Kochi University of Technology Academic Resource Repository

Liping WU, Ran ZHOU, Feng SUN, Chuan ZHAO, Guang YANG, Fangchao XU, Junjie JIN, Yuanyuan SONG, Koichi OKA

The 8th International Symposium on Frontier Technology (ISFT)
Research on Incomplete Output Fault-tolerant Control of Electromagnetic Suspension
System for Semi-vehicles
Liping WU*, Ran ZHOU*, Feng SUN*, Chuan ZHAO*, Guang YANG*,**, Fangchao XU*,
Junjie JIN*, Yuanyuan SONG*, Koichi OKA***
Shenyang University of Technology*
Shenyang Aerospace University**
Kochi University of Technology***
Corresponding author: Feng SUN (sunfeng@sut.edu.cn)
ABSTRACT: In order to investigate the effect of electromagnetic active suspension on vehicle performance
in case of failure, this paper takes the four degree of freedom (DOF) semi-vehicle electromagnetic
suspension system as the research object. Body acceleration, pitch angle acceleration, suspension dynamic
travel and tire dynamic deformation are taken as indexes for research. Firstly, a 4 DOF semi-vehicle
electromagnetic active suspension dynamics model is established, and then its suspension performance
indexes when different actuator gain faults are analyzed according to the model, based on which, an
incomplete output fault-tolerant (IOFT) controller is proposed to study and analyze the performance of the
semi-vehicle electromagnetic suspension system. Finally, simulation analysis was carried out using
MATLAB/Simulink to investigate the fault-tolerant control for front and rear actuator gain faults respectively,
and the comparison was made through the root-mean-square (RMS) values. The results show that when an
IOFT control strategy is used, the performance metrics of the individual suspensions may deteriorate slightly,
but the improvement of the body droop acceleration and pitch angle acceleration, which have a greater
impact on ride comfort, is significant.
KEYWORDS: Electromagnetic suspension, Fault tolerant control, Active control, Suspension systems,
Semi-vehicle suspension systems
1. INTRODUCTION
Suspension is a component that connects the body
and wheels, and can play a role in slowing down the
vibration of the road surface[1]. The performance of
the suspension determines ride comfort, operational
stability and safety, and is an important part of the
automobile. Electromagnetic (EM) suspension is the
current research hotspot in the field of suspension
due to its simple structure and good controllability
[2]. Most of the current research focuses on the
structural design and control methods under the
intact state of the suspension [3]. However, when the
suspension fails, it may lead to a decrease in the
effect of these control methods, or even failure,
which may cause serious safety hazards.
Fault-tolerant (FT) control can keep the suspension
performance within acceptable limits when the
suspension is in a faulty state [4]. In this project, the
electromagnetic suspension system of a semi-truck is
analyzed, and the fault-tolerant controller is designed
by studying the performance of the suspension
The 8th International Symposium on Frontier Technology (ISFT)
actuator with non-full force, and the fault-tolerant
control effect of the semi-truck under different force
conditions is analyzed by simulation.
2. EMACTIVE SUSPENSIONMODEL
The EM active suspension 4 DOF semi-vehicle
model. The tire stiffness is ktA and ktC. mb is the
spring-loaded mass and mwA, mwC are the unsprung
masses. ksA, csA, ksC, csC are the stiffness and damping
of the suspensions. ksA, csA, ksC, csC are the active
forces are FiA, FiC, respectively. θ is the pitch angle
of the vehicle, and xb is the droop displacement of
the vehicle. xbA, xbC are the front and rear
suspensions spring-loaded mass displacements. Its
dynamic equations are shown in equation (1):


















baCAjiKF
Fxxc
xxkxxkxm
FxxcxxkI
Fxxcxxkxm
CAujujij
j ijbjwjsj
bjwjsjwjgjtj
wjwj
j
ijbjwjsjbjwjsjjpp
j
ijbjwjsjbjwjsjbb


,;,;
)(
)()(
])()([
)()(



(1)
3. FT CONTROLLER DESIGN
The block diagram of the incomplete output
fault-tolerant (IOFT) controller is designed for the
semi-vehicle suspension system, which is shown in
Fig. 1. The road excitation is used as an input and
the accelerometer is used as a feedback signal. The
vibration of the road surface is transmitted to the
body through the electromagnetic suspension. The
actuator outputs the main power through the control
signal from the controller, which in turn controls the
performance of the vehicle. When the actuator fails,
the force output of the suspension may be affected,
which in turn affects the performance of the
suspension. The incomplete fault-tolerant control of
the front and rear suspensions results in improved
pitch angle acceleration and body sag acceleration,
which have a greater impact on ride comfort. This in
turn leads to a control effect that improves the
suspension performance.
Figure 1 Control Block Diagram
4 SIMULATONANALYSIS
The percentage improvement in the performance of
the electromagnetic suspension system of the
semi-vehicle is shown in Fig. 2. From the figure, it
can be seen that the percentage of improvement in
each performance of the suspension system varies
when the suspension actuator fails at different levels.
A comparative analysis is performed with the
suspension improvement as the control objective and
the semi car as the control objective for
improvement. At δ<0.6, the improvement with
suspension as the control target is slightly better;
however, the improvement in pitch angle
acceleration is the opposite.
(a)
The 8th International Symposium on Frontier Technology (ISFT)
(b)
Figure 2 Percentage improvement in system
performance
5 CONCLUSION
In this paper, the electromagnetic suspension system
of a 4 DOF semi-vehicle was modeled, the
performance of the electromagnetic suspension
system at different actuator failures was analyzed,
and a IOFT controller was designed. Subsequently,
simulations were performed and the results showed
that when the suspension fails, the suspension
system can be actively controlled by designing an
appropriate fault-tolerant controller, which can
substantially improve other suspension system
performances such as pitch angle acceleration at the
expense of some improvements in center-of-mass
acceleration.
REFERENCES
Ebrahimi, B., Bolandhemmat, H., Khamesee, M. B.,
and Golnaraghi, F. 2011. A hybrid electromagnetic
shock absorber for active vehicle suspension systems.
Vehicle System Dynamics, 49(1-2), 311-332.
Zhou R, Sun F, Yan M, Jin J, Li Q, Xu F, Zhang X
and Nakano K. 2020. Design, analysis and
prototyping of a magnetic energy-harvesting
suspension for vehicles. Smart Materials and
Structures, 29(10): 105034. (Journal Articles)
Kou F, Wu J, Gao J, Wu D and Chen R et al. 2021.
Active fault-tolerant control based on the fault of
electromagnetic hybrid active suspension. Shock and
Vibration. 2021: 4273698. (Journal Articles)
Yan S, Sun W, Xia Y. 2024. A Joint Fault-Tolerant
and Fault Diagnosis Strategy for Multiple Actuator
Faults of Full-Vehicle Active Suspension Systems.
IEEE Transactions on Automation Science and
Engineering, 2024. (Journal Articles)


English

Research on Incomplete Output Fault-tolerant Control of Electromagnetic Suspension System for Semi-vehicles

高知工科大学博士（学術）doctoral thesi

信田 勝美

 
- 1 - 
 
氏 名（本籍） 信田 勝美（東京都） 
学位の種類   博士（学術） 
学位記番号   甲第 424 号 
学位授与年月日 令和６年９月 24日 
学位授与の要件 学位規則第４条第２項 
研究科・専攻名 工学研究科・基盤工学専攻 
学位論文題目  Comparative analysis of forest therapy management for regional value creation
－Regional knowledge creation for social innovation－ 
  地域価値創造のための森林セラピーマネジメントの比較分析 －ソーシャル・イノベ
ーションの地域的知識創造－ 
論文審査    （主査）高知工科大学        教授   桂 信太郎 
上智大学          教授   中川 善典（外） 
高知工科大学        教授   那須 清吾 
東京都立産業技術大学院大学 教授   板倉 宏昭（外） 
高知工科大学        名誉教授 冨澤 治（外） 
 
審 査 結 果 の 要 旨 
 
１.論文の評価 
2024 年 8 月 22 日（木）10 時より信田勝美氏の学位審査が香美キャンパス A101 において実施され
た。まず、信田氏より学位論文について以下の内容のプレゼンがあった。日本は世界有数の豊かな森林
資源を有しており、観光や地域住民の健康増進や医療費低減への利活用が求められている。日本発祥の
森林セラピーは、自然との関わりを通じて心身の健康を改善する活動であり、自然と人間の相互作用に
価値を認めて、地域に根差した文化的な活動として世界各国で認知されている。既存の森林セラピー研
究は、精神医学や生理学の研究が殆どで、経営学の視点の研究が少なく、運営者側の研究や全体俯瞰の
研究も少ない。一方で、経営学の分野では 2000 年ごろから経済的価値と社会的価値の双方を追求する
ソーシャル・イノベーション研究が推進されている。これらを踏まえて、国内認定 65 箇所の森林セラ
ピー事業者へアンケートとテキスト計量分析を実施し全体俯瞰しながら運営者が重視する事項を把握
し、その後、森林セラピー運営の事例研究を実施した。全体俯瞰と量的分析は地域バリューチェーンの
枠組みを基礎に静的分析を行った（板倉 21）。事例研究は、複雑な事業プロセスの全体的で深い洞察を
得るために有効な手法であり（Yin,03)、文脈依存的な知識を理解し分析することに役立つ
（Flyvbjerg,06)質的事例研究を選択し、知識創造理論の枠組みを用いて地域的知識創造として動的に分
析・評価した（信田・桂・西原 24）。森林セラピーを通じたイノベーションと地域価値創造の可能性に
焦点を当て、地域の人々の暗黙知や価値観の共有、新たな知識創造と関係性の形成を探求した。特に先
進事例の信濃町の森林セラピー運営の成功要因と課題を明らかにしながら、他地域との比較を通じて差
分を検証した。本研究は、共通の目的が確立された同一組織内での知識創造は、一致した組織行動によ
って達成される可能性があるが、地域の知識創造の場合はアプリオリには当てはまらない。利害関係者
が多種多様である場合の知識創造において、共感が境界をつなぐ基礎となることを主張する。また、効
果的な地域経営の知識を得ることで、追随する他地域への実践的なインパクトを提供する。次いで、審
査委員質疑があり、評価される点として以下が挙げられた。①野中 95 の組織的知識創造と本稿の主張
する「地域的知識創造」の違いを明らかにしようとする問題意識。②森林セラピーの全国俯瞰の既存研
究がないことから具体的知見が得られる研究である点、③実践的研究でありかつ政策的意義も高い点が
評価できる（実践経営学会学術論文賞受賞理由）。④地域バリューチェーン（板倉 21）が静的分析であ
り、知識創造により事業を動的に捉えることで補完関係が成立する分析である点、⑤実践的インパクト
として、特に檜原村では、板倉教授の研究グループにより既に検証実験や委託調査が進み、行政から本
 
- 2 - 
研究の成果の援用が大きく期待されている。その後、審査委員から伝統的な暗黙知と場の捉え方につい
ての確認があった。また課題としては、先進事例である信濃町の成功要因と課題を抽出して仮説を導出
し、他地域との比較から差分抽出により検証したことは口頭試問で確認されたが、その仮説や検証結果
を明示するなど、これらを再整理するとともに SECI スパイラルをさらに深く記述することが求められ
た。また、インタビューのリストを作成し SECI モデルとの整合性の説明を求められた。これらを踏ま
えて、論文提出までに最大限修正していくこととした。また、既に 3 つの学会誌に査読論文 5 本掲載さ
れ、実践経営学会からは学会学術論文賞を受賞した。国内外での学会発表は 19 報である。今後、有力
出版社から書籍出版し、国際ジャーナルや有力紙に執筆予定である。 
 
２.審査の経過と結果 
（１）令和６年６月 26 日 ５名の審査委員のもと協議され、博士後期課程委員会で学位論文の受理
を決定した。 
（２）令和６年８月 22 日 公開論文審査発表会及び最終試験を実施した。 
（３）令和６年９月４日 博士後期課程委員会で学位授与を可とし、教育研究審議会で承認された。 


Japanese

地域価値創造のための森林セラピーマネジメントの比較分析 －ソーシャル・イノベ ーションの地域的知識創造－

山下, 竜生

色素増感太陽電池の光電極応用のため、新規アニーリング法を用いた ZnO 薄膜からナノ構造への成長制御

古田, 雄大

データ駆動型プロセッサのコンポジットコア化の検討

森本, 拓馬

4 発ティルトウイング機の制御システム開発

地主 拓未

量子的な2 光子対の伝搬に伴うGouy 位相特異点発生

網本, 春華

送信バッテリーを用いたクラスタリングを利用する集約型メッセージフェリー手法に おける省バッテリー手法

山本, 樹育

地方の優位性と企業戦略

蝶野　成臣

巻頭言
本学は開学当初から、研究活動を推進するために様々な施策を講じてまいりました。その
経緯について簡単に言及いたします。
1997年 4月の開学直後から、初代学長の末松安晴先生は、研究遂行には大学院の早期設
置が不可欠であることを提唱され、1期生の卒業を待たずに開学 3年目の 1999年 4月に大
学院修士課程と博士後期課程を開設しました。加えて、質の高い、特に萌芽的な研究の遂行
には、研究者が自由に、創造的な研究を展開できる「場」が必要であるとして、同年に総合
研究所を開所しました。その後、本学は 2009年に公立大学となり、これを契機に、地域貢
献を強力に推進する地域連携機構を設立して、地域が抱える課題の解決を図ってきました。
研究の実施体制については、個人で行う研究を尊重しつつ、それと並行して、学術的・社会
的に注目度の高い特定のテーマに大学全体または学科組織で取り組む学長プロジェクトや学
科長プロジェクトも実施してきました。このようにして、本学は未来の社会に貢献できる研
究成果を創出してまいりました。
さて、本巻には 2つの特集テーマが組まれております。特集 1は、総合研究所の活動の報
告です。現在、総合研究所には 6つの研究センター、1つの創発的研究センター、4つの萌
芽研究センター／重点研究室、及び 1つの産学共創センターが置かれており、そのうち 3つ
の研究センターと 2つの萌芽研究センター／重点研究室の研究活動が報告されています。特
集 2は、2016年に立ちあがった「里山工学プロジェクト」に関するものです。現在の地域連
携機構には 3つの研究ユニットが組織されており、そのうちの 1つを構成する里山創成研究
ユニットからの 3件の活動報告が掲載されています。
本巻には他にも、2編の研究論文（うち 1編は査読を経た論文）と、2名の教員が海外研
修支援制度（教員の FDの一環であり、教育、研究の能力向上と国際的視野の拡大を図るた
めの制度）を活用して海外研究活動を行った内容が掲載されております。
本巻の記事を通じて、本学の活動の一端を知っていただければ幸いに存じます。
学長　蝶野成臣
高知工科大学紀要
目次
特集 1高知工科大学総合研究所の活動報告
（研究センター）
1. 脳コミュニケーション研究センター—脳科学をめぐる学際研究の場を目指して—
岩田誠,門田宏,繁桝博昭,島根大輔,竹田昂典,竹田真己,松崎公紀,
山中麻央子,吉田真一,渡邊言也,王瑞敏,中原潔
2. 分子デザイン研究センター—異分野融合を目指して—
西脇永敏
（萌芽研究センター／重点研究室）
3. Center for Human-Engaged Computing (CHEC)
—HCIから HECへのパラダイムシフト—
任向実
4. 視覚・感性統合研究室
—設置の背景と目標・研究テーマと成果・将来展望（第 I期～第 II期）—
篠森敬三
5. 持続社会建設材料研究室
—二酸化炭素をコンクリート材料の高機能化と物質循環サイクル構築に活かす—
大内雅博
特集 2里山基盤科学技術の社会実装モデルプロジェクト 2023
6. 里山工学の成果と今後（2023年度版）
高木方隆,堀澤栄,渡辺菊眞,赤塚慎,楠瀬慶太,村井亮介
7. 里山における生物多様性保全のためのビオトープ作成とリジェネラティブ農業の検討
宇賀大貴,笹岡南斗,佐藤京香,竹内将人,高木方隆,村井亮介
8. 金峯神社の本殿移設プロジェクト
石川遼太郎,南部七音,深江翔希,渡辺菊眞
研究論文
9. 事象関連電位を用いた限定商品における魅力の生起過程に関する検討（査読あり論文）
伊﨑翼,森雅斗,小川景子
10. 「仕事人秘録」に見るキャリア選択
山田篤司
調査・活動報告
11. 英国 UCLでの研修を終えて
浜村昌則
12. AIが現代の教育に与える影響
Paul Daniels
Kochi University of Technology Research Bulletin
Contents
Feature Articles 1
Activity Reports from Research Institute, Kochi University of Technology
(Research Centers)
1. Research Center for Brain Communication
—Toward a Place for Interdisciplinary Research on Brain Science—
Makoto Iwata, Hiroshi Kadota, Hiroaki Shigemasu, Daisuke Shimane,
Akinori Takeda, Masaki Takeda, Kiminori Matsuzaki, Maoko Yamanaka,
Shinichi Yoshida, Noriya Watanabe, Ruimin Wang, Kiyoshi Nakahara
2. Research Center for Molecular Design
—Aiming for Development of Multidisciplinary Research Fields—
Nagatoshi Nishiwaki
(Exploratory Laboratory / Focused Research Laboratories)
3. Center for Human-Engaged Computing (CHEC)
—Paradigm Shift from Human-Computer Interaction (HCI) to Human-Engaged
Computing (HEC)—
Xiangshi Ren
4. Vision and Affective Science Integrated Laboratory
—Background, Purpose, Research Theme, Achievement and Future plan (from Phase I to
Phase II)—
Keizo Shinomori
5. Laboratory for Construction Materials in a Sustainable Society
—Utilizing Carbon Dioxide to Improve the Functionality of Concrete and Build Material
Circulation Cycles—
Masahiro Ouchi
Feature Articles 2
Activity Reports on Implementation of Science and Technology for “Satoyama” 2023
6. Results in SATOYAMA Engineering and the Issues
Masataka Takagi, Sakae Horisawa, Kikuma Watanabe, Shin Akatsuka,
Keita Kusunose, Ryosuke Murai
7. Biotope Creation and Regenerative Agriculture for Biodiversity Conservation in “Satoyama”
Daiki Uka, Minato Sasaoka, Kyoka Sato, Masato Takeuchi, Masataka Takagi,
Ryosuke Murai
8. Main Hall Relocation Project for the Kanamine Shinto Shrine
Ryotaro Ishikawa, Nao Nambu, Shoki Fukae, Kikuma Watanabe
Research Articles
9. Investigation of the Generating Process of Attractiveness in Limited-edition Products Using
the Event-related Potential (Peer-reviewed Paper)
Tsubasa Izaki, Masato Mori, Keiko Ogawa
10. Career Choice as Seen in the “Confidential Records of a Professional”
Atsushi Yamada
Activity Reports
11. Brief Report on Research Residency at University College London (UK)
Masanori Hamamura
12. The Impact of AI on Modern Education
Paul Daniels


巻頭言及び目次

Iroha Ebuka Valentine

An Underutilization of Engineering Project Managers in  Construction Industry:  A case study of Nigeria

Kochi University of Technology

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Research on Incomplete Output Fault-tolerant Control of Electromagnetic Suspension System for Semi-vehicles

地域価値創造のための森林セラピーマネジメントの比較分析－ソーシャル・イノベーションの地域的知識創造－

色素増感太陽電池の光電極応用のため、新規アニーリング法を用いた ZnO 薄膜からナノ構造への成長制御

データ駆動型プロセッサのコンポジットコア化の検討

4 発ティルトウイング機の制御システム開発

量子的な2 光子対の伝搬に伴うGouy 位相特異点発生

送信バッテリーを用いたクラスタリングを利用する集約型メッセージフェリー手法における省バッテリー手法

地方の優位性と企業戦略

巻頭言及び目次

An Underutilization of Engineering Project Managers in Construction Industry: A case study of Nigeria

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