JP3560425B2

JP3560425B2 - 制振機構の制御装置

Info

Publication number: JP3560425B2
Application number: JP26862196A
Authority: JP
Inventors: 浩介佐藤; 宏平松田; 友夫窪田; 大輔松本
Original assignee: KYB Corp
Current assignee: KYB Corp
Priority date: 1996-10-09
Filing date: 1996-10-09
Publication date: 2004-09-02
Anticipated expiration: 2016-10-09
Also published as: JPH10116104A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は建物等の構造物の風や地震による振動を抑制するアクティブ方式の制振装置のコントローラの改良に関する。
【０００２】
【従来の技術】
建物等の制振装置として、建物の上層階に制振用の可動マスを備え、このマスと建物とを油圧シリンダで連結しておき、地震などの揺れに対して、その振動波と逆位相に油圧シリンダを伸縮作動させてマスを駆動し、建物の振動を減衰して揺れを小さくするアクティブ方式の制振装置が、例えば特開平２−２６６１３９号公報に開示されている。
【０００３】
この場合、建物の揺れが大きくなると、これに対応してマスを大きく変位させることになるが、振動が一定以上になるとシリンダがストロークエンドに達し、これにより生じる衝撃で建物への衝撃振動を誘発することがある。そこで、この従来装置では制振装置のコントローラに最適フィードバック理論を適用し、建物に過大な振動が入力された場合でもシリンダがストロークエンドに達しないようにするため、次のようにしている。
【０００４】
一つは、マスの変位がシリンダのストロークエンドに近づくにしたがい、状態フィードバックゲインベクトルをマスの変位と速度に応じて減衰率を低くする方向へ連続的に変化させる可変フィードバック機能であり、もう一つは、マスの変位と速度に応じて振動の減衰率を強弱２段階に切換える２段（段階的）マップレギュレータ機能である。
【０００５】
また、これとは別に特開平７−２９３０３８号公報には、上記したコントローラの最適フィードバック理論にカルマンフィルタ理論を併合することにより、設計時に無視した建物モデルの高次モードに起因する振動及び作動油の圧縮性あるいはサーボ弁の応答性に起因しての発振を抑制し、同時に風などの長周期外乱によるマスの有効ストロークの減少を抑制しながらも、製造コストの増大を抑制したコントローラが提案されている。
【０００６】
いま、これを説明すると、図４において、１は構造物（建物）、２は制振用のマス（可動マス）で、マス２は建物１の上層階において水平方向に自由に移動可能に構成される。マス２は建物１に連結した油圧シリンダ３により、建物１に入力する振動の大きさ、方向に応じて逆位相に駆動される。油圧シリンダ３はサーボ弁４により図示しない油圧源からの作動油が給排され、マス２を水平面で駆動する。サーボ弁４の作動を制御するためにコントローラ１０が備えられる。コントローラ１０には建物１の振動特性を検出するために速度センサ７からの信号と、マス２の変位を検出する変位センサ８から信号が入力する。コントローラ１０は建物１の振動を打ち消すように、これと逆位相の特性をもって油圧シリンダ３を伸縮動作させるようにサーボ弁４に指令信号を出力する。
【０００７】
図５はコントローラ１０を連続時間系の制御系で構成したときの制御要素のブロック図である。
【０００８】
【数１】

【０００９】
なお、Ｋは制御対象Ａ_ｐＢ_ｐＣ_ｐから最適制御理論により計算されるフィードバックゲイン行列、Ｌは同じくと外乱条件からカルマンフィルタ理論により計算されるフィルタゲイン行列である。
【００１０】
また、図６はコントローラに実装するために、図５を双一次変換で離散時間系で構成した制御要素のブロック図である。
【００１１】
【数２】

【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、先の公開による可変フィードバック及び２段マップレギュレータ機能を、後の公開の最適フィードバック理論にカルマンフィルタ理論を併合させた併合系で実現するには、状態フィードバックゲインベクトルを非線形に変化できるように、独立したマトリクス形式で構成する必要がある。
【００１３】
しかし、連続時間系での制御系をコントローラに実装するために、双一次変換で離散時間近似させた併合系の構成では、状態フィードバックゲインベクトルが独立に陽に現れないため、可変フィードバック及び２段マップレギュレータ機能を実現することができない。したがってこの場合、制御中の可動マスの位置や速度にかかわらず一定の状態フィードバックゲインベクトルを用いるために、過大振動の入力時にシリンダがストロークエンドに達するのを防止することができなかった。
【００１４】
本発明はコントローラへの入力に制御入力を追加することより、最適レギュレータの実装式とカルマンフィルタの実装式とを分離し、可変フィードバック、段階的マップレギュレータ機能を実現し、過大振動の入力時にシリンダがストロークエンドに達しないないようにすることを目的とする。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
第１の発明は、構造物に入力する振動方向に運動可能な制振用マスと、構造物に連結されていてこの制振用マスを駆動するシリンダと、構造物の振動に関する状態変数の状態量を求める状態量検出手段と、この検出された状態量に基づいて所定の状態量を推定するカルマンフィルタ及び、カルマンフィルタで推定された状態量と最適フィードバックゲインベクトルによって制御入力を演算する最適レギュレータにより構成されるコントローラと、この制御入力に基づいてシリンダの駆動を制御する制御手段とを備えた制振機構の制御装置において、前記コントローラ入力として前記検出された状態量に加えて前記制御入力を入力するようにして、最適レギュレータの状態量フィードバックゲインベクトルを独立的に構成した。
【００１６】
第２の発明は、第１の発明において、前記最適レギュレータの制御則における状態量フィードバックゲインベクトルに、制振用マス変位がシリンダストロークエンド方向に向かうにしたがって減衰率の低い係数に連続的に切換える可変フィードバック機能を付加した。
【００１７】
第３の発明は、第１の発明において、前記最適レギュレータの制御則における状態量フィードバックゲインベクトルを、制振用マスの変位と速度に応じて複数段の減衰率のフィードバック係数に切換える複数段マップレギュレータ機能を付加した。
【００１８】
【作用・効果】
第１の発明においては、コントローラ入力として検出された状態量に加えて、最適レギュレータにより演算される制御手段に対する制御入力を追加するので、最適レギュレータの状態量フィードバックゲインベクトルを独立的に変化させられ、このためフィードバックゲインベクトルを制振用マスの情報に応じて可変にすることが可能で、制振用マスの振動状況に応じてアクチュエータによる減衰特性を自由に変えることができ、最適な制振作用を発揮することができる。
【００１９】
第２の発明では、制振用マス変位がシリンダストロークエンド方向に向かうにしたがって減衰率の低い係数に連続的に切換えるので、ストロークの途中から減衰力が連続的に変化していき、シリンダのストロークエンドに達するのを確実に防止することができ、そのときの衝撃を回避できる。
【００２０】
第３の発明では、制振用マスの変位と速度に応じて減衰率を段階的に切換えることができ、制振用マスのストロークがそれほどでなくても速度の大きいときは、そのままストロークエンドに達する恐れがあるので、そのようなときには早めに減衰率を切換えることにより、ストロークエンドに達することのないように制御することができる。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を図にしたがって説明する。図１は、図４におけるコントローラの部分の制御ブロック図である。
【００２２】
この制振機構用のコントローラは、制御則にカルマンフィルタと最適レギュレータを併用したものであり、図１は制御系を連続時間系で構成したものを示している。
【００２３】
この制御系を構成する制御要素は以下のように表される。
【００２４】
【数３】

【００２５】
ここで、コントローラのモデル式を説明する。制御対象をモデル化するにあたり、前述した図４において、建物１、制振用マス２、シリンダ３、サーボ弁４などからなる制御対象モデルは、建物変位ｘｓ、シリンダストロークｙ、サーボ弁指令電流ｉとして、Ａｐ，Ｂｐ，Ｃｐ（定数行列）を用いると次のように表現される。
【００２６】
【数４】

【００２７】
ここで、図５において、フィードバックゲイン行列ＫはＡｃ１，Ｃｃ１の２つにブロックに表れているが、図１においてはフィードバックゲイン行列Ｋは１つのブロックに集約されている。この図５から図１への変換過程を示すと次のようになる。まず、図５は式（３）で表すことができる。
【００２８】
【数５】

【００２９】
したがって、式（７）（８）をブロック図にすると、図１のようになり、式（８）の最適レギュレータが計算した制御入力ｕを式（７）のカルマンフィルタが再び入力することにより、図１が得られる。
【００３０】
このようにして、コントローラの入力に制振用マスの変位及び建物の振動速度に加えて制御入力ｕを追加することで、最適レギュレータ部分のブロックＫが独立に存在するため、このＫを制振用マスの情報、例えば変位や速度などに応じて可変とすることができる。
【００３１】
次に、図２は、制御系の構成を、図１で示す連続時間系から双一次変換などの離散化手法により離散時間近似させた離散時間系で構成した場合のブロック図である。
【００３２】
その制御系を構成する制御要素は次のとおりである。
【００３３】
【数６】

【００３４】
ここで、このコントローラの実装式を示す。
【００３５】
【数７】

【００３６】
このようにしてコントローラを離散時間系で構成しても、最適レギュレータ部分のブロックＫが独立に存在する構成とすることができる。ただし、この場合、制御入力ｕは１サンプル前に対応する前回の値ｕ［ｋ−１］を取り扱うことになる。したがって、この離散時間系にあっても、Ｋが独立することにより、制振用マスの情報によって最適レギュレータの状態フィードバックゲインベクトルＫを動的に変化させることが可能となる。
【００３７】
この結果、例えば、制振用マス変位がシリンダストロークエンド方向に向かうにしたがって減衰率の低い係数に連続的に切換える、可変フィードバック機能とすることにより、ストロークの途中から減衰力が連続的に変化していき、シリンダのストロークエンドに達するのを防止することが可能となり、これによりストロークエンドに達したときに発生する衝撃を確実に回避できる。
【００３８】
また、制振用マスの変位と速度に応じて減衰率を段階的に切換える、段階的マップレギュレータ機能を付与し、例えば、制振用マスのストロークがそれほどでなくても速度の大きいときは、そのままストロークエンドに達する恐れがあるので、そのようなときには早めに減衰率を切換えることにより、ストロークエンドに達することのないように制御することが可能となる。
【００３９】
次に図３の実施形態を説明すると、これは連続時間系で構成されたコントローラ（図１）を、δ演算子を用いて離散時間近似させたときの制御系のブロック図である。
【００４０】
このときの制御要素については以下のとおりである。
【００４１】
【数８】

【００４２】
ここでも図２と同じようなコントローラの構成を実現でき、つまり、コントローラへの入力信号に前回の制御量の情報を追加することで、最適レギュレータの実装式とカルマンフィルタの実装式とを分離し、可変フィードバック機能と段階的マップレギュレータ機能を付与し、シリンダがストロークエンドに達することのないように制御することができる。なお、この場合には制御演算精度の一層の向上を図れる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態のコントローラのブロック図である。
【図２】同じく第２の実施形態のコントローラのブロック図である。
【図３】同じく第３の実施形態のコントローラのブロック図である。
【図４】従来の制振機構の全体的構成を示すブロック図である。
【図５】同じくそのコントローラのブロック図である。
【図６】同じく他のコントローラのブロック図である。
【符号の説明】
１建物
２制振用マス
３油圧シリンダ
４サーボ弁
７速度センサ
８変位センサ
１０コントローラ

Claims

構造物に入力する振動方向に運動可能な制振用マスと、構造物に連結されていてこの制振用マスを駆動するシリンダと、構造物の振動に関する状態変数の状態量を求める状態量検出手段と、この検出された状態量に基づいて所定の状態量を推定するカルマンフィルタ及び、カルマンフィルタで推定された状態量と最適フィードバックゲインベクトルによって制御入力を演算する最適レギュレータにより構成されるコントローラと、この制御入力に基づいてシリンダの駆動を制御する制御手段とを備えた制振機構の制御装置において、前記コントローラ入力として前記検出された状態量に加えて前記制御入力を入力するようにして、最適レギュレータの状態量フィードバックゲインベクトルを独立的に構成したことを特徴とする制振機構の制御装置。
前記最適レギュレータの制御則における状態量フィードバックゲインベクトルに、制振用マス変位がシリンダストロークエンド方向に向かうにしたがって減衰率の低い係数に連続的に切換える可変フィードバック機能を付加した請求項１に記載の制振機構の制御装置。
前記最適レギュレータの制御則における状態量フィードバックゲインベクトルを、制振用マスの変位と速度に応じて複数段の減衰率のフィードバック係数に切換える複数段マップレギュレータ機能を付加した請求項１に記載の制振機構の制御装置。