JP2003058256A

JP2003058256A - アクティブ制振方法及びアクティブ制振装置

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Publication number: JP2003058256A
Application number: JP2001250721A
Authority: JP
Inventors: Ichiro Nagashima; 一郎長島; Tatsuhiro Ranki; 龍大欄木
Original assignee: Taisei Corp
Current assignee: Taisei Corp
Priority date: 2001-08-21
Filing date: 2001-08-21
Publication date: 2003-02-28

Abstract

(57)【要約】【課題】種々の制振レベルに応じて最適な動的補償器
を設定することができる。【解決手段】アクティブ制振システムは、応答量Ｘ₁
〜Ｘ_Nから、変数αによりその補償特性が変化し、駆動
指令電圧Ｕ（α）を求める可変式動的補償器１０と、可
変式動的補償器１０が求めた駆動指令電圧Ｕ（α）に基
づいて制振装置５の駆動を制御する駆動装置制御回路４
とを備えている。ここで、このアクティブ制振システム
は、前記補償特性を、前記応答量とその応答量の所定の
基準値との差が小さくなる方向へ連続的に変化させてい
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、地震や風外乱等に
よって揺れる建物及び土木構築物等の構造物や機械等を
アクティブに制振するアクティブ制振方法及びその装置
に関する。

【０００２】

【従来の技術】構造物や構造物に設置された制振装置の
外乱や制振の結果に対する応答量に所定の制御ゲインを
掛けて、制振装置の制御量を求める方法が提案されてい
る。しかし、前記制御ゲインとして、最適制御理論等に
より予め計算した一定の値が使用されており、制御ゲイ
ンは構造物への地震や風等の外乱のレベルの変化に対応
して変化することもないので、想定外の大きな外乱レベ
ルに比例して大きくなった制御力が、制振装置で許容さ
れる値を超えてしまうという問題が生じていた。このよ
うな問題を解決するアクティブ制振方法として、例えば
特開平８−３３８４７３号公報（以下、単に従来例とい
う。）に記載されているものが開示されている。従来例
の概略は以下のようになる。

【０００３】図１３に示すように、コントローラ２１０
では、構造物１００に配設した各センサ２０１からＡ／
Ｄ変換器２０２を介して入力されてくる各応答量Ｘ₁〜
Ｘ_Nに制御ゲインを掛けて駆動指令電圧を得る。駆動指
令電圧は、Ｄ／Ａ変換器２０３及び駆動装置制御回路２
０４を介して制御信号として出力され、制振装置２０５
は、この制御信号に基づいて駆動されている。

【０００４】ここで、各制御ゲインは、定数制御ゲイン
Ｇ_iに変数αの関数であるゲイン関数Ａ_i（α）を掛ける
ことで現され、変数αは、制御の強さを示す指標になっ
ており、制御電流値Ｙが許容目標値Ｙ_MAXに近づくよう
に小刻みに増減する。具体的には、各ゲイン関数Ａ
_i（α）は、変数αが大きくなるほど駆動指令電圧Ｕ
（α）が大きくなるように設定されており、また、変数
αが小さくなるほど駆動指令電圧Ｕ（α）が小さくなる
ように設定されている。

【０００５】この従来例のアクティブ制振方法は、外乱
が小さくても所定以上の制御量を確保し、また、外乱が
想定したレベルよりも大きくても所定の制御量近傍の値
で制振することで、制振装置２０５の動力制約内できめ
細かい制御を可能として、外乱レベルに応じて制御性能
レベルを滑らかに変化させていた。なお、前記コントロ
ーラ２１０は、一般的には、動的補償器としても把握さ
れるものである。すなわち、図１３に示したシステム
は、図１４に示すように、前記コントローラ２１０であ
る伝達関数Ｋ（ｓ）の動的補償器２１０が、構造物１０
０からなる伝達関数Ｐ（ｓ）の制御対象１００の応答量
に基づいてフィードバック制御するものとして考えるこ
とができる。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】ところで、従来例のア
クティブ制振方法に、前記コントローラ（動的補償器）
２１０にバンドパスフィルタ等を組み込むことは有用な
ことである。例えば、バンドパスフィルタを組み込むこ
との効果としては、長周期の風外乱による制振装置に発
生するドリフト成分を低減し、又は制御対象が高次モー
ドで励振することによる制御力のスピルオーバを抑止す
ること等が挙げられる。

【０００７】しかし、従来よりコントローラにバンドパ
スフィルタ等を組み込むことはなされているが、そのフ
ィルタの補償特性は一定値に設定されている。よって、
従来例のアクティブ制振方法では、極めて強い制御から
弱い制御まで非常に広い制御で種々の制振レベルをカバ
ーしているが、単にバンドパスフィルタ等を組み込んだ
だけでは、種々の制振レベルにてそのバンドパスフィル
タの性能も発揮できないばかりか、従来例のアクティブ
制振方法における制振レベルに応じて制御性能レベルを
滑らかに変化させるといった効果を阻害してしまうこと
になる。

【０００８】なお、幅広い範囲の制振レベルに対応して
適切に応答することの方策として、新たな関数を定義し
たり、フィードフォワード制御のように別個の機構を設
けたり、制御量を求めるための演算において、変数を増
やしたり、或いは新たな伝達関数を定義したりすること
が挙げられる。しかし、バンド幅が大きくなって計算時
間が長くなったり、繰り返し回数を増やす必要があるな
ど、機構が複雑になって演算負荷が大きくなってしま
う。

【０００９】そこで、本発明は、上述の問題点に着目し
てなされたもので、種々の制振レベルに応じて最適な補
償特性を設定することができるアクティブ制振方法及び
その装置を提供することを目的としている。

【００１０】

【課題を解決するための手段】上述の問題を解決するた
めに、請求項１記載のアクティブ制振方法は、制御対象
に制御力を入力する制振装置の応答量、及び外乱や前記
制振装置による制御対象の応答量の少なくとも１つを動
的補償手段に入力して制御量を求め、その制御量に応じ
た制御力を前記制振装置を介して前記制御対象に入力す
るアクティブ制振方法において、前記動的補償手段の補
償特性を、前記制振装置による応答量とその応答量の所
定の基準値との差が小さくなる方向へ連続的に変化させ
ることを特徴としている。

【００１１】また、請求項２記載のアクティブ制振方法
は、請求項１記載のアクティブ制振方法において、前記
動的補償手段の補償特性を変数αにより変化させて、前
記変数αを、前記補償特性を前記制振装置の応答量とそ
の応答量の前記所定の基準値との差が小さくなる方向へ
連続的に変化させることを特徴としている。また、請求
項３記載のアクティブ制振方法は、請求項２記載のアク
ティブ制振方法において、前記変数αを、前記制振装置
の応答量が前記所定の基準値を下回っている場合は所定
上限値を限度に増加させて、前記制振装置の応答量が前
記所定の基準値以上である場合には所定下限値を限度に
減少させることを特徴としている。

【００１２】また、請求項４記載のアクティブ制振装置
は、制御対象に制御力を入力する制振装置と、この制振
装置の応答量及び外乱や前記制振装置による制御対象の
応答量の少なくとも１つに基づいて制御量を求める動的
補償手段と、この動的補償手段が求めた制御量に基づい
て前記制振装置の駆動を制御する駆動制御手段とを備え
たアクティブ制振装置であって、前記動的補償手段の補
償特性は、前記制振装置による応答量とその応答量の所
定の基準値との差が小さくなる方向へ連続的に変化する
ことを特徴としている。

【００１３】一般に、応答量はほぼ外乱のレベルに比例
するので、請求項１及び４に記載された発明は、適当な
応答量を選択することによって、応答量が所定基準値よ
り小さい状態、つまり外乱レベルが想定以上に低い場合
でも、制御量として所定以上の値を確保し、且つ応答量
が所定基準値より大きい状態、つまり外乱レベルが想定
以上に高い場合でも、制御量が所定以下の値になってし
まうことを抑えている。また、動的補償手段の補償特性
は、時々刻々、連続的に変化するので、そのように補償
特性により補償された制御量も連続的に小刻みに変化し
て、制御量に不連続が生じたりその不連続が頻繁に生じ
ることが抑えられる。

【００１４】また、前記補償特性としては、制御ゲイン
や前記動的補償手段に組み込まれているフィルタの特性
がある。よって、本発明は、上述のように外乱レベルに
応じて制御量を所定の値に確保しつつも、フィルタの特
性についてもその外乱レベルに応じて変化するものにな
っている。また、請求項２に記載された発明は、補償特
性を変数αに依存させており、前記制御ゲインや前記フ
ィルタの特性が単一の変数αにより連続的に変化する。

【００１５】また、請求項３に記載された発明は、所定
基準値を設定することで、変数α及び制御量が小さくな
りすぎたり、大きくなりすぎたりすることを防止してい
る。

【００１６】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態につい
て図面を参照しつつ詳細に説明する。この実施の形態
は、図１に示すように、複数のセンサ１、Ａ／Ｄ変換器
２、動的補償器１０、Ｄ／Ａ変換器３、駆動装置制御回
路４及び制振装置５を備えているアクディブ制振システ
ムに本発明を適用したものである。

【００１７】各センサ１は、制御対象である構造物１０
０の地上階、最上階、及び中間の階等それぞれに配設さ
れている。各センサ１はそれぞれ、設置位置での変位
量、速度、加速度等の外乱や制振の結果による応答量Ｘ
₁ 〜Ｘ_Nを検出する変位計や加速度計等である。センサ
１で検出された応答量Ｘ₁〜Ｘ_Nに応じた応答量信号は、
それぞれＡ／Ｄ変換器２に供給されて、Ａ／Ｄ変換器２
では、応答量信号をデジタル化した各応答量Ｘ₁〜Ｘ_Nと
して動的補償器１０に出力する。

【００１８】動的補償器１０は、後述する変数αにより
その補償特性が可変とされており、いわゆる可変式動的
補償器を構成している。この動的補償器１０は、具体的
には、図２に示すように、フィルタ１１及び制御量演算
部１２を備えており、フィルタ１１及び制御量演算部１
２それぞれに各応答量Ｘ₁〜Ｘ_Nが入力される。フィルタ
１１は、応答量Ｘ₁〜Ｘ_Nから補償値を求めており、本実
施の形態では、バンドパスフィルタとして例示される。
フィルタ１１は、入力された各応答量Ｘ₁〜Ｘ_Nをフィル
タリングして得た２次的応答量としての出力データ
ｚ₁，ｚ₂を、制御量演算部１２に出力する。

【００１９】制御量演算部１２は、Ａ／Ｄ変換器２を介
して各応答量Ｘ₁〜Ｘ_N及びフィルタ１１から入力した出
力データｚ₁，ｚ₂にそれぞれ対応する制御ゲインＡ
_i（α）・Ｇ_iを掛けることで制御量である駆動指令電圧
Ｕ（α）を求める。ここで、制御ゲインＡ_i（α）・Ｇ_i
及びフィルタ１１の出力データｚ₁，ｚ₂は、動的補償器
１０における前記補償特性をなす。

【００２０】この制御量演算部１２は、駆動指令電圧Ｕ
（α）を、Ｄ／Ａ変換器３に出力して、Ｄ／Ａ変換器３
は、入力された駆動指令電圧Ｕ（α）をアナログ変換し
て駆動装置制御回路４に出力する。駆動装置制御回路４
は、入力された駆動指令電圧Ｕ（α）に応じた制御信号
（制御電流）を制振装置５に出力する。制振装置５は、
制御対象である構造物１００に対して駆動出力して制振
する制振装置である。この制振装置５は、上層の階に配
置されており、例えばアクティブマスダンパーやアクテ
ィブテンドン等である。この制振装置５は、駆動装置制
御回路４からの制御信号に応じた制御力を構造物１００
に入力する。

【００２１】前記コントローラ５の制御量演算部１２に
おける駆動指令電圧Ｕ（α）の演算は、下記（１）式の
ように、各応答量Ｘ₁〜Ｘ_Nに対応する各制御ゲインＡ_i
（α）・Ｇ_iを掛け合わせることでなされる。

【００２２】

【数１】

【００２３】ここで、ゲイン関数Ａ_i（α）は、変数α
の多項式等によって現される関数であって、Ａ_i（α）
と変数αとは、対応する応答量Ｘ₁〜Ｘ_Nにより、例え
ば、図３に示されるような関係になる。一般には、ゲイ
ン関数Ａ_i（α）は図３中に実線で示すように変数αに
比例して増減するが、所定の応答量Ｘ₁〜Ｘ_Nの場合に
は、ゲイン関数Ａｉ（α）は、図３中に破線で示すよう
に一定量変数α以降で、変数αの増加に対して減少する
ようにしてもよい。

【００２４】また、各応答量Ｘ₁〜Ｘ_Nに応じた各制御ゲ
インＡ_i（α）・Ｇ_i は、所定の各定数制御ゲインＧ
_iに、変数αで現される各ゲイン関数Ａ_i（α）を重み付
けされて求められる可変ゲインである。よって、変数α
を制御中に変化させることでゲイン関数Ａ_i（α）が変
化して、さらにはこの制御ゲインＡ_i（α）・Ｇ_iも変化
する。

【００２５】次に、制御実行時の前記制御量演算部１２
における処理について説明する。図４は、その処理手順
の概要を示している。なお、実施の形態では、制振装置
５の応答量の一つである制御力に対応した制御電流値Ｙ
に応じて制御ゲインＡ_i（α）・Ｇ_iを連続的に変化させ
る場合を例に挙げて説明する。ここで、制御電流値Ｙ
は、応答量Ｘ₁〜Ｘ_Nの一つ又は所定の応答量Ｘ₁〜Ｘ_Nか
ら導き出せる値である。また、実施の形態では、その制
御電流値Ｙの能力限界値よりやや低い値である許容目標
値Ｙ_MAXを後述の演算に使用する。例えば、許容目標値
Ｙ_MAXは、制御電流値Ｙの能力限界値の８０％の値であ
る。また、制御電流値Ｙは、入力した値をそのまま使用
してもよく、或いは前回の制御ゲインを掛けた値を使用
してもよい。

【００２６】先ず、制御開始時に、ステップＳ１におい
て、適当な初期値α_initを変数αに設定しておく。次
に、制御量演算部１２は、ステップＳ２において、各セ
ンサ１からの応答量Ｘ₁〜Ｘ₂及び制御電流値Ｙを読み取
り、続くステップＳ３において、制振装置３の現在の制
御電流値Ｙと許容目標値Ｙ_MAXとを比較して余裕変数β
を算出する。ここで、余裕変数βとは、例えば、下記
（２）式によって定義される値である。

【００２７】

【数２】

【００２８】この（２）式から、制御電流値Ｙが許容目
標値Ｙ_MAXを越えている場合には、余裕変数βは負を示
す値であり、また、制御電流値Ｙが許容目標値Ｙ_MAXを
下回っている場合には、余裕変数βは正を示す値である
ことがわかる。すなわち、余裕関数βは、所定基準値か
らみた制御電流値Ｙの余裕状態（制御量の余裕状態）を
示すものであり、制御電流値Ｙが許容目標値Ｙ_MAXを下
回っている場合、すなわち余裕がある場合には、その余
裕に応じた正の値を取り、制御電流値Ｙが許容目標値Ｙ
_MAXを越えている場合には、その超えた分に応じた負の
値をとる。なお、余裕変数βの算出は、前記（２）式に
より定義されることに限定されるものではなく、下記
（３）式により定義されるものであってもよい。ここ
で、Ｎは整数である。要は、前記説明したように、余裕
関数βは、所定基準値からみた制御電流値Ｙの余裕状態
を示唆するように定義されていればよい。

【００２９】

【数３】

【００３０】次に、ステップＳ４において、制御量演算
部１２は、ステップＳ３において求めた余裕変数βを下
記（４）式に代入して変数αを更新する。

【００３１】

【数４】

【００３２】ここで、Δαは変数αの増分量である。こ
の（４）式によって、変数αは、制御電流値Ｙに余裕が
あれば、増加方向に変化し、許容目標値Ｙ_MAXを越えて
いれば減少方向に変化する。すなわち、変数αは、制御
電流値Ｙが許容目標値Ｙ_MAXに近づくように小刻みに、
つまり滑らかに増減する。次に、ステップＳ５におい
て、制御量演算部１２は、変数αと所定下限値α_MI _Nと
を比較する。ここで、変数αが所定下限値α_MIN以下の
場合、制御量演算部１２は、変数αを所定下限値α_MIN
の値にして、ステップＳ９に進み、変数αが所定下限値
α_MINよりも大きい場合、ステップＳ７に進む。ステッ
プＳ７では、制御量演算部１２は、変数αと所定上限値
α_MAXとを比較して、変数αが所定上限値α_MAX以上の場
合、変数αをα_MAXの値にして、ステップＳ９に進み、
変数αが所定上限値α_MAX未満の場合には、そのままス
テップＳ９に進む。このステップＳ５からステップＳ８
における処理により、変数αは、最小値が所定下限値α
_MI _Nとされ、最大値が所定下限値α_MAXとされて、或いは
所定下限値α_MINと所定下限値α_MAXとの間の値として決
定される。

【００３３】ステップＳ９では、制御量演算部１２は、
上述のようにして決定された変数αに基づいて、各ゲイ
ン関数Ａ_i（α）の値をそれぞれ求め、この各ゲイン関
数Ａ_i（α）を各制御定数ゲインＧ_iに掛けることで、各
制御ゲインＡ_i（α）・Ｇ_iを更新し、前記（１）式のよ
うに、その制御ゲインＡ_i（α）・Ｇ_iを各応答量Ｘ₁〜
Ｘ_N及びフィルタ１１からの出力データｚ₁，ｚ₂に掛け
て駆動指令電圧Ｕ（α）値を算出する。

【００３４】ここで、変数αは、増分Δαを基準に小刻
みに、つまり連続的に変化し、その変数αの関数とされ
るゲイン関数Ａ_i（α）、さらには、各制御ゲインＡ
_i（α）・Ｇ_iも小刻みに、つまり連続的に変化するよう
になる。また、変数αは、制御の強さを現す指標となっ
ていて、応答量Ｘ₁〜Ｘ_Nが一定であれば、変数αが大き
くなる程、駆動指令電圧Ｕ（α）が大きくなるように各
Ａ_i（α）は設定されており、また、変数αが小さくな
る程、駆動指令電圧Ｕ（α）が小さくなるよう各Ａ
_i（α）は設定されている。すなわち例えば、変数αが
大きくなっても、それに比例して各制御ゲインＡ
_i（α）・Ｇ_iの変化を決定するゲイン関数Ａ_i（α）
は、上述のように大きくなるとは限らないが、制御電流
値Ｙが許容目標値Ｙ_MAXよりも小さい場合では、変数α
が増加して駆動指令電圧Ｕ（α）が大きくなるように、
つまり、制御電流値Ｙと許容目標値Ｙ_MAX（所定基準
値）との差が小さくなる方向に、各制御ゲインＡ
_i（α）・Ｇ_iが変化するように設定されている。

【００３５】次に、ステップＳ１０において、制御量演
算部１２は、ステップＳ９で得た駆動指令電圧Ｕ（α）
とその上限の許容値Ｕ_limitとを比較する。ここで、駆
動指令電圧Ｕ（α）が許容値Ｕ_limit以上の場合、駆動
指令電圧Ｕ（α）を許容値Ｕ_l _imitをＵ（α）の値にす
る。このように、上限の許容値Ｕ_limitを設けること
で、駆動指令電圧Ｕ（α）が過大化することを防止して
いる。そして、ステップＳ１２において、制御量演算部
１２は、ステップＳ１１で算出して得た駆動指令電圧Ｕ
（α）を、或いは駆動指令電圧Ｕ（α）が許容値Ｕ
_limit未満である場合にはそのままの駆動指令電圧Ｕ
（α）を駆動装置制御回路４に出力する。そして、制御
量演算部１２は、上述の処理を所定サンプル時間毎に繰
り返して行う。

【００３６】制御量演算部１２は、以上のような処理手
順により、制御ゲインＡ_i（α）・Ｇ_iを求め、或いは制
御ゲインＡ_i（α）・Ｇ_iを用いた駆動指令電圧Ｕ(α)を
求めている。次に、以上のようなアクティブ制振システ
ムによる構造物１００の制振等について説明する。

【００３７】地震や風等による外乱が構造物１００に入
力され構造物１００が揺れると、前記外乱に対する構造
物１００の各応答量Ｘ₁〜Ｘ_Nが各センサ１によって検出
され、検出された応答量Ｘ₁〜Ｘ_Nが、Ａ／Ｄ変換器２を
介して動的補償器１０に入力される。動的補償器１０で
は、フィルタ１１にて応答量Ｘ₁〜Ｘ_Nから各データ
ｚ₁，ｚ₂を得て、この各データｚ₁，ｚ₂を制御量演算部
１２に出力し、制御量演算部１２にてこのデータｚ₁，
ｚ₂及び応答量Ｘ₁〜Ｘ_Nから駆動指令電圧Ｕ（α）を求
める。動的補償器１０は、このようにして求めた駆動指
令電圧Ｕ（α）をＤ／Ａ変換器３を介して駆動装置制御
回路４に供給する。駆動装置制御回路４では、供給され
た駆動指令電圧Ｕ（α）に基づいて制振装置５を駆動
し、駆動指令電圧Ｕ（α）に応じた制御力を構造物１０
０に入力して構造物１００を制振する。

【００３８】このようなアクティブ制振システムによ
り、地震や風等の外乱のレベルが小さい場合には、動的
補償器１０に入力される制御電流値Ｙも小さいので、駆
動指令電圧Ｕ（α）は小さくなるが、ここで、許容目標
値Ｙ_MAXと比較した制振装置５の制御電流値Ｙが小さい
場合には、変数αは大きくなる方向に変化し、外乱のレ
ベルが小さい状態でも所定値以上の制御力を構造物１０
０に入力される。この結果、アクティブ制振システム
は、外乱のレベルが想定したレベルよりも低くても、制
振装置５の性能が有効に発揮させて、有効に制振するこ
とができる。

【００３９】また、地震や風等の外乱のレベルが大きい
場合には、動的補償器１０に入力される応答量Ｘ₁〜Ｘ_N
が大きくなって、駆動指令電圧Ｕ（α）も大きくなる
が、ここで、制振装置５の制御電流値Ｙが許容目標値Ｙ
_MAXを越えると、変数αは小さくなる方向に変化して、
これにより、駆動指令電圧Ｕ（α）も小さくなる方向に
変化する。これによって、アクティブ制振システムは、
外乱のレベルが想定したレベルよりも大きい場合でも、
制振装置５の許容性能を越えることを回避して、制振装
置５が停止してしまうようなこともなく、制振性能の許
容目標値Ｙ_MAX近傍の制御力で制振することができる。

【００４０】すなわち、アクティブ制振システムは、動
的補償器１０の補償特性を可変として、制振装置５によ
る応答量Ｘ₁〜Ｘ_Nの指標となる制御電流値Ｙと所定の基
準値とされる許容目標値Ｙ_MAXとの差が小さくなるよう
にその補償特性を変化させることで、制振装置５の制振
性能の許容範囲内で有効な制御力で制振するようにして
いる。

【００４１】ここで、制御の一例を模式的に現すと、図
５に示すようになる。外乱のレベルが想定したレベルよ
り小さい状態では、対応する制御電流値Ｙも小さいため
に、変数αが増加して上限値α_MAX近傍を維持し、それ
に応じた制御力を出力する。そして、制御電流値Ｙが許
容目標値Ｙ_MAXを越えるほど、つまり、外乱のレベルが
想定したレベルより大きくなると、それに追従して変数
αが減少するように変化して、制御力の増分を抑える。
このように、外乱レベルに応じて変数α、更には制振力
が変化し、制振装置５は、外乱レベルに応じて制約され
た機能の範囲内で所定の制御力を発揮する。

【００４２】また、変数αは、小刻みに、すなわち滑ら
かに変化するので、制御ゲインＡ_i（α）・Ｇ_iも連続し
て変化しており、これにより、アクティブ制振システム
は、フィルタ１１からの出力データｚ₁，ｚ₂や制御ゲイ
ン等の補償特性が変化する際に制御指令値電圧にスパイ
クノイズやチャタリングが発生することを回避すること
ができ、安定且つきめ細かく制振することができる。

【００４３】さらに、アクティブ制振システムは、フィ
ルタ１１により、長周期の風外乱による制振装置に発生
するドリフト成分を低減し、又は制御対象が高次モード
で励振することによる制御力のスピルオーバを抑止する
こと等を可能にしているが、このとき、フィルタ１１の
性能は、制振性能のレベルに応じて十分発揮されたもの
になる。

【００４４】ここで、フィルタ１１からの出力データｚ
₁，ｚ₂及び応答量Ｘ₁〜Ｘ_Nにともに、変数αを同一パラ
メータの関数である制御ゲインＡ_i（α）・Ｇ_iを掛け
て、制御量が求められている。すなわち、フィルタ１１
からの出力データｚ₁，ｚ₂及び応答量Ｘ₁〜Ｘ_Nはとも
に、変数αを同一パラメータとして調整されている。こ
のようにすることで、各値の調整のために種々のパラメ
ータを用意する必要もないので、単一のパラメータのみ
を操作することにより、容易に調整することができる。
すなわち、アクティブ制振システムは、変数αという単
一のパラメータで、無段階で変化する種々の制振レベル
を設定するとともに、その種々の制振レベルに合わせて
補償特性を適切に調整することができる。これにより、
アクティブ制振システムは、上述したように種々の制振
レベルに対応して変数αの関数として制御ゲインを連続
的に滑らかに切換えて種々の効果を得ているが、同一の
変数αを用いることでその効果を維持しつつも、フィル
タ１１の性能を種々の制振レベルに応じて適切に調整す
ることを実現している。

【００４５】次に、上述のアクティブ制振システムを、
フィルタ１１を含む動的補償器１０、構造物１００、制
振装置５からなるシステムとしてモデル化して、いわゆ
るバンドパスフィルタと建造物−アクティブマスダンパ
ーとの併合拡大系（以下、単に併合拡大系という。）と
して得られる状態方程式について説明する。なお、上述
の説明では、フィルタ１１からの出力データｚ₁，ｚ₂に
制御ゲインＡ_i（α）・Ｇ_iを掛けて、変数αをフィルタ
１１の出力に反映させているが、以下の例では、フィル
タ１１部分の特性も変数αの関数にした場合も含めて説
明する。

【００４６】先ず、フィルタ１１をバンドパスフィルタ
としてモデル化する。バンドパスフィルタは、下記
（５）式により定義することができる。

【００４７】

【数５】

【００４８】ここで、ｚは制御力入力（バンドパスフィ
ルタへの入力）であり、ｕ_fはバンドパスフィルタの制
御力出力であり、ω₀はバンドパスフィルタの中心円振
動数であり、そしてＱはバンドパスフィルタ性能の調整
パラメータである。そして、任意の円振動数に対する周
波数応答関数の振幅Ｆ（ω）及び位相φ（ω）は、下記
（６）式及び（７）式により得ることができる。

【００４９】

【数６】

【００５０】

【数７】

【００５１】例えば、１次モード周期４秒（ω₀＝1.75r
ad）、調整パラメータＱが１，０．８，０．６，０．
４，０．２，０．１に設定した場合には、バンドパスフ
ィルタのフィルタ特性は、図６のような結果になる。図
６中（Ａ）に示すように、調整パラメータＱの値に応じ
て振幅Ｆ（ω）の値が変化しており、図６中（Ｂ）に示
すように、調整パラメータＱの値に応じて位相φ（ω）
の値が変化しており、これにより、調整パラメータＱに
応じてバンドパスフィルタのフィルタ特性或いはフィル
タの強さを調整できることがわかる。なお、ここでは示
さないものの、ω ₀の値を変えることでも、中心円振動
数を変えることもでき、フィルタ特性を調整することが
できる。

【００５２】そして、バンドパスフィルタへの入力をｚ
とし、制御力出力をｕ_fとして、バンドパスフィルタの
特性を示す中心円振動数ω₀と調整パラメータＱとを変
数αの関数として設定した場合には、前記（５）式は下
記（８）式として示すことができる。

【００５３】

【数８】

【００５４】このように、変数αによりフィルタ１１の
特性を変化させることにより、上述したような変数αの
関数とされた制御ゲインＡ_i（α）・Ｇ_iを前記出力デー
タｚ ₁，ｚ₂に掛ける場合の効果と同様に、アクティブ制
振システムは、単一パラメータによりフィルタ１１の性
能を制振レベルに応じて調整を容易に実現している。ま
た、下記（９）式を定義して、バンドパスフィルタの状
態方程式は下記（１０）式のように表すことができる。

【００５５】

【数９】

【００５６】

【数１０】

【００５７】ここで、例えば、前記（９）式の右辺の行
列の各要素は、フィルタ１１が出力する各２次的応答量
ｚ₁，ｚ₂に相当し、低振動成分及び高振動成分を低減し
た信号を示すものになっている。次に、構造物１００及
び制振装置５をモデル化したものを示す。構造物１００
は１質点系に単純化した建物モデルとしてモデル化し、
制振装置５はアクティブマスダンパーをモデル化する。
このような制御対象の状態方程式は、その状態ベクトル
を下記（１１）式のように現した場合に、下記（１２）
式のように表すことができる。

【００５８】

【数１１】

【００５９】

【数１２】

【００６０】ここで、ｘ_aは制振装置５のストロークで
あり、ｘ_sは構造物１００の変位であり、Ｕは制御力で
あり、ｍ_aは制振装置５の重量であり、ｍ_sは構造物１０
０の重量であり、μはマス比であり、ω_aは制振装置５
の固有円振動数であり、ｈ_aは制振装置５の減衰定数で
あり、ｈ_sは構造物１００の減衰定数である。そして、
制振装置５に作用する制御力は、前記（１０）式を用い
て下記（１３）式として表すことができる。

【００６１】

【数１３】

【００６２】前記（１０）式、（１２）式及び（１３）
式により、併合拡大系の状態方程式は、下記（１４）式
を用いて、下記（１５）式のように表すことができる。

【００６３】

【数１４】

【００６４】

【数１５】

【００６５】さらに、変数αの関数として設定したフィ
ルタ１１により得た出力データｚ₁，ｚ₂についても制御
ゲインを掛けて制御量を求めると、下記（１６）式のよ
うに表すことができる。

【００６６】

【数１６】

【００６７】この（１６）式は、制御入力が、建物−ア
クティブマスダンパー連成系の状態量ｘに関するＧ
（α）と、フィルタ状態量ｕに関するＧ_f（α）から構
成されていることを現し、フィルタ１１からの出力ｕと
制御ゲインＧ_f（α）とを乗算して、建物−アクティブ
マスダンパー連成系の状態量ｘと制御ゲインＧ（α）と
を乗算して、それらを加えている。このように、ここ
で、フィルタ１１の出力と変数αの関数とされた制御ゲ
インとが乗算されている。

【００６８】以上のような関係より、制振装置５に出力
する駆動指令電圧Ｕの算定までの流れは概略として以下
のようになる。建物−アクティブマスダンパー連成系の
状態量ｘとフィルタ状態量ｕから（１６）式により、併
合拡大系への制御入力（右辺）を算出する。ここで、建
物−アクティブマスダンパー連成系の状態量ｘはセンサ
ー１で実際の構造物１００や制振装置５の応答を観測す
ることで得られ、フィルタ状態量ｕはバンドパスフィル
タの状態量を（１０）式により計算することで得られ
る。さらに、フィルタ状態量ｕについては、バンドパス
フィルタへの制御入力を再び（１０）式に作用させて得
る。このようにして得たフィルタ状態量ｕから、（１
３）式により、制御指令電圧Ｕを算出する。また、図７
は、以上のような併合拡大系に対するアクティブ制振シ
ステムの回路ブロック構成例を示している。

【００６９】さらに、このようにしてモデル化されたア
クティブ制振システムの数値計算結果の実施例について
説明する。先ず、計算条件は次のようにしている。制振
対象である構造物モデルとして、重量が１００００to
n、固有周期が3.14秒、減衰定数が１％の１質点振動系
に単純化した高層ビルにモデル化している。そして、こ
の構造物モデルには、頂部平均風速２５ｍ／secの風が
作用しており、制振により、この風向方向振動を抑制す
るもの想定する。また、変数αの変動範囲は0.2〜2.0と
して、変数αが小さくなるほど、アクティブマスダンパ
ーの装置振幅を小さくして、制振効果を抑制するように
設定し、一方、変数αが大きくなるほど、アクティブマ
スダンパーの装置振幅が大きくなるようにして、制振効
果が増大するように設定している。

【００７０】また、図８は、変数αと各ゲイン関数Ａ_f
（α）との関係を示している。図８中（Ａ）は、変数α
と４個の各応答量Ｘ₁〜Ｘ₄に対応される各ゲイン関数Ａ
_f（α）との関係を示しており、図８中（Ｂ）は、変数
とフィルタ１１からの出力ｚ ₁，ｚ₂に対応される各ゲイ
ン関数Ａ_f（α）との関係を示している。また、図９
は、フィルタ１１を備えていない場合のシステムにおけ
る各応答量Ｘ₁〜Ｘ₄に対応される各ゲイン関数Ａ
_f（α）と変数αとの関係を示している。

【００７１】以上のような計算条件の下で行った風応答
解析結果は次のようになる。図１０（Ａ）は、構造物１
００に与える風外乱の時間歴であり、図１０中（Ｂ）
は、装置振幅の時間歴であり、図１０中（Ｃ）は、変数
αの時間歴であり、図１０中（Ｄ）は、加速度応答の時
間歴である。また、各図中、実線の結果は本発明が適用
されて、フィルタ１１を備えているアクティブ制振シス
テムの結果であり、破線の結果は、その比較対象のフィ
ルタ１１を備えていない場合の結果である。

【００７２】この図１０中（Ａ）に示すように風外乱に
はドリフト成分があり、フィルタ１１を用いない場合に
は、風外乱に含まれるそのドリフト成分により、図１０
中（Ｂ）に示すように、装置振幅が片側へドリフトする
傾向が生じており、これにより、図１０中（Ｃ）に示す
ように、その制振装置の振幅を抑制するために変数αも
小さい値を示している。

【００７３】一方、フィルタ１１が組み込まれた場合で
は、図１０中（Ｂ）に示すように、装置振幅のドリフト
成分がフィルタ効果により取り除かれており、装置振幅
はプラスマイナスの方向で同程度の振幅を示す。また、
これにより、図１０中（Ｃ）に示すように、変数αもあ
まり小さくはならない。このため、変数αに応じてその
特性が変化するフィルタ１１を用いた場合、その特性も
適宜変化するので、高い制振効果が実現され、さらに、
応答加速度については、フィルタ１１を用いない場合に
比べて低減される。

【００７４】なお、以上のような動的補償器を使用する
同様な技術として、特開平９−２５０５９１号公報に開
示されている能動除振装置の技術がある。この能動除振
装置は、概略として、図１１に示すように、フィードバ
ック補償器１０１によるフィードバック制御と、フィー
ドフォワード制御器１０２によるフィードフォワード制
御とを組み合わせて除振台１０３の振動を制御してい
る。この能動除振装置では、フィードバック制御は、除
振台１０３の応答を計測して、制御力を決定する制御で
あり、フィードフォワード制御は、除振台１０３に設置
されている基礎等の応答を計測して、制御力を決定する
制御である。そして、この能動除振装置は、適応フィル
タからなるフィードフォワード制御器１０２にデジタル
積分補償器を含ませていることを特徴としている。

【００７５】フィードフォワード制御では、制御力の強
さの決定の際には、適応フィルタを使用することが一般
的であり、その適応フィルタは推定のための演算が多く
なるという問題があった。このようなことから、前記能
動除振装置は、適応フィルタとしてデジタル積分補償器
を含ませることで、演算量の軽減を図っている。一方、
本発明を適用したアクティブ制振システムは、このよう
な能動除振装置も備えるデジタル積分補償器等の動的補
償器を用いることを前提にしているが、フィルタ１１か
らの出力と変数αの関数（制御ゲイン）とを乗算した
り、或いはフィルタ１１そのものの特性を変数αの関数
としたりする点が異なっており、アクティブ制振システ
ムは、このようにフィルタ１１についての特性を変数α
により変化させることで上述したような種々の優れた効
果を得ている。

【００７６】以上、本発明を適用したアクティブ制振シ
ステムを実施の形態として説明した。しかし、本発明は
上述の実施の形態に限定されるものではない。上述の実
施の形態では、フィルタ１１の中心円振動数ω₀及び調
整パラメータＱ等の特徴量を変数αの関数とし、さら
に、フィルタ１１からの出力データ（２次的応答量）と
乗算する制御ゲインを変数αの関数としているが、これ
に限定されるものではない。すなわち、何れか一方のみ
を必要に応じて変数αの関数にすることもでき、例え
ば、中心円振動数ω₀及び調整パラメータＱ等のフィル
タ１１の特徴量のみを変数αの関数とし、この場合、フ
ィルタ１１からの出力データには固定値の制御ゲインを
掛けるようにする。要は、動的補償器１０が変数αの関
数とされて所定の特性を示すように変化する構成をなし
ていればよく、すなわち例えば、動的補償器が、図１４
で示した動的補償器２１０の伝達係数K（ｓ）が演算子
αについての関数とされて伝達関数Ｋ（ｓ，α）を有す
るようにする、といったようにである。

【００７７】また、中心円振動数ω₀及び調整パラメー
タＱは、具体的には次のように変数αの関数にする。例
えば、変数αに応じて、建物応答を抑制する制御から装
置振幅を抑制する制御に、滑らかに制御性能を変化させ
る場合を想定する。この場合、先ず、建物応答を抑制す
る制御では、動的補償器（例えば、バンドパスフィル
タ）１１の中心円振動数ω₀を、制御対象である建物の
卓越振動数と一致させて、更に、スピルオーバ等を抑止
するために調整パラメータＱを大きめの値に設定する。
例えば、調整パラメータＱは２〜３程度にする。一方、
装置振幅を抑制する制御では、制御により装置剛性を硬
くして、建物と装置の連成効果を抑制する必要がある。
例えば、中心円振動数ω₀を、建物の卓越振動数の３倍
程度の値にする。この場合、制御力は、装置応答の抑制
にも使われ、建物へのスピルオーバの可能性は低くなる
のため、調整パラメータＱは小さめに設定してよい。こ
のような関係から、変数αと中心円振動数ω₀及び調整
パラメータＱとの関係を図１２に示すようにする。この
図１２に示すように、変数αが大きくなると、中心円振
動数ω₀が増加し、フィルタ性能パラメータＱが減少す
るような関係にする。このようにすることで、フィルタ
１１は、変数αに応じて、すなわり制振レベルに応じ
て、その補償特性が滑らかに変化するようになる。

【００７８】また、上述の実施の形態では、フィルタ１
１としてバンドパスフィルタが組み込まれた場合を説明
した。しかし、これに限定されるものではなく、動的補
償器１０は、例えば、ローパスフィルタ、ハイパスフィ
ルタ、カルマンフィルタを組み込んだり或いはＨ∞制御
器等であってもよい。例えば、フィルタ１１がカルマン
フィルタである場合、フィルタ１１からの出力は次のよ
うになる。例えば、上述の建物−アクティブマスダンパ
ーの連成系の状態量のうち、一部の状態量（例えば、マ
ス変位と建物変位）を計測して、カルマンフィルタによ
り他の状態量（例えば、マス速度と建物変位）を推定す
る場合があり、このような場合には、カルマンフィルタ
であるフィルタ１１からの出力は、この推定する状態量
（例えば、マス速度と建物変位）になる。

【００７９】また、上述の実施の形態では、制御ゲイン
Ａ_i（α）・Ｇ_iの変数αを、制御装置５の駆動電流や制
御力に基づいて変化させている。しかし、変数αは、こ
れに限定されるものではなく、外乱若しくは制振に対す
る構造物１００の応答量又は制振装置５の応答量に応じ
て変化する変数であればよい。例えば、変数αは、制振
装置５の消費電力、制振装置５がアクティブマスダンパ
ーを使用したものであればそのマスのストローク量等の
応答量に基づいて変化させるようにしてもよい。また、
変数αは、必ずしも制御装置５の応答量に基づいて変化
させるものに限定されるものではなく、構造物１００側
の加速度等の応答量に基づいて変化させてもよい。この
場合、例えば、想定される平均の外乱レベルでの加速度
を所定基準値としておき、実際の加速度が所定基準値よ
りも小さければ変数αが大きくなる方向に、すなわち制
御量が大きくなる方向に変化させるように各制御ゲイン
Ａ_i（α）・Ｇ_iを変化させ、また、実際の加速度が所定
基準値よりも大きければ変数αが小さくなる方向に、す
なわち制御量が小さくなる方向に変化させるように各制
御ゲインＡ_i（α）・Ｇ_iを変化させる。このとき、変数
αは所定上限値及び下限値の範囲でのみ変化するので、
この上限値や下限値、変数αとゲイン関数Ａ_i（α）と
の関係等を適当に設定することで、前記制御量、すなわ
ち制御装置５による制御力は、外乱が小さくても所定以
上の大きさが確保され、且つ外乱が大きすぎても所定目
標値近傍の値となり、該制振装置の能力範囲内で且つ作
動効率が向上して外乱の大きさに関係なく有効に制振可
能となる。

【００８０】また、一つの応答量Ｙに基づいて変数α、
すなわちゲイン関数Ａ_i（α）を更新するようにしてい
るが、複数の応答量に基づいて変数αを変化させるよう
にしてもよいし、また、前記対象とする制御ゲイン毎に
対応するαを複数個用意して各制御ゲインを更新するよ
うにしてもよい。また、変数αを変化させるための応答
量は、前記（１）式の演算のために使用される応答量で
ある必要はない。

【００８１】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
動的補償手段の補償特性を、制振装置による応答量とそ
の応答量の所定の基準値との差が小さくなる方向へ連続
的に変化させることで、外乱が小さくても所定以上の制
御量を確保し、また、外乱が想定したレベルよりも大き
くても、所定の制御量近傍の値で制振可能となって、制
振装置の能力制約内で且つきめ細かい制御を可能とする
と共に制振装置の作動効率を大幅に向上させることが可
能になる。また、前記補償特性を連続的に変化させるこ
とで、外乱の変化等の影響を受けることなく、安定した
制御力が発揮可能になる。

【００８２】そして、前記補償特性は、制御ゲインやフ
ィルタの特性であり、これにより、上述のように外乱レ
ベルに応じて制御量を所定の値に確保しつつも、フィル
タの特性についてもその外乱レベルに応じて変化された
ものになっている。さらに、変数αが滑らかに変化する
ことで、フィルタを組み込んだ効果を各外乱レベルで維
持しつつも、その切り替え時に制御力にスパイク（チャ
タリング）が発生してしまうことを防止することができ
る。

【００８３】また、請求項２に記載された発明は、前記
動的補償手段の補償特性を変数αにより変化させて、前
記変数αを、前記補償特性を前記制振装置の応答量とそ
の応答量の前記所定の基準値との差が小さくなる方向へ
連続的に変化させることで、前記制御ゲインとともに前
記フィルタの特性を単一の変数により変化させることが
できる。

【００８４】また、請求項３に記載された発明は、前記
変数αを、前記制振装置の応答量の応答量が前記所定の
基準値を下回っている場合は所定上限値を限度に増加さ
せて、前記制振装置の応答量が前記所定の基準値以上で
ある場合には所定下限値を限度に減少させることで、制
振装置の制御力等の応答量に基づいて前記制御を変化さ
せるので、外乱のレベルの大小に関係なく、確実に制御
量を制振装置の能力限界値に近い値等、所定の基準値近
傍に常時近づけるように制御可能になるので、制振装置
の制約内で確実に制振装置の能力を有効に発揮させて制
振を行うことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の形態であるアクティブ制振シス
テムの構成を示す図である。

【図２】前記アクティブ制振システムの動的補償器の構
成を示す図である。

【図３】変数αとゲイン関数Ａ_iとの関係の一例を示す
図である。

【図４】コントローラの処理手順を示すフローチャート
である。

【図５】制御による模式的な状態を示す図であり、
（Ａ）は、外乱の時間歴を、（Ｂ）は、外乱に対応する
変数αの時間歴を、（Ｃ）は、外乱に対応する制御力の
時間歴の示す。

【図６】調整パラメータＱ変化によるバンドパスフィル
タの特性の模式的な状態を示す図であり、（Ａ）は、振
幅変化を、（Ｂ）は、位相変化を示している。

【図７】モデル化したバンドパスフィルタと構造物−ア
クティブマスダンパーとの併合拡大系に対するアクティ
ブ制振システムを示す回路ブロック図である。

【図８】変数αと各ゲイン関数Ａ_f（α）との関係を示
す図であり、（Ａ）は、変数αと４個の各応答量Ｘ₁〜
Ｘ₄における関係を示し、（Ｂ）は、フィルタ１１から
の出力ｚ₁，ｚ₂における関係を示している。

【図９】フィルタ１１を備えていないシステムにおける
各応答量Ｘ₁〜Ｘ₄に対応される各ゲイン関数Ａ_f（α）
と変数αとの関係を示す図である。

【図１０】風応答解析結果を示す図であり、図９（Ａ）
は、構造物１００に与える風外乱の時間歴であり、図９
中（Ｂ）は、装置振幅での時間歴であり、図９中（Ｃ）
は、変数αの時間歴であり、図９中（Ｄ）は、加速度応
答の時間歴である。

【図１１】特開平９−２５０５９１号公報に開示されて
いる能動除振装置の要部概略を示す図である。

【図１２】変数αと中心円振動数ω₀及びフィルタ性能
パラメータＱとの関係一例を示す図である。

【図１３】従来のアクティブ制振システムの構成を示す
図である。

【図１４】前記従来のアクティブ制振システムの構成を
一般化した構成を示す図である。

【符号の説明】１センサ２Ａ／Ｄ変換器３Ｄ／Ａ変換器４駆動装置制御回路５制振装置１０動的補償器１１フィルタ１２制御量演算部１００構造物

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】制御対象に制御力を入力する制振装置の
応答量、及び外乱や前記制振装置による制御対象の応答
量の少なくとも１つを動的補償手段に入力して制御量を
求め、その制御量に応じた制御力を前記制振装置を介し
て前記制御対象に入力するアクティブ制振方法におい
て、前記動的補償手段の補償特性を、前記制振装置による応
答量とその応答量の所定の基準値との差が小さくなる方
向へ連続的に変化させることを特徴とするアクティブ制
振方法。
【請求項２】前記動的補償手段の補償特性を変数αに
より変化させて、前記変数αは、前記補償特性を前記制
振装置の応答量とその応答量の前記所定の基準値との差
が小さくなる方向へ連続的に変化させることを特徴とす
る請求項１記載のアクティブ制振方法。
【請求項３】前記変数αは、前記制振装置の応答量が
前記所定の基準値を下回っている場合は所定上限値を限
度に増加させて、前記制振装置の応答量が前記所定の基
準値以上である場合には所定下限値を限度に減少させる
ことを特徴とする請求項２記載のアクティブ制振方法。
【請求項４】制御対象に制御力を入力する制振装置
と、この制振装置の応答量及び外乱や前記制振装置によ
る制御対象の応答量の少なくとも１つに基づいて制御量
を求める動的補償手段と、この動的補償手段が求めた制
御量に基づいて前記制振装置の駆動を制御する駆動制御
手段とを備えたアクティブ制振装置であって、前記動的補償手段の補償特性は、前記制振装置による応
答量とその応答量の所定の基準値との差が小さくなる方
向へ連続的に変化することを特徴とするアクティブ制振
装置。