JP2013087857A - Vibration damping system and vibration damping method - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、制振システムおよび制振方法に関する。 The present invention relates to a vibration damping system and a vibration damping method.
高層ビルなどの構造物において、風による揺れを低減させて居住者等の不快感を低減させる制振装置として、AMD(Active Mass Damper)やHMD(Hybrid Mass Damper)がある。AMDやHMDは、マスと呼ばれる付加質量をモータで動かし、モータがマスに作用させる力の反力(マスを加速させる際の慣性反力)によってビルの揺れを低減させる。
一方、地震の場合においては、風の場合よりも構造物の揺れが大きく、マスが可動範囲(ストローク制限)を超えてしまうおそれがある。また、通常、地震の周期と、風の場合の構造物の固有振動周期とは異なっており、AMDやHMDによっては、地震の周期に充分に対応できないものもある。このため、一般的なAMDやHMDでは、地震に対する積極的な制振制御は行われていなかった。
In a structure such as a high-rise building, there are AMD (Active Mass Damper) and HMD (Hybrid Mass Damper) as a vibration control device that reduces the unpleasant feeling of residents by reducing the shaking caused by wind. In AMD and HMD, an additional mass called a mass is moved by a motor, and the shaking of the building is reduced by the reaction force of the force that the motor acts on the mass (inertial reaction force when accelerating the mass).
On the other hand, in the case of an earthquake, the structure shakes more than in the case of wind, and the mass may exceed the movable range (stroke limit). Also, the period of earthquakes is usually different from the natural vibration period of structures in the case of wind, and some AMDs and HMDs cannot sufficiently cope with the period of earthquakes. For this reason, in general AMD and HMD, the active vibration suppression control with respect to the earthquake was not performed.
なお、地震の場合にマスが可動範囲を超えてしまうおそれがある点に対し、特許文献1に記載の制振装置は、構造物の変位を検出するセンサ及び地震波を検出する地震計からの検出信号に基づいて駆動信号を生成し、駆動信号によりアクチュエータを駆動して付加質量を移動させ、構造物の振動を制振する制振装置において、構造物の変位を制振するのに必要な付加質量の変位が付加質量の移動可能な動作範囲を越えると判断されるとき、付加質量が該動作範囲内で停止するようにアクチュエータを制御する付加質量停止手段を備えている。
これにより、付加質量がストッパに衝突して構造物を加振してしまうことを防止でき、さらには電源が遮断されずに制振モードが継続されているので構造物の振動が小さくなった時点で直ちに制振動作を行うことができ、振動を短時間で制振することができるとされている。
In addition, in contrast to the point that the mass may exceed the movable range in the event of an earthquake, the vibration damping device described in
As a result, it is possible to prevent the additional mass from colliding with the stopper to vibrate the structure, and furthermore, when the vibration of the structure is reduced because the vibration suppression mode is continued without shutting off the power source. It is said that the vibration control operation can be performed immediately and the vibration can be controlled in a short time.
また、特許文献2に記載の制振装置は、構造物の変位を検出するセンサ及び地震波を検出する地震計からの検出信号に基づいて駆動信号を生成し、駆動信号によりアクチュエータを駆動して付加質量を移動させ、構造物の振動を制振する制振装置において、アクチュエータを駆動制御する制御系の制御ゲインを構造物を振動させる外力の大きさに応じて切換えるゲイン切換手段を備えてなる。
これにより、構造物の振動の大きさに適合した制振力により構造物の振動を制振することができるとされている。そのため、例えば風による振動のようにゆっくりとした揺れのときは付加質量がゆっくりと移動するように制御ゲインを切換え、又、地震のような過大な変位が入力されたときには構造物の地震による振動を制振するように制御ゲインを切換えて効率良く短時間で構造物の振動を制振できるとされている。
Further, the vibration damping device described in Patent Document 2 generates a drive signal based on a detection signal from a sensor that detects the displacement of a structure and a seismometer that detects a seismic wave, and adds an actuator by driving the actuator with the drive signal. The vibration damping device that moves the mass and suppresses the vibration of the structure includes a gain switching unit that switches a control gain of a control system that drives and controls the actuator according to the magnitude of an external force that vibrates the structure.
Thereby, it is supposed that the vibration of the structure can be suppressed by the vibration control force adapted to the magnitude of the vibration of the structure. For this reason, the control gain is switched so that the additional mass moves slowly when it is slowly shaken, for example, due to wind vibrations, and when an excessive displacement such as an earthquake is input, the structure is vibrated due to the earthquake. It is said that the vibration of the structure can be efficiently controlled in a short time by switching the control gain so as to suppress the vibration.
しかしながら、特許文献1に記載の制振装置は、地震発生時など、付加質量が移動可能な範囲を超えると判断されると、付加質量を停止させるので、地震に対する積極的な制振制御を行うことは出来ず、この点で、地震に対する効果的な制振制御を行うことが出来ない。
また、特許文献2では、LQ制御における評価関数を最小とするゲインを求めることが記載されているが、演算量が膨大となってしまう。従って、切り替えられるゲインの各々を、特許文献2の示す方法で求めることは、ゲインを設定する者の負担となってしまう。
However, since the vibration damping device described in
Further, Patent Document 2 describes obtaining a gain that minimizes an evaluation function in LQ control, but the amount of calculation becomes enormous. Accordingly, obtaining each of the gains to be switched by the method disclosed in Patent Document 2 is a burden on the person who sets the gain.
本発明は、このような事情を考慮してなされたものであり、その目的は、より簡単にゲインを設定でき、かつ、地震に対する制振制御をより効果的に行うことの出来る制振システムおよび制振方法を提供することにある。 The present invention has been made in view of such circumstances, and an object of the present invention is to provide a vibration suppression system capable of more easily setting a gain and more effectively performing vibration suppression control for an earthquake. The purpose is to provide a vibration control method.
この発明は上述した課題を解決するためになされたもので、本発明の一態様による制振システムは、地面に設置された構造物の変位または速度の少なくとも一方を検出する第1センサと、前記構造物に相対移動可能に支持された付加質量の変位または速度の少なくとも一方を検出する第2センサとの検出信号に基づいて制御信号を生成する制御部を具備し、前記制御信号により駆動部を動作させることによって前記付加質量を前記構造物に対して相対移動させて前記構造物を制振する制振システムであって、前記制御部は、前記地面の変位による前記構造物の変位または前記地面の速度による前記構造物の速度の少なくとも一方を相殺するように、前記付加質量を前記構造物に対して相対移動させる前記制御信号を生成することを特徴とする。 The present invention has been made to solve the above-described problems, and a vibration damping system according to an aspect of the present invention includes a first sensor that detects at least one of a displacement or a speed of a structure installed on the ground, A control unit that generates a control signal based on a detection signal with a second sensor that detects at least one of a displacement or a velocity of an additional mass supported so as to be movable relative to the structure; A vibration control system for controlling the structure by moving the additional mass relative to the structure by operating the structure, wherein the control unit is configured to displace the structure due to the displacement of the ground or the ground. Generating the control signal for moving the additional mass relative to the structure so as to cancel at least one of the speeds of the structure due to the speed of
また、本発明の一態様による制振システムは、上述の制振システムであって、少なくとも前記構造物の変位を検出し、前記第2センサは、少なくとも前記付加重量の変位を検出し、前記制御部は、少なくとも前記地面の変位を検出する第3センサの検出信号に基づいて、前記地面の変位に対して所定の重み付けを行って得られる変位を、前記付加質量の変位の目標値に設定することで、前記地面の変位による前記構造物の変位を相殺するように、前記付加質量を前記構造物に対して相対移動させる前記制御信号を生成することを特徴とする。 The vibration suppression system according to an aspect of the present invention is the above-described vibration suppression system, wherein at least the displacement of the structure is detected, and the second sensor detects at least the displacement of the additional weight, and the control The unit sets a displacement obtained by performing predetermined weighting on the ground displacement as a target value of the displacement of the additional mass based on at least a detection signal of the third sensor that detects the displacement of the ground. Thus, the control signal for moving the additional mass relative to the structure is generated so as to cancel the displacement of the structure due to the displacement of the ground.
また、本発明の一態様による制振システムは、上述の制振システムであって、前記第1センサは、少なくとも前記構造物の速度を検出し、前記第2センサは、少なくとも前記付加重量の速度を検出し、前記制御部は、少なくとも前記地面の速度を検出する第3センサの検出信号に基づいて、前記地面の速度に対して所定の重み付けを行って得られる速度を、前記付加質量の速度の目標値に設定することで、前記地面の速度による前記構造物の速度を相殺するように、前記付加質量を前記構造物に対して相対移動させる前記制御信号を生成することを特徴とする。 The vibration suppression system according to one aspect of the present invention is the vibration suppression system described above, wherein the first sensor detects at least the speed of the structure, and the second sensor detects at least the speed of the additional weight. And the control unit obtains a speed obtained by performing a predetermined weighting on the ground speed based on at least a detection signal of a third sensor for detecting the ground speed. The control signal for moving the additional mass relative to the structure is generated so as to cancel the speed of the structure due to the speed of the ground.
また、本発明の一態様による制振システムは、上述の制振システムであって、前記制御部は、前記付加質量の重量と前記構造物の重量との合計に対する前記付加質量の重量の割合にて、前記所定の重み付けを行うことを特徴とする。 The vibration suppression system according to an aspect of the present invention is the vibration suppression system described above, wherein the control unit is configured to set a ratio of the weight of the additional mass to a total of the weight of the additional mass and the weight of the structure. The predetermined weighting is performed.
また、本発明の一態様による制振方法は、地面に設置された構造物の変位または速度の少なくとも一方と、前記構造物に相対移動可能に支持された付加質量の変位または速度の少なくとも一方とに基づいて、前記付加質量を前記構造物に対して相対移動させて前記構造物を制振する制振システムの制振方法であって、前記地面の変位による前記構造物の変位または前記地面の速度による前記構造物の速度の少なくとも一方を相殺するように、前記付加質量を前記構造物に対して相対移動させることを特徴とする。 The vibration damping method according to one aspect of the present invention includes at least one of a displacement or a speed of a structure installed on the ground, and at least one of a displacement or a speed of an additional mass supported so as to be relatively movable on the structure. The vibration damping method of the vibration damping system for damping the structure by moving the additional mass relative to the structure based on the displacement of the structure or the displacement of the ground The additional mass is moved relative to the structure so as to cancel at least one of the speeds of the structure due to speed.
本発明によれば、より簡単にゲインを設定でき、かつ、地震に対する制振制御をより効果的に行うことができる。 According to the present invention, the gain can be set more easily, and the vibration control for the earthquake can be more effectively performed.
以下、図面を参照して、本発明の実施の形態について説明する。
図1は、本発明の一実施形態における制振システムの配置を示す配置図である。同図において、制振システム1は、制振装置110と、制御装置(制御部)300とを具備する。制振装置110は、モータ111と、マス(付加質量)112とを具備する。また、制振装置110と、制御装置300とは、ビル(Building)BILに設置されており、ビルBILは、地面GNDに設置されている。また、第1センサ部210は、ビルBILに設置されており、第2センサ部220は、モータ111に設置されており、第3センサ部230は、地面GNDに設置されている。
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
FIG. 1 is a layout diagram showing the layout of a vibration damping system according to an embodiment of the present invention. In FIG. 1, the
ビルBILは高層ビルであり、地震や風によって振動する。そこで、制振システム1は、付加質量であるマス112をビルBILに対して相対移動させることによって、ビルBILを制振する。
モータ111は、モータ111自らの軸を回転させることによってマス112を移動させる。例えば、モータ111はネジ(ボルト)状の軸を有し、マス112はネジ穴(ナット)状の開口部を有する。そして、モータ111は、モータ111自らの軸を回転させることによってネジ締め動作またはネジ緩め動作を行い、当該動作によってマス112を移動させる。
制御装置300は、第1センサ部210の測定するビルBILの速度および変位や、第2センサ部220の測定するマス112の速度および変位や、第3センサ部230の測定する地面GNDの速度および変位に基づいて、モータ111がマス112を移動させるための制御信号を生成して、モータ111に出力する。
The building BIL is a high-rise building and vibrates due to an earthquake or wind. Therefore, the
The
The
図2は、制振システム1の機能構成を示す概略ブロック図である。同図において、制振システム1は、制振装置110と、制御装置300とを具備する。制振装置110は、モータ111と、マス112とを具備する。制御装置300は、ハイパスフィルタ(High-pass Filter;HPF)301〜306と、係数乗算部311〜312と、減算部321〜322と、ゲイン乗算部331〜334と、加算部341〜343とを具備する。
また、制振装置110は、ビルBILに設置されており、ビルBILは、地面GNDに設置されている。また、ハイパスフィルタ301は変位センサ211から検出信号を取得し、ハイパスフィルタ302は速度センサ212から検出信号を取得し、ハイパスフィルタ303は変位センサ221から検出信号を取得し、ハイパスフィルタ304は速度センサ222から検出信号を取得し、ハイパスフィルタ305は変位センサ231から検出信号を取得し、ハイパスフィルタ306は速度センサ232から検出信号を取得する。速度センサ212と変位センサ211とで第1センサ部210を構成し、速度センサ222と変位センサ221とで第2センサ部220を構成し、速度センサ232と変位センサ231とで第3センサ部230を構成する。
図2において、図1の各部と同一の部分には同一の符号(1、110〜112、210、220、230、300、BIL、GND)を付している。
FIG. 2 is a schematic block diagram illustrating a functional configuration of the
The
In FIG. 2, the same reference numerals (1, 110 to 112, 210, 220, 230, 300, BIL, GND) are assigned to the same parts as those in FIG.
ビルBILは、上記のように高層ビルであり、本発明における地面に設置された構造物の一例として、制振システム1によって制振される。但し、本発明における制振対象はビルに限らない。例えば展望塔や管制塔などのタワー状の構造物等、様々な構造物を本発明における制振対象とすることができる。
地面GNDは、ビルBILの設置されている場所における地面、あるいは、地面と同視し得るビルBILの基礎である。
The building BIL is a high-rise building as described above, and is damped by the
The ground GND is the ground at the place where the building BIL is installed or the foundation of the building BIL that can be regarded as the ground.
制振装置110は、例えばビルBILの最上階に設置されて、マス112を多段振り子にて支持するなど、マス112をビルBILに対して相対移動可能に支持する。また、制振装置110は、モータ111をビルBILに対して固定的に支持ずる。
モータ111は、本発明における駆動部の一例であり、制御装置300の出力する制御信号に従って動作する。モータ111は、制御信号に従って動作することによってマス112に対して力を加え、マス112をビルBILに対して相対移動させる。
なお、本発明における駆動部はモータに限らない。例えば、駆動部が、エンジンなどモータ以外の動力源を具備して付加質量を移動させるようにしてもよい。
The
The
In addition, the drive part in this invention is not restricted to a motor. For example, the drive unit may include a power source other than a motor such as an engine to move the additional mass.
マス112は、モータ111から加えられる力によってビルBILに対して相対移動する。マス112は、モータ111から加えられる力に対する反力(モータ111から加えられる力によってマス112が加速する際の慣性力)をモータに加える。
ここで、モータ111はビルBILに対して固定的に支持されているため、マス112がモータに加える反力はビルBILに伝達される。制振装置110は、この力を用いてビルBILを制振する。
The
Here, since the
上記のように、ビルBILは地面GNDに設置されており、また、マス112はビルBILに設置されている。これにより、地面GNDは、地震等によって自らが振動することで、ビルBILを振動させる。また、ビルBILは、地面GNDからの振動等によって自らが振動することで、マス112を振動させる。
As described above, the building BIL is installed on the ground GND, and the
第1センサ部210は、ビルBILの変位または速度の少なくとも一方を(測定し)検出する。本実施形態では、第1センサ部210は、地面GNDに対するビルBILの変位および速度(第3センサ部230の観測点に対する相対的な変位および速度)を検出する。具体的には、第1センサ部210は、制振装置110と同じくビルBILの最上階に設置された変位センサ211および速度センサ212を具備する。変位センサ211は、地面GNDに対するビルBILの変位を検出してハイパスフィルタ301に出力する。速度センサ212は、地面GNDに対するビルBILの速度を検出してハイパスフィルタ302に出力する。
なお、第1センサ部210の設置場所は、ビルBILの最上階に限らず、制振装置110と同様の揺れを示す場所であればよい。例えば、制振装置110と第1センサ部210とが、最上階以外の階に設置されていてもよいし、共にビルBILの屋上に設置されていてもよい。
The first sensor unit 210 (measures) detects (measures) at least one of the displacement or speed of the building BIL. In the present embodiment, the
The installation location of the
第2センサ部220は、マス112の変位または速度の少なくとも一方を検出する。本実施形態では、第2センサ部220は、ビルBILに対するマス112の変位および速度(第1センサ部210の観測点に対する相対的な変位および速度)を検出する。具体的には、第2センサ部220は、モータ111に設けられた変位センサ221および速度センサ222を具備する。変位センサ221は、モータ111の回転量(回転角)を測定することで、ビルBILに対するマス112の変位を検出してハイパスフィルタ303に出力する。速度センサ222は、所定時間当たりのモータ111の回転量測定値に基づいて、ビルBILに対するビルBILの速度を検出してハイパスフィルタ302に出力する。
なお、第2センサ部220の設置場所は、モータ111に限らず、マス112の変位や速度を検出可能な場所であればよい。例えば、第2センサ部220は、マス112に設置されていてもよい。
The
The installation location of the
第3センサ部230は、地面GNDの変位または速度の少なくとも一方を検出する。本実施形態では、第3センサ部230は、地面GNDの変位および速度(定常状態からの変位および速度)を検出する。具体的には、第3センサ部230は、地面と同視し得るビルBILの基礎に設けられた変位センサ231および速度センサ232を具備する。変位センサ231は、地面GNDの変位を検出してハイパスフィルタ305に出力する。速度センサ232は、地面GNDの速度を検出してハイパスフィルタ306に出力する。
なお、第3センサ部230の設置場所はビルBILの基礎に限らず、ビルBILの設置されている場所における地面としての地面GNDの変位や速度を測定可能な場所であればよい。例えば、第3センサ部230は、ビルBILの周辺の地面に設置されていてもよい。
The
The installation location of the
制御装置300は、第1センサ部210と、第2センサ部220との検出信号に基づいて制御信号を生成する。
より具体的には、制御装置300は、地面GNDの変位によるビルBILの変位、または、地面GNDの速度によるビルBILの速度の少なくとも一方を相殺するように、マス112をビルBILに対して相対移動させる制御信号を生成する。本実施形態では、制御装置300は、地面GNDの変位によるビルBILの変位と、地面GNDの速度によるビルBILの速度とを相殺するように、マス112をビルBILに対して相対移動させる制御信号を生成する。
The
More specifically, the
さらに具体的には、制御装置300は、第3センサ部230(変位センサ231)の検出信号に基づいて、地面GNDの変位に対して所定の重み付けを行って得られる変位を、マス112の変位の目標値に設定することで、地面GNDの変位によるビルBILの変位を相殺するように、マス112をビルBILに対して相対移動させる制御信号を生成する。また、制御装置300は、第3センサ部230(速度センサ232)の検出信号に基づいて、地面GNDの速度に対して所定の重み付けを行って得られる速度を、マス112の速度の目標値に設定することで、地面GNDの速度によるビルBILの速度を相殺するように、マス112をビルBILに対して相対移動させる制御信号を生成する。ここで、制御装置300は、マス112の重量とビルBILの重量との合計に対するマス112の重量の割合にて、上記の所定の重み付け(地面GNDの変位に対する重み付け、および、地面GNDの速度に対する重み付け)を行う。
制御装置300は、生成した制御信号をモータ111に出力してモータ111を動作させる。
More specifically, the
The
ハイパスフィルタ301〜306は、いずれも、センサ(それぞれ、変位センサ211、速度センサ212、変位センサ221、速度センサ222、変位センサ231、速度センサ232)の測定値にオフセットが含まれる場合に、当該オフセットを除去するフィルタである。ハイパスフィルタ301〜306は、オフセットを除去した測定値を、それぞれ、ゲイン乗算部331〜331、ハイパスフィルタ305〜306に出力する。
All of the high-
係数乗算部311〜312は、それぞれ、ハイパスフィルタ305〜305から出力される、オフセットを除去された測定値に対して、マス112の重量とビルBILの重量との合計に対するマス112の重量の割合による重み付け(係数の乗算)を行う。係数乗算部311〜312は、重み付けした測定値を、それぞれ、減算部321〜322に出力する。
The
減算部321は、ハイパスフィルタ303の出力する、オフセットを除去されたマス112の変位から、係数乗算部311の出力する、重み付けされた地面GNDの変位を減算して、ゲイン乗算部333に出力する。
減算部322は、ハイパスフィルタ304の出力する、オフセットを除去されたマス112の速度から、係数乗算部312の出力する、重み付けされた地面GNDの速度を減算して、ゲイン乗算部334に出力する。
The
The
ゲイン乗算部331は、ハイパスフィルタ301の出力する、オフセットを除去されたビルBILの変位に、ゲイン定数を乗算して、加算部341に出力する。
ゲイン乗算部332は、ハイパスフィルタ302の出力する、オフセットを除去されたビルBILの速度に、ゲイン定数を乗算して、加算部341に出力する。
ゲイン乗算部333は、減算部321の出力する、地面GNDの変位を重み付け加算されたマス112の変位に、ゲイン定数を乗算して、加算部342に出力する。
ゲイン乗算部334は、減算部322の出力する、地面GNDの速度を重み付け加算されたマス112の速度に、ゲイン定数を乗算して、加算部343に出力する。
The
The
The
The
加算部341は、ゲイン乗算部331の出力する、ゲインを乗算されたビルBILの変位と、ゲイン乗算部332の出力する、ゲインを乗算されたビルBILの速度とを足し合わせて、加算部342に出力する。
加算部342は、加算部341の出力する値と、ゲイン乗算部333の出力する、マス112の変位から地面GNDの変位を重み付けして減算してゲインを乗算した値とを足し合わせて、加算部343に出力する。
加算部343は、加算部342の出力する値と、ゲイン乗算部334の出力する、マス112の速度から地面GNDの速度を重み付けして減算してゲインを乗算した値とを足し合わせて、制御信号としてモータ111に出力する。
以上のように、制御装置300は、マス112の変位およびマス112の速度から、それぞれ、係数を乗算された地面GNDの変位および係数を乗算された地面GNDの速度を減算しててゲインを乗算し、これらの値と、ビルBILの変位およびビルBILの速度に係数を乗算した各値とを足し合わせて制御信号を生成し、モータ111に出力する。
The
The adding
The adding
As described above, the
なお、制御装置300は、コンピュータによって実現されていてもよい。すなわち、制御装置300の各部は、中央処理装置(Central Processing Unit)が記憶装置からプログラムを読み出して実行することによって実現されてもよい。
あるいは、制御装置300の各部が、専用の回路によって実現されていてもよい。例えば、ハイパスフィルタ301〜306が、それぞれ、コンデンサおよび抵抗によるフィルタ回路を用いて構成されて、電流の大きさで示されるセンサ測定値のオフセット(直流成分)を除去するようにしてもよい。また、係数乗算部311〜312や、減算部321〜322や、ゲイン乗算部331〜334や、加算部341〜343が、それぞれ、パワーアンプを用いて構成されて、入力される電流の大きさを変換することで各種演算を行うようにしてもよい。
The
Or each part of the
次に、図3を参照して、制振システム1の動作について説明する。
図3は、制御装置300が制御信号を生成する処理手順の例を示すフローチャートである。制御装置300は、電源を接続(ON)された稼動状態において、同図の処理を繰り返し行う。
同図の処理において、まず、ハイパスフィルタ301〜306の各々は、センサの出力する検出信号を取得することにより、検出値(測定値)を取得する(ステップS111)。そして、ハイパスフィルタ301〜306の各々は、取得した検出値からオフセットを除去する(ステップS112)。
Next, the operation of the
FIG. 3 is a flowchart illustrating an example of a processing procedure in which the
In the process of FIG. 6, first, each of the high-
次に、係数乗算部311は、ハイパスフィルタ305がオフセットを除去した地面GNDの変位に係数を乗算し、また、係数乗算部312は、ハイパスフィルタ306がオフセットを除去した地面GNDの速度に係数を乗算する(ステップS113)。
そして、減算部321は、係数乗算部311が係数を乗算した地面GNDの変位を、ハイパスフィルタ303がオフセットを除去したマス112の変位から減算することで、マス112の変位の目標値を設定し、また、減算部322は、係数乗算部312が係数を乗算した地面GNDの速度を、ハイパスフィルタ304がオフセットを除去したマス112の速度から減算することで、マス112の速度の目標値を設定する(ステップS114)。なお、減算による目標値の設定については後述する。
Next, the
Then, the
また、ゲイン乗算部331〜ゲイン乗算部334は、それぞれ、ハイパスフィルタ301、ハイパスフィルタ302、減算部321、減算部322の処理結果を取得して、ゲインを乗算する(ステップS115)。
そして、加算部341〜343は、ゲイン乗算部331〜334の処理結果を足し合わせて制御信号を生成し、モータ111に出力する。
その後、同図の処理を終了し、モータ111は、制御装置300(加算部343)から出力された制御信号に従って、マス112を移動させる。
Also, the
Then, the
Thereafter, the process of FIG. 5 ends, and the
次に、図4〜図6を参照して、制御装置300が行う制振制御について説明する。
図4は、制御対象モデルの例を示す説明図である。同図に示すように、地面GNDとビルBILとの間で作用する力を、バネ定数K1と減衰係数(ダンパ係数)C1とを用いて近似を行う。ここでは、ビルBILを1つの剛体とみなし、ビルBIL全体で、地面GNDとの間で力を作用させて変位を生じるものとして近似を行う。
また、ビルBILとマス112との間で作用する力を、バネ定数K2と減衰係数(ダンパ係数)C2と制御力fとを用いて近似を行う。ここでいう制御力fは、モータ111が、マス112を移動させるためにマス112に加える力である。
Next, vibration suppression control performed by the
FIG. 4 is an explanatory diagram illustrating an example of a control target model. As shown in the figure, the force acting between the ground GND and the building BIL is approximated using a spring constant K 1 and a damping coefficient (damper coefficient) C 1 . Here, the building BIL is regarded as one rigid body, and approximation is performed assuming that the entire building BIL generates a displacement by applying a force to the ground GND.
Further, the force acting between the building BIL and the
また、水平方向のうちの一方向にx軸を取り、x軸方向における地面GNDの変位をxgで示す。ここで、定常状態(地面GNDと、ビルBILと、マス112とのいずれも静止している安定状態)における変位xgの値を0として当該変位を示す。
また、x軸方向における、地面GNDに対するビルBILの変位をx1で示す。ここで、定常状態における変位x1の値を0として当該変位を示す。
また、x軸方向における、ビルBILに対するマス112の変位をx2で示す。ここで、定常状態における変位x2の値を0として当該変位を示す。
In addition, the x axis is taken in one of the horizontal directions, and the displacement of the ground GND in the x axis direction is denoted by xg . Here, the value of the displacement xg in a steady state (a stable state in which all of the ground GND, the building BIL, and the
Further, in the x-axis direction, showing the displacement of the building BIL with respect to the ground GND by x 1. Here, representing the displacement value of the displacement x 1 in the steady state as zero.
Further, in the x-axis direction, showing the displacement of the
図4に示すモデルに基づいて、ビルBILにおける力を式で表すと、式(1)のようになる。 When the force in the building BIL is expressed by an expression based on the model shown in FIG. 4, the expression (1) is obtained.
ここで、定数m1は、ビルBILの質量を示す。
また、変数の上に付された1つのドット(・)は、1階の時間微分を示し、変数の上に付された2つのドットは、2階の時間微分を示す。以下、文章中においては、1階の時間微分を、変数の右に「’」を付して表記する。例えば、ビルBILの変位x1の1階微分、すなわち、ビルBILの速度を「x1’」のように表記する。また、2階の時間微分を、変数の右に「’’」を付して表記する。例えば、ビルBILの変位x1の2階微分、すなわち、ビルBILの加速度を「x1’’」のように表記する。
Here, the constant m 1 indicates the mass of the bill BIL.
In addition, one dot (•) added on the variable indicates a first-order time differentiation, and two dots added on the variable indicate a second-order time differentiation. Hereinafter, in the text, the time differential of the first floor is indicated by adding “′” to the right of the variable. For example, the first derivative of the displacement x 1 of the building BIL, i.e., denoted the speed of building BIL as "x 1 ''. In addition, the second-order time derivative is indicated with “” ”to the right of the variable. For example, the second derivative of the displacement x 1 of the building BIL, that is, the acceleration of the building BIL is expressed as “x 1 ″”.
式(1)の左辺は、ビルBILの慣性力を示す。また、式(1)の右辺第1項および第2項は、ビルBILが地面GNDに加える力を示す。また、式(1)の右辺第3項〜第5項は、ビルBILがマス112に加える力を示す。
また、マス112における力を式で表すと、式(2)のようになる。
The left side of the formula (1) indicates the inertial force of the building BIL. In addition, the first and second terms on the right side of Equation (1) indicate the force that the building BIL applies to the ground GND. In addition, the third to fifth terms on the right side of Equation (1) indicate the force that the bill BIL applies to the
Moreover, when the force in the
ここで、定数m2は、マス112の質量を示す。
式(2)の左辺は、マス112の慣性力を示す。また、式(2)の右辺は、マス112がビルBILに加える力を示す。
Here, the constant m 2 indicates the mass of the
The left side of Expression (2) indicates the inertial force of the
この式(2)を変形すると、式(3)のようになる。 When this equation (2) is transformed, the following equation (3) is obtained.
そして、式(3)を式(1)の右辺に代入すると、式(4)のようになる。 When Expression (3) is substituted into the right side of Expression (1), Expression (4) is obtained.
さらに、式(4)を変形すると、式(5)のようになる。 Further, when equation (4) is modified, equation (5) is obtained.
ここで、式(5)の左辺の各項は、それぞれ、ビルBILの加速度、変位、速度に応じた力であり、いわば、ビルBIL自らの状態に応じた力である。従って、式(5)の右辺が0になるようにすれば、地面GNDの加速度xg’’によってビルBILに加えられる力(地震外乱)を、マス112の加速度x2’’によってビルBILに加えられる力で相殺できる。すなわち、地震による力のビルBILへの影響を低減させることができ、理想的には、地震による力がビルBILに影響しないように出来る。
そこで、式(5)の右辺=0とおいて変形すると、式(6)が得られる。
Here, each term on the left side of Expression (5) is a force according to the acceleration, displacement, and speed of the building BIL, that is, a force according to the state of the building BIL itself. Therefore, if the right side of Equation (5) is set to 0, the force (earthquake disturbance) applied to the building BIL by the acceleration x g ″ of the ground GND is applied to the building BIL by the acceleration x 2 ″ of the
Therefore, if the right side of Expression (5) is changed to 0, Expression (6) is obtained.
この式(6)は、式(5)の右辺を0とするための、マス112の加速度x2’’が(従って、地震による力が)ビルBILに影響しないようにするためのマス112の加速度x2’’を、地面GNDの加速度xg’’に対する相対値で示している。
また、以下では、地面GNDの変位xgを時刻に対する正弦波(a・sin(ωt+θ)。但し、定数a、ω、θは、それぞれ振幅、周波数、位相を示す)で近似する。
すると、式(6)を時間で1階積分して得られる式は、式(7)のようになる。
This equation (6) is for the
In the following, the displacement xg of the ground GND is approximated by a sine wave with respect to time (a · sin (ωt + θ), where constants a, ω, and θ represent amplitude, frequency, and phase, respectively).
Then, an expression obtained by first-order integrating Expression (6) with time becomes Expression (7).
但し、式(7)における定数Cは積分定数を示す。この積分定数Cは、マス112の速度x2’におけるオフセットを示す。制御装置300は、ハイパスフィルタ304を用いてマス112の速度からオフセットを除去しているので、式(7)からオフセットを除くと、式(8)のようになる。
However, the constant C in Formula (7) shows an integral constant. This integration constant C indicates an offset at the velocity x 2 ′ of the
さらに、式(8)を時間で1階積分すると、式(9)のようになる。 Further, when the equation (8) is integrated by time with the first order, the equation (9) is obtained.
但し、式(9)における定数Cは積分定数を示す。この積分定数Cは、マス112の変位x2におけるオフセットを示す。制御装置300は、ハイパスフィルタ303を用いてマス112の速度からオフセットを除去しているので、式(9)からオフセットを除くと、式(10)のようになる。
However, the constant C in Formula (9) shows an integral constant. The integration constant C indicates an offset in the displacement x 2 mass 112. Since the
そこで、制御装置300は、式(8)に基づいて、マス112の変位の目標値(制御目標)を設定し、式(10)に基づいて、マス112の速度の目標値を設定する。これにより、制御装置300は、地面GNDの加速度xg’’によってビルBILに加えられる力(地震外乱)を、マス112の加速度x2’’によってビルBILに加えられる力で相殺するように、制振装置110を制御する。
具体的には、係数乗算部311は、ハイパスフィルタ305の出力する、オフセットを除去された地面GNDの変位に対して、式(11)に示される係数を乗算し、減算部321に出力する。
Therefore, the
Specifically, the
そして、減算部321は、ハイパスフィルタ303の出力する、オフセットを除去された地面GNDの変位から、係数乗算部311の出力する、係数を乗算された(すなわち、重み付けされた)地面GNDの変位を減算することによって、ハイパスフィルタ303の出力する値を、マス112の変位の目標値に設定する。
Then, the
また、係数乗算部312はハイパスフィルタ306の出力する、オフセットを除去された地面GNDの速度に対して、式(11)に示される係数を乗算し、減算部322に出力する。
そして、減算部322は、ハイパスフィルタ304の出力する、オフセットを除去された地面GNDの速度から、係数乗算部312の出力する、係数を乗算された(すなわち、重み付けされた)地面GNDの速度を減算することによって、ハイパスフィルタ304の出力する値を、マス112の速度の目標値に設定する。
Also, the
Then, the
ここで、本願発明者は、制振システム1が行う制振制御の様子をシミュレーションにて確認した。
図5は、制振システム1が行う制振制御の様子を時間応答のグラフにて示す説明図である。同図(a)における線L111は、地面GNDの加速度を示す。同図(a)の横軸はシミュレーション開始時からの経過時間を示し、縦軸は加速度を示す。
また、同図(b)における線L121は、マス112の変位を示す。同図(b)の横軸はシミュレーション開始時からの経過時間を示し、縦軸は変位を示す。
また、同図(c)における線L131は、ビルBILの変位を示す。同図(b)の横軸はシミュレーション開始時からの経過時間を示し、縦軸は変位を示す。
Here, this inventor confirmed the state of the vibration suppression control which the
FIG. 5 is an explanatory diagram showing a state of vibration suppression control performed by the
In addition, a line L121 in FIG. The horizontal axis of the figure (b) shows the elapsed time from the simulation start time, and the vertical axis shows the displacement.
Moreover, the line L131 in the figure (c) shows the displacement of building BIL. The horizontal axis of the figure (b) shows the elapsed time from the simulation start time, and the vertical axis shows the displacement.
また、線L122およびL123は、比較対象の一例としての、図6に示す制振システムが行う制振制御のシミュレーション結果を示す。
図6は、比較対象の一例として、構造物を振動させる外力の大きさに応じて制御ゲインを切換える制振システムの機能構成を示す概略ブロック図である。同図において、制振システム1002は、制振装置1110と、制御装置2300とを具備する。制振装置1110は、モータ1111と、マス1112とを具備する。制御装置2300は、ハイパスフィルタ1261〜1264と、ゲイン乗算部2331〜2334と、加算部1341〜1343とを具備する。また、制振装置1110は、ビルBILに設置されており、ビルBILは、地面GNDに設置されている。また、変位センサ1211、速度センサ1212は、それぞれ、ビルBILの変位、速度を検出する。変位センサ1221、速度センサ1222は、それぞれ、マス112の変位、速度を検出する。速度センサ1232は、地面GNDの速度を検出する。
Lines L122 and L123 indicate simulation results of vibration suppression control performed by the vibration suppression system illustrated in FIG. 6 as an example of a comparison target.
FIG. 6 is a schematic block diagram illustrating a functional configuration of a vibration damping system that switches a control gain according to the magnitude of an external force that vibrates a structure as an example of a comparison target. In the figure, a
制振システム1002は、制振システム1と異なり、地面GNDの変位や速度に基づいてマス112の変位や速度の目標値を設定する処理を行わず、これらの目標値を0として制御を行う。
また、制振システム1002は、加速度センサの検出する地面GNDの加速度に基づいて、構造物を振動させる外力の大きさが所定の閾値よりも大きいか否かを判定し、閾値よりも大きいと判定した場合(例えば、地震発生時)は、閾値以下であると判定した場合よりも小さいゲインに切り替えて制振制御を行う。
Unlike the
Further, the
図5(b)における線L122は、制振システム1002(図6)が行う制振制御におけるマス1112の変位を示す。また、図5(c)における線L132は、制振システム1002が行う制振制御におけるビルBILの変位を示す。
A line L122 in FIG. 5B indicates the displacement of the mass 1112 in the vibration suppression control performed by the vibration suppression system 1002 (FIG. 6). A line L132 in FIG. 5C indicates the displacement of the building BIL in the vibration suppression control performed by the
図5(c)を参照すると、制振システム1の行う制振制御のほうが、制御システム1002の行う制振制御よりも、ビルBILの振幅が小さくなっている。すなわち、制振システム1のほうが、制御システム1002よりも、地震に対する制振制御をより効果的に行うことができる。
Referring to FIG. 5C, the vibration suppression control performed by the
図7は、制振システム1が行う制振制御の様子を周波数特性のグラフにて示す説明図である。同図のグラフの横軸は周波数を示し、縦軸は、ビル変位/地面変位(すなわち、地面の変位に対するビルの変位の相対的な大きさ)を示す。
線L311は、制振システム1が行う制振制御のシミュレーション結果を示す。また、線L321は、比較対象として、制振システム1002(図6)が行う制振制御のシミュレーション結果を示す。また、線L322は、もう1つの比較対象として、モータをフリーラン(Free Run)にして振り子が勝手に動くようにした場合(すなわち、TMD(Tuned Mass Damper)によるパッシブ制御の場合)のシミュレーション結果を示す。また、線L323は、さらにもう1つの比較対象として、マスが動かないように固定した場合(すなわち、制振装置を作動させなかった場合)のシミュレーション結果を示す。
FIG. 7 is an explanatory diagram showing a state of vibration suppression control performed by the
A line L311 indicates a simulation result of vibration suppression control performed by the
図7に示すように、制振システム1の場合のビルの変位が最も小さくなっている。すなわち、制振システム1が、地震に対する制振制御を最も効果的に行うことができる。例えば、変位の最も大きい周波数の周辺(0.2ヘルツ付近)において、制振システム1の場合のビルの変位は、制振システム1002の場合のビルの変位の約半分となっている。
As shown in FIG. 7, the displacement of the building in the case of the
以上のように、制御装置300は、地面GNDの変位によるビルBILの変位、または、地面GNDの速度によるビルBILの速度の少なくとも一方を相殺するように、マス112をビルBILに対して相対移動させる制御を行う。
これにより、制振システム1は、地面GNDがビルBILに加える力(地震外乱)を、マス112がビルBILに加える力で相殺するように制御することができる。すなわち、地震による力のビルBILへの影響を低減させて、ビルBILの揺れを低減させることができる。すなわち、地震に対する制振制御をより効果的に行うことができる。
また、制振システム1では、ゲインを切り替える必要が無いので、ゲインを切り替える制振システムの場合と比べて、多くのゲインを設定する必要が無い。従って、制振システム1では、より簡単にゲインを設定することができる。
また、地面の揺れが生じていない状態では、マス112の変位の目標値、および、マス112の速度の目標値は、それぞれ0に設定され、制振システム1は、風によるビルBILの振動に対して、適切に制振を行うことができる。
As described above, the
Thereby, the
Moreover, in the
In addition, in a state where the ground is not shaken, the target value of the displacement of the
また、制御装置300は、地面GNDの変位に対して所定の重み付けを行って得られる変位を、マス112の変位の目標値に設定することで、地面GNDの変位によるビルBILの変位を相殺するように、マス112をビルBILに対して相対移動させる制御を行う。
これにより、制振システム1は、係数を乗算された地面GNDの変位をマス112の変位から減算するという簡単な処理で制御目標の設定を行うことができる。従って、制御装置300の各部をコンピュータ上で構成する場合は、コンピュータの負荷が軽くて済み、また、制御装置300の各部を専用の回路で構成する場合は、回路構成を簡単に出来る。
Further, the
Thereby, the
また、制御装置300は、地面GNDの速度に対して所定の重み付けを行って得られる速度を、マス112の速度の目標値に設定することで、地面GNDの速度によるビルBILの速度を相殺するように、マス112をビルBILに対して相対移動させる制御を行う。
これにより、制振システム1は、係数を乗算された地面GNDの速度をマス112の速度から減算するという簡単な処理で制御目標の設定を行うことができる。従って、制御装置300の各部をコンピュータ上で構成する場合は、コンピュータの負荷が軽くて済み、また、制御装置300の各部を専用の回路で構成する場合は、回路構成を簡単に出来る。
In addition, the
Thereby, the
また、制御装置300は、マス112の重量とビルBILの重量との合計に対するマス112の重量の割合にて、所定の重み付けを行う。具体的には、係数乗算部311および係数乗算部312は、それぞれ、式(11)に示す係数の乗算を行う。
これにより、係数乗算部311や係数乗算部312に設定する係数を、式(11)に基づいて簡単に算出することができる。従って、係数を設定するものの負担が軽くて済む。
Further, the
Thereby, the coefficient set to the
なお、ゲイン乗算部331〜334のゲインの設定方法としては、様々な方法を用いることが出来る。例えば、特許文献2に示されるように、LQ制御における評価関数を最小とするゲインを求め、得られたゲインをゲイン乗算部331〜334に設定するようにしてもよい。
Various methods can be used as the gain setting method of the
また、マス112が可動範囲を超えてしまうおそれがある場合は、マス112を一時停止させるようにしてもよいし、ゲイン乗算部331〜334のゲインを、比較的小さい値に切り替えるようにしてもよい。
これにより、マス112が動作している状態では、ビルBILの揺れをより効果的に低減させることができ、かつ、マス112が可動範囲を超えてストッパに衝突することを防止し得る。
When there is a possibility that the
Thereby, in the state where the
また、減算部321や減算部322の位置は、図1に示す位置に限らない。例えば、係数乗算部311の出力する値に、ゲイン乗算部333に設定されたゲインと同じゲインを乗算し、得られた演算結果を、ゲイン乗算部333の出力から減算するようにしてもよい。
Further, the positions of the
また、係数乗算部311および係数乗算部312における係数の値は、数11によって得られる値と同一である必要は無い。係数乗算部311および係数乗算部312における係数の値が、数11によって得られる値にある程度近ければ、地震による力のビルBILへの影響を低減させて、ビルBILの揺れを低減させられる効果を期待し得る。
Further, the coefficient values in the
なお、上述したように、制御装置300はコンピュータを用いて構成し得る。従って、制御装置300の全部または一部の機能を実現するためのプログラムをコンピュータ読み取り可能な記録媒体に記録して、この記録媒体に記録されたプログラムをコンピュータシステムに読み込ませ、実行することにより各部の処理を行ってもよい。なお、ここでいう「コンピュータシステム」とは、OSや周辺機器等のハードウェアを含むものとする。
また、「コンピュータシステム」は、WWWシステムを利用している場合であれば、ホームページ提供環境(あるいは表示環境)も含むものとする。
また、「コンピュータ読み取り可能な記録媒体」とは、フレキシブルディスク、光磁気ディスク、ROM、CD−ROM等の可搬媒体、コンピュータシステムに内蔵されるハードディスク等の記憶装置のことをいう。さらに「コンピュータ読み取り可能な記録媒体」とは、インターネット等のネットワークや電話回線等の通信回線を介してプログラムを送信する場合の通信線のように、短時間の間、動的にプログラムを保持するもの、その場合のサーバやクライアントとなるコンピュータシステム内部の揮発性メモリのように、一定時間プログラムを保持しているものも含むものとする。また上記プログラムは、前述した機能の一部を実現するためのものであっても良く、さらに前述した機能をコンピュータシステムにすでに記録されているプログラムとの組み合わせで実現できるものであってもよい。
As described above, the
Further, the “computer system” includes a homepage providing environment (or display environment) if a WWW system is used.
The “computer-readable recording medium” refers to a storage device such as a flexible medium, a magneto-optical disk, a portable medium such as a ROM and a CD-ROM, and a hard disk incorporated in a computer system. Furthermore, the “computer-readable recording medium” dynamically holds a program for a short time like a communication line when transmitting a program via a network such as the Internet or a communication line such as a telephone line. In this case, a volatile memory in a computer system serving as a server or a client in that case, and a program that holds a program for a certain period of time are also included. The program may be a program for realizing a part of the functions described above, and may be a program capable of realizing the functions described above in combination with a program already recorded in a computer system.
以上、本発明の実施形態について図面を参照して詳述してきたが、具体的な構成はこの実施形態に限られるものではなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲の設計変更等も含まれる。 The embodiment of the present invention has been described in detail with reference to the drawings. However, the specific configuration is not limited to this embodiment, and includes design changes and the like without departing from the gist of the present invention.
1…制振システム
110…制振装置
111…モータ
112…マス
210…第1センサ部
211、221、231…変位センサ
212、222、232…速度センサ
220…第2センサ部
230…第3センサ部
300…制御装置
301〜306…ハイパスフィルタ
311〜312…係数乗算部
321〜322…減算部
331〜334…ゲイン乗算部
341〜343…加算部
BIL…ビル
GND…地面GND
DESCRIPTION OF
Claims (5)
前記制御部は、前記地面の変位による前記構造物の変位または前記地面の速度による前記構造物の速度の少なくとも一方を相殺するように、前記付加質量を前記構造物に対して相対移動させる前記制御信号を生成する
ことを特徴とする制振システム。 A first sensor for detecting at least one of displacement or speed of a structure installed on the ground, and a second sensor for detecting at least one of displacement or speed of an additional mass supported by the structure so as to be relatively movable. A damping unit that includes a control unit that generates a control signal based on the detection signal, and that controls the structure by moving the additional mass relative to the structure by operating the driving unit based on the control signal. A system,
The control unit moves the additional mass relative to the structure so as to cancel at least one of the displacement of the structure due to the displacement of the ground or the speed of the structure due to the speed of the ground. A vibration control system characterized by generating a signal.
前記制御部は、少なくとも前記地面の変位を検出する第3センサの検出信号に基づいて、前記地面の変位に対して所定の重み付けを行って得られる変位を、前記付加質量の変位の目標値に設定することで、前記地面の変位による前記構造物の変位を相殺するように、前記付加質量を前記構造物に対して相対移動させる前記制御信号を生成する
ことを特徴とする請求項1に記載の制振システム。 The first sensor detects at least displacement of the structure, and the second sensor detects at least displacement of the additional weight,
The control unit sets a displacement obtained by performing predetermined weighting on the displacement of the ground as a target value of the displacement of the additional mass based on at least a detection signal of a third sensor that detects the displacement of the ground. The control signal for moving the additional mass relative to the structure so as to cancel out the displacement of the structure due to the displacement of the ground by setting is generated. Vibration suppression system.
前記制御部は、少なくとも前記地面の速度を検出する第3センサの検出信号に基づいて、前記地面の速度に対して所定の重み付けを行って得られる速度を、前記付加質量の速度の目標値に設定することで、前記地面の速度による前記構造物の速度を相殺するように、前記付加質量を前記構造物に対して相対移動させる前記制御信号を生成する
ことを特徴とする請求項1または請求項2に記載の制振システム。 The first sensor detects at least the speed of the structure; the second sensor detects at least the speed of the additional weight;
The control unit sets a speed obtained by performing predetermined weighting on the speed of the ground based on a detection signal of at least a third sensor for detecting the speed of the ground as a target value of the speed of the additional mass. The control signal for moving the additional mass relative to the structure so as to cancel the speed of the structure due to the speed of the ground by setting is generated. Item 3. The vibration control system according to item 2.
前記地面の変位による前記構造物の変位または前記地面の速度による前記構造物の速度の少なくとも一方を相殺するように、前記付加質量を前記構造物に対して相対移動させる
ことを特徴とする制振方法。
Based on at least one of the displacement or speed of a structure installed on the ground and at least one of the displacement or speed of an additional mass supported so as to be relatively movable on the structure, the additional mass is transferred to the structure. A vibration damping method of a vibration damping system for damping the structure by relatively moving the structure,
The additional mass is moved relative to the structure so as to cancel at least one of the displacement of the structure due to the displacement of the ground or the speed of the structure due to the speed of the ground. Method.
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