JP2008257348A - Method for designing controller for vibration reduction device, controller for vibration reduction device, and vibration reduction device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、振動源により発生する振動を低減する装置に備えられ、複数の周波数帯域の振動の低減をそれぞれ対応して制御する、複数のコントローラの設計方法、振動低減装置のコントローラ及び振動低減装置に関する。 The present invention is provided in a device for reducing vibrations generated by a vibration source, and controls a plurality of controller design methods, a controller for vibration reduction devices, and a vibration reduction device for controlling the reduction of vibrations in a plurality of frequency bands, respectively. About.
優れた制御性能およびロバスト安定性能を達成させる制御法として、制御性能をH2ノルム、ロバスト安定性をH∞ノルムで評価する混合H2/H∞制御法がある。 As a control method for achieving excellent control performance and robust stability performance, there is a mixed H 2 / H ∞ control method in which the control performance is evaluated by H 2 norm and the robust stability is evaluated by H ∞ norm.
図35は、制御問題を表すブロック線図である。なお、図35において、P(s)は制御対象、yは観測出力、uは制御入力である。外乱wから周波数重み付き制御応答Z2までの伝達関数行列をTZ2w(s)、外乱wから周波数重み付き制御入力Z1までの伝達関数行列をTZ1w(s)とすると、混合H2/H∞制御問題は次式(1)、(2)のようになる。 FIG. 35 is a block diagram showing a control problem. In FIG. 35, P (s) is a controlled object, y is an observation output, and u is a control input. If the transfer function matrix from the disturbance w to the frequency weighted control response Z 2 is T Z2w (s), and the transfer function matrix from the disturbance w to the frequency weighted control input Z 1 is T Z1w (s), then the mixed H 2 / The H∞ control problem is expressed by the following equations (1) and (2).
騒音制御を行う方法として、フィードフォワード制御を基本とした能動的騒音制御手法がある。この方法は、騒音に関する参照信号とスピーカーで騒音を打ち消すべき計測点における誤差信号から騒音特性を学習により獲得し、スピーカーから騒音と逆位相の音を出力することにより騒音を相殺する制御法である。このような制御手法により、低周波から高周波にわたる広い周波数帯域で音響制御を行う場合、技術的な困難さが存在する。それは、広い周波数帯域でのモデル化は精度が低下することに加え次数が大きくなるため、制御回路における演算負荷の面から高周波数領域における制御は困難になる。これを解決する方法として、上記の能動的騒音制御手法において、低周波数帯域と高周波数帯域に分けて騒音特性の学習および制御回路を構成する方法がある。フィルターにより両制御回路の干渉を防ぐことにより、低周波数帯域と高周波数帯域の騒音制御を可能にしている(特許文献1参照)。 As a method of performing noise control, there is an active noise control method based on feedforward control. This method is a control method in which noise characteristics are acquired by learning from a reference signal related to noise and an error signal at a measurement point where noise should be canceled by the speaker, and the noise is canceled by outputting a sound having a phase opposite to that of the noise from the speaker. . There are technical difficulties in performing acoustic control in such a control method in a wide frequency band from low frequency to high frequency. This is because modeling in a wide frequency band is not only less accurate, but also has a higher order, so that control in the high frequency region becomes difficult in terms of computational load in the control circuit. As a method for solving this problem, there is a method of configuring a noise characteristic learning and control circuit in a low frequency band and a high frequency band in the above active noise control technique. By preventing interference between the two control circuits with a filter, noise control in a low frequency band and a high frequency band is enabled (see Patent Document 1).
上述した低周波数帯域と高周波数帯域に分けて騒音特性の学習および制御回路を構成する方法を用いる場合、フィードフォワード制御を基本としているため、騒音特性を学習により獲得した際のモデル誤差に対するロバスト安定性を考慮した設計はできない。さらに、騒音制御以外の制御、例えば一般的な振動制御に関してはロバスト安定性を考慮したフィードバック制御が主流であり、上述のフィードフォワード制御に基づく能動的騒音制御手法では騒音抑制や速応性などに関する制御性能およびロバスト安定性の両面で仕様を満足できないことが起こり得る。 When the noise characteristics learning and control circuit configuration method is configured separately for the low frequency band and high frequency band described above, since it is based on feedforward control, robust stability against model errors when the noise characteristics are acquired by learning It is not possible to design in consideration of safety. In addition, control other than noise control, for example, general vibration control, is mainly feedback control that considers robust stability, and the active noise control method based on the above-mentioned feedforward control controls noise suppression and speed response. It can happen that the specifications cannot be met in terms of both performance and robust stability.
本発明は、上記のような課題に鑑みなされたものであり、その目的は、騒音抑制や速応性などに関する制御性能およびロバスト安定性の両面を考慮して複数の周波数帯域の振動の低減をそれぞれ対応して制御する、複数のコントローラの設計方法、振動低減装置のコントローラ及び振動低減装置を提供することにある。 The present invention has been made in view of the above problems, and its purpose is to reduce vibrations in a plurality of frequency bands in consideration of both control performance related to noise suppression and rapid response and robust stability. It is an object of the present invention to provide a design method for a plurality of controllers, a controller for a vibration reduction device, and a vibration reduction device that perform corresponding control.
上記目的達成のため、本発明の振動低減装置のコントローラの設計方法では、振動源により発生する振動を低減する装置に備えられ、複数の周波数帯域の振動の低減をそれぞれ対応して制御する、複数のコントローラの設計方法であって、前記複数のコントローラのうち1つのコントローラについて、前記1つのコントローラを除く他の1以上のコントローラでフィードバックした状態で前記1つのコントローラの制御対象からモデル誤差を求め、当該モデル誤差を用いてロバスト安定性を満たす重み関数を求めて前記1つのコントローラを設計することを特徴としている。これにより、周波数帯域を分割して各帯域のモデルを低次元で同定することができ、モデル化のための計算時間の短縮およびモデル化精度の向上を達成することができる。そして、各帯域用のコントローラは、それぞれの帯域に対応した低次元モデルから設計されるため、制御系設計の高効率化を図ることができると同時に設計されるコントローラも低次元で構成することができる。
In order to achieve the above object, in the controller design method of the vibration reduction apparatus of the present invention, a plurality of vibration reduction devices provided in an apparatus for reducing vibrations generated by a vibration source and controlling vibration reduction in a plurality of frequency bands respectively. The controller design method of
また、振動源により発生する振動を低減する装置に備えられ、複数の周波数帯域の振動の低減をそれぞれ対応して制御する、複数のコントローラの設計方法であって、前記複数のコントローラのうち1つのコントローラについて、前記1つのコントローラを除く他の全てのコントローラでフィードバックした状態で前記1つのコントローラの制御対象からモデル誤差を求め、当該モデル誤差を用いてロバスト安定性を満たす重み関数を求めて前記1つのコントローラを設計することを特徴としている。これにより、2つ以上のコントローラでも、他の全てのコントローラの影響を誤差として考慮した協調設計をすることで、大きな制御効果を得ることができ、さらに、確実に制御系を安定させることができる。 A method for designing a plurality of controllers, which is provided in an apparatus for reducing vibrations generated by a vibration source and controls correspondingly the reduction of vibrations in a plurality of frequency bands, and includes one of the plurality of controllers. With respect to the controller, a model error is obtained from the control target of the one controller in a state fed back by all other controllers except the one controller, and a weight function satisfying robust stability is obtained using the model error, and the 1 It features the design of two controllers. As a result, even with two or more controllers, it is possible to obtain a great control effect by performing a coordinated design that considers the influence of all other controllers as an error, and it is possible to reliably stabilize the control system. .
より具体的には、振動源により発生する振動を低減する装置に備えられ、第1の周波数帯域の振動の低減を制御する第1の周波数帯域コントローラと第2の周波数帯域の振動の低減を制御する第2の周波数帯域コントローラの設計方法であって、前記第2の周波数帯域コントローラが無いとした状態で、前記第1の周波数帯域コントローラの制御対象から第1の周波数帯域モデル誤差を求め、当該第1の周波数帯域モデル誤差を用いてロバスト安定性を満たす第1の周波数重み関数を求めて前記第1の周波数帯域コントローラを設計する、第1のステップと、当該第1の周波数帯域コントローラでフィードバックした状態の周波数応答を実制御対象の応答とみなして、前記第2の周波数帯域コントローラの制御対象から第2の周波数帯域モデル誤差を求め、当該第2の周波数帯域モデル誤差を用いてロバスト安定性を満たす第2の周波数重み関数を求めて前記第2の周波数帯域コントローラを設計する、第2のステップと、当該第2の周波数帯域コントローラでフィードバックした状態の周波数応答を実制御対象の応答とみなして、前記第1の周波数帯域コントローラの制御対象から新たな第1の周波数帯域モデル誤差を求め、前記第1の周波数重み関数が当該第1の周波数帯域モデル誤差に対しロバスト安定性を満たしていれば前記各コントローラの設計を終了し、一方、前記第1の周波数重み関数が当該第1の周波数帯域モデル誤差に対しロバスト安定性を満たしていないときは、当該第1の周波数帯域モデル誤差を用いてロバスト安定性を満たすように前記第1の周波数重み関数を修正して前記第1の周波数帯域コントローラを再設計し次の第4のステップに行く、第3のステップと、更に、当該第1の周波数帯域コントローラでフィードバックした状態の周波数応答を実制御対象の応答とみなして、前記第2の周波数帯域コントローラの制御対象から新たな第2の周波数帯域モデル誤差を求め、前記第2の周波数重み関数が当該第2の周波数帯域モデル誤差に対しロバスト安定性を満たしていれば前記各コントローラの設計を終了し、一方、前記第2の周波数重み関数が当該第2の周波数帯域モデル誤差に対しロバスト安定性を満たしていないときは、当該第2の周波数帯域モデル誤差を用いてロバスト安定性を満たすように前記第2の周波数重み関数を修正して前記第2の周波数帯域コントローラを再設計し上記第3のステップに戻る、第4のステップとを含み、前記各コントローラが相互にロバスト安定性を満たすまで、前記各コントローラを設計することを特徴としている。 More specifically, the first frequency band controller for controlling the reduction of the vibration in the first frequency band and the reduction of the vibration in the second frequency band are provided in an apparatus for reducing the vibration generated by the vibration source. A second frequency band controller design method for determining a first frequency band model error from a control target of the first frequency band controller in a state where there is no second frequency band controller, A first step of designing the first frequency band controller by obtaining a first frequency weighting function satisfying robust stability using a first frequency band model error, and feedback by the first frequency band controller The frequency response under the condition is regarded as the response of the actual control target, and the second frequency band model is controlled from the control target of the second frequency band controller. A second step of determining an error and designing a second frequency band controller by determining a second frequency weighting function satisfying robust stability using the second frequency band model error; and A frequency response in a state fed back by the frequency band controller is regarded as a response of the actual control target, a new first frequency band model error is obtained from the control target of the first frequency band controller, and the first frequency weighting function is obtained. Completes the design of each controller if the first frequency band model error satisfies the robust stability against the first frequency band model error, while the first frequency weighting function is stable against the first frequency band model error. When the first frequency weight is not satisfied, the first frequency weight is set so as to satisfy the robust stability using the first frequency band model error. The number is corrected and the first frequency band controller is redesigned to go to the next fourth step. The third step and the frequency response in the state fed back by the first frequency band controller are actually controlled. A new second frequency band model error is obtained from the control target of the second frequency band controller, and the second frequency weighting function is robust against the second frequency band model error. If the second frequency weighting function does not satisfy the robust stability with respect to the second frequency band model error, the design of each controller is terminated. Redesigning the second frequency band controller by modifying the second frequency weighting function to satisfy robust stability using a band model error; Back to the third step, and a fourth step, characterized in that the controllers are designed until the controllers satisfy each other's robust stability.
上記目的達成のため、本発明の振動低減装置のコントローラでは、上記各振動低減装置のコントローラの設計方法により設計されたことを特徴としている。また、上記目的達成のため、本発明の振動低減装置では、上記コントローラを備えたことを特徴としている。これにより、上記各作用効果を奏する振動低減装置のコントローラ及び振動低減装置を提供することができる。 In order to achieve the above object, the controller of the vibration reducing apparatus of the present invention is characterized by being designed by the controller designing method of each of the vibration reducing apparatuses. In order to achieve the above object, the vibration reducing apparatus of the present invention is characterized by including the above controller. Thereby, the controller and vibration reduction apparatus of the vibration reduction apparatus which show said each effect can be provided.
本発明の実施形態について、図面を参照して説明する。尚、以下に説明する実施形態は特許請求の範囲に係る発明を限定するものではなく、また実施形態の中で説明されている特徴の組み合わせの全てが発明の解決手段に必須であるとは限らない。 Embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. The embodiments described below do not limit the invention according to the claims, and all the combinations of features described in the embodiments are not necessarily essential to the solution means of the invention. Absent.
本発明の実施形態に係る設計方法は、振動低減装置が備える複数のコントローラに対して有効に適用されるものであるが、説明を分かり易くするために、先ず単一のコントローラに対して適用する場合について説明する。 The design method according to the embodiment of the present invention is effectively applied to a plurality of controllers included in the vibration reduction device. However, in order to make the explanation easy to understand, the design method is first applied to a single controller. The case will be described.
図1は、単一のコントローラを備えた振動低減装置を示す構成図である。この振動低減装置10は、システム(制御対象)11の振動を計測する加速度センサ12、計測信号のノイズなどを除去するローパスフィルター13、計測信号から制御則にしたがって制御入力を演算するためのデジタル制御システム14、制御対象11に制御入力を作用させるためのアクチュエータ15により構成される。一方、データ処理により振動特性を評価するための測定系は、入出力信号とFFTアナライザ16から成る。この測定系は、制御対象11の制御には何ら関与せず、データ処理・振動特性評価以外には用いる必要はない。制御対象11には外力などの外乱入力が作用し、この外乱入力により制御対象11が励振されることになるが、振動低減装置10における加速度センサ12で検出された信号がセンサーアンプ17を介してアナログのローパスフィルター13を通り、AD変換器14aを経て制御則を演算するコントローラ14bに入力される。そして、制御入力信号がDA変換器14cで出力され、増幅器18を経て制御用のアクチュエータ15に入力される。アクチュエータ15により制御対象11に制御力が作用し、制御対象11の振動が抑制される。
FIG. 1 is a configuration diagram illustrating a vibration reduction apparatus including a single controller. The
図2および図3は、振動低減装置10の制御系の概略のブロック線図である。図2に示すように、制御対象11には、外力に関する外乱wdと制御入力に加算される外乱wuが作用する。図35および図2から、wuからuまでの伝達関数がロバスト安定性の評価指標となる。一方、外力外乱wdに関しては、それを計測することや正確な特性を把握することが困難な場合がある。この場合は、図3に示すように、外乱をwuのみとし、wdが作用したときと等価な外乱をwuとして作用させるという考えに基づいて対応することができる。このようにすれば、正確な外力外乱の作用点および特性がわからなくても、外力による大まかな出力特性を把握しておけば、それをwuの特性に反映させて、制御系を設計することができる。また、図3は図2の特殊なケースと見ることができるので、図2の制御系についてコントローラの設計法を構築しておけば、図3についても同様に対応することができる。
2 and 3 are schematic block diagrams of the control system of the
次に、周波数応答の測定方法について説明する。励振入力信号(外力外乱)と加速度センサ12で検出された加速度信号をFFTアナライザ16に入力することにより、FFTアナライザ16内で高速フーリエ変換に基づくデータ処理が行われ、入出力間の周波数応答がアクセレランス(|加速度/力|)やコンプライアンス(|変位/力|)として演算され結果が出力される。同様に、制御入力外乱として励振入力信号を与え、制御用のアクチュエータ15から制御対象11に励振力を作用させ、制御対象11の振動応答を加速度センサ12で計測し、制御入力外乱信号と加速度センサ12の出力信号をFFTアナライザ16でデータ処理することにより周波数応答を計測する。一方、有限要素法などによる解析モデルが存在する場合、コンピュータを用いたシミュレーションにより得られた周波数応答を用いることができる。
Next, a frequency response measurement method will be described. By inputting the excitation input signal (external force disturbance) and the acceleration signal detected by the acceleration sensor 12 to the
次に、周波数応答のカーブフィッティングの方法について説明する。計測された周波数応答から制御対象11のモデルを記述するためには、制御対象11のモード特性(固有振動数、固有モードおよびモード減衰比など)を同定する必要がある。周波数応答(アクセレランスやコンプライアンスなど)からカーブフィッティングによりモード特性を同定する方法としては、偏分反復法などに代表される実験モード解析の手法が主流である。一方、有限要素法などによる解析モデルが存在する場合、コンピュータを用いたシミュレーションにより上記モード特性が計算されるので、同定手法によらず、これらの解析結果を用いることも可能である。
Next, a frequency response curve fitting method will be described. In order to describe the model of the controlled
次に、モデル誤差と周波数重み関数の作成方法について説明する。上述のシステム同定手法によりモデル化を行った場合、モデルによる周波数特性と実際に計測で得られた(実システムの)周波数特性との間には誤差が存在するのが一般的である。制御系を構成する際のコントローラ14bは、この誤差に対してロバスト安定性を有するように設計されなければならない。
Next, a method for creating a model error and a frequency weight function will be described. When modeling is performed by the above-described system identification method, there is generally an error between the frequency characteristics of the model and the frequency characteristics actually obtained by measurement (in the actual system). The
図4は、モデル誤差を乗法的誤差として与え、外乱の作用する位置とあわせて表記したブロック線図である。図4において、P(s)は制御対象、K(s)はコントローラ、Δ∞(s)は制御対象の乗法的誤差、P~(s)は実際の制御対象(実システム)である。一方、図35のブロック線図において、モデル誤差Δ∞(s)に対して適切に周波数重み関数W1(s)を与えることにより、ロバスト安定性を保証する制御系の設計が可能になる。すなわち、Δ∞(s)の周波数応答(σ−プロット)に対して次式(3)を満たすW1(s)によりスモールゲイン定理に基づくロバスト安定条件である次式(4)を満足するコントローラを設計する。この混合H2/H∞制御問題に基づくコントローラは、線形行列不等式(LMI)の形で記述された制御問題に対し数値探索法により設計される。 FIG. 4 is a block diagram in which a model error is given as a multiplicative error and is described together with a position where a disturbance acts. 4, a P (s) is the control target, K (s) is the controller, delta ∞ (s) is multiplicative error of the controlled object, P ~ (s) actual control object (real system). On the other hand, in the block diagram of FIG. 35, it is possible to design a control system that guarantees robust stability by appropriately giving the frequency weighting function W 1 (s) to the model error Δ ∞ (s). That is, a controller that satisfies the following equation (4), which is a robust stability condition based on the small gain theorem, with W 1 (s) satisfying the following equation (3) with respect to the frequency response (σ-plot) of Δ ∞ (s): To design. A controller based on this mixed H 2 / H ∞ control problem is designed by a numerical search method for a control problem described in the form of a linear matrix inequality (LMI).
そこで、上述の単一コントローラによる広帯域制御の問題点を解決するために、各帯域用の複数コントローラをロバスト協調設計することにより構成される振動低減装置を説明する。 Therefore, in order to solve the problem of the broadband control by the single controller described above, a vibration reduction apparatus configured by robustly coordinating a plurality of controllers for each band will be described.
図5は、本発明の一実施の形態に係る複数のコントローラを備えた振動低減装置を示す構成図である。この振動低減装置20は、低周波数帯域用のコントローラと高周波数帯域用のコントローラが並列結合されて広帯域用の制御器を構成しており、低周波数帯域コントローラ21および高周波数帯域コントローラ22以外の基本構成は前述の図1と同一であるため同一番号を付して説明を省略する。ここで、各周波数帯域用のコントローラ21、22は、それぞれ他の周波数帯域用のコントローラ22、21との干渉による不安定現象を起こさぬよう、ロバスト安定仕様を満足するように設計される。
FIG. 5 is a configuration diagram illustrating a vibration reducing apparatus including a plurality of controllers according to an embodiment of the present invention. The
次に、低周波数帯域コントローラ21および高周波数帯域コントローラ22のロバスト協調設計方法について説明する。
Next, a robust cooperative design method for the low
図6は、低周波数帯域用と高周波数帯域用の二つのコントローラを並列に結合した制御系のブロック線図である。ここで、KL(s)は低周波数帯域用コントローラ、KH(s)は高周波数帯域用コントローラである。フィードバック制御系において、両コントローラは互いに干渉するため、ロバスト安定性を考慮した両コントローラの協調設計を行う必要がある。そこで、一方のコントローラによるフィードバック制御による特性変化を他方のコントローラ設計におけるモデル誤差と考え、ロバスト制御系の設計を行う。ここで、各コントローラによるフィードバック制御系の周波数特性は、設計したコントローラと計測で得られた周波数応答から予測することができる。 FIG. 6 is a block diagram of a control system in which two controllers for a low frequency band and a high frequency band are coupled in parallel. Here, K L (s) is a low frequency band controller, and K H (s) is a high frequency band controller. In the feedback control system, since both controllers interfere with each other, it is necessary to perform a coordinated design of both controllers in consideration of robust stability. Therefore, a robust control system is designed by regarding the characteristic change due to feedback control by one controller as a model error in the other controller design. Here, the frequency characteristic of the feedback control system by each controller can be predicted from the designed controller and the frequency response obtained by measurement.
以下に、複数コントローラの並列結合制御系において、ロバスト安定性を保証すべき協調設計法のプロセスを示す。 The following shows the process of a collaborative design method that should ensure robust stability in a parallel coupled control system of multiple controllers.
図7は、低周波数帯域コントローラのモデル誤差を乗法的誤差として与え、外乱の作用する位置とあわせて表記したブロック線図、図8は、低周波数帯域コントローラでフィードバックしたブロック線図、図9は、高周波数帯域コントローラのモデル誤差を乗法的誤差として与え、外乱の作用する位置とあわせて表記したブロック線図、図10は、高周波数帯域コントローラでフィードバックしたブロック線図である。 FIG. 7 is a block diagram in which the model error of the low frequency band controller is given as a multiplicative error and expressed together with the position where the disturbance acts, FIG. 8 is a block diagram fed back by the low frequency band controller, and FIG. FIG. 10 is a block diagram in which the model error of the high frequency band controller is given as a multiplicative error and is described together with the position where the disturbance acts. FIG. 10 is a block diagram fed back by the high frequency band controller.
<ステップ1>:図7において高周波数帯域コントローラが無い場合(KH(s)=0)に、低周波数帯域制御対象PL(s)とモデル誤差Δ∞(s)を用い、次式(5)となるようにW∞L(s)を与え、ロバスト安定性を満たすように低周波数帯域コントローラKL(s)を設計する。
<
さらに、コントローラの数が3以上の場合でも、同様のステップでコントローラを設計できる。すなわち、初期状態のコントローラを全て0とし、各帯域のコントローラを他の帯域の全てのコントローラでフィードバックした状態においてロバスト安定性を満たすように上記ステップにしたがって設計する。例えば、コントローラの数が3の場合には、次のようになる。コントローラ1は、他のすべてのコントローラを0として設計する。コントローラ2は、コントローラ1をフィードバックし、コントローラ3を0として設計する。コントローラ3は、コントローラ1および2をフィードバックした状態で設計する。以降、再設計が不要になるまで、本設計ステップにしたがってコントローラ1、2、3の順に設計する。
Furthermore, even when the number of controllers is three or more, the controllers can be designed in the same steps. In other words, the controller in the initial state is set to 0, and the controller is designed according to the above steps so as to satisfy the robust stability in a state where the controller in each band is fed back by all the controllers in other bands. For example, when the number of controllers is 3, it is as follows.
以上のように、各帯域用の複数コントローラをロバスト協調設計する方法によれば、周波数帯域を分割することにより、各帯域のモデルを低次元で同定することができ、モデル化のための計算時間の短縮およびモデル化精度の向上が達成される。そして、各帯域用の制御器は、それぞれの帯域に対応した低次元モデルから設計されるため、制御系設計の高効率化が図られると同時に設計される制御器も低次元で構成される。設計の高効率化は、設計期間の短縮とそれによるコスト低減等をもたらすと期待できる。さらに、制御器が低次元で構成できるため、制御器設計における数値計算の誤差が小さく、設計される制御器の信頼性は高いと言える。実システムで用いる広帯域用の制御器は、各帯域用の低次元制御器を並列に結合したものであるため、広帯域用の大次元モデルから直接設計した単一の制御器よりも計算効率を著しく向上できる。この根拠は、デジタル制御システムにおける1サンプルあたりの乗算回数は、コントローラの次数の2乗にほぼ等しく、これに対し制御帯域を分割した場合は各コントローラの乗算回数の和に等しくなることから理解できる。これにより、デジタル制御システムのハードウェア上のサンプリング周波数を向上させることができ、高周波数領域を含む広帯域の実時間制御が実現可能となる。 As described above, according to the method of robust co-design of a plurality of controllers for each band, it is possible to identify each band model in a low dimension by dividing the frequency band, and the calculation time for modeling Shortening and improved modeling accuracy. Since the controller for each band is designed from a low-dimensional model corresponding to each band, the efficiency of the control system design is improved, and at the same time, the designed controller is configured in a low dimension. Higher design efficiency can be expected to shorten the design period and thereby reduce costs. Furthermore, since the controller can be configured in a low dimension, errors in numerical calculation in controller design are small, and it can be said that the reliability of the designed controller is high. The wideband controller used in the actual system is a combination of low-dimensional controllers for each band connected in parallel, so the computational efficiency is significantly higher than a single controller designed directly from a large-scale model for wideband. It can be improved. The basis for this can be understood from the fact that the number of multiplications per sample in a digital control system is approximately equal to the square of the order of the controller, whereas when the control band is divided, it is equal to the sum of the number of multiplications of each controller. . As a result, the sampling frequency on the hardware of the digital control system can be improved, and wide-band real-time control including a high frequency region can be realized.
図12は、単一のコントローラを備えた振動低減装置の実施例を図1に対応させて示す構成図である。この振動低減装置10の基本構成は、前述の図1と同一であるが、図1との違いは、制御対象11を具体的なエンジン・エンジェクタシステムとして与えていることと、外力に関する外乱をインパルスハンマーにより作用させていることである。
FIG. 12 is a block diagram showing an embodiment of a vibration reducing apparatus having a single controller corresponding to FIG. The basic configuration of the
先ず、周波数応答の測定方法と結果について説明する。外乱入力をインパルスハンマーにより与え、加速度センサ12により制御対象11の加速度を計測し、インパルスハンマーによる加振力の入力信号と加速度センサ12からの出力信号をFFTアナライザ16に入力することにより、力入力に対する加速度出力の周波数応答を計測する。
First, the frequency response measurement method and results will be described. A disturbance input is given by an impulse hammer, the acceleration of the controlled
図13は、計測された外乱加振入力から加速度センサ12の出力信号までの周波数応答(アクセレランス)を示す図である。図13から、400Hz、1600Hz、2300Hzに大きなピークが存在することが分かる。同様に、制御入力外乱として励振入力信号を与え、制御用のアクチュエータ15から制御対象11に励振力を作用させ、制御対象11の振動応答を加速度センサ12で計測し、制御入力外乱信号と加速度センサ12の出力信号をFFTアナライザ16でデータ処理することにより周波数応答を計測する。
FIG. 13 is a diagram showing the frequency response (acceleration) from the measured disturbance excitation input to the output signal of the acceleration sensor 12. From FIG. 13, it can be seen that there are large peaks at 400 Hz, 1600 Hz, and 2300 Hz. Similarly, an excitation input signal is given as a control input disturbance, an excitation force is applied to the controlled
図14は、計測された制御入力外乱信号から加速度センサ12の出力信号までの周波数応答(アクセレランス)を示す図である。図14の結果から、図13における結果と同一の周波数に共振ピークが存在していることが分かる。 FIG. 14 is a diagram illustrating a frequency response (acceleration) from the measured control input disturbance signal to the output signal of the acceleration sensor 12. From the result of FIG. 14, it can be seen that a resonance peak exists at the same frequency as the result of FIG.
次に、周波数応答のカーブフィッティングの方法と結果について説明する。計測された周波数応答からカーブフィッティングよりモード特性を同定する。対象とする周波数応答としてアクセレランスやコンプライアンスなどがあるが、ここでは後者に基づいて同定を行う。実験ではアクセレランス(|加速度/力|)を計測しているので、これに−1/ω2(ωは角振動数)を乗じることによりコンプライアンス(|変位/力|)に変換する。モード特性を同定する方法として、偏分反復法を用いる。比例粘性減衰系におけるシステムの周波数応答(コンプライアンス)G(s)は、システムの運動方程式をラプラス変換したs領域において次式(17)のように記述される。 Next, a method and result of frequency response curve fitting will be described. The mode characteristics are identified by curve fitting from the measured frequency response. The target frequency response includes acceleration and compliance. Here, identification is performed based on the latter. Since the acceleration (| acceleration / force |) is measured in the experiment, it is converted into compliance (| displacement / force |) by multiplying this by -1 / ω 2 (ω is the angular frequency). As a method for identifying the mode characteristics, a partial iteration method is used. The frequency response (compliance) G (s) of the system in the proportional viscous damping system is described as the following expression (17) in the s region obtained by Laplace transforming the system equation of motion.
図15〜図18は、振動実験により計測したデータを用いて、実験モード解析によりカーブフィットした結果(アクセレランス)を示す図である。図15および図16は、低周波数帯域において採用モード数を4としたときの、それぞれ外乱入力および制御入力に対する応答の同定結果である。そして、図17および図18は、高周波数帯域において採用モード数を6としたときの、それぞれ外乱入力および制御入力に対する応答の同定結果である。両周波数帯域において、実験結果を正確にフィットする良好なシステム同定が行われていることがわかる。さらに、対象とする周波数帯域を分割してモデル化しているため、全周波数帯域を一括してモデル化する場合よりも、低次元でモデルが実現できることになる。 15 to 18 are diagrams showing results (acceleration) of curve fitting by experimental mode analysis using data measured by vibration experiments. FIGS. 15 and 16 show the identification results of responses to the disturbance input and the control input, respectively, when the number of adopted modes is 4 in the low frequency band. 17 and 18 show the identification results of responses to the disturbance input and the control input, respectively, when the number of adopted modes is 6 in the high frequency band. It can be seen that good system identification that fits the experimental results accurately is performed in both frequency bands. Furthermore, since the target frequency band is divided and modeled, the model can be realized at a lower dimension than when all frequency bands are modeled together.
次に、モデル誤差と周波数重み関数の作成方法と結果について説明する。 Next, a model error and frequency weighting function creation method and results will be described.
図19は、ロバスト安定性を考慮した周波数重みの設定について示すブロック線図である。図16および図18に示した制御入力に対する応答の同定結果から、次式(22)の乗法的誤差を計算する。ここで、P(s)はモデル化された制御対象、P~(s)は実際の制御対象(実システム)、Δ∞(s)はモデルの乗法的誤差である。 FIG. 19 is a block diagram illustrating setting of frequency weights in consideration of robust stability. The multiplicative error of the following equation (22) is calculated from the identification result of the response to the control input shown in FIGS. Here, P (s) is the modeled control object, P˜ (s) is the actual control object (real system), and Δ ∞ (s) is the multiplicative error of the model.
図22〜図25は、シミュレーションおよび実験結果を示す図である。図22および図23は低周波数帯域におけるシミュレーションおよび実験結果、図24および図25は高周波数帯域におけるシミュレーションおよび実験結果を示す。シミュレーションに関しては、実験モード解析により同定されたモデルに対し、設計されたコントローラの出力を制御入力とする閉ループ系の拡大状態方程式を記述し、それに対して周波数応答を計算している。ここで、シミュレーションにおける実システムとして、低周波数帯域と高周波数帯域の両帯域に含まれるモードを採用した大次元の制御対象モデルを作成しておき、それに対して閉ループ系を構成することにより、対象としている全周波数帯域における閉ループ系の周波数応答解析が行われる。図22〜図25から、シミュレーション結果と実験結果はよく対応していることが分かる。 22-25 is a figure which shows a simulation and an experimental result. 22 and 23 show simulation and experimental results in the low frequency band, and FIGS. 24 and 25 show simulation and experimental results in the high frequency band. For simulation, we describe a closed-loop extended state equation with the output of the designed controller as the control input for the model identified by the experimental mode analysis, and calculate the frequency response for it. Here, as a real system in the simulation, a large-scale control target model that adopts modes included in both the low-frequency band and the high-frequency band is created, and a closed-loop system is configured for it. The frequency response analysis of the closed loop system in the entire frequency band is performed. From FIG. 22 to FIG. 25, it can be seen that the simulation results and the experimental results correspond well.
以上のようにして設計されたコントローラによれば、低周波数帯域での実験結果において、目標としていた400Hz付近のピークが約10dB低減している。また、図20のようにロバスト安定性を考慮しているため、モデル化していない高周波数帯域でも発散せずに非制御時の応答にほぼ重なっている。高周波数帯域での実験結果に関しては、1600Hz付近のピークが約10dB、2300Hz付近のピークが約5dB低減されている。先程と同様、図21のようにロバスト安定性を考慮しているため、モデル化していない低周波数帯域でも発散せずに非制御時と同様の応答を示している。両帯域ともシミュレーション結果と実験結果が良く一致しており、各周波数帯域におけるモデル化および制御系設計が適切になされていることが分かる。 According to the controller designed as described above, the target peak around 400 Hz is reduced by about 10 dB in the experimental results in the low frequency band. Further, since robust stability is taken into consideration as shown in FIG. 20, it does not diverge even in a high frequency band that has not been modeled, and almost overlaps the response at the time of non-control. Regarding the experimental results in the high frequency band, the peak near 1600 Hz is reduced by about 10 dB and the peak near 2300 Hz is reduced by about 5 dB. As in the previous case, since robust stability is taken into consideration as shown in FIG. 21, a response similar to that at the time of non-control is shown without divergence even in a low frequency band that is not modeled. In both bands, the simulation results and the experimental results are in good agreement, indicating that modeling and control system design in each frequency band has been performed appropriately.
次に、各帯域用の複数コントローラをロバスト協調設計することにより構成される振動低減装置を説明する。 Next, a description will be given of a vibration reducing apparatus configured by robustly coordinating a plurality of controllers for each band.
図26は、複数のコントローラを備えた振動低減装置の実施例を図5に対応させて示す構成図である。この振動低減装置20の基本構成は、前述の図5と同一であるが、図5との違いは、制御対象11を具体的なエンジン・エンジェクタシステムとして与えていることと、外力に関する外乱をインパルスハンマーにより作用させていることである。
FIG. 26 is a block diagram showing an embodiment of a vibration reducing apparatus having a plurality of controllers corresponding to FIG. The basic configuration of the
先ず、コントローラのロバスト協調設計方法と結果について説明する。図11に示すステップにしたがって、コントローラのロバスト協調設計を行う。まず、ステップ1より、低周波数帯域モデル誤差Δ∞L(s)を求め、低周波数帯域周波数重み関数W∞L(s)を作成し、低周波数帯域コントローラKL(s)を設計する。
First, the robust co-design method and results of the controller will be described. According to the steps shown in FIG. 11, robust co-design of the controller is performed. First, from
図27は、Δ∞L(s)とW∞L(s)の周波数特性を示す図である。そして、ステップ2において低周波数帯域コントローラKL(s)でフィードバックした状態の周波数応答を設計したコントローラと計測で得られた周波数応答から計算し、それを実システムの応答とみなした上で高周波数帯域制御対象PH(s)とのモデル誤差Δ∞H(s)を求め、高周波数帯域周波数重み関数W∞H(s)を設計する。図9から、低周波数帯域コントローラKL(s)でフィードバックした状態の高周波数帯域の実制御対象P~H(s)と高周波数帯域モデル誤差Δ∞H(s)は次式(29)、(30)で表せる。 FIG. 27 is a diagram illustrating frequency characteristics of Δ ∞L (s) and W ∞L (s). Then, calculated from the frequency response obtained in the measurement and controller designed frequency response of the state of feedback in the low frequency band controller K L (s) in step 2, the high-frequency on which it was regarded as the response of the real system A model error Δ ∞H (s) with the band control object P H (s) is obtained, and a high frequency band frequency weighting function W ∞H (s) is designed. From FIG. 9, the actual control object P to H (s) in the high frequency band fed back by the low frequency band controller K L (s) and the high frequency band model error Δ∞H (s) are expressed by the following equation (29): (30)
図28は、PH(s)とP~H(s)を用いて作成した高周波数帯域モデル誤差Δ∞H(s)の周波数特性を低周波数帯域コントローラによる制御時および非制御時で比較したものを示す図である。図28からわかるように低周波数帯域制御により高周波数帯域で誤差が増加することはなく、低周波数帯域で誤差が減少していることが分かる。高周波数帯域で誤差が増加しないことは、ロバスト安定性を満たすように低周波数帯域周波数重み関数W∞L(s)を与えて制御系を設計したことから理解できる。 Figure 28 is compared with the time control during and uncontrolled frequency characteristic of the high frequency band model error delta ∞H created (s) according to the low frequency band controller with P H (s) and P ~ H (s) It is a figure which shows a thing. As can be seen from FIG. 28, the error does not increase in the high frequency band by the low frequency band control, and the error decreases in the low frequency band. The fact that the error does not increase in the high frequency band can be understood from the fact that the control system is designed by giving the low frequency band frequency weighting function W ∞L (s) so as to satisfy the robust stability.
図29は、フィードバックした状態の実制御対象P~H(s)を用いて作成した高周波数帯域モデル誤差Δ∞H(s)に対してロバスト安定性を満たすように作成した高周波数帯域周波数重み関数W∞H(s)を示す図である。そして、高周波数帯域コントローラKH(s)を設計する。次に、ステップ3において、高周波数帯域コントローラKH(s)でフィードバックした状態の低周波数帯域モデル誤差Δ∞L(s)を求める。図7から、高周波数帯域コントローラKH(s)でフィードバックした状態の低周波数帯域の実制御対象P~H(s)と低周波数帯域モデル誤差Δ∞L(s)は次式(31)、(32)で表せる。 FIG. 29 shows the high frequency band frequency weights created to satisfy the robust stability with respect to the high frequency band model error Δ ∞H (s) created using the actual control object P H (s) in the fed back state. It is a figure which shows function W ∞H (s). Then, the high frequency band controller K H (s) is designed. Next, in step 3, a low frequency band model error Δ ∞L (s) in a state fed back by the high frequency band controller K H (s) is obtained . From FIG. 7, the actual control object P to H (s) in the low frequency band in the state fed back by the high frequency band controller K H (s) and the low frequency band model error Δ ∞L (s) are expressed by the following equation (31): (32)
図30は、ステップ1で求めた低周波数帯域モデル誤差Δ∞L(s)、ステップ3で再度求めた低周波数帯域モデル誤差Δ∞L(s)、およびステップ1で作成した低周波数帯域周波数重み関数W∞L(s)を比較した図である。モデル誤差は2300Hz付近で悪化しているが、制御帯域である0〜800Hz付近ではほぼ重なっている。これは、図29において高周波数帯域周波数重み関数W∞H(s)が制御帯域外で十分にロバスト性を確保しているからである。ステップ1で作成した低周波数帯域周波数重み関数W∞L(s)はステップ3で再度求めた低周波数帯域モデル誤差Δ∞L(s)に対しロバスト安定を満たしている。したがって、ステップ1で作成した低周波数帯域コントローラKL(s)は閉ループでもロバスト性をもつので設計終了である。
Figure 30 is a low-frequency band model error delta ∞L obtained in
図31および図32は、上述のとおり設計されたコントローラを用いて、閉ループ系のシミュレーションおよび実験を行った結果を示す図である。なお、前述の単一コントローラの場合と同様、シミュレーションでは低周波数帯域と高周波数帯域の両帯域に含まれるモードを採用した大次元の制御対象モデルに対し閉ループ系を構成している。図31および図32から、シミュレーション結果と実験結果は良い対応を示していることが分かる。 FIG. 31 and FIG. 32 are diagrams showing the results of simulation and experiment of a closed loop system using the controller designed as described above. As in the case of the single controller described above, in the simulation, a closed loop system is configured for a large-scale controlled object model that employs modes included in both the low frequency band and the high frequency band. From FIG. 31 and FIG. 32, it can be seen that the simulation result and the experimental result show a good correspondence.
以上のように、各帯域用の複数コントローラを協調設計する方法によれば、図31および図32の結果から、協調設計されたコントローラにより400Hzおよび1600Hz付近のピークにおいて約10dB、2300Hz付近のピークにおいて約2dB低減させることができた。単一コントローラの場合と同様、制御帯域において効果的に制御しつつ、制御帯域外で応答が悪化していないことが分かる。特に、本制御手法により低周波数帯域と高周波数帯域の振動を同時に低減していることが最大の特徴である。ここで用いたコントローラは、各帯域用の低次元コントローラを並列に結合したものであり、広帯域用の大次元モデルから直接設計した単一のコントローラよりも計算効率を著しく向上させているため、本結果の達成につながっている。この根拠は、前述のとおり単一コントローラと並列コントローラの演算回数の比較から理解できる。本実施例のように約3kHzまでの振動の制御が要求される場合、一般にデジタル制御システムにおいて約30kHzのサンプリング周波数が必要とされるが、広帯域用の大次元モデルから直接設計した単一の制御器で実現できるサンプリング周波数は10kHz程度であったのに対し、本手法を用いた場合は30kHzが達成された。以上のことは、本ロバスト協調設計法の優れた有効性を示していることに他ならない。 As described above, according to the method of co-designing a plurality of controllers for each band, from the results of FIG. 31 and FIG. 32, at the peaks near 400 Hz and 1600 Hz by the co-designed controller, The reduction was about 2 dB. As in the case of a single controller, it can be seen that the response is not deteriorated outside the control band while effectively controlling in the control band. In particular, the greatest feature is that vibrations in the low frequency band and the high frequency band are simultaneously reduced by this control method. The controller used here is a combination of low-dimensional controllers for each band in parallel, which significantly improves computational efficiency over a single controller designed directly from a large-scale model for wideband. The result is achieved. The reason for this can be understood from the comparison of the number of operations of the single controller and the parallel controller as described above. When control of vibration up to about 3 kHz is required as in this embodiment, a sampling frequency of about 30 kHz is generally required in a digital control system, but a single control designed directly from a large-scale model for a wide band. The sampling frequency that can be realized by the instrument was about 10 kHz, whereas 30 kHz was achieved when this method was used. The above is nothing but the excellent effectiveness of this robust collaborative design method.
次に、比較のため、各帯域用の複数コントローラを非ロバスト協調設計することにより構成される振動低減装置を説明する。 Next, for comparison, a vibration reduction apparatus configured by non-robust cooperative design of a plurality of controllers for each band will be described.
図33は、複数のコントローラを備えた振動低減装置の実施例を図5に対応させて示す構成図である。この振動低減装置20の基本構成は、前述の図5と同一であるが、図5との違いは、制御対象11を具体的なエンジン・エンジェクタシステムとして与えていることと、外力に関する外乱をインパルスハンマーにより作用させていることである。
FIG. 33 is a block diagram showing an embodiment of a vibration reducing apparatus having a plurality of controllers corresponding to FIG. The basic configuration of the
先ず、コントローラのロバスト協調設計方法と結果について説明する。図19にて設計した低周波数帯域および高周波数帯域ごとの単一コントローラKL(s)およびKH(s)を並列に結合し、閉ループ系を構成する。したがって、両コントローラの干渉を考慮した協調設計はされておらず、ロバスト安定条件は保証されていない。 First, the robust co-design method and results of the controller will be described. A single controller K L (s) and K H (s) for each of the low frequency band and the high frequency band designed in FIG. 19 is coupled in parallel to form a closed loop system. Therefore, the cooperative design considering the interference of both controllers is not performed, and the robust stability condition is not guaranteed.
図34は、非ロバスト協調設計による複数コントローラを用いた場合の実験結果を示す図である。図34の結果から1600Hz付近のピークで約3dB、2300Hz付近のピークで約4dB低減できているが、400Hz付近のピークでは約2dB増大している。また、1800Hz付近に新たな大きなピークが存在しているのが分かる。 FIG. 34 is a diagram illustrating experimental results when a plurality of controllers using non-robust collaborative design is used. From the results shown in FIG. 34, the peak near 1600 Hz is reduced by about 3 dB, and the peak near 2300 Hz is reduced by about 4 dB, but the peak near 400 Hz is increased by about 2 dB. It can also be seen that there is a new large peak around 1800 Hz.
次に、ロバスト協調設計による複数コントローラの実験結果との比較について説明する。図32および図34より、ロバスト協調設計による複数コントローラを用いた場合は低周波数帯域、高周波数帯域ともにロバスト安定を保ちながら制振効果を得ているのに対し、非ロバスト協調設計による複数コントローラを用いた場合は制振効果にばらつきがあり、ロバスト安定が保たれていないのが分かる。これは、コントローラを並列に接続する際に互いの出力による干渉を考慮していないため、ロバスト安定性を満たしていないからであると考察できる。この比較から、コントローラを複数用いる場合、上記のロバスト協調設計を用いることが有効であると言える。 Next, a comparison with the experimental results of a plurality of controllers by robust collaborative design will be described. From FIGS. 32 and 34, when multiple controllers based on robust co-design are used, the vibration control effect is obtained while maintaining robust stability in both the low frequency band and the high frequency band, whereas multiple controllers based on non-robust co-design are used. When it is used, it can be seen that there is a variation in the damping effect, and robust stability is not maintained. It can be considered that this is because the robust stability is not satisfied because the interference due to the outputs of the controllers is not considered when the controllers are connected in parallel. From this comparison, it can be said that when a plurality of controllers are used, it is effective to use the above robust collaborative design.
なお、上述した実施形態では、コントローラの数を2つとして説明したが、コントローラの数は基本的には2以上の任意の数で効果が期待できる。その根拠は、以下のとおりである。いま、単一のコントローラの次数をnとし、それをm個のサブシステムに等分割できたとする。コントローラ演算における乗算回数は前者で約n2、後者で約n2/mとなり、m≧2で後者が前者よりも必ず小さくなる。しかし、コントローラの数が多くなるにつれて制御系の協調設計の手間は大きくなる。すなわち、周波数重み関数を修正する回数は必然的に大きくなる。しかし、コントローラの分割数が多いほど、各コントローラの設計効率は高いという性質は不変である。以上のことから、コントローラの数は2個〜5個程度が適切であると考えられる。 In the above-described embodiment, the number of controllers is described as two. However, the number of controllers can be expected to be basically any number of two or more. The grounds are as follows. Assume that the order of a single controller is n and that it can be equally divided into m subsystems. The number of multiplications in the controller calculation is about n 2 in the former and about n 2 / m in the latter. When m ≧ 2, the latter is necessarily smaller than the former. However, the effort of collaborative design of the control system increases as the number of controllers increases. That is, the number of times the frequency weighting function is corrected inevitably increases. However, the property that the design efficiency of each controller is higher as the number of divisions of the controller is larger is unchanged. From the above, it is considered that about 2 to 5 controllers are appropriate.
また、本実施形態では、1軸方向の制御のみについて示したが、3次元方向の制御に拡張することは可能である。この場合、センサおよびアクチュエータの設置位置および方向に関して、3軸全ての方向について応答を検知できかつ駆動できること、もしくはこれを満たすように複数のセンサおよびアクチュエータを使用することが条件となる。これは、可制御性および可観測性という制御系に要求される基本的条件を満たすことに他ならない。これらの条件を満たした上で、システムのモデル化および制御系設計を行えばよいことになる。ここで、センサおよびアクチュエータの数が複数になった場合でも、各アクチュエータからセンサ出力までの周波数応答から、実験モード解析によりシステムがモデル化され、前述と同じプロセスで制御系が設計される。 Further, in the present embodiment, only control in one axis direction is shown, but it can be extended to control in three-dimensional direction. In this case, with respect to the installation positions and directions of the sensors and actuators, it is a condition that responses can be detected and driven in all three axis directions, or a plurality of sensors and actuators are used so as to satisfy them. This is nothing other than satisfying the basic conditions required for a control system of controllability and observability. It is only necessary to model the system and design the control system after satisfying these conditions. Here, even when there are a plurality of sensors and actuators, the system is modeled by the experimental mode analysis from the frequency response from each actuator to the sensor output, and the control system is designed by the same process as described above.
また、本実施形態では、インパルスハンマーにより作用させた外乱(外部加振力)の数は1であったが、2以上の外乱が作用する場合でも制御系の設計は可能である。この場合、各外乱からセンサ出力までの周波数応答を計測するか、もしくは無相関な外乱を同時に作用させたときのセンサ出力までの周波数応答を計測すれば、実験モード解析によりモード特性が同定されることになる。そして、前述と同じプロセスにしたがって、同定されたモード特性から状態方程式を記述し制御系を設計すればよいことになる。 In this embodiment, the number of disturbances (external excitation force) applied by the impulse hammer is 1, but the control system can be designed even when two or more disturbances are applied. In this case, if the frequency response from each disturbance to the sensor output is measured, or if the frequency response to the sensor output when an uncorrelated disturbance is applied simultaneously, the mode characteristics are identified by the experimental mode analysis. It will be. Then, according to the same process as described above, the control system may be designed by describing the state equation from the identified mode characteristics.
また、本実施形態の振動低減装置の適用対象としては、ディーゼルおよびガソリンエンジンの振動、自動車の車体など自動車全般に関わる振動、鉄道車両の振動、航空機の振動、磁気ディスク装置や光ディスク装置、ならびにプリンタ機器をはじめとする情報機器の振動などがある。 Further, the vibration reduction device of this embodiment is applicable to vibrations of automobiles such as diesel and gasoline engines, automobile bodies, railway vehicle vibrations, aircraft vibrations, magnetic disk devices and optical disk devices, and printers. There are vibrations of information equipment such as equipment.
また、本実施形態は、混合H2/H∞制御方法に適用できるほか、H∞制御方法にも適用できる。すなわち、H∞制御の場合、制御応答の制御量とロバスト安定性の制御量を併せてH∞ノルムで評価するが、ロバスト安定性の評価指標は本発明と共通であるため、このH∞ノルムを評価関数としてとして与えるだけで、本発明と同じ設計方法によりH∞制御に対するコントローラのロバスト協調設計が可能である。 Further, this embodiment, in addition to be applied to the mixed H 2 / H ∞ control method can also be applied to H ∞ control method. That is, in the case of the H∞ control, the control amount of the control response and the control amount of the robust stability are evaluated together by the H∞ norm. However, since the evaluation index of the robust stability is common to the present invention, this H∞ norm Is given as an evaluation function, the controller can perform robust co-design for H∞ control by the same design method as the present invention.
また、本実施形態は、音の特性をモデル化することにより、騒音低減制御に適用することができる。この場合、センサとしてマイクロホンを使用し、振動実験で計測される音圧の周波数応答を用いてカーブフィッティングすれば、入力から音圧までのモデルが同定される。そして、この音圧を制御応答として制御問題を定義すれば、本発明と同一の方法により、コントローラの協調設計が行われる。単一のコントローラを用いる場合において、システム同定による音のモデル化および騒音低減制御が可能なことは以下の論文で実証済みである。
(a)梶原逸朗、福田将直、下嶋浩、モード解析と線形行列不等式に基づくフィードバック音響制御、日本機械学会論文集(C編)、64巻、621号、1998、pp.1668−1675
(b)下嶋浩、松永義弘、小池関也、梶原逸朗、モード解析に基づく複数の制御音源を用いたフィードバック音響制御、日本機械学会論文集(C編)、65巻、633号、1999、pp.1849−1856
論文(a)では,システムを比例粘性減衰系としてカーブフィッティングによるモデル化を行い、H∞制御方法および混合H2/H∞制御方法によりコントローラを設計し、マイクロホンとスピーカーを用いたフィードバック制御により騒音低減を実現している。論文(b)では、複数のスピーカー(制御音源)をもつシステムを一般粘性減衰系としてカーブフィッティングによるモデル化を行い、論文(a)と同様の制御系設計およびフィードバック制御実験により優れた騒音低減効果を達成している。これらの論文では、単一の周波数帯域における単一のモデル化およびコントローラ設計法を示しているが、複数の周波数帯域に分割して考えることにより、本発明の方法をそのまま適用することができる。
In addition, the present embodiment can be applied to noise reduction control by modeling sound characteristics. In this case, if a microphone is used as a sensor and curve fitting is performed using a frequency response of sound pressure measured in a vibration experiment, a model from input to sound pressure is identified. If a control problem is defined by using this sound pressure as a control response, the controller is co-designed by the same method as the present invention. In the case of using a single controller, it has been demonstrated in the following paper that sound modeling and noise reduction control by system identification are possible.
(A) Ibara Sugawara, Masanao Fukuda, Hiroshi Shimojima, feedback acoustic control based on mode analysis and linear matrix inequalities, Transactions of the Japan Society of Mechanical Engineers (C), 64, 621, 1998, pp. 1668-1675
(B) Hiroshi Shimojima, Yoshihiro Matsunaga, Sekiya Koike, Irou Sugawara, Feedback acoustic control using multiple control sound sources based on mode analysis, Transactions of the Japan Society of Mechanical Engineers (C), 65, 633, 1999, pp . 1849-1856
In paper (a), performs modeling by curve fitting the system as a linear viscous damping system, design a controller with H ∞ control method and mixtures H 2 / H ∞ control method, noise by feedback control using the microphone and speaker Reduction is realized. In the paper (b), a system with multiple speakers (control sound source) is modeled by curve fitting as a general viscous damping system, and excellent noise reduction effect is achieved by the same control system design and feedback control experiment as in the paper (a). Has achieved. Although these papers show a single modeling and controller design method in a single frequency band, the method of the present invention can be applied as it is by dividing it into a plurality of frequency bands.
また、本実施形態におけるモデル化では、式(17)〜式(21)に示すように比例粘性減衰系を扱ったが、系を一般粘性減衰系としたときのモデル化も同様に可能であり、本発明をそのまま適用できる。一般粘性減衰系におけるモード特性からシステムを状態方程式で記述する方法は上記(6)の論文(b)に示されている。 In the modeling in the present embodiment, the proportional viscous damping system is treated as shown in the equations (17) to (21). However, modeling when the system is a general viscous damping system is also possible. The present invention can be applied as it is. A method of describing the system by a state equation from the mode characteristics in the general viscous damping system is shown in the paper (b) of the above (6).
また、本実施形態におけるモデル誤差として、乗法的誤差と同様に加法的誤差を扱うことも可能である。モデル誤差を加法的誤差として扱う場合には、システムの観測出力に作用する外乱から制御入力までの伝達関数に対し、加法的誤差特性を指標とする周波数重み関数を与えることにより、本実施形態をそのまま適用することができる。 In addition, as a model error in this embodiment, an additive error can be handled in the same manner as a multiplicative error. When model error is treated as an additive error, this embodiment is obtained by giving a frequency weighting function with the additive error characteristic as an index to the transfer function from disturbance to control input acting on the observed output of the system. It can be applied as it is.
10、20 振動低減装置、11 制御対象、12 加速度センサ、13 ローパスフィルター、14 デジタル制御システム、14a AD変換器、14b コントローラ、14c DA変換器、15 アクチュエータ、16 FFTアナライザ、17 センサーアンプ、18 増幅器、21 低周波数帯域コントローラ、22 高周波数帯域コントローラ 10, 20 Vibration reduction device, 11 Control target, 12 Acceleration sensor, 13 Low pass filter, 14 Digital control system, 14a AD converter, 14b Controller, 14c DA converter, 15 Actuator, 16 FFT analyzer, 17 Sensor amplifier, 18 Amplifier , 21 Low frequency band controller, 22 High frequency band controller
Claims (5)
前記複数のコントローラのうち1つのコントローラについて、前記1つのコントローラを除く他の1以上のコントローラでフィードバックした状態で前記1つのコントローラの制御対象からモデル誤差を求め、当該モデル誤差を用いてロバスト安定性を満たす重み関数を求めて前記1つのコントローラを設計する
ことを特徴とする振動低減装置のコントローラの設計方法。 A method for designing a plurality of controllers, which is provided in an apparatus for reducing vibrations generated by a vibration source and controls the reduction of vibrations in a plurality of frequency bands, respectively.
For one controller of the plurality of controllers, a model error is obtained from a control target of the one controller in a state fed back by one or more other controllers excluding the one controller, and robust stability is determined using the model error. A design method for a controller of a vibration reduction apparatus, wherein the one controller is designed by obtaining a weight function satisfying
前記複数のコントローラのうち1つのコントローラについて、前記1つのコントローラを除く他の全てのコントローラでフィードバックした状態で前記1つのコントローラの制御対象からモデル誤差を求め、当該モデル誤差を用いてロバスト安定性を満たす重み関数を求めて前記1つのコントローラを設計する
ことを特徴とする振動低減装置のコントローラの設計方法。 A method for designing a plurality of controllers, which is provided in an apparatus for reducing vibrations generated by a vibration source and controls the reduction of vibrations in a plurality of frequency bands, respectively.
With respect to one controller among the plurality of controllers, a model error is obtained from a control target of the one controller in a state fed back by all other controllers except the one controller, and robust stability is obtained using the model error. A controller design method for a vibration reduction apparatus, wherein the one controller is designed by obtaining a weighting function that satisfies the function.
前記第2の周波数帯域コントローラが無いとした状態で、前記第1の周波数帯域コントローラの制御対象から第1の周波数帯域モデル誤差を求め、当該第1の周波数帯域モデル誤差を用いてロバスト安定性を満たす第1の周波数重み関数を求めて前記第1の周波数帯域コントローラを設計する、第1のステップと、
当該第1の周波数帯域コントローラでフィードバックした状態の周波数応答を実制御対象の応答とみなして、前記第2の周波数帯域コントローラの制御対象から第2の周波数帯域モデル誤差を求め、当該第2の周波数帯域モデル誤差を用いてロバスト安定性を満たす第2の周波数重み関数を求めて前記第2の周波数帯域コントローラを設計する、第2のステップと、
当該第2の周波数帯域コントローラでフィードバックした状態の周波数応答を実制御対象の応答とみなして、前記第1の周波数帯域コントローラの制御対象から新たな第1の周波数帯域モデル誤差を求め、前記第1の周波数重み関数が当該第1の周波数帯域モデル誤差に対しロバスト安定性を満たしていれば前記各コントローラの設計を終了し、
一方、前記第1の周波数重み関数が当該第1の周波数帯域モデル誤差に対しロバスト安定性を満たしていないときは、当該第1の周波数帯域モデル誤差を用いてロバスト安定性を満たすように前記第1の周波数重み関数を修正して前記第1の周波数帯域コントローラを再設計し次の第4のステップに行く、第3のステップと、
更に、当該第1の周波数帯域コントローラでフィードバックした状態の周波数応答を実制御対象の応答とみなして、前記第2の周波数帯域コントローラの制御対象から新たな第2の周波数帯域モデル誤差を求め、前記第2の周波数重み関数が当該第2の周波数帯域モデル誤差に対しロバスト安定性を満たしていれば前記各コントローラの設計を終了し、
一方、前記第2の周波数重み関数が当該第2の周波数帯域モデル誤差に対しロバスト安定性を満たしていないときは、当該第2の周波数帯域モデル誤差を用いてロバスト安定性を満たすように前記第2の周波数重み関数を修正して前記第2の周波数帯域コントローラを再設計し上記第3のステップに戻る、第4のステップとを含み、
前記各コントローラが相互にロバスト安定性を満たすまで、前記各コントローラを設計する
ことを特徴とする振動低減装置のコントローラの設計方法。 A first frequency band controller for controlling the reduction of vibrations in the first frequency band and a second frequency band for controlling reduction of vibrations in the second frequency band, provided in an apparatus for reducing vibrations generated by the vibration source A controller design method,
In a state where the second frequency band controller is not present, a first frequency band model error is obtained from the control target of the first frequency band controller, and robust stability is obtained using the first frequency band model error. Designing the first frequency band controller to determine a first frequency weighting function to satisfy;
The frequency response in the state fed back by the first frequency band controller is regarded as a response of the actual control target, a second frequency band model error is obtained from the control target of the second frequency band controller, and the second frequency Designing a second frequency band controller using a band model error to determine a second frequency weighting function that satisfies robust stability; and
The frequency response in the state fed back by the second frequency band controller is regarded as the response of the actual control target, a new first frequency band model error is obtained from the control target of the first frequency band controller, and the first If the frequency weighting function satisfies the robust stability with respect to the first frequency band model error, the design of each controller is terminated.
On the other hand, when the first frequency weight function does not satisfy the robust stability with respect to the first frequency band model error, the first frequency weight function uses the first frequency band model error to satisfy the robust stability. Modifying the frequency weighting function of 1 and redesigning the first frequency band controller to go to the next fourth step;
Further, the frequency response in the state fed back by the first frequency band controller is regarded as the response of the actual control target, and a new second frequency band model error is obtained from the control target of the second frequency band controller, If the second frequency weighting function satisfies the robust stability against the second frequency band model error, the design of each controller is terminated,
On the other hand, when the second frequency weight function does not satisfy the robust stability with respect to the second frequency band model error, the second frequency weight function uses the second frequency band model error to satisfy the robust stability. Modifying the frequency weighting function of 2 and redesigning the second frequency band controller and returning to the third step, and a fourth step,
A controller design method for a vibration reducing apparatus, wherein the controllers are designed until the controllers satisfy robust stability with each other.
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