JP2010085373A - Device, method, and program for detecting frequency of vibrations and antivibration apparatus - Google Patents
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Description
本発明は振動数検出装置、方法、プログラム及び制振装置に係り、特に、正弦波又は正弦波に近似した周期変化を示す入力信号の振動数を検出する振動数検出装置、該振動数検出装置を備えた制振装置、前記振動数検出装置に適用可能な振動数検出方法、及び、コンピュータを前記振動数検出装置として機能させるための振動数検出プログラムに関する。 The present invention relates to a frequency detection device, a method, a program, and a vibration control device, and in particular, a frequency detection device that detects a frequency of an input signal that exhibits a sine wave or a periodic change approximated to a sine wave, and the frequency detection device. The present invention relates to a vibration detection device provided with a frequency detection method, a frequency detection method applicable to the frequency detection device, and a frequency detection program for causing a computer to function as the frequency detection device.
従来より、制振対象物体の振動を検出し、制振用アクチュエータによって制振対象物体に加える加振力を、制振対象物体の振動の検出結果に応じて制御することで、制振対象物体の振動を抑制する制振装置が知られている(例えば特許文献1,2等を参照)。この種の制振装置における振動数の検出にはゼロクロッシング法が用いられている。ゼロクロッシング法は、周期変化を示す検出対象信号がゼロ線を複数回交差(クロス)した点の時間間隔を測定し、測定した時間間隔を2倍して周期Tを求めることで、検出対象信号の周期変化の振動数(周波数)f(=1/T)を検出するものである。ゼロクロッシング法は、物体の振動の振動数を求める場合のみならず、様々な分野での振動数の検出に多用されている。
ゼロクロッシング法による振動数の検出では、実用上は、ある時間長さにゼロ線をクロスした回数からゼロ線をクロスするタイミングの平均的な時間間隔を求める場合が多い。このとき、検出対象の振動数がΔFだけ変化した場合、理論上、変化後の振動数の検出に最短でも1/Δf秒の時間を要し、検出対象の振動数が低振動数域になるに従って上記時間が長時間化するという問題がある。例えば検出対象の振動数が3.0Hzから3.1Hzへ0.1Hzだけ変化した場合、変化後の振動数の検出には最短でも10秒(=1/|3.0−3.1|)もの長い時間を要することになる。また、振動数の検出に用いる信号にノイズ成分が混入している場合には、混入しているノイズ成分を除去するためのフィルタ処理も必要となるので、検出対象の振動数が変化した場合の変化後の振動数の検出に要する時間は上記の理論値よりも更に長時間化する。 In the frequency detection by the zero crossing method, in practice, an average time interval of the timing of crossing the zero line is often obtained from the number of times the zero line is crossed over a certain time length. At this time, if the frequency of the detection target changes by ΔF, theoretically, it takes a time of 1 / Δf seconds at the minimum to detect the changed frequency, and the frequency of the detection target falls in the low frequency range. Accordingly, there is a problem that the above time becomes longer. For example, if the detection target frequency changes from 3.0 Hz to 3.1 Hz by 0.1 Hz, detection of the frequency after the change requires at least 10 seconds (= 1 / | 3.0-3.1 |). Become. In addition, when noise components are mixed in the signal used to detect the frequency, filter processing is also required to remove the mixed noise components. The time required for detecting the frequency after the change is longer than the above theoretical value.
ゼロクロッシング法による振動数の検出において、検出対象の振動数が変化した場合に変化後の振動数の検出に実際にどの程度の時間を要するのかを確認するため、本願発明者等は、フィルタ処理によって入力信号のノイズ成分を除去すると共に、ゼロクロッシング法で振動数を検出する構成の既存の振動数検出装置に対し、振動数が30Hzの入力信号を入力している状態から入力信号の振動数を40Hzに切替えたときに、振動数の変化が検出される迄の所要時間を計測する実験を行った。その結果、入力信号の振動数を40Hzに切替えてから、振動数の検出結果が40Hzになる迄に4秒程度の時間が掛ることが明らかとなった。この結果から、より低い振動数域の振動数の検出で検出対象の振動数が変化した場合、例えば検出対象の振動数が3.0Hzから4.0Hzへ変化した場合には、1/Δfの値が上記実験の10倍となることから、変化した後の振動数の検出に40秒程度もの非常に長い時間が掛る可能性が高いものと推定できる。 In the detection of the frequency by the zero crossing method, in order to confirm how much time is actually required to detect the frequency after the change when the frequency of the detection target is changed, the inventors of the present application perform a filtering process. The noise component of the input signal is removed and the frequency of the input signal is changed from the state in which the input signal having a frequency of 30 Hz is input to the existing frequency detection device configured to detect the frequency by the zero crossing method. An experiment was conducted to measure the time required until a change in frequency was detected when switching to 40 Hz. As a result, it has become clear that it takes about 4 seconds until the frequency detection result becomes 40 Hz after the frequency of the input signal is switched to 40 Hz. From this result, when the frequency of the detection target is changed by detecting the frequency in the lower frequency range, for example, when the frequency of the detection target is changed from 3.0 Hz to 4.0 Hz, the value of 1 / Δf is Since it is 10 times the above experiment, it can be estimated that the detection of the frequency after the change is likely to take a very long time of about 40 seconds.
従って、ゼロクロッシング法による振動数の検出を、例えば比較的低い振動数で振動する制振対象物の制振に適用した場合、制振対象物の振動の振動数の変化に対し、制振用アクチュエータの制御に非常に長い時間遅れが生ずることで、制振対象物の振動を精度良く抑制することが困難という問題があった。なお、振動数の検出方法としては、上述したゼロクロッシング法以外に、検出対象の振動と基準振動との波の干渉によるビートの数をカウントする方法(ヘテロダイン法)も知られているが、このヘテロダイン法についても、両者の振動数が接近するに従ってビートの時間間隔が増大するので、ゼロクロッシング法と同様に、振動数が変化した場合の変化後の振動数の検出に時間が掛るという問題があった。 Therefore, when the detection of the frequency by the zero crossing method is applied to, for example, vibration suppression of a vibration control object that vibrates at a relatively low frequency, the vibration control There has been a problem that it is difficult to accurately control the vibration of the object to be controlled because a very long time delay occurs in the control of the actuator. In addition to the zero crossing method described above, a method of counting the number of beats due to wave interference between the vibration to be detected and the reference vibration (heterodyne method) is also known as the frequency detection method. Also in the heterodyne method, the beat time interval increases as the two frequencies approach each other. Therefore, as with the zero crossing method, it takes time to detect the changed frequency when the frequency changes. there were.
本発明は上記事実を考慮して成されたもので、検出対象の振動数が変化した場合に、変化後の振動数の検出に要する時間を短縮できる振動数検出装置、振動数検出方法及び振動数検出プログラムを得ることが目的である。 The present invention has been made in consideration of the above facts, and when the frequency of the detection target changes, the frequency detection device, the frequency detection method, and the vibration that can reduce the time required to detect the frequency after the change The purpose is to obtain a number detection program.
また本発明は、制振対象物体の振動の振動数が変化した場合にも制振対象物体の振動を精度良く抑制できる制振装置を得ることが目的である。 It is another object of the present invention to provide a vibration damping device that can accurately suppress vibration of a vibration suppression target object even when the vibration frequency of the vibration suppression target object changes.
或る周期関数f(t)=Asin(ωt+θ)(但しω=2πfでfは周期関数f(t)の振動数、Aは振幅、θは位相)を時間tで積分すると、周期関数F(t)=−(A/ω)cos(ωt+θ)が得られる。このように、周期関数f(t)を時間tで積分することで得られる周期関数F(t)は、振幅が元の周期関数f(t)の1/ω倍となる。また、周期関数f(t)の実効値fe(t)、周期関数F(t)の実効値Fe(t)は次の(1)式で表される。
fe(t)=A/√2 Fe(t)=A/(√2・ω) …(1)
このように、周期関数F(t)の実効値Fe(t)も周期関数f(t)の実効値fe(t)の1/ω倍となるので、次の(2)式に示すように、実効値fe(t)と実効値Fe(t)との比(実効値fe(t)を実効値Fe(t)で除した値)を2πで除することで、周期関数f(t)の振動数fが求まることになる。
fe(t)/(Fe(t)・2π)=ω/2π=2πf/2π=f …(2)
また、周期関数f(t)=Asin(ωt+θ)を時間tで微分すると、周期関数F'(t)=Aωcos(ωt+θ)が得られる。このように、周期関数f(t)を時間tで微分することで得られる周期関数F'(t)は、振幅が元の周期関数f(t)のω倍となる。また、周期関数f(t)の実効値fe(t)、周期関数F'(t)の実効値F'e(t)は次の(3)式で表される。
fe(t)=A/√2 Fe(t)=(A・ω)/√2 …(3)
このように、周期関数F'(t)の実効値F'e(t)も周期関数f(t)の実効値fe(t)のω倍となるので、次の(4)式に示すように、実効値fe(t)と実効値Fe(t)との比(実効値F'e(t)を実効値fe(t)で除した値)を2πで除することで、周期関数f(t)の振動数fが求まることになる。
F'e(t)/(fe(t)・2π)=ω/2π=2πf/2π=f …(4)
本願発明者等は、上記(2),(4)式から明らかなように、入力信号の実効値と、入力信号の積分値又は微分値の実効値と、の比が入力信号の周期変化の振動数fに比例することに基づき、これを利用して振動数fを演算するようにすれば、ゼロクロッシング法等を用いる場合と比較して、検出対象の振動数が変化した場合も変化後の振動数を短時間で検出できることに想到し、本発明を成すに至った。
When a certain periodic function f (t) = Asin (ωt + θ) (where ω = 2πf, f is the frequency of the periodic function f (t), A is the amplitude, and θ is the phase) is integrated over time t, the periodic function F ( t) =-(A / ω) cos (ωt + θ) is obtained. Thus, the periodic function F (t) obtained by integrating the periodic function f (t) at time t has an amplitude that is 1 / ω times the original periodic function f (t). The effective value fe (t) of the periodic function f (t) and the effective value Fe (t) of the periodic function F (t) are expressed by the following equation (1).
fe (t) = A / √2 Fe (t) = A / (√2 · ω) (1)
Thus, since the effective value Fe (t) of the periodic function F (t) is also 1 / ω times the effective value fe (t) of the periodic function f (t), the following equation (2) is obtained. By dividing the ratio of the effective value fe (t) to the effective value Fe (t) (the value obtained by dividing the effective value fe (t) by the effective value Fe (t)) by 2π, the periodic function f (t) The frequency f is obtained.
fe (t) / (Fe (t) · 2π) = ω / 2π = 2πf / 2π = f (2)
Further, when the periodic function f (t) = Asin (ωt + θ) is differentiated with respect to time t, the periodic function F ′ (t) = Aωcos (ωt + θ) is obtained. Thus, the periodic function F ′ (t) obtained by differentiating the periodic function f (t) with respect to time t has an amplitude that is ω times the original periodic function f (t). The effective value fe (t) of the periodic function f (t) and the effective value F′e (t) of the periodic function F ′ (t) are expressed by the following equation (3).
fe (t) = A / √2 Fe (t) = (A · ω) / √2 (3)
Thus, since the effective value F′e (t) of the periodic function F ′ (t) is also ω times the effective value fe (t) of the periodic function f (t), the following equation (4) is obtained. Further, by dividing the ratio of the effective value fe (t) to the effective value Fe (t) (the value obtained by dividing the effective value F′e (t) by the effective value fe (t)) by 2π, the periodic function f The frequency f of (t) is obtained.
F′e (t) / (fe (t) · 2π) = ω / 2π = 2πf / 2π = f (4)
As is clear from the above equations (2) and (4), the inventors of the present application determine that the ratio between the effective value of the input signal and the effective value of the integral value or the differential value of the input signal is the change in the period of the input signal. If the frequency f is calculated based on the fact that it is proportional to the frequency f, the frequency to be detected is also changed after the change compared to the case of using the zero crossing method or the like. The inventors have conceived that the vibration frequency can be detected in a short time, and have achieved the present invention.
上記に基づき請求項1記載の発明に係る振動数検出装置は、正弦波又は正弦波に近似した周期変化を示す入力信号の積分値又は微分値を繰り返し演算する第1演算手段と、前記入力信号の実効値及び前記第1演算手段によって演算された前記積分値又は前記微分値の実効値を繰り返し演算する第2演算手段と、前記第2演算手段によって演算された前記入力信号の実効値と、前記第2演算手段によって演算された前記積分値又は前記微分値の実効値と、の比を用いて前記入力信号の周期変化の振動数を演算することを繰り返す第3演算手段と、を含んで構成されている。 Based on the above, the frequency detection device according to the first aspect of the present invention includes a first calculation means for repeatedly calculating an integral value or a differential value of an input signal indicating a sine wave or a periodic change approximated to a sine wave, and the input signal. Second effective means for repeatedly calculating the effective value of the integral value or the differential value calculated by the first calculating means, and the effective value of the input signal calculated by the second calculating means, And third calculation means for repeatedly calculating the frequency of the periodic change of the input signal using a ratio of the integral value or the effective value of the differential value calculated by the second calculation means. It is configured.
請求項1記載の発明では、正弦波又は正弦波に近似した周期変化を示す入力信号の積分値又は微分値が第1演算手段によって繰り返し演算され、入力信号の実効値、及び、第1演算手段によって演算された入力信号の積分値又は微分値の実効値が第2演算手段によって繰り返し演算される。そして第3演算手段は、第2演算手段によって演算された入力信号の実効値と、第2演算手段によって演算された入力信号の積分値又は微分値の実効値と、の比を用いて入力信号の周期変化の振動数を演算することを繰り返す。 According to the first aspect of the present invention, the integral value or the differential value of the input signal indicating a sine wave or a periodic change approximated to a sine wave is repeatedly calculated by the first calculation means, and the effective value of the input signal and the first calculation means The effective value of the integral value or differential value of the input signal calculated by the above is repeatedly calculated by the second calculation means. The third calculating means uses the ratio between the effective value of the input signal calculated by the second calculating means and the effective value of the integral value or differential value of the input signal calculated by the second calculating means. Repeat the calculation of the frequency of the period change.
ゼロクロッシング法等のように入力信号の周期を計測して振動数を検出する場合、振動数の検出結果が更新される周期は検出対象の振動数の周期に依存し、振動数の検出を検出対象の振動数の周期よりも非常に短い周期で行ったとしても、振動数の検出結果が更新される周期は、理論上、最短でも検出対象の振動数の周期の1/2以上となる。これに対して請求項1記載の発明は、入力信号の実効値と、入力信号の積分値又は微分値の実効値と、の比を用いて振動数を演算(検出)することを繰り返すものであり、入力信号の実効値、及び、入力信号の積分値又は微分値の実効値は、入力信号の周期変化の振動数が変化すると、この振動数の変化に応じて即座に値が変化する。従って、第1演算手段〜第3演算手段の繰り返し演算の演算周期を検出対象の振動数の周期に比して十分に小さくすることで、ゼロクロッシング法等のように入力信号の周期を計測して振動数を検出する場合と比較して、検出対象の振動数(入力信号の周期変化の振動数)が変化した場合に、変化後の振動数の検出に要する時間を短縮することができる。 When measuring the frequency by measuring the period of the input signal, such as the zero crossing method, the frequency at which the detection result of the frequency is updated depends on the frequency of the target frequency, and the detection of the frequency is detected. Even if it is performed with a period that is much shorter than the period of the target frequency, the period in which the detection result of the frequency is updated is theoretically at least 1/2 of the period of the target frequency. On the other hand, the invention according to claim 1 repeats the calculation (detection) of the frequency using the ratio of the effective value of the input signal and the effective value of the integral value or differential value of the input signal. Yes, the effective value of the input signal and the effective value of the integral value or the differential value of the input signal change immediately according to the change of the frequency when the frequency of the periodic change of the input signal changes. Therefore, the cycle of the input signal is measured as in the zero crossing method, etc. by making the calculation cycle of the repetitive calculation of the first calculation means to the third calculation means sufficiently smaller than the frequency of the frequency to be detected. Compared with the case where the frequency is detected, the time required to detect the frequency after the change can be shortened when the frequency of the detection target (the frequency of the change in the period of the input signal) changes.
なお、請求項1記載の発明において、第1演算手段が入力信号の積分値を演算する場合には、例えば請求項2に記載したように、第2演算手段は入力信号の積分値の実効値を演算し、第3演算手段は、第2演算手段によって演算された入力信号の実効値を、第2演算手段によって演算された入力信号の積分値の実効値及び2πで各々除した値を振動数として演算するように構成することができる。上記演算により、先の(2)式からも明らかなように、入力信号の周期変化の振動数fを演算(検出)することができる。
In the first aspect of the invention, when the first calculation means calculates the integral value of the input signal, for example, as described in
また、請求項1記載の発明において、第1演算手段が入力信号の微分値を演算する場合には、例えば請求項3に記載したように、第2演算手段は入力信号の微分値の実効値を演算し、第3演算手段は、第2演算手段によって演算された入力信号の微分値の実効値を、第2演算手段によって演算された入力信号の実効値及び2πで各々除した値を振動数として演算するように構成することができる。上記演算により、先の(4)式からも明らかなように、入力信号の周期変化の振動数fを演算(検出)することができる。
In the first aspect of the invention, when the first calculation means calculates the differential value of the input signal, for example, as described in
また、請求項1〜請求項3の何れかに記載の発明において、第2演算手段による、入力信号の実効値、又は、入力信号の積分値の実効値、又は、入力信号の微分値の実効値の演算は、例えば請求項4に記載したように、実効値の演算対象の入力信号又は入力信号の積分値又は入力信号の微分値に対し、2乗値を演算し、所定の振動数以上の振動数範囲の信号成分を除去するローパスフィルタ処理を行い、1/2乗値を演算することで行うことができる。
In the invention according to any one of
また、請求項1〜請求項4の何れかに記載の発明において、第1演算手段は、例えば請求項5に記載したように、入力信号に対して入力信号の積分値又は入力信号の微分値の演算を行う前に、検出対象の振動数を含む所定の振動数範囲から外れている信号成分を入力信号から除去するバンドパスフィルタ処理を行うように構成することが好ましい。これにより、周期変化を示しかつ当該周期変化の振動数が所定の振動数範囲外のノイズ成分が入力信号に混入している場合にも、この混入ノイズ成分がバンドパスフィルタ処理によって除去されることで、上記の混入ノイズ成分が振動数の検出に及ぼす影響を低減することができ、振動数の検出精度を向上させることができる。
Moreover, in the invention according to any one of
また、本願発明者が実施した実験の結果、本発明を適用して入力信号の周期変化の振動数を検出した場合、振動数の検出結果に比較的高振動数域のノイズ成分が重畳され、この重畳ノイズ成分の影響で、検出した振動数の値が比較的短い周期で変動することが確認された(詳細は後述)。これを考慮すると、請求項1〜請求項5の何れかに記載の発明において、第3演算手段は、例えば請求項6に記載したように、振動数の演算結果から、検出対象の振動数よりも高い所定の振動数以上の振動数範囲の信号成分を除去するローパスフィルタ処理をN回(N≧1)行うように構成することが好ましい。これにより、振動数の演算結果から比較的高振動数域の重畳ノイズ成分を除去することができ、振動数の検出精度を向上させることができる。
In addition, as a result of experiments conducted by the inventors of the present application, when the frequency of the change in period of the input signal is detected by applying the present invention, a noise component in a relatively high frequency range is superimposed on the detection result of the frequency, It was confirmed that the value of the detected frequency fluctuates in a relatively short cycle due to the influence of this superimposed noise component (details will be described later). In consideration of this, in the invention according to any one of
請求項7記載の発明に係る制振装置は、基準物体との間にばね及びダンパが介在された制振対象物体の振動を検出する検出手段と、前記検出手段から出力される振動検出信号を前記入力信号とし、制振対象物体の振動の振動数を検出する請求項1〜請求項6の何れか1項記載の振動数検出装置と、前記制振対象物体の振動を抑制する加振力を前記制振対象物体に加えることが可能な制振用アクチュエータと、前記振動数検出装置によって検出された前記制振対象物体の振動の振動数に基づいて、前記制振用アクチュエータが前記制振対象物体に加える加振力を制御する制御手段と、を含んで構成されている。
According to a seventh aspect of the present invention, there is provided a vibration damping device comprising: detection means for detecting vibration of a vibration suppression target object having a spring and a damper interposed between the reference object and a vibration detection signal output from the detection means. The frequency detection device according to any one of
請求項7記載の発明は、請求項1〜請求項6の何れか1項記載の振動数検出装置を備えており、基準物体との間にばね及びダンパが介在された制振対象物体の振動が検出手段によって検出され、前述の振動数検出装置は、検出手段から出力される振動検出信号を入力信号とし、制振対象物体の振動の振動数を検出する。これにより、制振対象物体の振動の振動数が変化した場合にも、変化した後の振動数が振動数検出装置によって短時間で検出される。そして制御手段は、振動数検出装置によって検出された制振対象物体の振動における振動数に基づいて、制振用アクチュエータが制振対象物体に加える加振力を制御するので、制振対象物体の振動の振動数が変化した場合の制御遅れを最小限に抑制することができ、制振対象物体の振動の振動数が変化した場合にも制振対象物体の振動を精度良く抑制できる。 A seventh aspect of the invention includes the vibration detection device according to any one of the first to sixth aspects, wherein the vibration of the vibration suppression target object in which a spring and a damper are interposed between the reference object and the reference object. Is detected by the detection means, and the above-described frequency detection device detects the vibration frequency of the vibration control target object using the vibration detection signal output from the detection means as an input signal. Thereby, even when the vibration frequency of the vibration suppression target object changes, the changed frequency is detected in a short time by the frequency detection device. The control means controls the excitation force applied to the vibration suppression object by the vibration suppression actuator based on the vibration frequency in the vibration of the vibration suppression object detected by the vibration frequency detection device. The control delay when the vibration frequency changes can be suppressed to the minimum, and the vibration of the vibration control target object can be accurately suppressed even when the vibration frequency of the vibration control target object changes.
請求項8記載の発明に係る振動数検出方法は、正弦波又は正弦波に近似した周期変化を示す入力信号の積分値又は微分値を演算し、前記入力信号の実効値、及び、前記入力信号の前記積分値又は前記微分値の実効値を演算し、前記入力信号の実効値と、前記入力信号の前記積分値又は前記微分値の実効値と、の比を用いて前記入力信号の周期変化の振動数を演算することを繰り返すので、請求項1記載の発明と同様に、検出対象の振動数が変化した場合に、変化後の振動数の検出に要する時間を短縮することができる。 According to an eighth aspect of the present invention, there is provided a frequency detection method, comprising: calculating an integral value or a differential value of an input signal indicating a sine wave or a periodic change approximated to a sine wave; and calculating an effective value of the input signal and the input signal. The effective value of the integral value or the differential value of the input signal is calculated, and the period change of the input signal is calculated using the ratio between the effective value of the input signal and the effective value of the integral value or the differential value of the input signal. Since the calculation of the frequency is repeated, the time required for detecting the frequency after the change can be reduced when the frequency of the detection target is changed, as in the first aspect of the invention.
請求項9記載の発明に係る振動数検出プログラムは、コンピュータを、正弦波又は正弦波に近似した周期変化を示す入力信号の積分値又は微分値を演算する第1演算手段、前記入力信号の実効値及び前記第1演算手段によって演算された前記積分値又は前記微分値の実効値を演算する第2演算手段、及び、前記第2演算手段によって演算された前記入力信号の実効値と、前記第2演算手段によって演算された前記積分値又は前記微分値の実効値と、の比を用いて前記入力信号の周期変化の振動数を演算する第3演算手段として機能させる。 According to a ninth aspect of the present invention, there is provided a frequency detection program comprising: a first calculation means for calculating an integral value or differential value of an input signal indicating a sine wave or a periodic change approximated to a sine wave; A second computing means for computing an effective value of the integral value or the differential value computed by the first computing means, and an effective value of the input signal computed by the second computing means; 2 function as third calculation means for calculating the frequency of the periodic change of the input signal using the ratio of the integral value or the effective value of the differential value calculated by the calculation means.
請求項9記載の発明に係る振動数検出プログラムは、コンピュータを、上記の第1演算手段、第2演算手段及び第3演算手段として機能させるためのプログラムであるので、コンピュータが請求項9記載の発明に係る振動数検出プログラムを実行することで、コンピュータが請求項1に記載の振動数検出装置として機能することになり、請求項1記載の発明と同様に、検出対象の振動数が変化した場合に、変化後の振動数の検出に要する時間を短縮することができる。
Since the frequency detection program according to the invention described in
以上説明したように本発明は、入力信号の積分値又は微分値を演算し、入力信号の実効値、及び、入力信号の積分値又は微分値の実効値を演算し、入力信号の実効値と、入力信号の積分値又は微分値の実効値と、の比を用いて入力信号の周期変化の振動数を演算するので、検出対象の振動数が変化した場合に、変化後の振動数の検出に要する時間を短縮できる、という優れた効果を有する。 As described above, the present invention calculates the integral value or differential value of the input signal, calculates the effective value of the input signal, and the effective value of the integral value or differential value of the input signal, Because the frequency of the input signal's period change is calculated using the ratio of the input signal's integral value or differential value to the effective value, detection of the changed frequency when the target frequency changes It has an excellent effect that the time required for the process can be shortened.
また本発明は、請求項1〜請求項6の何れか1項記載の振動数検出装置によって制振対象物体の振動の振動数を検出し、検出した振動数に基づいて、制振用アクチュエータが制振対象物体に加える加振力を制御するので、制振対象物体の振動の振動数が変化した場合にも制振対象物体の振動を精度良く抑制できる、という優れた効果を有する。
According to the present invention, the vibration frequency detection device according to any one of
以下、図面を参照して本発明の実施形態の一例を詳細に説明する。図1には本実施形態に係る構造物(建物)10が示されている。構造物10は、地盤22に対して鉛直方向にコンクリート等から成る杭12が形成され、杭12上にH鋼から成る複数の柱14と複数の梁16が組み上げられ固定されることで地面20上に構築されている。また構造物10には、大人数を収容可能なホール24が最上階に設けられている。ホール24には、ホール24の床部18で発生した、ホール24を含む上部構造体の振動(の振幅及び振動数)を検出する振動センサ26が設けられている。
Hereinafter, an example of an embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. FIG. 1 shows a structure (building) 10 according to the present embodiment. In the
一方、ホール24直下の複数の柱14Aの中央部14Bには、ホール24の床部18で発生した上部構造体の振動(図1の矢印A参照)を打ち消す振動(図1の矢印B参照)を発生可能な制振装置100が取付けられている。ホール24の下の階には、振動センサ26によって検出された振動の振幅及び振動数に基づいて、制振装置100で発生させる振動を制御する制御装置30が設置されている。制御装置30と振動センサ26はケーブル28で接続されており、より詳しくは、図4に示すように、制御装置30の増幅器84及びA/D変換器86を介してコンピュータ88に接続されている。従って、振動センサ26から出力された振動検出信号は、増幅器84で増幅され、A/D変換器86でデジタルの振動検出データへ変換された後にコンピュータ88へ入力される。また制御装置30と制振装置100はケーブル32で接続されている。制御装置30は図示しない電源を内蔵しており、制振装置100を作動させるための電力は制御装置30からケーブル32を介して制振装置100へ供給される。
On the other hand, in the
なお、本実施形態に係る構造物10のうち、制振装置100が取付けられている部分よりも下方の部分(下部構造体)と、制振装置100が取付けられている部分よりも上方の部分(ホール24を含む上部構造体)との間には、制振装置100以外にも柱や梁等の支持部材が設けられているが、これらの支持部材を下部構造体と上部構造体との間の振動の伝達に関してモデル化した場合、上記の支持部材はばねとダンパで表すことができる。従って、本実施形態に係る構造物10のうち、下部構造体は請求項7に記載の基準物体に、上部構造体は請求項7に記載の制振対象物体に、上記の支持部材は請求項7に記載の「基準物体と制振対象物体の間に介在されたばね及びダンパ」に各々対応している。また、制振装置100は請求項7に記載の制振用アクチュエータに、振動センサ26は請求項7に記載の検出手段に各々対応している。
In addition, in the
図2(A)に示すように、制振装置100は、鋼板から成り柱14Aの中央部14Bのフランジの間に水平に配置され、中央部14Bのフランジに溶接された天井壁104及び底壁106を備え、中央部14Bのウェブの両側には、天井壁104と底壁106で囲まれた収納部107A,107Bが各々形成されており、収納部107A,107Bには各々制振装置100が収容されている。なお、収納部107A,107Bに収容されている制振装置100は同一構成のため、以下では収納部107Aに収容されている制振装置100について説明する。
As shown in FIG. 2A, the
図2(A),(B)に示すように、制振装置100は、振動を発生させる加振部108と、加振部108で発生された振動数を増幅して天井壁104及び底壁106へ伝達する振動増幅部110に大別される。
As shown in FIGS. 2A and 2B, the
加振部108は、コ字状の断面の各々の開口部が隙間部121を形成しつつ対向するように一対のチャンネル型鋼140が底板118上に立設されて成る支柱120と、支柱120の両側に立設された2本の補助支柱126と、中空筒状で支柱120を取り囲むように設けられた可動部122と、支柱120及び補助支柱126で支持される天板116とを備えている。可動部122の外面には、鋼板から成るウェイト124が図示しないボルト及びナット等の固定手段で交換可能に固定されている。可動部122全体の重量は、可動部122の外面に固定するウェイト124の重量を変えることで変更可能されている。
The
支柱120を構成するチャンネル型鋼140の内側(ウェブ)には、複数の永久磁石142が鉛直方向に沿って配列されている。また支柱120内(一対のチャンネル型鋼140の開口部によって形成される中空部内)には、図示しない芯金に巻き掛けられた電磁コイル130が配置されており、この電磁コイル130は、隙間部121を通って延びる支持部材128を介して可動部122と連結されている。従って、電磁コイル130、可動部122及びウェイト124は、一体となって支柱120に沿って鉛直方向に移動可能とされている。また電磁コイル130は、鉛直方向の位置に拘わらず永久磁石142との間隔がおよそ一定に維持される。なお、電磁コイル130、可動部122及びウェイト124は請求項3に記載の補助質量部に対応しており、これらを必要に応じて「補助質量部」と称する。
A plurality of
電磁コイル130はケーブル132を介して制御装置30に各々接続されており、詳しくは図4に示すように、制御装置30の電磁コイル駆動回路90を介してコンピュータ88に接続されている。電磁コイル駆動回路90は電磁コイル130に駆動電流を供給し、コンピュータ88は、電磁コイル130及び複数の永久磁石142が電磁アクチュエータとして機能し、電磁コイル130、可動部122及びウェイト124から成る補助質量部が、振動センサ26によって検出された振動のうち除振対象の振動数域の振動成分に応じた周期・振幅で上下方向(図2(B)の矢印Fの方向)に移動するように、電磁コイル駆動回路90によって電磁コイル130に供給される駆動電流の向き及び大きさを制御する。この電磁コイル130、可動部122及びウェイト124から成る補助質量部の上下方向の移動(変位)により、加振部108で加振力(除振対象の振動成分を打ち消すための振動を発生させる加振力)が発生する。
Each of the
一方、振動増幅部110は、所定のばね定数(固有の剛性)のコイルばね112と、外部からばね定数(剛性)を変更可能な可変剛性ばね40を備えている。コイルばね112及び可変剛性ばね40は、天井壁104と天板116の間及び底壁106と底板118の間に各々設けられており、個々のコイルばね112及び可変剛性ばね40は、一端が天井壁104又は底壁106に固定され、他端が天板116又は底板118に固定されている。以下では、天井壁104と天板116の間に設けられた可変剛性ばね40を例にその構成を説明するが、底壁106と底板118の間に設けられた可変剛性ばね40も同一の構成である。
On the other hand, the
図3(A)に示すように、可変剛性ばね40は、変位ロック機能を備えた3個の可変ばねユニット42、44、46が、鉛直方向に沿って直列に連結されて構成されている。可変ばねユニット42は、略平板状の下取付部材54と、下取付部材54の上方に間隔を空けて配置された略平板状の上取付部材52を備えている。下取付部材54と上取付部材52の間には金属製のコイルばね50が配置されており、コイルばね50は上端が上取付部材52に、下端が下取付部材54に、接着等によって各々固定されている。従って、可変ばねユニット42は、コイルばね50によって上取付部材52と下取付部材54との間隔が空いている状態が維持されると共に、可変ばねユニット42を上下方向に変位させる(上取付部材と下取付部材との間隔を変化させる)外力が加わると、コイルばね50が伸縮することでコイルばね50のばね定数に反比例する変位(前記間隔が変化する変位)が生ずる。
As shown in FIG. 3 (A), the variable
また同様に、可変ばねユニット44は下取付部材66、上取付部材64及び金属製のコイルばね62を備え、可変ばねユニット44を上下方向に変位させる外力が加わると、コイルばね62が伸縮することでコイルばね62のばね定数に反比例する変位(上取付部材と下取付部材との間隔が変化する変位)が生じるように構成されており、可変ばねユニット46は下取付部材76、上取付部材74及び金属製のコイルばね72を備え、可変ばねユニット46を上下方向に変位させる外力が加わると、コイルばね72が伸縮することでコイルばね72のばね定数に反比例する変位(上取付部材と下取付部材との間隔が変化する変位)が生じるように構成されている。なお、可変ばねユニット42、44、46のコイルばね50、62、72はばね定数が互いに同一であってもよいが、ばね定数が互いに相違していることが望ましい。
Similarly, the
また、可変ばねユニット42の下取付部材54には、下面略中央から下方へ突出する突出部54Aが形成されており、可変ばねユニット44の上取付部材64には、上面略中央に突出部54Aの外径と略等しい内径を有する孔64Aが形成されている。突出部54Aは孔64Aに嵌合しており、これにより可変ばねユニット42、44の左右方向への相対移動が阻止される。同様に、可変ばねユニット44の下取付部材66には、下面略中央から下方へ突出する突出部66Aが形成されており、可変ばねユニット46の上取付部材74には、上面略中央に突出部66Aの外径と略等しい内径を有する孔74Aが形成されている。突出部66Aは孔74Aに嵌合しており、これにより可変ばねユニット44、46の左右方向への相対移動が阻止される。また、可変ばねユニット42の上取付部材52は、接着又はボルト、ナット等の締結による固定手段によって天井壁104に取付けられており、可変ばねユニット42の下取付部材54と可変ばねユニット44の上取付部材64、可変ばねユニット44の下取付部材66と可変ばねユニット46の上取付部材74、及び、可変ばねユニット44の下取付部材76と天板116、についても、同様の固定手段によって固定されている。
The lower mounting
可変ばねユニット42の下取付部材54の上面には、上部に開口部が形成された略円筒状の収容ケース58が取付けられており、収容ケース58内には、粒状磁性体Gが分散混入されたシリコンオイルから成るMR(Magneto-Rheological)流体56が収容されている。また、可変ばねユニット42の上取付部材52の下面側でコイルばね50の内側には、収容ケース58の開口部に挿入され、MR流体56へ浸漬される凸部60が設けられている。同様に、可変ばねユニット44の下取付部材66の上面にはMR流体56を収容する収容ケース68が取付けられており、可変ばねユニット44の上取付部材64の下面側でコイルばね62の内側には、収容ケース68の開口部に挿入されMR流体56へ浸漬される凸部70が設けられている。更に、可変ばねユニット46の下取付部材76の上面にはMR流体56を収容する収容ケース78が取付けられており、可変ばねユニット46の上取付部材74の下面側でコイルばね72の内側には、収容ケース78の開口部に挿入されMR流体56へ浸漬される凸部80が設けられている。
On the upper surface of the lower mounting
個々の可変ばねユニット42、44、46の収容ケース58、68、78に各々収容されているMR流体56は、磁界(磁場)が作用していないときには粒状磁性体Gが流体中に分散している(図3(A)に示す状態)ことで、流動性を有する液体状となっているが、図3(B)に示すように磁界Mが作用すると、粒状磁性体Gが流体中で集合し磁力線に沿って並ぶことでクラスタを形成し、降伏応力をもつ固体状になる。なお、図3(B)では、可変ばねユニット46のMR流体56に磁界Mが作用した状態を示しているが、他の可変ばねユニット42、44についても同様である。そして、個々のバネユニットは、MR流体56に磁界Mが作用し、MR流体56中の粒状磁性体Gがクラスタを形成すると、当該可変ばねユニットを上下方向に変位させる(上取付部材と下取付部材との間隔を変化させる)外力が加わってもこの外力に抗して上記の変位が阻止(ロック)された状態となる。
In the
なお、コイルばね50のばね定数をK1、コイルばね62のばね定数をK2、コイルばね72のばね定数をK3、可変剛性ばね40のばね定数をKとした場合、ばね定数Kは、変位がロックされている可変ばねユニットの数が0個であれば、
K=1/(1/K1+1/K2+1/K3)
となり、コイルばね50を備えた可変ばねユニット42の変位がロックされた場合は、
K=1/(1/K2+1/K3)
となり、コイルばね62を備えた可変ばねユニット44の変位がロックされた場合は、
K=1/(1/K1+1/K3)
となり、コイルばね72を備えた可変ばねユニット46の変位がロックされた場合は、
K=1/(1/K1+1/K2)
となり、可変ばねユニット42、44の変位がロックされた場合はK=K3、可変ばねユニット42、46の変位がロックされた場合はK=K2、可変ばねユニット44、46の変位がロックされた場合はK=K1、全ての可変ばねユニットの変位がロックされた場合はK=∞となる。そして、制振装置100全体の共振振動数ωMは可変剛性ばね40のばね定数Kに応じて変化する。
When the spring constant of the
K = 1 / (1 /
When the displacement of the
K = 1 / (1 /
When the displacement of the
K = 1 / (1 /
When the displacement of the
K = 1 / (1 /
When the displacement of the
図3(A)に示すように、個々の可変ばねユニット42、44、46のコイルばね50、62、72は、ケーブル82を介し、上側端部及び下側端部が、制御装置30の一部を構成する選択駆動回路92に各々接続されており、図4に示すように、選択駆動回路92はコンピュータ88に接続されている。選択駆動回路92は、コイルばね50、62、72に対して各々独立に駆動電流を供給可能とされており、コンピュータ88によって電流供給対象のコイルばねが指示されると、指示されたコイルばねに駆動電流を供給する。コイルばねに駆動電流が供給された可変ばねユニットでは、コイルばねに駆動電流が流れることで磁界Mが発生し、MR流体56中の粒状磁性体Gがクラスタを形成することで、上記のように変位がロックされた状態となる。詳細は後述するが、コンピュータ88は、振動センサ26によって検出された振動に基づき、制振装置100全体の共振振動数ωMが、検出された振動のうち除振対象の振動成分の中心振動数(すなわち加振部108で発生される加振力の振動数)になるべく近くなるように、コイルばねに駆動電流を供給させて変位をロックさせる可変ばねユニットを0〜3個選択する。これにより、制振装置100全体の共振振動数ωMが加振部108で発生される加振力の振動数に同調するように制御され、加振部108で発生された加振力が振動増幅部110を含む制振装置100全体によって増幅される。
As shown in FIG. 3 (A), the coil springs 50, 62, 72 of the individual
また図4に示すように、制御装置30のコンピュータ88はCPU88A、RAM等から成るメモリ88B、HDD(Hard Disk Drive)やフラッシュメモリ等から成る不揮発性の記憶部88Cを備えており、記憶部88Cには、CPU88Aによって後述する制振制御処理を行うための制振制御プログラムがインストールされている。この制振制御プログラムは本発明に係る振動数検出プログラムを含んで構成されており、CPU88Aが制振制御プログラムを実行することで、コンピュータ88が本発明に係る第1〜第3演算手段として機能すると共に、請求項7に記載の制御手段としても機能し、コンピュータ88が本発明に係る振動数検出装置として機能すると共に、制御装置30及び制振装置100が請求項7に記載の制振装置として機能することになる。また記憶部88Cには、電磁コイル130を含む電磁アクチュエータによって加振部108で発生させるべき加振力を振動検出データから演算するためのアクチュエータ制御演算式が記憶されている。
As shown in FIG. 4, the
また本実施形態のように、可変剛性ばね40が3個の可変ばねユニット42、44、46が直列に連結された構成であり、個々の可変ばねユニット42、44、46のコイルばね50、62、72のばね定数が互いに相違している場合、個々の可変ばねユニット42、44、46を単位として変位のロックの有無を切り替えることで、先にも説明したように、可変剛性ばね40のばね定数Kは23=8通りに変化し、これに伴い制振装置100全体の共振振動数ωMも8通りに変化する。本実施形態では、個々の可変ばねユニット42、44、46の変位のロックの有無を切り替えて可変剛性ばね40のばね定数Kを8通りに変化させたときの制振装置100全体の共振振動数ωMが、演算又は測定によって予め求められており、この8通りの共振振動数ωMと、共振振動数ωMが各値になるときの個々の可変ばねユニット42、44、46の変位のロックの有無を表す情報を対応付けたロックユニット−共振周波数テーブルも記憶部88Cに記憶されている。
Further, as in the present embodiment, the variable
次に本実施形態の作用を説明する。本実施形態に係る構造物10のホール24でコンサート等が行われ、演奏されている曲のリズムに合わせて聴衆が集団で跳躍した場合、ホール24の床部18が上下方向に振動し、これに伴ってホール24を含む上部構造体全体が上下方向に振動する。この上部構造体の振動は、通常の構造物であれば、柱等を経由して構造物の下部へ一旦伝播した後に、基礎や地盤を経由して周辺の建物に伝播し、周辺の建物において、不快と感じられる可能性の高い上下の振動が誘発されることになる。本実施形態に係る制振装置100は、上記のように聴衆が集団で跳躍した等の事象を原因としてホール24の床部18で発生する上部構造体の振動を抑制し、構造物10のうちの下部構造体や周辺の建物に伝播する振動を抑制する目的で設けられており、本実施形態に係る制御装置30のコンピュータ88は、制御装置30の電源が投入されると、CPU88Aが記憶部88Cから制振制御プログラムを読み出して実行することで、制御装置30が稼働している間、制振制御処理を常時実行している。以下、図5を参照して制振制御処理について説明する。
Next, the operation of this embodiment will be described. When a concert or the like is performed in the
制振制御処理では、まずステップ200で中心振動数ω0の初期値として予め定められた所定値を設定する。次のステップ202では、振動センサ26によって上部構造体の振動が検出された結果を取り込むタイミング(サンプリング周期T0)が到来したか否か判定し、判定が肯定される迄ステップ202を繰り返す。なお、サンプリング周期T0は、除振対象の振動数の1/2周期よりも十分に小さい周期とされている。ステップ202の判定が肯定されるとステップ206へ移行し、振動センサ26から増幅器84、A/D変換器86を経由して入力される振動検出データを取得し、取得した振動検出データをメモリ88Bに記憶させる。
In the vibration suppression control process, first, in
次のステップ208〜ステップ218では除振対象の振動の中心振動数ω0を検出する処理を行う。すなわち、まずステップ208では、取得した振動検出データに対してバンドパスフィルタを掛けることに相当するデジタル演算を行うことで、振動検出データから除振対象(検出対象)の振動数域の振動成分を抽出する。本実施形態では聴衆が集団で跳躍した等の事象を原因として発生するホール24を含む上部構造体の振動を除振対象としているので、除振対象の振動は一定の振動数域内に収まっている。一方、ホール24を含む上部構造体に低振動数の地震動X0が入力されたり、前記上部構造体に直接作用する風等に起因する低振動数の外力Fwが前記上部構造体に入力された場合、振動センサ26によって検出される上部構造体の振動は、除振対象の振動(成分)に地震動X0や外力Fwによる低振動数の振動成分が重畳された振動となる。上記のように、ステップ208ではバンドパスフィルタを掛けることに相当するデジタル演算を行うことで、振動検出データが表す上部構造体の振動に除振対象の振動数域外の低振動数域の振動成分や高振動数域の振動成分(ノイズ成分)が混入していたとしても、これらのノイズ成分をおおよそ除去することができる。なお、ステップ208の処理は請求項5に記載の第1演算手段に対応している。
In the
次のステップ210では、ステップ208の処理を経て振動検出データから抽出した除振対象の振動数域の振動成分Aの積分値Bを演算する。なお、積分値Bの算出は、例えば振動成分Aに対し、積分を行うことと等価な積分フィルタを掛けることに相当するデジタル演算を行うことで実現できる。また、積分値Bの算出は、積分フィルタを用いることに代えて、振動成分Aにラプラス変換領域で1/sを乗ずる(但しsは複素数iω)演算を行うことによっても実現できる。ステップ210の演算は本発明に係る第1演算手段(より詳しくは請求項2に記載の第1演算手段)に対応している。
In the
また、次のステップ212では、除振対象の振動数域の振動成分Aの実効値Aeを演算する。実効値Aeの演算は、図6にも示すように、まず振動成分Aの2乗値(図6に示す「入力波形の2乗値」を参照)を演算し、演算した振動成分Aの2乗値に対してローパスフィルタを掛けることに相当するデジタル演算を行い(図6に示す「ローパスフィルタ通過後の入力波形の2乗値」を参照)、更に、上記のデジタル演算を経たデータの1/2乗値を演算する(図6に示す「ローパスフィルタ通過後の入力波形の2乗値の平方根」を参照)ことによって成される。上述した一連の演算のうち、ローパスフィルタを掛けることに相当するデジタル演算では、高振動数域の成分が除去されることで振動成分Aの振幅の変化が平均化されるので、当該デジタル演算の前後で2乗値の演算及び1/2乗値(平方根)の演算を行うことで、振動成分Aの実効値が算出されることになる。
In the
また、ローパスフィルタを掛けることに相当するデジタル演算は、図5の制振制御処理を開始した時点(時刻t=0)からのデータを各々用いて行われるが、本実施形態では、サンプリングを行った時点からの経過時間が長くなるに従って重みが小さくなるように設定した重み係数を個々のデータに乗じて上記のデジタル演算を行っている。これにより、デジタル演算に用いられる個々のデータが実効値Aeに与える影響は、サンプリングを行った時点からの経過時間が長くなるに従って小さくされることになる。 In addition, the digital calculation corresponding to applying the low-pass filter is performed using data from the time (time t = 0) when the vibration suppression control process in FIG. 5 is started. In this embodiment, sampling is performed. The digital calculation is performed by multiplying individual data by a weighting factor set so that the weight becomes smaller as the elapsed time from the point of time increases. As a result, the influence of the individual data used for the digital calculation on the effective value Ae is reduced as the elapsed time from the sampling is increased.
次のステップ214では、先のステップ210で演算した積分値Bの実効値Beを演算する。この実効値Beの演算についても、ステップ212における実効値Aeの演算と同様に、まず積分値Bの2乗値を演算し、演算した積分値Bの2乗値に対してローパスフィルタを掛けることに相当するデジタル演算を行い、このデジタル演算を経たデータの1/2乗値を演算することによって成される。なお、ステップ212,214の演算は本発明に係る第2演算手段(より詳しくは請求項4に記載の第2演算手段)に対応している。
In the
次のステップ216では、ステップ212で演算した実効値Aeをステップ214で演した実効値Beで除すことで、除振対象の振動の振動数(詳しくは角振動数)ωを演算する(次の(5)式も参照)。
ω=Ae/Be …(5)
なお、ステップ216では後述する演算に用いることを前提にして角振動数ωを演算しているが、(5)式により求まる角振動数ωを更に2πで除すことで、振動数fを演算するようにしてもよいことは言うまでもない。
In the
ω = Ae / Be (5)
In
ゼロックロシング法では、振動成分の振幅がゼロ線を交差(クロス)する迄の間、中心振動数ωが更新されないので、除振対象の振動の振動数が変化しても、この振動数の変化が角振動数ωの演算結果に表れるまでに時間が掛るが、本実施形態に係る制振制御処理における角振動数ωの検出では、除振対象の振動数の1/2周期よりも十分に小さいサンプリング周期T0毎に角振動数ωが演算されると共に、除振対象の振動の振動数が変化すると、この変化が実効値Ae,Beの変化として表れることで、角振動数ωの演算結果に直ちに表れ、除振対象の振動の振動数の変化を直ちに検出することができる。従って、角振動数ωの演算結果を用いて行われる電磁アクチュエータの制御(後述)において、例えばホール24で演奏されている曲のリズムが変わった等の理由で除振対象の振動の振動数が変化した場合にも、除振対象の振動の振動数の変化に対して大幅な制御遅れが生ずることを防止することができる。
In the zero lock loss method, the center frequency ω is not updated until the amplitude of the vibration component crosses the zero line, so even if the frequency of the vibration to be isolated changes, this frequency Although it takes time for the change to appear in the calculation result of the angular frequency ω, the detection of the angular frequency ω in the vibration suppression control processing according to the present embodiment is more than half the frequency of the vibration isolation target frequency. When the angular frequency ω is calculated for every small sampling period T 0 and the vibration frequency of the vibration isolation target changes, this change appears as a change in the effective values Ae and Be. It immediately appears in the calculation result, and a change in the vibration frequency of the vibration isolation target can be detected immediately. Therefore, in the control of the electromagnetic actuator (described later) performed using the calculation result of the angular frequency ω, the frequency of the vibration to be vibration-isolated is changed, for example, because the rhythm of the music played in the
また、次のステップ218では、ステップ216で算出された角振動数ωに対し、ローパスフィルタをN回掛けることに相当するデジタル演算を行う。なお、Nとしては、例えば4以上の値が好適であるが、3以下の値であってもよい。後述する実験結果からも明らかなように、ステップ216で算出される角振動数ωには比較的高振動数域のノイズ成分が重畳されているが、上記のデジタル演算によりノイズ成分を除去することができるので、電磁アクチュエータの制御(後述)において、電磁アクチュエータに対する制御量が振動する等の不都合が生ずることを防止することができる。
In the
次のステップ220〜ステップ228では、振動センサ26によって検出されたホール24を含む上部構造体の振動のうち、除振対象の振動成分を打ち消すための振動(加振力)が加振部108で発生するように制御する処理を行う。すなわち、まずステップ220では、予め記憶部88Cに記憶されているアクチュエータ制御演算式を読み出す。本実施形態では、アクチュエータ制御演算式として次の(6)式の伝達関数H1(s)の演算式を用いている。
In the
次のステップ222では、ステップ220で読み出したアクチュエータ制御演算式のうちの固有振動数ω0として、先のステップ218で演算・設定した除振対象の振動成分の中心振動数ω0を設定する。なお、アクチュエータ制御演算式((6)式)のうちの他の定数(減衰定数hやKg/K2)については、演算式に予め設定された状態で記憶部88Cに記憶されているので設定する必要はない。また、減衰定数hとしては例えばh=0.05程度の値が用いられ、Kg/K2=としては0<Kg/K2<1.0、例えばKg/K2=0.9程度の値が用いられる。
In the next step 222, the center frequency ω 0 of the vibration component to be isolated and calculated and set in the
ステップ224では、先のステップ206でメモリ88Bに記憶された振動検出データを読み出す。次のステップ226では、ステップ224で読み出した振動検出データに基づいて、まずホール24を含む上部構造体の変位を演算し、次に演算した変位からホール24を含む上部構造体の速度及び加速度を演算し、演算した上部構造体の速度を制振対象物体の速度V1、上部構造体の加速度を制振対象物体の加速度A1として用いると共に、先のステップ220で読み出して先のステップ222で除振対象の振動成分の中心振動数ω0を設定したアクチュエータ制御演算式を用いることで、電磁コイル130を含む電磁アクチュエータに対する制御量を演算する。
In
そしてステップ228では、電磁コイル130、可動部122及びウェイト124から成る補助質量部が、ステップ226で算出されたアクチュエータ制御量(仮想質量の変位X2)に応じて、上部構造体の変位と逆位相に変位するように、電磁コイル駆動回路90によって電磁コイル130へ供給される駆動電流の向き及び大きさを制御する。
In
次のステップ230、232では、制振装置100全体の共振振動数ωMが除振対象の振動成分の中心振動数ω0に近づくように制御する処理を行う。すなわち、ステップ230では記憶部88Cに記憶されているロックユニット−共振振動数テーブルを参照し、当該テーブルに記憶されている制振装置100全体の共振振動数ωMの複数の値のうち、先のステップ218で演算・設定した除振対象の振動成分の中心振動数ω0に最も近い値を認識し、認識した共振振動数ωMの値と対応付けて記憶されている可変ばねユニットのロックの組み合わせを読み出すことで、制振装置100全体の共振振動数ωMが、除振対象の振動成分の中心振動数ω0に最も近い値となる可変ばねユニットのロックの組み合わせを認識する。
In the
そしてステップ232では、可変剛性ばね40のうち、認識したロックの組み合わせに対応する個々の可変ばねユニットのコイルばねへ各々駆動電流が供給されるように選択駆動回路92を制御する。これにより、認識したロックの組み合わせに対応する個々の可変ばねユニットにおいて、コイルばねを流れる駆動電流によって磁界が発生し、発生した磁界が作用したMR流体56中の粒状磁性体Gがクラスタを形成することで、変位がロックされた状態となる。これにより、制振装置100全体の共振振動数ωMが、除振対象の振動成分の中心振動数ω0に最も近い値となる。ステップ232の処理を完了するとステップ202に戻り、ステップ202の判定が肯定される毎(サンプリング周期T0が到来する毎)にステップ206〜ステップ232が繰り返される。
In
制御装置30が稼働している間、コンピュータ88によって上述した制振制御処理が常時実行されることで、電磁コイル130、可動部122及びウェイト124から成る補助質量部は、ホール24を含む上部構造体の振動のうち除振対象の振動成分を打ち消すための振動(加振力)が発生するように上下方向に振動される。ここで、本実施形態では、振動センサ26によって検出されたホール24を含む上部構造体の振動に基づき、アクチュエータ制御演算式(伝達関数H1(s)の演算式:(6)式)に従って電磁コイル130を含む電磁アクチュエータの駆動を制御することで、制振装置100がホール24を含む上部構造体に加える加振力を制御しているので、ホール24を含む上部構造体は、(8)式で表される挙動、すなわち(7)式で表される挙動を示す仮想の動吸収器が付加されたことに相当する挙動を示すことになる。
While the
(7)式は、仮想の動吸収器が、除振対象の振動成分の中心振動数ω0よりも低い振動数領域の振動に反応しない挙動を示すように定めたものであり、(6)式に従って電磁アクチュエータの駆動を制御した場合、その制御特性は、除振対象の振動成分の中心振動数ω0付近の振動数領域の入力に対する感度が低下することなく、他の振動数領域の入力に対する感度が大幅に低下する特性となる。従って、振動センサ26によって検出された上部構造体の振動に、地震動X0や外力Fwによる低振動数域の振動成分が重畳されている場合にも、この低振動数域の振動成分に応答してアクチュエータを駆動させることで、無駄な加振力を発生させてしまうことはなく、除振対象の振動成分のみに応答してアクチュエータが駆動されることで、除振対象の振動成分のみを精度良く抑制することができる。アクチュエータの最大変位量(=ストローク)を抑制することができ、除振対象の振動成分を除振する性能の向上と、制振装置100の小型化及び構成の簡略化を両立することができる。
Equation (7) is defined so that the virtual dynamic absorber exhibits a behavior that does not react to vibrations in a frequency region lower than the center frequency ω 0 of the vibration component to be vibration-isolated. (6) When the drive of the electromagnetic actuator is controlled according to the equation, the control characteristic is that the sensitivity to the input of the frequency region near the central frequency ω 0 of the vibration component to be isolated is not reduced, and the input of the other frequency region is reduced. Sensitivity to is greatly reduced. Therefore, even when the vibration component in the low frequency range due to the ground motion X 0 or the external force Fw is superimposed on the vibration of the superstructure detected by the
また、本実施形態に係る制振制御処理では、除振対象の振動成分の中心振動数ω0を常時検出し、検出した中心振動数ω0を代入したアクチュエータ制御演算式を用いて電磁アクチュエータの駆動を制御しているので、例えばホール24で演奏されている曲のリズムが変わった等の理由で除振対象の振動成分の中心振動数ω0が変化した場合にも、中心振動数ω0の変化に追従するようにアクチュエータ制御量が演算されることになり、除振対象の振動成分の中心振動数ω0の変化に拘わらず除振対象の振動成分を精度良く除振(制振)することができる。
Further, in the vibration suppression control processing according to the present embodiment, the center frequency ω 0 of the vibration component to be vibration-isolated is always detected, and the actuator control arithmetic expression using the detected center frequency ω 0 is used to calculate the electromagnetic actuator. since controlling the drive, for example, when the center frequency [omega 0 of the oscillating components of the target vibration damping for reasons such as changed rhythm of the song being played by the
また本実施形態では、電磁アクチュエータを駆動して補助質量部を振動させると同時に、除振対象の振動成分の中心振動数ω0に対する制振装置100全体の共振振動数ωMの偏差が最小となるように、可変剛性ばね40の0個〜3個の可変ばねユニットの変位をロックしているので、制振装置100全体が補助質量部の変位に共振して変位することで、補助質量部の変位によって加振部108で発生した加振力が、制振装置100全体によって高倍率(例えば10〜20倍)で増幅された後にホール24を含む上部構造体に加えられることになる。これにより、上部構造体の振動に含まれる除振対象の振動成分の大きさに比して、アクチュエータが変位させる物体(補助質量部)の質量を小さくすることができ、制振装置100の一層の小型化、構成の簡略化、アクチュエータの消費電力の節減を実現することができる。また、制振装置100全体の共振振動数ωMについても除振対象の振動成分の中心振動数ω0の変化に追従させて変化させるので、除振対象の振動成分の中心振動数ω0の変化に拘わらず、加振部108で発生した加振力を高倍率で増幅した後にホール24を含む上部構造体に加える状態を維持することができる。
In this embodiment, the electromagnetic actuator is driven to vibrate the auxiliary mass unit, and at the same time, the deviation of the resonance frequency ω M of the
なお、上記では可変ばねユニットのコイルばねに駆動電流を流すことで、MR流体56に作用させる磁界を発生させる構成を説明したが、これに限定されるものではなく、コイルばねと別に設けた電磁コイル等によって磁界を発生させるようにしてもよい。また、可変剛性ばねについても、MR流体を利用して剛性(ばね定数)を変化させる構成に限られるものではなく、例えば空気圧を利用して剛性(ばね定数)を変化させる構成等、公知の他の構成の可変剛性ばねを用いてもよい。
In the above description, the configuration in which the magnetic field applied to the
また、上記では本発明に係る制振装置100を構造物の柱の途中に設けた例を説明したが、これに限定されるものではなく、制振対象物体が構造物のうちの下層側に存在している等の場合には、本発明に係る制振装置を構造物の杭等に設けてもよい。
Moreover, although the example which provided the damping
また、上記では制振対象物体における除振対象の振動が上下方向(鉛直方向)の振動である場合を説明したが、これに限定されるものではなく、除振対象の振動は左右方向(水平方向)の振動であってもよいし、振動の方向が不定であってもよい。振動の方向が不定である場合にも、上下方向の振動を抑制する制振装置と左右方向の振動を抑制する制振装置を各々設け、除振対象の振動を上下方向と左右方向に分解して検出し、検出した各方向の振動に基づいて抑制する振動の方向が異なる制振装置の作動を各々制御するようにすればよい。 In the above description, the vibration of the vibration isolation target in the vibration suppression target object is the vertical vibration (vertical direction). However, the present invention is not limited to this, and the vibration of the vibration isolation target is horizontal (horizontal). Direction) or the direction of vibration may be indefinite. Even when the direction of vibration is indefinite, a vibration damping device that suppresses vibration in the vertical direction and a vibration suppression device that suppresses vibration in the left-right direction are provided, and the vibration to be isolated is decomposed in the vertical direction and left-right direction. It is only necessary to control the operation of the vibration damping device having different vibration directions to be detected based on the detected vibrations in the respective directions.
更に、上記では除振対象の振動の振動数の演算(検出)に際し、振動検出データからバンドパスフィルタに相当するデジタル演算を経て抽出された除振対象の振動数域の振動成分Aに対し、積分値Bを演算し、振動成分Aの実効値Ae、積分値Bの実効値Beを演算し、角振動数ωとして実効値Aeと実効値Beの比(Ae/Be)を演算する態様を説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、除振対象の振動数域の振動成分Aに対し、微分フィルタを掛けることに相当するデジタル演算を行うことで微分値Cを演算し、振動成分Aの実効値Ae、微分値Cの実効値Ceを演算し、角振動数ωとして実効値Aeと実効値Ceの比(Ce/Ae)を演算するようにしてもよい。この態様は請求項3記載の発明に対応している。
Further, in the above calculation (detection) of the vibration frequency of the vibration to be isolated, for the vibration component A in the vibration frequency range of the vibration isolation object extracted from the vibration detection data through digital calculation corresponding to a bandpass filter, A mode in which the integral value B is calculated, the effective value Ae of the vibration component A and the effective value Be of the integrated value B are calculated, and the ratio (Ae / Be) between the effective value Ae and the effective value Be is calculated as the angular frequency ω. As described above, the present invention is not limited to this, and the differential value C is calculated by performing a digital calculation corresponding to applying a differential filter to the vibration component A in the frequency range to be isolated. The effective value Ae of the vibration component A and the effective value Ce of the differential value C may be calculated, and the ratio (Ce / Ae) between the effective value Ae and the effective value Ce may be calculated as the angular frequency ω. This aspect corresponds to the invention described in
但し、積分値Bの演算は振動成分Aにラプラス変換領域で1/sを乗ずる(但しsは複素数iω)ことと等価であり、微分値Cの演算は振動成分Aにラプラス変換領域でsを乗ずることと等価である。ここで、振動数領域での1/s及びsの絶対値の変化を図7に示すが、図7より明らかなように、1/sの絶対値は振動数が高くなるに従って減少しているので、振動成分Aにラプラス変換領域で1/sを乗じた場合、高振動数域にノイズ成分が存在している場合にその振幅が減衰される一方で、低振動数域にノイズ成分が存在している場合はその振幅が増幅されることになる。また、sの絶対値は振動数が高くなるに従って増大しているので、振動成分Aにラプラス変換領域でsを乗じた場合、低振動数域にノイズ成分が存在している場合にその振幅が減衰される一方で、高振動数域にノイズ成分が存在している場合はその振幅が増幅されることになる。本実施形態に係る制振装置100では、制御対象の振動数が5〜10Hz程度の低振動数域に存在し、振動成分Aに重畳される代表的なノイズ成分は、電源ノイズや設備振動等のより高振動数域(例えば数10Hz程度)の振動成分であるため、本実施形態で説明したように積分値Bを用いて振動数を演算することが好ましい。
However, the calculation of the integral value B is equivalent to multiplying the vibration component A by 1 / s in the Laplace transform domain (where s is a complex number iω), and the calculation of the differential value C is s in the Laplace transform domain. Equivalent to multiplying. Here, changes in the absolute values of 1 / s and s in the frequency region are shown in FIG. 7. As is clear from FIG. 7, the absolute value of 1 / s decreases as the frequency increases. Therefore, when the vibration component A is multiplied by 1 / s in the Laplace transform region, the amplitude is attenuated when the noise component exists in the high frequency region, while the noise component exists in the low frequency region. If so, the amplitude will be amplified. Also, since the absolute value of s increases as the frequency increases, when the vibration component A is multiplied by s in the Laplace transform region, the amplitude increases when a noise component exists in the low frequency region. On the other hand, when a noise component is present in the high frequency range, the amplitude is amplified. In the
また、上記では制振対象物体が構造物(建物)の一部分である場合を説明したが、これに限定されるものではなく、例えばモータを備えた電気・電子機器において、モータで発生される振動が周囲へ伝播することを抑制したい等の場合に本発明を適用することも可能である。 In the above description, the case where the vibration suppression target object is a part of a structure (building) has been described. However, the present invention is not limited to this. For example, in an electric / electronic device including a motor, vibration generated by the motor It is also possible to apply the present invention to the case where it is desired to suppress the propagation to the surroundings.
また、本発明に係る振動数の検出は、上記のように制振制御と組み合わせて用いることに限られるものではなく、単独で用いることも可能であることは言うまでもない。また本発明に係る振動数の検出は、振動を検出することで得られる信号を入力信号とすることに限られるものではなく、正弦波又は正弦波に近似した周期変化を示す入力信号であれば適用可能であり、入力信号が振動以外の物理量を表す信号であってもよいし、特定の物理量を表す信号でなくてもよい(
また、上記では本発明に係る振動数検出プログラムを含む制振制御プログラムがコンピュータ88の記憶部88Cに予め記憶(インストール)されている態様を説明したが、本発明に係る振動数検出プログラムは、CD−ROMやDVD−ROM等の記録媒体に記録されている形態で提供することも可能である。
Further, the detection of the frequency according to the present invention is not limited to use in combination with vibration suppression control as described above, and it goes without saying that it can also be used alone. In addition, the detection of the frequency according to the present invention is not limited to using a signal obtained by detecting the vibration as an input signal, but may be a sine wave or an input signal showing a periodic change approximated to a sine wave. The input signal may be a signal representing a physical quantity other than vibration, or may not be a signal representing a specific physical quantity (
In the above description, the vibration control program including the frequency detection program according to the present invention has been previously stored (installed) in the storage unit 88C of the
次に本願発明者等が実施した実験の結果について説明する。本願発明者等が、本発明を適用して入力信号の振動数を実際に検出してみたところ、振動数の検出結果に比較的高振動数域のノイズ成分が重畳され、検出した振動数の値が比較的短い周期で変動することが明らかとなった。 Next, the results of experiments conducted by the inventors will be described. When the inventors of the present invention applied the present invention to actually detect the frequency of the input signal, a noise component in a relatively high frequency range was superimposed on the frequency detection result, and the detected frequency It became clear that the value fluctuated with a relatively short period.
このため、本願発明者等は、振動数の検出結果に重畳される高振動数域のノイズ成分の除去を目的として、振動数の検出結果に対してローパスフィルタをN回掛けることに相当するデジタル演算を行うことを、Nの値(ローパスフィルタ処理の回数)を変化させながら繰り返し、結果を比較する実験を行った。この実験の結果を図8に示す。なお、図7に示すように、この実験では入力信号の振動数を6.5Hz前後の値とした。図8より明らかなように、N=2の場合は高振動数域のノイズ成分がかなり残存しているものの、N=3になると高振動数域のノイズ成分の振幅がかなり抑制され、N=4では高振動数域のノイズ成分が殆ど除去されていることが確認できる。 For this reason, the inventors of the present application, for the purpose of removing noise components in the high frequency range superimposed on the frequency detection result, are digital equivalent to applying a low-pass filter to the frequency detection result N times. The operation was repeated while changing the value of N (the number of low-pass filter processes), and an experiment was performed to compare the results. The result of this experiment is shown in FIG. As shown in FIG. 7, the frequency of the input signal was set to a value around 6.5 Hz in this experiment. As apparent from FIG. 8, when N = 2, the noise component in the high frequency region remains considerably, but when N = 3, the amplitude of the noise component in the high frequency region is considerably suppressed, and N = 4 confirms that most of the noise components in the high frequency range have been removed.
続いて本願発明者等は、本発明の効果を確認するために、例として図9に示すように、4秒間隔で振動数が切替わる入力信号を用い、本発明を適用して前記入力信号の振動数を検出し、振動数の検出結果を確認する実験を行った。なお、この実験では時刻t=0〜4秒の間の振動数を3.0Hz、t=4〜8秒の間の振動数を4.0Hz、t=8秒以降の振動数を3.1Hzとした。また、ローパスフィルタ処理の回数N=4とした。この実験の結果を図10に示す。 Subsequently, in order to confirm the effect of the present invention, the inventors of the present application use an input signal whose frequency is switched at intervals of 4 seconds as shown in FIG. 9 as an example. An experiment was carried out to detect the frequency of and confirm the detection result of the frequency. In this experiment, the frequency between time t = 0 and 4 seconds was 3.0 Hz, the frequency between t = 4 and 8 seconds was 4.0 Hz, and the frequency after t = 8 seconds was 3.1 Hz. In addition, the number of times of low-pass filter processing is N = 4. The result of this experiment is shown in FIG.
図10に示すように、入力信号の振動数が3.0Hzから4.0Hzへ変化した場合、及び、入力信号の振動数が4.0Hzから3.1Hzへ変化した場合の何れにおいても、振動数の検出結果(図10では「推定振動数」と表記)は、入力信号の振動数が変化してから1.5秒程度の間に、変化した後の振動数に一致する値へ変化している。先に説明したように、検出対象の振動数が3.0Hzから4.0Hzへ変化した場合、ゼロクロッシング法では変化した後の振動数の検出に40秒程度もの非常に長い時間が掛る可能性が高く、本発明によれば、特に検出対象の振動数が低振動数域という条件において、検出対象の振動数が変化した場合に変化後の振動数の検出に要する時間を、ゼロクロッシング法と比較して大幅に短縮できることが理解できる。 As shown in FIG. 10, when the frequency of the input signal changes from 3.0 Hz to 4.0 Hz and when the frequency of the input signal changes from 4.0 Hz to 3.1 Hz, the frequency detection result (Denoted as “estimated frequency” in FIG. 10) changes to a value that matches the changed frequency in about 1.5 seconds after the frequency of the input signal changes. As explained above, when the frequency of the detection target changes from 3.0 Hz to 4.0 Hz, the zero crossing method is likely to take a very long time of about 40 seconds to detect the frequency after the change. According to the present invention, especially when the frequency of the detection target is in a low frequency range, the time required to detect the changed frequency when the frequency of the detection target changes is compared with the zero crossing method. Can be greatly shortened.
10 構造物
24 ホール
26 振動センサ
30 制御装置
56 MR流体
88 コンピュータ
90 電磁コイル駆動回路
92 選択駆動回路
100 制振装置
108 加振部
110 振動増幅部
122 可動部
124 ウェイト
128 支持部材
130 電磁コイル
142 永久磁石
DESCRIPTION OF
Claims (9)
前記入力信号の実効値及び前記第1演算手段によって演算された前記積分値又は前記微分値の実効値を繰り返し演算する第2演算手段と、
前記第2演算手段によって演算された前記入力信号の実効値と、前記第2演算手段によって演算された前記積分値又は前記微分値の実効値と、の比を用いて前記入力信号の周期変化の振動数を演算することを繰り返す第3演算手段と、
を含む振動数検出装置。 A first calculation means for repeatedly calculating an integral value or a differential value of an input signal indicating a sine wave or a periodic change approximated to a sine wave;
Second calculation means for repeatedly calculating the effective value of the input signal and the effective value of the integral value or the differential value calculated by the first calculation means;
Using the ratio between the effective value of the input signal calculated by the second calculating means and the effective value of the integral value or the differential value calculated by the second calculating means, the period change of the input signal is calculated. A third calculating means for repeating calculating the frequency;
A frequency detection device including:
前記検出手段から出力される振動検出信号を前記入力信号とし、制振対象物体の振動の振動数を検出する請求項1〜請求項6の何れか1項記載の振動数検出装置と、
前記制振対象物体の振動を抑制する加振力を前記制振対象物体に加えることが可能な制振用アクチュエータと、
前記振動数検出装置によって検出された前記制振対象物体の振動の振動数に基づいて、前記制振用アクチュエータが前記制振対象物体に加える加振力を制御する制御手段と、
を含む制振装置。 Detecting means for detecting vibration of a vibration control target object having a spring and a damper interposed between the reference object and the reference object;
The vibration detection device according to any one of claims 1 to 6, wherein the vibration detection signal output from the detection means is used as the input signal, and the vibration frequency of a vibration to be controlled is detected.
A vibration control actuator capable of applying an excitation force to the vibration target object to suppress vibration of the vibration target object;
Control means for controlling the excitation force applied to the vibration suppression target object by the vibration suppression actuator based on the vibration frequency of the vibration suppression target object detected by the frequency detection device;
Damping device including.
前記入力信号の実効値、及び、前記入力信号の前記積分値又は前記微分値の実効値を演算し、
前記入力信号の実効値と、前記入力信号の前記積分値又は前記微分値の実効値と、の比を用いて前記入力信号の周期変化の振動数を演算することを繰り返す振動数検出方法。 Calculate the integral value or derivative value of the input signal showing the sine wave or periodic change approximated to the sine wave,
Calculate the effective value of the input signal, and the effective value of the integral value or the differential value of the input signal,
A frequency detection method for repeatedly calculating a frequency of a periodic change of the input signal using a ratio between an effective value of the input signal and an effective value of the integral value or the differential value of the input signal.
正弦波又は正弦波に近似した周期変化を示す入力信号の積分値又は微分値を繰り返し演算する第1演算手段、
前記入力信号の実効値及び前記第1演算手段によって演算された前記積分値又は前記微分値の実効値を繰り返し演算する第2演算手段、
及び、前記第2演算手段によって演算された前記入力信号の実効値と、前記第2演算手段によって演算された前記積分値又は前記微分値の実効値と、の比を用いて前記入力信号の周期変化の振動数を演算することを繰り返す第3演算手段
として機能させる振動数検出プログラム。 Computer
A first calculation means for repeatedly calculating an integral value or a differential value of an input signal indicating a sine wave or a periodic change approximated to a sine wave;
Second calculation means for repeatedly calculating the effective value of the input signal and the effective value of the integral value or the differential value calculated by the first calculation means;
And the period of the input signal using a ratio between the effective value of the input signal calculated by the second calculating means and the effective value of the integral value or the differential value calculated by the second calculating means. A frequency detection program that functions as third calculation means that repeats calculating the frequency of change.
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