JP4219162B2 - Active dynamic damper device - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、アクティブダイナミックダンパ装置に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
構造物の上下振動を抑制するために、従来からさまざまな方法が考えられた。その中に、構造物の上下振動エネルギーを減衰によって直接消散させるのではなく、図5に示すように補助となる振動系を付加し、それによって構造物の振動エネルギーを吸収しょうとするダイナミックダンパの方法がある。
従来のダイナミックダンパは、ばねと重りで構成された振り子で、固有の共振周波数がある。これを構造物の上に取り付けておくと、その構造物に外から上下振動が加わったとき、ダイナミックダンパの共振と同じ振動周波数であれば、外からの加振力とダイナミックダンパが押し返す力とが打ち消し合い、構造物の上下振動を抑えることができる。しかし、ダイナミックダンパの固有共振周波数以外の周波数帯域で、制振効果を発揮できない。
外からの加振力が広い周波数帯域にわたって作用する場合には、ダイナミックダンパに減衰要素を組込む必要がある。その設計方法には、定点理論と呼ばれる最大値最小化規範に基づく設計法と最小分散規範に基づく設計法がある(例えば、非特許文献1参照。)。
定点理論による設計手順としては、まずダイナミックダンパとして取り付ける付加系の重りの質量mを決め、その重りの質量mと構造物の質量Mとの比μ(=m/M)を求め、次に最適設計法により付加系のばね定数k1を決め、最後に粘性係数c1を決める。従って、異なる構造物に対して異なるダイナミックダンパが必要となる。即ち、対象とする構造物の質量M又は支持のばね定数k0が変ると、ダイナミックダンパの各定数m、k1とc1を変えなければならない。また、このように設計したダイナミックダンパを構造物に取り付ける場合は、床面の上下変位から構造物の上下変位までの振動倍率の最大値は√((μ+2)/μ)である。例えば、μ=0.1の場合、最大値は4.58となり、即ち、最大値を起こす周波数で床面の振幅を1とすれば、構造物の振幅は4.58倍となる。質量比μを大きくするほど、構造物の最大振幅が低減できるが、実際にスペースなど物理の制限からダイナミックダンパの重りの質量をあまりに大きくすることができない。
また、従来の技術として、超磁歪アクチュエータを用いるアクティブ型除振装置がある(例えば、特許文献1参照。)。
前記アクティブ型除振装置は、ベース部、取付板、超磁歪素子またはピエゾ素子を有する小変位アクチュエータ、エアアクチュエータまたはリニアモータを有する大変位アクチュエータ、加速度計など振動センサ、積層ゴムなどを備えた除振機構部と、この除振機構部の制御を行う制御装置部を備える。取付板は、大変位アクチュエータと積層ゴムによって上下方向にスライド可能に支持されている。小変位アクチュエータと大変位アクチュエータはベース部と取付板の間で水平方向に並べて配置されベース部に対する取付板の位置を上下方向に変位させることで被除振体が除振される。つまり、前記アクティブ型除振装置に振動センサが必要である。また、前記アクティブ型除振装置の除振機構部を被除振体の下に取り付ける必要がある。振動センサの利用によるコストが上がり、一方、除振機構部を被除振体の下に取り付ける際には、被除振体によって取付不可能の場合があると考えられる。
【0003】
【非特許文献1】
(社)日本機械学会編「振動のダンピング技術」株式会社養賢堂発行、1998年9月1日、p.49−56
【特許文献1】
特開2001−50334号公報(第1−3頁、第1図)
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
前述のように、従来のダイナミックダンパによる構造物の上下振動抑制はアクティブ方式ではなく、構造物の質量と支持のばね定数が変ると、ダイナミックダンパの各定数を変えなければならない問題がある。また、従来のアクティブ型除振装置は振動センサが必要であり、しかも、除振機構部を被除振体の下に取り付けなければならない。
【0005】
本発明は前述のような従来技術の問題点に鑑みてなされたものであって、振動センサを使うことなく、しかも、除振機構部を被除振体の下に取り付ける必要もなく、被除振体の上に取り付けるだけで、アクティブダイナミックダンパ装置を提供することを目的として、
請求項1において、永久磁石と超磁歪素子と鉄心と空気ギャップとコイルとアンプと板ばねと錘と梃子などでアクティブダイナミックダンパ装置を構成し、
請求項2において、前記アンプの入力から出力までの伝達関数K(s)は比例、積分、1次微分、2次微分制御とすることを特徴とする請求項1記載のアクティブダイナミックダンパ装置とする。
【0006】
[課題を解決するための手段]つまり、その目的を達成するための手段は、請求項1において、被除振体としての構造物11の上に取り付けられるダイナミックダンパ装置において、永久磁石1と、励磁コイル5と予圧を与える板ばね7を有する超磁歪素子4とを鉄心2、21で繋がることによって閉磁路を構成し、かつ、該永久磁石1と、該永久磁石1と超磁歪素子4の間に信号コイル6を有する鉄心22と空気ギャップ3とを鉄心2、21で繋がることによって内磁路を構成し、前記信号コイル6と前記励磁コイル5をアンプ10の入、出力とし、前記超磁歪素子4の出力軸には先端に錘9を固着した梃子8を接し、構造物11に一体支持された支点12にて上下可動することを特徴とするアクティブダイナミックダンパ装置である。
【0007】
請求項2において、前記アンプ10の入力から出力までの伝達関数K(s)は、K(s)=KP+KI/s+KDs+K2Ds2とするアクティブダイナミックダンパ装置である。
【0008】
[発明の実施の形態]図1は本発明請求項1を説明するためのアクティブダイナミックダンパ装置の構成図であり、図1において、被除振体としての構造物11の上に、永久磁石1と、励磁コイル5と予圧を与える板ばね7を有する超磁歪素子4とを鉄心2、21で繋がることによって閉磁路を構成し、かつ、該永久磁石1と、該永久磁石1と超磁歪素子4の間に信号コイル6を有する鉄心22と空気ギャップ3とを鉄心2、21で繋がることによって内磁路を構成し、前記信号コイル6と前記励磁コイル5をアンプ10の入、出力とし、前記超磁歪素子4の出力軸には先端に錘9を固着した梃子8を接し、構造物11に一体支持された支点12にて上下可動することを特徴とするアクティブダイナミックダンパ装置を構成している。ただし、前記アンプ10の重さまたは寸法により構造物11の上に設置できない場合は、前記アンプ11をほかの個所に設置すればよい。
【0009】
次に図1〜4を参照して請求項2を説明する。
まず、図1に示すアクティブダイナミックダンパ装置の動作原理を説明し、そして図2を参照し制御系の閉ループ系伝達関数および、制御系設計のための中間パラメータ(y、z)の求め方を説明し、最後に図3と図4を参照し前記アンプ10の各ゲイン(KP、KI、KD、K2D)の決定方法を説明する。
【0010】
図1に示すように超磁歪素子4と並列に、同程度の磁気抵抗を持つ空気ギャップ3の内磁路を構成しているので、静的状態において永久磁石1からの磁束Φが均等にΦ1(=Φ/2)とΦ2(=Φ/2)に分けて超磁歪素子4と空気ギャップ3に入る。また、前記磁束Φ1により超磁歪素子4に適切な磁気バイアスをかける。一方、超磁歪素子4の上端にある板ばね7で予圧をかけておく。
床面の上下振動(その変位をx0とする)など外部の力により構造物11を上下振動させると(その変位をxとする)、錘9も上下振動し始まる(その変位をx2とする)。そして、梃子8の支点12を通して超磁歪素子4に上下方向に変動する力が印加され、該変動する力によって超磁歪素子4に上下変位dx1が起こって逆磁歪効果で超磁歪素子4の透磁率が変るため、超磁歪素子4を通す磁束Φ1に磁束変化dΦ1が起こる。一方、閉磁路に永久磁石1からの磁束Φが一定なので、前記超磁歪素子4の磁束変化dΦ1により空気ギャップ3の内磁路に磁束変化dΦ2も起こる。しかも、dΦ2=−dΦ1。前記磁束の変化dΦ1とdΦ2により励磁コイル5と信号コイル6に誘起電圧u1とu2が発生する。
床面の上下振動を一定の周波数の正弦波状変位とすると、前述の各変化量(x0、x、x2、dx1、dΦ1、dΦ2、u1、u2)も同じ周波数で変化する。
前記信号コイル6の誘起電圧u2をアンプ10に入力し、前記アンプ10の出力電圧uを前記励磁コイル5の両端に印加し、該出力電圧uと誘起電圧u2との和で前記励磁コイル5の電流iを制御することで前記超磁歪素子に働く制御応力fを制御し、前記構造物11の上下振動を抑制することを図る。以下、前記応力fを制御応力と呼ぶ。
【0011】
図2に制御系のモデルを示す。
ここで、k0とc0とMは前記構造物11の支持のばね定数と粘性係数と構造物の質量である。k1とc1は前記超磁歪素子4のばね定数と粘性係数である。Ke(s)は前記超磁歪素子4の上下変位dx1から前記制御応力fまでの伝達関数である。以下、Ke(s)を“電気ばね”と呼ぶ。lとLは前記梃子8の長さ分配、r=L/lは梃子比である。mは前記錘9の質量である。F0、F1とF2は前記梃子8に働く力であり、その中、F0は前記構造物11に固定される支点12による引張力、F1は前記超磁歪素子4の出力軸による支持力、F2は前記錘9による圧力である。
静的状態において、前記各力F0、F1とF2は次に示す(1)式と(2)式のような関係がある。
【0012】
【0013】
【0014】
床面振動を角周波数ωの正弦波変位x0とし、また、前記梃子8自体の質量を省略すると、ラプラス演算子sを使った運動方程式は次に示す(3)式のように纏められる。ただし、すべての変数(F0、F1、F2、x0、x、dx1、x2)は交流分のみを表す。
【0015】
【0016】
前記(3)式において、第一式は前記錘9の運動方程式、第二式は前記構造物11の運動方程式、第三式は前記超磁歪素子4の変位で発生した機械応力と制御応力の和、第四と第五式は前記梃子8に作用する各力の平衡式、第六式は前記超磁歪素子4の変位と前記構造物11の変位と前記錘9の変位との関係式である。
前記(3)式における第一、第四式により、次に示す(4)式のような関係式を求めることができる。
【0017】
【0018】
また、前記(3)式における第六、第三、第五と第一式により、次に示す(5)式のような関係式を求めることができる。
【0019】
【0020】
前記(5)式から、前記錘9の上下変位x2と前記構造物11の上下変位xとの関係式は次に示す(6)式のように求められる。
【0021】
【0022】
前記(4)と(6)式を前記(3)式における第二式に代入し、整理すると、前記床面の上下変位x0から前記構造物11の上下変位xまでの閉ループ系伝達関数は次に示す(7)式のように求められる。
【0023】
【0024】
ここで、“電気ばね”Ke(s)を次に示す(8)式のように設計すると、閉ループ系伝達関数G(s)は次に示す(9)式のように求められる。
【0025】
【0026】
【0027】
ただし、yとzは前記アンプ10の各ゲイン(KP、KI、KD、K2D)を設計するための中間パラメータ、d(s)は閉ループ系特性多項式、ai(i=0〜3)は特性多項式の各係数である。
一例として真鍋係数図法により前記中間パラメータyとzを設計することができる。真鍋係数図法は制御系設計手法として公知となり、前願の特開2002−325471号公報にも記載があり、ここで、その詳細の説明を省略する。
以下、真鍋係数図法により前記中間パラメータyとzを設計する。
【0028】
前記(9)式の閉ループ系特性多項式に対して真鍋係数図法の安定度指標γi(i=1〜2)は次に示す(10)式となる。
【0029】
【0030】
γ1、γ2より、前記中間パラメータyとzは、次に示す(11)式の関係がある。
【0031】
【0032】
前記(11)式の数値解を求めるのが困難であるが、幾何作図の手法を用いて(11)式で表す2組の曲線を描いてその交点を求めることにより前記中間パラメータyとzを求めることができる。その詳細は本発明の具体例を参照下さい。
【0033】
以下、図3と図4を参照し、前記(8)式で表した“電気ばね”Ke(s)の各定数(−k1、y、z)から、前記アンプ10の各ゲインの決定方法を説明する。
図3は制御回路の構成を示す図である。ここで、R1とL1は前記励磁コイル5の抵抗とインダクタンス、R2とL2は前記信号コイル6の抵抗とインダクタンスである。K(s)は前記アンプ10の入、出力間の伝達関数である。
前記アンプ10の入力インピーダンスが十分大きいので、前記アンプ10の出力電圧uと前記信号コイル6の誘起電圧u2は次に示す(12)式の関係がある。
【0034】
【0035】
また、前記アンプ10の出力インピーダンスが十分小さいので、前記出力電圧uを前記励磁コイル5の両端に加えると、励磁コイルの電流は次に示す(13)式のようになる。
【0036】
【0037】
逆磁歪効果によって、前記超磁歪素子4の上下変位dx1により前記励磁コイル5と信号コイル6に誘起電圧u1とu2が発生する。ヒステリシスなど非線形現象が存在するが、動作点の近辺で線形特性としてdx1とu1、u2の関係を表現すると、次に示す(14)式が得られる。
【0038】
【0039】
ここで、β1とβ2は誘起電圧の発生係数である。ラプラス演算子のsは前記誘起電圧u1とu2は前記超磁歪素子4の上下変位dx1の微分量、即ちddx1/dtに比例することを表す。また、前記超磁歪素子4の上下変位dx1で起きた前記磁束変化dΦ1とdΦ2は反対の向きを持つから、(14)式の第二式に“−”を付けた。
【0040】
一方、磁歪効果によって前記励磁コイル5に流した電流iにより前記超磁歪素子4に働く上下方向の制御応力fを生成する。同様に動作点の近辺で線形特性として前記電流iと応力fの関係を表現すると、次に示す(15)式が得られる。
【0041】
【0042】
ここで、kiは制御応力の発生係数である。
前記(12)式〜(15)式から、前記超磁歪素子4の変位dx1から超磁歪素子に働く制御応力fまでの信号流れは図4に示すブロック線図のようになる。
図4から、前記超磁歪素子4の上下変位dx1から前記超磁歪素子4に働く制御応力fまでの伝達関数、即ち、前記“電気ばね”Ke(s)は次に示す(16)式のように求められる。
【0043】
【0044】
前記(8)式を前記(16)式に代入し整理すると、前記アンプ10の伝達関数K(s)は前記中間パラメータyとzの関数として、次に示す(17)式のように表すことができる。
【0045】
【0046】
前記(17)式から、本発明の請求項2において、前記アンプ10の入力から出力までの伝達関数K(s)は比例、積分、1次微分、2次微分制御によって構成されることが分かる。
【0047】
以上のまとめとして、本発明のアクティブダイナミックダンパ装置は図1に示すように、永久磁石1と、励磁コイル5と予圧を与える板ばね7を有する超磁歪素子4とを鉄心2、21で繋がることによって閉磁路を構成し、かつ、該永久磁石1と、該永久磁石1と超磁歪素子4の間に信号コイル6を有する鉄心21と空気ギャップ3とを鉄心2、21で繋がることによって内磁路を構成し、前記信号コイル6と前記励磁コイル5をアンプ10の入、出力とし、前記超磁歪素子4の出力軸には先端に錘9を固着した梃子8を接し、構造物11に一体支持された支点12にて上下可動させる。
前記アンプ10の入力から出力までの伝達関数K(s)は、比例、積分、1次微分、2次微分制御で構成され、中間パラメータyとzにより前記アンプ10の伝達関数の各ゲイン(KP、KI、KD、K2D)を設計すれば、構造物11の振動抑制制御ができる。
【0048】
以下、数値例を挙げて、本発明の実施の具体的形態をさらに説明する。
数値例とした試作機の構造物11の機械定数、アクティブダイナミックダンパ装置の定数、および真鍋係数図法の安定度指標は、構造物11の質量M、構造物11の支持のばね定数k0、構造物11の支持の粘性係数c0、超磁歪素子4の機械ばね定数k1、超磁歪素子4の機械粘性係数c1、梃子比r、錘9の質量m、誘起電圧発生係数β1とβ2、制御応力発生係数ki、励磁コイル5の抵抗R1、励磁コイル5のインダクタンスL1、安定度指標γ1、γ2を次に示す(18)式の値としたときの中間パラメータy、z、およびアンプ10の伝達関数の各ゲインKP、KI、KD、K2Dの決定例について説明する。
【0049】
【0050】
(18)式の各定数を(11)式に代入し、(11)式の幾何解は図6に示すように双曲線と双直線との三つの交点として次に示す(19)式のように求められる。
【0051】
【0052】
制御系を安定にするための必要条件として、前記(9)式の分母に示す閉ループ系特性多項式d(s)の各係数はai>0(または、ai<0)(i=0〜3)を満たさなければならないので、該条件をチェックすることにより前記(19)式に(y3、z3)のみが安定解として得られた。
y=-174.15とz=-2.658、および前記(18)式に示す各定数を前記(17)式に代入し計算すると、前記アンプ10の伝達関数の各ゲイン(KP、KI、KD、K2D)は次に示す(20)式のように求められる。
【0053】
【0054】
(20)式に示す伝達関数を有するアンプ10を図1に示すアクティブダイナミックダンパ装置に適用すると、床面の上下変位x0から構造物11の上下変位xまでの伝達関数の周波数応答特性シミュレーションは図7に示す実線のように構造物11の固有共振周波数f0(=20Hz)の近辺でゲイン特性のピークが低く抑えられたことが分かる。ただし、図7に示す破線はアクティブダイナミックダンパ装置を装着しない場合、床面の上下変位x0から構造物11の上下変位xまでの周波数応答特性シミュレーションである。図8に床面にステップ状の上下変位x0(=10μm)が発生する場合の構造物11の上下変位xの時間応答シミュレーションを示す。ただし、破線はアクティブダイナミックダンパ装置を装着しない場合、実線はアクティブダイナミックダンパ装置を装着する場合に対応する。図8に示す時間応答シミュレーションから、本発明のアクティブダイナミックダンパ装置を用いると、構造物11の上下振動が速やかに抑制できることがわかる。
【0055】
図9に床面の上下変位x0から超磁歪素子4の上下変位dx1までの伝達関数の周波数応答特性シミュレーションを示す。図10にx0=10μmのステップ状の床面変位が発生する場合の超磁歪素子4の上下変位dx1の時間応答シミュレーションを示し、超磁歪素子4に最大dx1=76μmの上下変位が起きる。しかし、超磁歪素子4に大きな上下変位が取れないため、梃子比rをr>1のように大きくし、超磁歪素子4の小さな上下変位だけで錘9の上下方向の大変位を生成することによって、構造物11の上下振動を減衰することができる。以下、梃子比をr=5としたときの設計結果を述べる。
【0056】
梃子比r=5の場合、中間パラメータxとyを求めるための前記(11)式の幾何解は、図11に示すように双曲線と双直線との三つの交点として次に示す(21)式のように求められる。
【0057】
【0058】
制御系を安定にするための必要条件をチェックすることにより前記(21)式に(y3、z3)のみが安定解として得られた。
y=445とz=-66.44、および前記(18)式に示す各定数を前記(17)式に代入し計算すると、アンプ10の伝達関数の各ゲイン(KP、KI、KD、K2D)は次に示す(22)式のように求められる。
【0059】
【0060】
(22)式に示す伝達関数を有するアンプ10を図1に示すアクティブダイナミックダンパ装置に適用すると、床面の上下変位x0から構造物11の上下変位xまでの伝達関数の周波数応答特性シミュレーションは図12に示す実線のように構造物11の固有共振周波数f0(=20Hz)の近辺でゲイン特性のピークが低く抑えられたことが分かる。図13に床面にステップ状の上下変位x0(=10μm)が発生する場合の構造物11の上下変位xの時間応答シミュレーションを示す。ただし、破線はアクティブダイナミックダンパ装置を装着しない場合、実線はアクティブダイナミックダンパ装置を装着する場合に対応する。図13を図8と比べると、梃子比r=5の場合はr=1の場合とほぼ同じ程度の制振効果を達成できる。
【0061】
一方、図14に床面の上下変位x0から超磁歪素子の上下変位dx1までの伝達関数の周波数応答特性シミュレーションを示す。ただし、ゲイン特性に破線と実線はそれぞれ梃子比r=1とr=5に対応する。r=5の場合のゲイン特性(実線)はr=1の場合のゲイン特性(破線)より低いので、梃子比を大きくすれば、超磁歪素子の上下変位が小さくなることがわかる。図15に床面にx0=10μmのステップ状の上下変位が発生する場合の超磁歪素子の上下変位dx1の時間応答シミュレーションを示す。ただし、破線と実線はそれぞれr=1とr=5に対応する。r=1の最大76μmの超磁歪素子の上下変位に対し、r=5の場合、超磁歪素子の上下変位の最大値はおよそ五分の一の16μmに抑えられた。
【0062】
【発明の効果】
以上説明したように本願の発明によれば、構造物の制振制御に振動センサを使うことなく、しかも、除振機構部を被除振体の下に取り付ける必要もなく、被除振体としての構造物の上に取り付けるアクティブダイナミックダンパ装置を、永久磁石と超磁歪素子と鉄心とコイルとアンプと梃子と錘などで構成し、床面の上下変位から構造物の上下変位までの閉ループ系伝達関数の周波数応答のゲイン特性のピーク値を低く抑えるようにアンプの伝達関数の各ゲインを設計することによって、構造物の上下振動抑制制御を提供することができ、実用上、有用性の高いものである。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の請求項1記載のアクティブダイナミックダンパ装置の構成図である。
【図2】本発明の制御系を示すモデル図である。
【図3】本発明の制御回路の構成を示す図である。
【図4】超磁歪素子の変位から制御応力までの信号流れを示すブロック線図である。
【図5】従来のダイナミックダンパを示すモデル図である。
【図6】梃子比r=1のときの中間パラメータyとzの幾何解を示す図である。
【図7】梃子比r=1の制御を適用したときの床面の上下変位から構造物の上下変位までの周波数応答特性図である。
【図8】梃子比r=1の制御を適用したときの構造物の上下変位の時間応答特性図である。
【図9】梃子比r=1の制御を適用したときの床面の上下変位から超磁歪素子の上下変位までの周波数応答特性図である。
【図10】梃子比r=1の制御を適用したときの超磁歪素子の上下変位の時間応答特性図である。
【図11】梃子比r=5のときの中間パラメータyとzの幾何解を示す図である。
【図12】梃子比r=5の制御を適用したときの床面の上下変位から構造物の上下変位までの周波数応答特性図である。
【図13】梃子比r=5の制御を適用したときの構造物の上下変位の時間応答特性図である。
【図14】梃子比r=5の制御を適用したときの床面の上下変位から超磁歪素子の上下変位までの周波数応答特性図である。
【図15】梃子比r=5の制御を適用したときの超磁歪素子の上下変位の時間応答特性図である。
【符号の説明】
1 永久磁石
2 上側の鉄心
21 下側の鉄心
22 空気ギャップ側の鉄心
3 空気ギャップ
4 超磁歪素子
5 励磁コイル
6 信号コイル
7 板ばね
8 梃子
9 錘
10 アンプ
11 構造物
12 支点
M 構造物の質量
k0 構造物の支持のばね定数
c0 構造物の支持の粘性係数
m 錘の質量
k1 超磁歪素子のばね定数
c1 超磁歪素子の粘性係数
x0 床面の上下変位
x 構造物の上下変位
dx1 超磁歪素子の上下変位
x2 錘の上下変位
Φ 永久磁石から発生した磁束
Φ1 超磁歪素子を通す磁束
dΦ1 超磁歪素子を通す磁束Φ1に起きた磁束変化
Φ2 空気ギャップを通す磁束
dΦ2 空気ギャップを通す磁束Φ2に起きた磁束変化
f 超磁歪素子に働く制御応力
F0 構造物に固定される支点の梃子に対する引張力
F1 超磁歪素子の梃子に対する支持力
F2 錘の梃子に対する圧力
f0 構造物の固有共振周波数
u1 励磁コイルの誘起電圧
u2 信号コイルの誘起電圧
u アンプの出力電圧
i 励磁コイルに流す制御電流
Ke(s) 超磁歪素子の上下変位から制御応力fまでの伝達関数
l 超磁歪素子の梃子に対する支持点から固定支持までの距離
L 錘から固定支持までの距離
r 梃子比(L/l)
β1 超磁歪素子の上下変位による励磁コイルの誘起電圧の発生係数
β2 超磁歪素子の上下変位による信号コイルの誘起電圧の発生係数
ki 制御応力の発生係数
K(s) アンプの入力から出力までの伝達関数
KP アンプの伝達関数の比例ゲイン
KI アンプの伝達関数の積分ゲイン
KD アンプの伝達関数の1次微分ゲイン
K2D アンプの伝達関数の2次微分ゲイン
G(s) 床面の上下変位から構造物の上下変位までの閉ループ系の伝達関数
s ラプラス演算子
d(s) 閉ループ系特性多項式
ai 閉ループ系特性多項式の各係数
γi 真鍋係数図法の安定度指標
R1 励磁コイルの抵抗
L1 励磁コイルのインダクタンス
R2 信号コイルの抵抗
L2 信号コイルのインダクタンス
y 中間パラメータのその1
z 中間パラメータのその2[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to an active dynamic damper device.
[0002]
[Prior art]
Various methods have been considered in the past to suppress the vertical vibration of the structure. In this structure, instead of directly dissipating the vertical vibration energy of the structure by damping, an auxiliary vibration system is added as shown in FIG. 5 to thereby absorb the vibration energy of the structure. There is a way.
A conventional dynamic damper is a pendulum composed of a spring and a weight, and has a specific resonance frequency. If this is mounted on the structure, when vertical vibration is applied to the structure from the outside, if the vibration frequency is the same as the resonance of the dynamic damper, the excitation force from the outside and the force that the dynamic damper pushes back Cancel each other, and the vertical vibration of the structure can be suppressed. However, the damping effect cannot be exhibited in a frequency band other than the natural resonance frequency of the dynamic damper.
When an external excitation force acts over a wide frequency band, it is necessary to incorporate a damping element in the dynamic damper. As the design method, there are a design method based on a maximum value minimization criterion called fixed point theory and a design method based on a minimum dispersion criterion (see, for example, Non-Patent Document 1).
As a design procedure based on the fixed point theory, the mass m of the additional system attached as a dynamic damper is first determined, the ratio μ (= m / M) between the mass m of the weight and the mass M of the structure is obtained, and then the optimum The spring constant k 1 of the additional system is determined by the design method, and finally the viscosity coefficient c 1 is determined. Therefore, different dynamic dampers are required for different structures. That is, if the mass M of the target structure or the spring constant k 0 of the support changes, the constants m, k 1 and c 1 of the dynamic damper must be changed. When the dynamic damper designed in this way is attached to the structure, the maximum value of the vibration magnification from the vertical displacement of the floor surface to the vertical displacement of the structure is √ ((μ + 2) / μ). For example, when μ = 0.1, the maximum value is 4.58, that is, if the floor surface amplitude is 1 at the frequency causing the maximum value, the amplitude of the structure is 4.58 times. As the mass ratio μ is increased, the maximum amplitude of the structure can be reduced, but the mass of the weight of the dynamic damper cannot be increased too much due to physical limitations such as space.
As a conventional technique, there is an active vibration isolator using a giant magnetostrictive actuator (see, for example, Patent Document 1).
The active vibration isolator includes a base portion, a mounting plate, a small displacement actuator having a giant magnetostrictive element or a piezo element, a large displacement actuator having an air actuator or a linear motor, a vibration sensor such as an accelerometer, and a vibration removal device including a laminated rubber. A vibration mechanism unit and a control device unit that controls the vibration isolation mechanism unit are provided. The mounting plate is supported by a large displacement actuator and laminated rubber so as to be slidable in the vertical direction. The small displacement actuator and the large displacement actuator are arranged horizontally between the base portion and the mounting plate, and the vibration isolation body is isolated by displacing the position of the mounting plate with respect to the base portion in the vertical direction. That is, a vibration sensor is necessary for the active vibration isolator. Moreover, it is necessary to attach the vibration isolation mechanism of the active vibration isolator under the vibration isolation body. The cost due to the use of the vibration sensor increases. On the other hand, when the vibration isolation mechanism is attached under the vibration isolation body, it may be impossible to attach the vibration isolation mechanism.
[0003]
[Non-Patent Document 1]
The Japan Society of Mechanical Engineers, “Vibration damping technology” published by Yokendo Co., Ltd., September 1, 1998, p. 49-56
[Patent Document 1]
JP 2001-50334 A (page 1-3, FIG. 1)
[0004]
[Problems to be solved by the invention]
As described above, the vertical vibration suppression of the structure by the conventional dynamic damper is not an active method, and there is a problem that each constant of the dynamic damper must be changed when the mass of the structure and the spring constant of the support are changed. Moreover, the conventional active vibration isolator requires a vibration sensor, and the vibration isolation mechanism must be attached under the vibration isolator.
[0005]
The present invention has been made in view of the above-mentioned problems of the prior art, and does not require the use of a vibration sensor, and it is not necessary to attach the vibration isolation mechanism part under the vibration isolation body. For the purpose of providing an active dynamic damper device simply by mounting on a vibrating body,
In
3. The active dynamic damper device according to
[0006]
[Means for Solving the Problems] In other words, the means for achieving the object of the present invention is the dynamic damper device mounted on the
[0007]
3. The active dynamic damper device according to
[0008]
1 is a block diagram of an active dynamic damper device for explaining
[0009]
Next,
First, the operating principle of the active dynamic damper device shown in FIG. 1 will be described, and with reference to FIG. 2, the closed loop transfer function of the control system and how to obtain intermediate parameters (y, z) for control system design will be described. Finally, a method for determining each gain (K P , K I , K D , K 2D ) of the
[0010]
As shown in FIG. 1, since the inner magnetic path of the
When the
When the vertical vibration of the floor surface is a sinusoidal displacement with a constant frequency, each of the above-described changes (x0, x, x2, dx1, dΦ1, dΦ2, u1, u2) also changes at the same frequency.
The induced voltage u2 of the signal coil 6 is input to the
[0011]
FIG. 2 shows a control system model.
Here, k 0 , c 0, and M are the spring constant, the viscosity coefficient, and the mass of the
In the static state, the forces F 0 , F 1 and F 2 have a relationship as shown in the following expressions (1) and (2).
[0012]
[0013]
[0014]
The floor vibration and sinusoidal displacement x 0 of the angular frequency omega, also, omitting the mass of the lever 8 itself, the equation of motion using the Laplace operator s can be summarized as shown below (3). However, all the variables (F 0 , F 1 , F 2 , x 0 , x, dx 1 , x 2 ) represent only AC components.
[0015]
[0016]
In the equation (3), the first equation is the equation of motion of the weight 9, the second equation is the equation of motion of the
A relational expression such as the following expression (4) can be obtained from the first and fourth expressions in the expression (3).
[0017]
[0018]
Further, a relational expression such as the following expression (5) can be obtained from the sixth, third, fifth and first expressions in the expression (3).
[0019]
[0020]
From the equation (5), the relational expression between the vertical displacement x of the vertical displacement x 2 and the
[0021]
[0022]
Wherein (4) and (6) by substituting the second equation in the formula (3), and rearranging, the closed loop transfer function from the vertical displacement x 0 of the floor surface to the vertical displacement x of the
[0023]
[0024]
Here, when the “electric spring” K e (s) is designed as shown in the following equation (8), the closed-loop system transfer function G (s) is obtained as shown in the following equation (9).
[0025]
[0026]
[0027]
However, y and z are intermediate parameters for designing each gain (K P , K I , K D , K 2D ) of the
As an example, the intermediate parameters y and z can be designed by the Manabe coefficient projection. The Manabe coefficient projection method is known as a control system design method, and is also described in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2002-325471 of the previous application, and a detailed description thereof is omitted here.
Hereinafter, the intermediate parameters y and z are designed by the Manabe coefficient projection.
[0028]
The stability index γ i (i = 1 to 2) of the Manabe coefficient projection with respect to the closed-loop characteristic polynomial of the equation (9) is expressed by the following equation (10).
[0029]
[0030]
From γ 1 and γ 2 , the intermediate parameters y and z have the relationship of the following expression (11).
[0031]
[0032]
Although it is difficult to obtain the numerical solution of the equation (11), the intermediate parameters y and z are obtained by drawing the two sets of curves represented by the equation (11) by using the method of geometric drawing and obtaining the intersections thereof. Can be sought. For details, see the specific example of the present invention.
[0033]
Hereinafter, with reference to FIG. 3 and FIG. 4, each gain of the
FIG. 3 is a diagram showing the configuration of the control circuit. Here, R 1 and L 1 are the resistance and inductance of the
Since the input impedance of the
[0034]
[0035]
Further, since the output impedance of the
[0036]
[0037]
Due to the inverse magnetostrictive effect, induced voltages u 1 and u 2 are generated in the
[0038]
[0039]
Here, β 1 and β 2 are generation coefficients of the induced voltage. The Laplace operator s represents that the induced voltages u 1 and u 2 are proportional to the differential amount of the vertical displacement dx 1 of the giant
[0040]
On the other hand, a vertical control stress f acting on the giant
[0041]
[0042]
Here, k i is a generation coefficient of control stress.
From the (12) to (15), the signal flow from the displacement dx 1 of the super
From FIG. 4, the transfer function from the vertical displacement dx 1 of the super
[0043]
[0044]
When the equation (8) is substituted into the equation (16) and rearranged, the transfer function K (s) of the
[0045]
[0046]
From the equation (17), it can be seen that, in
[0047]
As a summary of the above, the active dynamic damper device of the present invention connects the
The transfer function K (s) from the input to the output of the
[0048]
Hereinafter, specific embodiments of the present invention will be further described with numerical examples.
As a numerical example, the mechanical constant of the
[0049]
[0050]
Each constant of the equation (18) is substituted into the equation (11), and the geometric solution of the equation (11) is represented by three intersections of a hyperbola and a hyperbola as shown in FIG. Desired.
[0051]
[0052]
As a necessary condition for stabilizing the control system, each coefficient of the closed loop system characteristic polynomial d (s) shown in the denominator of the equation (9) is a i > 0 (or a i <0) (i = 0 to 0). Since 3) must be satisfied, only (y 3 , z 3 ) was obtained as a stable solution in the above equation (19) by checking this condition.
When y = −174.15, z = −2.658, and the constants shown in the equation (18) are substituted into the equation (17) and calculated, the gains (K P , K I , K D ) of the transfer function of the
[0053]
[0054]
When an
[0055]
Figure 9 shows the frequency response characteristic simulation of the transfer function from vertical displacement x 0 of the floor surface to the vertical displacement dx 1 of the super
[0056]
When the insulator ratio r = 5, the geometrical solution of the equation (11) for obtaining the intermediate parameters x and y is expressed by the following equation (21) as three intersections of a hyperbola and a hyperbola as shown in FIG. It is required as follows.
[0057]
[0058]
By checking the necessary conditions for stabilizing the control system, only (y 3 , z 3 ) was obtained as a stable solution in the equation (21).
When y = 445, z = -66.44, and the constants shown in the equation (18) are substituted into the equation (17) and calculated, the gains (K P , K I , K D , K, K) of the transfer function of the
[0059]
[0060]
(22) Applying the
[0061]
On the other hand, it shows the frequency response characteristic simulation of the transfer function from vertical displacement x 0 of the floor surface 14 to vertical displacement dx 1 of the super magnetostrictive element. However, the broken line and the solid line in the gain characteristic correspond to the lever ratios r = 1 and r = 5, respectively. Since the gain characteristic (solid line) when r = 5 is lower than the gain characteristic (dashed line) when r = 1, it can be seen that when the insulator ratio is increased, the vertical displacement of the giant magnetostrictive element is reduced. FIG. 15 shows a time response simulation of the vertical displacement dx 1 of the giant magnetostrictive element when a stepwise vertical displacement of x 0 = 10 μm occurs on the floor surface. However, the broken line and the solid line correspond to r = 1 and r = 5, respectively. In contrast to r = 1, the maximum vertical displacement of the giant magnetostrictive element of 76 μm, when r = 5, the maximum value of the vertical displacement of the giant magnetostrictive element was suppressed to about 1/5 of 16 μm.
[0062]
【The invention's effect】
As described above, according to the invention of the present application, it is not necessary to use a vibration sensor for vibration control of a structure, and it is not necessary to attach a vibration isolation mechanism part under the vibration isolation body. The active dynamic damper device mounted on the structure of the building is composed of permanent magnets, giant magnetostrictive elements, iron cores, coils, amplifiers, insulators, weights, etc., and closed-loop transmission from the vertical displacement of the floor to the vertical displacement of the structure By designing each gain of the transfer function of the amplifier so as to keep the peak value of the gain characteristic of the frequency response of the function low, it is possible to provide the vertical vibration suppression control of the structure, which is practically highly useful It is.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a configuration diagram of an active dynamic damper device according to
FIG. 2 is a model diagram showing a control system of the present invention.
FIG. 3 is a diagram showing a configuration of a control circuit of the present invention.
FIG. 4 is a block diagram showing a signal flow from displacement of the giant magnetostrictive element to control stress.
FIG. 5 is a model diagram showing a conventional dynamic damper.
FIG. 6 is a diagram showing a geometric solution of intermediate parameters y and z when the insulator ratio r = 1.
FIG. 7 is a frequency response characteristic diagram from the vertical displacement of the floor surface to the vertical displacement of the structure when the control of the insulator ratio r = 1 is applied.
FIG. 8 is a time response characteristic diagram of vertical displacement of a structure when control of an insulator ratio r = 1 is applied.
FIG. 9 is a frequency response characteristic diagram from the vertical displacement of the floor surface to the vertical displacement of the giant magnetostrictive element when the control of the insulator ratio r = 1 is applied.
FIG. 10 is a time response characteristic diagram of vertical displacement of a giant magnetostrictive element when control of an insulator ratio r = 1 is applied.
FIG. 11 is a diagram showing a geometric solution of intermediate parameters y and z when the insulator ratio r = 5.
FIG. 12 is a frequency response characteristic diagram from the vertical displacement of the floor surface to the vertical displacement of the structure when the control of the insulator ratio r = 5 is applied.
FIG. 13 is a time response characteristic diagram of vertical displacement of a structure when control of an insulator ratio r = 5 is applied.
FIG. 14 is a frequency response characteristic diagram from the vertical displacement of the floor surface to the vertical displacement of the giant magnetostrictive element when the control of the insulator ratio r = 5 is applied.
FIG. 15 is a time response characteristic diagram of vertical displacement of a giant magnetostrictive element when control of an insulator ratio r = 5 is applied.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Permanent magnet 2 Upper iron core 21 Lower iron core 22 Air gap side iron core 3 Air gap 4 Giant magnetostrictive element 5 Excitation coil 6 Signal coil 7 Leaf spring 8 Insulator 9 Weight 10 Amplifier 11 Structure 12 Support point M Mass of structure k 0 Spring constant of support of structure c 0 Viscosity coefficient of support of structure m Mass of mass k 1 Spring constant of super magnetostrictive element c 1 Viscosity coefficient of super magnetostrictive element x 0 Vertical displacement of floor surface x Vertical movement of structure Displacement dx 1 Vertical displacement of the giant magnetostrictive element x 2 Vertical displacement of the spindle Φ Magnetic flux generated from the permanent magnet Φ 1 Magnetic flux passing through the giant magnetostrictive element dΦ 1 Magnetic flux passing through the giant magnetostrictive element Φ 1 Magnetic flux change Φ 2 Air gap Magnetic flux to be passed dΦ 2 Magnetic flux change caused by magnetic flux Φ 2 passing through the air gap Control stress F 0 acting on the giant magnetostrictive element Tensile force F 1 to the insulator of the fulcrum fixed to the structure F 1 Supporting force F 2 to the insulator of the giant magnetostrictive element To the insulator of the weight Pressure f 0 natural resonance frequency of structure u 1 induction voltage u of excitation coil 2 induction voltage of signal coil u output voltage of amplifier i control current K e (s) control stress caused by vertical displacement of giant magnetostrictive element Transfer function to f l Distance from support point to fixed support for insulator of giant magnetostrictive element L Distance from weight to fixed support r Insulator ratio (L / l)
β 1 Magnetostrictive element induced voltage generation coefficient of exciting coil β 2 Giant magnetostrictive element vertical coefficient generated coefficient of signal coil induced coefficient k i Control stress generation coefficient K (s) Output from amplifier input Transfer function K up to P amplifier transfer function proportional gain K I amplifier transfer function integral gain K D amplifier transfer function first derivative gain K 2D amplifier transfer function second derivative gain G (s) Floor Transfer function s Laplace operator from the vertical displacement of the structure to the vertical displacement of the structure
d (s) Closed loop system characteristic polynomial a i Each coefficient of closed loop system characteristic polynomial γ i Manabe coefficient projection stability index R 1 Excitation coil resistance L 1 Excitation coil inductance R 2 Signal coil resistance L 2 Signal coil inductance y of the intermediate parameter
z
Claims (2)
永久磁石(1)と、励磁コイル(5)と予圧を与える板ばね(7)を有する超磁歪素子(4)とを上側の鉄心(2)と下側鉄心(21)で繋がることによって閉磁路を構成し、かつ、該永久磁石(1)と、該永久磁石(1)と超磁歪素子(4)の間に信号コイル(6)を有する鉄心(22)と空気ギャップ(3)とを上側の鉄心(2)と下側鉄心(21)で繋がることによって内磁路を構成し、前記信号コイル(6)の電圧を入力とし、前記励磁コイル(5)へ出力するアンプ(10)を設け、前記超磁歪素子(4)の出力軸には先端に錘(9)を固着した梃子(8)を接し、構造物(11)に一体支持された支点にて上下可動することを特徴とするアクティブダイナミックダンパ装置。In the dynamic damper device for suppressing the vibration of the structure (11) as the vibration isolator,
A closed magnetic circuit is formed by connecting a permanent magnet (1), an exciting coil (5), and a super magnetostrictive element (4) having a leaf spring (7) for applying a preload by an upper iron core (2) and a lower iron core (21). configure and upper and said permanent magnet (1), the air gap (3) and the iron core (22) having a signal coil (6) between said permanent magnet (1) and the super-magnetostrictive element (4) The inner core (2) and the lower iron core (21) are connected to form an inner magnetic path, and an amplifier (10) is provided that receives the voltage of the signal coil (6) and outputs it to the excitation coil (5). An output shaft of the giant magnetostrictive element (4) is in contact with an insulator (8) having a weight (9) fixed at the tip, and is movable up and down at a fulcrum integrally supported by the structure (11). Active dynamic damper device.
とすることを特徴とする請求項1記載のアクティブダイナミックダンパ装置。The transfer function K (s) from the input to the output of the amplifier (10) is
The active dynamic damper device according to claim 1, wherein:
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