JP2847225B2 - 反共振型能動動吸振器 - Google Patents

反共振型能動動吸振器

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JP2847225B2
JP2847225B2 JP3359277A JP35927791A JP2847225B2 JP 2847225 B2 JP2847225 B2 JP 2847225B2 JP 3359277 A JP3359277 A JP 3359277A JP 35927791 A JP35927791 A JP 35927791A JP 2847225 B2 JP2847225 B2 JP 2847225B2
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修 西原
正志 安田
嘉郎 各務
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TOTSUKYO KIKI KK
Panasonic Electric Works Co Ltd
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Matsushita Electric Works Ltd
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【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、反共振型受動動吸振器
に能動制振機能を付加し、反共振領域においては反共振
型受動動吸振機能を十分に発揮させ、これに加えて能動
制御機能を十分に活用出来るようにした新規な反共振型
能動動吸振器に関する。
【従来の技術】
【0002】近年、高層ビルや吊り橋、斜長橋などは増
々巨大化且つ軽量化の傾向にあり、これら構造物の制振
装置として動吸振器が注目され始め、国内外でも実際の
構造物に適用され始めて来た。又、各種機器の高性能
化、高精密化に伴って低振動化の要求が高まっており、
各種機器への動吸振器の適用も現実化して来ている。動
吸振器としては、受動型動吸振器と能動型動吸振器とが
あり、前者の受動型動吸振器としては最適同調型動吸振
器と反共振型動吸振器とがある。後者の能動型動吸振器
には、従来の型式のものから最近、新たにハイブリッド
型動吸振器なるものが提案されてきた。
【0003】最適同調型動吸振器とは、主系の固有振動
数の近傍に動吸振器の固有振動数を調整して主系の減衰
特性を改善するものである。そして、動吸振器の固有振
動数と減衰が付加質量の大きさに応じて最適になるよう
に調整される。このような最適同調型動吸振器の制振対
象は、風や衝撃など共振点を励起するものが想定され、
実際には減衰の小さなビルや橋りょうの制振に使用され
る。
【0004】反共振型動吸振器は、主系に正弦波状の外
乱が入力され、主系が振動している場合、その主系の振
動数に固有振動数を合わせた『ばね−質量系』を主系に
付加する事で外乱に対して主系の振動を抑制するもので
ある。この時、動吸振器は減衰を小さくする事で主系反
共振領域での主系振動を更に低減させる事ができる。動
吸振器の反共振点に主系の振動周波数が合致していれ
ば、主系の振動は抑制される。このように反共振型動吸
振器は、機械振動など一定周波数の正弦波状の外乱を対
象としているため、動吸振器と主系の連成による主系共
振点の制振には使用する事が出来ない点が前者の最適同
調型動吸振器と相違する。
【0005】従来の能動型動吸振器は、『ばね』、『ダ
ンパ』、『アクチュエータ』、並びに制振用の『質量』
とを持ち、動吸振器の固有振動数を主系の制振対象周波
数領域から出来るだけ離し、主系の振動を検出してフィ
ードバック制御又はフィードフォワード制御によりアク
チュエータを制御して質量を振動させ、主系の振動を抑
制する。この場合、動吸振器の共振点が励起されないよ
うにする必要があり、その方法として最適レギュレータ
などを使用している。
【0006】ハイブリッド型動吸振器は、最適同調型動
吸振器に能動機能を付加したもので、非能動制御時でも
制振効果を発揮させるようにしたものである。制御力を
弱くしパッシブに近い状態で使用すれば消費エネルギも
非常に小さくする事が出来る。前述の従来の能動型動吸
振器と比較すると、従来の能動型動吸振器では付加系を
単なる質量としてしか使用していないのに対して、ハイ
ブリッド型動吸振器では『ばね』及び『減衰』の特性も
合わせて使用している点で相違する。ただし、積極的に
動吸振器の特性を制御に利用しているという訳ではな
く、何等かの理由で制御がダウンした時にパッシブとし
て機能するという事と低ゲイン領域でメリットがあると
言うものである。一定以上に制御ゲインを高めると付加
した減衰によって多大な制御エネルギを必要とするとい
う欠点がある。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】本発明が解決しようと
する課題は、付加系の振動し易い領域をうまく使用して
制御機能をより優れたものとすると同時に消費エネルギ
を小さくしたいという事にあり、そのためには本発明で
は、付加系を、ハイブリッド型動吸振器における『ダン
パ機能』を排除又は小さくした反共振型とし、反共振領
域を主系の制振対象周波数領域に近付け、付加系の特性
を引き出し易くして制御を掛けるというようにしたもの
である。この時、最適レギュレータをそのまま使用する
と付加系が作り出した反共振点を制御が消してしまうと
いう問題があり、反共振領域におけるノッチをどのよう
に残して制御を行っていくかという点が本発明の技術的
ポイントである。
【0008】
【課題を解決するための手段】本発明の反共振型能動動
吸振器7は、請求項1に示すように、 制振対象である主系1に付加された質量2と、 質量2を支持する弾性体3とで構成され、 付加系5の減衰率を小さくして反共振点が生じるよ
うにした反共振型受動動吸振器に、主系1の振動を検出
して主系1の振動を減衰させるように質量2を振動させ
るアクチュエータ6を付加した反共振型能動動吸振器7
において、 反共振領域において主系1の振動に関する重みを大
きくして反共振領域が拡大するようにアクチュエータ6
を制御するフィルタ10をアクチュエータ6の制御器8
に設けた事を特徴とする。これにより、反共振領域にお
いて、反共振型受動動吸振構造によって発生したノッチ
状の反共振現象がアクチュエータ6の協働によって拡大
され、反共振現象による制振効果をより有効に発揮させ
る事になる。
【0009】
【実施例】本発明の骨子は、付加系5の振動しやすい周
波数領域を利用して制振性能の向上を計ると同時に制御
エネルギの削減を行う点にある。そのためには、ハイブ
リッド型動吸振器の『ダンパ機能4』をなくするか小さ
くする必要があり、付加系5の受動動吸振器は反共振型
になる。反共振領域を主系1の制振対象領域に近付けて
付加系5の特性を引き出しやすくしておいて制振制御を
行う。この時、最適レギュレータをそのまま使用すると
付加系5が作り出した反共振点を逆に制御によって消し
てしまうのでいかに反共振現象によるノッチを残して制
振制御を行うかが本発明の眼目である。以下、本発明を
図示実施例に従って説明する。
【0010】図1は、従来のハイブリッド型動吸振器を
ベースにした構成であって、主系1に、主系1の水平方
向の振動を制御するための付加系5を装着し、付加系5
を制御器8で制御した例で、制御器8内には、ハイブリ
ッド型動吸振器で用いられる制御部{H (s)}及び
{H (s)}が、本発明で重要な働きをなす制御部
{H (s)}と共に組み込まれている。主系1及び付
加系5の振動検出は、それぞれに装着された振動センサ
11によって行われ、制御器8に入力される。主系1は
固有周期の長い構造物、特に超高層ビルや橋りょうなど
が揚げられ、主系1には地面や内部装置からは絶えず外
乱が入力し、又、風などの外乱によって発生する振動で
周波数の低い領域から高い領域まで広範囲に亘って振動
が複雑に絡み合って発生している。主系1と地面との関
係はダンパ1bとばね1aで表される。
【0011】付加系5は、図1に示すように制振対象で
ある主系1に付加された質量2と、質量2を支持する弾
性体3並びに非常に弱い減衰(=ダンパ機能4)とで構
成された反共振型受動動吸振器5で、これに主系1の振
動を検出して主系1の振動を制振するために質量2を振
動させるアクチュエータ6が装着されている。アクチュ
エータ6は、主系1に固定され、質量2を振動させるも
のであればどのようなものでもよく、例えば、圧力容器
とゴムベローズとで構成された空気ばね、リニヤモー
タ、ピエゾ素子などが上げられる。
【0012】次に本発明の制御方法を図2のブロック回
路図に従って説明する。外乱が主系1に入力すると外乱
の力に対応した振幅で振動する。この伝達関数を主系1
コンプライアンス(=入力外乱に対する主系1振動の振
幅比){1/G(s)}で示す。この主系1の振動を
変位・速度などの成分で主系1に設置した振動センサ1
1にて検出し、制御器8に入力する。そして、この入力
信号に従ってアクチュエータ6を制御し、主系1の振動
を抑制するように付加系5の質量2を振動させる。図
中、アクチュエータ6にて振動させられる質量2の動特
性を{1/μ・g2(s)}で示す。
【0013】主系1と付加系5との関係を見ると、外乱
によって主系1が振動すると主系1に装着されている付
加系5も主系1と共に振動させようとするが、付加系5
の弾性体3を介しての支持であるから付加系5独自の応
答特性に従って振動する。これは主系1の振動に応答し
て振動する付加系5の動特性に従い、前記動特性は{g
1(s)/g2(s)}で示される。前記2つの動的応
答が合算され、付加系5の慣性項(μs )を介して抑
制振動として主系1に入力され、主系1の振動を抑制す
る。これにより主系1の振幅が小さくなり、これを振動
センサ11にてセンシングし、前記同様の操作を繰り返
して主系1の振動を抑制していく。
【0014】ここで、制御部8には反共振領域において
主系1の振動に関する重みを大きくして反共振領域が拡
大且つ深くなるようにアクチュエータ6を制御するフィ
ルタ10が設けられている。この点を詳述すると、制御
器8に設置されているフィルタ10は、主系1制振機能
を持つ制御部{H(s)}と付加系5の振動を加振す
る制御部{H(s)}並びに付加系5の振動を抑制す
る制御部{H(s)}とで構成されている。但し、制
御部{H (s)}及び制御部{H (s)}はいずれ
も従来のハイブリッド型動吸振器に用いられたものであ
り、ここでは新規な制御部{H (s)}と図2のブロ
ック回路図に示すように組み合わせて、本願発明のフィ
ルタ10を構成している。このフィルタでは、制御部
{H(s)}及び制御部{H(s)}が重要な働き
をなし、制御部{H(s)}は付加的な働きをなす。
【0015】上記制御器8における制御方法では、周波
数依存評価関数に従って制御を行うもので周波数依存評
価関数
【数1】の式を以下に示す。
【数1】
【0016】前記評価関数において、Q(s)及びR
(s)を
【数2】で示す通りとし、L(s)が安定且つプロパな
有理関数行列、M(s)は正則で逆行列{Mマイナス1
乗(s)}が安定且つプロパな有理関数行列と仮定し、
L(s)を
【数3】、M(s)=1とおくと、制御部{H
(s)}のダイナミックスは
【数4】となり、前記評価関数において、主系1の振動
に関する重み{L(s)}を大きくして反共振領域が拡
大するようにアクチュエータ6を制御できることにな
る。これによって、受動要素のみよりもノッチが深く
(即ち、主系1反共振領域での主系1の振動がより低減
し)且つ拡大する事になり、主系1の制振効果を高める
ことができる。
【数2】
【数3】 上式は主系変位の重みに関する式である。
【数4】 上記式より、主系変位の重みが加えられて反共振領域に
合致する周波数の制御部{H(s)}からの出力が拡
大されて出力される事となる。
【0017】この関係を図3に示す。図3ではr(=数
1を単純化した時の制御量の重み)が小さくなる程、主
系の振動に関する重みが大きくなる事を表しており、主
系1反共振領域での主系1振動がより低減し且つ拡大す
る。尚、付加系5の振動抑制は付加系5に設置された振
動センサ12によって検出され、これを制御部{H
(s)}に入力することによってアクチュエータ6を
制御して行う。付加系5の質量2の過振動を抑制する働
きをなす。
【0018】{シュミレーション例} 図4は主系1に衝撃荷重を与えた場合のインパルス応答
で、非制御状態ならば破線のように主系に振動応答が残
存して緩慢な収束しか見られないのに対して実線の制御
状態では速やかな収束が観測される。
【0019】又、鋭いピークを有する有色外乱で加振さ
れた系を考えると、図5において波線で示された非制御
状態では、次第に振幅が重畳して行く現象が見られる
が、同図における実線で示される制御状態では付加質量
2に作用する慣性力が外乱を相殺するような制御が実現
しており、主系1の振幅はほぼ定常な推移を示す。図か
ら過渡状態においても外乱に比べかなり小さな制御力で
すむ事が理解される。
【0020】さらに、図6は本発明に基づく制御の場合
であり、図7は従来のハイブリッド型動吸振器による制
御例である。図中、下から正弦波外乱、制御力、主系変
位、付加系変位、エネルギ率(アクチュエータ出力とし
ての絶対値)両者を比較してみると本発明方式の方が小
さい制御力(エネルギ率)でより効果的な主系1の制振
を行う事ができている事が理解される。
【0021】
【発明の効果】本発明の制御方法によれば、反共振型能
動動吸振器において、反共振領域において主系の振動に
関する重みを大きくして反共振領域が拡大するようにア
クチュエータを制御するフィルターをアクチュエータの
制御器に設けたので、主系の振動に関する重みを大きく
して反共振領域が拡大するようにアクチュエータを制御
出来ることになる。換言すれば、反共振領域の主系の振
動を拡大してアクチュエータに入力する事になり、受動
要素のみよりもノッチが深くなって主系反共振領域での
主系の振動がより低減し、且つ更にノッチは拡大する事
になり、主系の制振効果をより高めることができる事に
なる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明にかかる装置概念図
【図2】本発明の制御ブロック線図
【図3】本発明の周波数伝達関数線図
【図4】本発明の制御例と非制御状態において主系に衝
撃荷重を与えた場合の応答の比較を表すグラフ
【図5】本発明の制御例と非制御状態において主系に不
規則な周波数の外乱を与えた場合の比較を表すグラフ
【図6】本発明の制御例に対して正弦波外乱を与えた場
合の制御グラフ
【図7】従来のハイブリッド型動吸振器に対して正弦波
外乱を与えた場合の制御グラフ
【符号の説明】
(1)…主系 (2)…質量 (3)…弾性体 (4)…付加系の
ダンパー (5)…反共振型動吸振器 (6)…アクチュ
エータ (7)…反共振型能動動吸振器 (8)…制御器 (10)…本発明の制御例のフィルタ (11)…主系の振動センサ (12)…付加系
の振動センサ
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 西原 修 京都府京都市左京区吉田本町 京都大学 工学部 内 (72)発明者 安田 正志 兵庫県尼崎市南初島町10番地133 特許 機器株式会社 内 (72)発明者 各務 嘉郎 大阪府門真市大字門真1048番地 松下電 工株式会社 内 (56)参考文献 特開 平3−250165(JP,A)

Claims (1)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 制振対象である主系に付加された質量
    と、質量を支持する弾性体とで構成され、付加系の減衰
    率を小さくして反共振点が生じるようにした反共振型受
    動動吸振器に、主系の振動を検出して主系の振動を減衰
    させるように質量を振動させるアクチュエータを付加し
    た反共振型能動動吸振器において、反共振領域において
    主系の振動に関する重みを大きくして反共振領域が拡大
    するようにアクチュエータを制御するフィルターをアク
    チュエータの制御器に設けた事を特徴とする反共振型能
    動動吸振器。
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