JP2010043875A - アクティブ制振性能評価システム及びプログラム - Google Patents

Abstract

【課題】振動モードの相違の影響を受けずに制振対象の制振性能を正確に評価できるアクティブ制振性能評価システムの提供。
【解決手段】制振対象９の振動を検出するセンサ２と制振対象を加振するアクチュエータ３とセンサ２の信号に応じて制振対象９の加振信号をアクチュエータ３に出力するアクティブ制振制御手段１１とを有する制振装置１において、制御手段１１の加振信号に外乱信号Ａｉｆを周波数掃引しながら重畳する外乱信号重畳手段２１を制御手段１１とアクチュエータ３との間に接続し、外乱信号Ａｉｆに対するセンサ検出信号Ａｏｆの周波数別振幅比Ａｒｆ（＝Ａｏｆ／Ａｉｆ）を検出する振幅比検出手段２３を制御手段１１とセンサ２との間に接続し、制御手段１１に接続した評価手段２２により、制御手段１１を停止又は起動させながら停止時の周波数別振幅比Ａｒｆｎと起動時の周波数別振幅比Ａｒｆｃとの相違により制御手段１１の制振性能を評価する。
【選択図】 図１

Description

本発明はアクティブ制振性能評価システム及びプログラムに関し、とくに制振対象の振動に応じて制振対象を能動的に加振して振動を抑制するアクティブ制振装置の制振性能を評価するシステム及びプログラムに関する。

従来から、地震・風力その他の振動外乱を受ける建築構造物や機械構造物等の振動を抑制するため、例えば図６（Ａ）に示すようなアクティブ制振装置１が用いられている。図示例のアクティブ制振装置１は、振動対象９の振動を検出するセンサ（加速度計等）２と、制振対象９を加振するアクチュエータ（加振機等）３と、センサ２の検出信号に基づきアクチュエータ３の作動を制御する制振制御システム（コントローラ）５とを有し、センサ２の検出信号に応じてアクチュエータ３を能動的に駆動することで制振対象９の振動を抑制する。図示例は制振対象９上に相対的可動に取り付けた付加質量４をアクチュエータ３で加振する付加質量型のアクティブ動吸振機（Ａｃｔｉｖｅ Ｍａｓｓ Ｄａｍｐｅｒ；ＡＭＤ）を示しているが、付加質量型の他にも、制振対象９の基部近傍に設置したアクチュエータ３（圧電変換素子等）で制振対象９を直接加振する直動型のもの（特許文献１参照）、制振対象９の梁部分に組み込んだピエゾアクチュエータ３の加振により梁の曲げモーメントを制御するもの（非特許文献１及び２参照）、制振対象９の梁に沿って配設した力伝達手段をアクチュエータ３で加振するもの（特許文献２参照）等、様々な形式のアクティブ制振装置１が開発されている。

アクティブ制振装置１の制振制御システム５は一般的に、図６（Ａ）に示すように、センサ２のアナログ検出信号を入力してデジタル変換するアナログ／デジタル変換器（ＡＤ変換器）６と、そのデジタル信号に基づきアクチュエータ３にデジタル制御信号（指令信号）を出力するコンピュータ等の制御系１０と、そのデジタル制御信号をアナログ変換してアクチュエータ３に出力するデジタル／アナログ変換器（ＤＡ変換器）７とで構成されている。制振制御システム５の制御系１０は、同図（Ｂ）に示すように、制振対象９の振動特性Ｇｆ（ｓ）とアクチュエータ３の振動特性Ｇａ（ｓ）とセンサ２の振動特性Ｇｓ（ｓ）とに応じて設計され、例えば制御パラメタを含むプログラムＫ（ｓ）（以下、アクティブ制振制御手段又はプログラムということがある）としてコンピュータに実装される。上述したように様々な形式のアクティブ制振装置１が開発されているが、制振対象特性Ｇｆ（ｓ）とアクチュエータ特性Ｇａ（ｓ）とセンタ特性Ｇｓ（ｓ）とに応じて設計されるアクティブ制振制御手段Ｋ（ｓ）の原理的な構成は何れも同様である。このようなアクティブ制振制御プログラムに適用するための様々な制御理論・アルゴリズムが提案されているが（特許文献３〜５参照）、例えば最適フィードバック制御理論（非特許文献３参照）、Ｈ∞制御理論等のロバスト制御手法（非特許文献４参照）等が一般的に使われている。

安藤雅倫他「ピエゾアクチュエータによる鉄骨造建物の上下振動の制御」日本建築学会大会学術講演梗概集（北陸）、２００２年８月、ｐｐ３０１−３０２ 神永敏行他「ピエゾアクチュエータによる鉄骨造建物の上下振動の制御・その２」日本建築学会大会学術講演梗概集（東海）、２００３年９月、ｐｐ２８９−２９０ 増渕正美著「システム制御」コロナ社、１９８７年１１月初版、ｐ１８７−１８９ システム制御情報学会編「制御系設計−Ｈ∞制御とその応用−」朝倉書店、１９９４年６月初版、ｐ１１−１２ 特開２００３−２２１８０７号公報 特開平５−０１８１３６号公報 特許第２７３２６８１号公報 特開平０９−０４９５４４号公報 特開平０６−１０６９４６号公報

図６（Ａ）のようなアクティブ制振装置１の制振性能は、設計図等に示された制振対象９の振動特性Ｇｆ（ｓ）に基づきコンピュータを用いて解析的・概略的に評価できるが、高次モードを含めた制振対象９の振動特性については実際の制振対象９に適用した現地計測結果に基づき評価する必要がある。一般にアクティブ制振装置１は制振対象９に減衰を付加することで振動伝達を低減して制振するものであり、アクティブ制振装置１の制振性能は制振対象９の振動伝達をどれだけ低減できたかを指標として評価することができる。従来、アクティブ制振装置１の制振性能を現地で計測する方法として、制振対象９にアクティブ制振装置１と共に他の加振機を設置し、他の加振機で制振対象９を加振しながらアクティブ制振装置１の停止時及び起動時における制振対象９の振動波形をそれぞれ測定し、停止時の振動波形と起動時の振動波形とを比較して評価する方法（他の加振機利用型）が実施されている。しかし、このようにアクティブ制振装置１の他に加振機を利用する評価方法は、他の加振機の設置にコスト及び手間がかかるという問題点がある。

これに対し、制振対象９にアクティブ制振装置１のみを設置し、先ずアクティブ制振装置１を駆動して制振対象９の振動がある程度成長したところで制振装置１を停止して制振対象９の振動波形を測定し、次に制振対象９の振動がある程度成長したところで制振装置１の制御系１０を起動して制振対象９の振動波形を測定し、停止時（非制御時）の振動波形と起動時（制御時）の振動波形とを比較して評価する方法（他の加振機不要型）も実施されている。しかしこの評価方法は、他の加振機を必要としない利点があるものの、アクティブ制振装置１の停止時と起動時とで振動モード（周波数やモード形状）が相違するような制振対象９に対する制振性能を正確に評価できない問題点がある。

例えば制振対象９を４質点振動系とした場合に、図７に示すようにアクティブ制振装置１の停止時（非制御時）と起動時（制御時）とで振動モード形状（及び各質点の位相差）に相違が生じると、非制御時に単一モードで加振しても制御時から見ると複数の高次モードが存在することになり、非制御時の振動波形と制御時の振動波形とで比較条件が同一でなくなるため、正確な制振性能評価ができなくなる。また、他の加振機不要型の評価方法は、制振対象９の振動減衰波形の相違（例えば減衰比の相違）により制振性能を評価することになるので、制振性能の周波数特性の全体像を把握することが難しく、その点においても正確な制振性能評価が期待できない問題点がある。制振装置の停止時と起動時とで振動モード形状が相違するような制振対象９に対するアクティブ制振性能を、他に加振機を用いることなく正確に評価できる手法の開発が望まれている。

そこで本発明の目的は、振動モードの相違の影響を受けずに制振対象の制振性能を正確に評価できるアクティブ制振性能評価システム及びプログラムを提供することにある。

図１の実施例を参照するに、本発明によるアクティブ制振性能評価システムは、制振対象９の振動を検出するセンサ２と制振対象を加振するアクチュエータ３とセンサ２の検出信号に応じて制振対象９の振動抑制用の加振信号をアクチュエータ３に出力するアクティブ制振制御手段１１とを有する制振装置１の制振性能を評価するシステムにおいて、制御手段１１とアクチュエータ３との間に接続して制御手段１１の出力加振信号に外乱信号（例えば所定振幅の正弦波信号）Ａｉｆを周波数掃引しながら重畳する外乱信号重畳手段２１、制御手段１１とセンサ２との間に接続して外乱信号Ａｉｆに対するセンサ検出信号Ａｏｆの周波数別振幅比Ａｒｆ（＝Ａｏｆ／Ａｉｆ）を検出する振幅比検出手段２３、検出した周波数別振幅比Ａｒｆを記憶する記憶手段２５、及び制御手段１１に接続して制御手段１１を停止又は起動させ且つ停止時の周波数別振幅比Ａｒｆｎと起動時の周波数別振幅比Ａｒｆｃとの相違（例えば両者のピーク比又は面積比）により制御手段１１の制振性能を評価する評価手段２２を備えてなるものである。

また図１のブロック図及び図２の流れ図を参照するに、本発明によるアクティブ制振性能評価プログラムは、制振対象９の振動を検出するセンサ２の検出信号に応じて制振対象９を加振するアクチュエータ３に制振対象９の振動抑制用の加振信号を出力するアクティブ制振制御手段１１としてコンピュータ１０を機能させるプログラムの制振性能を評価するため、そのコンピュータ１０を、制御手段１１の出力加振信号に外乱信号（例えば所定振幅の正弦波信号）Ａｉｆを周波数掃引しながら重畳する外乱信号重畳手段２１、外乱信号Ａｉｆに対するセンサ検出信号Ａｏｆの周波数別振幅比Ａｒｆ（＝Ａｏｆ／Ａｉｆ）を検出する振幅比検出手段２３、検出した周波数別振幅比Ａｒｆを記憶する記憶手段２５、及び制御手段１１を停止又は起動させ且つ停止時の周波数別振幅比Ａｒｆｎと起動時の周波数別振幅比Ａｒｆｃとの相違（例えば両者のピーク比又は面積比）により制御手段１１の制振性能を評価する評価手段２２として機能させるものである。

好ましくは、記憶手段２５にセンサ２の周波数別振動伝達特性Ｇｓｆとアクチュエータ３の周波数別振動伝達特性Ｇａｆとを記憶し、評価手段２２により、外乱信号Ａｉｆに対するセンサ検出信号Ａｏｆの周波数別振幅比Ａｒｆとセンサ２及びアクチュエータ３の周波数別振動伝達特性Ｇｓｆ、Ｇａｆとから制振対象９の周波数別振動伝達率Ｇｆｆ（＝Ａｒｆ／（Ｇｓｆ・Ｇａｆ））を算出し且つ制御手段１１の停止時の周波数別振動伝達率Ｇｆｆｎと起動時の周波数別振動伝達率Ｇｆｆｃとの相違により制御手段１１の制振性能を評価する。

更に好ましくは、図１に示すように、アクチュエータ３に取り付ける加振力測定器３２、及び評価手段２５による制御手段１１の停止時に外乱信号Ａｉｆに対する加振力測定器３２の測定信号Ａｍｆを入力し且つ外乱信号Ａｉｆに対する測定信号Ａｍｆの周波数別振幅比Ａｑｆ（＝Ａｍｆ／Ａｉｆ）からアクチュエータ３の周波数別振動伝達特性Ｇａｆ（＝Ａｑｆ）を検出して記憶手段１１に設定するアクチュエータ特性同定手段３１を更に含める。

図６に示すように、アクチュエータ３を制振対象上に相対移動可能に取り付けた付加質量４を含むものとし、且つ、加振力測定器３２をその付加質量４上に取り付ける加速度計とした場合は、記憶手段１１に付加質量４の大きさｍｓと加速度計３２のゲインｋｍｓとを記憶し、アクチュエータ特性同定手段３１により、外乱信号Ａｉｆに対する加速度計３２の測定信号Ａｍｆの周波数別振幅比Ａｑｆ（＝Ａｍｆ／Ａｉｆ）と付加質量４の大きさｍｓと加速度計３２のゲインｋｍｓとからアクチュエータ３の周波数別振動伝達特性Ｇａｆ（＝（Ａｑｆ・ｍｓ）／ｋｍｓ）を検出することができる。

本発明によるアクティブ制振性能評価システム及びプログラムは、アクティブ制振制御手段１１を評価手段２２により停止又は起動させながら、外乱信号重畳手段２１により制御手段１１の出力加振信号に外乱信号Ａｉｆを周波数掃引しながら重畳してアクチュエータ３に出力し、振幅比検出手段２３により外乱信号Ａｉｆに対するセンサ検出信号Ａｏｆの周波数別振幅比Ａｒｆ（＝Ａｏｆ／Ａｉｆ）を検出して記憶手段２５に記憶し、評価手段２２により制御手段１１の停止時の周波数別振幅比Ａｒｆｎと起動時の周波数別振幅比Ａｒｆｃとの相違に基づき制御手段１１の制振性能を評価するので、次の有利な効果を奏する。

（イ）アクティブ制振制御手段１１からアクチュエータ３への加振信号に外乱信号Ａｉｆを重畳して制振対象９を加振するので、制御手段１１の停止時（非制御時）の周波数別振幅比Ａｒｆｎと起動時（制御時）の周波数別振幅比Ａｒｆｃとを同じ加振条件（制振対象９の加振状態）で検出することができ、加振条件の相違に起因する制振性能評価の精度低下を避けることができる。
（ロ）制振手段１１の起動時の周波数別振幅比Ａｒｆｎを停止時の周波数別振幅比Ａｒｆｃと同じアクチュエータ３で制振対象９を加振しながら検出するので、起動時・停止時の周波数別振幅比（周波数特性）を同じ条件で検出することができ、起動時・停止時の振動モードの相違の影響を受けずに制振性能を正確に評価することができる。
（ハ）また、外乱信号Ａｉｆの周波数を所望の範囲で掃引しながら周波数別振幅比Ａｒｆｎ、Ａｒｆｃを検出し、任意の周波数範囲で周波数別振幅比Ａｒｆｎ、Ａｒｆｃの相違（制振性能の周波数特性）を把握することができるので、広範囲な周波数特性に基づき制振性能を評価することができる。
（ニ）更に、センサ２の周波数別振動伝達特性Ｇｓｆとアクチュエータ３の周波数別振動伝達特性Ｇａｆと基づいて周波数別振幅比Ａｒｆを制振対象９の周波数別振動伝達率Ｇｆｆに変換し、制御手段１１の停止時の周波数別振動伝達率Ｇｆｆｎと起動時の周波数別振動伝達率Ｇｆｆｃとの相違により制御手段１１の制振性能を評価することにより、制振対象９に対する一層正確な制振性能評価が可能となる。
（ホ）他の加振機を用いる必要がなく、しかもアクティブ制振装置１の制御系１０にプログラムとして実装することで制振対象９に対する制振装置１の制振性能評価を簡単に且つ自動的に行うことができるので、性能評価に関わるコスト及び時間の大幅な削減に貢献できる。

図１は、本発明のアクティブ制振性能評価システム２０を、アクティブ制振装置１の制振制御システム５の制御系１０に組み込んだ実施例のブロック図を示す。図示例のアクティブ制振装置１は、制振対象９の振動を検出するセンサ２に接続するＡＤ変換器６と、制振対象９を加振するアクチュエータ３に接続するＤＡ変換器７と、アクティブ制振制御手段１１が内蔵された制御系１０とを有する。図示例では制御系１０をコンピュータとし、アクティブ制振制御手段１１をコンピュータ１０の内蔵プログラムとしている。センサ２による制振対象９の振動検出信号（センサ信号）をＡＤ変換器６経由でコンピュータ１０に入力し、その検出信号をコンピュータ１０のアクティブ制振制御プログラム１１において加振信号（制御信号）に変換し、変換した加振信号をＤＡ変換器７経由でアクチュエータ３へ出力することで制振対象９の振動を抑制する。

アクティブ制振装置１の制振制御手段１１は、上述したように制振対象９の振動特性Ｇｆ（ｓ）に応じて設計されているが、実際に適用する制振対象９の振動特性Ｇｆ（ｓ）に応じて制振性能を評価して調整する必要がある。図示例のアクティブ制振性能評価システム２０は、アクティブ制振装置１の制振制御手段１１の制振性能を、適用する制振対象９の振動伝達率（アクチュエータ３の加振力に対するセンサ２の検出信号の比率）の低減を指標として評価するものであり、制振制御手段１１に接続された評価手段２２と、制御系１０の制振制御手段１１とアクチュエータ３との間の信号化合点１３に接続された外乱信号重畳手段２１と、制御手段１１とセンサ２との間の信号分岐点１２に接続された振幅比検出手段２３と、記憶手段２５とを有する。

図示例のアクティブ制振性能評価システム２０は、評価手段２２によりアクティブ制振装置１の制振制御手段１１を停止及び起動させたうえで、外乱信号重畳手段２１により周波数ｆを掃引しながら所定振幅の外乱信号Ａｉｆ（例えば正弦波信号）を発生させ、制振制御手段１１とアクチュエータ３との間の信号化合点１３に外乱信号Ａｉｆを加える。制振制御手段１１の停止時には外乱信号Ａｉｆがアクチュエータ３に出力されて制振対象９を加振するが、制振制御手段１１の起動時には、その加振信号（制御信号）に外乱信号Ａｉｆが重畳されてアクチュエータ３に出力されて停止時と同様に制振対象９を加振しながら制振制御を行う。その後、センサ２による制振対象９の振動検出信号Ａｏｆを制振制御手段１１とセンサ２との間の信号分岐点１２から振幅比検出手段２３に入力し、外乱信号Ａｉｆに対するセンサ検出信号Ａｏｆの振幅比Ａｒｆ（＝Ａｏｆ／Ａｉｆ）を周波数ｆ別に検出し、検出した周波数ｆ別の振幅比Ａｒｆを記憶手段２５に記憶する。制振制御手段１１の停止時及び起動時に外乱信号Ａｉｆの周波数ｆを掃引しながら振幅比Ａｒｆの検出を繰り返することにより、停止時における振幅比Ａｒｆの周波数特性（周波数ｆ別の振幅比Ａｒｆｎ）と起動時における振幅比Ａｒｆの周波数特性（周波数ｆ別の振幅比Ａｒｆｃ）とをそれぞれ検出することができる。

外乱信号Ａｉｆに対するセンサ検出信号Ａｏｆの振幅比Ａｒｆには、（１）式に示すように、制振対象９の振動伝達率Ｇｆｆだけでなく、センサ２の振動伝達特性Ｇｓｆとアクチュエータ３の振動伝達特性Ｇａｆとが反映されている。しかし、掃引周波数ｆの範囲内でセンサ２及びアクチュエータ３の振動伝達特性Ｇｓｆ、Ｇａｆがほぼ一定（フラット）であれば、振幅比Ａｒｆから制振対象９の振動伝達率Ｇｆｆの変化を把握できる。例えば図示例の評価手段２２において記憶手段２５に記憶された停止時の周波数別振幅比Ａｒｆｎと起動時の周波数別振幅比Ａｒｆｃとを対比し、所定周波数範囲における両者のピーク比又は面積比の相違を検出することにより、アクティブ制振装置１の適用によって制振対象９の振動伝達率がどれだけ低減できたかを評価する。
Ａｒｆ＝Ａｏｆ／Ａｉｆ＝Ｇａｆ・Ｇｆｆ・Ｇｓｆ …………………（１）

好ましくは、アクティブ制振装置１のセンサ２の周波数ｆ別の振動伝達特性Ｇｓｆとアクチュエータ３の周波数別の振動伝達特性Ｇａｆとを記憶手段２５に記憶しておく。センサ２及びアクチュエータ３の振動伝達特性Ｇｓｆ、Ｇａｆが予め把握されていれば、性能評価システム２０の振幅比検出手段２３において（１）式に基づき振幅比Ａｒｆｎ、Ａｒｆｃから制振対象９の振動伝達率Ｇｆｆｎ、Ｇｒｆｃを周波数ｆ別に算出し、評価手段２２において制振制御手段１１の停止時の周波数別振動伝達率Ｇｆｆｎと起動時の周波数別振動伝達率Ｇｆｆｃとの相違により制御手段１１の制振性能を正確に評価することができる。ただし、センサ２の振動伝達特性Ｇｓｆは掃引周波数ｆの範囲内でフラットであることが多く、その場合は振動伝達特性Ｇｓｆを一定値としてもよい。アクチュエータ３の周波数別振動伝達特性Ｇａｆは仕様書等に基づき設定してもよい。また、図示例のようにアクティブ制振性能評価システム２０にアクチュエータ３の周波数別振動伝達特性Ｇａｆを同定するアクチュエータ特性同定手段３１を含め、その特性同定手段３１により周波数別振動伝達特性Ｇａｆを同定して記憶手段２５に設定することも可能である。アクチュエータ特性同定手段３１の一例もコンピュータ１０の内蔵プログラムであり、その作用の詳細については後述する。

図示例では、アクティブ制振性能評価システム２０の重畳手段２１、評価手段２２、検出手段２３をそれぞれコンピュータ１０の内蔵プログラムとし、記憶手段２５をコンピュータ１０のメモリ等の一次又は二次記憶装置としている。性能評価システム２０をアクティブ制振装置１の制御系１０に制振制御手段１１と共に組み込むことにより、アクティブ制振装置１を制振対象９に設置するだけで、その制振対象９に対する制振制御手段１１の制振性能を自動的に評価することが可能となる。ただし、本発明の制振性能評価システム２０は制振制御装置１の制御系１０に組み込むことを必須の条件とするものではなく、制振制御装置１の制御系１０と接続可能であるが独立したシステムとすることも可能である。

図２は、図１のようにコンピュータ１０のプログラムとして実装されたアクティブ制振性能評価システム２０による評価処理の流れ図を示す。先ずステップＳ１０１において、性能評価システム２０の評価手段２２によりアクティブ制振装置１の制振制御手段１１を例えば停止させたのち、ステップＳ１０２において外乱信号Ａｉｆの周波数ｆを初期値ｆｉ（例えば０．１Ｈｚ）に設定する。このような初期値ｆｉは、予め定めて記憶手段２５に記憶しておくことができる。ステップＳ１０３において、評価手段２２から外乱信号重畳手段２１に周波数ｆを入力して所定振幅の正弦波外乱信号Ａｉｆを発生させ、制振制御手段１１の出力加振信号（この場合は加振信号＝０）に外乱信号Ａｉｆを重畳してアクチュエータ３に出力する。ステップＳ１０４〜Ｓ１０５において、出力した外乱信号Ａｉｆにより生じる制振対象９の振動（センサ２からの振動検出信号）が定常状態になるまで待機したのち、性能評価システム２０の振幅比検出手段２３にセンサ２の振動検出信号Ａｏｆを入力して外乱信号Ａｉｆに対する検出信号Ａｏｆの振幅比Ａｒｆ（＝Ａｏｆ／Ａｉｆ）を検出する。例えばステップＳ１０４において、振幅比検出手段２３を予め定めた時間（例えば外乱信号Ａｉの周期のｎ倍等）だけ待機させるか、センサ２の検出信号Ａｏｆの振幅の変動がある一定値になるまで待機させる方法が考えられる。

振幅比検出手段２３は、ステップＳ１０７において検出した振幅比Ａｒｆを記憶手段２５に記憶したのち、評価手段２２に対して周波数ｆの振幅比Ａｒｆが記録されたことを通知する。評価手段２２は、ステップＳ１０８において設定範囲の周波数ｆの振幅比Ａｒｆが全て記憶されたか否かを確認し、全て終了していない場合はステップＳ１０９において外乱信号Ａｉｆの周波数ｆを所定刻み値Δｆ（例えば０．００１Ｈｚの刻み値）だけ変化させたうえでステップＳ１０３へ戻り、上述したステップＳ１０３〜Ｓ１０７のサイクルを繰り返す。このような刻み値Δｆも、予め定めて記憶手段２５に記憶しておくことができる。例えば外乱信号Ａｉｆの周波数ｆを所定刻み値Δｆで上昇させながら設定周波数ｆｍａｘになるまで振幅比Ａｒｆの検出を繰り返すことにより、ステップＳ１１０において制振制御手段１１の停止時における周波数別振幅比Ａｒｆｎを検出する。

好ましくは、（例えばステップＳ１０１又はそれ以前において）センサ２の周波数ｆ別の振動伝達特性Ｇｓｆ及びアクチュエータ３の周波数ｆ別の振動伝達特性Ｇａｆを予め記憶手段２５に記憶しておき、ステップＳ１０６において記憶手段２５に記憶した周波数別振動伝達特性Ｇｓｆ及びＧａｆを振幅比検出手段２３に読み込み、（１）式に基づき振幅比Ａｒｆを制振対象９の振動伝達率Ｇｆｆ（＝Ａｒｆ／（Ｇｓｆ・Ｇａｆ））に変換し、変換した振動伝達率Ｇｆｆを記憶手段２５に記憶する（ステップＳ１０７）。周波数ｆ毎に振動伝達率Ｇｆｆを記憶しながら上述したステップＳ１０３〜Ｓ１０７のサイクルを繰り返すことにより、ステップＳ１１０において制振制御手段１１の停止時における制振対象９の周波数別振動伝達率Ｇｆｆｎを検出することができる（図５参照）。

次いでアクティブ制振性能評価システム２０は、ステップＳ１０１においてアクティブ制振装置１の制振制御手段１１を起動したうえで図２の流れ図を実行することにより、制振制御手段１１の起動時における周波数別振幅比Ａｒｆｃ（及び制振対象９の周波数別振動伝達率Ｇｆｆｃ）を検出する（図５参照）。この場合は制振制御手段１１から加振信号が出力されているが、ステップＳ１０３において正弦波外乱信号Ａｉｆを加振信号に重畳してアクチュエータ３へ出力することにより、制振制御を行いながらも停止時と同様に制振対象９を定常加振する状態を作り出すことができ、外乱信号Ａｉｆの周波数ｆを所定刻み値Δｆで変化させながらステップＳ１０５の振幅比Ａｒｆの検出（及びステップＳ１０６の振動伝達率Ｇｆｆの算出）を繰り返すことにより、停止時と同様に起動時の周波数振幅比Ａｒｆｃ（及び制振対象９の周波数別振動伝達率Ｇｆｆｃ）を検出することができる。

図５は、本発明のアクティブ制振性能評価システム２０により検出した制振制御手段１１の停止時及び起動時における周波数別振動伝達率Ｇｆｆｎ、Ｇｆｆｃの一例を示す。図示例のグラフは、図４に示すようにデジタル信号処理装置（ＤＳＰ）に実装した制振対象（床モデル）９の周波数別振動特性（Ｇｆ）４１とセンサの周波数別特性（Ｇｓｆ）４２とアクチュエータの周波数別特性（Ｇａｆ）４３とからなる仮想モデル４０を用い、その仮想モデル（ＤＳＰ）４０にアクティブ制振性能評価システム２０が実装された図１の制振制御システム５を接続し、性能評価システム２０で検出した制振対象９の周波数別振動伝達率Ｇｆｆｎ、Ｇｆｆｃをデシベル値（ｄＢ値＝２０×ｌｏｇ_１０（Ｇｆｆ））で示したものである。

例えば図５のグラフにおいて、１次モードの固有振動数ｆｎの０．８〜２．０倍の範囲内（０．８ｆｎ〜２．０ｆｎ）におけるＧｆｆｎ及びＧｆｆｃのピーク値の比率（振動伝達率比＝Ｇｆｆｃ／Ｇｆｆｎ）を指標とすることにより、アクティブ制振性能評価システム２０の評価手段２２により制振制御手段１１の１次モードにおける制振性能を評価することができる。或いは振動伝達率比（＝Ｇｆｆｃ／Ｇｆｆｎ）に代えて、例えば０．８ｆｎ〜２．０ｆｎの範囲内におけるＧｆｆｎの面積（ΣＧｆｆｎ）及びＧｆｆｃの面積（ΣＧｆｆｃ）を求め、その両者の面積の比率（面積比＝ΣＧｆｆｃ／ΣＧｆｆｎ）により、アクティブ制振制御手段１１の１次モードにおける制振性能を評価手段２２において評価することも可能である。

例えば図５のグラフにおいて１次モードの固有振動数ｆｎ（６．５Ｈｚ付近）におけるデシベル値のピーク値の差（＝２０×ｌｏｇ_１０（Ｇｆｆｃ）−２０×ｌｏｇ_１０（Ｇｆｆｎ））は約−１５ｄＢであるから、アクティブ制振性能評価システム２０の評価手段２２により、振動伝達率比（＝Ｇｆｆｃ／Ｇｆｆｎ）が約０．１７７（＝１０^{（−１５／２０）}＝１０^{−０．７５}）であると評価することができる。この１次モードの振動伝達率比は、図４のデジタル信号処理装置（ＤＳＰ）に実装した制振対象特性４１、センサ特性４２、アクチュエータ特性４３、及び制振制御システム５の制振制御手段１１のパラメタに基づき解析的に算出した振動伝達率比とほぼ一致していた。本発明者は、図４の制振対象特性４１、センサ特性４２、アクチュエータ特性４３を変化させながら上述した１次モードの振動伝達率比の評価を繰り返し、解析的な結果とほぼ一致する振動伝達率比が得られることを確認できた。この結果から、本発明のアクティブ制振性能評価システム２０がアクティブ制振制御手段１１の制振性能の評価に有効であることを確認することができた。

本発明のアクティブ制振性能評価システム２０によれば、アクティブ制振制御手段１１の停止時（非制御時）・起動時（制御時）の周波数別振幅比を同じ条件で検出することができ、起動時・停止時の振動モードの相違の影響を受けずにアクティブ制振制御手段１１の制振性能を正確に評価することができる。また、外乱信号Ａｉｆの周波数を所望の範囲で掃引しながら任意の範囲でアクティブ制振制御手段１１の制振性能を評価することができ、広範囲な周波数特性に基づく制振性能評価の高精度化を図ることができる。更に、アクティブ制振装置１の制御系１０にプログラムとして実装することにより、制振対象９に対する制振装置１の制振性能評価を簡単に且つ自動的に行うことができ、性能評価に関わるコスト及び時間の大幅な削減に貢献できる。

こうして本発明の目的である「振動モードの相違の影響を受けずに制振対象の制振性能を正確に評価できるアクティブ制振性能評価システム及びプログラム」の提供を達成することができる。

図１のアクティブ制振装置１の制振制御システム５は、アクチュエータ３の周波数別振動伝達特性Ｇａｆを同定するアクチュエータ特性同定手段３１を有し、同定手段３１によりアクチュエータ３の周波数別振動伝達特性Ｇａｆを同定して記憶手段２５に設定している。アクチュエータ特性同定手段３１を設けることにより、例えば振動伝達特性Ｇａｆが不明のアクチュエータ３を制振制御システム５に接続して用いた場合でも、制振制御システム５の制振性能を正確に評価することが可能となる。また、同じ構成のアクチュエータ３であっても多少の個体差が考えられるが、アクチュエータ特性同定手段３１で振動伝達特性Ｇａｆを同定することにより、アクチュエータ３の個体差等に影響されない制振性能評価が可能となる。

図３は、図１のアクチュエータ特性同定手段３１によるアクチュエータ３の周波数別振動伝達特性Ｇａｆの同定の流れ図を示す。先ずステップＳ２０１において、アクティブ制振性能評価システム２０により制振制御手段１１を停止したうえで、アクチュエータ３に加振力測定器（例えば加速度計）３２を取り付ける。例えばアクチュエータ３を図６のようなアクティブ動吸振機（ＡＭＤ）とした場合は、制振対象９を加振する付加質量４上に加振力測定器３２を取り付ける。そして上述した図２の流れ図と同様に、ステップＳ２０２において外乱信号Ａｉｆの周波数ｆを初期値ｆｉに設定し、ステップＳ２０３において外乱信号重畳手段２１に周波数ｆに応じた所定振幅の正弦波外乱信号Ａｉを発生させてアクチュエータ３に出力する。ステップＳ２０４〜Ｓ２０５において、外乱信号Ａｉｆによるアクチュエータ３（付加質量４）の振動が定常状態になるまで待機したのち加振力測定器３２の測定信号Ａｍをアクチュエータ特性同定手段３１に入力し、外乱信号Ａｉｆに対する加振力測定器３２の測定信号Ａｍの振幅比Ａｑｆ（＝Ａｍｆ／Ａｉｆ）を検出する。

例えばアクチュエータ３をアクティブ動吸振機（ＡＭＤ）とした場合に、外乱信号Ａｉｆに対する加振力測定器３２の測定信号Ａｍの振幅比Ａｑｆには、（２）式に示すように、アクチュエータ３の振動伝達特性Ｇａｆと共に、付加質量４の大きさ（質量）ｍｓ及び加振力測定器３２のゲインｋｍｓが反映されている。しかし、付加質量４の大きさｍｓは一定値であり、加振力測定器３２のゲインｋｍｓも一般に掃引周波数ｆの範囲内でフラットであると考えることができるので、制振性能を評価する限りにおいては振幅比Ａｑｆをアクチュエータ３の振動伝達特性Ｇａｆとみなしても大きな問題は生じない。物理的に意味のある振動伝達特性Ｇａｆを求める必要がある場合は、図３のステップＳ２０６に示すように、制振制御システム５の記憶手段１１に付加質量４の大きさｍｓと加速度計３２のゲインｋｍｓとを予め求めて記憶しておき、アクチュエータ特性同定手段３１において（２）式に基づき振幅比Ａｑｆからアクチュエータ３の周波数別振動伝達特性Ｇａｆ（＝（Ａｑｆ・ｍｓ）／ｋｍｓ）を周波数ｆ別に算出することができる。
Ａｑｆ＝Ａｍｆ／Ａｉｆ＝Ｇａｆ・ｋｍｓ／ｍｓ ……………………（２）

図３のステップＳ２０７において検出した振幅比Ａｑｆ（及び振動伝達特性Ｇａｆ）を記憶手段２５に記憶したのち、ステップＳ２０８において設定範囲の周波数ｆの振幅比Ａｑｆ（又はＧａｆ）が全て記憶されたか否かを確認し、全て終了していない場合はステップＳ２０９において外乱信号Ａｉｆの周波数ｆを所定刻み値Δｆだけ変化させたうえでステップＳ２０３へ戻り、上述したステップＳ２０３〜Ｓ２０７のサイクルを繰り返す。上述した図２の流れ図と同様に、外乱信号Ａｉｆの周波数ｆが設定周波数ｆｍａｘになるまで振幅比Ａｑｆ（及び振動伝達特性Ｇａｆ）の検出を繰り返すことにより、ステップＳ２１０においてアクチュエータ３の特性である周波数別振幅比Ａｑｆ（及び振動伝達特性Ｇａｆ）を同定できる。

本発明システムの一実施例の構成を示す説明図である。 図１のシステムにおける性能評価プログラムの流れ図の一例である。 図１のシステムにおけるアクチュエータの特性同定方法の流れ図の一例である。 図１のシステムの性能確認実験装置の説明図である。 本発明システムによる制振性能評価の結果を示すグラフの一例である。 従来のアクティブ制振装置の一例の説明図である。 アクティブ制振装置の停止時（非制御時）と起動時（制御時）とにおける制振対象の振動モード形状の相違を示す説明図である。

符号の説明

１…アクティブ制振装置 ２…振動センサ
３…アクチュエータ ４…付加質量
５…アクティブ制振制御システム ６…ＡＤ（アナログ／デジタル）変換器
７…ＤＡ（デジタル／アナログ）変換器 ９…制振対象（構造物）
１０…制御系（コンピュータ） １１…制御手段
１２…信号分岐点 １３…信号加合点
１４…スイッチ
２０…制振性能評価手段 ２１…外乱信号重畳手段（信号発生手段）
２２…振幅比検出手段 ２３…評価手段
２５…記憶手段
３１…アクチュエータ特性同定手段 ３２…加振力測定器（加速度計）
３３…ＡＤ（アナログ／デジタル）変換器
４０…仮想モデル ４１…制振対象振動特性
４２…センサ特性 ４３…アクチュエータ特性
４４…加速度ゲイン ４５…加速度ゲイン
４６…ＡＤ（アナログ／デジタル）変換器 ４７…ＤＡ（デジタル／アナログ）変換器
４８…周波数特性分析器

Claims (8)

1. 制振対象の振動を検出するセンサと制振対象を加振するアクチュエータと前記センサの検出信号に応じて制振対象の振動抑制用の加振信号を前記アクチュエータに出力するアクティブ制振制御手段とを有する制振装置の制振性能を評価するシステムにおいて、前記制御手段とアクチュエータとの間に接続して前記制御手段の出力加振信号に外乱信号を周波数掃引しながら重畳する外乱信号重畳手段、前記制御手段とセンサとの間に接続して前記外乱信号に対するセンサ検出信号の周波数別振幅比を検出する振幅比検出手段、前記検出した周波数別振幅比を記憶する記憶手段、及び前記制御手段に接続して制御手段を停止又は起動させ且つ停止時の前記周波数別振幅比と起動時の前記周波数別振幅比との相違により制御手段の制振性能を評価する評価手段を備えてなるアクティブ制振性能評価システム。
2. 請求項１のシステムにおいて、前記記憶手段に前記センサ及びアクチュエータの周波数別振動伝達特性を記憶し、前記評価手段を、前記外乱信号に対するセンサ検出信号の周波数別振幅比と前記センサ及びアクチュエータの周波数別振動伝達特性とから制振対象の周波数別振動伝達率を算出し且つ前記制御手段の停止時の周波数別振動伝達率と起動時の周波数別振動伝達率との相違により制御手段の制振性能を評価するものとしてなるアクティブ制振性能評価システム。
3. 請求項２のシステムにおいて、前記アクチュエータに取り付ける加振力測定器、及び前記評価手段による制御手段の停止時に前記外乱信号に対する加振力測定器の測定信号を入力し且つ前記外来信号に対する測定信号の周波数別振幅比からアクチュエータの周波数別振動伝達特性を検出して前記記憶手段に設定するアクチュエータ特性同定手段を更に含めてなるアクティブ制振性能評価システム。
4. 請求項３のシステムにおいて、前記アクチュエータを制振対象上に相対移動可能に取り付けた付加質量を含むものとし、前記加振力測定器を付加質量上に取り付ける加速度計とし、前記記憶手段に付加質量の大きさと加速度計のゲインとを記憶し、前記アクチュエータ特性同定手段を、前記外乱信号に対する加速度計の測定信号の周波数別振幅比と前記付加質量の大きさ及び加速度計のゲインとからアクチュエータの周波数別振動伝達特性を検出するものとしてなるアクティブ制振性能評価システム。
5. 制振対象の振動を検出するセンサの検出信号に応じて制振対象を加振するアクチュエータに制振対象の振動抑制用の加振信号を出力するアクティブ制振制御手段としてコンピュータを機能させるプログラムの制振性能を評価するため、当該コンピュータを、前記制御手段の出力加振信号に外乱信号を周波数掃引しながら重畳する外乱信号重畳手段、前記外乱信号に対するセンサ検出信号の周波数別振幅比を検出する振幅比検出手段、前記検出した周波数別振幅比を記憶する記憶手段、及び前記制御手段を停止又は起動させ且つ停止時の前記周波数別振幅比と起動時の前記周波数別振幅比との相違により制御手段の制振性能を評価する評価手段として機能させるアクティブ制振性能評価プログラム。
6. 請求項５のプログラムにおいて、前記記憶手段に前記センサ及びアクチュエータの周波数別振動伝達特性を記憶し、前記評価手段を、前記外乱信号に対するセンサ検出信号の周波数別振幅比と前記センサ及びアクチュエータの周波数別振動伝達特性とから制振対象の周波数別振動伝達率を算出し且つ前記制御手段の停止時の周波数別振動伝達率と起動時の周波数別振動伝達率との相違により制御手段の制振性能を評価するものとしてなるアクティブ制振性能評価プログラム。
7. 請求項６のプログラムにおいて、前記評価手段による制御手段の停止時に前記アクチュエータに取り付けた加振力測定器の前記外乱信号に対する測定信号を入力し且つ前記外来信号に対する測定信号の周波数別振幅比からアクチュエータの周波数別振動伝達特性を検出して前記記憶手段に設定するアクチュエータ特性同定手段を更に含めてなるアクティブ制振性能評価プログラム。
8. 請求項７のプログラムにおいて、前記アクチュエータを制振対象上に相対移動可能に取り付ける付加質量を含むものとし、且つ、前記加振力測定器を付加質量上に取り付ける加速度計とした場合に、前記記憶手段に付加質量の大きさと加速度計のゲインとを記憶し、前記アクチュエータ特性同定手段を、前記外乱信号に対する加速度計の測定信号の周波数別振幅比と前記付加質量の大きさ及び加速度計のゲインとからアクチュエータの周波数別振動伝達特性を検出するものとしてなるアクティブ制振性能評価プログラム。