JP4587011B2

JP4587011B2 - Active seismic isolation control method and control device

Info

Publication number: JP4587011B2
Application number: JP2000358347A
Authority: JP
Inventors: 知生斎藤; 輝福喜多; 清人塩谷
Original assignee: Shimizu Corp
Current assignee: Shimizu Corp
Priority date: 2000-11-24
Filing date: 2000-11-24
Publication date: 2010-11-24
Anticipated expiration: 2020-11-24
Also published as: JP2002161649A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、免震床あるいは免震建物にアクチュエータを付加して、床あるいは建物をアクティブに制御するアクティブ免震の制御方法及び制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体工場などの精密生産施設では、地震時における生産機器類の耐震安全性確保や機能性維持が強く求められている。この対策としては、工場の一部に免震床を設置し、特に高価で重要な機器や転倒しやすい機器をその上に置くという方法が実施されている。
【０００３】
しかし、免震床は地震時に建物との間に大きな水平方向の相対変位を生ずるため、その周りに十分なクリアランスを取っておくことが必要となる。半導体工場などでは、製品が専用の運搬機械によって各行程を移動するため、生産ラインの中に免震床を設置しようとした場合、このクリアランスが大きな障害となる。
また、通常の免震建物や免震レトロフィットの場合にも、敷地境界までに十分な距離がなく、クリアランスの確保に苦労することは少なくない。
【０００４】
このような問題を解決するために、免震床あるいは免震建物にアクチュエータを付加してアクティブに制御することにより、床あるいは建物の絶対加速度及び相対変位をさらに抑制し、免震床あるいは免震建物の周囲に必要とされるクリアランスを減少させることが狙われている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、設置場所の状況に応じて、相対変位をどれだけ抑制するかといったことと、アクチュエータの能力に応じて、絶対加速度をどれだけ抑制するかといったことの両方を同時に参酌しながら、絶対加速度と相対変位とのどちらを重点的に抑制するかといったことまでを考慮した最適な振動制御を実現させることができず、結果的にアクチュエータの能力を十分に活用できていないおそれや、余分なクリアランスが存在するおそれがあった。
【０００６】
本発明は、上記課題に鑑みてなされたもので、設置場所の状況やアクチュエータの能力に応じて、最適な振動制御を実現することができるアクティブ免震の制御方法を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記の課題を解決して、このような目的を達成するために、本発明は、免震床あるいは免震建物にアクチュエータを付加することにより、床あるいは建物の絶対加速度及び相対変位を抑制するアクティブ免震の制御方法において、最適状態フィードバック制御における評価関数を、床あるいは建物の絶対加速度と相対変位とに独立に重みをかける形で構成し、前記評価関数は以下に示す式で表されることを特徴とする。
【数２】

ただし、ｕは制御力、ｙは床あるいは建物の相対変位と絶対加速度を要素にもつ出力ベクトル、ω _０は免震床あるいは免震建物の固有角振動数、λは相対変位と絶対加速度とのいずれを主に抑制したいかを決定するパラメタ、ｇは制御力の大きさを決定するパラメタである。
【０００８】
絶対加速度と相対変位は相反する制御量で、どちらかの制御を強くしていくと、ある段階から必ずもう一方は逆に大きくなってしまう。ここで、最適状態フィードバック制御における評価関数を上記のように構成することにより、単に絶対加速度及び相対変位を同時に低減するだけでなく、どちらの量を重点的に低減できるかまで設計できる。
【００１０】
また、前記評価関数を用いて最適状態フィードバック制御を行うような制御装置を用いて、免震床あるいは免震建物のアクティブ制御を行うことにより、上記の制御方法を有効に実施することができる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を添付した図面を参照しながら説明する。
図１は本発明の制御対象である免震床あるいは免震建物の概略図である。
【００１２】
本発明の制御対象は、図１に示すように、設置場所である基礎１と構造物である床２Ａあるいは建物２Ｂとの間に免震装置３が介されており、さらに、床２Ａあるいは建物２Ｂと基礎１との間にアクチュエータ４が付加されているものである。
【００１３】
このアクチュエータ４には、床上あるいは建物内と基礎１との両地点に設置されたセンサ５から得られた信号が入力されて、アクチュエータ４を指示通りに動作させるための制御装置６が接続されている。
この制御装置６により、床２Ａあるいは建物２Ｂがアクティブに制御される。
【００１４】
ここで、図１に示すようなアクティブ免震床あるいは免震建物を１質点系でモデル化し、固有振動数をｆ₀、固有角振動数をω₀＝２πｆ₀、減衰定数をｈ₀とする。状態フィードバックによる最適制御を行う場合、状態方程式及び観測方程式は次式で表すことができる。
【数３】

ただし、
【数４】

は床あるいは建物の相対変位と絶対加速度を要素にもつ出力ベクトル、
【数５】

である。
【００１５】
ここで、相対変位と絶対加速度とのいずれを主に抑制したいかを決定するパラメタλを導入し、制御力の大きさを決定するパラメタｇとともに、次式で評価関数を定義する。
【数６】

【００１６】
式（２），（８），（９）から、式（１０）は以下のように書き直せる。
【数７】

ただし、
【数８】

【００１７】
これより、最適制御入力が以下のように求められる。
【数９】

ここで、Ｐは以下のリカッチ方程式を解いて得られる正定対称行列である。
【数１０】

【００１８】
以上の構成により、パラメタｇを大きくすればするほど制御力は大きくなり、また、パラメタλは０の時に絶対加速度のみに、１の時には相対変位のみに、それぞれ重みが作用し、パラメタλが０から１に変化するに伴い制御の重点が絶対加速度から相対変位へ移ることになる。
【００１９】
よって、上記のような評価関数を用いて、最適状態フィードバック制御を行うことにより、パラメタｇ及びパラメタλの２つを適当に選択するだけで、アクチュエータ４の能力の制限の範囲内で、設置状況に応じて絶対加速度と相対変位のどちらに重点を置いてどの程度低減するのかを設計することができる。
【００２０】
すなわち、アクチュエータ４の能力の範囲内で、設置状況に応じて、免震床あるいは免震建物の周囲に必要なクリアランスを最小限にすることができ、免震システムの適用範囲を大幅に拡大することができる。
【００２１】
【実施例】
上記パラメタλ，ｇを変化させたときの絶対加速度及び相対変位に対する制御効果を評価する。免震床あるいは免震建物の固有振動数及び減衰定数はそれぞれｆ₀＝０．５Ｈｚ，ｈ₀＝１０％とした。評価指数としては、絶対加速度及び相対変位についてそれぞれの伝達関数のＨ₂ノルム
【数１１】

をとる。
これは白色雑音の加速度が入力した場合の床あるいは建物の絶対加速度及び相対変位のｒｍｓ値に相当する。
【００２２】
評価結果を図２に示す。ここで、図２（ａ）は絶対加速度に関する指標、（ｂ）は相対変位に関する指標であり、それぞれの指標を非制御の場合の指標により基準化した値で表現している。
【００２３】
図２（ａ）の絶対加速度に関する指標を見ると、λが０に近いときには、制御力が強まるほど（ｇが大きくなるほど）値が小さくなって絶対加速度が低減することを示しているが、λが１に近いときには、ある程度以上制御力を強めると絶対加速度が下げ止まり、反対に上昇に転ずることがわかる。これは、相対変位を抑制しようとした場合、床２Ａあるいは建物２Ｂが設置場所である基礎１あるいは地盤と同じ動きをしようとして、免震の効果を喪失することによる。
【００２４】
逆に、図２（ｂ）の相対変位に関する指標を見ると、λが１に近いときには、制御力が強まるほど相対変位も低減するが、λが０に近いときには、ある程度以上の制御力に対しては値が増加に向かう。
【００２５】
よって、例えば、免震床あるいは免震建物の周りにクリアランスを取る余裕が非常に少ない場合には、λを１に近くとり、ｇを１０²程度に設定することにより、絶対加速度の低減を多少犠牲にしながらも、相対変位をパッシブの場合の１／５程度まで抑えることができる。この場合でも、絶対加速度についてもパッシブの場合と比較するとさらに２割低減できていることがわかる。
【００２６】
【発明の効果】
本発明によれば、最適状態フィードバック制御における評価関数を、床あるいは建物の絶対加速度と相対変位とに独立に重みをかける形で構成したことにより、絶対加速度と相対変位のどちらを重点的に制御できるかといったことまで制御できる。これにより、アクチュエータの能力の範囲内で、設置状況に応じて、免震床あるいは免震建物の周囲に必要なクリアランスを最小限にすることができ、免震システムの適用範囲を大幅に拡大することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の制御対象である免震床あるいは免震建物の概略図である。
【図２】（ａ）は本発明による制御方法を用いて行った制御試験の評価指数の絶対加速度を示すグラフであり、（ｂ）は、同評価指数の相対変位を示すグラフである。
【符号の説明】
１基礎
２Ａ床
２Ｂ建物
３免震装置
４アクチュエータ
５センサ
６制御装置[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to an active seismic isolation control method and a control apparatus for actively controlling a floor or a building by adding an actuator to the seismic isolation floor or the seismic isolation building.
[0002]
[Prior art]
In precision production facilities such as semiconductor factories, it is strongly required to ensure seismic safety and maintain functionality of production equipment during an earthquake. As a countermeasure, a seismic isolation floor is installed in a part of the factory, and particularly expensive and important equipment or equipment that is easy to fall over is put on it.
[0003]
However, since the seismic isolation floor causes a large horizontal relative displacement with the building during an earthquake, it is necessary to leave sufficient clearance around it. In semiconductor factories and the like, the product moves through each process by a dedicated transport machine, so this clearance becomes a major obstacle when trying to install a seismic isolation floor in the production line.
Also, in the case of ordinary seismic isolation buildings and seismic isolation retrofits, there is not a sufficient distance to the site boundary, and it is often difficult to secure clearance.
[0004]
In order to solve such problems, by adding an actuator to the base isolation floor or base isolation building and actively controlling it, the absolute acceleration and relative displacement of the floor or building are further suppressed, and the base isolation floor or base isolation base is controlled. The aim is to reduce the clearance required around the building.
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
However, the absolute acceleration and the absolute acceleration can be reduced while considering both how much the relative displacement is suppressed according to the situation of the installation place and how much the absolute acceleration is suppressed according to the capacity of the actuator. Optimal vibration control that takes into account which of the relative displacements should be suppressed, cannot be realized. As a result, the capacity of the actuator may not be fully utilized, and there is excess clearance. May exist.
[0006]
The present invention has been made in view of the above problems, and an object of the present invention is to provide an active seismic isolation control method capable of realizing optimal vibration control according to the situation of the installation location and the capability of the actuator. .
[0007]
[Means for Solving the Problems]
In order to solve the above problems and achieve such an object, the present invention provides an active actuator that suppresses absolute acceleration and relative displacement of a floor or a building by adding an actuator to the base or floor. In the seismic isolation control method, the evaluation function in the optimum state feedback control is configured by weighting the absolute acceleration and relative displacement of the floor or building independently, and the evaluation function is expressed by the following formula It is characterized by.
[Expression 2]

Where u is the control force, y is an output vector having relative displacement and absolute acceleration of the floor or building as elements, ω ₀ is the natural angular frequency of the base-isolated floor or building , and λ is the relative displacement and absolute acceleration. A parameter that determines which one is mainly to be suppressed, and g is a parameter that determines the magnitude of the control force.
[0008]
Absolute acceleration and relative displacement are contradictory control amounts. If one of the controls is strengthened, the other will always increase from one stage to the other. Here, by configuring the evaluation function in the optimum state feedback control as described above, it is possible to design not only the absolute acceleration and the relative displacement at the same time but also which amount can be reduced intensively.
[0010]
Moreover, the above control method can be effectively implemented by performing active control of the base isolation floor or base isolation building using a control device that performs optimum state feedback control using the evaluation function.
[0011]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the accompanying drawings.
FIG. 1 is a schematic view of a seismic isolation floor or a base isolation building which is a control target of the present invention.
[0012]
As shown in FIG. 1, a seismic isolation device 3 is interposed between a foundation 1 as an installation location and a floor 2A or a building 2B as a structure, and the floor 2A or the building is controlled. An actuator 4 is added between 2B and the foundation 1.
[0013]
A signal obtained from sensors 5 installed on the floor or in both the building and the foundation 1 is input to the actuator 4 and a control device 6 for operating the actuator 4 as instructed is connected. Yes.
The control device 6 actively controls the floor 2A or the building 2B.
[0014]
Here, an active base isolation floor or base isolation building as shown in FIG. 1 is modeled by a one-mass system, and the natural frequency is f ₀ , the natural angular frequency is ω ₀ = 2πf ₀ , and the damping constant is h ₀ . . When optimal control by state feedback is performed, the state equation and the observation equation can be expressed by the following equations.
[Equation 3]

However,
[Expression 4]

Is an output vector whose elements are relative displacement and absolute acceleration of the floor or building,
[Equation 5]

It is.
[0015]
Here, a parameter λ for determining which one of the relative displacement and the absolute acceleration is mainly suppressed is introduced, and an evaluation function is defined by the following equation together with a parameter g for determining the magnitude of the control force.
[Formula 6]

[0016]
From equations (2), (8), and (9), equation (10) can be rewritten as follows.
[Expression 7]

However,
[Equation 8]

[0017]
Thus, the optimum control input is obtained as follows.
[Equation 9]

Here, P is a positive definite symmetric matrix obtained by solving the following Riccati equation.
[Expression 10]

[0018]
With the above configuration, as the parameter g is increased, the control force is increased. Further, when the parameter λ is 0, only the absolute acceleration is applied, and when the parameter λ is 1, the weight is applied only to the relative displacement. As the value changes from 1 to 1, the emphasis of control shifts from absolute acceleration to relative displacement.
[0019]
Therefore, by performing optimal state feedback control using the evaluation function as described above, it is possible to select the parameter g and the parameter λ appropriately, and within the range of the capacity limit of the actuator 4, the installation status. The degree of reduction can be designed with emphasis on either absolute acceleration or relative displacement.
[0020]
That is, within the capacity of the actuator 4, the clearance required around the base isolation floor or base isolation building can be minimized according to the installation situation, and the application range of the base isolation system can be greatly expanded. be able to.
[0021]
【Example】
The control effect on absolute acceleration and relative displacement when the parameters λ and g are changed is evaluated. The natural frequency and damping constant of the base isolation floor or base isolation building were f ₀ = 0.5 Hz and h ₀ = 10%, respectively. As an evaluation index, H ₂ norm of each transfer function for absolute acceleration and relative displacement

Take.
This corresponds to the rms value of the absolute acceleration and relative displacement of the floor or building when acceleration of white noise is input.
[0022]
The evaluation results are shown in FIG. Here, FIG. 2A is an index related to absolute acceleration, and FIG. 2B is an index related to relative displacement, and each index is expressed by a value normalized by an index in the case of non-control.
[0023]
2A shows that when λ is close to 0, the value decreases as the control force increases (g increases), and the absolute acceleration decreases. When is close to 1, it can be seen that if the control force is increased to some extent, the absolute acceleration stops decreasing and, conversely, starts to increase. This is because when the relative displacement is to be suppressed, the floor 2A or the building 2B tries to move in the same manner as the foundation 1 or the ground as the installation location, and the effect of seismic isolation is lost.
[0024]
Conversely, when looking at the index for relative displacement in FIG. 2B, when λ is close to 1, the relative displacement decreases as the control force increases, but when λ is close to 0, the control force exceeds a certain level. The value goes up.
[0025]
Therefore, for example, when there is very little room for clearance around the base-isolated floor or base-isolated building, the absolute acceleration can be reduced somewhat by setting λ close to 1 and setting g to about 10 ^2. While sacrificing, the relative displacement can be reduced to about 1/5 of the passive case. Even in this case, it can be seen that the absolute acceleration can be further reduced by 20% compared to the passive case.
[0026]
【The invention's effect】
According to the present invention, the evaluation function in the optimum state feedback control is configured by weighting the absolute acceleration and the relative displacement of the floor or the building independently, so that either the absolute acceleration or the relative displacement is controlled mainly. You can even control what you can do. As a result, the clearance required around the base isolation floor or base isolation building can be minimized depending on the installation conditions within the capacity of the actuator, greatly expanding the scope of application of the base isolation system. be able to.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic view of a seismic isolation floor or a seismic isolation building which is a control target of the present invention.
FIG. 2A is a graph showing the absolute acceleration of an evaluation index of a control test performed using the control method according to the present invention, and FIG. 2B is a graph showing the relative displacement of the evaluation index.
[Explanation of symbols]
1 Foundation 2A Floor 2B Building 3 Seismic Isolation Device 4 Actuator 5 Sensor 6 Control Device

Claims

In an active seismic isolation control method that suppresses absolute acceleration and relative displacement of the floor or building by adding an actuator to the seismic isolation floor or base isolation building,
The evaluation function in the optimal state feedback control is configured by weighting the absolute acceleration and relative displacement of the floor or building independently ,
The evaluation function is expressed by the following formula, and the active seismic isolation control method.

Where u is the control force, y is an output vector having relative displacement and absolute acceleration of the floor or building as elements, ω ₀ is the natural angular frequency of the base-isolated floor or building , and λ is the relative displacement and absolute acceleration. A parameter that determines which one is mainly to be suppressed, and g is a parameter that determines the magnitude of the control force.

A control apparatus using the active seismic isolation control method according to claim 1 .