JP3618235B2 - Vibration test equipment - Google Patents

Description

この数値モデルを用いて、次の試験手順で加振試験を行う。（１） 供試体から加振機へ加わる反力ｑを計測し、（２）（数１）に基づいて微小時間後の振動応答を求め、（３） 変位ベクトルより供試体部分に加える変位量を算出し、（４） その結果に基づき加振機を駆動する。以上のステップを繰り返し実施する。反力ｑは実際の構造物の変形挙動が反映されているため、数値モデルの振動計算は供試体部分を含んだものとなる。また、全体の振動応答が逐次計算され、その結果により供試体が加振されているので、構造物全体が加振されているのと同じ条件で供試体を試験していることになる。このように、ハイブリッド実験法では、供試体とする部分のみの加振をすればよいので、それほど大きな試験設備は必要なく、また、破壊などの非線形現象を実際の構造物の挙動として取り込んでいるので精度の高い試験が実施できる。
【０００６】
さらに本試験手法の精度を高めるためには、数値計算で求められた振動応答を、そのまま供試体に載荷することが望ましい。このためには、数値計算と加振試験の時間軸を一致させる、いわゆる「実時間」の実験が必要である。このための技術として特開平５−１０８４６号が開示されている。ところが、通常用いられる加振機では、実際に発生する変位などの応答には指令信号に対して遅れが発生するのが一般的である。この遅れは、例えば堀内他「加振機の応答遅れを補償した実時間ハイブリッド実験システムの開発（第１報）」日本機械学会論文集、Ｃ編、６１巻、５８４号、１３２８ページから１３３６ページ（以下、「論文」として引用する）に記載されているように、実時間ハイブリッド実験を変位に比例する反力を発生させる供試体を対象にして実施した時には負の減衰と等価であり、実時間ハイブリッド実験の実現のためには遅れを補償する必要がある。このための技術として、特開平７−２７６６４号、特開平７−３０６１１５号、などが開示されている。これは加振機の応答遅れ時間δｔに相当する時間だけ先の変位を予測し、これを加振機指令信号とするもので、加振機によりδｔだけ遅れて変位が実現されるため、結果として遅れ無しに変位が実現されるようにしたものである。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
前記の従来技術では、応答おくれを補償するために、加振の応答遅れ時間をあらかじめ同定しておき、その遅れ時間だけ先の応答を計算結果を外挿することにより予測している。この手法は、「予測」という処理を含んでいるため誤差が含まれ、また、安定性の点からすべての条件で試験が実施できるわけではない。例えば、ばねのように、変位に比例する反力を発生させる供試体を対象にしたときの精度、適用範囲（以下、ばねに関する適用範囲、と呼ぶ）については、「論文」に詳細に記載されており、さらに適用可能範囲が広く、かつ精度の高い加振機遅れ補償方法が望まれる。
【０００８】
また、従来技術による遅れ時間の補償方法を、供試体に大きな質量があり、そのため、加振機で加振したときに加速度に比例する反力を発生させる場合については次のような適用範囲がある（以下、質量に関する適用範囲、と呼ぶ）。簡単のため、数値モデル化した部分として質量Ｍの一自由度系（減衰、剛性は０）を考え、その変位をｘとし、供試体は質量ｍの質点とする。すなわち、質量Ｍに質量ｍが固定されている構造物の振動試験に相当する。このとき、計算機の中で使用される数式モデルは、（数１）から次の式が導かれる。
【数２】

ただし、右辺の反力ｑは計算で算出された加速度ｄ^２ｘ／ｄｔ^２に対する値からではなく、加振機により実現された加速度ｄ^２ｘ′／ｄｔ^２に対する反力であることに注意する。この（数２）をラプラス変換して表すと
【数３】

となる。ｓはラプラス変換子である。また、Ｘ′はＸに遅れ補償を施し、その結果として加振機により実現される変位なので、これらの処理の伝達関数をＨ_０で表すと
【数４】

となる。以上の関係は図４に示す制御系として表すことができる。この制御系が安定であるためには、一巡伝達関数のゲインが１未満であることが必要である。一巡伝達関数Δとかくと、
【数５】

とかけるから、ゲイン｜Ｈ_０｜の最大値を｜Ｈ_０｜ｍａｘ とかくと
【数６】

が安定条件である。数値モデルの質量Ｍに対する供試体の質量ｍの比がある程度大きく、（数６）に示す条件が満たされていないときには振動計算が発散し、本試験手法が成り立たない。前述の従来技術では｜Ｈ_０｜ｍａｘの値が比較的大きく、「論文」に記載の補償方法では１次予測で３、２次予測で７、３次予測で１５という値をとる。前記論文ではばねに関する適用範囲、および、精度の観点から３次予測が適当であるとしているが、｜Ｈ_０｜ｍａｘ が１５とかなり大きいため、供試体の質量ｍの制限が大きいことになる。したがって、供試体の大きさを比較的自由に設定できるようにするには、ばねに関する適用範囲が広く、かつ、ゲイン｜Ｈ_０｜が小さくなるような補償方法が望まれる。
【０００９】
本発明の目的は、その適用範囲をより拡大した振動試験装置とその振動試験方法を実現することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明は、供試体を加振する加振機と、
入力される変位指令信号にしたがって前記加振機に駆動信号を出力する制御手段と、
前記加振機により供試体に載荷される荷重を計測する荷重センサーと、
このセンサー出力を少なくとも１つの境界条件として取り込み、前記供試体と連接されて振動する構造体の数値モデルを解析し、前記センサー出力取り込み時点より予め定められた制御周期が経過した制御時点に前記加振機が出力すべき目標位置、目標速度及び目標加速度を算出する応答計算手段と、
前記加振機の応答遅れを補償するために定められた予測時間が経過したときの前記目標速度による変位変化量を算出する第１演算手段と、
この手段の出力にフィルタリング処理を行う第１ローパスフィルタと、
前記予測時間経過後の前記目標加速度による変位変化量を算出する第２演算手段と、
この手段の出力にフィルタリング処理を行う第２ローパスフィルタと、
前記目標位置と前記第１ローパスフィルタの出力と前記第２ローパスフィルタの出力を加算して前記制御手段への変位指令信号を生成する加算手段と、
を備えたことを特徴とする振動試験装置を開示する。
【００１１】
更に本発明は、供試体を加振する加振機と、
入力される変位指令信号にしたがって前記加振機に駆動信号を出力する制御手段と、
入力された変位指令信号から速度及び加速度を算出する微分値計算手段と、
前記加振機の応答遅れを補償するために定められた予測時間が経過したときの前記速度による変位変化量を算出する第１演算手段と、
この手段の出力にフィルタリング処理を行う第１ローパスフィルタと、
前記予測時間経過後の前記加速度による変位変化量を算出する第２演算手段と、
この手段の出力にフィルタリング処理を行う第２ローパスフィルタと、
前記変位指令信号と前記第１ローパスフィルタの出力と前記第２ローパスフィルタの出力を加算して前記制御手段への変位指令信号を生成する加算手段と、
を備えたことを特徴とする振動試験装置を開示する。
【００１２】
更に本発明は、前記第１ローパスフィルタは一次遅れ要素であり、前記第２ローパスフィルタは二次遅れ要素であることを特徴とする振動試験装置を開示する。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図を引用しながら説明する。また、本発明の効果を明示するために、従来技術として「論文」で開示されている手法と比較する。図１は、本発明になる振動試験装置の特徴とする部分を示しており、装置の全体構成は図３と同じであるが、図１は計算機９の内の処理内容を機能ブロックで示したものである。即ち、少なくとも荷重センサーの出力値を入力し、Δｔ後の加振機の駆動目標値を算出する振動応答計算ブロック１１と、その出力に基づいて加振機の制御装置７に適した形態の指令信号ＣＯＮＴを生成するブロック１８の間に、目標変位、目標速度、目標加速度によりδｔ後の目標信号を予測し、加振機に与える変位指令値を算出するブロック群１２〜１７を設けている。
【００１４】
図１の装置の動作の前に、まず補償を要する予測時間δｔについて図５を用いて説明する。今、時刻ｔ１に荷重センサー８の出力値αが計算機に入力され、時刻ｔ２に振動計算等を実施して指令信号が出力されるとする。この指令信号が出力されると、加振機の応答遅れが大きく、それが補償されていないときは、時刻ｔ２から遅れ時間経過した時刻ｔ４に目標変位が実現される。しかし、振動試験を安定かつ高精度に実施するためには、この目標変位をΔｔ後、すなわち、時刻ｔ３に実現する必要がある。ここでΔｔは、シミュレーションの精度上の要求から定められる。したがって、予測時間δｔは
【数７】

で与えられ、この右辺の値は予めわかっている値であるから、予測時間δｔも装置ごとに定数として定めることができ、この時間を補償するようにすればよい。
【００１５】
図１の処理はこの補償を実現するものである。一般に現時刻からδｔ後の変位を予測するためには、現在からδｔ後までの変位の高次微分が関数として与えられていればよい。ここでは、変位の高次微分として２次微分、すなわち加速度を選ぶ。なぜなら振動応答計算ブロック１１では２階の微分方程式である運動方程式を解いているため、加速度までの微分値は容易に求められるためである。すると、δｔ後の変位ｘ０ は次式で表される。
【数８】

ただし、添字 １ は現時刻の値であることを表している。ここで加速度項Ｘ０は現在からδｔ後までの加速度の変化によって変わる。これを算出するのが加速度演算処理ブロック１４である。例えば加速度が一定の場合には現時刻の加速度そのままである。通常は、加速度も変化するため、線形に加速度が変化するものと仮定した場合は、Ｘ０は次式で求められる。
【数９】

しかし、δｔ後の加速度ｄ^２ｘ０／ｄｔ^２は現時刻では不明であるので、これを現時点の加速度値ｄ^２ｘ１／ｄｔ^２と現時点以前の加速度値を線形に外挿して求める。精度を確保し、かつ、ノイズの影響を避けるためには、外挿に使用する加速度の時間間隔を予測時間δｔと同等にするのが望ましい。そこで加速度のδｔ前の値ｄ^２ｘ２／ｄｔ^２を外挿に用いることにすると、δｔ後の加速度は
【数１０】

で求められる。（数１０）を（数９）に代入すると
【数１１】

となる。この式と（数８）を組み合わせれば、精度よく微小時間δｔ後の変位が予測できる。
【００１６】
しかし、次のような問題点がある。（数８）は一種のフィルタ処理と考えることもできる。（数１１）と組み合わせたときのこのフィルタの周波数伝達関数をＧと書くと、これは図１のフィルタＨ１、Ｈ２（処理ブロック１３、１６）を除いたときの点線枠で示したブロック１９の伝達関数であり、
【数１２】

となる。但し（数１１）右辺のｘ２はδｔ前の値であるので、その時間の位相シフトｅｘｐ（−ｊωδｔ）が付加されている。したがって、このフィルタのゲインは（ωδｔ）の二乗のオーダーで増大して、｜Ｇ｜＞１となってしまう。すなわち、質量に関する適用範囲がきわめて小さい。そこで、予測精度を保ちながらゲインの増大を避けるため、本発明では、（数８）の速度の項と加速度の項のそれぞれにローパスフィルタＨ１、Ｈ２をかける。その場合。できるだけ位相の遅れを小さくするにはフィルタの次数を小さくするのが望ましいため、速度の項には１次のフィルタＨ１、すなわち、
【数１３】

加速度の項には２次のフィルタＨ２、すなわち、
【数１４】

を通す。ここで、ω_１、ω_２はそれぞれのフィルタのカットオフ周波数であり、ζは２次のフィルタＨ２の特性を決めるパラメータである。これらを用いると、予測処理Ｈ（図１の点線枠内で、フィルタＨ１、Ｈ２も含めた伝達関数）は次のようになる。
【数１５】

加振機応答の周波数特性のゲインの最大は通常ほぼ１未満で、高い周波数成分はカットされるから、上記の周波数特性Ｈのゲインの最大値｜Ｈ｜ｍａｘ は
【数１６】

となる。したがって、これらのフィルタＨ１、Ｈ２を使用すれば、周波数が増大してもゲインが無限大になることがなく、かつ、より精度のよい予測処理とすることができる。
【００１７】
ここで述べた予測処理を実際に用いるためには、それぞれのフィルタのカットオフ周波数ω_１、ω_２、および、フィルタＨ２のパラメータζを決める必要がある。加振機をδｔの無駄時間系とし、（数１５）を用いて予測処理したときの、目標変位と加振機で発生する変位との間の伝達関数Ｆを求め、ω・δｔ近傍で展開すると
【数１７】

となる。但しＯ（・）は（）内の次数以上の項であることを示す。したがって、
【数１８】

とすることで予測の精度を高めることができ、実験誤差を小さくすることができる。
【００１８】
以上の試験方法の効果を示す一例として、ζ＝０．５、ω_２・δｔ＝６．７６（従来手法と｜Ｈ｜ｍａｘ が同じになる条件）としたシミュレーション結果を示す。ばねｋに対して実験を実施したときに予測誤差によって発生する減衰ｃ^＊とみかけ上の剛性ｋ^＊がどのようになるかを従来手法と比較したものが図６である。従来例（点線）よりも本発明による方が本来の剛性（＝１）、減衰（＝０）により近く、また、付加減衰が負となって試験が不可能となる周波数がより高くなっており、本実施例が性能のよい予測処理であることが示されている。また、質量に関する適用範囲を供試体質量ｍの数値モデル質量Ｍに対する比μ_ｃｒであらわし、ばねに関する適用範囲を付加減衰が負となる臨界無次元化振動数 （ωδｔ）_ｃｒであらわすと、図７に示すように二つの適用範囲は相反する関係にある（ζ＝０．５）。したがって、供試体を含む試験条件によって適当なフィルタのパラメータを選べばよい。この図で示されているように、従来手法に対して質量に関する適用範囲を同等にした時には、ばねに関する適用範囲は約３０％増大でき（図７のＡ点）、ばねに関する適用範囲を同等にした時には質量に関する適用範囲を約３倍にすることができる（図７のＢ点）。
【００１９】
図８および図９は、計算機９をデジタル計算機として、以上説明した本発明の振動試験方法を具備した装置の構成例を説明する。図８に示すように、計算機９は、少なくとも計算処理を行うＣＰＵ２１、プログラムやデータを保存するメモリ２２、荷重センサーからの出力を取り込むためのＡ／Ｄ変換器２３、制御装置へ指令信号を出力するＤ／Ａ変換器２４、データの入出力と計算処理のタイミングを管理する時間管理手段２５を持つ。ただし、加振機の制御装置が指令値としてアナログ信号ではなくデジタル信号を受け取る場合は、Ｄ／Ａ変換器２４の変わりに適当な出力手段に置換される。なお、計算機９にはデータの入力や計算処理の起動、終了を行うための外部処理装置（例えば、ディスプレーやキーボード）が連結されるがここでは省略している。
【００２０】
ＣＰＵ２１では、図９に示すプログラムが処理される。これらの処理はあらかじめ定められている時間刻みΔｔごとに繰り返し実施される。図９にて、ブロック１０１では、荷重センサーの出力を物理量に変換し、ブロック１０２では、地震加速度など試験条件に応じた荷重条件を考慮し、荷重センサーの出力とともに運動方程式の外力を算出する。ブロック１０３では、予測処理に使用するδｔが加振機の実際の遅れと一致するように修正処理を行う。これは、必ずしも必要ではないが、試験精度を高めるために組み込むことが望ましい。なお、このブロックは他の処理と直接関連しないので、図９に示したのと異なる位置に置かれても構わない。ブロック１０４では、ブロック１０２の処理結果に基づいて振動応答計算を行う。ブロック１０５では、ブロック１０４の結果に基づき、加振機の目標変位を算出する。ブロック１０６では、ブロック１０４の結果に基づき、加振機の目標速度を算出し、ブロック１０７では、ブロック１０６の結果にδｔの乗算処理を行う。ブロック１０８では、ブロック１０７の結果に対して（数１３）と等価なデジタルフィルタ処理を行う。ブロック１０９では、ブロック１０４の結果に基づき、加振機の目標加速度を算出し、ブロック１１０では、（数１１）に示される加速度演算処理を行う。ブロック１１１では、ブロック１１０の結果に（１／２）×（δｔ）×（δｔ）を乗ずる。ブロック１１２では、ブロック１１１の結果に対して（数１４）と等価なデジタルフィルタ処理を行う。ブロック１１３では、ブロック１０５、１０８、１１２の結果の総和を求め、ブロック１１４で制御装置７に応じた形態の制御信号に変換して出力する。ブロック１１５では一連の処理を終了するか継続するかの判断を行う。これは、例えば、あらかじめ定められた回数の処理を行ったかを判断したり、あるいは、外部装置から終了の割り込みが入力されたかを判断して行われる。
【００２１】
以上の処理において、ブロック１０８と１１２におけるフィルタ処理は、時間刻みΔｔで逐次処理されるものであるから（数１３）、（数１４）と厳密に一致させることはできない。しかし、時間刻みΔｔよりも十分長い周期の振動に対してはほぼ等価なフィルタ処理となる。また、ブロック１０６〜１０８の処理とブロック１０９〜１１２の処理は独立に実行可能であるから、ＣＰＵ２１として複数のＣＰＵをもつ並列計算機を使用すれば、これらの処理を同時に実施することもできる。要するに、図９と等価な処理ができるのであればどのような処理形態、処理手順をとってもかまわない。このような計算機処理では、数値モデル、フィルターパラメータなどユーザーが設定するパラメータが容易に入力でき、また、複雑な処理が可能となる利点がある。
【００２２】
なお、上述の試験装置の構成例では、加振機の応答遅れを補償する処理を加振機の制御装置７に連結される計算機９により実施するものとして示した。しかし、同等の処理を加振機の制御装置７において実施することも可能である。この場合には、入力される変位指令値から変位・加速度を算出し、図９と同等の処理を行い、その結果にしたがって加振機を制御するものとなる。この構成によれば、速度、加速度をモデルから求める場合よりも多少精度が落ちるが、計算機９のプログラムが簡便にでき、プログラミングが容易となるばかりでなく、１ステップの計算処理時間が短くできるという効果がある。
【００２３】
また、本発明は以上に示した構成例に限定されるものではない。例えば、上記説明では代表例としておもに耐震試験について説明したが、本発明は耐震試験のみならず、種々の要因により発生する振動現象について構造物の応答を評価するのに活用することができる。また、説明を簡単にするため、加振機を一台使用する試験装置の場合について説明したが、加振機が複数個ある試験装置でも全く同様に本発明を適用することができる。すなわち、本発明の趣旨の範囲で様々な形態をとることができることは言うまでもない。
【００２４】
【発明の効果】
本発明によれば、計算機による数値計算と加振機による加振試験を組み合わせる振動試験において、ばねに関する安定限界と質量に関する適用範囲をともに大きくとることができ、振動試験の実施が容易となる効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明になる振動試験装置に於ける加振機制御信号の生成方法を示す図である。
【図２】試験対象の模式図である。
【図３】ハイブリッド実験の説明図である。
【図４】従来の振動試験方法の説明図である。
【図５】本発明の予測時間δｔの設定方法説明図である。
【図６】本発明の効果の説明図である。
【図７】本発明の効果の説明図である。
【図８】本発明の試験装置に於ける計算機の構成例である。
【図９】本発明の方法を実現する加振機制御信号の生成処理を示すフローチャートである。
【符号の説明】
１ 評価対象の構造物
２ 加振試験の供試体とする部分
３ 構造物の数値モデル化する部分
４ 基礎
５ 加振機
６ 反力壁
７ 加振機の制御装置
８ 荷重センサー
９ 計算機
１１ 振動応答計算
１２、１５ 乗算
１３、１６ ローパスフィルタ
１４ 加速度演算
１７ 総和[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a vibration test apparatus and a test method thereof, which are used for grasping characteristics affecting a seismic response, or for demonstrating strength and reliability, for example, by deforming or loading a structure.
[0002]
[Prior art]
Tests that demonstrate the reliability of structures against earthquakes, so-called seismic tests, are often performed with a test device called a shaking table. In this method, the entire structure for evaluating the seismic response is mounted on the vibration table as a specimen, and the table is driven by a hydraulic vibration exciter to reproduce the earthquake acceleration. Although this method can accurately reproduce the response of the specimen during an earthquake, it has limitations such as table size and shaker capacity, which limits the testable range. In order to conduct a test of a large structure, a long test facility is required, which is not economical.
[0003]
Therefore, as a method for conducting a seismic test relatively easily, a “hybrid experiment” that combines numerical calculation by a computer and an excitation test by a shaker has been proposed, and various methods have been studied. This technique is described in, for example, Iemura “Current Status and Future of Hybrid Experiments”, Japan Society of Civil Engineers, No. 356 / I-3, pages 1 to 10. This is because the structure is divided into a part to be actually subjected to an excitation test and a part to be a numerical model for performing numerical calculations. The seismic response is calculated by using the force as an external force, and the deformation of the boundary point between the two parts obtained here is repeatedly loaded on the specimen with a shaker, which will be described in detail below.
[0004]
FIG. 2 schematically shows a structure for which vibration response is to be evaluated in a hybrid experiment. The structure 1 is fixed to the foundation 4. The structure 1 is divided into a part 2 to be actually used as a specimen in a vibration test and a part 3 to be numerically modeled. Then, as shown in FIG. 3, the specimen 2 is fixed to the foundation 4 and is vibrated by the vibrator 5 fixed to the reaction force wall 6. The vibrator 5 is controlled by the control device 7. A load sensor 8 for measuring the load loaded on the specimen 2 by the vibration exciter 5 is installed, and its output is input to the computer 9. The computer 9 captures at least the output value α of the load sensor 8, creates a command signal CONT for the vibrator according to the numerical model of the structure 3, and outputs it to the control device 7.
[0005]
First, numerical modeling will be described in order to explain a method of creating the command signal CONT for the vibrator. The motion of some representative points (nodes) of the structure 3 is expressed as a displacement vector {x}, and the relationship between these nodes is described as a mass matrix <M>, a damping matrix <C>, and a stiffness matrix <K>. To do. As one of the external forces applied to the structure, a load vector {f} applied to the structure due to an earthquake or the like is considered. Further, the reaction force applied from the specimen to the shaker is q. Since the reaction force q from the shaker becomes an external force that acts on the boundary point with the specimen in the numerical model, a vector indicating which reaction force q is applied at which point of the numerical model and in which direction {i} Then, the equation of motion of the numerical model can be described as follows.
[Expression 1]

Using this numerical model, an excitation test is performed according to the following test procedure. (1) Measure the reaction force q applied from the specimen to the vibrator, (2) Obtain the vibration response after a short time based on (Equation 1), and (3) Displacement applied to the specimen part from the displacement vector (4) Based on the result, the vibrator is driven. The above steps are repeated. Since the reaction force q reflects the deformation behavior of the actual structure, the vibration calculation of the numerical model includes the specimen part. Further, since the entire vibration response is sequentially calculated and the specimen is vibrated based on the result, the specimen is being tested under the same conditions as the whole structure is vibrated. In this way, in the hybrid experiment method, it is only necessary to vibrate only the part to be used as a specimen, so that a large test facility is not necessary, and nonlinear phenomena such as fracture are incorporated as the actual behavior of the structure. Therefore, a highly accurate test can be performed.
[0006]
In order to further improve the accuracy of this test method, it is desirable to load the vibration response obtained by numerical calculation on the specimen as it is. For this purpose, a so-called “real time” experiment is required in which the time axes of the numerical calculation and the vibration test are matched. Japanese Patent Laid-Open No. 5-10846 is disclosed as a technique for this purpose. However, in a normally used vibration exciter, a response such as a displacement that is actually generated generally delays with respect to a command signal. For example, Horiuchi et al. “Development of Real-Time Hybrid Experiment System Compensating Response Delay of Exciter (1st Report)” Japan Society of Mechanical Engineers, Vol. 61, No. 584, pages 1328 to 1336 (Hereinafter referred to as “thesis”), the real-time hybrid experiment is equivalent to negative damping when performed on a specimen that generates a reaction force proportional to displacement. To realize the time hybrid experiment, it is necessary to compensate for the delay. As techniques for this purpose, JP-A-7-27664, JP-A-7-306115, and the like are disclosed. This predicts a displacement ahead by a time corresponding to the response delay time δt of the shaker, and uses this as a shaker command signal, and the displacement is delayed by δt by the shaker. The displacement is realized without delay.
[0007]
[Problems to be solved by the invention]
In the above-described prior art, in order to compensate for the response delay, the response delay time of the excitation is identified in advance, and the response ahead by that delay time is predicted by extrapolating the calculation result. Since this method includes a process of “prediction”, an error is included, and the test cannot be performed under all conditions from the viewpoint of stability. For example, the accuracy and application range (hereinafter referred to as the application range related to a spring) when a specimen that generates a reaction force proportional to displacement, such as a spring, is described in detail in the “Paper”. In addition, there is a demand for an exciter delay compensation method that has a wider applicable range and high accuracy.
[0008]
In addition, the delay time compensation method according to the prior art has a large mass in the specimen, so the following application range is available when generating a reaction force proportional to acceleration when vibrating with a shaker. Yes (hereinafter referred to as mass coverage). For the sake of simplicity, a one-degree-of-freedom system of mass M (damping and stiffness is 0) is considered as a numerically modeled part, the displacement is x, and the specimen is a mass point of mass m. That is, it corresponds to a vibration test of a structure in which the mass m is fixed to the mass M. At this time, the following equation is derived from (Equation 1) as an equation model used in the computer.
[Expression 2]

However, it should be noted that the reaction force q on the right side is not a value for the acceleration d ² x / dt ² calculated by calculation, but a reaction force for the acceleration d ² x ′ / dt ² realized by the shaker. . This (Equation 2) can be expressed by Laplace transform.

It becomes. s is a Laplace transformer. Further, since X ′ is a displacement that is realized by a shaker as a result of performing delay compensation on X, the transfer function of these processes is expressed as H ₀

It becomes. The above relationship can be expressed as a control system shown in FIG. In order for this control system to be stable, the gain of the round transfer function needs to be less than one. Anyway, the transfer function Δ
[Equation 5]

Therefore, the maximum value of the gain | H ₀ | is set to | H ₀ | max

Is a stable condition. When the ratio of the mass m of the specimen to the mass M of the numerical model is large to some extent and the condition shown in (Equation 6) is not satisfied, vibration calculation diverges and this test method does not hold. In the above-described prior art, the value of | H ₀ | max is relatively large, and the compensation method described in the “paper” takes a value of 3 for primary prediction, 7 for secondary prediction, and 15 for tertiary prediction. In the above paper, the third-order prediction is appropriate from the viewpoint of the application range and accuracy of the spring. However, since | H ₀ | max is as large as 15, the limit of the mass m of the specimen is large. Therefore, in order to enable the size of the specimen to be set relatively freely, a compensation method is desired that has a wide application range for the spring and that the gain | H ₀ | is small.
[0009]
An object of the present invention is to realize a vibration test apparatus and a vibration test method thereof whose application range is further expanded.
[0010]
[Means for Solving the Problems]
The present invention includes a vibration exciter that excites a specimen,
Control means for outputting a drive signal to the vibration exciter according to an input displacement command signal;
A load sensor for measuring a load loaded on the specimen by the shaker;
The sensor output is captured as at least one boundary condition, a numerical model of a structure that is connected to the specimen and vibrates is analyzed, and the sensor output is added at a control time point when a predetermined control cycle has elapsed from the sensor output time point. A response calculation means for calculating a target position, a target speed and a target acceleration to be output by the shaker;
First calculating means for calculating a displacement change amount according to the target speed when a predicted time determined to compensate for a response delay of the shaker has elapsed;
A first low-pass filter that performs filtering on the output of the means;
Second calculating means for calculating a displacement change amount by the target acceleration after the predicted time has elapsed;
A second low-pass filter that performs filtering on the output of the means;
Adding means for adding the target position, the output of the first low-pass filter, and the output of the second low-pass filter to generate a displacement command signal to the control means;
A vibration test apparatus characterized by comprising:
[0011]
The present invention further includes a vibration exciter for exciting the specimen,
Control means for outputting a drive signal to the vibration exciter according to an input displacement command signal;
Differential value calculating means for calculating speed and acceleration from the input displacement command signal;
First calculating means for calculating a displacement change amount due to the speed when a predicted time determined to compensate for a response delay of the shaker has elapsed;
A first low-pass filter that performs filtering on the output of the means;
Second calculating means for calculating a displacement change amount due to the acceleration after the predicted time has elapsed;
A second low-pass filter that performs filtering on the output of the means;
Adding means for adding the displacement command signal, the output of the first low-pass filter, and the output of the second low-pass filter to generate a displacement command signal to the control means;
A vibration test apparatus characterized by comprising:
[0012]
Furthermore, the present invention discloses a vibration test apparatus in which the first low-pass filter is a first-order lag element and the second low-pass filter is a second-order lag element.
[0013]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. Further, in order to clearly show the effect of the present invention, it is compared with the technique disclosed in the “paper” as the prior art. FIG. 1 shows a characteristic part of the vibration test apparatus according to the present invention, and the overall configuration of the apparatus is the same as that of FIG. 3, but FIG. 1 shows the processing contents in the computer 9 as functional blocks. Is. That is, at least an output value of the load sensor is input, and a vibration response calculation block 11 for calculating a drive target value of the shaker after Δt, and a command in a form suitable for the shaker control device 7 based on the output. Between the block 18 that generates the signal CONT, there are provided block groups 12 to 17 that predict a target signal after δt based on the target displacement, target speed, and target acceleration and calculate a displacement command value to be given to the shaker.
[0014]
Prior to the operation of the apparatus shown in FIG. 1, the predicted time δt requiring compensation will be described with reference to FIG. Now, it is assumed that the output value α of the load sensor 8 is input to the computer at time t1, and the command signal is output by performing vibration calculation and the like at time t2. When this command signal is output, the response delay of the vibration exciter is large, and when it is not compensated, the target displacement is realized at time t4 when the delay time has elapsed from time t2. However, in order to perform the vibration test stably and with high accuracy, it is necessary to realize this target displacement after Δt, that is, at time t3. Here, Δt is determined from a requirement on the accuracy of simulation. Therefore, the predicted time δt is given by

Since the value on the right side is a value known in advance, the predicted time δt can be determined as a constant for each device, and this time may be compensated.
[0015]
The process of FIG. 1 realizes this compensation. In general, in order to predict the displacement after δt from the current time, it is only necessary to give a high-order derivative of the displacement from the present to δt after as a function. Here, the second derivative, that is, the acceleration is selected as the higher-order derivative of the displacement. This is because the vibration response calculation block 11 solves the equation of motion, which is a second-order differential equation, so that the differential value up to the acceleration can be easily obtained. Then, the displacement x0 after δt is expressed by the following equation.
[Equation 8]

However, the subscript 1 represents the current time value. Here, the acceleration term X0 changes depending on the change in acceleration from the present to δt. The acceleration calculation processing block 14 calculates this. For example, when the acceleration is constant, the acceleration at the current time remains as it is. Usually, since the acceleration also changes, when it is assumed that the acceleration changes linearly, X0 is obtained by the following equation.
[Equation 9]

However, since the acceleration d ² x0 / dt ² after δt is unknown at the current time, it is obtained by linearly extrapolating the current acceleration value d ² x1 / dt ² and the acceleration value before the current time. In order to ensure accuracy and avoid the influence of noise, it is desirable to make the time interval of acceleration used for extrapolation equal to the predicted time δt. Therefore, if the value d ² x2 / dt ² before acceleration δt is used for extrapolation, the acceleration after δt is given by

Is required. Substituting (Equation 10) into (Equation 9)

It becomes. By combining this equation with (Equation 8), the displacement after a minute time δt can be accurately predicted.
[0016]
However, there are the following problems. (Equation 8) can also be considered as a kind of filter processing. When the frequency transfer function of this filter when it is combined with (Equation 11) is written as G, this indicates that of the block 19 shown by the dotted frame when the filters H1 and H2 (processing blocks 13 and 16) in FIG. Transfer function,
[Expression 12]

It becomes. However, since x2 on the right side of (Expression 11) is a value before δt, a phase shift exp (−jωδt) for that time is added. Therefore, the gain of this filter increases in the order of the square of (ωδt) and becomes | G |> 1. That is, the application range regarding mass is very small. Therefore, in order to avoid an increase in gain while maintaining prediction accuracy, in the present invention, low-pass filters H1 and H2 are applied to the velocity term and the acceleration term in (Equation 8), respectively. In that case. Since it is desirable to reduce the filter order in order to reduce the phase delay as much as possible, the speed term includes the first-order filter H1, that is,
[Formula 13]

The acceleration term includes a second order filter H2, that is,
[Expression 14]

Through. Here, ω ₁ and ω ₂ are the cutoff frequencies of the respective filters, and ζ is a parameter that determines the characteristics of the secondary filter H2. When these are used, the prediction process H (the transfer function including the filters H1 and H2 in the dotted line frame in FIG. 1) is as follows.
[Expression 15]

The maximum frequency characteristic gain of the exciter response is normally less than about 1 and high frequency components are cut. Therefore, the maximum value | H | max of the frequency characteristic H is given by

It becomes. Therefore, if these filters H1 and H2 are used, the gain does not become infinite even if the frequency increases, and more accurate prediction processing can be performed.
[0017]
In order to actually use the prediction process described here, it is necessary to determine the cutoff frequencies ω ₁ and ω ₂ of the respective filters and the parameter ζ of the filter H2. The transfer function F between the target displacement and the displacement generated by the shaker when the shaker is used as a dead time system of δt and prediction processing is performed using (Equation 15), and is developed in the vicinity of ω · δt. Then [Equation 17]

It becomes. However, O (•) indicates a term of the order in (). Therefore,
[Expression 18]

As a result, the accuracy of prediction can be increased, and the experimental error can be reduced.
[0018]
As an example showing the effect of the above test method, simulation results are shown in which ζ = 0.5 and ω _{2 ·} δt = 6.76 (conditions where | H | max is the same as that in the conventional method). FIG. 6 shows how the damping c ^* and the apparent rigidity k ^* generated by the prediction error when the experiment is performed on the spring k are compared with the conventional method. Compared to the conventional example (dotted line), the present invention is closer to the original stiffness (= 1) and attenuation (= 0), and the frequency at which the additional attenuation becomes negative and the test is impossible is higher. It is shown that this embodiment is a prediction process with good performance. Further, when the application range related to the mass is expressed as a ratio μ _cr of the specimen mass m to the numerical model mass M, and the application range related to the spring is expressed as a critical dimensionless frequency (ωδt) _cr where the additional damping becomes negative, FIG. As shown in FIG. 2, the two application ranges have a contradictory relationship (ζ = 0.5). Therefore, an appropriate filter parameter may be selected depending on the test conditions including the specimen. As shown in this figure, when the mass application range is made equal to the conventional method, the spring application range can be increased by about 30% (point A in FIG. 7), and the spring application range is made equivalent. When this is done, the mass coverage can be tripled (point B in FIG. 7).
[0019]
8 and 9 illustrate an example of the configuration of an apparatus equipped with the vibration test method of the present invention described above, using the computer 9 as a digital computer. As shown in FIG. 8, the computer 9 outputs a command signal to a CPU 21 that performs at least calculation processing, a memory 22 that stores programs and data, an A / D converter 23 that captures output from a load sensor, and a control device. A D / A converter 24 for performing data input / output, and time management means 25 for managing the timing of calculation processing. However, when the control device of the shaker receives a digital signal instead of an analog signal as a command value, the D / A converter 24 is replaced with an appropriate output means. The computer 9 is connected to an external processing device (for example, a display or a keyboard) for inputting data and starting and ending calculation processing, but is omitted here.
[0020]
The CPU 21 processes the program shown in FIG. These processes are repeatedly performed at predetermined time intervals Δt. In FIG. 9, in block 101, the output of the load sensor is converted into a physical quantity, and in block 102, the external force of the equation of motion is calculated together with the output of the load sensor in consideration of the load condition according to the test condition such as earthquake acceleration. In block 103, correction processing is performed so that δt used for the prediction processing matches the actual delay of the shaker. This is not always necessary, but it is desirable to incorporate it in order to increase test accuracy. Since this block is not directly related to other processing, it may be placed at a position different from that shown in FIG. In block 104, vibration response calculation is performed based on the processing result of block 102. In block 105, the target displacement of the shaker is calculated based on the result of block 104. In block 106, the target speed of the vibrator is calculated based on the result of block 104. In block 107, the result of block 106 is multiplied by δt. In block 108, digital filter processing equivalent to (Expression 13) is performed on the result of block 107. In block 109, the target acceleration of the vibrator is calculated based on the result of block 104, and in block 110, the acceleration calculation process shown in (Equation 11) is performed. In block 111, the result of block 110 is multiplied by (1/2) × (δt) × (δt). In block 112, digital filter processing equivalent to (Expression 14) is performed on the result of block 111. In block 113, the sum total of the results of blocks 105, 108, and 112 is obtained, and in block 114, it is converted into a control signal in a form corresponding to the control device 7 and output. In block 115, it is determined whether to end or continue the series of processes. This is performed, for example, by determining whether a predetermined number of times of processing has been performed or by determining whether a termination interrupt has been input from an external device.
[0021]
In the above processing, the filter processing in the blocks 108 and 112 is sequentially processed at time step Δt, and cannot be exactly matched with (Equation 13). However, the filter processing is almost equivalent to vibration having a period sufficiently longer than the time step Δt. In addition, since the processing of blocks 106 to 108 and the processing of blocks 109 to 112 can be executed independently, if a parallel computer having a plurality of CPUs is used as the CPU 21, these processings can be performed simultaneously. In short, any processing form and processing procedure may be used as long as processing equivalent to that in FIG. 9 can be performed. Such computer processing has an advantage that parameters set by the user such as a numerical model and a filter parameter can be easily input, and that complicated processing can be performed.
[0022]
In the above-described configuration example of the test apparatus, the processing for compensating for the response delay of the vibration exciter is shown to be performed by the computer 9 connected to the vibration exciter control apparatus 7. However, it is also possible to carry out an equivalent process in the vibration control device 7. In this case, displacement / acceleration is calculated from the input displacement command value, processing equivalent to that shown in FIG. 9 is performed, and the vibrator is controlled according to the result. According to this configuration, the accuracy is somewhat lower than when the speed and acceleration are obtained from the model, but the program of the computer 9 can be simplified and not only programming becomes easy, but also the calculation processing time of one step can be shortened. effective.
[0023]
Further, the present invention is not limited to the configuration examples shown above. For example, in the above description, the earthquake resistance test is mainly described as a representative example, but the present invention can be used not only for the earthquake resistance test but also for evaluating the response of the structure with respect to vibration phenomena caused by various factors. Further, in order to simplify the explanation, the case of a test apparatus using a single vibrator has been described, but the present invention can be applied to a test apparatus having a plurality of vibrators in exactly the same manner. That is, it goes without saying that various forms can be adopted within the scope of the present invention.
[0024]
【The invention's effect】
According to the present invention, in the vibration test that combines the numerical calculation by the computer and the vibration test by the vibration exciter, both the stability limit relating to the spring and the applicable range relating to the mass can be made large, and the effect of facilitating the implementation of the vibration test There is.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a diagram showing a method for generating a vibration exciter control signal in a vibration test apparatus according to the present invention.
FIG. 2 is a schematic diagram of a test object.
FIG. 3 is an explanatory diagram of a hybrid experiment.
FIG. 4 is an explanatory diagram of a conventional vibration test method.
FIG. 5 is an explanatory diagram of a method for setting an estimated time δt according to the present invention.
FIG. 6 is an explanatory diagram of the effect of the present invention.
FIG. 7 is an explanatory diagram of the effect of the present invention.
FIG. 8 is a structural example of a computer in the test apparatus of the present invention.
FIG. 9 is a flowchart showing a process for generating a vibrator control signal for realizing the method of the present invention.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Structure to be evaluated 2 Part to be tested for vibration test 3 Part to be numerically modeled structure 4 Foundation 5 Exciter 6 Reaction wall 7 Exciter controller 8 Load sensor 9 Computer 11 Vibration response Calculations 12, 15 Multiplication 13, 16 Low-pass filter 14 Acceleration calculation 17 Sum

Claims (6)

A vibration exciter for vibrating the specimen,
Control means for outputting a drive signal to the vibration exciter according to an input displacement command signal;
A load sensor for measuring a load loaded on the specimen by the shaker;
The sensor output is captured as at least one boundary condition, a numerical model of a structure that is connected to the specimen and vibrates is analyzed, and the sensor output is added at a control time point when a predetermined control cycle has elapsed from the sensor output time point. A response calculation means for calculating a target position, a target speed and a target acceleration to be output by the shaker;
First calculating means for calculating a displacement change amount according to the target speed when a predicted time determined to compensate for a response delay of the shaker has elapsed;
A first low-pass filter that performs filtering on the output of the means;
Second calculating means for calculating a displacement change amount by the target acceleration after the predicted time has elapsed;
A second low-pass filter that performs filtering on the output of the means;
Adding means for adding the target position, the output of the first low-pass filter, and the output of the second low-pass filter to generate a displacement command signal to the control means;
A vibration test apparatus comprising: A vibration exciter for vibrating the specimen,
Control means for outputting a drive signal to the vibration exciter according to an input displacement command signal;
Differential value calculating means for calculating speed and acceleration from the input displacement command signal;
First calculating means for calculating a displacement change amount due to the speed when a predicted time determined to compensate for a response delay of the shaker has elapsed;
A first low-pass filter that performs filtering on the output of the means;
Second calculating means for calculating a displacement change amount due to the acceleration after the predicted time has elapsed;
A second low-pass filter that performs filtering on the output of the means;
Adding means for adding the displacement command signal, the output of the first low-pass filter, and the output of the second low-pass filter to generate a displacement command signal to the control means;
A vibration test apparatus comprising: The vibration test apparatus according to claim 1, wherein the first low-pass filter is a first-order lag element, and the second low-pass filter is a second-order lag element. When the prediction time is δt, the cutoff frequency of the first low-pass filter is ω ₁ , the cutoff frequency of the second low-pass filter is ω ₂ and the attenuation constant is ζ,
_{ζ / (ω 2 · δt)} -1 / (ω 1 · δt) 2 over _{1 / (ω 1 · δt)} = 0 characterized in that the defined constants of said first and second low-pass filter to stand The vibration test apparatus according to claim 3. The predicted time is such that the sum of the value and the control period is equal to the sum of the required time from the analysis by the response calculation means to the addition by the addition means and the response delay time of the shaker The vibration test apparatus according to claim 1, wherein the vibration test apparatus is defined. The estimated time is the sum of the value and the control period of the shaker by the control means, the required time from the analysis by the differential calculation means to the addition by the addition means, and the response delay time of the shaker The vibration test apparatus according to claim 2, wherein the vibration test apparatus is set to be equal to the sum of the two.

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