JP3237071U - Amd装置及びその制御プログラム - Google Patents
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Abstract
【課題】本考案は、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】本考案の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
本考案は、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。
本考案は、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、本考案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。
本考案の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の考案においては、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の考案においては、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の考案によれば、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の考案においては、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。
本考案の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、本考案の実施例に係る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・s2+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は本考案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。
本考案に係る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
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。
Claims (3)
- 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。 - 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。
- 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。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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JP2022000408U JP3237071U (ja) | 2022-02-11 | 2022-02-11 | Amd装置及びその制御プログラム |
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JP2022000408U JP3237071U (ja) | 2022-02-11 | 2022-02-11 | Amd装置及びその制御プログラム |
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Family Applications (1)
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JP2022000408U Active JP3237071U (ja) | 2022-02-11 | 2022-02-11 | Amd装置及びその制御プログラム |
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- 2022-02-11 JP JP2022000408U patent/JP3237071U/ja active Active
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