JP2010255791A - Method and device of controlling vibration control device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、ビルや吊橋のタワー等の地上構造物やその他所要の制振対象構造物に設置して、該制振対象構造物の揺れに応じて可動マスを所要のアクチュエータで往復駆動することにより上記制振対象構造物の制振を行うようにしてある能動型の制振装置の制御方法及び装置に関するものである。 The present invention is installed in a ground structure such as a tower of a building or a suspension bridge, or other required vibration control target structure, and a movable mass is reciprocated by a required actuator according to the vibration of the vibration control target structure. The present invention relates to a control method and apparatus for an active vibration damping device that performs vibration damping of the above-described structure to be controlled.
上記各種地上構造物等が風荷重や地震により揺れを生じたときに、その振幅、振動を速やかに減衰させるための制振装置として従来提案されているものの一つに、マス・ダンパ形式の制振装置がある。 One of the damping devices of the mass damper type that has been proposed as a damping device to quickly attenuate the amplitude and vibration when the above-mentioned various ground structures are shaken by wind load or earthquake. There is a shaker.
この種のマス・ダンパ形式の制振装置は、上記各種地上構造物等の制振対象構造物の上部に、所要質量の可動マスを、制振を望む方向に沿って往復移動可能に設けてなる構成として、該可動マスを、制振対象構造物の揺れに応じて往復移動させることにより該制振対象構造物の制振を行うようにしてあるものであり、上記可動マスの往復移動を、制振対象構造物との力学的バランスを利用して自然に行わせるようにしてある受動型(パッシブ式)のものと、外部からの供給エネルギーを利用して可動マスを往復駆動する能動型のものに大別されている。 This type of mass damper type damping device is provided with a movable mass of the required mass on the upper part of the structure to be damped such as the above-mentioned various ground structures so as to be able to reciprocate along the direction in which damping is desired. In this configuration, the movable mass is reciprocated according to the vibration of the structure to be damped, and the structure to be damped is damped, and the movable mass is reciprocated. , Passive type (passive type) which is made to perform naturally using the mechanical balance with the structure to be controlled, and active type which reciprocates the movable mass using externally supplied energy It is roughly divided into things.
更に、上記能動型の制振装置としては、アクティブ方式とハイブリッド方式のものが知られている。 Furthermore, as the active vibration damping device, an active type and a hybrid type are known.
図3は、上記アクティブ方式の制振装置の装置構成の概念を示すもので、制振対象構造物1上に、所要質量の錘である可動マス(制振体)2が、該制振対象構造物1が揺れる方向と平行に、たとえば、ガイドレール3を介して水平方向に往復移動できるよう載置してある。更に、上記可動マス2の移動方向の一端側となる上記制振対象構造物1上に、支持フレーム4を設けて、該支持フレーム4と上記可動マス2との間に、電動あるいは油圧のモータやシリンダ等により上記可動マス2を上記ガイドレール3に沿わせて往復動させるための所要のアクチュエータ5が介装するよう設けてある。更に、上記制振対象構造物1の揺れを検知するための揺れ検知センサ6と、該揺れ検知センサ6からの入力信号に基づいて上記アクチュエータ5へ駆動指令を与える制御装置7とを備えてなる構成としてある。
FIG. 3 shows a concept of the device configuration of the above-described active vibration damping device. A movable mass (damping body) 2 that is a weight of a required mass is placed on the vibration
かかる構成としてあるアクティブ方式の制振装置によれば、上記揺れ検知センサ6にて制振対象構造物1の揺れが検知されると、制御装置7より上記アクチュエータ5へ直ちに駆動指令を発して、該アクチュエータ5により上記可動マス2を制振対象構造物1の揺れに対して90度の位相遅れで速やかに往復駆動させることによって、該可動マス2の慣性力を上記制振対象構造物1へ作用させて該制振対象構造物1の揺れを抑えることができるようにしてある。
According to an active vibration control device having such a configuration, when the
又、図4は、上記ハイブリッド方式の制振装置の装置構成の概念を示すもので、上記図3に示したアクティブ方式の制振装置と同様の構成において、上記支持フレーム4と可動マス2との間に、アクチュエータ5に加えて、上記可動マス2の往復移動の固有振動数を設定するためのばね要素8と、上記可動マス2の運動エネルギーを減衰させるためのダンパ要素9とを介装させて設けてなる構成としてある。その他の構成は図3に示したものと同様であり、同一のものには同一の符号が付してある。
4 shows the concept of the device configuration of the hybrid vibration damping device. In the same structure as the active vibration damping device shown in FIG. 3, the
かかる構成としてあるハイブリッド方式の制振装置によれば、制振対象構造物1に揺れが発生すると、上記ばね要素8とダンパ要素9の存在により、上記制振対象構造物1の揺れのエネルギーを利用して上記可動マス2が上記制振対象構造物1の揺れに対して90度の位相遅れで自動的に反復して往復移動させられるようになることから、上記アクティブ方式の制振装置と同様の制振機能が得られることに加えて、アクチュエータ5により上記可動マス2を往復駆動するときに必要とされる供給エネルギーを低減できるとされている。
According to a hybrid vibration damping device having such a configuration, when vibration is generated in the vibration
なお、上記ハイブリッド方式の制振装置においては、制振対象構造物1の揺れのエネルギーを利用して可動マス2を往復移動させることができるようにするための別の構成としては、機械的なばね要素8ではなく、可動マスを所要のフレームから吊り下げる構成や、可動マスの底面を所要の曲率半径の円弧状、あるいは、所要角度のV字状に形成して、該可動マスを、制振対象構造物に所要間隔を隔てて配設した2つの支持ローラ上に揺動自在に載置してなる構成として、可動マスを振り子のように単弦振動させるようにすることも考えられている。
In the above-described hybrid vibration damping device, another configuration for enabling the
ところで、上記可動マス2を用いた能動型制振装置では、該可動マス2を往復駆動(単弦振動も含む)させる際の許容ストローク(許容振幅)に、自ずから制限がある。
By the way, in the active vibration damping device using the
そのため、上記能動型制振装置にて、その制振能力を十分に発揮させるためには、可動マスを許容ストロークの範囲内でできるだけ大きなストロークで動かすことが有利に作用する。 For this reason, in order to sufficiently exhibit the vibration damping capability in the active vibration damping device, it is advantageous to move the movable mass with the largest possible stroke within the allowable stroke range.
したがって、上記能動型制振装置を、高層のビルや吊橋のタワー等の高層の地上構造物を制振対象構造物として、その風荷重による揺れを抑えるために用いる場合は、過去の所要期間、たとえば、過去一年間に風荷重により該制振対象構造物に対して作用すると考えられる加速度の大きさを考慮して、その風荷重により作用する加速度のうちの最も大きい加速度が作用するときに、可動マス2の振幅が、許容ストローク範囲内で最大振幅となるように、制御装置よりアクチュエータへ与える指令の利得を最適設計することが好ましい。
Therefore, when using the above active vibration control device as a vibration control target structure for a high-rise ground structure such as a high-rise building or a suspension bridge tower, in order to suppress vibration due to the wind load, For example, in consideration of the magnitude of acceleration that is considered to act on the structure to be controlled by wind load in the past year, when the largest acceleration of the acceleration acting by the wind load acts, It is preferable to optimally design the gain of the command given from the control device to the actuator so that the amplitude of the
しかし、制御装置よりアクチュエータへ与える指令の利得を最適設計してあるとしても、利得一定の条件の下では、制振対象構造物に台風等によってそれまでの過去一年間に作用したことがないような大きな風荷重による加速度が作用する場合には、可動マス2のストロークが許容ストロークより過大になって、該可動マス2がガイドレール3の端部に設けてある図示しないストッパに衝突するようになる虞が懸念される。
However, even if the gain of the command given from the control device to the actuator is optimally designed, under the condition that the gain is constant, it seems that the structure to be controlled has not been affected by the typhoon in the past year. When acceleration due to a large wind load is applied, the stroke of the
更に、地震時には、制振対象構造物に対して風荷重に比して非常に大きな加速度が作用するようになることから、この場合も、上記利得一定の条件の下では、可動マス2のストロークが許容ストロークを容易に逸脱するようになる虞が懸念される。
Furthermore, since an extremely large acceleration is applied to the structure to be damped compared to the wind load during an earthquake, the stroke of the
そこで、利得を連続的に可変制御できるようにして、制振対象構造物1に作用する外力が大きくなっても、可動マス2の振幅が許容ストローク範囲を越える虞を未然に防止できるようにするための制振装置(制震装置)の制御装置として、図5に示す如く、制振対象構造物の振動を、アクチュエータ(モータ)5で往復動させる可動マス(錘)2の運動エネルギーに変換して減衰させるようにしてある形式の制振装置の制御装置において、制振対象構造物の振動を検出する加速度計10と、該加速度計10で検出した信号に基づいて上記錘の振幅を演算する変位指令演算器11と、該変位指令演算器11による演算結果の設定周期又は設定時間内のピーク値を検出し且つ該ピーク値に基づき利得を自動的に演算して上記アクチュエータ(モータ)5を駆動するアクチュエータユニット(モータドライブ装置)13へ制御指令を送る自動利得演算器12とからなる制振装置(制震装置)の制御装置が従来提案されている(たとえば、特許文献1参照)。
Therefore, the gain can be continuously variably controlled so that the possibility that the amplitude of the
ところが、図3に示したアクティブ方式や図4に示したハイブリッド方式の能動型制振装置の制御装置7によりアクチュエータ5を制御する際の応答特性(振幅特性、位相特性)は、一般に、図6に示す如きものであり、制御装置7よりアクチュエータ5に対して可動マス2の振幅を或る一定の値とするための変位指令(入力)を与えても、可動マス2の実際の変位(出力)には振動数fが大きくなるにしたがって遅れが生じるため、制振対象構造物としての建物の固有振動数f0に同期した振動数で可動マス2を実際に振動させるときには、入力に対する出力の振幅比(出力/入力)の値が1.0より低下し、たとえば、0.7程度まで低下してしまっていることがある。
However, response characteristics (amplitude characteristics and phase characteristics) when the
しかし、図5に示したような利得を連続的に可変制御するための従来の手法では、上記した如き制振装置の制御系の応答特性を考慮することなく、加速度計10で検出した制振対象構造物の振動の検出信号に基づいて変位指令演算器11で演算された可動マス(錘)の振幅、すなわち、上記における変位指令(入力)に相当する振幅について、所定の設定周期又は設定時間内のピーク値を直接検出し、そのピーク値を基に、可動マス(錘)のストロークがストローク限界範囲内に入るように利得が変化させられるようになっているというのが実状である。
However, in the conventional method for continuously variably controlling the gain as shown in FIG. 5, the vibration suppression detected by the
そのために、上記したように制御装置によりアクチュエータ5を制御する際には、入力に対する出力の振幅比(出力/入力)の値が実際は1.0よりも小さくなってしまうことに伴い、上記利得が変化させられた後の制御指令でアクチュエータ5を駆動するようにしても、上記制御指令の時点で、可動マス(錘)のストロークがストローク限界範囲内に入るように変位指令の利得が変化させられていることに加えて、制振装置の制御系の応答特性による可動マスの振幅比(出力/入力)の低下が生じてしまうために、可動マス2を実際に駆動させるときのストローク(振幅)が、ストローク限界範囲(許容ストローク範囲)に比して大幅に小さくなってしまうことから、制振装置の構造上における可動マス2の許容ストローク範囲を十分に活用しきれず、最良の制振効果が発揮されていないというのが実状である。
For this reason, when the
更に、図5に示したような利得を連続的に可変制御するための従来の手法は、上位変位指令演算器11で演算された可動マス(錘)の振幅について、過去の所定の設定周期又は設定時間内のピーク値を検出して、そのピーク値を基に、可動マス(錘)2のストロークがストローク限界範囲内に入るように利得を変化させるものであるため、地震発生時のように、制振対象構造物に短時間で非常に大きな加速度が入力され、しかも、どの程度の大きさの加速度が入力されるようになるかが不明の状態の場合は、上記変位指令演算器11で演算された可動マス(錘)2の振幅の過去の所定の設定周期又は設定時間内のピーク値を参照しても、可動マス(錘)2のストロークがストローク限界範囲内に入るように利得を十分に変化させることができない虞が懸念され、したがって、上記制振対象構造物に地震による大きな加速度が短時間で新たに入力される場合は、可動マス(錘)がストローク限界範囲に達する虞を回避できないというのが実状である。
Furthermore, the conventional method for continuously variably controlling the gain as shown in FIG. 5 is based on the past predetermined set period or the amplitude of the movable mass (weight) calculated by the upper
そのため、上記のように利得を連続的に可変制御する手法を採用してある制振装置であっても、地震発生時のように制振対象構造物に短時間で大きな加速度(大入力)が作用する場合は、十分な制振性能を担保できなくなる虞が懸念されるため、従来、制振対象構造物の風荷重による揺れを抑えるために用いられている制振装置は、地震時には使用しないという対策、すなわち、制振装置の運転を停止させるか、ハイブリッド式の場合には上記可動マス2を制振対象構造物1の揺れに応じて受動的に往復移動させるパッシブ方式に切り換えるという対策を採らざるを得ないというのが実状である。
For this reason, even with a vibration control device that employs a technique for continuously variably controlling the gain as described above, a large acceleration (large input) is applied to the structure to be controlled in a short time, such as when an earthquake occurs. When acting, there is a concern that sufficient vibration damping performance may not be secured, so the vibration damping device that has been conventionally used to suppress the vibration due to the wind load of the structure subject to vibration damping is not used during an earthquake. In other words, in the case of a hybrid type, a measure to switch the
そこで、本発明は、能動型制振装置において可動マスの許容ストローク範囲内で可動マスを十分にストロークさせることができて、能動型制振装置に最良の制振性能を効率よく且つ確実に発揮させることができ、しかも、地震発生時に制振対象構造物に短時間で大きな加速度が作用する場合であっても、可動マスが許容ストローク範囲を逸脱する虞を未然に防止できて、地震発生時にも能動型制振装置としての制振機能を発揮できると共に、後揺れに対しても、最良の制振効果を発揮することが可能な制振装置の制御方法及び装置を提供しようとするものである。 Therefore, the present invention can sufficiently move the movable mass within the allowable stroke range of the movable mass in the active vibration damping device, and efficiently and reliably exhibit the best vibration damping performance for the active vibration damping device. In addition, even if a large acceleration acts on the structure to be controlled in a short time when an earthquake occurs, it is possible to prevent the movable mass from deviating from the allowable stroke range. In addition, it is intended to provide a control method and a device for a vibration damping device that can exhibit the vibration damping function as an active vibration damping device and that can also exhibit the best vibration damping effect even with respect to the back shake. is there.
本発明は、上記課題を解決するために、請求項1に対応して、制振装置の可動マスをアクチュエータにより制振対象構造物の揺れに対して90度の位相遅れで往復駆動させるための可動マスの変位の指令値を所要の制御理論に基づいて生成し、次に、制振装置の制御系の応答特性を評価することで、上記指令値により上記可動マスを往復駆動すると仮定するときに生じることとなる可動マスの往復動の実変位と同じ値の振幅及び位相を求め、次いで、該可動マスの往復動の実変位と同じ値の振幅及び位相の時系列変化を基に、該可動マスに生じることとなる実変位の応答よりも所要時間先の時点における可動マスの変位を算出した後、該算出された所要時間先までの範囲で可動マスの変位のピーク値を求めて、該ピーク値を基に、上記制振装置における上記可動マスの実変位のストロークを許容ストローク範囲内で制御できるようにするための利得を求め、しかる後、この利得により上記可動マスの振幅を絞り込む割合を、上記可動マスの変位の指令値にかけることで導かれる指令値を、上記制振装置のアクチュエータへ与えるようにする制振装置の制御方法とする。 In order to solve the above-mentioned problem, the present invention is to provide a movable mass of a vibration damping device for reciprocating driving with a phase delay of 90 degrees with respect to a vibration of a structure to be controlled by an actuator, corresponding to claim 1. When it is assumed that the movable mass displacement command value is generated based on the required control theory, and then the movable mass is reciprocated by the command value by evaluating the response characteristics of the control system of the vibration damping device. The amplitude and phase of the same value as the actual displacement of the reciprocating motion of the movable mass to be generated, and then, based on the time series change of the amplitude and phase of the same value as the actual displacement of the reciprocating motion of the movable mass, After calculating the displacement of the movable mass at the time point ahead of the required time than the response of the actual displacement that will occur in the movable mass, find the peak value of the displacement of the movable mass in the range up to the calculated required time ahead, Based on the peak value, The gain for enabling the stroke of the actual displacement of the movable mass to be controlled within the allowable stroke range is obtained, and then the ratio for narrowing the amplitude of the movable mass by this gain is set to the command value for the displacement of the movable mass. The vibration damping device control method is such that a command value derived by applying to the actuator is applied to the actuator of the vibration damping device.
又、請求項2に対応して、制振対象構造物上に、該制振対象構造物が揺れる方向に沿って往復移動できるよう載置した可動マスと、上記可動マスを往復駆動させるための所要のアクチュエータとを備えてなる制振装置の制御装置において、上記制振装置の可動マスをアクチュエータにより制振対象構造物の揺れに対して90度の位相遅れで往復駆動させるための可動マスの変位の指令値を所要の制御理論に基づいて生成する制御理論部と、制振装置の制御系の応答特性を評価することで、上記制御理論部で生成した指令値により上記可動マスを往復駆動すると仮定するときに生じることとなる可動マスの往復動の実変位と同じ値の振幅及び位相を求める制振装置制御系の特性評価部と、上記制振装置制御系の特性評価部で求めた該可動マスの往復動の実変位と同じ値の振幅及び位相の時系列変化を基に、該可動マスに生じることとなる実変位の応答よりも所要時間先の時点における可動マスの変位を算出する予見制御部と、上記予見制御部で算出された所要時間先までの範囲で可動マスの変位のピーク値を求めて、該ピーク値を基に、上記制振装置における上記可動マスの実変位のストロークを許容ストローク範囲内で制御できるようにするための利得を求める自動利得制御部と、上記自動利得制御部で上記可動マスの振幅を絞り込む割合を、上記制御理論部で生成した指令値にかけることで、上記制振装置のアクチュエータへ与える指令値を算出する利得係数処理部とを備えてなる構成を有する制振装置の制御装置とする。 According to a second aspect of the present invention, there is provided a movable mass placed on the damping object structure so as to be able to reciprocate along the direction in which the damping object structure is oscillated, and a reciprocating drive of the movable mass. In a control apparatus for a vibration damping device comprising a required actuator, a movable mass for reciprocally driving the movable mass of the vibration damping device with a phase delay of 90 degrees with respect to the vibration of the structure to be controlled by the actuator. By evaluating the response characteristic of the control system of the vibration damping device and the control theory unit that generates the displacement command value based on the required control theory, the movable mass is driven back and forth by the command value generated by the control theory unit. Then, the characteristic evaluation unit of the vibration damping device control system for obtaining the same amplitude and phase as the actual displacement of the reciprocating motion of the movable mass, which will occur when assumed, and the characteristic evaluation unit of the vibration damping device control system Of the movable mass A foreseeing control unit that calculates the displacement of the movable mass at a time point ahead of the response of the actual displacement that will occur in the movable mass, based on the time-series change of the amplitude and phase of the same value as the actual displacement of the backward movement And calculating the peak value of the displacement of the movable mass within the range up to the required time calculated by the foreseeing control unit, and allowing the stroke of the actual displacement of the movable mass in the damping device based on the peak value. By multiplying the command value generated by the control theory unit by an automatic gain control unit for obtaining a gain for enabling control within the stroke range, and a ratio for narrowing down the amplitude of the movable mass by the automatic gain control unit, A control device for a vibration damping device having a configuration including a gain coefficient processing unit that calculates a command value to be given to the actuator of the vibration damping device.
本発明によれば、以下のような優れた効果を発揮する。
(1)制振装置の可動マスをアクチュエータにより制振対象構造物の揺れに対して90度の位相遅れで往復駆動させるための可動マスの変位の指令値を所要の制御理論に基づいて生成し、次に、制振装置の制御系の応答特性を評価することで、上記指令値により上記可動マスを往復駆動すると仮定するときに生じることとなる可動マスの往復動の実変位と同じ値の振幅及び位相を求め、次いで、該可動マスの往復動の実変位と同じ値の振幅及び位相の時系列変化を基に、該可動マスに生じることとなる実変位の応答よりも所要時間先の時点における可動マスの変位を算出した後、該算出された所要時間先までの範囲で可動マスの変位のピーク値を求めて、該ピーク値を基に、上記制振装置における上記可動マスの実変位のストロークを許容ストローク範囲内で制御できるようにするための利得を求め、しかる後、この利得により上記可動マスの振幅を絞り込む割合を、上記可動マスの変位の指令値にかけることで導かれる指令値を、上記制振装置のアクチュエータへ与えるようにする制振装置の制御方法としてあるので、制振装置により制振対象構造物の揺れに応じてアクチュエータにより可動マスを往復駆動して上記制振対象構造物の制振を行う際に、可動マスを、その許容ストローク範囲内において、従来の自動利得制御を行う場合に比して大きなストロークで往復動させることができる。よって、上記制振装置に、能動型制振装置としての最良の制振性能を効率よく且つ確実に発揮させることができる。
(2)更に、上記所要の制御理論に基づいて生成された指令値により上記制振装置の可動マスを往復駆動させると仮定したときに該可動マスに生じることとなる往復動の実変位の応答よりも所要時間先までの範囲における可動マスの振幅を推定し、この可動マスの実変位よりも先行して推定される振幅のピーク値が、制振装置の可動マスの許容ストローク範囲に収まるように利得を定めるようにしてあるため、地震発生時のような制振対象構造物に短時間で大きな加速度が作用する場合であっても、上記アクチュエータにより可動マスを往復動させるときのストロークが許容ストローク範囲に対して過大になる虞を未然に防止できる。
(3)したがって、本発明の制振装置の制御方法を適用した能動型の制振装置は、地震発生時であっても、アクチュエータにより可動マスを許容ストローク範囲内で往復動させることができて、能動型制振装置としての制振機能を発揮させることができると共に、上記地震の後揺れに対しても、最良の制振効果を発揮させることが可能になる効果が期待できる。
(4)制振対象構造物上に、該制振対象構造物が揺れる方向に沿って往復移動できるよう載置した可動マスと、上記可動マスを往復駆動させるための所要のアクチュエータとを備えてなる制振装置の制御装置において、上記制振装置の可動マスをアクチュエータにより制振対象構造物の揺れに対して90度の位相遅れで往復駆動させるための可動マスの変位の指令値を所要の制御理論に基づいて生成する制御理論部と、制振装置の制御系の応答特性を評価することで、上記制御理論部で生成した指令値により上記可動マスを往復駆動すると仮定するときに生じることとなる可動マスの往復動の実変位と同じ値の振幅及び位相を求める制振装置制御系の特性評価部と、上記制振装置制御系の特性評価部で求めた該可動マスの往復動の実変位と同じ値の振幅及び位相の時系列変化を基に、該可動マスに生じることとなる実変位の応答よりも所要時間先の時点における可動マスの変位を算出する予見制御部と、上記予見制御部で算出された所要時間先までの範囲で可動マスの変位のピーク値を求めて、該ピーク値を基に、上記制振装置における上記可動マスの実変位のストロークを許容ストローク範囲内で制御できるようにするための利得を求める自動利得制御部と、上記自動利得制御部で上記可動マスの振幅を絞り込む割合を、上記制御理論部で生成した指令値にかけることで、上記制振装置のアクチュエータへ与える指令値を算出する利得係数処理部とを備えてなる構成を有する制振装置の制御装置とすることにより、上記(1)(2)(3)の効果を有する制振装置の制御方法を実施するための装置構成を容易に実現することができる。
According to the present invention, the following excellent effects are exhibited.
(1) Based on the required control theory, a movable mass displacement command value for causing the movable mass of the vibration damping device to reciprocate with a phase delay of 90 degrees with respect to the vibration of the structure to be damped by the actuator is generated. Next, by evaluating the response characteristics of the control system of the vibration damping device, the same value as the actual displacement of the reciprocating motion of the movable mass that occurs when it is assumed that the movable mass is reciprocated by the command value. Obtain the amplitude and phase, and then, based on the time-series change of the amplitude and phase of the same value as the actual displacement of the movable mass reciprocating, the time required ahead of the response of the actual displacement that will occur in the movable mass. After calculating the displacement of the movable mass at the time point, the peak value of the displacement of the movable mass is obtained in the range up to the calculated required time, and based on the peak value, the actual mass of the movable mass in the vibration damping device is calculated. Allow displacement stroke A gain for enabling control within the roke range is obtained, and then a command value derived by multiplying the command value of the displacement of the movable mass by a ratio for narrowing down the amplitude of the movable mass by this gain, Since the vibration damping device is controlled to be applied to the actuator of the vibration damping device, the movable mass is reciprocally driven by the actuator according to the vibration of the vibration damping target structure by the vibration damping device. When performing vibration damping, the movable mass can be reciprocated within a permissible stroke range with a larger stroke than when performing conventional automatic gain control. Therefore, the above-described vibration damping device can exhibit the best vibration damping performance as an active vibration damping device efficiently and reliably.
(2) Further, when it is assumed that the movable mass of the vibration damping device is reciprocated by the command value generated based on the required control theory, the response of the actual displacement of the reciprocating motion that is generated in the movable mass. The amplitude of the movable mass in the range up to the required time ahead is estimated, and the peak value of the amplitude estimated prior to the actual displacement of the movable mass is within the allowable stroke range of the movable mass of the vibration control device. Therefore, even when a large acceleration is applied to the structure subject to vibration suppression in a short time, such as when an earthquake occurs, the stroke when reciprocating the movable mass by the actuator is allowed. It is possible to prevent the possibility that the stroke range becomes excessive.
(3) Therefore, the active vibration damping device to which the vibration damping device control method of the present invention is applied can reciprocate the movable mass within the allowable stroke range by the actuator even when an earthquake occurs. In addition to being able to exhibit the vibration damping function as an active vibration damping device, it is possible to expect an effect that makes it possible to exert the best vibration damping effect against the post-earthquake shaking.
(4) Provided with a movable mass placed on the vibration control target structure so as to reciprocate along the direction in which the vibration control target structure swings, and a required actuator for reciprocating the movable mass. In the vibration damping device control apparatus, a movable mass displacement command value for causing the movable mass of the vibration damping device to reciprocate with a phase delay of 90 degrees with respect to the vibration of the structure to be controlled by an actuator is required. Occurs when it is assumed that the movable mass is reciprocally driven by the command value generated by the control theory unit by evaluating the response characteristics of the control theory unit generated based on the control theory and the control system of the vibration control device. The characteristic evaluation unit of the damping device control system for obtaining the same amplitude and phase as the actual displacement of the reciprocating motion of the movable mass, and the reciprocating motion of the movable mass obtained by the characteristic evaluation unit of the damping device control system. Same as actual displacement Based on the time-series change of the amplitude and phase of the value, a foreseeing control unit that calculates the displacement of the movable mass at a time point ahead of the response of the actual displacement that will occur in the movable mass, The peak value of the displacement of the movable mass is obtained in the range up to the calculated required time, and the stroke of the actual displacement of the movable mass in the vibration damping device can be controlled within the allowable stroke range based on the peak value. By applying the automatic gain control unit for obtaining a gain to reduce the amplitude of the movable mass by the automatic gain control unit to the command value generated by the control theory unit, to the actuator of the vibration damping device A damping device control method having the effects (1), (2), and (3) above is provided by providing a damping device control device having a configuration including a gain coefficient processing unit that calculates a given command value. Fruit A structure of an apparatus for can be easily realized.
以下、本発明を実施するための形態を図面を参照して説明する。 Hereinafter, embodiments for carrying out the present invention will be described with reference to the drawings.
図1は本発明の制振装置の制御方法及び装置の実施の一形態として、図3に示したものと同様に、制振対象構造物1上に、該制振対象構造物1が揺れる方向と平行に水平方向に往復移動できるよう載置した可動マス2と、上記可動マス2を往復駆動させるための所要のアクチュエータ5と、上記制振対象構造物1の揺れを検知するための揺れ検知センサ6とを備えてなるアクティブ方式の制振装置14の制御に適用する場合の例を示すもので、以下のようにしてある。
FIG. 1 shows an embodiment of a method and apparatus for controlling a vibration damping device according to the present invention. Like the one shown in FIG. 3, the direction in which the vibration damping
すなわち、上記本発明の制振装置の制御方法の実施に用いる本発明の制振装置の制御装置15は、制御理論部16と、制振装置制御系の特性評価部17と、予見制御部18と、自動利得制御部19と、利得係数処理部20と、リミッタ21を備えてなる構成として、制振装置14のアクチュエータ5へ、可動マス2(図3参照)の変位の指令値U5を与える機能を有するようにしてある。
That is, the
以下、上記本発明の制御装置15の各構成要素による処理内容に即して本発明の制振装置の制御方法について説明する。
Hereinafter, the control method of the vibration damping device of the present invention will be described in accordance with the processing contents by each component of the
上記制御理論部16は、上記制振対象構造物1に所要の加速度の入力が生じて揺れ検知センサ6により検知される制振対象構造物1(図3参照)の揺れの応答aと、可動マス2(図3参照)を往復駆動するアクチュエータ5より上記可動マス2の変位の応答bが入力されると、所要の制御理論を適用して制振装置14の可動マス2を制振対象構造物1の揺れに対して90度の位相遅れで速やかに往復駆動させるために上記アクチュエータ5へ与える可動マス2の変位の指令値U1を生成するようにしてある。なお、上記可動マス2の変位の指令値U1を生成するための制御理論としては、任意の制御理論を採用してよい。
The
上記制振装置制御系の特性評価部17は、本発明の制振装置の制御装置15の実際の制御対象となる制振装置14の制御系について、図6に示したと同様の制振装置の制御系の応答特性(振幅特性、位相特性)に関するデータを予め備えてなり、上記制御理論部16で生成された指令値U1が入力されると、該指令値U1を上記制振装置14のアクチュエータ5へ与えて可動マス2(図3参照)を往復駆動させると仮定したときに、上記図6に示したと同様の該制振装置14の制御系の応答特性である振幅特性と、位相特性の影響を評価して、可動マス2に生じることとなる往復動の実変位と同じ値の振幅及び位相に変換してなる指令値U2を生成するようにしてある。これにより、上記制御理論部16で生成される指令値U2には、上記制振装置14の制御系の応答特性の有する図6に示した如き入力に対する出力の振幅比(出力/入力)が1.0よりも小さくなるという振幅特性に起因して、上記制御理論部16で生成される指令値U1に比して振幅が小さくなると共に、上記制振装置14の制御系の応答特性の位相特性により、上記制御理論部16で生成される指令値U1に対して位相遅れが生じるようになる。
The
上記予見制御部18は、上記制振装置制御系の特性評価部17で生成される指令値U2が入力されると、該指令値U2は、上記制御理論部16で生成された指令値U1を上記制振装置14のアクチュエータ5へ与えて可動マス2(図3参照)を往復駆動させると仮定したときに該可動マス2に生じることとなる往復動の実変位と同じ値の振幅及び位相となっているため、この指令値U2の振幅及び位相の時系列変化を基に、たとえば、該指令値U2を微分する操作により、該可動マス2に生じることとなる実変位の応答よりも所要時間先、たとえば、1/4周期分先の時点における可動マス2の変位(振幅)を算出して、この値を指令値U3として生成するようにしてある。これにより、上記予見制御部18で生成される指令値U3によれば、上記制御理論部16で生成される指令値U1を上記制振装置14のアクチュエータ5へ与えて可動マス2(図3参照)を往復駆動させると仮定したときに、該可動マス2に生じることとなる往復動の実変位の1/4周期分先のまでの範囲で可動マス2の変位(振幅)を推定できるようになる。
When the command value U2 generated by the
上記自動利得制御部19は、上記予見制御部18で生成される指令値U3が入力されると、現時点から、上記指令値U3により推定される上記制御理論部16で生成される指令値U1を上記制振装置14のアクチュエータ5へ与えて可動マス2(図3参照)を往復駆動させると仮定したときの該可動マス2に生じることとなる往復動の実変位の1/4周期分先までの範囲で可動マス2の変位(振幅)のピーク値を求めて、該ピーク値を基に、上記制振装置14における上記可動マス2のストロークが許容ストローク範囲内で制御できるようにするために必要な指令値U4を、利得を自動的に変化させて生成するようにしてある。
When the command value U3 generated by the
上記利得係数処理部20は、上記自動利得制御部19より入力される指令値U4を、上記予見制御部18より入力される指令値U3で割ることにより、上記自動利得制御部19で利得を絞り込んだ割合(U3/U4)を求め、これを上記制御理論部16より入力される指令値U1に掛けてなる指令値U5を生成するようにしてある。
The gain
上記リミッタ21は、上記利得係数処理部20より指令値U5が入力されると、該指令値U5を予め設定された所定の値で飽和する(頭打ちとなる)ようにした状態で上記制振装置14のアクチュエータ5へ出力するようにしてある。これにより、上記制振装置14のアクチュエータ5へ過大な指令値が入力される虞を解消できるようにしてある。
When the command value U5 is input from the gain
ここで、以上の構成としてある本発明の制振装置の制御方法及び装置による処理の効果を、振幅の数値例を挙げて説明する。 Here, the effect of the processing by the control method and apparatus of the vibration damping device of the present invention having the above configuration will be described with reference to numerical examples of amplitude.
一例として、制振対象構造物1(図3参照)に所要の加速度の入力が生じて該制振対象構造物1の揺れの応答aと、可動マス2の変位の応答bが上記制御理論部16に入力され、該制御理論部16にて所要の制御理論を適用して制振装置14の可動マス2を制振対象構造物1の揺れに対して90度の位相遅れで速やかに往復駆動させるために生成される可動マス2の変位の指令値U1における振幅の最大値が100cmであるとし、制振装置14の制御系の応答特性に可動マス(図3参照)の振幅比(出力/入力)の低下が係数0.7で生じ、更に、上記制振装置14における上記可動マス2の許容ストロークが50cmである場合、上記制振装置制御系の特性評価部17で生成される指令値U2における振幅の最大値は、上記指令値U1の最大振幅である100cmに、上記制振装置14の制御系の応答特性における振幅比の係数0.7をかけることで70cmとなる。
As an example, an input of a required acceleration is generated in the vibration suppression target structure 1 (see FIG. 3), and the vibration response a of the vibration
次に、上記予見制御部18では、上記制振装置制御系の特性評価部17で生成される指令値U2の1/4周期分先の時点における可動マス2の変位(振幅)を表す指令値U3を生成するようにしてあるため、該指令値U3における振幅の最大値は、指令値U2における振幅の最大値と同様の70cmとなる。
Next, in the foreseeing
次いで、上記自動利得制御部19にて、上記予見制御部18で生成される指令値U3における振幅のピーク値(最大値)70cmを基に、このピーク値が上記制振装置14における上記可動マス2の許容ストロークである50cmに収まるように利得が50/70に設定されると、該自動利得制御部19で生成する指令値U4における振幅の最大値は70・(50/70)=50cmとなる。
Next, the automatic
その後、上記利得係数処理部では、上記指令値U5を、U5=U1・(U4/U3)の式で表される処理で生成するようにしてあるため、上記指令値U5の振幅の最大値は、100・(50/70)cmとなる。 Thereafter, in the gain coefficient processing unit, the command value U5 is generated by the process represented by the equation U5 = U1 · (U4 / U3), so that the maximum value of the amplitude of the command value U5 is 100 · (50/70) cm.
したがって、上記指令値U5を、制振装置14のアクチュエータ5へ与えると、該制振装置14では、上記したように制振装置14の制御系の応答特性に可動マス2の振幅比(出力/入力)の低下が係数0.7で生じるため、該制振装置14の可動マス2の実変位の最大振幅は、100・(50/70)×0.7=50cmとなる。よって、上記制振装置14のアクチュエータ5により上記可動マス2を、該制振装置14における可動マス2の許容ストローク範囲の全体を活用して往復動させることが可能となる。
Therefore, when the command value U5 is given to the
これに対し、従来のように、上記制御理論部16で生成される指令値U1の振幅の最大値100cmを基に、このピーク値が上記制振装置14における上記可動マス2の許容ストロークである50cmに収まるように利得を50/100に設定することで、振幅の最大値が100・(50/100)=50cmとなる指令値を生成して、これを直接上記制振装置14のアクチュエータ5へ与えると、該制振装置14では、制振装置14の制御系の応答特性に可動マス2の振幅比(出力/入力)の低下が係数0.7で生じるため、該制振装置14の可動マス2の実変位の最大振幅は、50×0.7=35cmとなり、上記制振装置14における可動マス2の許容ストロークに比して小さいストロークでしか可動マス2を往復動させることができない。
On the other hand, based on the
このように、本発明の制振装置の制御方法及び装置によれば、制振装置14の制御系の応答特性における入力に対する出力の振幅比が低下するという振幅特性を評価して、制振装置14に或る可動マス2(図3参照)の振幅の指令値が入力されるときに、該制振装置14の可動マス2に生じることとなる実変位の振幅の最大値を基に、該可動マス2の実変位の振幅の最大値が、制振装置14における許容ストローク範囲内に収まるように利得を自動的に制御することができるため、上記制振装置14により制振対象構造物1(図3参照)揺れに応じてアクチュエータ5により可動マス2を往復駆動して上記制振対象構造物1の制振を行う際に、可動マス2をその許容ストローク範囲内で従来に比して大きなストロークで往復動させることができる。この効果は、本発明者等が本発明の制振装置の制御方法及び装置を採用した制振装置14の実機を用いて実施した試験の可動マス2の変位の時刻歴応答波形についての図2(イ)に示す如き結果における可動マス2の振幅が、比較例として、制振装置の可動マスの利得を従来の手法により可変制御した場合の可動マス2の変位の時刻歴応答波形の図2(ロ)に示す如き結果における可動マス2の振幅よりも大となっていることからも明らかである。なお、上記図2(イ)(ロ)の試験を行った装置構成は、制振装置14の制御装置以外は同一としてある。
As described above, according to the control method and apparatus of the vibration damping device of the present invention, the amplitude characteristic that the amplitude ratio of the output to the input in the response characteristic of the control system of the
よって、上記制振装置14に、能動型制振装置としての最良の制振性能を効率よく且つ確実に発揮させることが可能となる。
Therefore, it is possible to cause the
更に、本発明の制振装置の制御方法及び装置では、上記予見制御部18を設けて、該予見制御部18にて、上記制御理論部16で生成された指令値U1を上記制振装置14のアクチュエータ5へ与えて可動マス2(図3参照)を往復駆動させると仮定したときに該可動マス2に生じることとなる往復動の実変位の応答よりも往復動の1/4周期分先までの範囲で可動マス2の変位(振幅)を推定し、この可動マス2の実変位よりも先行して推定される変位(振幅)のピーク値が、制振装置14の可動マス2の許容ストローク範囲に収まるように上記利得係数処理部20で利得を定めるようにしてあるため、地震発生時のような制振対象構造物1(図3参照)に短時間で大きな加速度が作用する場合であっても、上記可動マス2のストロークが許容ストローク範囲に対して過大になる虞を未然に防止できる。
Further, in the vibration damping device control method and apparatus of the present invention, the
したがって、本発明の制振装置の制御方法及び装置を適用した能動型の制振装置14は、地震発生時であっても、アクチュエータ5により可動マス(図3参照)を許容ストローク範囲内で往復動させることができて、能動型制振装置としての制振機能を発揮させることができると共に、上記地震の後揺れに対しても、最良の制振効果を発揮させることを可能にすることができる。
Therefore, the active
なお、本発明は上記実施の形態のみに限定されるものではなく、能動型の制振装置であれば、いかなる形式のアクティブ方式、あるいは、ハイブリッド方式の能動型制振装置に適用してもよい。 The present invention is not limited to the above-described embodiment, and may be applied to any type of active type or hybrid type active damping device as long as it is an active damping device. .
図1の実施の形態で説明した各指令値U1,U2,U3,U4,U5における可動マス2(図3参照)の振幅の最大値、制振装置14の許容ストローク範囲、利得の値、及び、図2(イ)(ロ)に示した振幅や周期は一例であり、制振対象構造物1(図3参照)や、制振装置14の構成等に応じて適宜変更してもよい。
The maximum value of the amplitude of the movable mass 2 (see FIG. 3) in each of the command values U1, U2, U3, U4, U5 described in the embodiment of FIG. 1, the allowable stroke range of the
その他本発明の要旨を逸脱しない範囲内で種々変更を加え得ることは勿論である。 Of course, various modifications can be made without departing from the scope of the present invention.
1 制振対象構造物
2 可動マス
5 アクチュエータ
14 制振装置
15 制御装置
16 制御理論部
17 制振装置制御系の特性評価部
18 予見制御部
19 自動利得制御部
20 利得係数処理部
U1,U2,U3,U4,U5 指令値
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