JP4586307B2

JP4586307B2 - ペイロードセミアクティブ制振装置及びその制御装置

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Publication number: JP4586307B2
Application number: JP2001194686A
Authority: JP
Inventors: 浩祐岩本; 寿幸鈴木; 昭宏柏崎; 裕二志賀
Original assignee: IHI Corp
Current assignee: IHI Corp
Priority date: 2001-06-27
Filing date: 2001-06-27
Publication date: 2010-11-24
Anticipated expiration: 2021-06-27
Also published as: JP2003002299A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、打上用ロケット或いは帰還型宇宙飛行体などの輸送機に備えられるペイロード（人工衛星）を、振動を抑制して支持することを目的とした、減衰力を制御可能な可変減衰ダンパを有するペイロードセミアクティブ制振装置及びその制御装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
ペイロード（人工衛星）は、打上用ロケット或いは帰還型宇宙飛行体などの宇宙空間への輸送機を介して宇宙に送り出される。
【０００３】
図１０はペイロード打上用ロケットの一例を示したもので、一段ロケット１の先端に設けられた分割可能な周囲のコンポーネント２，２内に、二段ロケット３を収容した多段ロケットである。その二段ロケット３の先端部には、ペイロードアダプタ４と称される支持部材が設けられており、該ペイロードアダプタ４に設けられた固定部材５上に、ペイロード取付部材６を介してペイロード７が配置されている。そして、ペイロード７は、ペイロード取付部材６に内蔵された切り離し機構によって切り離しが行われるようになっている。
【０００４】
上記多段ロケットは、先ず一段ロケット１のエンジンを着火して一段ロケット１全体を上空の所定の高さまで打ち上げた後、その一段ロケット１の先端の周囲のコンポーネント２，２を左右に開いて二段ロケット３を露出させ、次にこの二段ロケット３のエンジンを着火して一段ロケット１から分離し、この二段ロケット３側のエンジンの燃焼によって自ら推進して軌道上に達した後、その先端部に搭載されたペイロード７を、ペイロード取付部材６から切り離して軌道上に投入することで、ペイロード７の打ち上げが達成される。
【０００５】
上記した打上用ロケット、或いは帰還型宇宙飛行体などの宇宙空間へペイロード７を輸送する輸送機では、エンジンや空気摩擦、誘導制御などの原因により輸送機本体の機軸、機軸に対して直交する軸、又はこれら軸に対して回転する方向に振動が発生する。
【０００６】
従来のロケットに代表されるような宇宙空間への輸送機においては、搭載されるペイロードは輸送機本体側と剛に結合しているため、輸送機本体側で発生した振動の伝達によってペイロードに振動が発生し、ペイロードに悪影響を及ぼす虞がある。即ち、輸送機本体側の振動による過大な振動、衝撃によりペイロードが故障する、もしくは、ペイロードを包囲するコンポーネントと接触するといった問題が考えられるため、これらの問題が生じないように、ペイロードの支持剛性を上げることによって、ペイロードに発生する振動レベルを抑制するなどの処置がなされてきた。しかし、ペイロードに加えられる振動レベル自体を低減することはできなかった。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
このような観点から、ペイロードの振動抑制を実施しようとした場合には、以下のような課題が存在する。
１．ペイロードを何らかの手段により緩衝した場合には、緩衝体の結合により、ペイロードに多自由度の振動が発生する。即ち、ペイロードは機軸方向、機軸直角方向（水平方向）、各軸周りの回転方向に振動し、更にペイロードにはロッキング及び共振が発生する。
２．ペイロードを包囲するコンポーネントとの相互間隔は非常に狭いため、ロッキング及び共振の発生によって、ペイロードがコンポーネントに接触するなどの問題が発生する虞がある。
３．ペイロードの振動抑制は高周波領域まで考慮する必要がある。
４．ペイロードを能動的に制振するためには、ペイロードの振動を検出するセンサを設置する必要があるが、輸送機飛行時における大きな低周波域での加速度の影響を受けずに、高周波領域の振動を精度良く検出できるセンサが必要である。
５．ペイロードの振動を抑制するために、ペイロードの重量を支持して緩衝する緩衝体と、可変減衰ダンパとを、ペイロードとペイロードアダプタの相互間に併用して備える場合、輸送機の設計上、緩衝体はできる限り小型・軽量化することが要求されるが、緩衝体を小型にすると、可変減衰ダンパの設置スペースを充分確保できなくなり、そのために制振のために必要な可変減衰ダンパの設置角を自由に取れなくなる問題がある。
【０００８】
従って、ペイロードの振動を抑制するには、ペイロード及び制振装置の特性を考慮して、制御、共振、ロッキングの抑制及び高周波領域での振動レベルの低減を、制御対象とする任意の自由度に対して同時にしかも確実に制御できる制振装置及び制御装置を開発することが要求される。
【０００９】
本発明は、かかる従来の問題点を解決すべくなしたもので、機能的に優れた装置構成を実施することによって、ペイロードに加わる多自由度の振動に対して効果的に制振することができるようにしたペイロードセミアクティブ制振装置及びその制御装置を提供することを目的としている。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明は、輸送機内に収容するペイロード７をペイロードアダプタ４に制振して支持させるためのペイロードセミアクティブ制振装置であって、
ペイロード取付部材６の下面とペイロードアダプタ４の上面との間の周方向に複数備えてペイロード７の荷重を支持し、且つ輸送機の振動を遮断する緩衝体８と、
一端がペイロード取付部材６の下面近傍に接続され、他端がペイロードアダプタ４の外側に接続され、且つ機軸Ｚに対する傾斜角αと、機軸Ｚを通り直径方向に延びる面Ｚ’に対する傾斜角βとを備えて複数配置され、ペイロード７の振動の減衰効果を高めるための可変減衰ダンパ９と、
前記ペイロード７の機軸Ｚ方向の加速度と、機軸直角面での直角２軸Ｘ，Ｙ方向の加速度と、ペイロードのＸ，Ｙ，Ｚ軸周りの回転方向の加速度とを検出する加速度センサＳａ１ｚ，Ｓａ２ｚ，Ｓａ３ｚ，Ｓａ４ｚ、Ｓａ１ｘ，Ｓａ２ｙ，Ｓａ３ｘ，Ｓａ４ｙと、
各加速度センサＳａ１ｚ，Ｓａ２ｚ，Ｓａ３ｚ，Ｓａ４ｚ、Ｓａ１ｘ，Ｓａ２ｙ，Ｓａ３ｘ，Ｓａ４ｙで検出した状態量から求めた理論制御力により前記各可変減衰ダンパ９の減衰力を制御する演算制御器１１と、
を備えたことを特徴とするペイロードセミアクティブ制振装置、に係るものである。
【００１１】
上記手段において、加速度センサＳａ１ｚ，Ｓａ２ｚ，Ｓａ３ｚ，Ｓａ４ｚ、Ｓａ１ｘ，Ｓａ２ｙ，Ｓａ３ｘ，Ｓａ４ｙが、検出周波数領域を選定できる圧電型加速度計であってもよく、又、Ｘ，Ｙ，Ｚ軸周りの各回転方向の加速度を直接検出するようにした回転計を備えていてもよく、又、緩衝体８は、積層ゴムであってもよく、又、可変減衰ダンパ９は、油圧式可変減衰ダンパ９ａであってもよい。
【００１２】
本発明は、一端がペイロード取付部材６の下面近傍に接続され、他端がペイロードアダプタ４の外側に接続され、且つ機軸Ｚに対する傾斜角αと機軸Ｚを通り直径方向に延びる面Ｚ’に対する傾斜角βとを有して配置した複数の可変減衰ダンパ９と、
ペイロード７の機軸Ｚ方向の加速度と、機軸直角面での直角２軸Ｘ，Ｙ方向の加速度と、Ｘ，Ｙ，Ｚ軸周りの回転方向の加速度を検出する加速度センサＳａ１ｚ，Ｓａ２ｚ，Ｓａ３ｚ，Ｓａ４ｚ、Ｓａ１ｘ，Ｓａ２ｙ，Ｓａ３ｘ，Ｓａ４ｙと、
各可変減衰ダンパ９の相対変位を検出する相対変位センサＤと、
各可変減衰ダンパ９が発生する実減衰力を検出する力センサＰと、
各加速度センサＳａ１ｚ，Ｓａ２ｚ，Ｓａ３ｚ，Ｓａ４ｚ、Ｓａ１ｘ，Ｓａ２ｙ，Ｓａ３ｘ，Ｓａ４ｙにより検出される状態量に基づいて可変減衰ダンパ９の減衰力を制御する演算制御器１１と、
を設けたペイロードセミアクティブ制振装置の制御装置であって、前記演算制御器１１が、
機軸Ｚ方向の加速度と、機軸直角面での直角２軸Ｘ，Ｙ方向の加速度と、Ｘ，Ｙ，Ｚ軸周りの回転方向の加速度を検出する加速度センサＳａ１ｚ，Ｓａ２ｚ，Ｓａ３ｚ，Ｓａ４ｚ、Ｓａ１ｘ，Ｓａ２ｙ，Ｓａ３ｘ，Ｓａ４ｙの状態量から、検出各点での制御すべき振動の動的成分を求める信号処理手段１３と、
信号処理手段１３で得た状態量から、機軸Ｚ方向、機軸直角面での直角２軸Ｘ，Ｙ方向、Ｘ，Ｙ，Ｚ軸周りの回転方向の各自由度の振動を抑制するための理論制御力を演算する各自由度の理論制御力演算手段１４と、
各自由度の理論制御力演算手段１４で得られた各自由度の理論制御力を、各可変減衰ダンパ９に振り分ける振り分け手段１５と、
振り分け手段１５で振り分けた各自由度の理論制御力を重ね合わせて、各可変減衰ダンパの目標減衰力を発現させるための理論制御力を導出する重ね合わせ手段１６と、
重ね合わせ手段１６からの理論制御力を、相対変位センサＤから作成される可変減衰ダンパ９の相対速度と比較して目標減衰力の再現の可否を判定する判定手段１７と、
力センサＰからの可変減衰ダンパ９が発生する実減衰力を入力しており、前記判定手段１７において目標減衰力が再現できる場合には、目標減衰力に実減衰力を追随させるように可変減衰ダンパ９を制御し、目標減衰力が再現できない場合には、目標減衰力と実減衰力との差が最小になるように可変減衰ダンパ９の実減衰力を最小に制御する減衰力追従手段１８と、
を有することを特徴とするペイロードセミアクティブ制振装置の制御装置、に係るものである。
【００１３】
上記手段において、Ｘ，Ｙ，Ｚ軸周りの各回転方向の加速度を直接検出するようにした回転計を備えていてもよい。
【００１４】
上記手段によれば、以下のように作用する。
【００１５】
演算制御器の設計を任意に行うことができるため、ペイロード及び制振装置の特性を考慮し、ペイロードと制振装置からなるシステムが有する多自由度の振動に対して、各自由度ごとに任意の応答特性を設定できる。
【００１６】
ペイロードに発生する高周波領域での加速度振動レベルを大幅に低減することができ、更に、共振、ロッキングを効果的に抑制することができることにより、ペイロードの変位によってペイロードを包囲するコンポーネントに接触するのを防止することができ、ペイロードに緩衝体を結合した場合にも安全に輸送することができる。
【００１７】
ペイロードのあらゆる方向の振動を効果的に低減できるので、ペイロードの内部機器への悪影響を大幅に低減できる。
【００１８】
可変減衰ダンパの一端をペイロード取付部材の下面近傍に接続し、他端をペイロードアダプタの外側に接続したことにより、緩衝体の高さ寸法を小型にしても可変減衰ダンパの傾斜角を自由にとって可変減衰ダンパによる減衰力を適確に発現させることができる。
【００１９】
加速度センサに、検出周波数領域を選定できる圧電型加速度計を用いることにより、高周波領域の振動を適確に抽出できる。
【００２０】
Ｘ，Ｙ，Ｚ軸周りの各回転方向の加速度を直接検出する回転計を備えると、演算制御器による演算操作を簡略化することができる。
【００２１】
緩衝体に積層ゴムを用いることにより、ペイロードの荷重支持と、輸送機本体から伝達される振動の遮断を効果的に行える。
【００２２】
可変減衰ダンパに油圧式可変減衰ダンパを用いることにより、大きな押し引き方向の減衰力を応答性良く作用させられる。
【００２３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の好適な実施の形態を図面に基づいて説明する。
【００２４】
図１、図２は、本発明のペイロードセミアクティブ制振装置の形態例を示す配置構成図である。ペイロードセミアクティブ制振装置は、ペイロード７に切り離し可能に取付られている截頭円錐形状を有しているペイロード取付部材６の下面と、ペイロードアダプタ４の截頭円錐形状を有している固定部材５の上面との間に、緩衝体８としての積層ゴムを周方向に複数配置している。
【００２５】
図２では、積層ゴムによる緩衝体８は１２０゜ピッチで３点に配置しており、機軸Ｚ方向を向くように内側に傾斜させた状態で設置される。積層ゴムによる緩衝体８は、ペイロード７の荷重支持と、輸送機本体から伝達される振動を遮断する機能を有しており、更に、前記したように傾斜配置とすることで、ペイロード７のロッキングにより発生する変位を低減し、ペイロード７とペイロード７を包囲するコンポーネント２との接触を防止する。
【００２６】
更に、ペイロード取付部材６とペイロードアダプタ４との間に複数（図２では６本）の可変減衰ダンパ９を配置し、該可変減衰ダンパ９の一端（上端）はペイロード取付部材６の下面近傍に接続し、他端（下端）はペイロードアダプタ４の外側に接続している。この時、固定部材５は截頭円錐形状を有しているので、この截頭円錐形状の固定部材５外側の傾斜面に、固定ブラケット１０を介して接続する。
【００２７】
可変減衰ダンパ９は、輸送機の振動と、緩衝体８及び可変減衰ダンパ９を含めた制振装置の振動を減衰するためのものであり、機軸Ｚ方向と、機軸直角面での直角２方向Ｘ，Ｙと、Ｘ，Ｙ，Ｚ軸周りの回転方向に対する減衰を行えるように、図２に示す如く、ペイロード７の略重心Ｗ方向を向くように機軸Ｚに対して傾斜角αを有して設けられている。更に、可変減衰ダンパ９は、図３に示す如く、機軸Ｚを通り直径方向に延びる面Ｚ’に対して傾斜角βを有していて、機軸Ｚを中心に対称に配置されている。
【００２８】
前記した可変減衰ダンパ９を、ペイロード取付部材６の下面とペイロードアダプタ４の固定部材５の上面との間に配置しようとした場合には、前記傾斜角αと傾斜角βを確保するために、ペイロード取付部材６と固定部材５との間隔を大きく保持させる必要があり、このために上記間隔内に設置する積層ゴムによる緩衝体８の高さ寸法が大きくなって緩衝体８の大型・重量化の問題を生じることになる。一方、このために、前記間隔を小さくして可変減衰ダンパ９の長さ寸法を小型化しようとした場合には、可変減衰ダンパ９の伸縮時に前記傾斜角αと傾斜角βが大きく変化することになり、よって可変減衰ダンパ９の伝達力の方向（ベクトル）が変化してしまい、目的とする制御量に誤差が生じることになる。
【００２９】
これに対し、前記したように、可変減衰ダンパ９の他端（下端）を、ペイロードアダプタ４の外側に接続すると、ペイロード取付部材６とペイロードアダプタ４との間隔を小さくしても可変減衰ダンパ９の傾斜角αと傾斜角βを自由に選定することができ、しかも緩衝体８を小型・軽量化することができるので好適である。
【００３０】
可変減衰ダンパ９としては、油圧式可変減衰ダンパ９ａを採用している。この油圧式可変減衰ダンパ９ａは、外部からの指令制御値（指令電圧）によりサーボ弁を介してスプール開度を調整することが可能であり、これにより発生減衰力を制御することができる。可変減衰ダンパ９には、大きな押し引き方向の減衰力を応答性良く作用できるものが要求されるが、この点前記油圧式可変減衰ダンパ９ａの採用は好適と言える。しかし、可変減衰ダンパ９はこれに限定されるものではない。
【００３１】
ペイロード取付部材６の下面周縁部近傍には、機軸Ｚ直角面における直角２軸Ｘ，Ｙ方向の４点の検出点に、機軸Ｚ方向の加速度センサＳａ１ｚ，Ｓａ２ｚ，Ｓａ３ｚ，Ｓａ４ｚと、Ｘ，Ｙ方向の加速度センサＳａ１ｘ，Ｓａ２ｙ，Ｓａ３ｘ，Ｓａ４ｙを設け、各加速度センサＳａ１ｚ，Ｓａ２ｚ，Ｓａ３ｚ，Ｓａ４ｚ、Ｓａ１ｘ，Ｓａ２ｙ，Ｓａ３ｘ，Ｓａ４ｙの検出信号（状態量）を演算制御器１１に入力している。
【００３２】
又、各可変減衰ダンパ９の相対変位（伸縮側度）を検出する相対変位センサＤを設けており、その各相対変位センサＤからの相対変位の検出値（状態量）を演算制御器１１に入力している。
【００３３】
更に、各可変減衰ダンパ９が発生する実減衰力を検出する力センサＰを設けており、その各力センサＰからの実減衰力の検出値（状態量）を演算制御器１１に入力している。力センサＰは、可変減衰ダンパ９が出す力を検出するためのものであり、よって可変減衰ダンパ９のペイロードアダプタ４に対する取付部に設置した力センサであってもよく、又、油圧式可変減衰ダンパ９ａ内の圧力を検出する油圧計であってもよい。
【００３４】
図２の形態では、Ｘ，Ｙ，Ｚ軸周りの回転方向の加速度を直接検出するセンサは備えられていないが、機軸Ｚ方向の加速度センサＳａ１ｚ，Ｓａ２ｚ，Ｓａ３ｚ，Ｓａ４ｚと、Ｘ，Ｙ方向の加速度センサＳａ１ｘ，Ｓａ２ｙ，Ｓａ３ｘ，Ｓａ４ｙにて検出した検出信号から、演算制御器１１にて演算により回転Ｘ，Ｙ，Ｚ軸周りの回転方向の加速度を求めることができる。又、この方法以外に、Ｘ，Ｙ，Ｚ軸周りの各回転方向の加速度を直接検出できるようにした回転計をペイロード取付部材６に設置して、この回転計の検出信号を演算制御器１１に取り込むようにしてもよい。このように回転計を備えると、演算制御器１１による演算操作を簡略化することができる。
【００３５】
前記演算制御器１１は、各加速度センサＳａ１ｚ，Ｓａ２ｚ，Ｓａ３ｚ，Ｓａ４ｚ、Ｓａ１ｘ，Ｓａ２ｙ，Ｓａ３ｘ，Ｓａ４ｙで検出した状態量から、理論制御力を求めて制御指令値１２（指令電圧）により前記各可変減衰ダンパ９の減衰力を制御するようになっている。
【００３６】
以下に、上記演算制御器１１の構成と制御手法の概要を、前記図１、図２及び図４、図５のフローチャートを参照して説明する。
【００３７】
各加速度センサＳａ１ｚ，Ｓａ２ｚ，Ｓａ３ｚ，Ｓａ４ｚ、Ｓａ１ｘ，Ｓａ２ｙ，Ｓａ３ｘ，Ｓａ４ｙで検出した検出各点での検出信号（状態量）が、まず演算制御器１１の信号処理手段１３に入力されて、次のような演算を行う。
【００３８】
ペイロード取付部材６のｘ方向の振動の動的成分を導出するには、加速度センサＳａ１ｘ及びＳａ３ｘにより検出した状態量から図６に示すように、ｘ方向に関する絶対加速度Ａ１ｘ、Ａ３ｘを計測する。次に、この絶対加速度を加えて１／２倍することで、ペイロード取付部材６のｘ方向の絶対加速度Ａｘが求められる。求められたＡｘには、輸送機打ち上げに関する静加速度、及び、輸送機の固有振動による準静的な加速度成分が含まれており、ペイロード７の振動を抑制する理論的な制御力を作成するためには、ペイロード７及び制振装置からなるシステムの動的な振動加速度を抽出する必要がある。そこで、フィルタＦｉ−ｘＢにより信号処理を実施する。このフィルタ処理により、低周波領域に存在する静的な打ち上げ加速度及び、輪送機の機体の固有振動などによる準静的な加速度成分と、高周波領域に存在する観測ノイズを除去し、抑制対象とする振動の動的加速度Ａ’ｘを抽出する。この動的加速度をフィルタＦｉ−ｘＩにより擬似的に積分することで、ｘ方向の動的な絶対速度が算出される。
【００３９】
同様に、加速度センサＳａ２ｙ，Ｓａ４ｙを用いてｙ方向の動的な絶対速度Ａ’ｙを、Ｓａ１ｚ，Ｓａ３ｚによりＡ’ｚを導出する。
【００４０】
又、Ｘ，Ｙ，Ｚ軸周りの回転方向絶対加速度は、加速度センサＳａ３ｚとＳａ１ｚ、Ｓａ４ｚとＳａ２ｚ、Ｓａ２ｙとＳａ４ｙの検出値の差を１／２倍し、設置変形距離で除することにより回転方向絶対加速度Ａ’ｔｘ，Ａ’ｔｙ，Ａ’ｔｚが導出される。この後の信号処理方法は、上述した並進方向加速度の場合と同様で、ペイロード取付部材６の中心位置の絶対速度の振動の動的成分を抽出することができる。
【００４１】
尚、前記各加速度センサＳａ１ｚ，Ｓａ２ｚ，Ｓａ３ｚ，Ｓａ４ｚ、Ｓａ１ｘ，Ｓａ２ｙ，Ｓａ３ｘ，Ｓａ４ｙとして、圧電型加速度計を用いると、低周波領域に存在する輸送機飛行時の加速度及び、輪送機の機体の固有振動などによる準静的な加速度成分を除去し、振動制御すべき高周波数領域のみを効果的に選定して検出できる利点がある。例えば、輸送機の飛行時の加速度は、通常略５Ｈｚ以下と低いため、例えば５Ｈｚ以上の振動を圧電型加速度計で検出することにより、静的及び低周波数の加速度を計測することがなく、よって、計測した信号中のペイロードの振動が大きく検出されてより正確な計測ができる。同時に、ペイロードの振動が大きく検出されるために、計測ノイズが加わった場合にも、より正確な計測ができる。又、計測容量が小さい計測機器とすることができる。
【００４２】
続いて、信号処理手段１３にて観測された振動の動的成分の絶対速度に基づき、各自由度の振動を抑制するための理論制御力演算手段１４により各自由度に対する理論制御力を作成する。本形態例では、制御系設計に関してスカイフック理論を適用した場合、共振の抑制と高周波領域での振動遮断というペイロードの振動遮断に関して有効な特性を得ることができる。同理論を適用した場合、振動を抑制するための理論制御力はその振動の絶対速度に比例した力として作成される。図６に示すように、例えば、ｘ方向の振動を抑制する制御力Ｆｘは、信号処理によって作成されたｘ方向の絶対速度Ｖ’ｘに制御ゲインＫｘを乗じることで、導出される。同様に、他の自由度に対する制御力も、上記のように導出した各自由度の絶対速度に対して制御ゲインを乗ずることで求められる。
【００４３】
ここで、絶対速度に制御ゲインを乗ずることで求められた制御力は、ペイロードの振動を抑制するために必要なシステム全体の制御力であるために、実際に各可変減衰ダンパ９が出力すべき制御力とは異なる。
【００４４】
そこで、各可変減衰ダンパ９への制御力の振り分け手段１５により、各可変減衰ダンパ９の配置位置・角度を考慮した力分布マトリクスを作成し、前記制御力を分配する。制御力の分配により、例えばｘ方向の制御力Ｆｘは、ＦＩｘからＦ６ｘまで６つの各可変減衰ダンパ９が発生すべき制御力に分配される。同様に他の自由度に対する制御力も分配されるため、６自由度を制御する制御力は合計３６個の制御力に分けられる。
【００４５】
そして、分配された制御力は、重ね合わせ手段１６により重ね合わされる。例えば、Ｆ１ｘ＋Ｆ１ｙ＋…＋Ｆ１ｔｚとなるように各可変減衰ダンパ９に関して、各自由度の分配された制御力を重ね合わせることで、同時に多自由度を制御するために各可変減衰ダンパ９が発現すべき目標減衰力を得るために必要な理論制御力（Ｆ１からＦ６）を導出することができる。
【００４６】
前記重ね合わせ手段１６からの理論制御力は判定手段１７に入力されており、判定手段１７は、前記理論制御力と、相対変位センサＤから作成される可変減衰ダンパ９の相対速度とを比較して、目標減衰力の再現の可否を判定するようになっている。
【００４７】
更に、力センサＰからの可変減衰ダンパ９が発生する実減衰力を入力する減衰力追従手段１８が設けられており、該減衰力追従手段１８は、前記判定手段１７において目標減衰力が再現できる場合（理論制御力が相対速度より大きくて差が正の場合）には、目標減衰力に実減衰力を追随させるように制御指令値１２により可変減衰ダンパ９を制御し、又、目標減衰力が再現できない場合（理論制御力が相対速度より小さくて差が負の場合）には、目標減衰力と実減衰力との差が最小になるように制御指令値１２により可変減衰ダンパ９の実減衰力を最小に制御するようにしている。図５中ｄは、相対変位センサＤから作成した可変減衰ダンパ９の相対速度の信号を処理する信号処理手段、ｐは、力センサＰから作成される可変減衰ダンパ９の実減衰力の信号を処理する信号処理手段である。
【００４８】
前記油圧式可変減衰ダンパ９ａは、外部からの制御指令値１２（指令電圧）によって、サーボ弁を介してスプール開度を調整することが可能である。従って、このスプール開度調整により、油路を流動する油の抵抗を調整し減衰力を変化させることができる。
【００４９】
従って、目標減衰力に対して可変減衰ダンパ９の実減衰力が不足する場合は、スプール開度を狭める方向に信号を出力し、反対に目標減衰力に対して可変減衰ダンパ９の実減衰力が過大な場合は、スプール開度を広げる方向に信号を出力することで、目標減衰力と可変減衰ダンパ９の発生する実減衰力との誤差を最小とするように制御する。
【００５０】
ただし、可変減衰ダンパ９の出力できる制御力は可変減衰ダンパ９の相対速度に対する抵抗力としての減衰力だけであるために、可変減衰ダンパ９が伸長状態にある場合は、可変減衰ダンパ９の伸長を妨げる方向の力しか発生することはできず、伸長を促進する方向の力を発生することはできず、同様に、収縮状態にある場合は、可変減衰ダンパ９の収縮を促進するような力を発生することはできない。したがって、可変減衰ダンパ９により発生することができる制御力の方向は可変減衰ダンパ９の伸縮状態、つまり可変減衰ダンパ９の相対速度の方向により一意に決定される。このため、目標減衰力の方向と可変減衰ダンパ９の発生できる制御力の方向が異なり、制御力を実現できない場合がある。
【００５１】
上記したように、可変減衰ダンパ９によるセミアクティブ制御を実施する際には、目標滅衰力を再現できるかどうかを判定し、再現できる場合には、目標減衰力に可変減衰ダンパ９の発生減衰力を追従させるような制御操作を行い、再現できない場合には、目標減衰力と実減衰力との誤差を最小とするために、スプール開度を最も広げた状態とする信号を発生し、実減衰力を最小とするような制御操作を実行する必要がある。
【００５２】
上記のように制御操作を実施することで、目標制御力を再現できる場合には、可変減衰ダンパ９の発生減衰力を目標減衰力に追従させ、再現できない場合には、その誤差が最小化されるために、目標減衰力値と可変減衰ダンパ９から発生される実減衰力値との誤差が最小となり、設計者が制御系設計時に想定した制御特性に近い制御特性を可変減衰ダンパ９により実現することができる。
【００５３】
尚、理論的な制御力を導出する際の設計時に、可変減衰ダンパ９の応答遅れを考慮した位相進み・遅れ補償を行うことで、応答遅れによる振動抑制効果の低下を防止することができ、より高性能を実現することができる。
【００５４】
又、上記した手法においては、各手段を分けて説明したが、理論制御力の導出手法に関しては、制御系設計手法として１つの手段によりまとめて実施してもよいことは勿論である。
【００５５】
上記したような制御操作を行った数値解析結果の例を図７〜図９に示す。解析モデルは図１、図２に示したような３次元６自由度モデルとしたが、ペイロードは簡易解析のため、中実円柱の剛体としてモデル化している。解析結果としては、輸送機の機軸及びその直角方向の軸に対して加速度外乱（入力外乱）を印加した際の、本形態を適用した場合の応答Ａと、パッシブ方式を採用した場合の応答Ｂを示す。結果から分かるように、減衰係数を変化させることのできないパッシブ方式の応答Ｂと比べて、本形態を適用した場合の応答Ａは、機軸直角方向、機軸方向、機軸直角軸周り回転方向ともに大きくペイロードの応答を低減していることが確認できる。特に、機軸直角方向と機軸直角軸周り回転方向の応答は、ペイロードとペイロードを包囲するコンポーネントとの接触問題に関わるため、これらの応答低減は重要な特性であると言うことができる。
【００５６】
又、図示し説明したペイロードセミアクティブ制振装置の制御装置によれば、演算制御器１１の設計を任意に行うことができるため、ペイロード及び制振装置の特性を考慮し、ペイロードと制振装置からなるシステムが有する多自由度の振動に対して、各自由度ごとに任意の応答特性を設定することができる。即ち、ペイロードに発生する多自由度の振動を選択的に同時制御することができる。
【００５７】
ペイロード発生する高周波領域での加速度振動レベルを大幅に低減することができ、更に、共振、ロッキングを効果的に抑制することができることによりペイロードの変位によるペイロードを包囲するコンポーネントとの接触を防止することができ、ペイロードに緩衝体を結合した場合にも安全に輸送することができる。
【００５８】
ペイロードのあらゆる方向の振動を効果的に減衰できるので、ペイロードの内部機器への悪影響を大幅に低減できる。
【００５９】
尚、本発明は上記形態例にのみ限定されるものではなく、ペイロード打上用ロケットの一例を示したもので、一段ロケットの先端に設け本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることは勿論である。
【００６０】
【発明の効果】
本発明によれば、以下の優れた効果を奏し得る。
【００６１】
１）演算制御器の設計を任意に行うことができるため、ペイロード及び制振装置の特性を考慮し、ペイロードと制振装置からなるシステムが有する多自由度の振動に対して、各自由度ごとに任意の応答特性を設定できる効果がある。
【００６２】
２）ペイロードに発生する高周波領域での加速度振動レベルを大幅に低減することができ、更に、共振、ロッキングを効果的に抑制することができることにより、ペイロードの変位によってペイロードを包囲するコンポーネントに接触するのを防止することができ、ペイロードに緩衝体を結合した場合にも安全に輸送することができる効果がある。
【００６３】
３）ペイロードのあらゆる方向の振動を効果的に減衰できるので、ペイロードの内部機器への悪影響を大幅に低減できる効果がある。
【００６４】
４）可変減衰ダンパの一端をペイロード取付部材の下面近傍に接続し、他端をペイロードアダプタの外側に接続したことにより、緩衝体の高さ寸法を小型にしても可変減衰ダンパの傾斜角を自由にとって可変減衰ダンパによる減衰力を適確に発現させることができる効果がある。
【００６５】
５）加速度センサに、検出周波数領域を選定できる圧電型加速度計を用いることにより、高周波領域の振動を適確に抽出できる効果がある。
【００６６】
６）Ｘ，Ｙ，Ｚ軸周りの各回転方向の加速度を直接検出する回転計を備えると、演算制御器による演算操作を簡略化できる効果がある。
【００６７】
７）緩衝体に積層ゴムを用いることにより、ペイロードの荷重支持と、輸送機本体から伝達される振動の遮断を効果的に行える効果がある。
【００６８】
８）可変減衰ダンパに油圧式可変減衰ダンパを用いることにより、大きな押し引き力を応答性良く作用させられる効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のペイロードセミアクティブ制振装置の構成外観例を示す斜視図である。
【図２】図１のペイロードセミアクティブ制振装置の配置構成例を示す透視斜視図である。
【図３】可変減衰ダンパの配置を示すための正面図である。
【図４】本発明のペイロードセミアクティブ制振装置の制御装置における制御手法を示すフローチャートである。
【図５】図４のフローチャートを更に具体的に示したフローチャートである。
【図６】加速度センサの状態量から振動の動的成分を導出するフローチャートである。
【図７】機軸直角方向変位応答線図である。
【図８】機軸方向変位応答線図である。
【図９】機軸直角軸周り回転方向変位応答線図である。
【図１０】宇宙機としてのペイロード打上用ロケットの一例を示す断面図である。
【符号の説明】
４ペイロードアダプタ
６ペイロード取付部材
７ペイロード
８緩衝体（積層ゴム）
９可変減衰ダンパ
９ａ油圧式可変減衰ダンパ
１１演算制御器
１３信号処理手段
１４理論制御力演算手段
１５振り分け手段
１６重ね合わせ手段
１７判定手段
１８減衰力追従手段
Ｓａ１ｚ，Ｓａ２ｚ，Ｓａ３ｚ，Ｓａ４ｚ加速度センサ
Ｓａ１ｘ，Ｓａ２ｙ，Ｓａ３ｘ，Ｓａ４ｙ加速度センサ
Ｄ相対変位センサ
Ｐ力センサ
Ｘ，Ｙ，Ｚ軸
Ｚ’ 面
α 傾斜角
β 傾斜角

Claims

輸送機内に収容するペイロード（７）をペイロードアダプタ（４）に制振して支持させるためのペイロードセミアクティブ制振装置であって、
ペイロード取付部材（６）の下面とペイロードアダプタ（４）の上面との間の周方向に複数備えてペイロード（７）の荷重を支持し、且つ輸送機の振動を遮断する緩衝体（８）と、
一端がペイロード取付部材（６）の下面近傍に接続され、他端がペイロードアダプタ（４）の外側に接続され、且つ機軸Ｚに対する傾斜角（α）と、機軸Ｚを通り直径方向に延びる面（Ｚ’）に対する傾斜角（β）とを備えて複数配置され、ペイロード（７）の振動の減衰効果を高めるための可変減衰ダンパ（９）と、
前記ペイロード（７）の機軸Ｚ方向の加速度と、機軸直角面での直角２軸Ｘ，Ｙ方向の加速度と、ペイロードのＸ，Ｙ，Ｚ軸周りの回転方向の加速度とを検出する加速度センサ（Ｓａ１ｚ）（Ｓａ２ｚ）（Ｓａ３ｚ）（Ｓａ４ｚ）（Ｓａ１ｘ）（Ｓａ２ｙ）（Ｓａ３ｘ）（Ｓａ４ｙ）と、
各加速度センサ（Ｓａ１ｚ）（Ｓａ２ｚ）（Ｓａ３ｚ）（Ｓａ４ｚ）（Ｓａ１ｘ）（Ｓａ２ｙ）（Ｓａ３ｘ）（Ｓａ４ｙ）で検出した状態量から求めた理論制御力により前記各可変減衰ダンパ（９）の減衰力を制御する演算制御器（１１）と、
を備えたことを特徴とするペイロードセミアクティブ制振装置。
加速度センサ（Ｓａ１ｚ）（Ｓａ２ｚ）（Ｓａ３ｚ）（Ｓａ４ｚ）（Ｓａ１ｘ）（Ｓａ２ｙ）（Ｓａ３ｘ）（Ｓａ４ｙ）が、検出周波数領域を選定できる圧電型加速度計であることを特徴とする請求項１に記載のペイロードセミアクティブ制振装置。
Ｘ，Ｙ，Ｚ軸周りの各回転方向の加速度を直接検出するようにした回転計を備えたことを特徴とする請求項１に記載のペイロードセミアクティブ制振装置。
緩衝体（８）が、積層ゴムであることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のペイロードセミアクティブ制振装置。
可変減衰ダンパ（９）が、油圧式可変減衰ダンパ（９ａ）であることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載のペイロードセミアクティブ制振装置。
一端がペイロード取付部材（６）の下面近傍に接続され、他端がペイロードアダプタ（４）の外側に接続され、且つ機軸Ｚに対する傾斜角（α）と機軸Ｚを通り直径方向に延びる面（Ｚ’）に対する傾斜角（β）とを有して配置した複数の可変減衰ダンパ（９）と、
ペイロード（７）の機軸Ｚ方向の加速度と、機軸直角面での直角２軸Ｘ，Ｙ方向の加速度と、Ｘ，Ｙ，Ｚ軸周りの回転方向の加速度を検出する加速度センサ（Ｓａ１ｚ）（Ｓａ２ｚ）（Ｓａ３ｚ）（Ｓａ４ｚ）（Ｓａ１ｘ）（Ｓａ２ｙ）（Ｓａ３ｘ）（Ｓａ４ｙ）と、
各可変減衰ダンパ（９）の相対変位を検出する相対変位センサ（Ｄ）と、
各可変減衰ダンパ（９）が発生する実減衰力を検出する力センサ（Ｐ）と、
各加速度センサ（Ｓａ１ｚ）（Ｓａ２ｚ）（Ｓａ３ｚ）（Ｓａ４ｚ）（Ｓａ１ｘ）（Ｓａ２ｙ）（Ｓａ３ｘ）（Ｓａ４ｙ）により検出される状態量に基づいて可変減衰ダンパ（９）の減衰力を制御する演算制御器（１１）と、
を設けたペイロードセミアクティブ制振装置の制御装置であって、前記演算制御器（１１）が、
機軸Ｚ方向の加速度と、機軸直角面での直角２軸Ｘ，Ｙ方向の加速度と、Ｘ，Ｙ，Ｚ軸周りの回転方向の加速度を検出する加速度センサ（Ｓａ１ｚ）（Ｓａ２ｚ）（Ｓａ３ｚ）（Ｓａ４ｚ）（Ｓａ１ｘ）（Ｓａ２ｙ）（Ｓａ３ｘ）（Ｓａ４ｙ）の状態量から、検出各点での制御すべき振動の動的成分を求める信号処理手段（１３）と、
信号処理手段（１３）で得た状態量から、機軸Ｚ方向、機軸直角面での直角２軸Ｘ，Ｙ方向、Ｘ，Ｙ，Ｚ軸周りの回転方向の各自由度の振動を抑制するための理論制御力を演算する各自由度の理論制御力演算手段（１４）と、
各自由度の理論制御力演算手段（１４）で得られた各自由度の理論制御力を、各可変減衰ダンパ（９）に振り分ける振り分け手段（１５）と、
振り分け手段（１５）で振り分けた各自由度の理論制御力を重ね合わせて、各可変減衰ダンパの目標減衰力を発現させるための理論制御力を導出する重ね合わせ手段（１６）と、
重ね合わせ手段（１６）からの理論制御力を、相対変位センサ（Ｄ）から作成される可変減衰ダンパ（９）の相対速度と比較して目標減衰力の再現の可否を判定する判定手段（１７）と、
力センサ（Ｐ）からの可変減衰ダンパ（９）が発生する実減衰力を入力しており、前記判定手段（１７）において目標減衰力が再現できる場合には、目標減衰力に実減衰力を追随させるように可変減衰ダンパ（９）を制御し、目標減衰力が再現できない場合には、目標減衰力と実減衰力との差が最小になるように可変減衰ダンパ（９）の実減衰力を最小に制御する減衰力追従手段（１８）と、
を有することを特徴とするペイロードセミアクティブ制振装置の制御装置。
Ｘ，Ｙ，Ｚ軸周りの各回転方向の加速度を直接検出するようにした回転計を備えていることを特徴とする請求項６に記載のペイロードセミアクティブ制振装置の制御装置。