JP2008151560A - Vibration characteristic estimation method and vibration characteristic estimation device - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To estimate simply and accurately a vibration characteristic of an object architecture. <P>SOLUTION: This vibration characteristic estimation method, which is a vibration characteristic estimation method for estimating a vibration characteristic of a structure to be estimated including a unit structure expressed by a plurality of physical quantities, includes the first measuring step wherein the structure to be estimated to which an additional structure expressed by a plurality of physical quantities including a reference physical quantity set at the first value is attached is vibrated into the first vibration state, and an element showing the first vibration state is measured; the second measuring step wherein the structure to be estimated to which the additional structure having the reference physical quantity set at the second value is attached is vibrated into the second vibration state, and an element showing the second vibration state is measured; and a determination step for determining the plurality of physical quantities for expressing the unit structure by solving an equation of motion wherein a motion of the structure to be estimated to which the additional structure is attached is expressed by a plurality of physical quantities, by using the first equation generated by the element showing the first vibration state and the second equation generated by the element showing the second vibration state. <P>COPYRIGHT: (C)2008,JPO&INPIT

Description

本発明は、建築物の振動特性(すなわち、質量、剛性及び減衰係数)を推定する振動特性推定方法及び振動特性推定装置に関する。   The present invention relates to a vibration characteristic estimation method and a vibration characteristic estimation apparatus that estimate vibration characteristics (that is, mass, rigidity, and damping coefficient) of a building.

現在、多くの建築物が、地震による倒壊の危険性を孕んだまま残されている。よって、このような建築物に対して耐震性を確保するような改修(耐震改修)を施すことが必要とされている。このような耐震改修は、まず対象となる建築物(対象建築物)の振動特性、すなわち、質量、剛性及び減衰係数を推定し、次に、推定したこれらの振動特性に基づいて、この対象建築物の劣化の状況を把握して補強すべき部分を特定した後、この部分に対する改修を実際に行うことにより、実施される。   Currently, many buildings are left with a risk of collapse due to earthquakes. Therefore, it is necessary to perform such repairs (earthquake retrofits) to ensure earthquake resistance. Such seismic retrofitting involves first estimating the vibration characteristics of the target building (target building), that is, the mass, stiffness and damping coefficient, and then based on these estimated vibration characteristics. This is implemented by identifying the part to be reinforced by grasping the state of deterioration of the object and then actually renovating this part.

ここで、対象建築物の振動特性の推定は、具体的には、次に示す手法により実行される。すなわち、まず、対象建築物に加振することにより、この対象建築物の揺れ易い周期(固有周期)が、対象建築物の固有モードごとに抽出される。ここで、この固有周期は、その建物各階層の質量分布と各階層の剛性分布との比率によって表現される性質を有する。よって、所定の計算を用いてその階層の質量を推定することにより、上記比率からその階層の剛性もまた推定される。この結果、各階層についてその質量及び剛性が推定される。   Here, the estimation of the vibration characteristics of the target building is specifically performed by the following method. That is, first, by subjecting the target building to vibration, a period (natural period) at which the target building is easily shaken is extracted for each eigenmode of the target building. Here, this natural period has a property expressed by the ratio between the mass distribution of each level of the building and the stiffness distribution of each level. Therefore, by estimating the mass of the hierarchy using a predetermined calculation, the rigidity of the hierarchy is also estimated from the ratio. As a result, the mass and rigidity of each layer are estimated.

しかしながら、上記のような従来の技術に係る振動特性の推定手法を用いた場合には、推定した質量の正確性によって、剛性の正確性が左右される。通常、建築物において、各階層の至るところに様々な物が分散して配置されており、しかも、その配置は、時間によって変化する。このような建築物において、各階層の質量を予め計算によって正確に推定することは、不可能である。よって、このような計算により推定された質量の精度ひいては剛性の精度もまた、低くなる。この結果、対象建築物における補強すべき部分も正確に特定されないため、対象建築物の耐震改修を適切に実施することすら不可能となる。   However, when the vibration characteristic estimation method according to the related art as described above is used, the accuracy of rigidity depends on the estimated accuracy of mass. Usually, in a building, various objects are distributed and distributed throughout each level, and the arrangement changes with time. In such a building, it is impossible to accurately estimate the mass of each floor in advance by calculation. Therefore, the accuracy of the mass estimated by such calculation, and hence the accuracy of the rigidity, is also lowered. As a result, since the portion to be reinforced in the target building is not accurately specified, it is impossible to appropriately carry out the seismic retrofit of the target building.

なお、対象建築物の振動特性を推定する手法として、特開2005−249687号公報に記載された手法が知られている。この手法では、物理的特性が可変な可変部を取り付けた被試験物を加振し、物理的特性を変化させることに応じて変化する被試験物の振動特性を、この被試験物に取り付けたセンサにより計測し、変化させた物理的特性及び測定した振動特性を用いて、被試験物の未知構造パラメターを含む構造マトリクスを同定するための線形行列方程式を構成し、この線形行列方程式を解くことにより、被試験物の未知構造パラメター(剛性や減衰等)が計算される。しかしながら、この手法を用いる場合には、被試験物の振動特性を測定するために、変位センサ及び角度センサをそれぞれ複数用意し、これらを被試験物における適切な位置に取り付ける必要がある。よって、この手法では、被試験物の振動特性を簡単かつ効率的に推定することができない。   In addition, the method described in Unexamined-Japanese-Patent No. 2005-249687 is known as a method of estimating the vibration characteristic of object building. In this method, a test object with a variable part whose physical characteristics are variable is vibrated, and the vibration characteristics of the test object that change according to changes in the physical characteristics are attached to the test object. Using the measured and changed physical characteristics and measured vibration characteristics of the sensor, a linear matrix equation for identifying the structural matrix containing the unknown structural parameters of the DUT is constructed, and this linear matrix equation is solved. Can calculate unknown structural parameters (rigidity, damping, etc.) of the DUT. However, when this method is used, in order to measure the vibration characteristics of the DUT, it is necessary to prepare a plurality of displacement sensors and angle sensors, and attach them to appropriate positions on the DUT. Therefore, with this method, the vibration characteristics of the device under test cannot be estimated easily and efficiently.

本発明は、かかる問題点に鑑みてなされたものであり、対象建築物(被推定構造体)の振動特性を簡単かつ正確に推定する振動特性推定方法及び振動特性推定装置を提供することを目的とする。   The present invention has been made in view of such problems, and an object thereof is to provide a vibration characteristic estimation method and a vibration characteristic estimation apparatus that easily and accurately estimate the vibration characteristics of a target building (estimated structure). And

本発明に係る振動特性推定方法は、複数の物理量により表現される少なくとも1つの単位構造体を含んだ被推定構造体の振動特性を推定する振動特性推定方法であって、第1値に設定した基準物理量を含む複数の物理量により表現される付加構造体が取り付けられた前記被推定構造体を振動させて第1振動状態にし、該第1振動状態を示す要素を測定する第1測定段階と、前記基準物理量を第2値に設定した付加構造体が取り付けられた前記被推定構造体を振動させて第2振動状態にし、該第2振動状態を示す要素を測定する第2測定段階と、前記第1振動状態を示す要素により生成される第1方程式と前記第2振動状態を示す要素により生成される第2方程式とを用いて、前記付加構造体が取り付けられた前記被推定構造体の運動を前記複数の物理量により表現した運動方程式を解くことにより、前記少なくとも1つの単位構造体を表現する前記複数の物理量を決定する決定段階と、
を含むことを特徴とする。
本発明に係る振動特性推定装置は、複数の物理量により表現される少なくとも1つの単位構造体を含んだ被推定構造体の振動特性を推定する振動特性推定装置であって、第1値に設定した基準物理量を含む複数の物理量により表現される付加構造体が取り付けられた前記被推定構造体の第1振動状態を示す要素、及び、前記基準物理量を第2値に設定した付加構造体が取り付けられた前記被推定構造体の第2振動状態を示す要素を入力する入力手段と、前記第1振動状態を示す要素により生成される第1方程式と前記第2振動状態を示す要素により生成される第2方程式とを用いて、前記付加構造体が取り付けられた前記被推定構造体の運動を前記複数の物理量により表現した運動方程式を解くことにより、前記少なくとも1つの単位構造体を表現する前記複数の物理量を決定する処理手段と、を具備することを特徴とする。
A vibration characteristic estimation method according to the present invention is a vibration characteristic estimation method for estimating a vibration characteristic of an estimated structure including at least one unit structure represented by a plurality of physical quantities, and is set to a first value. A first measurement step of vibrating the estimated structure to which the additional structure represented by a plurality of physical quantities including a reference physical quantity is attached to a first vibration state and measuring an element indicating the first vibration state; A second measurement step of vibrating the estimated structure to which the additional structure having the reference physical quantity set to a second value is attached to a second vibration state and measuring an element indicating the second vibration state; The motion of the estimated structure to which the additional structure is attached using the first equation generated by the element indicating the first vibration state and the second equation generated by the element indicating the second vibration state The compound By solving the equation of motion is expressed by the physical quantity, and determining step of determining a plurality of physical quantities representing said at least one unit structure,
It is characterized by including.
A vibration characteristic estimation apparatus according to the present invention is a vibration characteristic estimation apparatus that estimates vibration characteristics of an estimated structure including at least one unit structure represented by a plurality of physical quantities, and is set to a first value. An element indicating the first vibration state of the estimated structure to which an additional structure represented by a plurality of physical quantities including a reference physical quantity is attached, and an additional structure in which the reference physical quantity is set to a second value are attached. An input means for inputting an element indicating the second vibration state of the estimated structure, a first equation generated by the element indicating the first vibration state, and a first element generated by the element indicating the second vibration state The at least one unit structure is solved by solving a motion equation expressing the motion of the estimated structure to which the additional structure is attached using the two physical quantities using two equations. Characterized by comprising processing means for determining a plurality of physical quantities to represent, the.

本発明によれば、この対象建築物(被推定構造体)の複数の振動状態の各々を示す要素を用いて複数の方程式を生成することにより、生成された複数の方程式において、含まれる方程式の総数を含まれる未知数の総数以上にすることができるので、この対象建築物の運動を表現する運動方程式を解くこと、すなわち、上記未知数を同時に決定することができる。これにより、対象建築物の振動特性を正確に推定することができる。   According to the present invention, by generating a plurality of equations using elements indicating each of a plurality of vibration states of the target building (estimated structure), in the generated plurality of equations, Since the total number can be greater than or equal to the total number of unknowns included, the equation of motion expressing the motion of the target building can be solved, that is, the unknowns can be determined simultaneously. Thereby, the vibration characteristic of the target building can be accurately estimated.

(実施の形態1)
本発明の実施の形態1に係る振動特性推定アルゴリズム(剛性可変による固有円振動数の変化に基づく同定アルゴリズム)を用いることにより、被推定構造体の振動特性を推定できることを証明する。以下、本実施の形態に係る振動特性推定アルゴリズムを容易に理解できるようにするために、まず、被推定構造体が1自由度系によって表現される場合、すなわち、被推定構造体が3つの物理量により表現される1個の単位構造体によって表現される場合に、この被推定構造体の振動特性を推定できることを証明する。次に、被推定構造体がn自由度系によって表現される場合、すなわち、被推定構造体が3つの物理量により表現されるn個の単位構造体によって表現される場合に、この被推定構造体の振動特性を推定できることを証明する。
(Embodiment 1)
It is proved that the vibration characteristic of the structure to be estimated can be estimated by using the vibration characteristic estimation algorithm according to the first embodiment of the present invention (identification algorithm based on the change in the natural circular frequency due to the variable stiffness). Hereinafter, in order to easily understand the vibration characteristic estimation algorithm according to the present embodiment, first, when the structure to be estimated is represented by a one-degree-of-freedom system, that is, the structure to be estimated has three physical quantities. It is proved that the vibration characteristic of this estimated structure can be estimated when it is expressed by one unit structure expressed by Next, when the estimated structure is expressed by an n-degree-of-freedom system, that is, when the estimated structure is expressed by n unit structures expressed by three physical quantities, this estimated structure It is proved that the vibration characteristics of can be estimated.

まず、被推定構造体が1自由度系により表現される場合について証明を行う。図1は、本発明の実施の形態1に係る振動特性推定アルゴリズムにより振動特性が推定される被推定構造体(1自由度系)を概念的に示す模式図である。   First, proof is given for the case where the structure to be estimated is represented by a one-degree-of-freedom system. FIG. 1 is a schematic diagram conceptually showing an estimated structure (one-degree-of-freedom system) whose vibration characteristics are estimated by the vibration characteristic estimation algorithm according to Embodiment 1 of the present invention.

図1に示すように、被推定構造体100は、3つの物理量(質量、剛性及び減衰)により表現される1個の単位構造体101により表現される。具体的には、被推定構造体100は、概念的には、例えば、床やこの床の上に配置された家具等に相当する質量m1の物体が、地面103の上に壁や柱等に相当する剛体k1及び減衰c1を介して設けられた形式により表現される1個の単位構造体101によって、表現される。ここで、質量mとは、物体の重さや動きにくさに関係する、最も基本的な物理量であり、剛性kとは、建物の層間変形量に比例して生じる復元力という物理量を意味し、減衰cとは、建物の層間変形速度に比例して生じる復元力という物理量を意味する。 As shown in FIG. 1, the estimated structure 100 is represented by one unit structure 101 represented by three physical quantities (mass, stiffness, and attenuation). Specifically, the estimated structure 100 is conceptually configured such that, for example, an object having a mass m 1 corresponding to a floor or furniture arranged on the floor is formed on a wall or a pillar on the ground 103. It is represented by one unit structure 101 represented by the form provided via the corresponding rigid body k 1 and damping c 1 . Here, the mass m is the most basic physical quantity related to the weight and difficulty of movement of the object, and the stiffness k means a physical quantity called a restoring force generated in proportion to the amount of interlayer deformation of the building, The damping c means a physical quantity called a restoring force that is generated in proportion to the interlayer deformation speed of the building.

このように表現される被推定構造体100に対して、3つの物理量(質量m2、剛性k2及び減衰c2)により表現されるセンサであって、これら3つの物理量のうち少なくとも1つの物理量(基準物理量)を複数の値に変化させることができる可変センサ(可変構造体;付加構造体)102が、取り付けられる。これにより、可変センサ102と単位構造体101とを含む全体の構造体は2自由度系となる。なお、本実施の形態では、一例として、剛性k2を2つの値kL及びkHに変化させることができる可変センサ102が、被推定構造体100の上端に取り付けられる。
ここで、m1=10、k1=125、c1=2.5、m2=10、k2=(kL=100、kH=150)、c2=2.5である。
A sensor expressed by three physical quantities (mass m 2 , stiffness k 2, and attenuation c 2 ) with respect to the estimated structure 100 expressed in this way, and at least one physical quantity among these three physical quantities A variable sensor (variable structure; additional structure) 102 capable of changing (reference physical quantity) to a plurality of values is attached. As a result, the entire structure including the variable sensor 102 and the unit structure 101 is a two-degree-of-freedom system. In the present embodiment, as an example, the variable sensor 102 that can change the stiffness k 2 into two values k L and k H is attached to the upper end of the structure to be estimated 100.
Here, m 1 = 10, k 1 = 125, c 1 = 2.5, m 2 = 10, k 2 = (k L = 100, k H = 150), and c 2 = 2.5.

このような被推定構造体100が、可変センサ102における剛性k2をkLとした状態で加振されたときに1次モードの固有周期ω1L及び減衰定数h1Lが観測され、可変センサ102における剛性k2をkHとした状態で加振されたときに1次モードの固有周期ω1H及び減衰定数h1Hが観測された場合に、未知パラメターm1、k1、c1を同定することを考える。なお、被推定構造体100に対する加振は、一例として、被推定構造体100の例えば側面に取り付けられた加振機106が、被推定構造体100に対して加振することにより実現される。この加振機106は、波形発生器104により発生させられアンプ105により増幅された波形に応じた振動を被推定構造体100に対して与える。 When such an estimated structure 100 is vibrated with the stiffness k 2 of the variable sensor 102 set to k L , the natural period ω 1L and the damping constant h 1L of the primary mode are observed, and the variable sensor 102 is observed. When the natural period ω 1H and the damping constant h 1H of the first-order mode are observed when the vibration is applied in a state where the stiffness k 2 is k H , unknown parameters m 1 , k 1 , and c 1 are identified. Think about it. Note that the vibration to the estimated structure 100 is realized by, for example, a vibration exciter 106 attached to, for example, a side surface of the estimated structure 100 vibrating the estimated structure 100. The vibration exciter 106 gives vibration to the estimation target structure 100 according to the waveform generated by the waveform generator 104 and amplified by the amplifier 105.

(運動方程式)
図1に示す被推定構造体100に1自由度系の単位構造体101を付加した場合の運動方程式は、次の式(1)となる。

Figure 2008151560
f(t)は、加振機106による加振力である。また、M、C及びKは、それぞれ、質量、減衰及び剛性マトリクスである。
(固有方程式)
上記(1)の運動方程式に対応する固有方程式は、次の式(3)となる。
Figure 2008151560
この式(3)を上記式(2)と合わせて考えると、式(3)は次の式(4)となる。
Figure 2008151560
ここで、(m2λ2+c2+k2)=A、(c2λ+k2)=Bとおき、(c1+c2)=dとすると、上記式(4)は、次の式(4’)となる。
Figure 2008151560
(Equation of motion)
The equation of motion when the one-degree-of-freedom unit structure 101 is added to the structure to be estimated 100 shown in FIG. 1 is the following expression (1).
Figure 2008151560
f (t) is the excitation force by the shaker 106. M, C, and K are mass, damping, and stiffness matrices, respectively.
(Eigen equation)
An eigen equation corresponding to the equation of motion of (1) is expressed by the following equation (3).
Figure 2008151560
When this equation (3) is considered together with the above equation (2), the equation (3) becomes the following equation (4).
Figure 2008151560
Here, assuming that (m 2 λ 2 + c 2 + k 2 ) = A, (c 2 λ + k 2 ) = B, and (c 1 + c 2 ) = d, the above equation (4) can be expressed by the following equation (4 ').
Figure 2008151560

(固有値及びモード固有周期・減衰定数)
上記式(3)を解くと、複素固有値λは次の式(5)となる。

Figure 2008151560
複素固有値λと円振動数ω及び減衰定数hとの関係は、次の式(6a)及び式(6b)により表現される。
Figure 2008151560
よって、上記式(6b)より、次の式(7)が得られる。
Figure 2008151560
(Eigenvalue and mode natural period / damping constant)
When the above equation (3) is solved, the complex eigenvalue λ becomes the following equation (5).
Figure 2008151560
The relationship between the complex eigenvalue λ, the circular frequency ω, and the damping constant h is expressed by the following equations (6a) and (6b).
Figure 2008151560
Therefore, the following equation (7) is obtained from the above equation (6b).
Figure 2008151560

以上のような被推定構造体100に対して加振実験を実施し、可変センサ102の剛性k2を2つの値kL及びkHの各々にした場合において、それぞれ、次のような1次モードの固有周期ωL1、ωH1及び減衰定数hL1、hH1が得られたと仮定し、未知のパラメターm1、c1、k1を求める。
ωL1=2.1113[rad/s]、hL1=0.0229
ωH1=2.2361[rad/s]、hH1=0.0215
なお、ここで、物理パラメターm2=10、c2=2.5、kL=100、kH=150は既知であるとする。
When the vibration test is performed on the estimated structure 100 as described above and the stiffness k 2 of the variable sensor 102 is set to each of the two values k L and k H , Assuming that the natural periods ω L1 and ω H1 of the mode and the damping constants h L1 and h H1 are obtained, unknown parameters m 1 , c 1 , and k 1 are obtained.
ω L1 = 2.1113 [rad / s], h L1 = 0.0229
ω H1 = 2.2361 [rad / s], h H1 = 0.0215
Here, it is assumed that the physical parameters m 2 = 10, c 2 = 2.5, k L = 100, and k H = 150 are known.

上記式(6a)により、次の式(8)及び式(9)が得られる。

Figure 2008151560
Figure 2008151560
From the above equation (6a), the following equations (8) and (9) are obtained.
Figure 2008151560
Figure 2008151560

上記式(9)を上記式(4’)に代入する。まず、A、Aλ、Aλ2及びBを計算する。
A=(m2λ2+c2λ+k2)、B=(c2λ+k2)より、次の式(10)が得られる。
The above equation (9) is substituted into the above equation (4 ′). First, A, Aλ, Aλ 2 and B are calculated.
From A = (m 2 λ 2 + c 2 λ + k 2 ) and B = (c 2 λ + k 2 ), the following equation (10) is obtained.

AL1=10×(-0.0484±2.1108i)2+2.5×(-0.0484±2.1108i)+100=55.3477±3.2337i
∴AL1×λL1=(55.8477±3.2337i)×(-0.0484±2.1108i)=-9.5046±116.67i
∴AL1×λL1 2=-245.81±25.709, BL1={2.5×(-0.0484±2.1108i)+100}2=9948.0±1054.1i
∴BL1-AL1kL=4413.2±730.75i (10)
A L1 = 10 × (-0.0484 ± 2.1108i) 2 + 2.5 × (-0.0484 ± 2.1108i) + 100 = 55.3477 ± 3.2337i
∴A L1 × λ L1 = (55.8477 ± 3.2337i) × (-0.0484 ± 2.1108i) =-9.5046 ± 116.67i
∴A L1 × λ L1 2 = -245.81 ± 25.709, B L1 = {2.5 × (-0.0484 ± 2.1108i) +100} 2 = 9948.0 ± 1054.1i
∴B L1 -A L1 k L = 4413.2 ± 730.75i (10)

2=kH1の場合についても同様に計算すると、次の式(11)が得られる。
AH1=99.9238±3.4384i, AH1λH1=-12.493±223.22i, AH1λH1 2=-498.44±38.667i,
BH1=22433±1675.4i, BH1-AH1kH=7444.1±1159.6i (11)
When the same calculation is performed for the case of k 2 = k H1 , the following equation (11) is obtained.
A H1 = 99.9238 ± 3.4384i, A H1 λ H1 = -12.493 ± 223.22i, A H1 λ H1 2 = -498.44 ± 38.667i,
B H1 = 22433 ± 1675.4i, B H1 -A H1 k H = 7444.1 ± 1159.6i (11)

上記式(10)を上記式(4)に代入すると、次の式(12)が得られる。
(-245.81±25.709i)m1+(-9.5046±116.67i)d+(55.3477±3.2337i)k1
=4413.2±730.75i (12)
上記式(12)において実部と虚部とが等しくなることから、これらを分けてマトリクス表示をすると、次の式(12’)が得られる。

Figure 2008151560
上記式(12’)では、3つの未知数m1,d,k1に対して、2つの式しか存在しないので、これらの未知数を決定することができない。しかしながら、k2=kHの場合の上記(11)式を上記(4’)に代入することにより、次の式(13)に示す新たな固有方程式のマトリクス表示が得られる。
Figure 2008151560
上記式(12’)及び上記式(13)とを連立させることにより、次の式(14)が得られる。
Figure 2008151560
上記式(14)を解くと、m1=10.0、d=5.0、k1=125.0が得られる。
また、c1+c2=dにおいて、c2=2.5は既知であるので、c1=d−c2=2.5となる。以上より、m1=10.0、c1=2.5、k1=125.0を求めることができる。
以上、被推定構造体が1自由度系により表現される場合について証明した。 Substituting the above equation (10) into the above equation (4) yields the following equation (12).
(-245.81 ± 25.709i) m 1 + (-9.5046 ± 116.67i) d + (55.3477 ± 3.2337i) k 1
= 4413.2 ± 730.75i (12)
Since the real part and the imaginary part are equal in the above formula (12), the following formula (12 ′) is obtained when these are divided and displayed in a matrix.
Figure 2008151560
In the above equation (12 ′), since there are only two equations for the three unknowns m 1 , d, and k 1 , these unknowns cannot be determined. However, by substituting the above equation (11) in the case of k 2 = k H into the above (4 ′), a matrix display of a new eigen equation shown in the following equation (13) can be obtained.
Figure 2008151560
The following equation (14) is obtained by combining the above equation (12 ′) and the above equation (13).
Figure 2008151560
Solving the above equation (14) yields m 1 = 10.0, d = 5.0, and k 1 = 125.0.
Since c 2 = 2.5 is known when c 1 + c 2 = d, c 1 = d−c 2 = 2.5. From the above, m 1 = 10.0, c 1 = 2.5, and k 1 = 125.0 can be obtained.
As described above, the case where the structure to be estimated is expressed by a one-degree-of-freedom system has been proved.

次に、被推定構造体がn自由度系により表現される場合について、図2を参照して証明を行う。図2は、本発明の実施の形態1に係る振動特性推定アルゴリズムにより振動特性が推定される被推定構造体(n自由度系)を概念的に示す模式図である。なお、図2に示す構成要素のうち図1に示したものと同様の構成要素については、図1におけるものと同一の符号を付して、詳細な説明を省略する。   Next, a case where the structure to be estimated is represented by an n-degree-of-freedom system is proved with reference to FIG. FIG. 2 is a schematic diagram conceptually showing an estimated structure (n-degree-of-freedom system) whose vibration characteristics are estimated by the vibration characteristic estimation algorithm according to the first embodiment of the present invention. 2 that are the same as those shown in FIG. 1 are assigned the same reference numerals as those in FIG. 1 and detailed descriptions thereof are omitted.

図2に示すように、被推定構造体200は、各々が3つの物理量(質量、剛性及び減衰)により表現される単位構造体を複数(単位構造体201−1〜201−n)含んだ構造体により表現される。具体的には、被推定構造体200は、概念的には、質量m1の物体が、地面103の上に剛体k1及び減衰c1を介して設けられた形式により表現される単位構造体201−1と、この単位構造体201−1の上に剛体k2及び減衰c2を介して設けられた形式により表現される単位構造体201−2と、同様に単位構造体201−(n−1)の上に剛体kn及び減衰cnを介して設けられた形式により表現される単位構造体201−nとを含む、n個の単位構造体により表現される。 As shown in FIG. 2, the estimated structure 200 includes a plurality of unit structures (unit structures 201-1 to 201-n) each represented by three physical quantities (mass, stiffness, and attenuation). Expressed by the body. Specifically, the estimated structure 200 is conceptually a unit structure in which an object of mass m 1 is expressed in a form in which the object is provided on the ground 103 via a rigid body k 1 and an attenuation c 1. and 201-1, a unit structure 201-2 represented by the form provided through the rigid k 2 and damping c 2 over the unit structures 201-1, similarly unit structures 201- (n on the -1) and a rigid k n and the unit structure 201-n represented by the format provided through the damping c n, represented by n unit structure.

このように表現される被推定構造体200に対して、3つの物理量(質量mk、剛性kk及び減衰ck)により表現される構造体であって、これら3つの物理量のうち少なくとも1つを複数の値に変化させることができる可変センサ102が、取り付けられる。これにより、可変センサ102とn個の単位構造体とを含む全体の構造体はn+1自由度系となる。 A structure represented by three physical quantities (mass m k , stiffness k k and damping c k ) with respect to the estimated structure 200 represented in this way, and at least one of these three physical quantities A variable sensor 102 is attached which can be changed to a plurality of values. As a result, the entire structure including the variable sensor 102 and the n unit structures is an n + 1 degree of freedom system.

図2に示す被推定構造体200に可変剛性を有する1自由度系(可変センサ102)を付加した場合の運動方程式は、次の式(15)となる。

Figure 2008151560
The equation of motion when a one-degree-of-freedom system (variable sensor 102) having variable rigidity is added to the estimated structure 200 shown in FIG. 2 is the following equation (15).
Figure 2008151560

f(t)は、加振機106による加振力である。また、M、C及びKは、それぞれ、質量、減衰及び剛性マトリクスであり、図1の場合には、次の式(17)のように表される。

Figure 2008151560
f (t) is the excitation force by the shaker 106. M, C, and K are mass, damping, and stiffness matrices, respectively, and are represented by the following equation (17) in the case of FIG.
Figure 2008151560

上記式(17)中、添え字がkである要素は、可変センサ102のものであり既知の値である。したがって、マトリクスに含まれる物理パラメターのうち未知のものは各n個のm,c,kであり、未知数の合計は3nである。ここでは、まず可変センサの剛性をkk=k1として、加振実験等により、i次モードの減衰固有円振動数iω及び減衰定数ihがr個(最大n+1個)求められたとする。すると、上記式(15)の系の固有値λと減衰固有円振動数ω及び減衰定数hの関係は、次の式(18a)〜(18c)により表現される。

Figure 2008151560
In the above formula (17), the element whose suffix is k is that of the variable sensor 102 and is a known value. Therefore, the unknown physical parameters included in the matrix are n m, c, and k, respectively, and the total number of unknowns is 3n. Here, assuming that the stiffness of the variable sensor is k k = k 1 , r (up to n + 1) damped natural circular frequencies i ω and damping constants i h of the i-th mode are obtained by an excitation experiment or the like. Suppose. Then, the relationship between the natural value λ, the damped natural circular frequency ω, and the damping constant h of the system of the above formula (15) is expressed by the following formulas (18a) to (18c).
Figure 2008151560

上記式(18a)〜(18c)のうち式(18b)から、r組の共役な複素固有値iλを決定することができる。この値を次の式(19)に示す固有値の特性方程式に代入することにより、r組の式を得ることができる。

Figure 2008151560
Of the above formulas (18a) to (18c), r sets of conjugate complex eigenvalues iλ can be determined from formula (18b). By substituting this value into the characteristic equation of the eigenvalue shown in the following equation (19), r sets of equations can be obtained.
Figure 2008151560

上記式(19)は、剛性マトリクスK、減衰マトリクスC、及び、質量マトリクスMのみの式であり、これに関係する未知パラメターは各n個のm,k,cすなわち3n個である。これに対し、加振実験で得られたr個(最大n+1個)の減衰固有円振動数ω及び減衰定数hから上記式(18)で計算される複素固有値を上記式(19)に代入したr個の式は、数値が複素数であることから、実部と虚部をそれぞれ別々に考え、実際には2r個の式となる。rの最大値はn+1であるから、式の数は結局最大で2(n+1)個となる。よって、自由度nが2以上の場合には、常に3n>2(n+1)となって未知数の総数が式の総数を上回るため、未知数を決定することができない。   The above equation (19) is an equation of only the stiffness matrix K, the damping matrix C, and the mass matrix M, and the unknown parameters related thereto are n m, k, c, that is, 3n. On the other hand, the complex eigenvalue calculated by the above equation (18) from the r (maximum n + 1) damped natural circular frequencies ω and the damping constant h obtained in the excitation experiment is expressed by the above equation (19). Since the substituted r expressions are complex numbers, the real part and the imaginary part are considered separately, and actually 2r expressions. Since the maximum value of r is n + 1, the number of expressions eventually becomes 2 (n + 1) at the maximum. Therefore, when the degree of freedom n is 2 or more, 3n> 2 (n + 1) is always satisfied, and the total number of unknowns exceeds the total number of equations, so the unknowns cannot be determined.

そこで、可変センサ102の剛性をkk=k2と変更し、新たな加振実験を追加し、s個(sの最大値もn+1)のj次モードの固有円振動数jΩ及び減衰定数jHが得られ、これらからs組の共役な複素固有値jλを決定することができ、これに対応する新たな固有値の特性方程式として、次の式(20)に示す式をs組得ることができる。

Figure 2008151560
Therefore, the stiffness of the variable sensor 102 is changed to k k = k 2 , a new excitation experiment is added, and the natural circular frequency j Ω of s (the maximum value of s is also n + 1) j-order mode and A damping constant j H is obtained, and s sets of complex complex eigenvalues j λ can be determined therefrom. As characteristic equations for new eigenvalues corresponding thereto, the following equation (20) is expressed as s sets. Obtainable.
Figure 2008151560

このように、固有値の特性方程式の数を、特性方程式に関係する未知パラメターm,k,cの合計数の3n個より大きくすることにより、m,k,cを決定することができるようになる。
以上、被推定構造体がn自由度系により表現される場合について証明した。
Thus, m, k, c can be determined by making the number of characteristic equations of eigenvalues larger than 3n of the total number of unknown parameters m, k, c related to the characteristic equations. .
As described above, the case where the structure to be estimated is expressed by an n-degree-of-freedom system has been proved.

次に、本実施の形態に係る振動特性推定アルゴリズムを用いた振動特性推定方法について、図2に加えて図3を参照して説明する。図3は、本発明の実施の形態1に係る振動特性推定アルゴリズムを用いた振動特性推定方法を示すフロー図である。なお、この図3においては、図2に示した被推定構造体200が推定の対象とされている。   Next, a vibration characteristic estimation method using the vibration characteristic estimation algorithm according to the present embodiment will be described with reference to FIG. 3 in addition to FIG. FIG. 3 is a flowchart showing a vibration characteristic estimation method using the vibration characteristic estimation algorithm according to the first embodiment of the present invention. In FIG. 3, the estimation target structure 200 shown in FIG. 2 is an estimation target.

まず、ステップ(以下「ST」という。)301において、可変センサ102の剛性を示す変数であるiが1に設定され、固有値を代入することにより得られる特性方程式の総数を示す変数であるtが0に設定される。ST302では、可変センサ102の剛性kkとしてkiすなわちここではk1(第1値)が用いられる。 First, in step (hereinafter referred to as “ST”) 301, i which is a variable indicating the rigidity of the variable sensor 102 is set to 1, and t which is a variable indicating the total number of characteristic equations obtained by substituting eigenvalues. Set to zero. In ST302, k i, that is, k 1 (first value) is used as the stiffness k k of the variable sensor 102 here.

ST303では、加振機106が被推定構造体200に対して加振を実施する。具体的には、加振機106は、スイープ加振(高い周期から低い周期にわたる正弦波を有する振動を被推定構造体200に対して与える加振)やホワイトノイズ加振(幅広い周波数成分を有する振動を被推定構造体200に対して与える加振)等を被推定構造体200に対して実施する。   In ST303, the vibration exciter 106 performs vibration on the estimated structure 200. Specifically, the shaker 106 performs sweep excitation (excitation that gives a sinusoidal wave ranging from a high period to a low period to the estimated structure 200) or white noise excitation (having a wide range of frequency components). (Vibration giving vibration to the estimated structure 200) is performed on the estimated structure 200.

ST304では、実施されている加振によって振動している状態(第1振動状態)にある被推定構造体200のr個の固有円振動数ω及び減衰定数h(すなわち、第1振動状態を示す要素)が、測定される。すなわち、単位構造体201−1〜201−nのそれぞれに対応する固有円振動数ω及び減衰定数hが、測定される。   In ST304, the r natural circular frequencies ω and the damping constant h (that is, the first vibration state is shown) of the estimated structure 200 in the state of being vibrated by the applied vibration (first vibration state). Element) is measured. That is, the natural circular frequency ω and the damping constant h corresponding to each of the unit structures 201-1 to 201-n are measured.

これら固有円振動数ω及び減衰定数hの測定は、例えば、以下に示すような手法により実行することができる。すなわち、まず第1に、加振実験結果の入出力関係から得られた周波数応答に対し、個々の周波数ピークから固有周期を直接読み取り、其のピーク周りの応答形状から(山の傾斜から)減衰定数を読み取るハーフパワー法や、理論的な周波数応答関数を最小二乗法などでフィッテングして固有周期と減衰定数を求めるカーブフィット法を用いることができる。
ここで、「加振実験結果の入出力関係」における「入力」は、アンプ105から加振機106に入力される信号f(t)である。
また、「加振実験結果の入出力関係」における「出力」は、最も好ましくは、質量mkの質量mnに対する相対変位(xk−xn)及び質量mkの絶対加速度のうち少なくとも一方である。この相対変位及び絶対加速度の詳細については、後述の実施の形態2において詳細に説明する。なお、「加振実験結果の入出力関係」における「出力」の別の例としては、ある層と別の層との間における相対変位や相対速度・相対加速度等が挙げられる。
このように与えられる「入力」及び「出力」を用いて周波数応答を得ることは、当業者にとって周知な事項であるので、その詳細な説明については省略する。
The measurement of the natural circular frequency ω and the damping constant h can be performed by the following method, for example. That is, first of all, for the frequency response obtained from the input / output relationship of the excitation experiment result, the natural period is directly read from each frequency peak, and the response shape around the peak is attenuated (from the slope of the mountain). A half power method for reading a constant or a curve fitting method for fitting a theoretical frequency response function by a least square method to obtain a natural period and an attenuation constant can be used.
Here, “input” in “input / output relationship of excitation experiment result” is a signal f (t) input from the amplifier 105 to the shaker 106.
Also, "output" in the "input-output relationship of the Loading Test Results" is most preferably, at least one of the absolute acceleration of the relative displacement (x k -x n) and mass m k to the mass m n of the mass m k It is. Details of the relative displacement and the absolute acceleration will be described in detail in a second embodiment described later. As another example of “output” in “input / output relationship of excitation experiment result”, there are a relative displacement, a relative speed, a relative acceleration, and the like between a certain layer and another layer.
Obtaining the frequency response using the “input” and “output” given in this way is a well-known matter for those skilled in the art, and therefore detailed description thereof will be omitted.

第2に、加振実験で得られた入出力データに対して何からの処理を施すことにより、この入出力データから自由振動波形を抽出し、抽出した自動振動波形からモード特性を読み取る方法を用いることができる。この手法としては、入力がホワイトノイズである場合に応答の自己相関関数が自由振動波形に相似する性質を利用した相関法や、応答の時刻歴波形を時刻ゼロでピークとなる多数の小領域に分割し、これらを重ね合わせることでランダムな外力による強制振動成分を消去し、自由振動成分を抽出するRandom Decrement法を適用することもできる。   Secondly, a method for extracting a free vibration waveform from the input / output data by performing processing on the input / output data obtained in the vibration experiment and reading the mode characteristics from the extracted automatic vibration waveform. Can be used. This method includes a correlation method that uses the property that the autocorrelation function of the response resembles a free vibration waveform when the input is white noise, or a large number of small regions where the time history waveform of the response peaks at time zero. Random Decrement method that extracts the free vibration component by removing the forced vibration component due to random external force by dividing and superimposing these can be applied.

ST305では、ST304において測定された固有円振動数ω及び減衰定数hを用いて、上記式(18)から、r組の共役複素固有値λが算出される。
ST306では、ST305において算出されたr組の共役複素固有値λに対する、r組の固有値の特性方程式を、上記式(19)から求める。
In ST305, r sets of conjugate complex eigenvalues λ are calculated from the above equation (18) using the natural circular frequency ω and the damping constant h measured in ST304.
In ST306, a characteristic equation of r sets of eigenvalues for the r sets of conjugate complex eigenvalues λ calculated in ST305 is obtained from the above equation (19).

ST307では、固有値を代入することにより得られる特性方程式の総数を示す変数であるtに対して、ST306において得られた特性方程式の総数2rが加えられる。
ST308では、現時点で得られている特性方程式の総数がこの特性方程式に関する未知数の総数3n以上である、という条件が満たされているか否かが判断される。
In ST307, the total number 2r of characteristic equations obtained in ST306 is added to t which is a variable indicating the total number of characteristic equations obtained by substituting eigenvalues.
In ST308, it is determined whether or not the condition that the total number of characteristic equations currently obtained is equal to or greater than the total number of unknowns 3n related to this characteristic equation is satisfied.

この条件が満たされていない場合には、これら未知数を決定することができないので、可変センサの剛性を変化させるべく変数iに1が加えられた後、処理は、上述したST302に戻る。この後、ST302〜ST306において上述したものと同様の処理が実行されることにより、可変センサ102の剛性kkとしてki+1すなわちここではk2(第2値)が用いられ、新たなr個の固有円振動数ω及び減衰定数h(すなわち、第2振動状態を示す要素)が測定され、新たなr組の共役複素固有値λが算出され、新たなr組の特性方程式が得られる。この時点において、得られた特性方程式の総数が、前回(kk=k1の場合)に比べて2倍に増加することになる(ST307)。 If this condition is not satisfied, these unknowns cannot be determined. Therefore, after 1 is added to the variable i to change the stiffness of the variable sensor, the process returns to ST302 described above. Thereafter, the same processing as described above is performed in ST302 to ST306, whereby k i + 1, that is, k 2 (second value) is used as the stiffness k k of the variable sensor 102, and a new r The natural circular frequency ω and the damping constant h (that is, the element indicating the second vibration state) are measured, and r sets of conjugate complex eigenvalues λ are calculated, thereby obtaining new r sets of characteristic equations. At this time, the total number of obtained characteristic equations is doubled compared to the previous time (when k k = k 1 ) (ST307).

ここで、ST308に示した条件が満たされる場合には、上記未知数を決定することができる状態になったので、処理は、ST309に移行する。
ST309では、現時点で得られているすべての特性方程式を連立させた式から、未知数m、k、cを決定することができる。この結果、ST310では、上記式(17)から、質量マトリクスM、剛性マトリクスK、減衰マトリクスCを確定することができる。
Here, when the condition shown in ST308 is satisfied, since the unknown can be determined, the process moves to ST309.
In ST309, the unknowns m, k, and c can be determined from an equation in which all the characteristic equations obtained at present are combined. As a result, in ST310, the mass matrix M, the stiffness matrix K, and the attenuation matrix C can be determined from the above equation (17).

次に、本実施の形態に係る振動特性推定アルゴリズムを用いた振動特性推定方法に用いることができる振動特性推定装置の一例について説明する。
本実施の形態に係る振動特性推定装置は、例えば、設定値及び測定値を入力する入力部と、入力部により入力された設定値及び測定値を記憶する記憶部と、記憶部により記憶された設定値及び測定値を用いて本実施の形態に係る振動特性推定アルゴリズムを実行することにより、被推定構造体200の振動特性を決定する処理部と、により構成される。
Next, an example of a vibration characteristic estimation apparatus that can be used in the vibration characteristic estimation method using the vibration characteristic estimation algorithm according to the present embodiment will be described.
The vibration characteristic estimation device according to the present embodiment is stored in, for example, an input unit that inputs setting values and measurement values, a storage unit that stores setting values and measurement values input by the input unit, and a storage unit. And a processing unit that determines the vibration characteristic of the structure to be estimated 200 by executing the vibration characteristic estimation algorithm according to the present embodiment using the set value and the measurement value.

このような構成を有する振動特性推定装置では、入力部が、設定値として、可変センサ102に用いられうる剛性kkを複数入力する。また、入力部は、設定値として、可変センサ102の質量mk及び減衰ckを入力する。さらには、入力部は、設定値として、被推定構造体200の自由度すなわち被推定構造体200に含まれる単位構造体の数(図2の被推定構造体200の場合には、自由度n)を入力する。これらの設定値は、例えば、振動特性推定装置の操作者によりキーボードを介して入力される。このように入力部により入力された設定値は、記憶部に記憶される。 In the vibration characteristic estimation apparatus having such a configuration, the input unit inputs a plurality of stiffnesses k k that can be used for the variable sensor 102 as set values. Further, the input unit inputs the mass m k and the attenuation c k of the variable sensor 102 as set values. Furthermore, the input unit sets, as a set value, the degree of freedom of the structure 200 to be estimated, that is, the number of unit structures included in the structure 200 to be estimated (in the case of the structure 200 to be estimated, the degree of freedom n). ). These set values are input through a keyboard by an operator of the vibration characteristic estimation apparatus, for example. Thus, the setting value input by the input unit is stored in the storage unit.

さらに、測定値に関しては、入力部は、加振機106に接続されており、アンプ105からこの加振機106に入力される信号(f(t))を加振機入力(入力データ)として入力する。また、入力部は、測定値として、可変センサ102の質量mkの絶対加速度応答及び可変センサ102を取り付けられた単位構造体(図2では単位構造体201−n)と可変センサ102との間の相対変位(xk−xn)のうち少なくとも一方を入力する。なお、これら絶対加速度応答及び相対変位については、後述の実施の形態2において詳細に説明する。
これらの測定値もまた、記憶部により記憶される。
Furthermore, regarding the measured value, the input unit is connected to the shaker 106, and the signal (f (t)) input from the amplifier 105 to the shaker 106 is used as the shaker input (input data). input. In addition, the input unit includes, as a measurement value, an absolute acceleration response of the mass m k of the variable sensor 102 and a unit structure (unit structure 201-n in FIG. 2) to which the variable sensor 102 is attached and the variable sensor 102. At least one of the relative displacements (x k −x n ) is input. The absolute acceleration response and the relative displacement will be described in detail in a second embodiment described later.
These measured values are also stored by the storage unit.

以上のような設定値及び測定値が、記憶部に記憶された後、或いは、記憶部に記憶されることと並行して、処理部は、図3において説明したST304〜ST310における処理を、例えば記憶部に記憶されたコンピュータプログラムに従って実行することにより、すべての未知数を決定することができる。   After the setting values and measurement values as described above are stored in the storage unit or in parallel with the storage in the storage unit, the processing unit performs the processing in ST304 to ST310 described in FIG. All unknowns can be determined by executing according to the computer program stored in the storage unit.

なお、ST304において説明した固有円振動数及び減衰定数の抽出については、振動特性推定装置の外部で抽出する構成を採用することもできる。この場合には、振動特性推定装置は、外部において抽出された固有円振動数及び減衰定数を、入力部から入力して記憶部に記憶すればよい。   In addition, the extraction of the natural circular frequency and the damping constant described in ST304 may be configured to be extracted outside the vibration characteristic estimation device. In this case, the vibration characteristic estimation apparatus may input the natural circular frequency and the damping constant extracted outside from the input unit and store them in the storage unit.

このように、本実施の形態に係る振動特性推定アルゴリズムによれば、まず、基準物理量(本実施の形態では「剛性」)を含む3つの物理量により表現される可変センサを被推定構造体に取り付けた上で、基準物理量を第1値に設定した可変センサが取り付けられた被推定構造体を振動させて第1振動状態にし、この第1振動状態を示す要素である固有円振動数及び減衰定数を測定し、この固有円振動数及び減衰定数を用いて得られる固有値を、可変センサを取り付けた被推定構造体の動作を表現する運動方程式に対応する固有値の特性方程式に代入することにより、第1方程式が得られる。この第1方程式において、3つの物理量に関する未知数の総数が方程式の総数より大きいことに起因して、これらの未知数を決定することができない場合には、さらに、基準物理量を第2値に設定した可変センサが取り付けられた被推定構造体を振動させて第2振動状態にし、第2振動状態を示す要素である固有円振動数及び減衰定数を測定し、この固有円振動数及び減衰定数を用いて得られる固有値を、可変センサを取り付けた被推定構造体の動作を表現する運動方程式に対応する固有値の特性方程式に代入することにより、新たな方程式(第2方程式)が得られる。よって、第1方程式と第2方程式とを連立した方程式において、方程式の総数をこの方程式に関係する未知数の総数より大きくすることにより、これら未知数を決定することができる。なお、依然として、方程式の総数が、この方程式に関係する未知数の総数より小さい場合には、第x−1方程式と第x方程式とを連立した方程式において、方程式の総数がこの方程式に関係する未知数の総数より大きくなるまで、基準物理量を第x値に設定した可変センサが取り付けられた被推定構造体を振動させて第x振動状態にして同様な処理を実行することにより、最終的には、すべての未知数を決定することができる。このことは、上述したように、被推定構造体が1自由度系である場合に限られず、被推定構造体がn自由度系である場合にも当てはまる。以上のようにして、被推定構造体の振動特性を推定することができる。   As described above, according to the vibration characteristic estimation algorithm according to the present embodiment, first, a variable sensor represented by three physical quantities including a reference physical quantity (in this embodiment, “rigidity”) is attached to the estimated structure. In addition, the estimated structure to which the variable sensor having the reference physical quantity set to the first value is vibrated to be in the first vibration state, and the natural circular frequency and the damping constant that are elements indicating the first vibration state And substituting the eigenvalue obtained by using this natural circular frequency and damping constant into the characteristic equation of the eigenvalue corresponding to the equation of motion representing the motion of the estimated structure to which the variable sensor is attached. One equation is obtained. In the first equation, when the unknowns cannot be determined due to the total number of unknowns regarding the three physical quantities being larger than the total number of equations, a variable in which the reference physical quantity is set to the second value is further set. The estimated structure to which the sensor is attached is vibrated to the second vibration state, and the natural circular frequency and the damping constant, which are elements indicating the second vibration state, are measured, and the natural circular frequency and the damping constant are used. A new equation (second equation) is obtained by substituting the obtained eigenvalue into the characteristic equation of the eigenvalue corresponding to the equation of motion representing the motion of the estimated structure to which the variable sensor is attached. Therefore, in an equation in which the first equation and the second equation are combined, the unknown number can be determined by making the total number of equations larger than the total number of unknowns related to the equation. If the total number of equations is still smaller than the total number of unknowns related to this equation, the total number of equations in the equation that combines the x-1 equation and the xth equation is the number of unknowns related to this equation. By oscillating the estimated structure to which the variable sensor having the reference physical quantity set to the x-th value is attached until it becomes larger than the total number, the same process is performed by changing the state to the x-th vibration state. Unknowns can be determined. As described above, this is not limited to the case where the structure to be estimated is a one-degree-of-freedom system, and also applies to the case where the structure to be estimated is an n-degree-of-freedom system. As described above, the vibration characteristics of the structure to be estimated can be estimated.

被推定構造体の自由度が高いことによって同定すべき未知数が多い場合には、被推定構造体に付加した可変センサの剛性をさらに変更して加振実験を新たに実行することにより、或いは、被推定構造体に対して複数の可変センサを付加し、これら複数の可変センサの剛性を順次変更して加振実験を実行することにより、必要な数だけ固有値の特性方程式を得て、被推定構造体の振動特性を推定することができる。   If there are many unknowns to be identified due to the high degree of freedom of the structure to be estimated, by further changing the rigidity of the variable sensor added to the structure to be estimated and performing a new vibration experiment, or By adding a plurality of variable sensors to the structure to be estimated, changing the rigidity of these variable sensors in sequence, and performing an excitation experiment, the required number of eigenvalue characteristic equations are obtained, and the object is estimated The vibration characteristics of the structure can be estimated.

上記実施の形態では、最も好ましい形態として、加振機により加振が与えられている状態にある被推定構造体の固有円振動数及び減衰定数を測定する場合について説明したが、本発明は、実際に発生する地震により加振が与えられている状態にある被推定構造体の固有円振動数及び減衰定数を測定する場合にも適用することができるものである。   In the above embodiment, as the most preferable mode, the case where the natural circular frequency and the damping constant of the estimated structure in a state where the vibration is applied by the vibrator is measured has been described. The present invention can also be applied to the case of measuring the natural circular frequency and the damping constant of a structure to be estimated in a state where excitation is given by an actually occurring earthquake.

なお、上記実施の形態では、最も好ましい形態として、付加構造体(可変構造体)102を被推定構造体200に取り付けた状態において、この付加構造体102における基準物理量を例えば剛性k1から剛性k2に変化させる場合について説明した。しかしながら、基準物理量(例えば剛性)のみが異なり他の物理量が同一である複数の付加構造体を用意し、これら複数の付加構造体を被推定構造体200に順次取り付け、それぞれの場合について加振を実施することによっても、同様の結果を得ることができる。 In the above-described embodiment, as the most preferable mode, in a state where the additional structure (variable structure) 102 is attached to the estimated structure 200, the reference physical quantity in the additional structure 102 is changed from, for example, the rigidity k 1 to the rigidity k. The case of changing to 2 has been described. However, a plurality of additional structures that differ only in the reference physical quantity (for example, rigidity) and have the same other physical quantities are prepared, and the plurality of additional structures are sequentially attached to the estimated structure 200, and vibration is applied in each case. Similar results can be obtained by carrying out the above.

(実施の形態2)
本実施の形態では、上述した実施の形態1で用いたものとは異なる振動特性推定アルゴリズムを用いて被推定構造体の振動特性を推定する場合について説明する。
(Embodiment 2)
In the present embodiment, a case will be described in which the vibration characteristics of the structure to be estimated are estimated using a vibration characteristic estimation algorithm different from that used in the first embodiment.

まず、実施の形態2に係る振動特性推定アルゴリズム(時刻歴応答と状態空間モデルを用いた同定アルゴリズム)を用いることにより、被推定構造体の振動特性を推定できることを証明する。
図4は、本発明の実施の形態2に係る振動特性推定アルゴリズムにより振動特性が推定される被推定構造体を概念的に示す模式図である。なお、図4に示す構成要素のうち図2に示したものと同様の構成要素については、図2におけるものと同一の符号を付して、詳細な説明を省略する。
First, it is proved that the vibration characteristic of the structure to be estimated can be estimated by using the vibration characteristic estimation algorithm according to the second embodiment (identification algorithm using a time history response and a state space model).
FIG. 4 is a schematic diagram conceptually showing an estimated structure whose vibration characteristics are estimated by the vibration characteristic estimation algorithm according to the second embodiment of the present invention. 4 that are the same as those shown in FIG. 2 are assigned the same reference numerals as in FIG. 2 and detailed descriptions thereof are omitted.

図4に示すように、被推定構造体200は、実施の形態1と同様に、各々が3つの物理量(質量、剛性及び減衰)により表現される単位構造体を複数(単位構造体201−1〜200−n)含んだ構造体により表現される。ここで、単位構造体201−1の質量m1と地面103との間の距離はx1により表現され、単位構造体201−2の質量m2と地面103との間の距離はx2により表現され、同様に、単位構造体201−nの質量mnと地面103との間の距離はxnにより表現される。 As shown in FIG. 4, the estimated structure 200 has a plurality of unit structures (unit structures 201-1) each represented by three physical quantities (mass, stiffness, and attenuation), as in the first embodiment. ~ 200-n) represented by the included structure. Here, the distance between the mass m 1 of the unit structure 201-1 and the ground 103 is represented by x 1 , and the distance between the mass m 2 of the unit structure 201-2 and the ground 103 is represented by x 2. Similarly, the distance between the mass m n of the unit structure 201- n and the ground 103 is represented by x n .

この被推定構造体200に対して、3つの物理量(質量mk、剛性kk及び減衰ck)により表現される構造体であって、これら3つの物理量のうち少なくとも1つの物理量(基準物理量)を複数の値に変化させることができる可変センサ401が、取り付けられる。これにより、可変センサ401とn個の単位構造体とを含む全体の構造体はn+1自由度系となる。ここで、可変センサ401と地面103との間の距離はxkにより表現される。
この可変センサ401は、上述した実施の形態1における可変センサ102と基本的に同様の構成を有するが、質量mkの質量mnに対する相対変位(xk−xn)を計測する計測部、及び、質量mkの絶対加速度を計測する計測部を備える点において、可変センサ102と相違する。
なお、図4における加振機106は、簡略化のために図示されてはいないが、実施の形態1における加振機106と同一の構成を有しており、波形発生器104により発生させられアンプ105により増幅された波形に応じた振動を被推定構造体200に対して与える。
A structure represented by three physical quantities (mass m k , stiffness k k and damping c k ) with respect to the estimated structure 200, and at least one physical quantity (reference physical quantity) among these three physical quantities A variable sensor 401 that can change the value to a plurality of values is attached. As a result, the entire structure including the variable sensor 401 and the n unit structures is an n + 1 degree-of-freedom system. Here, the distance between the variable sensor 401 and the ground 103 is represented by x k .
The variable sensor 401 has basically the same configuration as the variable sensor 102 in the first embodiment described above, but a measurement unit that measures the relative displacement (x k −x n ) of the mass m k with respect to the mass m n , and in that it includes a measuring unit for measuring the absolute acceleration of mass m k, which differs from the variable sensor 102.
4 is not shown for simplicity, but has the same configuration as that of the vibrator 106 in the first embodiment, and is generated by the waveform generator 104. A vibration corresponding to the waveform amplified by the amplifier 105 is applied to the estimation target structure 200.

まず、可変センサ401の剛性がkkがk1の場合に、状態量を次の式(21)のようにおく。

Figure 2008151560
ここで、図4に示した可変センサ401を取り付けた被推定構造体200は、図2に示した被推定構造体200と同一の構造を有するので、実施の形態1で用いた式(15)〜(17)は、図4に示した可変センサ401を取り付けた被推定構造体200についても成り立つ。
よって、上記式(21)に示す状態方程式は、次の式(22)により表現される。
Figure 2008151560
なお、上記式(23)における1f(t)は、加振機106に対する入力(すなわち、被推定構造体に与えられる振動を表現する関数)である。
可変センサ401での観測条件に応じて、次の式(24)に示す観測方程式をたてる。
Figure 2008151560
First, when the stiffness of the variable sensor 401 is k k is k 1 , the state quantity is set as in the following equation (21).
Figure 2008151560
Here, the structure to be estimated 200 to which the variable sensor 401 shown in FIG. 4 is attached has the same structure as the structure to be estimated 200 shown in FIG. 2, and therefore, the equation (15) used in the first embodiment is used. (17) holds true for the estimated structure 200 to which the variable sensor 401 shown in FIG. 4 is attached.
Therefore, the state equation shown in the above equation (21) is expressed by the following equation (22).
Figure 2008151560
Note that 1 f (t) in the above equation (23) is an input to the shaker 106 (that is, a function expressing vibration given to the estimated structure).
In accordance with the observation condition with the variable sensor 401, an observation equation shown in the following equation (24) is established.
Figure 2008151560

観測量を可変センサ401のセンサ応答のみとし、可変センサ401の質量の応答加速度及び設置位置との相対変位とすると、上記式(24)に示した観測方程式は、次の式(25)により表現される。

Figure 2008151560
If the observation amount is only the sensor response of the variable sensor 401 and the response acceleration of the mass of the variable sensor 401 and the relative displacement with respect to the installation position, the observation equation shown in the above equation (24) is expressed by the following equation (25). Is done.
Figure 2008151560

通常、このようにして作成された状態空間モデル式(22)および式(24)を用い、各種の同定アルゴリズムによりモデルパラメターの同定を実施するが、本問題では、実施の形態1において述べたように、同定パラメター数に対してこれらの関係式の数が少ないため、個々のパラメターを決定することができない。
そこで、可変センサ401(付加1自由度系)の剛性をk1からk2に変更して、新たな加振実験を行う。この場合、状態量は、次の式(27)により表現される。

Figure 2008151560
状態方程式は、次の式(28)により表現される。
Figure 2008151560
上記式(29)における2f(t)は、加振機106に対する入力(すなわち、被推定構造体に与えられる振動を表現する関数)である。
観測方程式は、次の式(30)により表現される。
Figure 2008151560
Normally, model parameters are identified by various identification algorithms using the state space model equations (22) and (24) created in this way. In this problem, as described in the first embodiment, In addition, since the number of these relational expressions is small with respect to the number of identification parameters, individual parameters cannot be determined.
Therefore, a new vibration experiment is performed by changing the rigidity of the variable sensor 401 (additional one degree of freedom system) from k 1 to k 2 . In this case, the state quantity is expressed by the following equation (27).
Figure 2008151560
The state equation is expressed by the following equation (28).
Figure 2008151560
2 f (t) in the above equation (29) is an input to the vibrator 106 (that is, a function expressing vibration given to the structure to be estimated).
The observation equation is expressed by the following equation (30).
Figure 2008151560

次に、式(22)及び式(24)で表されている状態空間モデルと、式(28)及び式(30)で表されている状態空間モデルとを結合した新たな状態空間モデルを考えると、この新たな状態空間モデルは、次の式(33)により表現される。

Figure 2008151560
ここに、状態量及び観測量は、次の式(34)により表現される。
Figure 2008151560
状態空間モデルの各マトリクスは、次の式(35)により表現される。
Figure 2008151560
Next, a new state space model obtained by combining the state space model represented by the equations (22) and (24) and the state space model represented by the equations (28) and (30) will be considered. And this new state space model is expressed by the following equation (33).
Figure 2008151560
Here, the state quantity and the observed quantity are expressed by the following equation (34).
Figure 2008151560
Each matrix of the state space model is expressed by the following equation (35).
Figure 2008151560

上記式(33)に示した状態空間モデルは、上記式(22)及び上記式(24)で表されている状態空間モデルと、上記式(28)及び上記式(30)で表されている状態空間モデルと同じ数の未知パラメターを持つが、式数が倍化しておりより多数の未知数を決定できる。この状態で、まだ未知パラメター数が多く式数が不足する場合には、さらに可変センサ401の剛性を変化させ、より式数の多い状態空間モデルを作ることができる。このように作成された状態空間モデルから、各種の同定アルゴリズムにより剛性、減衰、質量の同時推定が可能となる。   The state space model shown in the equation (33) is expressed by the state space model expressed by the equation (22) and the equation (24), and the equation (28) and the equation (30). It has the same number of unknown parameters as the state space model, but the number of expressions is doubled so that a larger number of unknowns can be determined. In this state, when the number of unknown parameters is still large and the number of equations is insufficient, the rigidity of the variable sensor 401 can be further changed to create a state space model with a larger number of equations. From the state space model created in this way, rigidity, damping, and mass can be estimated simultaneously by various identification algorithms.

次に、本実施の形態に係る振動特性推定アルゴリズムを用いた振動特性推定方法について、図4に加えて図5を参照して説明する。図5は、本発明の実施の形態2に係る振動特性推定アルゴリズムを用いた振動特性推定方法を示すフロー図である。なお、この図5においては、図4に示した被推定構造体200が推定の対象とされている。   Next, a vibration characteristic estimation method using the vibration characteristic estimation algorithm according to the present embodiment will be described with reference to FIG. 5 in addition to FIG. FIG. 5 is a flowchart showing a vibration characteristic estimation method using the vibration characteristic estimation algorithm according to the second embodiment of the present invention. In FIG. 5, the estimation target structure 200 shown in FIG. 4 is an estimation target.

まず、ST501において、可変センサ401の剛性kkとしてk1(第1値)が用いられる。ST502では、実施の形態1(図3におけるST303)と同様に、加振機106が被推定構造体200に対して加振を実施する。これにより、可変センサ401が取り付けられた被推定構造体200は、第1振動状態に移行する。ST503では、加振機106により被推定構造体200に対して与えられている信号(1f(t))、及び、センサ応答(すなわち、可変センサ401の質量mkの応答加速度、及び、可変センサ401の質量mkの質量mnに対する相対変位)が、所定の時間について収集される。すなわち、加振機入力、及び、センサ応答の時刻歴データ(第1振動状態を示す要素)が収集される。 First, in ST501, k 1 (first value) is used as the stiffness k k of the variable sensor 401. In ST502, as in the first embodiment (ST303 in FIG. 3), the shaker 106 vibrates the estimated structure 200. Thereby, the to-be-estimated structure 200 to which the variable sensor 401 is attached shifts to the first vibration state. In ST503, the signal ( 1 f (t)) given to the estimated structure 200 by the shaker 106 and the sensor response (that is, the response acceleration of the mass m k of the variable sensor 401 and the variable the relative displacement with respect to the mass m n of the mass m k of the sensor 401) are collected for a predetermined time. That is, vibrator input and sensor response time history data (elements indicating the first vibration state) are collected.

ST504では、可変センサ401の剛性kkをk1とした状態における(可変センサ401が取り付けられた)被推定構造体200の状態空間モデルが、上記式(22)及び上記式(24)に基づいて作成される。 In ST504, the state space model of the estimation target structure 200 (with the variable sensor 401 attached) in a state where the stiffness k k of the variable sensor 401 is k 1 is based on the above formula (22) and the above formula (24). Created.

ST504において作成された状態空間モデルでは、このモデルに含まれる方程式の総数が、このモデルに含まれる未知数(m,k,c)の総数より小さいため、これら未知数を決定することができない。よって、得られる状態空間モデルに含まれる方程式の数を増加させてこれら未知数を決定することができるようにするために、可変センサ401の剛性kkをk1から例えばk2に変化させた状態で、以下に示すように新たな加振実験が実行される。 In the state space model created in ST504, since the total number of equations included in this model is smaller than the total number of unknowns (m, k, c) included in this model, these unknowns cannot be determined. Therefore, in order to increase the number of equations included in the obtained state space model so that these unknowns can be determined, a state in which the stiffness k k of the variable sensor 401 is changed from k 1 to k 2 , for example. Then, a new excitation experiment is performed as shown below.

ST505では、可変センサ401の剛性kkとしてk1に代えてk2(第2値)が用いられる。ST506では、ST502と同様に、加振機106が被推定構造体200に対して加振を実施する。これにより、可変センサ401が取り付けられた被推定構造体200は、第2振動状態に移行する。ST507では、加振機106により被推定構造体200に対して与えられている信号(2f(t))、及び、センサ応答(すなわち、可変センサ401の質量mkの応答加速度、及び、可変センサ401の質量mkの質量mnに対する相対変位)が、所定の時間について収集される。すなわち、加振機入力、及び、センサ応答の時刻歴データ(第2振動状態を示す要素)が収集される。 In ST505, k 2 (second value) is used as the stiffness k k of the variable sensor 401 instead of k 1 . In ST506, as in ST502, the exciter 106 performs excitation on the estimated structure 200. Thereby, the to-be-estimated structure 200 to which the variable sensor 401 is attached shifts to the second vibration state. In ST507, the signal ( 2 f (t)) given to the estimated structure 200 by the shaker 106 and the sensor response (that is, the response acceleration of the mass m k of the variable sensor 401 and the variable the relative displacement with respect to the mass m n of the mass m k of the sensor 401) are collected for a predetermined time. That is, vibrator input and sensor response time history data (elements indicating the second vibration state) are collected.

ST508では、可変センサ401の剛性kkをk2とした状態における(可変センサ401が取り付けられた)被推定構造体200の状態空間モデルが、上記式(28)及び上記式(30)に基づいて作成される。
ST509では、ST504において作成された状態空間モデルと、ST508において作成された状態空間モデルとを結合して、上記式(33)に示したような新たな状態空間モデルが作成される。この新たな状態空間モデルでは、このモデルに含まれる方程式の総数が、ST504において作成された状態空間モデルに含まれる方程式の総数の2倍に増加されている。よって、この新たな状態空間モデルでは、このモデルに含まれる方程式の総数がこのモデルに含まれる未知数の総数以上となる。この結果、ST510では、この新たな状態空間モデルから、剛性、減衰及び質量が、各種同定アルゴリズムに従って同時に推定される。
In ST508, the state space model of the estimation target structure 200 (with the variable sensor 401 attached) in a state where the stiffness k k of the variable sensor 401 is k 2 is based on the above formula (28) and the above formula (30). Created.
In ST509, the state space model created in ST504 and the state space model created in ST508 are combined to create a new state space model as shown in the above equation (33). In this new state space model, the total number of equations included in this model is increased to twice the total number of equations included in the state space model created in ST504. Therefore, in this new state space model, the total number of equations included in this model is greater than or equal to the total number of unknowns included in this model. As a result, in ST510, stiffness, damping, and mass are simultaneously estimated from this new state space model according to various identification algorithms.

なお、上述したように、ST509において作成された新たな状態空間モデルにおいても、依然として、このモデルに含まれる方程式の総数がこのモデルに含まれる未知数の総数より小さい場合には、新たに作成される状態空間モデルにおいて、このモデルに含まれる方程式の総数がこのモデルに含まれる未知数の総数以上となるまで、上述したST506〜ST509を繰り返し実行することにより、最終的には、すべての未知数を同時に決定することができる。   As described above, even in the new state space model created in ST509, if the total number of equations included in this model is still smaller than the total number of unknowns included in this model, it is newly created. In the state space model, the above-described ST506 to ST509 are repeatedly executed until the total number of equations included in the model is equal to or greater than the total number of unknowns included in the model. can do.

次に、本実施の形態に係る振動特性推定アルゴリズムを用いた振動特性推定方法に用いることができる振動特性推定装置の一例について説明する。
本実施の形態に係る振動特性推定装置は、例えば、設定値及び測定値を入力する入力部と、入力部により入力された設定値及び測定値を記憶する記憶部と、記憶部により記憶された設定値及び測定値を用いて本実施の形態に係る振動特性推定アルゴリズムを実行することにより、被推定構造体200の振動特性を決定する処理部と、により構成される。
Next, an example of a vibration characteristic estimation apparatus that can be used in the vibration characteristic estimation method using the vibration characteristic estimation algorithm according to the present embodiment will be described.
The vibration characteristic estimation device according to the present embodiment is stored in, for example, an input unit that inputs setting values and measurement values, a storage unit that stores setting values and measurement values input by the input unit, and a storage unit. And a processing unit that determines the vibration characteristic of the structure to be estimated 200 by executing the vibration characteristic estimation algorithm according to the present embodiment using the set value and the measurement value.

このような構成を有する振動特性推定装置では、入力部が、設定値として、可変センサ401に用いられうる剛性kkを複数入力する。また、入力部は、設定値として、可変センサ401の質量mk及び減衰ckを入力する。さらには、入力部は、設定値として、被推定構造体200の自由度の数(図4の被推定構造体200の場合には、自由度n)を入力する。これらの設定値は、例えば、振動特性推定装置の操作者によりキーボードを介して入力される。このように入力部により入力された設定値は、記憶部に記憶される。 In the vibration characteristic estimation apparatus having such a configuration, the input unit inputs a plurality of stiffnesses k k that can be used for the variable sensor 401 as set values. Further, the input unit inputs the mass m k and the attenuation c k of the variable sensor 401 as set values. Further, the input unit inputs the number of degrees of freedom of the structure to be estimated 200 as the setting value (degree of freedom n in the case of the structure to be estimated 200 in FIG. 4). These set values are input through a keyboard by an operator of the vibration characteristic estimation apparatus, for example. Thus, the setting value input by the input unit is stored in the storage unit.

さらに、測定値に関しては、入力部は、加振機106に接続されており、アンプからこの加振機106に入力される信号(f(t))を加振機入力として入力する。また、入力部は、所定時間において可変センサ401により測定されるセンサ応答(すなわち、可変センサ401の質量mkの応答加速度、及び、可変センサ401の質量mkの質量mnに対する相対変位)を、センサ応答の時刻歴データとして入力する。これらの測定値もまた、記憶部により記憶される。 Furthermore, regarding the measured value, the input unit is connected to the shaker 106, and inputs a signal (f (t)) input from the amplifier to the shaker 106 as a shaker input. In addition, the input unit displays the sensor response (that is, the response acceleration of the mass m k of the variable sensor 401 and the relative displacement of the mass m k of the variable sensor 401 with respect to the mass mn ) measured by the variable sensor 401 in a predetermined time. , Input as sensor response time history data. These measured values are also stored by the storage unit.

以上のような設定値及び測定値が、記憶部に記憶された後、或いは、記憶部に記憶されることと並行して、処理部は、図5において説明したST504、ST508〜ST510における処理を、例えば記憶部に記憶されたコンピュータプログラムに従って実行することにより、すべての未知数を決定することができる。なお、この処理部は、ST509において作成された新たな状態空間モデルにおいてこのモデルに含まれる方程式の総数がこのモデルに含まれる未知数の総数以上であるか否かの判断を行うとともに、この条件が満たされるまで、ST508及びST509における処理を実行することができる。   After the setting values and measurement values as described above are stored in the storage unit or in parallel with the storage in the storage unit, the processing unit performs the processes in ST504 and ST508 to ST510 described in FIG. For example, all unknowns can be determined by executing according to a computer program stored in the storage unit. This processing unit determines whether or not the total number of equations included in this model in the new state space model created in ST509 is equal to or greater than the total number of unknowns included in this model, and this condition is satisfied. The processing in ST508 and ST509 can be executed until it is satisfied.

次に、本実施の形態に係る振動特性推定アルゴリズムを用いた振動特性推定方法に関する実験結果について説明する。
1自由度モデルの被推定構造体(すなわち図4においてnを1とした被推定構造体)に対して可変センサ401を付加した場合について実験を行った。固有周期ωは1秒であり、減衰定数hは0.02である。加振機による入力はランダム波入力である。
このような条件の元、実際に構造物に本実施の形態に係る可変センサを付加することを想定して、観測データにノイズが混入した場合について実験を行った。この実験の結果は、次の表1に示す通りである。
Next, experimental results regarding the vibration characteristic estimation method using the vibration characteristic estimation algorithm according to the present embodiment will be described.
An experiment was conducted in the case where the variable sensor 401 was added to the structure to be estimated of the one-degree-of-freedom model (that is, the structure to be estimated in which n is 1 in FIG. 4). The natural period ω is 1 second, and the attenuation constant h is 0.02. The input by the shaker is a random wave input.
Under such conditions, an experiment was conducted in the case where noise was mixed in the observation data, assuming that the variable sensor according to the present embodiment was actually added to the structure. The results of this experiment are as shown in Table 1 below.

Figure 2008151560
Figure 2008151560

なお、上記表1中の推定値の精度に対する評価基準として、次の表2に示す基準が用いられている。

Figure 2008151560
表1において、可変センサ401の相対変位(すなわちxk−x1)、及び、可変センサ401の絶対加速度が、観測量として観測された。横軸には、混入されるノイズのレベルがSN比1%、SN比5%及びSN比10%である場合の3パターンが、示されている。さらに、これら3パターンの各々について、ノイズを可変センサ401の入力データ(入力部)のみに混入した場合(表中において「入力」と表示)、ノイズを可変センサ401の応答データ(出力部)のみに混入した場合(表中において「出力」と表示)、及び、ノイズを可変センサ401の入力データ及び応答データの両方に混入した場合(表中において「入出力」と表示)における推定値の精度が示されている。 Note that the criteria shown in Table 2 below are used as evaluation criteria for the accuracy of the estimated values in Table 1 above.
Figure 2008151560
In Table 1, the relative displacement (that is, x k −x 1 ) of the variable sensor 401 and the absolute acceleration of the variable sensor 401 were observed as observed quantities. The horizontal axis shows three patterns in the case where the level of noise to be mixed is an SN ratio of 1%, an SN ratio of 5%, and an SN ratio of 10%. Furthermore, for each of these three patterns, when noise is mixed only in the input data (input unit) of the variable sensor 401 (displayed as “input” in the table), the noise is only the response data (output unit) of the variable sensor 401. Of the estimated value when it is mixed in (displayed as “output” in the table) and when noise is mixed into both the input data and response data of the variable sensor 401 (displayed as “input / output” in the table) It is shown.

縦軸には、被推定構造体の固有周期よりも短い固有周期を有する可変センサ401を用いた場合(表中において「短周期」と表示)、被推定構造体の固有周期よりも長い固有周期を有する可変センサ401を用いた場合(表中において「長周期」と表示)、及び、被推定構造体と略同一の固有周期を有する可変センサ401を用いた場合(表中において「同調」と表示)の3パターンが示されている。さらに、これら3パターンの各々について、被推定構造体に対する可変センサの質量比(mk/m1)を0.1、0.01、0.001、0.0001の4パターンにした場合における推定値の精度が示されている。 When the variable sensor 401 having a natural period shorter than the natural period of the structure to be estimated is used on the vertical axis (displayed as “short period” in the table), the natural period is longer than the natural period of the structure to be estimated. When using a variable sensor 401 having a characteristic period (indicated as “long period” in the table) and using a variable sensor 401 having substantially the same natural period as the structure to be estimated (“tuned” in the table) 3 patterns of display) are shown. Further, for each of these three patterns, the accuracy of the estimated value is shown when the mass ratio (m k / m 1 ) of the variable sensor to the estimated structure is four patterns of 0.1, 0.01, 0.001, and 0.0001. .

この表から明らかなように、まず第1に、質量比が大きい程、すなわち、可変センサ401の質量が被推定構造体の質量に近いほど、推定値の精度が高くなっている。よって、可変センサは、その質量が被推定構造体の質量に近くなるように構成することが望ましい。特に、可変センサは、その質量が被推定構造体の質量の約0.01倍以上となるように構成することが好ましく、さらに、その質量が被推定構造体の質量の約0.1倍以上となるように構成することがより好ましい。
第2に、短周期又は同調の場合、すなわち、可変センサ401の固有周期を被推定構造体の固有周期より短くした場合又は可変センサ401の固有周期を被推定構造体の固有周期と略同一とした場合には、可変センサ401の固有周期を被推定構造体の固有周期より長くした場合に比べて、推定値の精度が高くなっている。よって、可変センサ401は、その固有周期が被推定構造体の固有周期より短くなるように構成するか、又は、その固有周期が被推定構造体の固有周期と略同一となるように構成することが望ましい。
第3に、可変センサ401に混入されるノイズは、全体的に、最小限にすることが望ましい。さらに、信号に対するノイズの量が小さい場合には、そのノイズが可変センサ401に入力される入力データに混入された場合の推定値と、そのノイズが可変センサ401からの応答データに混入される場合の推定値との間において、大きな相違は見られない。ところが、信号に対するノイズの量が大きくなるにつれて、そのノイズが可変センサ401に入力される入力データに混入された場合の推定値は、そのノイズが可変センサ401からの応答データに混入される場合の推定値よりも、精度が低くなる傾向が見られる。よって、ノイズ(特に大きなノイズ)が可変センサに入力される入力データに混入されないようにすることが望ましい。
As is clear from this table, first, the greater the mass ratio, that is, the closer the mass of the variable sensor 401 is to the mass of the structure to be estimated, the higher the accuracy of the estimated value. Therefore, it is desirable to configure the variable sensor so that its mass is close to the mass of the structure to be estimated. In particular, the variable sensor is preferably configured such that its mass is about 0.01 times or more of the mass of the estimated structure, and further, its mass is about 0.1 or more of the mass of the estimated structure. More preferably, it is configured.
Second, in the case of short period or tuning, that is, when the natural period of the variable sensor 401 is shorter than the natural period of the structure to be estimated, or the natural period of the variable sensor 401 is substantially the same as the natural period of the structure to be estimated. In this case, the accuracy of the estimated value is higher than when the natural period of the variable sensor 401 is longer than the natural period of the structure to be estimated. Therefore, the variable sensor 401 is configured so that its natural period is shorter than the natural period of the structure to be estimated, or so that its natural period is substantially the same as the natural period of the structure to be estimated. Is desirable.
Third, it is desirable to minimize the noise mixed in the variable sensor 401 as a whole. Furthermore, when the amount of noise with respect to the signal is small, the estimated value when the noise is mixed in the input data input to the variable sensor 401, and the noise is mixed in the response data from the variable sensor 401 There is no significant difference between these estimates. However, as the amount of noise with respect to the signal increases, the estimated value when the noise is mixed into the input data input to the variable sensor 401 is the estimated value when the noise is mixed into the response data from the variable sensor 401. There is a tendency for the accuracy to be lower than the estimated value. Therefore, it is desirable to prevent noise (particularly large noise) from being mixed into the input data input to the variable sensor.

このように、本実施の形態に係る振動特性推定アルゴリズムによれば、まず、基準物理量(本実施の形態では「剛性」)を含む3つの物理量により表現される可変センサを被推定構造体に取り付けた上で、基準物理量を第1値に設定した可変センサが取り付けられた被推定構造体を振動させて第1振動状態にし、この第1振動状態を示す要素である、第1振動状態における被推定構造体に対する付加構造体の相対変位と第1振動状態における付加構造体の絶対加速度とを測定し、これらの要素と被推定構造体に与えられる振動を表現する関数とを用いて、第1振動状態における状態空間モデルを表現する第1方程式が生成される。この第1方程式において、3つの物理量に関する未知数の総数が、方程式の総数より大きいことに起因して、これらの未知数を決定することができない場合には、さらに、基準物理量を第2値に設定した可変センサが取り付けられた被推定構造体を振動させて第2振動状態にし、第2振動状態を示す上記要素を測定し、これらの要素と被推定構造体に与えられる振動を表現する関数とを用いて、第2振動状態における状態空間モデルを表現する第2方程式が生成される。よって、第1方程式と第2方程式とを連立した方程式において、この連立した方程式に含まれる方程式の総数を、この方程式に関係する未知数の総数以上にすることにより、これらの未知数を決定することができる。なお、依然として、方程式の総数が、この方程式に関係する未知数の総数より小さい場合には、第x−1方程式と第x方程式とを連立した方程式において、方程式の総数がこの方程式に関係する未知数以上となるまで、基準物理量を第x値に設定した可変センサが取り付けられた被推定構造体を振動させて第x振動状態にして同様な処理を実行することにより、最終的には、すべての未知数を決定することができる。このことは、上述したように、被推定構造体が1自由度系である場合に限られず、被推定構造体がn自由度系である場合にも当てはまる。以上のようにして、被推定構造体の振動特性を推定することができる。   As described above, according to the vibration characteristic estimation algorithm according to the present embodiment, first, a variable sensor represented by three physical quantities including a reference physical quantity (in this embodiment, “rigidity”) is attached to the estimated structure. In addition, the estimated structure to which the variable sensor having the reference physical quantity set to the first value is vibrated to be in the first vibration state, and the object in the first vibration state, which is an element indicating the first vibration state. The relative displacement of the additional structure with respect to the estimated structure and the absolute acceleration of the additional structure in the first vibration state are measured, and using these elements and the function expressing the vibration applied to the estimated structure, the first A first equation representing a state space model in the vibration state is generated. In the first equation, if the unknowns cannot be determined due to the total number of unknowns regarding the three physical quantities being larger than the total number of equations, the reference physical quantity is further set to the second value. The estimated structure to which the variable sensor is attached is vibrated to the second vibration state, the above-described elements indicating the second vibration state are measured, and these elements and a function expressing the vibration applied to the estimated structure are The second equation representing the state space model in the second vibration state is generated. Therefore, in the equation in which the first equation and the second equation are coupled, it is possible to determine these unknowns by making the total number of equations included in the coupled equations equal to or greater than the total number of unknowns related to the equation. it can. If the total number of equations is still smaller than the total number of unknowns related to this equation, the total number of equations in the equation that combines the x-1 equation and the xth equation is greater than or equal to the unknowns related to this equation. Until the estimated physical body to which the variable sensor having the reference physical quantity set to the x-th value is attached is vibrated to the x-th vibration state and finally the same processing is performed, so that all unknowns are finally obtained. Can be determined. As described above, this is not limited to the case where the structure to be estimated is a one-degree-of-freedom system, and also applies to the case where the structure to be estimated is an n-degree-of-freedom system. As described above, the vibration characteristics of the structure to be estimated can be estimated.

本発明によれば、例えば被推定構造体に含まれる単位構造体の各々に対して専用のセンサを取り付けることなく、単に、各振動状態における付加構造体に対する被推定構造体の相対変位及び前記付加構造体の絶対加速度を測定するのみにより、コストを抑えつつ被推定構造体の振動特性を正確に推定することができる。   According to the present invention, for example, without attaching a dedicated sensor to each of the unit structures included in the estimated structure, the relative displacement of the estimated structure with respect to the additional structure in each vibration state and the addition By only measuring the absolute acceleration of the structure, it is possible to accurately estimate the vibration characteristics of the structure to be estimated while reducing costs.

次に、本発明と特開2005−249687号公報に記載された技術(以下「従来技術」という。)との主な相違点について説明する。   Next, main differences between the present invention and the technique described in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2005-249687 (hereinafter referred to as “conventional technique”) will be described.

まず第1に、従来技術では、次の式(A)に示す基礎式に基づいて未知パラメータが同定される。

Figure 2008151560
一方、本発明では、このような基礎式は必要とされず、図3(実施の形態1)又は図5(実施の形態2)を示して説明したアルゴリズムを用いて、未知パラメターが同定される。すなわち、対象建築物の振動特性を推定するために、本発明と従来技術との間において、全く異なるアルゴリズムが用いられる。 First, in the prior art, unknown parameters are identified based on the basic equation shown in the following equation (A).
Figure 2008151560
On the other hand, in the present invention, such a basic equation is not required, and an unknown parameter is identified using the algorithm described with reference to FIG. 3 (Embodiment 1) or FIG. 5 (Embodiment 2). . That is, a completely different algorithm is used between the present invention and the prior art in order to estimate the vibration characteristics of the target building.

第2に、従来技術では、未知パラメターの推定に必要となる振動特性すなわち固有振動数を測定するために、対象建築物に対して複数の変位センサ及び角度センサ(図1における変位センサ4及び角度センサ5、図6における変位センサ4)を取り付けることが必要とされる。具体的には、例えば、対象建築物が図2に示したような被推定構造体200である場合には、この被推定構造体200を構成するn個の単位構造体の各々に対して、専用の変位センサ及び角度センサをそれぞれ取り付ける必要がある。この結果、この従来技術を用いる場合には、未知パラメターを簡単かつ効率的に推定することは困難である。この問題は、対象建築物の構造が複雑になるほど(上記例では、被推定構造体200を構成する単位構造体の数nが大きくなるほど)、顕著となる。
一方、本発明の実施の形態2では、未知パラメターを推定するために必要とされるセンサ応答、すなわち、対象建築物における任意の場所に取り付けられた1つの可変センサの該対象建築物に対する相対変位、及び、可変センサの絶対加速度は、この可変センサのみに設けられたセンサにより測定することができる。よって、実施の形態2では、従来技術のような複数のセンサを取り付ける必要はない。これは、対象建築物の構造が複雑になっても当てはまることである。
他方、本発明の実施の形態1では、未知パラメターを推定するために必要とされる固有円振動数及び減衰定数は、加振機に対する入力と、上記相対変位及び絶対加速度のうちの少なくとも一方とを測定することにより決定される。よって、実施の形態1においても、従来技術のような複数のセンサを取り付ける必要がない。これは、対象建築物の構造が複雑になっても当てはまることである。
以上のように、本発明によれば、対象建築物の構造とは無関係に未知パラメターを簡単かつ効率的に推定することができる。
Secondly, in the prior art, a plurality of displacement sensors and angle sensors (displacement sensors 4 and angles in FIG. 1) are measured with respect to the target building in order to measure vibration characteristics necessary for estimation of unknown parameters, that is, natural frequencies. It is necessary to attach the sensor 5, the displacement sensor 4) in FIG. Specifically, for example, when the target building is the estimated structure 200 as shown in FIG. 2, for each of the n unit structures constituting the estimated structure 200, It is necessary to attach a dedicated displacement sensor and angle sensor, respectively. As a result, when this prior art is used, it is difficult to estimate the unknown parameter easily and efficiently. This problem becomes more prominent as the structure of the target building becomes more complex (in the above example, the greater the number n of unit structures constituting the estimated structure 200).
On the other hand, in Embodiment 2 of the present invention, the sensor response required for estimating the unknown parameter, that is, the relative displacement of one variable sensor attached to an arbitrary location in the target building with respect to the target building. The absolute acceleration of the variable sensor can be measured by a sensor provided only in the variable sensor. Therefore, in Embodiment 2, it is not necessary to attach a plurality of sensors as in the prior art. This is true even if the structure of the target building becomes complex.
On the other hand, in Embodiment 1 of the present invention, the natural circular frequency and the damping constant required for estimating the unknown parameter are the input to the shaker and at least one of the relative displacement and the absolute acceleration. It is determined by measuring. Therefore, also in Embodiment 1, it is not necessary to attach a plurality of sensors as in the prior art. This is true even if the structure of the target building becomes complex.
As described above, according to the present invention, unknown parameters can be estimated easily and efficiently regardless of the structure of the target building.

第3に、従来技術では、対象建築物に対する加振として定常加振を用いること、すなわち、対象建築物に対して与えられる加振波として正弦波を用いること)が前提とされている。一方、本発明では、対象建築物に対する加振について限定はなく、対象建築物に対して任意の加振波を用いることができる。   Thirdly, in the prior art, it is assumed that steady excitation is used as the excitation for the target building, that is, a sine wave is used as the excitation wave given to the target building. On the other hand, in this invention, there is no limitation about the excitation with respect to an object building, Arbitrary excitation waves can be used with respect to an object building.

第4に、従来技術の図6に示される手法では、粘性係数を変化させることができる可変粘性デバイス(図6において符号「21」が付されている)が必要とされる。この粘性デバイスは、図6に示されるように、対象建築物2と固定部との間に位置するように、この対象建築物2の端部に設置される。よって、このような手法を用いて未知パラメターを同定するためには、対象建築物2と固定部との間に適切なスペックを有する可変粘性デバイスを予め組み込んでおくか、又は、このような可変粘性デバイスを設置する工事を実施する必要がある。この結果、従来技術のこの手法を用いる場合には、簡単かつ効率的に未知パラメターを同定することは困難となる。
一方、本発明では、一例として剛性を可変とする付加構造体102(1自由度系)を対象建築物における任意の位置に取り付けることが必要とされるのみである。さらに、上記表1に示した実験結果から明らかなように、ノイズがなければ、この付加構造体102のサイズを非常に小さくした場合(例えば、対象建築物の1万分の1程度:表1における質量比「0.0001」)でも、十分に精度の高い同定が可能である。さらには、たとえノイズが混入した場合でも、適切な付加構造体102(例えば、表1における質量比「0.001〜0.01」以上、適切な固有周期)を採用すれば、十分な精度により同定することが可能である。
以上のように、本発明によれば、従来技術に比べて遥かに簡単かつ効率的に、未知パラメターを推定することができる。
Fourth, the technique shown in FIG. 6 of the prior art requires a variable viscosity device (labeled “21” in FIG. 6) that can change the viscosity coefficient. As shown in FIG. 6, the viscous device is installed at the end of the target building 2 so as to be positioned between the target building 2 and the fixed portion. Therefore, in order to identify an unknown parameter using such a method, a variable viscosity device having an appropriate specification is incorporated in advance between the target building 2 and the fixed part, or such a variable Work to install a viscous device is required. As a result, when using this technique of the prior art, it is difficult to identify unknown parameters simply and efficiently.
On the other hand, in the present invention, it is only necessary to attach the additional structure 102 (one-degree-of-freedom system) having variable rigidity as an example to an arbitrary position in the target building. Further, as is apparent from the experimental results shown in Table 1, when there is no noise, the size of the additional structure 102 is very small (for example, about 1 / 10,000 of the target building: in Table 1). Even with a mass ratio of “0.0001”), sufficiently accurate identification is possible. Furthermore, even when noise is mixed, if an appropriate additional structure 102 (for example, a mass ratio “0.001 to 0.01” or more in Table 1 or an appropriate natural period) is employed, sufficient accuracy can be obtained. It is possible to identify.
As described above, according to the present invention, unknown parameters can be estimated much more easily and efficiently than in the prior art.

本発明の実施の形態1に係る振動特性推定アルゴリズムにより振動特性が推定される被推定構造体(1自由度系)を概念的に示す模式図。The schematic diagram which shows notionally the to-be-estimated structure (1 degree-of-freedom system) by which a vibration characteristic is estimated by the vibration characteristic estimation algorithm which concerns on Embodiment 1 of this invention. 本発明の実施の形態1に係る振動特性推定アルゴリズムにより振動特性が推定される被推定構造体(n自由度系)を概念的に示す模式図。The schematic diagram which shows notionally the to-be-estimated structure (n-degree-of-freedom system) by which a vibration characteristic is estimated by the vibration characteristic estimation algorithm which concerns on Embodiment 1 of this invention. 本発明の実施の形態1に係る振動特性推定アルゴリズムを用いた振動特性推定方法を示すフロー図。The flowchart which shows the vibration characteristic estimation method using the vibration characteristic estimation algorithm which concerns on Embodiment 1 of this invention. 本発明の実施の形態2に係る振動特性推定アルゴリズムにより振動特性が推定される被推定構造体を概念的に示す模式図。The schematic diagram which shows notionally the to-be-estimated structure in which a vibration characteristic is estimated with the vibration characteristic estimation algorithm which concerns on Embodiment 2 of this invention. 本発明の実施の形態2に係る振動特性推定アルゴリズムを用いた振動特性推定方法を示すフロー図。The flowchart which shows the vibration characteristic estimation method using the vibration characteristic estimation algorithm which concerns on Embodiment 2 of this invention.

符号の説明Explanation of symbols

101、201−1〜201−n 単位構造体
102、401 可変センサ(付加構造体、可変構造体)
106 加振機
101, 201-1 to 201-n Unit structure 102, 401 Variable sensor (additional structure, variable structure)
106 Exciter

Claims (18)

複数の物理量により表現される少なくとも1つの単位構造体を含んだ被推定構造体の振動特性を推定する振動特性推定方法であって、
第1値に設定した基準物理量を含む複数の物理量により表現される付加構造体が取り付けられた前記被推定構造体を振動させて第1振動状態にし、該第1振動状態を示す要素を測定する第1測定段階と、
前記基準物理量を第2値に設定した付加構造体が取り付けられた前記被推定構造体を振動させて第2振動状態にし、該第2振動状態を示す要素を測定する第2測定段階と、
前記第1振動状態を示す要素により生成される第1方程式と前記第2振動状態を示す要素により生成される第2方程式とを用いて、前記付加構造体が取り付けられた前記被推定構造体の運動を前記複数の物理量により表現した運動方程式を解くことにより、前記少なくとも1つの単位構造体を表現する前記複数の物理量を決定する決定段階と、
を含むことを特徴とする振動特性推定方法。
A vibration characteristic estimation method for estimating a vibration characteristic of a structure to be estimated including at least one unit structure represented by a plurality of physical quantities,
The estimated structure to which the additional structure represented by a plurality of physical quantities including the reference physical quantity set to the first value is attached is vibrated to a first vibration state, and an element indicating the first vibration state is measured. A first measurement stage;
A second measurement step of vibrating the estimated structure to which the additional structure having the reference physical quantity set to a second value is attached to a second vibration state and measuring an element indicating the second vibration state;
Using the first equation generated by the element indicating the first vibration state and the second equation generated by the element indicating the second vibration state, the estimated structure to which the additional structure is attached is used. Determining a plurality of physical quantities representing the at least one unit structure by solving a motion equation expressing motion by the plurality of physical quantities;
A vibration characteristic estimation method comprising:
生成される前記第1方程式から第n方程式までの方程式の総数が前記運動方程式に含まれる未知の物理量の総数以上となるまで、前記基準物理量を第n値に設定した付加構造体が取り付けられた前記被推定構造体を振動させて第n振動状態にし、該第n振動状態を示す要素を測定する第n測定段階、
をさらに含むことを特徴とする請求項1に記載の振動特性推定方法。
The additional structure in which the reference physical quantity is set to the n-th value is attached until the total number of the generated equations from the first equation to the n-th equation is equal to or greater than the total number of unknown physical quantities included in the equation of motion. An n-th measurement step of vibrating the estimated structure to an n-th vibration state and measuring an element indicating the n-th vibration state;
The vibration characteristic estimation method according to claim 1, further comprising:
前記第1測定段階が、前記第1振動状態を示す要素として、該第1振動状態における固有円振動数及び減衰定数を測定する段階を含み、
前記第2測定段階が、前記第2振動状態を示す要素として、該第2振動状態における固有円振動数及び減衰定数を測定する段階を含み、
前記決定段階が、
前記運動方程式に対応する固有値の特性方程式に対して前記第1振動状態における固有円振動数及び減衰定数を用いて算出される固有値を代入することにより、前記第1方程式を生成する段階と、
前記固有値の特性方程式に対して前記第2振動状態における固有円振動数及び減衰定数を用いて算出される固有値を代入することにより、前記第2方程式を生成する段階と、
前記第1方程式と前記第2方程式とを用いて、前記固有値の特性方程式を解くことにより、前記複数の物理量を決定する段階と、を含む、
ことを特徴とする請求項1又は請求項2に記載の振動特性推定方法。
The first measuring step includes a step of measuring a natural circular frequency and a damping constant in the first vibration state as an element indicating the first vibration state;
The second measuring step includes measuring a natural circular frequency and a damping constant in the second vibration state as an element indicating the second vibration state;
The determining step comprises:
Generating the first equation by substituting the eigenvalue calculated using the natural circular frequency and the damping constant in the first vibration state for the characteristic equation of the eigenvalue corresponding to the equation of motion;
Generating the second equation by substituting the eigenvalue calculated using the natural circular frequency and damping constant in the second vibration state for the characteristic equation of the eigenvalue;
Determining the plurality of physical quantities by solving a characteristic equation of the eigenvalue using the first equation and the second equation,
The vibration characteristic estimation method according to claim 1, wherein the vibration characteristic is estimated.
前記第1測定段階が、前記第1振動状態を示す要素として、該第1振動状態における前記付加構造体に対する前記被推定構造体の相対変位と、該第1振動状態における前記付加構造体の絶対加速度と、を測定する段階を含み、
前記第2測定段階が、前記第2振動状態を示す要素として、該第2振動状態における前記付加構造体に対する前記被推定構造体の相対変位と、該第2振動状態における前記付加構造体の絶対加速度と、を測定する段階を含み、
前記決定段階が、
前記第1振動状態における前記相対変位と前記絶対加速度と該第1振動状態における前記被推定構造体に与えられる振動を表現する関数とを用いて、前記第1振動状態における状態空間モデルを表現する前記第1方程式を生成する段階と、
前記第2振動状態における前記相対変位と前記絶対加速度と該第2振動状態における前記被推定構造体に与えられる振動を表現する関数とを用いて、前記第2振動状態における状態空間モデルを表現する前記第2方程式を生成する段階と、を含む、
ことを特徴とする請求項1又は請求項2に記載の振動特性推定方法。
In the first measurement step, as an element indicating the first vibration state, a relative displacement of the estimated structure relative to the additional structure in the first vibration state and an absolute of the additional structure in the first vibration state Measuring acceleration, and
In the second measurement step, as an element indicating the second vibration state, a relative displacement of the estimated structure with respect to the additional structure in the second vibration state and an absolute of the additional structure in the second vibration state Measuring acceleration, and
The determining step comprises:
A state space model in the first vibration state is expressed using the relative displacement, the absolute acceleration in the first vibration state, and a function expressing the vibration given to the estimated structure in the first vibration state. Generating the first equation;
A state space model in the second vibration state is expressed using the relative displacement, the absolute acceleration in the second vibration state, and a function expressing the vibration given to the estimated structure in the second vibration state. Generating the second equation.
The vibration characteristic estimation method according to claim 1, wherein the vibration characteristic is estimated.
前記付加構造体は、
前記基準物理量を前記第1値及び前記第2値を含む複数の値に変化させることができるように構成され、
前記第1測定段階では、前記第1値に設定され、前記第2測定段階では、前記第2値に設定されるように、構成される、ことを特徴とする請求項1から請求項4のいずれかに記載の振動特性推定方法。
The additional structure is
The reference physical quantity can be changed to a plurality of values including the first value and the second value,
5. The device according to claim 1, wherein the first value is set to the first value and the second value is set to the second value in the second measurement step. 6. The vibration characteristic estimation method according to any one of the above.
前記付加構造体は、
前記基準物理量が前記第1値である第1付加構造体、及び、前記基準物理量が前記第2値である第2付加構造体を含み、
前記第1測定段階では、前記第1付加構造体が前記被推定構造体に取り付けられ、
前記第2測定段階では、前記第2付加構造体が前記被推定構造体に取り付けられる、ことを特徴とする請求項1から請求項4のいずれかに記載の振動特性推定方法。
The additional structure is
A first additional structure in which the reference physical quantity is the first value; and a second additional structure in which the reference physical quantity is the second value;
In the first measurement stage, the first additional structure is attached to the estimated structure,
5. The vibration characteristic estimation method according to claim 1, wherein in the second measurement stage, the second additional structure is attached to the estimated structure. 6.
前記基準物理量が剛性である、ことを特徴とする請求項1から請求項6のいずれかに記載の振動特性推定方法。   The vibration characteristic estimation method according to claim 1, wherein the reference physical quantity is rigidity. 前記複数の物理量が質量、剛性及び減衰を含む、ことを特徴とする請求項1から請求項7のいずれかに記載の振動特性推定方法。   The vibration characteristic estimation method according to claim 1, wherein the plurality of physical quantities include mass, rigidity, and damping. 前記付加構造体は、その質量が前記被推定構造体の質量の略0.01倍以上となるように構成される、ことを特徴とする請求項1から請求項8のいずれかに記載の振動特性推定方法。   The vibration according to any one of claims 1 to 8, wherein the additional structure is configured so that a mass thereof is approximately 0.01 times or more of a mass of the estimated structure. Characteristic estimation method. 前記付加構造体は、その質量が前記被推定構造体の質量の略0.1倍以上となるように構成される、ことを特徴とする請求項9に記載の振動特性推定方法。   The vibration characteristic estimation method according to claim 9, wherein the additional structure is configured so that a mass thereof is approximately 0.1 times or more of a mass of the estimated structure. 前記付加構造体は、その固有周期が前記被推定構造体の固有周期より短くなるように構成される、ことを特徴とする請求項1から請求項10のいずれかに記載の振動特性推定方法。   The vibration characteristic estimation method according to any one of claims 1 to 10, wherein the additional structure is configured such that a natural period thereof is shorter than a natural period of the structure to be estimated. 前記付加構造体は、その固有周期が前記被推定構造体の固有周期と略同一となるように構成される、ことを特徴とする請求項1から請求項10のいずれかに記載の振動特性推定方法。   The vibration characteristic estimation according to any one of claims 1 to 10, wherein the additional structure is configured such that a natural period thereof is substantially the same as a natural period of the structure to be estimated. Method. 複数の物理量により表現される少なくとも1つの単位構造体を含んだ被推定構造体の振動特性を推定する振動特性推定装置であって、
第1値に設定した基準物理量を含む複数の物理量により表現される付加構造体が取り付けられた前記被推定構造体の第1振動状態を示す要素、及び、前記基準物理量を第2値に設定した付加構造体が取り付けられた前記被推定構造体の第2振動状態を示す要素を入力する入力手段と、
前記第1振動状態を示す要素により生成される第1方程式と前記第2振動状態を示す要素により生成される第2方程式とを用いて、前記付加構造体が取り付けられた前記被推定構造体の運動を前記複数の物理量により表現した運動方程式を解くことにより、前記少なくとも1つの単位構造体を表現する前記複数の物理量を決定する処理手段と、
を具備することを特徴とする振動特性推定装置。
A vibration characteristic estimation device that estimates vibration characteristics of an estimated structure including at least one unit structure represented by a plurality of physical quantities,
The element indicating the first vibration state of the estimated structure to which the additional structure represented by a plurality of physical quantities including the reference physical quantity set to the first value is attached, and the reference physical quantity set to the second value Input means for inputting an element indicating a second vibration state of the estimated structure to which the additional structure is attached;
Using the first equation generated by the element indicating the first vibration state and the second equation generated by the element indicating the second vibration state, the estimated structure to which the additional structure is attached is used. Processing means for determining the plurality of physical quantities representing the at least one unit structure by solving a motion equation representing motion by the plurality of physical quantities;
The vibration characteristic estimation apparatus characterized by comprising.
前記入力手段が、
前記第1振動状態を示す要素として、該第1振動状態における固有円振動数及び減衰定数を入力し、
前記第2振動状態を示す要素として、該第2振動状態における固有円振動数及び減衰定数を入力し、
前記処理手段が、
前記運動方程式に対応する固有値の特性方程式に対して前記第1振動状態における固有円振動数及び減衰定数を用いて算出される固有値を代入することにより、前記第1方程式を生成し、前記固有値の特性方程式に対して前記第2振動状態における固有円振動数及び減衰定数を用いて算出される固有値を代入することにより、前記第2方程式を生成し、
前記第1方程式と前記第2方程式とを用いて、前記固有値の特性方程式を解くことにより、前記複数の物理量を決定する、
ことを特徴とする請求項13に記載の振動特性推定装置。
The input means is
As an element indicating the first vibration state, a natural circular frequency and a damping constant in the first vibration state are input,
As an element indicating the second vibration state, a natural circular frequency and a damping constant in the second vibration state are input,
The processing means is
By substituting eigenvalues calculated using the natural circular frequency and damping constant in the first vibration state into the characteristic equation of the eigenvalue corresponding to the equation of motion, the first equation is generated, By substituting the characteristic value calculated using the natural circular frequency and damping constant in the second vibration state for the characteristic equation, the second equation is generated,
The plurality of physical quantities are determined by solving a characteristic equation of the eigenvalue using the first equation and the second equation.
The vibration characteristic estimation apparatus according to claim 13.
前記入力手段が、
前記第1振動状態を示す要素として、該第1振動状態における前記付加構造体に対する前記被推定構造体の相対変位と、該第1振動状態における前記付加構造体の絶対加速度と、該第1振動状態における前記被推定構造体に与えられる振動を表現する関数とを入力し、
前記第2振動状態を示す要素として、該第2振動状態における前記付加構造体に対する前記被推定構造体の相対変位と、該第2振動状態における前記付加構造体の絶対加速度と、該第2振動状態における前記被推定構造体に与えられる振動を表現する関数とを入力し、
前記処理手段が、
前記第1振動状態における前記相対変位と前記絶対加速度と前記関数とを用いて、前記第1振動状態における状態空間モデルを表現する前記第1方程式を生成し、
前記第2振動状態における前記相対変位と前記絶対加速度と前記関数とを用いて、前記第2振動状態における状態空間モデルを表現する前記第2方程式を生成し、
生成された前記第1方程式及び前記第2方程式を用いて前記複数の物理量を決定する、
ことを特徴とする請求項13に記載の振動特性推定装置。
The input means is
As elements indicating the first vibration state, relative displacement of the estimated structure with respect to the additional structure in the first vibration state, absolute acceleration of the additional structure in the first vibration state, and the first vibration A function that expresses vibration given to the estimated structure in a state,
As elements indicating the second vibration state, relative displacement of the estimated structure with respect to the additional structure in the second vibration state, absolute acceleration of the additional structure in the second vibration state, and the second vibration A function that expresses vibration given to the estimated structure in a state,
The processing means is
Using the relative displacement, the absolute acceleration, and the function in the first vibration state, the first equation expressing a state space model in the first vibration state is generated,
Using the relative displacement, the absolute acceleration, and the function in the second vibration state, the second equation expressing a state space model in the second vibration state is generated,
Determining the plurality of physical quantities using the generated first equation and the second equation;
The vibration characteristic estimation apparatus according to claim 13.
複数の物理量により表現される少なくとも1つの単位構造体を含んだ被推定構造体の振動特性を推定する振動特性推定装置に組み込むことが可能なコンピュータプログラムであって、
第1値に設定した基準物理量を含む複数の物理量により表現される付加構造体が取り付けられた前記被推定構造体の第1振動状態を示す要素、及び、前記基準物理量を第2値に設定した付加構造体が取り付けられた前記被推定構造体の第2振動状態を示す要素を入力し、
前記第1振動状態を示す要素により生成される第1方程式と前記第2振動状態を示す要素により生成される第2方程式とを用いて、前記付加構造体が取り付けられた前記被推定構造体の運動を前記複数の物理量により表現した運動方程式を解くことにより、前記少なくとも1つの単位構造体を表現する前記複数の物理量を決定するように、
前記振動特性推定装置を動作させる、ことを特徴とするコンピュータプログラム。
A computer program that can be incorporated into a vibration characteristic estimation device that estimates vibration characteristics of an estimated structure including at least one unit structure represented by a plurality of physical quantities,
The element indicating the first vibration state of the estimated structure to which the additional structure represented by a plurality of physical quantities including the reference physical quantity set to the first value is attached, and the reference physical quantity set to the second value Input an element indicating the second vibration state of the estimated structure to which the additional structure is attached,
Using the first equation generated by the element indicating the first vibration state and the second equation generated by the element indicating the second vibration state, the estimated structure to which the additional structure is attached is used. In order to determine the plurality of physical quantities representing the at least one unit structure by solving a motion equation representing motion by the plurality of physical quantities,
A computer program for operating the vibration characteristic estimation apparatus.
前記第1振動状態を示す要素として、該第1振動状態における固有円振動数及び減衰定数を入力し、
前記第2振動状態を示す要素として、該第2振動状態における固有円振動数及び減衰定数を入力し、
前記運動方程式に対応する固有値の特性方程式に対して前記第1振動状態における固有円振動数及び減衰定数を用いて算出される固有値を代入することにより、前記第1方程式を生成し、前記固有値の特性方程式に対して前記第2振動状態における固有円振動数及び減衰定数を用いて算出される固有値を代入することにより、前記第2方程式を生成し、
前記第1方程式と前記第2方程式とを用いて、前記固有値の特性方程式を解くことにより、前記複数の物理量を決定するように、
前記振動特性推定装置を動作させる、ことを特徴とする請求項16に記載のコンピュータプログラム。
As an element indicating the first vibration state, a natural circular frequency and a damping constant in the first vibration state are input,
As an element indicating the second vibration state, a natural circular frequency and a damping constant in the second vibration state are input,
By substituting eigenvalues calculated using the natural circular frequency and damping constant in the first vibration state into the characteristic equation of the eigenvalue corresponding to the equation of motion, the first equation is generated, By substituting the characteristic value calculated using the natural circular frequency and damping constant in the second vibration state for the characteristic equation, the second equation is generated,
By using the first equation and the second equation to solve the characteristic equation of the eigenvalue, the plurality of physical quantities are determined.
The computer program according to claim 16, wherein the vibration characteristic estimation device is operated.
前記第1振動状態を示す要素として、該第1振動状態における前記付加構造体に対する前記被推定構造体の相対変位と、該第1振動状態における前記付加構造体の絶対加速度と、該第1振動状態における前記被推定構造体に与えられる振動を表現する関数とを入力し、
前記第2振動状態を示す要素として、該第2振動状態における前記付加構造体に対する前記被推定構造体の相対変位と、該第2振動状態における前記付加構造体の絶対加速度と、該第2振動状態における前記被推定構造体に与えられる振動を表現する関数とを入力し、
前記第1振動状態における前記相対変位と前記絶対加速度と前記関数とを用いて、前記第1振動状態における状態空間モデルを表現する前記第1方程式を生成し、
前記第2振動状態における前記相対変位と前記絶対加速度と前記関数とを用いて、前記第2振動状態における状態空間モデルを表現する前記第2方程式を生成し、
生成された前記第1方程式及び前記第2方程式を用いて前記複数の物理量を決定するように、
前記振動特性推定装置を動作させる、ことを特徴とする請求項16に記載のコンピュータプログラム。
As elements indicating the first vibration state, relative displacement of the estimated structure with respect to the additional structure in the first vibration state, absolute acceleration of the additional structure in the first vibration state, and the first vibration A function that expresses vibration given to the estimated structure in a state,
As elements indicating the second vibration state, relative displacement of the estimated structure with respect to the additional structure in the second vibration state, absolute acceleration of the additional structure in the second vibration state, and the second vibration A function that expresses vibration given to the estimated structure in a state,
Using the relative displacement, the absolute acceleration, and the function in the first vibration state, the first equation expressing a state space model in the first vibration state is generated,
Using the relative displacement, the absolute acceleration, and the function in the second vibration state, the second equation expressing a state space model in the second vibration state is generated,
In order to determine the plurality of physical quantities using the generated first equation and the second equation,
The computer program according to claim 16, wherein the vibration characteristic estimation device is operated.
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