じて車両からの出力に係る周波数重み関数Ｗsを変える制御器となる。即ち、一般化プラントの出力側にゲインスケジュールを組み込むことに相当する。
【００６１】
しかし、出力側にゲインスケジュールを組み込んだ一般化プラントを用いて実際に設計してみると、期待通りのゲインの幅を得ることができず、パラメータｐが変化してもゲインが殆ど変化しない制御器になることが分かった。そこで、発明者等が鋭意検討したところ、制御入力となる目標減衰力ｕrに係る周波数重み関数ＷT(p)がパラメータｐに応じて変化する一般化プラント２１を構築し、この一般化プラント２１に基づいて、ＧＳＨ∞制御器１６を設計すると、パラメータｐに応じて目標減衰力ｕrのゲインを大きく変化させることができることが分かった。この結果、ＧＳＨ∞制御器１６は、パラメータｐに応じて目標減衰力ｕrのゲインを大きく変化させて、ばね上の振動の大きさに応じた減衰力を発生させることができる。
【００６２】
また、制御入力に係る周波数重み関数ＷT(p)は２次システムであり、パラメータｐは、該２次システムのうち減衰比に相当する部分に含まれる構成としたから、パラメータｐに応じてＧＳＨ∞制御器１６のゲインを変化させることができる。これに加えて、周波数重み関数ＷT(p)の次数を低下させることができるから、ＧＳＨ∞制御器１６の設計に伴う数値計算を容易に行うことができる。
【００６３】
なお、前記実施の形態では、一般化プラント２１の評価出力には、制御入力（目標減衰力ｕr）に周波数重み関数ＷT(p)を乗じた制御量ｒuに加えて、車両４２のばね上加速度等に周波数重み関数Ｗsを乗じた制御量ｒsを含む構成とした。しかし、本発明はこれに限らず、一般化プラントは、制御量ｒsを省き、制御入力に周波数重み関数ＷT(p)を乗じた制御量ｒuだけを評価出力とする構成としてもよい。
【００６４】
また、前記実施の形態では、ロバストゲインスケジュールド制御器としてＧＳＨ∞制御器１６を例に挙げて説明した。しかし、ロバストゲインスケジュールド制御器は、例えばゲインスケジューリング型スライディングモード制御器のように、安定性や制御性能の理論的な保証を与えるものであり、かつ観測値を用いて制御器のゲインをリアルタイムに調整できる制御器であればよい。
【００６５】
前記実施の形態では、路面判定手段として車体運動としてのばね上速度ｙnからパラメータｐを演算するパラメータ演算器１３を例に挙げて説明した。しかし、路面判定手段は、例えば悪路やうねり路をばね上加速度、ばね下加速度、路面変位等の観測出力から見極める関数を用いる構成としてもよく、ばね上速度ｙnとパラメータｐとの関係を格納したマップ等を用いる構成としてもよい。
【００６６】
前記実施の形態では、制御ダンパがセミアクティブダンパからなる減衰力調整式ダンパ６である場合を例に説明したが、これに代えて、アクティブダンパ（電気アクチュエータ、油圧アクチュエータのいずれか）を用いるようにしてもよい。
【００６７】
さらに、前記実施の形態では、単一のＧＳＨ∞制御器１６によって、４輪に設けた全てのサスペンション装置４を一括して制御する構成とした。しかし、本発明はこれに限らず、４輪それぞれに設けたサスペンション装置４に対して個別にＧＳＨ∞制御器を設け、これらのＧＳＨ∞制御器によって別個に独立して制御する構成としてもよい。
【符号の説明】
【００６８】
１ 車体
２ 車輪
４ サスペンション装置
５ ばね
６ 減衰力調整式ダンパ（制御ダンパ）
７ ばね上加速度センサ
８ ばね下加速度センサ
９ コントローラ
１０ 積分器
１１ 運動検出装置（運動検出手段）
１３ スケジューリングパラメータ演算器
１６ ゲインスケジュールドＨ∞制御器
２１ 一般化プラント
【特許請求の範囲】
【請求項１】
車体と車輪との間に介装され、前記車体と前記車輪との間に減衰力を発生させることにより前記車体の振動を抑制するサスペンション制御装置であって、
目標減衰力に応じて前記減衰力を発生させる制御ダンパと、
前記車体の運動を検出する運動検出手段と、
検出された車体運動に基づいて前記目標減衰力を算出するフィードバック制御器とを備え、
前記車体および前記制御ダンパに基づく線形システムであって、路面状況に応じて変動する要素を有する線形パラメータ変動システムを構築し、
前記フィードバック制御器は、該線形パラメータ変動システムに基づいて設計され、路面外乱および観測ノイズに対してロバスト安定となるロバストゲインスケジュールド制御器によって構成し、
前記運動検出手段によって検出された車体運動に基づいて路面状態に応じた変動パラメータを算出する変動パラメータ算出手段を備え、
該変動パラメータ算出手段は、前記車体運動としてのばね上速度の大きさを用いて前記変動パラメータを算出し、
前記ロバストゲインスケジュールド制御器は、該変動パラメータ算出手段によって算出された変動パラメータに応じて前記目標減衰力の利得を変化させる構成としてなるサスペンション制御装置。
【請求項２】
前記ロバストゲインスケジュールド制御器は、ばね上共振付近の振幅が大きいときには利得を上げて前記制御ダンパの減衰力をハード特性側にし、ばね上共振付近の振幅が小さいときには利得を下げて前記制御ダンパの減衰力をソフト特性側にする構成としてなる請求項１に記載のサスペンション制御装置。
【請求項３】
前記線形パラメータ変動システムは、目標減衰力に応じた制御入力と、路面外乱および観測ノイズに応じた外乱入力と、前記制御入力に周波数重み関数を乗じた評価出力と、車体運動に応じた制御出力とを有する一般化プラントであり、
該一般化プラントは、前記制御入力に係る周波数重み関数が前記変動パラメータに応じて変化し、
前記ロバストゲインスケジュールド制御器は、該一般化プラントにおいて前記変動パラメータの変動に対してロバスト安定となるように設計したゲインスケジュールドＨ∞制御器である請求項１または２に記載のサスペンション制御装置。
【請求項４】
前記制御入力に係る周波数重み関数は２次システムであり、前記変動パラメータは、該２次システムのうち減衰比に相当する部分に含まれる構成としてなる請求項３に記載のサスペンション制御装置。
【請求項５】
前記制御ダンパは、前記車体と前記車輪間の相対速度および前記目標減衰力に応じてその減衰力特性が調整される減衰力調整式ダンパである請求項１，２，３または４に記載のサスペンション制御装置。
【請求項１】
車体と車輪との間に介装され、前記車体と前記車輪との間に減衰力を発生させることにより前記車体の振動を抑制するサスペンション制御装置であって、
目標減衰力に応じて前記減衰力を発生させる制御ダンパと、
前記車体の運動を検出する運動検出手段と、
検出された車体運動に基づいて前記目標減衰力を算出するフィードバック制御器とを備え、
前記車体および前記制御ダンパに基づく線形システムであって、路面状況に応じて変動する要素を有する線形パラメータ変動システムを構築し、
前記フィードバック制御器は、該線形パラメータ変動システムに基づいて設計され、路面外乱および観測ノイズに対してロバスト安定となるロバストゲインスケジュールド制御器によって構成し、
前記運動検出手段によって検出された車体運動に基づいて路面状態に応じた変動パラメータを算出する変動パラメータ算出手段を備え、
該変動パラメータ算出手段は、前記車体運動としてのばね上速度の大きさを用いて前記変動パラメータを算出し、
前記ロバストゲインスケジュールド制御器は、該変動パラメータ算出手段によって算出された変動パラメータに応じて前記目標減衰力の利得を変化させる構成としてなるサスペンション制御装置。
【請求項２】
前記ロバストゲインスケジュールド制御器は、ばね上共振付近の振幅が大きいときには利得を上げて前記制御ダンパの減衰力をハード特性側にし、ばね上共振付近の振幅が小さいときには利得を下げて前記制御ダンパの減衰力をソフト特性側にする構成としてなる請求項１に記載のサスペンション制御装置。
【請求項３】
前記線形パラメータ変動システムは、目標減衰力に応じた制御入力と、路面外乱および観測ノイズに応じた外乱入力と、前記制御入力に周波数重み関数を乗じた評価出力と、車体運動に応じた制御出力とを有する一般化プラントであり、
該一般化プラントは、前記制御入力に係る周波数重み関数が前記変動パラメータに応じて変化し、
前記ロバストゲインスケジュールド制御器は、該一般化プラントにおいて前記変動パラメータの変動に対してロバスト安定となるように設計したゲインスケジュールドＨ∞制御器である請求項１または２に記載のサスペンション制御装置。
【請求項４】
前記制御入力に係る周波数重み関数は２次システムであり、前記変動パラメータは、該２次システムのうち減衰比に相当する部分に含まれる構成としてなる請求項３に記載のサスペンション制御装置。
【請求項５】
前記制御ダンパは、前記車体と前記車輪間の相対速度および前記目標減衰力に応じてその減衰力特性が調整される減衰力調整式ダンパである請求項１，２，３または４に記載のサスペンション制御装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【公開番号】特開２０１１−２４０８２５（Ｐ２０１１−２４０８２５Ａ）
【公開日】平成２３年１２月１日（２０１１．１２．１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−１１４７００（Ｐ２０１０−１１４７００）
【出願日】平成２２年５月１８日（２０１０．５．１８）
【出願人】（５０９１８６５７９）日立オートモティブシステムズ株式会社 (2,205)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年１２月１日（２０１１．１２．１）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年５月１８日（２０１０．５．１８）
【出願人】（５０９１８６５７９）日立オートモティブシステムズ株式会社 (2,205)
【Ｆターム（参考）】
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