JP2023117314A - Ａｍｄ装置及びその制御プログラム - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、最適設計した仮想ＴＭＤのパラメータから簡単にＡＭＤ装置（アクティブマスダンパ）の制御部を設計することができ、建築設計者等も良く知られたＴＭＤモデルとして効果検証可能なＡＭＤ装置（アクティブマスダンパ）を提供するものである。【解決手段】本発明のＡＭＤ装置（アクティブマスダンパ）１は、構造物Ｍに対し、往復動可能なＡＭＤ可動マス２と、前記構造物Ｍの振動動作を検出するセンサ３と、前記ＡＭＤ可動マス２を駆動するアクチュエータ４と、前記アクチュエータ４を制御する制御部５と、を具備して構成され、前記制御部５は、構造物Ｍの実測された振動動作と、構造物Ｍの制御対象モードを制御するようにチューニングされた仮想ＴＭＤを設置すると仮定したときの仮想ＴＭＤの仮想マス加速度又は速度までの伝達関数を用いて、ＡＭＤ実機１０の可動マス２への変位指令を前記アクチュエータ４に向けて生成するものである。【選択図】図１

Description

本発明は、ＡＭＤ装置（アクティブマスダンパ）及びその制御プログラムに関するものであり、詳しくは、最適設計した仮想ＴＭＤの動力学モデルの応答をＡＭＤの指令値に利用する事で簡単にアクティブマスダンパの制御部を設計することができ、建築設計者等にも良く知られたＴＭＤモデルとして効果検証可能としたＡＭＤ装置及びその制御プログラムに関するものである。

従来、例えば、地震動や風外力による構造物の振動を抑制する装置として、構造物に可動マスを取り付け，重りやバネを床の動きに同調させてその反力を利用して振動を抑制するチューンドマスダンパ（ＴＭＤ）や、構造物に往復動可能に設置された可動マスと可動マスを駆動するアクチュエータとを備えたアクティブマスダンパ（ＡＭＤ）が知られている。

前記ＴＭＤは受動的制振装置で、制振対象を加振したりせず、制御が安定していることや、構造が簡単で、コストや信頼性の点で有利だが、設計振動数のごく近くの振動に対してのみ効果がある。

前記［０００３］の欠点に対し、ＴＭＤは質量比を大きくする（マス質量を大きくする）ことや、設計振動数を変えたＴＭＤを複数台設置することで、ロバスト性を向上させることができる。

しかし、前記［０００４］で示す手法はＴＭＤマス総重量が大きくなりやすく、制御対象には設置可能な重量の上限が存在するため、前記重量以下の質量で設計を行うことが要請される。

前記ＡＭＤは能動的制振装置で、ＴＭＤに比べると広範囲な振動に対して高い制振性能を持つが、制振対象を加振することがある。

そのため、制御器の設計者には可能な限り制御対象の加振を行わない制御器設計を行うことが要請される。

一般的なＡＭＤの制御部は、一般的に現代制御理論やモデルマッチング法で設計されるため設計難易度が高いことや、制御がブラックボックスのため、解析モデルに組み込んで検証できず、建築設計者から敬遠されている。

特許文献１には、構造物に対して往復動可能に設置される可動マスと、前記可動マスを駆動するアクチュエータと、前記アクチュエータを制御する制御部と、前記構造物の加速度を検知する加速度センサとを備え、前記制御部は、前記可動マスの変位を指示する変位指令から前記構造物の加速度までの伝達関数に基づいて、前記加速度センサが検知した加速度のみから前記変位指令を生成するように構成したアクティブマスダンパが開示されている。

しかし、特許文献１のアクティブマスダンパの場合、前記構造物の加速度から可動マスの変位を指示する変位指令までの伝達関数に基づくものであり、実加振試験で得られた特性は摩擦等の不連続要素や装置の応答無駄時間など、数式化できない要素も含まれており、安定的な制御器の設計には設計者に多くのノウハウが求められ、設計難易度が高く、また、前記手法で設計された制御器はその特性がブラックボックス化してしまうため、制御器設計者以外が効果を検証する事が困難であるという不都合を包含している。

特許文献２には、仮想的なＴＭＤ装置を設計し、制振対象に振動が生じた際のＴＭＤマス反力をアクチェータに模擬させることで、ＴＭＤを設置した場合と同等の制振効果を得る振動制御方法が開示されている。

しかし、特許文献２の振動制御方法の場合、仮想した動吸振器より上記制振対象へ作用することとなる力が算出されており、アクチュエータは理想的な制御を実施する場合、コストの高い力センサ等を利用した力制御を行う必要があること事や、アクチェータの反力を受け止めることの出来る剛な物体が制振対象とは別に必要となる事といった不都合を包含している。

特許第６８８６１４８号公報 特許第４３３７３９３号公報

本発明は、前記従来の実情に鑑みて開発されたものであり、設計難易度の低いＴＭＤの動力学モデルを用いて簡単にアクティブマスダンパの制御器を設計することができ、建築設計者等も良く知られたＴＭＤモデルとして効果検証可能であるＡＭＤ装置及びその制御プログラムを提供するものである。

詳述すると、従来、何らかの振動源によって振動を生ずる構造物の、振動制御手法の一つとして知られる装置として、チューンドマスダンパ（以下ＴＭＤ）、アクティブマスダンパ（以下ＡＭＤ）が挙げられる。

ＴＭＤは設計難易度が低く、安価、安定であり、建築設計者等も特性をよく知るために、事前の効果検証も容易である。しかし、制御制御可能な周波数範囲が狭く、それを解決するには大質量化する必要があり、制御対象の耐荷重に応じた設計が要求される。

ＡＭＤはＴＭＤと比較して装置が軽量で、制御可能な周波数範囲が広い。しかし、制御対象を加振する場合があり、制御器の特性もブラックボックスになる。制御対象を加振しない制御器の設計は高度な専門知識が要求され、また、特性がブラックボックス化しているため、建築設計者が事前に効果を検証する事が困難となっている。

そこで、本発明のような軽量なハードウェアと、容易に設計・効果検証の可能な制振制御を可能とする装置の開発が要請されていたというのが従来における当技術分野の実情である。

本発明のＡＭＤ装置（アクティブマスダンパ）は、制振対象となる構造物に対し、往復動可能なＡＭＤ可動マスと、前記構造物の振動を検出するセンサ、前記ＡＭＤ可動マスを駆動するアクチュエータ、前記アクチュエータを制御する制御部、を具備して構成され、前記制御部は、構造物の制御対象モードを制御するようにチューニングされたＴＭＤの仮想モデルを有し、実測された前記構造物の実測データと前記仮想モデルを用いたシミュレーションによってＡＭＤ実機の可動マスへの変位指令を前記アクチュエータに向けて生成することを最も主要な構成とする。

請求項１の発明においては、ハードウェアを構成する要素が従来のＡＭＤと同様のものであって、設置済みのＡＭＤに対して新規導入するに際して力センサ等の新たな構成要素を追加する必要が無いＡＭＤ装置を実現し提供できる。

請求項２の発明においては、設計難易度の低い、最適設計を行ったＴＭＤの仮想モデルの動作に対し単純な倍数計算を行う事でＡＭＤ指令値を作成するため、従来のＡＭＤ制御器に比べて、制御器の設計工程が単純化でき、ハードウェアの持つ制限を考慮した指令値の生成も容易となる制御器を利用したＡＭＤ装置を実現し提供できる。

そして、請求項２の発明によれば、ＡＭＤの動作はＴＭＤ動作に対してＴＭＤマス・ＡＭＤマス質量比を乗じて追従させたものであり、ＡＭＤによって生じる制振制御力はＴＭＤと同等となるため、建築設計者などにもよく知られたＴＭＤのモデルを用いて効果の検証が可能となり、前記［０００３］で示したＴＭＤのロバスト性を向上させるための大質量マスや複数ＴＭＤを設置した場合の制振制御効果を、質量の小さい単一のＡＭＤマスで再現する事ができ、更に、安定であることが明らかであるＴＭＤの仮想モデルを指令値の生成に用いているため、制御部内の指令値の生成部が安定であることが保証される。

請求項３の発明においては、ＡＭＤの指令値生成に利用されるＴＭＤの仮想モデルはＴＭＤの動力学モデルを用いているため、ＴＭＤパラメータが決定されれば自動生成する事が可能であり、制振対象となる構造物にＡＭＤを設置した後の調整や前記構造物の振動数や減衰といった振動特性が変化した場合の再調整が容易となる前記請求項１又は２記載のＡＭＤ装置の制御プログラムを実現し提供できる。

図１は本発明の実施例に係るアクティブマスダンパの全体構成を示す概略ブロック図である。 図２は本実施例に係る、図１の概略ブロック図における、制御器とＡＭＤ装置部分の詳細及び信号の属性を示したものであり、アクティブマスダンパの仮想ＴＭＤの伝達関数、質量比倍要素、変位制限要素、ＡＭＤ実機のアクチュエータと制御器を含むＡＭＤ全体の実伝達関数、ＡＭＤ実機のマス質量、構造物からの外乱、ノイズ等を構成要素として示す概略モデル図である。 図３は本実施例に係るアクティブマスダンパの全体構成を示す概略構成図である。 図４は本実施例の変形例に係るばね要素やダンパー要素を含むアクティブマスダンパの全体構成を示す概略構成図である。

本発明のＡＭＤ装置は、最適設計した仮想ＴＭＤのパラメータを利用して簡単にアクティブマスダンパの制御部を設計することができるアクティブマスダンパを実現し提供するという目的を、構造物に対し、往復動可能な可動マスと、前記構造物の振動を検出するセンサと、前記ＡＭＤ可動マスを駆動するアクチュエータと、前記アクチュエータを制御する制御部と、前記構造物の振動動作を制御器入力とするフィードバック系と、を具備して構成され、前記制御部は、構造物の振動実測値と、構造物の制御対象モードを制御するようにチューニングされた仮想ＴＭＤを設置すると仮定したときの仮想ＴＭＤの伝達関数から、仮想ＴＭＤマスの相対変位を求め、その値を仮想ＴＭＤマスとＡＭＤ実機の可動マスとの質量比倍し、ストローク制限処理した値をＡＭＤ実機の可動マスへの変位指令として前記アクチュエータに向けて生成することにより実現した。

以下、本発明の実施例に係るＡＭＤ装置（アクティブマスダンパ）について図面を参照して詳細に説明する。

本実施例に係るＡＭＤ装置（アクティブマスダンパ）１は、図３に示すように、構造物Ｍに対し、往復動可能な可動マス２（ＡＭＤ実機１０の可動マス２）と、前記構造物Ｍの振動動作を検出するセンサ３と、前記可動マス２を駆動するアクチュエータ４と、前記アクチュエータ４を制御する制御部（コントローラ）５と、センサ３の値を制御部５への入力とするフィードバック系と、で構成されている。

前記制御部（コントローラ）５は、構造物Ｍの実測された振動と、構造物Ｍの制御対象モードを制御するようにチューニングされた仮想ＴＭＤを設置すると仮定したときの仮想ＴＭＤの伝達関数から、仮想ＴＭＤマスの相対変位を求め、その値を仮想ＴＭＤマスとＡＭＤ実機１０の可動マス２との質量比倍し、ストローク制限処理した値をＡＭＤ実機１０の可動マス２への変位指令として前記アクチュエータ４に向けて生成するように構成している。

図２は、仮想ＴＭＤの伝達関数、質量比倍要素、変位制限要素、制御器、マス反力の影響を含むＡＭＤ実機１０のアクチュエータ４の実伝達関数、ＡＭＤ実機１０のマス質量ｍａ、構造物Ｍへの外乱ｄ、ノイズｖ等を示し、各要素を通過した信号の属性を示すものである。

次に、図２に示す各要素について説明する。

図２に示す各要素において、－ｍｔ／ｍｔ・ｓ^２＋ｃｔ・ｓ＋ｋｔは、仮想ＴＭＤの周波数伝達特性（伝達関数）（構造物絶対加速度～仮想ＴＭＤマス相対変位まで）である。

ここで、ｍｔは仮想ＴＭＤのマス質量、ｃｔは同減衰係数、ｋｔは同ばね定数で、制振対象の建物振動モードに対して最適設計した値を示す。これらは構造物の振動成分のうち、制振対象モードの周波数成分に対して応答する。

なお、図示例では、仮想ＴＭＤは１つであるが、制御したいモードが複数ある場合、それぞれのモードに対して複数の仮想ＴＭＤを設計し並列で追加すればよい。

図２に示す各要素において、ｍｔ／ｍａは、質量比倍要素である。ここで、ｍａはＡＭＤ実機１０のマス質量を示している。ＡＭＤ実機１０の利点はＴＭＤに対して大きな変位を生じさせる事でマス質量をＴＭＤの場合よりの小さくできることであり、仮想ＴＭＤのマス質量（ｍｔ）に対し、ＡＭＤ実機１０のマス質量（ｍａ）は小さいため、仮想ＴＭＤと同じマス慣性力を得るために、質量比倍した変位をＡＭＤ実機の目標変位にしている。

図２に示す各要素において、－ｍａはＡＭＤ実機１０のマス質量で、マスのストローク加速度と構造物の絶対加速度を足した値に乗ずることで構造物に入力される反力となる。

ここに、ｄは構造物Ｍへの外乱入力を示し、ｙはＡＭＤ設置位置の加速度、ｖは加速度信号に含まれるノイズを示す。

なお、実用化にあたっては、ＡＭＤ実機１０の可動ストローク範囲内で動作するように、ストローク制限機能が必要となる。これは、図２中の変位制限ブロックが担っている。この変位制御機能は制御部５側、ＡＭＤ実機１０の制御プログラム側のどちらに実装しても良い。

以上説明した本実施例に係るＡＭＤ装置（アクティブマスダンパ）１によれば、最適設計した仮想ＴＭＤのパラメータを利用して簡単にＡＭＤ装置（アクティブマスダンパ）１の制御部５を得て、構造物Ｍの構造設計者が検討し易い制御部５を備えたＡＭＤ装置（アクティブマスダンパ）１を実現することができる。

また、他のＡＭＤ制御系設計手法に比べて設計の見通しが良く、更に、仮想ＴＭＤマスモデルに多重ＴＭＤを採用すれば、制振対象の固有振動数変化に対してロバスト性の高い制御部５を備えたＡＭＤ装置（アクティブマスダンパ）１を設計できる。

本実施例に係るＡＭＤ装置（アクティブマスダンパ）１によれば、構造物の振動を検出するセンサ３と、前記ＡＭＤ可動マスを駆動するアクチュエータ４と、前記アクチュエータ４を制御する制御部５と、を備える構成の基に、構造物Ｍの振動実測値から、構造物Ｍに制御対象モードを制御するようにチューニングされた仮想ＴＭＤを設置すると仮定したときの仮想ＴＭＤの伝達関数に基づき、前記センサの検知信号のみから前記ＡＭＤ実機１０の可動マス２への変位を指示する変位指令を生成する制御部５を備えたＡＭＤ装置（アクティブマスダンパ）１の制御装置を構成することができる。

図４は本発明の実施例の変形例に係るＡＭＤ装置（アクティブマスダンパ）１Ａを示すものであり、基本的な構成は本実施例に係るＡＭＤ装置（アクティブマスダンパ）１の場合と同様であるが、変形例に係るＡＭＤ装置（アクティブマスダンパ）１Ａは前記実施例のＡＭＤ装置（アクティブマスダンパ）１の構成にばね要素１１及びダンパー要素１２を付加したことが特徴である。

このような変形例に係るＡＭＤ装置（アクティブマスダンパ）１Ａによっても実施例に係るＡＭＤ装置（アクティブマスダンパ）１の場合と同様な作用、効果を発揮させることができる。

本発明に係るＡＭＤ装置（アクティブマスダンパ）における最適設計した仮想ＴＭＤのパラメータから簡単にＡＭＤ装置（アクティブマスダンパ）の制御部を設計する技術的思想は、地震動や風外力による構造物の振動を抑制する装置の技術分野において好適に利用可能である。

１ ＡＭＤ装置（アクティブマスダンパ）
１Ａ ＡＭＤ装置（アクティブマスダンパ）
２ 可動マス（ＡＭＤ実機１０の可動マス）
３ センサ
４ アクチュエータ
５ 制御部（コントローラ）
１０ ＡＭＤ実機
１１ ばね要素
１２ ダンパー要素
Ｍ 構造物

ＴＭＤは設計難易度が低く、安価、安定であり、建築設計者等も特性をよく知るために、事前の効果検証も容易である。しかし、制振制御可能な周波数範囲が狭く、それを解決するには大質量化する必要があり、制御対象の耐荷重に応じた設計が要求される。

本実施例に係るＡＭＤ装置（アクティブマスダンパ）１によれば、構造物の振動を検出するセンサ３と、前記ＡＭＤ可動マスを駆動するアクチュエータ４と、前記アクチュエータ４を制御する制御部５と、を備える構成の基に、構造物Ｍの振動実測値から、構造物Ｍに制御対象モードを制御するようにチューニングされた仮想ＴＭＤを設置すると仮定したときの仮想ＴＭＤの伝達関数に基づき、前記センサの検知信号のみから前記ＡＭＤ実機１０の可動マス２への変位を指示する指令信号を生成する制御部５を備えたＡＭＤ装置（アクティブマスダンパ）１の制御装置を構成することができる。

図１は本発明の実施例に係るアクティブマスダンパの全体構成を示す概略ブロック図である。 図２は本実施例に係る、図１の概略ブロック図における、制御器とＡＭＤ装置部分の詳細及び信号の属性を示したものであり、アクティブマスダンパの仮想ＴＭＤの伝達関数、質量比倍要素、変位制限要素、ＡＭＤ実機のアクチュエータと制御器を含むＡＭＤ全体の実伝達関数、ＡＭＤ実機のマス質量、構造物からの外乱、ノイズ等を構成要素として示す概略モデル図である。 図３は本実施例に係るアクティブマスダンパの全体構成を示す概略構成図である。 図４は本実施例の変形例に係るばね要素やダンパー要素を含むアクティブマスダンパの全体構成を示す概略構成図である。 図５は本実施例に係る、図２に示す概略モデル図において、１又は２以上複数の制振対象振動モードを具備した構造物に対応した概略モデル図である。

なお、図２では、仮想ＴＭＤは１つであるが、制御したいモードが複数ある場合、図５に示すように、それぞれのモードに対して複数の仮想ＴＭＤを設計し並列で追加すればよい。

Claims (3)

1. 制振制御対象となる構造物に対し、往復動可能なＡＭＤ稼働マスと、前記構造物の振動動作を検出するセンサ、前記ＡＭＤ稼働マスを駆動するアクチュエータ、前記アクチュエータを制御する制御部、を含む構成要素を具備して構成されるＡＭＤ装置であり、
   前記制御部は、前記構造物に対して理想的な調整を行ったＴＭＤの仮想モデルを有し、前記センサによって実測された前記構造物の振動動作を入力として前記仮想モデルに入力した場合の応答を用いて、前記アクチュエータへの指令信号を生成する事を特徴としたＡＭＤ装置。
2. 前記構造物に対して理想的な調整を行ったＴＭＤ装置を仮想上に用意し、センサによって得た前記構造物の振動データから、動力学シミュレーションによってマス動作を計算するとともに、この時、前記ＴＭＤは制御対象に対して理想的な振動抑制力となるマス反力を与える動作を行って、前記ＴＭＤマス動作に対して、ＴＭＤマス・ＡＭＤマス質量比を乗じた動作をＡＭＤに追従させることによって、力制御を行わずに理想的なマス反力を発生させるように構成した制御器を具備しこれを制御器として利用するようにしたことを特徴とする請求項１記載のＡＭＤ装置。
3. 前記構造物の振動特性に対して、理想的な調整を行ったＴＭＤの動力学モデル、動力学モデルと前記構造物の実測データによって得られたＴＭＤマス動作を、ＴＭＤマス・ＡＭＤマスの質量比及びＡＭＤ装置の有するハードウェア上の制約に基づき、ＡＭＤ動作指令値へと変換する指令値生成部、を含むことを特徴とする請求項１又は２記載のＡＭＤ装置の制御プログラム。

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