JP2002048183A - 制振装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 本発明は構造物の振動を制振する制御系のゲ
インを最適値に自動調整できることを課題とする。 【解決手段】 制振装置１１は、構造物１２の屋上に設
置された動吸振器１３が制御装置１４からの制御信号に
より制振動作して構造物１２の水平方向（Ｘ方向）の振
動を制振する。動吸振器１３は、付加質量１６がＸ方向
に摺動して制振動作する構成である。制御装置１４は、
センサ２１により検出された構造物１２の振動に対して
付加質量１６を駆動するトルクが大きくなり、ストロー
クに余裕がない場合、制御ゲインを徐々に小さく変更す
る。また、モータ１８のトルクに余裕がある場合には、
制御ゲインを徐々に大きく変更する。自動的に制御ゲイ
ンの大きさを変更し、常に制振装置１１の性能内ででき
るだけ大きい制御ゲインを設定することができるため、
各構造物１２に個別のゲイン調整作業が不要となり、メ
ンテナンスが容易になる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は制振装置に係り、特
に構造物の振動状態に基づいてアクチュエータの制御量
を演算し、この制御量に応じてアクチュエータが付加質
量を駆動して構造物の振動を制振する構成とした制振装
置に関する。

【０００２】

【従来の技術】例えば住宅等の構造物においては交通振
動などのような微小な揺れを低減するための制振装置が
開発されている。この種の制振装置では、構造物の振動
状態に応じて主に構造物の質量に応じた重量を有する付
加質量を変位させて構造物で発生した振動を制振するよ
うになっている。そのため、構造物には、例えば変位セ
ンサ、速度センサ又は加速度センサ等の振動状態を検出
するセンサが設置されている。

【０００３】また、従来の制振装置としては、例えば付
加質量をリニアベアリング等により摺動自在に支持する
とともに、付加質量に螺合するボールネジ等の伝達機構
をモータ等により駆動し、付加質量が水平方向に往復動
されるよう構成された動吸振器を有する装置がある。そ
して、動吸振器は、ビルの各階毎の変位又は速度などの
振動状態を検出する各センサからの出力値の大きさに応
じた制御量を演算する制御装置からの駆動信号によりモ
ータが駆動制御されて付加質量を移動させ、その反力で
構造物の振動を制振するようになっている。

【０００４】この種のアクティブ制御システムでは、構
造物の振動伝達特性を正確に把握し、これを制御ゲイン
に反映する必要がある。しかしながら、一般住宅の交通
振動を制振するのにアクティブ制御システムを用いる場
合、住宅の構造が夫々異なり、各住宅ごとの振動伝達特
性を正確に求めることは難しい。

【０００５】そのため、住宅の振動をアクティブ制御シ
ステムで制振する制振装置においては、制御対象の振動
伝達特性が不明でも制御可能なスカイフック制御を用い
た住宅用アクティブ制御システムの開発が進められてい
る。

【０００６】この住宅用アクティブ制御システムにおい
ては、例えばあらかじめ複数のゲインを記憶装置に記憶
しておき、センサによる構造物の振動伝達特性が変化し
た時は、演算装置に接続された記憶装置に記憶している
複数のゲインの中から構造物の振動に対応するゲインを
選択し、また付加質量の変位がある値以上の時は現在用
いているゲインより弱いゲインを選択し、弱いゲインを
目標となる制御ゲインとし、現在用いているゲインから
目標ゲインに切替えて制御量の生成を行っていた。

【０００７】その後、構造物の振動が小さくなった場合
には、現在用いている制御ゲインより強い基のゲイン等
を目標ゲインとし、目標ゲインに切替わるようになって
おり、付加質量の動作は、大きくなり制振効果が向上す
るようになる。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】しかるに、上記のよう
なスカイフック制御を用いた制振装置では、制御ゲイン
が大きい値になる程制振性能が良くなり、制御ゲインが
大きすぎるとアクチュエータが発振して住宅を加振した
り、付加質量が動作ストロークを越えたり、異音が発生
したりする。また、各住宅の振動伝達特性や揺れの大き
さによって、最適な制御ゲインは各住宅の構造によって
異なる。これまでは、住宅の大きい揺れに対して制振装
置の制振性能を効率よく発揮できるようにできるだけ大
きい制御ゲインを手動で設定していた。

【０００９】しかしながら、このような制御ゲインの設
定方法では、小さい揺れではアクチュエータの動作が小
さくなるので、制振装置の制振性能を持て余すことにな
る。さらに、住宅の質量が変化したり、あるいは住宅が
経年劣化した場合には住宅の振動伝達特性が変化するの
で、そのたびに制御ゲインの再調整が必要になりメンテ
ナンスに手間が掛かるという問題があった。

【００１０】また、スカイフック制御を用いた制振装置
において、予め設定された複数の制御ゲインの中から当
該住宅の振動伝達特性に合った制御ゲインに切換える手
法を用いた場合、住宅の構造によって様々な揺れに合わ
せた複数の組合せの制御ゲインを予め用意する必要があ
り、また住宅の振動伝達特性が変化した場合にはどのゲ
インの組合せを利用するか再調整が必要になるという問
題があった。

【００１１】そこで、本発明は上記課題を解決した制振
装置を提供することを目的とする。

【００１２】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するた
め、本発明は以下のような特徴を有する。

【００１３】上記請求項１記載の発明は、付加質量の振
幅が大きいとき、制御ゲインを小さい値に変更し、付加
質量の振幅が小さいとき、制御ゲインを段階的に大きい
値に変更するゲイン調整手段を備えてなり、構造物の振
動特性に合わせて設定された制御ゲインを付加質量の制
振動作を応じて自動的に調整して構造物の制振効果を高
めることができる。

【００１４】また、請求項２記載の発明は、アクチュエ
ータのトルクが所定以上になったとき制御ゲインを段階
的に小さくするものであり、付加質量を駆動するアクチ
ュエータのトルクが構造物の振動特性に応じた大きさに
調整される。

【００１５】また、請求項３記載の発明は、アクチュエ
ータのトルクが所定以下になったとき制御ゲインを段階
的に大きくするものであり、付加質量を駆動するアクチ
ュエータのトルクが構造物の振動特性に応じた大きさに
調整される。

【００１６】

【発明の実施の形態】以下、図面と共に本発明の一実施
例について説明する。

【００１７】図１は本発明になる制振装置の第１実施例
の概略構成図である。

【００１８】図１に示されるように、制振装置１１は、
例えば一般住宅などからなる構造物１２の屋上に設置さ
れた動吸振器１３が制御装置１４からの制御信号により
制振動作して構造物１２の水平方向（Ｘ方向）の振動を
制振する。

【００１９】動吸振器１３は、構造物１２の屋上に設置
された基台１５上の付加質量１６がＸ方向に摺動する構
成であり、付加質量１６は構造物１２の総質量に対し約
０．５％程度の質量を有する。そのため、付加質量１６
は基台１５上のリニアベアリング１７により摺動自在に
支持されている。

【００２０】また、基台１５上にはアクチュエータとし
てのＡＣサーボモータ（以下「モータ」と言う）１８、
モータ１８の回転量を検出するエンコーダ１９が設けら
れており、モータ１８の出力軸１８ａはカップリング２
０を介してボールねじ２３に結合されている。ボールね
じ２３は付加質量１６に螺合して貫通している。従っ
て、付加質量１６はボールねじ２３の回転により基台１
５の凹部１５ａ内を移動する。

【００２１】また、構造物１２の屋上には、振動状態
（振幅、速度、加速度のいずれか）を検出する振動状態
検出センサ（以下「センサ」と言う）２１が設置されて
いる。このセンサ２１は、交通振動や地震等の振動が構
造物１２に伝播すると、そのとき検出された変位（振
幅）、あるいは速度、あるいは加速度の検出信号を制振
装置１４に出力する。

【００２２】制御装置１４は、後述するようにセンサ２
１からの検出信号が入力されると、そのときの振動の大
きさに応じた制御量を演算して動吸振器１３のモータ１
８へ駆動信号を出力する。モータ１８は駆動信号の供給
によりボールねじ２３を回転させ、付加質量１６をＸ方
向（振動方向）に移動させる。このとき、発生する付加
質量１６の慣性力の反作用により構造物１２の振動が制
振される。

【００２３】ここで、制御装置１４の構成について説明
する。

【００２４】図２は制御装置１４の構成を示すブロック
図である。

【００２５】図２に示されるように、制御装置１４は、
センサ２１からの検出信号（センサ信号）を増幅する増
幅器２４と、増幅器２４で増幅されたアナログ信号をデ
ジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換器２５と、Ａ／Ｄ変換
器２５から入力された信号に基づいて制御量を演算する
演算装置２６と、演算に必要なデータを記憶する記憶装
置２７と、演算装置２６から出力された制御信号（デジ
タル信号）をアナログ信号に変換するＤ／Ａ変換器２８
と、Ｄ／Ａ変換器２８から入力された駆動信号をモータ
１８へ出力するドライブ回路２９とからなる。

【００２６】ドライブ回路２９は、エンコーダ１９の検
出信号をデジタル信号に変換し、演算装置２６に出力す
る。演算装置２６は入力されたエンコーダ１９の信号か
ら付加質量１６の位置を演算し、付加質量１６の位置お
よびセンサ２１のデジタル信号に基づいて、後述するよ
うな演算を行う。演算装置２６の演算結果は、Ｄ／A変
換器２８に入力され、アナログ信号に変換した後、ドラ
イブ回路２９に入力される。

【００２７】ドライブ回路２９は、モータ１８を駆動す
るための回路でＤ／A変換器２８からのアナログ信号お
よびエンコーダ１９からの検出信号に基づいて駆動信号
（トルク信号）を生成し、構造物１２の振動に応じたト
ルクでモータ１８を回転駆動させる。また、ドライブ回
路２９から出力されたトルク信号は、Ａ／Ｄ変換器２５
を介して演算装置２６に入力される。そして、演算装置
２６は、このトルク信号とセンサ２１からの検出信号
（センサ信号）、または付加質量１６の変位を示すエン
コーダ１９からの検出信号（エンコーダ信号）に応じて
ゲインを調整しながら付加質量１６を駆動させるための
制御信号を生成する。

【００２８】演算装置２６では、スカイフック制御理論
を用いて制御し、制御ゲインとセンサ２１により検出さ
れた構造物１２の応答に基づいて制御量を演算する。

【００２９】スカイフック制御は、構造物１２が振動し
ている場合に仮想の絶対静止座標を想定し、これと構造
物１２との間に仮想ダンパを設けることで構造物１２を
制振するという考え方であり、交通振動等により構造物
１２が振動したときの構造物１２の上部の変位をＸｓ、
仮想ダンパの減衰係数をCａとして運動方程式に表す
と、次式のように表せる。

【００３０】 Ｍｓ・Ｘｓ”＋Ｃｓ・Ｘｓ’＋Ｋｓ・Ｘｓ＝−Ｃａ・Ｘｓ’・・・（１） となる。ここで、Ｍｓは構造物の質量、Ｃｓは構造物の
減衰係数、Ｋｓは構造物１２のばね定数である。尚、上
記（１）式において、Ｘ”は２回微分、Ｘ’は１回微分
を示す。

【００３１】制振装置１１は、モータ１８が付加質量１
６を動かすとき、構造物１２に及ぼす反力により構造物
１２を制振する。付加質量１６の質量をｍａ、付加質量
１６の加速度をＸ”ａとして運動方程式に表すと、次式
のようになる。

【００３２】 Ｍｓ・Ｘｓ”＋Ｃｓ・Ｘｓ’＋Ｋｓ・Ｘｓ＝−ｍａ・Ｘａ’・・・（２） スカイフック制御の仮想ダンパの力（−Ｃａ・Ｘｓ’）
は、構造物１２の速度（Ｘｓ’）に制御ゲイン−Ｇａ
（＝−Ｃａ）を掛けてモータ１８に加速度駆動信号を与
えれば制御できる。

【００３３】このように構成された制振装置１１では、
付加質量１６が移動できる動作範囲は限定されているた
め、付加質量１６の限られた動作範囲内で最大の制振効
果を上げるには、制御ゲインを構造物１２の振動を検出
するセンサ２１の検出信号の大きさに応じて変更するこ
とが望ましい。

【００３４】次に、制御装置１４が実行するゲイン調整
処理について説明する。

【００３５】図３は制御装置１４の演算装置２６が実行
するゲイン調整処理のＰＡＤ図である。

【００３６】図３に示されるように、演算装置２６は、
以下に示す方法で求められた制御ゲインを用いてスカイ
フック制御則により制振装置１１を制御する。

【００３７】Ｓ１において、センサ２１により検出され
た構造物１２の振動に対して付加質量１６の変位が大き
くなりストロークに余裕がない場合には、Ｓ１１の処理
を行う。逆に、付加質量１６のストロークに余裕がある
場合にはＳ１２の処理を行う。その後、Ｓ２の処理を実
行する。

【００３８】また、Ｓ１において付加質量１６のストロ
ークに余裕がない場合には、付加質量１６がストローク
エンドのストッパ（図示せず）に接近しているので、Ｓ
１１ではボリュームを急激（瞬時）に小さくする。ここ
で、ボリュームは、ゲインを調整するための定数であ
り、０〜１００％を示す値である。

【００３９】また、Ｓ１において、センサ２１により検
出された構造物１２の振動に対して付加質量１６の変位
が小さく付加質量１６が移動するストロークに余裕があ
る場合には、Ｓ１２でボリュームの値を徐々に大きくす
ることにより付加質量１６の移動距離を延長して制振効
果を高める。ここで、ボリュームの最大値は、１００％
とする。

【００４０】Ｓ２において、センサ２１により検出され
た構造物１２の振動に対して付加質量１６を駆動するト
ルクが大きくなり、ストロークに余裕がない場合、また
はＳ１１において、ボリュームの値が小さく変更され、
１００％未満の場合にはＳ２１の処理を行う。逆に、セ
ンサ２１により検出された構造物１２の振動に対して付
加質量１６を駆動するトルクが小さくモータ１８のトル
クに余裕があり、ボリュームが１００％の場合には、Ｓ
２２の処理を行う。その後、Ｓ３の処理を行う。

【００４１】また、Ｓ２において、センサ２１により検
出された構造物１２の振動に対して付加質量１６を駆動
するトルクに余裕がない場合、またはボリュームが１０
０％未満の場合には、Ｓ２１で制御ゲインを徐々（段階
的）に小さく変更する。尚、モータ１８は、ある回転数
に達すると、最大トルクを発生するため、回転数を必要
以上に上げてもトルク増にならない。そのため、モータ
１８のトルクに余裕がない状態でゲインを上げても付加
質量１６の加速度を増加させることはできないので、ゲ
インを下げることになる。

【００４２】また、Ｓ２において、モータ１８のトルク
に余裕があり、ボリュームが１００％の場合には、制御
ゲインを徐々（段階的）に大きく変更する。これによ
り、モータ１８のトルクが増大して付加質量１６の動作
による制振効果が増大する。

【００４３】Ｓ３では、上記Ｓ２１またはＳ２２で変更
した制御ゲインと、Ｓ１１またはＳ１２で変更したボリ
ューム値を掛け合わせて制御ゲインを求める。

【００４４】ここで、上記Ｓ１１,Ｓ１２,Ｓ２１,Ｓ２
２において、ボリュームおよび制御ゲインを急激に変化
させると、付加質量１６の加速度変化が大きくなり、構
造物１２を加振したり、あるいは異音が発生したりする
可能性がある。これとは逆にボリュームおよび制御ゲイ
ンをゆっくり変化させると、制振装置１１の能力を越え
る可能性がある。

【００４５】そこで、本実施例では、上記Ｓ１１,Ｓ１
２,Ｓ２１,Ｓ２２において、例えば、ボリュームおよび
制御ゲインを変更する速さをそれぞれＡ、Ｂ、Ｃ、Ｄの
４段階とし、Ａが最も急激に変更することとし、それぞ
れの関係をＡ＞Ｂ、Ａ＞Ｃ＞Ｄとすると良い。例えば、
Ａは１ｍｓ毎に１％づつ変化させ、Ｂは１０ｍｓ毎に１
％づつ変化させ、Ｃは１０ｍｓ毎に１％づつ変化させ、
Ｄは１０秒毎に１％づつ変化させる。

【００４６】これにより、付加質量１６は動作範囲を越
えることなく、付加質量１６の制振動作に余裕があれば
モータ１８は最大トルク付近で動作するようになる。

【００４７】従って、自動的に制御ゲインの大きさを変
更し、常に制振装置１１の性能内でできるだけ大きい制
御ゲインを設定することができるため、取付初期におい
て、適当なゲインを記憶しておけばよく、各構造物１２
に個別のゲイン調整作業が不要である。また、住宅の質
量変化や経年変化により、住宅の振動伝達特性が変化し
てもゲイン調整不要であり、しかも時間帯によって揺れ
が変化するような交通振動が入力される住宅においても
常に最大の制振効果が得られる。

【００４８】さらに、付加質量１６が動作範囲を超える
ことがないので、付加質量１６が動吸振器１３のストッ
パ（図示せず）に衝突するときの異音や振動の発生を防
止できる。また、モータ１８が発生できるトルク内で動
作するので、モータ１８の異常な発熱や故障の発生を防
止できる。

【００４９】尚、上記実施例では、ドライブ回路２９か
らのトルク信号に基づいて付加質量１６を駆動するモー
タ１８のトルクを求めているが、これに限らず、例えば
モータ１８のトルクを検出するセンサを設けるようにし
ても良いし、あるいは動吸振器１３の設置面あるいは付
加質量１６を支持する基台１５の支持面に付加質量１６
を駆動する力を検出するセンサを設けても良い。

【００５０】次に本発明の第２実施例について説明す
る。

【００５１】図４は第２実施例の演算装置２６が実行す
るゲイン調整処理を説明するためのフローチャートであ
る。

【００５２】図４に示されるように、演算装置２６は、
Ｓ３１で動吸振器１３を加振器として作動させる。例え
ば、動吸振器１３の付加質量１６を構造物１２の加振方
向に２Ｈｚ〜５Ｈｚの間で一定間隔（例えば、０．１Ｈ
ｚ〜０．２Ｈｚの間隔）の周波数で駆動する。

【００５３】次のＳ３２では、上記Ｓ３１で加振された
周波数における応答加速度あるいは振幅が最大となる周
波数を探す。すなわち、２Ｈｚ〜５Ｈｚの周波数で構造
物１２の応答加速度あるいは振幅が最大となる固有振動
数を検出する。また、加速度の応答レベルから構造物１
２の１次モード有効質量を推定する。

【００５４】続いて、Ｓ３３では、予め記憶装置２７に
記憶させたゲインマップ（図示せず）からその固有振動
数と構造物１２の１次モード有効質量に対応したゲイン
を選定する。尚、ゲインマップは、横軸が周波数、縦軸
が応答レベルからなり、制振装置１１の設置時あるいは
年に１回程度ゲイン調整を行う。

【００５５】次のＳ３４では、上記Ｓ３３で選定された
制御ゲインを用いて付加質量１６の制振制御を開始す
る。そして、Ｓ３５に進み、付加質量１６の移動距離が
有効ストローク内かどうかをチェックする。

【００５６】Ｓ３５において、付加質量１６の移動距離
が有効ストローク内に入っているときは、Ｓ３６進み、
制御ゲインを１段階小さい値に変更する。その後、Ｓ３
４に戻り、１段階小さく変更された制御ゲインを用いて
付加質量１６の制振制御を行う。

【００５７】また、Ｓ３５において、付加質量１６の移
動距離が有効ストローク内に入っていないときは、Ｓ３
７進み、付加質量１６の移動距離が有効ストロークの一
定閾値以内で一定時間以上継続しているかどうかをチェ
ックする。このＳ３７において、付加質量１６の移動距
離が有効ストロークの一定閾値以内で一定時間以上継続
していないときは、そのまま制御ゲインを変更せずに上
記Ｓ３４に戻り、前回と同じ制御ゲインを用いて付加質
量１６の制振制御を行う。

【００５８】しかしながら、Ｓ３７において、付加質量
１６の移動距離が有効ストロークの一定閾値以内で一定
時間以上継続しているときは、制御ゲインを１段階大き
い値に変更する。その後、上記Ｓ３４に戻り、１段階大
きく変更された制御ゲインを用いて付加質量１６の制振
制御を行う。

【００５９】このように、付加質量１６の移動距離が有
効ストローク内に入っていないときは、制御ゲインを１
段階小さい値に変更し、付加質量１６の移動距離が有効
ストロークの一定閾値以内で一定時間以上継続している
ときは、制御ゲインを１段階大きい値に変更することに
より、その構造物１２が有する固有振動数と当該構造物
１２の質量に適した制御ゲインに調整することができる
ので、付加質量１６の制振動作（振幅や加速度）を最適
な状態で駆動することが可能になる。

【００６０】従って、自動的に制御ゲインの大きさを変
更し、常に制振装置１１の性能内でできるだけ大きい制
御ゲインを設定することができるため、各構造物別のゲ
イン調整作業が不要である。また、住宅の質量変化や経
年変化により、住宅の振動伝達特性が変化してもゲイン
調整不要であり、しかも時間帯によって揺れが変化する
ような交通振動が入力される住宅においても常に最大の
制振効果が得られる。

【００６１】

【発明の効果】上述の如く、上記請求項１記載の発明に
よれば、付加質量の振幅が大きいとき、制御ゲインを小
さい値に変更し、付加質量の振幅が小さいとき、制御ゲ
インを段階的に大きい値に変更するゲイン調整手段を備
えてなるため、構造物の振動特性に合わせて設定された
制御ゲインを付加質量の制振動作に応じて自動的に調整
して構造物の制振効果を高めることができる。そのた
め、各構造物別のゲイン調整作業が不要であり、且つ住
宅の質量変化や経年変化により、住宅の振動伝達特性が
変化してもゲイン調整不要であるので、メンテナンスが
容易となるばかりか、時間帯によって揺れが変化するよ
うな交通振動が入力される住宅においても常に最大の制
振効果を得ることができる。

【００６２】また、請求項２記載の発明によれば、アク
チュエータのトルクが所定以上になったとき制御ゲイン
を段階的に小さくするため、付加質量を駆動するアクチ
ュエータのトルクが構造物の振動特性に応じた大きさに
調整することができる。

【００６３】また、請求項３記載の発明によれば、アク
チュエータのトルクが所定以下になったとき制御ゲイン
を段階的に大きくするため、付加質量を駆動するアクチ
ュエータのトルクが構造物の振動特性に応じた大きさに
調整することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明になる制振装置の第１実施例の概略構成
図である。

【図２】制御装置１４の構成を示すブロック図である。

【図３】制御装置１４の演算装置２６が実行するゲイン
調整処理のＰＡＤ図である。

【図４】第２実施例の演算装置２６が実行するゲイン調
整処理を説明するためのフローチャートである。

【符号の説明】

１１ 制振装置 １２ 構造物 １３ 動吸振器 １４ 制御装置 １５ 基台 １６ 付加質量 １８ ＡＣサーボモータ １９ エンコーダ ２１ 振動状態検出センサ ２３ ボールねじ ２４ 増幅器 ２５ Ａ／Ｄ変換器 ２６ 演算装置 ２７ 記憶装置 ２８ Ｄ／Ａ変換器 ２９ ドライブ回路

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 構造物の振動状態を検出する振動状態検
   出用センサと、 該振動状態検出用センサからの検出値に制御ゲインを乗
   じた値に基づいて制御量を演算する演算手段と、 該演算手段からの制御量に応じて駆動されるアクチュエ
   ータと、 該アクチュエータに駆動されて前記構造物の振動を制振
   する付加質量と、 を備えてなる制振装置において、 前記付加質量の移動量が大きいとき、前記制御ゲインを
   小さい値に変更し、前記付加質量の移動量が小さいと
   き、前記制御ゲインを大きい値に段階的に変更するゲイ
   ン調整手段を備えてなることを特徴とする制振装置。
2. 【請求項２】 前記ゲイン調整手段は、前記アクチュエ
   ータのトルクが所定以上になったとき前記制御ゲインを
   段階的に小さくすることを特徴とする請求項１記載の制
   振装置。
3. 【請求項３】 前記ゲイン調整手段は、前記アクチュエ
   ータのトルクが所定以下になったとき前記制御ゲインを
   段階的に大きくすることを特徴とする請求項１または２
   記載の制振装置。