JP4239362B2

JP4239362B2 - アクティブ制振方法

Info

Publication number: JP4239362B2
Application number: JP2000133151A
Authority: JP
Inventors: 龍大欄木; 一郎長島
Original assignee: Taisei Corp
Current assignee: Taisei Corp
Priority date: 2000-05-02
Filing date: 2000-05-02
Publication date: 2009-03-18
Anticipated expiration: 2020-05-02
Also published as: JP2001312302A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、機械振動等の制御対象の固有振動数と一致しない、特定振動数の外乱による振動が問題となる床等の制振に用いて好適なアクティブ制振方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
周知のように、半導体工場や精密機械工場などにおいては、広範囲のエリアに電子顕微鏡、露光器あるいは計測器といった各種の振動を嫌う機器類が設置されている。このため、これら機器類が設置されている床、梁、建屋等に対しては、何等かの制振対策が必要とされている。
そこで、従来、例えば上記床等の制御対象にＨＭＤ（ハイブリッドマスダンパー）等の制振装置を設け、当該制御対象の固有振動数に装置の周期を同期させることにより、上記嫌振機器類に対する制振を図っている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来の制振装置は、制御対象の固有振動数の揺れに対して装置が大きく動くことにより、振動の減衰効果を発生するものであるために、近傍機器類からの機械的振動、交通振動あるいは風振動等の、制御対象の固有振動数とは必ずしも一致しない特定振動数の外乱に対しては、装置自体が大きく動くことが無く、よって制御対象に所望の振動減衰力を与えることができないという問題点があった。
【０００４】
また、従来の他の制振手段として、アクティブ制振装置を用いた最適制御方法が知られている。これは、コントローラからアクティブ制振装置のアクチュエータに制御力を入力し、上下動自在に設けられた錘の動きを制御することにより、制御対象の固有振動数に起因する振動を減衰させるものである。
【０００５】
ところが、上記従来の最適制御による制振方法においては、制御を強くすると、制御力の感度が上がり過ぎてしまい、この結果制御対象となる振動数以外の振動数範囲においても大きな制御力が発生してしまうために、制御対象の振動を検知するセンサーやアンプの特性によって制御力に位相遅れが生じた場合に、制御対象振動数以外の振動数における揺れを励振してしまうという問題点があった。
【０００６】
本発明は、上記従来の制振方法における課題を有効に解決すべくなされたもので、その第１の目的は、制御対象の固有振動数以外の外乱による振動に対しても、効果的に制振を行うことができるアクティブ制振方法を提供することにあり、さらに第２の目的は、上記制御対象振動数において強い制御を実現することができ、かつそれ以外の振動数範囲においては制振装置のロバスト性を向上させることができるアクティブ制振方法を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
請求項１に記載の本発明に係るアクティブ制振方法は、制振対象物が据え付けられるとともにアクティブ制振装置が設けられた制御対象の振動をセンサーによって検知し、この検知信号から制御対象に対する制御量を演算し、得られた制御量に基づいてアクティブ制振装置のアクチュエータに制御力を入力して、当該アクチュエータによって錘の駆動制御を行なうことにより制御対象の振動を低減させるアクティブ制振方法であって、外乱により発生した制御対象の固有振動数と異なる振動数において大きな重みを持つ感度低減用の周波数重み関数を設定してＨ無限大制御理論を用いてコントローラを設計し、上記センサーによって検出された外乱により発生した制御対象の固有振動数と異なる振動数の検出信号からアクチュエータに上記周波数重み関数に基づく感度低減用の制御力を入力することにより、制御対象の外乱振動数における振動を低減させることを特徴とするものである。
【０００８】
また、請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の発明に加えて、さらに上記制御対象の固有振動数および外乱振動数以外の振動数において上記アクチュエータの感度を低減させるロバスト安定周波数重み関数を設定してＨ無限大制御理論を用いてコントローラを設計し、アクチュエータに上記ロバスト安定周波数重み関数に基づくアクチュエータの感度低減用の制御力を入力することを特徴とするものである。
【０００９】
ここで、請求項２に記載のロバスト安定周波数重み関数を設定するに方法としては、例えば、高振動数領域において大きな重みを持つ第１の重み関数と、低振動数領域において大きな重みを持つ第２の重み関数との合成によって設定する方法が有効である。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、図面に基づいて、本発明に係るアクティブ制振方法の一実施形態について説明する。
図１は、本実施形態のアクティブ制振方法を実施するための制御系１を示すもので、図中符号２は、嫌振機器類が据え付けられるとともにアクティブ制振装置が設置された床等の制御対象である。ここで、アクティブ制振装置は、制御対象に取り付けられる基盤に支柱が立設され、この支柱の上端部に駆動コイル（アクチュエータ）が支承されるとともに、上記支柱に、内部に励磁コイルが組み込まれた錘となる金属性のダンパ本体が上下方向に移動自在に設けられ、かつ当該ダンパ本体が制御対象に弾性的に支持されたものである。そして、上記駆動コイルに制御入力を与えることにより、ダンパ本体の作動を制御して、制御対象２に発生する振動を制振するようになっている。
【００１１】
そして、この制御系１には、地震、風、機械振動などに起因する外乱Ｗ_１によって制御対象２に発生した振動数を検知するためのセンサー３が設けられている。また、この制御系１には、制御対象２に設置された上記アクチュエータを制御する制御手段として、Ｈ無限大制御理論を用いたコントローラ４が設けられている。
【００１２】
このコントローラ４内には、上記固有振動数以外の外乱Ｗ_１において大きな重みを持つ感度低減用の周波数重み関数Ｗｓにより設計された制御ゲインを設定するコンピュータ（演算装置）が設けられている。さらに、このコントローラ４には、上記重み関数Ｗｓと合わせて、制御対象２の想定される外乱振動数以外の振動数において上記アクチュエータの感度を低減させるロバスト安定周波数重み関数Ｗｎ、Ｗｔを用いて設計された制御ゲインを設定する。
【００１３】
そして、この制御力を、コントローラ４からアクティブ制振装置のアクチュエータに入力することにより、当該固有振動数において駆動コイルを励磁して、上記錘を大きく上下方向に動かすことにより、錘を含めた装置の自重による慣性力を利用して制御対象２の振動を減衰させるようになっている。なお、図中符号Ｗ_２は、センサー３やそのアンプなどに含まれる観測ノイズを示すものである。
【００１４】
次に、図１〜図６に基づいて、以上の構成からなる制御系を用いた本発明のアクティブ制振方法の一実施形態について説明する。
先ず、センサー３によって、上記制御対象２に地震や機械振動等に起因する固有振動数以外の外乱Ｗ_１による振動数ｆｂが検出されると、その検知信号がコントローラ４に送られる。
【００１５】
そして、このコントローラ４において、制御対象２に設置されたアクティブ制振装置のアクチュエータに、図２に示すように、この外乱振動数ｆｂにおいて大きな重みを持つ感度低減用の重み関数Ｗｓに基づく感度低減用の制御力が入力される。この結果、アクチュエータ内の錘が上下方向に大きく動かされて、アクティブ制振装置としての制振作用が発揮されることにより、制御対象２における上記振動ｆｂが低減される。
【００１６】
この際に、感度低減用の周波数重み関数Ｗｓのみを用いた制御によれば、制御対象となる固有振動数ｆｎおよび上記外乱振動数ｆｂ以外の振動数範囲においても大きな制御力が発生してしまう。そこで、上述したように、コントローラ４には、制御対象の振動数ｆｎ、ｆｂ以外の振動数において、アクチュエータの感度を低減させるロバスト安定周波数重み関数Ｗｔ、Ｗｎを用いてＨ無限大制御理論により設計した制御ゲインが設定されている。そして、このコントローラ４によって、上記アクチュエータにこれらロバスト安定周波数重み関数Ｗｔ、Ｗｎに基づくアクチュエータの感度低減用の制御力を入力して、制御対象振動数ｆｎ、ｆｂ以外の振動数での感度を鈍くすることにより、アクティブ制振装置の動作安定性を確保する。
【００１７】
本実施形態においては、図３に示すように、ロバスト安定周波数重み関数として、高振動数領域において大きな重みを持つ周波数重み関数Ｗｔと、低振動数領域において大きな重みを持つ周波数重み関数Ｗｎとを組み合わせることにより、周波数重み関数Ｗｔによって主として高振動数領域での制御力を抑制し、周波数重み関数Ｗｎによって、主として低周波数領域での制御力を抑制するとともに、装置のドリフト抑制効果を奏するように設定している。このように、２つのロバスト安定周波数重み関数Ｗｔ、Ｗｎを組み合わせることにより、容易に制御対象の振動数ｆｎ、ｆｂ以外の振動数における装置のロバスト性を向上させることができる。
【００１８】
以上のように、上記構成からなるアクティブ制振方法によれば、Ｈ無限大制御理論を用いて制御対象２の固有振動数ｆｎ以外の外乱Ｗ_１による振動数ｆｂで最も大きな重みを持つ感度低減用の周波数重み関数Ｗｓを使用した制御設計を行なっているので、この制御ゲインが適用されたアクティブ制振装置は、設定した外乱Ｗ_１による振動数ｆｂ帯域の揺れに対しても作動し、この結果当該振動ｆｂに対する減衰力を発生することになる。このため、アクティブ制振装置は、制御対象２の固有振動数ｆｎと外乱Ｗ_１による振動数ｆｂとが一致しない場合においても、当該外乱Ｗ_１による制御対象２の揺れを効果的に低減させることができる。
【００１９】
加えて、上記周波数重み関数Ｗｓと併せて、ロバスト安定周波数重み関数Ｗｔ、Ｗｎを設定しているので、制御対象振動数ｆｎ、ｆｂ以外の周波数帯域における制御力の発生を抑制することができる。この結果、上述した固有振動数ｆｎを設定する際のモデル化誤差や、コントローラ４からアクチュエータに入力される制御力の位相遅れ等に対するアクティブ制振装置のロバスト性を向上させることができるとともに、装置のドリフトを抑制することができ、よって特定の制御対象振動数ｆｎ、ｆｂでの強い制御を実現することができる。
【００２０】
ちなみに、本発明者等は、同一の制御対象２に対して、従来のＴＭＤ（ＴｕｎｅｄＭａｓｓＤａｍｐｅｒ）を用いた場合、従来のアクティブ制振装置を用いた最適制御を行なった場合、および本発明に係る感度低減用の周波数重み関数を設定したＨ無限大制御理論に基づく制御を行なった場合について、それぞれ振動の低減効果について実験を行ない、制振を全く行なわなかった場合に対する固有１次振動数５．５Ｈｚにおける応答低減比率を比較したところ、上記ＴＭＤの場合に０．７２０であり、従来の最適制御の場合に０．１１７であったのに対して、本発明に係る制御方法では、０．０４７と大幅な振動低減効果が得られることが判明した。
【００２１】
なお、図４に示すように、制御対象２の固有振動数ｆｎに起因する揺れと、外乱Ｗ_１による振動数ｆｂに起因する揺れとが異なる場合に、これら異なる揺れを同時に制振するには、固有振動数ｆｎと外乱Ｗ_１による振動数ｆｂとにおいてそれぞれ重みが大きくなる周波数重み関数を設定することにより、双方の振動も低減することが可能である。例えば、半導体工場においては、床の固有振動だけでなく、生産機器や設備機器等の特定振動数の外乱Ｗ_１による微振動が問題となる場合が多く、このような場合には上記周波数重み関数Ｗｓを用いることにより、固有振動数ｆｎによる揺れと、当該固有振動数ｆｎと異なる外乱Ｗ_１の振動数ｆｂによる揺れとを、同時に制振することが可能になる。さらに、複数の外乱による振動数が検出された場合には、それぞれの振動数に対応した複数の周波数重み関数を設定することにより、任意の振動帯域の揺れを制振することもできる。
【００２２】
また、一般にアクティブ制振装置は、制御対象振動数の近傍の揺れに対しても、ある程度大きく作用する特徴がある。そこで、図５に示すように、制御対象２の固有振動数ｆｎによる揺れと、外乱Ｗ_１の振動数ｆｂによる揺れとが近接することにより、複数の振動数成分が励起される場合においては、複数の振動数成分、図示においては固有振動数ｆｎによる振動成分と外乱振動数ｆｂによる振動成分との中央で重みが大きくなるように周波数重み関数Ｗｓを設定することにより、これら複数の振動数に起因する揺れを同時に低減することもできる。
【００２３】
【発明の効果】
以上説明したように、請求項１または２に記載のアクティブ制振方法によれば、アクティブ制振装置を制御対象の固有振動数に起因する振動の制振制御に加えて、さらにＨ無限大制御理論を用いて制御対象の固有振動数以外の外乱による振動数で最も大きな重みを持つ感度低減用の周波数重み関数を使用した制御設計を行なっているので、アクティブ制振装置を、設定した外乱による振動数帯域の揺れに対しても作動させて当該振動に対する減衰力を発生させることにより、制御対象の固有振動数と外乱による振動数が一致しない場合においても、当該外乱による揺れを効果的に低減させることができる。
【００２４】
また、特に請求項２に記載の発明によれば、上記感度低減用の周波数重み関数と併せて、ロバスト安定周波数重み関数を設定しているので、制御対象振動数以外の周波数帯域における制御力の発生を抑制することができ、よってモデル化誤差や制御力の位相遅れ等に対するアクティブ制振装置のロバスト性を向上させることができるとともに、装置のドリフトを抑制することができ、よって制御対象振動数での強い制御を可能にすることができるといった効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態を実施するための制御系を示す図である。
【図２】重み関数Ｗｓを設定する方法を示すグラフである。
【図３】重み関数Ｗｔ、Ｗｎを設定する方法を示すグラフである。
【図４】外乱振動数が固有振動数と離れている場合の重み関数Ｗｓの設定方法を示すグラフである。
【図５】外乱振動数が固有振動数と近接している場合の重み関数Ｗｓの設定方法を示すグラフである。
【符号の説明】
１制御系
２制御対象
３センサー
４コントローラ
Ｗｓ感度低減用の周波数重み関数
Ｗｔ、Ｗｎロバスト安定周波数重み関数
Ｗ_１外乱

Claims

制振対象物が据え付けられるとともにアクティブ制振装置が設けられた制御対象の振動をセンサーによって検知し、この検知信号から上記制御対象に対する制御量を演算し、得られた制御量に基づいて上記アクティブ制振装置のアクチュエータに制御力を入力して、当該アクチュエータによって錘の駆動制御を行なうことにより上記制御対象の振動を低減させるアクティブ制振方法であって、
外乱により発生した上記制御対象の固有振動数と異なる振動数において大きな重みを持つ感度低減用の周波数重み関数を設定してＨ無限大制御理論を用いてコントローラを設計し、上記センサーによって検出された外乱により発生した上記制御対象の固有振動数と異なる振動数の検出信号から上記アクチュエータに上記周波数重み関数に基づく感度低減用の制御力を入力することにより、上記制御対象の上記外乱振動数における振動を低減させることを特徴とするアクティブ制振方法。
上記制御対象の固有振動数および上記外乱振動数以外の振動数において上記アクチュエータの感度を低減させるロバスト安定周波数重み関数を設定してＨ無限大制御理論を用いてコントローラを設計し、上記アクチュエータに上記ロバスト安定周波数重み関数に基づく上記アクチュエータの感度低減用の制御力を入力することを特徴とする請求項１に記載のアクティブ制振方法。