JP3601849B2 - 制振装置 - Google Patents
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Description
【産業上の利用分野】
本発明は、地震や風等の外力による構造物の振動を低減する制振装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
構造物に振動低減用のコントロールデバイスを備えるとともに、外部からエネルギの供給を受けて積極的に振動の低減を図る制振装置としては、特開昭63−217075号公報に開示されるように、構造物上に載置した付加マスをアクチュエータで変位させることにより風や地震などの外力による構造物の揺れを抑制するものが知られている。
【0003】
これについて説明すると、図2、図3において、構造物1の上部には制振装置が設置され、底部に車輪10を有するほぼ直方体の付加マス2が構造物1の最上部の床上に移動可能に配設される。
【0004】
付加マス2の周面には図中上下左右から複動型の油圧シリンダ6が連結され、この油圧シリンダ6のロッド7の一端が付加マス2を囲むように構造物1に立設した壁8に連結されるとともに、油圧ユニット9から供給された圧油に応じて油圧シリンダ6が付加マス2を駆動する。
【0005】
図7は図2、3で示した制御装置を制御対象とする制御モデルである。ただし、簡略化のために付加マス2は1本のシリンダ6で移動するようになっている。実際の装置では、構造物1、付加マス2が図2において例えば水平方向に揺れれば、図7のモデルでは上下方向に振動することになる。
【0006】
構造物1と付加マス2には状態量を検出する手段としての変位センサ11、12がそれぞれ設けられ、状態量として構造物1の絶対変位x1、付加マス2の絶対変位x2がそれぞれ検出される。
【0007】
絶対変位x1、x2は構造物1、付加マス2がそれぞれ中心位置にある場合を0として正負の値をとるようにする。
【0008】
これら変位センサ11、12からの信号は、状態変数設定部31、演算部32′から構成されるコントローラ30に入力される。
【0009】
状態変数設定部31では構造物1及び付加マス2の絶対変位x1、x2から構造物1と付加マス2の相対変位x2’を減算器33で演算するとともに、微分器S1、S2ではこの相対変位x2’と絶対変位x1とから構造物1の絶対速度v1及び構造物1と付加マス2の相対速度v2’が演算される。
【0010】
こうして演算された状態変数(絶対変位x1、絶対速度v1、相対変位x2’、相対速度v2’)は演算部32′へ入力されて、各状態変数毎に演算された最適フィードバックベクトルF=[f1 f2 f3 f4]を乗じ、これら乗算値をそれぞれ加算した制御入力uを次式により算出する。
【0011】
u = f1x1+f2x2 ’+f3v1+f4v2’ …(1)
この最適フィードバックベクトルFは最適レギュレータ理論に基づいて、その評価関数が最小となるように演算されたものであり、この最適レギュレータ理論に基づく最適フィードバックベクトルF及び評価関数の算出方法については次のような書籍において周知のものである。
【0012】
1.「システム制御理論入門」 第157頁〜160頁(1979年12月15日実教出版株式会社刊、小郷 寛、美多 勉著)
こうして演算された最適フィードバックベクトルに基づいてコントローラ30から出力される制御入力uは、サーボ弁13のスプール14を駆動するソレノイド15に通電される。
【0013】
サーボ弁13の図中上方に位置する3つのポートのうち、中央のポート16がポンプP(図示せず)に、左右のポート17、18がタンクT(図示せず)にそれぞれ連通する。また、図中下方に位置する2つのポート19、20がそれぞれシリンダ6の上下の油室と連通する。
【0014】
図7において、構造物1が地震や風などの外力を受けて図中上方向(図2における右方向)へ揺れ始めると、変位センサ11、12で検知した信号をコントローラ30に入力して制御入力uを演算する。
【0015】
制御入力uはソレノイド15に通電され、サーボ弁13のスプール14が図2に示した位置まで右方向へ駆動される。この状態ではシリンダ6の下方の油室にポート13、20を介して作動油が供給される一方、上方の油室の作動油がポート19、18を介してタンクTに戻されるので、シリンダ6内のピストンが押し上げられる。
【0016】
つまり、この油圧シリンダ6のロッド7が付加マス2を構造物1の動きに遅れて同じ側である上方へと移動させる。一方、これとは逆に構造物1が下方に揺れると、制御入力uの符号が反対になるので、スプール14が図中左側へに摺動して付加マス2が下方へと駆動される。
【0017】
ここに、付加マス2を動かすことによって発生する反力が、構造物1に加えられた外力に対抗して反対方向となるので構造物1の振動が抑制され、最適の制振制御を行うものである。
【0018】
また、上記のものが構造物1を1質点で取り扱うのに対し、特開昭63−280159号公報に開示されるように構造物を2質点として取り扱うことにより、構造物の2次振動モードまでを抑制するものが知られている。
【0019】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来の装置では制御系のモデル化の際に2次を超える高次振動モードを無視して簡素化し、さらに作動油の圧縮性やサーボ弁13の応答遅れ及び非線形特性を考慮していないため、無視した高次振動モードによって発振する場合があり、また、図8(A)〜(C)に示すように、構造物1に加振入力が加わった場合、制御入力uに基づいて付加マス2が駆動されることにより振動は収束する方向に向かうが、付加マス2と油圧シリンダ6内の作動油の圧縮性により構成されたバネ・マス系の固有振動数及びサーボ弁13の応答遅れに基づく発振を生じて制御系が不安定になる場合があった。
【0020】
そこで本発明は、このような問題を解決するためになされたもので、制御系の次数を高めることなく構造物の高次振動モード、作動油の圧縮性及びサーボ弁の応答特性に起因する発振を抑制可能な制振装置を提供することを目的とする。
【0021】
【課題を解決するための手段】
本発明は、図1に示すように、構造物の振動方向に運動可能な付加マス60と、この付加マス60を駆動するアクチュエータ59と、構造物の変位、付加マス60の変位、その他の構造物の振動に関する状態変数の状態量を求める状態方程式の係数行列を演算する係数行列演算手段50と、最適レギュレータ理論に基づいて演算した最適フィードバックベクトルから制御入力を演算する制御入力演算手段57と、この制御入力により前記アクチュエータ59を駆動する手段58とを備えた制振装置において、前記係数行列演算手段50の係数行列から最適レギュレータ理論に基づく最適フィードバックベクトルを演算する手段52と、前記最適フィードバックベクトルを用いたときの制御系の極を演算する手段53と、前記極に基づく固有振動数を演算する固有振動数演算手段54と、予め設定した制御振動数と前記固有振動数とを比較して固有振動数が制御振動数を越える極を判定する手段55と、前記判定された極の固有振動数が前記制御振動数に近付くように設定された値に極を再配置するとともにそのときのフィードバックベクトルを演算する手段56と、構造物の変位、付加マス60の変位、その他の構造物の振動に関する状態変数の状態量を求める状態変数検出手段51と、前記制御入力演算手段57がこれら再配置された極に基づくフィードバックベクトルと前記状態変数検出手段51からの状態変数に応じて制御入力を演算する。
【0022】
【作用】
したがって、最適レギュレータ理論に基づいて演算された最適フィードバックベクトルの極のうち、制御振動数を越える極についてその極の固有振動数が制御振動数に近付くように極の再配置を行った後、この再配置された極に基づいて最適フィードバックベクトルを演算し、極の再配置後の最適フィードバックベクトルから演算された制御入力uによりアクチュエータを駆動するようにしたため、制御系の応答遅れや構造物の高次振動モードによる発振を防ぐことができる。
【0023】
【実施例】
図2〜図4に本発明の実施例を示す。
【0024】
図2、図3に示すように構造物1の上部に配設された制振装置は前記従来例と同様に構成され、油圧ユニット9から供給された圧油に応じてアクチュエータとしての油圧シリンダ6が付加マス2を駆動するもので、重複説明を省略する。
【0025】
図4は図2、図3で示した制御装置を制御対象とする制御モデルで、前記従来例に示した図7と同様に構成されるもので、コントローラ30の演算部32′を演算部32に置き換えたものである。以下、演算部32を中心としたコントローラ30の制御動作について詳述し、前記図7と同一のものについては同一の図番を付して重複説明を省略する。
【0026】
構造物1と付加マス2には状態量を検出する手段としての変位センサ11、12がそれぞれ設けられ、状態量として構造物1の絶対変位x1、付加マス2の絶対変位x2がそれぞれ検出され、絶対変位x1、x2は構造物1、付加マス2がそれぞれ中心位置にある場合を0として正負の値をとるようにする。
【0027】
これら変位センサ11、12からの信号は、状態変数設定部31、演算部32から構成されるコントローラ30に入力される。
【0028】
状態変数設定部31では構造物1及び付加マス2の絶対変位x1、x2から構造物1と付加マス2の相対変位x2’を減算器33で演算するとともに、微分器S1、S2ではこの相対変位x2’と絶対変位x1とから構造物1の絶対速度v1及び構造物1と付加マス2の相対速度v2’が演算される。
【0029】
こうして演算された状態変数(絶対変位x1、絶対速度v1、相対変位x2’、相対速度v2’)は演算部32へ入力されて、各状態変数毎に前記従来例と同様に演算された最適フィードバックベクトルF=[f1 f2 f3 f4]を乗じ、これら乗算値をそれぞれ加算した制御入力uを前記従来例の(1)式と同様にして算出する。
【0030】
ここで、求められた最適フィードバックベクトルFからこのベクトルの固有値であるレギュレータの極(μ1、μ2、μ3、μ4)をそれぞれ求める。
【0031】
この極μ1〜μ4の算出方法及び後述する極の配置方法については、前記周知例(「システム制御理論入門」)の第115頁〜118頁に開示されているのでここでは詳述はしない。なお、最適フィードバックベクトルFを用いたときの極がμ1〜μ4とする。
【0032】
演算部32ではこれら極μ1〜μ4に基づく固有振動数ω1〜ω4を演算するとともに、あらかじめ設定した制御振動数ωkを越えた極ωi(ただし、i=1〜4)について再配置を行うもので、以下、一例として、構造物1及び制御系の所定の数値を代入した最適フィードバックベクトルFの演算結果が次のような値になった場合について説明する。
【0033】
f1=92.93
f2=−3.16
f3=−15.74
f4=−0.622
このときの極μ1〜μ4はそれぞれ次のようになる。
【0034】
μ1=−0.689+2.67j
μ2=−0.689−2.67j
μ3=−2.217
μ4=−21.01
そして、これら極μ1〜μ4に対応する固有振動数ω1〜ω4の演算を制御系の伝達関数に基づいて行うと、固有振動数ω1〜ω3が1Hz未満となるのに対し、固有振動数ω4=3.34Hzとなる。一般的に最適レギュレータ理論により得た極においては、絶対値の大きく突出した極が残る場合がある。
【0035】
ここで、例えば、構造物1の固有振動数=0.45Hzとし、油圧シリンダ6と付加マス2からなるバネ・マス系の固有振動数=約4.1Hzである場合、目標の制御振動数ωk=1Hzに設定したとする。
【0036】
演算した固有振動数ω1〜ω4とこの制御振動数ωkとの比較を行うと固有振動数ω4のみが制御振動数ωkを越えるため、この突出した極μ4について固有振動数ω4が制御振動数ωkに近付くように補正し、例えば、極μ4=−7.0,固有振動数ω4=1.11Hzとする一方、他の極μ1〜μ3についてはそのままの値を保持する。
【0037】
ここで極の補正はゲイン特性が所定値以下、例えば、−3dB以下となるように補正してもよい。
【0038】
すなわち、再配置された極μ1′〜μ4′は次のようになる。
【0039】
μ1′=μ1=−0.689+2.67j
μ2′=μ2=−0.689−2.67j
μ3′=μ3=−2.217
μ4′=−7.0
こうして得られた極μ1′〜μ4′に基づいて最適フィードバックベクトルF′=[f1′ f2′ f3′ f4′]を演算すると次のようになる。
【0040】
f1′=35.61
f2′=−1.05
f3′=−2.49
f4′=−0.70
再配置された極から算出された最適フィードバックベクトルF′より次式に基づいて制御入力uが決定される。
【0041】
u = f1’x1+f2’x2’+f3’v1+f4’v2’ …(2)
この(2)式で得られた制御入力uに基づいてサーボ弁13を駆動すると、図5(A)に示すような加振入力に対して図5(B)に示すように付加マス2を駆動することにより振動を円滑に減衰するとともに、油圧シリンダ6の圧力は図7(C)に示すように振動減衰後に発振することがなくなり、前記従来例に示した図7(C)のように、サーボ弁13の応答遅れや構造物1の高次振動モードあるいは作動油の圧縮性に起因する発振を防止することが可能となり、制振装置の駆動を安定して行うことが可能となるのである。
【0042】
このようにして、最適レギュレータ理論に基づいて演算された最適フィードバックベクトルFの極のうち、制御振動数を越える極についてのみ補正を行うとともに極の再配置を行ってから最適フィードバックベクトルF′を演算し、この最適フィードバックベクトルF′に基づいて制御入力uを演算するようにしたため、サーボ弁13の応答遅れや構造物1の高次振動モードあるいは作動油の圧縮性による発振を防いで安定した制御を行うことが可能となり、油圧シリンダ6の圧力や構造物1の高次振動モードを直接検出する必要がないために、装置を簡素に構成することが可能となって製造コストの増大を抑制することができる。
【0043】
図6は他の実施例を示し、前記第1実施例におけるコントローラ30をマイクロコンピュータにより構成した場合の制御の一例を示すフローチャートであり、以下フローチャートに基づいて詳述する。
【0044】
ステップS1では変位センサ11、12が検出した構造物1の絶対変位x1、付加マス2の絶対変位x2に基づいて構造物1と付加マス2の相対変位x2’、相対変位x2’と絶対変位x1とから構造物1の絶対速度v1及び構造物1と付加マス2の相対速度v2’が演算される。
【0045】
ステップS2ではこうして演算された状態変数(絶対変位x1、絶対速度v1、相対変位x2’、相対速度v2’)より前記従来例と同様にして最適フィードバックベクトルF=[f1 f2 f3 f4]を演算する。
【0046】
次いで、最適フィードバックベクトルFよりこれらベクトルの固有値であるレギュレータの極μ1、μ2、μ3、μ4を前記第1実施例と同様にしてそれぞれ求めるとともに、これら極μ1〜μ4に基づく固有振動数ω1〜ω4を演算する(ステップS3、S4)。
【0047】
ステップS5では前記第1実施例と同様にして予め設定した制御振動数ωkを越えた極μi(ただし、i=1〜4)を判定し、固有振動数ωiが制御振動数ωkを越える極μiについてステップS6で前記第1実施例と同様に再配置を行う。
【0048】
ステップS7では再配置された極に基づく最適フィードバックベクトルF′を演算した後、前記(2)式に基づいて制御入力uの演算を行う(ステップS8)。
【0049】
こうして演算された制御入力uによりステップS9でサーボ弁13を駆動した後、ステップS10で状態変数を検出してステップS8の制御入力uを演算することにより、前記第1実施例と同様に制御系の発振を抑制しながら安定した制振制御を行うことが可能となるのである。
【0050】
なお、上記ステップS1〜S7は制振装置の諸定数が変化したときにのみ実行される一方、ステップS7でのフィードバックベクトルに基づいてステップS8〜S10が実行されるものである。
【0051】
【発明の効果】
以上のように本発明によれば、最適レギュレータ理論に基づいて演算された最適フィードバックベクトルFの極のうち、制御振動数を越える極についてのみ補正を行うとともに極の再配置を行ってから最適フィードバックベクトルF′を演算し、この最適フィードバックベクトルF′に基づく制御入力uによりアクチュエータを駆動するようにしたため、制御系の応答遅れや構造物の高次振動モードによる発振を防いで安定した制御を行うことが可能となり、アクチュエータの圧力や構造物の高次振動モードを直接検出する必要がないために、装置を簡素に構成することが可能となって製造コストの増大を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明のクレーム対応図である。
【図2】本発明の実施例を示す概略構成図である。
【図3】同じく平面図である
【図4】同じく制御モデルのブロック図である。
【図5】構造物の減衰特性を示す図であり、(A)は構造物の絶対変位を、(B)は付加マスの相対変位を、(C)はシリンダに加わる圧力をそれぞれ示す図である。
【図6】制御の一例を示すフローチャートである。
【図7】従来の制御モデルのブロック図である。
【図8】従来例における構造物の減衰特性を示す図であり、(A)は構造物の絶対変位を、(B)は付加マスの相対変位を、(C)はシリンダに加わる圧力をそれぞれ示す図である。
【符号の説明】
1 構造物
2 付加マス
6 シリンダ
11、12 変位センサ
30 コントローラ
50 係数行列演算手段
51 状態変数検出手段
52 最適フィードバックベクトル演算手段
53 極演算手段
54 固有振動数演算手段
55 判定手段
56 再配置手段
57 制御入力演算手段
58 駆動手段
59 アクチュエータ
60 付加マス
Claims (1)
- 構造物の振動方向に運動可能な付加マスと、
この付加マスを駆動するアクチュエータと、
構造物の変位、付加マスの変位、その他の構造物の振動に関する状態変数の状態量を求める状態方程式の係数行列を演算する係数行列演算手段と、
最適レギュレータ理論に基づいて演算した最適フィードバックベクトルから制御入力を演算する制御入力演算手段と、
この制御入力により前記アクチュエータを駆動する手段とを備えた制振装置において、
前記係数行列演算手段の係数行列から最適レギュレータ理論に基づく最適フィードバックベクトルを演算する手段と、
前記最適フィードバックベクトルを用いたときの制御系の極を演算する手段と、前記極に基づく固有振動数を演算する固有振動数演算手段と、
予め設定した制御振動数と前記固有振動数とを比較して固有振動数が制御振動数を越える極を判定する手段と、
前記判定された極の固有振動数が前記制御振動数に近付くように設定された値に極を再配置するとともにそのときのフィードバックベクトルを演算する手段と、構造物の変位、付加マスの変位、その他の構造物の振動に関する状態変数の状態量を求める状態変数検出手段と、
前記制御入力演算手段がこれら再配置された極に基づくフィードバックベクトルと前記状態変数検出手段からの状態変数に応じて制御入力を演算することを特徴とする制振装置。
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